KR102478188B1 - 차량용 인버터 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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임종석
박한용
김도완
브로커호프 필립
아야드 아이만
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비테스코 테크놀로지스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 차량용 인버터 시스템에 관한 것으로, 제1 인버터부와 제2 인버터부; 상기 제1 인버터부와 상기 제2 인버터부 사이에 연결되는 모터; AC 충전구와 DC 충전구를 포함하는 충전 소켓; AC 충전 모드로 동작 시, 상기 제2 인버터부를 대신하거나 상기 제2 인버터부의 지정된 스위칭 소자와 조합하여 동작하는 보조 인버터부; 복수의 스위치(SW1 ~ SW7)를 포함하는 모드 스위칭부; 및 상기 모드 스위칭부의 각 스위치(SW1 ~ SW7)를 제어하여, 상기 제1 인버터부, 상기 제2 인버터부, 상기 보조 인버터부, 상기 모터 및 상기 충전 소켓 간의 회로 구성을 변경함으로써, 차량용 인버터 시스템을, 모터 구동을 위한 듀얼 인버터 모터 구동 모드나 단일 인버터 모터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하는 프로세서;를 포함한다.

Description

차량용 인버터 시스템 및 그 제어 방법{INVERTER SYSTEM FOR VEHICLE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 차량용 인버터 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 듀얼 인버터 시스템의 스위치 제어를 통하여 모드를 변경함으로써, 듀얼 인버터 구동 모드, 단일 인버터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터 모드, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하여 사용할 수 있도록 하는, 차량용 인버터 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배터리에 저장된 에너지를 이용하여 모터를 구동함으로써 차량의 구동출력을 발생시키는 친환경 차량의 경우, 배터리의 직류 전기에너지를 이용하여 교류모터의 구동출력을 발생시키거나, 차량의 운동에너지를 이용하여 교류모터의 회생제동출력을 발생시켜 직류 전력으로 변환하여 배터리를 충전하는 제어를 수행하기 위하여 인버터와 같은 전력변환장치를 사용한다.
또한 DC 혹은 AC 충전기를 이용해 친환경 차량 내 배터리를 충전하기 위하여 고전압 DC/DC 컨버터와 AC 온보드 차져(OBC)가 차량내부에 추가로 적용된다.
그런데 상기 친환경 차량에 적용되는 배터리, 모터, 인버터, 고전압 DC/DC 컨버터, 및 AC 온보드 차져 등의 고전압 부품들은, 가격이 고가이며, 개별로 적용 시 시스템 부피와 복잡도가 증가되는 문제점이 있다. 또한 개별 시스템간의 전기적인 연결을 위해 적용되는 고전압 케이블 또한 시스템 가격 및 무게를 증가시키는 문제점이 있다.
예컨대 도 1은 종래의 듀얼 인버터를 포함하는 모터 시스템을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 종래의 모터 시스템의 듀얼 인버터(즉, 제1 인버터부와 제2 인버터부)는 각기 6개의 스위칭 소자(IGBT 혹은 MOSFET)(S1~S6, S7~S12)를 포함하며, 모터(Motor) 코일 3상(U, V, W)의 양단이 각기 상기 듀얼 인버터(10, 20)의 각 스위칭 소자(S1~S6, S7~S12) 사이에 연결된다.
그런데 상기와 같은 종래의 모터 시스템(Motor System)은 모터 구동만 가능하며, 외부 충전기를 통한 배터리 충전을 위해서는 별도의 고전압 DC/DC 컨버터와 AC 온보드 차져(OBC)를 추가로 포함해야 하는 문제점이 있다.
