KR20240014856A

KR20240014856A - 모터 구동 장치

Info

Publication number: KR20240014856A
Application number: KR1020220092536A
Authority: KR
Inventors: 장한근; 박내춘; 김인호; 신상철; 정철우
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2022-07-26
Filing date: 2022-07-26
Publication date: 2024-02-02
Also published as: US20240039435A1; DE102023102252A1; CN117458919A

Abstract

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선을 갖는 모터를 구동하는 모터 구동 장치가 개시된다. 상기 모터 구동 장치는, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제1 권선을 갖는 제1 모터; 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 갖는 제2 모터; 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 인버터; 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자를 포함하는 제1 절환 스위치; 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단, 또는 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단을 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 포함하는 제2 절환 스위치; 및 기 설정된 조건을 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자, 상기 복수의 제2 스위칭 소자, 상기 복수의 제3 스위칭 소자 및 상기 복수의 스위치의 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동 장치{MOTOR DRIVING APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 모터 구동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 모터를 주행 상황에 따라 효율적으로 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 하이브리드 자동차(HEV: Hybrid Electric Vehicle), 전기차(EV: Electric Vehicle) 등과 같은 전동화 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.

한편, 전동화 차량에도 주 구동륜과 보조 구동륜 각각에 서로 다른 모터를 배치하여 사륜 구동 파워 트레인이 구현될 수 있다. 그런데, 두 모터를 각각 제어하기 위해서는 모터별로 별도의 인버터가 구비되는 것이 일반적이다. 이러한 경우, 개별 인버터의 실장을 위한 차량 내 공간이 필요하며, 차량 가격 또한 상승하는 문제점이 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 절환 가능함은 물론, 두 개의 모터를 함께 구동할 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 제1 권선을 갖는 제1 모터; 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 갖는 제2 모터; 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터; 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 인버터; 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자를 포함하는 제1 절환 스위치; 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단, 또는 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단을 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 포함하는 제2 절환 스위치; 및 기 설정된 조건을 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자, 상기 복수의 제2 스위칭 소자, 상기 복수의 제3 스위칭 소자 및 상기 복수의 스위치의 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 장치를 제공한다.

예를 들어, 상기 제2 절환 스위치는, 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단을 연결하는 제1 상태; 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단을 연결하는 제1 상태; 및 상기 제2 인버터, 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단 및 복수의 제1 권선 각각의 제2 단을 서로 전기적으로 단절시키는 오프 상태를 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 기 설정된 조건은, 상기 제2 모터의 구동 요구를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 모터의 구동 요구가 있는 경우, 상기 제1 절환 스위치를 온시키고, 상기 제2 절환 스위치를 상기 제1 상태로 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 모터의 구동 요구가 있는 경우, 상기 제2 모터의 구동 요구에 따라 상기 제2 인버터를 PWM 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 제1 모터에 대한 토크 지령을 기반으로 상기 제1 모터의 구동 모드를 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 오픈 엔드 와인딩 모드 중 어느 하나로 결정할 수 있다.

예를 들어, 상기 컨트롤러는, 토크 지령에 대응되는 상기 제1 모터의 역자속을 기반으로 상기 구동 모드를 결정할 수 있다.

예를 들어, 상기 컨트롤러는, 토크와 RPM에 따른 운전점별로 상기 구동 모드가 미리 설정된 맵을 기반으로 상기 구동 모드를 결정할 수 있다.

예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 결정한 경우, 상기 제2 인버터를 오프시키고, 상기 제1 절환 스위치를 온시키며, 상기 제2 절환 스위치를 오프시키고, 상기 제1 인버터를 PWM 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 구동 모드를 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 결정한 경우, 상기 제1 절환 스위치를 오프시키며, 상기 제2 절환 스위치를 상기 제2 상태로 제어하고, 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 PWM 제어할 수 있다.

