KR20210091603A - 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 - Google Patents

전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 Download PDF

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KR20210091603A
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박철우
김강휘
진호상
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 장치는, 제1 트랜스포머와, 제1 트랜스포머의 제1 측에 직렬 접속되며, 제1 트랜스포머의 제2 측에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머와, 제2 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터와, 직렬 접속되는 제1 트랜스포머의 제1 측과 제2 트랜스포머의 제1 측 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자와, 제1 트랜스포머의 제2 측에 접속되는 제2 릴레이 소자와, 제2 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터를 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, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 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, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 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.
중국 특허 CN208337415호(이하 선행 문헌 1이라 함)에 따르면, 양방향 컨버터를 예시한다. 그러나, 선행문헌 1에 따르면, 트랜스포머의 권선을 반으로 누고, 한쪽 단자에 릴레이 소자를 연결하므로, 단일 트랜스포머의 사용으로 인하여, 자화 인덕턴스가 작아지며, 작은 자화 인덕턴스에 의해, 전류 기울기가 급격히 상승하는 부분이 발생하며, 이에 따라, 스위칭 소자에 스트레스로 작용한다.
한편, 중국 특허 CN208337415호(이하 선행 문헌 2이라 함)에 따르면, 2개의 트랜스포머를 사용하나, 각각 병렬 접속되며, 결국 양방향 컨버터 구동이 수행되지 못하는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있는 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 역방향 전원 변화시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있는 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 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 차량은, 제1 트랜스포머와, 제1 트랜스포머의 제1 측에 직렬 접속되며, 제1 트랜스포머의 제2 측에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머와, 제2 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터와, 직렬 접속되는 제1 트랜스포머의 제1 측과 제2 트랜스포머의 제1 측 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자와, 제1 트랜스포머의 제2 측에 접속되는 제2 릴레이 소자와, 제2 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터를 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.
한편, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 릴레이 소자와 제2 릴레이 소자를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
한편, 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, 제1 릴레이 소자와 제2 릴레이 소자를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 트랜스포머의 제1 측, 및 제2 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부와, 제1 트랜스포머의 제2 측, 및 제2 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
한편, 제1 풀 브릿지 스위칭부의 출력단과, 제2 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 커패시터와 제1 인덕터가 배치되며, 제2 풀 브릿지 스위칭부의 입력단과, 제2 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 제1 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 릴레이 소자가 접속되며, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드와 제2 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 커패시터와 제1 인덕터가 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 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 제2 커패시터와 제2 인덕터가 접속되며, 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드와 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 제2 릴레이 소자가 접속된다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 제1 트랜스포머 또는 제2 트랜스포머 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머 및 제2 트랜스포머의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제2 트랜스포머의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 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, 제2 릴레이 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, 제1 트랜스포머와, 제1 트랜스포머의 제1 측에 직렬 접속되며, 제1 트랜스포머의 제2 측에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머와, 제2 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터와, 직렬 접속되는 제1 트랜스포머의 제1 측과 제2 트랜스포머의 제1 측 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자와, 제1 트랜스포머의 제2 측에 접속되는 제2 릴레이 소자와, 제2 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터를 포함하며, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 릴레이 소자와 제2 릴레이 소자를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작하도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 트랜스포머의 제1 측, 및 제2 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부와, 제1 트랜스포머의 제2 측, 및 제2 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 제1 트랜스포머 또는 제2 트랜스포머 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 트랜스포머와, 제1 트랜스포머의 제1 측에 직렬 접속되며, 제1 트랜스포머의 제2 측에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머와, 제2 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터와, 직렬 접속되는 제1 트랜스포머의 제1 측과 제2 트랜스포머의 제1 측 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자와, 제1 트랜스포머의 제2 측에 접속되는 제2 릴레이 소자와, 제2 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터를 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, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 역방향 전원 변화시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 수 있게 된다.
