KR20210018599A

KR20210018599A - 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20210018599A
Application number: KR1020190095384A
Authority: KR
Inventors: 이성민; 신상철; 임영설; 이기종; 이제환
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2021-02-18
Also published as: US11772505B2; DE102020110747A1; CN112339587A; US20210044135A1

Abstract

양단자와 음단자를 포함하는 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단을 가지며 상기 직류 연결단과 상기 복수의 모터 연결단 사이에 전기적 연결관계를 형성하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터; 상기 복수의 모터 연결단에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결되어 중성점을 형성하는 복수의 코일을 포함하는 모터; 배터리와 인버터 사이의 전기적 연결관계 및 상기 배터리와 상기 중성점 사이의 전기적 연결관계를 결정하고, 외부에서 공급되는 충전 전압을 상기 직류 연결단에 공급 또는 차단하는 복수의 스위칭 장치; 및 상기 충전 전압의 크기에 기반하여 상기 복수의 스위칭 장치 및 상기 인버터 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템이 개시된다.

Description

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CHARGING USING MOTOR DRIVING SYSTEM}

본 발명은 모터 구동 시스템을 이용한 충전 전력 공급 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 외부 충전 전압의 크기에 따라 다양한 모드로 배터리를 충전할 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차는 외부의 충전 설비에서 제공되는 전력을 제공받아 차량 내 배터리를 충전하고, 충전된 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동함으로써 차량의 동력을 생성할 수 있다.

차량 내 배터리를 충전하는 방식은 크게 외부의 교류 충전 전력을 제공받아 배터리 충전에 적합한 크기의 직류 충전 전력으로 변환하는 차량 탑재형 충전기를 이용하여 배터리를 비교적 느린 속도로 충전하는 완속 충전 방식 및 나 외부의 직류 충전 전력을 직접 배터리로 제공하여 신속하게 배터리를 충전하는 급속 충전 방식의 두가지 충전 방식이 적용되고 있다.

이 중, 급속 충전 방식은 배터리로 외부의 직류 충전 전력을 직접 인가하는 방식이므로 외부의 직류 충전 전력의 전압이 배터리를 충전할 수 있는 적절한 크기의 전압으로 제공되어야 한다. 그러나, 친환경 차량에 대한 다양한 연구 개발이 이루어짐에 따라 배터리의 전압은 다양하게 변화되고 있다. 그에 반해 직류 충전을 위한 인프라는 다양화되는 배터리 전압에 모두 충족하도록 변경되기 어려우므로, 배터리를 충전할 수 있는 전압의 크기로 충전 전압을 변화하기 위한 별도의 컨버터가 추가로 요구되며, 이는 추가적인 비용이나 단가를 상승시키는 원인이 된다.

또한, 컨버터 대신 외부의 급속 충전 설비 자체에서 전압의 크기를 조정할 수 있다고 하더라도 급속 충전 설비가 제공하는 전류의 크기는 전압에 상관없이 일정하게 제공되므로 급속 충전 설비가 제공할 수 있는 최대 공급 전압 보다 낮은 전압으로 충전 전압이 조정되는 경우 급속 충전 설비 자체에서 제공하는 충전 전력은 감소하게 되는 문제가 발생한다. 예를 들어, 250A의 충전 전류를 제공하는 급속 충전 설비의 경우, 800 V로 충전 전압을 제공하는 경우보다 400 V로 충전 전압을 제공하는 경우 공급되는 충전 전력은 절반으로 감소하게 된다.

이와 같이, 당 기술분야에서는 다양한 배터리 전압에 대응 가능하고 외부의 직류 충전 설비에서 제공하는 충전 전력을 최대한 활용할 수 있는 차량의 배터리 충전 기법이 요구되고 있다.

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.

