KR102429553B1 - 전기자동차의 전력변환시스템 및 전력변환방법 - Google Patents

전기자동차의 전력변환시스템 및 전력변환방법 Download PDF

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Abstract

전기자동차의 전력변환시스템이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전력변환시스템은 한 쌍을 이루는 복수의 스위칭소자를 가지고, 각 쌍의 스위칭소자를 스위칭하는 것에 의해 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터와, 복수의 고정자권선과 회전자를 포함하고, 인버터로부터 복수의 고정자권선에 출력된 교류전압에 의해 회전자가 회전하는 전동기와, 전장부하와 전기적으로 연결되고, 복수의 고정자권선 중 어느 하나와 직렬 연결된 출력 커패시터와, 회전자의 위치를 감지하는 위치감지부 및 전동기가 정지상태일 때 전동기의 고정자권선, 인버터의 스위칭소자 및 출력 커패시터를 이용하여 직류전원을 직류전원의 전압보다 낮은 전압레벨의 직류전압으로 변환하여 전장부하에 제공하는 DC 전원간의 전력 변환을 수행하되, DC 전원간의 전력 변환을 수행하는 동안 위치감지부를 통해 감지된 회전자 위치에 따라 고정자권선의 인덕턴스를 판단하고, 판단된 인덕턴스에 따라 인버터의 스위칭소자의 스위칭주기를 가변시키는 제어부를 포함한다.

Description

전기자동차의 전력변환시스템 및 전력변환방법{POWER CONVERSION SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES AND CONTROL METHOF THEREOF}
본 발명은 전기자동차의 전력변환시스템 및 전력변환방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직류전원을 전장부하가 요구하는 전압레벨의 직류전원으로 변환하는 전기자동차의 전력변환시스템 및 전력변환방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기자동차는 복수 개의 전원을 필요로 한다. 이를 위해 입력전압을 부하가 요구하는 전압레벨로 변환하는 전력변환기가 필요하다.
전력변환기 중 DC/DC 컨버터는 입력전압을 센서나 마이크로프로세서 등의 전장부하가 요구하는 전압레벨의 직류전압으로 변환한다. 즉, DC/DC 컨버터는 입력전압으로서 직류 전압을 입력받고 이를 출력 전압으로서 그보다 낮은 직류전압으로 변환한다.
DC/DC 컨버터는 인덕터와 스위칭 소자를 포함한다. DC/DC 컨버터는 스위칭 소자의 온 동작과 오프 동작에 의해 인덕터의 에너지가 출력 커패시턴스에 충전된다.
하지만, DC/DC 컨버터는 인덕터, 스위칭소자 등의 부품들을 필요로 하므로 시스템의 크기를 소형화하기 어렵고 시스템 가격을 상승시킨다.
최근에는 직류전원을 전장부하에서 요구하는 전압레벨의 직류전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터의 기능을 전동기의 고정자권선과 인버터를 이용하여 구현하는 DC 전원간 전력 변환방식이 개발되고 있다.
하지만, DC 전원간 전력 변환시 모터 회전자의 돌극성으로 인해 모터 회전자의 위치에 따라 고정자권선의 인덕턴스가 변동한다.
