KR20080034721A - 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법 - Google Patents

모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치는 연료전지차량 혹은 연료전지/배터리 하이브리드 차량의 모터를 구동하는 인버터 구동시스템에 있어서, 상기 연료전지 출력단과 연결된 직류링크전압단; 상기 모터를 구동 및 제어하는 인버터; 상기 직류링크전압단을 감시하는 직류링크전압레벨 감지부; 언컨트롤 제너레이터 상황발생 시 회생에너지를 바이패스시켜주기 위한 다이나믹 브레이킹 회로부 및 방전저항; 상기 회생 에너지를 변압시켜주는 플라이백 직류-직류 컨버터; 상기 플라이백 직류-직류 컨버터의 출력전압을 이용하여 보조배터리를 충전하는 배터리충전장치; 및 상기 직류링크전압이 일정 전압레벨이상이 되면 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 회생 에너지를 상기 보조배터리에 충전할 수 있도록 전압레벨을 제어해 주는 제어부 및 게이트 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 연료전지/배터리 하이브리드, 모터구동시스템, 회생에너지

Description

모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법{Re generation Energy Control Device And Method For Motor Driving System}
도 1은 종래 인버터 시스템에 적용되는 다이나믹 브레이킹 회로 구성도.
도 2는 도 1의 다이나믹 브레이킹 회로 동작 모드를 나타낸 도면.
도 3은 리제너레이션 시 직류링크전압 및 초퍼 동작시 전압전류 파형을 나타낸 그래프.
도 4는 종래 다이나믹 브레이킹 회로를 연료전지 모터 구동 시스템에 적용한 일예를 나타낸 회로도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 회생 에너지 제어 회로를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 플라이백 직류-직류 컨버터의 회로도 및 이론 파형을 나타낸 도면.
도 7은 리제너레이션 시 보조배터리 충전 패스 및 보조배터리에 충전되는 신호 파형도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 회생 에너지 제어 방법을 나타낸 순서도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 연료전지 20 : 직류링크전압단
30 : 인버터 35 : 모터
40 : 직류전압레벨 감지부 50 : 다이나믹 브레이킹 회로부
55 : 스위치 60 : 방전저항
70 : 플라이백 직류-직류 컨버터 80 : 보조배터리
90 : 배터리 충전장치 100 : 제어부
110 : 게이트 드라이버
본 발명은 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, UCG(Uncontrolled Generator) 모드에서 발생한 회생 에너지를 보조배터리에 재충전하여 에너지 이용효율을 높힐 수 있는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 산업용 인버터 시스템에서 사용되는 다이나밋 브레이킹 회로 구성도를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지차량 혹은 연료전지/배터리 하이브리드 차량의 구동시스템에 이용되는 영구자석 동기모터가 고속 회전하다가 제어보드 이상에 의해 인버터의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 게이트 시그널을 보내주지 않으면, 모터가 발전기로서 작동하게 된다. 그런데, 이 때 전압이 전혀 레귤레이 션(Regulation)이 되지 않은 상태이기 때문에, 이를 UCG(Uncontrolled Generator) 모드라 한다. 이 때는 d상 전류를 역방향으로 가하는 약계자 제어가 수행되지 않기 때문에 높은 역기전압이 모터 측의 터미널에 나타날 뿐 아니라, 전류가 콘덴서에 회생되어 직류링크전압이 급격히 높아 진다.
특히, 이러한 급격한 역기전압의 변화는 속도 가변범위가 매우 넓은 전기자동차 모터설계 및 구동시스템을 설계함에 있어서 중요한 고려사항이 될 수 있으며, 이를 해결하기 방법으로 산업용 모터구동 인버터시스템에서는 다이나믹 브레이킹 회로를 직류링크전압단에 설치하여, UCG 상황에서 발생하는 회생에너지를 일정 전압 이상이 되면 방전저항과 IGBT 스위치를 통해 부(-)전압단으로 소모시켜 모터와 인버터를 보호하는 방법을 이용하고 있다.
