KR20110049160A - 하이브리드 동력 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 한 개의 차량 구동용 모터에 전력을 공급하는 적어도 한 개의 인버터를 구비하고, 엔진의 축과 회동하는 발전기와 배터리 사이에 직류-링크 캐패시터가 연결되며, 직류-링크 캐패시터에 충전되는 직류-링크 전력이 인버터에 공급되는 하이브리드 동력 장치에 있어서, 양방향성 교류-직류 변환기, 양방향성 직류-직류 변환기 및 통합 제어부를 포함한다. 양방향성 교류-직류 변환기는 발전기와 직류-링크 캐패시터 사이에 연결된다. 양방향성 직류-직류 변환기는 배터리와 직류-링크 캐패시터 사이에 연결된다. 통합 제어부는, 인버터, 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기의 동작을 제어하되, 인버터의 부하 전력(Pload)이 발전기의 출력 전력(Pgen)보다 크면 양방향성 직류-직류 변환기가 동작되도록 제어한다.
하이브리드 동력 장치, 제어기

Description

하이브리드 동력 장치{Hybrid power apparatus}
본 발명은, 하이브리드 동력 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 바퀴 차량, 궤도 차량, 선박 및 건설 기계에 사용되는 하이브리드 동력 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 하이브리드 동력 장치는 적어도 한 개의 차량 구동용 모터에 전력을 공급하는 적어도 한 개의 인버터(inverter)를 구비한다.
예를 들어, 4 개의 인-휠(In-Wheel) 모터들이 사용되는 경우에 4 개의 인버터들이 필요하다. 또한, 1 개의 트랙션(traction) 모터가 사용되는 경우에 1 개의 인버터가 필요하다.
이와 같은 하이브리드 동력 장치에 있어서, 엔진의 축과 회동하는 발전기와 배터리 사이에 직류-링크 캐패시터가 연결되며, 직류-링크 캐패시터에 충전되는 직류-링크 전력이 인버터에 공급된다.
발전기와 직류-링크 캐패시터 사이에는 양방향성 교류-직류 변환기가 연결된다. 배터리와 직류-링크 캐패시터 사이에는 연결된 양방향성 직류-직류 변환기가 연결된다.
상기와 같은 하이브리드 동력 장치에 있어서, 종래에는, 인버터(inverter), 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기 각각에 제어부가 개별적으로 존재하였다.
따라서, 상기와 같은 제어 구조의 하이브리드 동력 장치에서는, 단순히 직류-링크 캐패시터의 전압이 기준 전압보다 낮아지면, 양방향성 직류-직류 변환기가 동작하여 배터리로부터 직류-링크 캐패시터에 전력이 공급된다.
하지만, 직류-링크 캐패시터의 전압은 인버터(inverter)의 부하 전력, 발전기의 출력 전력 및 배터리의 출력 전력에 의해서도 변동한다.
따라서, 상기와 같은 제어 구조의 하이브리드 동력 장치에 의하면, 단순히 직류-링크 캐패시터의 전압에 따라 양방향성 직류-직류 변환기를 제어하므로, 직류-링크 캐패시터의 전압을 신속하게 안정화시킬 수 없는 문제점이 있다.
이에 따라, 인버터(inverter), 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기 각각에는, 대용량의 전해 캐패시터들 및 전해 캐패시터들의 초기 충전 회로가 필요하였다.
본 발명의 목적은, 직류-링크 캐패시터의 전압을 신속하게 안정화시킬 수 있는 제어 구조의 하이브리드 동력 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 적어도 한 개의 차량 구동용 모터에 전력을 공급하는 적어도 한 개의 인버터를 구비하고, 엔진의 축과 회동하는 발전기와 배터리 사이에 직류-링크 캐패시터가 연결되며, 상기 직류-링크 캐패시터에 충전되는 직류-링크 전력이 상기 인버터에 공급되는 하이브리드 동력 장치에 있어서, 양방향성 교류-직류 변환기, 양방향성 직류-직류 변환기 및 통합 제어부를 포함한다.
상기 양방향성 교류-직류 변환기는 상기 발전기와 상기 직류-링크 캐패시터 사이에 연결된다.
상기 양방향성 직류-직류 변환기는 상기 배터리와 상기 직류-링크 캐패시터 사이에 연결된다.
상기 통합 제어부는, 상기 인버터, 상기 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기의 동작을 제어하되, 상기 인버터의 부하 전력이 상기 발전기의 출력 전력보다 크면 상기 양방향성 직류-직류 변환기가 동작되도록 제어한다.
본 발명의 상기 하이브리드 동력 장치에 의하면, 상기 통합 제어부에 의하여, 상기 인버터의 부하 전력(Pload)이 상기 발전기의 출력 전력(Pgen)보다 크면 상기 양방향성 직류-직류 변환기가 동작한다.
