KR102490606B1 - 차량용 모터 제어 시스템 및 동작 방법 - Google Patents

차량용 모터 제어 시스템 및 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 모터 제어 시스템 및 동작 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템은 차량의 모터의 속도 및 가속 페달에 가해지는 압력을 측정하는 측정부, 측정된 상기 모터의 속도 값과 기 설정된 기준 속도 값을 비교하여 상기 차량의 저속 주행 및 고속 주행 여부를 판단하고, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값과 기 설정된 기준 압력 값을 비교하여 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상인지를 판단하는 판단부, 및 상기 판단부의 판단 결과에 따라 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경하여 권선 턴 수가 가변되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

차량용 모터 제어 시스템 및 동작 방법{Motor controlling system and operating method for vehicle}
본 발명은 차량용 모터 제어 시스템 및 동작 방법에 관한 것으로, 특히 모터의 속도에 따라 모터의 턴 수 변경이 가능한 차량용 모터 제어 시스템 및 동작 방법에 관한 것이다.
대표적인 환경차(Eco-Car)인 전기차(Electric Vehicle, EV)는 차량용 배터리를 동력원으로 사용하는 차량용 모터에 의해 구동력을 획득한다. 차량용 모터는 차량용 배터리의 중량 및 비용 증가 때문에, 한정된 전압에서 구동할 수 있도록 설계 및 제어된다.
차량용 모터는 저속 주행 시 전류 제한으로 인해 최대 토크를 발생시키기 위한 높은 역기전력(counter electromotive force)을 필요로 하며, 이를 위해 상당 직렬 턴(turn) 수를 늘리는 설계가 필요하다. 여기서, 역기전력은 차량용 모터 내의 코일의 쇄교 자속량(flux linkage)과 차량용 모터 내 회전자(rotor)의 회전 속도 간의 곱으로 표현된다.
역기전력은 차량용 모터 내 회전자의 회전 속도와 비례하기 때문에, 저속 주행에 효율을 내도록 설계된 차량용 모터는 고속 주행 시 역기전력이 차량의 배터리 전압을 초과하게 될 수 있다.
그러므로 고속 주행에 최적화하기 위해서는 역기전력을 한정된 차량용 배터리 전압보다 적게 발생시켜야 하므로 상당 직렬 턴 수를 줄이는 설계가 필요하다. 그러나 상당 직렬 턴 수를 줄이면 고 토크가 필요할 때 높은 전류를 입력해야 하기 때문에, 권선 전류(I)의 제곱과 권선의 저항(r)으로 표현되는 동손(copper loss)(P = I2r)이 증가하여 효율이 감소할 수 있다.
일반적으로 차량용 모터는 코일의 턴 수 설계를 결정하고 나면 구동중에는 이를 변경할 수 없기 때문에, 저속 주행 시와 고속 주행 시의 요구 성능을 동시에 만족시킬 수 있도록 차량용 모터의 턴 수를 설계하는 데엔 큰 어려움이 따른다.
본 발명의 목적은 차속과 모터 속도에 따라 고정자(stator)에 권선되어 있는 턴 수를 가변할 수 있는 차량용 모터 제어 시스템 및 동작 방법을 제공함에 있다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템은 차량의 모터의 속도 및 가속 페달에 가해지는 압력을 측정하는 측정부, 측정된 상기 모터의 속도 값과 기 설정된 기준 속도 값을 비교하여 상기 차량의 저속 주행 및 고속 주행 여부를 판단하고, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값과 기 설정된 기준 압력 값을 비교하여 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상인지를 판단하는 판단부, 및 상기 판단부의 판단 결과에 따라 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경하여 권선 턴 수가 가변되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 인버터와 상기 모터 사이에 제1 권선과 제2 권선이 병렬로 위치하고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 일단은 상기 인버터와 연결되고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 타단은 상기 모터와 연결되고, 스위치 S1은 상기 인버터와 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S2는 상기 제1 권선의 타단과 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S3은 상기 제2 권선의 타단과 상기 모터와 연결되는 형태로 구성된 상기 인버터와 상기 모터 간의 회로에서 스위치 온(on)/오프(off)를 제어하여 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경한다.
상기 제어부는 상기 판단부에 의해, 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상으로 판단되면, 상기 스위치 S1을 오프하고 상기 스위치 S2와 상기 스위치 S3를 온하여 상기 인버터와 상기 모터 간 상기 제1 권선과 상기 제2 권선의 두 개의 권선이 직렬로 연결되는 저속 고토크 모드로 변경하고, 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 미만으로 판단되면, 상기 스위치 S1, 상기 스위치 S2, 상기 스위치 S3를 모두 오프하여 상기 인버터와 상기 모터 간 총 권선 턴 수의 절반의 권선이 연결되는 저속 저토크 모드로 변경한다.
