KR20230001942A

KR20230001942A - 모터 구동 시스템

Info

Publication number: KR20230001942A
Application number: KR1020210085070A
Authority: KR
Inventors: 김경철; 김종현; 박상진
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2023-01-05
Also published as: DE102022115821A1; US11722088B2; US20220416711A1; CN115622447A

Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제1 권선을 갖는 제1 모터; 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 가지며, 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단은 서로 접속된 제2 모터; 직류 전압원에 연결된 직류단과 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 교류단을 갖는 제1 인버터; 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 갖는 복수의 제1 모드전환 스위치를 포함하는 제1 스위치부; 상기 직류 전압원에 연결된 직류단과 상기 복수의 제1 모드전환 스위치 각각의 제2 단에 연결된 교류단을 갖는 제2 인버터; 상기 제2 인버터의 교류단과 상기 복수의 제2 권선 각각의 제2 단에 양단이 연결된 복수의 제2 모드전환 스위치를 갖는 제2 스위치부; 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 가지며 서로 접속된 제2 단을 갖는 복수의 제3 모드전환 스위치를 포함하는 제3 스위치부; 및 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동 여부에 기반하여 상기 복수의 제1 모드전환 스위치, 상기 복수의 제2 모드전환 스위치 및 상기 복수의 제3 모드전환 스위치의 단락/개방 상태를 조정하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 시스템이 개시된다.

Description

모터 구동 시스템{MOTOR DRIVING SYSTEM}

본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터에 요구되는 출력에 따라 다양한 방식으로 둘 이상의 모터를 구동할 수 있는 모터 구동 시스템에 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 극대화하는 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 증가시킬수록 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.

이러한 문제를 해결하기 위해 당 기술분야에서는 모터의 권선 일단을 Y 결선을 통해 단락 시키는 대신 모터의 권선 양단에 각각 인버터를 연결하여 두 개의 인버터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding: OEW) 방식의 모터 구동 기법이 제안되었다.

이러한 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 기법은 통상적인 Y 결선 구조의 모터를 구동하는 방식에 비해 상전압을 증가시켜 전압 이용율을 향상시킬 수 있고 고출력이 가능한 장점을 갖는다.

하지만, 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 기법은 두 개의 인버터를 이용하여 하나의 모터를 구동하는 것으로 하나의 모터가 출력할 수 있는 파워에는 한계가 있으므로 더 큰 파워가 요구되는 운전 조건에 적합하지 못한 문제를 갖는다.

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

본 발명은, 하나의 모터를 Y-결선 방식 및 오픈 엔드 와인딩 방식으로 구동하거나 각각의 모터를 Y-결선 방식으로 구동하는 등 모터에 요구되는 출력에 따라 다양한 방식으로 둘 이상의 모터를 구동할 수 있는 모터 구동 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제1 권선을 갖는 제1 모터;

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 가지며, 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단은 서로 접속된 제2 모터;

직류 전압원에 연결된 직류단과 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 교류단을 갖는 제1 인버터;

상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 갖는 복수의 제1 모드전환 스위치를 포함하는 제1 스위치부;

상기 직류 전압원에 연결된 직류단과 상기 복수의 제1 모드전환 스위치 각각의 제2 단에 연결된 교류단을 갖는 제2 인버터;

상기 제2 인버터의 교류단과 상기 복수의 제2 권선 각각의 제2 단에 양단이 연결된 복수의 제2 모드전환 스위치를 갖는 제2 스위치부;

상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 가지며 서로 접속된 제2 단을 갖는 복수의 제3 모드전환 스위치를 포함하는 제3 스위치부; 및

상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동 요구에 기반하여 상기 복수의 제1 모드전환 스위치, 상기 복수의 제2 모드전환 스위치 및 상기 복수의 제3 모드전환 스위치의 단락/개방 상태를 조정하는 컨트롤러;

