KR20230119441A - 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템 - Google Patents

모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템 Download PDF

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김명호
임영설
신상철
정강호
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현대자동차주식회사
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Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 시스템을 이용하여 배터리를 충전하는 배터리 충전 시스템이 개시된다. 상기 충전 시스템은, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며, 상기 배터리에 연결된 직류단과 상기 복수의 권선의 일단에 연결된 교류단을 갖는 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 배터리에 연결된 직류단과 상기 복수의 권선의 타단에 연결된 교류단을 갖는 제2 인버터; 상기 복수의 권선의 타단에 각각 연결된 일단과, 상호 연결된 타단을 갖는 복수의 제3 스위칭 소자; 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단 및 상기 배터리의 음단자 사이에 배치되어 상기 배터리를 충전하는 충전 모드에서 직류 충전 전압이 인가되는 충전용 커패시터; 상기 충전용 커패시터와 직렬로 연결된 제4 스위칭 소자; 및 상기 충전 모드에서 상기 제4 스위칭 소자를 온 시키며, 상기 직류 충전 전압의 크기 및 상기 배터리의 전압의 크기에 기반하여, 상기 복수의 제1 스위칭 소자, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 및 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 개방/단락 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템{SYSTEM OF CHARGING BATTERY FOR VEHICLE USING MOTOR DRIVING SYSTEM}
본 발명은 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터 내 권선의 양단에 각각 연결된 복수의 인버터를 이용하여 모터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩 모터 구동 시스템을 이용하여 차량 내 배터리를 충전할 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.
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.
이에, 차량의 구동 모터 내 권선의 일단을 서로 연결하여 Y-결선을 형성한 후 모터를 구동하는 클로즈드 엔드 와인딩(Closed End Winding) 모드와 모터 권의 양단에 각각 인버터를 연결하여 모터 권선의 양단이 개방된 상태로 모터를 구동하는 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding) 모드를 선택적으로 결정하여 모터를 구동할 수 있는 기술이 제안되고 있다.
한편, 일반적으로 전기 자동차(EV: Electric Vehicle) 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle)는 외부의 충전 설비에서 제공되는 전력을 차량 내 배터리 충전에 적합한 상태로 변환하여 배터리로 제공하여 배터리 충전을 실시하고 있다.
종래에 급속 충전을 위한 충전 설비는 400V의 단일한 전압 규격을 출력하도록 제작되었으나, 차량 내에 사용되는 배터리는 효율, 주행 가능 거리 향상을 위해 800V 혹은 그 이상의 전압을 가지도록 배터리가 설계되는 추세이다. 이에, 다양한 전압 크기를 갖는 차량의 배터리 충전을 위해서는 배터리 전압 사양에 맞는 다양한 전압 대의 충전 설비가 구비되거나 하나의 충전 설비가 여러 전압 대의 출력이 가능하도록 구현되어야 한다.
이러한 충전 인프라를 구축하는 데는 많은 비용이 소모되는 문제가 발생할 뿐만 아니라, 충전 설비가 갖는 충전 전류 제한으로 인해 전압을 낮추어 출력하는 경우 충전 전력이 감소함에 따라 충전 시간이 증가되는 문제가 발생할 수 있다.
이에, 당 기술 분야에서는, 복수의 인버터를 이용하여 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하는 모터 구동 시스템에서, 기존 인프라로 구축되어 있는 충전 설비에서 제공하는 충전 전압의 크기를 추가적 장치 및 추가적 비용 상승 없이 변환하여 배터리를 충전할 수 있는 배터리 충전 기법이 요구되고 있다.
아울러, 급속 충전시에 외부 충전기의 입력 전압 리플을 줄이고 안정적인 전압 유지를 위해 충전용 커패시터를 모터의 Y-결선 중성단과 연결하는데, 이러한 충전용 커패시터는 주행을 위한 모터를 구동하는 경우에는 중성단과 분리될 필요가 있다. 이를 위해 종래의 모터 구동 시스템에서는 충전 전류의 도통 경로 상에 릴레이를 적용하였으나 대전류인 충전 전류로 인해 릴레이의 발열, 열화나 소손 문제가 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.
