KR101627221B1 - 전기 자동차의 모터 구동장치 - Google Patents

전기 자동차의 모터 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 모터 구동장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치는, 배터리로부터 전원을 공급받는 커패시터와, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터와, 배터리와 커패시터 사이에 구비되며, 배터리로부터의 초기 전원 공급시 초기 전원을 소비하며, 커패시터의 직류 전원 방전시 직류 전원을 소비하는 공통 저항 소자를 구비하는 커패시터 보호부를 포함한다. 이에 의해, 전기 자동차의 모터 구동장치의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
Figure R1020090109906
전기, 자동차, 모터

Description

전기 자동차의 모터 구동장치{Apparatus for dirving motor of electric vehicle}
본 발명은 전기 자동차의 모터 구동장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 신뢰성을 확보할 수 있는 전기 자동차의 모터 구동장치에 관한 것이다.
내연기관의 발명에 의해 출현하게 된 자동차는 인류의 생활에 없어서는 안될 필수품이나, 환경오염의 주범 및 막대한 에너지의 소비에 의한 에너지 고갈 문제를 초래하게 되었으며, 내연기관을 동력으로 하는 자동차 대신에 전기를 동력으로 하는 전기자동차나, 내연기관과 이들을 조합한 하이브리드 자동차가 개발되어 사용되고 있는 추세에 있다.
한편, 이러한 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 등은, 모터 및 배터리 등을 이용하여 그 출력을 발생시키고 있으며, 출력 및 주행 거리 향상을 위한 다양한 시도가 계속되고 있다.
본 발명의 목적은, 신뢰성 향상을 위한 전기 자동차의 모터 구동장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치는, 배터리로부터 전원을 공급받는 커패시터와, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터와, 배터리와 커패시터 사이에 구비되며, 배터리로부터의 초기 전원 공급시 초기 전원을 소비하며, 커패시터의 직류 전원 방전시 직류 전원을 소비하는 공통 저항 소자를 구비하는 커패시터 보호부를 포함한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치는, 배터리로부터 전원을 공급받는 커패시터와, 복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터와, 커패시터의 직류 전원 방전시 커패시터의 직류 전원을 변환하여 배터리로 공급하는 직류/직류 변환부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 자동차의 모터 구동장치에 있어서, 배터리로부터의 초기 전원 공급시 공급되는 직류 전원을 소비하거나 커패시터의 직류 전원 방전시 직류 전원을 소비할 수 있어, 회로 안정성이 향상되어 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
특히, 초기 전원 공급시의 직류 전원 소비와 커패시터 방전시의 직류 전원 소비를 공통의 저항 소자를 이용함으로써, 효율적으로 구성할 수 있게 된다. 나아가 제조비용도 저감하게 된다.
한편, 커패시터 방전시, 커패시터의 직류 전원을 변환하여 배터리로 공급할 수 있어, 에너지를 효율적으로 관리할 수 있게 된다.
또한, 커패시터 방전시, 커패시터의 직류 전원을 변환하여 배터리로 공급하였다가 이후 공통의 저항 소자를 이용하는 것이 가능하므로, 에너지의 효율적인 관리 및 커패시터의 신속한 방전을 수행할 수 있게 된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차(100)는, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받는 모터 구동장치(200), 모터 구동장치(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165), 차체의 경사각을 감지하는 경사각 감지부(190)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 따라 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
경사각 감지부(190)는, 차체의 경사각을 감지하며, 감지된 경사각은 후술하는 전자 제어부(310)에 입력된다. 경사각 감지부(190)는, 자이로 센서 또는 수평 게이지 센서 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도면에서는 경사각 감지부(190)가 배터리(205) 상에 배치되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 앞바퀴(150), 뒷바퀴(155) 또는 앞바퀴(150)와 뒷바퀴(155) 모두에 배치될 수있다.
