KR101823076B1 - Isg 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 ISG 시스템은, 고정자 권선이 오픈형 권선(Open-winding) 형태로 구성된 모터; 상기 고정자 권선의 일단에 연결되는 제1 인버터; 상기 고정자 권선의 타단에 연결된 제2 인버터; 상기 제1 인버터를 개재하여 상기 모터와 연결되는 고전압 전원부; 및 상기 제2 인버터를 개재하여 상기 모터와 연결되는 저전압 전원부를 포함한다.

Description

ISG 시스템 및 그 제어 방법{INTEGRATED STARTER GENERATOR SYSTEM AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 ISG 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 오픈형 권선 모터를 포함하는 ISG 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
ISG(Integrated Starter & Generator) 시스템은 기존의 자동차 시스템에서 엔진의 초기 시동을 위해 존재하는 시동모터와 차량 내 전자장비의 전원공급을 위한 12~24V 배터리 충전용 발전기를 하나의 전동기로 결합하여 사용하고자 개발된 기술이다. ISG 시스템은 Idle Stop & Go 이외에 엔진 토크(Engine Torque)를 보조하고 회생제동기능을 수행한다.
최근 ISG 시스템용 전동기의 경우 시동모터와 발전기로써의 기능뿐만 아니라 회생제동의 기능과, 모터 토크 보조 기능을 함께 사용함으로써 기술의 효용성을 높여 적은 비용으로 큰 효과를 낼 수 있도록 개발되고 있다. ISG 시스템은 기존 자동차 시스템에서 일반적으로 발전기의 위치에 대체배치되어 연비 향상 및 배기가스 배출 저감을 위한 마일드 하이브리드 차량에 적용되고 있다. 보다 구체적으로 차량이 저속 주행 또는 정차 후 출발 시 엔진 동력을 이용하지 않고 모터/발전기 및 배터리 전력만을 이용하여 순수 전기 자동차 모드로 주행을 하고 감속 및 정차 시에는 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 회생에너지를 배터리로 환원하여 시스템의 효율을 향상시킨다.
하지만, ISG 시스템의 적용하기 위해서는 기존의 차량에서 사용하는 12~24V의 배터리만으로는 고속 운전이 요구되는 ISG 시스템의 특성상 운전 영역의 제한이 발생하기 때문에 별도의 고전압 전원부가 요구된다. 따라서, 현재 세계적인 마일드 하이브리드의 시스템의 흐름을 살펴보면 두 개의 배터리(전원부)를 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들어 모터/발전기를 구동하기 위한 24V이상 전압의 배터리(고전압 전원부)와 차량의 전자 장비에 전원을 공급하기 위한 24V이하 전압의 배터리(저전압 전원부)가 사용된다.
일반적으로 ISG 시스템을 사용하는 기존의 마일드 하이브리드 차량은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고전압 전원부(1300)와 저전압 전원부(1500) 사이에 개재된 양방향 전력 변환 장치(1400)를 이용한다. 모터(1100)가 많은 전력을 필요로 할 때에는 저전압 전원부(1500)의 전력을 고전압 전원부(1300)로 전송하여 모터(1100)의 구동 전력을 보조하고, 차량 내부의 전자 장비들의 부하가 증가하는 경우 모터(1100)로부터 발전된 에너지를 고전압 전원부(1300)에 저장 후 저전압 전원부(1500)로 전력을 공급한다.
하지만 이와 같은 양방향 전력 변환 장치(1400)를 이용함으로서 두 단계의 에너지 변환 과정을 거쳐야 하기 때문에 시스템의 에너지 변환 효율이 감소되는 단점이 있다. 또한, 양방향 전력 변환 장치(1400)를 구성하기 위해 추가적으로 수동 전력 소자를 사용하여야 하므로 구성 시스템의 가격이 상승하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 양방향 전력 변환 장치를 제거한 ISG 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템은, 고정자 권선이 오픈형 권선(Open-winding) 형태로 구성된 모터; 상기 고정자 권선의 일단에 연결되는 제1 인버터; 상기 고정자 권선의 타단에 연결된 제2 인버터; 상기 제1 인버터를 개재하여 상기 모터와 연결되는 고전압 전원부; 및 상기 제2 인버터를 개재하여 상기 모터와 연결되는 저전압 전원부를 포함한다.
