KR20230119440A - 모터 구동 장치 - Google Patents

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KR20230119440A
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정강호
김명호
신상철
임영설
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현대자동차주식회사
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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.
당 기술 분야에서는 하나의 모터로 저출력 및 고출력 구간을 모두 커버하면서도 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 기술이 요구됨에 따라, 최근에는 두 개의 인버터와 모드 절환 스위치를 이용하여 하나의 모터를 서로 다른 두 모드로 구동하는 기술이 도입되고 있다. 그러나, 이러한 방식에서는 두 개의 인버터가 직류 전압을 공용으로 사용하므로 3상 전류의 합이 0이 아닌 n상 성분의 공통 모드(Common-Mode) 전류의 발생으로 추가적인 손실이 발생한다. 또한, 그로 인해 전압 이용률이 떨어져 일반적인 Y-결선 방식의 모터 대비 전압 상승 효과에도 한계가 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 모드 간의 전환이 가능하되, 보다 손실이 적고 전압 이용률이 향상될 수 있는 모터 구동 장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 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; 및 상기 모터의 요구 출력을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하되, 상기 제1 인버터는 제1 전압원과 연결되고, 상기 제2 인버터는 제2 전압원과 연결되되, 상기 제1 전압원과 상기 제2 전압원은 그라운드가 상이할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터는, 각각의 직류링크 양극(DCP)과 직류링크 음극(DCN)이 서로 전기적으로 단절될 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 기 설정된 제1 조건이 만족되면 상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 바텀상 스위칭 소자를 온시키고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 탑상 스위칭 소자를 오프시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 탑상 스위칭 소자의 오프 및 상기 바텀상 스위칭 소자의 온에 의해 상기 모터의 권선이 Y-결선된 형태로 상기 제1 인버터에 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 탑상 스위칭 소자의 오프 및 상기 바텀상 스위칭 소자의 온에 의해, 상기 바텀상 스위치의 일단 각각은 상기 복수의 권선 각각의 상기 제2 단에 연결되고, 상기 바텀상 스위치의 타단 각각은 상호 연결되어 중성점을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 탑상 스위칭 소자가 오프되고, 상기 바텀상 스위칭 소자를 온시킨 상태에서 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 기 설정된 제2 조건이 만족되면, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터의 전압 지령과 상기 제2 인버터의 전압 지령의 차동 전압으로 상전압 지령을 합성할 수 있다.
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; 및 상기 모터의 요구 출력을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하되, 상기 제1 인버터는 제1 전압원과 연결되고, 상기 제2 인버터는 제2 전압원과 연결되되, 상기 제1 전압원과 상기 제2 전압원은 그라운드가 상이하고, 상기 컨트롤러는, 기 설정된 제1 조건이 만족되면, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 바텀상 스위칭 소자만 온시켜 Y-결선을 형성하고 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 클로즈드 엔드 와인딩 모터로 구동하며, 기 설정된 제2 조건이 만족되면, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터는, 각각의 직류링크 양극(DCP)과 직류링크 음극(DCN)이 서로 전기적으로 단절될 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 상기 바텀상 스위칭 소자만 온되면, 상기 바텀상 스위치의 일단 각각은 상기 복수의 권선 각각의 상기 제2 단에 연결되고, 상기 바텀상 스위치의 타단 각각은 상호 연결되어 중성점을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 인버터의 전압 지령과 상기 제2 인버터의 전압 지령의 차동 전압으로 상전압 지령을 합성할 수 있다.
상기 모터 구동 장치에 따르면, 별도의 절환 스위치 없이 모드 전환이 가능하다.
또한, 서로 다른 두 개의 전압원을 이용하므로 3상 전류의 합이 0이 되어 공통 모드 전류에 의한 손실이 방지될 수 있다.
