KR101967561B1

KR101967561B1 - 충전 시스템 및 그 제어 방법

Info

Publication number: KR101967561B1
Application number: KR1020170171654A
Authority: KR
Inventors: 임동휘
Original assignee: 현대오트론 주식회사
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-04-09

Abstract

본 발명은 충전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템 제어 방법은 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태인지 판단하는 단계, 상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태가 아닐 경우, 회전자 현재 위치를 판단하는 단계, 상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일하지 않을 경우, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단하는 단계, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우, 회전자 위치 변화량을 판단하는 단계, 상기 회전자 위치 변화량을 기초로 목표 지령 전류를 설정하는 단계 및 상기 목표 지령 전류의 크기와 동일한 크기의 정렬 지령 전류를 사용하여 회전자를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

충전 시스템 및 그 제어 방법{CHARGING SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 충전 시스템 제어 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 상세하게는 차량용 전동기 및 전동기 구동 인버터를 사용하는 충전 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

최근 각국의 환경 규제가 강화되면서 하이브리드 자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 및 전기 자동차(EV) 등 다양한 친환경 자동차들이 주목받고 있다. 특히 배터리 충전을 통해 배터리와 엔진을 동시에 사용하는 플러그인 하이브리드 자동차와 전기 에너지만을 사용하는 순수 전기 자동차의 성장세가 두드러진다.

플러그인 하이브리드 자동차는 내연기관 엔진과 배터리의 전기동력을 동시에 이용하는 자동차이다. 플러그인 하이브리드 자동차는 가정용 전기나 외부 전기콘센트에 플러그를 꽂아 충전한 배터리의 전력을 사용하여 주행하다가, 배터리 충전 전력이 모두 소진되면 가솔린 엔진을 통해 주행할 수 있다. 따라서 일반 내연기관 엔진만을 사용하는 자동차에 비하여 높은 연비를 갖는다.

전기 자동차(EV)는 플러그인 하이브리드 자동차와 달리, 오로지 배터리의 전력만을 이용하는 자동차이다. 전기 자동차는 가정용 전기나 외부 전기콘센트에 플러그를 꽂아 충전한 배터리의 전력을 사용하여 주행할 수 있으며, 내연기관 엔진을 전혀 사용하지 않기 때문에 진정한 의미의 친환경 차량으로 불린다.

이처럼 플러그인 하이브리드 자동차나 전기 자동차는 배터리에 충전된 전력을 사용하여 모터를 구동하며, 배터리 충전을 위한 별도의 충전기가 필요하다.

대부분의 전기 자동차와 플러그인 하이브리드 자동차는 가정용 전원플러그가 있다면 어디에서든지 배터리를 충전할 수 있도록 탑재형 완속 충전기(On-Board Charger, OBC)를 탑재하고 있다. OBC는 상용전원인 교류(AC)를 직류(DC)로 변환해 차량 내부 배터리를 충전하는 기능을 한다.

도 1은 OBC를 사용하는 기존의 친환경 차량용 배터리 충전 시스템의 구조를 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 기존의 차량용 배터리 충전 시스템은 OBC(10)에 포함된 PFC(Power Factor Corrector) 컨버터(101) 및 DC/DC 컨버터(102)를 통해 외부 교류 전원(12)의 전력을 배터리(14)에 충전할 수 있다.

OBC(10)에 포함된 PFC 컨버터(101)는 일반적으로 전압 승압이 가능한 부스트(Boost) 컨버터를 사용한다. PFC 컨버터(101)는 브릿지 다이오드와 같은 정류 장치를 통해 정류된 외부 교류 전원(12)의 직류 전력의 전압을 승압시킬 수 있으며, 역률의 개선을 통해 에너지 효율을 높여주는 기능을 한다.

DC/DC 컨버터(102)는 PFC 컨버터(101)에 의해 승압된 직류 전력의 전압을 소정의 충전 전압으로 변환하고, 소정의 충전 전압으로 변환된 직류 전력을 안정적으로 배터리(14)에 공급할 수 있다.

이와 같은 기존의 차량용 배터리 충전 시스템의 OBC(10)는 충전소 또는 차량 내 다른 장치와 통신을 수행하거나 OBC(10) 자체의 동작을 제어할 수 있는 OBC 제어부(103)를 더 포함할 수 있다.