기존에는 이러한 고정자권선의 인덕턴스 변동을 효과적으로 보상할 수 없어 출력전압이 변동한다. 이로 인해 전체 시스템이 불안정할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제2014-0021218호
본 발명의 실시예는 전동기의 고정자권선과 인버터를 이용하여 직류전원을 전장부하에서 요구하는 전압레벨의 직류전압으로 변환하는 DC 전원간 전력 변환시 출력전압의 변동을 최소화할 수 있는 전기자동차의 전력변환시스템 및 전력변환방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 한 쌍을 이루는 복수의 스위칭소자를 가지고, 각 쌍의 스위칭소자를 스위칭하는 것에 의해 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터; 복수의 고정자권선과 회전자를 포함하고, 상기 인버터로부터 상기 복수의 고정자권선에 출력된 교류전압에 의해 상기 회전자가 회전하는 전동기; 전장부하와 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 고정자권선 중 어느 하나와 LC 공진 회로를 형성하는 출력 커패시터; 상기 LC 공진회로를 형성하는 고정자권선과 상기 출력 커패시터 사이에 마련되어 일측이 상기 복수의 고정자권선의 중성점과 연결되고 타측이 상기 출력 커패시터에 연결된 스위칭부; 상기 회전자의 위치를 감지하는 위치감지부; 및 상기 전동기가 작동중일 때 상기 스위칭부를 오프시켜 상기 출력 커패시터와 상기 고정자권선의 전기적인 연결을 차단시키고, 상기 전동기가 정지상태일 때 상기 스위칭부를 온 시켜 상기 고정자권선과 상기 출력 커패시터를 전기적으로 연결시켜 입력전압을 상기 입력전압보다 낮은 전압레벨의 직류전압으로 변환하여 상기 출력 커패시터의 양단에 병렬 연결된 전장부하에 제공하는 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하고, 상기 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하는 동안 상기 위치감지부를 통해 감지된 회전자 위치에 따라 상기 고정자권선의 인덕턴스를 판단하고, 상기 판단된 인덕턴스에 따라 상기 인버터의 스위칭소자의 스위칭주기를 가변시키는 제어부를 포함하는 전기자동차의 전력변환시스템이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 회전자의 위치별로 그에 대응하는 상기 고정자권선의 인덕턴스가 저장된 회전자위치-인덕턴스 테이블이 저장된 저장부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 증가하면 상기 스위칭주기를 증가시키고, 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 감소하면 상기 스위칭주기를 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 고정자권선과 회전자를 포함하는 전동기와, 복수의 스위칭소자를 포함하고 상기 전동기의 고정자권선에 직류전원을 교류전압으로 변환하여 제공하는 인버터와, 전장부하와 전기적으로 연결되고 상기 복수의 고정자권선 중 어느 하나와 LC 공진 회로를 형성하는 출력 커패시터와, 상기 LC 공진회로를 형성하는 고정자권선과 상기 출력 커패시터 사이에 마련되어 일측이 상기 복수의 고정자권선의 중성점과 연결되고 타측이 상기 출력 커패시터에 연결된 스위칭부를 포함하는 전기자동차의 전력변환방법에 있어서, 상기 전동기가 작동중일 때 상기 스위칭부를 오프시켜 상기 출력 커패시터와 상기 고정자권선의 전기적인 연결을 차단시키고, 상기 전동기가 정지상태일 때 상기 스위칭부를 온 시켜 상기 고정자권선과 상기 출력 커패시터를 전기적으로 연결시켜 입력전압을 상기 입력전압보다 낮은 전압레벨의 직류전압으로 변환하여 상기 출력 커패시터의 양단에 병렬 연결된 전장부하에 제공하는 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하고, 상기 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하는 동안 상기 회전자의 위치를 감지하고, 상기 감지된 회전자의 위치에 따라 상기 고정자권선의 인덕턴스를 판단하고, 상기 판단된 인덕턴스에 따라 상기 인버터의 스위칭소자의 스위칭주기를 가변시키는 것을 포함하는 전기자동차의 전력변환방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 스위칭주기 가변은 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 증가하면 상기 스위칭주기를 증가시키고, 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 감소하면 상기 스위칭주기를 감소시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예는 전동기의 고정자권선과 인버터의 스위칭소자를 이용하여 DC 전원간 전력 변환을 수행하는 전기자동차의 전력변환시스템에서 DC 전원간 전력 변환시 고정자권선의 인덕턴스의 변동을 보다 효과적으로 보상함으로써 DC 전원간 전력 변환시의 출력전압의 변동을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템의 전동기의 형태를 회전자가 내부에 있는 전동기의 형태로 등가한 모델도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC/DC 컨버터의 역할을 하는 구성요소들을 등가한 회로도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 등가회로의 DC/DC 컨버팅 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 등가회로의 DC/DC 컨버팅 작동을 위한 타이밍도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 출력전압의 변동을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 회전자 위치에 따른 고정자권선의 인덕턴스 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 출력전압의 변동을 보상하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 출력전압의 변동을 보상하는 것을 설명하기 위한 제어흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기자동차의 전력변환시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템의 전동기의 형태를 회전자가 내부에 있는 전동기의 형태로 등가한 모델도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전기자동차의 전력변환시스템에서 바퀴를 구동시키는 구동모터인 전동기(10)는 고정자(11)와 내부 회전자(12)를 가진다. 고정자(11)는 3상으로 배치된 3개의 인덕터(Lu,Lv,Lw)로 이루어진 고정자권선(u,v,w)을 포함한다. 고정자권선(u,v,w)은 Y 결선된 권선으로 이루어질 수 있다.
