KR102063921B1 - 차량용 전력 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 전력 제어 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치는, 배터리와 3상 전동기 사이에 연결되는 인버터부, 상기 인버터부와 상기 배터리 사이에 연결되는 제1 메인 릴레이부 및 제2 메인 릴레이부, 상기 3상 전동기의 제1 인덕터 및 상기 3상 전동기의 제3 인덕터와 상기 인버터부 사이에 연결되는 구동 릴레이부, 상기 3상 전동기의 제1 인덕터와 상기 배터리 사이에 연결되는 인덕터 릴레이부, 외부 교류 전원과 상기 인버터부 사이에 연결되는 제1 충전 릴레이부, 상기 3상 전동기의 제1 인덕터 및 상기 3상 전동기의 제3 인덕터와 상기 3상 전동기의 제2 인덕터 사이에 연결되는 제2 충전 릴레이부 및 전력 제어 모드에 따라서 상기 메인 릴레이부, 상기 구동 릴레이부, 상기 인덕터 릴레이부 및 상기 충전 릴레이부의 온/오프 상태를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

차량용 전력 제어 장치{VEHICLE POWER CONTROL DEVICE}
본 발명은 차량용 전력 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 차량용 모터를 구동하는 인버터를 사용하여 차량용 배터리를 충전하는 전력 제어장치에 관한 것이다.
최근 각국의 환경 규제가 강화되면서 하이브리드 자동차(HEV), 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV)와 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 차량의 배터리 충전 시스템의 구조를 나타낸 것이다.
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.
도 2는 OBC를 사용하는 기존의 친환경 차량의 모터 구동 시스템의 구조를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, OBC를 사용하는 기존의 친환경 차량은 배터리(14)를 사용하여 3상 전동기(16)를 구동하기 위해 별도의 MCU(20)를 사용한다. 이때 MCU(20)에 포함된 인버터(201)는 배터리(14)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 3상 전동기(16)에 전달할 수 있다.
즉, MCU(20)는 배터리(14)가 모두 방전될 때까지 배터리(14)의 직류 전력을 통해 3상 전동기(16)의 구동을 제어할 수 있다. 이와 같은 MCU(20)는 인버터(201) 이외에 MCU(20)의 제어를 위한 MCU 제어부(202)를 더 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 기존의 친환경 차량은 배터리를 충전하기 위한 OBC와 모터를 구동하기 위한 모터 구동용 MCU를 모두 구비하고 있다.
그러나 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.
또한 OBC는 고가의 부품으로 구성되는 것이 일반적이며, 특히 OBC의 생산은 대략 10배의 출력 용량을 가지는 구동 인버터의 생산에 필요한 비용과 비슷한 생산 비용을 필요로 한다. 따라서 OBC를 사용하는 배터리 충전 시스템의 사용은 재료비의 과다 상승으로 인한 전체적인 차량의 원가 상승으로 이어질 수 밖에 없다.
본 발명은 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 하나의 회로로 구현함으로써 차량의 경량화 및 차량 구동 연비의 상승을 가능하게 하는 차량용 전력 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 3상 전동기나 인버터와 같이 기존에 차량에 구비된 부품이나 회로를 사용하여 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 구현함으로써 차량 생산 원가의 절감을 가능하게 하는 차량용 전력 제어 장치를 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, 배터리와 3상 전동기 사이에 연결되는 인버터부, 상기 인버터부와 상기 배터리 사이에 연결되는 제1 메인 릴레이부 및 제2 메인 릴레이부, 상기 3상 전동기의 제1 인덕터 및 상기 3상 전동기의 제3 인덕터와 상기 인버터부 사이에 연결되는 구동 릴레이부, 상기 3상 전동기의 중성점과 상기 배터리 사이에 연결되는 인덕터 릴레이부, 외부 교류 전원과 상기 인버터부 사이에 연결되는 제1 충전 릴레이부, 상기 3상 전동기의 제1 인덕터 및 상기 3상 전동기의 제3 인덕터와 상기 3상 전동기의 제2 인덕터 사이에 연결되는 제2 충전 릴레이부 및 전력 제어 모드에 따라서 상기 제1 메인 릴레이부, 상기 제2 메인 릴레이부, 상기 구동 릴레이부, 상기 인덕터 릴레이부, 상기 제1 충전 릴레이부 및 상기 제2 충전 릴레이부의 온/오프 상태를 제어하는 제어부를 포함하는 차량용 전력 제어 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력 제어 모드가 구동 모드이면 상기 제어부는 상기 제1 메인 릴레이부, 상기 제2 메인 릴레이부 및 상기 구동 릴레이부를 온 하고, 상기 인덕터 릴레이부, 상기 제1 충전 릴레이부 및 상기 제2 충전 릴레이부를 오프 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력 제어 모드가 충전 모드이면 상기 제어부는 상기 제2 메인 릴레이부, 상기 