KR20210005754A - 사륜 구동 차량 - Google Patents

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KR20210005754A
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output port
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power
switching
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KR1020190080345A
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윤한신
이호중
김혜승
전준영
성원용
이동준
장영진
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

주 구동륜 및 보조 구동륜; 상기 주 구동륜에 동력을 제공하는 제1 구동모터; 상기 보조 구동륜에 동력을 제공하는 제2 구동모터; 전기 에너지를 저장하는 배터리; 상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 변환하여 상기 제1 구동모터로 제공하는 인버터; 차량 외부로부터 공급되는 전력을 변환하여 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전력을 생성하며, 상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 변환하여 상기 제2 구동 모터로 제공하는 양방향 전력 변환 장치를 포함하는 사륜 구동 차량이 개시된다.

Description

사륜 구동 차량{FOUR WHEEL DRIVE VEHICLE}
본 발명은 사륜 구동 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주 구동륜과 보조 구동륜에 각각 동력을 공급하는 복수의 구동모터에 배터리 저장 에너지를 변환하여 공급하기 위한 복수의 전력 변환 장치 중 일부를 배터리 충전기로 대체함으로써 시스템을 단순화 시킬 수 있는 사륜 구동 차량에 관한 것이다.
일반적으로 사륜 구동 차량은 차량의 전륜 및 후륜 모두에 구동력을 제공하여 주행하는 차량으로, 특히 AWD(All Wheel Drive)라 불리는 차량은 항상 네 개의 휠에 구동력을 전달하되 각 휠의 접지력과 회전수를 감안하여 각 휠에 구동력을 적절히 배분함으로써 휠의 접지력을 최적화하여 안정적인 주행을 가능하게 하는 차량이다.
최근 전기 에너지를 기계적인 회전 에너지로 변환하는 구동모터를 적용하는 친환경 차량(특히, 전기 차량)의 경우, 전륜과 후륜 중 하나를 주 구동륜으로 사용하고 나머지 하나를 보조 구동륜으로 사용하는 시스템이 적용되고 있다. 이 경우 주 구동륜과 보조 구동륜에 각각 전기 에너지를 회전 에너지로 변환하여 동력을 제공하는 구동모터가 구비되고 구동모터 마다 배터리에 저장된 직류 에너지를 변환하여 구동모터로 공급하는 인버터가 구비되어야 한다. 또한, 전기 차량의 경우 외부의 충전 설비로부터 구동모터에 제공되는 전기 에너지를 저장하는 배터리를 충전하기 위한 탑재형 충전기(On Board Charger: OBC)가 구비되어야 한다.
이와 같이, 사륜 구동, 특히 AWD 시스템을 구비한 전기 차량은 다수의 구동모터와 인버터 및 충전기까지 구비하여야 하므로 시스템이 복잡해지고 이에 따라 차량의 단가가 크게 상승하게 되는 문제가 발생한다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1716238 B1 KR 10-2016-0070976 A
이에 본 발명은, 사륜 구동 시스템 내 구비되는 각 요소들 중 일부의 기능을 다중화 함으로써 시스템 구조를 단순화 시킬 수 있는 전기 사륜 구동 차량을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
주 구동륜 및 보조 구동륜;
상기 주 구동륜에 동력을 제공하는 제1 구동모터;
상기 보조 구동륜에 동력을 제공하는 제2 구동모터;
전기 에너지를 저장하는 배터리;
상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 변환하여 상기 제1 구동모터로 제공하는 인버터;
차량 외부로부터 공급되는 전력을 변환하여 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전력을 생성하며, 상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 변환하여 상기 제2 구동 모터로 제공하는 양방향 전력 변환 장치;
를 포함하는 사륜 구동 차량을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 구동모터는 상기 제1 구동모터 보다 작은 정격 출력을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 양방향 전력 변환 장치와 외부의 충전 전력을 공급 받는 충전 인렛 사이에 연결된 제1 스위칭 수단 및 상기 양방향 전력 변환 장치와 상기 제2 구동 모터 사이에 연결된 제2 스위칭 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 충전 인렛을 통해 외부 충전 전력이 인가되거나 상기 배터리의 전력을 상기 충전 인렛을 통해 외부로 출력하는 경우 상기 제1 스위칭 수단은 단락되고 상기 제2 스위칭 수단은 개방되며, 상기 사륜 구동 차량이 주행 중인 경우 상기 제1 스위칭 수단은 개방되고 상기 제2 스위칭 수단은 단락될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 전력 변환 장치는, 외부의 충전 전력을 공급 받는 충전 인렛 및 상기 제2 구동모터에 연결되는 양방향 역률 보정 회로 및 상기 양방향 역률 보정 회로와 상기 배터리 사이에 연결된 양방향 직류-직류 컨버터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 역률 보정 회로는, 상기 충전 인렛 및 상기 제2 구동모터에 선택적으로 연결되는 제1 입출력 포트; 상기 양방향 직류-직류 컨버터에 연결되는 제2 입출력 포트; 상기 제1 입출력 포트의 각 단자에 연결된 복수의 부스트 인덕터를 갖는 부스트 인덕터 회로; 및 상기 부스트 인덕터 회로와 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 입출력 포트는 3개의 단자를 가지며, 상기 복수의 부스트 인덕터는 상기 제1 입출력 포트의 3개의 단자에 각각 연결된 제1 부스트 인덕터, 제2 부스트 인덕터 및 제3 부스트 인덕터를 포함하며, 상기 제2 입출력 포트는 두 