아울러, 두 개의 전압원의 이용에 의해 더 큰 전압 합성이 가능하여 전압 이용률이 향상될 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 모드 절환이 가능한 모터 구동 장치의 예시적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치 회로도의 일례를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 구현을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 OEW 모드에서 전압 이용률을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 모터 구동 모드 별 회전속도(RPM)-토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 모터 제어기(MCU), 하이브리드 제어기(HCU) 등의 명칭에 포함된 유닛(Unit) 또는 제어 유닛(Control Unit)은 차량 특정 기능을 제어하는 제어 장치(Controller)의 명명에 널리 사용되는 용어일 뿐, 보편적 기능 유닛(Generic function unit)을 의미하는 것은 아니다. 예컨대, 각 제어기는 담당하는 기능의 제어를 위해 다른 제어기나 센서와 통신하는 통신 장치, 운영체제나 로직 명령어와 입출력 정보 등을 저장하는 메모리 및 담당 기능 제어에 필요한 판단, 연산, 결정 등을 수행하는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
도 1은 모드 절환이 가능한 모터 구동 장치의 예시적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 모드 절환이 가능한 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선(C1-C3)을 갖는 모터(30)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(30)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(30)의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(30)의 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고 그 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33) 및 모터(30)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(70)를 포함할 수 있다.
제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(50)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(30)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(30)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(50)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(50)의 양단 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(60)에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 모터(30)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2 인버터(20)는 배터리(50)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(30)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
제1 인버터(10)는 모터(30)의 권선(C1-C3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(30)의 권선(C1-C3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(30)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.
복수의 제3 스위칭 소자(40)는 모터(30)에 포함된 복수의 권선(C1-C3) 각각의 타단에 일단이 각각 연결되고 그 타단은 상호간에 연결될 수 있다.
이러한 연결구조에서, 제3 스위칭 소자(40)가 온되는 경우 모터(30)의 권선(C1-C3)의 타단은 상호 전기적인 접속을 형성하게 되어 모터(30)는 중성점을 갖는 Y-결선된 권선 구조를 갖게 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(40)가 온된 상태에서는 제2 인버터(20)를 비활성화 하고(복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)을 모두 오프 시키고), 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16)만 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 모터(30)를 구동할 수 있다.
제3 스위칭 소자(40)가 오프되는 경우에 모터(30)의 권선(C1-C3)의 양단은 각각 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 연결된 상태가 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(40)가 오프된 상태에서는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 모두 활성화 하여 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)을 모두 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 모터(30)를 구동할 수 있다.
당 기술 분야에서, 제3 스위칭 소자(40)를 온 시켜 모터(30)의 권선(C1-C3)의 타단을 결선시키고 제1 인버터(10)만 활성화 하여 모터(30)를 구동하는 모드를 클로즈드 엔드 와인딩(Closed End Winding: CEW) 모드 또는 Y-결선 모드라 하고, 제3 스위칭 소자(40)를 오프시키고 모터(30)의 권선(C1-C3)의 양단에 각각 연결된 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)를 모두 활성화 하여 모터(30)를 구동하는 모드를 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding: OEW) 모드라 칭할 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(70)는 기본적으로는 모터(30)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 모터(30)가 구동될 수 있도록 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 하는 요소이다.
다만, 도 1을 참조하여 전술한 모터 구동 장치는 모드 전환을 위해 절환 스위치(즉, 제3 스위칭 소자)가 별도로 요구된다. 또한, 두 개의 인버터(10, 20)가 배터리(50)의 직류 전압을 공용으로 사용하고 있으므로, 이에 따른 3상 전류의 합이 0이 아닌 n상 성분의 공통 모드(Common-mode) 전류가 발생하여 추가적인 손실을 야기한다.
그에 따라, 전압 이용률이 떨어져 일반적인 3상 Y-결선 모터를 적용한 CEW 모드 대비 OEW 모드에서의 전압 상승 효과에 한계가 있다. 보다 상세히, OEW 모드에서는 제로 시퀀스 전압(ZSV: Zero-Sequence Voltage)을 0으로 만드는 전압 벡터만 써야 하기 때문에 CEW 대비 전압 상승 효과는 최대 배로 제한된다.