토크 지령치 및 각속도를 수신하고, 상기 토크 지령치를 추종하기 위한 모터 전류 지령치를 생성하는 모터 전류 지령치 생성부; 상기 모터 전류 지령치를 추종하기 위한 모터 전압 지령치를 생성하는 모터 전압 지령치 생성부; 및 상기 고전압 전원부 및 저전압 전원부의 충전에 요구되는 총 전력 중 상기 저전압 전원부의 충전에 요구되는 전력에 대한 전력 비율을 산출하는 전력 비율 산출부를 더 포함하고, 상기 전력 비율과 상기 모터 전압 지령치를 곱한 값인 제2 인버터 출력 전압 지령치에 따라 상기 제2 인버터를 제어할 수 있다.
상기 제1 인버터는 상기 모터 전류 지령치에 근거하여 상기 모터의 전류를 제어할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 제어 방법은, 고전압 전원부 및 저전압 전원부에서 각각 필요한 충전 전류를 결정하는 단계; 상기 충전 전류로부터 필요한 토크 지령치를 도출하는 단계; 상기 토크 지령치를 추종하기 위한 모터 전류 지령치를 도출하는 단계; 상기 모터 전류 지령치를 추종하기 위한 모터 전압 지령치를 도출하는 단계; 상기 고전압 전원부 및 저전압 전원부에서 충전에 필요한 전력 비율 및 상기 모터 전압 지령치에 근거한 제2 인버터 출력 전압 지령치에 따라, 상기 저전압 전원부와 모터 사이에 개재된 제2 인버터를 제어하는 단계; 및 상기 모터 전류 지령치에 근거한 제1 인버터 출력 전압 지령치에 따라, 상기 고전압 전원부와 상기 모터 사이에 개재된 제1 인버터를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 제1 인버터 출력 전압 지령치의 극성 및 상기 제2 인버터 출력 전압 지령치의 극성은 상기 모터의 역기전력 전압 극성과 반대가 되도록 제어되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 인버터 출력 전압 지령치는 상기 전력 비율 및 상기 모터 전압 지령치를 곱한 값일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 제어 방법은, 저전압 전원부의 최대 전압을 사용하도록 산출된 제2 인버터 출력 전압 지령치를 사용하여 상기 저전압 전원부와 모터 사이에 개재된 제2 인버터를 제어하는 단계; 및 모터 전류를 제어하도록 산출된 제1 인버터 출력 전압 지령치를 사용하여 고전압 전원부와 상기 모터 사이에 개재된 제1 인버터를 제어하는 단계를 포함한다.
허수축 전류 성분을 0으로 하고, 실수축 전류 성분만을 포함하도록 모터 전류 지령치를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 인버터 출력 전압 지령치는 허수축 전압 성분을 0으로 하고, 실수축 전압 성분만을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 양방향 전력 변환 장치를 제거한 ISG 시스템 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 ISG 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 모터의 고정자 권선의 형태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 단상 등가 회로에 대한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 충전 제어 시의 단상 등가 회로에 대한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 방전 제어 시의 단상 등가 회로에 대한 회로도이다.
도 7은 도 2의 ISG 시스템을 더 상세히 표현한 회로도이다.
도 8은 dq 변환에 따른 실수축 등가 회로에 대한 회로도이다.
도 9는 dq 변환에 따른 허수축 등가 회로에 대한 회로도이다.
도 10은 ISG 시스템의 충전 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 제어에 따른 제1 인버터 출력 전압 지령치, 제2 인버터 출력 전압 지령치, 모터 전압 지령치 및 모터 전류 지령치의 관계를 벡터로 도시한 도면이다.
도 12는 모터가 구동 정지 상태일 때의 등가 회로에 대한 회로도이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템에서 고전압 전원부로부터 저전압 전원부로 전력 전송을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 13의 제어에 따른 제1 인버터 제어 전압 지령치, 제2 인버터 제어 전압 지령치, 모터 전압 지령치 및 모터 전류 지령치의 관계를 벡터로 도시한 도면이다.
이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템을 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 모터의 고정자 권선의 형태를 도시한 도면이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템은, 구동 모터 및 발전기의 역할이 모두 가능한 모터(100), 고전압 전원부(310), 저전압 전원부(320), 제1 인버터(210) 및 제2 인터버(220)를 포함한다.
