KR100986057B1 - 전기자동차의 동력 시스템 - Google Patents

전기자동차의 동력 시스템 Download PDF

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Abstract

전기자동차의 동력 시스템은, 연료의 연소를 통하여 동력을 생성하는 엔진; 전기에너지를 저장하는 배터리; 상기 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 엔진의 시동을 위한 동력을 발생하거나 상기 엔진의 동력을 이용하여 전기에너지를 생성하는 3상 동기기; 및 제어유닛을 포함한다. 제어유닛은, 상기 3상 동기기의 작동 및 상기 3상 동기기와 상기 배터리 사이의 전기에너지의 흐름을 제어하며, 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에 상기 엔진의 구동을 정지시키기 위한 아이들 스톱 신호를 생성하고, 상기 아이들 스톱 신호에 의해 상기 엔진의 구동이 정지된 상태에서 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에 상기 배터리의 직류전원을 상기 3상 동기기를 구동할 수 있는 교류전원으로 변환하여 상기 3상 동기기로 인가하며, 상기 엔진이 시동된 후에는 상기 3상 동기기에 의해 생성되는 교류전원을 동기정류를 통하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 직류전원으로 변환하여 상기 배터리로 인가한다.
Figure R1020040111261
3상 동기기, 여자, 시동, 발전, 모스펫

Description

전기자동차의 동력 시스템{POWER SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES}
도1은 본 발명의 실시예에 의한 전기자동차의 동력 시스템을 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도2는 본 발명의 실시예에 의한 전기자동차의 동력 시스템의 제어유닛을 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도3은 도2의 제어유닛의 모드판별부의 입출력을 예시적으로 보여주는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 엔진 120: 배터리
130: 3상 동기기 140: 제어유닛
209: 제1 U상 모스펫 211: 제2 U상 모스펫
213: 제1 V상 모스펫 215: 제2 V상 모스펫
217: 제1 W상 모스펫 219: 제2 W상 모스펫
257: 제1비교기 259: 제2비교기
261: 제3비교기 269: 제1스위치
271: 제2스위치 273: 제3스위치
281: 제1게이트드라이버 283: 제2게이트드라이버
285: 제3게이트드라이버
본 발명은 전기자동차의 동력 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아이들 스톱 기능을 구비하는 전기자동차의 동력 시스템에 관한 것이다.
하이브리드 전기자동차와 같은 다양한 전기자동차에 있어서, 차량의 주행 대기 상태에서 엔진 공회전(engine idling)에 의한 불필요한 연료의 소비를 줄이기 위한 방안으로써 엔진의 공회전 중 엔진의 작동을 중지시키는 기능인 소위 아이들 스톱 기능이 보편적으로 채택되고 있다.
아이들 스톱 기능을 통한 연료 소비를 보다 효과적으로 줄일 수 있는 다양한 방안들이 제시되었으나, 많은 개선의 여지를 남기고 있다.
본 발명의 목적은 효율적인 발전 및 동력 제어가 가능하고 연료소비량 저감이 가능한 전기자동차의 동력 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 전기자동차의 동력 시스템은, 연료의 연소를 통하여 동력을 생성하는 엔진; 전기에너지를 저장하는 배터리; 상기 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 엔진의 시동을 위한 동력을 발생하거나 상기 엔진의 동력을 이용하여 전기에너지를 생성하는 3상 동기기; 및 제어유 닛을 포함한다. 제어유닛은, 상기 3상 동기기의 작동 및 상기 3상 동기기와 상기 배터리 사이의 전기에너지의 흐름을 제어하며, 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에 상기 엔진의 구동을 정지시키기 위한 아이들 스톱 신호를 생성하고, 상기 아이들 스톱 신호에 의해 상기 엔진의 구동이 정지된 상태에서 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에 상기 배터리의 직류전원을 상기 3상 동기기를 구동할 수 있는 교류전원으로 변환하여 상기 3상 동기기로 인가하며, 상기 엔진이 시동된 후에는 상기 3상 동기기에 의해 생성되는 교류전원을 동기정류를 통하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 직류전원으로 변환하여 상기 배터리로 인가한다.
