KR20230131436A - 전기차 충전용 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20230131436A
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정마오 주
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저장 한밍보 뉴 에너지 컴퍼니., 리미티드.
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Abstract

본 발명의 교시는 전기 장치에 배치된 재충전 가능 배터리를 충전하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 시스템은 전기 장치 내에 존재한다. 시스템은 모터, 인버터, 출력 정류기, 구성기 및 제어기를 포함한다. 모터는 복수의 고정자 톱니 및 상기 복수의 고정자 톱니 상에 권취된 복수의 고정자 권선들을 갖는 고정자를 포함한다. 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스를 포함한다. 구성기는 복수의 고정자 권선 및 복수의 전원 스위치 디바이스와 결합된 복수의 접촉기를 포함한다. 제어기는 트랙션 모드 및 충전 모드 중 하나에서 동작하도록 시스템을 구성하기 위해, 복수의 전원 스위치 디바이스 및 복수의 접촉기를 제어한다.

Description

전기차 충전용 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는 2020년 3월 6일 출원된 미국 가출원 제62/986,232호에 대한 우선권을 주장한다.
기술 분야
본 발명의 교시는 일반적으로 전기 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 교시는 전기 장치에 배치된 배터리를 충전하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
전기차(Electric vehicles)는 점점 더 널리 보급되어, 도로 위 차량의 증가하는 시장 점유율을 차지하고 있다. 그러나, 전기차의 유비쿼터스(ubiquitous) 사용은 여전히 몇몇 과제에 직면해 있다. 특히, 전기차는 배터리를 그 유일한 전원으로서 사용하므로 배터리가 재충전되어야 한다. 전기차용 배터리의 충전은 전통적으로 전기차 충전 설비(EVSE, 때때로 전도성 충전 시스템 또는 전기차 충전 스테이션이라고도 지칭됨)로서 알려진 특수 외부 설비를 필요로 한다.
2개의 주요 유형의 EVSE가 있다. 일 유형은 차량에 교류(AC) 전기를 제공하고, 차량의 온보드 충전기(onboard charger)는 AC 전력을 배터리를 충전하는 데 필요한 직류(DC) 전력으로 변환한다. AC 기반 EVSE는 일반적으로 가정용 AC 전력을 입력으로서 사용하여, 전기차와 AC 콘센트 사이의 중개자로서 동작한다. 실제 충전기는 차량 내부에 제공되고 일반적으로 제한된 전원 용량을 갖는다. 이와 같이, 전기차는 일반적으로 단지 10 kW 이하(예를 들어, 6 또는 7 kW)의 용량의 온보드 충전기만 장착된다. 사용자가 더 높은 전력 레벨을 이용하기를 원하면, 사용자는 다른 유형의 EVSE, 즉 직류 출력 EVSE 또는 DC 기반 EVSE를 통해 차량을 충전할 필요가 있을 것이다.
DC 기반 EVSE는 또한 "고속 충전기"로서 알려져 있다. DC EVSE는 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있고, 따라서 전기차의 온보드 충전기를 바이패스하여 DC 전력을 배터리에 직접 충전할 수 있다. 이러한 충전 작업은 온보드 충전기의 용량 제한에 의해 구속되지 않으므로, 배터리가 상당히 더 빠른 속도로 충전될 수 있다. DC EVSE는 AC EVSE와 비교할 때 기술적으로 훨씬 더 복잡하고 비싸고 고전원 전기 공급 지점을 필요로 하는 사실로 인해, AC EVSE보다 훨씬 적은 수의 애플리케이션이 발견된다. 제한된 이용 가능한 차량용 충전 스테이션과 조합하여 충전 속도와 관련된 이러한 문제는 지금까지 전기차의 더 광범위한 채택을 가로막은 장벽이 되어 왔다.
따라서, 이러한 결함을 해결하는 전기차의 배터리를 충전하기 위한 더 효과적인 수단 및 방법을 개발할 필요가 있다.
본 명세서에 개시된 교시는 전기 장치에 배치된 배터리를 충전하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 교시는 트랙션 및 충전 동작 모드 중 하나 하에서 재구성가능하게 동작하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
예에서, 재충전 가능 배터리를 갖는 전기 장치에 존재하는 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템이 개시된다. 시스템은 모터, 인버터, 출력 정류기, 구성기 및 제어기를 포함한다. 모터는 복수의 고정자 톱니 및 복수의 고정자 톱니 상에 권취된 복수의 고정자 권선을 갖는 고정자를 포함한다. 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스를 포함한다. 구성기는 복수의 고정자 권선 및 복수의 전원 스위치 디바이스와 결합된 복수의 접촉기를 포함한다. 제어기는 트랙션 모드 및 충전 모드 중 하나에서 동작하도록 시스템을 구성하기 위해, 복수의 전원 스위치 디바이스 및 복수의 접촉기를 제어한다.
다른 예에서, 재충전 가능 배터리를 갖는 전기 장치에 존재하는 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하는 방법이 개시된다. 시스템은 제어기의 제어 하에서, 구성기를 통해, 트랙션 모드에서 동작하도록 구성된다. 재충전 가능 배터리의 충전 요청의 수신시에, 시스템은 구성기를 통해 충전 모드에서 동작하도록 구성된다. 재충전 가능 배터리와 연관된 기준이 충족되는 것으로 결정될 때, 시스템은 구성기를 통해 트랙션 모드에서 동작하도록 구성된다. 구성기 및 제어기 이외에, 시스템은 모터, 인버터 및 출력 정류기를 포함한다. 모터는 복수의 고정자 톱니 및 상기 복수의 고정자 톱니 상에 권취된 복수의 고정자 권선들을 갖는 고정자를 포함한다. 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스를 포함한다. 구성기는 복수의 고정자 권선 및 복수의 전원 스위치 디바이스와 결합된 복수의 접촉기를 포함한다.
부가의 신규 특징은 이어지는 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 부분적으로는 이하 및 첨부 도면의 검토시에 통상의 기술자들에게 명백해질 것이고 또는 예의 제조 또는 동작에 의해 학습될 수도 있다. 본 발명의 교시의 신규 특징은 이하에 설명되는 상세한 예에 설명된 방법론, 수단 및 조합의 다양한 양태의 실시 또는 사용에 의해 실현되고 달성될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 예시적인 실시예의 견지에서 추가로 설명된다. 이들 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 실시예는 비한정적인 예시적인 실시예로서, 유사한 참조 번호가 도면의 여러 도면에 걸쳐 유사한 구조를 나타내고, 여기서:
도 1은 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 개념적 충전 전력 경로와 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 2a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 2b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 모터 고정자의 톱니에 권취된 권선의 예시적인 구조를 도시하고 있다.
도 4a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 4b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 충전 전력 경로와 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 4c는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 트랙션 전력 경로와 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 4d는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 4e는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 충전 전력 경로와 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 4f는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 트랙션 전력 경로와 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 5a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 5b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 6a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 6b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 6c는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 7a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 7b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 8a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 8b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 8c는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 9a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 9b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 10a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 10b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 10c는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 11a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 11b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 12a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 12b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 12c는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 동작과 관련된 예시적인 흐름도를 도시하고 있다.
도 14는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 커패시터(C1)의 사전 충전(pre-charging)과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 15a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 하드웨어 구성요소와 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 15b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 하드웨어 구성요소와 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 16은 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 충전/트랙션 제어기와 전원 스위치 디바이스 사이의 연결과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 17은 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 충전 모드 하에서 수행되는 예시적인 제어 방안을 도시하고 있다.
도 18a 내지 도 18g는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 하나 초과의 모터 및/또는 하나 초과의 배터리의 다양한 연결과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 19는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 2개 이상의 충전기-인버터와 배터리의 연결과 관련된 예시적인 개략도를 도시하고 있다.
도 20a는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
도 20b는 본 발명의 교시의 예시적인 실시예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 예시적인 단순화된 회로도를 도시하고 있다.
이하의 상세한 설명에서, 수많은 특정 상세가 관련 교시의 철저한 이해를 제공하기 위해 예로서 설명된다. 그러나, 본 발명의 교시는 이러한 상세 없이 실시될 수도 있다는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 다른 경우에, 공지의 방법, 절차, 구성요소, 회로, 위상 구조 및/또는 제어 전략은 본 발명의 교시의 양태를 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해, 많은 상세 없이, 비교적 개괄적으로 설명되어 있다.
본 발명의 교시는 재충전 가능 배터리의 충전에 있어서 현재의 기술 상태를 개선하는 것을 목표로 한다. 특히, 본 발명의 교시는 전기 장치(예를 들어, 전기차, 특수 목적 전기차 등을 포함함)에서 용례를 발견할 수 있는 조합형, 재구성 가능, 온보드 트랙션 및 충전 해결책을 개시한다.
본 발명의 교시에서 공개된 온보드 트랙션 충전 시스템은 재구성 가능 모터 위상 권선과 인버터의 조합을 포함한다. 트랙션 모드에서 동작할 때, 시스템은 부하에 기계적 동력을 전달하는 것이 가능한 트랙션 메커니즘으로서 작동하고, 충전 모드 하에서, 이는 차량에 포함된 배터리 또는 배터리들을 고전력으로 충전하는 것이 가능한 온보드 충전기로서 작동한다. 한편으로, 고전력 스위칭 전원으로 급속 충전을 수행하는 것이 가능하고; 다른 한편으로, 온보드 트랙션 충전 시스템에 AC 전력을 공급하는 EVSE(또는 충전 스테이션)를 구축하는 비용이 상당히 감소될 수 있다.
본 발명의 교시에 따른 온보드 트랙션 충전 시스템은 전기차의 기존의 2개의 구성요소: 고정자 권선을 갖는 전기 모터, 및 스위치 전원 디바이스를 갖는 다상 인버터를 최대한 활용한다. 본 명세서에서 구성기라고 지칭되는 스위칭 메커니즘은 모터 권선과 본 발명에 포함된 전원 스위치 디바이스의 연결을 변경하여 2개의 동작 모드 사이를 스위칭할 수 있게 한다. 온보드 트랙션 충전 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때, 전원 스위치 디바이스는, 차량을 구동하기 위한 토크(양 또는 음)를 제공하도록 모터를 구동하기 위해 배터리로부터 출력된 DC 전력을 대응 AC 전압으로 변환하는 인버터를 구성한다. 이 토크는 배터리로부터 에너지를 전달하거나 동적 제동 모드에서 에너지를 회수할 수 있다. 온보드 트랙션 충전 시스템이 충전 모드 하에서 작동할 때, 구성기는 인버터와 모터 권선의 연결을 재구성하여 하나 이상의 프론트 엔드(정류 기능, 부스트 기능 및/또는 역률 보정(power factor correction: PFC) 기능이 있거나 없음) 및 하나 이상의 완전히 절연된 DC/DC 컨버터 리어 엔드를 형성하여, 완전히 절연된 온보드 충전기를 달성한다.
도 1은 본 발명의 교시의 예에 따른 개념적 충전 전력 경로를 단순화된 형태로 도시하고 있다. 이해를 용이하게 하기 위해, 충전 및 트랙션 모드와 연관된 공유 구성요소에 관한 상세는 도 1의 단순화된 회로도에 도시되어 있지 않다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 충전 전력 경로는 단상 AC 전력 입력 또는 다상 AC 전력 입력에 전기적으로 결합된 입력 브리지 정류기 또는 수동 정류기 프론트 엔드(D1)를 포함한다. 부스트 컨버터는 입력 브리지 정류기 또는 수동 정류기 프론트 엔드(D1)로부터 출력되는 DC 전압을 조절된 DC 링크 전압으로 부스트하는 역할을 한다. 부스트 컨버터는 부스트 인덕터(L1), 전원 스위치 디바이스(Q1) 및 전원 스위치 디바이스(Q2)를 포함한다. 부스트 컨버터로부터 출력되는 조절된 DC 링크 전압(DC_LINK)은 2개의 하프 브리지(Q3 및 Q4; Q5 및 Q6)를 포함하는 브리지 컨버터에 인가된다. 브리지 컨버터의 출력은 변압기(T1)를 구동하고 이어서 출력 브리지 정류기(D2)를 구동하여 배터리를 충전하기 위한 절연 DC 전력을 생성한다. 인덕터(L2)와 커패시터(C2)는 출력 브리지 정류기(D2)로부터 출력되는 DC 전력을 필터링하고 평활화하는 데 사용된다.