개의 단자를 가지며 상기 스위칭 회로는 상기 제2 입출력 포트의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자, 상기 제2 입출력 포트의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자, 상기 제2 입출력 포트의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자, 제6 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제1 부스트 인덕터의 타단은 각각 상기 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 연결되고, 상기 제2 부스트 인덕터의 타단은 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 연결되며, 상기 제3 부스트 인덕터의 타단은 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자의 연결 노드에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 충전 인렛으로부터 상기 제1 입출력 포트의 각 단자에 서로 다른 위상의 3상 교류 전력이 입력되어 상기 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 부스트 인덕터와 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자가 하나의 부스트 회로를 형성하고, 상기 제2 부스트 인덕터와 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자(S4)가 하나의 부스트 회로를 형성하고, 상기 제3 부스트 인덕터와 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자가 또 하나의 부스트 회로를 형성하여 각 상의 교류 전력의 역률을 보정하여 상기 제2 입출력 포트로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우, 상기 스위칭 회로는 인버터로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 역률 보정 회로는, 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 연결된 단자와, 상기 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 연결된 단자 및 상기 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자의 연결 노드에 연결된 단자를 갖는 추가 입출력 포트를 더 포함하며, 상기 추가 입출력 포트는 상기 제2 구동 모터에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 제1 입출력 포트와 상기 충전 인렛 사이에 연결된 제1 스위칭 수단 및 상기 추가 입출력 포트와 상기 제2 구동 모터 사이에 연결된 제2 스위칭 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 충전 인렛을 통해 외부 충전 전력이 인가되거나 상기 배터리의 전력을 상기 충전 인렛을 통해 외부로 출력하는 경우 상기 제1 스위칭 수단은 단락되고 상기 제2 스위칭 수단은 개방되며, 상기 사륜 구동 차량이 주행 중인 경우 상기 제1 스위칭 수단은 개방되고 상기 제2 스위칭 수단은 단락될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는, 상기 양방향 PFC 회로에 연결된 제1 입출력 포트; 상호 인덕턴스를 형성하는 두 코일을 포함하는 트랜스포머; 상기 제1 입출력 포트와 상기 트랜스포머의 일 코일 사이에 연결된 제1 스위칭 회로; 상기 배터리에 연결된 제2 입출력 포트; 및 상기 제2 입출력 포트와 상기 트랜스포머의 다른 코일 사이에 연결된 제2 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 제1 입출력 포트에 인가되는 직류 전압 교류의 형태로 변환하여 상기 트랜스포머의 일 코일로 인가하며, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 트랜스포머의 다른 코일로 유도된 교류의 전압을 직류로 변환하여 상기 제2 입출력 포트로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 제2 입출력 포트에 인가되는 상기 배터리의 직류 전압을 교류의 형태로 변환하여 상기 트랜스포머의 일 코일로 인가하고, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 트랜스포머의 다른 코일로 유도된 교류의 전압을 직류로 변환하여 상기 제1 입출력 포트로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는, 상기 트랜스포머 내의 두 코일의 양단을 각각 서로 전기적으로 개방 또는 단락 시키는 제1 스위칭 수단 및 제2 스위칭 수단을 더 포함하며, 상기 배터리를 충전하는 경우 상기 제1 스위칭 수단 및 제2 스위칭 수단은 개방되고, 상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우 상기 제1 스위칭 수단 및 제2 스위칭 수단은 단락될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는, 상기 양방향 PFC 회로에 연결된 제1 입출력 포트; 상기 배터리에 연결된 제2 입출력 포트; 상기 제1 입출력 포트의 일 단자에 일단이 연결된 제1 스위칭 소자; 상기 제1 스위칭 소자의 타단과 상기 제2 입출력 포트의 일 단자에 양단이 각각 연결된 인덕터; 및 상기 제1 스위칭 소자와 상기 인덕터의 연결 노드에 일단이 연결되고 상기 제1 입출력 포트의 타 단자와 상기 제2 입출력 포트의 타 단자에 공통으로 타단이 연결된 제2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 스위칭 수단의 듀티가 제어됨으로써 상기 제1 입출력 포트의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 충전 전압을 상기 제2 입출력 포트로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우, 상기 제2 스위칭 수단의 듀티가 제어됨으로써 상기 배터리의 전압을 승압하여 상기 제1 입출력 포트로 출력하거나, 상기 제1 스위칭 소자가 단락되고 상기 제2 스위칭 소자가 개방됨으로써 상기 배터리의 전압을 변환 없이 상기 제1 입출력 포트에 인가되게 할 수 있다.