이에 본 발명은, 외부의 충전 설비에서 제공하는 충전 전압의 크기를 별도의 전용 변환 장치 없이 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터를 구동하기 위한 모터 구동 시스템을 이용하여 적절하게 변환하여 배터리를 충전할 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 충전용 커패시터와 모터 권선의 중성점 사이의 효과적인 연결과 차단이 가능한 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템을 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 시스템을 이용하여 배터리를 충전하는 배터리 충전 시스템은, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며, 상기 배터리에 연결된 직류단과 상기 복수의 권선의 일단에 연결된 교류단을 갖는 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 배터리에 연결된 직류단과 상기 복수의 권선의 타단에 연결된 교류단을 갖는 제2 인버터; 상기 복수의 권선의 타단에 각각 연결된 일단과, 상호 연결된 타단을 갖는 복수의 제3 스위칭 소자; 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단 및 상기 배터리의 음단자 사이에 배치되어 상기 배터리를 충전하는 충전 모드에서 직류 충전 전압이 인가되는 충전용 커패시터; 상기 충전용 커패시터와 직렬로 연결된 제4 스위칭 소자; 및 상기 충전 모드에서 상기 제4 스위칭 소자를 온 시키며, 상기 직류 충전 전압의 크기 및 상기 배터리의 전압의 크기에 기반하여, 상기 복수의 제1 스위칭 소자, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 및 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 개방/단락 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 배터리 충전 시스템은, 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되며 상기 직류 충전 전압의 고전위가 타단에 인가되는 제1 충전전력 인가 스위치 및 상기 배터리의 음단자에 일단이 연결되며 상기 직류 충전 전압의 저전위가 타단에 인가되는 제2 충전전력 인가 스위치를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 모드에서 상기 제1 충전전력 인가 스위치 및 제2 충전전력 인가 스위치를 단락 상태가 되게 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 모터를 구동하는 구동 모드에서 상기 제4 스위칭 소자를 오프시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 충전용 커패시터는, 상기 제4 스위칭 소자가 오프됨에 따라 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단에 형성된 상기 모터의 중성단과 전기적으로 분리될 수 있다.
예를 들어, 상기 제4 스위칭 소자는 FET를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제4 스위칭 소자는 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터가 실장되는 인버터 보드 상에 실장될 수 있다.
예를 들어, 상기 충전용 커패시터는, 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단과 상기 제4 스위칭 소자 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제4 스위칭 소자는, 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단과 상기 충전용 커패시터 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 직류 충전 전압이 상기 배터리의 전압 보다 낮은 경우, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 모드에서, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 모두 단락 상태로 제어하고, 상기 제1 인버터의 로워 스위칭 소자- 상기 제1 인버터의 로워 스위칭 소자는 상기 제1 인버터에 포함된 스위칭 소자 중 상기 직류단의 저전위 단에 연결된 스위칭 소자-를 펄스폭 변조 제어하여 상기 직류 충전 전압을 승압할 수 있다.
예를 들어, 상기 직류 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 상응하는 경우, 상기 컨트롤러는, 상기 충전 모드에서, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 모두 단락 상태로 제어하고, 상기 제2 인버터의 어퍼 스위칭 소자- 상기 제2 인버터의 어퍼 스위칭 소자는 상기 제2 인버터에 포함된 스위칭 소자 중 상기 직류단의 고전위 단에 연결된 스위칭 소자-를 통해 충전 전류가 상기 배터리로 전달되도록 제어할 수 있다.
상기 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템에 따르면, 모터의 오픈 엔드 와인딩 구동을 위해 구비되는 모터 구동 시스템을 활용하여 외부 충전기에서 제공되는 충전 전압의 크기에 따라 적절히 충전 전압의 크기를 변환하 배터리의 충전이 가능하게 된다.
이에 따라, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템은, 차량 배터리의 고전압화에 따라 추가적으로 고전압의 충전 설비를 위한 추가의 인프라를 구축할 필요가 없게 하여 인프라 구축에 따른 사회적 비용 발생을 방지할 수 있다.
또한, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템은, 고효율의 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동과 함께 다양한 외부 충전 전압에 대응한 배터리 충전을 가능하게 할 수 있다.
아울러, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템은 반도체 스위칭 소자를 통해 모터 권선의 중성점과 충전용 커패시터 간의 연결 여부를 제어하므로 릴레이 대비 발열, 냉각, 내충격, 소손 관점에서 우수하다.
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 실시예에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템의 회로도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템의 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 다른 양상에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템은, 복수의 상에 대응되는 복수의 권선(L1-L3)을 갖는 모터(100)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템이다.
