KR101423714B1

KR101423714B1 - 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 모터 드라이브

Info

Publication number: KR101423714B1
Application number: KR1020127034057A
Authority: KR
Inventors: 왈리 이. 리펠
Original assignee: 에이씨 프로펄션, 아이엔씨.
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2014-08-01
Also published as: TW201223126A; TWI493861B; EP2589144A1; KR20130040949A; WO2012006099A1; CN103081347A; JP2013531461A; JP5815696B2; US8415904B2; US20110316461A1

Abstract

통합된 모터 드라이브 및 배터리 재충전 장치는 배터리, 각각은 제1 다리(leg) 및 제2 다리를 구비하는 N개의 분리된 모터 권선들(windings)을 구비하는 전기 모터, 각 폴은 제1 측 및 제2 측을 구비하는 복수의 M개의 폴들(poles)을 구비하는 접촉기, 2N개의 스위칭 폴들 및 커패시터를 구비하며, 각각은 상기 배터리와 병렬로 연결된 인버터 및 각 스위칭 폴의 상태를 제어하도록 구성된 PWM 제어 회로 소자(circuitry)를 포함한다. 각 모터 권선의 각 다리는 상응하는 인버터 스위칭 폴의 페이즈 노드에 연결되고, 상기 모터 권선 다리들(또는 그것의 탭들) 중 적어도 2개는 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제1 측들에 연결되고, 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제2 측들에 전력 소스/싱크(source/sink)가 연결되고, 그리고 일 측면에서 접촉기 폴들의 각 쌍 사이에 커패시터가 연결된다.

Description

통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 모터 드라이브{Open delta motor drive with integrated recharge}

본 개시는 일반적으로 전기 동력 차량들(electrically powered vehicles)을 위한 통합된(integrated) 인버터/충전기(inverter/charger) 회로들에 관한 것이다.

도 1은 전기 동력 차량(electrically powered vehicle)을 위한 드라이브 회로(drive circuit)(10)를 형성하는, 3-페이즈 브리지 인버터(three-phase bridge inverter) 및 3-페이즈 모터(motor)의 기본적 결합을 보여 주는 전기적 도식도이다. 도 1의 회로(10)는 3 페이즈(three phase) 브리지 인버터(12)(DC 버스 입력 커패시터(Ci)를 포함함), 배터리(14) 및 3 페이즈 모터(16)를 포함한다. 인버터는 세 쌍의 스위치들[Q1 및 Q2, Q3 및 Q4, 및 Q5 및 Q6]로 배열된 6개의 트랜지스터들로 형성되며, 세 쌍의 스위치들 각각은 그것의 중심에서 상응하는 페이즈 노드(18a, 18b, 18c)와 함께 스위칭 폴(switching pole)을 형성한다. 각 페이즈(페이즈 A, 페이즈 B, 페이즈 C)는 인버터(12)로부터 모터(16)로 전력을 제공하며, 상응하는 페이즈 노드에 연결된다.

3개의 기존의 무변압기(transformerless) 통합된 드라이브-재충전(drive-recharge) 설계들(schemes)이 도 2, 3 및 4에 도시된 것과 같이 이 기술 분야에서 알려져 있다. 이 설계들의 각각에 대해, 출발점(starting point)은 도 1에 도시된 것과 같이 3-페이즈 모터에 결합된 3-페이즈 전압-공급 인버터(voltage-fed inverter)의 결합이다. 각 설계에서, 모터 유형은 유도(induction), 브러시리스 영구 자석(brushless permanent magnet) 또는 동기식 자기 저항(synchronous reluctance)일 수 있다. 각 설계에서, 부스트-모드 동작(boost-mode action)과 함께 스위치-모드 전력 전환(switch-mode power conversion)은 재충전 동안 사용된다. 모터 권선(motor winding)은 유도성 회로 소자(inductive circuit element)로 사용된다. 그에 따라, 이 설계들의 각각에 대해, 입력 재충전 전압의 정점(peak)은 배터리 전압보다 작아야만 한다.

도 2는 다이오드 브리지를 사용하는 통합된 재충전 회로(20)를 보여 주는 전기적 도식도이다.