모터(100)는 도 3과 같이 고정자 권선이 오픈형 권선(Open-winding) 형태로 구성된다. 모터(100)에는 고정자 권선의 중성점이 없다. 고정자 권선의 일단(a, b, c)에는 제1 인버터(210)가 연결된다. 또한 고정자 권선의 타단(a', b', c')에는 제2 인버터(220)가 연결된다. 고정자 권선의 일단(a, b, c) 및 타단(a', b', c') 사이에는 각각 고정자 인덕터(101, 102, 103)가 개재되어 있다.
모터(100)의 회전축은 차량의 엔진 회전축과 다양한 동력 전달 형태로 연결될 수 있고, 엔진 시동 시에 초기 회전력을 제공하거나 차량의 저속 주행 시에 순수 전기자동차 모드로 주행하기 위해 모터링 모드(방전 제어)로 구동될 수 있다. 또한 차량이 주행 중 또는 감속 및 브레이크 동작 시에는 발전기 모드(충전 제어)로서 구동될 수 있다.
모터(100)는 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)로 구현될 수 있다. 또한, 계자 권선형 동기 전동기, 릴럭턴스 모터, 유도 전동기 등의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 모터(100)의 고정자 권선의 상수(number of phase)는 두 개 이상이면 어떤 형태로든 구현할 수 있다.
고전압 전원부(310)는 제1 인버터(210)를 개재하여 모터(100)와 연결된다. 고전압 전원부(310)는 일반적으로 24V 이상 전압의 에너지 용량이 고려된다. 따라서 리튬 이온(Lithum-ion) 배터리 등과 같은 2차 전지로 구현될 수 있으며, 슈퍼 콘덴서로 구현될 수도 있다.
고전압 전원부(310)는 차량의 엔진이 시동을 걸거나 또는 순수 전기자동차 모드로 주행하는 경우 모터(100)가 모터링 모드(방전 제어)로 구동될 때 모터(100)에 전원을 공급하는 기능을 수행하며, 감속 주행이나 정차 시 브레이크 동작을 하는 경우 모터(100)가 회생 에너지를 회수하기 위해 발전기 모드(충전 제어)로 구동 시 에너지를 저장하는 기능을 수행한다. 또한, 차량 내부에서 사용되는 에어컨이나 전조등 등의 고전압용 전기장치에 전원을 공급할 수 있다. 또한, 저전압 전원부(320)의 전력이 부족할 때에는 고전압 전원부(310)에 저장된 에너지를 저전압 전원부(320)로 공급할 수 있다.
저전압 전원부(320)는 제2 인버터(220)를 개재하여 모터(100)와 연결된다. 이러한 저전압 전원부(320)는 24V 이하의 전압으로 구현하는 것이 바람직하다.
저전압 전원부(320)는 차량에 전원을 공급하는 기능을 수행하며, 차량에 설치되는 오디오 장치, 내비게이션 장치, 전조등 등의 저전압을 사용하는 각종 전기장치에 전원을 공급한다. 또한, 고전압 전원부(310)와 비슷한 역할로서 모터(100)가 모터링 모드(방전 제어)로 구동될 때 모터(100)에 보조 전원으로서 에너지를 공급하는 기능을 수행하며, 저전압 전원부(320)의 전압이 설정된 값보다 낮아지면 모터(100)로부터 발전 에너지를 공급받아(충전 제어) 차량 내 전기장비에 전원을 공급하는 기능을 수행한다.
제1 인버터(210)는 고정자 권선의 일단(a, b, c,)에 연결된다. 제1 인버터(210)는 고전압 전원부(310)와 모터(100) 사이에 개재되어 충방전 경로를 제어한다. 제1 인버터(210)는 제1 인버터 제어 전압 지령치에 따라 스위칭 동작하여, 모터링 모드(방전 제어)에서는 고전압 전원부(310)로부터 모터(100)로 전력을 공급하고, 발전기 모드(충전 제어)에서는 모터(100)의 발전 에너지를 고전압 전원부(300)로 저장하도록 동작한다.
제2 인버터(220)는 고정자 권선의 타단(a', b', c')에 연결된다. 제2 인버터(220)는 저전압 전원부(320)와 모터(100) 사이에 개재되어 충방전 경로를 제어한다. 제2 인버터(220)는 제2 인버터 제어 전압 지령치에 따라 스위칭 동작하여, 모터링 모드(방전 제어)에서는 저전압 전원부(320)로부터 모터(100)로 전력을 공급하고, 발전기 모드(충전 제어)에서는 모터(100)의 발전 에너지를 저전압 전원부(320)로 저장하도록 동작한다.
