KR20210090958A - 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 - Google Patents

전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 Download PDF

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KR20210090958A
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박철우
김강휘
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채영호
김우섭
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치 내의 트랜스포머의 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시 제1 릴레이 소자는 오프되고, 제2 릴레이 소자가 온되며, 트랜스포머의 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 릴레이 소자가 오프된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다.

Description

전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량{Motor driving device, and vehicle including the same}
본 발명은 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있는 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다.
전기를 동력으로 하는 전기 차량이나, 내연기관과 이들을 조합한 하이브리드 차량 등은, 모터 및 배터리 등을 이용하여 그 출력을 발생시키고 있다.
한편, 차량 내의 배터리 등의 충전, 방전 등을 위해, 양방향 컨버터가 사용된다.
미국 특허 US09363837호(이하 선행 문헌이라 함)에 따르면, 양방향 컨버터를 예시한다. 그러나, 선행문헌에 따르면, 순방향 동작과 역방향 동작시 서로 다른 토폴로지를 사용하므로, 서로 다른 구동 방법이 필요하므로, 구동 방법이 복잡하다는 단점이 있으며, 나아가 절연 성능이 보장되지 않는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 양방향 전원 변환이 가능하며, 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있는 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있는 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있는 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 내의, 트랜스포머의 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시 제1 릴레이 소자는 오프되고, 제2 릴레이 소자가 온되며, 트랜스포머의 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 릴레이 소자가 오프된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 내의 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시 제1 릴레이 소자는 오프되고, 제2 릴레이 소자가 온되도록 제어하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 릴레이 소자가 오프되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부와, 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부의 출력단과, 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 커패시터와 제1 인덕터가 배치되며, 제2 풀 브릿지 스위칭부의 입력단과, 트랜스포머의 제2 측 사이에, 제2 커패시터와 제2 인덕터가 배치된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자와, 제1 내지 제2 스위칭 소자에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자를 구비하며, 제1 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자의 사이인 제1 노드와, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드 사이에, 트랜스포머의 제1 측이 접속된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자와, 제1 내지 제2 스위칭 소자에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자를 구비하며, 제1 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자의 사이인 제1 노드에, 트랜스포머의 제1 측이 접속되며, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드에, 제1 인덕터 또는 제1 커패시터가 접속된다.
한편, 제2 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자와, 제5 내지 제6 스위칭 소자에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자를 구비하며, 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자의 사이인 제3 노드와, 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드 사이에, 트랜스포머의 제2 측이 접속된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자와, 제5 내지 제6 스위칭 소자에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자를 구비하며, 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드에, 트랜스포머의 제2 측이 접속되며, 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자의 사이인 제2 노드에, 제2 인덕터 또는 제2 커패시터가 접속된다.
한편, 제어부는, 제1 커패시터와 제1 인덕터에 기초한 제1 공진 주파수 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부는, 제2 커패시터와 제2 인덕터에 기초한 제2 공진 주파수 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제2 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터와, dc단 커패시터의 양단에 접속되어, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터와, 인버터 병렬 접속되는 스위칭부와, 스위칭부에 접속되는 배터리를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 릴레이 소자, 소자, 제1 풀 브릿지 스위칭부, 제2 풀 브릿지 스위칭부, 인버터, 스위칭부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 내의 제어부는, 트랜스포머의 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 또는 트랜스포머의 제2 측에서, 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 전원 출력 방향에 위치하는 릴레이 소자가 턴 온되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부와, 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 트랜스포머와, 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터와, 제1 커패시터와 제1 인덕터에 병렬 접속되는 제1 릴레이 소자와, 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터와, 제2 커패시터와 제2 인덕터에 병렬 접속되는 제2 릴레이 소자를 포함하며, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시 제1 릴레이 소자는 오프되고, 제2 릴레이 소자가 온되며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 릴레이 소자가 오프된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 릴레이 소자와 제2 릴레이 소자를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시 제1 릴레이 소자는 오프되고, 제2 릴레이 소자가 온되도록 제어하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 릴레이 소자가 오프되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부와, 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부의 출력단과, 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 커패시터와 제1 인덕터가 배치되며, 제2 풀 브릿지 스위칭부의 입력단과, 트랜스포머의 제2 측 사이에, 제2 커패시터와 제2 인덕터가 배치된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자와, 제1 내지 제2 스위칭 소자에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자를 구비하며, 제1 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자의 사이인 제1 노드와, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드 사이에, 트랜스포머의 제1 측이 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자와, 제1 내지 제2 스위칭 소자에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자를 구비하며, 제1 스위칭 소자와 제3 스위칭 소자의 사이인 제1 노드에, 트랜스포머의 제1 측이 접속되며, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드에, 제1 인덕터 또는 제1 커패시터가 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제2 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자와, 제5 내지 제6 스위칭 소자에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자를 구비하며, 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자의 사이인 제3 노드와, 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드 사이에, 트랜스포머의 제2 측이 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부는, 서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자와, 제5 내지 제6 스위칭 소자에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자를 구비하며, 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드에, 트랜스포머의 제2 측이 접속되며, 제5 스위칭 소자와 제6 스위칭 소자의 사이인 제2 노드에, 제2 인덕터 또는 제2 커패시터가 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제어부는, 제1 커패시터와 제1 인덕터에 기초한 제1 공진 주파수 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 순방향 전원 변환시, 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다.