우선, 모터 구동 시스템은, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 일단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(100)의 권선 각각의 타단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(100)의 권선 각각의 타단에 일단이 연결되며 타단이 서로 단락된 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33)을 포함할 수 있다.
제1 인버터(10) 배터리(200)의 양단자와 음단자 사이에 형성되는 직류 전압이 인가되는 직류단과 모터(100)의 각 권선(L1-L3)와 연결되는 교류단을 가질 수 있다. 제1 인버터(10)가 배터리(200)의 양단자와 음단자가 연결되는 두 노드가 직류단이 될 수 있고 제1 인버터(10)가 모터(100)의 각 권선의 일단에 연결되는 세 개의 노트가 교류단이 될 수 있다.
이와 유사하게, 제2 인버터(20)는 제1 인버터(10)의 직류단과 선택적으로 연결되는 직류단과 모터(100)의 각 권선(L1-L3)와 연결되는 교류단을 가질 수 있다. 제2 인버터(20)가 제1 인버터(10)의 직류단과 선택적으로 연결되는 하나의 노드를 포함하는 두 노드가 직류단이 될 수 있고 제2 인버터(20)가 모터(100)의 각 권선의 타단에 연결되는 세 개의 노트가 교류단이 될 수 있다
모터에서 차량을 구동시키기 위한 동력을 생성하는 모터 구동 모드에서, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(200)에 공통의로 직류단이 연결되어, 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 직류단에 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 직류단을 형성하는 두 노드 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S11, S12)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S11, S12)의 연결 노드는 모터(100)의 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L1)의 일단에 연결될 수 있다.
마찬가지로, 제2 레그(12)는 직류단을 형성하는 두 노드 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S13, S14)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S13, S14)의 연결 노드는 모터(100)의 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L2)의 일단에 연결될 수 있다.
또한, 제3 레그(13)는 직류단을 형성하는 두 노드 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S15, S16)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S15, S16)의 연결 노드는 모터(100)의 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L3)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 두 단자 사이의 직류 전압이 인가되는 직류단의 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 직류단을 형성하는 두 노드 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S21, S22)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S21, S22)의 연결 노드는 모터(100)의 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L1)의 타단에 연결될 수 있다.
마찬가지로, 제2 레그(22)는 직류단을 형성하는 두 노드 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S23, S24)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S23, S24)의 연결 노드는 모터(100)의 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L2)의 타단에 연결될 수 있다.
또한, 제3 레그(23)는 직류단을 형성하는 두 노드 사이에 상호 직렬로 연결된 두 개의 스위칭 소자(S25, S26)를 포함하며, 두 스위칭 소자(S25, S26)의 연결 노드는 모터(100)의 복수의 상 중 한 상에 해당하는 교류 전력이 입출력 되도록 모터(100) 내 한 상의 권선(L3)의 일단에 연결될 수 있다.
제1 인버터(10)는 모터(100)의 권선(L1-L3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(100)의 권선(L1-L3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(100)의 권선(L1-L3)의 양단은 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 각각 연결되는 오픈 엔드 와인딩 구조의 전기적 연결이 형성될 수 있다.
제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S26)는 모터 구동을 위한 통상적인 인버터 내에 포함되는 스위칭 소자로서, 실제 스위칭이 이루어지는 IGBT 또는 FET와 IGBT 또는 FET의 소스와 드레인 사이에 역방향으로 연결된 다이오드를 포함하는 개념으로 이해되어야 할 것이다.
복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33)가 모터(100)의 권선(L1-L3)의 타단(제2 인버터의 교류단)에 연결될 수 있다. 제3 스위칭 소자(S31-S33)는 '절환 스위치'라 칭할 수도 있다. 복수의 절환 스위치(S31-S33)의 일단은 모터(100)의 권선(L1-L3)의 일단에 연결되고, 타단은 서로 연결되어 전기적 단락이 형성될 수 있다.
복수의 절환 스위치(S31-S33)가 개방되는 경우에는 모터(100)의 권선(L1-L3)의 양단은 각각 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 연결되어 오픈 엔드 와인딩 구조가 형성될 수 있다. 또한, 복수의 절환 스위치(S31-S33)가 단락되는 경우에는 모터(100)의 권선(L1-L3)의 타단이 상호 전기적 단락이 되어 모터(100)의 권선(L1-L3)는 Y-결선을 형성하는 클로즈드 엔드 와인딩 구조의 전기적 연결이 형성될 수 있다. 클로즈드 엔드 와인딩 구조의 전기적 연결이 형성된 경우, 제1 인버터(10)의 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 모터(100)가 구동(즉, CEW 구동 모드)될 수 있으며, 제2 인버터(20)의 스위칭 소자(S21-S26)은 모두 항시 개방된 상태를 유지할 수 있다.