한국특허출원 제10-2018-0043152호 한국특허출원 제10-2018-0154797호 한국특허출원 제10-2018-0160200호

이에 본 발명은, 모터 구동을 위해 마련된 모터 구동 시스템을 이용하여 외부의 직류 충전 전압을 배터리 충전에 적합한 적절한 크기의 전압으로 변환하여 배터리로 제공함으로써 다양한 배터리 전압에 대응 가능하고 외부 충전 설비가 제공할 수 있는 최대 충전 전력을 활용하여 배터리 충전 속도를 더욱 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

양단자와 음단자를 포함하는 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단을 가지며 상기 직류 연결단과 상기 복수의 모터 연결단 사이에 전기적 연결관계를 형성하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터;

상기 복수의 모터 연결단에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결되어 중성점을 형성하는 복수의 코일을 포함하는 모터;

배터리와 인버터 사이의 전기적 연결관계 및 상기 배터리와 상기 중성점 사이의 전기적 연결관계를 결정하고, 외부에서 공급되는 충전 전압을 상기 직류 연결단에 공급 또는 차단하는 복수의 스위칭 장치; 및

상기 충전 전압의 크기에 기반하여 상기 복수의 스위칭 장치 및 상기 인버터 동작을 제어하는 컨트롤러;

를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 충전 전압이 상기 직류 연결단에 인가되고 상기 중성점이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 강압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자 중 상기 양단자에 연결된 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 상기 직류 연결단에 인가된 상기 충전 전압을 강압하여 상기 중성점에 형성되게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 충전 전압이 상기 중성점에 인가되고 상기 직류 연결단이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 승압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자 중 상기 음단자에 연결된 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 상기 직류 연결단에 인가된 상기 충전 전압을 승압하여 상기 직류 연결단에 형성되게 할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 충전에 적절한 크기를 갖는 경우, 상기 충전 전압이 상기 배터리에 직접 인가되게 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 스위칭 장치는, 상기 충전 전압을 제공하는 외부 충전 장치의 양단자와 상기 인버터의 양단자 사이에 연결된 제1 스위칭 장치; 상기 외부 충전 장치의 음단자와 상기 인버터의 음단자 사이에 연결된 제2 스위칭 장치; 상기 모터의 중성점과 상기 배터리의 양단자 사이에 연결된 제3 스위칭 장치; 및 상기 인버터의 양단자와 상기 배터리의 양단자 사이에 연결된 제4 스위칭 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 제1 스위칭 장치, 상기 제2 스위칭 장치 및 상기 제3 스위칭 장치를 단락시키고, 상기 제4 스위칭 장치를 개방시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 충전에 적절한 크기를 갖는 경우, 상기 제1 스위칭 장치, 상기 제2 스위칭 장치 및 상기 제4 스위칭 장치를 단락시키고, 상기 제3 스위칭 장치를 개방시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 스위칭 장치는, 상기 외부 충전 장치의 양단자와 상기 중성점 사이에 연결된 제5 스위칭 장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 제2 스위칭 장치, 상기 제4 스위칭 장치 및 상기 제5 스위칭 장치를 단락시키고, 상기 제1 스위칭 장치 및 상기 제3 스위칭 장치를 개방시킬 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

차량 주행 시 배터리의 직류 전력을 복수의 위상을 갖는 교류 전력으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터에서 변환된 복수의 위상을 갖는 교류 전력을 각각 입력 받는 복수의 코일을 구비하는 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 있어서,

상기 배터리를 외부에서 공급되는 충전 전압으로 충전하는 충전 모드에서,

상기 충전 전압을 상기 배터리로 직접 인가하는 제1 충전 모드;

상기 충전 전압을 상기 인버터의 직류 연결단으로 인가하여 상기 인버터 내 스위칭 소자와 상기 코일이 강압 컨버터로 동작하도록 제어하여 상기 복수의 코일이 상호 연결된 중성점을 통해 상기 배터리로 강압된 전압을 인가하는 제2 충전 모드; 및

상기 충전 전압을 상기 중성점으로 인가하여 상기 코일과 상기 인버터가 승압 컨버터로 동작하도록 제어하여 상기 인버터의 직류 연결단을 통해 상기 배터리로 승압된 전압을 인가하는 제3 충전 모드 중 하나를 상기 충전 전압의 크기에 기반하여 결정하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템을 제공한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 또 다른 수단으로서 본 발명은,