인덕터 릴레이부, 상기 제1 충전 릴레이부 및 상기 제2 충전 릴레이부를 온 하고, 상기 제1 메인 릴레이부 및 상기 구동 릴레이부를 오프 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력 제어 모드가 충전 모드이면 상기 3상 전동기의 제1 인덕터, 상기 3상 전동기의 제2 인덕터, 상기 3상 전동기의 제3 인덕터, 상기 인버터부의 제5 스위칭 소자 및 상기 인버터부의 제6 스위칭 소자는 강압 컨버터를 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 강압 컨버터는 제1 보조 커패시터 및 제1 보조 인덕터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 전력 제어 모드가 충전 모드이면 상기 인버터부의 제1 스위칭 소자, 상기 인버터부의 제2 스위칭 소자, 상기 인버터부의 제3 스위칭 소자, 상기 인버터부의 제4 스위칭 소자 및 제2 보조 인덕터는 승압 컨버터를 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 하나의 회로로 구현함으로써 차량의 경량화 및 차량 구동 연비의 상승이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 3상 전동기나 인버터와 같이 기존에 차량에 구비된 부품이나 회로를 사용하여 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 구현함으로써 차량 생산 원가의 절감이 가능한 장점이 있다.
도 1은 OBC를 사용하는 기존의 친환경 차량의 배터리 충전 시스템의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 OBC를 사용하는 기존의 친환경 차량의 모터 구동 시스템의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 충전 모드에서의 회로 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 충전 모드에서 각 릴레이의 온/오프 상태 및 회로의 결선 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 구동 모드에서의 회로 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 구동 모드에서 각 릴레이의 온/오프 상태 및 회로의 결선 상태를 나타낸 것이다.
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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치는 인버터부(304), 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307), 구동 릴레이부(308), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치는 전력 제어 모드에 따라서 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307), 구동 릴레이부(308), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)의 온/오프 상태를 제어하는 제어부(301)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치는 후술할 승압 컨버터를 구현하기 위해 제2 보조 인덕터(333)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서, 인버터부(304) 및 3상 전동기(300)는 배터리(302)의 충전 동작을 수행하는 컨버터의 구현에 사용된다. 이하에서는 본 발명의 인버터부(304) 및 3상 전동기(300)와 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307), 구동 릴레이부(308), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)의 연결 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 인버터부(304)는 배터리(302)와 3상 전동기(300) 사이에 연결된다.
인버터부(304)는 직류 전원이 공급하는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 즉, 인버터부(304)는 배터리(302)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 3상 전동기(300)에 공급함으로써 3상 전동기(300)의 구동을 제어할 수 있다.
도 3에 도시되지 않았으나, 본 발명의 일 실시예에서 3상 전동기(300)의 회전축은 3상 전동기(300)의 회전 속도에 따라 차량 바퀴의 회전 속도를 조절하기 위한 감속기와 연결될 수 있다. 즉, 3상 전동기(300)는 차량의 주행을 위해 감속기를 통해 차량 바퀴에 동력을 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 인버터부(304)는 제1 스위칭 소자(321), 제2 스위칭 소자(322), 제3 스위칭 소자(323), 제4 스위칭 소자(324), 제5 스위칭 소자(325) 및 제6 스위칭 소자(326)를 포함할 수 있다.
이와 같은 스위칭 소자의 예로는 BJT, JFET, MOSFET, IGBT 또는 MOS 트랜지스터 등을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 메인 릴레이부(306) 및 제2 메인 릴레이부(307)는 인버터부(304)와 배터리(302) 사이에 연결된다.