배터리(205)는 모터 구동장치(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동장치 내(200)의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동장치(200) 내의 인버터 제어부(230)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 전원입력케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다. 변환되는 교류전원은 삼상교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 삼상출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상교류전원을 공급한다. 도 1의 모터 구동장치(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상출력케이블(125)을 도시하였으나, 단일의 케이블 내에 세 개의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)에 대해서는 도 2 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(140)이 구비되어 모터 구동장치(200)에서 공급되는 교류전원을 인가 받는다. 모터(250)는, 예를 들어, 삼상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 따라 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 따라 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 전기 자동차(100)가 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 전기 자동차(100)를 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 전기 자동차(100)는, 전기 자동차 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 전기 자동차(100)의 경사각 감지하는 경사각 감지부(미도시), 전기 자동차(100)의 속도를 감지하는 속도 감지부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 감지부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 감지부(미도시) 등으로부터의 감지 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치는, 예를 들어, 토크 지령치 또는 속도 지령치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자동차(100)는, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 자동차는, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 자동차를 포함하는 개념일 수 있다. 이때, 하이브리드 전기 자동차 는, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다. 한편, 하이브리드 전기 자동차는, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치를 도시한 회로도이며, 도 3 내지 도 4는 도 2의 구동장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 커패시터(C), 커패시터 보호부(210), 인버터(220), 및 인버터 제어부(230)를 포함할 수 있다. 한편, 모터(250)에 흐르는 출력 전류 검출을 위한 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수도 있다.
커패시터(C)는, 배터리(205)로 부터 공급되는 전원을 평활 및 저장한다. 커패시터(C) 양단은, dc 단 또는 dc 링크단이라고도 한다. dc 단에서 평활된 직류 전원은 인버터(220)에 인가되어 교류 전원 생성에 사용된다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 모터 구동장치(200)는, dc 단 전압(Vdc) 검출을 위한, dc 단 전압 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
dc 단 전압 검출부(미도시)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230) 또는 상술한 전자 제어부(미도시)에 입력될 수 있다. 검출된 dc 단 전압(Vdc)은, 상술한 바와 같이, 배터리 전원 관리를 위해 사용될 수 있다.
한편, 커패시터(C)는, 배터리(205)로부터 수백 V의 전압이 공급되므로, 신뢰성을 위해, dc 단 양단에 복수개가 병렬 접속되는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 초기 전원 공급시 커패시터(C)로의 돌입 전류 방지, 및 모터 구동장치(200) 오프(off)시, 커패시터(C) 보호를 위해 방전이 수행될 수 있는 커패시터 보호부(210)를 구비한다.
커패시터 보호부(210)는, 배터리(205)와 커패시터(C) 사이에 구비되며, 배터리로(205)부터의 초기 전원 공급시, 즉 초기 충전시 초기 전원을 소비하거나, 커패시터(C)의 방전시 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 소비할 수 있다.
이를 위해, 커패시터 보호부(210)는, 배터리(205)와 커패시터(C) 사이에 구비되는 제1 스위칭 소자(S1), 배터리(205)와 커패시터(C) 사이에 구비되며 제1 스위칭 소자(S)에 병렬 접속되는 제2 스위칭 소자(S2), 배터리(205)와 제2 스위칭 소자(S2) 사이에 구비되는 공통 저항 소자(R), 및 제2 스위칭 소자(S2), 공통 저항 소자(R) 사이의 접점(N1)과 접지단 사이에 구비되는 제3 스위칭 소자(S3)를 포함할 수 있다. 한편, 제1 스위칭 소자 내지 제3 스위칭 소자(S1~S3)는 릴레이일 수 있다.
도 3은, 배터리(205)로부터의 초기 전원 공급시에 발생하는 돌입 전류를 도시한다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, Tx 시점에, 배터리(205)로부터 전원이 커패시터(C)로 순간적으로 공급되는 경우, 도 3(b)와 같이, 순간적인 피크 전류가 커패 시터(C)로 공급되게 되어, 커패시터(C)의 소손 가능성이 높아지게 된다.
한편, 도 4는 커패시터 보호부(210)의 동작 및 그에 따른 커패시터의 직류 전원의 변화를 보여주는 타이밍도이다.
T1 시점에 제2 스위칭 소자(S2)가 턴온되는 경우, 배터리(205)로부터의 직류 전원은 제2 스위칭 소자(S2), 및 공통 저항 소자(R)를 지나 커패시터(C)에 저장되게 된다. 이때, 배터리(205)로부터의 직류 전원은 공통 저항 소자(R)에서 소비되며, 따라서, dc 단 전압(Vdc)은 서서히 상승하기 시작한다.