복수의 절환 스위치(S31-S33)는 모터 구동을 위한 회로 연결 구조를 오픈 엔드 와인딩 구조와 클로즈드 엔드 와인딩 구조 사이에서 절환하는 역할을 하므로 절환 스위치부(30)로 통칭될 수 있다.
컨트롤러(40)는 모터 구동 모드에서 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 제어할 수 있다.
더욱 구체적으로, 컨트롤러(40)는 모터(100)의 요구 출력을 기반으로 모터 구동에 사용되는 인버터를 결정하고 그에 따라 절환 스위치부(30)의 복수의 절환 스위치(S31-S33)의 온/오프 상태를 결정하며 구동이 결정된 컨버터의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어할 수 있다.
예를 들어, 모터(100)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 작은 경우, 컨트롤러(40)는 절환 스위치부(30)의 복수의 절환 스위치(S31-S33)를 모두 단락 상태로 설정하고 제2 인버터(20)를 작동시키지 않고 제1 인버터(10)의 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 모터(100)를 구동시킬 수 있다(즉, 클로즈드 엔드 와인딩 모드).
클로즈드 엔드 와인딩(CEW) 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(40)가 제1 인버터(10)의 직류단에 인가되는 직류 전압과 인버터(10)의 교류단에서 모터(100)로 제공되는 상전류 및 모터(100)에 설치된 모터 회전자 센서(미도시)에 의해 검출된 모터 회전각 등을 기반으로 제1 인버터(10)의 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다. 인버터 내 복수의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 모터(100)를 구동하기 위한 다양한 기법은 당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로 인버터의 펄스폭 변조 제어 기법에 대해서는 더 이상의 상세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 모터(100)에 요구되는 출력이 사전 설정된 기준값 보다 큰 경우, 컨트롤러(100)는 절환 스위치부(30)의 복수의 절환 스위치(S31-S33)를 모두 개방 상태로 설정하고 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 모두 작동시켜 모터(100)를 구동시킬 수 있다(즉, 오픈 엔드 와인딩 모드). 오픈 엔드 와인딩(OEW) 모드에서 모터(100)는 복수의 권선(L1-L3)의 일단이 서로 개방 상태가 되고 그 타단도 서로 개방 상태가 되며, 권선(L1-L3)의 양단에 각각 연결된 두 개의 인버터(10, 20)를 펄스폭 변조 제어하여 구동될 수 있다.
오픈 엔드 와인딩 모드에서 모터의 구동은, 컨트롤러(100)가 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 직류 전압과 모터(100)의 각 상에 해당하는 복수의 권선으로 각각 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 함께 펄스폭 변조 제어하여 달성될 수 있다.
오픈 엔드 와인딩 모드에서의 권선의 양단에 연결된 두 개의 인버터를 펄스폭 변조 제어하여 모터를 구동하기 위한 다양한 기법은 당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로 추가적인 상세한 설명은 생략하기로 한다.
배터리를 충전하는 충전 모드에서, 컨트롤러(40)는 복수의 절환 스위치(S31-S33)의 타단 및 배터리(200)의 음단자 사이에 직류 충전 전압이 인가되게 하고, 직류 충전 전압의 크기에 기반하여 직류 충전 전압의 크기를 변환하여 배터리로 제공되도록 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S26), 스위치(S31-S33) 및 제4 스위칭 소자(S4)를 제어할 수 있다.
외부 충전기(300)로부터 제공되는 직류 전력은 절환 스위치부(30)의 복수의 절환 스위치(S31-S33)가 상호 연결된 노드 및 배터리(200)의 음단자와 연결된 노드 사이에 인가될 수 있다. 즉, 외부 충전기(300)에서 제공되는 충전 전압이 복수의 절환 스위치(S31-S33)가 상호 연결된 노드 및 배터리(200)의 음단자와 연결된 노드 사이에 인가될 수 있다.
외부 충전기(300)와 모터 구동 시스템 사이의 전기적 연결을 형성/차단하기 위해, 본 발명의 일 실시형태는 충전전력 인가 스위치(R1, R2)와 제4 스위칭 소자(S4)를 더 포함할 수 있다.