한편, 제어부는, 제2 커패시터와 제2 인덕터에 기초한 제2 공진 주파수 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 역방향 전원 변환시, 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제2 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터와, dc단 커패시터의 양단에 접속되어, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터와, 인버터 병렬 접속되는 스위칭부와, 스위칭부에 접속되는 배터리를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 릴레이 소자, 소자, 제1 풀 브릿지 스위칭부, 제2 풀 브릿지 스위칭부, 인버터, 스위칭부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 트랜스포머의 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 또는 제2 측에서, 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 전원 출력 방향에 위치하는 릴레이 소자가 턴 온되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 차량의 내부 블록도의 일예이다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 5는 도 4의 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 6은 본 발명과 관련된 전력 변환 장치를 회로도의 일예이다.
도 7a는 도 6의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 7b는 LLC 공진형 컨버터의 스위칭 주파수 대비 공진 게인 그래프를 예시한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 8의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량(100)은, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받는 모터 구동장치(200), 모터 구동장치(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165), 차체의 경사각을 검출하는 경사각 검출부(190)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 기초하여, 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
경사각 검출부(190)는, 차체의 경사각을 검출하며, 검출된 경사각은 후술하는 전자 제어부(410)에 입력된다. 경사각 검출부(190)는, 자이로 센서 또는 수평 게이지 센서 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도면에서는 경사각 검출부(190)가 배터리(205) 상에 배치되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 앞바퀴(150), 뒷바퀴(155) 또는 앞바퀴(150)와 뒷바퀴(155) 모두에 배치될 수 있다.
배터리(205)는 모터 구동장치(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동장치(200) 내의 제어부(250)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 전원입력 케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다. 변환되는 교류전원은 삼상교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 삼상출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상 교류전원을 공급한다.
도 1의 모터 구동장치(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상 출력케이블(125)을 도시하였으나, 단일의 케이블 내에 세 개의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)에 대해서는 도 3 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(140)이 구비되어 모터 구동장치(200)에서 공급되는 교류전원을 인가받는다.
모터(250)는, 예를 들어, 삼상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 기초하여, 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 기초하여, 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 차량(100)이 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 차량(100)을 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 차량(100)은, 차량 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 차량(100)의 경사각 검출하는 경사각 검출부(미도시), 차량(100)의 속도를 검출하는 속도 검출부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 검출부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 검출부(미도시) 등으로부터의 검출 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치치는, 예를 들어, 토크 지령치치 또는 토크 지령치치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 차량(100)은, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 차량은, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 차량을 포함하는 개념일 수 있다.
이때, 하이브리드 전기 차량은, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다.
한편, 하이브리드 전기 차량은, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식과, 이를 혼합하는 직병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 도 1의 차량의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예 따른 차량(100)은, 입력부(120), 메모리(140), 제어부(170), 모터 구동부(200), 배터리(205)를 구비할 수 있다.
입력부(120)는, 조작 버튼, 키 등을 구비하며, 차량(100)의 전원 온/오프, 동작 설정 등을 위한 입력 신호를 출력할 수 있다.
한편, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량(100)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 구동부(200)의 동작시의 동작 시간, 동작 모드 등에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 소비 전력 정보, 추천 운전 정보, 현재 운전 정보, 관리 정보를 포함하는 관리 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 동작 정보, 운전 정보, 에러 정보를 포함하는 진단 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170)는, 차량(100) 내의 각 유닛을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는, 입력부(120), 메모리(140), 구동부(200) 등을 제어할 수 있다.