도 3을 참조하면, 제1 메인 릴레이부(306)는 배터리(302)의 일단 및 인버터부(304)의 일단 사이에 연결된다. 제2 메인 릴레이부(307)는 배터리(302)의 타단 및 인버터부(304)의 타단 사이에 연결된다. 따라서, 각 메인 릴레이부가 모두 온 될 경우 배터리(302)에 충전된 직류 전력은 인버터부(304)에 전달될 수 있다.
구동 릴레이부(308)는 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)와 인버터부(304) 사이에 연결된다.
본 발명의 일 실시예에서, 3상 전동기(300)는 제1 인덕터(341), 제2 인덕터(342) 및 제3 인덕터(343)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 구동 릴레이부(308)는 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341)의 일단과 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321) 및 제2 스위칭 소자(322) 사이에 연결된다. 또한 구동 릴레이부(308)는 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)의 일단과 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323) 및 제4 스위칭 소자(324) 사이에 연결된다.
따라서, 구동 릴레이부(308)가 온 될 경우 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)는 모두 인버터부(304)와 전기적으로 연결될 수 있다.
인덕터 릴레이부(310)는 3상 전동기(300)의 중성점(340)과 배터리(302) 사이에 연결된다.
다시 도 3을 참조하면, 인덕터 릴레이부(310)는 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 제2 인덕터(342) 및 제3 인덕터(343)가 공통으로 연결될 수 있는 3상 전동기(300)의 중성점(340)과 배터리(302)의 일단 사이에 연결된다.
따라서, 인덕터 릴레이부(310)가 온 될 경우 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 제2 인덕터(342) 및 제3 인덕터(343)는 인버터부(304) 및 배터리(302) 사이에 연결되어 후술할 강압 컨버터의 인덕터로 사용될 수 있다.
제1 충전 릴레이부(314)는 외부 교류 전원(316)과 인버터부(304) 사이에 연결된다.
도 3을 참조하면, 제1 충전 릴레이부(314)는 외부 교류 전원(316)의 일단과 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321) 및 제2 스위칭 소자(322) 사이에 연결된다. 또한 제1 충전 릴레이부(314)는 외부 교류 전원(316)의 타단과 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323) 및 제4 스위칭 소자(324) 사이에 연결된다.
제1 충전 릴레이부(314)가 온 될 경우, 외부 교류 전원(316)의 교류 전력은 후술할 승압 컨버터에 전달될 수 있다.
제2 충전 릴레이부(315)는 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)와 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342) 사이에 연결된다.
도 3을 참조하면, 제2 충전 릴레이부(315)는 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341)의 일단과 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342)의 일단 사이에 연결된다. 또한, 제2 충전 릴레이부(315)는 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)의 일단과 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342)의 일단 사이에 연결된다.
제2 충전 릴레이부(315)가 온 될 경우, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 제2 인덕터(342) 및 제3 인덕터(343)는 서로 병렬로 연결될 수 있다.
제어부(301)는 전력 제어 모드에 따라서 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307), 구동 릴레이부(308), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)의 온/오프 상태를 제어한다.
본 발명의 일 실시예에서, 전력 제어 모드가 구동 모드이면 제어부(301)는 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307) 및 구동 릴레이부(308)를 온 하고, 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)를 오프 할 수 있다.
반대로 전력 제어 모드가 충전 모드이면, 제어부(301)는 제2 메인 릴레이부(307), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)를 온 하고, 제1 메인 릴레이부(306) 및 구동 릴레이부(308)를 오프 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전력 제어 모드가 충전 모드이면 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342), 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343), 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)는 강압 컨버터를 구성할 수 있다.
