KR20210122343A

KR20210122343A - 모터 구동 장치

Info

Publication number: KR20210122343A
Application number: KR1020200038230A
Authority: KR
Inventors: 정강호; 임종경; 임석현; 장지웅; 김범식; 신상철
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-10-12
Also published as: DE102020214679A1; US20220321048A1; US11909343B2; US11418142B2; US20210305928A1; US20240146229A1; CN113472265A

Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 개시된다. 상기 모터 구동 장치는, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 상기 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결/차단하는 제3 스위칭 소자; 및 상기 모터의 요구 출력을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 내지 제3 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 요구 출력에 따라 모터 구동 모드 Y-결선 모터 구동 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동 모드로 전환하여 모터 구동을 위한 인버터 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 모터에 포함된 각 상의 권선은 그 일단이 하나의 인버터에 연결되고 타단이 서로 연결되어 Y-결선을 형성한다.

모터의 구동 시, 인버터 내의 스위칭 소자는 펄스폭 변조 제어에 의해 온/오프 되면서 Y-결선된 모터의 권선에 선간 전압을 인가하여 교류 전류를 생성함으로써 토크를 발생시키게 된다.

이와 같은 모터에 의해 발생하는 토크를 동력으로 이용하는 전기차 등과 같은 친환경 차량의 연비(또는 전비)는 인버터-모터의 전력 변환 효율에 의해 결정되므로, 연비 향상을 위해서는 인버터의 전력 변환 효율과 모터의 효율을 극대화 하는 것이 중요하다.

인버터-모터 시스템의 효율은 주로 인버터의 전압 이용률에 의해 결정되는데, 전압 이용율이 높은 구간에서 모터 속도와 토크의 관계에 의해 결정되는 차량의 운전점이 형성되는 경우 차량의 연비가 향상될 수 있다.

그러나, 모터의 최대 토크를 증가시키기 위해 모터의 권선수를 증가 시킬수록 전압 이용율이 높은 구간은 차량의 주요 운전점인 저토크 영역과 멀어지게 되어 연비가 나빠지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 연비의 관점에서 전압 이용율이 높은 구간에 주요 운전점을 포함하도록 설계하는 경우 모터의 최대 토크에 제약이 있어 차량의 가속 발진 성능이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 당 기술 분야에서는 하나의 모터로 저출력 및 고출력 구간을 모두 커버하면서도 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 기술이 요구되고 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

US 2009-0033253 A1 JP 6285256 B2

이에 본 발명은, 모터의 요구 출력에 따라 모터 구동 모드를 Y-결선 모터 구동 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동 모드로 전환하여 모터 구동을 위한 인버터 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,

복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;

복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;

상기 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결/차단하는 제3 스위칭 소자; 및

상기 모터의 요구 출력을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 내지 제3 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러;

를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제3 스위칭 소자는, 상기 복수의 권선 각각의 상기 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점에 일단이 각각 연결되고 타단이 서로 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 제3 스위칭 소자를 온 시키고 상기 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사전 설정된 비율은 N1:N2이고, 상기 제3 스위칭 소자의 온에 의해 상기 N1에 해당하는 턴수의 코일이 Y-결선된 형태로 상기 제1 인버터에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 N1은, 모터 회전속도-모터 토크 관계에서 상기 모터가 적용된 차량의 주요 운전점에 해당하는 영역이 상기 인버터의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역에 포함되도록 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 제3 스위칭 소자를 오프 시키고, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 사전 설정된 비율은 N1:N2이고, 상기 제3 스위칭 소자의 오프에 의해 N1+N2에 해당하는 턴수의 코일의 양단이 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터에 연결되어 상기 모터는 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자는 상기 제2 스위칭 소자에 비해 상대적으로 스위칭 손실이 더 작은 재료로 제작될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 스위칭 소자는 SiC를 재료로 제작된 MOSFET이고, 상기 제2 스위칭 소자는 Si를 재료로 제작된 IGBT일 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

상기 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자; 및

상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 온 시켜 Y-결선을 형성하고 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하며, 상기 모터의 요구 출력이 상기 기준값 이상인 경우 상기 제3 스위칭 소자를 오프 시키고 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동하는 컨트롤러;

를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.

상기 모터 구동 장치에 따르면, 모터의 요구 출력에 기반하여 모터의 권선의 턴비 분할 여부를 결정하고, 저출력 구간에서는 권선의 턴수를 분할하여 차량의 주요 운전점이 모터-인버터 시스템의 고효율 구간에 포함되도록 하여 시스템 효율을 향상시키고, 고출력 구간에서는 권선의 전체 턴수를 이용하여 낮은 전류로 고 토크를 실현할 수 있다.