모터 구동부(200)는, 모터(250)를 구동하기 위해, 구동부로서, 모터 구동장치라 명명될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 배터리(205)로부터의 직류 전원을 변환하여 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io)를 검출하는 출력 전류 검출부(E)와, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력하는 제어부(430)를 포함할 수 있다.
한편, 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)는, 외부의 서버(미도시) 또는 제어부(170)로 전송될 수 있으며, 서버(미도시) 또는 제어부(170)로부터 전류 지령치(i*d,i*q)를 수신할 수도 있다.
이에 따라, 서버(미도시) 또는 제어부(170)에서 실시간으로 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치에 기초하여 모터(250)를 구동할 수 있게 된다. 따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)의 상세한 동작에 대해서는, 도 3을 참조하여 기술한다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 모터(250)를 구동하기 위한 구동장치로서, 입력 전원을 변환하여 소정의 출력 전력으로 출력할 수 있다. 이에 따라, 모터 구동장치(200)는, 전력 변환 장치라 명명할 수도 있다.
모터 구동장치(200)는, 직류 전원의 레벨을 변환하는 dc/dc 컨버터(410), dc/dc 컨버터(410)로부터의 직류 전원을 이용하여 교류 전원을 출력하는 인버터(420), 인버터(420)로부터의 교류 전원을 이용하여 회전하는 모터(250), 컨버터(410)와 인버터(420)를 제어하는 제어부(430)를 구비할 수 있다.
한편, 모터 구동장치(200)는, dc/dc 컨버터(410)와 인버터(420) 사이의 dc단(a-b단)에 배치되는 dc단 커패시터(C), 인버터(420)에 병렬 접속되며 스위칭을 수행하는 스위칭부(SWW), 스위칭부(SWW)에 접속되는 배터리(205)를 구비할 수 있다.
dc/dc 컨버터(410)는, 입력단(c-d단)에 배치되는 커패시터(Ci)로부터의 직류 전원을 변환하여, 레벨 변환된 직류 전원을 dc단(a-b단)에 출력할 수 있다.
예를 들어, 충전 장치(미도시)로부터의 직류 전원이 입력단(c-d단)에 공급되는 경우, dc/dc 컨버터(410)는, 충전 장치(미도시)로부터의 직류 전원을 변환하여 레벨 변환된 직류 전원을 dc단(a-b단)에 출력할 수 있다.
다른 예로, dc/dc 컨버터(410)는, dc단(a-b단)의 직류 전원을 레벨 변환하여, 입력단(c-d단)으로 출력할 수 있다. 이에 따라, 입력단(c-d단)에 전기적으로 접속되는 외부의 장치(미도시)에 직류 전원을 공급할 수 있게 된다.
즉, dc/dc 컨버터(410)는, 양방향 컨버터일 수 있다.
이를 위해, dc/dc 컨버터(410)는, 복수의 스위칭 소자와, 트랜스포머를 구비할 수 있다. 그리고, 복수의 스위칭 소자의 일부의 스위칭 동작 등에 기초하여, 전력을 변환하여, 레벨 변환된 직류 전원을, 입력단(c-d단) 또는 dc단(a-b단)에 출력할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B), 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(E), 모터(250)의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출 센서(105)를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른, 모터(250)는, 인버터(420)에 의해 구동되는 3상 모터일 수 있다.
한편, 제어부(430)는, 연산된 토크 지령치에 대응하는 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다. 따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 제어부(430)는, dc/dc 컨버터(410)의 레벨 변환시 내부의 스위칭 소자의 스위칭을 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(430)는, 충전 장치(미도시)로부터의 직류 전원이 입력단(c-d단)에 공급되는 경우, 충전 장치(미도시)로부터의 직류 전원을 변환하여 레벨 변환된 직류 전원을 dc단(a-b단)에 출력하도록, dc/dc 컨버터(410)를 제어할 수 있다.
다른 예로, 제어부(430)는, dc/dc 컨버터(410)는, dc단(a-b단)의 직류 전원을 레벨 변환하여, 입력단(c-d단)으로 출력하도록 dc/dc 컨버터(410)를 제어할 수 있다.