이때, 강압 컨버터는 제1 보조 커패시터(332) 및 제1 보조 인덕터(334) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 전력 제어 모드가 충전 모드이면 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321), 인버터부(304)의 제2 스위칭 소자(322), 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323), 인버터부(304)의 제4 스위칭 소자(324) 및 제2 보조 인덕터(333)는 승압 컨버터를 구성할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 7을 통해 본 발명의 전력 제어 모드에 기초한 각 릴레이의 온/오프 동작 및 이에 따른 차량용 전력 제어 장치의 회로 결선 상태의 변화에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 충전 모드에서의 회로 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 승압 컨버터(41)는 외부 교류 전원(316)의 출력 전압을 정류하고 배터리 전압 이상으로 승압시킬 수 있다. 이때 외부 교류 전원(316)의 출력 전압은 DC 링크 커패시터(331)에 충전될 수 있다. 이후 강압 컨버터(42)는 DC 링크 커패시터(331)의 충전 전압을 목표 배터리 전압으로 강압시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 충전 모드에서 각 릴레이의 온/오프를 통해 회로의 결선 상태를 제어함으로써, 3상 전동기(300) 및 인버터부(304)가 외부 교류 전원(316)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(302)를 충전하도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 충전 모드에서 각 릴레이의 온/오프 상태 및 회로의 결선 상태를 나타낸 것이다.
참고로, 도 5에는 온 상태의 릴레이 및 릴레이의 온으로 인한 단락 상태 회로 결선만이 도시되었으며, 오프 상태의 릴레이는 도시되지 않았다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 전력 제어 모드가 충전 모드일 경우, 제어부(301)를 통해 제2 메인 릴레이부(307), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)를 온 하고, 제1 메인 릴레이부(306) 및 구동 릴레이부(308)를 오프 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 충전 모드에서 제1 충전 릴레이부(314)는 온 되어 외부 교류 전원(316)과 인버터부(304)를 전기적으로 연결할 수 있다.
구체적으로, 제1 충전 릴레이부(314)가 온 되면 외부 교류 전원(316)의 일단은 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321) 및 제2 스위칭 소자(322)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 외부 교류 전원(316)의 타단은 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323) 및 제4 스위칭 소자(324)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 제1 충전 릴레이부(314)가 온 되면 구동 릴레이부(308)는 오프 되므로, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341)와 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321) 및 제2 스위칭 소자(322)의 전기적 연결은 차단될 수 있고, 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)와 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323) 및 제4 스위칭 소자(324)의 전기적 연결은 차단될 수 있다.
이때, 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321), 인버터부(304)의 제2 스위칭 소자(322), 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323), 인버터부(304)의 제4 스위칭 소자(324) 및 제2 보조 인덕터(333)는 승압 컨버터(41)를 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321), 인버터부(304)의 제2 스위칭 소자(322), 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323), 인버터부(304)의 제4 스위칭 소자(324) 및 제2 보조 인덕터(333)가 구성하는 승압 컨버터(41)는 풀 브리지 PFC 컨버터(Full Bridge PFC Converter)일 수 있다.
PFC 컨버터는 역률을 개선하는 컨버터로써, 입력되는 교류 전류를 입력 교류 전압과 동위상이 되도록 제어함으로써 역률을 개선할 수 있는 변환기이다.
한편, 풀 브리지 컨버터는 네 개의 스위칭 소자를 포함하며, 각 스위칭 소자가 풀 브리지 형태로 서로 연결되어 상보적으로 동작하는 변환기이다.
풀 브리지 컨버터 동작의 예로, 풀 브리지 컨버터에 제어 파형이 인가되면 제어 파형의 절반의 주기 동안 한 쌍의 스위칭 소자가 스위칭 될 수 있으며, 나머지 한 쌍의 스위칭 소자는 제어 파형의 나머지 절반의 주기 동안 스위칭 될 수 있다. 풀 브리지 컨버터는 이와 같은 스위칭 소자의 스위칭 동작을 통해 교류 전력을 정류함과 동시에 입력 전압의 크기를 조절할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 충전 모드에서 외부 교류 전원(316)의 일단은 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321) 및 제2 스위칭 소자(322)와, 외부 교류 전원(316)의 타단은 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323) 및 제4 스위칭 소자(324)와 전기적으로 연결될 수 있다.
즉, 충전 모드에서 구동 릴레이부(308)가 오프 되고 제1 충전 릴레이부(314)가 온 됨에 따라, 외부 교류 전원(316)은 제2 보조 인덕터(333)와 직렬 연결 되어, 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321), 인버터부(304)의 제2 스위칭 소자(322), 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323) 및 인버터부(304)의 제4 스위칭 소자(324)와 풀 브리지 형태로 연결될 수 있다.