이에 따라, 상기 모터 구동 장치에 따르면, 종래의 일반적인 Y-결선 모터를 하나의 인버터로 구동하는 것에 비해 전체 토크 구간에서 효율을 향상시킬 수 있어 차량 연비 향상에 기여할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 모터 구동 모드 별 회전속도(RPM)-토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.

이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 대응되는 복수의 권선(C1-C3)을 갖는 모터(100)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(100)의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율(N1:N2)로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결/차단하는 제3 스위칭 소자(S31-S33) 및 모터(100)의 요구 출력을 기반으로 제1 스위칭 소자(S11-S16), 제2 스위칭 소자(S21-S26) 및 제3 스위칭 소자(S31-S33)의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(200)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(100)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(100)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(200)로 제공할 수 있다. 이러한 직류 전력과 교류 전력 사이의 변환은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 구비된 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 펄스폭 변조 제어에 의해 수행될 수 있다.

제1 인버터(10)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 모터(100)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1 레그(11)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S11, S12)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S11, S12)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C1)의 일단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(12)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S13, S14)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S13, S14)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C2)의 일단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(13)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S15, S16)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S15, S16)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.

제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2 인버터(20)는 배터리(200)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(300)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(21-23)를 포함할 수 있다. 각 레그(21-23)는 모터(100)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로 제1 레그(21)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S21, S22)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S21, S22)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C1)의 타단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(22)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S23, S24)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S23, S24)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C2)의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(23)는 직류 커패시터(300)의 양단 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S25, S26)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S25, S26)의 연결 노드는 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.

제1 인버터(10)는 모터(100)의 권선(C1-C3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(100)의 권선(C1-C3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(100)의 권선(C1-C3)의 양단은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되는 오픈 엔드 와인딩 방식의 전기적 연결이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 제3 스위칭 소자(30)는 모터(100)에 포함된 복수의 권선(C1-C3) 각각의 턴수를 사전 설정된 비율(N1:N2)로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결 또는 차단할 수 있도록 구비된다. 예를 들어, 제3 스위칭 소자(30)는 총 3개의 스위칭 소자(S31-S33)으로 구성될 수 있으며, 각 스위칭 소자(S31-S33)의 일단은 복수의 권선(C1-C3)의 턴수가 사전 설정된 비율(N1:N2)로 분할되는 지점에 연결되고 각 스위칭 소자(S31-S33)의 타단은 상호 연결될 수 있다(여기서 N1, N2는 실제의 턴수).

이러한 연결구조에서, 상기 제3 스위칭 소자(30)가 오프되는 경우에 모터(100)은 N1+N2의 턴수를 갖는 권선으로 동작할 수 있으며, 제3 스위칭 소자(30)가 온되는 경우에 모터(100)의 권선(C1-C3)은 제3 스위칭 소자(30)가 연결된 위치에서 상호 Y-결선을 형성하게 된다. 예를 들어, 제3 스위칭 소자(30)가 온되고 제2 인버터(20) 내의 복수의 스위칭 소자(S21-S26)가 모두 오프되어 동작하지 않는 상태이고 제1 인버터(10)가 모터(100) 구동을 위해 동작하는 경우, 모터(100)는 N1의 턴수를 갖는 모터로서 구동될 수 있다.

제3 스위칭 소자(S31-S33)는 MOSFET, IGBT, 사이리스터, 릴레이 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단이 채용될 수 있다.

컨트롤러(40)는 기본적으로는 모터(100)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 모터(100)가 구동될 수 있도록 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어하는 요소이다. 특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 모터(100)의 요구 출력을 기반으로 모터 구동에 사용되는 인버터를 결정하고 그에 따라 제3 스위칭 소자(30)의 온/오프 상태를 결정하며 구동이 결정된 컨버터의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.

더욱 상세하게, 모터(100)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 컨트롤러(100)는 제2 인버터(20)를 작동시키지 않고 제1 인버터(10)의 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 모터(100)를 구동시킬 수 있다(설명의 편의를 위해 '제1 구동 모드'라 함). 이 때, 컨트롤러(100)는 제3 스위칭 소자(S31-S33)을 온 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(100)의 각 권선(C1-C3)은 제1 인버터(20)와 연결된 일단으로부터 턴수가 N1인 지점이 상호 전기적으로 연결되어 Y-결선을 형성하고 턴수가 N1인 권선을 갖는 모터로 동작하게 된다.

