KR20120000523A

KR20120000523A - 기계 장비를 구동하기 위한 전기 장치 및 관련 방법

Info

Publication number: KR20120000523A
Application number: KR1020110061347A
Authority: KR
Inventors: 소우사 루이스 드; 보리스 부셰
Original assignee: 발레오 시스템므 드 꽁트롤르 모뙤르
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2012-01-02
Also published as: US20110316462A1; JP2012070612A; BRPI1103225A2; CA2743323A1; EP2407339A1; FR2961972B1; US8482230B2; JP5774919B2; CN102299655A; BRPI1102742A2; KR101822656B1; FR2961972A1; EP2407339B1; CN102299655B

Abstract

본 발명은 교류 전류 모터와 인버터를 포함하는 기계 장비를 구동시키기 위한 전기 장치에 관한 것이다. 상기 인버터는, 상기 모터의 각각의 위상에 대하여, 네 개의 스위칭 소자를 구비한 H-형상 브리지 구조를 포함한다. 상기 네 개의 스위칭 소자는 상기 H-형상 브리지 구조의 두 개의 단자를 연결하는 두 개의 가지부에 분포되어 있으며 모터의 상기 적어도 하나의 위상의 권선부에 전류를 공급하도록 구성되어 있다. 상기 권선부는 중간점을 구비한 권선부이다. 상기 전기 장치는 한편으로는 상기 모터의 연관 위상의 권선부의 중간점에 연결되며 다른 한편으로는 상기 권선부에 전류를 공급하는 H-형상 구조의 단자에 연결되는 적어도 하나의 에너지 저장 유닛, 특히, 슈퍼콘덴서슈퍼콘덴서를 추가로 포함한다.

Description

기계 장비를 구동하기 위한 전기 장치 및 관련 방법{ELECTRIC DEVICE FOR DRIVING MECHANICAL EQUIPMENT AND ASSOCIATED METHOD}

본 발명은 예를 들어, 전기 모터를 사용하는 자동차와 같은 기계 장비를 구동시켜, 예를 들어, 제동시와 같은 소정 환경에서 기계 장비에 의해 공급되는 에너지, 예를 들어 자동차의 경우 회생 제동 에너지라고도 하는 에너지의 일부를 회수할 수 있도록 구성되는 전기 장치의 분야에 관한 것이다.

종래 기술의 일 예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전기 자동차에는 고전압 충전지(1)가 장착되어 있으며, 이러한 고전압 충전지로부터 인버터(3)로 직류 전류가 공급되어 인버터(3)에서 상기 직류 전류가 교류 전류로 변환됨으로써 전기 모터(5)의 동력으로서 사용될 수 있으며, 이러한 동력을 사용하여 기계 장비의 이동이 이루어지게 된다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같은 일반적으로 비동기식 3상 모터의 구성을 갖는 전기 모터(5)의 작용에 의해, 기계 장비에 의해 사용되지 않은 기계적 에너지를 충전지(1)를 재충전하기 위한 발전용 전원으로서 사용할 수 있다. 특히 도심 주행 동안에는 차량이 짧게 갑작스럽게 제동 작동을 수행하게 되므로, 짧은 시간 동안에 또한 시간이 지날수록 반복 회수가 증가하면서 상당량의 에너지를 발생시키게 된다. 그러나, 종래 기술의 충전지(1)의 경우 이와 같이 생성되는 강한 전류를 수용할 수 있는 기능이 없으며, 따라서, 이에 수반되는 과도기적 단계로 인해 충전지(1)의 조기 마모가 초래할 수 있다.