모터(100)를 구동하기 위한 제어신호는 ECU(electronic control unit)에 프로그램 형태로 구현될 수도 있고, 차량 제조후 사후적으로 장착되는 경우 ECU 프로그램에 ISG 제어 프로그램을 추가하는 방법으로 구현될 수도 있다. 또는, ECU 와는 별개의 ISG 제어 칩을 통해 구현될 수도 있다.
한편, 차량의 엔진이 멈춰있는 있는 경우 모터(100)를 통해 엔진으로부터 발전 에너지를 공급 받을 수 없기 때문에, 제1 인버터(210)와 제2 인버터(220)는 상대적으로 차량 내부의 전기장비에 지속적인 부하가 요구되는 저전압 전원부(320)가 고전압 전원부(310)로부터 충전될 수 있도록 상술한 ECU 등을 통해 제어된다. 이때, 모터(100)의 고정자 권선은 단순한 전력 수동소자인 인덕터(101, 102, 103)로서 동작한다. 이에 대해서는 도 12 내지 14 관련 설명에서 더 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 단상 등가 회로에 대한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 단상 등가 회로에서 제1 인버터 출력 전압(v1), 제2 인버터 출력 전압(v2) 및 모터(100)가 직렬로 연결되어 있다. 모터(100)는 저항(R), 인덕턴스(L) 및 역기전력 전압(VEMF)으로 표현될 수 있다.
제1 인버터 출력 전압(v1)이란 제1 인버터의 스위칭 동작에 의해서 모터(100) 측에서 보여지는 고전압 전원부의 전압을 의미한다. 제1 인버터의 스위칭 동작에 의해서, 제1 인버터 출력 전압(v1)의 크기 및 극성이 제어될 수 있다.
마찬가지로, 제2 인버터 출력 전압(v2)이란 제2 인버터의 스위칭 동작에 의해서 모터(100) 측에서 보여지는 저전압 전원부의 전압을 의미한다. 제2 인버터의 스위칭 동작에 의해서, 제2 인버터 출력 전압(v2)의 크기 및 극성이 제어될 수 있다.
역기전력 전압(VEMF)은 모터(100)의 회전 속도에 따라 비례적으로 크기가 결정된다. 따라서, 모터(100)가 구동되는 모드에 따라 제1 인버터 출력 전압(v1) 및 제2 인버터 출력 전압(v2)의 크기 및 극성을 제어하여 발전 구동시 각각의 전원부에 양방향으로 충전하거나(충전 제어) 또는 모터링 구동 시 각각의 전원부에서 모터(100)로 전력을 공급할 수 있다(방전 제어).
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 발전 구동 시(충전 제어)의 단상 등가 회로에 대한 회로도이다.
우선, 고전압 전원부 및 저전압 전원부 양방향으로 충전하기 위해서, 제1 인버터 출력 전압(v1) 및 제2 인버터 출력 전압(v2)의 극성을 모터(100)의 역기전력 전압(VEMF)과 극성을 반대로 제어한다.
다음으로, 모터 전류(im)가 모터(100)로부터 고전압 전원부 및 저전압 전원부의 방향으로 흐르도록, 제1 인버터 또는 제2 인버터를 제어한다. 도 10에서 상세히 설명하겠지만, 본 발명의 실시예에서는 제1 인버터가 모터 전류(im)의 제어 역할을 한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템의 모터링 구동 시(방전 제어)의 단상 등가 회로에 대한 회로도이다.
발전 구동 시와 마찬가지로, 우선, 제1 인버터 출력 전압(v1) 및 제2 인버터 출력 전압(v2)의 극성을 모터(100)의 역기전력 전압(VEMF)과 극성을 반대로 제어한다.
다음으로, 모터 전류(im)가 고전압 전원부 및 저전압 전원부로부터 모터(100)의 방향으로 흐르도록, 제1 인버터 또는 제2 인버터를 제어한다. 본 발명의 실시예에서는 제1 인버터가 모터 전류(im)의 제어 역할을 한다.
도 7은 도 2의 ISG 시스템을 더 상세히 표현한 회로도이다. 도 7을 참조하면 도 2의 ISG 시스템의 블록도가 구체적인 회로로 표현되어 있다. 이는 하나의 구성 실시예이며, 본 발명을 참조한 당업자는 동일한 기능을 수행하도록 회로를 변경하는 것이 용이하다. 인버터(210, 220) 제어에 따른 전류 경로 형성은 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략한다.