를 포함하는 모터 구동 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 모터를 구동하고 상기 제2 모터를 구동하지 않는 모드에서, 상기 제1 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하고 상기 제2 모드전환 스위치와 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하며, 상기 제1 권선의 양단에 각각 연결된 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 함께 조정하여 오픈 엔드 와인딩 방식으로 상기 제1 모터를 구동할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 모터를 구동하고 상기 제2 모터를 구동하지 않는 모드에서, 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 제1 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 복수의 제2 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자를 개방 상태로 조정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 모터와 상기 제2 모터를 함께 구동하는 모드에서, 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동하고, 상기 복수의 제1 모드 전환 스위치를 개방 상태로 조정하고 상기 복수의 제2 모드 전환 스위치를 단락 상태로 조정하며, 상기 제2 인버터를 조정하여 상기 제2 모터를 구동할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 요구 출력을 입력 받고, 입력 받는 요구 출력을 사전 설정된 제1 기준값, 상기 제1 기준값 보다 큰 제2 기준값 및 상기 제2 기준값 보다 큰 제3 기준값과 비교한 결과에 기반하여 상기 제1 모터와 상기 제2 모터를 구동 여부를 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 요구 출력이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 복수의 제1 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 복수의 제2 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자를 개방 상태로 조정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 요구 출력이 상기 제1 기준값 보다 크고 상기 제2 기준값 이하인 경우, 상기 제1 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하고 상기 제2 모드전환 스위치와 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하며, 상기 제1 권선의 양단에 각각 연결된 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 함께 조정하여 오픈 엔드 와인딩 방식으로 상기 제1 모터를 구동할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 요구 출력이 상기 제2 기준값 보다 큰 경우, 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동하고, 상기 복수의 제1 모드 전환 스위치를 개방 상태로 조정하고 상기 복수의 제2 모드 전환 스위치를 단락 상태로 조정하며, 상기 제2 인버터를 조정하여 상기 제2 모터를 구동할 수 있다.

상기 모터 구동 시스템에 따르면, 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시스템에서 더 큰 출력이 요구되는 경우 별도의 인버터를 추가하지 않고 오픈 엔드 와인딩 방식에 적용되는 인버터 중 일부를 추가의 모터를 구동하는데 적용함으로써, 인버터를 추가하지 않고 모터만 추가하여 원하는 출력을 확보할 수 있으므로, 출력 증대에 수반하는 제조 원가 상승을 최대한 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템에 따르면, 요구 출력의 크기에 최적으로 부합되는 방식, 예를 들어, 단일 모터 Y-결선 구동, 단일 모터 OEW 구동, 복수의 모터 구동 등 다양한 옵션으로 모터를 구동할 수 있어, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 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 시스템의 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템의 작동예를 설명하기 위한 흐름도이다.

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

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

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템은, 복수의 상에 대응되는 복수의 제1 권선(L11-L13)을 갖는 제1 모터(100)와, 복수의 상에 대응되는 복수의 제2 권선(L21-L23)을 갖는 제2 모터(200)와, 직류 전압원(300)에 연결된 직류단과 제1 권선(L11-L13)의 제1 단에 각각 연결된 교류단을 갖는 제1 인버터(10)와, 복수의 제1 권선(L11-L13) 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 갖는 복수의 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 포함하는 제1 스위치부(40)와, 직류 전압원(300)에 연결된 직류단과 복수의 제1 모드전환 스위치(S41-S43) 각각의 제2 단에 연결된 교류단을 갖는 제2 인버터(20)와, 제2 인버터(20)의 교류단과 복수의 제2 권선(L21-L23) 각각의 제2 단에 양단이 연결된 복수의 제2 모드전환 스위치(S51-S53)를 갖는 제2 스위치부(50)와, 복수의 제1 권선(L11-L13) 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 가지며 서로 접속된 제2 단을 갖는 복수의 제3 모드전환 스위치(S31-S33)를 포함하는 제3 스위치부(30) 및 제1 모터(100) 및 제2 모터(200)의 구동 요구에 기반하여 복수의 제1 모드전환 스위치(S41-S53), 복수의 제2 모드전환 스위치(S51-S53) 및 복수의 제3 모드전환 스위치(S31-S33)의 단락/개방 상태를 조정하는 컨트롤러(400)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 모터(100) 및 제2 모터(200) 각각은 상 전압 및 상전류를 각각 제공받아 자장을 형성하는 복수의 제1 권선(L11-L13) 및 복수의 제2 권선(L21-L23)을 각각 포함할 수 있다.

제1 모터(100) 내에 포함된 복수의 제1 권선(L11-L13)은, 제1 인버터(10)에 연결된 일단과 선택적으로 제2 인버터(20)에 연결되거나 서로 접속되는 타단을 포함할 수 있다.

제2 모터(200) 내 포함된 복수의 제2 권선(L21-L23)은, 제2 인버터(20)에 선택적으로 연결된 일단과 서로 접속된 상태의 타단을 포함할 수 있다.

