KR20080065990A - 충전제어장치, 전동차 및 축전장치충전제어방법 - Google Patents

충전제어장치, 전동차 및 축전장치충전제어방법 Download PDF

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히치로사이 오요베
마코토 나카무라
데츠히로 이시카와
히로시 요시다
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

축전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전되어야 할 것으로 판정되면, 제어장치(60)는 상용 전원(55)의 전압 Vac를 토대로 승압컨버터(10)에 의해 제어될 전력라인(PL2)의 전압 VH의 제어 목표를 설정한다. 구체적으로, 제어장치(60)는 전압 VH의 제어 목표를 전압 Vac의 최고값과 근사적으로 동일한 레벨로 설정한다. 그 후, 상기 제어장치(60)는 입력승인지령(EN)을 릴레이회로(40)로 출력하고, 인버터(20, 30)를 제어하여 축전장치(B)를 충전하게 된다.

Description

충전제어장치, 전동차 및 축전장치충전제어방법{CHARGE CONTROL APPARATUS, ELECTRICALLY POWERED VEHICLE AND ELECTRIC STORAGE CHARGE CONTROL METHOD}
본 발명은 충전제어장치 및 전동차에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 전기자동차 또는 하이브리드자동차와 같은 전동차에 탑재된 축전장치의 충전 제어에 관한 것이다.
일본특허공개공보 제04-295202호에는 전동차에 사용되는 전동기구동전력처리장치가 개시되어 있다. 상기 전동기구동전력처리장치는 2차전지, 인버터(IA, IB), 인덕션모터(MA, MB) 및 제어유닛을 포함한다. 인덕션모터(MA, MB)는 각각 Y-연결형 권선(CA, CB)을 포함하고, 권선(CA, CB)의 중립점(NA, NB)에는 입출력 포트가 EMI 필터를 통해 연결된다.
인버터(IA, IB)는 인덕션모터(MA, MB)에 각각 대응하여 제공되고, 권선(CA, CB)에 각각 연결된다. 인버터(IA, IB)는 2차전지에 병렬로 연결된다.
전동기구동전력처리장치가 재충전 모드에서 작동될 때, AC 전력은 입출력 포트에 연결된 단상 전원으로부터 EMI 필터를 통해 권선(CA, CB)의 중립점(NA, NB)으로 공급되며, 인버터(IA, IB)는 상기 중립점(NA, NB)으로 공급된 AC 전력을 DC 전력으로 변환시켜 DC 전원을 충전시킨다.
하지만, 전동기구동전력처리장치에서는, 역률(power factor) 1로 제어된 배터리 충전을 실현하기 위하여, 상기 배터리를 충전하는 데 이용가능한 단상 전원이 제한된다. 구체적으로는, 배터리 충전용 단상 전원의 피크 전압(최고값)이 배터리 전압을 초과해서는 안되며, 단상 전원의 전압 최고값이 배터리 전압을 초과한다면, 상술된 전동기구동전력처리장치에서는 필요에 따라 전력 조류(power flow) 및 역률을 제어하는 것이 불가능해진다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하고자 고안되었으며, 그 목적은 축전장치를 충전하는 데 이용가능한 외부 전원의 전압 레벨을 제한하지 않는 충전제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 축전장치(electric storage)를 충전하는 데 이용가능한 외부 전원의 전압 레벨을 제한하지 않는 전동차를 제공하는 것이다.
본 발명은 성형(star-connected)의 제1다상권선; 성형의 제2다상권선; 상기 제1다상권선의 제1중립점과 상기 제2다상권선의 제2중립점에 연결되어, 외부 전원으로부터 상기 제1 및 제2중립점으로 AC 전력을 인가하는 전력입력유닛; 상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 상기 외부 전원으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여, 상기 DC 전력을 DC 전력라인으로 출력하는 전력변환장치; 인가된 지령에 따라, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 축전장치의 전압보다 낮지 않게 제어하면서, 상기 축전장치를 충전하도록 상기 DC 전력라인으로부터의 전압을 낮추는 컨버터; 및 상기 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 상기 DC 전력라인의 전압의 제어 목표를 설정하고, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 제어 목표로 제어하기 위한 상기 지령을 상기 컨버터로 출력하기 위한 컨버터제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 축전장치 충전용 충전제어장치를 제공한다.
본 발명의 충전제어장치에 있어서, 전력입력유닛에 의해 제1 및 제2중립점으로 인가되는 외부 전원으로부터의 AC 전력은 전력변환장치에 의해 DC 전력으로 변환되고, 상기 컨버터에 의해 낮아진 전압을 가지며, 축전장치로 공급된다. 여기서, 상기 축전장치는, 컨버터 및 컨버터제어유닛에 의하여, DC 전력라인의 전압이 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 제어되면서 충전된다. 그러므로, 외부 전원의 전압 최고값이 축전장치의 전압을 초과하는 경우에도, 외부 전원의 최고값보다 낮지 않은 적절한 레벨로 DC 전력라인의 전압을 제어하여 역률 1로 제어된 충전이 실현될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 충전제어장치에 의하면, 축전장치를 충전하는 데 이용가능한 외부 전원이 제한되지 않으며, 이에 따라 상용 전원이 상이한 전압 레벨을 갖는 외국에서도 효율적인 충전이 가능하게 된다.
상기 컨버터제어유닛은, 상기 제어 목표로서 상기 외부 전원의 전압 레벨에 따라 소정의 설정값을 설정하는 것이 바람직하다.
그러므로, 충전제어장치에 있어서, DC 전력라인의 전압의 제어 목표는 외부 전원의 전압 레벨에 따라 용이하게 설정될 수 있다(예컨대, 각국의 상용 전원에 대응하는 AC 100V, AC 200V 또는 AC 240V).
상기 컨버터제어유닛은, 상기 제어 목표로서 상기 외부 전원의 전압의 최고값과 근사적으로 동일한 전압을 설정하는 것이 바람직하다.
상기 충전제어장치에 있어서, DC 전력라인의 전압의 제어 목표는 역률 1로 제어된 충전을 허용하는 하한 레벨인 외부 전원의 전압 최고값으로 설정된다. 그러므로, 충전제어장치에 의하면, DC 전력라인으로부터의 전압을 낮추어 축전장치를 충전하는 컨버터의 스위칭 손실이 최소화될 수 있다. 그 결과, 효율적인 충전이 가능하게 된다.
상기 컨버터는 상기 DC 전력라인과 접지라인 사이에 직렬로 연결된 플라이휠 다이오드(flywheel diode)를 각각 갖는 2개의 스위칭 소자를 구비한 초퍼회로(chopper circuit), 및 상기 2개의 스위칭 소자의 연결점과 상기 축전장치 사이에 연결된 리액터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전력변환장치는 상기 제1 및 제2다상권선에 각각 연결된 제1 및 제2인버터와, 상기 제1 및 제2인버터를 통합 방식(coordinated manner)으로 제어하여, 상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 AC 전력이 DC 전력으로 변환되어 상기 DC 전력라인으로 출력되도록 하기 위한 인버터제어유닛을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 외부 전원은 상용 전원인 것이 바람직하다.
그러므로, 상기 충전제어장치에 의하면, 가정용 상용 전원을 이용하여 축전장치가 충전될 수 있다.