전술한 바와 같은 문제점을 극복하기 위한 종래 기술의 일 해결 방안으로서, 유럽 특허 제 EP 1 241 041 호에 서술된 바와 같이 제동 동안 회수되는 에너지를 저장하기 위하여 슈퍼콘덴서를 사용하는 방안이 제안된바 있다. 도 2 내지 도 5에는, 전기 모터(5)의 전기 공급 회로에 슈퍼콘덴서가 사용되는 종래 기술에 따른 구성의 예가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 슈퍼콘덴서(7)는 충전지(1)와 병렬로 연결되어 있다. 이러한 구성은 충전지와 슈퍼콘덴서 사이의 에너지의 관리가 제어 불가능하다는 문제가 있다. 따라서, 슈퍼콘덴서를 제로 볼트까지 방전시킬 수 없으며 또는 충전지의 전압보다 높은 전압으로 충전시킬 수 없기 때문에, 슈퍼콘덴서의 용량이 제한되며 결국 슈퍼콘덴서의 장점이 제한적일 수밖에 없다.

전술한 문제점을 극복하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이 DC/DC 컨버터(9)를 사용하여 슈퍼콘덴서의 독립적인 관리가 가능하도록 하는 방안을 고려할 수 있다. 그러나, 이러한 구성은 DC/DC 컨버터(9)의 가격으로 인해 비용이 많이 든다는 문제가 있다.

기존의 일부 전력 공급 회로의 경우 인버터(3)의 상류에 전압 상승 컨버터(11)를 사용하여 왔다. 이러한 구성에 의하면, 인버터(3)의 전력 공급이 제어됨으로 인해 전력 공급 회로의 최적화가 가능하다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 전압 상승 컨버터(11)의 출력부에 슈퍼콘덴서(7)를 배치할 수 있다. 그러나, 이 경우에는, 슈퍼콘덴서(7)의 충전 상태와 인버터(3)의 전력 공급 전압이 서로 의존성을 갖게 된다. 따라서, 인버터(3)의 전력 공급 전압이 낮으면, 예를 들어, 저속 주행시와 같은 경우에는, 슈퍼콘덴서(7)를 방전시켜야만 한다. 또한, 슈퍼콘덴서(7)를 완전히 방전시키는 일이 불가능할 수도 있다. 이러한 문제는 도 5에 도시된 바와 같이 DC/DC 컨버터(9)를 추가할 경우 극복 가능한 문제이긴 하지만, 이 경우, 도 3에 도시된 구성에서와 마찬가지로, 컨버터(9)의 단가가 상당히 높아진다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 종래 기술의 전술한 바와 같은 문제점을 극복할 수 있는 간단하면서도 저렴한 비용의 실시예를 제안하며 특히, 전기 모터(5)로부터 에너지를 회수하기 위한 슈퍼콘덴서(7)의 사용 용량을 최적화하는 것을 목적으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 바람직한 일 실시예는, 교류 전류 모터와 인버터를 포함하는 기계 장비를 구동시키기 위한 전기 장치를 제공하며, 상기 인버터는, 상기 모터의 각각의 위상에 대하여, 네 개의 스위칭 소자를 구비한 H-형상 브리지 구조를 포함하며, 상기 네 개의 스위칭 소자는 상기 H-형상 브리지 구조의 두 개의 단자를 연결하는 두 개의 가지부에 분포되어 있으며 모터의 상기 적어도 하나의 위상의 권선부에 전류를 공급하도록 구성되고, 상기 권선부는 중간점(mid point)을 구비한 권선부이며, 상기 장치는 또한, 상기 모터의 각각의 위상에 대해, 한편으로는 상기 모터의 관련 위상의 권선부의 중간점에 연결되며 다른 한편으로는 상기 권선부에 전류를 공급하는 H-형상 구조의 단자에 연결되는 적어도 하나의 에너지 저장 유닛, 특히, 슈퍼콘덴서를 추가로 포함한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 교류 전류 모터와 인버터를 포함하는 기계 장비를 구동시키기 위한 전기 장치를 제공하며, 상기 인버터는, 상기 모터의 각각의 위상에 대하여, 네 개의 스위칭 소자를 구비한 H-형상 브리지 구조를 포함하며, 상기 네 개의 스위칭 소자는 상기 H-형상 브리지 구조의 두 개의 단자를 연결하는 두 개의 가지부에 분포되어 있으며 모터의 상기 적어도 하나의 위상의 권선부에 전류를 공급하도록 구성되고, 상기 권선부는 중간점을 구비한 권선부이며, 상기 장치는 또한, 상기 모터의 적어도 하나의 위상에 대하여, 한편으로는 상기 위상의 권선부의 중간점에 연결되며 다른 한편으로는 상기 권선부에 전류를 공급하는 H-형상 구조의 단자에 연결되는 적어도 하나의 에너지 저장 유닛, 특히, 슈퍼콘덴서를 추가로 포함한다.

