KR20110112132A - 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템 - Google Patents

동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 자동차의 구동을 위하여 동기 모터와 유도 모터를 병렬로 설치하여 이들 모터의 샤프트가 동일 프로펠러 샤프트를 구동할 수 있도록 함으로써 값이 비싼 동기 모터의 크기를 줄여 전기 자동차의 제작 비용을 줄일 수 있도록 하고, 동기 모터가 평균 이하 부하를 담당하게 하고, 유도 모터가 평균 이상의 순시적인 첨두 부하를 담당하게 함으로써 운전의 효율 향상을 유지할 수 있게 하며, 고장시 동기 모터 혹은 유도 모터 단독 운전을 통해 고장 대비 견고성(fault tolerant)을 향상시킨다.

Description

동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템 {Electric Vehicles Driving System Including Synchronous and Induction Motors}
본 발명은 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기 자동차의 구동을 위하여 유도 모터와 동기 모터를 병렬로 설치하여 이들 모터의 샤프트가 동일 프로펠러 샤프트를 구동할 수 있도록 함으로써 전기 자동차의 제작 비용을 줄일 수 있도록 한 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 동기 모터(특히, 영구 자석 동기 모터)는 유도 모터에 비해 효율이 높다. 특히 저속 영역(예; 3000rpm 이하)에서는 그 차이가 크다. 따라서 정지와 출발을 반복하고, 저속 주행 구간이 많은 도심 운행에 있어서는 동기 모터를 사용하는 것이 절대적으로 유리하다. 그러나, 동기 모터는 유도 모터에 비해 가격이 비싸고 상대적으로 복잡하다는 단점이 있다.
한편, 자동차에 요구되는 파워(power)는 상황에 따라 매우 자주 바뀐다. 즉 가속시 혹은 등판시에는 매우 큰 파워를 요구하나, 보통 정속 주행할 때나 코스팅(coasting) 시에 요구되는 파워는 매우 낮다. 즉 파워의 첨두치는 평균치의 4~5 배에 달하므로, 뾰족한 봉우리가 많이 반복되는 형태를 띠고 있다.
본 발명은 상기와 같은 사항을 고려하여 창출된 것으로서, 동기 모터와 유도 모터를 동시에 사용하는 전기 자동차에 있어서, 상기 동기 모터는 평균 출력만을 담당할 정도로만 작게 설계하여 자동차에서 요구하는 파워가 크지 않을 때에는 상기 동기 모터로 단독 운전을 하고, 큰 출력이 요구될 때에는 상기 유도 모터도 구동시켜 큰 파워를 내게 하는, 즉 상기 유도 모터는 필요 시에만 동작하는 파워 부스터(power booster)로 역할하도록 함으로써 전기 자동차 구동 시스템의 비용을 줄일 수 있는 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기구적으로는 합 기어(sum gear)를 사용하여 두 개의 모터(동기 모터 및 유도 모터)의 동력을 한 개의 프로펠러 샤프트에 전달시키고, 전기적으로는 독립적인 2개의 인버터를 통해 동기 모터와 유도 모터를 각각 구동시킴으로써 동기 모터를 단독으로 사용할 때 보다 동기 모터의 크기를 줄일 수 있고 이로써 전기 자동차의 파워 트레인의 가격을 낮출 수 있는 이종(異種) 모터인 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템은, 정상 운전(정속 운전 및 코스팅(coasting) 운전 포함) 시에 구동 파워를 프로펠러 샤프트에 제공하는 동기 모터; 가속시 및 등판시에 상기 동기 모터와 함께 구동되어 부스트(boost) 파워를 제공하는 유도 모터; 상기 동기 모터와 유도 모터의 구동 파워가 한 개의 프로펠러 샤프트에 전달되도록 하기 위한 합 기어(sum gear); 상기 동기 모터를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터; 및 상기 유도 모터를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 동기 모터는 상기 전기 자동차의 구동 파워가 20KW 이하인 조건에서 단독으로 구동되며, 상기 유도 모터는 상기 전기 자동차의 구동 파워가 20KW을 초과하는 조건에서 보조적으로 상기 동기 모터와 함께 구동된다.
바람직하게는, 상기 동기 모터는 영구 자석 동기 모터이다.
바람직하게는, 상기 동기 모터에 고장이 발생하면, 상기 유도 모터가 단독으로 상기 전기 자동차의 구동 파워를 제공하고, 상기 유도 모터에 고장이 발생하면, 상기 동기 모터가 단독으로 상기 전기 자동차의 구동 파워를 제공한다.