한편, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 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, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 트랜스포머의 제1 측, 및 제2 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부와, 제1 트랜스포머의 제2 측, 및 제2 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, 제2 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 커패시터와 제1 인덕터가 배치되며, 제2 풀 브릿지 스위칭부의 입력단과, 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 제2 커패시터와 제2 인덕터가 배치된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 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 제1 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 릴레이 소자가 접속되며, 제2 스위칭 소자와 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드와 제2 트랜스포머의 제1 측 사이에, 제1 커패시터와 제1 인덕터가 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 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 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 제2 커패시터와 제2 인덕터가 접속되며, 제7 스위칭 소자와 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드와 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 제2 릴레이 소자가 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 수 있게 된다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 제1 트랜스포머 또는 제2 트랜스포머 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머 및 제2 트랜스포머의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제2 트랜스포머의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 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. 이에 따라, 배터리로의 충전 또는 배터리로부터의 방전이 수행될 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 트랜스포머와, 제1 트랜스포머의 제1 측에 직렬 접속되며, 제1 트랜스포머의 제2 측에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머와, 제2 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터와, 직렬 접속되는 제1 트랜스포머의 제1 측과 제2 트랜스포머의 제1 측 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자와, 제1 트랜스포머의 제2 측에 접속되는 제2 릴레이 소자와, 제2 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터를 포함하며, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 역방향 전원 변화시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 수 있게 된다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 트랜스포머와 제2 트랜스포머가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 제1 릴레이 소자는 온되고, 제2 트랜스포머만 동작하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량은, 제1 트랜스포머의 제1 측, 및 제2 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부와, 제1 트랜스포머의 제2 측, 및 제2 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하게 된다.
한편, 제어부는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 제1 트랜스포머 또는 제2 트랜스포머 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 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 6a는 본 발명과 관련된 전력 변환 장치를 회로도의 일예이다.
도 6b는 본 발명과 관련된 전력 변환 장치를 회로도의 다른 예이다.
도 7a 내지 도 7f는 도 6a 또는 도 6b의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이다.
도 9a 내지 도 10b는 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 6a는 본 발명과 관련된 전력 변환 장치를 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 종래의 전력 변환 장치(600a)는, 양방향 컨버터로서, 트랜스포머(T), 트랜스포머(T)의 입력측에 배치되며 복수의 스위칭 소자(Q1~Q4)를 포함하는 풀 브릿지 스위칭부(SWUa)와, 트랜스포머(T)의 출력측에 배치되며 복수의 다이오드 소자(D1~D4)를 포함하는 풀 브릿지 다이오드부(DUb)와, 트랜스포머(T)의 일단에 접속되는 제1 인덕터(Lp), 트랜스포머(T)의 입력측의 타단에 접속되는 제1 커패시터(Cp)를 포함한다.
도 6a의 전력 변환 장치(600a)는 단방향 공진형 dc/dc 컨버터로서, LLC 타입의 dc/dc 컨버터일 수 있다.
그러나, 도 6a의 전력 변환 장치(600a)는, 양방향 전원 변화를 수행할 수 없다는 단점이 있다.
도 6b는 본 발명과 관련된 전력 변환 장치를 회로도의 다른 예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 종래의 전력 변환 장치(600b)는, 양방향 컨버터로서, 트랜스포머(T), 트랜스포머(T)의 입력측에 배치되며 복수의 스위칭 소자(Q1~Q4)를 포함하는 제1 풀 브릿지 스위칭부(SWUa)와, 트랜스포머(T)의 출력측에 배치되며 복수의 다이오드 소자(Q5~Q8)를 포함하는 제2 풀 브릿지 스위칭부(SWUb)와, 트랜스포머(T)의 입력측의 일단(nia)에 접속되는 제1 인덕터(Lr1), 트랜스포머(T)의 입력측의 타단(nib)에 접속되는 제1 커패시터(Cr1), 트랜스포머(T)의 출력측의 일단(noa)에 접속되는 제2 인덕터(Lr2), 트랜스포머(T)의 출력측의 타단(nob)에 접속되는 제2 커패시터(Cr2)를 포함한다.
도 6b의 전력 변환 장치(600b)는, CLLC 타입의 양방향 dc/dc 컨버터일 수 있다.
즉, 트랜스포머(T)를 기준으로, 대칭형 구조로서, 입력측에, 제1 커패시터(Cr1), 제1 인덕터(Lr1)가 배치되고, 출력측에, 제2 인덕터(Lr2), 제2 커패시터(Cr2)가 배치된다.
그러나, 도 6b의 전력 변환 장치(600b)에 의하면, 입력측에서 출력측의 순방향전원 변환시와, 출력측에서 입력측의 역방향 전원 변환시에, 제1 인덕터(Lr1), 제2 인덕터(Lr2)의 인덕턴스와, 제1 커패시터(Cr1), 제2 커패시터(Cr2)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 7a 내지 도 7f는 도 6a 또는 도 6b의 동작 설명에 참조되는 도면이다.