도 1에 도시되지 않았으나, 기존의 차량용 배터리 충전 시스템의 OBC(10)는 PFC 컨버터(101) 및 DC/DC 컨버터(102) 이외에도 각 컨버터의 구동 전력을 제공하기 위한 PFC 컨버터 파워부 및 DC/DC 컨버터 파워부를 더 포함할 수 있다.

OBC는 차량의 구동 및 주행과는 관계가 없는 부품이며, 오로지 배터리의 충전에만 사용되는 부품이다. 이처럼 배터리의 충전 중에만 사용되는 OBC를 별도로 구성하여 차량에 장착하는 것은 차량의 중량을 증가시킴과 동시에 차량의 구동 연비를 하락시킬 수 있어 문제 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해, 최근 친환경 자동차에 고가의 OBC를 별도로 설치하는 대신, 차량에 설치된 기존의 전동기 및 인버터를 사용하여 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 구현하는 기술이 개발 중이다.

도 2는 3상 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 구조의 예를 개념적으로 나타낸 회로도이다.

도 2를 참조하면, 3상 전동기(25) 및 인버터(24)를 사용하는 배터리(23) 충전 시스템은 인버터(24)에 포함된 스위칭 소자의 일부를 승압 컨버터(201)의 소자로 사용할 수 있으며, 3상 전동기(25)에 포함된 인덕터 중 일부를 강압 컨버터(202)의 소자로 사용할 수 있다.

이때 인버터(24)에 포함된 스위칭 소자의 일부가 구성하는 승압 컨버터(201)는 외부 전력계통(21)의 출력 전압을 정류하고 배터리 전압 이상으로 승압시킬 수 있으며, 3상 전동기(25)에 포함된 인덕터 중 일부가 구성하는 강압 컨버터(202)는 DC 링크 커패시터(26)의 충전 전압을 목표 배터리 전압으로 강압시킬 수 있다.

이와 같은 3상 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템은 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 하나의 회로로 구현함으로써 차량의 경량화 및 차량 구동 연비의 상승이 가능하다는 장점을 갖는다.

그러나, 도 2의 충전 시스템과 같이 인버터에 포함된 스위칭 소자의 일부 또는 3상 전동기에 포함된 인덕터 중 일부를 사용하여 충전 시스템을 구현할 경우, 충전 수행 시 3상 전동기의 회전자의 정렬 가능 방향에 제한이 생길 수 있어 문제 된다.

도 3은 일반적인 3상 전동기 회전자의 정렬 제어 방법의 예를 나타낸 설명도이다.

도 3에 도시된 회로도(31) 및 공간 전압 벡터도(33)를 참조하면, 6개의 스위칭 소자(321~326)를 포함하는 인버터(32)는 각 스위칭 소자의 온 또는 오프 상태를 제어함으로써, 3상 전동기(311)의 회전자를 원하는 축으로 정렬시킬 수 있다.

공간 전압 벡터도(33)에서 3상 전동기(311)를 제어하기 위한 6개의 전압 벡터(V1~V6)는 서로 60도의 위상 차를 갖도록 배치되며, 3상 전동기(311)에는 6개의 전압 벡터(V1~V6) 중 회전자의 정렬 제어에 필요한 임의의 전압 벡터가 인가될 수 있다.

이때 3상 전동기(311)의 고정자 권선의 쇄교 자속은 인가되는 전압 벡터 방향으로 형성되며, 3상 전동기(311)의 회전자는 고정자 권선의 쇄교 자속의 방향과 동일한 방향으로 정렬될 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이 인버터(32)의 제1 스위칭 소자(321), 제4 스위칭 소자(324) 및 제6 스위칭 소자(326)가 온 되고, 제2 스위칭 소자(322), 제3 스위칭 소자(323) 및 제5 스위칭 소자(325)가 오프되면, 3상 전동기(311)에는 공간 전압 벡터도(33) 상 V1 전압 벡터에 대응되는 전압이 인가되며, 이때 3상 전동기의 회전자는 V1 전압 벡터의 방향과 동일한 방향으로 정렬될 수 있다.

이와 같은 회전자의 정렬은 회전자에 설치된 레졸버(Resolver), 절대 엔코더(Absolute Encoder), 또는 자속 센서(Hall effect Sensor)등과 같은 위치 센서를 통해 판단한 회전자의 위치를 기초로, 회전자가 가장 근접해있는 고정자 축에 회전자를 위치시키기 위해 수행될 수 있다.