상기 제어유닛은: 적어도 하나의 차량 구동 조건에 기초하여 상기 설정된 아이들 스톱 조건 또는 상기 설정된 엔진 재시동 조건이 만족되었는지를 판단하며, 상기 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에 해당하는 아이들 스톱 신호를 출력하고, 상기 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에 해당하는 엔진 재시동 신호를 출력하는 모드 판별부; 상기 배터리의 전압에 기초하여 상기 3상 동기기로 인가되는 여자전류를 제어하며, 상기 모드 판별부로부터 상기 엔진 재시동 신호를 수신할 수 있도록 상기 모드 판별부에 연결되며, 상기 모드 판별부로부터 상기 엔진 재시동 신호가 수신되는 경우에 시동 스위칭 신호를 출력하고, 상기 엔진의 시동이 완료된 것으로 판단되면 발전 스위칭 신호, U상 시동제어 펄스폭변조신호, V상 시동제어 펄스폭변조신호, W상 시동제어 펄스폭변조신호를 출력하는 모드/여자 제어기; 그 드레인 단자가 상기 배터리의 양극에 연결되며, 그 소스 단자는 상기 3상 동기기의 U상 출력단에 연결되는 제1 U상 모스펫; 그 드레인 단자가 상기 제1 U상 모스펫의 소스 단자와 상기 3상 동기기의 U상 출력단에 각각 연결되며, 그 소스 단자는 접지되는 제2 U상 모스펫; 그 드레인 단자가 상기 배터리의 양극에 연결되며, 그 소스 단자는 상기 3상 동기기의 V상 출력단에 연결되는 제1 V상 모스펫; 그 드레인 단자가 상기 제1 V상 모스펫의 소스 단자와 상기 3상 동기기의 V상 출력단에 각각 연결되며, 그 소스 단자는 접지되는 제2 V상 모스펫; 그 드레인 단자가 상기 배터리의 양극에 연결되며, 그 소스 단자는 상기 3상 동기기의 W상 출력단에 연결되는 제1 W상 모스펫; 그 드레인 단자가 상기 제1 W상 모스펫의 소스 단자와 상기 3상 동기기의 W상 출력단에 각각 연결되며, 그 소스 단자는 접지되는 제2 W상 모스펫; 상기 제1 U상 모스펫의 드레인 단자의 전압과 소스 단자의 전압을 비교하여 상기 제1 및 제2 U상 모스펫의 구동을 제어하기 위한 게이트신호를 출력하는 제1 비교기; 상기 제1 V상 모스펫의 드레인 단자의 전압과 소스 단자의 전압을 비교하여 상기 제1 및 제2 V상 모스펫의 구동을 제어하기 위한 게이트신호를 출력하는 제2 비교기; 상기 제1 W상 모스펫의 드레인 단자의 전압과 소스 단자의 전압을 비교하여 상기 제1 및 제2 W상 모스펫의 구동을 제어하기 위한 게이트신호를 출력하는 제3 비교기; 상기 제1비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 상기 제1 및 제2 U상 모스펫으로 게이트 전압을 각각 인가하는 제1 게이트 드라이버; 상기 제2비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 V상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 상기 제1 및 제2 V상 모스펫으로 게이트 전압을 각각 인가하는 제2 게이트 드라이버; 상기 제3비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 W상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 상기 제1 및 제2 U상 모스펫으로 게이트 전압을 각각 인가하는 제3 게이트 드라이버; 상기 모드/여자 제어기로부터 상기 시동 스위칭 신호 또는 상기 발전 스위칭 신호를 입력받고 입력된 신호에 따라 상기 제1비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호가 상기 제1 게이트 드라이버로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행하는 제1스위치; 상기 모드/여자 제어기로부터 상기 시동 스위칭 신호 또는 상기 발전 스위칭 신호를 입력받고 입력된 신호에 따라 상기 제2비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 V상 시동제어 펄스폭변조신호가 상기 제2 게이트 드라이버로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행하는 제2스위치; 및 상기 모드/여자 제어기로부터 상기 시동 스위칭 신호 또는 상기 발전 스위칭 신호를 입력받고 입력된 신호에 따라 상기 제3비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 W상 시동제어 펄스폭변조신호가 상기 제3 게이트 드라이버로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행하는 제3스위치를 포함할 수 있다.
상기 제1, 제2, 및 제3 게이트 드라이버 각각은: 입력신호를 소정시간 만큼 지연시켜 지연 입력신호를 생성하는 데드 타임 발생기(dead time generator); 상기 입력신호 및 상기 지연 입력신호를 입력받아 논리합 연산을 수행하여 연산결과를 출력하는 제1 앤드 게이트; 상기 입력신호를 반전 증폭하는 반전증폭기(inverting amplifier); 및 상기 반전증폭기의 출력신호와 상기 지연 입력신호를 입력받아 논리합 연산을 수행하여 연산결과를 출력하는 제2 앤드 게이트를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.
본 발명의 실시예에 의한 전기자동차 구동 제어 시스템은, 도1에 도시된 바와 같이, 엔진(110), 배터리(120), 3상 동기기(three-phase synchronous machine)(130), 및 제어유닛(140)을 포함한다.
엔진(110)은 연료의 연소를 통하여 동력을 생성하는 통상의 내연기관으로 할 수 있다. 예를 들어, 엔진(110)은 토크컨버터(150)를 통하여 자동변속기(160)에 연결될 수 있다. 엔진(110)으로부터 전달되는 동력은 자동변속기(160)에 의해 소정의 변속비로 변속된 후 구동휠(driving wheel)(170)로 전달된다.