이와 같이, 제1 구동 모드에서는, 제1 인버터(10)를 작동하여 제3 스위칭 소자(30)가 온됨에 의해 N1의 턴수를 갖는 권선이 Y-결선된 모터(100)를 구동시키는 제어가 수행될 수 있다. 제1 구동 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(100)가 제1 인버터(10)의 직류 전압과 전류 센서(50)에서 검출되는 모터(100)로 제공되는 상전류 및 모터(100)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 검출된 모터각 등을 입력 받아 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다. 하나의 인버터를 펄스폭 변조 제어하여 모터(100)를 구동하기 위한 다양한 기법은 당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로, 제1 구동 모드에서 이루어지는 인버터의 펄스폭 변조 제어 기법에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 모터(100)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 컨트롤러(100)는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 모두 작동시켜 모터(100)를 구동시킬 수 있다(설명의 편의를 위해 '제1 구동 모드'라 함). 이 때, 컨트롤러(100)는 제3 스위칭 소자(S31-S33)을 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(100)의 각 권선(C1-C3)은 N1+N2의 턴수를 갖게 되고 권선(C1-C3)의 일단은 제1 인버터(20)와 연결되며 그 타단은 제2 인버터(20)와 연결된다. 즉, 제2 구동 모드에서 모터(100)는 권선(C1-C3)의 양단이 모두 개방된 상태인 오픈 엔드 와인딩 모터가 되며 권선(C1-C3)의 양단에 각각 연결된 두 개의 인버터(10, 20)를 펄스폭 변조 제어하여 구동될 수 있다.

제2 구동 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(100)가 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 직류 전압과 전류 센서(50)에서 검출되는 모터(100)로 제공되는 상전류 및 모터(100)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 검출된 모터각 등을 입력 받아 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 인버터(20)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다. 오픈 엔드 와인딩 모터의 권선의 양단에 연결된 두 개의 인버터를 펄스폭 변조 제어하여 모터를 구동하기 위한 다양한 기법은 당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로, 제2 구동 모드에서 이루어지는 인버터의 펄스폭 변조 제어에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 모터 구동 모드 별 모터회전속도(RPM)-모터 토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 제1 구동 모드에서 N1의 턴수를 갖는 Y-결선 모터를 제1 인버터(10)를 제어하여 구동하게 되고, 제2 구동 모드에서 N1+N2의 턴수를 갖는 오픈 엔드 와인딩 모터를 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 제어를 통해 구동하게 된다.

도 2에 도시된 것과 같이, 모터(100)가 차량의 구동에 적용되는 경우, 주요 차량 운전점은 도심 주행 시의 운전점(Y1)과 고속도로 주행 시의 운전점(Y2)과 같이 나타나고, 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 영역에 이 운전점들(Y1, Y2)가 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 모터(100)가 차량에 적용되는 경우 제1 구동 모드에서 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 영역이 이 주요 운전점들(Y1, Y2)을 포함하도록 턴수 N1이 결정되는 것이 바람직하다. 모터-인버터 시스템의 효율은 인버터의 전압 이용률에 의해 결정되므로 인버터의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역(R1)이 차량의 주요 운전점들(Y1, Y2)을 포함할 수 있도록 제1 구동 모드에서 모터(100)의 권선(C1-C3)의 턴수 N1이 결정되는 것이 바람직하다.

제2 구동 모드는 오픈 엔드 와인딩 모터를 구동하는 모드이고, 오픈 엔드 와인딩 구동에서는 동일 턴수를 갖는 Y-결선된 권선의 모터를 단순히 하나의 인버터로 구동하는 경우에 비해 인버터의 출력을 대략

배 높게 설정하는 것이 가능한 것으로 알려져 있다. 즉, 제2 구동 모드인 오픈 엔드 와인딩 구동을 적용하는 경우 모터의 턴수를

배 증가시키는 것이 가능해지며 이에 따라 모터가 동일 출력을 내기 위한 전류 출력을

배 감소시킬 수 있다.

이와 같이, 오픈 엔드 와인딩 구동 방식을 적용하는 경우에는, 동일 출력을 내기 위해 Y-결선 모터의 구동에 비해 인버터의 전류를 감소시킬 수 있어 효율을 증대 시킬 수 있고 스위칭 소자로 적용되는 전력 반도체의 사용량 감소로 재료비를 절감할 수 있게 된다.