상기 제어부는 상기 판단부에 의해, 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 이상이면, 상기 스위치 S1을 온, 상기 스위치 S2를 오프, 상기 스위치 S3를 온하여 상기 인버터와 상기 모터 간 상기 제1 권선과 상기 제2 권선의 두 개의 권선이 병렬로 연결되는 고속 저토크 모드로 변경한다.
상기 제어부는 상기 차량이 상기 고속 저토크 모드로 주행 중, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상이면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 상기 저속 고토크 모드로 변경한다.
상기 제어부는 상기 저속 고토크 모드로 변경된 후, 상기 모터의 역기전력을 기 설정된 안정 전압과 비교하고, 상기 비교 결과 상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 미만이면 상기 저속 고토크 모드를 유지하고, 상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 이상이면 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 고속 저토크 모드로 변경한다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 모터 제어 방법은 차량의 모터의 속도 및 가속 페달에 가해지는 압력을 측정하는 단계, 측정된 상기 모터의 속도 값과 기 설정된 기준 속도 값을 비교하여 상기 차량의 저속 주행 및 고속 주행 여부를 판단하고, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값과 기 설정된 기준 압력 값을 비교하여 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상인지를 판단하는 단계, 및 상기 판단부의 판단 결과에 따라 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경하여 권선 턴 수가 가변되도록 제어하는 단계를 포함한다.
상기 제어하는 단계는 상기 인버터와 상기 모터 사이에 제1 권선과 제2 권선이 병렬로 위치하고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 일단은 상기 인버터와 연결되고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 타단은 상기 모터와 연결되고, 스위치 S1은 상기 인버터와 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S2는 상기 제1 권선의 타단과 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S3은 상기 제2 권선의 타단과 상기 모터와 연결되는 형태로 구성된 상기 인버터와 상기 모터 간의 회로에서 스위치 온(on)/오프(off)를 제어하여 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경한다.
상기 제어하는 단계는 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상으로 판단되면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 저속 고토크 모드로 변경하는 단계, 및 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 미만으로 판단되면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 저속 저토크 모드로 변경하는 단계를 포함한다.
상기 제어하는 단계는 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 이상이면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 고속 저토크 모드로 변경하는 단계를 더 포함한다.
상기 제어하는 단계는 상기 차량이 상기 고속 저토크 모드로 주행 중, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상이면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 상기 저속 고토크 모드로 변경하는 단계를 더 포함한다.
상기 제어하는 단계는 상기 저속 고토크 모드로 변경된 후, 상기 모터의 역기전력을 기 설정된 안정 전압과 비교하는 단계, 상기 비교 결과 상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 미만이면 상기 저속 고토크 모드를 유지하는 단계, 및 상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 이상이면 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 고속 저토크 모드로 변경하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 저속 주행 시 상당 직렬 턴 수를 증가시켜 동일 성능 대비 입력 전류를 감소시킴으로써 인버터의 효율이 향상된다.
본 발명에 따르면, 고속 주행 시 병렬 회로 수를 증가시켜 약계자 제어 전류를 감소시킴으로써 인버터와 모터의 효율이 향상된다.
본 발명에 따르면, 하나의 인버터로 2개 이상의 모터를 제어하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템을 설명하기 위한 제1 참조도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템을 설명하기 위한 제2 참조도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 의한 인버터와 모터 간의 연결 모드의 변경을 설명하기 위한 제1 참조도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 의한 인버터와 모터 간의 연결 모드의 변경을 설명하기 위한 제2 참조도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 모터 제어 동작 방법 흐름도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 주행 중 높은 토크가 요구되는 경우의 차량용 모터 제어 동작 방법 흐름도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
설명에 앞서 본 발명에서 적용될 수 있는 차량용 배터리 및 차량용 모터에 대하여 간략히 설명한다. 이는 본 명세서의 이해를 돕기 위한 것으로서 명시적으로 본 발명을 한정하는 사항으로 기재하지 않은 경우에 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 의미로 사용하는 것이 아님을 이해해야 할 것이다.
차량용 배터리는 대표적인 환경차(Eco-Car)인 전기차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 및 플러그인 하이브리드 전기차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등에서 동력원으로 사용된다.
차량용 배터리로는 무게 대비 효율이 좋은 리튬 폴리머(lithium polymer) 배터리가 널리 쓰이고 있다. 차량용 배터리는 환경차의 고출력 모터에 에너지를 공급하기 위해 고전압 배터리가 사용될 수 있으며, 그 전압은 약 180V~280V 가량일 수 있다. 이때, 차량용 배터리는 배터리 모듈(Battery Module Assembly, BMA)로서, 여러 개의 배터리가 직렬로 연결된 배터리 팩(battery pack)의 형태일 수 있다.
