KR102188737B1 - 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템은, 배터리의 구동전압을 이용하여 차량 구동용 모터를 제어하는 인버터부, 무선으로 연결된 외부 전원으로부터 교류전압을 전달받는 무선수신부와, 상기 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부와, 상기 직류전압을 승압 또는 강압하여 배터리에 공급하는 컨버터부를 구비하는 무선충전부, 및 상기 인버터부의 고장 판단시, 상기 인버터부와 상기 차량 구동용 모터의 연결을 해제하도록 턴 오프(Turn Off) 제어되고, 상기 정류부와 상기 컨버터부를 상기 차량 구동용 모터에 연결하도록 턴 온(Turn On) 제어되는 스위치부를 포함한다.

Description

무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING VEHICULAR MOTOR USING WIRELESS CHARGER}
본 발명은 차량용 모터 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 일례로 친환경 차량의 모터 제어용 인버터의 고장시, 무선 충전 장치의 토폴로지를 이용하여 모터를 정상 동작 제어하는 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
친환경 차량은 HEV(Hybrid Electric vehicle), PHEV(Plug-in Hybrid Electric vehicle), 및 EV(Electric vehicle)와 같이 엔진 및 모터를 동시에 탑재하고, 고효율 운전을 위하여 에너지 효율 및 배기가스 절감을 최소화하는 운전전략으로 엔진 및 모터를 제어한다.
도 1은 종래 친환경 차량의 엔진 및 모터 제어 시스템의 블록도이다.
도 1을 참고하면, 종래 친환경 차량의 엔진 및 모터 제어 시스템은 각종 제어 유닛(HCU, ECU, MCU, TCU)과, 배터리 시스템(OBC, 고전압 배터리)과, 주행 시스템(엔진, 주행모터, 시동모터, 클러치, 인버터1, 인버터2, 변속기) 등을 포함할 수 있다.
종래 친환경 차량의 엔진 및 모터 제어 시스템은 차량정지 모드(STOP 모드)로 동작하는 경우, 시동모터(1)의 동작 중지를 통해 엔진(2)이 정지되고, 주행모터(3)가 정지되며, 클러치(4)가 오픈(Open) 상태로 유지된다.
또한, 엔진동작 모드(ENG 모드)로 동작하는 경우, 시동모터(1)의 동작 시작을 통해 엔진(2)이 동작을 시작하고, 주행모터(3)가 정지되며, 클러치(4) 클로즈(Close) 상태로 유지된다.
또한, 하이브리드 모드(HEV 모드)로 동작하는 경우, 시동모터(1)의 동작 시작을 통해 엔진(2)이 동작하고, 주행모터(3)가 동작하며, 클러치(4)가 클로즈(Close) 상태로 유지된다.
또한, 모터동작 모드(EV 모드)로 동작하는 경우, 시동모터(1)의 동작 정지를 통해 엔진(2)이 정지되고, 주행모터(3)가 동작하고, 클러치(4)가 오픈(Open) 상태로 유지된다.
상기 조건별 동작모드를 기초로 친환경 차량의 고효율 운전전략은 다음과 같다.
첫째, 저속에서는 주행모터(3)만을 제어하여 EV 모드로 주행한다.
둘째, 중속 이상에서는 클러치(4)를 접합(클로즈 상태)하여 주행모터(3)와 엔진(2)의 출력을 결합함으로써 엔진(2)과 주행모터(3)의 효율이 가장 좋은 영역에서 동작하는 HEV 모드로 주행한다.
셋째, 가속조건에서는 클러치(4)를 접합(클로즈 상태)하여 ENG 모드로 주행한다.
상기 여러 주행 조건 중에서 엔진동작이 활성화되는 ENG 및 HEV 모드의 경우, 엔진(2) 동작을 위한 시동모터(1)를 제어하는 3상 인버터(인버터2)의 고장 발생시, 정상적인 ENG 및 HEV 제어를 수행할 수 없어 차량주행이 불가능하게 되는 현상이 발생할 수 있다.
한편, 종래 친환경 차량의 엔진 및 모터 제어 시스템은 시동모터 및 주행모터를 구동하기 위한 용도의 고전압 배터리와, 고전압 배터리를 충전하기 위한 충전 장치가 구비된다. 통상적으로 충전 장치는 유선 충전 방식이 사용되고 있으나, 무선 충전 장치의 활용이 연구되고 있다.
이러한 무선 충전 장치는 무선으로 외부 전압을 수신하는 수신 코일, 수신 코일의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류기, 및 직류 전압을 승압 또는 강압하여 배터리를 충전하는 직류-직류 컨버터를 포함할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2006-0083732호
본 발명자는 정류기와 직류-직류 컨버터에 토폴로지(topology)로서 풀 브리지(Full bridge) 회로, 푸시풀(Push-pull) 회로 또는 하프브리지(Half-bridge) 회로 등이 있다는 것에 착안하여 본 발명의 완성에 이르게 되었다. 즉, 정류기와 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 이용하여 모터 제어를 위한 인버터의 회로 구성을 구현할 수 있을 것이다.