전술된 바와 같이, 도 1에 도시되어 있지 않지만, 충전 전력 경로는 트랙션 전력 경로와 복수의 구성요소를 공유할 수 있다. 구성요소를 공유하는 개념은 첨부 도면을 참조하여 이하에 상세히 설명될 것이다. 충전 모드와 트랙션 모드 사이의 구성요소 공유의 정도는 설계의 상세에 따라 다양할 수도 있다. 첨부 도면은 본 발명의 교시에 공개된 발명적인 사상 및 개념을 구현하기 위한 다양한 방식을 예시하고 있다.
제1 실시예
도 2a는 제1 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 개략도를 도시하고 있다. 도 2a에서 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 병렬로 연결된다. 도 2b는 제1 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 다른 개략도를 도시하고 있다. 도 2b에서, 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 직렬로 연결된다.
코일의 연결의 차이(트랙션 모드 하에서 병렬 또는 직렬)를 제외하고는, 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 온보드 충전 트랙션 시스템은 모두 다상 모터, 재충전 가능 배터리, 인버터, 입력 정류기, 출력 정류기, 구성기 및 접촉기의 세트를 포함한다. 다상 모터는 고정자 권선의 3개 이상의 위상을 포함할 수도 있다. 특정 용례에서, 대안적으로, 모터는 2개의 세트의 하프 브리지에 의해 구동되는 2상 모터일 수도 있다. 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6)를 포함하고, 다상 모터를 구동하는 역할을 한다. 전원 스위치 디바이스는 상이한 전류 용량을 가질 수도 있다. 예를 들어, 출력 전력 레벨 및/또는 입력 전압 조건에 따라, 충전 모드에서 부스트 컨버터를 형성하는 데 사용되는 전원 스위치 디바이스(SW3, SW4)는 SW1, SW2, SW5 및 SW6의 것보다 높은 전류 용량을 가질 수도 있다. 입력 전력이 단상 또는 다상 전원으로부터 공급되는지에 따라, 입력 정류기는 단상 또는 다상 브리지 정류기일 수도 있다. DC 전력원이 충전 전력을 공급하는 데 사용될 때, 입력 정류기는 생략될 수도 있다. 구성기는 복수의 접촉기(K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10)를 포함한다. 적절한 제어 하에, 구성기는 상이한 동작 모드 사이에서 시스템을 스위칭하기 위해, 다양한 구성요소의 연결, 특히 권선 및/또는 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6) 사이의 연결을 재구성하는 역할을 한다. 접촉기(K1, K2)의 세트는 재충전 가능 배터리의 양의 및 음의 단자를 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 더 구체적으로, 접촉기(K1, K2)는 충전 모드 하에서 개방되고, 트랙션 모드 하에서 폐쇄된다. 접촉기(K3, K4)의 세트는 입력 AC 전력으로부터 정류된 DC 전력을 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K3, K4)는 충전 모드 하에서 폐쇄되고, 트랙션 모드 하에서 개방된다.
게다가, 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 시스템은 노이즈 및 전압 또는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 데 사용될 수도 있는 입력 필터 및/또는 출력 필터를 더 포함할 수도 있다. 이들 입력 및 출력 필터는 인덕터 및/또는 커패시터를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 커패시터(C1)가 인버터의 입력측에 연결될 수도 있다. 커패시터(C1)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 출력 필터의 예로서, 인덕터(L1)와 커패시터(C2)가 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 출력 커패시터(C2)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 출력 커패시터(C2)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 대안적으로, 배터리가 출력 브리지 정류기의 출력측에서 리플 전류를 견디는 것이 가능하면, 커패시터(C2)는 생략될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에는 도시되어 있지 않지만, 이들에 한정되는 것은 아니지만 사전 충전 회로, 방전 회로, 돌입 전류(inrush current) 보호 회로 등을 포함하는 다른 회로 보호 구성요소가 시스템에 포함될 수도 있다.
전술된 바와 같이, 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 양 온보드 충전 트랙션 시스템은 2개의 작동 모드, 즉, 충전 모드 및 트랙션 모드 중 어느 하나에서 동작하도록 구성될 수도 있다. 구성에 관련된 상세는 도 4a 내지 도 4f를 참조하여 이하에 설명될 것이다.
이제, 본 발명의 교시의 예에 따른 모터 고정자 톱니 상에 권취된 권선의 예시적인 구조를 도시하고 있는 도 3을 참조한다. 예를 들어, 모터는 모터 고정자의 적어도 하나의 톱니 상의 권선이 2개 이상의 코일로 분할되어 있는, 18개의 톱니, 6개의 극쌍(pole pair), 3상 영구 자석 동기 모터(PMSM)일 수도 있다. 도 3에 예시적으로 도시되어 있는 바와 같이, 2개의 세트의 권선은 위상 A 및 위상 C 톱니의 각각 상에 존재하고, 반면, 1개의 세트의 권선은 위상 B 톱니 상에 존재한다. 분할 권선은 상이한 연결로 재구성될 개별 단자를 갖는다. 이와 같이, 도 1에 도시되어 있는 개념 충전 경로 및 도 2a 및 도 2b와 연관하여 도시되어 있는 충전 시스템의 자기 구성요소는 모터의 고정자 톱니 상에 권취된 권선으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 위상 A 톱니 상의 권선은 코일 A와 코일 D로 분할되고, 위상 C 톱니 상의 권선은 코일 C와 코일 E로 분할된다. 코일 A, C, D 및 E는 온보드 충전 트랙션 시스템이 충전 모드 하에서 동작할 때 변압기를 형성한다. 개별 권선, 코일 B는 접촉기(K5)가 개방된 상태에서 충전 모드에서 부스트 인덕터로, 그리고 접촉기(K5)가 폐쇄된 상태에서 트랙션 모드에서 위상 권선으로서 사용될 수 있다. 대안적으로, 부스트 기능은 회로 연결의 수정을 갖고(예를 들어, 이 상황에서 접촉기(K5)가 더 이상 필요하지 않음), 코일 B 대신 개별 인덕터에 의해 구현될 수 있다.
도 4a는 도 2a에 도시되어 있는 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 개략도를 도시하고 있고, 여기서, 접촉기의 개폐 상태가 제어되어, 시스템이 충전 모드 하에서 동작한다. 도 4a에서, 접촉기(K3, K4, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K5, K6, K7 및 K8은 개방된다. 이에 따라, 충전 전력 경로는 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이 구성된다. 본 발명의 교시의 양태를 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해, 도 4b의 단순화된 회로도에는 접촉기가 도시되어 있지 않다.
도 2a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K5, K6, K7, K8)는 폐쇄되고, K3, K4, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 4c에 도시되어 있는 작동 모드에서, 동일한 톱니 상에 위치된 모든 권선은 병렬로 연결된다. 이와 같이, 코일 A와 코일 D는 함께 위상 A를 형성하고, 코일 C와 코일 E는 함께 위상 C를 형성하고, 코일 B는 단독으로 위상 B를 형성한다. 본 발명의 교시의 양태를 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해, 도 4c의 단순화된 회로도에는 접촉기가 도시되어 있지 않다.
도 4d는 도 2b에 도시되어 있는 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 개략도를 도시하고 있고, 여기서, 접촉기의 개폐 상태가 제어되어, 시스템이 충전 모드 하에서 동작한다. 도 4d에서, 접촉기(K3, K4, K7, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K5, K6 및 K8은 개방된다. 이에 따라, 충전 전력 경로는 도 4e에 도시되어 있는 바와 같이 구성된다. 본 발명의 교시의 양태를 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해, 도 4e의 단순화된 회로도에는 접촉기가 도시되어 있지 않다.
유사하게, 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K5, K6, K8)는 폐쇄되고 K3, K4, K7, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 4f에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 동일한 톱니 상에 위치된 모든 권선은 직렬로 연결된다. 이 경우, 코일 A와 코일 D는 함께 위상 A를 형성하고, 코일 C와 코일 E는 함께 위상 C를 형성하고, 코일 B는 단독으로 위상 B를 형성한다. 본 발명의 교시의 양태를 불필요하게 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해, 도 4f의 단순화된 회로도에는 접촉기가 도시되어 있지 않다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 트랙션 모드로 구성될 때, 재충전 가능 배터리는 다상 인버터에 DC 전력을 공급할 수도 있다. 이어서, 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고 다상 모터를 동작하도록 구동할 수도 있다. 여기서 종래의 3상 모터 드라이브가 이용될 수도 있다. 영구 자석 모터가 배치되는 통상적인 전기차 용례에서, 특히 샤프트 속도가 낮을 때, 원하는 성능을 달성하도록 모터를 제어하기 위해 회전자 위치를 측정하기 위한 센서가 제공될 수도 있다. 일반적으로, 온보드 충전 트랙션 시스템의 인버터에 사용되는 전원 스위치 디바이스는 프로세서(DSP, FPGA 등과 같은)의 제어 하에 벡터 제어 방법을 통해 구동되는 IGBT 또는 FET 디바이스일 수도 있다. 벡터 제어를 달성하기 위해, 전류 센서는 또한 프로세서에 의해 조절될 위상 전류를 검출하기 위해 적어도 2개의 위상에 대해 배열될 수도 있다.
시스템이 충전 모드로 구성될 때, 프론트 엔드 스테이지(부스트 및/또는 PFC 기능을 갖거나 갖지 않음)와 DC/DC 리어 엔드를 포함하는 완전히 절연된 2단 충전기가 제공된다. 프론트 엔드 스테이지는 입력 브리지 정류기로 구성될 수도 있다. 또한, 모터 고정자의 코일 B는 부스트 인덕터로서 작용할 수도 있고, 전원 스위치 디바이스(SW4)는 부스트 스위치로서, 전원 스위치 디바이스(SW3)의 바디 다이오드는 플라이백 다이오드로서, 커패시터(C1)는 출력 커패시터로서 작용할 수도 있다. 대안적으로, 전원 스위치 디바이스(SW4)가 항상 오프인 상태에서 시스템이 동작되면, 프론트 엔드는 단순 정류기로서 형성된다. 코일 B의 인덕턴스는 소정 정도로 전류를 평활화하는 것을 도울 수도 있고; 통상적으로, 이는 높은 역률을 달성하기에 충분히 크지 않다.
입력 그리드 AC 전압이 단상 또는 분할상 전원으로부터 공급되면, 부스트 프론트 엔드는 역률 보정(PFC)의 기능도 마찬가지로 수행할 수 있다. 이 상황에서, 입력 전압이 측정되고, 입력 전류는 사인파 입력 전압의 형상을 따르도록 성형된다. 이 접근법에 의해, 높은 역률(예를 들어, 0.99 초과)이 달성될 수 있다. 적어도 하나의 입력 전류 센서가 이 기능을 달성하기 위해 제공될 수도 있다. 게다가, PFC 접근법 하에서, 커패시터(C1)의 중간 전압(DC 링크 전압)이 전류의 제어를 허용하기 위해 피크 입력 전압을 초과해야 할 필요가 있을 수도 있다. 예를 들어, 240 V RMS 라인의 경우, DC 링크 전압은 약 400 V 초과일 필요가 있을 수도 있다.