예를 들어, 상기 컨트롤러는, 상기 제2 모터에 대한 구동 요구가 없을 때 상기 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 상기 오픈 엔드 와인딩 모드 중 어느 하나로 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제1 권선을 갖는 제1 모터, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 갖는 제2 모터, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터 및 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 인버터를 포함하는 모터 구동 장치의 제어 방법은, 상기 제2 모터의 구동 요구 여부를 판단하는 단계; 상기 제2 모터의 구동 요구가 있는 경우, 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자를 포함하는 제1 절환 스위치를 온시키는 단계; 제2 절환 스위치를 통해 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단을 연결시키는 단계; 및 상기 제2 인버터를 PWM 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 방법은 상기 제2 모터의 구동 요구가 없는 경우, 상기 제1 모터에 대한 토크 지령을 기반으로 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 오픈 엔드 와인딩 모드 중 어느 하나로 상기 제1 모터의 구동 모드를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 방법은 상기 판단 결과 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 판단된 경우, 상기 제1 절환 스위치를 온시키는 단계; 상기 제2 절환 스위치를 오프시키는 단계; 및 상기 제2 인버터를 오프시키고 상기 제1 인버터를 PWM 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 방법은 상기 판단 결과 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 판단된 경우, 상기 제1 절환 스위치를 오프시키는 단계; 상기 제2 절환 스위치를 통해 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단을 연결시키는 단계; 및 상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 PWM 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 모터의 구동 요구는, 사륜 구동 요구를 포함할 수 있다.

상기 모터 구동 장치에 따르면, 단일 모터를 구동할 경우 모터의 역자속과 요구 출력에 기반하여 모터 구동 모드를 절환 가능하여, 주행 상황에 따라 선택적으로 효율을 높이거나 출력을 높일 수 있다.

뿐만 아니라, 단일 모터 구동 시스템으로 두 개의 모터를 동시에 구동할 수 있어 모터별 별도의 인버터를 사용하는 구조 대비 차량 내 공간 효율이 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 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일 구동 모드에 따른 구성 요소간 연결 상태의 일례를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 구동 모드에 따른 구성 요소간 연결 상태의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 구동 모드에 따른 구성 요소간 연결 상태의 일례를 나타낸다.
도 5는 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 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 회로도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선(C1-C3)을 갖는 제1 모터(50) 및 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 권선(C4-C6)을 갖는 제2 모터(60)로 구동 전력을 공급하는 모터 구동장치로서, 복수의 제1 스위칭 소자(S11-S16)를 포함하며 제1 모터(50)의 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터(10)와, 복수의 제2 스위칭 소자(S21-S26)를 포함하는 제2 인버터(20)와, 제1 모터(50)의 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고 그 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33)를 포함하는 제1 절환 스위치(30)와, 제2 인버터(20)와 제1 모터(50)의 권선 각각의 제2 단 또는 제2 인버터(20)와 제2 모터(60)의 권선 각각의 제1 단을 선택적으로 연결하는 복수의 스위치(S41, S42, S43)를 포함하는 제2 절환 스위치(40), 및 기 설정된 조건을 기반으로 제1 스위칭 소자(S11-S16), 제2 스위칭 소자(S21-S26), 제3 스위칭 소자(S31-S33)의 온/오프 여부와 스위치(S41-S43)의 상태를 제어하는 컨트롤러(70)를 포함할 수 있다.

여기서, 제2 모터(60)의 권선 각각의 일단은 제2 절환 스위치(40)와 연결되고, 타단은 상호 연결될 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 모터 구동 장치가 차량에 적용될 때, 제1 모터(50)는 주 구동륜과 연결되는 주 구동 모터로 기능할 수 있으며, 제2 모터(60)는 보조 구동륜과 연결되는 보조 구동 모터로 기능할 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제2 모터(60)는 하이브리드 자동차에 구비될 경우 시동 발전 모터(HSG: Hybrid Starter Generator)로 기능할 수도 있다.

제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)는 배터리(미도시)에 저장된 직류 전력을 삼상의 교류 전력으로 변환하여 모터(50, 60)로 제공하거나, 회생 제동 시 모터(50, 60)의 회생 제동 토크 발생으로 인해 생성되는 회생 제동 에너지를 직류로 변환하여 배터리(50)로 제공할 수 있다(단, 제2 모터(60)는 제2 인버터(20)에 의해서 동작함). 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 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(11-13)를 포함할 수 있다. 각 레그(11-13)는 제1 모터(50)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 제1 모터(50) 내 한 상의 권선(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 제1 모터(50) 내 한 상의 권선(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 제1 모터(50) 내 한 상의 권선(C3)의 일단에 연결될 수 있다.

