KR20210051232A - Adaptive Charging Control Apparatus and Method through Automatic DC/AC Recognition of Electric Vehicles - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 전기 자동차에 필수적으로 구비되는 전동기 구동회로와 축전지 충전기를 단일의 전력회로로 구현하고, 충전 터미널 단자의 입력 전압의 유형(예를 들어, 직류, 교류)을 자동으로 인지하여 단일의 전력회로로 전동기 구동 및 충전을 제어하여 배터리를 최적으로 충전할 수 있도록 한 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an adaptive charging control device and method through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle, and in particular, a motor driving circuit and a storage battery charger essential for an electric vehicle are implemented as a single power circuit, and a charging terminal terminal By automatically recognizing the type of input voltage (for example, DC, AC) and controlling the driving and charging of the electric motor with a single power circuit, it is possible to optimally charge the battery. It relates to an adaptive charging control device and method.
일반적으로, 충전 시스템을 가진 전기 자동차는 전동기 드라이버와는 별개로 별도의 충전기(On-Board Battery Charger)가 마련되어 있다. 이 충전기는 외부의 전기를 배터리에 충전할 때만 사용하며, 차량이 충전소 또는 주차하고 있을 때 사용한다.In general, an electric vehicle having a charging system is provided with a separate charger (On-Board Battery Charger) separate from the electric motor driver. This charger is used only to charge external electricity to the battery, and is used when the vehicle is in a charging station or parked.
도 1은 충전 시스템을 가진 일반적인 전기 자동차의 블록 구성도이다.1 is a block diagram of a general electric vehicle having a charging system.
배터리(Battery Pack)는 가급적 높은 전압의 정격전압을 가진 형태로 구성되어 전동기(Electric Motor)에 충분한 전류를 흘려, 강한 구동력을 구하기 쉬운 형태로 구성한다. 충전기(On Board Charger)는 교류를 입력받거나 직류를 받거나 축전지의 상태, 가령 온도나 충전상태에 적절한 최적상태의 전류를 축전기에 보내준다.The battery pack is configured in a form with a rated voltage of as high as possible, and it is configured in a form in which it is easy to obtain strong driving power by passing sufficient current to the electric motor. The On Board Charger receives AC, DC, or sends an optimal current to the capacitor suitable for the state of the battery, such as temperature or charging.
전동기의 전력을 제어하는 구동회로(Traction Drive)가 있는데, 전동기에 전력을 입력하여 가속하는데 사용한다. 이 구동회로는 가속을 담당하고 감속은 다른 변환기로 구현하는 회로방식과 한 개의 회로가 두 가지 일을 담당하는 형태로 구분된다.There is a drive circuit (Traction Drive) that controls the power of the motor, and it is used to accelerate by inputting power to the motor. This driving circuit is in charge of acceleration, and the deceleration is divided into a circuit type implemented by another converter and a type in which one circuit is in charge of two tasks.
현재 플러그인 전기 자동차에서 감속은 전동기의 운동에너지를 전력에너지로 변환하여 배터리로 보내는 일로, 그 기술이 다루기가 까다로워 별도의 발전기로 제동력을 배터리로 보내는 방식으로 구현하는 것이 있다. 이는 가속에서 감속 또는 감속에 정지시 특정구간에서 전동기의 전력의 불연속으로 생기는 저크(Jerk)로 인한 불편함을 제거하기 위한 기술이다. 이러한 이유로 현재 대부분의 전기 자동차는 별도의 충전기와 제어기, 전동기, 발전기, 배터리로 구성되어 있는 차량이 많다(대한민국 공개특허 10-2014-0137182 참조).In the current plug-in electric vehicle, deceleration is a process of converting the kinetic energy of an electric motor into electric energy and sending it to the battery. The technology is difficult to handle, so there is a method of sending the braking force to the battery with a separate generator. This is a technology to eliminate the inconvenience caused by Jerk, which is caused by discontinuity of electric power of the motor in a specific section when stopping during acceleration or deceleration or deceleration. For this reason, most electric vehicles currently have many vehicles composed of separate chargers, controllers, electric motors, generators, and batteries (see Korean Patent Laid-Open No. 10-2014-0137182).
이와 같이 일반적인 전기 자동차는 전동기 드라이버 회로와 축전지 충전기 회로가 별도의 회로시스템으로 구성되어 운영된다.As described above, in a general electric vehicle, the motor driver circuit and the battery charger circuit are configured as separate circuit systems and operated.
이러한 시스템은 복수 개의 전력 회로로 구현되므로, 중량의 증가와 함께 시스템의 부품 수가 증가하여 고장 요인의 증가를 수반한다.Since such a system is implemented with a plurality of power circuits, the number of parts of the system increases with an increase in weight, resulting in an increase in failure factors.