한편, 냉시동시 엔진의 효과적인 구동을 위해 스타터(starter)(180)가 구비될 수 있다. 스타터(180)는 배터리(120)의 전기에너지를 공급받을 수 있도록 배터리(120)에 연결된다.
예를 들어, 3상 동기기(130)는 구동벨트(111)를 통하여 엔진(110)의 크랭크축(112)에 연결됨으로써, 엔진(110)을 구동하기 위한 동력을 전달하거나 엔진(110)으로 동력을 전달받을 수 있게 된다. 3상 동기기(130)는, 차량의 구동 조건에 따라, 엔진(110)을 구동하기 위한 스타터(starter)로 작동하거나 엔진(110)의 구동력을 이용하여 발전을 수행하는 알터네이터(alternator)로 작동한다. 즉, 3상 동기기(130)는 배터리(120)의 전기에너지를 이용하여 엔진(110)의 시동을 위한 동력을 발생하거나 엔진(110)의 동력을 이용하여 전기에너지를 생성한다.
배터리(120)는 전기에너지를 저장하는 통상의 배터리로 할 수 있다.
제어유닛(140)은, 3상 동기기(130)의 작동 및 3상 동기기(130)와 배터리(120) 사이의 전기에너지의 흐름을 제어한다. 또한, 제어유닛(140)은 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에 엔진(110)의 구동을 정지시키기 위한 아이들 스톱 신호를 생성하고, 아이들 스톱 신호에 의해 엔진(110)의 구동이 정지된 상태에서 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에 배터리(120)의 직류전원을 3상 동기기(130)를 구동할 수 있는 교류전원으로 변환하여 3상 동기기(130)로 인가한다. 나아가, 제어유닛(140)은 엔진(110)이 시동된 후에는 3상 동기기(130)에 의해 생성되는 교류전원을 동기정류를 통하여 배터리(120)를 충전할 수 있는 직류전원으로 변환하여 배터리(120)로 인가한다.
이하에서, 도2 및 도3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 전기자동차의 동력 시스템의 제어유닛(140)에 대해서 구체적으로 설명한다.
모드 판별부(201)는 적어도 하나의 차량 구동 조건에 기초하여 설정된 아이들 스톱 조건 또는 설정된 엔진 재시동 조건이 만족되었는지를 판단한다. 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에, 모드 판별부(201)는 해당하는 아이들 스톱 신호를 출력한다. 한편, 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에, 모드 판별부(201)는 해당하는 엔진 재시동 신호를 출력한다.
설정된 아이들 스톱 조건 및 설정된 엔진 재시동 조건은, 냉각수 온도, 배터리 전압, 차속, 변속레인지, 브레이크페달의 상태, 가속페달의 상태 등에 기초하여 판단할 수 있다. 예를 들어, 변속레인지가 중립레인지(neutral range)이고, 냉각수 온도가 65℃ 이상이고, 브레이크페달이 밟힌 상태이며, 가속페달이 밟히지 아니한 상태가 0.5초 이상 지속되는 경우에, 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 것으로 판단할 수 있다. 이러한 아이들 스톱 조건이 만족된 엔진의 작동이 중지된 상태(즉, 아이들 스톱 상태)에서 변속레인지가 주행레인지(driving range)로 전환되고, 브레이크 페달이 밟힌 상태이면, 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 것으로 판단할 수 있다. 그러나, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자는, 설정된 아이들 스톱 조건 및 설정된 엔진 재시동 조건은 엔진의 공회전을 최소화할 수 있도록 다양하게 설정될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도3에는 아이들 스톱 기능을 구현하기 위한 제어 구성도의 일예가 도시되어 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 모드 판별부(201)는, 냉각수 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서(301)의 신호, 배터리 전압을 검출하는 배터리 전압 센서(303)의 신호, 차속을 검출하는 차속 센서(305)의 신호, 변속레인지(즉, 변속레버의 위치)를 검출하는 인히비터 스위치(307)의 신호, 브레이크페달의 답입량을 검출하는 브레이크 페달 센서(309), 및 가속페달의 답입량을 검출하는 가속페달 센서(311)의 신호를 수신한다. 모드 판별부(201)는 수신된 신호들을 기초로 설정된 아이들 스톱 조건 또는 설정된 엔진 재시동 조건이 만족되었는지를 판단한다.
설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에, 모드 판별부(201)는 아이들 스톱 신호를 엔진제어유닛(313)으로 출력한다. 엔진제어유닛(313)은 아이들 스톱 신호에 대응하여 엔진(110)을 구동하는 엔진구동장치(315)를 제어하여 엔진(110)의 작동이 정지되도록 한다. 엔진구동장치(315)는 연료분사장치, 점화장치 등 엔진을 구동하 기 위한 각종 장치일 수 있다.
설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에, 모드 판별부(201)는 해당하는 엔진 재시동 신호를 제어유닛(140)의 모드/여자 제어기(mode/excitation controller)(203)로 출력한다.