다음, T2 시점에 제2 스위칭 소자(S2)가 턴 오프되고, 제1 스위칭 소자(S1)가 턴온되는 경우, 배터리(205)로부터의 직류 전원은 제1 스위칭 소자(S1)를 지나 바로 커패시터(C)에 저장되게 된다. 따라서, dc 단 전압(Vdc)은 일정 레벨 이상을 유지하게 된다.
다음, T3 시점에 제1 스위칭 소자(S1)가 턴 오프되고, 제3 스위칭 소자(S3)가 턴온되는 경우, 커패시터(C)로부터의 직류 전원은 공통 저항 소자(R) 및 제3 스위칭 소자(S3)를 지나 접지단으로 흐르게 된다. 이때, 배터리(205)로부터의 직류 전원은 공통 저항 소자(R)에서 소비되며, 따라서, dc 단 전압(Vdc)은 서서히 감소하기 시작한다.
그리고, T4 시점에 제3 스위칭 소자(S3)가 턴오프되는 경우, 커패시터(C)는 완전 방전되게 된다. 여기서 T4 시점은, 검출된 dc 단 전압(Vdc)에 따라 가변될 수 있다.
이와 같이, 초기 전원 공급시, 또는 전원 오프시에 따른 커패시터 방전시에 공통 저항 소자(R)를 이용하여, 전력을 소비함으로써, 회로 안정성이 향상되어 신뢰성을 확보할 수 있으며, 회로 구성을 효율적으로 할 수 있게 된다. 나아가 제조비용도 저감할 수 있게 된다.
인버터(220)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 소자의 온/오프 동작에 의해 평활된 직류 전원을 전압 가변/주파수 가변의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 모터(250)에 출력한다.
인버터(220)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결될 수 있다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결될 수 있다.
인버터(220) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(230)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 전압 가변/주파수 가변의 삼상 교류 전원이 삼상 모터(250)에 출력되게 된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(220)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력전류를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 한 상 또는 두 상의 출력전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(220)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 션트 저항은 인버터(220)의 3개의 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)에 일단이 각각 접속될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(230)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여, 입력전류를 추정하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 검출된 출력전류(io)는, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)의 생성에 사용될 수도 있다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 인버터(220)의 스위칭 동작을 제어한다.
모터(250)에 속도 검출 센서가 부착되는 센서(sensor) 타입의 경우, 인버터 제어부(230)는 검출된 속도를 기반으로 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 생성하여 이를 인버터(220)에 출력할 수 있다.
한편, 모터(250)에 속도 검출 센서 등이 부착되지 않는 센서리스(sensorless) 타입의 경우, 인버터 제어부(230)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받아, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 생성하여 이를 인버터(220)에 출력할 수 있다. 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 PWM(pulse width modulation)용 스위칭 제어신호일 수 있다. 인버터 제어부(230) 내의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)의 출력에 대한 상세 동작은 도 5를 참조하여 후술한다.
한편, 인버터 제어부(230)는, 커패시터 보호부(210) 내의 스위칭 소자(S1~S3)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 인버터 제어부(230)는, 검출되는 dc 단 전압(Vdc)를 입력받을 수 있으며, 또한, 배터리 전압(Vbat)을 입력받 을 수 있다.
도 5는 도 2의 인버터 제어부 내부의 간략 블록도이다.
도면을 참조하여 설명하면, 인버터 제어부(230)는, 전류 지령 생성부(510), 전압 지령 생성부(520), 스위칭 제어신호 출력부(530)를 포함할 수 있다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 삼상의 출력전류(io)를 d축, q축 전류로 변환하거나 d축, q축 전류를 삼상의 전류로 변환하는 축 변환부를 더 포함할 수도 있다.
전류 지령 생성부(510)는, 전자 제어부(미도시)로부터 입력되는 토크 지령치(T*)에 기초하여 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성한다. 예를 들어, 모터(250)의 기계 방정식 및 전기 방정식을 서로 비교하여, 토크 지령치(T*)에 따른 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성할 수 있다. 한편, 전류 지령치(i* d,i* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 구비할 수 있다.