먼저, 도 7a는, 도 6b의 CLLC 타입의 양방향 dc/dc 컨버터를 포함하는 전력 변환 장치(600b) 내의 공진 탱크 회로를 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 트랜스포머(T)의 입력측(n1-n2)은, Lr, Lm1, Cr에 의해 공진 회로를 구성하며, 트랜스포머(T)의 출력측(n3-n4)은, Lr, Lm2, Cr에 의해 공진 회로를 구성할 수 있다.
한편, 도 7a에서의 트랜스포머(T)의 입력측(n1-n2)의 턴비는 Np 이고, 출력측(n3-n4)의 턴비는 Ns 일 수 있다.
한편, dc/dc 컨버터의 입/출력 전압이 모두 가변조건이거나, 한쪽이 월등히 크지 않을 경우, 전체 Gain은 스텝 업(step up), 및 스텝 다운(step down)의 범위를 모두 요구받는다.
예를 들어, 설계 및 제어 상의 이점을 가져가기 위하여, Np 또는 Ns가 큰 경우, 도 7a의 LC 공진 tank는, 스텝 업(step up)에서 스텝 다운(step down)까지 가능한 넓은 범위의 게인을 요구받게 된다.
도 7b는 도 6b의 양방향 공진 컨버터의 주파수 대비 공진 게인 곡선을 나타낸다.
도면을 참조하면, 복수의 게인 곡선(CVba~CVbc)을 예시하며, CVba가 경부하(light load), CVbc가 중부하(heavy load), CVbb가 중간 부하인 것을 예시한다.
한편, 복수의 게인 곡선(CVba~CVbc)에서 공진 게인은, 공진 지점에서 게인이 1인 특징이 있다.
도면에서의 ref는 공진이 발생하는 주파수를 나타내며, 이때의 게인은, 1일 수 있다.
한편, 주파수가 ref 미만인 영역(또는 게인이 1 보다 큰 영역)을 Below resonance 구간(Ara)이라 명명하며, 주파수가 ref 초과인 영역(또는 게인이 1 보다 작은 영역)을 Above resonance 구간(Arb)이라 명명할 수 있다.
한편, 도 6b와 같이, 단일 상수 게인을 제공하는 트랜스포머(T)를 사용하는 경우, 넓은 입력, 출력 범위에 대한 게인을 개별로, 제공해줄 수 없기에, 실제 공진 탱크가, 전체 동작 범위에 대한 게인을 결정하게 된다.
한편, 공진 탱크 게인 곡선을 살펴보면 공진 주파수(ref) 좌측은 높은 기울기에 따라 급격한 게인(Gain) 변화를 보이나, 공진 주파수(ref) 우측은 그 변화가 둔화되나 0에 가까운 게인까지는 근접하지 못하는 것을 확인 할 수 있다.
따라서, 단일 상수 게인인 트랜스포머(T)의 턴비는, 공진 주파수(ref) 우측의 감쇄 비율을 추가로 제공하기 위하여, 보편적으로 트랜스포머의 출력측을 바라볼 때 스텝 다운(step down) 형태로 설계가 진행되는 것이 바람직하다.
도 7c는 도 6b의 양방향 공진 컨버터의 순방향 동작시의 트랜스포머의 등가 모델을 예시하는 도면이다.
즉, 도면은, 도 6b의 양방향 공진 컨버터에서 트랜스포머(T)의 입력측(nia-nib)에서 출력측(noa-nob)으로의 전원 변환시의 트랜스포머의 등가 모델을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 트랜스포머(T)의 입력측(nia-nib)에서 바라보면, 자화인덕턴스 Lm1과 턴비 n 이, 수학식 1에 기초하여, 등가 모델의 상수가 된다.
[수학식 1]
n = Ns / Np
여기서, n은 턴비, Np는, 입력측(n1-n2)의 턴비이고, Ns는 출력측(n3-n4)의 턴비일 수 있다.
도 7d는 도 6b의 양방향 공진 컨버터의 역방향 동작시의 트랜스포머의 등가 모델을 예시하는 도면이다.
즉, 도면은, 도 6b의 양방향 공진 컨버터에서 트랜스포머(T)의 출력측(noa-nob)에서 입력측(nia-nib)으로의 전원 변환시의 트랜스포머의 등가 모델을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 트랜스포머(T)의 출력측(noa-nob)에서 바라보면, 자화인덕턴스 Lm2과 턴비 N 이, 수학식 2에 기초하여, 등가 모델의 상수가 된다.