이에 본 발명은, 친환경 차량에서 모터를 제어하는 3상 인버터의 고장이 발생하는 경우에도 무선 충전 장치의 토폴로지를 이용하여 모터를 정상동작 시킬 수 있는 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템은, 배터리의 구동전압을 이용하여 차량 구동용 모터를 제어하는 인버터부; 무선으로 연결된 외부 전원으로부터 교류전압을 전달받는 무선수신부와, 상기 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부와, 상기 직류전압을 승압 또는 강압하여 배터리에 공급하는 컨버터부를 구비하는 무선충전부; 및 상기 인버터부의 고장 판단시, 상기 인버터부와 상기 차량 구동용 모터의 연결을 해제하도록 턴 오프(Turn Off) 제어되고, 상기 정류부와 상기 컨버터부를 상기 차량 구동용 모터에 연결하도록 턴 온(Turn On) 제어되는 스위치부;를 포함한다.
상기 정류부는, 서로 직렬 연결되는 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자를 포함하는 좌측 폴 회로, 및 상기 좌측 폴 회로에 병렬 연결되되, 서로 직렬 연결되는 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 포함하는 우측 폴 회로를 포함할 수 있다.
상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 사이에, 및 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이에 상기 차량 구동용 모터와의 연결을 위한 적어도 하나의 스위치가 연결될 수 있다.
상기 컨버터부는, 일단이 상기 정류부에 연결되는 제4 모스펫 소자와 일단이 상기 제4 모스펫 소자에 연결되는 제3 모스펫 소자를 포함하는 제1 스위칭 회로, 및 일단이 상기 제3 모스펫 소자와 상기 제4 모스펫 소자의 사이에 연결되고 타단이 배터리에 연결되는 제1 모스펫 소자와, 일단이 상기 제1 모스펫 소자의 일단에 연결되는 제2 모스펫 소자를 포함하는 제2 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
상기 제3 모스펫 소자와 상기 제4 모스펫 소자의 사이에 상기 차량 구동용 모터와의 연결을 위한 적어도 하나의 스위치가 구비될 수 있다.
상기 제1 스위칭 회로, 상기 좌측 폴 회로, 및 상기 우측 폴 회로는 상기 인버터부에 대응하는 모터 제어 회로를 구현할 수 있다.
상기 제1 스위칭 회로와 상기 좌측 폴 회로의 사이에 일단이 연결되고, 타단이 상기 배터리에 연결되는 적어도 하나의 전원 스위치가 구비될 수 있다.
상기 무선수신부는 상기 교류전압을 인가받는 수신 코일, 및 상기 수신 코일의 일단과 상기 정류부 사이에 연결되는 커패시터를 포함하고, 상기 수신 코일의 타단과 상기 정류부의 사이에 상기 교류전압의 전달을 차단하기 위한 적어도 하나의 전원 스위치가 구비될 수 있다.
상기 차량 구동용 모터는 3상 모터일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 방법은, 무선수신부, 정류부, 및 컨버터부를 포함하는 무선 충전 장치를 이용한 차량용 모터 제어 방법에 있어서, 모터 제어용 인버터의 고장 판단시, 상기 인버터와 모터의 연결을 해제하는 스위치 오프(Off) 단계; 상기 무선수신부, 상기 정류부, 및 상기 컨버터부를 상기 모터에 연결하는 스위치 온(On) 단계; 및 모터 제어 신호에 따라, 상기 정류부와 상기 컨버터부에 구비되는 스위칭 소자를 이용하여 모터 제어를 수행하는 모터 제어 단계;를 포함할 수 있다.
상기 모터 제어 단계는, 상기 정류부와 상기 컨버터부의 적어도 일부 구성을 상기 인버터에 대응하는 회로로 구현하여 모터 제어를 수행할 수 있다.
상기 모터 제어 신호는 공간벡터 PWM 신호일 수 있다.
본 발명에 따른 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템에 의하면, 친환경 차량에서 모터 제어용 인버터의 고장이 발생하는 경우에도 무선 충전 장치의 토폴로지를 이용하여 시동모터 또는 주행모터 등의 차량 구동용 모터의 정상 동작 제어가 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래 친환경 차량의 엔진 및 모터 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템의 회로도이다.
도 3은 컨버터부의 승압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 4는 컨버터부의 승압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 5는 컨버터부의 강압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 6은 컨버터부의 강압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 7은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 8은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 9는 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제3 도면이다.