전동기(10)의 각 고정자권선(u,v,w)과 연결된 각 위상단자는 인버터(20)에 연결되어 있으며, 상전류가 유입되어 각 인덕터(Lu,Lv,Lw)에 전류가 흐르면 자기장이 형성되어 내부 회전자(12)를 회전시킨다.
인버터(20)는 직류 전압을 펄스폭 변조(PWM)을 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류로 바꾸어 전동기(10)를 구동하기 위한 것으로, 6개의 스위칭용 스위칭소자(Q1-Q6)를 가지며 2개가 직렬로 한 쌍을 이루어 전동기(10)의 위상단자에 각각 연결되어 있다.
일예로, 3쌍의 스위칭소자(Q1-Q6)는 전계효과트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor ; MOSFET)로서, 특히 N-MOSFET로서 형성되어 있다. 하지만, P-MOSFET 또는 다른 적절한 스위칭 소자들도 이용될 수 있다. MOSFET(Q1-Q6)는 드레인 단자(D), 게이트 단자(G) 및 소스 단자(S)를 가진다. MOSFET(Q1-Q6)는 병렬로 접속된 바디 다이오드(D)를 갖는다.
상부 스위칭소자(Q1,Q3,Q5)는 직류전원(Vdc)의 (+) 단자에 연결되고, 하부 스위칭소자(Q2,Q4,Q6)는 직류전원(Vdc)의 (-) 단자에 연결되어 있다. 이 인버터(20)는 후술하는 제어부(40)에 의해 구동된다.
3쌍의 스위칭 소자(Q1-Q6)는 전동기(10)의 고정자(11)에 배치된 각 인덕터(Lu,Lv,Lw)에 유입되는 전류 및 각 인덕터(Lu,Lv,Lw)로부터 유출되는 전류의 흐름을 각각 스위칭한다. 제어부(40)의 제어에 따라 스위칭 소자(Q1-Q6)를 온/오프시킴으로서, 인버터(20)가 소정 전압 및 주파수의 3상 교류를 출력하게 한다. 출력된 3상 교류는 전동기(10)에 공급됨으로서 전동기(10)가 동작된다.
상기한 구성을 갖는 전기자동차의 전력변환시스템에서 바퀴 구동시의 작동을 살펴보면, 인버터(20)의 6개 스위칭소자를 온/오프 제어하여 상부 스위칭소자(Q1,Q3,Q5) 중 어느 하나를 온 하고, 온 된 상과 다른 상을 갖는 하부 스위칭소자(Q2,Q4,Q6) 중 하나를 온 한다. 또한, 인버터(20)의 스위칭소자(Q1~Q6)를 스위칭하는 전동기(10)의 상전류에 따라 인버터(20)의 스위칭소자(Q1~Q6)를 선택적으로 스위칭한다.
상기한 인버터(1)의 스위칭소자(Q1~Q6)는 한 쌍을 이루어 두 개의 스위칭소자 중 어느 하나가 온 되면 다른 하나가 오프되는 방식으로 제어된다. 상기한 방식으로 제어할 때 인버터(1)는 각 스위칭소자(Q1~Q6)의 온/오프 조합에 대응하는 8개의 상태 중 어느 하나의 상태에 있게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 출력 커패시터(C)는 고정자권선(u,v,w) 중 DC/DC 컨버터의 인덕터의 기능으로 사용되는 어느 하나의 고정자 권선(u)(v)(w)와 직렬로 연결될 수 있다. 출력 커패시터(C)은 DC/DC 컨버터의 인덕터의 기능으로 사용되는 어느 하나의 고정자 권선(u)(v)(w)의 인덕터(Lu,Lv,Lw)와 LC 공진회로를 이룬다. 출력 커패시터(C)의 양단에는 전장부하가 연결된다. 후술하겠지만, 출력 커패시터(C)의 양단에 병렬 연결된 전장부하에 전장부하가 요구하는 레벨의 직류전압이 출력된다. 예를 들면, 전장부하에 출력된 직류전압은 직류전원(Vdc)을 DC/DC 컨터팅하는 것에 의해 변환된 직류전압으로서, 직류전원(Vdc)의 전압레벨보다 낮은 전압레벨을 가진 전압이다.