상기 장치는, 한편으로는 상기 모터의 각각의 위상의 권선부의 중간점에 연결되며 다른 한편으로는 상기 권선부에 전류를 공급하는 H-형상 브리지 구조의 상기 단자에 직접 연결되는 단일 에너지 저장 유닛, 특히 단일 슈퍼 콘덴서를 포함할 수도 있다.

일 변형예에 있어서, 상기 장치는, 한편으로는 상기 모터의 각각의 위상의 권선부의 중간점에 연결되며 다른 한편으로는 상기 권선부에 전류를 공급하는 H-형상 브리지 구조의 상기 단자에 연결되는 각각의 위상용의 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼 콘덴서를 포함할 수도 있다.

경우에 따라 슈퍼콘덴서일 수도 있는 상기 에너지 저장 유닛이 연결되는 H-형상 브리지 구조의 상기 단자는 접지 전위에 연결되는 단자에 해당할 수도 있다.

상기 슈퍼콘덴서는, 예를 들어, 1000 W/kg 내지 5000 W/kg의 전력 밀도 및/또는 4 Wh/kg 내지 6 Wh/kg의 에너지 밀도를 갖춘 콘덴서이다.

상기 슈퍼콘덴서는 전기 화학적 이중 층 슈퍼콘덴서일 수도 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 상기 모터는 연료 전지에 의해 전류가 공급된다. 상기 연료 전지는 전기 장치의 일부를 구성할 수도 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 모터의 전력 공급 중단에 해당하는 과도기적인 상태 동안, 연료 전지에 의해 공급되는 에너지는 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서에 저장될 수도 있다.

본 발명의 제 2 예 또는 실시예에 따르면, 전기 장치는, 모터에 전류를 공급할 수 있는 축전기 수단, 그리고 한편으로는 자동차의 제동 동안 상기 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서의 충전이 가능하도록 하며 다른 한편으로는 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서의 에너지가 가속 동안 모터로 방전되거나 상기 축전기 수단으로 방전되어 축전기 수단의 충전이 이루어질 수 있도록 인버터를 제어하기 위한 수단을 추가로 포함한다.

본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 상기 축전기 수단은 충전지를 포함할 수도 있다.

스위칭 소자, 특히 각각의 스위칭 소자는 병렬 연결되는 트랜지스터와 다이오드를 포함할 수도 있다.

상기 트랜지스터는 절연 게이트 양극식 트랜지스터일 수도 있다.

상기 교류 전류 모터는 3상 모터일 수도 있다.

상기 모터의 각각의 위상의 각각의 단자는 H-형상 브리지의 스위칭 소자에 연결될 수도 있으며, 상기 모터의 각각의 위상은 H-형상 브리지의 로드(load)에 해당한다.

상기 장치의 모든 H-형상 브리지는 동일할 수도 있으며, 동일하지 않을 수도 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예는, 자동차의 전기 모터에 의해 생성되는 전기 에너지를 회수하기 위한 방법을 제공한다. 상기 모터의 각각의 위상은 중간점을 구비한 권선부를 포함하며 H-형상 브리지 구조에 의해 전류를 공급받고, 상기 자동차의 제동 동안 상기 H-형상 구조의 스위칭 소자는 적어도 하나의 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서에서 생성되는 전기 에너지를 회수하는 방식으로 제어되며, 상기 슈퍼콘덴서는 상기 모터의 적어도 하나의 위상, 특히 하나 또는 세 개의 위상에 대하여, 상기 H-형상 브리지 구조의 가지부의 기부에 해당하는 H-형상 브리지 구조의 단자와 상기 위상의 권선부의 중간점의 사이에 연결된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서가 충전되면, H-형상 브리지 구조의 구성 소자는 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서의 에너지의 일부가 충전지 내로 방전되도록 하는 방식으로 제어된다.