이에 따라 모터 구동 시 효율 및 출력밀도를 향상시킬 수 있고, 기존 DC/DC 컨버터 및 AC 온보드 차져(OBC)의 고전압 부품을 제거하여 시스템 가격 및 부피를 감소시킬 수 있는 인버터 시스템이 필요한 상황이다. 즉, 모터 구동 시에는 듀얼 인버터 구동 모드, 단일 인버터 구동 모드로 변환하여 적용할 수 있고, 배터리 충전 시에는 DC 충전 및 AC 충전 모드로 작동할 수 있는 인버터 시스템이 필요한 상황이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2015-0031828호(2015.03.25. 공개, 이중 인버터 시스템 및 그 제어 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 듀얼 인버터 시스템의 스위치 제어를 통하여 모드를 변경함으로써, 듀얼 인버터 구동 모드, 단일 인버터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터 모드, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하여 사용할 수 있도록 하는, 차량용 인버터 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 차량용 인버터 시스템은, 제1 인버터부와 제2 인버터부; 상기 제1 인버터부와 상기 제2 인버터부 사이에 연결되는 모터; AC 충전구와 DC 충전구를 포함하는 충전 소켓; AC 충전 모드로 동작 시, 상기 제2 인버터부를 대신하거나 상기 제2 인버터부의 지정된 스위칭 소자와 조합하여 동작하는 보조 인버터부; 복수의 스위치(SW1 ~ SW7)를 포함하는 모드 스위칭부; 및 상기 모드 스위칭부의 각 스위치(SW1 ~ SW7)를 제어하여, 상기 제1 인버터부, 상기 제2 인버터부, 상기 보조 인버터부, 상기 모터 및 상기 충전 소켓 간의 회로 구성을 변경함으로써, 차량용 인버터 시스템을, 모터 구동을 위한 듀얼 인버터 모터 구동 모드나 단일 인버터 모터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하는 프로세서;를 포함하되, 상기 제1 인버터부와 배터리의 사이에 제1 DC 링크 커패시터가 병렬로 형성되고, 상기 제2 인버터부의 충전 소켓측 DC 충전구 양단 사이에 제2 DC 링크 커패시터와 이에 직렬 연결된 제7 스위치가 병렬로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 보조 인버터부는, 상기 제2 인버터부의 각 레그의 접속점(J1 ~ J3)과 상기 충전 소켓의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3) 사이에 각각 연결되는 하나 이상의 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 보조 인버터부의 스위칭 소자는, 단일 스위칭 소자 형태로 형성되거나, 하이 사이드 스위칭 소자와 로우 사이드 스위칭 소자가 접속된 레그 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 충전 소켓의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3)와 상기 보조 인버터부의 스위칭 소자의 사이에 각각 제3~5 스위치(SW3~SW5)가 연결되며, 상기 보조 인버터부의 스위칭 소자와 상기 제3~5 스위치(SW3~SW5)의 사이에 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)가 각각 병렬로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 보조 인버터부의 스위칭 소자가 레그 형태로 형성될 경우, 상기 보조 인버터부에 형성된 레그의 접속점(J4~J6)과 상기 제2 인버터부에 형성된 레그의 접속점(J1~J3)이 각각 연결되며, 상기 보조 인버터부의 로우 사이드 스위칭 소자(S16~S18)의 (-)전압 단이 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)의 (-)전압 단에 접속되고, 상기 보조 인버터부의 하이 사이드 스위칭 소자(S13~S15)의 (+)전압 단이 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)의 (+)전압 단에 각각 접속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 모드 스위칭부는, 충전 소켓의 EVSE P 단자와 제2 DC 링크 커패시터(C2)의 (+)전압 단 사이에 형성되는 제1 스위치(SW1); 상기 충전 소켓의 EVSE N 단자와 제2 인버터부의 (-)전압 단 사이에 형성되는 제2 스위치(SW2); 상기 충전 소켓의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3)와 상기 보조 인버터부의 각 스위칭 소자의 사이에 형성되는 제3~5 스위치(SW3~SW5); 상기 제1 인버터부와 상기 제2 인버터부의 (+)전압 단 사이에 형성되는 제6 스위치(SW6); 및 상기 제2 인버터부의 (-)전압 단과 제2 DC 링크 커패시터의 (-)전압 단 사이에 형성되는 제7 스위치(SW7);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제6 스위치(SW6)를 Close 시키고, 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자는 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제1~7 스위치(SW1~SW7) 및 상기 제2 인버터부의 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12)와 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자(S13~S18)를 Open 시키고, 상기 제2 인버터부의 하이 사이드 스위칭 소자(S7~S9)는 Close 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 단일 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제1~2, 7 스위치(SW1~SW2, SW7)을 Close 시키고, 제3~6 스위치(SW3~SW6)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 양방향 3상 DC/DC Buck/Boost 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)를 Close 시키고, 제3~5 스위치(SW3~SW5)와 상기 제1,2 인버터부 및 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 DC 충전 모드에서 외부 충전전력을 배터리로 바이패스(Bypass)하도록 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제3~5 스위치(SW3~SW5)를 Close 시키고, 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)와 상기 제2 인버터부의 모든 스위칭 소자(S7~S12)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 AC 충전 