또한, 본 발명은 고정자 권선으로서 성형의 제1다상권선을 포함하는 제1다상AC전동기; 고정자 권선으로서 성형의 제2다상권선을 포함하는 제2다상AC전동기; 상기 제1 및 제2다상AC전동기 중 하나 이상의 회전축에 기계적으로 링크된 구동차륜; 상기 제1 및 제2다상AC전동기에 대응하여 각각 제공된 제1 및 제2인버터; 축전장치; 상기 축전장치와 상기 제1 및 제2인버터 각각에 연결된 DC 전력라인 사이에 제공되어, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 축전장치의 전압보다 낮지 않게 제어하는 컨버터; 상기 제1 및 제2인버터와 상기 컨버터를 제어하는 제어장치; 및 상기 제1다상권선의 제1중립점과 상기 제2다상권선의 제2중립점에 연결되어, 외부 전원으로부터 상기 제1 및 제2중립점으로 AC 전력을 인가하는 전력입력유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차를 제공한다. 상기 제어장치는 상기 외부 전원으로부터의 AC 전력이 상기 제1 및 제2중립점으로 인가될 때, 상기 제1 및 제2인버터를 통합 방식으로 제어하여, 상기 AC 전력이 DC 전력으로 변환되어 상기 DC 전력라인으로 출력되도록 하는 인버터제어유닛, 및 상기 외부 전원으로부터의 AC 전력이 상기 제1 및 제2중립점으로 인가될 때, 상기 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 상기 DC 전력라인의 전압의 제어 목표를 설정하고, 상기 DC 전원의 전압이 상기 제어 목표로 조정되면서 상기 축전장치가 충전되도록 상기 컨버터를 제어하기 위한 컨버터제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전동차에 있어서, 축전장치를 충전하는 데 사용되는 외부 전원으로부터의 AC 전력은 전력입력유닛에 의하여 제1 및 제2중립점으로 인가된다. 상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 AC 전력은 제1 및 제2인버터에 의해 DC 전력으로 변환되어, 컨버터에 의해 전압 강하되고 상기 축전장치로 공급된다. 여기서, 상기 축전장치는 컨버터 및 컨버터제어유닛에 의하여 DC 전력라인의 전압이 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 제어되면서 충전된다. 그러므로, 외부 전원의 전압 최고값이 축전장치의 전압을 초과하는 경우에도, 외부 전원의 최고값보다 낮지 않은 적절한 레벨로 DC 전력라인의 전압을 제어하여 역률 1로 제어된 충전이 실현될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 전동차에서는, 축전장치를 충전하는 데 이용가능한 외부 전원이 제한되지 않으며, 이에 따라 상용 전원이 상이한 전압 레벨을 갖는 외국에서도 효율적인 충전이 가능하게 된다. 또한, 축전장치를 외부 전원으로부터 충전하기 위한 전용 컨버터를 별도로 제공할 필요가 없으므로, 차량의 크기, 중량 및 비용을 줄일 수 있게 된다.
상술된 바와 같이, 본 발명에서는, DC 전력라인의 전압의 제어 목표가 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 설정되므로, 축전장치를 충전하는 데 이용가능한 외부 전원이 제한되지 않으며, 각종 전압 레벨의 외부 전원들을 이용하여 효율적인 충전이 가능하다.
또한, DC 전력라인의 전압의 제어 목표를 외부 전원의 전압의 최고값과 근사적으로 동일한 전압으로 설정함으로써, DC 전력라인으로부터의 전압을 낮추어 축전장치를 충전하는 컨버터의 스위칭 손실이 최소화될 수 있다. 그 결과, 효율적인 충전이 가능하게 된다.
또한, 축전장치를 차량 외부에 있는 전원으로부터 충전하기 위한 전용 컨버터를 별도로 제공할 필요가 없으므로, 차량의 크기, 중량 및 비용을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동차의 일례로서 도시된 하이브리드자동차의 전반적인 블럭도;
도 2는 도 1에 도시된 모터제너레이터 및 인버터의 0(zero)-상 등가회로를 도시한 도면;
도 3은 도 2에 도시된 0-상 등가회로에서 입력 역률 1을 실현하는 페이저도;
도 4는 도 3에 도시된 페이저 관계를 토대로 인버터가 제어될 때의 전압 파형을 도시한 도면;
도 5는 상용 전원, 전력라인(PL2) 및 축전장치의 전압들간의 관계를 도시한 도면;
도 6은 도 1에 도시된 제어장치의 기능블럭도;
도 7은 도 6에 도시된 컨버터제어유닛의 기능블럭도;
도 8은 도 6에 도시된 제1 및 제2인버터제어유닛의 기능블럭도; 및
도 9는 도 1에 도시된 제어장치에 의해 충전이 개시될 지의 여부에 관한 결정과 관련된 프로그램의 제어 구조를 나타내는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도면 전반에 걸쳐, 동일하거나 대응하는 부분들은 동일한 도면 부호로 표시되므로, 그 설명은 반복하지 않기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동차의 일례로 도시된 하이브리드자동차의 전체 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 하이브리드자동차(100)는 엔진(4), 모터 제너레이터(MG1, MG2), 동력분배장치(3) 및 차륜(2)을 포함한다. 또한, 하이브리드자동차(100)는 축전장치(B), 승압컨버터(10), 인버터(20, 30), 제어장치(60), 캐패시터(C1, C2), 전력라인(PL1, PL2), 접지라인(SL), U상라인(UL1, UL2), V상라인(VL1, VL2), W상라인(WL1, WL2), 전압센서(70, 72) 및 전류센서(80, 82)를 포함한다. 하이브리드자동차(100)는 또한 전력입력라인(ACL1, ACL2), 릴레이회로(40), 입력 단자(50) 및 전압센서(74)도 포함한다.
동력분배장치(3)는 엔진(4)과 모터제너레이터(MG1, MG2)에 링크되어, 그들 간에 동력을 분배한다. 예를 들어, 상기 동력분배장치(3)로는, 선기어, 유성캐리어 및 링기어의 세 회전축을 구비한 유성기어가 사용될 수도 있다. 이들 세 회전축은 엔진(4), 모터제너레이터(MG1, MG2)의 각각의 회전축에 각각 연결된다. 예를 들어, 모터제너레이터(MG1)의 회전자를 중공으로 만들고 그 중앙을 통해 엔진(4)의 크랭크축을 지나도록 함으로써, 엔진(4) 및 모터제너레이터(MG1, MG2)를 동력분배장치(3)에 기계적으로 링크시킬 수 있다.
모터제너레이터(MG2)의 회전축은 도시되지 않은 리덕션기어 또는 러닝기어에 의해 차륜(2)에 링크된다. 또한, 모터제너레이터(MG2)의 회전축에 대한 감속기구가 동력분배장치(3) 내부에 추가로 통합될 수도 있다.
모터제너레이터(MG1)는 엔진(4)에 의해 구동되는 제너레이터로서 동작하고, 엔진(4)의 운전을 개시할 수 있는 모터로서 동작하는 하이브리드자동차(100)에 통합된다. 모터제너레이터(MG2)는 구동 차륜으로서 모터구동차륜(2)으로 하이브리드자동차(100)에 통합된다.
축전장치(B)는 그 양전극이 전력라인(PL1)에 연결되고, 그 음전극이 접지라인(SL)에 연결된다. 캐패시터(C1)는 전력라인(PL1)과 접지라인(SL) 사이에 연결된다.
승압컨버터(10)는 리액터(L), npn 트랜지스터(Q1, Q2) 및 다이오드(D1, D2)를 포함한다. npn 트랜지스터(Q1, Q2)는 전력라인(PL2)과 접지라인(SL) 사이에 직렬로 연결된다. npn 트랜지스터(Q1, Q2)의 콜렉터와 이미터 사이에는, 다이오드(D1, D2)가 각각 연결되어, 이미터측에서 콜렉터측으로 전류 흐름을 발생시키게 한다. 리액터(L)는 npn 트랜지스터(Q1, Q2) 사이의 노드에 연결된 일 단부와 전력라인(PL1)에 연결된 타 단부를 구비한다.