또 다른 바람직한 실시예는, 각각의 위상에 대해 중간점을 구비한 권선부가 마련되어 있으며 H-형상 브리지 구조에 의해 전류를 공급받는 자동차 전기 모터에 적어도 하나의 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서에 저장된 전기 에너지를 회수하기 위한 방법을 제공한다. 상기 자동차의 가속 동안, 상기 H-형상 구조의 스위칭 소자는 우선적으로 에너지 저장 유닛, 특히 슈퍼콘덴서에 저장된 에너지를 사용하는 방식으로 제어되며, 상기 에너지 저장 유닛은, 상기 모터의 적어도 하나의 위상, 특히 하나 또는 세 개의 위상에 대하여. 상기 H-형상 브리지 구조의 가지부의 기부에 해당하는 H-형상 브리지 구조의 단자와 상기 위상의 권선부의 중간점의 사이에 연결된다.

상기 에너지 저장 유닛(들)이 슈퍼콘데서 대신, 예를 들어, 리튬 이온 전지일 수도 있다.

본 발명에 따른 전기 모터를 사용하는 자동차와 같은 기계 장비를 구동시키기 위한 전자 장치는 전기 모터로부터 에너지를 회수하기 위한 슈퍼콘덴서의 사용 용량을 최적화하면서도 간단한 구성을 갖도록 저비용으로 제조 가능하다.

본 발명의 기타 다른 특징 및 장점이 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 주어진 아래의 설명을 읽음으로써 분명해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 전력 공급 회로의 일 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 슈퍼콘덴서를 사용하는 전력 공급 회로의 제 1 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 슈퍼콘덴서를 사용하는 전력 공급 회로의 제 2 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 슈퍼콘덴서를 사용하는 전력 공급 회로의 제 3 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 슈퍼콘덴서를 사용하는 전력 공급 회로의 제 4 실시예를 나타낸 회로도이다.
도 6은 H-형상 브리지 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-형상 브리지 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 H-형상 브리지의 작용을 나타낸 설명도이다.

이하의 설명 내용에는 다음과 같은 일반적인 지시어들이 사용된다.

용어 "절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor)"는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET; Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 입력부와 양극성 트랜지스터 출력부를 구비한 하이브리드 트랜지스터에 해당한다.

용어 "H-형상 브리지 구조(H-bridge structure)" 또는 "H-형상 브리지"는 도 6에 도시된 바와 같이 일반적으로 H-형상으로 대칭 형태로 배치되는 네 개의 스위칭 소자(13)를 포함하는 전기 또는 전자 회로에 해당한다. 이 경우, H 자형의 두 개의 수직 방향 가지부(15)는 각각 H 자형의 수평 방향 가지부(17)의 양측에 배치되는 두 개의 스위칭 소자(13)를 포함하며, 상기 수평 방향 가지부(17)가 브리지의 로드(19)에 해당한다. 본 발명의 경우에, 상기 로드(19)는 전기 모터(1)의 위상의 권선부에 해당한다. 또한, 상기 두 개의 수직 방향 가지부(15)의 양단이 브리지의 두 개의 단자(21)에 연결되어 있다. 상기 스위칭 소자는 일반적으로, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 다이오드와 병렬로 연결되어 있는 트랜지스터에 의해 구체화되며, 상기 트랜지스터는 일반적으로, 절연 게이트 양극성 트랜지스터이다.