모드에서 AC/DC 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 차량용 인버터 시스템의 제어 방법은, 제1 인버터부와 제2 인버터부, 상기 제1 인버터부와 상기 제2 인버터부 사이에 연결되는 모터, AC 충전구와 DC 충전구를 포함하는 충전 소켓, AC 충전 모드로 동작 시, 상기 제2 인버터부를 대신하거나 상기 제2 인버터부의 지정된 스위칭 소자와 조합하여 동작하는 보조 인버터부와 복수의 스위치(SW1 ~ SW7)를 포함하는 모드 스위칭부를 포함하는 차량용 인버터 시스템의 프로세서가 작동 모드를 선택받는 단계; 및 상기 프로세서가, 상기 작동 모드에 따라, 모드 스위칭부의 각 스위치(SW1 ~ SW7)를 제어하여, 상기 제1 인버터부, 상기 제2 인버터부, 상기 보조 인버터부, 상기 모터 및 상기 충전 소켓 간의 회로 구성을 변경하는 단계;를 포함하고, 상기 회로 구성을 변경하는 단계를 통하여, 상기 프로세서가, 상기 차량용 인버터 시스템을, 모터 구동을 위한 듀얼 인버터 모터 구동 모드나 단일 인버터 모터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제6 스위치(SW6)를 Close 시키고, 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자는 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서, 상기 프로세서는, 제1~7 스위치(SW1~SW7) 및 상기 제2 인버터부의 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12)와 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자(S13~S18)를 Open 시키고, 상기 제2 인버터부의 하이 사이드 스위칭 소자(S7~S9)는 Close 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 단일 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제1~2, 7 스위치(SW1~SW2, SW7)을 Close 시키고, 제3~6 스위치(SW3~SW6)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 양방향 3상 DC/DC Buck/Boost 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)를 Close 시키고, 제3~5 스위치(SW3~SW5)와 상기 제1,2 인버터부 및 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 DC 충전 모드에서 외부 충전전력을 배터리로 바이패스(Bypass)하도록 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서, 상기 프로세서는, 상기 모드 스위칭부의 제3~5 스위치(SW3~SW5)를 Close 시키고, 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)와 상기 제2 인버터부의 모든 스위칭 소자(S7~S12)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 AC 충전 모드에서 AC/DC 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 듀얼 인버터 시스템의 스위치 제어를 통하여 모드를 변경함으로써, 듀얼 인버터 구동 모드, 단일 인버터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터 모드, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하여 사용할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 듀얼 인버터를 포함하는 모터 시스템을 보인 예시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 5는 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 작동할 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도.
도 6은 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 단일 인버터 모터 구동 모드로 작동할 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도.
도 7은 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 DC 충전 모드에서 DC/DC 컨버터로 작동될 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도.
도 8은 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 DC 충전 모드에서 외부 충전전력을 배터리로 바이패스(Bypass)할 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도.
도 9는 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 AC 충전 모드에서 AC/DC 컨버터로 작동될 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도.
도 10은 상기 도 9에 도시된 차량용 인버터 시스템이 AC 충전 모드로 동작할 때의 등가 회를 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 차량용 인버터 시스템 및 그 제어 방법의 일 실시 예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도이고, 도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도이며, 도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 개략적인 구성을 보인 예시도로서, 제1 인버터부(10), 제2 인버터부(20), 모터(MTR), 충전 소켓(30), 보조 인버터부(40), 모드 스위칭부(110) 및 프로세서(120)를 포함한다.
상기 제1 인버터부(10)와 배터리(BAT)의 사이에는 1개의 제1 DC 링크 커패시터(C1)가 병렬로 형성되고, 상기 제2 인버터부(20)의 충전 소켓(30)측 DC 충전구 양단(즉, EVSE P, EVSE N) 사이에는 1개의 제2 DC 링크 커패시터(C2)와 이에 직렬 연결된 제7 스위치(SW7)가 병렬로 형성된다.
상기 충전 소켓(30)은 3개의 단자(L1, L2(or N), L3)를 갖는 AC 충전구와 (EVSE P),(EVSE N)의 2개의 단자를 갖는 DC 충전구를 포함한다.
상기 보조 인버터부(40)는 상기 제2 인버터부(20)의 각 레그(예 : 하이 사이드 스위칭 소자와 로우 사이드 스위칭 소자가 연결된 구성으로서, (S7과 S10의 레그), (S8과 S11의 레그), (S9와 S12의 레그))의 접속점(J1 ~ J3)과 상기 충전 소켓(30)의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3) 사이에 각각 연결되는 하나 이상의 스위칭 소자(S13~S18)를 포함한다.
