KR20100028403A - Hybrid power apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 하이브리드 동력 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 바퀴 차량, 궤도 차량, 선박, 및 건설 기계에 사용되는 하이브리드 동력 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid power unit, and more particularly, to a hybrid power unit used in wheeled vehicles, tracked vehicles, ships, and construction machinery.
도 1을 참조하면, 하이브리드 동력 장치는 시동용 배터리(101), 스위칭 소자(102), 시동 모터(103), 엔진(105), 발전기(107), 단상 정류기(108), 직류 링크(DC link) 캐페시터(109), 및 배터리(111)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the hybrid power unit includes a
도 2에서 참조 부호 Vdc는 직류 링크(DC link) 캐페시터(109)의 전압 즉, 직류-링크 출력 전압을 가리킨다.In FIG. 2, the reference symbol V dc indicates the voltage of the
시동 시간에는, 사용자로부터의 제어 신호에 의하여 스위칭 소자(102)가 온(On)되고, 이로 인하여 시동 모터(103)가 회전하며 엔진(105)이 시동한다. At the start time, the
시동 후의 시간에는, 엔진(105)의 크랭크 축(106)과 회동하는 회전 축을 가진 발전기(107)로부터 교류 전원이 발생된다.At the time after the start-up, AC power is generated from the
발전기(107)로부터의 교류 전원은 다이오드 등을 사용한 정류기(108)에 의하 여 직류 전원으로 변환된다. 정류기(108)로부터의 직류 전원은 직류 링크(DC link) 캐페시터(109)를 통하여 직류-직류 강압기(110)에 인가된다. 이에 따라, 직류 링크(DC link) 캐페시터(109)의 직류 전압이 강압되면서 배터리(111)에 인가되고, 배터리(111)는 충전을 수행한다.AC power from the
여기에서, 제어기(112)는 적용 시스템 예를 들어, 차량의 상태 신호들(SSI) 및 사용자 입력 신호들(SUI)에 따라, 스위칭 신호들(SSC)을 스위칭 소자(102)에 입력시키고, 엔진 제어 신호들(SEC)을 엔진(105)에 입력시킨다.Here, the
상기와 같이 통상적인 하이브리드 동력 장치는, 시동 시스템과 발전 시스템이 분리되어 있음에 따라, 부속품들을 많이 사용할 수 밖에 없는 문제점을 가진다.As described above, the conventional hybrid power unit has a problem in that a lot of accessories are used as the starting system and the power generation system are separated.
또한, 통상적인 하이브리드 동력 장치의 부하들(loads, 미도시) 중에서 어느 한 부하로부터 발생된 회생 전력을 효율적으로 처리할 수 없는 문제점을 가진다. In addition, there is a problem that can not efficiently handle the regenerative power generated from any one of the loads (not shown) of the conventional hybrid power unit.
본 발명의 목적은, 시동 시스템과 발전 시스템을 통합함에 따라 부속품들을 줄일 수 있고, 부하들(loads) 중에서 어느 한 부하로부터 발생된 회생 전력을 효율적으로 처리할 수 있는 하이브리드 동력 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a hybrid power plant that can reduce accessories by integrating a starter system and a power generation system and can efficiently handle regenerative power generated from any one of the loads.
본 발명은, 엔진의 축과 회동하는 발전기와 배터리 사이에 직류-링크 캐패시터가 연결되고, 상기 직류-링크 캐패시터에 충전되는 직류-링크 전력을 부하들(loads)에 공급하는 하이브리드 동력 장치로서, 양방향성 교류-직류 변환기 및 제어기를 포함한다.The present invention relates to a hybrid power device that connects a DC-link capacitor between a generator and a battery that rotates with an axis of an engine, and supplies loads of DC-link power charged to the DC-link capacitor. AC-DC converters and controllers.
상기 양방향성 교류-직류 변환기는, 상기 발전기와 상기 직류-링크 캐패시터 사이에 연결되어, 엔진 시동 시간에는 상기 직류-링크 캐패시터에 충전되어 있는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 상기 발전기에 인가하고, 엔진 시동 후의 시간에는 상기 발전기로부터의 3상 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 직류-링크 캐패시터에 인가한다.The bidirectional AC-DC converter is connected between the generator and the DC-link capacitor, converts the DC power charged in the DC-link capacitor to a three-phase AC power at the engine start time, and applies it to the generator, At the time after the engine is started, three-phase AC power from the generator is converted into DC power and applied to the DC-link capacitor.
상기 제어기는, 상기 부하들 중에서 어느 한 부하로부터 발생된 회생 전력을 다른 부하들 및 상기 배터리에 제공하고, 남은 회생 전력을 상기 양방향성 교류-직류 변환기를 통하여 상기 발전기에 인가한다.The controller provides regenerative power generated from one of the loads to other loads and the battery, and applies the remaining regenerative power to the generator through the bidirectional AC-DC converter.
본 발명의 상기 하이브리드 동력 장치에 의하면, 상기 엔진 시동 시간에, 상 기 3상 발전기로부터 3상 교류 전원이 발생되지 않으므로, 상기 캐페시터에 충전되어 있는 직류 전원이 3상 교류 전원으로 변환되어 상기 발전기에 인가될 수 있다. 이에 따라, 상기 발전기가 시동 모터의 기능을 대행하므로 상기 엔진이 시동할 수 있다.According to the hybrid power unit of the present invention, since the three-phase AC power is not generated from the three-phase generator at the engine start time, the DC power charged in the capacitor is converted into three-phase AC power to the generator. Can be applied. Accordingly, the generator can act as a substitute for the function of the starting motor.