제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(300)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 제1 모터(100) 또는 제2 모터(200)로 제공하거나, 회생 제동 시 제1 모터(100) 또는 제2 모터(200)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(300)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)와 제2 인버터(20)가 배터리(300)와 접속되는 단자부를 각 인버터의 직류단이라 하고, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)가 제1 모터(100) 또는 제2 모터(200)와 접속되는 단자부를 각 인버터의 교류단이라 할 수 있다.

제1 인버터(10)는 배터리(300)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 제1 모터(100)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로 제1 인버터(10)의 제1 레그(11)는 배터리(300)의 전압이 인가된 직류 커패시터(Cdc)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 제1 모터(100) 내 한 상의 권선(L11)의 일단에 연결될 수 있다.

마찬가지로, 제1 인버터(10)의 제2 레그(12)는 직류 커패시터(Cdc)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 제1 모터(100) 내 한 상의 권선(L12)의 일단에 연결될 수 있다.

또한, 제1 인버터(10)의 제3 레그(13)는 직류 커패시터(Cdc)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 제1 모터(100) 내 한 상의 권선(L13)의 일단에 연결될 수 있다.

제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 있다. 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 제1 모터(100) 및 제2 모터(200)의 복수의 상에 대응되며, 제1 모터(100) 또는 제2 모터(200)와 선택적으로 전기적 연결이 형성될 수 있다.

더욱 구체적으로, 제2 인버터(20)의 제1 레그(21)는 직류 커패시터(Cdc)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 제1 모터(100) 내 한 상의 권선(L11)의 타단 또는 제2 모터(200) 내 한 상의 권선(L21)에 선택적으로 연결될 수 있다.

마찬가지로, 제2 인버터(20)의 제2 레그(22)는 직류 커패시터(Cdc)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 제1 모터(100) 내 한 상의 권선(L12)의 타단 또는 제2 모터(200) 내 한 상의 권선(L22)에 선택적으로 연결될 수 있다.

또한, 제2 인버터(20)의 제3 레그(23)는 직류 커패시터(Cdc)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 제1 모터(100) 내 한 상의 권선(L13)의 타단 또는 제2 모터(200) 내 한 상의 권선(L23)에 선택적으로 연결될 수 있다.

제1 스위치부(40)는 제1 인버터(10) 내 복수의 권선(L11-L13) 각각의 타단과 제2 인버터(20)의 교류단, 즉 제2 인버터(20) 내 복수의 레그(21-23)에 포함된 두 개의 스위칭 소자의 연결 노드 각각 사이의 전기적 연결 상태를 결정하는 복수의 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 포함할 수 있다.

제1 스위치부(40) 내의 제1 모드전환 스위치(S41-S43)의 단락/개방 상태는, 시스템의 동작 모드에 기반하여 컨트롤러(400)에 의해 조정될 수 있다.

제2 스위치부(50)는 제2 인버터(20)의 교류단, 즉 제2 인버터(20) 내 각 레그(21-23)에 포함된 두 개의 스위칭 소자의 연결 노드 각각과 제2 모터(200) 내 권선(L21-L23)의 일단 사이의 전기적 연결 상태를 결정하는 복수의 제2 모드전환 스위치(S51-S53)를 포함할 수 있다.

제2 스위치부(50) 내 제2 모드전환 스위치(S51-S53)의 단락 개방 상태 역시 시스템의 동작 모드에 기반하여 컨트롤러(400)에 의해 조정될 수 있다.

제3 스위치부(30)는 제1 모터(100)에 포함된 복수의 권선(L11-L13) 각각의 타단에 연결된 일단과 서로 접속된 타단을 갖는 복수의 제3 모드전환 스위치(S31-S33)를 포함할 수 있다.

제3 스위치부(30) 내 제3 모드전환 스위치(S31-S33)의 단락 개방 상태 역시 시스템의 동작 모드에 기반하여 컨트롤러(400)에 의해 조정될 수 있다.

컨트롤러(400)는 기본적으로는 제1 모터(100)와 제2 모터(200)를 포함하는 시스템(예를 들어, 차량)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 제1 모터(100)와 제2 모터(200)의 구동 여부 및 구동 방식에 대한 구동 모드를 결정하고 결정된 구동 모드에 따라 제1 내지 제3 모드전환 스위치(S41-S43, S51-S53, S31-S33)의 개방/단락 상태와 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S26)를 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭 하는 요소이다.