여기서 상기 보조 인버터부(40)의 스위칭 소자는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 단일 스위칭 소자(S13~S15) 형태로 포함되거나, 도 5에 도시된 바와 같이, 레그 형태(예 : (S13과 S16의 레그), (S14와 S17의 레그), (S15와 S18의 레그))로 포함될 수 있다.
이 때 상기 충전 소켓(30)의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3)와 상기 보조 인버터부(40)의 스위칭 소자(S13~S15)의 사이에는 각각 제3~5 스위치(SW3~SW5)가 연결되며, 상기 스위칭 소자(S13~S15)와 제3~5 스위치(SW3~SW5)의 사이에는 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)가 각각 병렬로 형성된다.
한편 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보조 인버터부(40)의 스위칭 소자(S13~S18)가 레그 형태로 형성될 경우, 상기 보조 인버터부(40)에 형성된 레그의 접속점(J4~J6)과 상기 제2 인버터부(20)에 형성된 레그의 접속점(J1~J3)이 각각 연결되며, 상기 보조 인버터부(40)의 로우 사이드 스위칭 소자(S16~S18)의 (-)전압 단이 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)의 (-)전압 단에 접속되고, 상기 보조 인버터부(40)의 하이 사이드 스위칭 소자(S13~S15)의 (+)전압 단이 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)의 (+)전압 단에 각각 접속된다.
상기 모드 스위칭부(110)는 복수의 스위치(SW1 ~ SW7)를 포함한다.
여기서 상기 각 스위치(SW1 ~ SW7)는 IGBT, MOSFET, Relay 등을 포함하며, 다만 이를 한정하는 것은 아니다.
상기 모드 스위칭부(110)의 제1 스위치(SW1)는 충전 소켓(30)의 EVSE P 단자와 제2 DC 링크 커패시터(C2)의 (+)전압 단 사이에 형성된다. 제2 스위치(SW2)는 충전 소켓(30)의 EVSE N 단자와 제2 인버터부(20)의 (-)전압 단 사이에 형성된다. 제3~5 스위치(SW3~SW5)는 상기 충전 소켓(30)의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3)와 상기 보조 인버터부(40)의 각 스위칭 소자(S13~S15)의 사이에 형성된다. 제6 스위치(SW6)는 제1 인버터부(10)와 제2 인버터부(20)의 (+)전압 단 사이에 형성된다. 제7 스위치(SW7)는 제2 인버터부(20)의 (-)전압 단과 제2 DC 링크 커패시터(C2)의 (-)전압 단 사이에 형성된다.
상기 프로세서(120)는 상기 모드 스위칭부(110)의 각 스위치(SW1 ~ SW7)를 제어하여, 상기 제1 인버터부(10), 상기 제2 인버터부(20), 상기 보조 인버터부(40), 상기 모터(MTR) 및 상기 충전 소켓(30)간의 회로 구성을 변경함으로써, 차량용 인버터 시스템을 모터 구동을 위한 듀얼 인버터 모터 구동 모드나 단일 인버터 모터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 사용할 수 있도록 한다.
이하 도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 동작 모드에 따른 모드 스위칭부(110)의 각 스위치(SW1 ~ SW7)의 동작에 대해서 설명한다.
도 2를 참조하면, 프로세서(120)가 보조 인버터부(40)의 제13~14 스위칭 소자(S13~S14) 및 제1~4, 7 스위치(SW1~SW4, SW7)를 Open 시키고, 제6 스위치(SW6)를 Close 시킴으로써, 도 1에 도시된 바와 같은 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 동작하는 회로가 구성된다.
또한 상기 프로세서(120)가 제2 인버터부(20)의 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12) 및 제6 스위치(SW6)를 Open 시키고, 제2 인버터부(20)의 하이 사이드 스위칭 소자(S7~S8)을 Close 시킴으로써, 제2 인버터부(20)의 (+)전압 단을 중성점으로 하는 단일 인버터 모터 구동 모드로 동작하는 회로가 구성된다.
또한 상기 프로세서(120)가 제3~4, 6 스위치(SW3~SW4, SW6)를 Open 시키고, 제1~2, 7 스위치(SW1~SW2, SW7)는 Close 시킴으로써, DC 충전 모드로 동작하는 회로가 구성된다. 이 때 제1 인버터부(10) 및 제2 인버터부(20)의 12개의 스위칭 소자(S1~S12) 및 모터(MTR)의 코일을 이용하면 양방향 3상 DC Buck/Boost 컨버터로 작동이 가능하며(예 : 400V 외부 충전기 → 800V Battery, 800V 외부 충전기 → 400V Battery), 나머지 스위칭 소자는 Open 시킨다.