환경차에는 높은 효율과 상대적으로 제어가 쉬운 교류 모터가 주로 이용될 수 있다.
직류 모터는 브러쉬(brush)가 마모되기 때문에 다른 전동기에 비해 유지 주기가 짧으며, 회전자에 전류가 흘러 모터가 작동하기 때문에 내부 발열에 따른 냉각이 어려운 단점을 갖는다.
반면, 교류 모터는 회전자가 아닌 외부 고정자에 있는 코일에 전류를 보내기 때문에 내부 발열에 따른 냉각이 쉽고, 고정자에 배치된 코일을 제어함으로써 정밀한 제어가 가능하다.
교류 모터를 이용하는 경우, 차량용 모터 제어 시스템은 직류 전원인 차량용 배터리를 교류 전원으로 변환하기 위한 인버터(inverter)를 소정의 위치에 포함할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템(100)은 측정부(110), 판단부(120), 및 제어부(130)를 포함한다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템(100)은 이보다 더 많은 구성 요소로서 구현될 수도 있으며, 각각의 구성 요소는 개별적인 모듈, 또는 통합된 모듈로서 차량용 모터 제어 시스템(100) 내부의 소정의 위치에 장착될 수 있다.
측정부(110)는 차량용 모터의 속도 값 및 운전자에 의해 가속 페달에 가해지는 압력(이하, 가속 페달 압력)을 측정한다. 여기서, 모터의 속도 값은 일정한 시간마다 측정되며, 단위는 분당 회전 수(Revolutions Per Minute)인 rpm이다. 차량용 모터 제어 시스템(100)은 모터의 속도 값 및 가속 페달 압력의 측정을 위해, 소정의 위치에 적어도 하나 이상의 rpm 센서 및 가속 페달 센서를 포함할 수 있다.
측정부(110)는 측정한 모터의 속도 값 및 가속 페달 압력 값을 판단부(120)에 전달한다.
판단부(120)는 전달받은 모터의 속도 값과 기 설정된 기준 속도 값을 비교하여 차량이 저속 주행 또는 고속 주행 중인지 판단한다. 이때, 판단부(120)의 판단에 이용되는 기준 속도 값에 대해서는 이하에서 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템을 설명하기 위한 제1 참조도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 모터 제어 시스템을 설명하기 위한 제2 참조도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 차량용 모터는 인버터와 모터 간 코일의 연결 형태(직렬 또는 병렬 모드)의 권선 턴 수에 따라 각 속도 구간 별로 상이한 전기적 사양을 갖는다. 이러한 데이터는 사전에 실험을 통해 얻을 수 있으며, 차량용 모터 제어 시스템(100)에 기 입력된 값이다.
여기서, 직렬 모드는 1,400rpm의 저속 구간에서 토크/출력이 205Nm/30kW로, 109.2Nm/16kW인 병렬 모드보다 약 2배 가량 높은 반면, 효율은 큰 차이가 없는 것을 볼 수 있다.
또한, 병렬 모드는 4,000rpm의 고속 구간부터 직렬 모드 대비 효율이 높아지는 반면, 양 타입의 토크/출력은 차이가 없음을 볼 수 있다.
따라서, 판단부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 4,000rpm을 기준으로 저속 또는 고속 구간을 나눌 수 있다. 즉, 판단부(120)는 4,000rpm 미만이면 저속 주행 중, 4,000rpm 이상이면 고속 주행 중인 것으로 판단할 수 있다. 이때, 기준이 되는 속도 값은 차량용 모터의 사양 등에 따라 설정 및 변경될 수 있다.
제어부(130)는 판단부(120)에 의해 나뉜 각 구간에서 효율적인 모드로 인버터와 모터 간의 권선 턴 수를 가변함으로써 모터의 효율을 높일 수 있다. 인버터와 모터 간의 권선 턴 수를 가변하는 것에 대해서는 후술하는 제어부(130)를 설명할 때 상세히 설명하도록 한다.
만약, 차량이 저속 주행 중인 것으로 판단된 경우, 판단부(120)는 전달받은 가속 페달 압력 값을 기 설정된 기준 압력 값과 비교하여 가속 페달에 높은 압력이 가해지는지 여부를 판단한다.
여기서, 가속 페달에 가해지는 압력의 크기는 곧 운전자의 가속 의지가 반영된 것이므로, 이를 고려하여 제어부(130)는 인버터와 모터 간의 권선 턴 수를 변경할 수 있다. 이때, 기준이 되는 압력 값은 차량의 제조사 또는 운전자에 의해 설정 및 변경될 수 있다.