예를 들어, 컨트롤러(400)는 제1 모터(100)를 제1 인버터(10) 만 이용하여 구동하고 제2 모터(200)는 구동하지 않는 제1 구동 모드, 제1 모터(100)를 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 이용하여 구동하는 제2 구동 모드, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 모두 구동하는 제3 구동 모드를 요구 출력에 기반하여 결정할 수 있다.

더욱 구체적으로, 컨트롤러(400)는 입력되는 요구 출력을 사전 설정된 제1 기준값 및 제1 기준값 보다 큰 제2 기준값과 비교한 결과에 기반하여 구동 모드를 결정하고 해당 구동 모드에 따른 모터 구동을 수행할 수 있다

컨트롤러(400)는 요구 출력이 사전 설정된 제1 기준값 이하인 경우 제1 구동 모드로 모터를 구동할 수 있다.

제1 구동 모드에서, 컨트롤러(400)는, 제3 모드전환 스위치(S31-S33)를 단락 상태로 조정할 수 있다.

이러한 컨트롤러(400)의 제어를 통해, 제1 모터(100)의 권선(L11-L13)의 타단은 서로 전기적으로 연결되어 모터의 중성점이 되는 Y-결선 구조가 형성되고, 컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자들(S11-S16)을 통상적인 Y-결선 구조의 모터를 구동하기 위한 공지의 펄스 폭 변조 제어를 통해 스위칭 시킴으로써 제1 모터(100)를 구동 시킬 수 있다.

제1 구동 모드는 상대적으로 가장 작은 요구 출력이 입력되는 경우 제1 모터(100) 만 구동하는 모드이므로 제2 인버터(20) 및 제2 모터(200)는 동작 시키지 않는다. 따라서, 컨트롤러(400)는, 제1 모터(100)와 제2 인버터(20)의 전기적 연결 상태를 형성하는 제1 모드전환 스위치(S41-S43)와 제2 인버터(20)와 제2 모터(200)의 전기적 연결 상태를 형성하는 제2 모드전환 스위치(S51-S53)을 모두 개방상태로 제어하여 불필요한 누설전류 발생을 억제하는 것이 바람직하다.

또한, 제1 구동 모드에서 컨트롤러(400)는, 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자들(S21-S26) 역시 모두 개방하여 누설전류 발생을 억제할 수 있다.

컨트롤러(400)는 요구 출력이 사전 설정된 제1 기준값 보다 크고 제2 기준값 이하인 경우 제2 구동 모드로 모터를 구동할 수 있다.

제2 구동 모드에서, 컨트롤러(400)는, 제2 모드전환 스위치(S51-S53)과 제3 모드전환 스위치(S31-S33)를 모두 개방 상태로 조정하고, 제1 모드전환 스위치(S41-S43)을 단락 상태로 조정할 수 있다.

이러한 컨트롤러(400)의 제어를 통해, 제1 모터(100) 내 복수의 권선(L11-L13)의 타단은 제2 인버터(20)의 각 레그(21-23)와 전기적으로 연결됨으로써 제1 모터(100)의 복수의 권선(L11-L13)의 양단이 각각 인버터에 연결된 오픈 엔드 와인딩(OEW: Open End Winding) 방식의 연결 구조를 형성할 수 있다

컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자들(S11-S16)과 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자들(S21-S26)을 OEW 방식의 모터를 구동하기 위한 공지의 펄스 폭 변조 제어를 통해 스위칭 시킴으로써 제1 모터(100)를 구동 시킬 수 있다.

일반적으로, OEW 방식으로 모터를 구동하는 경우 통상의 Y-결선 구조의 모터를 구동하는 것에 비해 더 큰 전압을 활용할 수 있으므로 모터에서 더 큰 출력을 얻어낼 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 제1 구동 모드로 제1 모터(100)를 구동하는 중에 제1 기준값 보다 더 크고 제2 기준값 이하의 출력이 요구되는 경우, 모드전환 스위치(S31-S33, S41-S43, S51-S53)의 조정을 통해 제1 모터(100)를 Y-결선 구조에서 오픈 엔드 와인딩 구조로 변경하여 제어함으로써 요구되는 출력을 확보할 수 있다.