제2 인버터(20) 역시 제1 인버터(10)와 유사한 구성을 가질 수 잇다. 제2 인버터(20)는 직류 전압이 인가되는 복수의 레그(21-23)를 포함할 수 있다. 각 레그(21-23)는 제2 절환 스위치(40)의 상태에 따라 제1 모터(50) 또는 제2 모터(60)의 복수의 상에 대응되어 전기적 연결이 형성될 수 있다.

제1 절환 스위치(30)의 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33)는 제1 모터(50)에 포함된 복수의 권선(C1-C3) 각각의 타단에 일단이 각각 연결되고 그 타단은 상호간에 연결될 수 있다.

제3 스위칭 소자(S31-S33)는 MOSFET, IGBT, 사이리스터, 릴레이 등과 같이 당 기술 분야에 알려진 다양한 스위칭 수단이 채용될 수 있다.

제2 절환 스위치(40)의 복수의 스위치(S41-S43)는 세 가지 상태를 가질 수 있다. 제1 상태는 제1 모터(50)와 제2 인버터(20)를 전기적으로 연결시키는 상태이며, 제2 상태는 제2 모터(60)와 제2 인버터(20)를 전기적으로 연결시키는 상태이며, 오프 상태는 제1 모터(50), 제2 모터(60) 및 제2 인버터(20)를 서로 전기적으로 단절시키는 상태를 의미한다.

이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 실시예에 따른 모터 구동 장치의 구동 모드를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일 구동 모드에 따른 구성 요소간 연결 상태의 일례를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 제1 절환 스위치(10)가 온되는 경우(즉, 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33)가 온 됨) 제1 모터(50)의 권선(C1-C3)의 타단은 상호 전기적인 접속을 형성하게 되어 제1 모터(50)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), 제2 절환 스위치(40)를 오프 상태로 하며, 제1 인버터(10)의 제1 스위칭 소자(S11-S16)만 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 함으로써 제1 모터(50)를 구동할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 구동 모드에 따른 구성 요소간 연결 상태의 일례를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 제1 절환 스위치(30)가 오프되고(즉, 복수의 제3 스위칭 소자(S31-S33)가 오프된 상태) 제2 절환 스위치(40)가 제1 상태로 제어되는 경우에 제1 모터(50)의 권선(C1-C3)의 양단은 각각 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)에 연결된 상태가 된다. 따라서, 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 제1 모터(50)를 구동할 수 있다.

당 기술 분야에서, 도 2에 도시된 상태와 같이 제1 절환 스위치(30)를 온 시켜 제1 모터(50)의 권선(C1-C3)의 타단을 결선시키고 제2 절환 스위치(40)를 오프시켜 제1 인버터(10)만 활성화 하여 제1 모터(50)를 구동하는 모드를 클로즈드 엔드 와인딩(Closed End Winding: CEW) 모드 또는 Y-결선 모드라 할 수 있다.

클로즈드 엔드 와인딩 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(70)가 제1 인버터(10)의 직류 전압과 제1 모터(50)로 제공되는 상전류 및 제1 모터(50)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 모터를 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.

또한, 도 3에 도시된 상태와 같이 제1 절환 스위치(30)를 오프시키고 제2 절환 스위치(40)를 제1 상태로 제어하여 제1 모터(50)의 권선(C1-C3)의 양단에 각각 연결된 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)를 모두 활성화 하여 제1 모터(50)를 구동하는 모드를 오픈 엔드 와인딩(Open End Winding: OEW) 모드라 칭할 수 있다.