도 4는 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 회전자 정렬 제어 방법의 예를 나타낸 설명도이다.

도 4를 참조하면, 도 2의 충전 시스템의 구성 중 3상 전동기(25)의 제3 인덕터(253)의 일단은 제2 인덕터(252)의 일단과 릴레이(4)를 통해 연결될 수 있다.

만약 배터리 충전 수행 중 3상 전동기(25)의 제3 인덕터(253)가 제2 인덕터(252)와 연결되지 않으면, 제3 인덕터(253)에는 직류 전류가 흐르지 않으며 이때 3상 전동기(25)의 회전자는 일정한 방향으로 정렬될 수 없다.

즉, 회전자가 지령 전류에 따라 동기 운전하지 않는 회전자 탈조 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해, 3상 전동기(25)의 제3 인덕터(253)의 일단은 제2 인덕터(252)의 일단과 릴레이(4)를 통해 연결될 수 있다.

이때 인버터(24)의 제5 스위칭 소자(245)가 온 되고 제6 스위칭 소자(246)가 오프 될 경우, 3상 전동기(25)에는 공간 전압 벡터도(43) 상 V1 전압 벡터에 대응되는 전압이 인가될 수 있고, 제5 스위칭 소자(245)가 오프되고 제6 스위칭 소자(246)가 온 될 경우, 3상 전동기(25)에는 공간 전압 벡터도(43) 상 V4 전압 벡터에 대응되는 전압이 인가될 수 있다.

즉, 인버터(24)의 제5 스위칭 소자(245) 및 제6 스위칭 소자(246)와 3상 전동기(25)의 제1 인덕터(251) 및 릴레이(4)를 통해 일단이 서로 연결된 제2 인덕터(252)와 제3 인덕터(253)를 사용하여 충전을 수행할 경우, 회전자가 정렬될 수 있는 방향은 V1 전압 벡터의 방향 및 V4 전압 벡터의 방향으로 제한된다.

이처럼 충전 수행 과정에서 제어가 가능한 3상 전동기(25)의 인덕터 또는 인버터의 스위칭 소자에 제한이 있는 경우, 회전자를 정렬시킬 수 있는 방향 또한 제한될 수 있다. 만약 제한된 전압 벡터 방향 중 어느 하나의 전압 벡터 방향으로 회전자를 정렬시켜야 할 경우, 회전자의 현재 상태를 고려하지 않고 지령 전류를 인가할 경우, 회전자의 정렬 과정에서 높은 회전자 토크 리플이 발생할 수 있어 문제 된다.

따라서 전동기 및 인버터를 사용하여 안정적인 배터리 충전을 수행하기 위해서는, 회전자의 정렬 가능 방향 및 회전자의 현재 상태를 고려한 충전 시스템 및 그 제어 방법이 요구된다.