한편, 제어부(430)는, 실시간으로 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)를 연산하고, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
제어부(430)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 모터 구동장치(200)는, 인버터(420), 제어부(430), 출력전류 검출부(E), dc단 전압 검출부(Vdc), 위치 검출 센서(105)를 포함할 수 있다.
dc단 커패시터(C)는, dc단(a-b단)에 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, dc단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, dc단 커패시터(C)에 공급되는 입력 전원은, 배터리(205)에 저장된 전원 또는 컨버터(미도시)에서 레벨 변환된 전원일 수 있다.
한편, dc단 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 dc단 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)의 온/오프 동작에 의해 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(Va,Vb,Vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상, 하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이를 위해, 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)의 각 게이트 단자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는, 게이트 구동 신호라 명명할 수도 있다.
한편, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)를 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 삼상 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a, b, c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터(250)는, 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)를 위주로 기술한다.
도 5는 도 4의 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 5의 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(320)로부터, 검출되는 출력 전류(io)를 입력받고, 위치 검출 센서(105)로부터 모터(250)의 회전자 위치 정보(θ)를 수신할 수 있다.
위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 자극 위치(θ)를 검출할 수 있다. 즉, 위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
이를 위해, 위치 검출 센서(105)는, 인코더(encoder)나 리졸버(resolver) 등을 포함할 수 있다.
다음의 설명에서 사용 좌표계와 좌표축에 대해 여기에서 정의한다.
αβ 좌표계는, 고정축인 α와 β 축을 축으로 하는 이차원 고정 좌표계이다. α 및 β 축은 서로 직교하며, β 축은 α 축으로부터 전기각 90˚ 만큼 앞선다.
dq 좌표계는 회전축인 d와 q축 축으로 하는 이차원 회전 좌표계이다. 모터(250)의 영구 자석이 만드는 자속의 회전 속도와 같은 속도로 회전하는 회전 좌표계에서 영구 자석이 만드는 자속의 방향에 따른 축이 d축이며, d축에서 전기각 90˚ 위상이 앞선 축이 q축이다.
도 5를 참조하면, 제어부(430)는, 속도 연산부(320), 축변환부(310), 토크 연산부(325), 자속 추정부(327), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
제어부(430) 내의 축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
제어부(430) 내의 속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure pat00001
)를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치(
Figure pat00002
)에 기초하여, 연산된 속도(
Figure pat00003
)를 출력할 수 있다.
제어부(430) 내의 토크 연산부(325)는, 연산된 속도(
Figure pat00004
)에 기초하여, 현재의 토크(T)를 연산할 수 있다.
한편, 자속 추정부(327)는, 모터(250)의 자속(λ)을 추정할 수 있다.
특히, 자속 추정부(327)는, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io)와 전압 지령치에 기초하여, 모터(250)의 자속(λ)을 추정할 수 있다.
보다 구체적으로, 자속 추정부(327)는, 모터(250)에 흐르는 출력 전류 기반의 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)와, 전압 지령 생성부(340)으로부터의 전압 지령치(V*d,V*q)에 기초하여, 모터(250)의 자속(λ)을 추정할 수 있다.
한편, 제어부(430) 내의 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성한다.
예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i*d,i*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 생성한다.
예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i*q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(V*q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i*d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(V*d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(V*d)의 값은, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00005
)와, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00006
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
도 6은 본 발명과 관련된 전력 변환 장치를 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 종래의 전력 변환 장치(600)는, 양방향 컨버터로서, 트랜스포머(T)의 입력측의 일단(nia)에 접속되는 제1 인덕터(Lp), 트랜스포머(T)의 입력측의 타단(nib)에 접속되는 제1 커패시터(Cp), 트랜스포머(T)의 출력측의 일단(noa)에 접속되는 제2 인덕터(Ls), 트랜스포머(T)의 출력측의 타단(nob)에 접속되는 제2 커패시터(Cs)를 포함한다.
도 6의 전력 변환 장치(600)는, CLLC 타입의 양방향 dc/dc 컨버터일 수 있다.
즉, 트랜스포머(T)를 기준으로, 대칭형 구조로서, 입력측에, 제1 커패시터(Cp), 제1 인덕터(Lp)가 배치되고, 출력측에, 제2 인덕터(Ls), 제2 커패시터(Cs)가 배치된다.