상술된 npn 트랜지스터 및 본 명세서에서 후술할 여타의 npn 트랜지스터로는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용될 수도 있다. 또한, npn 트랜지스터 대신에, 파워 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)과 같은 전력스위칭소자가 사용될 수도 있다.
캐패시터(C2)는 전력라인(PL2)과 접지라인(SL) 사이에 연결된다. 인버터(20)는 U상아암(22), V상아암(24) 및 W상아암(26)을 포함한다. U상아암(22), V상아암(24) 및 W상아암(26)은 전력라인(PL2)과 접지라인(SL) 사이에 병렬로 연결된다. U상아암(22)은 직렬 연결된 npn 트랜지스터(Q11, Q12)로 이루어지고, V상아암(24)은 직렬 연결된 npn 트랜지스터(Q13, Q14)로 이루어지며, W상아암(26)은 직렬 연결된 npn 트랜지스터(Q15, Q16)로 이루어진다. npn 트랜지스터(Q11 내지 Q16)의 콜렉터와 이미터들 사이에는, 다이오드(D11 내지 D16)가 각각 연결되어, 이미터측으로 부터 콜렉터측으로 전류 흐름을 발생시키게 된다.
모터제너레이터(MG1)는 고정자 코일로서, 3상 코일(12)을 포함한다. 상기 3상 코일을 형성하는 U상코일(U1), V상코일(V1) 및 W상코일(W1)은 각각 중립점(N1)을 형성하도록 함께 연결된 일 단부를 구비하고, 인버터(20)의 U상아암(22), V상아암(24) 및 W상아암(26)의 npn 트랜지스터들 사이의 노드들에 연결된 타 단부를 구비한다.
인버터(30)는 U상아암(32), V상아암(34) 및 W상아암(36)을 포함한다. 모터제너레이터(MG2)는 고정자 코일로서, 3상 코일(14)을 포함한다. 인버터(30) 및 모터제너레이터(MG2)는 각각 인버터(20) 및 모터제너레이터(MG1)와 동일한 구조들을 가진다.
릴레이회로(40)는 릴레이(RY1, RY2)를 포함한다. 릴레이(RY1, RY2)로는 기계적 접촉 릴레이가 사용될 수 있고, 또는 반도체 릴레이가 사용될 수도 있다. 전력입력라인(ACL1)의 일 단부는 릴레이(RY1)의 일 단부에 연결되고, 전력입력라인(ACL1)의 타 단부는 모터제너레이터(MG1)의 3상 코일(12)의 중립점(N1)에 연결된다. 또한, 전력입력라인(ACL2)의 일 단부는 릴레이(RY2)의 일 단부에 연결되고, 전력입력라인(ACL2)의 타 단부는 모터제너레이터(MG2)의 3상 코일(14)의 중립점(N2)에 연결된다. 릴레이(RY1, RY2)는 입력 단자(50)에 연결된 타 단부를 구비한다.
축전장치(B)는 니켈 하이드라이드 또는 리튬 이온 2차전지와 같은 재충전가능한 DC 전원이다. 축전장치(B)는 DC 전력을 승압컨버터(10)로 출력한다. 또한, 축전장치(B)는 승압컨버터(10)에 의해 충전된다. 축전장치(B)로는 대용량의 캐패시터 또는 연료전지가 사용될 수도 있다는 점에 유의한다.
전압센서(70)는 축전장치(B)의 전압(VB)을 검출하고, 상기 검출된 전압(VB)을 제어장치(60)로 출력한다. 캐패시터(C1)는 전력공급라인(PL1)과 접지라인(SL)간의 전압 변동을 평활시킨다.
제어장치(60)로부터의 신호 PWC에 따라, 승압컨버터(10)는 리액터(L)를 이용하여 축전장치(B)로부터 수신된 DC 전압을 승압시키고, 상기 승압된 전압을 전력라인(PL2)으로 출력한다. 구체적으로는, 제어장치(60)로부터의 신호 PWC에 따라, 승압컨버터(10)가 리액터(L) 내의 자기장에너지로서 npn 트랜지스터(Q2)의 스위칭 동작에 따라 흐르는 전류를 축적하여, 축전장치(B)로부터 DC 전압을 승압시키게 된다. 그 후, 승압컨버터(10)는 승압된 전압을 npn 트랜지스터(Q2)의 오프-타이밍과 동기되어 다이오드(D1)를 통해 전력라인(PL2)으로 출력한다.
또한, 제어장치(60)로부터의 신호 PWC에 따라, 승압컨버터(10)는 전력라인(PL2)을 통해 인버터(20 및/또는 30)로부터 공급되는 DC 전압을 축전장치(B)의 전압 레벨로 낮추어 축전장치(B)를 충전시킨다.
여기서, 축전장치(B)가 입력 단자(50)에 연결된 상용 전원(55)으로부터 충전되는 경우, 승압컨버터(10)는 제어장치(60)로부터의 신호 PWC에 따라, 상용 전원(55)의 전압의 최고값과 근사적으로 같은 레벨로 전력라인(PL2)의 전압을 제어하면서, 축전장치(B)를 충전하기 위해 전력라인(PL2)으로부터의 전압을 축전장치(B)의 전압 레벨로 낮춘다.
캐패시터(C2)는 전력공급라인(PL2)과 접지라인(SL)간의 전압 변동을 평활시 킨다. 전압센서(72)는 캐패시터(C2)의 단자들을 가로지르는 전압, 즉 접지라인(SL)에 대한 전력라인(PL2)의 전압(VH)을 검출하고, 상기 검출된 전압(VH)을 제어장치(60)로 출력한다.
제어장치(60)로부터의 신호 PWM1에 따라, 인버터(20)는 전력라인(PL2)으로부터 수신되는 DC 전압을 3상AC전압으로 변환시키고, 상기 변환된 3상AC전압을 모터제너레이터(MG1)로 출력한다. 결과적으로는, 모터제너레이터(MG1)가 구동되어, 지정된 토크를 생성하게 된다. 또한, 인버터(20)는 제어장치(60)로부터의 신호 PWM1에 따라 엔진(4)으로부터 전력을 받는 모터제너레이터(MG1)에 의해 발생된 3상AC전압을 DC 전압으로 변환시키고, 상기 변환된 DC 전압을 전력라인(PL2)으로 출력한다.
제어장치(60)로부터의 신호 PWM2에 따라, 인버터(30)는 전력라인(PL2)으로부터 수신되는 DC 전압을 3상AC전압으로 변환시키고, 상기 변환된 3상AC전압을 모터제너레이터(MG2)로 출력한다. 결과적으로는, 모터제너레이터(MG2)가 구동되어, 지정된 토크를 생성하게 된다. 또한, 인버터(30)는 제어장치(60)로부터의 신호 PWM2에 따라 차량의 회생제동 시에 차륜(2)의 회전력을 받는 모터제너레이터(MG2)에 의해 발생된 3상AC전압을 DC 전압으로 변환시키고, 상기 변환된 DC 전압을 전력라인(PL2)으로 출력한다.
본 명세서에 사용된 회생제동은 차량의 운전자에 의한 풋브레이크 동작을 통한 회생과 함께하는 제동 또는 상기 풋브레이크를 동작시키지 않고, 주행 시 액셀러레이터 페달을 해제시켜 전력을 회생시키면서 이루어지는 차량의 감속(또는 가속 정지)을 말한다.
또한, 축전장치(B)가 입력 단자(50)에 연결된 상용 전원(55)으로부터 충전되는 경우, 인버터(20, 30)는 상용 전원(55)으로부터 전력입력라인(ACL1, ACL2)을 통해 3상 코일(12, 14)의 중립점(N1, N2)에 공급되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환시켜, 상기 DC 전력을 전력라인(PL2)으로 출력한다.