전압 지령 생성부(520)는 검출된 출력전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)에 기초하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성한다. 예를 들어, 전압 지령 생성부(520)는, 검출된 출력전류(io)와 연산된 전류 지령치(i* d,i* q)의 차이에 기초하여, PI 제 어를 수행하여 전압 지령치(v* d,v* q)를 생성할 수 있다. 이를 위해, 전압 지령 생성부(520)는 PI 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 또한, 전압 지령치(v* d,v* q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
스위칭 제어신호 출력부(530)는 전압 지령치(v* d,v* q)에 기초하여 PWM신호인 인버터용 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 인버터(220)로 출력한다. 이에 따라 인버터(220) 내의 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)는 온/오프 스위칭 동작을 수행하게 된다.
한편, 도 5에 도시된 모터 구동장치 내의 인버터 제어부(230)는 토크 지령치 기반의 토크 제어를 위한 구성으로 도시되고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 속도 지령치 기반의 속도 제어를 위한 구성도 가능하다.
예를 들어, 인버터 제어부(230)는, 전자 제어부(미도시)로부터 입력되는 속도 지령치(v*)와 모터 속도(v)에 기초하여, 전류 지령치(i* d,i* q)를 생성할 수도 있따. 한편, 모터 속도(v)는, 센서 타입의 경우, 센서에 의해 검출되는 속도일 수 있으며, 센서리스 타입의 경우, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 모터(250)의 속도(v)를 추정하는 추정부에서 생성될 수도 있다.
인버터 제어부(230)의 블록도는 본 발명의 일실시예를 위한 블록도이다. 블 록도의 각 구성요소는 실제 구현되는 인버터 제어부(230)의 사양 또는 모터(250)의 종류에 따라 통합, 추가, 또는 생략될 수 있다. 즉, 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다. 또한, 각 블록에서 수행하는 기능은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것이며, 그 구체적인 동작이나 장치는 본 발명의 권리범위를 제한하지 아니한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치를 도시한 회로도이며, 도 7은 도 6의 구동장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 도 6의 모터 구동장치(600)는, 커패시터(C), 커패시터 보호부(610), 직류/직류 변환부(615), 인버터(620), 및 인버터 제어부(630)를 포함할 수 있다. 한편, 모터(250)에 흐르는 출력 전류 검출을 위한 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수도 있다.
도 6의 모터 구동장치(600)는, 도 2의 모터 구동장치(200)과 유사하며, 이하에서는 그 차이점을 중심으로 기술한다.
커패시터 보호부(610)의 구성은 도 2의 커패시터 보호부(210)와 동일할 수 있다. 한편, 도 6의 모터 구동장치(600)는, 도 2의 모터 구동장치(200)와 달리 직류/직류 변환부(615)를 더 포함할 수 있다.
직류/직류 변환부(615)는, 커패시터(C) 방전 이전에, 커패시터(C)에 저장된 직류 전압, 즉 dc 단 전압(Vdc)을 직류/직류 변환하여 배터리(205)로 공급하도록 한다.
이를 위해, 직류/직류 변환부(615)는, 배터리(205)와 커패시터(C) 사이에 서로 직렬로 구비되는 다이오드 소자(D)와 인덕터 소자(L), 및 다이오드 소자(D)와 인덕터 소자(L) 사이의 접점(N2)과 접지단 사이에 구비되는 제4 스위칭 소자(S4)를 포함할 수 있다.
직류/직류 변환부(615)는, 제4 스위칭 소자(S4)의 턴 온 동작에 의해 dc 단 전압(Vdc)을 인덕터 소자(L)에 저장하였다가, 제4 스위칭 소자(S4)의 턴 오프동작에 의해 인덕터 소자(L)에 저장된 전원을 배터리(205)로 공급한다.
이러한 직류/직류 변환부(615)는, 부스트 컨버터(boost conveter)라 할 수 있다. 한편, 제4 스위칭 소자(S4)는 IGBT 또는 FET일 수 있다.