그러나, 도 6의 전력 변환 장치(600)에 의하면, 입력측에서 출력측의 순방향전원 변환시와, 출력측에서 입력측의 역방향 전원 변환시에, 제1 인덕터(Lp), 제2 인덕터(Ls)의 인덕턴스와, 제1 커패시터(Cp), 제2 커패시터(Cs)의 커패시턴스의 차이에 따라, 공진 주파수 값이 달라지게 된다.
즉, 순방향의 공진 주파수와 역방향의 공진 주파수가 달라질 수 있다. 이에 따라, 각 방향의 전원 변환시의 구동 방법이 달라지는 문제가 있을 수 있다.
도 7a는 도 6의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 도 6의 전력 변환 장치(600), 즉, CLLC 타입의 양방향 dc/dc 컨버터에서, 순방향의 전원 변환시, 트랜스포머(T)의 출력측에 배치되는 부하의 레벨 변화에 따라, 주파수 대비 공진 게인이 가변될 수 있다.
도면에서는, CVaa가 경부하(light load), CVac가 중부하(heavy load), CVab가 중간 부하인 것을 예시한다.
특히, 공진 주파수인 refa를 기준으로, 공진 주파수 이하인 경우, 게인의 변곡점이 발생하여 게인 곡선의 왜곡이 심하지게 된다.
특히, 경부하 보다는 중부하로 갈수록, 즉, 부하의 레벨이 커질수록, 공진 주파수 이하의 게인의 변화가 심해지는 특징이 나타나게 된다.
도면에서는, 변곡점으로 인하여, 공진 주파수 이하인 경우, CVac와 CVab에서, 게인 변화율이 제로인 점이 2개 이상 나타나는 것을 예시한다.
이러한 게인 불안정으로 인하여, 종래에는, 게인 안정을 위해, 제1 커패시터(Cp), 제2 커패시터(Cs)의 용량이 커지도록 하는 등의 방안이 있으나, 이러한 방법에 의하면, 양방향 동작이 원활히 수행되지 못하는 등의 문제가 있다.
이에 본 발명에서는, 공진 주파수 이하에서 공진 게인이 안정적으로 나타나는 방안을 제시한다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있는 방안을 제시한다. 이에 대해서는 도 8 이하를 참조하여 기술한다.
한편, 도 7b는, 도 7a의 CLLC 타입의 양방향 dc/dc 컨버터와 달리, LLC 타입의 단방향 컨버터에서의 주파수 대비 공진 게인을 도시한 도면이다.
도면에서는, CVba가 경부하(light load), CVbc가 중부하(heavy load), CVbb가 중간 부하인 것을 예시한다.
도 7a와 비교하여, 도 7b를 보면, 공진 주파수인 refb를 기준으로, 공진 주파수 이하인 경우, 게인의 변곡점이 없다.
다만, 공진 주파수 이하인 경우, 중부하 보다는 경부하로 갈수록, 게인의 변화가 커지게 된다.
그럼에도 불구하고, 공진 주파수 이하에서 변곡점이 없으므로, 도 7a와 달리, CVba, CVbb CVbc에서, 게인 변화율이 제로인 점이 1개만 나타나게 된다.
따라서, LLC 타입의 단방향 컨버터에서 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다.
이에 본 발명에서는, LLC 타입의 양방향 컨버터를 제안하며, 순방향 또는 역방향 전원 변화시의 트랜스포머를 기준으로 일측만 LCC 로 구성하는 방안을 제 시한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이고, 도 9a 내지 도 9d는 도 8의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)와, 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)에 병렬 접속되는 제1 릴레이 소자(RLY1)와, 트랜스포머(T)의 제2 측(noa-nob)에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)와, 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)에 병렬 접속되는 제2 릴레이 소자(RLY2)를 포함한다.
이때, 제1 릴레이 소자(RLY1), 제2 릴레이 소자(RLY2)는 스위칭 소자로 구현되는 것도 가능하다.
한편, 도 7b의 설명에서 기술한 바와 같이, LCC 타입의 양방향 컨버터 구현을 위해, 도 9a와 같이, 제1 측(nia-nib)에서 제2 측(noa-nob) 방향으로의 전원 변환 출력시(순방향 출력시), 제1 릴레이 소자(RLY1)는 오프되고, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 온되도록 한다.
이에 따라, 순방향 전원 변환 출력시, 제2 릴레이 소자(RLY2)의 온에 따라, 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)의 양단인, nob와 n3 사이는 쇼트(short) 상태가 된다. 따라서, 단방향 LCC 타입의 컨버터 구현이 가능하게 된다. 결국, 도 7b와 같은, 안정적인 공진 게인이 확보되게 된다.