이와 같은 과정을 통해 판단부(120)는 차량의 저속 주행 및 고속 주행 여부와 가속 페달 압력의 정도를 판단할 수 있다.
제어부(130)는 판단부(120)의 판단 결과에 따라 인버터와 모터 간의 연결 모드를 변경하여 권선 턴 수가 가변되도록 제어한다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 제어부(130)에 의한 인버터와 모터 간의 연결 모드의 변경을 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제어부에 의한 인버터와 모터 간의 연결 모드의 변경을 설명하기 위한 제1 참조도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제어부에 의한 인버터와 모터 간의 연결 모드의 변경을 설명하기 위한 제2 참조도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 인버터(410)와 모터(420) 간에는 제1 권선(431), 제2 권선(432)의 2개의 권선과 스위치 S1(441), 스위치 S2(442), 그리고 스위치 S3(443)의 3개의 스위치가 장착된다.
구체적으로, 인버터(410)와 모터(420) 간에는 병렬 형태의 제1 권선(431)과 제2 권선(432)이 위치한다. 제1 권선(431)과 제2 권선(432) 각각의 일단은 인버터(410)와 연결되며, 제1 권선(431)과 제2 권선(432) 각각의 타단은 모터(420)와 연결된다. 스위치 S1(441)은 인버터(410)와 제2 권선(432)의 일단 사이에 위치하여 인버터(410)와 제2 권선(432)의 연결을 제어하고, 스위치 S2(442)는 제1 권선(431)의 타단과 제2 권선(432)의 일단 사이에 위치하여 제1 권선(431)과 제2 권선(432)의 연결을 제어하고, 스위치 S3(443)은 제2 권선(432)의 타단과 모터(420) 사이에 위치하여 스위치 S3(443)와 모터(420)의 연결을 제어한다.
제어부(130)는 스위치들을 온(on)/오프(off)하여 인버터(410)와 모터(420) 간의 연결 모드를 변경할 수 있다. 인버터(410)와 모터(420) 간의 연결 모드는 제1 모드 내지 제3 모드일 수 있다.
예컨대, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 회로의 스위치 S1(41)을 오프하고 스위치 S2(42)와 스위치 S3(43)를 온하면, 인버터(10)와 모터(20) 사이의 제1 권선(31)과 제2 권선(32)은 직렬로 연결된다. 이때의 역기전력은 E, 인덕턴스는 L, 저항은 R, 전류밀도는 A로 나타낼 수 있다. 이와 같은 형태의 회로는 저속 rpm 시 높은 토크를 내는 데 유리하며, 이하 제1 모드라 칭한다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 회로의 스위치 S1(41), 스위치 S2(42), 스위치 S3(43)를 모두 오프하면, 인버터(10)와 모터(20) 사이에 총 권선 턴 수의 절반의 권선, 즉 제1 권선(31)만 연결된다. 이때의 역기전력은 E/2, 인덕턴스는 L/4, 저항은 R/2, 전류밀도는 A로 나타낼 수 있다. 이와 같은 형태의 회로는 저속 rpm 시 높은 토크가 요구되지 않는 대부분의 상황에서 유리하며, 이하 제2 모드라 칭한다.
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 회로의 스위치 S1(41)을 온, 스위치 S2(42)를 오프, 스위치 S3(43)를 온하면, 인버터(10)와 모터(20) 사이에 제1 권선(31)과 제2 권선(32)은 병렬로 연결된다. 이때의 역기전력은 E/2, 인덕턴스는 L/4, 저항은 R/2, 전류밀도는 A/2로 나타낼 수 있다. 이와 같은 형태의 회로는 고속 rpm 시 낮은 토크를 내는 데 유리하며, 이하 제3 모드라 칭한다.
제어부(130)는 판단부(120)의 판단 결과에 따라, 상기의 제1 모드 내지 제3 모드로 인버터와 모터 간의 연결 모드를 변경할 수 있다.
일 예로, 제어부(130)는 판단부(120)에서 차량이 저속 주행 중이며 가속 페달 압력이 높은 것으로 판단된 경우, 회로의 스위치 S1(41)을 오프하고 스위치 S2(42)와 스위치 S3(43)을 온하여, 제1 모드(저속 고토크 모드)로 변경한다.
다른 예로, 제어부(130)는 판단부(120)에서 차량이 저속 주행 중이며 가속 페달 압력이 낮은 것으로 판단된 경우, 회로의 스위치 S1(41), 스위치 S2(42), 스위치 S3(43)를 모두 오프하여 제2 모드(저속 저토크 모드)로 변경한다.
또 다른 예로, 제어부(130)는 판단부(120)에서 차량이 고속 주행 중이며 가속 페달 압력이 낮은 것으로 판단된 경우, 회로의 스위치 S1(41)을 온, 스위치 S2(42)를 오프, 스위치 S3(43)를 온하여 제3 모드(고속 저토크 모드)로 변경한다.