전술한 충전 시스템을 이용한 충전 방법에 있어서,

상기 컨트롤러가 상기 충전 전압의 크기와 상기 배터리 전압을 비교하여 충전 모드를 결정하는 단계; 및

상기 컨트롤러가, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 충전 전압이 상기 직류 연결단에 인가되고 상기 중성점이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 강압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 단계;

를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 컨트롤러가, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 충전에 적절한 크기를 갖는 경우, 상기 충전 전압이 상기 배터리에 직접 인가되게 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 컨트롤러가, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 충전 전압이 상기 중성점에 인가되고 상기 직류 연결단이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 승압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 따르면, 외부에서 급속 충전을 위해 공급되는 직류 충전 전압의 크기가 배터리를 충전하기에 적절한 크기가 아닌 경우에도, 추가적인 컨버터 없이 인버터 내 스위칭 소자와 모터의 코일이 형성하는 회로 구조를 활용하여 충전 전압을 원하는 크기로 변환하여 배터리로 제공되게 할 수 있다. 이를 통해, 장치 추가에 따른 비용을 절감하고 원가 상승을 억제할 수 있다.

특히, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 따르면, 인버터내 스위칭 소자와 모터의 코일이 형성하는 회로를 강압 컨버터로 활용하는 경우, 외부의 급속 충전 장치에서 최대 전압으로 제공하는 충전 전류를 강압 컨버터의 듀티에 역수 만큼 상승시켜 배터리로 공급할 수 있으므로, 급속 충전 장치 자체에서 낮은 전압의 상태로 충전 전류가 제공되는 것에 비해 충전 속도를 현저하게 증가시키고 충전 시간을 감소시킬 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 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법의 흐름도이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 시스템은, 차량(10)의 외부에서 제공되는 직류 충전 전압에 기반하여 모터(300)의 구동을 위해 마련된 시스템을 통해 에너지 저장 장치인 배터리(100)로 충전 가능한 크기의 전압을 생성하여 제공하거나 외부의 직류 충전 전압을 직접 배터리(100)로 제공하는 시스템이다.

일반적으로, 모터(300)를 구동하기 위한 시스템은, 모터(300)를 구동하기 위한 전력을 저장하는 에너지 저장 장치인 배터리(100)와 배터리(100)에 저장된 직류 전력을 3상의 교류로 변환하여 모터(300)로 제공하는 인버터(200)를 포함할 수 있다. 인버터(200)는 배터리(10)의 양단에 각각 연결된 양(+)단자(210p)와 음(-)단자(210n)를 포함하는 직류 연결단과 직류 연결단 사이에 상호 병렬 관계로 연결되는 세 개의 레그를 가지며, 각 레그에는 두 개의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6 중 두 개)가 서로 직렬 연결되고 두 스위칭 소자의 연결 노드가 각각 모터(300)의 각 상에 연결되는 복수의 모터 연결단(210a, 210b, 210c)이 된다.

모터 구동을 위해서, 모터(300)의 구동을 통해 얻고자 하는 모터(300)의 토크에 해당하는 전류 지령만큼 모터(300)로 전류를 제공할 수 있도록 인버터(200) 내 스위칭 소자(Q1-Q6)의 펄스폭 변조 제어가 수행될 수 있다.

본 발명의 여러 실시형태는 전술한 모터 구동 시와는 달리, 인버터(200)의 직류 연결단(210p, 210n)에 외부의 직류 충전 전력을 인가하고 인버터(200)의 스위칭 소자(Q1-Q6)를 제어하여 모터(300)의 중성점(N)에 원하는 크기의 직류 전압을 형성한 후 이를 배터리(100)로 제공하거나, 모터(300)의 중성점(N)으로 외부의 직류 충전 전력을 인가하고 인버터(200)의 스위칭 소자(Q1-Q6)를 제어하여 인버터(200)의 직류 연결단에 원하는 크기의 직류 전압을 형성한 후 이를 배터리(100)로 제공할 수 있다. 또한, 외부 충전 설비(직류 충전 전압을 제공하는 급속 충전 장치(20))에서 제공되는 전압의 크기가 배터리(100)의 충전에 적절한 크기인 경우에는 외부의 직류 충전 전압이 인버터(200)나 모터(300)를 거치지 않고 직접 배터리(100)에 인가되게 할 수도 있다.