따라서, 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321), 인버터부(304)의 제2 스위칭 소자(322), 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323), 인버터부(304)의 제4 스위칭 소자(324) 및 제2 보조 인덕터(333)는 풀 브리지 PFC 컨버터를 구성할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 충전 모드에서 인덕터 릴레이부(310)는 온 되어 3상 전동기(300)의 중성점(340)을 배터리(302)에 연결시킴으로써 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 제2 인덕터(342) 및 제3 인덕터(343)를 강압 컨버터(42)의 인덕터로 사용되도록 할 수 있다.
구체적으로, 인덕터 릴레이부(310)가 온 되면 제2 충전 릴레이부(315)는 온 되므로, 3상 전동기(300)의 중성점(340)은 배터리(302)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있으며, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 제2 인덕터(342) 및 제3 인덕터(343)는 제2 충전 릴레이부(315)에 의해 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)와 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 도 5에 도시되지 않았으나 인덕터 릴레이부(310)가 온 되면 구동 릴레이부(308)는 오프 되므로, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341)의 일단과 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321) 및 제2 스위칭 소자(322) 사이의 전기적 연결은 차단된다.
또한, 인덕터 릴레이부(310)가 온 되면 구동 릴레이부(308)는 오프 되므로, 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)의 일단과 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323) 및 제4 스위칭 소자(324) 사이의 전기적 연결은 차단된다.
이때, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342), 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343), 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)는 강압 컨버터(42)를 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342), 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343), 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)가 구성하는 강압 컨버터(42)는 벅 컨버터(Buck Converter)일 수 있다.
벅 컨버터는 강압 DC/DC 변환기로써, 두 개의 스위칭 소자 및 하나의 인덕터로 이루어질 수 있다. 이때 두 개의 스위칭 소자는 한 개의 인덕터와 직류 전원 사이를 연결하여, 인덕터에 에너지를 저장하는 단계와 인덕터의 에너지를 부하로 방전하는 단계 사이를 왕복함으로써 직류 전원의 전압을 낮출 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)는 벅 컨버터의 인덕터로 사용될 수 있으며, 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 제6 스위칭 소자(326)는 벅 컨버터의 두 개의 스위칭 소자로 사용될 수 있다.
즉, 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 제6 스위칭 소자(326)는 온/오프 동작을 통해 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)에 흐르는 전류의 크기 및 방향을 제어할 수 있다.
따라서, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342), 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343), 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)는 벅 컨버터를 구성할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 하나의 회로로 구현함으로써 차량의 경량화 및 차량 구동 연비의 상승을 가능하게 하는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 3상 전동기나 인버터와 같이 기존에 차량에 구비된 부품이나 회로를 사용하여 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 구현함으로써 차량 생산 원가를 절감할 수 있게 하는 장점을 갖는다.
도 5에 도시되지 않았으나, 충전 모드에서 제1 메인 릴레이부(306)는 오프되어 배터리(302)의 양단과 인버터부(304)의 양단 사이의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치의 충전 모드에서 제2 메인 릴레이부(307), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)가 온 될 경우 인버터부(304)의 제1 스위칭 소자(321), 인버터부(304)의 제2 스위칭 소자(322), 인버터부(304)의 제3 스위칭 소자(323), 인버터부(304)의 제4 스위칭 소자(324) 및 제2 보조 인덕터(333)는 승압 컨버터(41)를 구성함과 동시에 외부 교류 전원(316)에 전기적으로 연결될 수 있다.
또한 본 발명의 차량용 전력 제어 장치의 충전 모드에서 제2 메인 릴레이부(307), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)가 온 될 경우 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342), 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343), 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)는 강압 컨버터(42)를 구성함과 동시에, 승압 컨버터(41) 및 배터리(302)의 사이에 전기적으로 연결될 수 있다.
이처럼 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 전력 제어 모드가 충전 모드일 경우, 제어부(301)를 통해 제2 메인 릴레이부(307), 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)를 온 하고, 제1 메인 릴레이부(306) 및 구동 릴레이부(308)를 오프 함으로써 인버터부(304)를 통해 외부 교류 전원(316)의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(302)에 충전할 수 있다.