한편, 도 1과 같은 일반적인 전기 자동차 시스템은, 축전지를 충전하는 중에는 고정된 전력선을 연결하여 전기 자동차의 축전지를 충전하고, 전동기는 운행하지 않는다. 이때 전동기를 구동하는 전동기 구동회로(모터 드라이버)는 동작하지 않는다. 반대로 전동차가 움직이는 경우에는 전력선과 충전기와 연결을 제거하고 난 후에 차량이 움직이므로, 이 경우 충전기는 전혀 동작을 하지 않는 상태가 된다.Meanwhile, in the general electric vehicle system as shown in FIG. 1, while charging the storage battery, a fixed power line is connected to charge the storage battery of the electric vehicle, and the electric motor does not operate. At this time, the motor drive circuit (motor driver) that drives the motor does not operate. Conversely, when the electric vehicle moves, the vehicle moves after removing the connection between the power line and the charger. In this case, the charger does not operate at all.
즉, 현재 운용되는 대부분의 전기 차량은 충전기와 전동기 드라이버 두 회로가 동시에 동작하는 경우가 없다. 이는 회로의 낭비 요소도 되고, 고장요소가 될 수도 있다.In other words, in most electric vehicles currently in operation, there is no case in which two circuits of a charger and a motor driver operate at the same time. This can be a wasteful element of the circuit or a failure element.
아울러 일반적인 플러그인 또는 하이브리드 방식 전기 자동차 시스템은 충전 전압이 교류인지 직류인지를 인지하고, 그에 알맞게 전력회로를 제어하여 최적의 배터리를 충전하는 것은 불가능하고, 단순히 교류 입력에 대해서만 배터리를 충전하는 기술로 그 한계가 있다.In addition, a general plug-in or hybrid electric vehicle system recognizes whether the charging voltage is AC or DC, and it is impossible to charge the optimal battery by controlling the power circuit accordingly. It is a technology that simply charges the battery for AC input. There is a limit.
따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 플러그인 또는 하이브리드 전기 자동차 및 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 전기 자동차에 필수적으로 구비되는 전동기 구동회로와 축전지 충전기를 단일의 전력회로로 구현하고, 충전 터미널 단자의 입력 전압의 유형(예를 들어, 직류, 교류)을 자동으로 인지하여 단일의 전력회로로 전동기 구동 및 충전을 제어하여 배터리를 최적으로 충전할 수 있도록 한 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been proposed to solve the problems occurring in the general plug-in or hybrid electric vehicle and the prior art as described above, and implements a motor driving circuit and a storage battery charger, which are essentially provided in an electric vehicle, as a single power circuit. , DC/AC of an electric vehicle that automatically recognizes the type of input voltage (e.g., DC, AC) of the charging terminal terminal and controls the driving and charging of the motor with a single power circuit to optimally charge the battery. An object thereof is to provide an adaptive charging control device and method through automatic recognition.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치"는, 전기 자동차의 동작 모드가 충전모드이면 충전 단자 입력 전압을 검사하여 입력 전압의 유형을 판단하고, 판단한 입력 전압의 유형에 따라 전력 스위칭 제어신호를 출력하여 충전을 제어하는 제어기; 상기 제어기에서 출력된 전력 스위칭 제어신호에 따라 전동기 구동모드에서는 배터리의 방전 전력으로 전동기를 구동하고, 감속시 전동기의 에너지를 회수하여 상기 배터리에 충전하며, 충전모드에서는 충전기로부터 공급되는 충전 전력을 입력 전압 유형과 배터리 상태에 따라 조절하여 배터리를 충전하는 통합 전력제어부; 상기 통합 전력제어부와 상기 전동기와 상기 충전기의 사이에 개재되어, 상기 제어기의 전력 스위칭 제어신호에 따라 상기 통합 전력제어부를 선택적으로 상기 전동기와 상기 충전기에 연결해주는 전력 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the "adaptive charging control device through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle" according to the present invention is input by checking the charging terminal input voltage when the operation mode of the electric vehicle is the charging mode. A controller determining a type of voltage and outputting a power switching control signal according to the determined type of input voltage to control charging; According to the power switching control signal output from the controller, in the motor driving mode, the motor is driven with the discharged power of the battery, the energy of the motor is recovered and charged to the battery when decelerated, and the charging power supplied from the charger is input in the charging mode. An integrated power control unit for charging the battery by adjusting according to the voltage type and the battery state; And a power switch unit interposed between the integrated power control unit and the electric motor and the charger to selectively connect the integrated power control unit to the electric motor and the charger according to a power switching control signal of the controller.