전술된 바와 같이, 위상 B 코일은 개별 입력 인덕터로서 전기적으로 동작한다. 3상 입력의 경우, 이 단일 입력 인덕터와 스위치 토폴로지는 입력 전류가 사인파 입력 전압의 형상을 따르게 하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 그러나, 코일 B의 전류를 일정하게 제어하는 것은 작은 인덕턴스를 갖는 수동 정류 접근법보다 더 양호한 역률을 얻는 것을 돕는다. 통상적으로, 약 0.955의 개선된 역률이 여전히 달성될 수 있다.
도 4b 및 도 4e에 도시되어 있는 제2 DC/DC 스테이지로부터 볼 수 있는 바와 같이, 전원 스위치(SW1, SW2, SW5, SW6)는 H 브리지 드라이브를 구성한다. H 브리지는 벅 컨버터(buck converter)라는 것을 주목하라. 코일 A와 코일 C는 변압기의 1차 권선으로서 작용하고 코일 D와 코일 E는 변압기의 2차 권선으로서 작용한다. 이어서, 브리지 정류기가 변압기 2차측으로부터 출력되는 AC 전력을 대응 PWM 주파수에서 맥동하는 DC 전력으로 변환하고, 인덕터(L1)는 재충전 가능 배터리로 출력되는 충전 전류로부터 고주파 PWM 성분의 대부분을 제거한다. 출력 정류기는 병렬의 다수의 다이오드 또는 단일 브리지 정류기로 구현될 수 있다.
제2 실시예
이 제2 실시예에서, 충전 전력은 단상 또는 단일 분할상 AC 전력 입력으로부터 공급되고, 충전 전력 경로에 포함된 입력 브리지 정류기 프론트 엔드는 PFC 부스트 컨버터를 갖는다.
도 5a는 제2 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 개략도를 도시하고 있다. 도 5a에서 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 병렬로 연결된다. 도 5b는 제2 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 다른 개략도를 도시하고 있다. 도 5b에서, 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 직렬로 연결된다.
코일의 연결의 차이(트랙션 모드 하에서 병렬 또는 직렬)를 제외하고는, 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 온보드 충전 트랙션 시스템은 모두 다상 모터, 재충전 가능 배터리, 인버터, 입력 정류기, 출력 정류기, 구성기 및 접촉기의 세트를 포함한다. 다상 모터는 고정자 권선의 3개 이상의 위상을 포함할 수도 있다. 특정 용례에서, 대안적으로, 모터는 2개의 세트의 하프 브리지에 의해 구동되는 2상 모터일 수도 있다. 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6)를 포함하고, 다상 모터를 구동하는 역할을 한다. 전원 스위치 디바이스는 상이한 전류 용량을 가질 수도 있다. 입력 정류기는 단상 브리지 정류기일 수도 있다. 구성기는 복수의 접촉기(K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10)를 포함한다. 적절한 제어 하에, 구성기는 상이한 동작 모드 사이에서 시스템을 스위칭하기 위해, 다양한 구성요소의 연결, 특히 권선 코일 A 내지 E 및/또는 전원 스위치 디바이스(SW1 내지 SW6) 사이의 연결을 재구성하는 역할을 한다. 접촉기(K1, K2)의 세트는 재충전 가능 배터리의 양의 및 음의 단자를 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 더 구체적으로, 접촉기(K1, K2)는 충전 모드 하에서 개방되고 트랙션 모드 하에서 폐쇄된다. 접촉기(K3, K4)의 세트는 입력 AC 전력으로부터 정류된 DC 전력을 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K3, K4)는 충전 모드 하에서 폐쇄되고 트랙션 모드 하에서 개방된다.
게다가, 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 시스템은 노이즈 및 전압 또는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 데 사용될 수도 있는 입력 필터 및/또는 출력 필터를 더 포함할 수도 있다. 이들 입력 및 출력 필터는 인덕터 및/또는 커패시터를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 커패시터(C1)가 인버터의 입력측에 연결될 수도 있다. 여기서 커패시터(C1)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 출력 필터링 구성요소의 예로서, 인덕터(L1)와 커패시터(C2)가 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 출력 커패시터(C2)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 대안적으로, 배터리가 출력 브리지 정류기의 출력측에서 리플 전류를 견디는 것이 가능하면, 커패시터(C2)는 생략될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에는 도시되어 있지 않지만, 이들에 한정되는 것은 아니지만 사전 충전 회로, 방전 회로, 돌입 전류(inrush current) 보호 회로 등을 포함하는 다른 회로 보호 구성요소가 시스템에 포함될 수도 있다.
도 3을 다시 참조하면, 모터 고정자 톱니 상에 권취된 권선 중 적어도 하나는 2개의 코일로 분할될 수도 있다. 분할 권선은 상이한 동작 모드, 즉, 충전 모드 및 트랙션 모드에 적응하기 위해 상이한 연결로 재구성될 수 있는 개별 단자를 갖는다. 도 5a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K5, K6, K7, K8)는 폐쇄되고, K3, K4, K9 및 K10은 개방된다. 그 결과, 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 6a에 도시되어 있는 작동 모드에서, 동일한 톱니 상에 위치된 모든 코일은 병렬로 연결된다. 이와 같이, 코일 A와 코일 D는 함께 위상 A를 형성하고, 코일 C와 코일 E는 함께 위상 C를 형성하고, 코일 B는 단독으로 위상 B를 형성한다. 유사하게, 도 5b에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K5, K6, K8)는 폐쇄되고, K3, K4, K7, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 6b에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 6b에 도시되어 있는 작동 모드에서, 동일한 톱니 상에 위치된 모든 코일은 직렬로 연결된다. 이와 같이, 코일 A와 코일 D는 함께 위상 A를 형성하고, 코일 C와 코일 E는 함께 위상 C를 형성하고, 코일 B는 단독으로 위상 B를 형성한다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 트랙션 모드 하에서 동작할 때, 재충전 가능 배터리는 다상 인버터에 DC 전력을 공급할 수도 있다. 이어서, 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 따라서 다상 모터를 동작하도록 구동할 수도 있다.
도 5a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K5, K6, K7 및 K8은 개방된다. 도 5b에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K7, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K5, K6 및 K8은 개방된다. 도 6c는 도 5a, 및 도 5b에 도시되어 있는 양 온보드 충전 트랙션 시스템에 적용되는, 구성된 바와 같은 충전 전력 경로를 도시하고 있다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 충전 모드로 구성될 때, PFC 부스트 프론트 엔드 스테이지와 완전히 절연된 DC/DC 리어 엔드 스테이지를 포함하는 완전히 절연된 2단 충전기가 제공된다. 프론트 엔드 스테이지는 입력 브리지 정류기를 포함한다. 또한, 모터의 코일 B는 PFC 부스트 인덕터로서 작용할 수도 있고, 전원 스위치 디바이스(SW4)는 부스트 스위치로서, 전원 스위치 디바이스(SW3)의 바디 다이오드는 플라이백 다이오드로서, 커패시터(C1)는 출력 커패시터로서 작용할 수도 있다. DC/DC 리어 엔드 스테이지에서, 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW5, SW6)는 H 브리지 드라이브를 구성한다. 게다가, 코일 A와 코일 C는 변압기의 1차 권선으로서 작용하고 코일 D와 코일 E는 변압기의 2차 권선으로서 작용한다. 출력 브리지 정류기는 변압기 2차측으로부터 출력되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 인덕터(L1)와 출력 커패시터(C2)는 출력 브리지 정류기의 출력측에 결합되어 DC 전력의 리플 성분을 제거한다.
이 충전 모드에서, PFC 부스트 프론트 엔드 스테이지는 그리드에 대해 역률 보정을 수행하는 동안, 그리드 AC 단상 전력을 DC 전력으로 변환할 수도 있다. 코일 B 인덕터의 전류에 대한 기준으로서 입력 전압을 사용함으로써, 입력 전류는 사인파 파형으로 성형될 수 있다. 예를 들어, 전류 피드백 루프는 입력 전압에 비례하는 기준을 따르도록 전류를 제어할 수도 있고, 피드백 루프는 커패시터(C1)의 DC 링크 전압을 조절할 수도 있다. 제어는 개별 역률 보정 제어 IC 또는 도 16을 참조하여 이하에 설명될 제어 프로세서를 통해 구현될 수 있다. 이어서, 제2 스테이지 H 브리지는 프론트 엔드 스테이지로부터 DC 전력을 입력으로서 취하고, 이를 AC 전력으로 반전하고, 반전된 AC 전력을 모터의 권선에 의해 형성된 변압기를 통해 전달할 수도 있어, 완전한 절연이 달성되게 된다. 변압기에 의해 출력된 AC 전력은 출력 브리지 정류기에 그리고 이어서 출력 필터에 인가되어 배터리 충전을 위한 DC 전력을 생성한다.
제3 실시예
이 제3 실시예에서, 충전 전력은 다상 AC 전력 입력으로부터 공급되고, 충전 전력 경로는 완전한 3상 PFC 프론트 엔드 스테이지를 포함한다.
도 7a는 본 발명의 교시의 제3 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 개략도를 도시하고 있다. 도 7a에서 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 병렬로 연결된다. 도 7b는 본 발명의 교시의 제3 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 다른 개략도를 도시하고 있다. 도 7b에서, 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 직렬로 연결된다.
트랙션 모드 하에서 코일의 연결의 차이(병렬 또는 직렬)를 제외하고는, 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있는 시스템은 모두 다상 모터, 재충전 가능 배터리, 인버터, 출력 정류기, 구성기 및 접촉기의 세트를 포함한다. 다상 모터는 고정자 권선의 3개 이상의 위상을 포함할 수도 있다. 특정 용례에서, 대안적으로, 모터는 2개의 세트의 하프 브리지에 의해 구동되는 2상 모터일 수도 있다. 3상 PFC 기능이 충전 모드 하에서 수행되는 상황에서, 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3a, SW3b, SW3c, SW4a, SW4b, SW4c, SW5, SW6)를 포함하고, 다상 모터를 구동하는 역할을 한다. 전원 스위치 디바이스는 상이한 전류 용량을 가질 수도 있다. 구성기는 복수의 접촉기(K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10, K11, K12, K13)를 포함한다. 적절한 제어 하에, 구성기는 상이한 동작 모드 사이에서 스위칭하기 위해, 다양한 구성요소의 연결, 특히 권선 코일 A 내지 E 및/또는 전원 스위치 디바이스(SW1 내지 SW6) 사이의 연결을 재구성하는 역할을 한다. 접촉기(K1, K2)의 세트는 재충전 가능 배터리의 양의 및 음의 단자를 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K1, K2)는 충전 모드 하에서 개방되고 트랙션 모드 하에서 폐쇄된다. 접촉기(K3, K4, K5)의 세트는 입력 AC 전력으로부터 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K3, K4, K5)는 충전 모드 하에서 폐쇄되고 트랙션 모드 하에서 개방된다.
게다가, 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있는 시스템은 노이즈 및 전압 또는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 데 사용될 수도 있는 입력 필터 및/또는 출력 필터를 더 포함할 수도 있다. 커패시터(C1)가 인버터의 입력측에 연결될 수도 있다. 여기서 커패시터(C1)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 출력 필터는 인덕터 및/또는 커패시터를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 예로서, 배터리를 충전하기 위해 정류기 출력 상의 맥동 전압을 평활화하는 역할을 하는 커패시터(C2) 및 인덕터(L1)가 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 출력 커패시터(C2)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 대안적으로, 배터리가 출력 브리지 정류기의 출력측에서 리플 전류를 견디는 것이 가능하면, 커패시터(C2)는 생략될 수 있다.