역으로, 상기 엔진 시동 후의 시간에, 상기 3상 발전기로부터 3상 교류 전원이 발생되므로, 이 3상 교류 전원이 직류 전원으로 변환되어 상기 캐페시터에 충전될 수 있다.Conversely, since the three-phase alternating current power is generated from the three-phase generator at the time after the engine starts, this three-phase alternating current power can be converted into a direct current power source and charged in the capacitor.
따라서, 상기 3상 발전기를 채용함에 따라 상기 양방향성 교류-직류 변환기의 상기 양방향 동작이 가능하다. 즉, 발전 시스템이 시동 기능을 부가적으로 수행할 수 있으므로, 별도의 시동 시스템의 부속들이 제거될 수 있다. Thus, the bidirectional operation of the bidirectional AC-DC converter is possible by employing the three-phase generator. That is, since the power generation system can additionally perform the startup function, the parts of the separate startup system can be removed.
한편, 상기 제어기는, 상기 부하들 중에서 어느 한 부하로부터 발생된 회생 전력을 다른 부하들 및 상기 배터리에 제공하고, 남은 회생 전력을 상기 양방향성 교류-직류 변환기를 통하여 상기 발전기에 인가한다.Meanwhile, the controller provides regenerative power generated from one of the loads to the other loads and the battery, and applies the remaining regenerative power to the generator through the bidirectional AC-DC converter.
따라서, 상기 발전기가 최소한의 회생 전력을 소비함에도 불구하고 상기 직류-링크 캐패시터를 회생 전력의 충격으로부터 보호할 수 있다. 즉, 회생 전력이 효율적으로 처리될 수 있다.Thus, the generator can protect the DC-link capacitor from the impact of regenerative power even though the generator consumes minimal regenerative power. That is, the regenerative power can be processed efficiently.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 동력 장치를 보여준다.2 shows a hybrid power unit according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 동력 장치는, 엔진(205)을 시동시키고 엔진 시동 후에 엔진(205)의 회전력에 의하여 발전 및 충전 을 수행하는 것으로서, 3상 발전기(207), 양방향성 교류-직류 변환기(208), 직류 링크(DC link) 캐페시터(209), 양방향성 직류-직류 변환기(210), 배터리(211), 제어기(212), 제1 다이오드(D1) 및 제2 다이오드(D2)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the hybrid power unit according to an embodiment of the present invention is to start the
도 2에서 참조 부호 Vdc는 직류 링크(DC link) 캐페시터(109)의 전압 즉, 직류-링크 출력 전압을 가리킨다.In FIG. 2, the reference symbol V dc indicates the voltage of the
3상 발전기(207)는 엔진(205)의 크랭크 축(206)과 회동하는 회전 축을 가진다. The three-
양방향성 교류-직류 변환기(208)는, 엔진(205)과 직류 링크 캐페시터(209) 사이에 연결되어, 엔진 시동 시간에는 직류 링크 캐페시터(209)에 충전되어 있는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 3상 발전기(207)에 인가하고, 엔진 시동 후의 시간에는 3상 발전기(207)로부터의 3상 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 직류 링크 캐페시터(209)에 인가한다.The bidirectional AC-
보다 상세하게는, 엔진 시동 시간에, 3상 발전기(207)로부터 3상 교류 전원이 발생되지 않으므로, 직류 링크 캐페시터(209)에 충전되어 있는 직류 전원이 3상 교류 전원으로 변환되어 3상 발전기(207)에 인가될 수 있다. 이에 따라, 3상 발전기(207)가 시동 모터(도 1의 103)의 기능을 대행하므로 엔진(205)이 시동할 수 있다.More specifically, since the three-phase AC power is not generated from the three-
역으로, 엔진 시동 후의 시간에, 3상 발전기(207)로부터 3상 교류 전원이 발생되므로, 이 3상 교류 전원이 직류 전원으로 변환되어 직류 링크 캐페시터(209)에 충전될 수 있다.Conversely, since the three-phase alternating current power is generated from the three-
결론적으로, 발전 시스템이 시동 기능을 부가적으로 수행할 수 있으므로, 별도의 시동 시스템의 부속들이 제거될 수 있다. In conclusion, since the power generation system can additionally perform the starting function, parts of the separate starting system can be removed.