상기 전력 스위칭 제어신호는 충전 모드시 상기 통합 전력제어부를 제어하기 위한 PWM 전력 제어신호와 상기 전력 스위치부의 스위칭을 제어하기 위한 전력 스위치 제어신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.The power switching control signal is characterized in that it includes a PWM power control signal for controlling the integrated power control unit in the charging mode and a power switch control signal for controlling the switching of the power switch unit.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어방법"은, (a) 제어기에서 충전 모드시 충전단자 입력 전압을 검사하여 입력 전압의 유형을 판단하는 단계; (b) 상기 (a)단계의 판단 결과 입력 전압의 유형이 직류이면 전류 제어와 배터리 상태를 기초로 배터리의 충전을 제어하는 단계; (c) 상기 (a)단계의 판단 결과 입력 전압의 유형이 교류이면 역률 제어와 배터리 상태를 기초로 배터리의 충전을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the "adaptive charging control method through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle" according to the present invention includes (a) the input voltage by checking the input voltage of the charging terminal in the charging mode in the controller. Determining the type of; (b) controlling charging of the battery based on current control and battery state if the input voltage type is DC as a result of the determination in step (a); (c) if the type of the input voltage is alternating current as a result of the determination in step (a), controlling the charging of the battery based on power factor control and the battery state.
상기에서 (c)단계는 통합 전력제어부의 PWM 제어를 통해 교류 전류의 주파수와 위상 제어를 하여 교류 입력 단자 측의 전력 역률을 1에 근접하게 제어하는 것을 특징으로 한다.In the above, step (c) is characterized in that the frequency and phase of the AC current are controlled through PWM control of the integrated power controller to control the power power factor of the AC input terminal close to 1.
상기에서 배터리 상태는 온도, 전류, 전압, 배터리 셀 간의 전압 정보 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the above, the battery state may include at least one of temperature, current, voltage, and voltage information between battery cells.
본 발명에 따르면 단일의 전력 회로를 이용하여 전동기 구동, 다이내믹 브레이크 제어, 충전기 동작을 수행할 수 있어, 전체적인 전기 자동차 시스템의 구성을 단순화할 수 있으며, 시스템 구성 부품수의 감소로 고장 요인을 최소화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, motor driving, dynamic brake control, and charger operation can be performed using a single power circuit, thereby simplifying the configuration of the entire electric vehicle system, and minimizing failure factors by reducing the number of system components. There is an effect that can be.
특히, 단일의 전력회로로 전동기 구동, 발전기 구동, 충전기 역할을 수행할 수 있어, 전체 시스템 구현 비용을 절감할 수 있으며, 전체 시스템의 효율 향상도 도모할 수 있는 효과가 있다.In particular, since a single power circuit can drive an electric motor, drive a generator, and perform the role of a charger, it is possible to reduce the cost of implementing the entire system and improve the efficiency of the entire system.
또한, 본 발명에 따르면 충전단자 입력 전압의 유형(교류, 직류)을 자동으로 인지하고, 입력 전압의 유형에 따라 전력선의 부하를 줄이거나 전류 제어를 통해 최적으로 배터리를 충전할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, there is an effect of automatically recognizing the type (AC, DC) of the input voltage of the charging terminal and reducing the load on the power line or optimally charging the battery through current control according to the type of the input voltage. .
도 1은 일반적인 플러그인 전기 자동차의 시스템 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치의 회로도,
도 3은 본 발명에서 충전시의 충전 전류 및 전압 예시도,
도 4는 본 발명에서 전류 센서와 전압 검출기의 구현 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어방법을 보인 흐름도이다.1 is a system configuration diagram of a typical plug-in electric vehicle,
2 is a circuit diagram of an adaptive charging control device through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle according to the present invention;
3 is an exemplary view of charging current and voltage during charging in the present invention,
Figure 4 is an exemplary implementation of a current sensor and a voltage detector in the present invention,