본 발명은 3상 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 사용 중 3상 전동기의 회전자의 위치를 제어함으로써, 회전자 탈조 현상을 방지할 수 있는 충전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 3상 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 회전자 토크 리플을 감소시킴으로써, 안정적인 충전을 수행할 수 있는 충전 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태인지 판단하는 단계, 상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태가 아닐 경우, 회전자 현재 위치를 판단하는 단계, 상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일하지 않을 경우, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단하는 단계, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우, 회전자 위치 변화량을 판단하는 단계, 상기 회전자 위치 변화량을 기초로 목표 지령 전류를 설정하는 단계 및 상기 목표 지령 전류의 크기와 동일한 크기의 정렬 지령 전류를 사용하여 회전자를 제어하는 단계를 포함하는 충전 시스템 제어 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태인지 판단하는 단계는 상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태일 경우, 충전 명령 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 현재 위치를 판단하는 단계는 상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일할 경우, 회전자 제어 상태를 제어 완료 상태로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단하는 단계는 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태가 아닐 경우, 상기 목표 지령 전류를 초기 정렬 지령 전류로 설정하는 단계 및 상기 회전자 제어 상태를 제어 유지 상태로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 목표 지령 전류를 설정하는 단계는 상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치하지 않을 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시키는 단계 및 상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치할 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 충전 시스템 제어 방법은 전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하는 단계, 인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하는 단계 및 상기 사용 가능한 인덕터 및 상기 사용 가능한 스위칭 소자를 기초로 상기 목표 회전자 위치를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은, 회전자 제어 상태를 판단하는 회전자 제어 상태 판단부, 상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태가 아닐 경우, 회전자 현재 위치를 판단하는 회전자 현재 위치 판단부, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우, 회전자 위치 변화량을 판단하는 회전자 위치 변화량 판단부 및 상기 회전자 위치 변화량을 기초로 목표 지령 전류를 설정하고, 상기 목표 지령 전류의 크기와 동일한 크기의 정렬 지령 전류를 사용하여 회전자를 제어하는 회전자 제어부를 포함하는 충전 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어 상태 판단부는 상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일하지 않을 경우, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어부는 상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태일 경우, 충전 명령 신호를 생성할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어부는 상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일할 경우, 회전자 제어 상태를 제어 완료 상태로 설정할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어부는 상기 회전자 제어 상태가 제어 시작 상태일 경우, 상기 목표 지령 전류를 초기 정렬 지령 전류로 설정하고, 상기 회전자 제어 상태를 제어 유지 상태로 설정할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어부는 상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치하지 않을 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시키고, 상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치할 않을 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 설정할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 회전자 제어부는 전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하고, 인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하여, 상기 사용 가능한 인덕터 및 상기 사용 가능한 스위칭 소자를 기초로 상기 목표 회전자 위치를 설정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 3상 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 사용 중 3상 전동기의 회전자의 위치를 제어함으로써, 회전자 탈조 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명에 의하면, 3상 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 회전자 토크 리플을 감소시킴으로써, 안정적인 충전을 수행할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 OBC를 사용하는 기존의 친환경 차량용 배터리 충전 시스템의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 2는 3상 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 구조의 예를 개념적으로 나타낸 회로도이다.
도 3은 일반적인 3상 전동기 회전자의 정렬 제어 방법의 예를 나타낸 설명도이다.
도 4는 전동기 및 인버터를 사용하는 충전 시스템의 회전자 정렬 제어 방법의 예를 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템의 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 충전 시스템 제어 방법을 적용하지 않은 충전 시스템의 시뮬레이션 결과의 예를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템 제어 방법을 적용한 충전 시스템의 시뮬레이션 결과의 예를 나타낸 그래프이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템의 구조를 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템(5)은 회전자 제어 상태 판단부(52), 회전자 현재 위치 판단부(54), 회전자 위치 변화량 판단부(56) 및 회전자 제어부(58)를 포함한다.

회전자 제어 상태 판단부(52)는 회전자의 제어 상태를 판단한다.

본 발명의 일 실시예에서, 회전자 제어 상태 판단부(52)는 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일하지 않을 경우, 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단할 수 있다.

본 발명의 회전자 제어 상태는 제어 시작 상태, 제어 유지 상태 및 제어 완료 상태를 포함한다.

제어 시작 상태는 3상 전동기의 회전자를 제어하기 위한 초기 정렬 지령 전류가 3상 전동기에 인가되는 상태를 의미한다.

즉, 3상 전동기의 회전자 제어가 시작되면 회전자를 목표 회전자 위치에 정렬하기 위한 정렬 지령 전류가 3상 전동기에 인가되며, 이때 3상 전동기에 인가되는 정렬 지령 전류의 크기는 미리 설정된 초기 정렬 지령 전류의 크기와 같다.

제어 유지 상태는 3상 전동기의 회전자를 정렬하기 위한 적정 크기의 정렬 지령 전류가 3상 전동기에 인가되는 상태를 의미한다.

제어 유지 상태에서 3상 전동기의 회전자는 3상 전동기에 인가되는 정렬 지령 전류에 의해 회전할 수 있으며, 제어 유지 상태에서 정렬 지령 전류의 크기는 시간의 흐름에 따라 증가할 수 있다.

제어 완료 상태는 3상 전동기의 회전자가 정렬 지령 전류에 의해 회전한 결과 회전자의 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 같아진 상태로, 회전자의 정렬 완료로 인해 3상 전동기에 대한 정렬 지령 전류의 인가는 중지될 수 있다.

회전자 현재 위치 판단부(54)는 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태가 아닐 경우, 회전자 현재 위치를 판단한다.

회전자 위치 변화량 판단부(56)는 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우, 회전자 위치 변화량을 판단한다.

본 발명에서 회전자 위치 변화량은 회전자 제어가 시작된 후 초기 회전자 위치로부터 현재 회전자 위치까지 회전자의 위치가 변화한 정도를 의미한다.