한편, 제3 모드는 고속 주행 시 낮은 토크를 낼 때 최적의 효율을 내도록 설계되었으나, 운전자의 필요에 의해 고속 주행 시에도 높은 토크가 요구될 수 있다. 이에 따라, 판단부(120)에서 차량이 고속 주행 중이며 가속 페달 압력이 높은 것으로 판단된 경우, 제어부(130)는 회로의 스위치 S1을 오프하고 스위치 S2와 스위치 S3을 온하여 인버터와 모터 간의 연결 모드를 제3 모드에서 제1 모드로 변경함으로써, 높은 토크를 낼 수도 있다. 이때, 가속 페달의 압력은 기 설정된 기준 압력 값과 비교하여 판단하며, 기 설정된 기준 압력 값은 전술한 제1 모드 및 제2 모드에서 판단에 이용된 값과 동일하게 설정될 수 있다.
그러나 제1 모드는 저속 주행 시 높은 토크를 내도록 설계되었기 때문에, 고속 주행 시 역기전력이 배터리 전압을 초과하게 될 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 사전에 일정 수준의 안정 전압(예컨대, 배터리 전압의 80%)을 설정하고, 모터의 역기전력이 기 설정된 안정 전압 미만으로 동작하도록 제한할 수 있다.
예컨대, 제어부(130)는 제1 모드 상태에서 모터의 역기전력이 기 설정된 안정 전압 미만으로 동작하는지 확인하고, 확인 결과 기 설정된 안정 전압 미만인 경우 가속 페달 압력에 따라 제1 모드를 계속 유지할 수 있다.
반면, 제어부(130)는 제1 모드 상태에서 모터의 역기전력이 기 설정된 안정 전압 이상으로 동작되는 것으로 확인하면, 회로의 스위치 S1(441)을 온, 스위치 S2(442)를 오프, 스위치 S3(443)를 온하여 제3 모드로 변경함으로써, 토크를 낮추는 동시에 역기전력을 줄일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 저속 주행 시 상당 직렬 턴 수를 증가시켜 동일 성능 대비 입력 전류를 감소시킴으로써 인버터의 효율이 향상된다.
본 발명에 따르면, 고속 주행 시 병렬 회로 수를 증가시켜 약계자 제어 전류를 감소시킴으로써 인버터와 모터의 효율이 향상된다.
본 발명에 따르면, 하나의 인버터로 2개 이상의 모터를 제어하는 효과를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 모터 제어 동작 방법 흐름도이다. 이하에서의 동작은 특별한 언급이 없는 한 차량용 모터 제어 시스템(100)에 의해 동작되는 것으로 가정한다.
차량용 모터 제어 시스템(100)은 차량용 모터의 속도 값 및 운전자에 의해 가속 페달에 가해지는 압력(이하, 가속 페달 압력)을 측정한다(S601). 여기서, 모터의 속도 값은 일정한 시간마다 측정되며, 단위는 분당 회전 수(Revolutions Per Minute)인 rpm이다. 차량용 모터 제어 시스템(100)은 모터의 속도 값 및 가속 페달 압력의 측정을 위해, 소정의 위치에 적어도 하나 이상의 rpm 센서 및 가속 페달 센서를 포함할 수 있다.
차량용 모터 제어 시스템(100)은 단계 S601에서 측정된 모터의 속도 값과 기 설정된 기준 속도 값을 비교하여 차량이 저속 주행 또는 고속 주행 중인지 판단한다(S602).
도 2에 도시된 바와 같이, 차량용 모터는 인버터와 모터 간 코일의 연결 형태(직렬 또는 병렬 모드)의 권선 턴 수에 따라 각 속도 구간 별로 상이한 전기적 사양을 갖는다. 이러한 데이터는 사전에 실험을 통해 얻을 수 있으며, 차량용 모터 제어 시스템(100)에 기 입력된 값이다.
여기서, 직렬 타입은 1,400rpm의 저속 구간에서 토크/출력이 205Nm/30kW로, 109.2Nm/16kW인 병렬 타입보다 약 2배 가량 높은 반면, 효율은 큰 차이가 없는 것을 볼 수 있다.
또한, 병렬 타입은 4,000rpm의 고속 구간부터 직렬 타입 대비 효율이 높아지는 반면, 양 타입의 토크/출력은 차이가 없음을 볼 수 있다.
따라서, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 4,000rpm을 기준으로 저속 또는 고속 구간을 나눌 수 있다. 즉, 차량용 모터 제어 시스템(100)는 4,000rpm 미만이면 저속 주행 중, 4,000rpm 이상이면 고속 주행 중인 것으로 판단할 수 있다. 이때, 기준이 되는 속도 값은 차량용 모터의 사양 등에 따라 설정 및 변경될 수 있다.