도 8은 dq 변환에 따른 실수축 등가 회로에 대한 회로도이다. 도 9는 dq 변환에 따른 허수축 등가 회로에 대한 회로도이다.
모터 전압 vm은 실수축 성분 vd과 허수축 성분 vq의 합으로 표현될 수 있다(vm=vd+vq). 이러한 실수축 성분 vd과 허수축 성분 vq은 다시 제1 인버터 출력 전압 v1 및 제2 인버터 출력 전압 v2의 기여분으로 표현될 수 있다(vd=vd1+vd2, vq=vq1+vq2). 이때, 제1 인버터 출력 전압 v1은 v1=vd1+vq1이고, 제2 인버터 출력 전압 v2은 v2=vd2+vq2이다.
도 8 및 9를 참조하면, 모터의 회전자와 동기된 좌표축으로 변환되어진 정상상태에서의 수학적 모델을 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016006156302-pat00001
모터 인덕턴스(Ld, Lq)는 각각 실수축(d)과 허수축(q)에서의 모터 인덕턴스를 의미한다. 모터 전류(id, iq)는 각각 실수축(d)과 허수축(q)에서의 모터 전류를 의미한다.
Figure 112016006156302-pat00002
는 모터의 전기적 회전자 각속도를 의미하고,
Figure 112016006156302-pat00003
는 영구자석의 자속 세기를 나타낸다.
모터의 구동 조건에 따라, 각 축에서 요구되는 모터 전류(id, iq)는 제1 인버터 및 제2 인버터를 통해 공급되는 전압에 따라 결정되게 된다. 구체적으로, 모터를 구동하기 위한 모터 전류(id, iq)가 결정되면, 수학식 1에 따라 모터에서 요구되는 정상상태에서의 모터 전압(vd, vq)이 결정된다. 이때 제1 인버터와 제2 인버터는 요구되는 모터 전압(vd, vq)을 분해하여 모터에 공급한다. 따라서, 제1 인버터와 제2 인버터에서 공급하는 전압 비율에 따라 각 인버터 및 전원부로부터 모터로 공급하는 전력이 결정되고, 이에 따른 수학식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016006156302-pat00004
[수학식 3]
Figure 112016006156302-pat00005
[수학식 4]
Figure 112016006156302-pat00006
수학식 2 내지 4에서
Figure 112016006156302-pat00007
,
Figure 112016006156302-pat00008
,
Figure 112016006156302-pat00009
는 각각 모터, 고전압 전원부, 저전압 전원부의 전력을 의미하고,
Figure 112016006156302-pat00010
는 모터의 출력 토크를,　
Figure 112016006156302-pat00011
,
Figure 112016006156302-pat00012
는 고전압 전원부 전압과 저전압 전원부 전압을,
Figure 112016006156302-pat00013
,
Figure 112016006156302-pat00014
는 고전압 전원부 전류와 저전압 전원부 전류를 각각 나타낸다.
도 8 및 9에서 도시된 바와 같이, 모터 전류(id, iq)는 모터 및 제1 인버터 출력 전압, 제2 인버터 출력 전압에 동일하게 흐르고, 모터의 구동 또는 발전 전력은 각 인버터에서 제어하는 전압의 비율에 의해 결정되므로, 본 발명에 따른 2 개의 인버터를 사용하는 ISG 시스템의 제어는 목적에 따라 제1 인버터와 제2 인버터의 출력 전압을 적절히 분배함으로써 두 개의 전원을 모두 모터의 구동에 사용하도록 구현 할 수도 있고, 또는 발전 시 각 전원부로 파워를 저장하도록 구현할 수도 있고, 또는 모터가 구동되지 않는 경우 종래의 양방향 전력 변환기를 사용하지 않고 고전압 전원부에서 저전압 전원부로 필요한 파워를 주고 받을 수 있도록 구현 할 수도 있다.
도 10은 ISG 시스템의 충전 제어를 설명하기 위한 도면이다. 도 10을 참조하면, 고전압 전원부(310) 및 저전압 전원부(320)를 양방향으로 충전하기 위한 충전 제어 과정이 한 실시예로서 도시되어 있다.