따라서, 상기 직류-링크 캐패시터의 공급 전력이 부족할 경우, 상기 배터리의 충전 전력이 신속하게 상기 직류-링크 캐패시터에 공급될 수 있으므로, 상기 직류-링크 캐패시터의 전압이 신속하게 안정화될 수 있다.
또한, 이로 인하여 대용량의 전해 캐패시터 및 전해 캐패시터의 초기 충전 회로가 제거될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 동력 장치를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 동력 장치에서는, 4 개의 차량 구동용 인-휠(In-Wheel) 모터들(121 내지 124)에 3상 교류 전력을 공급하는 4 개의 인버터들(117 내지 120)이 구비된다.
제동 저항부(116)는 직류-링크 캐패시터(109)의 전압(Vdc)이 상한 전압을 초과하지 않도록 동작한다.
3상 발전기(107)는 크랭크 축(106)을 통하여 엔진(105)의 축과 회동한다. 발전기(107)와 배터리(111) 사이에는 직류-링크 캐패시터(109)가 연결된다. 직류-링크 캐패시터(109)에 충전되는 직류-링크 전력은 4 개의 인버터들(117 내지 120)에 공급된다.
양방향성 교류-직류 변환기(108)는 발전기(107)와 직류-링크 캐패시터(109) 사이에 연결된다. 양방향성 직류-직류 변환기(110)는 배터리(111)와 직류-링크 캐패시터(110) 사이에 연결된다.
참고로, 양방향성 교류-직류 변환기(108)는, 엔진 시동 시간에는 직류 링크 캐페시터(109)에 충전되어 있는 직류 전원을 3상 교류 전원으로 변환하여 3상 발전기(107)에 인가하고, 엔진 시동 후의 시간에는 3상 발전기(107)로부터의 3상 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 직류 링크 캐페시터(109)에 인가한다.
보다 상세하게는, 엔진 시동 시간에, 3상 발전기(107)로부터 3상 교류 전원이 발생되지 않으므로, 직류 링크 캐페시터(109)에 충전되어 있는 직류 전원이 3상 교류 전원으로 변환되어 3상 발전기(107)에 인가될 수 있다. 이에 따라, 3상 발전기(107)가 시동 모터의 기능을 대행하므로 엔진(105)이 시동할 수 있다.
역으로, 엔진 시동 후의 시간에, 3상 발전기(107)로부터 3상 교류 전원이 발생되므로, 이 3상 교류 전원이 직류 전원으로 변환되어 직류 링크 캐페시터(109)에 충전될 수 있다.
요약하면, 발전 시스템이 시동 기능을 부가적으로 수행할 수 있으므로, 별도의 시동 시스템의 부속들이 제거될 수 있다.
통합 제어부(112)는, 사용자 제어부(113), 엔진의 제어부(114) 및 배터리의 운영부(115)와 CAN(Controller Area Network)에 의하여 통신하여 사용자 명령을 수행하면서, 엔진의 제어부(114), 배터리의 운영부(115), 인버터들(117 내지 120), 양방향성 교류-직류 변환기(108) 및 양방향성 직류-직류 변환기(111)의 동작을 제어한다.
즉, 직류-링크 캐패시터(109)로부터의 전압/전류 신호(Scvi), 3상 발전기(107) 내의 레졸버(resolver)로부터의 회전자 위치 신호(Srl), 적용 시스템 예를 들어, 차량의 상태 신호들(Ssi), 발전기(107)로부터의 전압/전류 신호(Sgvi) 및 배터리(111)로부터의 전압/전류 신호(Sbvi)에 따라 엔진의 제어부(114), 인버터들(117 내지 120), 양방향성 교류-직류 변환기(108) 및 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 동작을 제어한다.
여기에서, 통합 제어부(112)는 펄스폭 변조 제어를 위한 게이트 구동 신호들(Sagd,Sdgd, Spwm)을 양방향성 교류-직류 변환기(108), 양방향성 직류-직류 변환기(110) 및 인버터들(117 내지 120)에 입력한다.
특히, 통합 제어부(112)는, 인버터들(117 내지 120), 양방향성 교류-직류 변환기(108) 및 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 동작을 제어하되, 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력(Pload)이 발전기(107)의 출력 전력보다 크면 양방향성 직류-직류 변환기(108)가 동작되도록 제어한다(도 6을 참조하여 설명될 것임).
즉, 통합 제어부(112)에 의하여, 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력이 상기 발전기의 출력 전력(Pgen)보다 크면 양방향성 직류-직류 변환기(110)가 동작한다.