회전자 제어부(58)는 회전자 위치 변화량을 기초로 목표 지령 전류를 설정하고, 목표 지령 전류의 크기와 동일한 크기의 정렬 지령 전류를 사용하여 회전자를 제어한다.

제어 유지 상태는 3상 전동기의 회전자를 제어하기 위한 적정 크기의 정렬 지령 전류가 3상 전동기에 인가되는 상태를 의미하며, 제어 유지 상태에서 3상 전동기의 회전자는 3상 전동기에 인가되는 정렬 지령 전류에 의해 회전할 수 있다.

회전자가 회전하는 제어 유지 상태에서 정렬 지령 전류의 크기는 시간의 흐름에 따라 증가할 수 있으며, 이때 회전자 제어부(58)는 회전자 위치 변화량을 기초로 목표 지령 전류의 크기를 결정할 수 있다.

예를 들어, 초기 정렬 지령 전류에 의해 회전자의 회전이 시작된 후 회전자의 위치는 시간의 흐름에 따라 계속하여 변할 수 있으며, 이때 회전자 제어부(58)는 회전자의 위치 변화량에 따라 3상 전동기에 적정 크기의 정렬 지령 전류를 인가하기 위해 목표 지령 전류의 크기를 기존의 목표 지령 전류의 크기로 유지시키거나, 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 회전자 제어부(58)는 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태일 경우, 충전 명령 신호를 생성할 수 있다.

회전자 제어부(58)는 상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일할 경우, 회전자 제어 상태를 제어 완료 상태로 설정할 수 있다.

제어 완료 상태는 3상 전동기의 회전자가 정렬 지령 전류에 의해 회전된 결과 회전자의 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일해진 상태를 의미한다.

즉, 제어 완료 상태에서 회전자는 목표 회전자 위치에 정렬되며, 이때 회전자 제어부(58)는 회전자의 제어를 중단하고 충전을 수행하기 위한 충전 명령 신호를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 회전자 제어부(58)는 회전자 제어 상태가 제어 시작 상태일 경우, 목표 정렬 전류를 초기 정렬 지령 전류로 설정하고, 회전자 제어 상태를 제어 유지 상태로 설정할 수 있다.

제어 시작 상태는 3상 전동기의 회전자를 제어하기 위한 초기 정렬 지령 전류가 3상 전동기에 인가되는 상태를 의미하며, 3상 전동기의 회전자 제어가 시작된 이후에는 회전자를 제어하기 위한 적정 크기의 정렬 지령 전류가 3상 전동기에 인가된다.

미리 설정된 전류 크기를 갖는 초기 정렬 지령 전류가 3상 전동기에 인가되면 3상 전동기의 회전자의 위치는 변하기 시작하며, 회전자 제어부(58)는 3상 전동기의 회전자 위치의 변화가 시작된 이후에 회전자 제어 상태를 제어 유지 상태로 설정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 회전자 제어부(58)는 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치하지 않을 경우, 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시킬 수 있다.

반대로, 회전자 제어부(58)는 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치할 경우, 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 설정할 수 있다.

회전자 위치 변화량 판단부(56)는 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우 회전자 위치 변화량을 판단할 수 있으며, 이때 회전자 위치 변화량은 회전자 제어가 시작된 후 초기 회전자 위치로부터 현재 회전자 위치까지 회전자의 위치가 변화한 정도를 의미한다.

본 발명에서 미리 설정된 정렬 안정 영역은 회전자의 제어에 사용되는 정렬 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 유지할 수 있는 영역이다.

구체적으로, 회전자 위치 변화량을 판단한 결과, 정렬 지령 전류의 인가로 인해 회전하는 회전자가 정렬 안정 영역 내에 위치하지 않을 경우 회전자 제어부(58)는 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시킬 수 있다.

즉, 현재의 정렬 지령 전류 인가로 회전자가 정렬 안정 영역 내에 위치하지 못할 경우, 회전자 제어부(58)는 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시킴으로써 단계적으로 회전자의 위치를 제어할 수 있다.

반대로, 회전자 위치 변화량을 판단한 결과, 정렬 지령 전류의 인가로 인해 회전하던 회전자가 정렬 안정 영역 내에 위치하게 되면 회전자 제어부(58)는 회전자를 제어하기 위한 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 설정하여 유지시킬 수 있다.