모터제너레이터(MG1, MG2)는 예컨대 3상AC동기모터에 의해 구현되는 3상AC전기모터이다. 모터제너레이터(MG1)는 엔진(4)의 동력을 이용하여 3상AC전압을 발생시키고, 상기 발생된 3상AC전압을 인버터(20)로 출력한다. 또한, 모터제너레이터(MG1)는 인버터(20)로부터 수신되는 3상AC전압에 의해 구동력을 발생시키고, 엔진(4)을 시동한다. 모터제너레이터(MG2)는 인버터(30)로부터 수신되는 3상AC전압에 의해 차량구동토크를 발생시킨다. 또한, 모터제너레이터(MG2)는 차량의 회생제동 시에 3상AC전압을 발생시켜 상기 전압을 인버터(30)로 출력한다.
제어장치(60)로부터 입력승인지령(EN)을 수신하면, 릴레이회로(40)는 입력 단자(50)를 전력입력라인(ACL1, ACL2)에 전기적으로 연결시킨다. 구체적으로는, 제어장치(60)로부터 입력승인지령(EN)을 수신할 때 릴레이회로(40)가 릴레이(RY1, RY2)를 턴 온시키고, 제어장치(60)로부터 입력승인지령(EN)을 수신하지 못할 때 릴레이(RY1, RY2)를 턴 오프시킨다.
입력 단자(50)는 차량 외부의 상용 전원(55)을 하이브리드자동차(100)에 연결시키기 위한 것이다. 구체적으로, 하이브리드자동차(100)는 입력 단자(50)를 통해 차량 외부의 상용 전원(55)으로부터 충전되는 축전장치(B)를 구비할 수도 있다.
전류센서(80)는 모터제너레이터(MG1)를 통과하는 모터전류(MCRT1)를 검출하고, 상기 검출된 모터전류(MCRT1)를 제어장치(60)로 출력한다. 전류센서(82)는 모터제너레이터(MG2)를 통과하는 모터전류(MCRT2)를 검출하고, 상기 검출된 모터전류(MCRT2)를 상기 제어장치(60)로 출력한다. 전압센서(74)는 입력 단자(50)에 연결된 상용 전원(55)의 전압 Vac를 검출하고, 상기 검출된 전압 Vac를 제어장치(60)로 출력한다.
도시되지 않은 ECU(Electronic Control Unit)로부터 출력되는 모터제너레이터(MG1, MG2)의 모터회전수(MRN1, MRN2)와 토크제어값(TR1, TR2), 전압센서(70)로부터의 전압 VB 및 전압센서(72)로부터의 전압 VH를 토대로, 제어장치(60)는 승압컨버터(10)를 구동하기 위한 신호 PWC를 생성하고, 생성된 신호 PWC를 승압컨버터(10)로 출력한다.
또한, 전압(VH), 모터제너레이터(MG1)의 토크제어값(TR1) 및 모터센서(80)로부터의 모터전류(MCRT1)를 토대로, 제어장치(60)는 모터제너레이터(MG1)를 구동하기 위한 신호 PWM1을 생성하고, 상기 생성된 신호 PWM1을 인버터(20)로 출력한다. 또한, 전압(VH), 모터제너레이터(MG2)의 토크제어값(TR2) 및 전류센서(82)로부터의 모터전류(MCRT2)를 토대로, 제어장치(60)는 모터제너레이터(MG2)를 구동하기 위한 신호 PWM2를 생성하고, 상기 생성된 신호 PWM2를 인버터(30)로 출력한다.
여기서, 도시되지 않은 점화키(또는 점화스위치, 이하 동일)로부터의 신호 IG가 OFF 위치를 가리키고, AC 전력이 상용 전원(55)으로부터 입력 단자(50)로 공급되면, 제어장치(60)가 입력승인지령(EN)을 출력한다. 그 후, 제어장치(60)는 인 버터(20, 30)를 제어하기 위한 신호 PWM1, PWM2를 생성하여, 전력입력라인(ACL1, ACL2)을 통해 인가되는 상용 전원(55)으로부터 중립점(N1, N2)으로의 AC 전력이 DC 전력으로 변환되어 전력라인(PL2)으로 출력되게 된다.
또한, 축전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전되면서, 제어장치(60)는 전압센서(74)로부터의 전압 Vac를 토대로 승압컨버터(10)를 구동시키기 위한 신호 PWC를 생성하여, 전력라인(PL2)의 전압이 상용 전원(55)의 전압 최고값과 근사적으로 같은 레벨로 제어되도록 한다.
전력라인(PL2)의 전압은 후술하는 이유로부터 축전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전되면서, 상용 전원(55)의 전압 최고값과 근사적으로 같은 레벨로 제어된다. 중립점(N1, N2)에 전기적으로 연결된 상용 전원(55)을 이용하여 역률 1로 제어된 충전을 실현하기 위해서는, 전력라인(PL2)의 전압을 상용 전원(55)의 최고값 이상으로 유지시켜야 한다. 전력라인(PL2)의 전압은 승압컨버터(10)에 의해 축전장치(B)의 전압보다 낮지 않은 임의의 레벨로 제어될 수 있지만, 승압컨버터(10)의 스위칭 손실을 고려하여 전력라인(PL2)의 전압 레벨을 낮추는 것이 바람직하다. 그러므로, 전력라인(PL2)의 전압은 효율성의 관점에서, 상용 전원(55)의 전압의 최고값보다는 낮지 않지만 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러므로, 본 실시예에서는, 전력라인(PL2)의 전압이 상용 전원(55)의 전압의 최고값과 근사적으로 같은 레벨로 제어된다.
상용 전원(55)의 전압의 최고값이 축전장치(B)의 전압보다 낮으면, 전력라인(PL2)의 전압은 축전장치(B)의 전압 레벨로 조정된다.
도 2는 도 1에 도시된 모터제너레이터(MG1, MG2)와 인버터(20, 30)의 0-상 등가회로를 보여준다. 3상 인버터로서 각각의 인버터(20, 30)에는, 6개의 npn 트랜지스터의 온/오프의 8가지 상이한 조합 패턴이 있다. 8가지 스위칭 패턴 중 2가지에서는, 상간 전압(interphase voltage)들이 0으로 얻어지고, 이러한 전압 상태를 "0-전압 벡터"라고 한다. 0-전압 벡터에 있어서, 상부아암에 대응하는 3개의 트랜지스터는 동일한 스위칭 상태(모두 온, 또는 모두 오프)에 있는 것으로 간주될 수 있고, 하부아암에 대응하는 3개의 트랜지스터도 동일한 스위칭 상태에 있는 것으로 간주될 수 있다. 그러므로, 도 2에서, 인버터(20)의 npn 트랜지스터(Q11, Q13, Q15)는 일반적으로 상부아암(20A)으로 표현되고, 인버터(20)의 npn 트랜지스터(Q12, Q14, Q16)는 일반적으로 하부아암(20B)으로 표현된다. 이와 유사하게, 인버터(30)의 npn 트랜지스터(Q21, Q23, Q25)는 일반적으로 상부아암(30A)으로 표현되고, 인버터(30)의 npn 트랜지스터(Q22, Q24, Q26)는 일반적으로 하부아암(30B)으로 표현된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 0-상 등가회로는 단상 전원으로서 도시되지 않은 입력 단자(50) 및 릴레이회로(40)를 통해 중립점(N1, N2)에 전기적으로 연결된 상용 전원(55)을 구비한 단상 PWM 컨버터로 간주될 수 있다. 그러므로, 축전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전되면, 각각의 인버터(20, 30)에서 0-전압 벡터를 변경하여 단상 PWM 컨버터의 두 아암으로 인버터(20, 30)가 작동하도록 하는 인버터(20, 30)의 스위칭 제어에 의하여, 상용 전원(55)으로부터의 단상 AC 전력을 DC 전력으로 변환시켜 상기 전력을 전력라인(PL2)으로 공급시킬 수 있게 된다.