상기 사륜 구동 차량에 따르면, 차량이 구동 중인 경우 배터리 저장 전력을 변환하여 보조 구동륜을 구동하기 위한 구동모터로 제공하고 배터리 충전 중에는 외부의 충전 설비에서 제공되는 전력을 변환하여 배터리의 충전 전력으로 제공하는 양방향 전력 변환 장치를 구비함으로써 부품 개수를 감소시켜 사륜 시스템을 단순화하고 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치 내 양방향 역률 보정 회로를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 4는 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치 내 양방향 직류-직류 컨버터의 일례를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 5는 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치 내 양방향 직류-직류 컨버터의 다른 예를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시형태에 따른 사륜 구동 차량을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량(10)은, 주 구동륜(16) 및 보조 구동륜(17)과, 주 구동륜(16)에 동력을 제공하는 제1 구동모터(12)와, 보조 구동륜(17)에 동력을 제공하는 제2 구동모터(14)와, 전기 에너지를 저장하는 배터리(11) 및 배터리(11)에 저장된 전기 에너지를 변환하여 제1 구동모터(12)로 제공하는 인버터(13) 및 차량 외부로부터 공급되는 전력을 변환하여 배터리(11)를 충전하기 위한 충전 전력을 생성하며, 배터리(11)에 저장된 전기 에너지를 변환하여 제2 구동 모터(14)로 제공하는 양방향 전력 변환 장치(15)를 포함할 수 있다.
주 구동륜(16)은 차량 주행에 필요한 동력 중 상대적으로 더 큰 동력으로 구동되는 구동륜이고, 보조 구동륜(17)은 차량 주행에 필요한 동력 중 상대적으로 더 작은 동력으로 구동되는 구동륜이 될 수 있다.
실 차량에서 주 구동륜(16)과 보조 구동륜(17)은 차량의 전륜 또는 후륜이 될 수 있다. 예를 들어, 전륜 구동 기반 사륜 구동 차량의 경우 전륜이 주 구동륜(16)이 되고 후륜이 보조 구동륜(17)이 될 수 있다. 다른 예로, 후륜 구동 기반 사륜 구동 차량의 경우 후륜이 주 구동륜(16)이 되고 전륜이 보조 구동륜(17)이 될 수 있다.
각각의 구동륜(16, 17)은 구동모터(12, 14)로부터 동력을 공급받아 회전할 수 있다. 설명의 편의 상 주 구동륜(16)에 동력을 공급하는 구동모터(12)를 제1 구동모터라하고 보조 구동륜(17)에 동력을 공급하는 구동모터(14)를 제2 구동모터라 하기로 한다.
제1 및 제2 구동모터(12, 14)는 차량이 주행할 수 있는 동력을 구동휠에 각각 공급하기 위한 회전 전기기계 장치로서, 당 기술 분야에 알려진 다양한 형식의 구동모터가 채용될 수 있다. 예를 들어, 구동 모터는 복수의 상(3상)의 교류 전력을 각각 공급 받아 자속을 형성하는 복수의 코일을 포함하는 고정자와 영구자석을 갖는 회전자를 포함하는 동기 전동기로 구현될 수 있다.
AWD 시스템은 주행 중 언더 및 오버 스티어를 방지하고, 동절기 눈길 탈출 탈출용으로 사용하기 위해 보조 구동륜에 연결된 제2 구동모터(14)는 주 구동륜에 연결된 제1 구동모터(12) 대비 대략 1/9 내지 1/4의 작은 출력을 사용하여도 원하는 용도에 적합한 충분한 성능을 확보할 수 있다. 따라서, 제2 구동모터(14)는 제1 구동모터(12)에 비해 작은 정격 출력을 갖는 모터일 수 있다.
주 구동륜(16)과 보조 구동륜(17) 사이의 동력 분배는 차량에 마련되는 컨트롤러(예를 들어, 차량 제어 유닛(Vehicle Control Unit: VCU))(100)에 의한 제1 구동모터(12) 및 제2 구동모터(14)의 동력(토크) 제어를 통해 이루어질 수 있다. 제1 구동모터(12) 및 제2 구동모터(14)의 동력 제어는 각 구동모터로 구동전류를 공급하는 전력 변환 장치들(13, 15)에 의해 이루어질 수 있다.
큰 동력을 출력하는 제1 구동모터(12)는, 배터리(11)의 저장 에너지를 3상의 교류 전력으로 변환하여 제1 구동모터(12)로 제공하는 인버터(13)를 컨트롤러(100)가 제어함으로써 그 동력이 결정될 수 있다.