이러한 문제점을 개선하기 위하며, 본 발명의 일 실시예에서는 두 개의 서로 다른 전압원을 이용하여 각 인버터가 직류 전압을 공용으로 사용하지 않도록 하여 공통 모드 전류에 의한 손실을 방지하고 전압 이용률을 상승시킬 것을 제안한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치 회로도의 일례를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선(C1-C3)을 갖는 모터(130)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(130)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(110)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(130)의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(120) 및 모터(30)의 요구 출력을 기반으로 제1 스위칭 소자(S11-S16)와 제2 스위칭 소자(S21-S26)의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러(170)를 포함할 수 있다.
다만, 도 1을 참조하여 전술한 모터 구동 장치에서 하나의 배터리(50)가 두 개의 인버터(10, 20)에 함께 전력을 공급한 것과 달리, 실시예에 따른 모터 구동 장치에서는 두 개의 전압원(Source 1, Source 2)을 이용한다. 그에 따라, 도 1에서는 직류링크 양극(DCP: DC-link Positive)과 직류링크 음극(DCN: DC-link Negative) 각각이 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20) 간에 서로 전기적으로 연결되어 있었으나, 실시예에 따른 모터 구동 장치에서는 제1 인버터(110)와 제2 인버터(120) 사이에 DCP나 DCN이 서로 전기적으로 연결되지 않는다.
제1 인버터(110)는 제1 전압원(Source 1)에 의한 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(111-113)를 포함할 수 있다. 각 레그(111-113)는 모터(130)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 제1 레그(111)는 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(130) 내 한 상의 권선(C1)의 일단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(112)는 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(130) 내 한 상의 권선(C2)의 일단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(113)는 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(130) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 인버터(120) 역시 제1 인버터(110)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2 인버터(120)는 제2 전압원(Source 2)에 의한 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(121-123)를 포함할 수 있다. 각 레그(121-123)는 모터(130)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 제1 레그(121)는 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(130) 내 한 상의 권선(C3)의 타단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(122)는 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(130) 내 한 상의 권선(C2)의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(123)는 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(130) 내 한 상의 권선(C1)의 일단에 연결될 수 있다.
컨트롤러(170)는 모터(130)에 요구되는 요구 출력을 기반으로 모터(130)가 구동될 수 있도록 제1 인버터(110)와 제2 인버터(120)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 하는 요소이다. 구현에 있어서, 컨트롤러(170)는 모터 제어기(MCU: Motor Control Unit)와 게이트 드라이브 유닛(Gate Drive Unit)을 포함하는 형태가 될 수 있다. 이러한 경우, 모터 제어기(MCU)는 상위 제어기의 지령에 따라 제1 인버터(110)와 제2 인버터(120) 각각에 대한 제어 신호를 게이트 드라이브 유닛에 전달하고, 게이트 드라이브 유닛은 제어 신호에 대응하여 각 인버터(110, 120)로 구동 신호를 전달할 수 있다. 여기서 제어 신호와 구동 신호는 PWM 신호일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 상술한 모터 구동 장치에서 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding: OEW) 모드와 클로즈드 엔드 와인딩(Closed End Winding: CEW) 모드로 모터(130)를 구동하는 방법을 설명한다.
먼저, 오픈 엔드 와인딩(OEW) 모드에서는 제1 인버터(110)와 제2 인버터(120)를 모두 활성화 하여 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 스위칭 소자(S21-S26)을 모두 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 모터(130)를 구동할 수 있다.
예를 들어, 오픈 엔드 와인딩 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(170)가 제1 인버터(110) 및 제2 인버터(120)의 직류 전압과 모터(130)로 제공되는 상전류 및 모터(130)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 검출된 모터각 등을 입력 받아 제1 인버터(110)의 제1 스위칭 소자(S11-S16) 및 제2 인버터(120)의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다. 이때, 제1 인버터(110)는 제1 전압원(Source 1)으로부터 공급되는 직류 전력을, 제2 인버터(120)는 제2 전압원(Source 2)으로부터 공급되는 직류 전력을 각각 모터(130)에 교류 변환하여 제공할 수 있다.