전술한 것과 같은 특징을 구현하기 위해, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템은, 배터리(100)와, 양단자(210p)와 음단자(210n)를 포함하는 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단(210a, 210b, 210c)을 가지며 직류 연결단(210p, 210n)과 복수의 모터 연결단(210a, 210b, 210c) 사이에 전기적 연결관계를 형성하는 복수의 스위칭 소자(Q1-Q6)를 포함하는 인버터(200)와, 복수의 모터 연결단(210a, 210b, 210c)에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결되어 중성점(N)을 형성하는 복수의 코일을 포함하는 모터(300)와, 배터리(100)와 인버터(200) 사이의 전기적 연결관계 및 배터리(100)와 중성점(N) 사이의 전기적 연결관계를 결정하고, 외부에서 공급되는 충전 전압을 직류 연결단(210p, 210n)에 공급 또는 차단하는 복수의 스위칭 장치(SW1-SW5) 및 충전 전압의 크기에 따라 복수의 스위칭 장치(SW1-SW5) 및 인버터(300)의 동작을 제어하는 컨트롤러(700)를 포함할 수 있다.

배터리(100)는 충전의 대상이 되는 요소로서, 충전 모드에서 외부의 충전 장치(20)에서 제공되는 직류 충전 전력을 제공받아 충전될 수 있다. 일반적으로, 배터리(100)는 차량 주행 시 구동되는 모터(300)로 제공되는 구동 전력을 저장하기 위한 에너지 저장 장치이다.

인버터(200)는, 양단자(210p)와 음단자(210n)를 포함하는 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단(210a, 210b, 210c)을 가지며 직류 연결단(210p, 210n)과 복수의 모터 연결단(210a, 210b, 210c) 사이에 전기적 연결관계를 형성하는 복수의 스위칭 소자(Q1-Q6)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 차량 주행 시, 인버터(200)는 배터리(100)에 저장된 직류 전력을 복수의 상을 갖는 교류 전력으로 변환하고 복수의 상의 교류 전력을 각각 모터(300)의 각 상으로 제공할 수 있다.

전술한 바와 같이, 모터의 각 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자(Q1, Q2 / Q3, Q4 / Q5, Q6)의 연결 노드는 모터 연결단(210a, 210b, 210c)을 통해 모터(300)의 각 상에 대응되는 코일과 연결될 수 있다. 따라서, 인버터(200)의 한 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자와 그 연결노드에 일단이 연결된 모터(300) 내 하나의 코일은 에너지 흐름의 방향에 따라 강압 직류-직류 컨버터 또는 승압 직류-직류 컨버터의 토폴로지를 구현할 수 있다.

즉, 인버터(200)의 직류 연결단(210p, 210n)에서 모터(300)의 중성점(N)으로 에너지의 흐름이 발생하는 경우, 인버터(200)의 스위칭 소자와 모터(300)의 코일은 양단자(210p)에 연결된 윗(top) 상의 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)를 듀티를 제어하는 강압 직류-직류 컨버터가 구현될 수 있다. 3상의 인버터(200)의 경우 총 세개의 레그가 형성되므로 세 개의 강압 직류-직류 컨버터가 인버터(200)의 직류 연결단과 모터(300)의 중성점(N) 사이에 병렬 연결된 구조가 형성된다.

또한, 모터(300)의 중성점(N)에서 인버터(200)의 직류 연결단(210p, 210n)으로 에너지의 흐름이 발생하는 경우, 인버터(200)의 스위칭 소자와 모터(300)의 코일은 음단자(210n)에 연결된 아랫(bottom) 상의 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)를 듀티를 제어하는 승압 직류-직류 컨버터가 구현될 수 있다. 3상의 인버터(200)의 경우 총 세개의 레그가 형성되므로 세 개의 승압 직류-직류 컨버터가 인버터(200)의 직류 연결단과 모터(300)의 중성점(N) 사이에 병렬 연결된 구조가 형성된다.

