KR20230131023A - 모터 구동 장치 - Google Patents

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KR20230131023A
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정강호
김명호
신상철
임영설
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현대자동차주식회사
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Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선부를 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 개시된다. 상기 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선부를 갖는 모터; 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선부 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선부 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 일단이 상기 복수의 권선부 각각의 제2 단에 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자; 및 컨트롤러를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 복수의 권선부 각각은, 복수의 코일; 및 상기 복수의 코일간의 상호 연결 상태를 변경하는 복수의 제4 스위칭 소자를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 모터의 요구 출력, 요구 토크 및 속도 중 적어도 하나를 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어할 수 있다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 요구 출력에 따라 모터 구동 모드를 Y-결선 모터 구동 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동 모드로 전환이 가능하되, 모터 권선의 인덕턴스도 가변하여 효율적인 모터 구동이 가능한 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.
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 향상시키며, 모터의 인덕턴스도 가변시킬 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 발명은, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선부를 갖는 모터; 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선부 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선부 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터; 일단이 상기 복수의 권선부 각각의 제2 단에 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자; 및 컨트롤러를 포함하되, 상기 복수의 권선부 각각은, 복수의 코일; 및 상기 복수의 코일간의 상호 연결 상태를 변경하는 복수의 제4 스위칭 소자를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 모터의 요구 출력, 요구 토크 및 속도 중 적어도 하나를 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 코일이 상호 병렬 연결되거나 상호 직렬 연결되도록 상기 복수의 제4 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 권선부 각각은 상기 제1 단과 상기 제2 단 사이에서 상호 병렬 연결된 제1 코일과 제2 코일을 포함하고, 상기 복수의 제4 스위칭 소자는, 상기 제1 코일과 상기 제2 단 사이에서 상기 제1 코일과 직렬로 연결된 제4-1 스위칭 소자; 상기 제1 단과 상기 제2 코일 사이에서 상기 제2 코일과 직렬로 연결된 제4-2 스위칭 소자; 및 일단이 상기 제1 코일과 상기 제4-1 스위칭 소자 사이에 연결되고, 타단이 상기 제4-2 스위칭 소자와 상기 제2 코일 사이에 연결된 제4-3 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 코일을 상호 병렬 연결되도록 할 경우, 상기 제4-1 스위칭 소자 및 상기 제4-2 스위칭 소자를 온 상태로, 상기 제4-3 스위칭 소자를 오프 상태로 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 복수의 코일이 상호 직렬 연결되도록 할 경우, 상기 제4-1 스위칭 소자 및 상기 제4-2 스위칭 소자를 오프 상태로, 상기 제4-3 스위칭 소자를 온 상태로 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준보다 높고, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준 이하인 경우, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 오프 시키고 상기 복수의 코일이 상호 직렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며, 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준 이하이고, 상기 요구 출력이 기 설정된 출력 기준보다 높으며, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준 이하인 경우, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 오프 시키고 상기 복수의 코일이 상호 병렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며, 상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준보다 높으며, 상기 요구 출력이 기 설정된 출력 기준보다 높으며, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준보다 높으면, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 온 시키고 상기 복수의 코일이 상호 직렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며, 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준 이하이고, 상기 요구 출력이 기 설정된 출력 기준보다 높으며, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준보다 높으면, 상기 복수의 제3 스위칭 소자를 온 시키고 상기 복수의 코일이 상호 병렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며, 상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 제4 스위칭 소자 각각은, 자신의 양단간 양방향 통전을 선택적으로 허용하거나 차단시킬 수 있다.
상기 모터 구동 장치에 따르면, 모터의 속도, 요구 출력 및 요구 토크에 기반하여 모터의 권선의 연결 상태 변경을 통해 인덕턴스를 가변하고, Y-결선 모터 구동 모드 및 오픈 엔드 와인딩 모터 구동 모드 간의 전환을 수행함으로써 동력 성능 향상은 물론 보다 효율적인 주행이 가능하다.