다시 도2를 참조하면, 모드/여자 제어기(203)는 모드 판별부(201)로부터 엔진 재시동 신호를 수신할 수 있도록 모드 판별부(201)에 연결된다. 모드/여자 제어기(203)는 배터리(120)의 전압(V_B+)에 기초하여 3상 동기기(130)로 인가되는 여자전류(i_ex)를 제어한다. 또한, 모드/여자 제어기(203)는 모드 판별부(201)로부터 엔진 재시동 신호가 수신되는 경우에 시동 스위칭 신호를 출력하여 엔진(110)이 시동되도록 한다. 그리고, 엔진(110)의 시동이 완료된 것으로 판단되면, 발전 스위칭 신호, U상 시동제어 펄스폭변조신호, V상 시동제어 펄스폭변조신호, 및 W상 시동제어 펄스폭변조신호를 출력한다. 따라서, 엔진(110)이 시동된 후에는, 3상 동기기(130)에 의해 생성되는 교류전원을 동기 정류하여 배터리(120)를 충전할 수 있는 직류전원으로 변환한다. 예를 들어, 도2에 도시된 바와 같이, 모드/여자 제어기(203)는, 발전 스위칭 신호와 시동 스위칭 신호를 포함하는 스위칭 신호를 생성하여 출력하는 스위칭 신호 생성부(205)와, U상 시동제어 펄스폭변조신호, V상 시동제어 펄스폭변조신호, 및 W상 시동제어 펄스폭변조신호를 포함하는 3상 시동제어 펄스폭변조신호를 생성하여 출력하는 전파 게이팅(full-wave gating)(207)을 포함한다.
모드 판별부(201)와 모드/여자 제어기(203)는, 마이크로프로세서, 메모리, 및 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함하고, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에게 용이하게 이해될 수 있는 것처럼 센서들과 통신하고 이하에서 기술할 본 발명의 실시예에 의한 제어방법을 수행하도록 프로그램될 수 있다.
예를 들어, 제어유닛(140)은 시동 시에는 3상 동기기(130)의 회전자의 위치정보(θ)를 이용하여 인버터에서 출력해야 하는 상전압(phase voltage)을 찾고, 상전압 발생을 위해 필요한 FET 스위치를 전파(full wave) 구동하여 3상 동기기(130)에 전압 및 전류를 인가한다. 여기에는 별도의 전류 루프가 존재하지 않고 전압을 풀(full)로 인가하여 최대 출력이 발생하도록 하고 회전자의 위치정보를 통해 회전자의 회전수(rpm)(ω)를 검출하여 3상 동기기(130)가 특정 회전수(예를 들어, 약 400rpm)에 도달했을 때 시동(motoring)을 중단할 수 있다. 또한, 만일 일정시간 경과시점까지 특정 회전수에 도달하지 아니하면, 제어유닛(140)은 시동 실패로 간주하고 시스템의 보호를 위해 시동모드를 해제할 수 있다. 시동 후에는, 모드/여자전류 제어기(203)는 발전(generation)을 위해 동기정류를 위한 게이팅 구동 신호를 발생하고, 이 신호에 의해 게이트 드라이버(gate driver)가 작동하여 3상 동기기(130)에서 생성된 3상 전압을 정류한다. 이때 배터리 전압의 레귤레이션은 여자전류를 제어함으로써 이루어진다.
도2에 도시된 바와 같이, 제어유닛(140)은 전력용 반도체 스위칭 소자인 모스펫(MOSFET)(209,211,213,215,217,219)을 포함한다.
제1 U상 모스펫(209)의 소스단자(source terminal)(221)는 3상 동기기(130)의 U상 출력단에 연결되며 드레인 단자(drain terminal)(223)는 배터리(120)의 양 극에 연결된다. 그리고, 제2 U상 모스펫(211)의 소스단자(227)는 접지되고 드레인 단자(229)는 제1 U상 모스펫(209)의 소스단자(221)와 3상 동기기(130)의 U상 출력단에 각각 연결된다.
제1 V상 모스펫(213)의 소스단자(233)는 3상 동기기(130)의 V상 출력단에 연결되며 드레인 단자(235)는 배터리(120)의 양극에 연결된다. 그리고, 제2 V상 모스펫(215)의 소스단자(239)는 접지되고 드레인 단자(241)는 제1 V상 모스펫(213)의 소스단자(233)와 3상 동기기(130)의 V상 출력단에 각각 연결된다.
제1 W상 모스펫(217)의 소스단자(245)는 3상 동기기(130)의 W상 출력단에 연결되며 드레인 단자(247)는 배터리(120)의 양극에 연결된다. 그리고, 제2 W상 모스펫(219)의 소스단자(251)는 접지되고 드레인 단자(253)는 제1 W상 모스펫(217)의 소스단자(245)와 3상 동기기(130)의 W상 출력단에 각각 연결된다.