스위칭부(30)는 일측이 Y 결선된 고정자권선(u,v,w)에 대하여 중성점과 연결되고, 타측은 출력 커패시터(C)의 타측과 연결된다. 스위칭부(30)가 온되면, 각 인덕터(Lu)(Lv)(Lw)와 출력 커패시터(C)가 서로 전기적으로 연결된다. 스위칭부(30)가 오프되면, 각 인덕터(Lu)(Lv)(Lw)와 출력 커패시터(C)간의 전기적인 연결이 차단된다.
제어부(40)는 전동기(10)가 작동중일 때 스위칭부(30)를 오프시킨다. 이에 따라, 전동기(10)의 각 고정자권선(u)(v)(w)의 인덕터(Lu)(Lv)(Lw)와 출력 커패시터(C)간의 전기적인 연결이 차단된다.
제어부(40)는 전동기(10)가 정지상태일 때, 스위칭부(30)를 온 시킴과 함께 인버터(20)의 해당 스위칭소자를 온/오프 제어한다. 이에 따라, 전동기(10)의 각 고정자권선(u)(v)(w)의 인덕터(Lu)(Lv)(Lw)와 출력 커패시터(C)가 서로 연결되어 LC 회로를 구성한 상태에서 인버터(20)의 해당 스위칭소자가 온/오프 제어되기 때문에 직류전원의 전압레벨보다 낮은 전압레벨을 가진 직류전압이 전장부하에 출력된다.
이하에서는 직류전원(Vdc)를 DC/DC 컨버팅하는 것을 설명한다. 보다 구체적으로는, 전동기가 정지상태일 때 전동기의 고정자권선과 출력 커패시터를 이용하여 벅 컨버터(Buck Converter)인 DC/DC 컨버터의 LC 회로를 구성하고 인버터의 스위칭소자를 DC/DC 컨버터의 스위칭소자로 사용하여 직류전원(Vdc)을 전장부하가 요구하는 전압레벨의 직류전원으로 변환시킨다.
이하에서는 설명의 편의상 인버터(20)의 제1 스위칭소자(Q1)과 제2 스위칭소자(Q2), 이 스위칭소자들(Q1,Q2)에 대응하는 제1 고정자권선(u)의 제1 인덕터(Lu), 출력 커패시턴스(C)가 이루는 회로구성이 DC/DC 컨버터의 기능을 구현하는 것을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC/DC 컨버터의 역할을 하는 구성요소들을 등가한 회로도이고, 도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 등가회로의 DC/DC 컨버팅 작동을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 3에 도시된 등가회로의 DC/DC 컨버팅 작동을 위한 타이밍도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 도 3의 등가회로에서 제1 스위칭소자(Q1)와 제2 스위칭소자(Q2)의 듀티비(D)는 다음의 식 [1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00001
식 [1]
여기서, D는 듀티비(Duty Ratio), ton는 스위칭소자가 온 상태를 지속하는 시간, T는 주기이다. D는 0≤D≤1 사이의 값을 가진다.
제1 스위칭소자(Q1)가 온 되고 제2 스위칭소자(Q2)가 오프되면, 전류는 도 4의 화살표 방향으로 흐른다. 이때, vq2는 DT 구간동안 Vdc이다.
즉, 제1 스위칭소자(Q1)가 온 되고 제2 스위칭소자(Q2)가 오프되면 인덕터(Lu)로 전류가 흐르면 인덕터(Lu)에 에너지가 축적되고, 출력 커패시터(C)와 전장부하(R)을 통해 전류가 증가하며 흐르게 된다.