5 is a flowchart showing an adaptive charging control method through automatic DC/AC recognition of an electric vehicle according to the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, an adaptive charging control apparatus and method through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present invention described below should not be construed as being limited to a conventional or dictionary meaning, and the inventor should appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, and various equivalents and equivalents that can replace them at the time of the present application It should be understood that there may be variations.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치의 회로도로서, 제어기(10), 통합 전력 제어부(20), 배터리(30), 전동기(40), 충전기(50) 및 전력 스위치부(60)를 포함할 수 있다.2 is a circuit diagram of an adaptive charging control device through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle according to a preferred embodiment of the present invention, a
제어기(10)는 전기 자동차의 동작 모드가 충전모드이면 충전 단자 입력 전압을 검사하여 입력 전압의 유형을 판단하고, 판단한 입력 전압의 유형에 따라 전력 스위칭 제어신호를 출력하여 충전을 제어하는 역할을 한다. 여기서 입력 전압의 유형은 직류 또는 교류를 의미한다. 이러한 제어기(10)는 전동기 구동, 다이내믹 브레이크, 충전 동작을 전체적으로 제어한다. 이러한 제어기(10)는 펌웨어(Firmware)가 탑재된 마이크로프로세서와 같은 디지털 컨트롤러를 이용할 수 있다. 여기서 전력 스위칭 제어신호는 충전 모드시에 상기 통합 전력제어부(20)를 제어하기 위한 PWM 전력 제어신호와 상기 전력 스위치부(60)의 전력 스위치 스위칭을 제어하기 위한 전력스위치 제어신호를 포함할 수 있다.When the operation mode of the electric vehicle is the charging mode, the
여기서 제어기(10)는 전기 자동차의 동작 모드가 충전모드이면 충전 단자 입력 전압을 검사하여 입력 전압이 교류인지 또는 직류인지 자동으로 인지하고, 자동 인지한 입력 전압의 유형에 따라 전력 스위칭 제어신호를 이용하여 전동기(40)를 구동하고 배터리(30)를 충전하는 통합 전력제어부(20)를 제어하여 입력 전압 유형과 배터리(30)의 상태에 따라 배터리(30)를 충전하는 기능을 통해, 충전기에만 전용으로 사용할 수도 있다.Here, if the operation mode of the electric vehicle is the charging mode, the
통합 전력제어부(20)는 상기 제어기(10)에서 출력된 전력 스위칭 제어신호에 따라 전동기 구동모드에서는 배터리(2)의 방전 전력으로 전동기(40)를 구동하고, 감속시 전동기(40)의 에너지를 회수하여 상기 배터리(30)에 충전하며, 충전모드에서는 충전기(50)로부터 공급되는 충전 전력을 입력 전압 유형과 배터리 상태에 따라 조절하여 배터리(30)를 충전하는 역할을 한다. 이러한 통합 전력제어부(20)는 단일의 전력회로를 이용하여 상기 배터리(30)와 상기 전동기(40)와 상기 충전기(50)를 선택적으로 연결하여 전력의 흐름을 제어할 수 있다. 상기 통합 전력제어부(20)는 상기 제어기(10)에서 발생한 PWM 전력 제어신호에 따라 고속 스위칭을 하여 3 상(U, V, W)의 전압을 전동기(40)에 출력하거나 충전 전력을 조절하는 인버터부(20), 상기 3 상에 각각 직렬로 연결되어 전류 평활과 EMI(Electrode Magnetic Interference)를 감쇠하는 인덕터(22 ~ 24)를 포함한다.In accordance with the power switching control signal output from the
전력 스위치부(60)는 상기 통합 전력제어부(20)와 상기 전동기(40)와 상기 충전기(50)의 사이에 개재되어, 상기 제어기(10)의 전력 스위칭 제어신호에 따라 상기 통합 전력제어부(20)를 선택적으로 상기 전동기(40)와 상기 충전기(50)에 연결해주는 역할을 한다. 이러한 전력 스위치부(60)는 상기 제어기(10)에서 출력되는 전력 스위치 제어신호에 따라 전동기 모드에서는 상기 통합 전력제어부(20)와 상기 전동기(40)를 연결해주고, 충전 모드에서는 상기 통합 전력제어부(20)와 상기 충전기(50)를 연결해준다.The
도 5는 본 발명에 따른 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어방법을 보인 흐름도로서, 도 2와 같은 충전제어장치에서 소프트웨어적으로 구현하는 과정을 도시한 것이다.5 is a flowchart showing an adaptive charging control method through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle according to the present invention, and shows a process implemented in software in the charging control device as shown in FIG. 2.
본 발명에 따른 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어방법은, (a) 제어기(10)에서 충전 모드시 충전단자 입력 전압을 검사하여 입력 전압의 유형을 판단하는 단계(S101~ S102, S107), (b) 상기 (a)단계의 판단 결과 입력 전압의 유형이 직류이면 전류 제어와 배터리 상태를 기초로 배터리의 충전을 제어하는 단계(S103 ~ S106), (c) 상기 (a)단계의 판단 결과 입력 전압의 유형이 교류이면 역률 제어와 배터리 상태를 기초로 배터리의 충전을 제어하는 단계(S108 ~ S112)를 포함한다.The adaptive charging control method through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle according to the present invention includes the steps of (a) determining the type of the input voltage by examining the input voltage of the charging terminal in the charging mode in the controller 10 (S101~ S102, S107), (b) if the input voltage type is DC as a result of the determination in step (a), controlling the charging of the battery based on current control and battery state (S103 to S106), (c) the (a) As a result of the determination in step ), if the type of the input voltage is AC, controlling the charging of the battery based on the power factor control and the battery state (S108 to S112).