모스펫의 원활한 작동을 위한 커패시터(capacitor)(202)가 제1 및 제2 W상 모스펫(217,219)의 양단에는 연결될 수 있다.
제1비교기(first comparator)(257)는 제1 U상 모스펫(209)의 드레인 단자(223)의 전압과 소스 단자(221)의 전압을 비교하여 제1 및 제2 U상 모스펫(209,211)을 구동하기 위한 게이트 신호(gate signal)를 출력한다. 게이트신호는 하이(high) 또는 로우(low) 전압신호로 할 수 있다. 제1비교기(257)로부터 출력된 게이트 신호는 제1스위치(269) 및 제1게이트드라이버(281)를 통하여 제1 및 제2 U상 모스펫(209,211)으로 선택적으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 도2에 도시된 바와 같이, 제1비교기(257)의 양의 입력단(263)은 제1 U상 모스펫(209)의 소스 단자 (221)에 연결되고 음의 입력단(265)은 제1 U상 모스펫(209)의 드레인 단자(223)에 연결되며, 제1비교기(257)는 입력되는 두 개의 신호를 비교하여 양의 입력단(263)의 신호가 더 큰 경우에, 하이(high)의 게이트 신호를 출력한다. 따라서, 제1비교기(257)는 3상 동기기(130)의 U상 출력단의 신호에 동기된 게이트 신호를 출력한다.
제2비교기(259)는 제1 V상 모스펫(213)의 드레인 단자(235)의 전압과 소스 단자(233)의 전압을 비교하여 제1 및 제2 V상 모스펫(213,215)을 구동하기 위한 게이트 신호(gate signal)를 출력한다. 게이트신호는 하이(high) 또는 로우(low) 전압신호로 할 수 있다. 제2비교기(259)로부터 출력된 게이트 신호는 제2스위치(271) 및 제2게이트드라이버(283)를 통하여 제1 및 제2 V상 모스펫(213,215)으로 선택적으로 공급될 수 있다. 제2비교기(259)는 제1 V상 모스펫(213)의 소스 단자(233)의 전압과 드레인 단자(235)의 전압을 비교하며, 소스 단자(233)의 전압이 더 큰 경우에 하이(high) 게이트 신호를 출력한다. 따라서, 제2비교기(259)는 3상 동기기(130)의 V상 출력단의 신호에 동기된 게이트 신호를 출력한다.
제3비교기(261)는 제1 W상 모스펫(217)의 드레인 단자(247)의 전압과 소스 단자(245)의 전압을 비교하여 제1 및 제2 W상 모스펫(217,219)을 구동하기 위한 게이트 신호(gate signal)를 출력한다. 게이트신호는 하이(high) 또는 로우(low) 전압신호로 할 수 있다. 제3비교기(261)로부터 출력된 게이트 신호는 제3스위치(273) 및 제3게이트드라이버(285)를 통하여 제1 및 제2 W상 모스펫(217,219)으로 선택적으로 공급될 수 있다. 제3비교기(261)는 제1 W상 모스펫(217)의 소스 단자(245)의 전압과 드레인 단자(247)의 전압을 비교하며, 소스 단자(245)의 전압이 더 큰 경우에 하이(high) 게이트 신호를 출력한다. 따라서, 제3비교기(261)는 3상 동기기(130)의 W상 출력단의 신호에 동기된 게이트 신호를 출력한다.
제1게이트드라이버(281)는 제1비교기(257)로부터 출력되는 게이트신호 또는 모드/여자 제어기(203)의 전파(全波) 게이팅(full wave gating)(207)으로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 제1 및 제2 U상 모스펫(209,211)의 게이트 단자(225,231)로 게이트 전압을 각각 인가한다.
유사하게, 제2게이트드라이버(283)는 제2비교기(259)로부터 출력되는 게이트신호 또는 모드/여자 제어기(203)의 전파 게이팅(207)으로부터 출력되는 V상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 제1 및 제2 V상 모스펫(213,215)의 게이트 단자(237,243)로 게이트 전압을 각각 인가한다.
또한, 제3게이트드라이버(285)는 제3비교기(261)로부터 출력되는 게이트신호 또는 모드/여자 제어기(203)의 전파 게이팅(207)으로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 제1 및 제2 W상 모스펫(217,219)의 게이트 단자(249,255)로 게이트 전압을 각각 인가한다.
제1스위치(269)는 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 시동 스위칭 신호 또는 발전 스위칭 신호를 입력받고, 입력된 신호에 따라 제1비교기(257)로부터 출력되는 게이트신호 및 모드/여자 제어기(203)의 전파 게이팅(207)으로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호 중 어느 하나가 제1 게이트 드라 이버(281)로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행한다. 즉, 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 발전 스위칭 신호가 수신되면, 제1스위치(269)는 그 출력단(279)이 제1비교기(257)와 연결되는 입력단(275)과 연결되도록 작동한다. 한편, 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 시동 스위칭 신호가 수신되면, 제1스위치(269)는 그 출력단(279)이 모드/여자 제어기(203)의 전파 게이팅(207)과 연결되는 입력단(277)과 연결되도록 작동한다.