인버터(13)는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환 장치로서, 차량에서 요구하는 목표 토크에 해당하는 구동 전류를 제1 구동모터(12)로 제공할 수 있도록 그 내부의 복수의 스위칭 소자가 펄스폭 변조 제어될 수 있다. 차량에 사용되는 구동모터가 요구 토크를 출력할 수 있도록 인버터(13)를 제어하는 다양한 방식이 당 기술분야에 알려져 있으므로 인버터(13)를 제어하는 방식에 대해서는 추가적인 설명은 생략하기로 한다.
제1 구동모터(12)에 비해 상대적으로 작은 동력을 출력하는 제2 구동모터(14)는 양방향 전력 변환 장치(15)에 의해 배터리(11)의 전력을 변환한 3상 교류 전력을 제공받을 수 있다.
여기서 양방향 전력 변환 장치(15)는 차량의 주행 시에는 배터리(11)의 전력을 3상 교류 전력으로 변환하여 제2 구동모터(14)로 공급하고, 배터리(11) 충전 시에는 차량의 충전 인렛(18)을 통해 제공되는 외부 충전 설비의 전력을 변환하여 배터리(11)를 충전할 수 있는 충전 전력을 생성하는 차량 탑재형 충전기(OBC)로서 작동할 수 있다. 따라서, 양방향 전력 변환 장치(15)는 양방향 OBC라고 칭할 수도 있다.
양방향 전력 변환 장치(15)는 제2 구동모터(14)의 구동 시 배터리(11)에서 제2 구동모터(14)의 방향으로 파워링이 이루지고 충전 시에는 배터리(11)로 파워링이 이루어지는 양방향 파워링이 가능한 장치이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치(15)는 양방향 역률 보정 회로(151)와 양방향 직류-직류 컨버터(152)를 포함하여 구성될 수 있다.
양방향 역률 보정(Power Factor Correction) 회로(151)는, 충전 인렛(18)으로부터 외부 충전 설비의 계통 전력이 공급되어 배터리(11)를 충전하는 경우 교류 전류의 역률을 높여 배터리(11) 측으로 제공하기 위한 통상 부스트 회로의 토폴로지로 구현될 수 있다.
또한, 양방향 PFC 회로(151)는 제2 구동모터(14)로 구동전류를 공급하는 경우 배터리(11) 측에서 제공되는 직류 전력을 3상의 교류 전력으로 변환할 수 있다. 더하여, 차량의 배터리(11)에 저장된 전력을 외부의 계통으로 공급하는 V2G(Vehicle to Grid)를 구현하는 과정에서도 양방향 PFC 회로(151)는 배터리(11) 측에서 제공되는 직류 전력을 3상의 교류 전력으로 변환할 수 있다.
양방향 직류-직류 컨버터(152)는, 충전 인렛(18)으로부터 외부 충전 설비의 계통 전력이 공급되어 배터리(11)를 충전하는 경우, 양방향 PFC 회로(151)의 출력 전압의 크기를 배터리(11)를 충전할 수 있는 전압의 크기로 변환하여 배터리(11)에 인가할 수 있다.
또한, 양방향 직류-직류 컨버터(152)는, 제2 구동모터(14)로 구동전류를 공급하는 경우 배터리(11)에서 출력되는 직류 전압의 크기를 변환하거나 그대로 바이패스 시켜 양방향 PFC(151)로 제공할 수 있다. 더하여, 차량의 배터리(11)에 저장된 전력을 외부의 계통으로 공급하는 V2G(Vehicle to Grid)를 구현하는 과정에서도 양방향 직류-직류 컨버터(152)는 배터리(11)에서 출력되는 직류 전압의 크기를 변환하거나 그대로 바이패스 시켜 양방향 PFC(151)로 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량은, 양방향 전력 변환 장치(15)의 용도에 따라 파워링 경로를 결정하기 위한 스위칭 수단(191, 192)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리(11)를 충전하거나 V2G를 구현하는 경우 차량의 충전 인렛(18)과 양방향 PFC 회로(151) 사이에 연결된 스위칭 수단(191)이 단락되고 제2 구동모터(14)와 양방향 PFC 회로(151) 사이에 연결된 스위칭 수단(192)가 개방될 수 있다. 또한, 제2 구동모터(14)를 구동하는 경우에는 차량의 충전 인렛(18)과 양방향 PFC 회로(151) 사이에 연결된 스위칭 수단(191)이 개방되고 제2 구동모터(14)와 양방향 PFC 회로(151) 사이에 연결된 스위칭 수단(192)가 단락될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치 내 양방향 역률 보정 회로를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치 내 양방향 역률 보정 회로는 충전 인렛(18) 또는 제2 구동모터(14) 측에 연결되는 제1 입출력 포트(T11)과 양방향 직류-직류 컨버터(152) 측에 연결되는 제2 입출력 포트(T2) 및 제1 입출력 포트(T11)과 제2 입출력 포트(T2) 사이에 구비되는 복수의 부스트 인덕터 회로(21)와 스위칭 소자(S1-S6)를 포함하는 스위칭 회로(23)를 포함할 수 있다.