한편, 전력 변환 장치(800)에서의 제2 측(noa-nob)에서 제1 측(nia-nib) 방향으로의 전원 변환 출력시(역방향 출력시), 도 9b와 같이, 제1 릴레이 소자(RLY1)는 온되고, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 오프되도록 한다.
이에 따라, 역방향 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자(RLY1)의 온에 따라, 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)의 양단인, nib와 n2 사이는 쇼트(short) 상태가 된다. 따라서, 단방향 LCC 타입의 컨버터 구현이 가능하게 된다. 결국, 도 7b와 같은, 안정적인 공진 게인이 확보되게 된다.
결국, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 제1 릴레이 소자(RLY1)와 제2 릴레이 소자(RLY2)를 제어하는 제어부(430)를 더 포함한다.
제어부(430)는, 제1 측(nia-nib)에서 제2 측(noa-nob) 방향으로의 전원 변환 출력시 제1 릴레이 소자(RLY1)는 오프되고, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 온되도록 제어한다.
한편, 제어부(430)는, 제2 측(noa-nob)에서 제1 측(nia-nib) 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자(RLY1)는 온되고, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 오프되도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 트랜스포머(T)의 제1 측(nia-nib)에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 트랜스포머(T)의 제2 측(noa-nob)에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa)의 출력단과, 트랜스포머(T)의 제1 측(nia-nib) 사이에, 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)가 배치되며, 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb)의 입력단과, 트랜스포머(T)의 제2 측(noa-nob) 사이에, 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)가 배치된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa)는, 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자(Q1,Q2)와, 제1 내지 제2 스위칭 소자(Q1,Q2)에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자(Q3,Q4)를 구비할 수 있다.
이때, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)의 사이인 제1 노드(n1)와, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 사이인 제2 노드(n2) 사이에, 트랜스포머(T)의 제1 측(nia-nib)이 접속될 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa)는, 서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자(Q1,Q2)와, 제1 내지 제2 스위칭 소자(Q1,Q2)에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자(Q3,Q4)를 구비할 수 있다.
이때, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)의 사이인 제1 노드(n1)에, 트랜스포머(T)의 제1 측(nia-nib)이 접속되며, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 사이인 제2 노드(n2)에, 제1 인덕터(Lr1) 또는 제1 커패시터(Cr1)가 접속될 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb)는, 서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)와, 제5 내지 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자(Q7,Q8)를 구비할 수 있다.
이때, 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q5)의 사이인 제3 노드(n3)와, 제7 스위칭 소자(Q7)와 제8 스위칭 소자(Q8)의 사이인 제4 노드(n4) 사이에, 트랜스포머(T)의 제2 측(noa-nob)이 접속될 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa)는, 서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)와, 제5 내지 제6 스위칭 소자(Q5,Q6)에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자(Q7,Q8)를 구비할 수 있다.
이때, 제7 스위칭 소자(Q7)와 제8 스위칭 소자(Q8)의 사이인 제4 노드(n4)에, 트랜스포머(T)의 제2 측(noa-nob)이 접속되며, 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q6)의 사이인 제2 노드(n2)에, 제2 인덕터(Lr2) 또는 제2 커패시터(Cr2)가 접속될 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 도 7b와 같이, 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)에 기초한 제1 공진 주파수(refb) 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 순방향 전원 변환시, 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 도 7b와 같이, 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)에 기초한 제2 공진 주파수(refb) 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 역방향 전원 변환시, 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다.
이때의 제1 공진 주파수(refb)와, 제2 공진 주파수(refb)는 동일할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 도 3과 같이, 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb)의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터(C)와, dc단 커패시터(C)의 양단에 접속되어, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터(420)와, 인버터(420) 병렬 접속되는 스위칭부(SWW)와, 스위칭부(SWW)에 접속되는 배터리(205)를 더 포함할 수 있다.
배터리(205) 충전시, dc/dc 컨버터(410)가 순방향으로 동작하며, dc/dc 컨버터(410)에서 dc단 커패시터(C)로 출력되는 직류 전원은, 스위칭부(SWW)를 거쳐, 배터리(BAT)로 전달되게 된다. 이때, dc/dc 컨버터(410)는, 도 9a와 같이 동작하게 된다.