즉, 현재의 정렬 지령 전류 인가로 회전자가 정렬 안정 영역 내에 위치할 경우, 회전자 제어부(58)는 현재 정렬 지령 전류의 크기를 목표 정렬 지령 전류의 적정 크기로 판단하고, 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 유지시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 회전자 제어부(58)는 전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하고, 인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하여, 사용 가능한 인덕터 및 상기 사용 가능한 스위칭 소자를 기초로 목표 회전자 위치를 설정할 수 있다.

전술한 것과 같이, 3상 전동기의 일부 인덕터 또는 인버터의 일부 스위칭 소자를 사용하는 충전 시스템은 제한된 전압 벡터 방향 중 어느 하나의 전압 벡터 방향으로 회전자를 정렬시킬 수 있다.

회전자 제어부(58)는 전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하고, 인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하여 제한된 전압 벡터 방향을 판단하고, 이와 같은 제한된 전압 벡터 방향에 대응되는 목표 회전자 위치를 설정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 먼저 회전자 제어 상태 판단부는 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태인지 판단한다(S601).

판단(S601) 결과, 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태일 경우 회전자 제어부는 충전 명령 신호를 생성한다(S602).

반대로, 판단(S601) 결과 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태가 아닐 경우, 회전자 현재 위치 판단부는 회전자 현재 위치를 판단한다(S603).

회전자 현재 위치 판단부는 회전자 현재 위치 판단 결과를 기초로, 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일한지 판단한다(S604).

판단(S604) 결과, 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일할 경우, 회전자 제어부는 회전자 제어 상태를 제어 완료 상태로 설정한다(S605).

반대로, 판단(S604) 결과 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일하지 않을 경우, 회전자 제어상태 판단부는 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단한다(S606).

판단(S606) 결과, 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태가 아닐 경우, 회전자 제어부는 목표 지령 전류를 초기 정렬 지령 전류로 설정하고(S608), 회전자 제어 상태를 제어 유지 상태로 설정한다(S610).

반대로, 판단(S606) 결과 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우, 회전자 위치 변화량 판단부는 회전자 위치 변화량을 판단한다(S607).

회전자 위치 변화량 판단부는 회전자 위치 변화량을 판단한다(S607).

회전자 제어부는 회전자 위치 변화량 판단부가 판단한 회전자 위치 변화량을 기초로, 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치하는지 판단한다(S609).

판단(S609) 결과, 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치하지 않을 경우, 회전자 제어부는 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시킨다(S61).

반대로, 판단(S607) 결과 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치할 경우, 회전자 제어부는 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 설정한다(S612).

전술한 S601 내지 S607 단계는 회전자 제어부가 생성한 충전 명령 신호를 통해 회전자의 정렬이 완료될 때까지 계속 반복하여 수행될 수 있다.

즉, 본 발명의 충전 시스템 제어 방법은 회전자를 제한된 전압 벡터 방향 중 어느 하나의 방향에 정렬시키기 위해, 전동기에 초기 정렬 지령 전류의 크기로부터 목표 지령 전류의 크기까지 시간의 흐름에 따라 전류 크기가 증가되는 정렬 지령 전류를 인가할 수 있다.

이와 같은 정렬 지령 전류의 인가 결과, 전동기의 회전자는 제한된 전압 벡터 방향 중 어느 하나의 방향에 정렬될 수 있으며, 시간의 흐름에 따라 전류 크기가 증가되는 정렬 지령 전류의 사용으로 인해 회전자의 정렬 과정에서 발생할 수 있는 토크 리플의 크기는 최소화될 수 있다.

도 6에 도시되지 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템 제어 방법은 전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하는 단계, 인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하는 단계 및 사용 가능한 인덕터 및 사용 가능한 스위칭 소자를 기초로 목표 회전자 위치를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

3상 전동기의 일부 인덕터 또는 인버터의 일부 스위칭 소자를 사용하는 충전 시스템은 제한된 전압 벡터 방향 중 어느 하나의 전압 벡터 방향으로 회전자를 정렬시킬 수 있다.

이때 회전자 제어부는 전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하고, 인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하여 제한된 전압 벡터 방향을 판단함으로써 제한된 전압 벡터 방향에 대응되는 목표 회전자 위치를 설정할 수 있다.