[수학식 2]
N = Np / Ns
여기서, N은 턴비, Np는, 입력측(n1-n2)의 턴비이고, Ns는 출력측(n3-n4)의 턴비일 수 있다.
한편, 입력측(n1-n2)의 턴비인 Np가, 출력측(n3-n4)의 턴비인 Ns 보다 큰 경우, 즉, 스텝 다운형인 경우, 자화 인덕턴스 Lm1, Lm2는 다음의 수학식 3, 4와 같이 정리될 수 있다.
[수학식 3]
Lm2 = Lm1 *(Ns2) / (Np2)
[수학식 4]
Lm1 >> Lm2
수학식 4에 의하면, 순방향 자화 인덕턴스(Lm1)이, 역방향 자화 인덕턴스(Lm2) 보다 훨씬 크게 된다.
도 7e는, 도 7b의 Below resonance 구간(Ara)에서의 공진 탱크에 흐르는 전류 파형을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 공진 인덕터(Lr1)와 공진 커패시터(Cr1)가 공진하는 구간(Ta1) 동안, 전력 변환이 수행되어, 트랜스포머(T)의 출력측에 파워가 전달되게 되고, 공진이 종료된 구간(Ta2) 동안, 자화 전류인 Lm 전류의 순환이 일어나게 된다.
도 7f는, 도 7b의 공진 구간(ref)에서의 공진 탱크에 흐르는 전류 파형을 예시하는 도면이다.
도면을 참조하면, 공진 구간(ref), 및 Above resonance 구간(Arb) 동안에는, 도 7e와 달리, 자화 전류인 Lm 전류의 순환이 일어나지 않게 된다.
한편, 상술한 바와 같이, 단일의 고정 턴비를 가지는 트랜스포머를 사용하는 공진형 컨버터의 경우, 수학식 4에서와 같이, 순방향 자화 인덕턴스(Lm1) 보다, 역방향 자화 인덕턴스(Lm2) 보다 훨씬 작게 되므로, 손실이 크게 발생하는 단점이 있다.
이에 따라, 순방향 자화 인덕턴스(Lm1)는 물론, 역방향 자화 인덕턴스(Lm2)를 크게하는 방안이 필요하다.
본 발명의 실시예에서는, 순방향 자화 인덕턴스(Lm1)는 물론, 역방향 자화 인덕턴스(Lm2)를 크게하는 방안에 대해 제안한다. 이에 대해서는 도 8 이하를 참조하여 기술한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 변환 장치의 회로도의 일예이고, 도 9a 내지 도 10b는 도 8의 설명에 참조되는 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력 변환 장치(800)는, 제1 트랜스포머(T1)와, 제1 트랜스포머(T1)의 제1 측(nia-nib)에 직렬 접속되며, 제1 트랜스포머(T1)의 제2 측(noa-nob)에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머(T2)와, 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측(nib-nic)에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)와, 직렬 접속되는 제1 트랜스포머(T1)의 제1 측(nia-nib)과 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측(nib-nic) 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자(RLY1)와, 제1 트랜스포머(T1)의 제2 측(noa-nob)에 접속되는 제2 릴레이 소자(RLY2)와, 제2 트랜스포머(T2)의 제2 측(noc-nod)에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)를 포함한다.
한편, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 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.
한편, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 역방향 전원 변환시, 도 9b와 같이, 제1 릴레이 소자(RLY1)는 온되고, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 오프된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 역방향 전원 변화시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 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.
구체적으로, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)의 사이인 제1 노드(n1)와 제1 트랜스포머(T1)의 제1 측(nia-nib) 사이에, 제1 릴레이 소자(RLY1)가 접속되며, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)의 사이인 제2 노드(n2)와 제2 트랜스포머(T2)의 제1 측(nib-nic) 사이에, 제1 커패시터(Cr1)와 제1 인덕터(Lr1)가 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 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.