상기 (c)단계는 통합 전력제어부(20)의 PWM 제어를 통해 교류주파수와 위상 제어를 하여 교류 입력 단자 측의 전력 역률을 1에 근접하게 제어하는 것이 바람직하다.In the step (c), it is preferable to control the AC frequency and phase through the PWM control of the integrated
상기 배터리 상태는 온도, 전류, 전압, 배터리 셀 간의 전압 정보 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The battery state may include at least one of temperature, current, voltage, and voltage information between battery cells.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치 및 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The adaptive charging control apparatus and method through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle according to the present invention configured as described above will be described in detail as follows.
플러그인 전기 자동차는 충전기 동작과 전동기 구동 동작이 상호 배타적으로 동작하므로, 제어기(10)는 전기 자동차 동작 모드를 확인하여, 단일의 전력 회로인 통합 전력제어부(20)를 전동기 모드와 충전 모드에 따라 적절하게 제어하여, 하나의 전력회로로 3가지 기능 즉, 전동기 모드에서 가속 기능과 감속시 다이내믹 브레이크 기능, 그리고 충전 모드에서 충전 기능을 수행한다. 물론, 전체 시스템의 휴지 및 정지라는 기능도 수행한다.In the plug-in electric vehicle, the charger operation and the motor driving operation are mutually exclusive, so the
먼저, 전동기 모드로 동작하는 경우, 상기 제어기(10)는 전력 스위칭 제어신호로 전력 스위치 제어신호와 PWM 전력 제어신호를 출력하여 통합 전력제어부(20)와 전력 스위치부(60)를 제어한다, 이러한 제어에 따라 전력 스위치부(60)의 상별 전력 스위치(61 ~ 63)는 스위칭 동작을 하여, 전동기(40)와 통합 전력제어부(20)를 상호 연결한다. 여기서 상별 전력 스위치(61 ~ 63)는 모두 동시에 동일하게 동작한다. 즉, 접점 a와 접점 c, 접점 a'와 접점 c', 접점 a"와 접점 c"가 접속된다.First, when operating in the motor mode, the
여기서 전동기(40)는 효율이 좋은 BLDC 전동기로 구현될 수 있다. 본 발명의 통합 전력제어부(20)는 3 상 BLDC 전동기에 적용되는 것으로 설명하나, 본 발명의 통합 전력제어부(20)는 이것에 한정되는 것은 아니고 유도 전동기나 기타 DC 전동기의 구동에도 사용될 수 있음을 자명하다 할 것이다.Here, the
아울러 통합 전력제어부(20)의 인버터(21)를 이루는 전력 스위칭 트랜지스터(예를 들어, MOS FET)(Q1 ~ Q6)는 가속시 입력되는 상별(U, V, W) PWM 제어신호를 기초로 고속 스위칭 동작을 하여, 배터리(30)로부터 방전되는 전력을 BLDC 전동기인 전동기(40)에 3 상의 교류 전류를 인가한다. 이 전동기(40)는 3 상의 교류를 전동기의 내부 BACK EMF를 고려하여 적절한 전압과 위상의 전압을 인가하면 전동기(40)를 효율 좋게 구동할 수 있다.In addition, power switching transistors (e.g., MOS FETs) (Q1 to Q6) constituting the inverter 21 of the integrated
3 상 전동기(40)의 경우 중성 점을 중심으로 3 상이 120ㅀ의 지연이나 진상된 형태로 대칭으로 동작하므로, 설명의 편의를 위해 본 발명에서는 1개의 상만 설명하기로 한다. In the case of the three-phase
전동기(40)를 전동기 모드로 동작시킬 때, 전동기(40) 외부에서 단자 전압과 주파수, 위상을 고려하여 전압과 전류를 제어한다. 이 경우 자동차가 천천히 가속하는 경우나, 정속주행인 경부하인 경우와 자동차가 급가속하거나 경가사 급한 언덕길을 올라가는 중부하의 경우 모두 해당한다.When the
도면에는 도시하지 않았지만, 제어기(10)는 전동기(40)로 동작할 경우, 전동기(40)의 내부 저항, 인덕터(22 ~ 24) 및 내부의 BACK-EMF를 충분히 연산으로 추적할 수 있는 소프트웨어를 이용하여, 최적으로 PWM 제어 신호를 발생하는 것이 바람직하다.Although not shown in the drawing, when operating as the
즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 전동기(40)와 통합 전력제어부(20) 간에 연결된 전류 센서(71)와 전압 검출기(72)를 이용하여 전동기(40)에 공급하는 전류 및 전압을 측정하고, 이 측정된 데이터와 수학적 모델을 상기 소프트웨어로 연산하여, 전동기의 내부의 저항, 인덕터 및 BACK-EMF를 정확하게 추정한다. 이어 추정 결과를 기초로 전력 스위치 트랜지스터(Q1 ~ Q6)의 적절한 단자전압을 인가하여, 전동기(40)의 가속과 감속을 자유롭게 구현하는 한편, 감속시 그 전동기의 에너지를 배터리로 효율적으로 반환하도록 한다. 여기서 상시 전류/전압 측정을 통해 제어기(10)가 원하는 전압/전류가 되는지를 측정하고, 이를 기초로 PWM 제어신호를 가변하여 전동기(40)를 원하는 속도로 제어하는 기술은 BLDC 전동기를 구현하는 기술 분야에 잘 알려진 기술을 그대로 채택하여 사용하기로 한다.That is, as shown in FIG. 4, the current and voltage supplied to the