차량용 모터 제어 시스템(100)는 나뉜 각 구간에서 효율적인 모드로 인버터와 모터 간의 권선 턴 수를 가변함으로써 모터의 효율을 높일 수 있다.
단계 S602의 판단 결과, 차량이 저속 주행 중인 것으로 판단된 경우, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 단계 S601에서 측정된 가속 페달 압력 값을 기 설정된 기준 압력 값과 비교하여 가속 페달에 높은 압력이 가해지는지 여부를 판단한다(S603).
여기서, 가속 페달에 가해지는 압력의 크기는 곧 운전자의 가속 의지가 반영된 것이므로, 이를 고려하여 차량용 모터 제어 시스템(100)은 인버터와 모터 간의 권선 턴 수를 변경할 수 있다. 이때, 기준이 되는 압력 값은 차량의 제조사 또는 운전자에 의해 설정 및 변경될 수 있다. 예컨대, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 단계 S602와 단계 S603의 판단 결과에 따라 인버터와 모터 간의 연결 모드를 변경하여 권선 턴 수가 가변되도록 제어한다. 이때, 인버터와 모터 간의 연결 모드는 도 4에 도시된 바와 같이 인버터와 모터 사이에 위치한 제1 권선과 제2 권선을 연결하는 스위치를 온(on)/오프(off)하여 변경할 수 있다.
구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이 인버터(410)와 모터(420) 간에는 제1 권선(431), 제2 권선(432)의 2개의 권선과 스위치 S1(441), 스위치 S2(442), 그리고 스위치 S3(443)의 3개의 스위치가 장착된다.
구체적으로, 인버터(410)와 모터(420) 간에는 병렬 형태의 제1 권선(431)과 제2 권선(432)이 위치한다. 제1 권선(431)과 제2 권선(432) 각각의 일단은 인버터(410)와 연결되며, 제1 권선(431)과 제2 권선(432) 각각의 타단은 모터(420)와 연결된다. 스위치 S1(441)은 인버터(410)와 제2 권선(432)의 일단 사이에 위치하여 인버터(410)와 제2 권선(432)의 연결을 제어하고, 스위치 S2(442)는 제1 권선(431)의 타단과 제2 권선(432)의 일단 사이에 위치하여 제1 권선(431)과 제2 권선(432)의 연결을 제어하고, 스위치 S3(443)은 제2 권선(432)의 타단과 모터(420) 사이에 위치하여 스위치 S3(443)와 모터(420)의 연결을 제어한다.
차량용 모터 제어 시스템(100)은 스위치들을 온/오프하여 인버터(410)와 모터(420) 간의 연결 모드를 변경할 수 있다. 인버터(410)와 모터(420) 간의 연결 모드는 제1 모드 내지 제3 모드일 수 있다.
만약, 단계 S602와 단계 S603의 판단 결과, 차량이 저속 주행 중이며 가속 페달 압력이 높은 것으로 판단된 경우, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 저속 고토크 모드(제1 모드)로 변경한다(S604). 예컨대, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 회로의 스위치 S1(441)을 오프하고 스위치 S2(442)와 스위치 S3(443)을 온하여, 제1 모드로 변경한다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 회로의 스위치 S1(41)을 오프하고 스위치 S2(442)와 스위치 S3(443)를 온하면, 인버터(410)와 모터(420) 사이의 제1 권선(431)과 제2 권선(432)은 직렬로 연결된다. 이때의 역기전력은 E, 인덕턴스는 L, 저항은 R, 전류밀도는 A로 나타낼 수 있다. 이와 같은 형태의 회로는 저속 rpm 시 높은 토크를 내는 데 유리하다.
다른 예로, 단계 S602와 단계 S603의 판단 결과, 차량이 저속 주행 중이며 가속 페달 압력이 낮은 것으로 판단된 경우, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 저속 저토크 모드(제2 모드)로 변경한다(S605). 예컨대, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 회로의 스위치 S1(441), 스위치 S2(442), 스위치 S3(443)를 모두 오프하여 제2 모드로 변경한다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 회로의 스위치 S1(441), 스위치 S2(442), 스위치 S3(443)를 모두 오프하면, 인버터(410)와 모터(420) 사이에 총 권선 턴 수의 절반의 권선, 즉 제1 권선(431)만 연결된다. 이때의 역기전력은 E/2, 인덕턴스는 L/4, 저항은 R/2, 전류밀도는 A로 나타낼 수 있다. 이와 같은 형태의 회로는 저속 rpm 시 높은 토크가 요구되지 않는 대부분의 상황에서 유리하다.