전술한 것과 같은 강압 컨버터 및 승압 컨버터를 형성하여 충전 시 배터리(100)로 적절한 크기의 전압을 인가하기 위해, 적절한 전기적 연결 경로를 형성하도록 복수의 스위칭 장치(SW1-SW5)가 구비될 수 있다.

제1 스위칭 장치(SW1)과 제2 스위칭 장치(SW2)는 외부의 급속 충전 장치(20)의 양단자와 음단자 및 인버터(200)의 양단자(210p)와 음단자(210n) 사이에 연결될 수 있다. 제3 스위칭 장치(SW3)는 모터(300)의 중성점(N)과 배터리(100)의 양단자 사이에 연결될 수 있으며, 제4 스위칭 장치(SW4)는 인버터(200)의 양단자(210p)와 배터리(200)의 양단자 사이에 연결될 수 있다. 제1 내지 제4 스위칭 장치(SW1-SW4)의 연결 상태를 적절하게 조정하는 경우, 통해 배터리(100)로 급속 충전 장치(20)의 충전 전압을 강압하여 공급하거나 배터리(100)로 급속 충전 장치(20)의 충전 전압을 그대로 공급할 수 있다.

외부의 급속 충전 장치(20)의 충전 전압을 승압하여 제공하기 위해서는 급속 충전 장치(20)의 양단자와 모터(300)의 중성점(N) 사이에 연결되는 제5 스위칭 장치(SW5)가 더 구비될 수 있다.

제1 내지 제5 스위칭 장치(SW1-SW5)는 당 기술 분야에 공지된 다양한 스위칭 수단(반도체 스위치, 릴레이 등)이 채용될 수 있다.

컨트롤러(700)는 급속 충전 장치(20)에서 제공되는 충전 전압의 크기에 기반하여 제1 내지 제5 스위칭 장치(SW1-SW5)의 연결 상태를 조정하고, 그에 따라 인버터(200) 내 스위칭 소자(Q1-Q6)를 제어하여 배터리(100)에 적절한 크기의 전압이 인가되게 할 수 있다. 컨트롤러(700)에 의해 구현되는 본 발명의 다양한 동작 및 작용 효과는 후술하는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에 대한 설명을 통해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1에서, 참조 부호 '400'은 배터리(100)와 나머지 장치들의 연결 상태를 결정하는 메인 릴레이로서, 차량의 시동이 온되거나 차량의 충전이 이루어지는 경우 단락될 수 있다. 또한, 참조 부호 '500'은 배터리(100)의 고전압을 차량 전장 부품의 전원에 대응되는 저전압으로 변환하는 저전압 직류 컨버터(Low Voltage DC-DC Converter)이고, 참조 부호 '600'은 전장 부품의 전원을 공급하는 저전압 배터리로서 LDC(500)에서 제공되는 전력으로 충전될 수 있다. 참조 부호 'Cdc1'은 고전압 직류 링크단에서 고전압을 형성하기 위한 커패시터이며, 참조 부호 'Cdc2'는 모터(300)의 중성점(N)으로 외부의 급속 충전 장치(20)의 충전 전압이 인가되는 경우 직류 전압을 형성하기 위한 커패시터이다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법의 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 방법은 도 1에 도시된 것과 같은 충전 시스템을 이용한 충전 방법으로서, 충전이 개시되면 컨트롤러(700)는 직류 충전 전력을 공급하는 외부의 충전 설비(급속 충전 장치)(20)에서 제공되는 충전 전력의 전압 크기에 기반하여 충전방식을 결정할 수 있다(S10).

단계(S10)에서 컨트롤러(700)는 급속 충전 장치(20)와의 통신을 통해 급속 충전 장치(20)가 공급하는 충전 전압의 크기에 대한 정보를 제공받을 수 있다.