다음으로, 전동기 모드에서 감속이 발생하는 경우, 전동기(40)와 연결된 기계적 부하의 에너지를 배터리(30)에 충전하기 위해, 전동기(40)를 발전기 모드로 동작시키고, 그 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 배터리(30)를 충전한다. 즉, 전동기의 전류가 내부의 BACK EMF의 전압 위상과 180ㅀ 다른 위상의 전류가 흘려주게 구동한다. 이때, 전동기(40)는 발전기의 동작을 하고, 상기 통합 전력제어부(20)는 정류기의 역할을 한다. 이 발전되어 배터리(30)에 보내지는 전력은 전동기(40)가 브레이크로 동작하는 상태로 운용될 수 있다.Next, when deceleration occurs in the motor mode, in order to charge the energy of the mechanical load connected to the
이때 경부하시의 경우 전류의 발전모드는 전력이 크게 시스템에 영향을 끼치지 않으므로 단락을 시키는 등 간단하게 브레이크로 구동할 수 있다. 이 방법은 이미 대한민국 공개번호 10-2019-0090309호에 개시되어 있으므로, 이를 참조하기로 한다. 이때에도 적절한 위상과 전압의 교류를 통합 전력제어부(20)가 구성하여 준다면 전동기(40)의 전력은 전동기 내부에서 소모되기보다는 배터리(30)로 흘러들어가게 할 수 있다.At this time, in the case of a light load, the power generation mode of the current does not greatly affect the system, so it can be driven with a brake simply by making a short circuit. Since this method has already been disclosed in Korean Publication No. 10-2019-0090309, it will be referred to. Even at this time, if the integrated
이 방법은 상기 대한민국 공개특허 10-2019-0090309호에서 구현하는 방법보다도 더 강력하게 전동기(40)에 브레이크 인가가 가능하고 즉, 중부하일 경우에도 전동기(40)의 단자를 단락시켜 브레이크를 거는 방법보다도 더 강한 전력을 전동기(40)에서 배터리(30)로 흘려보내 더욱 광범위한 범위로 전동기가 브레이크동작을 한다. 즉 가능한 넓은 동작범위, 중부하나 경부하, 고속이나 저속에도 전력을 배터리로 보내어, 보다 에너지 효율이 높은 브레이크로 동작하도록 할 수 있다.In this method, a brake can be applied to the
다음으로, 전기 자동차가 충전 모드로 동작하는 경우, 제어기(10)는 전력 스위칭 제어신호로 전력 스위치 제어신호를 출력하여 전력 스위치부(60)를 제어한다, 이러한 제어에 따라 전력 스위칭부(60)의 상별 전력 스위치(61 ~ 63)는 스위칭 동작을 하여, 충전기(50)와 통합 전력제어부(20)를 상호 연결한다. 즉, 입력 3 상 전력선과 통합 전력제어부(20)가 상호 연결된다. 여기서 상별 전력 스위치(22 ~ 24)는 모두 동시에 동일하게 동작한다. 즉, 접점 a와 접점 b, 접점 a'와 접점 b', 접점 a"와 접점 b"가 접속된다.Next, when the electric vehicle operates in the charging mode, the
충전기(50)와 통합 전력제어부(20)를 연결한 상태에서, 단계 S101과 같이 충전단자 입력 전압을 검사하여, 입력 전압의 유형 즉, 직류 입력인지 교류 입력인지를 확인한다. 입력 전압의 레벨을 확인하면 직류인지 교류인지를 알 수 있다.In a state in which the
입력된 전압 유형이 단계 S102와 같이 직류일 경우, 단계 S103으로 이동하여 배터리의 상태(온도, 전압, 전류, 배터리 셀 간의 전압)와 입력 전압을 감지하고, 소프트웨어적으로 전류 제어 값을 산출하여 통합 전력제어부(20)를 PWM 제어 신호로 제어하여, 충전 전류를 정전류로 제어한다. 그리고 충전 전류를 제어한 후 단계 S104와 같이 직류 충전을 시작한다. 충전 전류 제어를 통해 배터리(30)를 충전하는 상태에서는, 단계 S105와 같이 지속적으로 배터리의 상태와 입력 전압을 감시하여 부적절한 동작이 발생하는지를 지속적으로 관측하면서 충전을 제어한다. 이후, 단계 S106과 같이 배터리의 충전이 완료되면 배터리(30)의 충전 동작을 종료한다. 여기서 입력 전원은 상용 전원이거나 타 차량이나 ESS(Electric Stroage Systems) 등의 전원일 수 있으며, 단일의 전력회로를 이용하여 다양한 직류 전원을 모두 수용할 수 있도록 하여, 적용 범위를 넓히게 된다.If the input voltage type is direct current as in step S102, go to step S103 to detect the state of the battery (temperature, voltage, current, voltage between battery cells) and input voltage, calculate the current control value by software and integrate it. By controlling the