도 2 설계에 대해, 다이오드 브리지(24) 및 종래의 EMI(electromagnetic interference) 필터 재충전 포트(filter recharge port)(26)가 재충전 기능을 제공하기 위해 도 1 인버터-모터(10)에 추가된다. 다이오드 브리지(24) 및 필터(26)는 라인들 28 및 30(접지 라인(ground line) G)을 이용하여 인버터-모터(10)에 연결된다. 드라이브-모드에서 작동될 때, 다이오드 브리지(24) 내부에서 다이오드들의 각각은 항상 계속 백-바이어스(back-bias)되어 있고, 따라서 효과적으로 인버터-모터 결합으로부터 필터(26)를 분리하며, 그에 의해 드라이브-모드 작동(drive-mode operation) 동안 필터(26) 내부의 원치 않는 전류들을 막는다.

재충전-모드에서 작동될 때, 입력 전력(단일-페이즈(single-phase) 또는 3-페이즈)은 다이오드 브리지(24)에 의해 정류되어 맥동(pulsating) DC(Direct Current) 전압 소스를 제공한다. 결국, 그러면 이 전압 소스는 부스트(boost)되어 배터리(14)로 전력을 전달한다. 부스트 동작은 모터 권선들에 의해 제공되는 인덕턴스(inductance)와 결합하여 반도체 스위치들(Q3 내지 Q6)의 종래의 펄스 폭 변조(pulse width modulation; PWM) 제어에 의해 제공된다. 스위치들(Q1 및 Q2)은 재충전-모드 동안 계속 오프(off)이다. Q3 내지 Q6의 제어는 DC 버스 내부에서 홀수의 전류 고조파들(odd-numbered current harmonics)이 상쇄(cancel)되도록 하는 것일 수 있고 - 따라서 커패시터(Ci) 내부에서의 손실들(losses)을 최소화한다.

전류(i_x)가 전압(v_x)에 비례하게 유지되는 제어 기능을 사용함에 의해, 재충전 역률(power factor)이 최적화된다. 단일-페이즈 전력을 이용하여, 거의 단위 역률(unity power factor)이 유지될 수 있고, 그리고 3-페이즈 전력이 사용되는 경우, 역률은 단지 대략 96%로 하락한다.

최대 재충전 전력(maximum recharge power)은 모터 정격(motor rating)에 의해 전형적으로 성립(establish)된다. 이 접근법을 이용하는 단일-페이즈 작동에 대해, 최대 연속(continuous) 재충전 전력은 연속 드라이브-모드 정격(continuous drive-mode rating)의 대략 반이다. 3-페이즈 작동에 대해, 연속 정격(continuous rating)은 연속 드라이브 정격의 약 70%까지 급등한다.

도 2에 도시된 설계는 그것이 접촉기들(contactors)의 제거(elimination), 단-방향성(uni-directionality)(전력은 공익 설비(utility)로 귀환(return)할 수 없음)의 보증(insurance) 및 배터리 전압보다 낮은 정점 전압(peak voltage)을 가지는 임의의 AC(Alternating Current) 전력 소스(예를 들어, 공익 설비)로부터 작동하는 능력(ability)을 제공하는 점에서 유리하다. 이 접근법의 몇몇 약점들은 다이오드 브리지로 인한 비용의 추가와 전력 손실, 무효 전력(reactive power)을 제어할 수 없는 것, 양방향성 작동(전력을 공익 설비로 귀환시킴)을 제공할 수 없는 것, 3-페이즈 전력 입력으로 작동될 때 역률의 하락, 그리고 라인들(X, Y 및 Z)의 시간 평균(time average) 및 라인(30)(귀환(return)) 사이에 높은 공통-모드(common-mode) 전압의 존재를 포함한다. 공통-모드 필터의 사이즈(size)가 공통-모드 전압에 비례하기 때문에, 이것은 적당히 큰 공통-모드 필터가 원치 않는 공통-모드 라인 전류들을 막기 위해 사용되어야만 함을 의미한다.

도 3은 하나의 페이즈 다리(leg)를 개방(open)하는 접촉기(K2)를 사용하는 통합된 재충전 설계(32)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 이 설계에 대해, 2개의 접촉기들(K1, K2) 및 종래의 EMI 필터 재충전 포트(26)가 재충전 기능을 제공하기 위해 도 1 인버터-모터(10)에 추가된다. 드라이브-모드에서 작동될 때, 접촉기(K1)는 개방되고, 그리고 접촉기(K2)는 닫히고 - 따라서 도 1 구성을 재성립시킨다.