도 10은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제4 도면이다.
도 11은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제5 도면이다.
도 12는 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제6 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용한 차량 모터 제어 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템의 회로도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템(10)은, 인버터부(100), 무선충전부(200), 및 스위치부를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 스위치부는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 제3 스위치(SW3), 제4 스위치(SW4), 제5 스위치(SW5), 제6 스위치(SW6), 제7 스위치(SW7)를 포함할 수 있다. 또한, 스위치부는 제1 전원 스위치(SV1)와 제2 전원 스위치(SV2)를 포함할 수 있다.
인버터부(100)는 배터리(BATT)의 구동전압을 이용하여 차량 구동용 모터(MOT)를 구동한다. 인버터부(100)는 차량 구동용 모터(MOT)를 제어하기 위한 복수의 스위칭 소자(Sc1, Sc2, Sc3, Sc4, Sc5, Sc6)를 포함할 수 있다. 여기서, 차량 구동용 모터(MOT)는 엔진동작을 위한 3상 시동모터일 수 있다. 또한, 본 발명은 차량 구동용 모터(MOT)가 차량 주행을 위한 주행모터인 경우에도 적용될 수 있다.
인버터부(100)는 차량 구동용 모터(MOT)를 제어하기 위한 공간벡터 PWM 제어 신호를 MCU(미도시)로부터 전달받을 수 있다. 인버터부(100)는 공간벡터 PWM 제어 신호에 따라 복수의 스위칭 소자(Sc1, Sc2, Sc3, Sc4, Sc5, Sc6)를 온/오프(On/Off) 제어할 수 있다. 인버터부(100)는 복수의 스위칭 소자(Sc1, Sc2, Sc3, Sc4, Sc5, Sc6)의 스위칭 동작에 따라 배터리(BATT)의 직류전압을 교류전압으로 변환하여 차량 구동용 모터(MOT)에 인가할 수 있다.
한편, 차량 구동용 모터(MOT)는 별도의 전류센서(미도시)에 의해 3상 전류가 측정된다. 측정된 3상 전류는 차량 구동용 모터(MOT)의 제어에 이용된다. 또한, 측정된 3상 전류는 인버터부(100)의 고장 판단에 이용될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 3상 전류의 합이 0 이 아닌 경우, 인버터부(100)는 고장으로 판단될 수 있다. 인버터부(100)의 고장 판단은 이에 한정되는 것이 아니고, 이미 알려진 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.
인버터부(100)는 고장으로 판단되는 경우, 배터리(BATT)의 직류전압을 차량 구동용 모터(MOT)에 인가하는 것을 중단한다. 인버터부(100)의 동작 중단은 스위치부의 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 제3 스위치(SW3), 및 제4 스위치(SW4)의 턴 오프(Turn Off) 동작에 의해 이루어질 수 있다. 여기서, 제1 스위치(SW1)는 배터리(BATT)의 일단과 인버터부(100)의 사이에 연결될 수 있다. 제2 스위치(SW2)는 인버터부(100)와 차량 구동용 모터(MOT)의 제1 상(U 상) 사이에 연결될 수 있다. 제3 스위치(SW3)는 인버터부(100)와 차량 구동용 모터(MOT)의 제2 상(V 상) 사이에 연결될 수 있다. 제4 스위치(SW4)는 인버터부(100)와 차량 구동용 모터(MOT)의 제3 상(W 상) 사이에 연결될 수 있다.
무선충전부(200)는 평상시 외부 전원으로부터 무선으로 전달받은 충전전압을 이용하여 배터리(BATT)를 충전할 수 있다. 무선충전부(200)는 인버터부(100)의 고장 판단시, 인버터부(100)를 대체하여 차량 구동용 모터(MOT)를 제어할 수 있다. 무선충전부(200)는 내부 회로의 일부 구성이 인버터부(100)의 회로 구성과 동일하게 구현됨으로써 차량 구동용 모터(MOT)를 제어할 수 있다.
이하에서는, 무선충전부(200)의 구성을 먼저 설명하고, 무선충전부(200)를 이용한 모터 제어 방법은 도 7 내지 도 12를 통해 후술한다.
무선충전부(200)는 무선수신부(210), 정류부(220), 및 컨버터부(230)를 포함할 수 있다.