따라서, 직류-링크 캐패시터(109)의 공급 전력이 부족할 경우, 배터리(111)의 충전 전력이 신속하게 직류-링크 캐패시터(109)에 공급될 수 있으므로, 직류-링크 캐패시터(109)의 전압(Vdc)이 신속하게 안정화될 수 있다.
또한, 이로 인하여 대용량의 전해 캐패시터들 및 전해 캐패시터들의 초기 충전 회로가 제거될 수 있다.
참고로, 하이브리드 동력 장치에 의하여 차량 구동용 모터 예를 들어, 1 개 의 트랙션(traction) 모터 또는 4 개의 인-휠(In-Wheel) 모터들(121 내지 124)이 구동됨에 있어서, 무성 운용 모드, 엔진 단독 모드, 및 하이브리드 모드 등이 있다. 무성 운용 모드인 경우, 엔진(105)이 정지함에 따라 배터리(111)의 전력만으로 차량 구동용 모터가 구동된다. 엔진 단독 모드인 경우, 배터리(111)의 전력이 차단된 상태에서 엔진 동작에 의한 발전기(107)의 출력 전력만으로 차량 구동용 모터가 구동된다. 하이브리드 모드인 경우, 엔진 동작에 의한 발전기(107)의 출력 전력이 주 전력으로 사용되되 순시-가변 부하 전력을 배터리(111)가 지원한다.
따라서, 도 1의 하이브리드 동력 장치에 의하면, 상기 하이브리드 모드에서 정밀한 제어 및 구동이 수행될 수 있다.
여기에서, 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력(Pload)이란, 직류-링크 캐패시터(109)의 부하 전력으로서, 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력 이외에도 제동 저항부(116) 및 차량의 탑재 장비(미도시)의 소비 전력이 더 포함된 것을 의미한다.
더 나아가, 통합 제어부(112)는, 직류-링크 캐패시터의 전압(Vdc)이 기준 전압(Vdc*)보다 낮으면 양방향성 직류-직류 변환기(110)가 동작되도록 제어한다(도 6을 참조하여 설명될 것임).
이와 같이 양방향성 직류-직류 변환기(110)가 동작함에 의하여, 배터리로부터의 배터리 전류(Ibat)가 양방향성 직류-직류 변환기(110)를 통하여 상승하고, 양방향성 직류-직류 변환기(110)로부터의 상승 전류(Ibatdc)가 부하 예를 들어, 인버 터들(117 내지 120, 이하, 인버터들은 부하를 통칭하는 용어로 사용됨)로 흐른다.
보다 상세하게는, 통합 제어부(112)는, 배터리(111)로부터 양방향성 직류-직류 변환기(110)에 흐르는 배터리 전류(Ibat)의 값이 목표 전류 값(Ibat*)이 되도록 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 내부 스위칭 동작을 제어한다(도 6을 참조하여 설명될 것임). 즉, 스위칭에 의한 듀티(duty) 비율이 제어된다.
여기에서, 목표 전류 값(Ibat*)은, 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력(Pload)과 발전기(107)의 출력 전력(Pgen)의 차이 전력에 비례하고, 기준 전압(Vdc*)과 직류-링크 캐패시터의 전압(Vdc)의 차이 전압에 비례한다(도 6을 참조하여 설명될 것임).
도 2는 도 1의 통합 제어부(112)의 내부 구성을 보여준다. 도 2에서 참조 부호 A는 어드레스 버스를, D는 데이터 버스를, A & D는 어드레스 및 데이터 버스를, CB는 제어 버스를 각각 가리킨다. 도 1 및 2를 참조하여 통합 제어부(112)의 내부 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
통합 제어부(112)는 사용자 제어부(113)와 통신하면서 사용자 제어부(113)로부터의 사용자 명령에 따라 동작한다. 또한, 통합 제어부(112)는 엔진의 제어부(114) 및 배터리의 운영부(115)와 CAN(Controller Area Network)에 의하여 통신하면서 사용자 명령을 수행한다.
여기에서, 통합 제어부(112)는 통신 제어부(21), 주 제어부(22), 비휘발성 램(NVRAM : Non-Volatile Random Access Memory, 23), 및 휘발성 메모리로서의 이 중-포트 램(DPRAM : Dual Port Random Access Memory, 24)을 포함한다.
통신 제어부(21)는 사용자 제어부(113), 엔진의 제어부(114) 및 배터리의 운영부(115)와 CAN(Controller Area Network)에 의하여 통신한다.
주 제어부(22)는, 통신 제어부(21)로부터의 데이터(D)에 따라 사용자 명령을 수행하면서, 엔진의 제어부(114), 배터리의 운영부(115), 인버터들(117 내지 120), 양방향성 교류-직류 변환기(108) 및 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 동작을 제어한다.
비휘발성 램(NVRAM, 23)에는 통신 제어부(21)와 주 제어부(22)의 동작을 위한 기준 데이터가 저장된다.