도 7a 및 도 7b에는 도시되어 있지 않지만, 이들에 한정되는 것은 아니지만 사전 충전 회로, 방전 회로, 돌입 전류 보호 회로 등을 포함하는 다른 회로 보호 구성요소가 시스템에 포함될 수도 있다.
제1 및 제2 실시예와 유사하게, 모터 고정자 톱니 상에 권취된 권선들 중 적어도 하나는 2개 이상의 코일로 분할될 수도 있다. 달리 말하면, 모터 고정자의 적어도 하나의 톱니 상에는, 권선이 2개 이상의 코일에 의해 형성된다. 각각의 코일은 충전 모드와 트랙션 모드에 적합하기 위해 상이한 연결로 재구성될 수 있는 개별 단자를 갖는다. 여기서, 위상 A를 위한 권선은 코일 A와 코일 D로 분할되고, 위상 C를 위한 권선은 코일 C와 코일 E로 분할된다. 위상 B를 위한 권선은 모터의 개별 톱니 상에 존재하는 코일 B1, 코일 B2 및 코일 B3으로 분할된다. 예에서, 코일 B1은 2개의 톱니에 대해 권취되고, 코일 B2는 다른 2개의 톱니에 대해, 코일 B3은 또 다른 2개의 톱니에 대해 권취된다.
도 7a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K7, K8, K11, K12, K13)는 폐쇄되고, K3, K4, K5, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 8a에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 8a에 도시되어 있는 작동 모드에서, 코일 A와 코일 D는 병렬로 연결되어 위상 A를 형성하고; 코일 C와 코일 E는 병렬로 연결되어 위상 C를 형성하고; 코일 B1, 코일 B2 및 코일 B3은 위상 B를 형성한다(또는 이들 각각은 모터가 3상 모터 대신에 5상 모터인 상황에서, 독립 위상일 수 있음).
유사하게, 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K8, K11, K12, K13)는 폐쇄되고 K3, K4, K5, K7, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 8b에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 8b에 도시되어 있는 작동 모드에서, 코일 A와 코일 D는 직렬로 연결되어 위상 A를 형성하고; 코일 C와 코일 E는 직렬로 연결되어 위상 C를 형성한다. 게다가, 코일 B1, 코일 B2 및 코일 B3은 위상 B를 형성한다(또는, 이들 각각은 독립 위상일 수 있음). 코일 B1 내지 B3은 모터의 동일 위상(위상 B) 톱니 상에 권취되어 있기 때문에, 전류는 모터가 회전되게 하는 회전 필드를 생성하지 않는다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 트랙션 모드 하에서 동작할 때, 재충전 가능 배터리는 다상 인버터에 DC 전력을 공급할 수도 있다. 이어서, 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수도 있고, 따라서 다상 모터를 동작하도록 구동한다. 도 8a 및 도 8b에 도시되어 있는 복수의 중앙 전원 스위치 디바이스는 단일 하프 브리지로서 작용하도록 함께 스위칭된다. 즉, 전원 스위치 디바이스(SW3a, SW3b, SW3c)는 함께 턴온 및 턴오프되고; 전원 스위치 디바이스(SW4a, SW4b, SW4c)는 함께 턴온 및 턴오프된다.
도 7a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K5, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K6, K7, K8, K11, K12 및 K13은 개방된다. 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K5, K7, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K6, K8, K11, K12 및 K13은 개방된다. 도 8c는 도 7a, 및 도 7b에 도시되어 있는 양 온보드 충전 트랙션 시스템에 적용되는, 구성된 바와 같은 충전 전력 경로를 도시하고 있다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 충전 모드로 구성될 때, 완전 3상 부스트 PFC 프론트 엔드 스테이지와 완전히 절연된 DC/DC 리어 엔드 스테이지를 포함하는 완전히 절연된 2단 충전기가 제공된다. 프론트 엔드 스테이지에서, 코일 B1, 코일 B2, 코일 B3은 부스트 인덕터로 동작하고, 전원 스위치 디바이스(SW3a, SW3b, SW3c, SW4a, SW4b, SW4c)는 부스트 PFC 스위치로서 동작한다. DC/DC 리어 엔드 스테이지에서, 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW5, SW6)는 H 브리지 드라이브를 구성한다. 게다가, 코일 A와 코일 C는 변압기의 1차 권선으로서 작용하고, 코일 D와 코일 E는 변압기의 2차 권선으로서 작용한다. 출력 브리지 정류기는 변압기 2차측으로부터 출력되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 인덕터(L1)와 출력 커패시터(C2)는 출력 브리지 정류기의 출력측에 결합되어 DC 전력의 리플 성분을 제거한다.
이 충전 모드에서, PFC 부스트 프론트 엔드 스테이지는 사인파 입력 전류를 달성하기 위해 역률 보정을 수행하는 동안, 그리드 다상 전력을 DC 전력으로 변환할 수도 있다. 이어서, 제2 스테이지 H 브리지는 제1 스테이지 DC 전력을 입력으로서 취하고, 이를 AC 전력으로 반전하고, 반전된 AC 전력을 모터의 권선에 의해 형성된 변압기를 통해 전달할 수도 있어, 완전한 절연이 달성되게 된다. 변압기에 의해 출력된 AC 전력은 출력 브리지 정류기에 그리고 이어서 출력 커패시터에 인가되어 재충전 가능 배터리를 충전하는 DC 전력을 생성한다.
도 8c에 도시되어 있는 완전한 3상 PFC 프론트 엔드를 형성하기 위해, 전압 감지가 입력에 배열되어 AC 입력의 각도 위치를 결정한다. 위상 동기 루프가 이 기능을 수행하는 데 사용될 수 있다. 하나의 위상(위상 A와 같은)의 위상 전압을 나타내는 각도 정보가 얻어질 때, 전원 스위치 디바이스를 위해 요구된 드라이브를 결정하기 위해, 스위치 드라이브가 dq를 통해 ABC로의 변환 및 상태 벡터 변조로 구현될 수 있다. 이 방안에서, 하나의 변환된 축(예를 들어, d축)은 역률을 제어하고, 다른 축(예를 들어, q축)은 전력 흐름을 제어하고 중간 DC 링크 버스 전압을 조절하는 데 사용된다. 더욱이, 역률 보정을 수행하기 위해 각각의 축에 대해 내부 전류 루프가 사용된다. 적어도 2개의 전류 센서가 입력 전류를 측정하기 위해 요구된다. 그러나, 총 전류가 트랙션 모드에서 요구되기 때문에, 3개의 전류 센서가 바람직하다.
제4 실시예
이 제4 실시예에서, 충전 전력은 단상 전력원 또는 단일 분할상 전력원으로부터 공급되고, 충전 경로는 단상 또는 분할상 토템폴(Totem-Pole) PFC 프론트 엔드를 포함한다.
도 9a는 본 발명의 교시의 제4 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 개략도를 도시하고 있다. 도 9a에서, 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 병렬로 연결된다. 도 9b는 본 발명의 교시의 제4 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 다른 개략도를 도시하고 있다. 도 9b에서, 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 직렬로 연결된다.
트랙션 모드 하에서 코일의 연결의 차이(병렬 또는 직렬)를 제외하고는, 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있는 온보드 충전 트랙션 시스템은 모두 다상 모터, 재충전 가능 배터리, 인버터, 출력 정류기, 구성기 및 접촉기의 세트를 포함한다. 다상 모터는 고정자 권선의 3개 이상의 위상을 포함할 수도 있다. 특정 용례에서, 대안적으로, 모터는 2개의 세트의 하프 브리지에 의해 구동되는 2상 모터일 수도 있다. 단상 또는 분할상 토템폴 PFC가 충전 모드 하에서 수행되는 상황에서, 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3a, SW3b, SW4a, SW4b, SW5, SW6)를 포함하고, 다상 모터를 구동하는 역할을 한다. 전원 스위치 디바이스는 상이한 전류 용량을 가질 수도 있다. 구성기는 복수의 접촉기(K1, K2, K3, K4, K6, K7, K8, K9, K10, K11, K12)를 포함한다. 적절한 제어 하에, 구성기는 상이한 동작 모드 사이에서 스위칭하기 위해, 다양한 구성요소의 연결, 특히 권선 코일 A 내지 E 및/또는 전원 스위치 디바이스(SW1 내지 SW6) 사이의 연결을 재구성하는 역할을 한다. 접촉기(K1, K2)의 세트는 재충전 가능 배터리의 양의 및 음의 단자를 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K1, K2)는 충전 모드 하에서 개방되고 트랙션 모드 하에서 폐쇄된다. 접촉기(K3, K4)의 세트는 입력 AC 전력으로부터 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K3, K4)는 충전 모드 하에서 폐쇄되고 트랙션 모드 하에서 개방된다.
게다가, 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있는 시스템은 노이즈 및 전압 또는 전류 리플을 감소시키는 데 사용될 수도 있는 입력 필터 및/또는 출력 필터를 더 포함할 수도 있다. 커패시터(C1)가 인버터의 입력측에 연결될 수도 있다. 여기서 커패시터(C1)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 출력 필터는 인덕터 및/또는 커패시터를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 예로서, 배터리를 급전하기 위해 정류기 출력 상의 맥동 전압을 평활화하는 역할을 하는 커패시터(C2) 및 인덕터(L1)가 도 9a 및 도 9b에 도시되어 있다. 출력 커패시터(C2)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 대안적으로, 배터리가 출력 브리지 정류기의 출력측에서 리플 전류를 견디는 것이 가능하면, 커패시터(C2)는 생략될 수 있다.
도 9a 및 도 9b에는 도시되어 있지 않지만, 이들에 한정되는 것은 아니지만 사전 충전 회로, 방전 회로, 돌입 전류 보호 회로 등을 포함하는 다른 회로 보호 구성요소가 시스템에 포함될 수도 있다.
제1 내지 제3 실시예와 유사하게, 모터 고정자 톱니 상에 권취된 권선들 중 적어도 하나는 2개 이상의 코일로 분할될 수도 있다. 달리 말하면, 모터 고정자의 적어도 하나의 톱니 상에는, 권선이 2개 이상의 코일에 의해 형성된다. 분할 권선은 충전 모드와 트랙션 모드에 적합하기 위해 상이한 연결로 재구성될 수 있는 개별 단자를 갖는다. 예를 들어, 위상 A를 위한 권선은 코일 A와 코일 D로 분할되고, 위상 C를 위한 권선은 코일 C와 코일 E로 분할되고, 위상 B를 위한 권선은 상이한 톱니 상에 존재하는 코일 B1과 코일 B2로 분할된다.
도 9a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K7, K8, K11, K12)는 폐쇄되고, K3, K4, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 10a에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 10a에 도시되어 있는 작동 모드에서, 코일 A와 코일 D는 병렬로 연결되어 위상 A를 형성하고; 코일 C와 코일 E는 병렬로 연결되어 위상 C를 형성하고; 코일 B1 및 코일 B2는 위상 B를 형성한다(또는, 이들 각각은 독립 위상일 수 있음).
유사하게, 도 9b에 도시되어 있는 바와 같이 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K8, K11, K12)는 폐쇄되고 K3, K4, K7, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 10b에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 10b에 도시되어 있는 작동 모드에서, 코일 A와 코일 D는 직렬로 연결되어 위상 A를 형성하고; 코일 C와 코일 E는 직렬로 연결되어 위상 C를 형성하고; 코일 B1 및 코일 B2는 위상 B를 형성한다(또는, 이들 각각은 독립 위상일 수 있음).