유사하게, 제2스위치(271)는 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 시동 스위칭 신호 또는 발전 스위칭 신호를 입력받고, 입력된 신호에 따라 제2비교기(259)로부터 출력되는 게이트신호 및 모드/여자 제어기(203)의 전파 게이팅(207)으로부터 출력되는 V상 시동제어 펄스폭변조신호 중 어느 하나가 제2 게이트 드라이버(283)로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행한다.
또한, 제3스위치(273)는 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 시동 스위칭 신호 또는 발전 스위칭 신호를 입력받고, 입력된 신호에 따라 제3비교기(261)로부터 출력되는 게이트신호 및 모드/여자 제어기(203)의 전파 게이팅(207)으로부터 출력되는 W상 시동제어 펄스폭변조신호 중 어느 하나가 제3 게이트 드라이버(285)로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행한다.
제2스위치(271) 및 제3스위치(273)의 구성은 제1스위치(271)와 유사하므로 이에 대한 더욱 상세한 설명은 생략한다.
모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)는 차량 구동 조건들에 기초하여 결정되는 작동모드에 따라 시동 스위칭 신호 및 발전 스위칭 신호 중 어느 하나를 출력하도록 형성된다. 예를 들어, 작동모드는 모드판별부(201) 또는 모드 판별부(201)에 의해 결정될 수 있다. 그리고, 시동 스위칭 신호 및 발전 스위칭 신호는 온/오프 전압신호로 할 수 있으며, 제1, 제2 및 제3 스위치(269,271,273)은 온/오프 전압신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 반도체 스위치로 할 수 있다.
제1, 제2, 및 제3게이트드라이버(281,283,285) 각각은 제1, 제2 및 제3스위치(269,271,273)를 통하여 수신되는 신호를 게이트 전압신호를 변환하여 모스펫(209,211,213,215,217,219)의 게이트 단자(225,231,237,243,249,255)로 인가한다.
제1게이트드라이버(281)는, 제1스위치(269)로부터 입력되는 입력신호(즉, 발전모드에서는 제1비교기(257)로부터 입력되는 신호, 시동모드에서는 전파 게이팅(207)으로부터 입력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호)를 입력받아 제1 및 제2 U상 모스펫(209,211)의 구동을 제어하기 위한 게이트 전압신호를 생성하여 출력한다.
도2를 참조하면, 제1게이트드라이버(281)는, 입력신호를 소정시간 만큼 지연시켜 지연 입력신호를 생성하는 데드 타임 발생기(dead time generator)(287)와, 입력신호 및 지연 입력신호를 입력받아 논리합 연산을 수행하여 연산결과를 출력하는 제1 앤드 게이트(first and gate)(289)와, 입력신호를 반전 증폭하는 반전증폭기(inverting amplifier)(291)와, 반전증폭기(289)의 출력신호와 지연 입력신호를 입력받아 논리합 연산을 수행하여 연산결과를 출력하는 제2 앤드 게이트(293)를 포함한다. 따라서, 제1스위치(269)의 출력단(279)으로부터 하이(high) 신호가 입력되는 경우에 반전증폭기(291) 및 데드 타임 발생기(287) 각각은 로우(low) 신호를 출력하므로, 제2 앤드 게이트(293)는 로우 신호를 출력한다. 따라서, 제1게이트드라 이버(281)의 제2 앤드 게이트(293)는 제1스위치(269)의 출력단(279)을 통해서 하이 신호가 유입됨과 동시에 로우 게이트 신호를 출력하며, 이에 따라 제2 U상 모스펫(211)이 오프 상태로 된다. 한편, 제1 앤드 게이트(289)는 제1스위치(269)의 출력단(279)으로부터 하이 신호를 직접 수신하고 데드 타임 발생기(287)로부터 설정시간(즉, 데드 타임) 만큼 지연된 하이 신호를 수신함으로써, 제1 앤드 게이트(289)는 데드 타임 동안에는 로우 게이트 신호를 출력하고 데드 타임이 경과한 후에 비로소 하이 게이트 신호를 출력한다. 결과적으로, 제2 U상 모스펫(211)이 먼저 오프 상태로 되고, 그 시점으로부터 데드 타임이 경과한 시점에서 비로소 제1 U상 모스펫(209)이 온 상태로 전환된다. 따라서, 제1 및 제2 U상 모스펫(209,211)이 동시에 온/오프 되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 모스펫의 쇼트(short)를 방지할 수 있다.
예를 들어, 데드 타임 발생기(287)는 RC 지연 필터로 구현될 수 있다.