무선수신부(210)는 차량 배터리(BATT)의 충전이 필요한 경우, 무선으로 연결된 외부 전원으로부터 고주파 교류전압을 전달받을 수 있다. 무선수신부(210)는 외부 전원으로부터 자기유도방식으로 전압을 인가받는 수신 코일(Ls)을 구비한다. 무선수신부(210)는 정류부(220)와 수신 코일(Ls)의 일단 사이에 직렬 연결되는 커패시터(C1)를 구비할 수 있다. 무선수신부(210)는 정류부(220)와 수신 코일(Ls)의 타단 사이에 연결되는 제2 전원 스위치(SV2)를 구비할 수 있다. 여기서, 제2 전원 스위치(SV2)는 무선충전모드일 때 턴 온(Turn On) 상태를 유지한다. 제2 전원 스위치(SV2)는 인버터부(100)의 고장 시, 턴 오프(Turn Off) 동작하도록 제어될 수 있다. 제2 전원 스위치(SV2)는 턴 오프(Turn Off)시, 수신 코일(Ls)에서 정류부(220)로 교류전압이 전달되는 것을 차단할 수 있다.
정류부(220)는 무선수신부(210)의 교류전압을 직류전압으로 변환할 수 있다. 정류부(220)는 복수의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)를 포함하여 H-브릿지 회로를 구성할 수 있다. 정류부(220)는 복수의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4)의 스위칭 동작을 통해 전압 변환을 수행할 수 있다. 복수의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sa3, Sa4) 각각은 모스펫(MOSFET)일 수 있다.
복수의 스위칭 소자는 서로 직렬 연결되는 제1 스위칭 소자(Sa1)와 제2 스위칭 소자(Sa2)를 포함하여 H-브릿지 회로의 좌측 폴 회로(223)를 구성할 수 있다.
또한, 복수의 스위칭 소자는 서로 직렬 연결되는 제3 스위칭 소자(Sa3)와 제4 스위칭 소자(Sa4)를 포함하여 H-브릿지 회로의 우측 폴 회로(221)를 구성할 수 있다. 정류부(220)의 H-브릿지 회로는 인버터부(100)의 일부 구성을 동일하게 구현할 수 있다. 정류부(220)의 H-브릿지 회로는 컨버터부(230)의 일부 구성과 조합되어 인버터부(100)의 전체 구성을 구현할 수 있다. 이를 통해 정류부(220)는 인버터부(100)의 대체하여 차량 구동용 모터(MOT)의 제어가 가능하다.
이를 위해 제1 스위칭 소자(Sa1)와 제2 스위칭 소자(Sa2)의 사이에는 상술한 바와 같은 제2 전원 스위치(SV2)가 연결될 수 있다. 또한, 제1 스위칭 소자(Sa1)와 제2 스위칭 소자(Sa2)의 사이에는 제6 스위치(SW6)가 연결될 수 있다. 여기서, 제6 스위치(SW6)는 정류부(220)의 좌측 폴 회로(223)를 차량 구동용 모터(MOT)의 제2 상(V 상)에 연결시키는데 이용될 수 있다. 제6 스위치(SW6)는 인버터부(100)의 고장 판단시, 정류부(220)의 좌측 폴 회로(223)를 차량 구동용 모터(MOT)에 연결하도록 턴 온(Turn On) 동작할 수 있다.
제3 스위칭 소자(Sa3)와 제4 스위칭 소자(Sa4)의 사이에는 커패시터(C1)가 연결될 수 있다. 또한, 제3 스위칭 소자(Sa3)와 제4 스위칭 소자(Sa4)의 사이에는 제7 스위치(SW7)가 연결될 수 있다. 여기서, 제7 스위치(SW7)는 인버터부(100)의 고장 판단시, 정류부(200)의 우측 폴 회로(221)를 차량 구동용 모터(MOT)에 연결하도록 턴 온(Turn On) 동작할 수 있다.
컨버터부(230)는 정류부(220)의 직류 전압을 승압 또는 강압하여 배터리(BATT)에 공급하는 것으로서, 커패시터들(C2, C3)과, 인덕터(L1)와, 제1 스위칭 회로(231)와 제2 스위칭 회로(233)를 포함할 수 있다.
커패시터(C2)는 정류부(220)에 병렬 연결되어 정류부(220)의 직류전압이 충전될 수 있다.
제1 스위칭 회로(231)는 커패시터(C2)에 병렬 연결되는 제3 모스펫 소자(Sb3)와, 커패시터(C2)의 일단과 제3 모스펫 소자(Sb3)의 일단 사이에 연결되는 제4 모스펫 소자(Sb4)를 포함할 수 있다.
인덕터(L1)는 일단이 제3 모스펫 소자(Sb3)와 제4 모스펫 소자(Sb4)의 사이에 연결될 수 있다.
제2 스위칭 회로(233)는 배터리(BATT)의 일단에 연결되는 제1 모스펫 소자(Sb1)와, 제1 모스펫 소자(Sb1)와 인덕터(L1)의 사이에 연결되는 제2 모스펫 소자(Sb2)를 포함할 수 있다. 제2 모스펫 소자(Sb2)는 제3 모스펫 소자(Sb3)에 병렬 연결될 수 있다.