오픈 엔드 와인딩 모드에서의 모터 구동은, 컨트롤러(70)가 제1 인버터(10) 및 제2 인버터(20)의 직류 전압과 제1 모터(50)로 제공되는 상전류 및 제1 모터(50)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.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 구동 모드에 따른 구성 요소간 연결 상태의 일례를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 제1 절환 스위치(30)를 온 시켜 제1 모터(50)의 권선(C1-C3)의 타단을 결선시키고, 제2 절환 스위치(40)를 제2 상태로 제어하여 제2 인버터(20)의 각 권선(C4-C6)이 제2 인버터(20)에 연결시키는 경우, 제1 모터(50)는 제1 인버터(10)에 의해 CEW 모드로, 제2 모터(60)는 제2 인버터(20)에 의해 각각 구동될 수 있다. 제1 모터(50)와 제2 모터(60)가 각각 상이한 구동륜에 대응되는 경우, 이러한 구동 모드를 사륜구동 모드라 칭할 수 있다.

이하에서는 각 구동 모드를 선택하기 위한 컨트롤러(70)의 동작을 설명한다.

컨트롤러(70)는 기본적으로는 제1 모터(50)와 제2 모터(60)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. 특히, 본 발명의 여러 실시형태에서, 컨트롤러(70)는 기 설정된 조건에 따라 구동 모드를 결정하고 그에 따라 제1 절환 스위치(30)와 제2 절환 스위치(40)의 상태를 결정하며 모드에 따라 활성화 되는 인버터의 스위칭 소자를 펄스폭 변조 제어를 통해 스위칭 할 수 있다.

예컨대, 기 설정된 조건은 전술한 모터 구동 장치가 주 구동륜과 보조 구동륜 각각에 서로 다른 모터가 대응되는 차량에 탑재될 경우, 사륜 구동 요구 조건과, 요구 토크에 따른 역자속 조건의 만족 여부일 수 있다.

사륜 구동 요구 조건은 운전자의 터레인(Terrain) 모드 선택이나 4WD/AWD 모드 선택이 있는 경우, 전자 자세 제어(ESC: Electronic Stability Control) 장치나 트랙션 컨트롤 시스템(TCS: Traction Control System)에서 휠슬립을 감지하거나 자세 제어가 요구되는 경우, 기타 상시 사륜 구동 모드에서 구동력 분배를 담당하는 제어기가 보조 구동륜의 개입을 결정한 경우 등에 만족될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 사륜 구동 요구 조건이 만족되면, 컨트롤러(70)는 도 4를 참조하여 전술한 바와 같이 사륜 구동 모드 제어를 수행할 수 있다.

본 실시예의 다른 양상에 의하면, 제1 모터(50)가 구동 모터이고 제2 모터(60)가 시동발전 모터인 하이브리드 자동차에서 엔진 크랭킹이나 시리즈(HEV-Series) 모드로 발전이 필요한 경우에도 컨트롤러(70)는 도 4를 참조하여 전술한 바와 같은 모터 구동 장치의 제어가 가능하다.

한편, 사륜 구동 요구 조건이 만족되지 않는 경우, 제2 모터(60)의 구동이 불필요하므로, 컨트롤러(70)는 요구 토크와 그에 따른 역자속 조건을 기반으로 제1 모터(50)를 OEW 모드 또는 CEW 모드로 구동할 수 있다.

더욱 상세하게, 전동화 차량의 파워 트레인에 대한 전반적인 제어를 수행하는 상위 제어기(예컨대, 차량 통합 제어기나 하이브리드 제어기)는 운전자의 가속 페달 조작량이나 ADAS/자율 주행 제어기의 가감속 요청을 요구 토크로 해석하고, 해석 결과에 대응되는 토크 지령을 컨트롤러(70)로 전달하는 것이 일반적이다.

컨트롤러(70)는 토크별 제1 모터(50)의 역자속값이 저장된 테이블을 참조하는 방식 등으로 토크 지령에 대응되는 역자속을 판단하고, 판단된 역자속이 제1 인버터(10)에 대한 약자속 진입 제어를 발생시키지 않는 값에 해당하는 경우 CEW 모드로 구동 모드를 결정하고, 그렇지 않은 경우 OEW 모드로 구동 모드를 결정할 수 있다. 여기서 역자속값은 제1 인버터(10)의 직류단 양단 전압과 제1 모터(50)의 속도의 비율을 의미할 수 있다. 다시 말해, 컨트롤러(70)는 요구 토크, RPM 및 인버터에 인가되는 직류 전압을 기반으로 모터 구동 모드를 결정할 수 있다.