다음, 외부 장치 충전시, 예를 들어, 배터리(205) 전압이 dc단 커패시터(C)로 출력되고, dc/dc 컨버터(410)가 역방향으로 동작하여, 입력단 커패시터(Ci)로 변환된 직류 전원이 출력된다. 이때, dc/dc 컨버터(410)는, 도 9b와 같이 동작하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 제1 릴레이 소자(RLY1), 제2 릴레이 소자(RLY2), 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa), 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb), 인버터(420), 스위칭부를 제어하는 제어부(430)를 더 포함할 수 있다.
제어부(430)는, 제1 릴레이 소자(RLY1), 제2 릴레이 소자(RLY2) 외에, 도 4 및 도 5와 같이, 인버터(420)를 제어할 수 있으며, 나아가, 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa), 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이와 같이, 하나의 제어부(430)로 각 종 스위칭 소자 등을 한꺼번에 제어함으로써, 공간 저감, 제조 비용 저감 등이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 트랜스포머(T)의 제1 측(nia-nib)에서 제2 측(noa-nob) 방향으로의 전원 변환 출력시, 또는 제2 측(noa-nob)에서, 제1 측(nia-nib) 방향으로의 전원 변환 출력시에, 전원 출력 방향에 위치하는 릴레이 소자(RLY1 또는 RLY2)가 턴 온되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 전력 변환 장치(800)에서의 제1 측(nia-nib)에서 제2 측(noa-nob) 방향으로의 전원 변환 출력시(순방향 출력시), 도 9a와 같이, 제1 릴레이 소자(RLY1)는 오프되고, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 온되도록 한다.
이에 따라, 순방향 전원 변환 출력시, 제2 릴레이 소자(RLY2)의 온에 따라, 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)의 양단인, nob와 n3 사이는 쇼트(short) 상태가 된다. 따라서, 단방향 LCC 타입의 컨버터 구현이 가능하게 된다. 결국, 도 7b와 같은, 안정적인 공진 게인이 확보되게 된다.
다른 예로, 전력 변환 장치(800)에서의 제2 측(noa-nob)에서 제1 측(nia-nib) 방향으로의 전원 변환 출력시(역방향 출력시), 도 9b와 같이, 제1 릴레이 소자(RLY1)는 온되고, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 오프되도록 한다.
이에 따라, 역방향 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자(RLY1)의 온에 따라, 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)의 양단인, nib와 n2 사이는 쇼트(short) 상태가 된다. 따라서, 단방향 LCC 타입의 컨버터 구현이 가능하게 된다. 결국, 도 7b와 같은, 안정적인 공진 게인이 확보되게 된다.
한편, 도 9c는 제1 릴레이 소자(RLY1)가 오프, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 오프인 것을 예시한다.
이러한 동작에 의하면, 순방향 전원 변환 또는 역방향 전원 변환시에, LCC 외에 추가의 LCC가 있으므로, 도 7b와 같은, 게인 안정이 아닌, 도 7a와 같은 게인 불안정이 나타날 수 있게 된다.
따라서, 제어부(430)는, 도 9c와 같이, 제1 릴레이 소자(RLY1)의 오프, 제2 릴레이 소자(RLY2)의 오프되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 도 9d는 제1 릴레이 소자(RLY1)가 온, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 온인 것을 예시한다.
이러한 동작에 의하면, 순방향 전원 변환 또는 역방향 전원 변환시에, 인덕터, 커패서터 양단이 모두 쇼트가 되므로, 공진이 수행되지 못하게 된다.
따라서, 제어부(430)는, 도 9d와 같이, 제1 릴레이 소자(RLY1)의 온, 제2 릴레이 소자(RLY2)의 온이 되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
결국, 제어부(430)는, 순방향 전원 변환시, 도 9a와 같이 동작하도록 제어하며, 역방향 전원 변환시, 도 9b와 같이 동작하도록 제어하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 부하 변화에도 불구하고 공진 게인을 안정적으로 확보할 수 있게 된다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용할 수 있게 된다.
한편, 도 6과 도 9a를 비교하면, 도 9a에서의 제2 릴레이 소자(RLY2)의 온에 따라, 트랜스포머(T)의 출력측(noa-nob)과, 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb) 사이에서의 전력 소비가 저감된다. 따라서, 도 6에 비해, 전력 손실을 저감할 수 있게 된다.