커패시터(C3)는 배터리(BATT)의 일단과 제1 모스펫 소자(sb1)의 사이에 연결될 수 있다. 커패시터(C3)는 배터리(BATT) 및 제2 모스펫 소자(Sb2)에 병렬 연결될 수 있다.
제1 스위칭 회로(231)와 제2 스위칭 회로(233)는 스위칭 동작을 통해 커패시터(C2)의 직류전압을 적절히 승압 또는 강압하여 배터리(BATT)에 공급할 수 있다.
한편, 배터리(BATT)의 일단과 커패시터(C2)의 사이에, 또는 배터리(BATT)의 일단과 정류부(220)의 사이에 제1 전원 스위치(SV1)가 연결될 수 있다. 제2 전원 스위치(SV1)는 평상시 턴 오프(Turn Off)상태를 유지할 수 있다. 제2 전원 스위치(SV1)는 인버터부(100)의 고장 판단시, 턴 온(Turn On) 동작하여 정류부(220)와 컨버터부(230)의 모터 제어 기능이 온(On) 되도록 할 수 있다.
다른 한편, 제3 모스펫 소자(Sb3)와 제4 모스펫 소자(Sb4)의 사이에 제5 스위치(SW5)가 연결될 수 있다. 제5 스위치(SW5)는 차량 구동용 모터(MOT)의 제1 상(U 상)에 연결되어 제1 스위칭 회로(231)를 차량 구동용 모터(MOT)에 연결시키는데 이용될 수 있다. 제5 스위치(SW5)는 평상시 턴 오프(Off) 상태를 유지할 수 있다. 제5 스위치(SW5)는 인버터부(100)의 고장 판단시 턴 온(On) 동작하여 제1 스위칭 회로(231)를 차량 구동용 모터(MOT)에 연결할 수 있다.
제1 스위칭 회로(231)는 제5 스위치(SW5)에 의해 차량 구도용 모터(MOT)에 연결되면, 정류부(220)와 함께 차량 구동용 모터(MOT)를 제어하는데 이용될 수 있다. 여기서, 제1 스위칭 회로(231)와 정류부(220)의 H-브릿지 회로는 인버터부(100)의 회로 구성과 동일하게 구성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용한 차량 모터 제어 시스템의 신호 흐름을 설명한다.
먼저 도 3 내지 도 6을 참고하여, 컨버터부의 승압 또는 강압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 설명한다.
도 3은 컨버터부의 승압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 3에서 컨버터부(230)는 제1 승압 동작 모드로 동작한다. 제2 스위칭 회로(233)의 제1 모스펫 소자(Sb1)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제2 모스펫 소자(Sb2)는 턴 온(Turn On) 동작한다. 또한, 제1 스위칭 회로(231)의 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 온(Turn On) 동작한다. 이때 신호흐름은 커패시터(C2)의 일단에서 시작하여 제4 모스펫 소자(Sb4), 인덕터(L1), 및 제2 모스펫 소자(sb2)를 순차적으로 지나서 커패시터(C2)의 타단으로 인가되는 형태로 나타난다.
도 4는 컨버터부의 승압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 4에서 컨버터부(230)는 제2 승압 동작 모드로 동작한다. 제2 스위칭 회로(233)의 제1 모스펫 소자(Sb1)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제2 모스펫 소자(Sb2)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다. 또한, 제1 스위칭 회로(231)의 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 온(Turn On) 동작한다. 이때 신호흐름은 커패시터(C2)의 일단에서 시작하여 제4 모스펫 소자(Sb4), 인덕터(L1), 제1 모스펫 소자(Sb1), 및 배터리(BATT)를 순차적으로 지나는 형태로 나타난다.
도 3 및 도 4의 승압 동작 모드에 따라, 커패시터(C1)의 직류전압은 배터리 레벨에 적합하게 승압되어 배터리(BATT)에 충전될 수 있다.
도 5는 컨버터부의 강압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 5에서 컨버터부(230)는 제1 강압 동작 모드로 동작한다. 제2 스위칭 회로(233)의 제1 모스펫 소자(Sb1)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제2 모스펫 소자(Sb2)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다. 또한, 제1 스위칭 회로(231)의 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 온(Turn On) 동작한다. 이때 신호흐름은 커패시터(C2)의 일단에서 시작하여 제4 모스펫 소자(Sb4), 인덕터(L1), 제1 모스펫 소자(Sb1), 및 배터리(BATT)를 순차적으로 지나는 형태로 나타난다.
도 6은 컨버터부의 강압 동작 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 6에서 컨버터부(230)는 제2 강압 동작 모드로 동작한다. 제2 스위칭 회로(233)의 제1 모스펫 소자(Sb1)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제2 모스펫 소자(Sb2)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다. 또한, 제1 스위칭 회로(231)의 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다. 이때 신호흐름은 배터리(BATT), 제3 모스펫 소자(Sb3), 인덕터(L1), 및 제1 모스펫 소자(sb1)를 순차적으로 지나는 형태로 나타난다.