대용량 전동기의 가변속 구동에서 특히, 관성이 큰 부하를 가지고 회전하는 경우 감속과 정지를 반복할 때, 관성에 의해 교류전동기로부터 DC전원으로 역발전(Re-generation)되는 전기에너지의 양은 매우 크다. 이에 따라, 역발전에 의해 DC전압을 충전하는 콘덴서로 되돌아오는 과도한 에너지 때문에 콘덴서에 절연파괴가 발생하는 것을 방지하기 위한 목적으로 직류링크전압 양단에 초퍼와 저항을 직렬로 연결하여 직류링크에 되돌아오는 과전압을 저항에서 전기에너지를 열 에너지로 소모하는 것이 전력전자공학 및 산업용 인버터 응용시스템에서는 일반화된 방법이며, 지금도 여러 산업분야에서 적용되어 사용되고 있다.
도 2는 도 1의 동작모드에 따른 루프를 나타낸 도면이며, 도 3은 리제너레이션 시 발생하는 직류링크전압 및 초퍼 동작시 전압전류 파형을 나타낸 도면이다. 그리고, 도 4는 상술한 종래의 다이나믹 브레이킹 회로를 연료전지차량용 모터 구동시스템에 적용한 도면이다.
도 2를 참조하면, 다이나믹 브레이킹회로 동작모드는 2가지로 구성되어 있으며, 모터링 모드에서는 다이나믹 브레이킹 회로는 작동되지 않으며, 리제너레이션(Re-generation) 모드시 직류링크전압이 과도하게 상승하여 특정 전압이상이 되면 다이나믹 브레이킹 회로의 IGBT를 턴-온하여 리제너레이션 시 발생한 에너지를 소모시켜 준다. 또한, 이러한 기본 구조를 연료전지차량용 모터 구동시스템에 적용할 경우, 도 4와 같이 나타낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 회생 에너지 제어 장치 및 방법은 UCG 상황에서 발생하는 회생에너지를 일정 전압 이상이 되면 방전저항과 IGBT 스위치를 통해 부(-)전압단으로 소모시켜 모터와 인버터를 보호하는 방법을 이용하게 됨으로, UCG 상황에서 발생한 회생에너지를 방전저항을 통해 소모하게됨으로, 불필요한 에너지의 소모가 발생하게 되어 전체적으로 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, UCG(Uncontrolled Generator) 모드에서 발생한 회생 에너지를 보조배터리에 재충전하여 에너지 이용효율을 높힐 수 있는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법을 제안하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치는 연료전지차량 혹은 연료전지/배터리 하이브리드 차량의 모터를 구동하는 인버터 구동시스템에 있어서, 상기 연료전지 출력단과 연결된 직류링크전압단; 상기 모터를 구동 및 제어하는 인버터; 상기 직류링크전압단을 감시하는 직류링크전압레벨 감지부; 언컨트롤 제너레이터 상황발생 시 회생에너지를 바이패스시켜주기 위한 다이나믹 브레이킹 회로부 및 방전저항; 상기 회생 에너지를 변압시켜주는 플라이백 직류-직류 컨버터; 상기 플라이백 직류-직류 컨버터의 출력전압을 이용하여 보조배터리를 충전하는 배터리충전장치; 및 상기 직류링크전압이 일정 전압레벨이상이 되면 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 회생 에너지를 상기 보조배터리에 충전할 수 있도록 전압레벨을 제어해 주는 제어부 및 게이트 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라이백 직류-직류 컨버터는 상기 회생 에너지의 높은 입력직류전압을 낮은 출력전압으로 감압하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라이백 직류-직류 컨버터는 상기 다이나믹 브레이킹 회로부와 접속되는 1차 권선 및 상기 1차 권선과 대항된 2차 권선을 포함하는 트랜스포머; 상기 2차 권선 일측에 접속된 다이오드; 및 상기 2차 권선와 병렬로 접속되는 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다이오드는 상기 1차 권선에 입력전압이 유기되는 경우, 상기 1차 권선에 대항되게 배치된 상기 2차 권선에 유기된 반대 극성의 전압을 역 바이어스 차단 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 