차량은 외부 충전기(300)가 연결되는 충전 인렛을 구비할 수 있으며, 충전 시 충전 인렛은 외부 충전기(300)의 충전 아울렛과 체결될 수 있다. 외부 충전기(300)의 충전 아울렛은 충전 전압을 형성하는 고전위 단자(양단자)와 저전위 단자(음단자)를 가지며, 이 단자들은 충전 인렛의 고전위 단자 및 저전위 단자와 각각 연결될 수 있다. 제1 충전전력 인가 스위치(R1)는 충전 인렛의 고전위 단자와 복수의 절환 스위치(S31-S33)가 상호 연결된 노드 사이에 연결될 수 있으며, 제2 충전전력 인가 스위치(R2)는 충전 인렛의 저전위 단자와 배터리(200)의 음단자 사이에 연결될 수 있다.
절환 스위치부(30)의 타단과 배터리의 음단자 사이에는 충전용 커패시터(C)가 연결될 수 있다. 또한, 충전용 커패시터(C)와 직렬로 제4 스위칭 소자(S4)가 연결될 수 있다. 다시 말해, 충전용 커패시터(C)의 일단은 절환 스위치부(30)와 제1 충전전력 인가 스위치가 상호 연결된 노드 사이에 연결되고, 충전용 커패시터(C)의 타단은 배터리(200)의 음단자가 연결된 노드에 연결될 수 있다.
이와 같이 제4 스위칭 소자(S4)가 충전용 커패시터(C)와 직렬로 연결됨으로 인해, 대전류(수백 A)인 충전 전류가 도통하는 경로 상에 릴레이를 이용하는 경우와 달리 대전류의 도통을 상정한 성능이 확보되지 않아도 된다. 따라서, 대전류 대비를 위한 사이즈 증가나 재료비 상승이 없이도 반도체 타입 스위칭 소자로도 효과적으로 충전용 커패시터(C)와 중성단(N) 간의 연결 제어가 가능해진다. 예컨대, 대전류의 도통이 가능한 릴레이 대비 상대적으로 사이즈가 작고 저렴한 FET가 제4 스위칭 소자(S4)에 적용될 수 있다. 이러한 경우, 재료비 저감뿐만 아니라, 인버터 모듈의 전체적 사이즈도 감소하므로 출력밀도 향상 효과까지 거둘 수 있게 된다. 아울러, 릴레이용 FET를 PCB 설계를 통해 인버터 보드 내에 실장함으로써 별도의 추가 공간 없이도 구현이 가능하고, FET의 Pin이 보드에 솔더되어 차량 구동 시 진동으로 인한 신뢰성 악화의 단점도 보완 할 수 있다. 추가적으로 FET의 위치를 하우징 냉각 범위 내에 설계함으로써 인버터 보드의 냉각을 위한 냉각수 순환시에 FET도 함께 냉각시킬 수 있는 효과가 있다. 다만, FET는 제4 스위칭 소자(S4)의 일 구현예로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 반도체 타입 스위칭 소자가 적용될 수 있음은 당업자에 자명하다.
따라서, 외부 충전기(300)가 차량에 연결되어 충전을 수행할 경우, 컨트롤러(40)가 절환 스위치부(30)와 제4 스위칭 소자(S4)를 온 시키면, 절환 스위치부(30)의 타단에서 모터 권선(C1-C3)의 중성단(N)이 형성되고, 충전용 커패시터(C)는 중성단(N)과 연결될 수 있다. 충전용 커패시터(C)가 중성단(N)과 연결되면, 외부 충전기(300)의 입력 전압 리플을 줄이고 안정적으로 전압을 유지할 수 있게 된다.
다만, 충전용 커패시터(C)는 모터(100)의 구동시에 인버터(10, 20)의 정상 작동을 위해 중성단(N)과 전기적으로 분리될 필요가 있다. 따라서, 모터(100)의 구동시에는 컨트롤러(40)가 제4 스위칭 소자(S4)를 오프시키면 충전용 커패시터(C)의 (-)단과 그라운드가 분리되므로, 충전용 커패시터(C)가 모터(100)의 중성단(N)과 전기적으로 분리될 수 있다.
한편, 컨트롤러(40)는 모터 구동 모드에서 제1 충전전력 인가 스위치(R1) 및 제2 충전전력 인가 스위치(R2)을 항시 개방 상태가 되게 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(40)는 배터리 충전 모드에서 제1 충전전력 인가 스위치(R1) 및 제2 충전전력 인가 스위치(R2)을 항시 단락 상태가 되게 제어할 수 있다.