컨트롤러(400)는 요구 출력이 사전 설정된 제2 기준값 보다 큰 경우 제3 구동 모드로 모터를 구동할 수 있다.

제3 구동 모드에서, 컨트롤러(400)는, 제2 모드전환 스위치(S51-S53)와 제3 모드전환 스위치(S31-S33)를 모두 단락 상태로 조정하고, 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 개방 상태로 조정할 수 있다.

이러한 컨트롤러(400)의 제어를 통해, 제1 모터(100) 내 복수의 권선(L11-L13)의 타단은 서로 전기적으로 접속되고 제2 인버터(20)의 각 레그(21-23)를 제2 모터(200)의 각 권선(L21-L23)와 전기적으로 연결됨으로써, 제1 모터(100)의 권선(L11-L13)의 타단은 서로 전기적으로 연결되어 모터의 중성점이 되는 Y-결선 구조가 형성되고 제2 모터(200) 역시 제2 인버터(20)와 연결되어 Y-결선 구조의 구동이 가능하게 된다.

컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자들(S11-S16)과 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자들(S21-S26)을 각각 통상적인 Y-결선 구조의 권선을 갖는 모터를 구동하기 위한 공지의 펄스 폭 변조 제어를 통해 스위칭 시킴으로써 제1 모터(100)와 제2 모터(200)를 별도로 구동 시킬 수 있다.

여기서, 제1 모터(100)는 포장 도로 등과 같은 시내 주행에 사용되는 모터이고 제2 모터(200)는 험로, 빙판길 등과 같이 가혹한 주행 조건에서 추가적인 동력이 요구될 때 사용되는 모터일 수 있다. 예를 들어, 제1 모터(100)는 사륜 구동 차량의 주 구동륜에 연결되어 차량 주행 시 항시 구동되는 모터일 수 있으며, 제2 모터(200)는 사륜 구동 차량의 보조 구동륜에 연결되어 더 큰 동력이 요구될 때 선택적으로 동작하는 모터일 수 있다.

이와 같이, 컨트롤러(400)는, 제1 구동 모드로 제1 모터(100)를 구동하는 중에 제2 기준값 보다 큰 출력이 요구되는 경우, 모드전환 스위치(S31-S33, S41-S43, S51-S53)의 조정을 통해 바로 제2 모터(200)를 구동할 수 있는 상태로 전환할 수 있으므로, 신속히 주행 환경에 대응하여 요구되는 출력을 확보할 수 있다.

이상의 설명에서, 중성점을 형성한 Y-결선 구조의 모터를 구동하기 위한 인버터의 펄스 폭 변조 제어 및 오픈 엔드 와인딩 구조의 모터를 구동하기 위한 인버터의 펄스 폭 변조 제어 기법은, 당 기술분야에 알려진 공지의 제어 기법을 적용한 것이므로 이에 대한 추가의 상세한 설명은 생략될 것이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템의 작동예를 설명하기 위한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 컨트롤러(400)는 입력 받은 요구 출력이 사전 설정된 제2 기준값(TH2) 보다 큰 경우(P11), 제1 모터(100)와 제2 모터(200)를 각각 Y-결선 구조로 동시 구동하기 위해, 우선 제3 모드전환 스위치(S31-S33)를 단락 시켜 제1 모터(100)의 Y-결선 구조를 형성할 수 있다(P12).

또한, 컨트롤러(400)는, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 개별 조정하기 위해 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 개방하고 제2 인버터(20)와 제2 모터(200)를 전기적으로 연결하기 위해 제2 모드전환 스위치(S51-S53)을 단락 시킬 수 있다(P13).

이어, 컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭 제어함으로써 제1 모터(100)와 제2 모터(200)를 각각 개별적으로 구동할 수 있다(P14).

한편, 컨트롤러(400)는, 입력 받은 요구 출력이 사전 설정된 제2 기준값(TH2) 보다 작은 경우(P11), 제2 모터(200)를 동작 시킬 필요가 없는 상황이므로 제2 모드전환 스위치(S51-S53)를 개방 시켜 제2 인버터(20)와 제2 모터(200)를 상호 전기적으로 절연 시킬 수 있다(P15).