한편, 상기 단계 S102의 확인 결과 입력 전압 유형이 직류가 아니면 단계 S107로 이동하여 교류로 인지한다. 입력 전압이 교류로 인지되면 단계 S108로 이동하여 교류 입력 단자 측의 전압에 대응하게 통합 전력제어부(20)의 PWM 제어 신호를 조절하여, 입력 전압에 대응하게 교류주파수 및 위상을 제어하여 교류 입력 단자 측의 역률을 1로 가깝게 제어한다. 여기서 교류 입력 단자 측의 역률을 1에 가깝게 제어하면, 전력선의 부하를 줄일 수 있어 최적의 전류 흐름을 얻을 수 있다. 이때, 단계 S109과 같이 PWM 제어를 통해 통합 전력제어부(20)의 전력 스위치 트랜지스터를 통해 3상 AC 입력 전압을 승압하여 충전 전류 제어를 통해 배터리(30)에 충전할 수 있다. 여기서 배터리(30)에 충전되는 전류는 단계 S110과 같이 맥류의 전류가 된다. 교류일 경우 역률 제어를 통해 배터리(30)를 충전하는 상태에서는, 단계 S111과 같이 지속적으로 배터리의 상태와 입력 전압을 감시하여 부적절한 동작이 발생하는지를 지속적으로 관측하면서 충전을 제어한다. 이후, 단계 S112와 같이 배터리의 충전이 완료되면 배터리(30)의 충전 동작을 종료한다. 입력 전압이 교류 충전일 경우, 각 상에 연결된 인덕터(22 ~ 24)는 전류 평활을 하고, 교류 전류의 조절을 통해 전력 스위치 트랜지스터가 원하는 전류가 되도록 하는 회로 역할을 한다.Meanwhile, if the input voltage type is not DC as a result of checking in step S102, it moves to step S107 and recognizes it as AC. When the input voltage is recognized as AC, it moves to step S108 and adjusts the PWM control signal of the integrated
이렇게 전력 스위치의 동작에 의해 충전기(50)에서 출력되는 충전 전력은 전력 스위치부(60), 통합 전력 제어부(20)를 통해 최적의 충전 전류가 되어 축전지인 배터리(30)에 충전된다.In this way, the charging power output from the
여기서 배터리(30)는 실제 다수의 고전압 배터리로 이루어진다. 가급적 높은 전압의 정격전압을 가진 형태로 구성되어 전동기(40)에 충분한 전류를 흘려, 운행에 필요한 강한 구동력을 구하기 쉬운 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 충전기(50)는 교류를 입력받거나 직류를 받거나 배터리(30)의 상태 즉, 온도나 충전상태에 적절한 최적상태의 전류를 배터리(30)에 공급한다.Here, the
충전기(50)는 입력되는 교류나 직류의 전력을 배터리(30)에 충전하기 위한 전압과 전류제어장치로 동작한다. 여기서 배터리의 전압을 충전기 포트로 입력되는 전압보다 높은 전압의 배터리를 채용하고자 한다. 이는 배터리가 고전압일 경우, 전동기의 배선이나 구리나 알루미늄의 전선들이 가늘어져서, 시스템 제작이 더욱 쉬워지기 때문이다. 따라서 현재보다 높은 전압으로 구현되는 배터리가 많아지고 있어, 앞으로는 충전기에서 입력되는 전압보다 높은 전압을 가진 시스템이 많아질 것이기 때문이다. 본 발명은 이러한 충전기(50)가 입력전압보다 높은 시스템일 경우 회로가 입력전압을 상승시켜 배터리(30)에 충전하는 형태의 회로가 구성될 수 있다.The
이상 상세히 설명한 본 발명에 따르면 첫째, 전기 차량의 구동 전동기와 제어기 하나로 충전기와 전동기 드라이브로 이루어지는 전체 시스템을 간단하게 구현할 수 있으며, 둘째, 전동기가 전동기 모드와 발전기 모드로 저속에서 고속, 경 부하에서 중부하의 영역 모두 전동기와 배터리 간의 전류소통을 원활하게 하여 고효율의 시스템을 구현할 수 있으며, 셋째, 충전 기능 역시 전동기 구동부가 그 기능을 담당하여 전체 시스템의 부속품 숫자를 줄여 저렴한 시스템을 구현할 수 있는 것이다. 특히, 충전 모드에서는 입력 전압의 유형에 따라 충전 전류를 제어함으로써, 배터리를 최적으로 충전할 수 있게 된다.According to the present invention described in detail above, first, it is possible to simply implement the entire system consisting of a charger and a motor drive with one driving motor and a controller of an electric vehicle. In all of the lower areas, a high-efficiency system can be implemented by facilitating current communication between the motor and the battery. Third, the charging function can also be implemented with an inexpensive system by reducing the number of accessories in the entire system as the motor driving part is responsible for that function. In particular, in the charging mode, the battery can be optimally charged by controlling the charging current according to the type of the input voltage.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.Although the invention made by the present inventor has been described in detail according to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and it is common knowledge in the art that various changes can be made without departing from the gist of the invention. It is self-evident to those who have.