방법은 연료전지 출력단과 연결된 직류링크전압단; 언컨트롤 제너레이터 상황발생 시 회생에너지를 바이패스시켜주기 위한 다이나믹 브레이킹 회로부 및 방전저항; 상기 회생 에너지를 변압시켜주는 플라이백 직류-직류 컨버터; 상기 플라이백 직류-직류 컨버터의 출력전압을 이용하여 보조배터리를 충전하는 배터리충전장치; 및 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 회생 에너지를 상기 보조배터리에 충전할 수 있도록 전압레벨을 제어해 주는 제어부 및 게이트 드라이버;를 포함하는 연료전지 차량 또는 연료전지/배터리 하이브리드 차량에 있어서, 언컨트롤 제너레이터 상황 발생시 상기 직류링크전압이 일정 전압 이상인지 확인하는 단계; 상기 확인 결과에 따라, 상기 회생 에너지를 바이패스 시키는 단계; 상기 회생 에너지를 변압하는 단계; 및 상기 변압된 회생 에너지를 보조 배터리에 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회생 에너지를 바이패스 시키는 단계는 상기 직류링크 전압이 일정 전압 이상일 경우, 상기 게이트 드라이버에 접속되는 다이나믹 브레이킹 회로부를 활성화하는 단계; 및 상기 회생 에너지를 상기 플라이백 직류-직류 컨버터에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회생 에너지를 변압하는 단계는 상기 회생 에너지의 높은 입력직류전압을 낮은 출력전압으로 감압하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관 련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 회생에너지 제어 장치를 나타낸 회로도이다.
도 5를 참조하면, 본발명에 따른 제어 장치는 연료전지(10) 출력단과 연결된 직류링크전압단(20)과, 영구자석 동기모터(35)를 구동 및 제어하는 인버터(30)와, 상기 직류링크전압단(20)을 감시하는 직류링크전압레벨 감지부(40)와, UCG(Uncontrolled Generator) 상황발생 시 회생에너지를 바이패스시켜주기 위한 다이나믹 브레이킹 회로부(50) 및 방전저항(60)과, 높은 직류전압을 낮은 전압으로 강압시켜주는 플라이백 직류-직류 컨버터(70)와, 플라이백 직류-직류 컨버터(70)의 출력전압을 이용하여 보조배터리(80)를 충전하는 배터리충전장치(90)와, 직류링크전압이 일정 전압레벨(VDC,MAX)이상이 되면 다이나믹 브레이킹 회로부(50)의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 스위치(55)를 PWM(Power Width Modulation)제어하여 UCG(Uncontrolled Generator) 상황시 발생한 리제너레이션(Re-generation) 에너지를 보조배터리(80)에 충전할 수 있도록 전압레벨을 제어해 주는 제어부(100)와 게이트 드라이버(110)를 포함하여 구성된다. 여기서, 보조배터리(80)는 12V, 24V 등 다양한 전압을 가질 수 있으며, 이러한 보조배터리(80)는 연료전지 자동차 또는 연료전지/배터리 하이브리드 차동차에 적용할 수 있다.
플라이백 직류-직류 컨버터(70)는 우선 스위치(55)가 도통하면 트랜스포머의 1차측 권선으로 전류가 흐르게 되고, 이 권선에는 입력전압이 유기된다. 한편, 2차측 권선에는 흑점의 방향에 의해 1차측과 반대 극성의 전압이 유기되므로 다이오드 (DF)는 역-바이어스되어 차단된다. 따라서, 1차권선의 자화인덕턴스에만 에너지가 축적된다. 다음으로 스위치(55)가 차단되면 2차측 권선에는 이전 상태와 반대 극성의 전압이 유기되어 (DF)를 도통시킴으로써 트랜스포머의 자화인덕턴스에 축적된 에너지를 출력측으로 방출시키게 된다. 이때, 트랜스포머의 1차측에 Volt-Second 평형조건을 적용시키면, 입/출력관계식은 수학식 1과 같다.
Figure 112006074921867-PAT00001
여기서, Vout은 트랜스포머의 출력 전압, Vin은 트랜스포머의 입력 전압, N1은 1차권선, N2는 2차 권선, D는 다이오드 문턱값이다.