또 다른 예로, 단계 S602에서 차량이 고속 주행 중인 것으로 판단된 경우, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 회로의 스위치 S1(441)을 온, 스위치 S2(442)를 오프, 스위치 S3(443)를 온하여 고속 저토크 모드(제3 모드)로 변경한다(S606).
도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 회로의 스위치 S1(441)을 온, 스위치 S2(442)를 오프, 스위치 S3(443)를 온하면, 인버터(410)와 모터(420) 사이에 제1 권선(431)과 제2 권선(432)은 병렬로 연결된다. 이때의 역기전력은 E/2, 인덕턴스는 L/4, 저항은 R/2, 전류밀도는 A/2로 나타낼 수 있다. 이와 같은 형태의 회로는 고속 rpm 시 낮은 토크를 내는 데 유리하다.
한편, 제3 모드는 고속 주행 시 낮은 토크를 낼 때 최적의 효율을 내도록 설계되었으나, 운전자의 필요에 의해 고속 주행 시에도 높은 토크가 요구될 수 있다. 이에 따라, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 차량이 고속 주행 중이며 가속 페달 압력이 높은 것으로 판단된 경우 인버터(410)와 모터(420) 간의 연결 모드를 제1 모드로 변경함으로써, 높은 토크를 낼 수도 있다. 이때, 가속 페달의 압력은 기 설정된 기준 압력 값과 비교하여 판단하며, 기 설정된 기준 압력 값은 전술한 제1 모드 및 제2 모드에서 판단에 이용된 값과 동일하게 설정될 수 있다.
제1 모드는 저속 주행 시 높은 토크를 내도록 설계되었기 때문에, 고속 주행 시 역기전력이 배터리 전압을 초과하게 될 수 있다. 따라서, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 사전에 일정 수준의 안정 전압(예컨대, 배터리 전압의 80%)을 설정하고, 모터(420)의 역기전력이 기 설정된 안정 전압 미만으로 동작하도록 제한할 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 고속 주행 중 운전자의 필요에 의해 높은 토크가 요구되는 경우의 차량용 모터 제어 동작 방법을 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 주행 중 높은 토크가 요구되는 경우의 차량용 모터 제어 동작 방법 흐름도이다.
하기의 과정은 단계 S606 뒤에 위치할 수 있다.
차량은 제3 모드로 주행 중일 때, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 운전자의 가속 의지에 따라 가속 페달 압력 값의 증가를 감지할 수 있다(S701).
차량용 모터 제어 시스템(100)은 단계 S701에서 감지된 가속 페달 압력 값이 기 설정된 기준 압력 값 이상인지 판단한다(S702).
단계 S702의 판단 결과, 가속 페달 압력 값이 기 설정된 기준 압력 값 이상으로 판단된 경우, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 회로의 스위치 S1(441)을 오프하고 스위치 S2(442)와 스위치 S3(443)을 온하여 제1 모드로 변경한다(S703).
아울러, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 모터(420)의 역기전력이 기 설정된 안정 전압 미만으로 동작하는지 확인하고(S704), 기 설정된 안정 전압 미만인 경우 가속 페달 압력에 따라 제1 모드를 유지할 수 있다(S705).
만약, 단계 S704의 확인 결과, 모터(420)의 역기전력이 기 설정된 안정 전압 이상으로 동작하는 것으로 확인되면, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 회로의 스위치 S1(441)을 온, 스위치 S2(442)를 오프, 스위치 S3(443)를 온하여 제3 모드로 변경한다(S706). 이에 따라, 차량용 모터 제어 시스템(100)은 토크를 낮추는 동시에 역기전력을 줄일 수 있다. 인버터(410)와 모터(420) 간의 연결 모드를 제3 모드로 변경한 차량용 모터 제어 시스템(100)은 단계 S701로 피드백하여 제3 모드로 주행을 계속한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 저속 주행 시 상당 직렬 턴 수를 증가시켜 동일 성능 대비 입력 전류를 감소시킴으로써 인버터의 효율이 향상된다.
본 발명에 따르면, 고속 주행 시 병렬 회로 수를 증가시켜 약계자 제어 전류를 감소시킴으로써 인버터와 모터의 효율이 향상된다.