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 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 권선의 직렬 연결 상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 권선의 병렬 연결 상태를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 모터 권선부의 연결 상태에 따른 구동 모드 별 회전속도(RPM)-토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 회전속도(RPM)-토크 곡선을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도에 따른 토크 및 파워 특성을 나타낸다.
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 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선부(C1-C3)를 갖는 모터(40)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 모터(40)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하며 모터(40)의 권선 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터(20)와, 모터(40)의 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고 그 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33) 및 모터(40)의 요구 출력을 기반으로 제1 스위칭 소자(S11-S16), 제2 스위칭 소자(S21-S26) 및 제3 스위칭 소자(S31-S33)의 온/오프 상태와, 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 내부 연결 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(40)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(40)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 커패시터에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 모터(40)의 복수의 상에 각각 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 제1 레그(11)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(40) 내 한 상의 권선부(C1)의 일단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(12)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(40) 내 한 상의 권선부(C2)의 일단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(13)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(40) 내 한 상의 권선부(C3)의 일단에 연결될 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 커패시터에 형성된 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(21-23)를 포함할 수 있다. 각 레그(21-23)는 모터(40)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 제1 레그(21)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(40) 내 한 상의 권선부(C3)의 타단에 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레그(22)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(40) 내 한 상의 권선부(C2)의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 제3 레그(23)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(40) 내 한 상의 권선부(C1)의 일단에 연결될 수 있다.
제1 인버터(10)는 모터(40)의 권선부(C1-C3)의 일단에 연결되고 제2 인버터(20)는 모터(40)의 권선부(C1-C3)의 타단에 연결된다. 즉, 모터(40)의 권선부(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(30)는 모터(40)에 포함된 복수의 권선부(C1-C3) 각각의 타단에 일단이 각각 연결되고 그 타단은 상호간에 연결될 수 있다.
이러한 연결구조에서, 제3 스위칭 소자(30)가 온되는 경우 모터(40)의 권선부(C1-C3)의 타단은 상호 전기적인 접속을 형성하게 되어 모터(40)는 중성점을 갖는 Y-결선된 권선 구조를 갖게 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(30)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(40)를 구동할 수 있다.
제3 스위칭 소자(30)가 오프되는 경우에 모터(40)의 권선부(C1-C3)의 양단은 각각 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 연결된 상태가 된다. 따라서, 복수의 제3 스위칭 소자(30)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(40)를 구동할 수 있다.
당 기술 분야에서, 제3 스위칭 소자(30)를 온 시켜 모터(40)의 권선부(C1-C3)의 타단을 결선시키고 제1 인버터(10)만 활성화 하여 모터(40)를 구동하는 모드를 클로즈드 엔드 와인딩(Closed End Winding: CEW) 모드 또는 Y-결선 모드라 하고, 제3 스위칭 소자(30)를 오프시키고 모터(40)의 권선부(C1-C3)의 양단에 각각 연결된 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)를 모두 활성화 하여 모터(40)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(40)에 요구되는 요구 출력, 요구 토크 및 모터 속도(RPM) 중 적어도 하나를 기반으로 모터(40)가 구동될 수 있도록 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 포함된 스위칭 소자(S11-S16, S21-S21)를 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭하는 요소이다. 구현에 있어서, 컨트롤러(70)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(10)와 제2 인버터(20) 각각에 대한 제어 신호를 게이트 드라이브 유닛에 전달하고, 게이트 드라이브 유닛은 제어 신호에 대응하여 각 인버터(10, 20)로 구동 신호를 전달할 수 있다. 여기서 제어 신호와 구동 신호는 PWM 신호일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(70)는 모터(40)의 요구 토크, 요구 출력 및 모터 속도를 기반으로 모터의 구동 모드를 결정하고 그에 따라 제3 스위칭 소자(30)의 온/오프 상태와 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 내부 연결 상태를 결정하며 모드에 따라 활성화 되는 컨버터의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 할 수 있다.