용어 "슈퍼콘덴서(supercondenser)"는 일반적으로 전기 화학적 이중 층 방법을 사용하여 형성되는 고용량 콘덴서에 해당한다. 상기 전기 화학적 이중 층 방법에 따르면, 일반적으로 활성 탄소로 이루어지며 전해질 함침 과정을 거쳐 형성되는 두 개의 다공성 전극이 절연 다공성 막(이온 전도를 보장하기 위함)에 의해 분리되어 있다. 상기와 같은 슈퍼콘덴서는 충전지와 통상의 콘덴서 사이의 중간 전력 및 전력 밀도를 달성하여 충전지보다 따른 에너지 회수율을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 전기 모터(5)의 적어도 하나의 위상의 권선부(23)는 중간점을 구비한 권선부이며, 전기 모터의 전력 공급 회로의 인버터는 적어도 하나의 위상을 공급하기 위한 적어도 하나의 H-형상 브리지 구조를 사용하고, 에너지 저장 유닛(7)이 권선부의 중간점(25)과 접지부(27)에 대응하는 H-형상 브리지의 단자(21) 사이에 연결되어 있다. 이 경우, 상기 전기 모터(5)의 권선부(23)가 H-형상 브리지의 로드(19)가 된다.

전술한 바와 같은 실시예에 있어서, 에너지 저장 유닛(들)(7)이 슈퍼콘덴서의 형태로 형성되지만, 본 발명이 이러한 실시예로만 제한되는 것은 아니다.

본 발명은, 설명의 연속성의 관점에서, 본 발명의 예시를 위해 이하에 3상 모터로서 설명되고는 있지만, 소정 개수의 위상을 구비한 모터(5)에 적용 가능하다. 이러한 모터는 특히, 전기 자동차 분야에 보통 사용되고 있다.

도 8에는 3상 전기 모터의 전력 공급 회로의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 충전지 또는 연료 전지(1)는 스텝업(step-up) 회로(11)를 개재하여 인버터(3)에 연결되며, 인버터(3)는 권선부(23)로 표현되는 전기 모터(5)의 세 개의 위상을 제공하기 위한 세 개의 H-형상 브리지 구조를 포함한다. 상기 세 개의 위상 각각에 대하여, 권선부(23)의 중간점과 전력 공급 회로의 접지 전위(27) 사이에 슈퍼콘덴서(27)가 연결되어 있다. 또한, 권선부의 중간점(25)과 슈퍼콘덴서(7) 사이에 스위치(29)가 배치됨에 따라 슈퍼콘덴서(7)의 연결 상태의 제어가 가능하다.

제 2 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 세 개의 위상의 권선부(23)의 중간점이 단일 슈퍼콘덴서(7)에 연결된다.

이에 따라, 도 8 및 도 9에 도시된 실시예에 따르면, 슈퍼콘덴서(7)의 충전 전류 또는 방전 전류가, 모터(5)의 위상을 통과하는 경우에도, 모터(5)의 작용을 방해하지 않게 된다. 사실, 위상의 중간 권선부를 통해 유동하는 전류가 동일하다면, 서로 보상 관계의 기자력(起磁力)을 발생시킬 수 있으며, 따라서 토크 발생을 방지할 수 있다.

따라서, 상기 인버터(3)의 전류의 제어 수단은 슈퍼콘덴서(7)의 충전 및 방전 전류의 동등한 분배를 관리하여야 한다.

이에 따라, 전술한 바와 같은 구성에 의하면, 슈퍼콘덴서(7)에 별도의 컨버터(9)를 제공할 필요가 없어, 장비의 가격을 낮출 수 있으며, 슈퍼콘덴서(7)가 제로 볼트까지 방전될 수 있도록 함으로써, 슈퍼콘덴서의 사용을 최적화할 수 있다.

본 발명의 실시예를 보다 잘 이해할 수 있도록 하기 위하여, 이하에서는 전기 모터에 의해 구동되는 기계 장비가 자동차인 경우를 전제로 하여 전력 공급 회로의 작용이 보다 상세히 설명된다. 그러나, 예를 들어, 풍력 구동식 또는 유압식 장비와 같은 기타 다른 기계 장비 또한 본 발명의 범위에 속함을 이해하여야 한다.