양방향성 직류-직류 변환기(210)는, 배터리(211)와 직류 링크 캐페시터(209) 사이에 연결되어, 엔진 시동 시간에는 배터리(211)에 충전되어 있는 직류 전원을 승압하면서 직류 링크 캐페시터(209)에 인가하고, 엔진 시동 후의 시간에는 직류 링크 캐페시터(209)에 충전되는 직류 전원을 강압하면서 배터리(211)에 인가한다.The bidirectional DC-
따라서, 엔진 시동 시간에, 배터리(211)에 충전되어 있는 직류 전원이 3상 교류 전원으로 변환되어 3상 발전기(207)에 인가될 수 있다. 또한, 엔진 시동 후의 시간에, 3상 발전기(207)로부터의 3상 교류 전원이 직류 전원으로 변환되어 배터리(211)에 충전될 수 있다.Therefore, at the engine start time, the DC power charged in the
제어기(212) 예를 들어, 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor)는, 적용 시스템 예를 들어, 차량의 상태 신호들(SSI), 사용자 입력 신호들(SUI), 직류-링크 캐패시터로부터의 전압/전류 신호(SCVI), 배터리(211)로부터의 전압/전류 신호(SBVI), 3상 발전기(207) 내의 레졸버(resolver)로부터의 회전자 위치 신호(SRL), 및 3상 발전기(207)로부터의 전압/전류 신호(SGVI)에 따라 엔진(205), 양방향성 교류-직류 변환기(208), 및 양방향성 직류-직류 변환기(210)를 제어한다. 여기에서, 제어기(212)는 엔진 제어 신호들(SEC)을 엔진에 입력하고, 게이트 구동 신호 들(SAGD,SDGD)을 양방향성 교류-직류 변환기(208) 및 양방향성 직류-직류 변환기(210)에 입력한다.The
한편, 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자(B)에 제2 다이오드(D2)의 에노드가 연결된다. 배터리(211)의 정극성 단자(C)에 제1 다이오드(D1)의 에노드가 연결된다. 제1 다이오드(D1)의 캐소드 및 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 도 3을 참조하여 설명될 전압 조정부(307)의 정극성 단자에 연결된다.Meanwhile, an anode of the second diode D2 is connected to the positive terminal B of the
도 3은 도 2의 하이브리드 동력 장치의 부하들(loads)이 일 예를 보여준다.FIG. 3 shows an example of loads of the hybrid power unit of FIG. 2.
도 3을 참조하면, 도 2의 하이브리드 동력 장치의 부하들(loads)은, 직류-교류 변환기(301), 차량의 휠 모터(303), 제동 저항부(305), 전압 조정부(307) 및 차량의 탑재 장비(309)를 포함한다.Referring to FIG. 3, loads of the hybrid power unit of FIG. 2 include a DC-
직류-교류 변환기(301)는 제어기(도 2의 212)의 제어에 따라 직류 링크 캐페시터(109)의 전압 즉, 직류-링크 출력 전압(Vdc)을 3상 교류 전압으로 변환한다. 휠 모터(303)는 직류-교류 변환기(301)로부터의 3상 교류 전압에 의하여 회전한다. 제동 저항부(305)는 직류-링크 출력 전압(Vdc)이 상한 전압을 초과하지 않도록 동작한다. 전압 조정부(307)는 직류-링크 출력 전압(Vdc)을 탑재 장비(309)의 정격 전압(Vequip)으로 강압한다. 탑재 장비(309)는 전압 조정부(307)로부터의 출력 전압에 의하여 동작한다. The DC-
도 2 및 3을 참조하면, 상기와 같은 부하들 중에서 어느 한 부하로부터 회생 전력이 발생될 수 있다. 특히, 어느 한 부하로서의 휠 모터(303)가 제동되는 경우에 가장 큰 회생 전력이 발생된다. 이 경우, 제동 저항부(305)의 동작만으로 회생 전력이 처리된다면, 직류 링크 캐페시터(209)가 회생 전력의 충격으로부터 보호받지 못할 수도 있고, 회생 전력이 비효율적으로 소비된다.2 and 3, regenerative power may be generated from any one of the above loads. In particular, the greatest regenerative power is generated when the
따라서, 제어기(212)는 부하들 중에서 어느 한 부하(303)로부터 발생된 회생 전력을 다른 부하들(307, 309) 및 배터리(211)에 제공하고, 남은 회생 전력을 양방향성 교류-직류 변환기(208)를 통하여 발전기(207)에 인가한다. Accordingly, the
여기에서, 탑재 장비(309)에서 사용되고 남는 회생 전력이 직류-링크 캐패시터(209)로부터 양방향성 직류-직류 변환기(210)를 통하여 배터리(211)에 충전된다.Here, the regenerative power used and remaining in the
또한, 탑재 장비(309)에서 사용되고 배터리(211)에 충전됨에도 불구하고 남은 회생 전력은 직류-링크 캐패시터(209)로부터 양방향성 교류-직류 변환기(208)를 통하여 발전기(207)에 인가됨에 따라, 발전기(207)가 역회전한다.In addition, the regenerative power remaining in spite of being used in the
따라서, 발전기(207)와 제동 저항부(305)가 최소한의 회생 전력을 소비함에도 불구하고 직류-링크 캐패시터(209)를 회생 전력의 충격으로부터 보호할 수 있다. 즉, 회생 전력이 효율적으로 처리될 수 있다. 이와 관련된 제어기(212)의 알고리듬은 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.Thus, the
한편, 하이브리드 동력 장치에 의하여 휠 모터(303)가 구동됨에 있어서, 무성 운용 모드, 엔진 단독 모드, 및 하이브리드 모드 등이 있다. 무성 운용 모드인 경우, 엔진(도 2의 205)이 정지함에 따라 배터리(211)의 전력만으로 휠 모터(303)가 구동된다. 엔진 단독 모드인 경우, 배터리(211)의 전력이 차단된 상태에서 엔 진 동작에 의한 발전기(207)의 출력 전력만으로 휠 모터(303)가 구동된다. 하이브리드 모드인 경우, 엔진 동작에 의한 발전기(207)의 출력 전력이 주 전력으로 사용되되 순시-가변 부하 전력을 배터리(211)가 지원한다.On the other hand, when the