이어, 컨트롤러(400)는 요구 출력을 사전 설정된 제1 기준값(TH1)과 비교하고 요구 출력이 제1 기준값(TH1) 보다 큰 경우(S16), 오픈 엔드 와인딩 방식으로 제1 모터(100)를 제어하기 위해 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 단락 시켜 제1 모터(100)와 제2 인버터(20)를 전기적으로 연결하고 제3 모드전환 스위치(S51-S53)을 개방 시켜 제1 모터(100) 내 권선(L11-L13)의 타단을 서로 전기적으로 절연 시킬 수 있다.

이와 같이 모드전환 스위치를 조정한 후 컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭 제어함으로써 제1 모터(100)를 오픈 엔드 와인딩 방식으로 구동할 수 있다(P17).

과정(P16)에서, 컨트롤러(400)가 요구 출력을 사전 설정된 제1 기준값(TH1)과 비교한 결과 요구 출력이 제1 기준값(TH1) 이하인 경우, 제1 모터(100)를 Y-결선 구조로 구동하기 위해 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 개방 시켜 제1 모터(100)와 제2 인버터(20)를 전기적으로 절연하고 제3 모드전환 스위치(S51-S53)을 단락 시켜 제1 모터(100) 내 권선(L11-L13)의 타단을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다.

이와 같이 모드전환 스위치를 조정한 후 컨트롤러(400)는 컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭 제어함으로써 제1 모터(100)를 Y-결선 구조로 구동할 수 있다(P18).

도 3을 참조하면, 컨트롤러(400)는 제1 모터(100)를 Y-결선 구조로 구동하여야 하는지 먼저 판단할 수 있다(P21). 즉, 과정(P21)에서 컨트롤러(400)는 요구 출력과 기준값(TH1, TH2)의 비교를 통해 제1 구동 모드 또는 제3 구동 모드를 실시하여야 하는지 여부를 판단할 수 있다.

제1 모터(100)를 Y-결선 구조로 구동할 필요가 없다면, 컨트롤러(400)는, 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 단락 시켜 제1 모터(100)와 제2 인버터(20)를 전기적으로 연결하고, 제2 모드전환 스위치를 개방 시켜 제2 인버터(20)와 제2 모터(200)를 전기적으로 절연 시키고, 제3 모드전환 스위치(S51-S53)을 개방 시켜 제1 모터(100) 내 권선(L11-L13)의 타단을 서로 전기적으로 절연 시킬 수 있다(P22).

즉, 과정(P22)에서, 컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭 제어함으로써 제1 모터(100)를 오픈 엔드 와인딩 방식으로 구동할 수 있다.

한편, 과정(P21)에서 컨트롤러(400)가 제1 모터(100)의 Y-결선 구동이 요구되는 것으로 판단하면, 이어 컨트롤러(400)는 제2 모터(200)의 구동이 필요한지 판단할 수 있다(P23).

제2 모터(200)의 구동이 필요하지 않는 경우, 컨트롤러(400)는, 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 개방 시켜 제1 모터(100)와 제2 인버터(20)를 전기적으로 절연하고, 제3 모드전환 스위치(S51-S53)을 단락 시켜 제1 모터(100) 내 권선(L11-L13)의 타단을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다(P24). 여기에서, 제2 모드전환 스위치(S51-S53)은 단락/개방 상태가 어떠하더라도 큰 상관이 없으나, 누설전류 발생을 억제하기 위해 개방되는 것이 바람직하다.

과정(P24)에서, 컨트롤러(400)는 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자(S21-S26)는 스위칭 제어하지 않고, 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭 제어함으로써 제1 모터(100) 만 Y-결선 구조로 구동할 수 있다.

과정(P23)에서, 컨트롤러(400)가 제2 모터(200)의 구동이 필요한 것으로 판단하면, 컨트롤러(400)는 제1 모드전환 스위치(S41-S43)를 개방 시켜 제1 모터(100)와 제2 인버터(20)를 전기적으로 절연하고 제2 모드전환 스위치(S51-S53)를 단락 시켜 제2 인버터(20)와 제2 모터(200)를 전기적으로 연결하고 제3 모드전환 스위치(S51-S53)을 단락 시켜 제1 모터(100) 내 권선(L11-L13)의 타단을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있다(P25).