토크 지령치 생성부(800)는 고전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00015
), 저전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00016
), 고전압 전원부 전압(
Figure 112016006156302-pat00017
), 저전압 전원부 전압(
Figure 112016006156302-pat00018
) 및 각속도(
Figure 112016006156302-pat00019
)를 수신하여 토크 지령치(
Figure 112016006156302-pat00020
)를 산출한다.
고전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00021
) 및 저전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00022
)는 각각 고전압 전원부(310) 및 저전압 전원부(320)에서 충전에 필요한 전류로서, ECU 또는 BMS(Battery Management System)에서 결정될 수 있다.
결정된 고전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00023
) 및 저전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00024
)에 따라 각각의 전원부(310, 320)에서 요구되는 충전 전력(
Figure 112016006156302-pat00025
,
Figure 112016006156302-pat00026
)이 다음 수학식 5 및 6과 같이 계산된다.
[수학식 5]
Figure 112016006156302-pat00027
[수학식 6]
Figure 112016006156302-pat00028
수학식 5 및 6으로부터 계산된 각 전원부(310, 320)의 요구 충전 전력(
Figure 112016006156302-pat00029
,
Figure 112016006156302-pat00030
)으로부터 모터의 발전 전력 및 토크 지령치(
Figure 112016006156302-pat00031
)가 다음 수학식 7 및 8과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112016006156302-pat00032
[수학식 8]
Figure 112016006156302-pat00033
모터 전류 지령치 생성부(700)는 토크 지령치(
Figure 112016006156302-pat00034
) 및 각속도(
Figure 112016006156302-pat00035
)를 수신하고, 토크 지령치(
Figure 112016006156302-pat00036
)를 추종하기 위한 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00037
,
Figure 112016006156302-pat00038
)를 생성한다. 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00039
,
Figure 112016006156302-pat00040
)는 토크 지령치(
Figure 112016006156302-pat00041
) 및 각속도(
Figure 112016006156302-pat00042
)로부터 수학적으로 얻어질 수도 있고, 전류 맵(Current Map)을 통해서 얻어질 수도 있다.
모터 전압 지령치 생성부(950)는 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00043
,
Figure 112016006156302-pat00044
)에 근거하여 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00045
,
Figure 112016006156302-pat00046
)를 추종하기 위한 모터 전압 지령치(,
Figure 112016006156302-pat00048
)를 다음 수학식 9와 같이 생성한다.
[수학식 9]
Figure 112016006156302-pat00049
Figure 112016006156302-pat00050
전력 비율 산출부(900)는 고전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00051
), 저전압 전원부 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00052
), 고전압 전원부 전압(
Figure 112016006156302-pat00053
), 저전압 전원부 전압(
Figure 112016006156302-pat00054
) 를 수신하고, 고전압 전원부(310) 및 저전압 전원부(320)의 충전에 요구되는 총 전력 중 저전압 전원부(320)의 충전에 요구되는 전력에 대한 전력 비율(
Figure 112016006156302-pat00055
)을 산출한다.
이러한 전력 비율(
Figure 112016006156302-pat00056
)과 모터 전압 지령치(
Figure 112016006156302-pat00057
,
Figure 112016006156302-pat00058
)를 곱한 값이, 아래 수학식 10과 같이, 제2 인버터 출력 전압 지령치(
Figure 112016006156302-pat00059
,
Figure 112016006156302-pat00060
)로 도출되고, 제2 인버터(220)는 출력 전압이 제2 인버터 출력 전압 지령치(
Figure 112016006156302-pat00061
,
Figure 112016006156302-pat00062
)를 추종하도록 스위칭 제어된다.
[수학식 10]
Figure 112016006156302-pat00063
Figure 112016006156302-pat00064
이때 제1 인버터(210)는 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00065
,
Figure 112016006156302-pat00066
)에 근거하여 모터(100)의 전류를 제어한다. 즉, 제2 인버터(220)가 상술한 바와 같이 모터(100)에 출력 전압을 인가하면 제1 인버터(210)의 출력 전압은 자동적으로 전력 비율(
Figure 112016006156302-pat00067
)에 맞추어 제어될 수 있다. 더 구체적으로는, 레졸버(110)로 측정된 각도(
Figure 112016006156302-pat00068
) 및 전류 센서(미도시)로 측정된 삼상 전류를 입력받은 좌표축 변환부(500)를 통해 dq축의 전류(id, iq)를 도출하고, 전류(id, iq)가 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00069
,
Figure 112016006156302-pat00070
)를 추종하도록 전류 제어기(600)를 통해 궤환 제어 및 전향 제어한다.