이와 관련하여, 도 2 및 3을 참조하면, 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자(B)에 제2 다이오드(D2)의 에노드가 연결된다. 배터리(211)의 정극성 단자(C)에 제1 다이오드(D1)의 에노드가 연결된다. 제1 다이오드(D1)의 캐소드 및 제2 다이오드(D2)의 캐소드는 전압 조정부(307)의 정극성 단자에 연결된다.2 and 3, an anode of the second diode D2 is connected to the positive terminal B of the
상기와 같이 연결된 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)에 의하면, 무성 운용 모드에서 양방향성 직류-직류 변환기(210) 출력 전압 예를 들어, 320 볼트(V)가 전압 조정부(307)에 입력되지 않고 배터리(211)의 출력 전압 예를 들어, 225 볼트(V)가 전압 조정부(307)에 입력된다. According to the first diode D1 and the second diode D2 connected as described above, the output voltage of the bidirectional DC-
이에 따라, 전압 조정부(307)의 소비 전력이 효율적으로 줄어들 수 있다. Accordingly, the power consumption of the
도 4는 도 2의 하이브리드 동력 장치의 양방향성 교류-직류 변환기(208) 및 양방향성 직류-직류 변환기(210)의 내부 회로를 보여준다. 도 4에서 도 2 및 3과 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 대상을 가리킨다.FIG. 4 shows the internal circuits of the bidirectional AC-
도 4를 참조하면, 양방향성 직류-직류 변환기(210)는 제1 내지 제6 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)들(S1 내지 S6) 및 제1 내지 제3 인덕터들(L1 내지 L3)을 포함한다. 또한, 양방향성 교류-직류 변환기(208)는 제7 내지 제12 IGBT들(S7 내지 S12)을 포함한다. 제어기(212)는 제1 내지 제12 IGBT들(S1 내지 S12)의 게이트 구동 신호들(SAGD,SDGD)을 발생시킨다.Referring to FIG. 4, the bidirectional DC-
양방향성 직류-직류 변환기(210)에 있어서, 제1 IGBT(S1)의 에미터가 제4 IGBT(S4)의 컬렉터와 연결된다. 제2 IGBT(S2)의 에미터는 제5 IGBT(S5)의 컬렉터와 연결된다. 제3 IGBT(S3)의 에미터는 제6 IGBT(S6)의 컬렉터와 연결된다. In the bidirectional DC-
양방향성 교류-직류 변환기(208)에 있어서, 제7 IGBT(S7)의 에미터는 제10 IGBT(S10)의 컬렉터와 연결된다. 제8 IGBT(S8)의 에미터는 제11 IGBT(S11)의 컬렉터와 연결된다. 제9 IGBT(S9)의 에미터는 제12 IGBT(S12)의 컬렉터와 연결된다.In the bidirectional AC-
양방향성 직류-직류 변환기(210)의 제1 내지 제3 IGBT들(S1 내지 S3)과 양방향성 교류-직류 변환기(208)의 제7 내지 제9 IGBT들(S7 내지 S9)의 컬렉터들은 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자에 연결된다.The collectors of the first to third IGBTs S1 to S3 of the bidirectional DC-
양방향성 직류-직류 변환기(210)의 제4 내지 제6 IGBT들(S4 내지 S6)과 양방향성 교류-직류 변환기(208)의 제10 내지 제12 IGBT들(S10 내지 S12)의 에미터들은 직류 링크 캐페시터(209) 및 배터리(211)의 부극성 단자들에 연결된다.The emitters of the fourth through sixth IGBTs S4 through S6 of the bidirectional DC-
양방향성 직류-직류 변환기(210)에 있어서, 제3 IGBT(S3)의 에미터와 배터리(211)의 정극성 단자 사이에 제1 인덕터(L1)가 연결된다. 제2 IGBT(S2)의 에미터와 배터리(211)의 정극성 단자 사이에 제2 인덕터(L2)가 연결된다. 제1 IGBT(S1)의 에미터와 배터리(211)의 정극성 단자 사이에 제3 인덕터(L3)가 연결된다. In the bidirectional DC-
도 5는 도 2의 하이브리드 동력 장치의 제어기(212)의 회생 전력 처리 알고 리듬을 보여준다. 도 2, 3 및 5를 참조하여, 도 2의 하이브리드 동력 장치의 제어기(212)의 회생 전력 처리 알고리듬을 설명하면 다음과 같다. FIG. 5 shows the regenerative power processing algorithm of the
여기에서, 휠 모터(303)의 제동에 의하여 직류-교류 변환기(301)로부터 직류 링크 캐페시터(209)로 역방향 전류가 흐름에 따라 회생 전력이 발생된다. 이 경우, 제어기(212)는 상기 역방향 전류의 값과 직류-링크 출력 전압(Vdc)의 값을 곱한 결과로써 총 회생 전력(Preg)을 구한다.Here, the regenerative power is generated as the reverse current flows from the DC-
다음에, 제어기(212)는 총 회생 전력(Preg)이 탑재 장비(309)의 현재 소비 전력(Pequip)을 비교한다(단계 S501). 여기에서, 전압 조정부(307)의 정극성 입력단에서 전류 감지부(미도시)가 전압 조정부(307)로 흐르는 전류를 감지한다. 이에 따라 제어기(212)는 전압 조정부(307)의 입력단의 전류의 값과 전압(Vdc)의 값을 곱한 결과로서 탑재 장비(309)의 현재 소비 전력(Pequip)을 측정한다.The
다음에, 총 회생 전력(Preg)이 탑재 장비(309)의 현재 소비 전력(Pequip)보다 크지 않으면, 탑재 장비(309)의 현재 소비 전력(Pequip)으로도 회생 전력이 제거될 수 있으므로, 제어기(212)는 배터리(211)의 충전 전력 지령값(Pb*)과 발전기(207)의 역방향-소비 전력 지령값(Peg*)을 각각 영(0)으로 설정한다(단계 S501).Next, if the total regenerative power Preg is not greater than the current power consumption Pequip of the on-