즉, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 3상 전동기 및 인버터를 활용하여 충전 시스템을 구현함으로써, 기존 부품의 생산 시스템의 양산 신뢰성을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 강압 컨버터(42)는 제1 보조 커패시터(332) 및 제1 보조 인덕터(334) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342), 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343), 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)가 구성하는 강압 컨버터(42)는 제1 보조 커패시터(332)를 더 포함할 수 있다.
차량용 배터리의 충전 시, 리플 성분을 가지는 전류로 인해 배터리의 수명이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
제1 보조 커패시터(332)는 강압 컨버터(42)를 구성하는 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 제2 인덕터(342) 또는 제3 인덕터(343)에 흐르는 리플 성분의 전류를 흡수하여 배터리 충전 전압 리플을 감소시킴으로써 안정적인 배터리 충전에 도움을 줄 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342), 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343), 인버터부(304)의 제5 스위칭 소자(325) 및 인버터부(304)의 제6 스위칭 소자(326)가 구성하는 강압 컨버터(42)는 제1 보조 인덕터(334)를 더 포함할 수 있다.
강압 컨버터(42)에 포함된 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)의 인덕턴스 크기에 따라 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)에 흐르는 출력 전류 리플의 크기는 변할 수 있다.
3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341), 3상 전동기(300)의 제2 인덕터(342) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)의 인덕턴스 크기는 3상 전동기(300)의 설계값에 따라 고정되므로, 제1 보조 인덕터(334)를 3상 전동기(300)의 중성점(340)과 연결시켜 입력 전류 리플의 크기를 제어할 수 있다.
이처럼 제1 보조 인덕터(334)는 입력 전류 리플의 크기를 제어하기 위해 강압 컨버터(42)에 선택적으로 추가될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 구동 모드에서의 회로 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치는 구동모드에서 배터리(302)의 직류 전력을 인버터부(304)를 통해 교류 전력으로 변환하여 3상 전동기(300)에 공급할 수 있다. 이때 DC 링크 커패시터(331)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터부(304)의 출력 전압을 유지시켜 일정한 전원 공급을 가능하게 할 수 있다.
즉, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 구동 모드에서 각 릴레이의 온/오프를 통해 회로의 결선을 제어함으로써, 인버터부(304)가 배터리(302)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 3상 전동기(300)에 공급하도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전력 제어 장치의 구동 모드에서 각 릴레이의 온/오프 상태 및 회로의 결선 상태를 나타낸 것이다.
참고로, 도 7에는 온 상태의 릴레이 및 릴레이의 온으로 인한 단락 상태 회로 결선만이 도시되었으며, 오프 상태의 릴레이는 도시되지 않았다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 전력 제어 모드가 구동 모드일 경우, 제어부(301)를 통해 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307) 및 구동 릴레이부(308)를 온 하고, 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)를 오프 할 수 있다.
도 7을 참조하면, 구동 모드에서 제1 메인 릴레이부(306)는 온 되어 배터리(302)의 일단 및 인버터부(304)의 일단을 전기적으로 연결할 수 있고, 제2 메인 릴레이부(307)는 온 되어 배터리(302)의 타단 및 인버터부(304)의 타단을 전기적으로 연결할 수 있다. 따라서 배터리(302)에 충전된 직류 전력은 인버터부(304)에 전달될 수 있다.
한편, 구동 모드에서 구동 릴레이부(308)는 온 되어 3상 전동기(300)의 제1 인덕터(341) 및 3상 전동기(300)의 제3 인덕터(343)를 인버터부(304)와 전기적으로 연결할 수 있다. 따라서 배터리(302)의 직류 전력은 인버터부(304)에 의해 교류 전력으로 변환된 후 3상 전동기(300)에 전달될 수 있다.
도 7에 도시되지 않았으나, 구동 모드에서 구동 릴레이부(308)가 온 됨과 동시에 인덕터 릴레이부(310)는 오프되어 3상 전동기(300)의 중성점(340)과 배터리(302) 사이의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
또한, 도 7에 도시되지 않았으나 구동 모드에서 제1 충전 릴레이부(314)는 오프되어 외부 교류 전원(316)과 인버터부(304) 사이의 전기적 연결을 차단할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치의 구동 모드에서 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307) 및 구동 릴레이부(308)가 온 될 경우, 인버터부(304)는 3상 전동기(300) 및 배터리(302)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 3상 전동기(300)의 모든 인덕터는 제2 충전 릴레이부(315) 및 중성점(340)을 통해 병렬로 연결될 수 있다.