과정(P25)에서 모드전환 스위치를 조정한 후 컨트롤러(400)는 제1 인버터(10) 내 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 인버터(20) 내 스위칭 소자(S21-S26)를 개별적으로 펄스 폭 변조 방식으로 스위칭 제어함으로써 제1 모터(100)와 제2 모터(200)를 각각 구동할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템은, 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동 시스템에서 더 큰 출력이 요구되는 경우 별도의 인버터를 추가하지 않고 오픈 엔드 와인딩 방식에 적용되는 인버터 중 일부를 추가의 모터를 구동하는데 적용함으로써, 인버터를 추가하지 않고 모터만 추가하여 원하는 출력을 확보할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템은, 출력 증대에 수반하는 제조 원가 상승을 최대한 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템은, 요구 출력의 크기에 최적으로 부합되는 방식, 예를 들어, 단일 모터 Y-결선 구동, 단일 모터 OEW 구동, 복수의 모터 구동 등 다양한 옵션으로 모터를 구동할 수 있어, 시스템 전체의 효율을 향상시킬 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, 40, 50: 스위치부 100, 200: 모터
300: 배터리 400: 컨트롤러
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33, S41-S43, S51-S53: 모드전환 스위치

Claims

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제1 권선을 갖는 제1 모터;
복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 가지며, 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단은 서로 접속된 제2 모터;
직류 전압원에 연결된 직류단과 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 교류단을 갖는 제1 인버터;
상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 갖는 복수의 제1 모드전환 스위치를 포함하는 제1 스위치부;
상기 직류 전압원에 연결된 직류단과 상기 복수의 제1 모드전환 스위치 각각의 제2 단에 연결된 교류단을 갖는 제2 인버터;
상기 제2 인버터의 교류단과 상기 복수의 제2 권선 각각의 제2 단에 양단이 연결된 복수의 제2 모드전환 스위치를 갖는 제2 스위치부;
상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 각각 연결된 제1 단을 가지며 서로 접속된 제2 단을 갖는 복수의 제3 모드전환 스위치를 포함하는 제3 스위치부; 및
상기 제1 모터 및 상기 제2 모터의 구동 요구에 기반하여 상기 복수의 제1 모드전환 스위치, 상기 복수의 제2 모드전환 스위치 및 상기 복수의 제3 모드전환 스위치의 단락/개방 상태를 조정하는 컨트롤러;
를 포함하는 모터 구동 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 모터를 구동하고 상기 제2 모터를 구동하지 않는 모드에서,
상기 제1 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하고 상기 제2 모드전환 스위치와 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하며,
상기 제1 권선의 양단에 각각 연결된 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 함께 조정하여 오픈 엔드 와인딩 방식으로 상기 제1 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 모터를 구동하고 상기 제2 모터를 구동하지 않는 모드에서,
상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 복수의 제1 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 복수의 제2 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자를 개방 상태로 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 제1 모터와 상기 제2 모터를 함께 구동하는 모드에서,
상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동하고,
상기 복수의 제1 모드 전환 스위치를 개방 상태로 조정하고 상기 복수의 제2 모드 전환 스위치를 단락 상태로 조정하며, 상기 제2 인버터를 조정하여 상기 제2 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
요구 출력을 입력 받고, 입력 받는 요구 출력을 사전 설정된 제1 기준값, 상기 제1 기준값 보다 큰 제2 기준값 및 상기 제2 기준값 보다 큰 제3 기준값과 비교한 결과에 기반하여 상기 제1 모터와 상기 제2 모터를 구동하기 위한 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 요구 출력이 상기 제1 기준값 이하인 경우, 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 7에 있어서, 상기 컨트롤러는,
복수의 제1 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 복수의 제2 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하거나 상기 제2 인버터 내 스위칭 소자를 개방 상태로 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 요구 출력이 상기 제1 기준값 보다 크고 상기 제2 기준값 이하인 경우,
상기 제1 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하고 상기 제2 모드전환 스위치와 상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 개방 상태로 조정하며,
상기 제1 권선의 양단에 각각 연결된 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터를 함께 조정하여 오픈 엔드 와인딩 방식으로 상기 제1 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 컨트롤러는,
상기 요구 출력이 상기 제2 기준값 보다 큰 경우,
상기 복수의 제3 모드전환 스위치를 단락 상태로 조정하여 상기 복수의 제1 권선의 제2 단에 Y-결선을 형성하고 상기 제1 인버터를 조정하여 상기 제1 모터를 구동하고,
상기 복수의 제1 모드 전환 스위치를 개방 상태로 조정하고 상기 복수의 제2 모드 전환 스위치를 단락 상태로 조정하며, 상기 제2 인버터를 조정하여 상기 제2 모터를 구동하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템.