이중-포트 램(DPRAM, 24)에는 통신 제어부(21)로부터의 데이터(D) 및 주 제어부(22)로부터의 데이터(D)가 일시적으로 보관된다. 도면에 도시되지 않았지만, 이중-포트 램(DPRAM, 24)은 외부적인 상위 제어기에 연결될 수 있다.
직류-링크 캐패시터(109)로부터의 전압/전류 신호(Scvi), 발전기(107)로부터의 회전자 위치 신호(Srl), 적용 시스템의 상태 신호들(Ssi), 발전기(107)로부터의 전압/전류 신호(Sgvi) 및 배터리(111)로부터의 전압/전류 신호(Sbvi)는 보호부(29), 아날로그-디지털 변환부(ADC : Analog-to-Digital Converter, 28) 및 제2 버퍼(26)를 통하여 주 제어부(22)에 입력된다.
여기에서, 보호부(29)에 이상 신호가 입력될 경우, 보호부(29)는 보호 신호(Spr)를 주 제어부(22)에 입력시키고, 주 제어부(22)는 제어 대상들에 대한 보호 동작을 수행한다.
주 제어부(22)로부터의 게이트 구동 신호들(Sagd,Sdgd, Spwm)은 제1 버퍼(25) 및 버스 연결부(27)를 통하여 양방향성 교류-직류 변환기(108), 양방향성 직류-직류 변환기(110) 및 인버터들(117 내지 120)에 입력된다.
도 3은 도 1의 하이브리드 동력 장치의 양방향성 교류-직류 변환기(108) 및 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 내부 회로를 보여준다. 도 3에서 도 1과 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 대상을 가리킨다.
도 3을 참조하면, 양방향성 직류-직류 변환기(110)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(108)는 제7 내지 제12 IGBT들(S7 내지 S12)을 포함한다. 통합 제어부(112)는 제1 내지 제12 IGBT들(S1 내지 S12)의 게이트 구동 신호들(Sagd,Sdgd)을 발생시킨다.
양방향성 직류-직류 변환기(110)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.
양방향성 교류-직류 변환기(108)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.
양방향성 직류-직류 변환기(110)의 제1 내지 제3 IGBT들(S1 내지 S3)과 양방향성 교류-직류 변환기(108)의 제7 내지 제9 IGBT들(S7 내지 S9)의 컬렉터들은 직류 링크 캐페시터(109)의 정극성 단자에 연결된다.
양방향성 직류-직류 변환기(110)의 제4 내지 제6 IGBT들(S4 내지 S6)과 양방향성 교류-직류 변환기(108)의 제10 내지 제12 IGBT들(S10 내지 S12)의 에미터들은 직류 링크 캐페시터(109) 및 배터리(111)의 부극성 단자들에 연결된다.
양방향성 직류-직류 변환기(110)에 있어서, 제3 IGBT(S3)의 에미터와 배터리(111)의 정극성 단자 사이에 제1 인덕터(L1)가 연결된다. 제2 IGBT(S2)의 에미터와 배터리(111)의 정극성 단자 사이에 제2 인덕터(L2)가 연결된다. 제1 IGBT(S1)의 에미터와 배터리(111)의 정극성 단자 사이에 제3 인덕터(L3)가 연결된다.
양방향성 교류-직류 변환기(108)와 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 내부 동작에 대해서는 도 9 내지 14를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 4는 도 1의 차량 구동용 인-휠(In-Wheel) 모터들(WM1 내지 WM4)이 구동되는 시간에 전류들의 흐름을 보여준다.
도 1 및 4를 참조하면, 차량 구동용 인-휠(In-Wheel) 모터들(WM1 내지 WM4)이 구동되는 시간에 있어서, 배터리(111)로부터의 배터리 전류(Ibat)는 양방향성 직류-직류 변환기(110)에 흐르고, 양방향성 직류-직류 변환기(110)로부터의 증폭된 배터리 전류(Ibatdc)가 직류-링크 캐패시터(109)에 흐른다.
또한, 양방향성 교류-직류 변환기(108)로부터의 발전기 출력 전류(Igendc)가 직류-링크 캐패시터(109)에 흐른다.
그리고, 직류-링크 캐패시터(109)로부터의 부하 전류(Iload)가 인버터들(117 내지 120)을 통하여 인-휠(In-Wheel) 모터들(WM1 내지 WM4)에 흐른다.
여기에서, 통합 제어부(112) 내의 주 제어부(도 2의 22)는, 배터리(111)로부터 양방향성 직류-직류 변환기(110)에 흐르는 배터리 전류(Ibat)의 값이 목표 전류 값(Ibat*)이 되도록 스위칭 제어 신호(Sdgd)를 발생시켜서 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 내부 스위칭 동작을 제어한다(도 6을 참조하여 설명될 것임). 즉, 스위칭에 의한 듀티(duty) 비율이 제어된다. 이에 따라, 직류-링크 캐패시터(109)의 전압(Vdc)이 일정해질 수 있다.