온보드 충전 트랙션 시스템이 트랙션 모드 하에서 동작할 때, 재충전 가능 배터리는 다상 인버터에 DC 전력을 공급할 수도 있다. 이어서, 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 따라서 다상 모터를 동작하도록 구동할 수도 있다.
도 9a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K6, K7, K8, K11 및 K12는 개방된다. 도 9b에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K7, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K6, K8, K11 및 K12는 개방된다. 도 10c는 도 9a, 및 도 9b에 도시되어 있는 양 온보드 충전 트랙션 시스템에 적용되는, 구성된 바와 같은 충전 전력 경로를 도시하고 있다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 충전 모드로 구성될 때, 단상 또는 분할상 토템폴 PFC 프론트 엔드 스테이지와 완전히 절연된 DC/DC 리어 엔드 스테이지를 포함하는 완전히 절연된 2단 충전기가 제공된다. 프론트 엔드 스테이지에서, 코일 B1 및 코일 B2는 부스트 PFC 인덕터로서 동작하고, 전원 스위치 디바이스(SW3a, SW3b, SW4a, SW4b)는 전력 흐름을 제어하고 입력 전류를 사인파 파형으로 성형하는 풀 브리지 스위치로서 동작한다. 리어 엔드 스테이지에서, 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW5, SW6)는 H 브리지 드라이브를 구성한다. 게다가, 코일 A와 코일 C는 변압기의 1차 권선으로서 작용하고, 코일 D와 코일 E는 변압기의 2차 권선으로서 작용한다. 출력 브리지 정류기는 변압기 2차측의 AC 파형을 DC 전력으로 변환한다. 인덕터(L1)와 출력 커패시터(C2)는 출력 브리지 정류기의 출력측에 결합되어 리플 성분을 제거한다.
이 모드에서, PFC 부스트 프론트 엔드 스테이지는 사인파 입력 전류를 달성하기 위해 역률 보정을 수행하는 동안, 그리드 AC 단상 전력을 DC 전력으로 변환할 수도 있다. 이어서, 제2 스테이지 H 브리지는 프론트 엔드 스테이지로부터 DC 전력을 입력으로서 취하고, 이를 AC 전력으로 반전하고, 반전된 AC 전력을 모터의 권선에 의해 형성된 변압기를 통해 전달할 수도 있어, 완전한 절연이 달성되게 된다. 변압기에 의해 출력된 AC 전력은 출력 브리지 정류기에 그리고 이어서 출력 필터에 인가되어 재충전 가능 배터리를 충전하는 DC 전력을 생성한다.
제5 실시예
이 제5 실시예에서, 충전 전력은 단상 전력원 또는 단일 분할상 전력원으로부터 공급되고, 충전 전력 경로는 부가의 다이오드를 갖는 단상 또는 분할상 토템폴 PFC 프론트 엔드 스테이지를 포함한다.
도 11a는 본 발명의 교시의 제5 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 개략도를 도시하고 있다. 도 11a에서, 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 병렬로 연결된다. 도 11b는 본 발명의 교시의 제5 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템과 관련된 다른 개략도를 도시하고 있다. 도 11b에서, 충전 모드 하에서 변압기를 구성하는 데 사용되는 특정 코일은 시스템이 트랙션 모드 하에서 작동할 때 직렬로 연결된다.
트랙션 모드 하에서 코일의 연결의 차이(병렬 또는 직렬)를 제외하고는, 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있는 온보드 충전 트랙션 시스템은 모두 다상 모터, 재충전 가능 배터리, 인버터, 다이오드(D1, D2), 출력 정류기, 구성기 및 접촉기의 세트를 포함한다. 다상 모터는 고정자 권선의 3개 이상의 위상을 포함할 수도 있다. 특정 용례에서, 대안적으로, 모터는 2개의 세트의 하프 브리지에 의해 구동되는 2상 모터일 수도 있다. 단상 또는 분할상 토템폴 PFC 기능이 충전 모드 하에서 수행되는 상황에서, 인버터는 6개의 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6)를 포함할 수도 있다. 전원 스위치 디바이스는 상이한 전류 용량을 가질 수도 있다. 부가의 다이오드(D1, D2)는 입력 전원의 양극 및 음극을 가로질러 배열된다. 구성기는 복수의 접촉기(K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10)를 포함한다. 적절한 제어 하에, 구성기는 상이한 동작 모드 사이에서 시스템을 스위칭하기 위해, 다양한 구성요소의 연결, 특히 권선 코일 A 내지 E 및/또는 전원 스위치 디바이스(SW1 내지 SW6) 사이의 연결을 재구성하는 역할을 한다. 접촉기(K1, K2)의 세트는 재충전 가능 배터리의 양의 및 음의 단자를 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K1, K2)는 충전 모드 하에서 개방되고 트랙션 모드 하에서 폐쇄된다. 접촉기(K3, K4)의 세트는 입력 AC 전력으로부터 연결 및 분리하는 데 사용될 수도 있다. 접촉기(K3, K4)는 충전 모드 하에서 폐쇄되고 트랙션 모드 하에서 개방된다.
게다가, 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있는 시스템은 노이즈 및 전압 또는 전류 리플(ripple)을 감소시키는 데 사용될 수도 있는 입력 필터 및/또는 출력 필터를 더 포함할 수도 있다. 커패시터(C1)가 인버터의 입력측에 연결될 수도 있다. 여기서 커패시터(C1)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 출력 필터는 인덕터 및/또는 커패시터를 포함할 수도 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 예로서, 배터리를 급전하기 위해 정류기 출력 상의 맥동 전압을 평활화하는 역할을 하는 커패시터(C2) 및 인덕터(L1)가 도 11a 및 도 11b에 도시되어 있다. 출력 커패시터(C2)는 단일의 것으로서 도시되어 있지만, 이는 또한 다수의 커패시터 또는 함께 패키징된 다수의 커패시터를 갖는 모듈일 수 있다. 대안적으로, 배터리가 출력 브리지 정류기의 출력측에서 리플 전류를 견디는 것이 가능하면, 커패시터(C2)는 생략될 수 있다.
도 11a 및 도 11b에는 도시되어 있지 않지만, 이들에 한정되는 것은 아니지만 사전 충전 회로, 방전 회로, 돌입 전류 보호 회로 등을 포함하는 다른 회로 보호 구성요소가 시스템에 포함될 수도 있다.
제1 내지 제4 실시예와 유사하게, 모터 고정자 톱니 상에 권취된 권선들 중 적어도 하나는 분할 구조를 가질 수도 있다. 분할 권선은 충전 모드와 트랙션 모드에 적합하기 위해 상이한 연결로 재구성될 수 있는 개별 단자를 갖는다. 예를 들어, 위상 A를 위한 권선은 코일 A와 코일 D로 분할되고, 위상 C를 위한 권선은 코일 C와 코일 E로 분할된다.
도 11a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K7, K8)는 폐쇄되고, K3, K4, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 12a에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 12a에 도시되어 있는 작동 모드에서, 동일한 톱니 상에 위치된 모든 코일은 병렬로 연결되는데: 코일 A 및 코일 D는 함께 위상 A를 형성하고, 코일 C 및 코일 E는 함께 위상 C를 형성하고; 코일 B는 위상 B 자체를 형성한다.
유사하게, 도 11b에 도시되어 있는 바와 같이 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K8)는 폐쇄되고 K3, K4, K7, K9 및 K10은 개방된다. 이에 따라, 도 12b에 도시되어 있는 바와 같이 트랙션 전력 경로가 구성된다. 도 12b에 도시되어 있는 작동 모드에서, 동일한 톱니 상에 위치된 모든 코일은 직렬로 연결되는데: 코일 A 및 코일 D는 함께 위상 A를 형성하고; 코일 C 및 코일 E는 함께 위상 C를 형성하고; 코일 B는 위상 B 자체를 형성한다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 트랙션 모드 하에서 동작할 때, 재충전 가능 배터리는 다상 인버터에 DC 전력을 공급할 수도 있다. 이어서, 인버터는 DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수도 있고, 따라서 다상 모터를 동작하도록 구동한다.
도 11a에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K6, K7 및 K8은 개방된다. 도 11b에 도시되어 있는 바와 같이 온보드 충전 트랙션 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K3, K4, K7, K9, K10)는 폐쇄되고, K1, K2, K6 및 K8은 개방된다. 도 12c는 도 11a, 및 도 11b에 도시되어 있는 양 온보드 충전 트랙션 시스템에 적용되는, 구성된 바와 같은 충전 전력 경로를 도시하고 있다.
온보드 충전 트랙션 시스템이 충전 모드로 구성될 때, 부가의 다이오드를 갖는 단상 또는 분할상 토템폴 PFC 프론트 엔드 스테이지와 완전히 절연된 DC/DC 리어 엔드 스테이지를 포함하는 완전히 절연된 2단 충전기가 제공된다. 토템폴 PFC 프론트 엔드 스테이지에서, 코일 B는 부스트 인덕터로 동작하고, 전원 스위치 디바이스(SW3, SW4)는 부스트 PFC 스위치로서 동작할 수도 있다. 다이오드(D1)는 입력 전압의 양의 절반 사이클 동안 전도하고, 전원 스위치 디바이스(SW3)는 PWM 제어되어, 입력 전류를 사인파 파형으로 성형한다. 입력 전압의 음의 절반 사이클 동안, 다이오드(D2)는 전도하고 전원 스위치 디바이스(SW4)는 PWM 제어되어, 입력 전류를 사인파 파형으로 성형한다. DC/DC 리어 엔드 스테이지에서, 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW5, SW6)는 H 브리지 드라이브를 구성한다. 게다가, 코일 A와 코일 C는 변압기의 1차 권선으로서 작용하고, 코일 D와 코일 E는 변압기의 2차 권선으로서 작용한다. 출력 브리지 정류기는 변압기 2차측으로부터 출력되는 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 인덕터(L1)와 출력 커패시터(C2)는 출력 브리지 정류기의 출력측에 결합되어 DC 전력의 리플 성분을 제거한다.
이 충전 모드에서, PFC 부스트 프론트 엔드 스테이지는 사인파 입력 전류를 달성하기 위해 역률 보정을 수행하는 동안, 그리드 AC 단상 전력을 DC 전력으로 변환할 수도 있다. 이어서, 제2 스테이지 H 브리지는 제1 스테이지 DC 전력을 입력으로서 취하고, 이를 AC 전력으로 반전하고, 반전된 AC 전력을 모터의 권선에 의해 형성된 변압기를 통해 전달할 수도 있어, 완전한 절연이 달성되게 된다. 변압기에 의해 출력된 AC 전력은 출력 브리지 정류기에 그리고 이어서 출력 필터에 인가되어 재충전 가능 배터리를 충전하는 DC 전력을 생성한다.