구체적으로, 제5 스위칭 소자(Q5)와 제6 스위칭 소자(Q5)의 사이인 제3 노드(n3)와 제2 트랜스포머(T2)의 제2 측(noc-nod) 사이에, 제2 커패시터(Cr2)와 제2 인덕터(Lr2)가 접속되며, 제7 스위칭 소자(Q7)와 제8 스위칭 소자(Q8)의 사이인 제4 노드(n4)와 제2 트랜스포머(T2)의 제2 측(noc-nod) 사이에, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 접속된다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 제1 트랜스포머(T1)와 제2 트랜스포머(T2)가 동작하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 역방향 전원 변환시, 제1 릴레이 소자(RLY1)는 온되고, 제2 트랜스포머(T2)만 동작할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환이 가능하며, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 역방향 전원 변화시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 그리고, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지 또는 동일한 등가회로를 구현할 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 제1 트랜스포머(T1) 또는 제2 트랜스포머(T2) 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 제1 트랜스포머(T1) 및 제2 트랜스포머(T2)의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 역방향 전원 변환시, 제2 트랜스포머(T2)의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
도 9a와 도 10a는 도 8의 전력 변환 장치(800)의 순방향 동작을 예시한다.
도면을 참조하면, 제1 릴레이 소자(RLY1)가 오프되며, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 온된다.
제1 릴레이 소자(RLY1)의 오프에 의해, 제1 노드(n1)와 제1 트랜스포머(T1)의 입력측인 nia가 전기적으로 연결된다. 그리고, 제2 노드(n2)와 제2 트랜스포머(T2)의 입력측인 nic가 전기적으로 연결된다.
특히, 제2 노드(n2)와 제 2 트랜스포머(T2)의 입력측인 nic 사이에, 제1 인덕터(Lr1), 제1 커패시터(Cr1)가 접속된다.
제2 릴레이 소자(RLY2)가 온에 의해, 제4 노드(n4)와 제1 트랜스포머(T1)의 출력측인 noa가 전기적으로 연결된다. 그리고, 제1 트랜스포머(T1)의 출력측인 noa와, 제2 트랜스포머(T2)의 출력측인 noc가 병렬 연결된다.
한편, 제3 노드(n3)와 제1 트랜스포머(T1)의 출력측인 nob가 전기적으로 연결된다.
특히, 제3 노드(n3)와 제1 트랜스포머(T1)의 출력측인 nob 사이에, 제2 인덕터(Lr2), 제2 커패시터(Cr2)가 접속된다.
한편, 제1 트랜스포머(T1)의 출력측인 nob와 제2 트랜스포머(T2)의 출력측인 nod 가 병렬 접속된다.
도 9b와 도 10b는 도 8의 전력 변환 장치(800)의 역방향 동작을 예시한다.
도면을 참조하면, 제1 릴레이 소자(RLY1)가 온되며, 제2 릴레이 소자(RLY2)가 오프된다.
제1 릴레이 소자(RLY1)의 온에 의해, 제1 노드(n1)와 제1 트랜스포머(T1)의 입력측인 nia 사이는 쇼트가 되므로, 결국, 제1 노드(n1)와 제1 트랜스포머(T1)의 입력측인 nib가 전기적으로 연결된다. 그리고, 제2 노드(n2)와 제2 트랜스포머(T2)의 입력측인 nic가 전기적으로 연결된다.
특히, 제2 노드(n2)와 제 2 트랜스포머(T2)의 입력측인 nic 사이에, 제1 인덕터(Lr1), 제1 커패시터(Cr1)가 접속된다.
제2 릴레이 소자(RLY2)가 오프에 의해, 제4 노드(n4)와 제1 트랜스포머(T1)의 출력측인 noa는 단선(open)된다.
따라서, 제4 노드(n4)와 제2 트랜스포머(T2)의 출력측인 noc가 전기적으로 연결된다.
한편, 제1 트랜스포머(T1)의 출력측인 nob와 제2 트랜스포머(T2)의 출력측인 nod 가 병렬 접속되므로, 제3 노드(n3)와 제2 트랜스포머(T2)의 출력측인 nod가 전기적으로 연결된다.
특히, 제3 노드(n3)와 제2 트랜스포머(T2)의 출력측인 nod 사이에, 제2 인덕터(Lr2), 제2 커패시터(Cr2)가 접속된다.
도 9a 내지 도 10b를 참조하여 정리하면 다음의 수학식 5 내지 7과 같이 정리될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00007
[수학식 6]
Figure pat00008
Lm11은 제1 트랜스포머(T1)의 입력측 자화 인덕턴스를 나타내며, Lm12은 제2 트랜스포머(T2)의 입력측 자화 인덕턴스를 나타내며, Lm21은 제1 트랜스포머(T1)의 출력측 자화 인덕턴스를 나타내며, Lm22은 제2 트랜스포머(T2)의 출력측 자화 인덕턴스를 나타낸다.