참고로, 상기와 같은 듀티(duty) 비율의 제어는 미리 설정되어 있는 룩-업 테이블(Look-Up Table)을 참조하여 수행된다.
도 5는 도 4의 전류들과 직류-링크 캐패시터(109)의 전압(Vdc)과의 관계를 보여준다. 도 5에서 s는 라플라스 연산자를, 그리고 C는 직류-링크 캐패시터(109)의 캐패시턴스를 각각 가리킨다.
도 1, 4 및 5를 참조하면, 직류-링크 캐패시터(109)의 여유 전류(Idc)는, 발전기 출력 전류(Igendc)와 증폭된 배터리 전류(Ibatdc)의 합에 부하 전류(Iload)를 감산한 결과이다.
이와 같이 결정된 여유 전류(Idc)가 캐패시턴스에 반비례하면서 적분됨에 따라 직류-링크 캐패시터(109)의 전압(Vdc)이 구해질 수 있다.
따라서, 통합 제어부(112) 내의 주 제어부(도 2의 22)는, 배터리(111)로부터 양방향성 직류-직류 변환기(110)에 흐르는 배터리 전류(Ibat)의 값이 목표 전류 값(Ibat*)이 되도록 양방향성 직류-직류 변환기(110)를 제어함에 의하여, 양방향성 직류-직류 변환기(110)로부터의 증폭된 배터리 전류(Ibatdc)의 값을 조정한다.
도 6은 도 2의 주 제어부(22)에서 도 4의 배터리 전류(Ibat)의 목표 전류 값(Ibat*)을 구하는 과정을 보여준다.
도 6을 참조하면, 주 제어부(22) 내의 배터리 전류 제어부는 감산부(61), 비례-적분 제어부(62), 가산부(63), 전력/전류 변환부(64) 및 전류값 제한부(65)를 포함한다.
감산부(61)는 사용자로부터의 목표 직류-링크 전압값(Vdc*)에 현재의 직류-링크 전압값(Vdc)을 감산하여 그 결과의 차이 전압(Vdi)을 구한다.
비례-적분 제어부(62)는 감산부(61)로부터의 차이 전압(Vdi)에 비례-적분 제어를 수행하여 차이 전력(Pdi)을 구한다.
가산부(63)는 비례-적분 제어부(62)의 차이 전력(Pdi)에 전향 보상 전력(Pbat_ff)을 더하여 전류 제어용 전력(Pbat)을 구한다.
전력/전류 변환부(64)는, 가산부(63)로부터의 전류 제어용 전력(Pbat)을 현재 배터리 전압(Vbat)으로 나누어, 그 결과의 일차 목표 전류 값(Ibatpr)을 구한다.
전류값 제한부(65)는 전력/전류 변환부(64)로부터의 일차 목표 전류 값(Ibatpr)이 최대값(Ibat_max)을 초과하지 않도록 조정하여, 최종적인 배터리 전류(Ibat)의 목표 전류 값(Ibat*)을 발생시킨다.
도 7은 도 2의 주 제어부(22)에서 도 6의 전향 보상(feedforward compensation)용 배터리 전력 값(Pbat_ff)을 구하는 과정을 보여준다.
도 1, 2 및 7을 참조하면, 도 6의 전향 보상(feedforward compensation)용 배터리 전력 값(Pbat_ff)은 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력(Pload)과 발전기(107)의 출력 전력(Pgen)의 차이 전력이다.
따라서, 도 1, 6 및 7을 참조하면, 배터리 전류(Ibat)의 목표 전류 값(Ibat*)은, 기준 전압(Vdc*)과 직류-링크 캐패시터(109)의 전압(Vdc)의 차이 전압(Vdi)에 비례할 뿐만 아니라, 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력(Pload)과 발전기(107)의 출력 전력(Pgen)의 차이 전력(Pbat_ff)에도 비례한다.
이에 따라, 직류-링크 캐패시터(109)의 공급 전력이 부족할 경우, 배터리(111)의 충전 전력이 신속하게 직류-링크 캐패시터(109)에 공급될 수 있으므로, 직류-링크 캐패시터(109)의 전압(Vdc)이 신속하게 안정화될 수 있다.
또한, 이로 인하여 대용량의 전해 캐패시터들 및 전해 캐패시터들의 초기 충전 회로가 제거될 수 있다.
한편, 도 7의 발전기(107)의 출력 전력 값(Pgen)은 아래의 수학식 1에 의하여 구해진다.