10: 제어기
20: 통합 전력제어부
21: 인버터부
22 ~ 24: 인덕터
30: 배터리
40: 전동기
50: 충전기
60: 전력 스위치부
61 ~ 63: 전력 스위치
71 : 전류 센서
72 : 전압 센서10: controller
20: integrated power control unit
21: inverter unit
22 to 24: inductor
30: battery
40: electric motor
50: charger
60: power switch unit
61 to 63: power switch
71: current sensor
72: voltage sensor
Claims (5)
상기 제어기에서 출력된 전력 스위칭 제어신호에 따라 전동기 구동모드에서는 배터리의 방전 전력으로 전동기를 구동하고, 감속시 전동기의 에너지를 회수하여 상기 배터리에 충전하며, 충전모드에서는 충전기로부터 공급되는 충전 전력을 입력 전압 유형과 배터리 상태에 따라 조절하여 배터리를 충전하는 통합 전력제어부; 및
상기 통합 전력제어부와 상기 전동기와 상기 충전기의 사이에 개재되어, 상기 제어기의 전력 스위칭 제어신호에 따라 상기 통합 전력제어부를 선택적으로 상기 전동기와 상기 충전기에 연결해주는 전력 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어장치.
If the operation mode of the electric vehicle is a charging mode, a controller configured to check a charging terminal input voltage to determine a type of the input voltage, and output a power switching control signal according to the determined type of input voltage to control charging;
According to the power switching control signal output from the controller, in the motor driving mode, the motor is driven with the discharged power of the battery, the energy of the motor is recovered and charged to the battery when decelerated, and the charging power supplied from the charger is input in the charging mode. An integrated power control unit for charging the battery by adjusting according to the voltage type and the battery state; And
And a power switch unit interposed between the integrated power control unit and the electric motor and the charger to selectively connect the integrated power control unit to the electric motor and the charger according to a power switching control signal of the controller. Adaptive charging control device through automatic DC/AC recognition of automobiles.
The direct current of an electric vehicle according to claim 1, wherein the power switching control signal includes a PWM power control signal for controlling the integrated power control unit in a charging mode and a power switch control signal for controlling switching of the power switch unit. /Adaptive charging control device through automatic recognition of exchange.
(a) 제어기에서 충전 모드시 충전단자 입력 전압을 검사하여 입력 전압의 유형을 판단하는 단계;
(b) 상기 (a)단계의 판단 결과 입력 전압의 유형이 직류이면 전류 제어와 배터리 상태를 기초로 배터리의 충전을 제어하는 단계; 및
(c) 상기 (a)단계의 판단 결과 입력 전압의 유형이 교류이면 역률 제어와 배터리 상태를 기초로 배터리의 충전을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 직류/교류 자동 인지를 통한 적응형 충전제어방법.
A method of charging and controlling a battery of an electric vehicle using the adaptive charging control device through automatic DC/AC automatic recognition of an electric vehicle according to any one of claims 1 to 3, comprising:
(a) determining the type of the input voltage by checking the input voltage of the charging terminal in the charging mode in the controller;
(b) controlling charging of the battery based on current control and battery state if the input voltage type is DC as a result of the determination in step (a); And
(c) If the type of the input voltage is AC as a result of the determination in step (a), the charging of the battery is controlled based on power factor control and battery state. Adaptive charging control method.
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KR20140137182A (en) | 2013-05-22 | 2014-12-02 | 현대자동차주식회사 | Drive apparatus for plug-in hybrid vehicle and the method thereof |
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