제4 스위칭 소자의 턴 온 타이밍, 즉 듀티비는, 시간에 따라 가변될 수 있다. 예를 들어, 부스트 컨버터 동작 기간 중, dc 단 전압(Vdc)이 작아질수록 제4 스위칭 소자(S4)의 듀티비는 커질 수 있다.
도 7은 커패시터 보호부(610) 및 직류/직류 변환부(615)의 동작 및 그에 따른 커패시터의 직류 전원의 변화를 보여주는 타이밍도이다.
Ta 내지 Tb 까지의 동작은 도 4의 T1 내지 T2 까지의 동작과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
다음, Tc 시점에 제4 스위칭 소자(S4)가 턴온되는 경우, 인덕터 소자(L)와 커패시터(C)로 이루어지는 폐루프를 구성하므로, dc 단 전압(Vdc)의 일부에 대응하는 에너지가 인덕터 소자(L)에 저장되게 된다. 이때, dc 단 전압(Vdc)은 전력 소비가 없으므로 큰 변화가 없게 된다.
다음, Td 시점에 제4 스위칭 소자(S4)가 턴오프되는 경우, 인덕터 소자(L)에 저장된 에너지 또는 dc 단 전압(Vdc)은 다이오드 소자(D)를 거쳐 배터리(205)로 공급되게 된다. 이에 따라 dc 단 전압(Vdc)은 서서히 감소하기 시작한다.
다음, Te 시점에 제3 스위칭 소자(S3)가 턴오프되는 경우, 커패시터(C)로부터의 직류 전원(Vdc)은 공통 저항 소자(R) 및 제3 스위칭 소자(S3)를 지나 접지단으로 흐르게 된다. 이때, 배터리(205)로부터의 직류 전원은 공통 저항 소자(R)에서 소비되며, 따라서, dc 단 전압(Vdc)은 감소하기 시작한다.
그리고, Tf 시점에 제3 스위칭 소자(S3)가 턴오프되는 경우, 커패시터(C)는 완전 방전되게 된다. 여기서 Tf 시점은, 검출된 dc 단 전압(Vdc)에 따라 가변될 수 있다.
이와 같이, 커패시터 방전시, 커패시터의 직류 전원(Vdc)을 변환하여 배터리(205)로 공급하였다가 이후 공통의 저항 소자(R)를 이용하여 방전할 수 있어, 에너지의 효율적인 관리 및 커패시터의 신속한 방전을 수행할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치를 도시한 회로도이며, 도 9는 도 8의 구동장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 도 8의 모터 구동장치(800)는, 커패시터(C), 돌입전류 방지부(810), 직류/직류 변환부(815), 인버터(820), 및 인버터 제어부(830)를 포함할 수 있다. 한편, 모터(250)에 흐르는 출력 전류 검출을 위한 출력 전류 검출부(E)를 더 포함할 수도 있다.
도 8의 모터 구동장치(800)는, 도 6의 모터 구동장치(600)와 유사하며, 이하 에서는 그 차이점을 중심으로 기술한다.
돌입전류 방지부(810)는, 배터리로(805)부터의 초기 전원 공급시 돌입 전류를 방지한다. 이를 위해, 돌입전류 방지부(810)는, 배터리(205)와 커패시터(C) 사이에 구비되며 서로 병렬 접속되는 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2), 제2 스위칭 소자(S2)와 커패시터(C) 사이에 구비되는 저항 소자(R)를 포함한다. 한편, 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)는 릴레이일 수 있다.
한편, 직류/직류 변환부(815)의 구성은, 도 6의 직류/직류 변환부(615)의 구성과 동일할 수 있다.
도 9는 돌입전류 방지부(810) 및 직류/직류 변환부(815)의 동작 및 그에 따른 커패시터의 직류 전원의 변화를 보여주는 타이밍도이다.
Tk 시점 내지 Tl 시점 까지의 동작은 도 4의 T1 내지 T2 까지의 동작과 동일하므로 그 설명을 생략한다.
다음, Tm 시점에 제3 스위칭 소자(S3)가 턴온되고, 제2 스위칭 소자가 턴 오프되는 경우, 인덕터 소자(L)와 커패시터(C)로 이루어지는 폐루프를 구성하므로, dc 단 전압(Vdc)의 일부에 대응하는 에너지가 인덕터 소자(L)에 저장되게 된다. 이때, dc 단 전압(Vdc)은 전력 소비가 없으므로 큰 변화는 없게 된다.