Figure 112009067856173-PAT00001
상기 수학식 1에서, Vdse*는 발전기(107)의 D-축 지령 전압값을, Vqse*는 발전기(107)의 Q-축 지령 전압값을, Idse는 발전기(107)의 D-축 현재 전류값을, 그리 고 Iqse는 발전기(107)의 Q-축 현재 전류값을 각각 가리킨다.
도 8은 도 2의 주 제어부(22)에서 도 7의 발전기(107)의 출력 전력 값(Pgen)을 구하기 위하여 발전기(107)의 Q-축 목표 전류값(Iqse*)을 조정하는 과정을 보여준다.
도 1, 2 및 8을 참조하면, 도 2의 주 제어부(22)는 발전기(107)의 Q-축 목표 전류값(Iqse*)을 조정하기 위하여, 전력/전류 변환부(81) 및 전류 제한부(82)를 포함한다.
룩-업 테이블(Look-Up Table)을 구비한 전력/전류 변환부(81)는, 엔진(105)의 속도와 인버터들(117 내지 120)의 부하 전력(Pload)에 대하여, 엔진(105)과 발전기(107)의 전체 효율 맵(map)에 따라 일차 Q-축 목표 전류값(Iqsepr)을 구한다.
다음에, 전류 제한부(82)는 전력/전류 변환부(81)로부터의 일차 Q-축 목표 전류값(Iqsepr)이 최대값(Igen_max)을 초과하지 않도록 조정하여, 최종적인 Q-축 목표 전류값(Iqse*)을 구한다.
도 9는 엔진 시동 후의 시간에 도 3의 양방향성 교류-직류 변환기(108)에 3상 전원이 인가됨을 보여준다. 도 10은 엔진 시동 후의 시간에 도 9의 3상 전위들이 순차적으로 직류-링크 캐패시터(도 4의 109)에 인가됨을 설명하기 위한 파형도이다. 도 11은 엔진 시동 후의 시간에 도 4의 양방향성 교류-직류 변환기(108)의 동작에 의하여 직류-링크 캐패시터(109)의 정극성 단자에 인가되는 직류 전위의 파형도이다. 도 9 및 10에서 도 1 및 3과 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 대상을 가리킨다.
도 9 내지 11을 참조하여 엔진 시동 후의 시간에 양방향성 교류-직류 변환기(108)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
3상 발전기(107)로터의 a상 전위(Eas)는 제7 IGBT(S7)의 에미터와 제10 IGBT(S10)의 컬렉터에 인가된다. 3상 발전기(107)로터의 b상 전위(Ebs)는 제8 IGBT(S8)의 에미터와 상기 제11 IGBT(S11)의 컬렉터에 인가된다. 3상 발전기(107)로터의 c상 전위(Ecs)는 제9 IGBT(S9)의 에미터와 제12 IGBT(S12)의 컬렉터에 인가된다.
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. 이에 따라 직류 링크 캐페시터(109)의 정극성 단자에 a상 전위(Eas)의 정극성 파형이 인가된다.
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(109)의 부극성 단자에 a상 전위(Eas)의 부극성 파형이 인가된다.
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(109)의 정극성 단자에 b상 전위(Ebs)의 정극성 파형이 인가된다.
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(109)의 부극성 단자에 b상 전위(Ebs)의 부극성 파형이 인가된다.
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(109)의 정극성 단자에 c상 전위(Ecs)의 정극성 파형이 인가된다.
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(109)의 부극성 단자에 c상 전위(Ecs)의 부극성 파형이 인가된다.
따라서, 직류 링크 캐페시터(109)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(109)의 부극성 단자에서도 2π/3의 위상차를 가진 부극성 파형들이 합성되어 부극성의 직류 전위로 전환된다.
참고로, 엔진 시동 시간에서, 3상 발전기(107)로부터 3상 교류 전원이 발생되지 않고, 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 동작으로 인하여 직류 링크 캐페시터(109)에 직류 전원이 공급된다.
여기에서, 상기 도 4의 스위칭 순서와 동일하게 양방향성 교류-직류 변환기(108)가 동작함에 의하여, 직류 링크 캐페시터(109)에 충전되어 있는 직류 전원 이 3상 교류 전원으로 변환되어 3상 발전기(107)에 인가될 수 있다. 이에 따라, 3상 발전기(107)가 시동 모터(도 1의 103)의 기능을 대행하므로 엔진(105)이 시동할 수 있다.
도 12는 도 1의 차량 구동용 인-휠(In-Wheel) 모터들(WM1 내지 WM4)이 구동되는 시간에 도 3의 배터리로부터 양방향성 직류-직류 변환기(110)에 흐르는 전류의 방향을 보여준다. 도 13은 도 12의 전류들(I1,I2,I3)이 3상의 형식으로 순차적으로 흐름을 설명하기 위한 파형도이다. 도 14는 도 12의 제1 인덕터(L1)를 통하여 흐르는 제1상 전류의 통로를 보여준다. 도 12 내지 14에서 도 1 및 3과 동일한 참조 부호는 동일한 기능의 대상을 가리킨다.