재충전-모드에서, K1은 닫히고 그리고 K2는 개방되고, 한편 Q1 내지 Q4는 동기식 정류(synchronous rectification)를 제공하고; 모터에 고유한 모터 누설 인덕턴스(motor leakage inductance)는 요구되는 페이즈 포트 인덕턴스(required phase port inductance)를 제공하기 위해 사용된다. 여러 가지 PWM 제어 설계들이 쓰일 수 있다. 하나의 설계에서, 제어는 라인 전류가 순시적으로(instantaneously) 라인 전압에 비례하게 유지되도록 하는 것이고 - 따라서 단위 역률 작동(unity power factor operation)을 제공한다.

앞에서와 같이, 최대 재충전 전력은 모터 정격에 의해 보통 결정된다. 전형적으로, 이 접근법을 이용하는 최대 연속 재충전 전력은 연속 드라이브-모드 정격의 대략 반이다.

도 3 설계의 이점들은 추가된 반도체 구성 요소들(예를 들어, 도 2 설계로부터의 다이오드 브리지(24))의 제거, 배터리 전압보다 낮은 정점 전압을 가지는 임의의 공익 설비로부터 작동하는 능력, 양방향성 작동(에너지를 공익 설비로 귀환시킴)의 가능성(capability), 독립형의(stand-alone) AC 전력 출력을 제공하는 능력, 그리고 무효 전력을 제어하는 능력을 포함한다. 이 접근법의 약점들은 모터(16)의 페이즈 A와 연관된 인덕턴스의 부재로 인한 상대적으로 큰 공통-모드 필터에 대한 필요(requirement), 드라이브-모드 작동 동안 최대한의(full) 모터 전류를 다루기 위해 상대적으로 큰 접촉기(K2)에 대한 필요, 그리고 재충전 포트에서 3-페이즈 전력 입력을 수용(accommodate)할 수 없는 것을 포함한다. 공통-모드 필터의 물리적 사이즈는 공통-모드 전압 및 RMS 포트 전류의 곱(product)에 비례한다. 공통-모드 인덕터의 실제 사이즈는 코어 재료, 열전도(heat transfer) 및 권선 패킹 팩터(winding packing factor)와 같은 세부 사항들에 달려 있을 것이다. 전형적인 비례 상수(proportionality constant)는 25g/kVA 내지 100g/kVA의 범위 내에 있다.

도 4는 모터 중성(neutral) "접합부(splice)"를 개방하는 2-폴 접촉기(two-pole contactor, K2)를 이용하는 통합된 재충전 설계(40)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 이 설계에 대해, 중성 접합부(neutral splice)는 모터 내부에 제공되지 않고; 3개의 모터 권선들의 각각의 양 다리들은 밖으로 나오게 된다. 2개의 접촉기들(K1, K2) 및 종래의 EMI 필터 재충전 포트(26)가 재충전 기능을 성립시키기 위해 도 1 인버터-모터(10)에 추가된다. 드라이브-모드에서 작동될 때, 접촉기(K1)는 개방되고, 그리고 2-폴 접촉기(K2)는 닫히고 - 따라서 도 1 구성을 재성립시킨다.

재충전-모드에서, 접촉기(K1)는 닫히고 그리고 접촉기(K2)는 개방되고, 한편 Q1 내지 Q6은 동기식 정류를 제공하고; 모터 누설 인덕턴스는 요구되는 페이즈 포트 인덕턴스를 제공하기 위해 사용된다. 여러 가지 PWM 제어 설계들이 쓰일 수 있다. 그러한 하나의 설계에서, 제어는 모든 3 페이즈들을 위한 공익 설비 라인 전류들이 순시적으로 상응하는 라인 전압들에 비례하게 유지되도록 하는 것이고 - 따라서 단위 역률 작동을 제공한다.

앞에서와 같이, 최대 재충전 전력은 모터 정격에 의해 보통 결정된다. 전형적으로, 이 접근법을 이용하는 단일-페이즈 충전에 대해, 최대 연속 재충전 전력은 연속 드라이브-모드 정격의 대략 50%이다. 3-페이즈 충전에 대해, 연속 정격은 드라이브-모드 연속 정격의 약 80%까지 급등한다.