본 발명에 의하면, 단일 인버터와 단일 동기 모터로 구성된 종래의 전기 자동차 시스템보다 값 비싼 동기 모터의 크기를 절반 이하로 줄일 수 있음으로 해서 구동 시스템의 비용을 줄일 수 있다. 차량에서 요구되는 파워가 평균 이하일 때는 동기 모터가 단독으로 부하를 담당하고, 평균 이상의 큰 파워가 요구될 시에는 유도 모터가 운전에 참여하여 프로펠러 샤프트에 부가적인 토크를 발생시킨다. 즉, 저속 운행 구간을 포함하는 저 파워 영역에서는 효율이 좋은 동기모터가 차량 구동을 전적 담당하고, 상대적으로 효율이 떨어지는 유도 모터는 평균이상의 큰 파워가 요구될 때만 순시적으로 작동하도록 하여 전체적인 운용 효율을 높일 수 있다.
또한, 동기 모터 시스템에 고장이 생겼을 경우 유도 모터가 차량 구동을 담당할 수 있고, 반대로 유도 모터 시스템이 고장 났을 경우 동기 모터가 차량 구동을 담당할 수 있어 차량의 고장에 대한 대응력을 높일 수 있다.
도 1은 일반적인 전기 자동차가 도심 주행할 때 구동 모터에서 소모하는 파워를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 동기 모터(a)와 유도 모터(b)의 등가 효율(equi-efficiency) 선도를 보여 주는 그래프도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 차량에서 요구되는 파워의 크기에 따라 동기 모터 단독운전 및 양 모터 동시 운전을 가름하는 것을 보여 주는 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 적용되는 유도 모터를 0.1초 작동시켰을 때 동기 모터와 유도 모터에서의 상전류 및 토크에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 그래프도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 이종(異種) 모터, 즉 유도 모터와 동기모터를 함께 효과적으로 구동하는 시스템을 구현하는 데, 그 이론적인 토대를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 전기 자동차가 도심 주행할 때 전기 자동차에서 요구되는 파워를 예시한 것이다. 도 1에서 평균 파워는 7.5kW이나 최대 파워는 약 40kW에 달하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 동기 모터, 특히 영구 자석 동기 모터로 최대 파워를 전부 충당한다면 동기 모터의 최대 파워가 50kW 이상이 되어야 할 것이다. 그러나, 본 발명에서는 전기 자동차 구동 모터로써 복수개의 모터, 즉 동기 모터와 유도 모터를 사용하여 위의 문제를 해결한다. 일례로, 동기 모터의 최대 파워를 20kW로 설계하고, 유도 모터의 파워를 30kW로 설계하였을 경우에 구동 시스템에 소요되는 비용이 종래의 50kW 동기모터 구동 시스템에 비하여 적어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전기 자동차의 구동 시스템은, 동기 모터(1), 바람직하게는 영구자석 동기 모터와 유도 모터(2) 및 상기 동기 모터와 유도 모터의 각 샤프트(s1, S2)를 단일 프로펠러 샤프트(11)에 연결하기 위한 합 기어(sum gear)(5, 7, 9)를 포함하여 이루어진다. 프로펠러 샤프트(11)의 양단에는 유니버살 조인트(10a, 10b; universal joint)가 연결된다. 도 2에 예시된 합 기어의 단 수는 2 단이나, 1 단 또는 설계적인 측면을 고려하여 다양하게 설계할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
도 2에서 미설명된 도면 부호 12a, 12b는 각각 자동차 타이어이고, 부호 13은 차동기어(differential gear)를 나타내고, 부호 3과 4는 각각 모터 샤프트에 체결되어 있는 레졸버(resolver) 및 인코더(encoder)와 같은 센서를 나타낸다.
도 2에는 도시되지 않았지만, 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 자동차의 구동 시스템은 동기 모터(1)를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터(22); 및 유도 모터(2)를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터(15)를 포함하여 이루어진다. 동기 모터(1)는 바람직하게 동기 모터용 인버터(22)에 의해 전기 자동차의 구동 파워가 20KW 이하인 조건에서 단독으로 구동 제어되며, 유도 모터(2)는 바람직하게 유도 모터용 인버터(15)에 의해 상기 전기 자동차의 구동 파워가 20KW을 초과하는 조건에서 보조적으로 동기 모터(1)와 함께 구동 제어된다.