제1 입출력 포트(T11)은 총 3개의 단자로 이루어질 수 있으며, 각각의 단자에 부스트 인덕터(L1, L2, L3)의 일단이 연결될 수 있다. 스위칭 회로(23)는 두 개의 단자로 이루어진 제2 입출력 포트(T2)의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2), 제2 입출력 포트(T2)의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4), 제2 입출력 포트(T2)의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자(S5), 제6 스위칭 소자(S6)를 포함할 수 있다. 부스트 인덕터(L1, L2, L3)의 타단은 각각 제1 스위칭 소자(S1)와 제2 스위칭 소자(S2)의 연결 노드, 제3 스위칭 소자(S3)와 제4 스위칭 소자(S4)의 연결 노드 및 제5 스위칭 소자(S5)와 제6 스위칭 소자(S6)의 연결 노드에 연결될 수 있다.
충전 인렛(18)으로부터 제1 입출력 포트(T11)의 각 단자에 서로 다른 위상의 3 상 교류 전력이 입력되어 배터리(11)를 충전하는 경우 제1 입출력 포트(T11)로 입력되는 전력은 부스팅 인덕터 회로(21)와 스위칭 회로(23)가 형성하는 부스트 회로에 의해 역률이 보정되어 제2 입출력 포트(T2)으로 출력된다.
즉, 제1 부스트 인덕터(L1)과 제1 스위칭 소자(S1), 제2 스위칭 소자(S2)가 하나의 부스트 회로를 형성하고, 제2 부스트 인덕터(L2)와 제3 스위칭 소자(S3), 제4 스위칭 소자(S4)가 또 하나의 부스트 회로를 형성하고, 제3 부스트 인덕터(L3)와 제5 스위칭 소자(S5), 제6 스위칭 소자(S6)가 또 하나의 부스트 회로를 형성하여 각 상의 교류 전력의 역률을 개선하여 제2 입출력 포트(T2)로 출력할 수 있다.
제2 입출력 포트(T2)의 두 단자 사이에 직류 링크 커패시터(도 2의 Cdc)가 연결되어 양방향 직류-직류 컨버터(152)의 입출력 포트에 직류 전압이 형성되게 할 수 있다.
한편, 제2 구동모터(14)로 구동전류를 제공하거나 V2G를 구현하기 위해 충전 인렛(18)으로 배터리(11) 전력을 변환하여 제공하는 경우, 스위칭 회로(23)는 제2 입출력 포트(T2)에 인가되는 직류 전력을 제1 입출력 포트(T11)의 각 단자로 출력되는 3상의 교류 전력으로 변환하도록 동작할 수 있다. 즉 스위칭 회로(23)가 인버터와 동일하게 동작하는 경우 제1 입출력 포트(T11)에는 배터리(11)의 직류 전력을 변환한 3상 교류 전력이 제공될 수 있다. 이러한 스위칭 회로(23)의 동작은 컨트롤러(100)에 의해 제어될 수 있다.
제1 입출력 포트(T11)과 충전 인렛(18) 사이에는 스위칭 수단(191)이 구비될 수 있으며, 제1 입출력 포트(T11)과 제2 구동모터(14) 사이에는 스위칭 수단(192)가 구비될 수 있다. 스위칭 수단(191, 192) 역시 컨트롤러(100)의 제어에 의해 파워링 경로를 적절하게 형성할 수 있도록 단락 또는 개방 상태가 결정될 수 있다.
한편, 선택적으로 스위칭 회로(23) 내 직렬 연결된 스위칭 소자의 연결 노드에 직접 연결된 추가의 입출력 포트(T12)이 구비될 수 있다. 이 추가 입출력 포트(T12)가 추가되는 예에서는 추가 입출력 포트(T12)가 직접 제2 구동모터(14)와 연결될 수 있다. 추가 입출력 포트(T12)가 구비되는 경우 제1 입출력 포트(T11)과 충전 인렛(18) 사이에는 스위칭 수단(191)이 구비되고, 추가 입출력 포트(T12)과 제2 구동모터(14) 사이에는 스위칭 수단(192)가 구비될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 입출력 포트(T11)과 부스트 인덕터 회로(21) 사이에는 계통 전력의 왜곡을 제거하기 위한 EMI 필터 등이 구비될 수 있다. 즉, 배터리(11)를 충전하는 경우 계통으로부터 유입되는 각종 노이즈 등을 제거하기 위해 큰 용량의 EMI 필터가 필요하지만, 제2 구동모터(14)로 전력을 공급하는 경우에는 구동모터(14) 자체가 큰 인덕턴스를 가지므로 EMI 필터가 크게 요구되지 않는다. 따라서, 제2 구동모터(14)로 전력을 공급하는 경우에는 부스트 인덕터 회로(21)나 EMI 필터를 바이패스하고 스위칭 회로(23)에서 생성된 삼상 전력을 제2 구동모터(14)로 직접 제공하는 것이 가능하며 더 효율적일 수 있다.