또한 상기 프로세서(120)가 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)를 Close 시키고, 제3~4 스위치(SW3~4) 및 제1 인버터부(10) 및 제2 인버터부(20)의 모든 스위칭 소자(S1~S12)를 Open 시킴으로써, DC 충전 바이패스(Bypass) 모드로 동작하는 회로가 구성되어, 외부 충전기가 직접 배터리 충전에 필요한 전압 및 전류를 제어하여 충전전력을 공급할 수 있다(예 : 400V 외부 충전기 → 400V Battery, 800V 외부 충전기 → 800V Battery).
또한 상기 프로세서(120)가 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)를 Open 시키고, 제3~4 스위치 3~4(SW3~SW4)를 Close 시킴으로써, AC 충전 모드로 동작하는 회로가 구성된다. 이 때 8 개의 스위칭 소자(S1~S2, S4~S5, S10~S11, S13~S14) 및 모터(MTR) 코일을 이용하면 AC 충전구 각 상의 AC 입력 값과 배터리(BAT)사이에 양방향 DC/DC 컨버터가 연결된 상태가 된다. 상기 DC/DC 컨버터를 구성하는 스위칭 소자를 고주파수로 Buck/Boost 전압 제어를 하면, 양방향 단상 AC/DC 컨버터로 작동이 가능하며, 나머지 스위칭 소자는 Open 시킨다.
도 3은 상기 도 2에 있어서, 1개의 스위칭 소자(S15)와 제5 스위치(SW5) 및 제5 DC 링크 커패시터(C5)를 추가함으로써, 단상 및 3상 AC 충전이 가능하도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 프로세서(120)가 제5 스위치(SW5)를 Open 시킬 경우, 도 2에서와 마찬가지로, 양방향 3상 DC Buck/Boost 컨버터 혹은 양방향 단상 AC/DC 컨버터로 작동시킬 수 있다.
또한 상기 프로세서(120)가, 제1~2 스위치(SW1~SW2)를 Open 시키고, 제3~5 스위치(SW3~SW5)를 Close 시킴으로써, 3상 AC 충전 모드로 동작하는 회로가 구성된다. 이 때 12개의 스위칭 소자(S1~S6, S10~S15) 및 모터(MTR) 코일을 이용하면 AC 충전구 각 상의 AC 입력 값과 배터리(BAT) 사이에 양방향 DC/DC 컨버터가 연결된 상태가 된다. 상기 DC/DC 컨버터를 구성하는 스위칭 소자를 고주파수로 Buck/Boost 전압 제어를 하면 양방향 3상 AC/DC 컨버터로 작동이 가능하며, 나머지 스위칭 소자는 Open 시킨다.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 3개의 스위칭 소자(S16~S18)를 추가함으로써, 단상 및 3상 AC 충전이 가능하도록 회로가 구성될 수 있다.
도 4는 상기 도 3에 도시된 인버터 시스템의 AC 충전모드에서 제2 인버터부(20)의 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12)의 역할을 대신할 수 있도록 하며, 상기 제2 인버터부(20)의 모든 스위칭 소자(S7~S12)는 AC 충전모드에 필요한 스위칭 용량 및 주파수를 고려하지 않고 설계할 수 있다.
도 4에 도시된 보조 인버터부(40)에 추가된 스위칭 소자(S16~S17)는, 도 2에 도시된 인버터 시스템에도 적용할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 보조 인버터부(40)의 스위칭 소자(S13, S14)에 각각 직렬로 스위칭 소자(S16, S17)를 추가하여 레그 형태로 구성할 수 있다.
도 5 내지 도 10은 상기 도 4에 도시된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템의 동작 모드에 따른 모드 스위칭부(110)의 각 스위치(SW1 ~ SW7)의 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 5는 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 작동할 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도로서, 프로세서(120)가 제6 스위치(SW6)를 Close 시키고, 보조 인버터부(40)의 모든 스위칭 소자(S13~S18)는 Open 시킴으로써, 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 동작하는 회로가 구성된다.
도 6은 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 단일 인버터 모터 구동 모드로 작동할 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도로서, 프로세서(120)가 제1~7 스위치(SW1~SW7) 및 제2 인버터부(20)의 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12)와 보조 인버터부(40)의 모든 스위칭 소자(S13~S18)를 Open 시키고, 제2 인버터부의 하이 사이드 스위칭 소자(S7~S9)는 Close 시킴으로써, 단일 인버터 모터 구동 모드로 동작하는 회로가 구성된다.