여기서, 인버터(20, 30)가 단상 PWM 컨버터의 두 아암으로 작동하도록 하는 인버터(20, 30)의 스위칭 제어는 본 발명에서 "제1 및 제2인버터를 통합 방식으로 제어하는 인버터제어수단"에 대응한다.
도 3은 도 2에 도시된 0-상 등가회로에서 입력 역률 1을 실현하는 페이저도이다. 도 3을 참조하면, 벡터 Vac가 상용 전원(55)의 전압 페이저를 나타낸다. 벡터 Iac는 인버터(20, 30)의 입력 전류 페이저를 나타내고, 역률 1을 실현하기 위한 상용 전원(55)의 전압 페이저와 동위상(in-phase)이다. 또한, 벡터 RIac는 3상 코일(12, 14)의 저항 성분으로부터 도출되는 전압 페이저를 나타내고, 벡터 jωLIac는 3상 코일(12, 14)의 인덕턴스 성분으로부터 도출되는 전압 페이저를 나타낸다. 또한, 벡터 Vinv는 인버터(20, 30)에 의해 형성된 컨버터의 입력 전압 페이저를 나타낸다.
도 3에 도시된 페이저 관계를 토대로, 인버터(20, 30)에 의해 형성된 컨버터의 입력 전압(도 2의 Vinv)은 상용 전원(55)의 전압 Vac로부터의 θ에 의해 지연된 위상으로 제어되어, 역률 1의 충전이 실현된다.
도 4는 인버터(20, 30)가 도 3에 도시된 페이저 관계를 토대로 제어될 때의 전압 파형을 보여준다. 도 4를 참조하면, 곡선 k1은 상용 전원(55)의 전압 Vac의 파형을 나타낸다. 곡선 k2 내지 k4는 U상라인 UL1의 전압 Vu1, V상라인 VL1의 전압 Vv1 및 W상라인 WL1의 전압 Vw1의 파형을 각각 나타내고, 곡선 k5 내지 k7은 U상라인 UL2의 전압 Vu2, V상라인 VL2의 전압 Vv2 및 W상라인 WL2의 전압 Vw2의 파형을 각각 나타낸다.
전압 Vu1, Vv1 및 Vw1은 전압 Vac와 동일한 주기 T를 갖고 서로 동일한 위상에 있도록, 그리고 전압 Vac로부터 위상 θ 만큼 지연되도록 인버터(20)에 의하여 제어된다. 전압 Vu2, Vv2 및 Vw2는 전압 Vac와 동일한 주기 T를 갖고 서로 동일한 위상에 있도록, 그리고 전압 Vu1, Vv1 및 Vw1의 것(으로부터 반전된)에 대향하는 위상들을 갖도록 인버터(30)에 의하여 제어된다. 또한, 전압 Vu1, Vv1 및 Vw1과 전압 Vu2, Vv2 및 Vw2들간의 전압 차이는 도 3에 도시된 페이저 관계를 토대로 전압 Vinv로 설정된다.
이러한 방식으로, 도 3에 도시된 페이저 관계를 토대로 인버터(20, 30)를 이용하여 U, V 및 W상라인들의 전압들을 제어함으로써, 축전장치(B)가 1의 역률을 가지고 상용 전원(55)으로부터 충전될 수 있다.
도 5는 상용 전원(55), 전력라인(PL2) 및 축전장치(B)의 전압들간의 관계들을 보여준다. 도 5를 참조하면, 전압 Vac_m은 상용 전원(55)의 전압의 최고값을 나타낸다. 상술된 바와 같이, 전력라인(PL2)의 전압 VH는 상용 전원(55)의 전압의 최고값보다 낮지 않도록 유지되어야 한다. 전압 VH가 전압 Vac_m 보다 낮다면, 인버터(20, 30)의 상부아암의 다이오드들로 전류가 일정하게 흐르고, 상용 전원(55)으로부터 전력라인(PL2)으로의 전력 조류 및 역률을 제어하는 것이 불가능하게 된다.
인버터(20, 30)로부터 전력라인(PL2)으로 공급되는 전력은 승압컨버터(10)에 의해 VH에서 VB로 낮아져 축전장치(B)로 공급되는 전압을 가진다.
여기서, 전력라인(PL2)의 전압 VH는 승압컨버터(10)에 의하여 제어된다. 구체적으로는, 인버터(20, 30)로부터 전력라인(PL2)으로 전류가 공급되고, 그 결과 전력라인(PL2)의 전압 VH가 증가하면, 전력라인(PL2)으로부터 축전장치(B)로 흐르도록 발생된 전류가 승압컨버터(10)에 의해 증가됨으로써, 전력라인(PL2)의 전압 VH의 증가가 억제되도록 한다. 전력라인(PL2)의 전압 VH가 감소하면, 전력라인(PL2)으로부터 축전장치(B)로 흐르도록 발생된 전류가 승압컨버터(10)에 의해 감소됨으로써, 전력라인(PL2)의 전압 VH가 증가하도록 한다.
승압컨버터(10)의 스위칭 손실을 고려하면, 전력라인(PL2)의 보다 낮은 전압 VH가 바람직하다. 전력라인(PL2)의 전압 VH가 높을 수록, 승압컨버터(10)의 스위칭 전압이 보다 높다. 그 결과, 승압컨버터(10)의 스위칭 손실이 상대적으로 증가하게 된다.
그러므로, 효율적인 충전을 실현하기 위하여, 전력라인(PL2)의 전압 VH는 상용 전원(55)의 최고값(전압 Vac_m)보다는 낮지 않으면서도 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 승압컨버터(10)가 상용 전원(55)의 전압 최고값과 근사적으로 동일한 레벨, 즉 하한값으로 전력라인(PL2)의 전압 VH를 제어한다.
도 6은 도 1에 도시된 제어장치(60)의 블럭도이다. 도 6을 참조하면, 제어장치(60)는 컨버터제어유닛(61), 제1인버터제어유닛(62), 제2인버터제어유닛(63) 및 AC입력제어유닛(64)을 포함한다.
컨버터제어유닛(61)은 전압센서(70)로부터의 전압 VB, 전압센서(72)로부터의 전압 VH, 토크제어값(TR1, TR2) 및 모터회전수(MRN1, MRN2)를 토대로, 승압컨버터(10)의 npn 트랜지스터(Q1, Q2)를 턴 온/오프시키기 위한 신호 PWC를 생성하고, 상기 생성된 신호 PWC를 승압컨버터(10)로 출력한다.
여기서, 컨버터제어유닛(61)은, AC입력제어유닛(64)으로부터의 H(논리 하이) 레벨에서 제어 신호 CTL을 수신하는 경우, AC입력제어유닛(64)으로부터 수신된 인버터입력지령전압(VHR)을 토대로 신호 PWC를 생성한다.
상기 제1인버터제어유닛(62)은, 모터제너레이터(MG1)의 모터전류(MCRT1)와 토크제어값(TR1) 및 전압 VH를 토대로, 인버터(20)의 npn 트랜지스터(Q11 내지 Q16)를 턴 온/오프시키기 위한 신호 PWM1을 생성하고, 상기 생성된 신호 PWM1을 인버터(20)로 출력한다.
여기서, 제1인버터제어유닛(62)은 AC입력제어유닛(64)으로부터 H 레벨의 제어 신호 CTL을 수신할 때, AC입력제어유닛(64)으로부터 수신되는 각각의 상에 대한 지령 전압 VNR1을 토대로 신호 PWM1을 생성한다.