전력 공급 회로의 작용은 기본적으로, 인버터(3)의 제어 수단의 중재 하에, 슈퍼콘덴서(7)를 최적의 방식으로 사용할 수 있도록 하기 위하여, H-형상 브리지의 스위칭 소자(13) 및 스위치(29)의 개폐를 제어하는 것이다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 정지 상태(가속 또는 제동 작동이 없는 상태)에서, 슈퍼콘덴서(7)의 단자에서의 전압은 제로 볼트와 충전지(1)에 의해 제공되는 전력 공급 전압 값(E) 사이의 중간값, 예를 들어, E/2의 값으로 조절된다.

상기와 같은 중간값을 사용함으로써, 인버터(3)의 제어 수단으로 하여금, 자동차의 가속 상황에서는 충전지(1)의 역할을 제한할 수 있도록 전기 모터(5)에 전력을 공급하기 위하여 슈퍼콘덴서(7)의 방전을 제어하도록 할 수 있으며(가능하다면, 제로 볼트까지 전압을 강하시킬 수 있으며), 제동 상황에서는 슈퍼콘덴서(7)를 재충전시킴으로써(가능하다면, 전압값(E)까지 상승시킴으로써) 모터(5)에 의해 제공되는 에너지를 회수하도록 할 수 있다(이후, 발전용으로 사용되도록 할 수 있다). 슈퍼콘덴서(7)의 충전량이 중간값(본 실시예에 있어서, E/2)보다 큰 값에 해당하는 경우, 제어 수단은 슈퍼콘덴서(7)의 충전 전기를 충전지(1) 내로 방전시키는 방식으로 슈퍼콘덴서(7)의 단자의 전압을 E/2 수준으로 복귀시킨다(이러한 작동은 연료 전지의 경우에는 불가능한데, 그 이유는 전기 화학 반응은 철회가 불가능하기 때문이다. 이 경우, 제동 작동으로부터 회수되는 에너지는 오직 슈퍼콘덴서의 재충전에만 사용될 수 있다).

또한, 연료 전지의 경우, 전력 공급 중단이 즉각적으로 이루어지지 않으므로, 모터의 전력 공급 중단 지시가 발생되는 경우(실제로, 자동차의 경우, 이러한 지시 발생은 가속 장치의 해제에 해당한다), 연료 전기는 계속해서 에너지를 공급한다(전이 상태). 따라서, 슈퍼콘덴서는 에너지가 열의 형태로 방출되도록 하는 대신 에너지를 회수하도록 작용할 수 있다. 이에 따라, 전술한 바와 같은 과도기적인 상태에서 저장되는 에너지가 후술하는 바와 같은 가속 작동 동안 사용될 수 있다.

예를 들어, 가속과 제동 상황이 교대로 발생하게 되는 도심 주행 시에, 전기 모터(5)의 전력 공급은 우선적으로 슈퍼콘덴서(7)에 의해 이루어지게 된다. 따라서, 충전지(1)는 과도기적인 상태 동안 상당히 부분적으로만 작동되며, 이에 따라, 한편으로는 전체 전기 소비량을 줄일 수 있으며, 다른 한편으로는 충전지(1)의 노후화를 늦출 수 있다.

또한, 슈퍼콘덴서(7)의 전류 및 모터(5)에서 사용 가능한 전류 모두를 제어할 수 있다. 여기서, "사용 가능"은 전류가 기자력을 발생시킬 수 있다는 것을 의미한다. 사실, 모터(5)의 위상의 중간에 위치한 권선부의 전류(I1, I2)를 제어함으로써, 도 7에 도시된 바와 같이, 슈퍼콘덴서(7)에서 유동하는 전류(Ic)와 사용 가능 전류(Iu)의 제어가 또한 가능하다. 이들 전류 사이의 관계가 아래의 수학식을 사용하여 나타내어져 있다.