도 7은 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 DC 충전 모드에서 DC/DC 컨버터로 작동될 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도로서, 프로세서(120)가 제1~2, 7 스위치(SW1~SW2, SW7)을 Close 시키고, 제3~6 스위치(SW3~SW6)를 Open 시킴으로써, 양방향 3상 DC/DC Buck/Boost 컨버터로 작동이 가능한 회로가 구성된다.
따라서 외부 충전기의 공급전압이 배터리 전압과 다른 경우에도(예: 400V 외부 충전기 → 800V Battery, 또는 800V 외부 충전기 → 400V Battery) 제1 인버터부(10)와 제2 인버터부(20)의 스위칭 소자를 제어하여 배터리 충전에 필요한 전압으로 제어가 가능하다. 또한 차량의 배터리에 저장된 에너지를 외부에 공급하는 V2X 기능 적용 시, 배터리(BAT)의 전압 레벨에 상관없이 DC 충전구에 필요한 DC 전압으로 제어하여 외부로 전력을 공급할 수도 있다.
도 8은 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 DC 충전 모드에서 외부 충전전력을 배터리로 바이패스(Bypass)할 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도로서, 프로세서(120)가 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)를 Close 시키고, 제3~5 스위치(SW3~SW5)와 제1,2 인버터부(10, 20) 및 보조 인버터부(40)의 모든 스위칭 소자(S1~S18)를 Open 시킴으로써, 외부 충전기가 직접 배터리 충전에 필요한 전압 및 전류를 제어하여 충전전력을 공급할 수 있는 회로가 구성된다(예 : 400V 외부 충전기 → 400V Battery, 또는 800V 외부 충전기 → 800V Battery).
도 9는 상기 도 4에 도시된 제3 실시 예에 따른 차량용 인버터 시스템이 AC 충전 모드에서 AC/DC 컨버터로 작동될 때의 각 스위치의 동작 상태를 보인 예시도로서, 프로세서(120)가 제3~5 스위치(SW3~SW5)를 Close 시키고, 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)와 제2 인버터부(20)의 모든 스위칭 소자(S7~S12)를 Open 시킴으로써, AC/DC 컨버터(AC 충전 모드)로 동작하는 회로가 구성된다.
도 10은 상기 도 9에 도시된 차량용 인버터 시스템이 AC 충전 모드로 동작할 때의 등가 회를 보인 예시도로서, 제1 인버터부(10)의 스위칭 소자(S1~S6), 및 보조 인버터부(40)의 모든 스위칭 소자(S13~S18) 또는 제2 인버터부(20)와 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12)와 보조 인버터부(40)의 하이 사이드 스위칭 소자(S13~S15)가 모터(MTR)의 3상 코일에 의해 접속됨으로써, 차량용 인버터 시스템이 AC 충전 모드로 동작된다.
즉, 도 10에 도시된 바와 같이, AC 충전구 각 상의 AC 입력 값과 배터리(BAT) 사이에 양방향 DC/DC 컨버터가 연결된 회로가 구성된다. 상기 DC/DC 컨버터를 구성하는 스위칭 소자는 고주파수로 Buck/Boost 전압 제어를 하면 각 상의 AC 전압을 DC 전압으로 변환이 가능하다. 따라서 AC 충전구의 단상 혹은 3상의 AC 입력 값은 배터리 충전을 위한 DC 전압 출력으로 변환되어 배터리를 충전할 수 있다. 또한 차량의 배터리의 저장된 에너지를 외부에 공급하는 V2X 기능 적용 시 배터리의 DC 전압을 Buck/Boost 전압 제어하여 AC 충전구에 필요한 각 상의 AC 전압 출력으로 제어하여 외부로 전력을 공급할 수 있다.
한편 본 실시 예에서는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, PFC 회로, EMC 필터 및 안전성 향상을 위한 구성요소들이 추가로 포함될 수도 있다.
상기와 같이 본 실시 예는 모터 구동 모드의 경우 모터의 운전영역에 따라서 상술한 두 가지 듀얼 또는 단일 인버터 모터 구동 모드를 선택적으로 변경(전환)하여 모터의 성능 개선을 얻을 수 있다.