이처럼 본 발명의 충전 시스템은 3상 전동기 및 인버터를 사용한 충전의 수행 전 3상 전동기의 회전자를 어느 하나의 전압 벡터 방향으로 정렬함으로써, 충전 과정에서 발생할 수 있는 회전자 탈조 현상을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

또한 본 발명의 충전 시스템은 회전자의 상태에 따라 회전자의 정렬에 사용되는 정렬 지령 전류의 크기를 조절함으로써, 회전자 토크 리플을 감소시켜 안정적인 충전을 수행할 수 있는 장점을 갖는다.

도 7은 본 발명의 충전 시스템 제어 방법을 적용하지 않은 충전 시스템의 시뮬레이션 결과의 예를 나타낸 그래프이다.

도 7을 참조하면, 3상 전동기의 일부 인덕터 또는 인버터의 일부 스위칭 소자를 사용하는 충전 시스템의 배터리 지령 전류는 0[sec]에서 0.8[sec]까지 0[A]의 크기를 가지며, 0.8[sec] 이후에는 20[A]의 크기를 가진다(71).

즉, 본 실시예에서 충전 시스템은 회전자를 정렬하기 위한 정렬 지령 전류의 인가 과정 없이, 배터리를 충전하기 위한 배터리 지령 전류를 0.8[sec]부터 즉시 전동기에 인가할 수 있다.

배터리 지령 전류의 인가에 따라 배터리의 충전이 시작되며, 이때 배터리 전류는 0.8[sec] 전후로 0[A]에서 20[A]로 증가된다(73). 이때 배터리 전압은 0.8[sec]부터 서서히 증가하여 1.0[sec] 이후에는 300[V]의 전압을 유지한다(75).

한편, 배터리 지령 전류의 인가에 따라 전동기 회전자의 회전 속도는 0.8[sec] 이후에 240[rpm]까지 급격히 증가 후 감소하여, 1.0[sec] 이후에는 0[rpm]을 유지한다(77).

이처럼 본 발명의 충전 시스템 제어 방법을 적용하지 않은 충전 시스템은 초기 회전자 정렬 없이 제한된 전압 벡터 방향 중 어느 하나의 전압 벡터 방향으로 배터리 지령 전류를 인가하게 되므로, 배터리 충전의 시작과 동시에 회전자의 급격한 회전으로 인한 토크 리플이 발생할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 충전 시스템 제어 방법을 적용한 충전 시스템의 시뮬레이션 결과의 예를 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 3상 전동기의 일부 인덕터 또는 인버터의 일부 스위칭 소자를 사용하는 충전 시스템의 배터리 지령 전류는 0[sec]에서 0.8[sec]까지 5[A]의 크기를 가지며, 0.8[sec] 이후에는 20[A]의 크기를 가진다(81).

즉, 본 실시예에 따른 충전 시스템은 먼저 회전자를 정렬하기 위한 정렬 지령 전류를 인가하고, 회전자의 정렬 이후 배터리를 충전하기 위한 배터리 지령 전류를 0.8[sec]부터 즉시 전동기에 인가할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 충전 시스템은 먼저 0[A]의 크기를 갖는 초기 정렬 지령 전류를 전동기에 인가하고, 회전자의 위치 변화량을 판단하여 회전자가 정렬 안정 영역 내에 위치할 때까지 목표 지령 전류의 크기를 증가시킬 수 있다.

회전자 제어부는 제어 유지 상태의 회전자가 정렬 안정 영역에 진입하는 순간의 정렬 지령 전류의 크기인 5[A]를 목표 지령 전류의 크기로 설정하고, 전동기에 인가하는 정렬 지령 전류의 크기를 5[A]로 계속 유지할 수 있다.

정렬 지령 전류의 인가 후 배터리 지령 전류가 인가됨에 따라 배터리의 충전이 시작되며, 배터리 전류는 0.8[sec] 전후로 0[A]에서 20[A]로 크기가 증가된다(83). 이때 배터리 전압은 0[sec]에서 0.8[sec]까지 80[V]의 크기를 유지하며, 0.8[sec]부터 서서히 증가하여 1.0[sec] 이후에는 300[V]의 크기를 유지한다(85).

한편, 배터리 지령 전류의 인가에 따라 전동기 회전자의 회전 속도는 0.8[sec] 이후에 9[rpm]까지 증가 후 즉시 0[rpm]으로 감소하며, 이후에도 0[rpm]의 회전 속도를 유지한다(87).