이와 유사하게, 도 6과 도 9b를 비교하면, 도 9b에서의 제1 릴레이 소자(RLY1)의 온에 따라, 트랜스포머(T)의 입력측(nia-nib)과, 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa) 사이에서의 전력 소비가 저감된다. 따라서, 도 6에 비해, 전력 손실을 저감할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (15)

  1. 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터;
    상기 제1 커패시터와 상기 제1 인덕터에 병렬 접속되는 제1 릴레이 소자;
    상기 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터;
    상기 제2 커패시터와 상기 제2 인덕터에 병렬 접속되는 제2 릴레이 소자;를 포함하며,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시 상기 제1 릴레이 소자는 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 온되며,
    상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 릴레이 소자는 온되고, 상기 제2 릴레이 소자가 오프되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자와 상기 제2 릴레이 소자를 제어하는 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시 상기 제1 릴레이 소자는 오프되고, 상기 제2 릴레이 소자가 온되도록 제어하며,
    상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 릴레이 소자는 온되고, 상기 제2 릴레이 소자가 오프되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부;
    상기 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 풀 브릿지 스위칭부의 출력단과, 상기 트랜스포머의 제1 측 사이에, 상기 제1 커패시터와 제1 인덕터가 배치되며,
    상기 제2 풀 브릿지 스위칭부의 입력단과, 상기 트랜스포머의 제2 측 사이에, 상기 제2 커패시터와 제2 인덕터가 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 풀 브릿지 스위칭부는,
    서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 내지 제2 스위칭 소자에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자;를 구비하며,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자의 사이인 제1 노드와, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드 사이에, 상기 트랜스포머의 상기 제1 측이 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 풀 브릿지 스위칭부는,
    서로 병렬 접속되는 제1 내지 제2 스위칭 소자;
    상기 제1 내지 제2 스위칭 소자에 각각 직렬 접속되는 제3 내지 제4 스위칭 소자;를 구비하며,
    상기 제1 스위칭 소자와 상기 제3 스위칭 소자의 사이인 제1 노드에, 상기 트랜스포머의 상기 제1 측이 접속되며,
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드에, 상기 제1 인덕터 또는 상기 제1 커패시터가 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 풀 브릿지 스위칭부는,
    서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자;
    상기 제5 내지 제6 스위칭 소자에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자;를 구비하며,
    상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 사이인 제3 노드와, 상기 제7 스위칭 소자와 상기 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드 사이에, 상기 트랜스포머의 상기 제2 측이 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 풀 브릿지 스위칭부는,
    서로 직렬 접속되는 제5 내지 제6 스위칭 소자;
    상기 제5 내지 제6 스위칭 소자에 병렬 접속되며, 서로 직렬 접속되는 제7 내지 제8 스위칭 소자;를 구비하며,
    상기 제7 스위칭 소자와 상기 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드에, 상기 트랜스포머의 상기 제2 측이 접속되며,
    상기 제5 스위칭 소자와 상기 제6 스위칭 소자의 사이인 제2 노드에, 상기 제2 인덕터 또는 상기 제2 커패시터가 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 커패시터와 상기 제1 인덕터에 기초한 제1 공진 주파수 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 커패시터와 상기 제2 인덕터에 기초한 제2 공진 주파수 이하에서, 주파수 대비 공진 게인의 변화율이 제로인 지점이 하나가 나타나도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제2 풀 브릿지 스위칭부의 출력단에 배치되는 dc단 커패시터;
    상기 dc단 커패시터의 양단에 접속되어, 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 출력하는 인버터;
    상기 인버터 병렬 접속되는 스위칭부;
    상기 스위칭부에 접속되는 배터리;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 소자, 상기 제2 릴레이 소자, 상기 제1 풀 브릿지 스위칭부, 제2 풀 브릿지 스위칭부, 상기 인버터, 상기 스위칭부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  13. 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터;
    상기 제1 커패시터와 상기 제1 인덕터에 병렬 접속되는 제1 릴레이 소자;
    상기 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터;
    상기 제2 커패시터와 상기 제2 인덕터에 병렬 접속되는 제2 릴레이 소자;를 포함하며,
    상기 제1 릴레이 소자와 상기 제2 릴레이 소자를 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 또는 상기 제2 측에서, 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 전원 출력 방향에 위치하는 릴레이 소자가 턴 온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부;
    상기 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
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