제2인버터제어유닛(63)은, 모터제너레이터(MG2)의 모터전류(MCRT2)와 토크제어값(TR2) 및 전압 VH를 토대로, 인버터(30)의 npn 트랜지스터(Q21 내지 Q26)를 턴 온/오프시키기 위한 신호 PWM2를 생성하고, 상기 생성된 신호 PWM2를 인버터(30)로 출력한다.
여기서, 제2인버터제어유닛(63)은 AC입력제어유닛(64)으로부터 H 레벨의 제어 신호 CTL을 수신할 때, AC입력제어유닛(64)으로부터 수신되는 각각의 상에 대한 지령 전압 VNR2를 토대로 신호 PWM2를 생성한다.
전압센서(74)로부터의 전압 Vac 및 ECU로부터의 축전장치(B)의 충전 상태(SOC)를 나타내는 신호 SOC 및 신호 IG를 토대로, AC입력제어유닛(64)은 축전장치(B)가 입력 단자(50)에 연결된 상용 전원(55)으로부터 충전되어야 하는 지의 여 부를 판정한다. 충전이 행해져야 하는 경우, AC입력제어유닛(64)은 H 레벨의 제어 신호(CTL)를 컨버터제어유닛(61)과 제1 및 제2인버터제어유닛(62, 63)으로 출력한다.
또한, 축전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전되어야 하는 것으로 판정되면, AC입력제어유닛(64)은 전압센서(74)로부터의 전압 Vac를 토대로 인버터(20)의 각각의 상에 대한 지령 전압 VNR1 및 인버터(30)의 각각의 상에 대한 지령 전압 VNR2를 생성하고, 상기 생성된 지령 전압 VNR1 및 VNR2를 제1 및 제2인버터제어유닛(62, 63)으로 각각 출력한다. 여기서, 지령 전압 VNR1 및 VNR2는 도 3에 도시된 페이저 관계를 토대로 계산된 인버터 전압이다. 구체적으로, 각각의 상에 대한 지령 전압 VNR1은 도 4에 도시된 전압 Vu1, Vv1 및 Vw1을 생성하기 위한 지령 전압을 나타내고, 각각의 상에 대한 지령 전압 VNR2는 도 4에 도시된 전압 Vu2, Vv2 및 Vw2를 생성하기 위한 지령 전압을 나타낸다.
또한, 축전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전되어야 하는 것으로 판정되면, AC입력제어유닛(64)은 전압센서(74)로부터의 전압 Vac를 토대로 인버터입력지령전압 VHR을 생성하고, 상기 생성된 인버터입력지령전압 VHR을 컨버터제어유닛(61)으로 출력한다. 여기서, 인버터입력지령전압 VHR은 승압컨버터(10)에 의해 제어되는 전력라인(PL2)의 전압 VH의 제어 목표이고, 전압센서(74)에 의해 검출된 상용 전원(55)의 전압 Vac를 토대로 전압 Vac의 최고값과 근사적으로 같은 레벨로 설정된다.
또한, 충전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전되어야 하는 것으로 판정되 면, AC입력제어유닛(64)은 입력승인지령(EN)을 릴레이회로(40)로 출력한다.
도 7은 도 6에 도시된 컨버터제어유닛(61)의 기능블럭도이다. 도 7을 참조하면, 컨버터제어유닛(61)은 인버터입력지령전압산출유닛(112), 피드백지령전압산출유닛(114), 듀티비산출유닛(116) 및 PWM신호변환유닛(118)을 포함한다.
AC입력제어유닛(64)으로부터의 제어 신호(CTL)가 L(논리 로우) 레벨에 있는 경우, 인버터입력지령전압산출유닛(112)은 인버터 입력 전압의 최적값(목표값), 즉 지령 전압 VH_com을 토크제어값(TR1, TR2) 및 모터회전수(MRN1, MRN2)를 토대로 산출하고, 상기 산출된 지령 전압 VH_com을 피드백지령전압산출유닛(114)으로 출력한다.
다른 한편으로, AC입력제어유닛(64)으로부터의 제어 신호(CTL)가 H 레벨에 있는 경우, 인버터입력지령전압산출유닛(112)은 지령 전압 VH_com으로서 AC입력제어유닛(64)으로부터 수신되는 인버터입력지령전압 VHR을 피드백지령전압산출유닛(114)으로 출력한다.
피드백지령전압산출유닛(114)은, 전압센서(72)로부터의 전압 VH 및 인버터입력지령전압산출유닛(112)으로부터의 지령 전압 VH_com을 토대로, 상기 전압 VH를 지령 전압 VH_com으로 조정하기 위한 피드백지령전압 VH_com_fb를 산출하고, 상기 산출된 피드백지령전압 VH_com_fb를 듀티비산출유닛(116)으로 출력한다.
듀티비산출유닛(116)은, 전압센서(70)로부터의 전압 VB 및 피드백지령전압산출유닛(114)으로부터의 피드백지령전압 VH_com_fb를 토대로, 상기 전압 VH를 지령 전압 VH_com으로 조정하기 위한 듀티비를 산출하고, 상기 산출된 듀티비를 PWM신호 변환유닛(118)으로 출력한다.
듀티비산출유닛(116)으로부터 수신되는 듀티비를 토대로, PWM신호변환유닛(118)은 승압컨버터(10)의 npn 트랜지스터(Q1, Q2)를 턴 온/오프하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하고, 상기 생성된 PWM 신호를 신호 PWC로서 승압컨버터(10)의 npn 트랜지스터(Q1, Q2)로 출력한다.
승압컨버터(10)의 하부아암의 npn 트랜지스터(Q2)의 온-듀티가 확대되면, 리액터 L에서의 전력 축적이 증가하므로, 전압 VH가 증가될 수 있다. 다른 한편으로, 상부아암의 npn 트랜지스터(Q1)의 온-듀티가 확대되면, 전압 VH가 낮아진다. 그러므로, npn 트랜지스터(Q1, Q2)의 듀티비를 조정함으로써, 전력라인(PL2)의 전압 VH를 축전장치(B)의 전압 VB보다 낮지 않은 임의의 전압으로 설정할 수 있게 된다.
도 8은 도 6에 도시된 제1 및 제2인버터제어유닛(62, 63)의 기능블럭도이다. 도 8을 참조하면, 제1 및 제2인버터제어유닛(62, 63)은 각각 모터 제어용 상전압산출유닛(120) 및 PWM신호변환유닛(122)을 포함한다.
AC입력제어유닛(64)으로부터의 제어 신호(CTL)가 L 레벨에 있으면, 모터 제어용 상전압산출유닛(120)이 토크제어값 TR1(또는 TR2), 모터 전류 MCRT1(또는 MCRT2) 및 전압 VH를 토대로 모터제너레이터 MG1(또는 MG2)의 각각의 상의 코일에 인가되도록 지령 전압을 산출하고, 상기 산출된 각각의 상에 대한 지령 전압을 PWM신호변환유닛(122)으로 출력한다.
AC입력제어유닛(64)으로부터의 제어 신호(CTL)가 H 레벨에 있으면, 모터 제어용 상전압산출유닛(120)이 AC입력제어유닛(64)으로부터 수신되는 각각의 상에 대 한 지령 전압 VNR1(또는 VNR2)을 PWM신호변환유닛(122)으로 출력한다.