다음에, 총 회생 전력(Preg)이 탑재 장비(309)의 현재 소비 전력(Pequip)보다 크면, 제어기(212)는 그 차이 전력인 제1 차이 전력(Preg1)을 구한다(단계 S505).Next, if the total regenerative power Preg is greater than the current power consumption Pequip of the
다음에, 제1 차이 전력(Preg1)과 배터리(211)의 현재 충전-가능 전력 (Pb,ch,max)을 비교한다(단계 S507). Next, the first difference power Preg1 and the current charge-able power Pb, ch, max of the
다음에, 제1 차이 전력(Preg1)이 배터리(211)의 현재 충전-가능 전력 (Pb,ch,max) 이하이면, 제어기(211)는 배터리(211)가 제1 차이 전력(Preg1)을 충전하도록 양방향성 직류-직류 변환기(210)를 동작시킨다(단계 S509). 물론 단계 S509에서 발전기(207)의 역방향-소비 전력 지령값(Peg*)은 영(0)으로 유지된다.Next, if the first differential power Preg1 is less than or equal to the current charge-able power Pb, ch, max of the
다음에, 제1 차이 전력(Preg1)이 상기 배터리의 현재 충전-가능 전력 (Pb,ch,max)보다 크면, 제어기(212)는, 그 차이 전력인 제2 차이 전력(Preg2)을 구하고, 배터리(211)가 현재 충전-가능 전력(Pb,ch,max)을 충전하도록 양방향성 직류-직류 변환기(210)를 동작시킨다(단계 S511).Next, if the first differential power Preg1 is greater than the current rechargeable power Pb, ch, max of the battery, the
다음에, 제어기(212)는 제2 차이 전력(Preg2)과 발전기(207)의 최대 역방향-소비 전력(Peg,max)을 비교한다(단계 S513). Next, the
다음에, 제2 차이 전력(Preg2)이 상기 발전기의 최대 역방향-소비 전력(Peg,max) 이하이면, 제어기(212)는 발전기(211)가 제2 차이 전력(Preg2)을 소비하도록 양방향성 교류-직류 변환기(208)를 동작시킨다(단계 S515). Next, if the second differential power Preg2 is less than or equal to the maximum reverse power consumption Peg, max of the generator, the
또한, 제2 차이 전력(Preg2)이 발전기(207)의 최대 역방향-소비 전력 (Peg,max)보다 크면, 제어기(212)는 발전기(207)가 최대 역방향-소비 전력 (Peg,max)을 소비하도록 양방향성 교류-직류 변환기(208)를 동작시킨다(단계 S517). 물론, 남은 전력은 제동 저항부(305)에서 소비된다.Also, if the second differential power Preg2 is greater than the maximum reverse power consumption (Peg, max) of the
상기와 같은 제어기(212)의 알고리듬에 의하면, 발전기(207)와 제동 저항부(305)가 최소한의 회생 전력을 소비함에도 불구하고 직류-링크 캐패시터(209)를 회생 전력의 충격으로부터 보호할 수 있다. 즉, 회생 전력이 효율적으로 처리될 수 있다.According to the algorithm of the
도 6은 엔진 시동 후의 시간에 도 4의 양방향성 교류-직류 변환기(208)에 3상 전원이 인가됨을 보여준다. 도 7은 엔진 시동 후의 시간에 도 6의 3상 전위들이 순차적으로 직류-링크 캐패시터(도 4의 209)에 인가됨을 설명하기 위한 파형도이다. 도 8은 엔진 시동 후의 시간에 도 4의 양방향성 교류-직류 변환기(208)의 동작에 의하여 직류-링크 캐패시터(209)의 정극성 단자에 인가되는 직류 전위의 파형도이다. 도 6 및 7에서 도 2 및 4와 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 대상을 가리킨다.FIG. 6 shows that a three-phase power source is applied to the bi-directional AC-
도 6 내지 8을 참조하여 엔진 시동 후의 시간에 양방향성 교류-직류 변환기(208)의 동작을 설명하면 다음과 같다.6 to 8, the operation of the bidirectional AC-
3상 발전기(207)로터의 a상 전위(Eas)는 제7 IGBT(S7)의 에미터와 제10 IGBT(S10)의 컬렉터에 인가된다. 3상 발전기(207)로터의 b상 전위(Ebs)는 제8 IGBT(S8)의 에미터와 상기 제11 IGBT(S11)의 컬렉터에 인가된다. 3상 발전기(207)로터의 c상 전위(Ecs)는 제9 IGBT(S9)의 에미터와 제12 IGBT(S12)의 컬렉터에 인가된다.The a phase potential E as of the three-
a상 전위(Eas)가 정극성인 시간 예를 들어, t0부터 t5까지의 시간 동안에는 제7 IGBT(S7)가 턴 온(turn on)되고 제10 IGBT(S10)가 턴 오프(turn off)된다. 이 에 따라 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자에 a상 전위(Eas)의 정극성 파형이 인가된다. For example, during a time when the a phase potential E as is positive, for example, from t 0 to t 5 , the seventh IGBT (S7) is turned on and the tenth IGBT (S10) is turned off. )do. As a result, the positive waveform of the a-phase potential E as is applied to the positive terminal of the