한편, 도 2에 도시한 것과 같이 제2 구동 모드를 적용하는 경우에는, 모터 출력이 증가함에 따라 모터-인버터 시스템의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역(R2)이 주요 운전점들(Y1, Y2)를 포함하기 어렵다. 따라서, 전술한 바와 같이, 주요 운전점(Y1, Y2)이 속하는 저토크 영역에서는 제1 구동 모드로 모터(100)를 구동하고 효율을 향상시키고, 고출력이 필요한 구간에서는 제2 구동 모드로 모터(100)를 구동하여 상대적으로 인버터 출력 전류를 감소시키고 전력 반도체 사용량을 감소시키는 운전을 수행하는 것이 바람직하다.

더하여, 주요 운전점(Y1, Y2)이 속하는 저토크 영역에서 수행되는 제1 구동 모드의 효율을 더욱 향상시키기 위해 제1 인버터(10)에 적용되는 스위칭 소자(S11-S16)는 상대적으로 스위칭 손실이 적은 재료인 SiC로 제작된 MOSFET가 채용되는 것이 더욱 바람직하다. 반면, 고출력 영역에서 작동하는 제2 인버터(20)에 적용되는 스위칭 소자(S21-S26)는 저렴한 재료인 Si로 제작된 IGBT가 채용되는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 모터의 요구 출력에 기반하여 모터의 권선의 턴비 분할 여부를 결정하고, 저출력 구간에서는 권선의 턴수를 분할하여 차량의 주요 운전점이 모터-인버터 시스템의 고효율 구간에 포함되도록 하여 시스템 효율을 향상시키고, 고출력 구간에서는 권선의 전체 턴수를 이용하여 낮은 전류로 고 토크를 실현할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 종래의 일반적인 Y-결선 모터를 하나의 인버터로 구동하는 것에 비해 전체 토크 구간에서 효율을 향상시킬 수 있어 차량 연비 향상에 기여할 수 있다.

이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 제1 인버터 20: 제2 인버터
30: 제3 스위칭 소자 40: 컨트롤러
50: 전류 센서 100: 모터
200: 배터리 300: 직류 링크 커패시터
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33: 제3 스위칭 소자 C1-C3: 권선

Claims

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;
상기 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점을 선택적으로 상호 연결/차단하는 제3 스위칭 소자; 및
상기 모터의 요구 출력을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 내지 제3 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제3 스위칭 소자는,
상기 복수의 권선 각각의 상기 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점에 일단이 각각 연결되고 타단이 서로 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 상기 제3 스위칭 소자를 온 시키고 상기 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 사전 설정된 비율은 N1:N2이고, 상기 제3 스위칭 소자의 온에 의해 상기 N1에 해당하는 턴수의 코일이 Y-결선된 형태로 상기 제1 인버터에 연결되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 N1은, 모터 회전속도-모터 토크 관계에서 상기 모터가 적용된 차량의 주요 운전점에 해당하는 영역이 상기 인버터의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역에 포함되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 상기 제3 스위칭 소자를 오프 시키고, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 사전 설정된 비율은 N1:N2이고, 상기 제3 스위칭 소자의 오프에 의해 N1+N2에 해당하는 턴수의 코일의 양단이 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터에 연결되어 상기 모터는 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치에 있어서,
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;
상기 복수의 권선 각각의 턴수를 사전 설정된 비율로 분할하는 지점에 일단이 각각 연결되고 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자; 및
상기 모터의 요구 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 온 시켜 Y-결선을 형성하고 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동하며, 상기 모터의 요구 출력이 상기 기준값 이상인 경우 상기 제3 스위칭 소자를 오프 시키고 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 사전 설정된 비율은 N1:N2이고, 상기 제3 스위칭 소자의 온에 의해 상기 N1에 해당하는 턴수의 코일이 Y-결선된 형태로 상기 제1 인버터에 연결되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 N1은, 모터 회전속도-모터 토크 관계에서 상기 모터가 적용된 차량의 주요 운전점에 해당하는 영역이 상기 인버터의 전압 이용률이 우수한 것으로 판단할 수 있는 사전 설정된 기준값 이상인 영역에 포함되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 사전 설정된 비율은 N1:N2이고, 상기 제3 스위칭 소자의 오프에 의해 N1+N2에 해당하는 턴수의 코일의 양단이 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터에 연결되어 상기 모터는 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 장치.