또한, 단계(S10)에서 컨트롤러(700) 급속 충전 장치(20)가 공급하는 충전 전압의 크기가 충전 대상인 배터리(100)의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우 외부에서 공급되는 충전 전압을 강압하여 충전하기 위한 강압 충전 방식을 적용하도록 결정할 수 있다.

강압 충전 방식을 적용하는 경우, 컨트롤러(700)는 제1 스위칭 장치(SW1) 및 제2 스위칭 장치(SW2)를 단락시켜 급속 충전 장치(20)의 충전 전압이 인버터(200)의 직류 연결단(210p, 210n)에 인가되게 하고 제3 스위칭 장치(SW3)를 단락시켜 모터(300)의 중성점(N)이 배터리(100)의 양단자에 전기적으로 연결되게 한다(S21). 또한, 컨트롤러(700)는 제4 스위칭 장치(SW4)와 제5 스위칭 장치(SW5)를 개방 상태가 되게 한다(S21).

이어, 컨트롤러(100)는 인버터(200) 내 스위칭 소자 중 직류 연결단의 양단자(210p)에 연결된 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)를 듀티 제어하여 인버터(200)와 인버터(200)의 모터 연결단(210a, 210b, 210c)에 연결된 모터(300) 코일이 형성하는 회로가 강압 컨버터(Buck 컨버터)로 동작하게 함으로써 모터(300)의 중성점(N)에 충전 전압의 크기를 감소시킨 전압이 형성되게 하여 배터리(100)로 강압된 전압이 인가되게 할 수 있다(S22). 여기에서 모터(300)의 중성점(N)에 형성되는 전압의 크기는 스위칭 소자(Q1, Q3, Q5)의 듀티를 적절하게 결정함으로써 배터리(100)를 충전하기에 적당한 크기를 갖도록 제어될 수 있다.

강압 컨버터의 제어는 이미 당 기술분야에 공지의 기술이므로 구체적인 스위칭 소자의 스위칭 기법에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 강압 제어를 통한 배터리 충전은 배터리(100)의 충전 상태 등을 고려하여 충전을 종료하는 시점까지 계속될 수 있다(S23).

이러한 강압 제어는 외부의 충전 설비인 급속 충전 장치(20)에서 제공되는 전류의 크기를 듀티의 역수만큼 증가시켜 제공할 수 있으므로, 급속 충전 장치(20)에서 제한된 충전 전류가 공급되는 것에 비해 더 많은 충전 전류를 배터리(100)에 공급되게 할 수 있으므로 충전 시간을 단축시킬 수 있다.

한편, 단계(S10)에서 컨트롤러(700) 급속 충전 장치(20)가 공급하는 충전 전압의 크기가 충전 대상인 배터리(100)의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우 외부에서 공급되는 충전 전압을 승압하여 충전하기 위한 승압 충전 방식을 적용하도록 결정할 수 있다.

승압 충전 방식을 적용하는 경우, 컨트롤러(700)는 제2 스위칭 장치(SW2) 및 제5 스위칭 장치(SW5)를 단락시켜 급속 충전 장치(20)의 충전 전압이 모터(300)의 중성점(N)에 인가되게 하고 제4 스위칭 장치(SW4)를 단락시켜 인버터(200)의 직류 연결단의 양단자(210p)가 배터리(100)의 양단자에 전기적으로 연결되게 한다(S31). 또한, 컨트롤러(700)는 제1 스위칭 장치(SW1) 및 제3 스위칭 장치(SW3)를 개방 상태가 되게 한다(S31).

이어, 컨트롤러(100)는 인버터(200) 내 스위칭 소자 중 직류 연결단의 음단자(210p)에 연결된 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)를 듀티 제어하여 인버터(200)와 인버터(200)의 모터 연결단(210a, 210b, 210c)에 연결된 모터(300) 코일이 형성하는 회로가 승압 컨버터(Boost 컨버터)로 동작하게 함으로써 모터(300)의 중성점(N)에 인가된 충전 전압의 크기를 증가시킨 전압이 인버터(200)의 직류 입력단에 형성되게 하여 배터리(100)로 승압된 전압이 인가되게 할 수 있다(S32). 여기에서 모터(300)의 중성점(N)에 형성되는 전압의 크기는 스위칭 소자(Q2, Q4, Q6)의 듀티를 적절하게 결정함으로써 배터리(100)를 충전하기에 적당한 크기를 갖도록 제어될 수 있다.