도 13은 본 발명의 교시의 예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 동작과 관련된 흐름도를 도시하고 있다. 일반적으로, 시스템은 트랙션 모드 하에서 동작한다. 이 모드 하에서, 접촉기(K1, K2)는 폐쇄되고, K3 및 K4는 개방되고, 구성기는 트랙션 상태에 있어, 배터리가 트랙션 전력 경로를 통해 모터에 전력을 출력하게 된다. 전기차의 배터리 충전 요청이 수신되고, 차량이 주차 상태이며, 외부 전원에 시스템을 결합하는 것이 가능한 충전 코드가 플러그인 되어 있다고 결정될 때, 시스템은 충전 모드로 스위칭된다. 트랙션 모드로부터 충전 모드로의 스위칭을 달성하기 위해, 접촉기(K1, K2)가 개방되고, 커패시터(C1, C2)에 저장된 전기 에너지가 방전된다. 이어서, 구성기는 트랙션 상태로부터 충전 상태로 스위칭된다. 접촉기(K1, K2)가 개방된 상태를 유지하는 동안, 커패시터(C1)는 사전 충전되고, 이어서 접촉기(K3, K4)는 폐쇄된다. 차량 배터리 관리 시스템으로부터의 요청에 기초하여, 배터리가 충전되기 시작한다. 충전 모드는 배터리가 완전히 충전되었거나 외부 전원에 대한 전기적 결합이 분리되었거나, 임의의 결함이 충전 프로세스 동안 검출되었다고 결정될 때까지 계속된다. 이들 조건 중 임의의 것이 충족되면, 배터리 충전이 중지되고, 시스템은 접촉기(K3, K4)를 개방하고 양 커패시터(C1, C2)에 저장된 전기 에너지를 방전함으로써 충전 모드로부터 트랙션 모드로 다시 스위칭된다. 이어서, 구성기는 충전 상태로부터 트랙션 상태로 스위칭된다. 접촉기(K3, K4)가 개방된 상태를 유지하는 동안, 커패시터(C1, C2)는 사전 충전되고, 이어서 접촉기(K1, K2)는 폐쇄된다. 시스템은 다음 충전 요청이 수신될 때까지, 통상 트랙션 모드로 복귀한다.
도 14는 본 발명의 교시의 예에 따른, 커패시터(C1)의 사전 충전과 관련된 개략도를 도시하고 있다. 전술된 바와 같이, 입력 커패시터(C1)는 접촉기(K3, K4)가 폐쇄되기 전에 충전되어야 한다. 예를 들어, 도 2b에 도시되어 있는 온보드 충전 트랙션 시스템에서, 사전 충전은 부가의 접촉기(K9) 및 저항기(R1)를 포함하는 분기에 의해 달성될 수 있다. 저항기(R1)는 접촉기(K9)와 직렬로 연결되어, 사전 충전 전류를 제한하는 역할을 한다.
충전 모드에서, 충전 전력은 이하의 순서에 따라 인가될 수도 있다. 먼저 접촉기(K1, K2, K5, K6, K7, K8, K9, K10)는 충전 위치로 스위칭된다. 접촉기(K3, K4, K9)가 개방된 상태에서, 입력 AC 전력이 인가된다. 이는 일반적으로 외부 전원의 인터페이스와 핸드셰이크(handshakes) 프로세스를 수반한다. 이어서, 접촉기(K4, K9)는 폐쇄되어 커패시터(C1)가 사전 충전되게 한다. 충전 시간은 커패시터(C1)가 완전히 충전되도록, R1과 C1의 시간 상수의 적어도 약 5배일 수도 있다. 일단 커패시터(C1)의 사전 충전이 완료되면, 접촉기(K3)는 폐쇄될 수 있고, K9는 개방될 수 있어, 코일 전력 소모를 절약할 수 있다.
도 14에 도시되어 있는 예에서, 충전 경로는 입력 전원으로부터, 입력 브리지 정류기의 상단 다이오드, 접촉기(K9), 저항기(R1), 코일(B), 전원 스위치 디바이스(SW3)의 역병렬 다이오드를 통해, 커패시터 C1의 애노드측까지이다. 복귀 경로는 커패시터(C1)의 캐소드측으로부터, 접촉기(K4)와 입력 브리지 정류기의 하단 다이오드를 통해, 다시 입력 전원까지이다.
출력 필터 커패시터(C2)는 또한 재충전 가능 배터리가 연결되기 전에 사전 충전될 수 있다. 커패시터(C2)가 재충전 가능 배터리를 가로질러 연결되기 때문에, 커패시터(C2)의 사전 충전은 도 14에 도시되어 있지 않은 재충전 가능 배터리의 관리 시스템을 통해 수행될 수 있다.
제1 실시예를 예로 들면, 도 15a는 본 발명의 교시에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템의 하드웨어 구성요소와 관련된 고레벨 개략도를 도시하고 있다. 도 2a를 참조하여 전술된 구성요소 이외에, 이들에 한정되는 것은 아니지만 전류 센서, 전압 센서, 온도 센서(도 15a에는 도시되어 있지 않음), 모터 회전자 각도 위치의 필수 식별 정도 및 중앙 충전/트랙션 컨트롤 등을 제공하는 것이 가능한 리졸버 또는 임의의 다른 센서(도 15a에는 도시되어 있지 않음)를 포함하는 다양한 부가의 구성요소가 시스템에 포함된다.
도 15a에 도시되어 있는 바와 같이, 절연 전압 감지가 DC 링크 버스 전압 및 배터리 전압을 각각 측정하기 위해 제공된다. 감지된 전압 신호는 충전/트랙션 컨트롤로 전송된다. 트랙션 모드에서, DC 링크 버스 전압과 배터리 전압이 동일한 신호가 된다. 이들은 충전 모드 하에서 개별 신호이다. 전압 감지 기능은 집적 회로 기반 센서와 같이, 시장에서 입수 가능한 절연 센서를 통해 수행될 수 있다. 이러한 유형의 절연 센서는 고전압측에 절연 전력 및 분배기 저항기를 필요로 한다. 완전한 갈바닉 절연이 필요하지 않은 상황에서, 고임피던스 차동 증폭기에 기초하는 감지 접근법이 마찬가지로 실현 가능하다.
절연 전류 감지가 또한 도 15a에 도시되어 있다. 더 구체적으로, 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2)(위상 A에 대응함)를 포함하는 하프 브리지의 전류를 검출하기 위한 절연 전류 센서가 제공된다. 유사하게, 다른 2개의 하프 브리지에 대한 전류 센서가 있는 데, 하나는 전원 스위치 디바이스(SW3, SW4)로 구성된 하프 브리지에 사용되고, 다른 하나는 전원 스위치 디바이스(SW5, SW6)로 구성된 하프 브리지에 사용된다. 전류 센서는 홀 전류 센서에 의해 구현될 수도 있다. 대안적으로, 절연 증폭기가 있는 션트(shunts)가 이용될 수도 있다. 비용 절감을 위해, 2개의 전류 센서가 모터 및 충전 시스템의 제어 요건을 충족할 수 있다. 그러나, 개선된 보호를 얻기 위해, 3개 이상의 전류 센서가 이용될 수 있다. 예를 들어, 낮은 정확도가 허용 가능하면, 충전 전류가 위상 A 및 위상 C 센서를 통해 감지된 1차 전류로부터 추정될 수 있다. 다른 예로서, 충전 전류의 높은 정확도 제어를 얻기 위해, 위상 A 내지 C에 대한 3개의 전류 센서 이외에, 제4 전류 센서가 충전 전류를 측정하기 위해 제공된다. 3상 전류 센서와 유사하게, 제4 전류 센서는 홀 전류 센서, 션트 등일 수 있다.
충전기/트랙션 컨트롤은 다양한 센서로부터의 신호를 입력으로서 취하고, 전원 스위치 디바이스와 접촉기를 제어하기 위한 명령을 생성한다. 제어기는 DSP, FPGA, MCU 또는 임의의 다른 적절한 프로그램 가능 제어기일 수 있다. 절연 게이트 드라이버는 충전기/트랙션 컨트롤과 전원 스위치 디바이스 사이에 연결되어 절연 경계를 가로질러 구동 신호를 결합하고 높은 펄스화 전류를 제공하여 전원 스위치 디바이스가 더 낮은 손실을 위해 급속하게 턴온/턴오프될 수 있게 한다. 이들에 한정되는 것은 아니지만 광학 결합 드라이버, 용량성 결합 드라이버 등을 포함하여, 시장에서 입수 가능한 다양한 절연 게이트 드라이버가 이용될 수 있다.
제3 실시예를 예로 들면, 도 15b는 다른 예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템의 하드웨어 구성요소와 관련된 고레벨 개략도를 도시하고 있다. 도 7a를 참조하여 전술된 구성요소 이외에, 이들에 한정되는 것은 아니지만 전류 센서(Ia, Ib1, Ib2, Ib3, Ic, Iout), 전압 센서(VI1, VI2, VI3, Vdc, Vout), 온도 센서(도 15b에는 도시되어 있지 않음), 중앙 충전/트랙션 제어기, 및 회전자의 위치를 판독하기 위한 리졸버 또는 임의의 회전자 위치 센서(도 15b에는 도시되어 있지 않음) 등을 포함하는 다양한 부가의 구성요소가 시스템에 포함된다.
도 16은 본 발명의 교시의 제1 실시예에 따른 온보드 충전 트랙션 시스템에 포함된 전원 스위치 디바이스(SW1 내지 SW6)를 구동하기 위한 향상된 PWM 출력(EPWM)을 갖는 충전/트랙션 컨트롤로부터 절연 게이트 구동 컨트롤로의 연결의 더 많은 상세를 도시하고 있다. 신호(EPWM1A, EPWM1B)에 의해 구동되어, 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2)는 트랙션 모드 하에서 위상 A 드라이브를 형성하고, 충전 모드 하에서 변압기의 PWM 드라이브의 부분으로서 동작한다. 신호(EPWM3A, EPWM3B)에 의해 구동되어, 전원 스위치 디바이스(SW5, SW6)는 트랙션 모드 하에서 위상 C 드라이브를 형성하고, 충전 모드 하에서 변압기의 PWM 드라이브의 부분으로서 동작한다. 신호(EPWM2A, EPWM2B)에 의해 구동되어, 전원 스위치 디바이스(SW3, SW4)는 트랙션 모드 하에서 위상 B 드라이브를 형성하고, 충전 모드 하에서 부스트 컨버터로서 동작한다. 개별 활성화 출력이 위상 A 및 C와 위상 B에 대해 제공된다. 이는 이들이 충전 모드 하에서 상이한 역할을 하기 때문이다. 프로세서의 핀의 할당은 도 16에 도시되어 있는 것들에 한정되기보다는, 사용되는 프로세서의 유형에 따라 다양할 수도 있다.
도 16에 도시되어 있는 예에서, 전원 스위치 디바이스(SW1 내지 SW6)는 저레벨에서 대응 PWM 출력에 의해 턴온되고, 고레벨에서 대응 PWM 출력에 의해 턴오프된다. 이와 같이, 인버터가 출력에 배열되고, 프로세서가 재설정되는 동안 전원 스위치 디바이스가 턴오프되는 것을 보장하도록 풀업 저항기가 제공된다. 제어 로직이 고레벨 PWM 출력이 대응 전원 스위치 디바이스를 턴온하도록 설계되면, 인버터는 필요하지 않고, 풀다운 저항기가 도 16에 도시되어 있는 풀업 저항기 대신에 제공된다.
본 발명의 교시의 온보드 충전 트랙션 시스템에 배치된 결함 보호 기능의 예로서, 도 16은 프로세서와 별개인 결함 검출 및 래칭 모듈을 도시하고 있다. 이 접근법은 더 많은 하드웨어 자원 비용이 들지만, 특히 프로세서가 잠길 때, 코드 문제(통상적으로 개발 기간 동안 발생함)가 있을 때 등에, 더 강인한 보호를 제공한다.
도 17은 본 발명의 교시에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 충전 모드 하에서 수행되는 예시적인 제어 방안을 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같은 충전 제어 방안은 이식된 DSP 프로세서 또는 개별 제어 전자 기기로 구현될 수 있다. 배터리의 충전은 정전류 모드 또는 정전압 모드에서 수행될 수 있다. 통상적으로, 재충전 가능 배터리의 셀 균등화(cell equalization)를 용이하게 하기 위해, 충전은 충전 프로세스의 시작시에 정전류 모드로 수행되고 이어서 정전압 모드로 전이된다. 정전류 모드의 상황과 비교하여, 더 낮은 충전 전력이 정전압 모드 하에서 사용된다.