제1 충전전력 인가 스위치(R1) 및 제2 충전전력 인가 스위치(R2)는 당 기술 분야에 알려진 여러 스위칭 수단이 적용될 수 있으나, 제1 충전전력 인가 스위치(R1) 및 제2 충전전력 인가 스위치(R2)는 모드 절환 또는 승압/강압 결정 시 개방/단락 상태가 결정되고 결정된 상태를 모드가 지속되는 동안 유지하는 용도로 사용되므로 고속 스위칭이 요구되지 않는다. 따라서, 제1 충전전력 인가 스위치(R1)와 제2 충전전력 인가 스위치(R2)는 릴레이로 구현되는 것이 바람직하다.
여기서, 제1 충전전력 인가 스위치(R1) 및 제2 충전전력 인가 스위치(R2)은, 회로 내의 전기적 연결 관계를 형성하기 위한 정션 박스(400)의 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 정션 박스(400)는 배터리(200)의 고전압 단자 및 저전압 단자와 인버터의 직류단의 두 단자 사이에 전기적 연결을 형성하기 위한 결선, 제1 충전전력 인가 스위치(R1) 및 제2 충전전력 인가 스위치(R2)와 외부 충전기 사이의 결선 및 제1 충전전력 인가 스위치(R1) 및 제2 충전전력 인가 스위치(R2)와 절환 스위치부(30) 및 인버터(10, 20)의 직류단 사이의 결선 등을 포함하는 하드웨어의 형태로 구현될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템의 동작 상태를 도시한 도면이다.
먼저, 도 2는 충전 모드에서 외부 충전기(300)에서 공급되는 충전 전압이 차량 내 배터리(200)의 전압(예컨대, 800V) 보다 낮은 경우(예컨대, 400V)의 예를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 것과 같이, 컨트롤러(40)는 충전 모드에서 충전전력 인가 스위치(R1, R2)를 모두 단락 상태로 제어하고, 절환 스위치부(30)의 스위치(S31, S32, S33)가 단락 상태를 유지하도록 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(40)는 제2 인버터(20)의 스위칭 소자(S21-S26)를 모두 개방 상태를 유지하도록 제어할 수 있다.
그에 따라, 모터(100)의 권선(L1-L3)와, 권선(L1-L3)의 일단에 연결된 제1 인버터(10)의 어퍼 스위칭 소자(S11, S13, S15)의 다이오드 및 제1 인버터(10)의 로워 스위칭 소자(S12, S14, S16)는 외부 충전기(300)에서 배터리(200)로 향하는 방향으로 전압을 승압시킬 수 있는 부스트 컨버터의 토폴로지를 형성할 수 있다. 이러한 부스트 컨버터의 토폴로지를 이용하여 외부 충전기(300)에서 제공되는 충전 전압을 승압시켜 배터리(200)로 제공하여 배터리(200)의 충전이 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
이 경우 제2 인버터(20)의 직류단의 전압은 외부 충전기(300)에서 제공되는 전압보다 크기 때문에 제2 인버터(20)의 어퍼 스위칭 소자(S21, S23, S25)의 역방향 다이오드에 의해 제2 인버터(20)로 흐르는 전류는 차단될 수 있다.
여기에서, 어퍼 스위칭 소자(S11, S13, S15)는 인버터 내 레그에 포함된 두 스위칭 소자 중 직류단의 고전위 단자에 연결된 스위칭 소자를 의미하며, 로워 스위칭 소자는 직류단의 저전위 단자에 연결된 스위칭 소자를 의미한다.
또한, 도 2에서는 절환용 스위치부(30)의 스위치(S31-S33)가 모두 단락 상태를 유지시킨 후 승압하는 예를 도시하지만, 컨트롤러(40)는, 절환용 스위치부(30)의 스위치(S31-S33)의 일부만 선택적으로 단락 상태가 되게 한 후 단락 상태를 유지하는 스위치에 연결된 로워 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 승압이 이루어지게 할 수도 있다.
승압 시, 모터의 각 상에 대응되는 절환용 스위치부(30)의 스위치(S31-S33)가 모두 단락 상태를 유지하도록 하고 제1 인버터(10)의 로워 스위치(S12, S14, S16)를 모두 스위칭하여 승압하는 경우, 컨트롤러(40) 각 상에 대응되는 승압 컨버터를 인터리브드 방식으로 제어할 수도 있다.