상기와 같이 본 실시 예는 배터리 충전에 필요한 고전압 DC/DC 컨버터 및 AC 온보드 차져(OBC)를 하나의 시스템으로 통합할 수 있기 때문에 시스템의 가격 및 부피를 감소시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 실시 예는 모터 구동 시 듀얼 인버터 구동 모드 또는 단일 인버터 구동 모드로의 변경(전환)이 가능하므로, 모터 운전 영역에 따른 적절한 모드 변경을 통해 모터의 최대 토크, 출력 밀도, 기저속도 및 최대 속도 등의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 실시 예는 배터리와 외부 DC 충전기의 충전 전력 전압 레벨이 다르더라도 적절한 전압으로 조정하여 배터리 충전이 가능하게 하는 효과가 있다.
또한 본 실시 예는 다양한 외부 AC 충전기 종류(단상, 3상 등)로부터 충전이 가능하며, 종래의 인버터 시스템 대비 더 높은 AC 충전 전력으로 배터리 충전이 가능하게 하는 효과가 있다.
또한 본 실시 예는 배터리에 저장된 에너지를 외부에서 원하는 타입의 출력으로 변환하여 외부로 제공할 수 있도록 함으로써 다양한 V2X 기능의 적용이 가능하게 하는 효과가 있다(예 : V2V 기능을 위한 DC 출력, V2L/V2G 기능을 위한 AC 출력 등)
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
10 : 제1 인버터부 20 : 제2 인버터부
30 : 충전 소켓 40 : 보조 인버터부
110 : 모드 스위칭부 120 : 프로세서
MTR : 모터

Claims (17)

  1. 제1 인버터부와 제2 인버터부;
    상기 제1 인버터부와 상기 제2 인버터부 사이에 연결되는 모터;
    AC 충전구와 DC 충전구를 포함하는 충전 소켓;
    AC 충전 모드로 동작 시, 상기 제2 인버터부를 대신하거나 상기 제2 인버터부의 지정된 스위칭 소자와 조합하여 동작하는 보조 인버터부;
    복수의 스위치(SW1 ~ SW7)를 포함하는 모드 스위칭부; 및
    상기 모드 스위칭부의 각 스위치(SW1 ~ SW7)를 제어하여, 상기 제1 인버터부, 상기 제2 인버터부, 상기 보조 인버터부, 상기 모터 및 상기 충전 소켓 간의 회로 구성을 변경함으로써, 차량용 인버터 시스템을, 모터 구동을 위한 듀얼 인버터 모터 구동 모드나 단일 인버터 모터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하는 프로세서;를 포함하되,
    상기 제1 인버터부와 배터리의 사이에 제1 DC 링크 커패시터가 병렬로 형성되고, 상기 제2 인버터부의 충전 소켓측 DC 충전구 양단 사이에 제2 DC 링크 커패시터와 이에 직렬 연결된 제7 스위치가 병렬로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 보조 인버터부는,
    상기 제2 인버터부의 각 레그의 접속점(J1 ~ J3)과 상기 충전 소켓의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3) 사이에 각각 연결되는 하나 이상의 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 보조 인버터부의 스위칭 소자는,
    단일 스위칭 소자 형태로 형성되거나,
    하이 사이드 스위칭 소자와 로우 사이드 스위칭 소자가 접속된 레그 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 충전 소켓의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3)와 상기 보조 인버터부의 스위칭 소자의 사이에 각각 제3~5 스위치(SW3~SW5)가 연결되며,
    상기 보조 인버터부의 스위칭 소자와 상기 제3~5 스위치(SW3~SW5)의 사이에 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)가 각각 병렬로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 보조 인버터부의 스위칭 소자가 레그 형태로 형성될 경우,
    상기 보조 인버터부에 형성된 레그의 접속점(J4~J6)과 상기 제2 인버터부에 형성된 레그의 접속점(J1~J3)이 각각 연결되며,
    상기 보조 인버터부의 로우 사이드 스위칭 소자(S16~S18)의 (-)전압 단이 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)의 (-)전압 단에 접속되고,
    상기 보조 인버터부의 하이 사이드 스위칭 소자(S13~S15)의 (+)전압 단이 제3~5 DC 링크 커패시터(C3~C5)의 (+)전압 단에 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 모드 스위칭부는,
    충전 소켓의 EVSE P 단자와 제2 DC 링크 커패시터(C2)의 (+)전압 단 사이에 형성되는 제1 스위치(SW1);
    상기 충전 소켓의 EVSE N 단자와 제2 인버터부의 (-)전압 단 사이에 형성되는 제2 스위치(SW2);
    상기 충전 소켓의 3개의 단자(L1, L2(or N), L3)와 상기 보조 인버터부의 각 스위칭 소자의 사이에 형성되는 제3~5 스위치(SW3~SW5);
    상기 제1 인버터부와 상기 제2 인버터부의 (+)전압 단 사이에 형성되는 제6 스위치(SW6); 및
    상기 제2 인버터부의 (-)전압 단과 제2 DC 링크 커패시터의 (-)전압 단 사이에 형성되는 제7 스위치(SW7);를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제6 스위치(SW6)를 Close 시키고,
    상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자는 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제1~7 스위치(SW1~SW7) 및 상기 제2 인버터부의 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12)와 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자(S13~S18)를 Open 시키고,