이 접근법의 이점들은 반도체 구성 요소들(예를 들어, 도 2의 다이오드 브리지(24))의 제거, 모터 중성 접합부의 제거, 배터리 전압보다 낮은 정점 전압을 가지는 임의의 공익 설비로부터 작동하는 능력, 단일 및 3-페이즈 공익 설비 전력을 모두 수용하는 능력, 양방향성 작동의 가능성, 독립형의 단일 페이즈 및 3 페이즈 AC 전력 출력을 제공하는 능력, 무효 전력을 제어하는 능력, 그리고 토폴로지 대칭(topology symmetry)으로 인한 재충전 공통-모드 전류들의 감소를 포함하고 -- 따라서 더 작은 공통-모드 필터의 사용을 가능하게 한다. 이 접근법의 약점들은 드라이브-모드 작동 동안 최대한의 모터 전류를 다루는 상대적으로 큰 접촉기(K2)에 대한 필요 및 3개의 대형 라인들(large lines)을 대신해 6개의 대형 모터 라인들에 대한 필요를 포함한다.

통합된 모터-드라이브 및 배터리 재충전 장치는 배터리, 각각은 제1 다리(leg) 및 제2 다리를 구비하는 N개의 분리된 모터 권선들(windings)을 구비하는 전기 모터, 각 폴은 제1 측 및 제2 측을 구비하는 복수의 M개의 폴들(poles)을 구비하는 접촉기, 2N개의 스위칭 폴들 및 커패시터를 구비하며, 각각은 상기 배터리와 병렬로 연결된 인버터 및 각 스위칭 폴의 상태를 제어하도록 구성된 PWM 제어 회로 소자(circuitry)를 포함한다. 각 모터 권선의 각 다리는 상응하는 인버터 스위칭 폴의 페이즈 노드에 연결되고, 상기 모터 권선 다리들(또는 그것의 탭들) 중 적어도 2개는 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제1 측들에 연결되고, 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제2 측들에 전력 소스/싱크(source/sink)가 연결되고, 그리고 일 측면에서 접촉기 폴들의 각 쌍 사이에 커패시터가 연결된다.

첨부한 도면들은 이 명세서의 일부로 합체되고, 이 명세서의 일부를 이루며, 실시예들의 하나 이상의 예들을 도시하고, 그리고 예 실시예들의 서술과 함께 실시예들의 원리들 및 실행들을 설명하는데 기여한다.
도면들에서:
도 1은 종래 기술에 따른 3-페이즈 인버터 및 3-페이즈 모터의 기본적 결합을 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 다이오드 브리지를 사용하는 통합된 재충전 설계를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 하나의 페이즈 다리(leg)를 개방하는 접촉기를 사용하는 통합된 재충전 설계를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 모터 중성(neutral) "접합부(splice)"를 개방하는 2-폴 접촉기를 이용하는 통합된 재충전 설계를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 5c는 본 발명의 실시예들에 따른 도 5a, 6a 및 7a의 회로들과 함께 사용하기 위한 EMI 필터 재충전 포트를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 5d는 본 발명의 실시예들에 따른 도 5b, 6b 및 7b의 회로들과 함께 사용하기 위한 EMI 필터 재충전 포트를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 드라이브-모드에서 작동될 때 도 5a, 5b, 6a, 6b, 7a 및 7b의 개방 델타 회로들을 위한 PWM 스위치 명령들을 도시하는 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 재충전-모드에서 작동될 때 도 5a, 5b, 6a, 6b, 7a 및 7b의 개방 델타 회로를 위한 PWM 스위치 명령들을 도시하는 타이밍도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 수정된 개방 델타 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 재충전-모드에서 작동될 때 도 10의 수정된 개방 델타 회로를 위한 PWM 스위치 명령들을 도시하는 타이밍도이다.