클로즈드 엔드 와인딩(CEW) 모드에서의 모터 구동은 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 구현을 설명하기 위한 회로도이다.
본 실시예에 따른 모터 구동 장치에서 클로즈드 엔드 와인딩 모드의 구현을 위해 제2 인버터(120)의 탑상 스위칭 소자(S21, S23, S25)는 모두 비활성화되고, 바텀상 스위칭 소자(INV2_Bot: S22, S24, S26)는 활성화될 수 있다. 그에 따라, 모터 구동 장치는 실질적으로 도 3과 같은 회로 구성을 갖게 된다.
이러한 연결구조에서, 모터(130)의 권선(C1-C3)의 타단은 바텀상 스위칭 소자들(INV2_Bot)을 통해 상호 전기적인 접속을 형성하게 되어 모터(130)는 중성점(N)을 갖는 Y-결선된 권선 구조를 갖게 된다. 이는 일반적인 모드 절환이 가능한 모터 구동 장치와 달리, 전압원이 2개(Source 1, Source 2)이며, 각 전압원은 그라운드를 서로 달리하므로 Common하지 않아 바텀상 스위칭 소자들(INV2_Bot)에 의해 절환 스위치가 구현될 수 있는 것이다.
결국, 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서는 제2 인버터(120)는 바텀상만 활성화된 상태에서, 제1 인버터(110)의 제1 스위칭 소자(S11-S16)만 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 제1 전압원(Source 1)의 전력으로 모터(130)를 구동할 수 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 실시예에 따른 모터 구동 장치의 효과를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 OEW 모드에서 전압 이용률을 설명하기 위한 도면이다.
전술한 바와 같이, 단일 전압원을 이용하여 OEW 모드에서 두 개의 인버터를 함께 구동하는 경우 3상 전류의 합이 0이 아닌 n상 성분의 공통 모드(Common-mode) 전류가 발생하여 추가적인 손실을 야기하나, 본 실시예에 따른 모터 구동 장치는 공통 모드 전류에 의한 손실이 방지된다.
뿐만 아니라, 단일 전압원을 이용할 경우 제로 시퀀스 전압(ZSV: Zero-Sequence Voltage)을 0으로 만드는 전압 벡터만 써야 하기 때문에 CEW 모드 대비 전압 상승 효과는 최대 배로 제한된다.
이와 달리, 실시예에 따른 모터 구동 장치는 그라운드를 달리하는 두 개의 전압원을 사용하므로 제1 전압원(Source 1)의 전압(V1)과 제2 전압원(Source 2)의 전압(V2)의 차동 전압(VS = V1-V2)이 모터(130)의 양단에 인가될 수 있다. 따라서, OEW 모드에서 전압 이용률은 CEW 모드 대비 최대 2배가 될 수 있으며, 이는 도 1에 도시된 모터 구동 장치의 CEW 대비 전압 상승 효과인 최대 배보다 큰 수치이다.
따라서, OEW 모드에서 동일 출력을 내기 위해 CEW 모드 대비 인버터의 전류를 최대 절반으로 감소시킬 수 있어 효율을 증대 시킬 수 있다.
아울러, 도 1에 도시된 모터 구동 장치 대비 제3 스위칭 소자(40)가 일 실시예에 따른 모터 구동 장치에서는 별도로 필요하지 않은 장점도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치의 모터 구동 모드 별 모터회전속도(RPM)-모터 토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.
도 5에서 L1은 CEW 모드에서 모터(130)의 최대 토크 라인이고, L2는 OEW 모드에서 모터(130)의 최대 토크 라인을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, CEW 모드에서 제2 인버터(120)의 바텀상 스위칭 소자(INV2_Bot)의 활성화를 통한 Y-결선 모터를 제1 전압원(Source 1)을 이용하여 제1 인버터(110)를 제어하여 구동하게 되고, OEW 모드에서 오픈 엔드 와인딩 모터를 두 개의 전압원(Source 1, Source 2)을 이용하여 제1 인버터(110) 및 제2 인버터(120)의 제어를 통해 구동하게 된다.