제1게이트드라이버((281)의 작동과 유사하게, 제2게이트드라이버(283)는 제2스위치(271)를 통하여 유입되는 제어신호를 이용하여 제1 및 제2 V상 모스펫(213,215)의 작동을 제어하는 게이트 전압신호를 출력하고, 제3게이트드라이버(285)는 제3스위치(273)를 통하여 유입되는 제어신호를 이용하여 제1 및 제2 W상 모스펫(217,219)의 작동을 제어하는 게이트 전압신호를 출력한다.
모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 발전 스위칭 신호가 출력되면, 제1스위치(269)의 스위칭 작동에 의해 제1비교기(257)로부터 출력되는 동기 게이트 신호는 제1스위치(269)를 경유하여 제1게이트드라이버(281)로 유입 된다. 그러면, 제1게이트드라이버(281)는 유입된 동기 게이트 신호를 이용하여 U상 게이트 전압신호를 생성하여 제1 U상 모스펫(209) 및 제2 U상 모스펫(211)으로 각각 공급한다. 유사하게, 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 발전 스위칭 신호가 제2 및 제3스위치(271,273)로 각각 출력되면, 제2 및 제3비교기(259,261)로부터 출력되는 동기 게이트 신호는 제2 및 제3스위치(271,273)를 통하여 제2 및 제3게이트드라이버(283,285)로 공급되며, 제2 및 제3게이트드라이버(283,285)는 공급된 동기 게이트 신호를 V상 및 W상 게이트 전압신호로 변환하여 제1 및 제2 V상 모스펫(213,215) 및 제1 및 제2 W상 모스펫(217,219)으로 각각 공급한다.
따라서, 모스펫(209,211,213,215,217,219)이 3상 동기기(130)의 각 상의 신호에 동기된 게이트 전압신호에 의해 온/오프 작동되면서 동기정류(synchronous rectification)가 수행되고, 그에 따라 3상 동기기(130)에서 생성된 교류 전원이 직류 전원으로 변환되어 배터리(120)를 충전한다.
한편, 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 시동 스위칭 신호가 출력되면, 제1스위치(269)의 스위칭 작동에 의해 모드/여자 제어기(203)의 전파 게이팅(207)으로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호가 제1게이트드라이버(281)로 유입되며, 제1게이트드라이버(281)는 유입된 신호를 게이트 전압신호로 변환하여 제1 및 제2 U상 모스펫(209,211)으로 공급한다. 유사하게, 모드/여자 제어기(203)의 스위칭 신호 생성부(205)로부터 시동 스위칭 신호가 제2 및 제3스위치(271,273)로 각각 출력되면, V상 시동제어 펄스폭변조신호 및 W상 시동제어 펄스 폭변조신호가 제2 및 제3게이트드라이버(281,283)로 공급되고 그 결과 해당하는 시동제어 게이트신호가 V상 및 W상 모스펫(213,215,217,219)으로 공급된다. 따라서, 배터리(120)의 직류전원이 3상 동기기(130)를 구동할 수 있는 교류전원으로 변환되어 3상 동기기(130)로 공급됨으로써, 엔진(110)을 시동할 수 있게 된다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경 및/또는 수정을 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 의한 전기자동차의 동력 시스템은 모스펫을 이용하여 동기정류를 통하여 발전을 수행하므로, 발전효율의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 아이들 스톱 기능을 구비함으로써, 연료소비량 저감이 가능하다.

Claims (3)

  1. 연료의 연소를 통하여 동력을 생성하는 엔진;
    전기에너지를 저장하는 배터리;
    상기 배터리의 전기에너지를 이용하여 상기 엔진의 시동을 위한 동력을 발생하거나 상기 엔진의 동력을 이용하여 전기에너지를 생성하는 3상 동기기; 및
    상기 3상 동기기의 작동 및 상기 3상 동기기와 상기 배터리 사이의 전기에너지의 흐름을 제어하며, 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에 상기 엔진의 구동을 정지시키기 위한 아이들 스톱 신호를 생성하고, 상기 아이들 스톱 신호에 의해 상기 엔진의 구동이 정지된 상태에서 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에 상기 배터리의 직류전원을 상기 3상 동기기를 구동할 수 있는 교류전원으로 변환하여 상기 3상 동기기로 인가하며, 상기 엔진이 시동된 후에는 상기 3상 동기기에 의해 생성되는 교류전원을 동기정류를 통하여 상기 배터리를 충전할 수 있는 직류전원으로 변환하여 상기 배터리로 인가하는 제어유닛;
    을 포함하되,
    상기 제어유닛은,
    적어도 하나의 차량 구동 조건에 기초하여 상기 설정된 아이들 스톱 조건 또는 상기 설정된 엔진 재시동 조건이 만족되었는지를 판단하며, 상기 설정된 아이들 스톱 조건이 만족된 경우에 해당하는 아이들 스톱 신호를 출력하고, 상기 설정된 엔진 재시동 조건이 만족된 경우에 해당하는 엔진 재시동 신호를 출력하는 모드 판별부;