    상기 제2 인버터부의 하이 사이드 스위칭 소자(S7~S9)는 Close 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 단일 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제1~2, 7 스위치(SW1~SW2, SW7)을 Close 시키고, 제3~6 스위치(SW3~SW6)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 양방향 3상 DC/DC Buck/Boost 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)를 Close 시키고, 제3~5 스위치(SW3~SW5)와 상기 제1,2 인버터부 및 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 DC 충전 모드에서 외부 충전전력을 배터리로 바이패스(Bypass)하도록 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제3~5 스위치(SW3~SW5)를 Close 시키고, 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)와 상기 제2 인버터부의 모든 스위칭 소자(S7~S12)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 AC 충전 모드에서 AC/DC 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템.
  12. 제1 인버터부와 제2 인버터부, 상기 제1 인버터부와 상기 제2 인버터부 사이에 연결되는 모터, AC 충전구와 DC 충전구를 포함하는 충전 소켓, AC 충전 모드로 동작 시, 상기 제2 인버터부를 대신하거나 상기 제2 인버터부의 지정된 스위칭 소자와 조합하여 동작하는 보조 인버터부와 복수의 스위치(SW1 ~ SW7)를 포함하는 모드 스위칭부를 포함하는 차량용 인버터 시스템의 프로세서가 작동 모드를 선택받는 단계; 및
    상기 프로세서가, 상기 작동 모드에 따라, 모드 스위칭부의 각 스위치(SW1 ~ SW7)를 제어하여, 상기 제1 인버터부, 상기 제2 인버터부, 상기 보조 인버터부, 상기 모터 및 상기 충전 소켓 간의 회로 구성을 변경하는 단계;를 포함하고,
    상기 회로 구성을 변경하는 단계를 통하여,
    상기 프로세서가,
    상기 차량용 인버터 시스템을, 모터 구동을 위한 듀얼 인버터 모터 구동 모드나 단일 인버터 모터 구동 모드, DC 충전을 위한 DC/DC 컨버터, 또는 AC 충전을 위한 AC/DC 컨버터 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템의 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서,
    상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제6 스위치(SW6)를 Close 시키고,
    상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자는 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 듀얼 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템의 제어 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서,
    상기 프로세서는,
    제1~7 스위치(SW1~SW7) 및 상기 제2 인버터부의 로우 사이드 스위칭 소자(S10~S12)와 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자(S13~S18)를 Open 시키고,
    상기 제2 인버터부의 하이 사이드 스위칭 소자(S7~S9)는 Close 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 단일 인버터 모터 구동 모드로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템의 제어 방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서,
    상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제1~2, 7 스위치(SW1~SW2, SW7)을 Close 시키고, 제3~6 스위치(SW3~SW6)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 양방향 3상 DC/DC Buck/Boost 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템의 제어 방법.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서,
    상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)를 Close 시키고, 제3~5 스위치(SW3~SW5)와 상기 제1,2 인버터부 및 상기 보조 인버터부의 모든 스위칭 소자를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 DC 충전 모드에서 외부 충전전력을 배터리로 바이패스(Bypass)하도록 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템의 제어 방법.
  17. 제 12항에 있어서, 상기 회로 구성을 변경하는 단계에서,
    상기 프로세서는,
    상기 모드 스위칭부의 제3~5 스위치(SW3~SW5)를 Close 시키고, 제1~2, 6~7 스위치(SW1~SW2, SW6~SW7)와 상기 제2 인버터부의 모든 스위칭 소자(S7~S12)를 Open 시킴으로써, 상기 차량용 인버터 시스템을 AC 충전 모드에서 AC/DC 컨버터로 동작시키는 것을 특징으로 하는 차량용 인버터 시스템의 제어 방법.
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