도 5에 도시된 것과 같이, 모터(130)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(130)가 차량에 적용되는 경우 CEW 모드에서 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 영역이 이 주요 운전점들(Y1, Y2)을 포함하는 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 턴수가 결정되는 것이 바람직하다.
한편, OEW 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 CEW 모드로 모터(130)를 구동하고 효율을 향상시키고, 고출력이 필요한 구간에서는 OEW 모드로 모터(130)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 CEW 모드의 효율을 더욱 향상시키기 위해 제1 인버터(110)에 적용되는 스위칭 소자(S11-S16)는 상대적으로 스위칭 손실이 적은 재료인 SiC로 제작된 MOSFET가 채용되는 것이 더욱 바람직하다. 반면, CEW 모드를 위한 중성점 형성 상황을 제외하고는 고출력 영역에서 작동하는 제2 인버터(120)에 적용되는 스위칭 소자(S21-S26)는 저렴한 재료인 Si로 제작된 IGBT가 채용되는 것이 바람직하다. 다만, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 6을 참조하여 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 방법은, 모터의 구동이 시작되면 컨트롤러(170)가 외부의 상위 제어기 등으로부터 모터(130)의 요구출력(요구토크)를 입력받음에 따라 시작될 수 있다.
보다 상세히, 상위 제어기(미도시)는 가속 페달 센서(APS: Accelerator pedal Position Sensor) 값을 입력받아(S610), 이를 기반으로 운전자의 요구 토크나 요구 출력을 판단할 수 있다. 판단된 요구 토크나 출력을 만족시키기 위해, 상위 제어기는 모터(130)에 대한 토크 및 RPM 지령을 계산하여 컨트롤러(170)에 전달할 수 있다(S620). 여기서, 상위 제어기는 차량 종류에 따라 전기차(EV)인 경우 차량 통합 제어기(VCU)일 수도 있고, 하이브리드 자동차(HEV)인 경우 하이브리드 제어기(HCU)일 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
컨트롤러(170)는 상위제어기로부터 전달된 지령을 기반으로 모터(130)의 운전 모드를 판단할 수 있다(S630).
예를 들어, 컨트롤러(170)는 전달된 지령이 지시하는 요구 토크나 요구 출력이 기 설정된 기준값보다 작으면 CEW 모드로 운전 모드로 결정하고, 요구 토크나 요구 출력이 기 설정된 기준 이상이면 OEW 모드로 운전 모드를 결정할 수 있다. 다만, 이러한 모드 결정의 기준은 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
CEW 모드로 결정된 경우, 컨트롤러(170)는 제2 인터버(120)의 바텀상 스위칭 소자(INV2_Bot)를 활성화시키고, 탑상 스위칭 소자는 비활성화시킬 수 있다(S640). 그에 따라, 모터(130)의 각 권선의 타단은 바텀상 스위칭 소자(INV2_Bot)의 일단과 연결되고, 바텀상 스위칭 소자(INV2_Bot)의 타단은 상호 연결되어 중성점을 형성하게 된다. 즉, 모터(130)의 권선들은 제2 인버터(120)에 대한 선택적 스위칭 소자 제어를 통해 Y-결선 상태가 된다.
또한, 컨트롤러(170)는 제1 인버터(110)의 전류 및 전압 지령을 합성하여(S650A) 제1 인버터(110)를 통한 모터 제어를 수행할 수 있다(S660A).
이와 달리, OEW 모드로 결정된 경우, 컨트롤러는 제1 인버터(110)에 대한 전압 지령과 제2 인버터(120)에 대한 전압 지령의 차분인 차동 전압으로 상전압 지령을 합성하여(S650B), 제1 인버터(110) 및 제2 인버터(120/0를 통한 모터 제어를 수행할 수 있다(S660B).