이처럼 본 발명의 충전 시스템은 제한된 전압 벡터 방향 중 어느 하나의 전압 벡터 방향으로 초기 회전자를 정렬한 뒤 배터리 지령 전류를 인가함으로써, 배터리 충전의 시작 시 회전자의 급격한 회전이 발생하는 것을 방지하여 회전자 토크 리플의 크기를 감소시켜 안정적인 충전을 수행할 수 있는 장점을 갖는다.

전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

5: 충전 시스템
52: 회전자 제어 상태 판단부
54: 회전자 현재 위치 판단부
56: 회전자 위치 변화량 판단부
58: 회전자 제어부

Claims

회전자 제어 상태가 제어 완료 상태인지 판단하는 단계;
상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태가 아닐 경우, 회전자 현재 위치를 판단하는 단계;
상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일하지 않을 경우, 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단하는 단계;
상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우, 회전자 위치 변화량을 판단하는 단계;
상기 회전자 위치 변화량을 기초로 목표 지령 전류를 설정하는 단계; 및
상기 목표 지령 전류의 크기와 동일한 크기의 정렬 지령 전류를 사용하여 회전자를 제어하는 단계를 포함하는
충전 시스템 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태인지 판단하는 단계는
상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태일 경우, 충전 명령 신호를 생성하는 단계를 포함하는
충전 시스템 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 회전자 현재 위치를 판단하는 단계는
상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일할 경우, 회전자 제어 상태를 제어 완료 상태로 설정하는 단계를 포함하는
충전 시스템 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단하는 단계는
상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태가 아닐 경우, 상기 목표 지령 전류를 초기 정렬 지령 전류로 설정하는 단계; 및
상기 회전자 제어 상태를 제어 유지 상태로 설정하는 단계를 포함하는
충전 시스템 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 목표 지령 전류를 설정하는 단계는
상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치하지 않을 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시키는 단계; 및
상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치할 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 설정하는 단계를 포함하는
충전 시스템 제어 방법.
제1항에 있어서,
전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하는 단계;
인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하는 단계; 및
상기 사용 가능한 인덕터 및 상기 사용 가능한 스위칭 소자를 기초로 상기 목표 회전자 위치를 설정하는 단계를 더 포함하는
충전 시스템 제어 방법.
회전자 제어 상태가 제어 완료 상태인지 판단하고, 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일하지 않을 경우 상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태인지 판단하는 회전자 제어 상태 판단부;
상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태가 아닐 경우, 회전자 현재 위치를 판단하는 회전자 현재 위치 판단부;
상기 회전자 제어 상태가 제어 유지 상태일 경우, 회전자 위치 변화량을 판단하는 회전자 위치 변화량 판단부; 및
상기 회전자 위치 변화량을 기초로 목표 지령 전류를 설정하고, 상기 목표 지령 전류의 크기와 동일한 크기의 정렬 지령 전류를 사용하여 회전자를 제어하는 회전자 제어부를 포함하는
충전 시스템.
제7항에 있어서,
상기 회전자 제어부는
상기 회전자 제어 상태가 제어 완료 상태일 경우, 충전 명령 신호를 생성하는
충전 시스템.
제7항에 있어서,
상기 회전자 제어부는
상기 회전자 현재 위치가 미리 설정된 목표 회전자 위치와 동일할 경우, 회전자 제어 상태를 제어 완료 상태로 설정하는
충전 시스템.
제7항에 있어서,
상기 회전자 제어부는
상기 회전자 제어 상태가 제어 시작 상태일 경우, 상기 목표 지령 전류를 초기 정렬 지령 전류로 설정하고, 상기 회전자 제어 상태를 제어 유지 상태로 설정하는
충전 시스템.
제7항에 있어서,
상기 회전자 제어부는
상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치하지 않을 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 미리 설정된 전류 크기만큼 증가시키고, 상기 회전자가 미리 설정된 정렬 안정 영역에 위치할 않을 경우, 상기 목표 지령 전류의 크기를 현재 정렬 지령 전류의 크기로 설정하는
충전 시스템.
제7항에 있어서
상기 회전자 제어부는
전동기의 인덕터 중 사용 가능한 인덕터를 산출하고, 인버터의 스위칭 소자 중 사용 가능한 스위칭 소자를 산출하여, 상기 사용 가능한 인덕터 및 상기 사용 가능한 스위칭 소자를 기초로 상기 목표 회전자 위치를 설정하는
충전 시스템.