도 4는 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치 내 양방향 직류-직류 컨버터의 일례를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 4에 도시된 예는 트랜스포머(35)를 이용한 절연형 직류-직류 컨버터로서, 양방향 PFC 회로(151)의 제2 입출력 포트(T2)에 연결된 입출력 포트(T3)과 상호 인덕턴스를 형성하는 두 코일을 포함하는 트랜스포머(35)와, 입출력 포트(T3)와 트랜스포머(35)의 일 코일 사이에 연결된 스위칭 회로(31)와, 배터리(11)에 연결된 입출력 포트(T4)과 트랜스포머(35)의 다른 코일 사이에 연결된 스위칭 회로(33)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(11)를 충전하는 경우, 스위칭 회로(31)는 입출력 포트(T3)에 인가되는 직류 전압, 즉 양방향 PFC 회로(151)의 제2 입출력 포트(T2)에 형성된 직류 전압을 교류의 형태로 변환하여 트랜스포머(35)의 코일로 인가한다. 상호 인덕턴스에 의해 트랜스포머(35)의 다른 코일로 유도된 교류의 전압은 스위칭 회로(33)에 의해 다시 직류로 변환되어 입출력 포트(T4)으로 출력됨으로써 배터리(11)로 충전 전력을 제공할 수 있게 된다. 물론, 다른 코일로 유도된 교류의 전압의 크기는 트랜스포머(35)의 두 코일간의 턴비에 의해 결정될 수 있다.
한편, 제2 구동모터(14)로 구동전류를 제공하거나 V2G를 구현하기 위해 충전 인렛(18)으로 배터리(11) 전력을 변환하여 제공하는 경우, 스위칭 회로(33)는 입출력 포트(T4)에 인가되는 배터리(11)의 직류 전압을 교류의 형태로 변환하여 트랜스포머(35)의 코일로 인가한다. 상호 인덕턴스에 의해 트랜스포머(35)의 다른 코일로 유도된 교류의 전압은 스위칭 회로(31)에 의해 다시 직류로 변환되어 입출력 포트(T3)으로 출력됨으로써 양방향 PFC 회로(151)의 제2 입출력 포트(T2)로 배터리(11)로 전력을 변환하여 제공할 수 있게 된다.
선택적으로, 양방향 직류-직류 컨버터(152)는 트랜스포머(35) 내의 두 코일의 양단을 각각 서로 전기적으로 연결/차단할 수 있는 스위칭 수단(371, 372)를 더 포함할 수 있다. 배터리(11)를 충전하는 경우, 즉 입출력 포트(T3)에서 입출력 포트(T4)의 방향으로 파워링이 이루어지는 경우에는 배터리(11)를 충전할 수 있는 적절한 크기의 전압을 입출력 포트(T4)에 형성할 수 있어야 하므로 스위칭 수단(371, 372)가 개방되어 전압의 크기를 변환하는 동작이 수행되어야 한다. 그러나, 배터리(11)에서 제2 구동모터(14)나 계통으로 전력을 공급하는 경우, 즉 입출력 포트(T4)에서 입출력 포트(T3)의 방향으로 파워링이 이루어지는 경우에는 스위칭 수단(371, 372)을 단락시켜 트랜스포머(35)를 바이패스 시킴으로써 배터리(11)의 전압이 그대로 양방향 PFC 회로(151)의 제2 입출력 포트(T2)에 인가되게 할 수 있다.
도 5는 발명의 일 실시형태에 따른 사륜 구동 차량의 양방향 전력 변환 장치 내 양방향 직류-직류 컨버터의 다른 예를 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 5에 도시된 예는 비절연형 직류-직류 컨버터로서, 입출력 포트(T3)의 일 단자에 일단이 연결된 스위칭 소자(S7)와 스위칭 소자(S7)의 타단과 입출력 포트(T4)의 일 단자에 양단이 각각 연결된 인덕터(L4)와 스위칭 소자(S7)과 인덕터(L4)의 연결 노드에 일단이 연결되고 입출력 포트(T3)의 타 단자와 입출력 포트(T4)의 타 단자에 공통으로 타단이 연결된 스위칭 소자(S8)을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 비절연형 직류-직류 컨버터는, 입출력 포트(T3)에서 입출력 포트(T4) 방향으로 파워링이 이루어지는 경우 전압을 강압시키는 벅 컨버터로 동작할 수 있으며, 입출력 포트(T4)에서 입출력 포트(T3) 방향으로 파워링이 이루어지는 경우 전압을 승압시키는 부스트 컨버터로 동작할 수 있다.