코일(인덕터)과 다이오드 및 스위치로 구성되어 스위치의 펄스폭 변조 제어를 통해 전압의 크기를 상승시키는 승압 컨버터 및 복수의 승압 컨버터를 이용한 인터리브드 제어 기법은 당 기술분야에 기 공지된 것이므로 이에 대한 추가의 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 도 3은 충전 모드에서 외부 충전기(300)에서 공급되는 충전 전압이 차량 내 배터리(200)의 전압(예컨대, 800V)에 상응하는 경우(예컨대, 800V)의 예를 도시한 것이다. 이러한 경우, 충전 전압의 승압이나 강압이 필요하지 않으며 충전 전류가 바로 배터리(200)에 공급되는 것으로 배터리(200)의 충전이 가능하다.
도 3에 도시된 것과 같이, 컨트롤러(40)는 충전 모드에서 충전전력 인가 스위치(R1, R2)를 모두 단락 상태로 제어하고, 절환 스위치부(30)의 스위치(S31, S32, S33)가 단락 상태를 유지하도록 제어할 수 있다. 또한, 컨트롤러(40)는 제1 인버터(10)의 스위칭 소자(S11-S16)를 모두 개방 상태를 유지하도록 제어할 수 있다.
그에 따라, 충전 전류는 제2 인버터(20)의 어퍼 스위치(S21, S23, S25)를 통해 배터리(200)로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 다른 양상에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템의 회로도이다.
도 4에 도시된 모터 구동 시스템은 도 1에 도시된 모터 구동 시스템 대비, 절환 스위치부(30)의 타단과 배터리의 음단자 사이에서 상호 직렬 연결된 충전용 커패시터(C')와 제4 스위칭 소자(S4')의 연결 순서가 변경되었다. 이러한 변경을 통해서도 동일하게 배터리 충전과 모터 구동 여부에 따라 충전용 커패시터(C')와 중성단(N) 간의 전기적 연결 여부가 제4 스위칭 소자(S4')의 제어에 의해 결정될 수 있으므로, 인버터 하우징(미도시)의 설계에 따라 적절한 소자 배치가 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 시스템의 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 컨트롤러(40)는 차량의 현재 상태가 모터 구동 모드인지 급속 충전 모드인지 여부를 판단할 수 있다(S510).
차량이 현재 모터 구동 모드인 경우, 컨트롤러(40)는 제4 스위칭 소자(S4)를 오프하여 모터 권선(C1-C3)의 중성단(N)을 충전용 커패시터(C)와 전기적으로 분리시킨다(S520A).
또한, 컨트롤러(40)는 모터(100)의 요구 출력에 따라 CEW 구동 모드 또는 OEW 구동 모드를 결정하여, 결정된 구동 모드에 따라 모터 구동을 위한 전압 및 전류 지령을 생성할 수 있다(S530).
전압 및 전류 지령을 기반으로 컨트롤러(40)는 제1 내지 제3 스위칭 소자를 제어하여 모터를 구동할 수 있다(S540).
이와 달리, 차량이 현재 배터리 충전 모드인 경우, 컨트롤러(40)는 제4 스위칭 소자(S4)를 온시켜 모터 권선(C1-C3)의 중성단(N)을 충전용 커패시터(C)와 전기적으로 연결시킨다(S520B).
컨트롤러(40)는 충전기 연결 인식을 통해 충전 전압을 판단하고(S550), 판단된 충전 전압에 따라 도 2 또는 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 제1 스위칭 소자 내지 제3 스위칭 소자를 제어하여 승압을 거쳐 충전 전류가 배터리로 전달되도록 하거나 충전 전류가 바로 배터리로 전달되도록 할 수 있다(S560).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템은, 모터의 오픈 엔드 와인딩 구동을 위해 구비되는 모터 구동 시스템을 활용하여 외부 충전기에서 제공되는 충전 전압의 크기에 따라 적절히 충전 전압의 크기를 변환하여 배터리의 충전이 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템은, 차량 배터리의 고전압화에 따라 추가적으로 고전압의 충전 설비를 위한 추가의 인프라를 구축할 필요가 없게 하여 인프라 구축에 따른 사회적 비용 발생을 방지할 수 있다.