모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 내부 연결 상태 및 그의 가변은 도 2 내지 도 4를 참조하여 보다 상세히 후술하기로 하고, 먼저 제3 스위칭 소자(30)의 온/오프에 따른 모터 구동을 설명한다.
기 설정된 조건에 따라, 컨트롤러(70)는 제2 인버터(20)를 작동시키지 않고 제1 인버터(10)의 스위칭 소자(S11-S16)를 펄스폭 변조 제어하여 모터(40)를 구동 시키는 클로즈드 엔드 와인딩 모드를 실행할 수 있다. 이 때, 컨트롤러(70)는 제3 스위칭 소자(S31-S33)을 온 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 타단은 상호 전기적으로 연결되어 Y-결선을 형성할 수 있다.
클로즈드 엔드 와인딩 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(70)가 제1 인버터(10)의 직류 전압과 모터(40)로 제공되는 상전류 및 모터(40)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(40)를 구동하기 위한 다양한 기법은 당 기술 분야에 이미 공지되어 있으므로, 클로즈드 엔드 와인딩 모드에서 이루어지는 인버터의 펄스폭 변조 제어 기법에 대해서는 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 기 설정된 조건에 따라, 컨트롤러(70)는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 모두 작동시켜 오픈 엔드 와인딩 모드로 모터(40)를 구동시킬 수 있다. 이 때, 컨트롤러(70)는 제3 스위칭 소자(S31-S33)을 오프 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 일단은 제1 인버터(10)와 연결되며 그 타단은 제2 인버터(20)와 연결되며, 컨트롤러(70)는 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 함께 펄스폭 변조 제어하여 모터(40)를 구동할 수 있다.
오픈 엔드 와인딩 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(70)가 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 직류 전압과 모터(40)로 제공되는 상전류 및 모터(40)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.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 내부 연결 상태 및 그의 가변을 설명한다. 도 2 내지 도 4에서 구성 요소간 연결 관계를 설명함에 있어 편의상 해당 구성 요소를 기준으로 좌측을 일단, 우측을 타단이라 각각 칭하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 모터(40)는 제1 권선부(C1), 제2 권선부(C2) 및 제3 권선부(C3)를 포함할 수 있다. 각 권선부(C1-C3)의 구조는 상호 유사한 바, 제1 권선부(C1)를 예로 들어 설명한다.
제1 권선부(C1)는, 상호 병렬 연결된 복수의 코일(C1-1, C1-2) 및 코일간 연결 관계를 On/Off 여부에 따라 변경할 수 있는 복수의 제4 스위칭 소자(S41-1, S41-2, S41-3)를 포함할 수 있다.
보다 상세히, 제1 코일(C1-1)과 제2 코일(C1-2)은 제1 권선부(C1)의 일단과 타단 사이에서 상호 병렬 연결될 수 있다. 또한, 제4-1 스위칭 소자(S41-1)는 제1 코일(C1-1)의 타단과 제1 권선부(C1)의 타단 사이에서 제1 코일(C1-1)과 직렬로 연결될 수 있다. 제4-2 스위칭 소자(S41-2)는 제1 권선부(C1)의 일단과 제2 코일(C1-2)의 일단 사이에서 제2 코일(C1-2)과 직렬로 연결될 수 있다. 아울러, 제4-3 스위칭 소자(S41-3)의 일단은 제1 코일(C1-1)과 제4-1 스위칭 소자(S41-1) 사이에 연결되고, 제4-3 스위칭 소자(S41-3)의 타단은 제2 코일(C1-2)과 제4-2 스위칭 소자(S41-2) 사이에 연결될 수 있다.
다시 말해, 제1 권선부(C1)의 일단과 타단 사이에서, 제1 코일(C1-1)과 제4-1 스위칭 소자(S41-1)는 상호 직렬 연결, 제4-2 스위칭 소자(S41-2)와 제2 코일(C1-2)은 상호 직렬 연결, 제1 코일(C1-1)과 제4-1 스위칭 소자(S41-1)의 쌍과 제4-2 스위칭 소자(S41-2)와 제2 코일(C1-2)의 쌍은 상호 병렬 연결될 수 있다.