제1 스위칭소자(Q1)가 오프되고, 제2 스위칭소자(Q2)가 온 되면, 전류는 도 5의 화살표 방향으로 흐른다. 이때, vq2는 (1-D)T 구간동안 0이다.
즉, 제1 스위칭소자(Q1)가 오프되고, 제2 스위칭소자(Q2)가 온 되면 인덕터(Lu)에 축적된 에너지인 인덕터 전류가 출력 커패시터(C)와 전장부하(R)로 흐르도록 통로가 만들어진다. 인덕터 전류는 제1 스위칭소자(Q1)가 온 되고 제2 스위칭소자(Q2)가 오프될 때까지 감소한다.
제2 스위칭소자(Q2)의 양단전압의 평균치는 Vq2는 다음의 식 [2]로 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00002
식 [2]
여기서, Vdc는 입력전압이다.
따라서, 출력전압인 출력 커패시터(C)의 양단전압은 Vc는 다음의 식 [3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00003
식 [3]
여기서, VLu는 인덕터(Lu) 양단전압(vLu)의 평균치이다. vLu는 제1 스위칭소자(Q1)가 온 되고 제2 스위칭소자(Q2)가 오프되면 Vdc-Vc(0<t<DT)의 값을 가진다. 또한, vLu는 제1 스위칭소자(Q1)가 오프되고 제2 스위칭소자(Q2)가 온 되면 -Vc(DT<t<T)의 값을 가진다.
이때, 커패시터(C)가 충분히 커서 출력전압이 일정하다면 가정하면(vc = Vc), vLu는 Vdc-Vc(0<t<DT)와 -Vc(DT<t<T)를 가지므로, VLu는 다음의 식 [4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00004
식 [4]
또한, 인덕터(Lu)의 전류 변동차이 ΔiLu는 구간별로 다음의 식 [5]와 [6]으로 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00005
(O<t<DT) 식 [5]
Figure 112015051880518-pat00006
(DT<t<T) 식 [6]
여기서,
Figure 112015051880518-pat00007
이고,
Figure 112015051880518-pat00008
이다.
따라서, Vc는 D*Vdc로 나타낼 수 있으므로, 듀티사이클(D)을 조정하면 출력전압의 평균치를 조절할 수 있다. 이때, D는 0≤D≤1 사이의 값을 가지고, Vc는 0≤Vc≤Vdc 사이의 값을 가지며, 출력전압은 입력전압보다 낮은 전압으로 변환된다. 출력전압(Vc)는 입력전압(Vdc)보다 낮은 전압레벨을 가지므로 본 발명의 실시예에서는 별도의 DC/DC 컨버터를 설치하지 않거나 그 구성요소를 최소화하면서도 강압형 컨버터의 기능을 수행할 수 있다.
한편, 출력전압이 일정하지 않고 리플성분이 포함되어 있다면, 커패시터 전류 ic는 다음의 식 [7]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00009
식 [7]
즉, 출력전압의 변동이 미미하다고 가정하면, 인덕터의 전류의 ac 성분은 커패시터의 전류이고, 인덕터의 전류의 dc 성분은 저항의 전류를 나타나므로, ic를 근사적으로 식 [7]과 같이 나타낼 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 출력전압의 변동을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 커패시터(C)에 축적되는 전하량 ΔQ는 다음의 식 [8]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00010
식 [8]
또한, 출력전압 변동 차이 ΔVc는 다음의 식 [9]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051880518-pat00011
식 [9]
식 [9]에서 알 수 있듯이, Lu와 C의 값을 크게하면 출력전압의 변동이 줄어듬을 알 수 있다. Lu와 C의 값을 크게하는 것이 어려울 경우, D를 조절하는 것에 의해 출력전압의 변동을 줄일 수 있다.
하지만, 상술한 바와 같이, 직류전원을 전장부하에서 요구하는 전압레벨의 직류전압으로 변환하는 DC/DC 컨버터의 기능을 전동기의 고정자권선과 인버터의 스위칭소자를 이용하여 구현하는 DC 전원간 전력 변환시 전동기 회전자의 돌극성으로 인해 회전자의 위치에 따라 고정자권선의 인덕턴스가 변동한다.