배터리(11)를 충전하는 경우, 스위칭 수단(S7)의 듀티를 제어함으로써 입출력 포트(T3)의 전압을 강압하여 배터리(11)를 충전할 수 있는 전압이 입출력 포트(T4)에 형성되게 할 수 있다.
또한, 제2 구동모터(14)로 구동전류를 제공하거나 V2G를 구현하기 위해 충전 인렛(18)으로 배터리(11) 전력을 변환하여 제공하는 경우, 스위칭 수단(S8)의 듀티를 제어함으로써 배터리(11)의 전압을 승압시켜 입출력 포트(T3)에 인가되게 할 수 있다. 다른 예로, 단순히 스위칭 소자(S7)을 단락시키고 스위칭 소자(S8)을 개방함으로써 배터리(11)의 전압을 변환 없이 입출력 포트(T3)에 인가되게 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 사륜 구동 차량은 배터리를 충전하기 위한 탑재형 충전기와 보조 구동륜에 동력을 제공하는 구동모터에 구동 전력을 공급하는 인버터를 통합하여 구현함으로써 차량의 구성을 단순화 시킬 수 있다. 이에 따라 사륜 구동 시스템의 부피를 감소시키고 구현 비용을 절감하여 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 사륜 구동 차량 11: 배터리
12: 제1 구동모터 13: 인버터
14: 제2 구동모터 15: 양방향 전력 변환 장치
16: 주 구동륜 17: 보조 구동륜
18: 충전 인렛 100: 컨트롤러
151: 양방향 역률 보정 회로 152: 양방향 직류-직류 컨버터
191, 192: 스위칭 수단 21: 부스트 인덕터 회로
23: 스위칭 회로 31, 33: 스위칭 회로
35: 트랜스포머 371, 372: 스위칭 수단
T11, T12, T2, T3, T4: 입출력 포트
S1-S8: 스위칭 소자

Claims (19)

  1. 주 구동륜 및 보조 구동륜;
    상기 주 구동륜에 동력을 제공하는 제1 구동모터;
    상기 보조 구동륜에 동력을 제공하는 제2 구동모터;
    전기 에너지를 저장하는 배터리;
    상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 변환하여 상기 제1 구동모터로 제공하는 인버터;
    차량 외부로부터 공급되는 전력을 변환하여 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전력을 생성하며, 상기 배터리에 저장된 전기 에너지를 변환하여 상기 제2 구동 모터로 제공하는 양방향 전력 변환 장치;
    를 포함하는 사륜 구동 차량.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 구동모터는 상기 제1 구동모터 보다 작은 정격 출력을 갖는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양방향 전력 변환 장치와 외부의 충전 전력을 공급 받는 충전 인렛 사이에 연결된 제1 스위칭 수단 및 상기 양방향 전력 변환 장치와 상기 제2 구동 모터 사이에 연결된 제2 스위칭 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 충전 인렛을 통해 외부 충전 전력이 인가되거나 상기 배터리의 전력을 상기 충전 인렛을 통해 외부로 출력하는 경우 상기 제1 스위칭 수단은 단락되고 상기 제2 스위칭 수단은 개방되며, 상기 사륜 구동 차량이 주행 중인 경우 상기 제1 스위칭 수단은 개방되고 상기 제2 스위칭 수단은 단락되는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 양방향 전력 변환 장치는,
    외부의 충전 전력을 공급 받는 충전 인렛 및 상기 제2 구동모터에 연결되는 양방향 역률 보정 회로 및 상기 양방향 역률 보정 회로와 상기 배터리 사이에 연결된 양방향 직류-직류 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 양방향 역률 보정 회로는,
    상기 충전 인렛 및 상기 제2 구동모터에 선택적으로 연결되는 제1 입출력 포트;
    상기 양방향 직류-직류 컨버터에 연결되는 제2 입출력 포트;
    상기 제1 입출력 포트의 각 단자에 연결된 복수의 부스트 인덕터를 갖는 부스트 인덕터 회로; 및
    상기 부스트 인덕터 회로와 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 입출력 포트는 3개의 단자를 가지며, 상기 복수의 부스트 인덕터는 상기 제1 입출력 포트의 3개의 단자에 각각 연결된 제1 부스트 인덕터, 제2 부스트 인덕터 및 제3 부스트 인덕터를 포함하며,
    상기 제2 입출력 포트는 두 개의 단자를 가지며 상기 스위칭 회로는 상기 제2 입출력 포트의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자, 상기 제2 입출력 포트의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자, 상기 제2 입출력 포트의 두 단자 사이에 서로 직렬 연결된 제5 스위칭 소자, 제6 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 제1 부스트 인덕터의 타단은 각각 상기 제1 스위칭 소자와 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 연결되고, 상기 제2 부스트 인덕터의 타단은 제3 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 연결되며, 상기 제3 부스트 인덕터의 타단은 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자의 연결 노드에 연결된 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 충전 인렛으로부터 상기 제1 입출력 포트의 각 단자에 서로 다른 위상의 3상 교류 전력이 입력되어 상기 