도 17로부터 볼 수 있는 바와 같이, 충전/트랙션 컨트롤에 포함된 전압 제어 루프는 복수의 전압 제한 입력을 갖는다. 통상적으로, 재충전 가능 배터리의 관리 시스템은 재충전 가능 배터리가 현재 수용할 수 있는 최대 전압과 연관된 정보를 전압 제어 루프에 제공할 수 있다. 이러한 배터리 전압 한계는 CAN 데이터 버스와 같은 임의의 적절한 데이터 링크를 통해 배터리 관리 시스템으로부터 충전/트랙션 컨트롤로 송신될 수 있다. 또한, 전압 제어 루프에 입력되는 하드웨어 전압 한계는 얼마나 높은 전압을 충전 전력 경로가 안전하게 생성할 수 있는지를 나타낸다. 하드웨어 전압 한계는 충전 전력 경로가 생성하는 것이 가능한 최대 전압이 아니라, 구성요소 응력 한계에 기초하여 결정된 최대 전압 한계이다. 선택적으로, 예를 들어 디버그 데이터 링크를 통해, 디버그 전압 한계가 또한 전압 제어 루프에 전달된다. 디버그 전압 한계는 온보드 충전 트랙션 시스템의 디버깅 및 개발에 유용하다.
배터리 전압 한계, 하드웨어 전압 한계 및 입력된 바와 같은 선택적 디버그 전압 한계에 기초하여, 블록 MIN 1은 전압 명령을 생성하여 합산 노드 1에 출력한다. 생성된 전압 명령은 입력된 다양한 전압 한계의 최소값을 나타낸다. 합산 노드 1에서, 전압 명령은 전압 에러를 얻기 위해 감지된 실제 전압에 비교된다. 이 전압 에러는 PI 제어기 1에 입력되어 전류 명령을 생성한다. 대안적으로, 이에 한정되는 것은 아니지만 적분 제어기를 포함하는 다양한 제어기가 PI 제어기 1 대신에 사용될 수도 있다. 생성된 전류 명령은 입력으로서, 충전/트랙션 컨트롤의 전류 제어 루프의 블록 MIN 2 내로 송신된다.
도 17로부터 볼 수 있는 바와 같이, 전압 제어 루프의 PI Controller 1로부터 출력된 전류 명령 이외에, 충전/트랙션 컨트롤에 포함된 전류 제어 루프의 Block MIN 2는 입력으로서 복수의 전류 한계를 수신한다. 유사하게, 재충전 가능 배터리의 관리 시스템은 재충전 가능 배터리가 현재 수용할 수 있는 최대 전류와 연관된 정보를 전류 제어 루프에 제공할 수 있다. 이러한 배터리 전류 한계는 예를 들어, CAN 데이터 버스를 통해 배터리 관리 시스템으로부터 충전/트랙션 컨트롤로 송신될 수 있다. 또한, 전류 제어 루프에는 하드웨어 전류 한계가 입력된다. 일 양태에서, 하드웨어 전류 한계는 충전 전력 경로의 전류 성능을 반영한다. 예를 들어, 충전 전력 경로는 약 200 암페어의 제한된 전류 용량을 가질 수도 있다. 다른 양태에서, 하드웨어 전류 한계는 입력 라인으로부터 끌어낼 수 있는 최대 입력 전류로 인한 제한된 입력 전력을 반영한다. 이 최대 입력 전류는 배터리 전압에 기초하여 추정될 수도 있다. 대안적으로, 입력 전류 센서는 더 정확한 입력 전류 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다. 더 정확한 전류 정보가 이용 가능할수록, 입력 전류 한계에 더 가깝게 온보드 충전 트랙션 시스템이 동작하도록 허용된다. 다시, 디버그 데이터 링크를 통해, 선택적 디버그 전류 한계가 전류 제어 루프에 전달된다.
전압 제어 루프의 PI 제어기 1로부터의 전류 명령, 하드웨어 전류 한계, 배터리 전류 한계 및 입력된 바와 같은 선택적 디버그 전류 한계에 기초하여, 블록 MIN 2는 전류 명령을 생성하여 합산 노드 2에 출력한다. 생성된 전류 명령은 다양한 입력의 최소값을 나타낸다. 전압 제어 루프로부터의 전류 명령은 전류 제어 루프의 입력 명령으로서 사용되기 때문에, 충전/트랙션 컨트롤은 재충전 가능 배터리의 전압을 제한하는 것이 가능하다. 전압 제어 루프로부터의 전류 명령이 블록 MIN 2에 입력된 다른 전류 한계보다 낮으면, 이는 제어하고 있는 것이고, 따라서 충전기는 전압 제어 모드로 동작한다. 블록 MIN 2에 입력된 전류 한계 중 임의의 하나가 전압 제어 루프로부터의 전류 명령보다 낮으면, 충전기는 최저 전류 한계가 전류 기준 명령인 전류 제어 모드에서 동작한다. 합산 노드 2에서, 전류 기준 명령은 전류 에러를 얻기 위해 감지된 실제 전류에 비교된다. 이 전류 에러는 PI 제어기 2에 입력되어 위상 편이 명령을 생성한다. 대안적으로, 이에 한정되는 것은 아니지만 적분 제어기를 포함하는 다양한 제어기가 PI 제어기 2 대신에 사용될 수도 있다. PI 제어기 2의 출력은 PWM 신호 EPWM3과 EPWM1 사이의 위상 편이를 변경하는 데 사용되는 위상 편이 명령이다. 위상 편이 명령은 이득의 반전을 방지하기 위해 요구 범위 내로 유지하도록 제한될 필요가 있다. 예를 들어, 범위는 1 내지 180도이다.
차량은 일반적으로 트랙션 모드 하에서 동작한다. 충전/트랙션 컨트롤이 충전 상태로부터 트랙션 상태로 스위칭될 때, 충전/트랙션 컨트롤의 프로세서로부터의 EPWM 출력의 구성은 이에 따라 스위칭된다. 트랙션 상태에서, 프로세서는 슛스루(shoot-through)를 회피하기 위해 인버터의 각각의 브리지 레그에 있는 상단 전원 스위치 디바이스와 하단 전원 스위치 디바이스 사이에 데드 타임이 있는 3상 PWM 출력을 생성하도록 구성된다. 본 발명의 교시는 모터가 트랙션 모드 하에서 구동되는 방식을 변경하지 않기 때문에, 종래 기술이 트랙션 컨트롤에 적용 가능하다. 예를 들어, 트랙션 컨트롤은 모터 회전자의 출력 샤프트의 샤프트 위치와 연관된 피드백 신호를 제공하는 센서와 함께 표준 필드 지향 제어(FOC)에 의해 구현될 수 있다. 통상적으로, 리졸버가 모터에 부착되어 샤프트 위치를 측정한다.
제1 내지 제5 실시예의 설명에 첨부된 도면에는 단지 하나의 모터, 하나의 재충전 가능 배터리, 하나의 인버터, 하나의 입력 브리지 정류기 및 하나의 출력 브리지 정류기만이 도시되어 있지만, 통상의 기술자는 다수의 모터, 재충전 가능 배터리, 인버터, 입력 브리지 정류기 및/또는 출력 브리지 정류기가 온보드 충전 트랙션 시스템에 제공될 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 예를 들어, 2개의 모터가 전기차의 전륜 및 후륜을 개별적으로 구동할 수도 있고, 또는 유사하게 4개의 모터가 각각의 차륜을 개별적으로 구동할 수도 있다. 이하, 다수의 모터를 갖는 본 발명의 교시를 실시하기 위한 2개의 접근법이 도 18a 내지 도 20b를 참조하여 설명될 것이다.
도 18a 내지 도 18g는 본 발명의 교시의 예에 따른, 온보드 충전 트랙션 시스템의 하나 초과의 모터 및/또는 하나 초과의 배터리의 다양한 연결과 관련된 개략도를 도시하고 있다. 하나의 모터와 그 수반하는 충전기-인버터 시스템 또는 다수의 모터와 그 대응하는 충전기-인버터 시스템은 동일한 배터리 또는 상이한 배터리에 연결될 수도 있다. 충전기-인버터 시스템과 모터의 조합의 각각은 독립적으로 작동하여 배터리 또는 배터리들을 충전한다. 배터리는 서로간에 전기적인 연결 없이 분리될 수 있다. 대안적으로, 배터리의 적어도 일부는 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
도 19는 다른 예시적인 예에 따른 2개 이상의 충전기-인버터와 배터리의 연결에 관련된 개략도를 도시하고 있다. 이 시나리오에서, 2개 이상의 충전기-인버터는 충전 모드 하에서 충전 전력 경로의 상이한 스테이지로서 사용될 수도 있다. 더 특히, 시스템의 다수의 충전기-인버터 중 하나 이상의 충전기-인버터는 제1 스테이지로서 작동할 수도 있고, 반면, 다수의 충전기-인버터 중 다른 하나 이상의 충전기-인버터는 제2 DC/DC 스테이지로서 작동할 수도 있다. 제1 스테이지는 단일 또는 다중 위상을 위한 PFC 부스트 또는 부스트 컨버터 프론트 엔드일 수 있다. 제2 스테이지는 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다. 트랙션 모드 하에서, 2개 이상의 충전기-인버터는 독립적으로 또는 함께 작동될 수 있다.
도 19에 도시되어 있는 시스템을 트랙션 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K7, K8, K13, K17, K20)는 폐쇄되고 K3, K4, K5, K9, K10, K14, K15, K16, K18, K19 및 K21은 개방된다. 그 결과, 도 20a의 단순화된 회로도에 도시되어 있는 바와 같은 트랙션 전력 경로가 형성된다. 도 20a에서, 동일한 재충전 가능 배터리가 양 모터를 구동하기 위해 연결된다.
도 19에 도시되어 있는 시스템을 충전 모드로 구성하기 위해, 접촉기(K1, K2, K6, K7, K8, K13, K17, K20)는 개방되고 K3, K4, K5, K9, K10, K14, K15, K16, K18, K19 및 K21은 폐쇄된다. 그 결과, 도 20b의 단순화된 회로도에 도시되어 있는 바와 같은 충전 전력 경로가 형성된다. 시스템이 충전 모드로 구성될 때, 완전 3상 부스트 PFC 프론트 엔드 스테이지와 완전히 절연된 DC/DC 리어 엔드를 포함하는 완전히 절연된 2단 충전기가 제공된다. 프론트 엔드 스테이지에서, 권선 코일 A, 코일 B 및 코일 C는 부스트 인덕터로 작용하고, 인버터 1의 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6)는 부스트 PFC 스위치로 작용한다. 리어 DC/DC 스테이지에서, 인버터 2의 전원 스위치 디바이스(SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SW6)는 3상 H 브리지 드라이브를 구성하고, 권선 코일 A1, 코일 B1 및 코일 C1은 변압기의 1차 권선으로서 작용하고, 코일 A2, 코일 B2 및 코일 C2는 변압기의 2차 권선으로서 작용한다.
충전 모드 하에서, PFC Boost 프론트 엔드 스테이지는 그리드에 대한 역률 보정을 수행하는 동안, 그리드 다상 전압을 DC 전압으로 변환할 수도 있다. 이어서, 리어 엔드 스테이지의 H 브리지는 제1 스테이지로부터 DC 전력을 입력으로서 취하고, 이를 AC 전력으로 반전하고, 반전된 AC 전력을 모터 권선에 의해 형성된 변압기를 통해 전달할 수도 있어, 완전한 절연이 달성되게 된다. 변압기로부터 출력된 AC 전력은 출력 브리지 정류기에 그리고 이어서 출력 필터에 인가되어 재충전 가능 배터리를 충전하기 위한 DC 전력을 생성한다.