    상기 배터리의 전압에 기초하여 상기 3상 동기기로 인가되는 여자전류를 제어하며, 상기 모드 판별부로부터 상기 엔진 재시동 신호를 수신할 수 있도록 상기 모드 판별부에 연결되며, 상기 모드 판별부로부터 상기 엔진 재시동 신호가 수신되는 경우에 시동 스위칭 신호를 출력하고, 상기 엔진의 시동이 완료된 것으로 판단되면 발전 스위칭 신호, U상 시동제어 펄스폭변조신호, V상 시동제어 펄스폭변조신호, W상 시동제어 펄스폭변조신호를 출력하는 모드/여자 제어기;
    그 드레인 단자가 상기 배터리의 양극에 연결되며, 그 소스 단자는 상기 3상 동기기의 U상 출력단에 연결되는 제1 U상 모스펫;
    그 드레인 단자가 상기 제1 U상 모스펫의 소스 단자와 상기 3상 동기기의 U상 출력단에 각각 연결되며, 그 소스 단자는 접지되는 제2 U상 모스펫;
    그 드레인 단자가 상기 배터리의 양극에 연결되며, 그 소스 단자는 상기 3상 동기기의 V상 출력단에 연결되는 제1 V상 모스펫;
    그 드레인 단자가 상기 제1 V상 모스펫의 소스 단자와 상기 3상 동기기의 V상 출력단에 각각 연결되며, 그 소스 단자는 접지되는 제2 V상 모스펫;
    그 드레인 단자가 상기 배터리의 양극에 연결되며, 그 소스 단자는 상기 3상 동기기의 W상 출력단에 연결되는 제1 W상 모스펫;
    그 드레인 단자가 상기 제1 W상 모스펫의 소스 단자와 상기 3상 동기기의 W상 출력단에 각각 연결되며, 그 소스 단자는 접지되는 제2 W상 모스펫;
    상기 제1 U상 모스펫의 드레인 단자의 전압과 소스 단자의 전압을 비교하여 상기 제1 및 제2 U상 모스펫의 구동을 제어하기 위한 게이트신호를 출력하는 제1 비교기;
    상기 제1 V상 모스펫의 드레인 단자의 전압과 소스 단자의 전압을 비교하여 상기 제1 및 제2 V상 모스펫의 구동을 제어하기 위한 게이트신호를 출력하는 제2 비교기;
    상기 제1 W상 모스펫의 드레인 단자의 전압과 소스 단자의 전압을 비교하여 상기 제1 및 제2 W상 모스펫의 구동을 제어하기 위한 게이트신호를 출력하는 제3 비교기;
    상기 제1비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 상기 제1 및 제2 U상 모스펫으로 게이트 전압을 각각 인가하는 제1 게이트 드라이버;
    상기 제2비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 V상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 상기 제1 및 제2 V상 모스펫으로 게이트 전압을 각각 인가하는 제2 게이트 드라이버;
    상기 제3비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 W상 시동제어 펄스폭변조신호를 선택적으로 입력받으며, 입력된 신호에 따라 상기 제1 및 제2 U상 모스펫으로 게이트 전압을 각각 인가하는 제3 게이트 드라이버;
    상기 모드/여자 제어기로부터 상기 시동 스위칭 신호 또는 상기 발전 스위칭 신호를 입력받고 입력된 신호에 따라 상기 제1비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 U상 시동제어 펄스폭변조신호가 상기 제1 게이트 드라이버로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행하는 제1스위치;
    상기 모드/여자 제어기로부터 상기 시동 스위칭 신호 또는 상기 발전 스위칭 신호를 입력받고 입력된 신호에 따라 상기 제2비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 V상 시동제어 펄스폭변조신호가 상기 제2 게이트 드라이버로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행하는 제2스위치; 및
    상기 모드/여자 제어기로부터 상기 시동 스위칭 신호 또는 상기 발전 스위칭 신호를 입력받고 입력된 신호에 따라 상기 제3비교기로부터 출력되는 게이트신호 또는 상기 모드/여자 제어기로부터 출력되는 W상 시동제어 펄스폭변조신호가 상기 제3 게이트 드라이버로 선택적으로 입력되도록 하는 스위칭 작동을 수행하는 제3스위치;
    를 포함하는 전기자동차의 동력 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 제1, 제2, 및 제3 게이트 드라이버 각각은,
    입력신호를 소정시간 만큼 지연시켜 지연 입력신호를 생성하는 데드 타임 발생기(dead time generator);
    상기 입력신호 및 상기 지연 입력신호를 입력받아 논리합 연산을 수행하여 연산결과를 출력하는 제1 앤드 게이트;
    상기 입력신호를 반전 증폭하는 반전증폭기(inverting amplifier); 및
    상기 반전증폭기의 출력신호와 상기 지연 입력신호를 입력받아 논리합 연산을 수행하여 연산결과를 출력하는 제2 앤드 게이트를 포함하는 전기자동차의 동력 시스템.
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