예 실시예들은 전기 동력 차량에서 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 모터 드라이브를 제공하는 방법 및 장치에 관해 여기에 서술된다. 이 기술 분야에서 숙련된 통상의 자들은 다음 서술들이 단지 예시적이고, 어떤 방식으로든 제한하는 것을 의도하지 않음을 이해할 것이다. 이 개시의 이익을 가지는 그러한 숙련된 자들에게 다른 실시예들은 그 자체로 쉽게 제안될 것이다. 참조는 이제 첨부한 도면들에서 도시된 것과 같은 예 실시예들의 실행들을 위해 상세하게 이루어질 것이다. 동일한 참조 지시자들은 동일한 또는 유사한 아이템들을 참조하기 위해 도면들 및 다음 서술들 전체에 걸쳐 가능한 한 사용될 것이다.

명확성을 도모하기 위해, 여기에 서술된 실행들의 보통의 특징들의 모두가 보여 지지 않으며 서술되지 않는다. 물론, 임의의 그러한 실제 실행의 개발에서, 수많은 실행-특정한 결정들이 개발자의 특정한 목표[예를 들어, 애플리케이션- 및 비즈니스-관련된 제약들의 준수]를 얻기 위해 이루어져야만 하는 것과, 이 특정한 목표는 하나의 실행으로부터 다른 실행으로 그리고 하나의 개발자로부터 다른 개발자로 달라질 것임이 인식될 것이다. 게다가, 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 걸릴 것이나, 그럼에도 불구하고 이 개시의 이익을 가지는 이 기술 분야에서 숙련된 통상의 자들에 대해 공학 기술의 보통의 프로젝트가 될 것임이 인식될 것이다.

현재 최신의 전기 및 하이브리드(hybrid) 차량들은 요구되는 드라이브 기능을 얻기 위해 전형적으로 3-페이즈 전압-공급 브리지 인버터를 Y자-권선된(wye-wound) 영구 자석 모터 및 Y자-권선된 유도 모터 중 어느 하나와 결합한다. 대안의 접근법은 3-페이즈 인버터를 6-페이즈 유닛(unit)으로 교체하는 것이고, 6-페이즈 유닛에서 3개의 모터 페이즈 권선들의 각각은 인버터 페이즈들 중 2개에 의해 구동된다. 여기에서 "개방 델타 드라이브(open delta drive)"로 칭하는 이 접근법은 몇몇 복잡성을 추가하지만, 그것은 DC 버스 커패시터에서 감소된 리플(ripple) 전류들, 모터 내부에서 감소된 PWM 손실들, 그리고 모터 중성 접합부의 제거를 포함하는 이익들을 제공한다.

개방 델타 설계를 연장한 새로운 전력 토폴로지들이 여기에 제공되어, 인버터 및 모터는 드라이브 시스템의 기능에 더하여 고율(high-rate)의 단위 역률(unity power-factor) 배터리 충전기의 기능을 제공한다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브 회로(50)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 회로(50)는 재충전 포트(52)에서 3-페이즈 (X, Y, Z) 재충전을 위해 구성된다. 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브 회로(56)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 회로(56)는 EMI 필터 재충전 포트(58)에서 DC (+, -) 재충전을 위해 구성된다. 본 발명의 실시예들에 따라, 도 5c는 회로(50)의 EMI 필터 재충전 포트(52)(또한 회로(60)의 포트(62) 및 회로(70)의 포트(72))를 보여 주는 전기적 도식도이고, 그리고 도 5d는 회로(56)의 EMI 필터 재충전 포트(58)(또한 회로(64)의 포트(66) 및 회로(74)의 포트(76))를 보여 주는 전기적 도식도이다.

도 5c에서, 인덕터들(L1x, L1y 및 L1z)과 함께 커패시터들(C1x, C1y 및 C1z)은 차동-모드(differential-mode) 전압 및 전류 리플(ripple)을 약화시키는 데 기여하는 차동-모드 필터(differential-mode filter)를 형성한다. 인덕터들(L2x, L2y 및 L2z)과 함께 커패시터들(C2x, C2y 및 C2z)은 공통-모드 전압 리플을 약화시키는데 기여하는 공통-모드 필터를 형성한다. L1x, L1y 및 L1z는 분리된 구성 요소들이고, L2x, L2y 및 L2z는 공통 자기 코어(magnetic core)를 공유한다.