PWM신호변환유닛(122)은 모터 제어용 상전압산출유닛(120)으로부터 수신된 각각의 상에 대한 지령 전압을 토대로 인버터 20(또는 30)의 npn 트랜지스터 Q11 내지 Q16(또는 Q21 내지 Q26)의 각각을 실제로 턴 온/오프하기 위한 신호 PWM1(또는 PWM2)를 생성하고, 상기 생성된 신호 PWM1(또는 PWM2)을 인버터 20(또는 30)의 각각의 npn 트랜지스터 Q11 내지 Q16(또는 Q21 내지 Q26)으로 출력한다.
AC입력제어유닛(64)으로부터 수신되는 각각의 상에 대한 지령 전압 VNR1(또는 VNR2)을 토대로 U, V 및 W상의 코일들로 전류가 흐르도록 하는 경우, 각 상의 전류는 동일한 상을 가지므로, 회전 토크가 모터제너레이터 MG1(또는 MG2)에서 발생하지 않는다.
도 9는 도 1에 도시된 제어장치(60)에 의해 충전이 개시되어야 하는 지의 여부에 관한 결정과 관련된 프로그램의 제어 구조를 나타내는 흐름도이다. 상기 흐름도의 처리를 메인 루틴이라고 하며, 매 규정된 시간 주기로 실행되거나 또는 매 시간 규정된 조건들이 충족된다.
도 9를 참조하면, 제어장치(60)는 점화키로부터의 신호 IG를 토대로, 상기 점화키가 OFF 위치로 돌려졌는 지의 여부를 판정한다(단계 S10). 제어장치(60)가 점화키가 OFF 위치로 돌려지지 않은 것으로 판정하면(단계 S10에서 NO), 축전장치(B)를 충전시키기 위해 상용 전원(55)을 입력 단자(50)에 연결시키는 것이 부적절한 것을 의미하므로, 상기 처리가 단계 S90으로 진행되어, 제어가 메인 루틴으로 되돌아간다.
점화키가 OFF 위치로 돌려진 것으로 판정되면(단계 S10에서 YES), 제어장치(60)는 전압센서(74)에 의해 검출된 전압 Vac를 전압센서(74)로부터 수신한다(단계 S20). 그 후, 전압센서(74)로부터의 전압 Vac를 토대로, 제어장치(60)는 AC 전력이 상용 전원(55)으로부터 입력되는 지의 여부를 판정한다(단계 S30). 전압 Vac가 관측되지 않으면, 제어장치(60)는 AC 전력이 상용 전원(55)으로부터 입력되지 않는 것으로 판정하므로(단계 S30에서 NO), 처리가 단계 S90으로 진행되어, 제어가 메인 루틴으로 되돌아간다.
단계 S30에서, 전압 Vac가 관측되고, AC 전력이 상용 전원(55)으로부터 입력되는 것으로 판정되면(단계 S30에서 YES), 제어장치(60)는 축전장치(B)의 SOC가 임계값 Sth(F)보다 낮은 지의 여부를 판정한다(단계 S40). 여기서, 상기 임계값 Sth(F)는 축전장치(B)의 SOC가 충분한 지의 여부를 판정하기 위한 값이다.
축전장치(B)의 SOC가 임계값 Sth(F)보다 낮은 것으로 판정되면(단계 S40에서 YES), 제어장치(60)는 전압센서(74)로부터의 전압 Vac를 토대로, 전력라인(PL2)의 전압 VH의 제어 목표를 설정한다(단계 S50). 구체적으로, 제어장치(60)는 전압 VH의 제어 목표를 전압 Vac의 최고값과 근사적으로 같은 레벨로 설정한다.
전압 VH의 제어 목표가 설정되면, 제어장치(60)는 입력승인지령(EN)을 릴레이회로(40)로 출력한다(단계 S60). 상용 전원(55)으로부터의 AC 전력이 릴레이회로(40)를 통해 모터제너레이터(MG1, MG2)의 중립점(N1, N2)으로 인가되면, 제어장치(60)는 두 인버터(20, 30)의 통합 제어에 의해 축전장치(B)의 충전을 실행한다(단계 S70).
단계 S40에서 축전장치(B)의 SOC가 임계값 Sth(F)보다 낮지 않은 것으로 판정된다면(단계 S40에서 NO), 제어장치(60)는 축전장치(B)의 충전이 불필요한 것으로 판정하고, 충전 정지 처리를 실행한다(단계 S80). 구체적으로, 제어장치(60)는 인버터(20, 30)를 정지시키고, 릴레이회로(40)로 입력된 입력승인지령(EN)을 비활성화시킨다.
상술된 바와 같이, 본 실시예에서는, 축전장치(B)가 상용 전원(55)으로부터 충전될 때, 전력라인(PL2)의 전압 레벨이 상용 전원(55)의 전압 Vac를 토대로 설정된다. 그러므로, 축전장치(B)를 충전하는 데 이용가능한 상용 전원(55)을 제한하지 않고도 역률 1의 충전이 가능하게 된다.
전압 VH의 제어 목표가 역률 1의 제어된 충전을 허용하는 하한값과 같이 전압 Vac의 최고값으로 설정됨에 따라, 승압컨버터(10)의 스위칭 손실이 최소화될 수 있다. 그 결과, 더욱 효율적인 충전이 실현될 수 있게 된다.
또한, 하이브리드자동차(100)는 충전 전용인 별도로 제공되는 컨버터를 필수로 하지 않고도 상용 전원(55)으로부터의 축전장치(B)의 충전을 가능하게 한다. 그러므로, 차량의 크기, 중량 및 비용을 줄이는 장점을 가진다.
상기 실시예에 있어서, 전력라인(PL2)의 전압 VH의 제어 목표는 상용 전원(55)의 전압 Vac의 최고값으로 설정된다. 하지만, 전압 VH의 제어 목표가 전압 Vac의 최고값으로 제한되는 것은 아니다. 상술된 바와 같이, 전압 VH의 제어 목표는 전압 Vac의 최고값보다는 낮지 않지만 가능한 한 낮아야 하는 데, 그 이유는 승압컨버터(10)의 스위칭 손실이 감소될 수 있기 때문이다.
상용 전원(55)의 전압 레벨은 나라마다 결정되므로(예컨대, AC100V, AC200V, AC240V), 상용 전원(55)의 전압 레벨에 대응하는 전압 VH의 제어 목표는 사전에 미리 표로 저장될 수도 있고, 입력 단자(50)로 입력되는 상용 전원(55)의 전압 레벨에 따라, 전압 VH의 대응하는 제어 목표가 표로부터 판독되어 설정될 수도 있다.
상기 실시예에서는, 엔진(4) 및 모터제너레이터(MG2)가 전원으로 사용되는 하이브리드자동차가 전동차의 일례로 기술되어 있다. 본 발명은 2이상의 모터제너레이터를 탑재하는 연료전지자동차 또는 전기자동차에도 적용가능하다. 또한, 본 발명은 일반적으로 2이상의 모터제너레이터를 탑재하는 전동차에도 적용가능하다. 본 발명의 전동차가 전기자동차 또는 연료전지자동차로 구현되는 경우, 모터제너레이터(MG1, MG2)는 전기자동차 또는 연료전지자동차의 구동 차륜에 결합된다.
상기에 있어서, 3상코일(12, 14)은 본 발명의 "제1다상권선" 및 "제2다상권선"에 대응한다. 전력입력라인(ACL1, ACL2), 릴레이회로(40) 및 입력 단자(50)는 본 발명의 "전력입력유닛"을 구성한다. 또한, 인버터(20, 30)는 본 발명의 "전력변환장치"를 구성하고, 전력라인(PL2)은 본 발명의 "DC 전력라인"에 대응한다. 또한, 승압컨버터(10)는 본 발명의 "컨버터"에 대응하고, 컨버터제어유닛(61) 및 AC입력제어유닛(64)은 본 발명의 "컨버터제어유닛"을 구성한다.