여기서, 복수의 제4 스위칭 소자(S43-1, S43-2, S43-3) 각각은 온 상태에서는 양단간의 양방향 통전을 허용하는 상태가 되고, 오프 상태에서는 양단간의 통전을 차단하는 상태가 될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제4 스위칭 소자(S43-1, S43-2, S43-3)는 Si, SiC, 사이리스터, 릴레이 등으로 구현될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 양단 간의 통전 여부를 선택적으로 변경할 수 있다면 어떠한 형태의 스위칭 소자도 적용이 가능하다.
상술한 제1 코일부(C1)의 내부 연결 관계는 제2 코일부(C2)의 코일들(C2-1, C2-2)과 제4 스위칭 소자들(S42-1, S42-2, S42-3) 및 제3 코일부(C3)의 코일들(C3-1, C3-2)과 제4 스위칭 소자들(S43-1, S43-2, S43-3) 간의 연결 관계에 적용될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 도 3과 도 4를 참조하여 모터 내부의 각 권선부(C1-C3)의 코일들이 상호 직렬 또는 병렬 연결되는 형태를 설명한다. 각 권선부(C1-C3)의 내부 코일들 간의 연결 상태 변경은 상호 동일한 형태로 수행되기 때문에 간명한 이해를 돕기 위하여 도 3 및 도 4에서는 제1 권선(C1)만 도시하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 권선의 직렬 연결 상태를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 제1 권선부(C1)에서 제4-1 스위칭 소자(S41-1)와 제4-2 스위칭 소자(S41-2)가 오프되고, 제4-3 스위칭 소자(S41-3)가 온되면, 두 코일(C1-1, C1-2)은 상호 직렬 연결 상태가 될 수 있다. 따라서, 이러한 상태에서 제1 권선부(C1)의 인덕턴스는 두 코일(C1-1, C1-2)의 인덕턴스가 동일하다고 가정할 때 한 코일의 인덕턴스의 두 배가 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 권선의 병렬 연결 상태를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 제1 권선부(C1)에서 제4-1 스위칭 소자(S41-1)와 제4-2 스위칭 소자(S41-2)가 온되고, 제4-3 스위칭 소자(S41-3)가 오프되면, 두 코일(C1-1, C1-2)은 상호 병렬 연결 상태가 될 수 있다. 따라서, 이러한 상태에서 제1 권선부(C1)의 인덕턴스는 두 코일(C1-1, C1-2)의 인덕턴스가 동일하다고 가정할 때 한 코일의 인덕턴스의 반이 될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 각 권선부(C1-C3)의 내부 코일간 연결 상태를 변경함으로써 권선부별 인덕턴스의 가변이 가능하다. 그에 따라, 권선부의 인덕턴스가 증대되면, 상대적으로 낮은 전류로도 큰 토크를 발생시킬 수 있으며 모터 효율이 증대되는 효과가 있으며, 권선부의 인덕턴스가 감소하면, 모터의 역기전력이 감소되므로 최대 출력이 향상되는 효과가 있으므로, 주행 상황에 따라 모터에 요구되는 특성에 따라 각 연결 상태에 따른 장점을 이용할 수 있게 된다.
결국, 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 CEW 모드와 OEW 모드 간의 전환도 가능할 뿐만 아니라, 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 인덕턴스까지 내부 코일의 직/병렬 연결 전환을 통해 가변시킬 수 있으므로 CEW-OEW 및 직렬-병렬의 조합을 통해 총 네 가지 운전 모드의 구현이 가능하다.