도 7의 전기 회로는, 고주파수에서 끊어지는 브리지의 가지부가 공급 전압(E)과 듀티 사이클(duty cycle)(α1, α2)의 중간값에 좌우되는 전압원에 상당하며, 듀티 사이클의 값이 0 내지 1의 범위에 있는, 평균 모델(average model)을 이용하여 모델링될 수 있다. 이후, 도 10에 도시된 바와 같이, 전압원(31, 33)에 의해 전압(α1.E, α2.E)이 공급된다.

따라서, 전류(I1, I2)는 아래의 수학식 2를 사용하여 정의될 수 있다.

여기서, Vc 는 슈퍼컨덴서(7)의 단자에서의 전압이며, Z 는 중간 위치의 권선부의 임피던스이다.

따라서, 전류(Iu, Ic)의 값은 아래의 수학식 3과 같이 나타내어진다.

따라서, 모터(5)에 사용 가능한 전류는 듀티 사이클의 차이(α1-α2)를 이용하여 제어되는 반면, 슈퍼콘덴서(7)의 전류는 듀티 사이클의 합(α1+α2)을 이용하여 제어된다. 따라서, 상기 두 개의 값(Iu, Ic)은 독립적으로 제어될 수 있으며, 이들 두 개의 값이 서로 연관되지 않아도 된다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 브리지의 스위칭 소자(13)는 펄스 폭 변조(PWM) 지시에 따라 제어되며, 모터(5)와 슈퍼콘덴서(7)에서의 소망하는 전류를 달성하기 위하여 이러한 스위칭 소자의 듀티 사이클이 산출될 수 있다.

결론적으로, 중간점을 구비한 권선부 형태의 위상 권선부(23)를 구비하며 이러한 권선부(23)에 전류를 공급하기 위한 H-형상 브리지 유형의 모터(5)의 사용 및 전력 공급 회로의 접지 전위(27)와 권선부(23)의 중간점(25) 사이의 슈퍼콘덴서(7)의 실시에 의해, 브리지의 스위칭 소자(13)의 제어 하에 슈퍼콘덴서(7) 또는 기타 다른 에너지 저장 유닛을 전체 작동 범위에 걸쳐 사용할 수 있으며 특히, 각각의 슈퍼콘덴서(7)용의 지정 전압 컨버터를 사용하지 않고 완전한 방전을 달성할 수 있다. 따라서, 전력 공급 회로에서의 슈퍼콘덴서(7)의 적용을 최적화할 수 있으며, 한편으로는 별도의 컨버터(11)가 필요하지 않기 때문에 제조 비용을 줄일 수 있으면서 다른 한편으로는 충전지(1)의 전기 소비량이 감소함에 따라 작동 비용을 줄일 수 있다. 또한, 도심 주행 시에 충전 및 방전 횟수가 감소됨에 따라 슈퍼콘덴서의 유효 수명이 연장될 수 있다.