도 5 및 도 6의 강압 동작 모드에 따라, 커패시터(C1)의 직류전압은 배터리 레벨에 적합하게 강압되어 배터리(BATT)에 충전될 수 있다.
한편 도 3 내지 도 6에서, 승압 또는 강압 동작 모드에 따라, 제2 전원 스위치(SV2)는 턴 온(Turn On) 상태를 유지하고, 제1 전원 스위치(SV1), 제5 스위치(SW5), 제6 스위치(SW6), 및 제7 스위치(SW7)는 턴 오프(Turn Off) 상태를 유지한다.
이하에서는, 도 7 내지 도 12를 참고하여 무선충전부(200)를 이용한 차량 구동용 모터의 제어에 따른 신호 흐름을 설명한다.
도 7은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제1 도면이다.
도 7를 참고하면, 무선충전부(200)는 인버터부(100)의 고장 판단시, 인버터부(100)를 대체하여 차량 구동용 모터(MOT)를 제어하도록 모터 제어 모드로 동작할 수 있다.
먼저, 인버터부(100)의 고장 판단시, 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 제3 스위치(SW3), 및 제4 스위치(SW4)는 턴 오프(Turn Off) 동작하도록 제어된다. 이를 통해 인버터부(100)는 배터리(BATT) 및 차량 구동용 모터(MOT)와의 연결이 해제되어 동작이 중지된다.
또한, 제2 전원 스위치(SV2)는 턴 오프(Turn Off) 동작하도록 제어된다. 이를 통해 무선수신부(210)는 외부 전압의 수신 및 전달을 중지한다.
또한, 제1 전원 스위치(SV1), 제5 스위치(SW5), 제6 스위치(SW6), 및 제7 스위치(SW7)는 턴 온(Turn On) 동작하도록 제어된다. 이를 통해 배터리(BATT)가 인버터부(100)가 아닌 무선충전부(200)를 통해 차량 구동용 모터(MOT)에 연결된다. 또한, 컨버터부(230)의 제1 스위칭 회로(231)는 차량 구동용 모터(MOT)의 제1 상(U 상)에 연결된다. 정류부(220)의 좌측 폴 회로(223)는 차량 구동용 모터(MOT)의 제2 상(U 상)에 연결된다. 정류부(220)의 우측 폴 회로(221)는 차량 구동용 모터(MOT)의 제3 상(U 상)에 연결된다. 이러한 컨버터부(230)의 제1 스위칭 회로(231), 정류부(220)의 좌측 폴 회로(223), 및 정류부(220)의 우측 폴 회로(221)는 인버터부(100)의 회로 구성에 대응하는 모터 제어 회로를 구현할 수 있다.
그런 다음, 모터 제어 신호에 따라 제1 스위칭 회로(231), 좌측 폴 회로(223), 및 우측 폴 회로(221) 각각의 스위칭 소자는 모터 제어를 위한 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 여기서, 모터 제어 신호는 공간벡터 PWM 제어 신호일 수 있다.
도 7에서, 무선충전부(200)는 제1 모터 제어 모드로 동작한다. 제1 모터 제어 모드의 제1 공간벡터 PWM 제어 신호에 따른 스위칭 소자의 온오프 상태는 [1, 1, 0]으로 나타난다. 즉 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제1 스위칭 소자(Sa1)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제3 스위칭 소자(Sa3)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다. 이때 나머지 스위칭 소자는 반대의 상태를 유지한다. 즉 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제2 스위칭 소자(Sa2)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제4 스위칭 소자(Sa4)는 턴 온(Turn On) 동작한다.
이때 배터리(BATT)의 전압 신호는 제1 상(U 상)과 제2 상(V 상)을 통해 차량 구동용 모터(MOT)에 인가된다.
도 8은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제2 도면이다.
도 8에서, 무선충전부(200)는 제2 모터 제어 모드로 동작한다. 제2 모터 제어 모드의 제2 공간벡터 PWM 제어 신호에 따른 스위칭 소자의 온오프 상태는 [1, 0, 0]으로 나타난다. 즉 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제1 스위칭 소자(Sa1)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제3 스위칭 소자(Sa3)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다. 이때 나머지 스위칭 소자는 반대의 상태를 유지한다. 즉 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제2 스위칭 소자(Sa2)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제4 스위칭 소자(Sa4)는 턴 온(Turn On) 동작한다.
이때 배터리(BATT)의 전압 신호는 제1 상(U 상)을 통해 차량 구동용 모터(MOT)에 인가된다.