이와 달리, 컨트롤러(70)는 상술한 원리를 기반으로 토크와 RPM으로 정의되는 운전점 맵에서 모드 전환 기준선을 기반으로 맵을 CEW 영역과 OEW 영역으로 분할하고, 요구 토크에 따른 운전점이 해당 맵에서 어느 영역에 속하는지 조회하는 방식으로 모터 구동 모드를 판단할 수도 있다.

지금까지 설명한 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법을 순서도로 정리하면 도 5와 같다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 제어 방법의 일례를 나타내는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 컨트롤러(100)는 4륜 구동이 요구되는 경우(S510의 Yes), 제1 절환 스위치(30)를 온 시키고, 제2 절환 스위치(40)를 제1 상태로 제어하며, 제1 인버터(10)를 PWM 제어하여 제1 모터(50)를 구동하고, 제2 인버터(20)를 PWM 제어하여 제2 모터(60)를 구동할 수 있다(S530A).

만일, 4륜 구동이 요구되지 않는 경우(S510의 No), 컨트롤러(100)는 기 설정된 조건에 따라 모터 구동 모드를 결정하여(S520), CEW 모드로 결정한 경우 제1 제1 절환 스위치(30)를 온 시키고, 제2 절환 스위치(40)를 오프 상태로 제어하며, 제2 인버터(20)를 오프시킨 상태에서 제1 인버터(10)를 PWM 제어하여 제1 모터(50)를 CEW 모드로 구동할 수 있다.

이와 달리, 컨트롤러(100)가 OEW 모드로 결정한 경우, 제1 절환 스위치(30)를 오프시키고 제2 절환 스위치(40)를 제2 상태로 제어하며, 제1 인버터(10)와 제2 인버터(20)를 PWM 제어하여 제1 모터(50)를 OEW 모드로 구동할 수 있다.

도 5에서는 제1 모터(50)와 제2 모터(60) 각각을 구동할 수 있는 모터 구동 모드의 진입 조건으로 4륜 구동 요구가 있는 경우로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로, 제2 모터(60)의 구동 요구가 수반된다면 어떠한 조건에도 한정되지 아니한다.

지금까지 설명한 본 발명의 실시예들에 의하면, 단일 모터 구동 시스템을 통하여 하나의 모터를 CEW 모드와 OEW 모드 중 하나로 선택적으로 구동할 수 있음은 물론, 별도의 추가 인버터 없이도 다른 모터까지 구동할 수 있다. 이를 통해 요구출력이 낮은 운전점 영역에서는 CEW 모드로 모터의 고효율 구동이 가능하며, 요구 출력이 높은 운전점 영역에서는 OEW 모드로 모터의 고출력 구동이 가능하다. 아울러, 차량 구성에 따라 사륜 구동 모드의 구현이나 시동 발전 모터의 구동도 함께 가능하다.

한편, 전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10: 제1 인버터 20: 제2 인버터
30: 제1 절환 스위치 40: 제2 절환 스위치
50: 제1 모터 60: 제2 모터
70: 컨트롤러
S11-S16: 제1 스위칭 소자 S21-S26: 제2 스위칭 소자
S31-S33: 제3 스위칭 소자 S41-S43: 스위치
C1-C3: 제1 모터의 권선 C4-C6: 제2 모터의 권선