네 가지 운전 모드의 구현을 위한 모터 구동 장치의 제어 방법은 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 과정의 일례를 나타내는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 제어 방법은, 모터의 구동이 시작되면 컨트롤러(70)가 외부의 상위 제어기 등으로부터 모터(40)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(S510), 이를 기반으로 운전자의 요구 토크나 요구 출력을 판단할 수 있다. 판단된 요구 토크나 출력을 만족시키기 위해, 상위 제어기는 모터(40)에 대한 토크 및 RPM 지령을 계산하여 컨트롤러(70)에 전달할 수 있다(S520). 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(70)는 상위제어기로부터 전달된 지령을 기반으로 모터(40)의 운전 영역, 즉, 운전 모드를 결정할 수 있다(S530).
예를 들어, 컨트롤러(70)는 기 설정된 토크 기준보다 높은 고토크가 요구되며 기 설정된 속도(차속 또는 모터 RPM) 기준 이하인 저속 상황인 경우 CEW 직렬 모드로 운전 모드를 결정할 수 있다.
또한, 컨트롤러(70)는 기 설정된 출력 기준보다 높은 고출력과 토크 기준 이하의 저토크가 요구되며, 저속 상황인 경우 CEW 병렬 모드로 운전 모드를 결정할 수 있다.
또한, 컨트롤러(70)는 고출력과 고토크가 요구되며, 속도 기준보다 높은 고속 상황인 경우 OEW 직렬 모드로 운전 모드를 결정할 수 있다.
아울러, 컨트롤러(70)는 고출력과 저토크가 요구되며, 고속 상황인 경우 OEW 병렬 모드로 운전 모드를 결정할 수 있다.
다만, 상술한 운전 모드의 결정 기준은 예시적인 것으로 다양한 변형이 가능함은 당업자에 자명하며, 각각의 토크 기준, 출력 기준 및 속도 기준도 전력 전자(PE: Power Electric) 계통의 성능, 특성 등을 고려하여 시험이나 시뮬레이션 등을 통해 결정될 수 있음은 본 기술 분야의 당업자에 자명하다 할 것이다.
CEW 직렬 모드로 결정된 경우, 컨트롤러(70)는 제3 스위칭 소자(30)를 온 시키고 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 내부 연결 상태가 직렬이 되도록 제4 스위칭 소자를 제어할 수 있다(S540A). 예컨대, 컨트롤러(70)는 각 권선부(C1-C2)에서 제4-1 스위칭 소자(S41-1, S42-1, S43-1)와 제4-2 스위칭 소자(S41-2, S42-2, S43-2)는 오프하고, 제4-3 스위칭 소자(S41-3, S42-3, S43-3)는 온시킬 수 있다.
그에 따라 컨트롤러(70)는 제1 인버터(10)의 전류 및 전압 지령을 합성하여(S550A) 제1 인버터(10)를 통한 모터 제어를 수행할 수 있다(S560A).
이와 달리, CEW 병렬 모드로 결정된 경우, 컨트롤러(70)는 제3 스위칭 소자(30)를 온 시키고 모터(40)의 각 권선부(C1-C2)의 내부 연결 상태가 병렬이 되도록 제4 스위칭 소자를 제어할 수 있다(S540B). 예컨대, 컨트롤러(70)는 각 권선부(C1-C3)에서 제4-1 스위칭 소자(S41-1, S42-1, S43-1)와 제4-2 스위칭 소자(S41-2, S42-2, S43-2)는 온 시키고, 제4-3 스위칭 소자(S41-3, S42-3, S43-3)는 오프시킬 수 있다.
그에 따라 컨트롤러(70)는 제1 인버터(10)의 전류 및 전압 지령을 합성하여(S550B) 제1 인버터(10)를 통한 모터 제어를 수행할 수 있다(S560B).
또한, OEW 직렬 모드로 결정된 경우, 컨트롤러(70)는 제3 스위칭 소자(30)를 오프 시키고 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)의 내부 연결 상태가 직렬이 되도록 제4 스위칭 소자를 제어할 수 있다(S540C).