a상 전위(Eas)가 부극성인 시간 예를 들어, t5부터 t9까지의 시간 동안에는 제10 IGBT(S10)가 턴 온(turn on)되고 제7 IGBT(S7)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라 직류 링크 캐페시터(209)의 부극성 단자에 a상 전위(Eas)의 부극성 파형이 인가된다. During a time when the a-phase potential E as is negative, for example, from t 5 to t 9 , the tenth IGBT S10 is turned on and the seventh IGBT S7 is turned off. )do. Accordingly, the negative waveform of the a phase potential E as is applied to the negative terminal of the
b상 전위(Ebs)가 정극성인 시간 예를 들어, t3부터 t8까지의 시간 동안에는 제8 IGBT(S8)가 턴 온(turn on)되고 제11 IGBT(S11)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자에 b상 전위(Ebs)의 정극성 파형이 인가된다. The eighth IGBT (S8) is turned on and the eleventh IGBT (S11) is turned off during the time when the b-phase potential (E bs ) is positive, for example, from t 3 to t 8 . )do. As a result, the positive waveform of the b-phase potential E bs is applied to the positive terminal of the
b상 전위(Ebs)가 부극성인 시간 동안에는 제11 IGBT(S11)가 턴 온(turn on)되고 제8 IGBT(S8)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라 직류 링크 캐페시터(209)의 부극성 단자에 b상 전위(Ebs)의 부극성 파형이 인가된다. During the time when the b-phase potential E bs is negative, the eleventh IGBT S11 is turned on and the eighth IGBT S8 is turned off. As a result, a negative waveform of the b-phase potential E bs is applied to the negative terminal of the
c상 전위(Ecs)가 정극성인 시간 동안에는 제9 IGBT(S9)가 턴 온(turn on)되고 제12 IGBT(S12)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자에 c상 전위(Eas)의 정극성 파형이 인가된다. During the time when the c-phase potential E cs is positive, the ninth IGBT S9 is turned on and the twelfth IGBT S12 is turned off. Accordingly, the positive waveform of the c-phase potential E as is applied to the positive terminal of the
c상 전위(Ecs)가 부극성인 시간 예를 들어, t2부터 t6까지의 시간 동안에는 제12 IGBT(S12)가 턴 온(turn on)되고 제9 IGBT(S9)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라 직류 링크 캐페시터(209)의 부극성 단자에 c상 전위(Eas)의 부극성 파형이 인가된다. For example, when the c-phase potential E cs is negative, for example, from t 2 to t 6 , the twelfth IGBT S12 is turned on and the ninth IGBT S9 is turned off. )do. As a result, the negative waveform of the c-phase potential E as is applied to the negative terminal of the
따라서, 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자에서는 2π/3의 위상차를 가진 정극성 파형들이 합성되어 도 6에 도시된 바와 같이 정극성의 직류 전위(Vdc)로 전환된다. 물론, 직류 링크 캐페시터(209)의 부극성 단자에서도 2π/3의 위상차를 가진 부극성 파형들이 합성되어 부극성의 직류 전위로 전환된다. Therefore, at the positive terminal of the
한편, 엔진 시동 시간에서, 3상 발전기(207)로부터 3상 교류 전원이 발생되지 않고, 나중에 설명될 양방향성 직류-직류 변환기(210)의 동작으로 인하여 직류 링크 캐페시터(209)에 직류 전원이 공급된다. On the other hand, at the engine start time, three-phase AC power is not generated from the three-
따라서, 상기 도 4의 스위칭 순서와 동일하게 양방향성 교류-직류 변환기(208)가 동작함에 의하여, 직류 링크 캐페시터(209)에 충전되어 있는 직류 전원이 3상 교류 전원으로 변환되어 3상 발전기(207)에 인가될 수 있다. 이에 따라, 3상 발전기(207)가 시동 모터(도 1의 103)의 기능을 대행하므로 엔진(205)이 시동할 수 있다.Accordingly, as the bidirectional AC-
도 9는 엔진 시동 후의 시간에 도 4의 양방향성 직류-직류 변환기(210)로부터 배터리(211)에 흐르는 전류의 방향을 보여준다. 도 10은 엔진 시동 후의 시간에 도 9의 전류들(I1,I2,I3)이 3상의 형식으로 순차적으로 배터리(211)에 흐름을 설명하기 위한 파형도이다. 도 11은 엔진 시동 후의 시간에 도 9의 제1 인덕 터(L1)를 통하여 흐르는 제1상 전류(I1)의 통로를 보여준다. 도 9 내지 11에서 도 2 및 4와 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 대상을 가리킨다.FIG. 9 shows the direction of the current flowing from the bidirectional DC-