승압 컨버터의 제어는 이미 당 기술분야에 공지의 기술이므로 구체적인 스위칭 소자의 스위칭 기법에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 승압 제어를 통한 배터리 충전은 배터리(100)의 충전 상태 등을 고려하여 충전을 종료하는 시점까지 계속될 수 있다(S33).

한편, 단계(S10)에서 컨트롤러(700) 급속 충전 장치(20)가 공급하는 충전 전압의 크기가 충전 대상인 배터리(100)를 충전하기에 적절한 전압인 경우, 제1 스위칭 장치(SW1), 제2 스위칭 장치(SW2) 및 제4 스위칭 장치(SW4)를 단락시키고 제3 스위칭 장치(SW3)과 제5 스위칭 장치(SW5)를 개방시켜 급속 충전 장치(20)의 충전 전압이 직접 배터리(100)에 인가되게 할 수 있다(S41).

이와 같은 직접 충전 전압을 인가시키는 배터리 충전은 배터리(100)의 충전 상태 등을 고려하여 충전을 종료하는 시점까지 계속될 수 있다(S42).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법은, 외부에서 급속 충전을 위해 공급되는 직류 충전 전압의 크기가 배터리(100)를 충전하기에 적절한 크기가 아닌 경우에도, 추가적인 컨버터 없이 인버터(200)내 스위칭 소자(Q1-Q6)와 모터(300)의 코일이 형성하는 회로 구조를 활용하여 충전 전압을 원하는 크기로 변환하여 배터리(100)로 제공되게 할 수 있다. 이를 통해, 장치 추가에 따른 비용을 절감하고 원가 상승을 억제할 수 있다.

특히, 인버터(200)내 스위칭 소자(Q1-Q6)와 모터(300)의 코일이 형성하는 회로를 강압 컨버터로 활용하는 경우, 외부의 급속 충전 장치(20)에서 최대 전압으로 제공하는 충전 전류를 강압 컨버터의 듀티에 역수 만큼 상승시켜 배터리(100)로 공급할 수 있으므로, 급속 충전 장치(20) 자체에서 낮은 전압의 상태로 충전 전류가 제공되는 것에 비해 충전 속도를 현저하게 증가시키고 충전 시간을 감소시킬 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: 차량 20: 외부 직류 충전 장치(급속 충전 장치)
100: 배터리 200: 인버터
300: 모터 400: 메인 릴레이
500: 저전압 직류 컨버터 600: 저전압 배터리
SW1-SW5: 스위칭 장치 210p, 210n: 직류 연결단
210a, 210b, 210c: 모터 연결단
N: 중성점