도 5d에서, 인덕터들(L1x, L1y 및 L1z)과 함께 커패시터(C1)는 차동-모드 전압 및 전류 리플을 약화시키는 데 기여하는 차동-모드 필터를 형성한다. 인덕터들(L2x, L2y 및 L2z)과 함께 커패시터들(C2x, C2y 및 C2z)은 공통-모드 전압 리플을 약화시키는데 기여하는 공통-모드 필터를 형성한다. L1x, L1y 및 L1z는 분리된 구성 요소들이고, L2x, L2y 및 L2z는 공통 자기 코어를 공유한다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브 회로(60)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 회로(60)는 EMI 필터 재충전 포트(62)에서 3-페이즈 (X, Y, Z) 재충전을 위해 구성된다. 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브 회로(64)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 회로(64)는 EMI 필터 재충전 포트(66)에서 DC (+, -) 재충전을 위해 구성된다. 본 발명의 실시예들에 따라, 도 5c는 회로(60)의 EMI 필터 재충전 포트(62)를 보여 주는 전기적 도식도이고, 그리고 도 5d는 회로(64)의 EMI 필터 재충전 포트(66)를 보여 주는 전기적 도식도이다.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브 회로(70)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 회로(70)는 EMI 필터 재충전 포트(72)에서 3-페이즈 (X, Y, Z) 재충전을 위해 구성된다. 도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 드라이브 회로(74)를 보여 주는 전기적 도식도이다. 회로(74)는 EMI 필터 재충전 포트(76)에서 DC (+, -) 재충전을 위해 구성된다. 본 발명의 실시예들에 따라, 도 5c는 회로(70)의 EMI 필터 재충전 포트(72)를 보여 주는 전기적 도식도이고, 그리고 도 5d는 회로(74)의 EMI 필터 재충전 포트(76)를 보여 주는 전기적 도식도이다.

도 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b 및 10의 회로들에서, 6-페이즈 인버터(54)는 3-페이즈 모터(16)에 연결되며, 배터리(또는 다른 DC 전압 소스)(14)에 의해 동력을 공급받는다. DC 버스 입력 커패시터(Ci)(인버터(54)의 일부)는 배터리(14)를 가로질러 연결된다. 6-페이즈 인버터(54)는 스위치들(Q1-Q12)로 배열된 12개의 트랜지스터들로 형성된다. 인버터(54)로부터 모터(16)에 전력을 제공하는 각 페이즈(페이즈 A1, 페이즈 B1, 페이즈 C1, 페이즈 A2, 페이즈 B2, 페이즈 C2)는 페이즈에 상응하는 한 쌍의 스위치들(스위칭 폴)[즉, Q1 및 Q2 (A1), Q3 및 Q4 (B1), 등등]의 중심(페이즈) 노드에 연결된다. 도 5a, 5b, 6a, 6b, 7a 및 7b에 도시된 각 실시예에 대한 인버터의 작동은 동일하며, 아래에 서술된다.

도 5a 및 5b의 회로들에서, 라인들 A, B 및 C는 다음과 같이 인버터에 연결된다: 라인 A는 모터(16)의 권선 W1를 통해 페이즈 A1의 중심 노드에 연결되며 페이즈 A2의 중심 노드에 직접 연결되고; 라인 B는 모터(16)의 권선 W2를 통해 페이즈 B1의 중심 노드에 연결되며 페이즈 B2의 중심 노드에 직접 연결되고; 그리고 라인 C는 모터(16)의 권선 W3를 통해 페이즈 C1의 중심 노드에 연결되며 페이즈 C2의 중심 노드에 직접 연결된다. 각 권선 W1, W2 및 W3은 본질적으로 동일한 인덕턴스(Ls)를 가진다. 커패시터 C1은 라인들 A 및 C 사이에 연결되고; 커패시터 C2는 라인들 B 및 C 사이에 연결되고, 그리고 커패시터 C3는 라인들 A 및 B 사이에 연결된다. 커패시터들 C1, C2 및 C3는 실질적으로 동일한 값을 가진다. 접촉기 K1은 정상(normal) 드라이브 모드 작동을 위해 개방(OPEN) 상태로 설정되며, 재충전 작동을 위해 닫힌(CLOSED) 상태로 설정된다.

도 5a 회로는 도 5c에서 상세히 도시된 3 페이즈 EMI 필터 재충전 포트(52)를 구비하고, 그리고 도 5b 회로는 도 5d에서 상세히 도시된 DC EMI 필터 재충전 포트(58)를 구비한다(위에서 서술된 것과 같음).