도 4 및 도 9 내지 11을 참조하여 엔진 시동 후의 시간에 양방향성 직류-직류 변환기(210)의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the bidirectional DC-
예를 들어, t0부터 t3까지의 시간 동안에는 제1 IGBT(S1)가 턴 온(turn on)되고 제4 IGBT(S4)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라, 제1상 전류(I1)는 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자로부터 제1 IGBT(S1), 제1 인덕터(L1), 배터리(211)의 정극성 단자, 및 배터리(211)의 부극성 단자를 통하여 직류 링크 캐페시터(209)의 부극성 단자로 흐른다(도 14 참조).For example, during a time from t 0 to t 3 , the first IGBT S1 is turned on and the fourth IGBT S4 is turned off. Accordingly, the first phase current I1 is formed from the positive terminal of the
t3부터 t6까지의 시간 동안에는 제4 IGBT(S4)가 턴 온(turn on)되고 제1 IGBT(S1)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라, 제1상 전류(I1)는 배터리(211)의 부극성 단자, 제4 IGBT(S4), 및 제1 인덕터(L1)를 통하여 배터리(211)의 정극성 단자로 흐른다(도 14 참조).During the time from t 3 to t 6 , the fourth IGBT S4 is turned on and the first IGBT S1 is turned off. Accordingly, the first phase current I1 flows to the positive terminal of the
t2부터 t5까지의 시간 동안에는 제2 IGBT(S2)가 턴 온(turn on)되고 제5 IGBT(S5)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라, 제2상 전류(I2)는 직류 링크 캐페시터(209)의 정극성 단자로부터 제2 IGBT(S2), 제2 인덕터(L2), 배터리(211)의 정극성 단자, 및 배터리(211)의 부극성 단자를 통하여 직류 링크 캐페시터(209)의 부극성 단자로 흐른다.During a time from t 2 to t 5 , the second IGBT S2 is turned on and the fifth IGBT S5 is turned off. Accordingly, the second phase current I2 is transferred from the positive terminal of the
t5부터 t8까지의 시간 동안에는 제5 IGBT(S5)가 턴 온(turn on)되고 제2 IGBT(S2)가 턴 오프(turn off)된다. 이에 따라, 제2상 전류(I2)는 배터리(211)의 부극성 단자, 제5 IGBT(S5), 및 제2 인덕터(L1)를 통하여 배터리(211)의 정극성 단자로 흐른다.During a time from t 5 to t 8 , the fifth IGBT S5 is turned on and the second IGBT S2 is turned off. Accordingly, the second phase current I2 flows to the positive terminal of the
상기와 같은 제어 동작은 제3상 전류(I3)에도 동일하게 적용된다.The same control operation is also applied to the third phase current I3.
이에 따라, 배터리(211)에 흐르는 충전 전류(Ibat)의 파형은 제1상 전류(I1), 제2상 전류(I2), 및 제3상 전류(I3)의 파형들이 합성된 것이다. 여기에서, 직류 링크 캐페시터(209)의 인가 전압에 비하여 배터리(211)의 충전 전압이 강압되는 이유는 상기와 같이 전류들(I1 내지 I3)이 흐르는 과정에서 인덕터들(L1 내지 L3)에 전기 에너지가 축적되기 때문이다.Accordingly, the waveform of the charging current I bat flowing through the
한편, 엔진 시동 시간에서, 상기 도 10의 스위칭 순서와 동일하게 양방향성 직류-직류 변환기(208)가 동작함에 의하여, 배터리(211)에 충전되어 있는 전원이 승압되면서 직류 링크 캐페시터(209)에 인가될 수 있다. 물론, 도 11에 도시된 바와 같은 전류 통로는 동일하지만 전류 방향은 반대이다. 여기에서, 배터리(211)의 충전 전압에 비하여 직류 링크 캐페시터(209)의 인가 전압이 승압되는 이유는, 전류들이 흐르는 과정에서 인덕터들(L1 내지 L3)에 축적되어 있는 전기 에너지가 전류들에 추가되기 때문이다. Meanwhile, at the engine start time, the bidirectional DC-
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 동력 장치에 의하면, 엔진 시동 시간에, 3상 발전기로부터 3상 교류 전원이 발생되지 않으므로, 캐페시터에 충전되어 있는 직류 전원이 3상 교류 전원으로 변환되어 발전기에 인가될 수 있 다. 이에 따라, 발전기가 시동 모터의 기능을 대행하므로 엔진이 시동할 수 있다.As described above, according to the hybrid power unit according to the present invention, since the three-phase alternating current power is not generated from the three-phase generator at the engine start time, the DC power charged in the capacitor is converted into three-phase alternating current power and the generator It may be applied to In this way, the engine can start because the generator acts as a starting motor.