좌표축 변환부(500), 전류 제어부(600), 모터 전류 지령치 생성부(700), 토크 지령치 생성부(800), 전력 비율 산출부(800) 및 모터 전압 지령치 생성부(950)는 전술한 ECU의 제어 프로그램으로 구현되거나 별개의 ISG 제어칩으로 구현될 수 있다.
도 11은 도 10의 제어에 따른 제1 인버터 제어 전압(v1), 제2 인버터 제어 전압(v2), 모터 전압(vm) 및 모터 전류(im)의 관계를 벡터로 도시한 도면이다.
모터가 모터링 모드로 구동되는 경우, 각 전원부에서 양방향으로 모터로 전력을 공급하기 위한 제어 방법은, 상술한 모터의 발전 모드 시 양방향 충전 제어 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있다.
도 12는 모터가 구동 정지 상태일 때의 등가 회로에 대한 회로도이다.
차량이 정지해있는 경우 또는 엔진이 구동하지 않아 모터(100)가 구동되지 않는 경우에, 모터(100)로부터 각 전원부에 필요한 전력을 제공할 수 없다. 따라서, 이러한 경우, 각 전원부간 서로 요구되는 전력을 주고 받을 수 있는 제어 방법이 필요하다. 모터가 정지 시 회전 속도는 0이므로 모터의 회전자와 동기된 좌표축으로 변환된 수학적 모델은 다음의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112016006156302-pat00071
수학식 11에서 Rs는 모터의 고정자 권선저항을 나타낸다. 모터의 구동 토크를 발생시키지 않고 각 전원부간 전력을 주고받기 위해서는 허수(q)축의 전류는 0으로 제어하고 실수(d)축의 전류만을 이용해야 하므로, 도 8 및 9에 도시된 등가모델은 도 12에 도시된 바와 같이 간략화 될 수 있다. 또한, 각 전원부 간 전력 전송 시 효율을 높이기 위한 방법으로 저전압 전원부의 최대 전압을 출력하도록 제2 인버터를 제어하는 것이 바람직하다. 제2 인버터가 저전압 전원부의 최대 전압을 출력하게 되면 동일한 전력을 이송 시 가장 작은 전류를 사용하기 때문에 전송 효율이 증가한다.
각 전원부간 전력 전송 제어 방법은 고전압 전원부에서 저전압 전원부로의 전력 전송 경우와 저전압 전원부에서 고전압 전원부로의 전력 전송 경우 두 가지가 있다. 본 발명에 의한 실시예에서는 고전압 전원부에서 저전압 전원부로의 전력 전송 경우를 실시예로 하여 제어 방법을 설명하도록 한다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 ISG 시스템에서 고전압 전원부로부터 저전압 전원부로 전력 전송을 설명하기 위한 도면이다.
ECU 또는 BMS를 통해, 저전압 전원부(320)에서 요구되는 충전 전류(
Figure 112016006156302-pat00072
)가 결정되면, 이로부터 다음 수학식 12를 통해 저전압 전원부(320)의 충전 전력(
Figure 112016006156302-pat00073
)을 계산한다.
[수학식 12]
Figure 112016006156302-pat00074
수학식 12로부터 모터(100)의 실수(d) 축의 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00075
)를 다음 수학식 13과 같이 계산할 수 있다. 상술한 바와 같이 허수(q) 축의 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00076
)는 0이다.
[수학식 13]
Figure 112016006156302-pat00077
제2 인버터(220)의 제2 인버터 출력 전압 지령치(
Figure 112016006156302-pat00078
,
Figure 112016006156302-pat00079
)는 저전압 전원부(320)의 최대 전압을 사용하여 다음 수학식 14와 같이 도출될 수 있다. 제2 인버터(220)는 도출된 제2 인버터 출력 전압 지령치(
Figure 112016006156302-pat00080
,
Figure 112016006156302-pat00081
)를 사용하여 제어된다.
[수학식 14]
Figure 112016006156302-pat00082
Figure 112016006156302-pat00083
제1 인버터(210)는 수학식 13에서 계산된 모터 전류 지령치(
Figure 112016006156302-pat00084
,
Figure 112016006156302-pat00085
)를 사용하여 모터(100)의 전류를 제어한다.