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 부스트 인덕터와 상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자가 하나의 부스트 회로를 형성하고, 상기 제2 부스트 인덕터와 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자(S4)가 하나의 부스트 회로를 형성하고, 상기 제3 부스트 인덕터와 상기 제5 스위칭 소자 및 상기 제6 스위칭 소자가 또 하나의 부스트 회로를 형성하여 각 상의 교류 전력의 역률을 보정하여 상기 제2 입출력 포트로 출력하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우, 상기 스위칭 회로는 인버터로 동작하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 양방향 역률 보정 회로는,
    상기 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자의 연결 노드에 연결된 단자와, 상기 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자의 연결 노드에 연결된 단자 및 상기 제5 스위칭 소자 및 제6 스위칭 소자의 연결 노드에 연결된 단자를 갖는 추가 입출력 포트를 더 포함하며, 상기 추가 입출력 포트는 상기 제2 구동 모터에 연결된 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 입출력 포트와 상기 충전 인렛 사이에 연결된 제1 스위칭 수단 및 상기 추가 입출력 포트와 상기 제2 구동 모터 사이에 연결된 제2 스위칭 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 충전 인렛을 통해 외부 충전 전력이 인가되거나 상기 배터리의 전력을 상기 충전 인렛을 통해 외부로 출력하는 경우 상기 제1 스위칭 수단은 단락되고 상기 제2 스위칭 수단은 개방되며, 상기 사륜 구동 차량이 주행 중인 경우 상기 제1 스위칭 수단은 개방되고 상기 제2 스위칭 수단은 단락되는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  13. 청구항 5에 있어서, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는,
    상기 양방향 PFC 회로에 연결된 제1 입출력 포트;
    상호 인덕턴스를 형성하는 두 코일을 포함하는 트랜스포머;
    상기 제1 입출력 포트와 상기 트랜스포머의 일 코일 사이에 연결된 제1 스위칭 회로;
    상기 배터리에 연결된 제2 입출력 포트; 및
    상기 제2 입출력 포트와 상기 트랜스포머의 다른 코일 사이에 연결된 제2 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 제1 입출력 포트에 인가되는 직류 전압 교류의 형태로 변환하여 상기 트랜스포머의 일 코일로 인가하며,
    상기 제2 스위칭 회로는 상기 트랜스포머의 다른 코일로 유도된 교류의 전압을 직류로 변환하여 상기 제2 입출력 포트로 출력하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 제2 입출력 포트에 인가되는 상기 배터리의 직류 전압을 교류의 형태로 변환하여 상기 트랜스포머의 일 코일로 인가하고,
    상기 제1 스위칭 회로는 상기 트랜스포머의 다른 코일로 유도된 교류의 전압을 직류로 변환하여 상기 제1 입출력 포트로 출력하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는,
    상기 트랜스포머 내의 두 코일의 양단을 각각 서로 전기적으로 개방 또는 단락 시키는 제1 스위칭 수단 및 제2 스위칭 수단을 더 포함하며
    상기 배터리를 충전하는 경우 상기 제1 스위칭 수단 및 제2 스위칭 수단은 개방되고, 상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우 상기 제1 스위칭 수단 및 제2 스위칭 수단은 단락되는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  17. 청구항 5에 있어서, 상기 양방향 직류-직류 컨버터는,
    상기 양방향 PFC 회로에 연결된 제1 입출력 포트;
    상기 배터리에 연결된 제2 입출력 포트;
    상기 제1 입출력 포트의 일 단자에 일단이 연결된 제1 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 소자의 타단과 상기 제2 입출력 포트의 일 단자에 양단이 각각 연결된 인덕터; 및
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 인덕터의 연결 노드에 일단이 연결되고 상기 제1 입출력 포트의 타 단자와 상기 제2 입출력 포트의 타 단자에 공통으로 타단이 연결된 제2 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 스위칭 수단의 듀티가 제어됨으로써 상기 제1 입출력 포트의 전압을 강압하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 충전 전압을 상기 제2 입출력 포트로 출력하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 제2 구동모터로 구동전류를 제공하거나 상기 충전 인렛으로 상기 배터리 전력을 변환하여 제공하는 경우, 상기 제2 스위칭 수단의 듀티가 제어됨으로써 상기 배터리의 전압을 승압하여 상기 제1 입출력 포트로 출력하거나, 상기 제1 스위칭 소자가 단락되고 상기 제2 스위칭 소자가 개방됨으로써 상기 배터리의 전압을 변환 없이 상기 제1 입출력 포트에 인가되게 하는 것을 특징으로 하는 사륜 구동 차량.
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