도 9는 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제3 도면이다.
도 9에서, 무선충전부(200)는 제3 모터 제어 모드로 동작한다. 제3 모터 제어 모드의 제3 공간벡터 PWM 제어 신호에 따른 스위칭 소자의 온오프 상태는 [1, 0, 1]으로 나타난다. 즉 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제1 스위칭 소자(Sa1)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제3 스위칭 소자(Sa3)는 턴 온(Turn On) 동작한다. 이때 나머지 스위칭 소자는 반대의 상태를 유지한다. 즉 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제2 스위칭 소자(Sa2)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제4 스위칭 소자(Sa4)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다.
이때 배터리(BATT)의 전압 신호는 제1 상(U 상)과 제3 상(W 상)을 통해 차량 구동용 모터(MOT)에 인가된다.
도 10은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제4 도면이다.
도 10에서, 무선충전부(200)는 제4 모터 제어 모드로 동작한다. 제4 모터 제어 모드의 제4 공간벡터 PWM 제어 신호에 따른 스위칭 소자의 온오프 상태는 [0, 0, 1]으로 나타난다. 즉 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제1 스위칭 소자(Sa1)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제3 스위칭 소자(Sa3)는 턴 온(Turn On) 동작한다. 이때 나머지 스위칭 소자는 반대의 상태를 유지한다. 즉 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제2 스위칭 소자(Sa2)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제4 스위칭 소자(Sa4)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다.
이때 배터리(BATT)의 전압 신호는 제3 상(W 상)을 통해 차량 구동용 모터(MOT)에 인가된다.
도 11은 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제5 도면이다.
도 11에서 무선충전부(200)는 제5 모터 제어 모드로 동작한다. 제5 모터 제어 모드의 제5 공간벡터 PWM 제어 신호에 따른 스위칭 소자의 온오프 상태는 [0, 1, 1]으로 나타난다. 즉 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제1 스위칭 소자(Sa1)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제3 스위칭 소자(Sb3)는 턴 온(Turn On) 동작하고. 이때 나머지 스위칭 소자는 반대의 상태를 유지한다. 즉 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제2 스위칭 소자(Sa2)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제4 스위칭 소자(Sa4)는 턴 오프(Turn Off) 동작한다.
이때 배터리(BATT)의 전압 신호는 제2 상(V 상)과 제3 상(W 상)을 통해 차량 구동용 모터(MOT)에 인가된다.
도 12는 무선충전부의 모터 제어 모드에 따른 신호 흐름을 보여주는 제6 도면이다.
도 12에서, 무선충전부(200)는 제6 모터 제어 모드로 동작한다. 제6 모터 제어 모드의 제6 공간베터 PWM 제어 신호에 따른 스위칭 소자의 온오프 상태는[0, 1, 0]으로 나타난다. 즉 제4 모스펫 소자(Sb4)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제1 스위칭 소자(Sa1)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제3 스위칭 소자(Sa3)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고. 이때 나머지 스위칭 소자는 반대의 상태를 유지한다. 즉 제3 모스펫 소자(Sb3)는 턴 온(Turn On) 동작하고, 제2 스위칭 소자(Sa2)는 턴 오프(Turn Off) 동작하고, 제4 스위칭 소자(Sa4)는 턴 온(Turn On) 동작한다.
이때 배터리(BATT)의 전압 신호는 제2 상(V 상)을 통해 차량 구동용 모터(MOT)에 인가된다.
이상의 구성으로 이루어진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용한 모터 제어 시스템은 차량 주행 중에 인버터부(100)의 고장이 발생하더라도, 무선충전부(200)를 이용하여 차량 구동용 모터(MOT)를 제어함으로써 의도치 않은 주행 중단 및 차량 사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용한 차량 모터 제어 방법의 순서도이다.
도 2 및 도 13을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 충전 장치를 이용한 차량 모터 제어 방법은 스위치 오프 단계(S1310), 스위치 온 단계(S1520), 및 모터 제어 단계(S1530)를 포함한다.
스위치 오프 단계(S1310)에서, 제어부(미도시)는 모터 제어용 인버터부(100)의 고장 판단시, 인버터부(100)와 차량 구동용 모터(MOT)의 연결을 해제하는 스위치 오프(OFF)를 수행한다. 여기서, 인버터부(100)의 고장 판단은 미리 알려진 다양한 고장 판단 방법 중에서 선택되는 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 제어부는 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2), 제3 스위치(SW3), 제4 스위치(SW4), 제2 전원 스위치(SV2)의 턴 오프(Turn Off) 동작을 제어할 수 있다.