상기 플라이백 직류-직류 컨버터(70)의 구성과 이론적인 파형은 도 6에 도시된 바와 같다. 즉, 플라이백 직류-직류 컨버터(70)는 1차(N1), 2차(N2) 권선을 가지는 트랜스포머(72)와, 2차 권선(N2) 일측에 접속된 다이오드(DF)와, 2차 권선(N2)와 병렬로 접속되는 커패시터(C)를 포함하여 구성된다.
본 발명은 UCG 상황에서 발생한 회생에너지를 일정 전압 이상이 되면 방전저항(60)과 IGBT 스위치(55)를 통해 부(-)전압단으로 소모시켜 에너지를 종래의 기술방식처럼 소비하여 모터(35)와 인버터(30)를 보호하는 것이 아니라, 이 플라이백 직류-직류 컨버터(70) 토폴로지를 응용하여 이 소비되는 에너지를 보조배터리(80)에 충전할 수 있을 정도의 전압으로 낮추고, 이를 배터리 충전장치(90)를 구성하여 보조배터리(80)에 낭비되는 에너지를 충전하여 재사용할 수 있다.
도 7은 UCG 상황에서의 리제너레이션(Re-generation) 시 충전모드에 대한 회로와 파형이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, UCG 상황이 발생한 경우에 동작원리를 살펴보면, 리제너레이션(Re-generation)시 직류링크전압은 모터의 역기전력에 의해 직류링크전압(VDC)보다 높아지며, 이 때 직류전압레벨 검출부(40)에서 직류링크전압(VDC)을 감지하고 있다가 일정 전압 예를 들면, VDC,MAX 전압이 되는 순간 IGBT 스위치(55)의 게이트에 PWM신호를 인가하여 IGBT 스위치(55)를 턴-온하고, 플라이백 직류-직류 컨버터(70)의 트랜스포머(72)의 턴비를 조정하여 1차 권선(N1)측 전압에 비해 2차 권선(N2)에서 보조배터리(80)를 충전할 수 있는 전압크기로 변환한 뒤, 배터리 충전장치(90)를 통해 보조배터리(80)에 리제너레이션(Re-generation) 시 발생한 회생에너지를 회수하게 된다. 이는 회생시 발생한 에너지를 소비하는 것이 아니라, 기본적인 다이나믹 브레이킹 구조를 그대로 사용하면서, UCG 상황시의 모터(35) 및 인버터(30)를 보호하는 기능을 포함할 뿐만 아니라, 플라이백 직류-직류 컨버터(70) 구조를 이용하여 에너지를 효율을 높힐 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치의 구동방법에 대해서 도 8을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 구동방법은 먼저, 언컨트롤 제너레이터 상황 발생시(S101), 직류링크전압이 일정 전압레벨이상인지 여부를 확인한다(S102).
상기 S102 단계에서, 상기 전압레벨이 일정 전압 이상인 경우, 회생 에너지를 플라이백 직류-직류 컨버터(70)에 바이패스 시킨다(S103).
상기 S103 단계에서, 상기 회생 에너지를 바이패스 시키는 과정은, 상기 직류링크 전압이 일정 전압 이상일 경우, 상기 게이트 드라이버(110)에 접속되는 다이나믹 브레이킹 회로부(50)를 활성화하는 과정과 상기 활성화된 브레이킹 회로부(50)를 통하여 상기 회생 에너지를 플라이백 직류-직류 컨버터(70)에 공급하는 과정을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 플라이백 직류-직류 컨버터(70)는 상기 회생 에너지를 변압한다(S104).
상기 S142 단계에서, 상기 회생 에너지를 변압하는 과정은, 상기 회생 에너지의 높은 입력직류전압을 낮은 출력전압으로 감압한다. 보조배터리(80)의 배터리 용량은 12V, 24V 등 상기 회생 에너지에 비하여 상대적으로 낮은 전압을 가지게 됨으로, 트랜스포머(72)를 이용하여 감압하는 과정이 필요하다.