본 발명의 교시는 주로 전기차의 맥락에서 설명되었지만, 본 명세서에 개시된 발명적 개념 및 사상은 하나 이상의 전기 모터 및 하나 이상의 전기 에너지 저장 디바이스(재충전 가능 배터리와 같은)를 포함하는 임의의 전기 장치에 적용 가능하다. 이러한 전기 장치의 예는 플러그인 전기 하이브리드 차량, 전기 선박, 전기 비행기, 전기 기차, 전기 모터사이클, 전기 바이크, 전기 스케이트보드, 전동 공구, 전기 드론, 전기 잠수함 및 전기 불도저, 전기 트랙터, 전기 포크리프트, 전기 굴착기 등과 같은 전기 기계류를 포함되지만 이들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 개념 및 사상은 또한 방폭 전기차, 방폭 전동 공구, 방폭 트랙 차량 등과 같은 특수 목적의 전기 설비에 용례를 발견할 수 있다.
트랙션 모드와 충전 모드 사이의 연결을 재구성하는 데 사용되는 구성기는 기계식 스위치, 전기 자기 접촉기, 솔리드 스테이트 스위치 또는 전기 커플링을 분리하거나 연결할 수 있는 임의의 유형의 스위칭 메커니즘을 갖고 구성될 수 있다는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.
인버터는 임의의 다상 인버터일 수 있다는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다. 인버터의 전원 스위치 디바이스는 실리콘 IGBT 전력 모듈, MOSFET 또는 관련된 전력 레벨을 스위칭하기 위해 적합한 임의의 다른 전원 스위칭 디바이스일 수도 있다. 전원 스위치 디바이스는 실리콘, GaN, SiC 또는 임의의 다른 기술에 기초할 수도 있다.
본 발명의 교시를 실현하기 위해 채택된 모터는 이들에 한정되는 것은 아니지만 비동기 유도 모터, PMSM 모터, BLDC 모터, BLAC 모터, 릴럭턴스 모터를 포함하는 적어도 2개의 위상의 권선으로 구성된 임의의 유형의 모터일 수 있다는 것이 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.
본 발명의 교시는 전기차의 인버터(들) 및 모터(들)에 미리 존재하는 구성요소를 활용하기 때문에, 최대 충전 전력이 제한된다. 더 높은 전력 용량을 갖는 모터(들) 및 인버터(들)가 충전 전력 상한을 증가시키기 위해 사용될 수도 있다는 것이 통상의 기술자들에 의해 이해되어야 한다. 게다가, 차량으로부터의 요청시에, 충전 시스템은 최대 충전 레벨보다 낮은 전력으로 배터리를 충전하는 것이 가능하다.
본 명세서에 개시된 설계로, 모터(들)의 권선 및 인버터(들)의 전원 스위치 디바이스는 2단 부스트 및 벅 완전 절연 스위칭 전원을 형성하는 데 사용될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 설계로, 2개 이상의 권선 세트가 적어도 하나의 고정자 톱니 상에 제공될 수도 있다. 적어도 하나의 고정자 톱니는 모터 회전자의 회전 없이 1차 권선으로부터 2차 권선으로 전력을 전달하기 위해 변압기 코어로서 동작할 수도 있다.
본 명세서에 개시된 설계로, 일 단부의 권선이 원래 모터 스타 지점에 연결된 하나 이상의 모터 고정자는 접촉기 세트를 통해 모터 스타 지점으로부터 분리되고 2단 완전 절연 스위칭 전원의 구성요소를 형성하는 것이 가능하다.
본 명세서에 개시된 설계로, 접촉기 세트를 통해, 트랙션 모드에서 원래 전기적으로 연결된 권선은 충전 모드에서 2개의 세트의 완전 절연된 권선을 형성하는 데 사용될 수도 있다.
상기에는 본 발명의 교시 및/또는 다른 예를 구성하는 것으로 고려되는 것을 설명했지만, 다양한 수정이 그에 대해 이루어질 수도 있고 본 명세서에 개시된 주제는 다양한 형태 및 예에서 구현될 수도 있으며, 교시는 수많은 용례에서 적용될 수도 있는데, 그 단지 일부만이 본 명세서에 설명되어 있다는 것이 이해된다. 본 발명의 교시의 진정한 범주에 속하는 임의의 및 모든 용례, 수정 및 변형을 청구하는 것이 이하의 청구범위에 의해 의도된다.

Claims (20)

  1. 재충전 가능 배터리를 갖는 전기 장치에 존재하는 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템이며,
    복수의 고정자 톱니 및 상기 복수의 고정자 톱니 상에 권취된 복수의 고정자 권선들을 갖는 고정자를 포함하는 모터;
    복수의 전원 스위치 디바이스들을 포함하는 인버터;
    출력 정류기;
    상기 복수의 고정자 권선들 및 상기 복수의 전원 스위치 디바이스들과 결합된 복수의 접촉기들을 포함하는 구성기; 및
    트랙션 모드 및 충전 모드 중 하나에서 동작하도록 상기 시스템을 구성하기 위해, 상기 복수의 전원 스위치 디바이스들 및 상기 복수의 접촉기들을 제어하기 위한 제어기를 포함하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트랙션 모드 하에서, 상기 재충전 가능 배터리는 상기 인버터를 통해 상기 모터에 전기 에너지를 공급하고;
    상기 충전 모드 하에서, 상기 복수의 전원 스위치 디바이스들 및 상기 고정자 권선들과 연관된 연결들은 상기 재충전 가능 배터리를 충전하기 위해 외부 전원으로부터 전기 에너지를 끌어오는 충전기를 형성하도록 상기 구성기에 의해 구성되는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모터의 적어도 하나의 고정자 톱니 상의 고정자 권선은 2개 이상의 코일들로 분할되고;
    상기 충전 모드 하에서, 상기 2개 이상의 코일들 및 대응하는 고정자 톱니는 상기 충전기에 변압기를 형성하고;
    상기 트랙션 모드 하에서, 상기 2개 이상의 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결되어 위상 권선을 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 외부 전원은 다상 전원이고;
    상기 시스템은 입력 브리지 정류기를 더 포함하고;
    상기 입력 브리지 정류기, 상기 충전기 및 상기 출력 정류기는, 부스트 컨버터를 갖는 브리지 정류기 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연된 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 전력 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 모터의 하나 이상의 고정자 톱니 상의 적어도 하나의 고정자 권선은 상기 부스트 컨버터의 적어도 하나의 부스트 인덕터를 구성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 외부 전원은 단일 또는 분할 단상 전원이고;
    상기 시스템은 입력 브리지 정류기를 더 포함하고;
    상기 입력 브리지 정류기, 상기 충전기 및 상기 출력 정류기는, 부스트 컨버터를 갖는 브리지 PFC 정류기 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연된 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 모터의 하나 이상의 고정자 톱니 상의 적어도 하나의 고정자 권선은 상기 부스트 컨버터의 적어도 하나의 부스트 인덕터를 구성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 외부 전원은 다상 전원이고;
    상기 충전기 및 상기 출력 정류기는 다상 부스트 PFC 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 외부 전원은 단상 또는 단일 분할상 전원이고;
    상기 충전기 및 상기 출력 정류기는 단상 부스트 PFC 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 외부 전원은 단상 또는 단일 분할상 전원이고;
    상기 시스템은 2개의 다이오드들을 더 포함하고, 상기 2개의 다이오드들, 상기 충전기 및 상기 출력 정류기는 단상 토템폴 부스트 PFC 프론트 엔드 스테이지인 제1 스테이지 및 절연 DC/DC 리어 엔드 스테이지인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템.
  11. 재충전 가능 배터리를 갖는 전기 장치에 존재하는 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법이며,
    제어기의 제어 하에서, 구성기를 통해, 트랙션 모드에서 동작하도록 상기 시스템을 구성하는 단계;
    상기 재충전 가능 배터리의 충전 요청의 수신시에, 상기 구성기를 통해, 충전 모드에서 동작하도록 상기 시스템을 구성하는 단계; 및
    상기 재충전 가능 배터리와 연관된 기준이 충족된 것으로 결정시에, 상기 구성기를 통해, 상기 트랙션 모드에서 동작하도록 상기 시스템을 구성하는 단계를 포함하고,
    상기 시스템은 상기 제어기, 상기 구성기, 모터, 인버터 및 출력 정류기를 포함하고, 상기 모터는 복수의 고정자 톱니 및 상기 복수의 고정자 톱니 상에 권취된 복수의 고정자 권선들을 갖는 고정자를 포함하고, 상기 인버터는 복수의 전원 스위치 디바이스들을 포함하고, 상기 구성기는 상기 복수의 고정자 권선들 및 상기 복수의 전원 스위치 디바이스들과 결합된 복수의 접촉기들을 포함하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 트랙션 모드 하에서, 상기 재충전 가능 배터리는 상기 인버터를 통해 상기 모터에 전기 에너지를 공급하고;
    상기 충전 모드 하에서, 상기 복수의 전원 스위치 디바이스들 및 상기 고정자 권선들과 연관된 연결들은 상기 재충전 가능 배터리를 충전하기 위해 외부 전원으로부터 전기 에너지를 끌어오는 충전기를 형성하도록 상기 구성기에 의해 구성되는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 모터의 적어도 하나의 고정자 톱니 상의 고정자 권선은 2개 이상의 코일들로 분할되고;
    상기 충전 모드 하에서, 상기 2개 이상의 코일들 및 대응하는 고정자 톱니는 상기 충전기에 변압기를 형성하고;
    상기 트랙션 모드 하에서, 상기 2개 이상의 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결되어 위상 권선을 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 외부 전원은 다상 전원이고;
    상기 시스템은 입력 브리지 정류기를 더 포함하고;
    상기 입력 브리지 정류기, 상기 충전기 및 상기 출력 정류기는, 부스트 컨버터를 갖는 브리지 정류기 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연된 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 전력 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 모터의 하나 이상의 고정자 톱니 상의 적어도 하나의 고정자 권선은 상기 부스트 컨버터의 적어도 하나의 부스트 인덕터를 구성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 외부 전원은 단일 또는 분할 단상 전원이고;
    상기 시스템은 입력 브리지 정류기를 더 포함하고;
    상기 입력 브리지 정류기, 상기 충전기 및 상기 출력 정류기는, 부스트 컨버터를 갖는 브리지 PFC 정류기 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연된 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 모터의 하나 이상의 고정자 톱니 상의 적어도 하나의 고정자 권선은 상기 부스트 컨버터의 적어도 하나의 부스트 인덕터를 구성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 외부 전원은 다상 전원이고;
    상기 충전기 및 상기 출력 정류기는 다상 부스트 PFC 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 외부 전원은 단상 또는 단일 분할상 전원이고;
    상기 충전기 및 상기 출력 정류기는 단상 부스트 PFC 프론트 엔드인 제1 스테이지 및 절연 DC/DC 리어 엔드인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 외부 전원은 단상 또는 단일 분할상 전원이고;
    상기 시스템은 2개의 다이오드들을 더 포함하고, 상기 2개의 다이오드들, 상기 충전기 및 상기 출력 정류기는 단상 토템폴 부스트 PFC 프론트 엔드 스테이지인 제1 스테이지 및 절연 DC/DC 리어 엔드 스테이지인 제2 스테이지를 포함하는 2개의 스테이지들을 갖는 충전 경로를 형성하는, 재구성 가능한 트랙션 충전 시스템을 구현하기 위한 방법.
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