스위치 온 단계(S1320)에서, 제어부는 무선충전부(200)를 차량 구동용 모터(MOT)에 연결하는 스위치 온(On)을 수행한다. 여기서, 제어부는 제1 전원 스위치(SV1), 제5 스위치(SW5), 제6 스위치(SW6), 및 제7 스위치(SW7)의 턴 온(Turn On) 동작을 제어할 수 있다.
모터 제어 단계(S1330)에서, 제어부는 무선충전부(200)에 구비되는 스위칭 소자들을 이용하여 모터 제어를 수행한다. 특히, 제어부는 정류부(220)와 컨버터부(230)의 적어도 일부 구성을 인버터부(100)에 대응하는 회로로 구현하여 모터 제어를 수행할 수 있다. 또한, 제어부는 모터 제어를 위해 공간벡터 PWM 신호를 생성할 수 있다. 공간벡터 PWM 신호는 평상시 모터 제어가 가능한 인버터부(100)에 전달하는 신호와 동일한 신호일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
10: 차량용 모터 제어 시스템
100: 인버터부
200: 무선충전부
210: 무선수신부
220: 정류부
221: 우측 폴 회로
223: 좌측 폴 회로
230: 컨버터부
231: 제1 스위칭 회로
233: 제2 스위칭 회로
SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6, SW7: 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7 스위치
SV1, SV2: 제1, 제2 전원 스위치

Claims (12)

  1. 배터리의 구동전압을 이용하여 차량 구동용 모터를 제어하는 인버터부;
    무선으로 연결된 외부 전원으로부터 교류전압을 전달받는 무선수신부와, 상기 교류전압을 직류전압으로 변환하는 정류부와, 상기 직류전압을 승압 또는 강압하여 배터리에 공급하는 컨버터부를 구비하는 무선충전부; 및
    상기 인버터부의 고장 판단시, 상기 인버터부와 상기 차량 구동용 모터의 연결을 해제하도록 턴 오프(Turn Off) 제어되고, 상기 정류부와 상기 컨버터부를 상기 차량 구동용 모터에 연결하도록 턴 온(Turn On) 제어되는 스위치부;
    를 포함하는 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류부는,
    서로 직렬 연결되는 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자를 포함하는 좌측 폴 회로, 및
    상기 좌측 폴 회로에 병렬 연결되되, 서로 직렬 연결되는 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자를 포함하는 우측 폴 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제2 스위칭 소자의 사이에, 및 상기 제3 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이에 상기 차량 구동용 모터와의 연결을 위한 적어도 하나의 스위치가 연결되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 컨버터부는,
    일단이 상기 정류부에 연결되는 제4 모스펫 소자와 일단이 상기 제4 모스펫 소자에 연결되는 제3 모스펫 소자를 포함하는 제1 스위칭 회로, 및
    일단이 상기 제3 모스펫 소자와 상기 제4 모스펫 소자의 사이에 연결되고 타단이 배터리에 연결되는 제1 모스펫 소자와, 일단이 상기 제1 모스펫 소자의 일단에 연결되는 제2 모스펫 소자를 포함하는 제2 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제3 모스펫 소자와 상기 제4 모스펫 소자의 사이에 상기 차량 구동용 모터와의 연결을 위한 적어도 하나의 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 회로, 상기 좌측 폴 회로, 및 상기 우측 폴 회로는 상기 인버터부에 대응하는 모터 제어 회로를 구현하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 회로와 상기 좌측 폴 회로의 사이에 일단이 연결되고, 타단이 상기 배터리에 연결되는 적어도 하나의 전원 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 무선수신부는
    상기 교류전압을 인가받는 수신 코일, 및
    상기 수신 코일의 일단과 상기 정류부 사이에 연결되는 커패시터를 포함하고,
    상기 수신 코일의 타단과 상기 정류부의 사이에 상기 교류전압의 전달을 차단하기 위한 적어도 하나의 전원 스위치가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량 구동용 모터는 3상 모터인 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 시스템.
  10. 무선수신부, 정류부, 및 컨버터부를 포함하는 무선 충전 장치를 이용한 차량용 모터 제어 방법에 있어서,
    모터 제어용 인버터의 고장 판단시, 상기 인버터와 모터의 연결을 해제하는 스위치 오프(Off) 단계;
    상기 무선수신부, 상기 정류부, 및 상기 컨버터부를 상기 모터에 연결하는 스위치 온(On) 단계; 및
    모터 제어 신호에 따라, 상기 정류부와 상기 컨버터부에 구비되는 스위칭 소자를 이용하여 모터 제어를 수행하는 모터 제어 단계;
    를 포함하는 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 모터 제어 단계는,
    상기 정류부와 상기 컨버터부의 적어도 일부 구성을 상기 인버터에 대응하는 회로로 구현하여 모터 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 모터 제어 신호는 공간벡터 PWM 신호인 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치를 이용하는 차량용 모터 제어 방법.
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