Claims

복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제1 권선을 갖는 제1 모터;
복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 갖는 제2 모터;
복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터;
복수의 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 인버터;
상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자를 포함하는 제1 절환 스위치;
상기 제2 인버터와 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단, 또는 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단을 선택적으로 연결하는 복수의 스위치를 포함하는 제2 절환 스위치; 및
기 설정된 조건을 기반으로 상기 복수의 제1 스위칭 소자, 상기 복수의 제2 스위칭 소자, 상기 복수의 제3 스위칭 소자 및 상기 복수의 스위치의 상태를 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 모터 구동 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 절환 스위치는,
상기 제2 인버터와 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단을 연결하는 제1 상태;
상기 제2 인버터와 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단을 연결하는 제1 상태; 및
상기 제2 인버터, 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단 및 복수의 제1 권선 각각의 제2 단을 서로 전기적으로 단절시키는 오프 상태;
를 갖는, 모터 구동 장치.
제2 항에 있어서,
상기 기 설정된 조건은, 상기 제2 모터의 구동 요구를 포함하고,
상기 컨트롤러는, 상기 제2 모터의 구동 요구가 있는 경우,
상기 제1 절환 스위치를 온시키고,
상기 제2 절환 스위치를 상기 제1 상태로 제어하는, 모터 구동 장치.
제3 항에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 제2 모터의 구동 요구가 있는 경우,
상기 제2 모터의 구동 요구에 따라 상기 제2 인버터를 PWM 제어하는, 모터 구동 장치.
제2 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 제1 모터에 대한 토크 지령을 기반으로 상기 제1 모터의 구동 모드를 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 오픈 엔드 와인딩 모드 중 어느 하나로 결정하는, 모터 구동 장치.
제5 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
토크 지령에 대응되는 상기 제1 모터의 역자속을 기반으로 상기 구동 모드를 결정하는, 모터 구동 장치.
제5 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
토크와 RPM에 따른 운전점별로 상기 구동 모드가 미리 설정된 맵을 기반으로 상기 구동 모드를 결정하는, 모터 구동 장치.
제5 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 결정한 경우,
상기 제2 인버터를 오프시키고,
상기 제1 절환 스위치를 온시키며,
상기 제2 절환 스위치를 오프시키고,
상기 제1 인버터를 PWM 제어하는, 모터 구동 장치.
제5 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 구동 모드를 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 결정한 경우,
상기 제1 절환 스위치를 오프시키며,
상기 제2 절환 스위치를 상기 제2 상태로 제어하고,
상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 PWM 제어하는, 모터 구동 장치.
제5 항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 제2 모터에 대한 구동 요구가 없을 때 상기 구동 모드를 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 상기 오픈 엔드 와인딩 모드 중 어느 하나로 결정하는, 모터 구동 장치.
복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제1 권선을 갖는 제1 모터, 복수의 상에 각각 대응되는 복수의 제2 권선을 갖는 제2 모터, 복수의 제1 스위칭 소자를 포함하며 상기 복수의 제1 권선 각각의 제1 단에 연결된 제1 인버터 및 복수의 제2 스위칭 소자를 포함하는 제2 인버터를 포함하는 모터 구동 장치의 제어 방법에 있어서,
상기 제2 모터의 구동 요구 여부를 판단하는 단계;
상기 제2 모터의 구동 요구가 있는 경우, 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단에 일단이 각각 연결되고, 타단이 상호 연결된 복수의 제3 스위칭 소자를 포함하는 제1 절환 스위치를 온시키는 단계;
제2 절환 스위치를 통해 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제2 권선 각각의 제1 단을 연결시키는 단계; 및
상기 제2 인버터를 PWM 제어하는 단계를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
제11 항에 있어서,
상기 제2 모터의 구동 요구가 없는 경우, 상기 제1 모터에 대한 토크 지령을 기반으로 클로즈드 엔드 와인딩 모드와 오픈 엔드 와인딩 모드 중 어느 하나로 상기 제1 모터의 구동 모드를 판단하는 단계를 더 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
제12 항에 있어서,
상기 판단 결과 상기 클로즈드 엔드 와인딩 모드로 판단된 경우,
상기 제1 절환 스위치를 온시키는 단계;
상기 제2 절환 스위치를 오프시키는 단계; 및
상기 제2 인버터를 오프시키고 상기 제1 인버터를 PWM 제어하는 단계를 더 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
제12 항에 있어서,
상기 판단 결과 상기 오픈 엔드 와인딩 모드로 판단된 경우,
상기 제1 절환 스위치를 오프시키는 단계;
상기 제2 절환 스위치를 통해 상기 제2 인버터와 상기 복수의 제1 권선 각각의 제2 단을 연결시키는 단계; 및
상기 제1 인버터 및 상기 제2 인버터를 PWM 제어하는 단계를 더 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.
제11 항에 있어서,
상기 제2 모터의 구동 요구는,
사륜 구동 요구를 포함하는, 모터 구동 장치의 제어 방법.