따라서 인버터부(304)는 제어부(301)의 스위칭 신호 인가에 따른 스위칭 동작을 통해서 배터리(302)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 3상 전동기(300)를 구동할 수 있다.
이처럼 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 전력 제어 모드가 구동 모드일 경우, 제어부(301)를 통해 제1 메인 릴레이부(306), 제2 메인 릴레이부(307) 및 구동 릴레이부(308)를 온 하고 인덕터 릴레이부(310), 제1 충전 릴레이부(314) 및 제2 충전 릴레이부(315)를 오프 함으로써 배터리(302)의 직류 전력을 인버터부(304)를 통해 교류 전력으로 변환하여 3상 전동기(300)의 구동을 제어할 수 있다.
즉, 본 발명의 차량용 전력 제어 장치는 3상 전동기나 인버터와 같이 기존에 차량에 구비된 부품이나 회로를 사용하여 차량에 탑재되는 배터리의 충전 기능 및 배터리를 이용한 차량의 구동 기능을 구현함으로써 차량 생산 원가를 절감할 수 있게 하는 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.
301: 제어부
304: 인버터부
306: 제1 메인 릴레이부
307: 제2 메인 릴레이부
308: 구동 릴레이부
310: 인덕터 릴레이부
314: 제1 충전 릴레이부
315: 제2 충전 릴레이부

Claims (6)

  1. 배터리와 3상 전동기 사이에 연결되는 인버터부;
    상기 인버터부와 상기 배터리 사이에 연결되는 제1 메인 릴레이부 및 제2 메인 릴레이부;
    상기 3상 전동기의 제1 인덕터 및 상기 3상 전동기의 제3 인덕터와 상기 인버터부 사이에 연결되는 구동 릴레이부;
    상기 3상 전동기의 중성점과 상기 배터리 사이에 연결되는 인덕터 릴레이부;
    외부 교류 전원과 상기 인버터부 사이에 연결되는 제1 충전 릴레이부;
    상기 3상 전동기의 제1 인덕터 및 상기 3상 전동기의 제3 인덕터와 상기 3상 전동기의 제2 인덕터 사이에 연결되는 제2 충전 릴레이부; 및
    전력 제어 모드에 따라서 상기 제1 메인 릴레이부, 상기 제2 메인 릴레이부, 상기 구동 릴레이부, 상기 인덕터 릴레이부, 상기 제1 충전 릴레이부 및 상기 제2 충전 릴레이부의 온/오프 상태를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력 제어 모드가 충전 모드이면,
    상기 3상 전동기의 제1 인덕터, 상기 3상 전동기의 제2 인덕터, 상기 3상 전동기의 제3 인덕터, 상기 인버터부의 제5 스위칭 소자 및 상기 인버터부의 제6 스위칭 소자는 강압 컨버터를 구성하는
    차량용 전력 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어 모드가 구동 모드이면, 상기 제어부는
    상기 제1 메인 릴레이부, 상기 제2 메인 릴레이부 및 상기 구동 릴레이부를 온 하고, 상기 인덕터 릴레이부, 상기 제1 충전 릴레이부 및 상기 제2 충전 릴레이부를 오프 하는
    차량용 전력 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어 모드가 상기 충전 모드이면, 상기 제어부는
    상기 제2 메인 릴레이부, 상기 인덕터 릴레이부, 상기 제1 충전 릴레이부 및 상기 제2 충전 릴레이부를 온 하고, 상기 제1 메인 릴레이부 및 상기 구동 릴레이부를 오프 하는
    차량용 전력 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강압 컨버터는
    제1 보조 커패시터 및 제1 보조 인덕터 중 적어도 하나를 더 포함하는
    차량용 전력 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어 모드가 상기 충전 모드이면,
    상기 인버터부의 제1 스위칭 소자, 상기 인버터부의 제2 스위칭 소자, 상기 인버터부의 제3 스위칭 소자, 상기 인버터부의 제4 스위칭 소자 및 제2 보조 인덕터는 승압 컨버터를 구성하는
    차량용 전력 제어 장치.
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