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 두 개의 전압원이 요구된다. 이를 위해, 기본적으로 두 개의 전압원을 갖는 연료전지가 적용될 수도 있고, 복수의 모듈로 이루어진 배터리팩을 둘로 분할하여 사용할 수도 있으나, 이는 예시적인 것으로 상호간 그라운드 분리가 가능하다면 어떠한 형태의 전압원에도 적용이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 모터의 요구 출력에 기반하여 모터의 구동 모드를 결정하고, 저출력 구간에서는 CEW 모드로 차량의 주요 운전점이 모터-인버터 시스템의 고효율 구간에 포함되도록 하여 시스템 효율을 향상시키고, 고출력 구간에서는 OEW 모드로 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. 또한, 단일 전압원을 이용하여 두 개의 인버터를 구동하는 모터 구동 장치와 대비해서도 공통 모드 전류 손실이 없고, 전압 이용률이 향상될 수 있으며, 모드 전환을 위한 별도의 스위칭 소자를 필요로 하지 않는다.
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.
110: 제1 인버터 120: 제2 인버터
130: 모터 170: 컨트롤러
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
C1-C3: 권선 Source 1: 제1 전압원
Source 2: 제2 전압원

Claims (12)

  1. 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; 및
    상기 모터의 요구 출력을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 제1 인버터는 제1 전압원과 연결되고, 상기 제2 인버터는 제2 전압원과 연결되되, 상기 제1 전압원과 상기 제2 전압원은 그라운드가 상이한, 모터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터는,
    각각의 직류링크 양극(DCP)과 직류링크 음극(DCN)이 서로 전기적으로 단절된, 모터 구동 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    기 설정된 제1 조건이 만족되면 상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 바텀상 스위칭 소자를 온시키고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 탑상 스위칭 소자를 오프시키는, 모터 구동 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 탑상 스위칭 소자의 오프 및 상기 바텀상 스위칭 소자의 온에 의해 상기 모터의 권선이 Y-결선된 형태로 상기 제1 인버터에 연결되는, 모터 구동 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 탑상 스위칭 소자의 오프 및 상기 바텀상 스위칭 소자의 온에 의해,
    상기 바텀상 스위치의 일단 각각은 상기 복수의 권선 각각의 상기 제2 단에 연결되고, 상기 바텀상 스위치의 타단 각각은 상호 연결되어 중성점을 형성하는, 모터 구동 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 탑상 스위칭 소자가 오프되고, 상기 바텀상 스위칭 소자를 온시킨 상태에서 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는, 모터 구동 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    기 설정된 제2 조건이 만족되면, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는, 모터 구동 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 인버터의 전압 지령과 상기 제2 인버터의 전압 지령의 차동 전압으로 상전압 지령을 합성하는, 모터 구동 장치.
  9. 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; 및
    상기 모터의 요구 출력을 기반으로 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 제1 인버터는 제1 전압원과 연결되고, 상기 제2 인버터는 제2 전압원과 연결되되, 상기 제1 전압원과 상기 제2 전압원은 그라운드가 상이하고,
    상기 컨트롤러는,
    기 설정된 제1 조건이 만족되면, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 바텀상 스위칭 소자만 온시켜 Y-결선을 형성하고 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 클로즈드 엔드 와인딩 모터로 구동하며,
    기 설정된 제2 조건이 만족되면, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 오픈 엔드 와인딩 모터로 구동하는, 모터 구동 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 인버터와 상기 제2 인버터는,
    각각의 직류링크 양극(DCP)과 직류링크 음극(DCN)이 서로 전기적으로 단절된, 모터 구동 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 제2 스위칭 소자 중 상기 바텀상 스위칭 소자만 온되면,
    상기 바텀상 스위치의 일단 각각은 상기 복수의 권선 각각의 상기 제2 단에 연결되고, 상기 바텀상 스위치의 타단 각각은 상호 연결되어 중성점을 형성하는, 모터 구동 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 인버터의 전압 지령과 상기 제2 인버터의 전압 지령의 차동 전압으로 상전압 지령을 합성하는, 모터 구동 장치.
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