그에 따라 컨트롤러(70)는 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 전류 및 전압 지령을 합성하여(S550C), 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 통한 모터 제어를 수행할 수 있다(S560C).
아울러, OEW 병렬 모드로 결정된 경우, 컨트롤러(70)는 제3 스위칭 소자(30)를 오프 시키고 모터(40)의 각 권선부(C1-C2)의 내부 연결 상태가 병렬이 되도록 제4 스위칭 소자를 제어할 수 있다(S540D).
그에 따라 컨트롤러(70)는 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 전류 및 전압 지령을 합성하여(S550D), 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 통한 모터 제어를 수행할 수 있다(S560D).
이하에서는 도 6 내지 도 8을 참조하여 실시예에 따른 모터 구동 장치의 효과를 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 모터 권선부의 연결 상태에 따른 구동 모드 별 회전속도(RPM)-토크 곡선 및 고효율 영역을 도시한 도면이다.
도 6에서는 모터(40)의 각 권선부(C1-C3)가 단일 인덕턴스를 갖는다고 가정하고 모터 권선부(C1-C3)의 연결 상태가 OEW 또는 CEW 인지 여부에 따른 특성을 설명한다.
도 6에서 L1은 CEW 모드에서 모터(40)의 최대 토크 라인이고, L2는 OEW 모드에서 모터(40)의 최대 토크 라인을 나타낸다.
도 6에 도시된 것과 같이, 모터(40)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.
모터(40)가 차량에 적용될 때 권선부(C1-C3)의 인덕턴스가 고정될 경우 상대적으로 저토크가 요구되는 상황에서는 CEW 모드에서 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 것으로 사전 판단된 영역(R1)이 차량의 주요 운전점들(Y1, Y2)을 포함하도록 설계되는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 경우 모터의 인덕턴스 고정으로 인해 OEW 모드에서 모터-인버터 시스템의 효율이 높은 것으로 사전 판단된 영역(R2)은 차량의 주요 운전점들(Y1, Y2)을 포함하기 어렵게 되지만 요구 출력이 높을 경우 이를 만족시키기 위해 OEW 모드가 선택될 수밖에 없다.
그러나, 일 실시예에 따른 권선부(C1-C3) 내부의 코일간 연결 상태 변경을 통해 CEW 모드와 OEW 모드 각각의 상황에서도 권선부(C1-C3)의 인덕턴스 가변이 가능해진다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 모드 별 회전속도(RPM)-토크 곡선을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 네 가지 모드별로 RPM-토크 특성이 상이하게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 네 가지 모드를 적절히 선택함에 따라 주행 상황에 최적화된 성능을 달성할 수 있게 된다.
예컨대, CEW 직렬 모드의 경우, 최대 출력은 작지만 모터 인덕턴스 증대가 가능하여 효율이 향상되며 인버터 전류 감소가 가능하다. 또한, OEW 병렬 모드의 경우, 가장 큰 출력을 만들 수 있으며, 이는 차량 동력성능 증대의 효과를 가져온다. 아울러, CEW 병렬 모드와 OEW 직렬 모드의 경우, 모터의 가변 인덕턴스 구현에 따라 RPM-토크 특성을 구현함으로써 해당 출력점에 최적화된 효율 향상(AER증대)을 가져올 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도에 따른 토크 및 파워 특성을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 모터가 일정 회전수(ωrated) 이하 구간에서는 인버터의 최대 전류를 유지한다면 최대 토크가 출력될 수 있으므로, CEW 직렬 모드를 저속 고토크 구간에서 선택할 경우 모터 인덕턴스 증대를 통해 토크 향상을 가져올 수 있다. 따라서, CEW 직렬 모드의 선택을 통해 차량의 급가속 발진 성능 증대와 견인 능력 향상을 가져올 수 있다.