Claims

양단자와 음단자를 포함하는 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단을 가지며 상기 직류 연결단과 상기 복수의 모터 연결단 사이에 전기적 연결관계를 형성하는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 인버터;
상기 복수의 모터 연결단에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결되어 중성점을 형성하는 복수의 코일을 포함하는 모터;
배터리와 인버터 사이의 전기적 연결관계 및 상기 배터리와 상기 중성점 사이의 전기적 연결관계를 결정하고, 외부에서 공급되는 충전 전압을 상기 직류 연결단에 공급 또는 차단하는 복수의 스위칭 장치; 및
상기 충전 전압의 크기에 기반하여 상기 복수의 스위칭 장치 및 상기 인버터 동작을 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 충전 전압이 상기 직류 연결단에 인가되고 상기 중성점이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 강압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자 중 상기 양단자에 연결된 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 상기 직류 연결단에 인가된 상기 충전 전압을 강압하여 상기 중성점에 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 충전 전압이 상기 중성점에 인가되고 상기 직류 연결단이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 승압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자 중 상기 음단자에 연결된 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 상기 직류 연결단에 인가된 상기 충전 전압을 승압하여 상기 직류 연결단에 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 충전 전압이 상기 배터리의 충전에 적절한 크기를 갖는 경우, 상기 충전 전압이 상기 배터리에 직접 인가되게 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 복수의 스위칭 장치는,
상기 충전 전압을 제공하는 외부 충전 장치의 양단자와 상기 인버터의 양단자 사이에 연결된 제1 스위칭 장치;
상기 외부 충전 장치의 음단자와 상기 인버터의 음단자 사이에 연결된 제2 스위칭 장치;
상기 모터의 중성점과 상기 배터리의 양단자 사이에 연결된 제3 스위칭 장치; 및
상기 인버터의 양단자와 상기 배터리의 양단자 사이에 연결된 제4 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 제1 스위칭 장치, 상기 제2 스위칭 장치 및 상기 제3 스위칭 장치를 단락시키고, 상기 제4 스위칭 장치를 개방시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 8에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자 중 상기 양단자에 연결된 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 상기 직류 연결단에 인가된 상기 충전 전압을 강압하여 상기 중성점에 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 충전 전압이 상기 배터리의 충전에 적절한 크기를 갖는 경우, 상기 제1 스위칭 장치, 상기 제2 스위칭 장치 및 상기 제4 스위칭 장치를 단락시키고, 상기 제3 스위칭 장치를 개방시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 7에 있어서, 상기 복수의 스위칭 장치는,
상기 외부 충전 장치의 양단자와 상기 중성점 사이에 연결된 제5 스위칭 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 11에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 제2 스위칭 장치, 상기 제4 스위칭 장치 및 상기 제5 스위칭 장치를 단락시키고, 상기 제1 스위칭 장치 및 상기 제3 스위칭 장치를 개방시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 12에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자 중 상기 음단자에 연결된 스위칭 소자의 듀티를 제어하여 상기 직류 연결단에 인가된 상기 충전 전압을 승압하여 상기 직류 연결단에 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
차량 주행 시 배터리의 직류 전력을 복수의 위상을 갖는 교류 전력으로 변환하는 인버터와, 상기 인버터에서 변환된 복수의 위상을 갖는 교류 전력을 각각 입력 받는 복수의 코일을 구비하는 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 있어서,
상기 배터리를 외부에서 공급되는 충전 전압으로 충전하는 충전 모드에서,
상기 충전 전압을 상기 배터리로 직접 인가하는 제1 충전 모드;
상기 충전 전압을 상기 인버터의 직류 연결단으로 인가하여 상기 인버터 내 스위칭 소자와 상기 코일이 강압 컨버터로 동작하도록 제어하여 상기 복수의 코일이 상호 연결된 중성점을 통해 상기 배터리로 강압된 전압을 인가하는 제2 충전 모드; 및
상기 충전 전압을 상기 중성점으로 인가하여 상기 코일과 상기 인버터가 승압 컨버터로 동작하도록 제어하여 상기 인버터의 직류 연결단을 통해 상기 배터리로 승압된 전압을 인가하는 제3 충전 모드 중 하나를 상기 충전 전압의 크기에 기반하여 결정하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
청구항 1의 충전 시스템을 이용한 충전 방법에 있어서,
상기 컨트롤러가 상기 충전 전압의 크기와 상기 배터리 전압을 비교하여 충전 모드를 결정하는 단계; 및
상기 컨트롤러가, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 충전 전압이 상기 직류 연결단에 인가되고 상기 중성점이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 강압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 단계;
를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 컨트롤러가, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 충전에 적절한 크기를 갖는 경우, 상기 충전 전압이 상기 배터리에 직접 인가되게 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 컨트롤러가, 상기 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 비해 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 충전 전압이 상기 중성점에 인가되고 상기 직류 연결단이 상기 배터리로 연결되도록 상기 복수의 스위칭 장치의 상태를 제어하고, 상기 인버터 내 복수의 스위칭 소자와 상기 코일이 형성하는 회로가 승압 컨버터로 작동하도록 상기 복수의 스위칭 소자를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.