도 14는 이해를 돕기 위해, 도 13의 제어에 따른 제1 인버터 제어 전압(v1), 제2 인버터 제어 전압(v2), 모터 전압(vm) 및 모터 전류(im)의 관계를 벡터로 도시한 도면이다.
상술한 실시예에 따르면 종래의 사용되던 양방향 전력 변환 장치를 사용하지 않고 모터와 고전압 전원부 및 저전압 전원부로 각각 요구되는 전력을 직접적으로 주고받음으로 인해 시스템의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 모터는 고전압 전원부와 저전압 전원부의 전압을 추가적으로 구동 제어에 이용할 수 있으므로 차량의 순수 전기 자동차 주행 모드의 속도 및 출력 범위를 증가시키는 효과가 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 모터
210: 제1 인버터
220: 제2 인버터
310: 고전압 전원부
320: 저전압 전원부

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 고정자 권선이 오픈형 권선(Open-winding) 형태로 구성된 모터;
    상기 고정자 권선의 일단에 연결되는 제1 인버터;
    상기 고정자 권선의 타단에 연결된 제2 인버터;
    상기 제1 인버터를 개재하여 상기 모터와 연결되는 고전압 전원부;
    상기 제2 인버터를 개재하여 상기 모터와 연결되는 저전압 전원부;
    토크 지령치 및 각속도를 수신하고, 상기 토크 지령치를 추종하기 위한 모터 전류 지령치를 생성하는 모터 전류 지령치 생성부;
    상기 모터 전류 지령치를 추종하기 위한 모터 전압 지령치를 생성하는 모터 전압 지령치 생성부; 및
    상기 고전압 전원부 및 저전압 전원부의 충전에 요구되는 총 전력 중 상기 저전압 전원부의 충전에 요구되는 전력에 대한 전력 비율을 산출하는 전력 비율 산출부를 포함하고,
    상기 전력 비율과 상기 모터 전압 지령치를 곱한 값인 제2 인버터 출력 전압 지령치에 따라 상기 제2 인버터를 제어하는
    ISG 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 인버터는 상기 모터 전류 지령치에 근거하여 상기 모터의 전류를 제어하는
    ISG 시스템.
  4. 고전압 전원부 및 저전압 전원부에서 각각 필요한 충전 전류를 결정하는 단계;
    상기 충전 전류로부터 필요한 토크 지령치를 도출하는 단계;
    상기 토크 지령치를 추종하기 위한 모터 전류 지령치를 도출하는 단계;
    상기 모터 전류 지령치를 추종하기 위한 모터 전압 지령치를 도출하는 단계;
    상기 고전압 전원부 및 저전압 전원부에서 충전에 필요한 전력 비율 및 상기 모터 전압 지령치에 근거한 제2 인버터 출력 전압 지령치에 따라, 상기 저전압 전원부와 모터 사이에 개재된 제2 인버터를 제어하는 단계; 및
    상기 모터 전류 지령치에 근거한 제1 인버터 출력 전압 지령치에 따라, 상기 고전압 전원부와 상기 모터 사이에 개재된 제1 인버터를 제어하는 단계를 포함하는
    ISG 시스템의 제어 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 인버터 출력 전압 지령치의 극성 및 상기 제2 인버터 출력 전압 지령치의 극성은 상기 모터의 역기전력 전압 극성과 반대가 되도록 제어되는 단계를 더 포함하는
    ISG 시스템의 제어 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 인버터 출력 전압 지령치는 상기 전력 비율 및 상기 모터 전압 지령치를 곱한 값인
    ISG 시스템의 제어 방법.
  7. 삭제
  8. 저전압 전원부의 최대 전압을 사용하도록 산출된 제2 인버터 출력 전압 지령치를 사용하여 상기 저전압 전원부와 모터 사이에 개재된 제2 인버터를 제어하는 단계;
    모터 전류를 제어하도록 산출된 제1 인버터 출력 전압 지령치를 사용하여 고전압 전원부와 상기 모터 사이에 개재된 제1 인버터를 제어하는 단계; 및
    허수축 전류 성분을 0으로 하고, 실수축 전류 성분만을 포함하도록 모터 전류 지령치를 산출하는 단계를 포함하는
    ISG 시스템의 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 인버터 출력 전압 지령치는 허수축 전압 성분을 0으로 하고, 실수축 전압 성분만을 포함하는
    ISG 시스템의 제어 방법.
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