따라서, DC 전원간 전력 변환시 고정자권선의 인덕턴스 변동을 효과적으로 보상할 수 있어야 출력전압의 변동을 최소화할 수 있어 전체 시스템을 안정시킬 수 있다. 하지만, DC 전원간 전력 변환시 듀티 사이클은 입력전압과 출력전압에 연동되어 있기 때문에 듀티 사이클을 조절해서는 출력전압의 변동을 최소화하는 데 한계가 있다.
이를 위해서는 DC 전원간 전력 변환시 고정자권선의 인덕턴스 변동을 효과적으로 보상하기 위해서는 DC 전원간 전력 변환할 때 고정자권선의 회전자 위치와 이 회전자 위치에 대응하는 인덕턴스 값을 알아야 한다.
다시 도 2를 참조하면, 위치감지부(50)는 회전자(12)의 위치를 감지하여 회전자(12)의 위치정보를 출력한다. 위치감지부(50)는 회전자(12)의 위치 검출을 위해 홀 센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver)소자, 인코더(encoder)와 같은 위치검출센서를 포함할 수 있다.
저장부(60)는 회전자 위치별로 그에 대응하는 고정자권선(u,v,w)의 인덕턴스가 저장되어 있다. 이러한 정보는 회전자위치-인덕턴스 테이블의 형태로 저장되어 있을 수 있다.
예를 들면, 회전자 위치별로 고정자권선(u)의 인덕턴스가 그에 대응되게 저장되어 있을 수 있다. 또한, 회전자 위치별로 고정자권선(v)의 인덕턴스가 그에 대응되게 저장되어 있을 수 있다. 또한, 회전자 위치별로 고정자권선(w)의 인덕턴스가 그에 대응되게 저장되어 있을 수 있다. 이 세 가지 인덕턴스가 모두 저장되어 있을 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 회전자 위치에 따른 고정자권선의 인덕턴스 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 회전자(12)의 돌극성에 의한 자속의 영향을 받아 전동기의 회전자(12)인 영구자석이 만들어내는 자속이 항상 일정한 것이 아니라 고정자 권선(u,v,w)을 통과하면서 부분적으로 포화현상을 일으키게 된다. 회전자(12)의 위치 즉, 영구자석의 위치가 변함에 따라 고정자 권선(u,v,w)의 인덕턴스는 변동되는 특성을 보이게 된다. 즉, 회전자(12)의 위치에 따라서 고정자 권선(u,v,w)의 인덕턴스가 d축에서 최소가 되고 q축에서 최고가 된다.
따라서, 회전자 위치에 따른 고정자권선의 인덕턴스를 미리 저장함으로써 DC 전원간 전력변환시 회전자(12)가 회전할 때 회전자의 위치를 감지하기만 하면 그 회전자 위치에서의 인덕턴스 값을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 DC 전원간의 전력 변환을 수행하는 동안 회전자(12)의 위치에 따라 고정자 권선(u,v,w)의 인덕턴스가 변화할 때 듀티 사이클 대신에 주기를 가변시킴으로써 고정자 권선(u,v,w)의 인덕턴스가 변화로 인한 출력전류(혹은 부하전류)의 전류 리플을 일정하게 하여 출력전압의 변동을 최소화한다.
이하에서는 DC 전원간의 전력 변환을 수행하는 동안 회전자(12)의 위치에 따라 고정자 권선(u,v,w)의 인덕턴스가 변화할 때 임의의 t1과 t2 사이의 시간 구간(도 9의 t1,t2 참조)에서 제1 스위칭소자(Q1)과 제2 스위칭소자(Q2)의 스위칭주기(Ts)를 가변시켜 출력전류 ic의 전류 리플을 일정하게 하는 것을 설명한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 출력전압의 변동을 보상하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 고정자권선의 인덕턴스값이 최대값에 도달할수록 ic의 전류 기울기는 상대적으로 완만하고, 고정자권선의 인덕턴스값이 최소값에 도달할수록 ic의 전류 기울기는 상대적으로 급격하다. 따라서, ic의 전류 리플을 일정하게 하기 위해서는 주기 Ts를 ic의 전류 기울기가 완만할수록 길어지고, ic의 전류 기울기가 급격할수록 짧아지도록 Ts를 가변시킬 필요가 있다. 따라서, 고정자권선의 인덕턴스값이 증가하면, Ts도 증가시키고, 고정자권선의 인덕턴스값이 감소하면 Ts도 감소시킴으로써 ic의 전류 리플을 일정하게 유지할 수 있다. 이로 인해, 출력전압의 변동을 최소화할 수 있어 시스템을 안정적으로 동작시킬 수 있다.