3 : 인버터 5 : 모터
7 : 슈퍼콘덴서 13 : 스위칭 소자
21 : 단자 23 : 권선부
25 : 중간점

Claims

교류 전류 모터(5)와 인버터(3)를 포함하는 기계 장비를 구동시키기 위한 전기 장치에 있어서,
상기 인버터(3)는, 상기 모터(5)의 각각의 위상에 대하여, 네 개의 스위칭 소자(13)를 구비한 H-형상 브리지 구조를 포함하며,
상기 네 개의 스위칭 소자(13)는 상기 H-형상 브리지 구조의 두 개의 단자(21)를 연결하는 두 개의 가지부(15)에 분포되어 있으며 모터의 상기 적어도 하나의 위상의 권선부(23)에 전류를 공급하도록 구성되고,
상기 권선부(23)는 중간점(mid point)을 구비한 권선부이며,
한편에서는 적어도 하나의 위상의 권선부(23)의 중간점(25)을 통해 상기 위상의 모터(5)에 연결되며, 다른 한편에서는 상기 권선부(23)에 전류를 공급하는 H-형상 구조의 단자(21)에 연결되는 적어도 하나의 에너지 저장 유닛, 특히, 슈퍼콘덴서(7)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 에너지 저장 유닛(7)이 연결되는 H-형상 브리지 구조의 상기 단자(21)는 접지 전위(27)에 연결되는 단자에 대응하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전기 장치는, 한편에서는 상기 모터(5)의 각각의 위상의 권선부(23)의 중간점(25)에 연결되며 다른 한편에서는 상기 권선부(23)에 전류를 공급하는 H-형상 브리지 구조의 상기 단자(21)에 연결되는 단일 에너지 저장 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전기 장치는, 한편에서는 상기 모터(5)의 위상의 권선부(23)의 중간점(25)에 연결되며 다른 한편에서는 상기 권선부(23)에 전류를 공급하는 H-형상 브리지 구조의 상기 단자(21)에 연결되는 각각의 위상용의 에너지 저장 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 에너지 저장 유닛(7)은 전기 화학적 이중 층 슈퍼콘덴서인 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 모터는 연료 전지에 의해 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 모터의 전력 공급 중단에 해당하는 과도기적인 상태 동안, 연료 전지에 의해 공급되는 에너지는 에너지 저장 유닛에 저장되는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 모터에 전류를 공급할 수 있는 축전기 수단, 그리고
한편으로는 자동차의 제동 동안 상기 에너지 저장 유닛(7)의 충전이 가능하도록 하며, 다른 한편으로는 에너지 저장 유닛(7)의 에너지가 가속 동안 모터(5)로 방전되거나 상기 축전기 수단으로 방전되어 축전기 수단의 충전이 이루어질 수 있도록 상기 인버터(3)를 제어하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 축전기 수단은 충전지(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 스위칭 소자(13)는 병렬 연결되는 트랜지스터와 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 트랜지스터는 절연 게이트 양극식 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 전기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 교류 전류 모터(5)는 3상 모터인 것을 특징으로 하는 전기 장치.
자동차의 전기 모터(5)에 의해 생성되는 전기 에너지를 회수하기 위한 방법에 있어서,
상기 모터의 각각의 위상은 중간점을 구비한 권선부(23)를 포함하며 H-형상 브리지 구조에 의해 전류를 공급받고,
상기 자동차의 제동 동안 상기 H-형상 구조의 스위칭 소자(13)는 적어도 하나의 에너지 저장 유닛(7), 특히 슈퍼콘덴서(7)에서 생성되는 전기 에너지를 회수하는 방식으로 제어되며,
상기 슈퍼콘덴서(7)는 상기 H-형상 브리지 구조의 접지 전위에 해당하는 H-형상 브리지 구조의 단자(21)와 적어도 하나의 위상의 권선부(23)의 중간점(25)을 통해 상기 위상의 모터(5) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 회수 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 에너지 저장 유닛(7)이 충전되면, H-형상 브리지 구조의 구성 소자는 에너지 저장 유닛(7)의 에너지의 일부가 충전지(1) 내로 방전되도록 하는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 회수 방법.
각각의 위상에 대해 중간점을 구비한 권선부가 마련되어 있으며 H-형상 브리지 구조에 의해 전류를 공급받는 자동차 전기 모터(5)에 적어도 하나의 에너지 저장 유닛(7), 특히 슈퍼콘덴서(7)에 저장된 전기 에너지를 회수하기 위한 방법에 있어서,
상기 자동차의 가속 동안, 상기 H-형상 구조의 스위칭 소자(13)는 우선적으로 에너지 저장 유닛(7)에 저장된 에너지를 사용하는 방식으로 제어되며,
상기 에너지 저장 유닛(7)은 상기 H-형상 브리지 구조의 접지 전위에 해당하는 H-형상 브리지 구조의 단자와 적어도 하나의 위상의 권선부(23)의 중간점(25)을 통해 상기 위상의 모터(5) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 회수 방법.