다음으로, 상기 변압된 회생 에너지를 보조 배터리(80)에 충전한다(S105).
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법은 회생시 발생한 에너지를 소비하여 방전저항을 통해 태워없애는 것이 아니라, 기본적인 다이나믹 브레이킹 구조를 그대로 사용하면서, UCG 상황시의 모터 및 인버터를 보호하는 기능을 포함하고, 직류링크전압단의 회생되는 전압레벨을 낮추어 보조배터리에 에너지를 충전하여 재사용함으로서 에너지를 효율을 높일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치 및 방법은 UCG(Uncontrolled Generator) 모드에서 발생한 회생 에너지를 보조배터리에 재충전하여 에너지 이용효율을 높힐 수 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 연료전지차량 혹은 연료전지/배터리 하이브리드 차량의 모터를 구동하는 인버터 구동시스템에 있어서,
    상기 연료전지 출력단과 연결된 직류링크전압단;
    상기 모터를 구동 및 제어하는 인버터;
    상기 직류링크전압단을 감시하는 직류링크전압레벨 감지부;
    언컨트롤 제너레이터 상황발생 시 회생에너지를 바이패스시켜주기 위한 다이나믹 브레이킹 회로부 및 방전저항;
    상기 회생 에너지를 변압시켜주는 플라이백 직류-직류 컨버터;
    상기 플라이백 직류-직류 컨버터의 출력전압을 이용하여 보조배터리를 충전하는 배터리충전장치; 및
    상기 직류링크전압이 일정 전압레벨이상이 되면 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 회생 에너지를 상기 보조배터리에 충전할 수 있도록 전압레벨을 제어해 주는 제어부 및 게이트 드라이버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라이백 직류-직류 컨버터는
    상기 회생 에너지의 높은 입력직류전압을 낮은 출력전압으로 감압하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라이백 직류-직류 컨버터는
    상기 다이나믹 브레이킹 회로부와 접속되는 1차 권선 및 상기 1차 권선과 대항된 2차 권선을 포함하는 트랜스포머;
    상기 2차 권선 일측에 접속된 다이오드; 및
    상기 2차 권선와 병렬로 접속되는 커패시터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다이오드는
    상기 1차 권선에 입력전압이 유기되는 경우, 상기 1차 권선에 대항되게 배치된 상기 2차 권선에 유기된 반대 극성의 전압을 역 바이어스 차단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 장치.
  5. 연료전지 출력단과 연결된 직류링크전압단; 언컨트롤 제너레이터 상황발생 시 회생에너지를 바이패스시켜주기 위한 다이나믹 브레이킹 회로부 및 방전저항; 상기 회생 에너지를 변압시켜주는 플라이백 직류-직류 컨버터; 상기 플라이백 직류-직류 컨버터의 출력전압을 이용하여 보조배터리를 충전하는 배터리충전장치; 및 상기 다이나믹 브레이킹 회로부를 제어하여 상기 회생 에너지를 상기 보조배터리에 충전할 수 있도록 전압레벨을 제어해 주는 제어부 및 게이트 드라이버;를 포함하는 연료전지 차량 또는 연료전지/배터리 하이브리드 차량에 있어서,
    언컨트롤 제너레이터 상황 발생시 상기 직류링크전압이 일정 전압 이상인지 확인하는 단계;
    상기 확인 결과에 따라, 상기 회생 에너지를 바이패스 시키는 단계;
    상기 회생 에너지를 변압하는 단계; 및
    상기 변압된 회생 에너지를 보조 배터리에 충전하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회생 에너지를 바이패스 시키는 단계는
    상기 직류링크 전압이 일정 전압 이상일 경우, 상기 게이트 드라이버에 접속되는 다이나믹 브레이킹 회로부를 활성화하는 단계; 및
    상기 회생 에너지를 상기 플라이백 직류-직류 컨버터에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 회생 에너지를 변압하는 단계는
    상기 회생 에너지의 높은 입력직류전압을 낮은 출력전압으로 감압하는 단계 인 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 회생 에너지 제어 방법.
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