다음, Tn 시점에 제3 스위칭 소자(S3)가 턴오프되는 경우, 인덕터 소자(L)에 저장된 에너지 또는 dc 단 전압(Vdc)은 다이오드 소자(D)를 거쳐 배터리(205)로 공급되게 된다. 이에 따라 dc 단 전압(Vdc)은 서서히 감소하기 시작한다.
다음, To 시점에서 커패시터(C)는 완전 방전되게 된다. 여기서 To 시점은, 검출된 dc 단 전압(Vdc)에 따라 가변될 수 있다.
이와 같이, 커패시터 방전시, 커패시터의 직류 전원(Vdc)을 변환하여 배터리(205)로 공급할 수 있어, 에너지를 효율적으로 관리할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치를 도시한 회로도이다
도 3 내지 도 4는 도 2의 구동장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치를 도시한 회로도이다.
도 7은 도 6의 구동장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 자동차의 모터 구동장치를 도시한 회로도이다.
도 9는 도 8의 구동장치의 동작을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

Claims (12)

  1. 배터리로부터 전원을 공급받는 커패시터;
    복수개의 스위칭 소자를 구비하고, 스위칭 동작에 의해 상기 커패시터의 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터; 및
    상기 배터리와 상기 커패시터 사이에 구비되며, 상기 배터리로부터의 초기 전원 공급시 상기 초기 전원을 소비하며, 상기 커패시터의 직류 전원 방전시 상기 직류 전원을 소비하는 공통 저항 소자를 구비하는 커패시터 보호부;를 포함하며,
    상기 커패시터 보호부는,
    상기 배터리와 상기 커패시터 사이에 구비되는 제1 스위칭 소자;
    상기 배터리와 상기 공통 저항 소자 사이에 구비되며, 상기 제1 스위칭 소자에 병렬 접속되는 제2 스위칭 소자; 및
    상기 제2 스위칭 소자, 상기 공통 저항 소자 사이의 접점과, 접지단 사이에 구비되는 제3 스위칭 소자;를 더 포함하며,
    상기 공통 저항 소자의 일단은, 상기 제2 스위칭 소자, 및 상기 제3 스위칭 소자에 접속되며,
    상기 공통 저항 소자의 타단은, 상기 커패시터에 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 보호부는,
    상기 배터리로부터의 초기 전원 공급시, 상기 제2 스위칭 소자가 턴 온 되어 상기 초기 전원을 상기 공통 저항 소자를 통해 상기 커패시터로 공급하며,
    상기 커패시터의 직류 전원 방전시, 상기 제3 스위칭 소자가 턴 온 되어 상기 커패시터의 직류 전원을 상기 공통 저항 소자를 통해 상기 접지단으로 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터 보호부는,
    상기 제2 스위칭 소자가 턴 오프되고, 상기 제1 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 배터리부터의 전원을 상기 커패시터로 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모터에 흐르는 출력 전류에 기초하여 생성된 인버터 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 커패시터의 직류 전원 방전 이전에, 상기 커패시터의 직류 전원을 변환하여 상기 배터리로 공급하는 직류/직류 변환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 직류/직류 변환부는,
    상기 배터리와 상기 커패시터 사이에, 서로 직렬로 구비되는 다이오드 소자와 인덕터 소자; 및
    상기 다이오드 소자와 상기 인덕터 소자 사이의 접점과 상기 접지단 사이에 구비되는 제4 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 직류/직류 변환부는,
    상기 제4 스위칭 소자가 턴 온되어, 상기 커패시터의 직류 전원의 일부를 상기 인덕터 소자에 저장하며,
    상기 제4 스위칭 소자가 턴 오프되어, 상기 인덕터 소자에 저장된 전원의 적어도 일부를 상기 배터리로 공급하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    토크 지령치에 기초하여 전류 지령치를 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령치 및 상기 모터에 흐르는 출력전류에 기초하여 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 생성부; 및
    상기 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터 스위칭 제어신호를 생성하여 출력하는 스위칭 제어신호 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 모터 구동장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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