또한, 각각의 다이오드(D1, D2)는 본 발명의 "플라이휠 다이오드"에 대응하고, npn 트랜지스터(Q1, Q2) 및 다이오드(D1, D2)는 본 발명의 "초퍼회로"를 구성한다. 또한, 인버터(20, 30)는 본 발명의 "제1인버터" 및 "제2인버터"에 대응하고, 제1 및 제2인버터제어유닛(62, 63) 및 AC입력제어유닛(64)은 본 발명의 "인버터제 어유닛"을 구성한다.
또한, 모터제너레이터(MG1, MG2)는 "제1다상AC전기모터" 및 "제2다상AC전기모터"에 대응하고, 차륜(2)은 본 발명의 "구동 차륜"에 대응한다.
본 명세서에 기술된 실시예들은 단지 예시일 뿐, 제한적으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 범위는 실시예들의 기록된 설명을 적절하게 고려하여 각각의 청구범위에 의해 결정되고, 상기 청구범위 언어의 의미 및 그 균등론적인 변형예들을 내포한다.

Claims (14)

  1. 축전장치(electric storage)를 충전하기 위한 충전제어장치에 있어서,
    성형(star-connected)의 제1다상권선;
    성형의 제2다상권선;
    상기 제1다상권선의 제1중립점과 상기 제2다상권선의 제2중립점에 연결되어, 외부 전원으로부터 상기 제1 및 제2중립점으로 AC 전력을 인가하는 전력입력유닛;
    상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 상기 외부 전원으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여, 상기 DC 전력을 DC 전력라인으로 출력하는 전력변환장치;
    인가된 지령에 따라, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 축전장치의 전압보다 낮지 않게 제어하면서, 상기 축전장치를 충전하도록 상기 DC 전력라인으로부터의 전압을 낮추는 컨버터; 및
    상기 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 상기 DC 전력라인의 전압의 제어 목표를 설정하고, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 제어 목표로 제어하기 위한 상기 지령을 상기 컨버터로 출력하기 위한 컨버터제어수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터제어수단은, 상기 제어 목표로서 상기 외부 전원의 전압 레벨에 따라 기설정된 설정값을 설정하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터제어수단은, 상기 제어 목표로서 상기 외부 전원의 전압의 최고값과 근사적으로 동일한 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 DC 전력라인과 접지라인 사이에 직렬로 연결된, 플라이휠 다이오드(flywheel diode)를 각각 갖는 2개의 스위칭 소자를 구비한 초퍼회로(chopper circuit), 및
    상기 2개의 스위칭 소자의 연결점과 상기 축전장치 사이에 연결된 리액터를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력변환장치는,
    상기 제1 및 제2다상권선에 각각 연결된 제1 및 제2인버터, 및
    상기 제1 및 제2인버터를 통합 방식(coordinated manner)으로 제어하여, 상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 AC 전력이 DC 전력으로 변환되어 상기 DC 전력라인으로 출력되도록 하는 인버터제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외부 전원은 상용 전원인 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  7. 전기자동차에 있어서,
    고정자 권선으로서 성형의 제1다상권선을 포함하는 제1다상AC전동기;
    고정자 권선으로서 성형의 제2다상권선을 포함하는 제2다상AC전동기;
    상기 제1 및 제2다상AC전동기 중 하나 이상의 회전축에 기계적으로 링크된 구동차륜;
    상기 제1 및 제2다상AC전동기에 대응하여 각각 제공된 제1 및 제2인버터;
    축전장치;
    상기 축전장치와 상기 제1 및 제2인버터 각각에 연결된 DC 전력라인 사이에 제공되어, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 축전장치의 전압보다 낮지 않게 제어하는 컨버터;
    상기 제1 및 제2인버터와 상기 컨버터를 제어하는 제어장치; 및
    상기 제1다상권선의 제1중립점과 상기 제2다상권선의 제2중립점에 연결되어, 외부 전원으로부터 상기 제1 및 제2중립점으로 AC 전력을 인가하는 전력입력유닛을 포함하여 이루어지고,
    상기 제어장치는,
    상기 외부 전원으로부터의 AC 전력이 상기 제1 및 제2중립점으로 인가될 때, 상기 제1 및 제2인버터를 통합 방식으로 제어하여, 상기 AC 전력이 DC 전력으로 변환되어 상기 DC 전력라인으로 출력되도록 하는 인버터제어수단, 및
    상기 외부 전원으로부터의 AC 전력이 상기 제1 및 제2중립점으로 인가될 때, 상기 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 상기 DC 전력라인의 전압의 제어 목표를 설정하고, 상기 DC 전원의 전압이 상기 제어 목표로 조정되면서 상기 축전장치가 충전되도록 상기 컨버터를 제어하기 위한 컨버터제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차.
  8. 충전기로 축전장치를 충전하기 위한 충전제어방법에 있어서,
    상기 충전기는,
    성형의 제1다상권선,
    성형의 제2다상권선,
    상기 제1다상권선의 제1중립점과 상기 제2다상권선의 제2중립점에 연결되어, 외부 전원으로부터 상기 제1 및 제2중립점으로 AC 전력을 인가하는 전력입력유닛,
    상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 상기 외부 전원으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여, 상기 DC 전력을 DC 전력라인으로 출력하는 전력변환장치, 및
    설정된 제어 목표에 따라, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 축전장치의 전압보다 낮지 않게 제어하면서, 상기 축전장치를 충전하도록 상기 DC 전력라인으로부터의 전압을 낮추는 컨버터를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 외부 전원의 전압 레벨을 검출하는 제1단계; 및
    상기 검출된 전압 레벨을 토대로 상기 제어 목표를 설정하는 제2단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 충전제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2단계에서는, 상기 외부 전원의 전압 레벨에 따라 기설정된 설정값이 상기 제어 목표로 설정되는 것을 특징으로 하는 충전제어방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2단계에서는, 상기 외부 전원의 전압의 최고값과 근사적으로 동일한 전압이 상기 제어 목표로 설정되는 것을 특징으로 하는 충전제어방법.
  11. 축전장치를 충전하기 위한 충전제어장치에 있어서,
    성형의 제1다상권선;
    성형의 제2다상권선;
    상기 제1다상권선의 제1중립점과 상기 제2다상권선의 제2중립점에 연결되어, 외부 전원으로부터 상기 제1 및 제2중립점으로 AC 전력을 인가하는 전력입력유닛;
    상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 상기 외부 전원으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여, 상기 DC 전력을 DC 전력라인으로 출력하는 전력변환장치;
    인가된 지령에 따라, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 축전장치의 전압보다 낮지 않게 제어하면서, 상기 축전장치를 충전하도록 상기 DC 전력라인으로부터의 전압을 낮추는 컨버터; 및
    일련의 동작들을 실행하는 제어장치를 포함하여 이루어지고,
    상기 제어장치는, 상기 외부 전원의 전압 레벨을 토대로 상기 DC 전력라인의 전압의 제어 목표를 설정하고, 상기 DC 전력라인의 전압을 상기 제어 목표로 제어하기 위한 상기 지령을 상기 컨버터로 출력하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 제어 목표로서 상기 외부 전원의 전압 레벨에 따라 기설정된 설정값을 설정하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 제어 목표로서 상기 외부 전원의 전압의 최고값과 근사적으로 동일한 전압을 설정하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전력변환장치는 상기 제1 및 제2다상권선에 각각 연결된 제1 및 제2인버터를 포함하고,
    상기 제어장치는 상기 제1 및 제2인버터를 통합 방식으로 제어하여, 상기 제1 및 제2중립점으로 인가된 AC 전력이 DC 전력으로 변환되어 상기 DC 전력라인으로 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 충전제어장치.
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