도 9와 같이, t1 시점이 t2 시점으로 갈수록 인덕턴스값이 점차 낮아진다고 가정할 경우, 스위칭소자(Q1,Q2)의 주기는 Ts1에서 시간이 경과할수록 이 Ts1보다 짧은 Ts2, Ts3로 가변되면서 주기가 짧아짐을 알 수 있다.
이와 같이, 듀티 사이클 D를 일정하게 하면서, 회전자의 위치에 따른 고정자권선의 인덕턴스 변화에 따라 주기를 가변시킴으로써 ic의 전류 리플을 일정하게 할 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전력변환시스템에서 DC 전원간의 전력 변환시 출력전압의 변동을 보상하는 것을 설명하기 위한 제어흐름도이다.
도 11을 참조하면, 먼저, 제어부(40)는 위치감지부(50)를 통해 회전자(12)의 위치를 감지한다(100).
저장부(60)에 미리 저장된 회전자위치-인덕턴스 테이블을 이용하여 회전자 위치에 따른 고정자권선의 인덕턴스를 산출한다(110).
회전자 위치에 따른 고정자권선의 인덕턴스를 산출한 후 제어부(40)는 커패시터(C)의 전류(ic)가 일정 리플을 유지하기 위한 주기(Ts)를 산출한다(120).
주기(Ts)를 산출한 후 제어부(40)는 산출된 주기(Ts)를 적용하여 DC 전원간의 전력 변환을 수행한다(130). 예를 들면, ic의 일정 리플 유지를 위해 산출된 주기값이 Ts1일 경우, 듀티 사이클 D를 미리 설정된 값으로 고정시키고, 0<t<DTs1 구간에서는 제1 스위칭소자(Q1)을 온 시키고 제2 스위칭소자(Q2)를 오프시킨다. 또한, DT<t<Ts1에서는 제2 스위칭소자(Q1)를 오프시키고 제2 스위칭소자(Q2)를 온 시킴으로써 DC 전원간의 전력 변환을 수행한다.
DC 전원간의 전력 변환을 수행한 후 전력 변환 종료인지를 판단한다(140). 전동기를 원래의 설치목적에 따라 구동시킬 경우 DC 전원간의 전력 변환을 종료할 시점인 것으로 판단할 수 있다.
DC 전원간의 전력 변환을 종료시점이 아니면, 작동모드 100으로 리턴하여 이하의 작동모드를 계속 수행한다. 이에 따라, 다음 번의 주기(Ts)는 회전자의 위치 변화로 인해 고정자권선의 인덕턴스값이 달라질 것이므로 이전 주기(Ts1)와 다른 주기값을 갖게 된다. 이 주기값은 상술한 바와 같이 인덕턴스와 주기값의 상관관계에 따라 ic의 전류 리플을 일정하게 하는 값으로 정해진다.
전력 변환 종료인 경우, 전력 변환을 중지한다(150).
상기한 실시예에서는 3상 모터의 고정자권선을 이용하는 것을 설명하고 있지만 이에 한정되지 않으며 단상 모터의 고정자권선을 이용하는 것도 가능하다.
또한, DC 전원간의 전력 변환시 인버터(20)의 한 쌍의 스위칭소자(Q1,Q2)를 제어하는 것에 대해서 설명하고 있지만 이에 한정되지 않으며 두 쌍 또는 세 쌍 스위칭소 등 복수 쌍의 스위칭소자를 함께 제어하는 것도 가능하다.