한편, 제1 트랜스포머(T1)와, 제2 트랜스포머(T2)의 입력측 권선비는, 서로 직렬 접속되므로, k* Np/2일 수 있으며, 제1 트랜스포머(T1)와, 제2 트랜스포머(T2)의 출력측 권선비는, 서로 병렬 접속되므로 k* Ns일 수 있다.
Lm1은 제1 트랜스포머(T1)와 제2 트랜스포머(T2)의 입력측 자화 인덕턴스를 나타내며, Lm2는 제1 트랜스포머(T1)와 제2 트랜스포머(T2)의 출력측 자화 인덕턴스를 나타낸다.
제1 트랜스포머(T1)와 제2 트랜스포머(T2)의 입력측이 직렬 접속되므로 수학식 6과 같이, Lm1은 Lm11과 Lm12의 합일 수 있다.
이때, Lm11과 Lm12은 동일할 수 있으며, Lm21과 Lm22는 동일할 수 있다.
한편, 수학식 5와 수학식 6을 조합하면, 하기의 수학식 7과 같이 정리될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00009
즉, 도 9b 또는 도 10b의 역방향 동작시, Lm2의 등가 용량이, 기존의 도 6b의 등가 용량 보다 2배 커지는 것을 알 수 있다.
즉, 도 9b 또는 도 10b의 역방향 동작시, 기존의 도 6b의 자화 인덕턴스가 작아지는 것을 방지하고, 역방향의 자화 인덕턴스가 커지게 할 수 있게 된다. 따라서, 넓은 입력, 출력 범위에 대한 게인을 제공해줄 수 있게 된다.
하기의 수학식 8은 순방향시의 게인(Gainforward)을 예시한다.
[수학식 8]
Figure pat00010
여기서, Np는 제1 트랜스포머(T1)의 입력측의 턴비일 수 있다. 한편, 제1 트랜스포머(T1)의 입력측의 턴비와, 제2 트랜스포머(T2)의 입력측의 턴비는 동일할 수 있으며, Np는 제1 트랜스포머(T1)의 입력측의 턴비 또는 제2 트랜스포머(T2)의 입력측의 턴비일 수 있다.
한편, Ns는, 제1 트랜스포머(T1)의 출력측의 턴비일 수 있다. 한편, 제1 트랜스포머(T1)의 출력측의 턴비와, 제2 트랜스포머(T2)의 출력측의 턴비는 동일할 수 있으며, Ns는 제1 트랜스포머(T1)의 출력측의 턴비 또는 제2 트랜스포머(T2)의 출력측의 턴비일 수 있다.
수학식 8에 따르면, 순방향시의 게인(Gainforward)은 1 보다 작게 된다.
하기의 수학식 9는 역방향시의 게인(Gainreverse)을 예시한다.
[수학식 9]
Figure pat00011
한편, 수학식 9에서, Np 값이 Ns 보다 2배 미만인 경우, 역방향시의 게인(Gainreverse)은 1 보다 작게 된다.
예를 들어, Np 값이, Ns 보다 2배 미만이며, 작아질수록, 역방향시의 게인(Gainreverse)은 1 보다 작아 지게 된다.
따라서, 역방향시의 게인(Gainreverse)은 1 보다 작도록 하기 위해, Np 값이 Ns 보다 2배 미만인 것이 바람직하다.
이에 따라, 도 8 내지 도 10b에 따르면, 트랜스포머의 전달비는 순방향과 역방향 모두 스텝 다운 형태로 구성할 수 있는 장점이 있다.
한편, 제어부(430)는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 제1 트랜스포머(T1) 또는 제2 트랜스포머(T2) 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 제1 트랜스포머(T1) 및 제2 트랜스포머(T2)의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어하며, 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 역방향 전원 변환시, 제2 트랜스포머(T2)의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제어부(430)는, 제1 측에서 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 즉 순방향 전원 변환시, 및 제2 측에서 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 양방향 전원 변환시의 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다.
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, 2개의 트랜스포머를 사용하여, 자화 인덕턴스를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 양방향 전원 변환시, 동일한 토폴로지를 사용하여 동일한 등가회로를 구현할 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 (20)

  1. 제1 트랜스포머;
    상기 제1 트랜스포머의 제1 측에 직렬 접속되며, 상기 제1 트랜스포머의 제2 측에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머;
    상기 제2 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터;
    직렬 접속되는 상기 제1 트랜스포머의 제1 측과 상기 제2 트랜스포머의 제1 측 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자;
    상기 제1 트랜스포머의 제2 측에 접속되는 제2 릴레이 소자;
    상기 제2 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터;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 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 트랜스포머와 상기 제2 트랜스포머가 동작하며,
    상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 릴레이 소자는 온되고, 상기 제2 트랜스포머만 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 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.