이와 더불어, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템은, 고효율의 오픈 엔드 와인딩 방식의 모터 구동과 함께 다양한 외부 충전 전압에 대응한 배터리 충전을 가능하게 할 수 있다.
아울러, 제4 스위칭 소자에 충전전류가 직접 도통하지 않기 때문에 제4 스위칭 소자를 반도체 타입 스위칭 소자로 구현이 가능하여 인버터 모듈의 소형화가 가능하며, 제4 스위칭 소자의 냉각도 용이하게 된다.
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 11-13: 레그
20: 제2 인버터 21-23: 레그
30: 절환 스위치부 40: 컨트롤러
100: 모터 200: 배터리
300: 외부 충전기 400: 정션 박스
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33: 제3 스위칭 소자 S4: 제4 스위칭 소자
L1-L3: 모터 권선 R1, R2: 스위칭 수단(릴레이)

Claims (10)

  1. 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 시스템을 이용하여 배터리를 충전하는 배터리 충전 시스템에 있어서,
    복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며, 상기 배터리에 연결된 직류단과 상기 복수의 권선의 일단에 연결된 교류단을 갖는 제1 인버터;
    복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며, 상기 배터리에 연결된 직류단과 상기 복수의 권선의 타단에 연결된 교류단을 갖는 제2 인버터;
    상기 복수의 권선의 타단에 각각 연결된 일단과, 상호 연결된 타단을 갖는 복수의 제3 스위칭 소자;
    상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단 및 상기 배터리의 음단자 사이에 배치되어 상기 배터리를 충전하는 충전 모드에서 직류 충전 전압이 인가되는 충전용 커패시터;
    상기 충전용 커패시터와 직렬로 연결된 제4 스위칭 소자; 및
    상기 충전 모드에서 상기 제4 스위칭 소자를 온 시키며, 상기 직류 충전 전압의 크기 및 상기 배터리의 전압의 크기에 기반하여, 상기 복수의 제1 스위칭 소자, 상기 복수의 제2 스위칭 소자 및 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 개방/단락 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단에 일단이 연결되며 상기 직류 충전 전압의 고전위가 타단에 인가되는 제1 충전전력 인가 스위치 및 상기 배터리의 음단자에 일단이 연결되며 상기 직류 충전 전압의 저전위가 타단에 인가되는 제2 충전전력 인가 스위치를 더 포함하며,
    상기 컨트롤러는, 상기 충전 모드에서 상기 제1 충전전력 인가 스위치 및 제2 충전전력 인가 스위치를 단락 상태가 되게 제어하는, 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 모터를 구동하는 구동 모드에서 상기 제4 스위칭 소자를 오프시키는, 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 충전용 커패시터는,
    상기 제4 스위칭 소자가 오프됨에 따라 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단에 형성된 상기 모터의 중성단과 전기적으로 분리되는, 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 스위칭 소자는 FET를 포함하는, 차량용 배터리 충전 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 스위칭 소자는 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터가 실장되는 인버터 보드 상에 실장되는, 차량용 배터리 충전 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 충전용 커패시터는, 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단과 상기 제4 스위칭 소자 사이에 배치된, 차량용 배터리 충전 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 스위칭 소자는, 상기 복수의 제3 스위칭 소자의 타단과 상기 충전용 커패시터 사이에 배치된, 차량용 배터리 충전 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 직류 충전 전압이 상기 배터리의 전압 보다 낮은 경우,
    상기 컨트롤러는, 상기 충전 모드에서, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 모두 단락 상태로 제어하고, 상기 제1 인버터의 로워 스위칭 소자- 상기 제1 인버터의 로워 스위칭 소자는 상기 제1 인버터에 포함된 스위칭 소자 중 상기 직류단의 저전위 단에 연결된 스위칭 소자-를 펄스폭 변조 제어하여 상기 직류 충전 전압을 승압하는 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 직류 충전 전압이 상기 배터리의 전압에 상응하는 경우,
    상기 컨트롤러는, 상기 충전 모드에서, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 모두 단락 상태로 제어하고, 상기 제2 인버터의 어퍼 스위칭 소자- 상기 제2 인버터의 어퍼 스위칭 소자는 상기 제2 인버터에 포함된 스위칭 소자 중 상기 직류단의 고전위 단에 연결된 스위칭 소자-를 통해 충전 전류가 상기 배터리로 전달되도록 제어하는, 모터 구동 시스템을 이용한 차량용 배터리 충전 시스템.
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