10 : 전동기 11 : 고정자
12 : 회전자 20 : 인버터
30 : 스위칭부 40 : 제어부
50 : 위치감지부 60 : 저장부

Claims (5)

  1. 한 쌍을 이루는 복수의 스위칭소자를 가지고, 각 쌍의 스위칭소자를 스위칭하는 것에 의해 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터;
    복수의 고정자권선과 회전자를 포함하고, 상기 인버터로부터 상기 복수의 고정자권선에 출력된 교류전압에 의해 상기 회전자가 회전하는 전동기;
    전장부하와 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 고정자권선 중 어느 하나와 LC 공진 회로를 형성하는 출력 커패시터;
    상기 LC 공진회로를 형성하는 고정자권선과 상기 출력 커패시터 사이에 마련되어 일측이 상기 복수의 고정자권선의 중성점과 연결되고 타측이 상기 출력 커패시터에 연결된 스위칭부;
    상기 회전자의 위치를 감지하는 위치감지부; 및
    상기 전동기가 작동중일 때 상기 스위칭부를 오프시켜 상기 출력 커패시터와 상기 고정자권선의 전기적인 연결을 차단시키고,
    상기 전동기가 정지상태일 때 상기 스위칭부를 온 시켜 상기 고정자권선과 상기 출력 커패시터를 전기적으로 연결시켜 입력전압을 상기 입력전압보다 낮은 전압레벨의 직류전압으로 변환하여 상기 출력 커패시터의 양단에 병렬 연결된 전장부하에 제공하는 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하고, 상기 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하는 동안 상기 위치감지부를 통해 감지된 회전자 위치에 따라 상기 고정자권선의 인덕턴스를 판단하고, 상기 판단된 인덕턴스에 따라 상기 인버터의 스위칭소자의 스위칭주기를 가변시키는 제어부를 포함하는 전기자동차의 전력변환시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전자의 위치별로 그에 대응하는 상기 고정자권선의 인덕턴스가 저장된 회전자위치-인덕턴스 테이블이 저장된 저장부를 포함하는 전기자동차의 전력변환시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 증가하면 상기 스위칭주기를 증가시키고, 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 감소하면 상기 스위칭주기를 감소시키는 것을 포함하는 전기자동차의 전력변환시스템.
  4. 복수의 고정자권선과 회전자를 포함하는 전동기와, 복수의 스위칭소자를 포함하고 상기 전동기의 고정자권선에 직류전원을 교류전압으로 변환하여 제공하는 인버터와, 전장부하와 전기적으로 연결되고 상기 복수의 고정자권선 중 어느 하나와 LC 공진 회로를 형성하는 출력 커패시터와, 상기 LC 공진회로를 형성하는 고정자권선과 상기 출력 커패시터 사이에 마련되어 일측이 상기 복수의 고정자권선의 중성점과 연결되고 타측이 상기 출력 커패시터에 연결된 스위칭부를 포함하는 전기자동차의 전력변환방법에 있어서,
    상기 전동기가 작동중일 때 상기 스위칭부를 오프시켜 상기 출력 커패시터와 상기 고정자권선의 전기적인 연결을 차단시키고,
    상기 전동기가 정지상태일 때 상기 스위칭부를 온 시켜 상기 고정자권선과 상기 출력 커패시터를 전기적으로 연결시켜 입력전압을 상기 입력전압보다 낮은 전압레벨의 직류전압으로 변환하여 상기 출력 커패시터의 양단에 병렬 연결된 전장부하에 제공하는 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하고,
    상기 DC/DC 컨버팅 동작을 수행하는 동안 상기 회전자의 위치를 감지하고,
    상기 감지된 회전자의 위치에 따라 상기 고정자권선의 인덕턴스를 판단하고,
    상기 판단된 인덕턴스에 따라 상기 인버터의 스위칭소자의 스위칭주기를 가변시키는 것을 포함하는 전기자동차의 전력변환방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스위칭주기 가변은 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 증가하면 상기 스위칭주기를 증가시키고, 상기 고정자권선의 인덕턴스값이 감소하면 상기 스위칭주기를 감소시키는 것을 특징으로 하는 전기자동차의 전력변환방법.
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