즉, 본 발명에 의하면, 전기 자동차에 큰 추진력이 필요 없을 때(예를 들면, 필요한 구동력이 20kW 이하일 때)는 동기 모터(1)만으로 단독 운전을 한다. 그러나, 큰 추력이 필요한 경우(예를 들면, 필요한 구동력이 20kW 초과시)는 유도 모터(2)도 구동하여 동기 모터(1)의 토크와 유도 모터(2)의 토크가 합 기어(5, 7, 9)를 통하여 합하여진다. 따라서, 유도 모터(2)는 첨두(peak)성 부하를 담당하고 유도 모터용 인버터(15)에 의해 수시로 켜졌다 꺼졌다를 반복하면서 동기 모터(1)를 돕기(assist) 때문에 이를 토크 부스터(torque booster)라 칭할 수 있다.
본 발명에서 동기 모터(1)를 상시 운전하는 주 모터(main motor)로 삼는 이유는 동기 모터(1)의 효율이 유도 모터(2) 보다 높기 때문이다.
도 3의 (a) 그래프는 동기 모터(1)의 등효율 궤적(equi-efficiency contour)을 예시하고, 도 3의 (b) 그래프는 유도 모터(2)의 등효율 궤적을 예시한다. 통상 동기 모터(1)의 효율은 저속에서 최대 효율을 가지나, 유도 모터(2)는 상대적으로 고속에서 최대 효율을 갖는다. 따라서, 중저속 저부하 운전에서는 동기 모터(바람직하게는 영구 자석 동기 모터)로 단독 운전하는 것이 효율이 높고, 고속 고부하 영역에서는 유도 모터를 구동시켜 동시에 두 모터(동기 모터와 유도 모터)를 구동하면 전기 자동차의 구동 시스템의 효율이 높아진다.
도 4는 두 개의 인버터, 즉 유도 모터용 인버터(15)가 유도 모터(2)에 연결되고, 동기 모터용 인버터(22)가 동기 모터(1)에 연결되어 있는 회로 구성을 도시한다. 상기 각 인버터(15)(22)는 각각 동일 DC 링크에 연결되어 있고, 배터리(17) 전압이 부스트 컨버터 (boost converter)(16)에 의해 승압된다.
도 5는 자동차에서 필요한 파워(P)를 기준 파워(Pav)와 비교하여, 필요한 파워(P)가 기준 파원(Pav)(예; 20KW) 보다 작을 때는 동기 모터(1) 단독으로 운전하고, 필요한 파워(P)가 기준 파워(Pav)보다 클 때는 유도 모터(2)도 턴-온(turn-on) 하여 동기 모터(1)와 유도 모터(2)를 동시에 운전하는 흐름도를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따라 인버터가 0.1초에 작동(turn-on)될 때 상전류 변화와 토크 변화를 컴퓨터로 시뮬레이션한 결과를 보여준다.
이로써, 본 발명은 단일 인버터와 단일 동기 모터로 구성된 종래의 전기 자동차 시스템의 값 비싼 동기 모터의 크기를 절반 이하로 줄이면서 전기 자동차를 효율적으로 구동할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등물에 해당하는 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 동기 모터
2: 유도 모터
3: 레졸버(resolver)
4: 인코더(encoder)
5, 7, 9: 합 기어(sum gear)
10a, 10b: 유니버설 조인트
11: 프로펠러 샤프트
15: 유도 모터용 인버터
16: 부스트 컨버터
17: 배터리
22: 동기 모터용 인버터

Claims (4)

  1. 전기 자동차의 구동 시스템에 있어서,
    정상 운전시에 구동 파워를 제공하는 동기 모터;
    가속시 및 등판시에 상기 동기 모터와 함께 구동되어 부스트(boost) 파워를 제공하는 유도 모터;
    상기 동기 모터와 유도 모터의 구동 파워가 한 개의 프로펠러 샤프트에 전달되도록 하기 위한 합 기어(sum gear);
    상기 동기 모터를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터; 및
    상기 유도 모터를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동기 모터는 상기 전기 자동차의 구동 파워가 평균 파워 이하인 조건에서 단독으로 구동되며,
    상기 유도 모터는 상기 전기 자동차의 구동 파워가 평균 파워 초과하는 조건에서 보조적으로 상기 동기 모터와 함께 구동되는 것을 특징으로 하는 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동기 모터는 영구 자석 동기 모터인 것을 특징으로 하는 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동기 모터에 고장이 발생하면, 상기 유도 모터가 단독으로 상기 전기 자동차의 구동 파워를 제공하고,
    상기 유도 모터에 고장이 발생하면, 상기 동기 모터가 단독으로 상기 전기 자동차의 구동 파워를 제공하는 것을 특징으로 하는 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템.
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