도 3 및 도 12 내지 14를 참조하여 도 1의 차량 구동용 인-휠(In-Wheel) 모터들(WM1 내지 WM4)이 구동되는 시간에 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
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 배터리(111)의 정극성 단자로부터 제1 인덕터(L1), 제1 IGBT(S1), 직류 링크 캐페시터(109)의 정극성 단자, 직류 링크 캐페시터(109)의 부극성 단자 및 배터리(111)의 부극성 단자로 흐른다(도 14 참조).
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(111)의 정극성 단자로부터 제1 인덕터(L1), 및 제4 IGBT(S4)를 통하여 직류 링크 캐페시 터(109)의 부극성 단자 및 배터리(111)의 부극성 단자로 흐른다(도 14 참조).
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 배터리(111)의 정극성 단자로부터 제1 인덕터(L1), 제2 IGBT(S2), 직류 링크 캐페시터(109)의 정극성 단자, 직류 링크 캐페시터(109)의 부극성 단자 및 배터리(111)의 부극성 단자로 흐른다.
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(111)의 정극성 단자로부터 제1 인덕터(L1), 및 제5 IGBT(S5)를 통하여 직류 링크 캐페시터(109)의 부극성 단자 및 배터리(111)의 부극성 단자로 흐른다.
상기와 같은 제어 동작은 제3상 전류(I3)에도 동일하게 적용된다.
이에 따라, 양방향성 직류-직류 변환기(110)의 출력 전류(Ibatdc)의 파형은 제1상 전류(I1), 제2상 전류(I2), 및 제3상 전류(I3)의 파형들이 합성된 것이다.
참고로, 배터리(111)가 충전될 경우, 상기 스위칭 순서는 동일하지만 전류의 방향은 반대이다.
인덕터들(L1 내지 L3)은, 배터리(111)가 충전될 경우에 에너지를 저장하고, 도 12 내지 14에 도시된 바와 같이 배터리(111)가 동작할 경우에 에너지를 송출한다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 동력 장치에 의하면, 통합 제어부에 의하여, 인버터의 부하 전력(Pload)이 발전기의 출력 전력(Pgen)보다 크면 양방향성 직류-직류 변환기가 동작한다.
따라서, 직류-링크 캐패시터의 공급 전력이 부족할 경우, 배터리의 충전 전력이 신속하게 직류-링크 캐패시터에 공급될 수 있으므로, 직류-링크 캐패시터의 전압이 신속하게 안정화될 수 있다.
또한, 이로 인하여 대용량의 전해 캐패시터 및 전해 캐패시터의 초기 충전 회로가 제거될 수 있다.
바퀴 차량, 궤도 차량, 선박 및 건설 기계 등등의 다양한 동력 장치에 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 하이브리드 동력 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 통합 제어부의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1의 하이브리드 동력 장치의 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기의 내부 회로를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 차량 구동용 인-휠(In-Wheel) 모터들이 구동되는 시간에 전류들의 흐름을 보여주는 블록도이다.
도 5는 도 4의 전류들과 직류-링크 캐패시터의 전압(Vdc)과의 관계를 보여주는 블록도이다.
도 6은 도 2의 주 제어부에서 도 4의 배터리 전류(Ibat)의 목표 전류 값(Ibat*)을 구하는 과정을 보여주는 블록도이다.
도 7은 도 2의 주 제어부에서 도 6의 전향 보상(feedforward compensation)용 배터리 전력 값(Pbat_ff)을 구하는 과정을 보여주는 블록도이다.
도 8은 도 2의 주 제어부에서 도 7의 발전기의 출력 전력 값(Pgen)을 구하기 위하여 발전기의 Q-축 목표 전류값(Iqse*)을 조정하는 과정을 보여주는 블록도이다.
도 9는 엔진 시동 후의 시간에 도 3의 양방향성 교류-직류 변환기에 3상 전원이 인가됨을 보여주는 회로도이다.
도 10은 엔진 시동 후의 시간에 도 9의 3상 전위들이 순차적으로 직류-링크 캐패시터에 인가됨을 설명하기 위한 파형도이다.
도 11은 엔진 시동 후의 시간에 도 3의 양방향성 교류-직류 변환기의 동작에 의하여 직류-링크 캐패시터의 정극성 단자에 인가되는 직류 전위의 파형도이다.
도 12는 도 1의 차량 구동용 인-휠(In-Wheel) 모터들이 구동되는 시간에 도 3의 배터리로부터 양방향성 직류-직류 변환기에 흐르는 전류의 방향을 보여주는 회로도이다.