  4. 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 트랜스포머와 상기 제2 트랜스포머가 동작하며,
    상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 릴레이 소자는 온되고, 상기 제2 트랜스포머만 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 트랜스포머의 제1 측, 및 상기 제2 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부;
    상기 제1 트랜스포머의 제2 측, 및 상기 제2 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 풀 브릿지 스위칭부의 출력단과, 상기 제2 트랜스포머의 제1 측 사이에, 상기 제1 커패시터와 제1 인덕터가 배치되며,
    상기 제2 풀 브릿지 스위칭부의 입력단과, 상기 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 상기 제2 커패시터와 제2 인덕터가 배치되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제5항에 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 제1 트랜스포머의 제1 측 사이에, 상기 제1 릴레이 소자가 접속되며,
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드와 상기 제2 트랜스포머의 제1 측 사이에, 상기 제1 커패시터와 제1 인덕터가 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제5항에 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 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 상기 제2 커패시터와 제2 인덕터가 접속되며,
    상기 제7 스위칭 소자와 상기 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드와 상기 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 상기 제2 릴레이 소자가 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 상기 제1 트랜스포머 또는 제2 트랜스포머 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 트랜스포머 및 제2 트랜스포머의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어하며,
    상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제2 트랜스포머의 동작에 의한 트랜스포머 게인이 1 보다 작도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 제5항에 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.
  13. 제12항에 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.
  14. 제1 트랜스포머;
    상기 제1 트랜스포머의 제1 측에 직렬 접속되며, 상기 제1 트랜스포머의 제2 측에 병렬 접속되는 제2 트랜스포머;
    상기 제2 트랜스포머의 제1 측에 서로 직렬 접속되는 제1 커패시터와 제1 인덕터;
    직렬 접속되는 상기 제1 트랜스포머의 제1 측과 상기 제2 트랜스포머의 제1 측 사이의 노드에, 접속되는 제1 릴레이 소자;
    상기 제1 트랜스포머의 제2 측에 접속되는 제2 릴레이 소자;
    상기 제2 트랜스포머의 제2 측에 서로 직렬 접속되는 제2 커패시터와 제2 인덕터;를 포함하며,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 트랜스포머와 상기 제2 트랜스포머가 동작하며,
    상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 릴레이 소자는 온되고, 상기 제2 트랜스포머만 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  15. 제14항에 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 트랜스포머와 상기 제2 트랜스포머가 동작하며,
    상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 상기 제1 릴레이 소자는 온되고, 상기 제2 트랜스포머만 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 트랜스포머의 제1 측, 및 상기 제2 트랜스포머의 제1 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제1 풀 브릿지 스위칭부;
    상기 제1 트랜스포머의 제2 측, 및 상기 제2 트랜스포머의 제2 측에 배치되어 풀 브릿지 스위칭을 수행하는 제2 풀 브릿지 스위칭부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  17. 제16항에 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 제1 트랜스포머의 제1 측 사이에, 상기 제1 릴레이 소자가 접속되며,
    상기 제2 스위칭 소자와 상기 제4 스위칭 소자의 사이인 제2 노드와 상기 제2 트랜스포머의 제1 측 사이에, 상기 제1 커패시터와 제1 인덕터가 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  18. 제16항에 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 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 상기 제2 커패시터와 제2 인덕터가 접속되며,
    상기 제7 스위칭 소자와 상기 제8 스위칭 소자의 사이인 제4 노드와 상기 제2 트랜스포머의 제2 측 사이에, 상기 제2 릴레이 소자가 접속되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 측에서 상기 제2 측 방향으로의 전원 변환 출력시, 및 상기 제2 측에서 상기 제1 측 방향으로의 전원 변환 출력시에, 상기 제1 트랜스포머 또는 제2 트랜스포머 중 적어도 하나에 기초한 트랜스포머 게인이 스텝 다운되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 전력 변환 장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
KR1020200004988A 2020-01-14 2020-01-14 전력 변환 장치, 및 이를 구비하는 차량 KR20210091603A (ko)

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