역으로, 엔진 시동 후의 시간에, 3상 발전기로부터 3상 교류 전원이 발생되므로, 이 3상 교류 전원이 직류 전원으로 변환되어 캐페시터에 충전될 수 있다.Conversely, since the three-phase alternating current power is generated from the three-phase generator at the time after the engine starts, this three-phase alternating current power can be converted into a direct current power source and charged in the capacitor.
따라서, 발전 시스템이 시동 기능을 부가적으로 수행할 수 있으므로, 별도의 시동 시스템의 부속들이 제거될 수 있다. Thus, since the power generation system can additionally perform the startup function, the parts of the separate starting system can be removed.
한편, 제어기는, 부하들 중에서 어느 한 부하로부터 발생된 회생 전력을 다른 부하들 및 배터리에 제공하고, 남은 회생 전력을 양방향성 교류-직류 변환기를 통하여 발전기에 인가한다.On the other hand, the controller provides the regenerative power generated from one of the loads to the other loads and the battery, and applies the remaining regenerative power to the generator through the bidirectional AC-DC converter.
따라서, 발전기가 최소한의 회생 전력을 소비함에도 불구하고 직류-링크 캐패시터를 회생 전력의 충격으로부터 보호할 수 있다. 즉, 회생 전력이 효율적으로 처리될 수 있다.Thus, the generator can protect the DC-link capacitor from the impact of the regenerative power even though the generator consumes the minimum regenerative power. That is, the regenerative power can be processed efficiently.
본 발명은, 상기 실시예들에 한정되지 않고, 청구범위에서 정의된 발명의 사상 및 범위 내에서 당업자에 의하여 변형 및 개량될 수 있다. The present invention is not limited to the above embodiments, but may be modified and improved by those skilled in the art within the spirit and scope of the invention as defined in the claims.
바퀴 차량, 궤도 차량, 선박 및 건설 기계 등등의 다양한 동력 장치에 이용될 수 있다.It can be used in various power devices such as wheeled vehicles, tracked vehicles, ships and construction machinery and the like.
도 1은 통상적인 하이브리드 동력 장치를 보여주는 도면이다.1 shows a conventional hybrid power unit.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 동력 장치를 보여주는 도면이다.2 is a view showing a hybrid power unit according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 하이브리드 동력 장치의 부하들(loads)의 일 예를 보여주는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an example of loads of the hybrid power unit of FIG. 2.
도 4는 도 2의 하이브리드 동력 장치의 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기의 내부 회로를 보여주는 도면이다.4 is a diagram illustrating the internal circuits of the bidirectional AC-DC converter and the bidirectional DC-DC converter of the hybrid power unit of FIG. 2.
도 5는 도 2의 하이브리드 동력 장치의 제어기의 회생 전력 처리 알고리듬을 보여주는 흐름도이다.5 is a flowchart showing a regenerative power processing algorithm of the controller of the hybrid power unit of FIG. 2.
도 6은 엔진 시동 후의 시간에 도 4의 양방향성 교류-직류 변환기에 3상 전원이 인가됨을 보여주는 회로도이다.FIG. 6 is a circuit diagram showing a three-phase power supply to the bidirectional AC-DC converter of FIG. 4 at a time after engine start.
도 7은 엔진 시동 후의 시간에 도 6의 3상 전위들이 순차적으로 직류-링크 캐패시터에 인가됨을 설명하기 위한 파형도이다.FIG. 7 is a waveform diagram for explaining that the three-phase potentials of FIG. 6 are sequentially applied to the DC-link capacitor at the time after the engine is started.
도 8은 엔진 시동 후의 시간에 도 4의 양방향성 교류-직류 변환기의 동작에 의하여 직류-링크 캐패시터의 정극성 단자에 인가되는 직류 전위의 파형도이다. FIG. 8 is a waveform diagram of a DC potential applied to the positive terminal of the DC-link capacitor by the operation of the bidirectional AC-DC converter of FIG. 4 at the time after starting the engine.
도 9는 엔진 시동 후의 시간에 도 4의 양방향성 직류-직류 변환기로부터 배터리에 흐르는 전류의 방향을 보여주는 회로도이다.9 is a circuit diagram showing the direction of the current flowing from the bidirectional DC-DC converter of FIG. 4 to the battery at the time after the engine is started.
도 10은 엔진 시동 후의 시간에 도 9의 전류들이 3상의 형식으로 순차적으로 배터리에 흐름을 설명하기 위한 파형도이다.FIG. 10 is a waveform diagram illustrating a flow of currents in FIG. 9 sequentially into a battery in a three-phase format at the time after starting an engine.
도 11은 엔진 시동 후의 시간에 도 9의 제1 인덕터를 통하여 흐르는 제1상 전류의 통로를 보여주는 회로도이다. FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a path of a first phase current flowing through the first inductor of FIG. 9 at a time after starting an engine.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
205...엔진, 206...크랭크 축,205 engine, 206 crankshaft,
207...발전기, 208...양방향성 교류-직류 변환기,207 generators, 208 bidirectional AC-DC converters,
209...직류-링크 캐패시터, 210...양방향성 직류-직류 변환기,209 DC-link capacitors, 210 bi-directional DC-DC converters,
211...배터리, 212...제어기.211 batteries, 212 controllers.
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