본 발명에 따르면, 하나의 인버터로 2개 이상의 모터를 제어하는 효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 차량용 모터 제어 시스템 110 : 측정부
120 : 판단부 130 : 제어부

Claims (12)

  1. 차량의 모터의 속도 및 가속 페달에 가해지는 압력을 측정하는 측정부;
    측정된 상기 모터의 속도 값과 기 설정된 기준 속도 값을 비교하여 상기 차량의 저속 주행 및 고속 주행 여부를 판단하고, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값과 기 설정된 기준 압력 값을 비교하여 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상인지를 판단하는 판단부; 및
    상기 판단부의 각 판단 결과의 조합에 따라 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경하여 권선 턴 수가 가변되도록 제어하는 제어부;
    를 포함하는 차량용 모터 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 인버터와 상기 모터 사이에 제1 권선과 제2 권선이 병렬로 위치하고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 일단은 상기 인버터와 연결되고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 타단은 상기 모터와 연결되고, 스위치 S1은 상기 인버터와 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S2는 상기 제1 권선의 타단과 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S3은 상기 제2 권선의 타단과 상기 모터와 연결되는 형태로 구성된 상기 인버터와 상기 모터 간의 회로에서 스위치 온(on)/오프(off)를 제어하여 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경하는 것
    인 차량용 모터 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 판단부에 의해, 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상으로 판단되면, 상기 스위치 S1을 오프하고 상기 스위치 S2와 상기 스위치 S3를 온하여 상기 인버터와 상기 모터 간 상기 제1 권선과 상기 제2 권선의 두 개의 권선이 직렬로 연결되는 저속 고토크 모드로 변경하고,
    상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 미만으로 판단되면, 상기 스위치 S1, 상기 스위치 S2, 상기 스위치 S3를 모두 오프하여 상기 인버터와 상기 모터 간 총 권선 턴 수의 절반의 권선이 연결되는 저속 저토크 모드로 변경하는 것
    인 차량용 모터 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 판단부에 의해, 상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 이상이면, 상기 스위치 S1을 온, 상기 스위치 S2를 오프, 상기 스위치 S3를 온하여 상기 인버터와 상기 모터 간 상기 제1 권선과 상기 제2 권선의 두 개의 권선이 병렬로 연결되는 고속 저토크 모드로 변경하는 것
    인 차량용 모터 제어 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 차량이 고속 저토크 모드로 주행 중, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상이면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 상기 저속 고토크 모드로 변경하는 것
    인 차량용 모터 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 저속 고토크 모드로 변경된 후, 상기 모터의 역기전력을 기 설정된 안정 전압과 비교하고, 상기 비교 결과 상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 미만이면 상기 저속 고토크 모드를 유지하고, 상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 이상이면 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 고속 저토크 모드로 변경하는 것
    인 차량용 모터 제어 시스템.
  7. 차량의 모터의 속도 및 가속 페달에 가해지는 압력을 측정하는 단계;
    측정된 상기 모터의 속도 값과 기 설정된 기준 속도 값을 비교하여 상기 차량의 저속 주행 및 고속 주행 여부를 판단하고, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값과 기 설정된 기준 압력 값을 비교하여 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상인지를 판단하는 단계; 및
    상기 각 판단 결과의 조합에 따라 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경하여 권선 턴 수가 가변되도록 제어하는 단계;
    를 포함하는 차량용 모터 제어 동작 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 인버터와 상기 모터 사이에 제1 권선과 제2 권선이 병렬로 위치하고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 일단은 상기 인버터와 연결되고, 상기 제1 권선과 상기 제2 권선 각각의 타단은 상기 모터와 연결되고, 스위치 S1은 상기 인버터와 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S2는 상기 제1 권선의 타단과 상기 제2 권선의 일단과 연결되고, 스위치 S3은 상기 제2 권선의 타단과 상기 모터와 연결되는 형태로 구성된 상기 인버터와 상기 모터 간의 회로에서 스위치 온(on)/오프(off)를 제어하여 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 변경하는 것
    인 차량용 모터 제어 동작 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상으로 판단되면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 저속 고토크 모드로 변경하는 단계; 및
    상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 미만이고 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 미만으로 판단되면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 저속 저토크 모드로 변경하는 단계;
    를 포함하는 것인 차량용 모터 제어 동작 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 모터의 속도 값이 상기 기준 속도 값 이상이면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 고속 저토크 모드로 변경하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 차량용 모터 제어 동작 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 차량이 고속 저토크 모드로 주행 중, 상기 가속 페달에 가해지는 압력 값이 상기 기 설정된 기준 압력 값 이상이면, 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 상기 저속 고토크 모드로 변경하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 차량용 모터 제어 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    상기 저속 고토크 모드로 변경된 후, 상기 모터의 역기전력을 기 설정된 안정 전압과 비교하는 단계;
    상기 비교 결과 상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 미만이면 상기 저속 고토크 모드를 유지하는 단계; 및
    상기 모터의 역기전력이 상기 기 설정된 안정 전압 이상이면 상기 인버터와 상기 모터 간의 연결 모드를 고속 저토크 모드로 변경하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 차량용 모터 제어 동작 방법.
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