도 13은 도 12의 전류들이 3상의 형식으로 순차적으로 흐름을 설명하기 위한 파형도이다.
도 14는 도 12의 제1 인덕터를 통하여 흐르는 제1상 전류의 통로를 보여주는 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
105...엔진, 106...크랭크 축,
107...발전기, 108...양방향성 교류-직류 변환기,
109...직류-링크 캐패시터, 110...양방향성 직류-직류 변환기,
111...배터리, 112...통합 제어부,
113...사용자 제어부, 114...엔진 제어부,
115...배터리 운영부, 21...통신 제어부,
22...주 제어부.

Claims (10)

  1. 적어도 한 개의 차량 구동용 모터에 전력을 공급하는 적어도 한 개의 인버터를 구비하고, 엔진의 축과 회동하는 발전기와 배터리 사이에 직류-링크 캐패시터가 연결되며, 상기 직류-링크 캐패시터에 충전되는 직류-링크 전력이 상기 인버터에 공급되는 하이브리드 동력 장치에 있어서,
    상기 발전기와 상기 직류-링크 캐패시터 사이에 연결된 양방향성 교류-직류 변환기;
    상기 배터리와 상기 직류-링크 캐패시터 사이에 연결된 양방향성 직류-직류 변환기; 및
    상기 인버터, 상기 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기의 동작을 제어하되, 상기 인버터의 부하 전력이 상기 발전기의 출력 전력보다 크면 상기 양방향성 직류-직류 변환기가 동작되도록 제어하는 통합 제어부를 포함한 하이브리드 동력 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 통합 제어부가,
    상기 직류-링크 캐패시터의 전압(Vdc)이 기준 전압(Vdc*)보다 낮으면 상기 양방향성 직류-직류 변환기가 동작되도록 제어하는 하이브리드 동력 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양방향성 직류-직류 변환기가 동작함에 의하여, 상기 배터리로부터의 배터리 전류(Ibat)가 상기 양방향성 직류-직류 변환기를 통하여 상승하고, 상기 양방향성 직류-직류 변환기로부터의 상승 전류(Ibatdc)가 상기 인버터로 흐르는 하이브리드 동력 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 통합 제어부가,
    상기 배터리로부터 상기 양방향성 직류-직류 변환기에 흐르는 상기 배터리 전류(Ibat)의 값이 목표 전류 값(Ibat*)이 되도록 상기 양방향성 직류-직류 변환기의 내부 스위칭 동작을 제어하는 하이브리드 동력 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 목표 전류 값(Ibat*)이,
    상기 인버터의 부하 전력(Pload)과 상기 발전기의 출력 전력(Pgen)의 차이 전력에 비례하고,
    상기 기준 전압(Vdc*)과 상기 직류-링크 캐패시터의 전압(Vdc)의 차이 전압에 비례한 하이브리드 동력 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 통합 제어부가,
    사용자 제어부와 통신하면서 상기 사용자 제어부로부터의 사용자 명령에 따 라 동작하는 하이브리드 동력 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 통합 제어부가,
    상기 엔진의 제어부 및 상기 배터리의 운영부와 통신하면서 상기 사용자 명령을 수행하는 하이브리드 동력 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 통합 제어부가,
    상기 사용자 제어부, 상기 엔진의 제어부 및 상기 배터리의 운영부와 통신하는 통신 제어부; 및
    상기 통신 제어부로부터의 데이터에 따라 상기 사용자 명령을 수행하면서, 상기 엔진의 제어부, 상기 배터리의 운영부, 상기 인버터, 상기 양방향성 교류-직류 변환기 및 양방향성 직류-직류 변환기의 동작을 제어하는 주 제어부를 포함한 하이브리드 동력 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 통합 제어부가,
    상기 통신 제어부와 상기 주 제어부의 동작을 위한 기준 데이터가 저장되는 비휘발성 메모리; 및
    상기 통신 제어부로부터의 데이터 및 상기 주 제어부로부터의 데이터가 일시적으로 보관되는 휘발성 메모리를 포함한 하이브리드 동력 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 주 제어부가,
    상기 직류-링크 캐패시터로부터의 전압/전류 신호(Scvi), 상기 발전기로부터의 회전자 위치 신호(Srl), 적용 시스템의 상태 신호들(Ssi), 상기 발전기로부터의 전압/전류 신호(Sgvi) 및 상기 배터리로부터의 전압/전류 신호(Sbvi)에 따라 상기 엔진의 제어부, 상기 인버터, 상기 양방향성 교류-직류 변환기 및 상기 양방향성 직류-직류 변환기의 동작을 제어하는 하이브리드 동력 장치.
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