또한 OEW 병렬 모드에서 인버터의 최대 전류를 유지한다면, 모터 역기전력 감소로 인해 모터 시스템 출력이 가장 크게 향상될 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 장치는, 주행 상황과 요구 성능에 따라 모터의 권선부의 내부 연결 상태 및 권선부 양단의 연결 상태에 따른 복수의 모터 구동 모드를 전환할 수 있으므로 효율과 출력이 향상될 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: 모터
50: 배터리 S11-S16: 제1 스위칭 소자
S21-S26: 제2 스위칭 소자 S31-S33: 제3 스위칭 소자
C1-C3: 권선부

Claims (10)

  1. 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선부를 갖는 모터;
    복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선부 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
    복수의 제2 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 권선부 각각의 제2 단에 연결된 제2 인버터;
    일단이 상기 복수의 권선부 각각의 제2 단에 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자; 및
    컨트롤러를 포함하되,
    상기 복수의 권선부 각각은,
    복수의 코일; 및
    상기 복수의 코일간의 상호 연결 상태를 변경하는 복수의 제4 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 모터의 요구 출력, 요구 토크 및 속도 중 적어도 하나를 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는, 모터 구동 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 복수의 코일이 상호 병렬 연결되거나 상호 직렬 연결되도록 상기 복수의 제4 스위칭 소자를 제어하는, 모터 구동 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 권선부 각각은,
    상기 제1 단과 상기 제2 단 사이에서 상호 병렬 연결된 제1 코일과 제2 코일을 포함하고,
    상기 복수의 제4 스위칭 소자는,
    상기 제1 코일과 상기 제2 단 사이에서 상기 제1 코일과 직렬로 연결된 제4-1 스위칭 소자;
    상기 제1 단과 상기 제2 코일 사이에서 상기 제2 코일과 직렬로 연결된 제4-2 스위칭 소자; 및
    일단이 상기 제1 코일과 상기 제4-1 스위칭 소자 사이에 연결되고, 타단이 상기 제4-2 스위칭 소자와 상기 제2 코일 사이에 연결된 제4-3 스위칭 소자를 포함하는, 모터 구동 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 복수의 코일을 상호 병렬 연결되도록 할 경우,
    상기 제4-1 스위칭 소자 및 상기 제4-2 스위칭 소자를 온 상태로, 상기 제4-3 스위칭 소자를 오프 상태로 각각 제어하는, 모터 구동 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 복수의 코일이 상호 직렬 연결되도록 할 경우,
    상기 제4-1 스위칭 소자 및 상기 제4-2 스위칭 소자를 오프 상태로, 상기 제4-3 스위칭 소자를 온 상태로 각각 제어하는, 모터 구동 장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준보다 높고, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준 이하인 경우,
    상기 복수의 제3 스위칭 소자를 오프 시키고 상기 복수의 코일이 상호 직렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며,
    상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는, 모터 구동 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준 이하이고, 상기 요구 출력이 기 설정된 출력 기준보다 높으며, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준 이하인 경우,
    상기 복수의 제3 스위칭 소자를 오프 시키고 상기 복수의 코일이 상호 병렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며,
    상기 복수의 제1 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는, 모터 구동 장치.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준보다 높으며, 상기 요구 출력이 기 설정된 출력 기준보다 높으며, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준보다 높으면,
    상기 복수의 제3 스위칭 소자를 온 시키고 상기 복수의 코일이 상호 직렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며,
    상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는, 모터 구동 장치.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 상기 요구 토크가 기 설정된 토크 기준 이하이고, 상기 요구 출력이 기 설정된 출력 기준보다 높으며, 상기 속도가 기 설정된 속도 기준보다 높으면,
    상기 복수의 제3 스위칭 소자를 온 시키고 상기 복수의 코일이 상호 병렬 연결되도록 상기 제4 스위칭 소자를 제어하며,
    상기 복수의 제1 스위칭 소자 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어하여 상기 모터를 구동시키는, 모터 구동 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제4 스위칭 소자 각각은,
    자신의 양단간 양방향 통전을 선택적으로 허용하거나 차단시키는, 모터 구동 장치.
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