각 페이즈에 대해, Ls는 그것의 연관된 커패시터와 결합하여 저역 통과 필터(low-pass filter)를 형성하고, 저역 통과 필터는 Q1 내지 Q6의 스위칭 동작에 의해 발생된 전압 및 전류 고조파들(harmonics)을 효과적으로 약화시킨다.

도 6a 및 6b의 회로들에서, 라인들 A, B 및 C는 도 5a 및 5b 회로들에서와 같이 인버터에 연결된다. 커패시터 C1은 라인들 A 및 C 사이에 연결되고; 커패시터 C2는 라인들 B 및 C 사이에서 연결되고, 그리고 커패시터 C3는 라인들 A 및 B 사이에 연결된다. 커패시터들 C1, C2 및 C3는 실질적으로 동일한 값을 가진다. 접촉기 K1은 정상 드라이브 모드 작동을 위해 개방(OPEN) 상태로 설정되며, 재충전 작동을 위해 닫힌(CLOSED) 상태로 설정된다. 도시된 것과 같이, 인덕터 L1은 커패시터 C1/C2 노드 및 라인 C를 위한 접촉기 노드 사이에 연결되고; 인덕터 L2는 커패시터 C2/C3 노드 및 라인 B를 위한 접촉기 노드 사이에 연결되고; 그리고 인덕터 L3는 커패시터 C1/C3 노드 및 라인 A를 위한 접촉기 노드 사이에 연결된다.

도 6a 회로는 도 5c에서 상세히 도시된 3 페이즈 EMI 필터 재충전 포트(62)를 구비하고, 그리고 도 6b 회로는 도 5d에서 상세히 도시된 DC EMI 필터 재충전 포트(66)를 구비한다(위에서 서술된 것과 같음).

도 7a 및 7b 회로들에서, 라인들 A, B 및 C는 도 5a 및 5b 회로들에서와 같이 인버터에 연결된다. 라인 D는 페이즈 A1의 중심 노드에 직접 연결되고, 라인 E는 페이즈 B1의 중심 노드에 직접 연결되고, 그리고 라인 F는 페이즈 C1의 중심 노드에 직접 연결된다. 라인들 A, B, C, D, E 및 F는 접촉기 K1에 연결되며, 접촉기 K1(닫힌 상태에 있을 때)을 통해 각기 인덕터들 L1, L2, L3, L4, L5 및 L6에 연결된다. 인덕터들 L1 및 L4의, L2 및 L5의, 그리고 L3 및 L6의 비-접촉기 측(non-contactor side)은 함께 연결되며, EMI 필터 재충전 포트의 각자의 노드들에 연결된다. 커패시터 C1은 L1/L4 노드 및 L2/L5 노드 사이에 연결되고; 커패시터 C2는 L2/L5 노드 및 L3/L6 노드 사이에 연결되고; 그리고 커패시터 L3는 인덕터들의 비-접촉기 측들상의 L1 및 L3 노드들 사이에 연결된다.

도 7a 회로는 도 5c에서 상세히 도시된 3 페이즈 EMI 필터 재충전 포트(72)를 구비하고, 그리고 도 7b 회로는 도 5d에서 상세히 도시된 DC EMI 필터 재충전 포트(76)를 구비한다(위에서 서술된 것과 같음).

도 5a, 5b, 6a, 6b, 7a 및 7b는 따라서 본 발명의 여러 가지 실시예들에 따른 통합된 재충전을 구비하는 개방 델타 모터 드라이브들에 대한 전기적 회로들을 도시한다. 도 8은 일 실시예에 따라 드라이브-모드(개방 상태의 접촉기 K1)에서 작동될 때 이 개방 델타 회로들을 위한 PWM 스위치 명령들(PWM switch commands)을 도시하는 상응하는 타이밍도(timing diagram)이다. 도 9는 일 실시예에 따라 재충전-모드(닫힌 상태의 접촉기 K1)에서 작동될 때 이 개방 델타 회로들을 위한 PWM 스위치 명령들을 도시하는 상응하는 타이밍도이다.

이 새로운 통합된 드라이브-재충전 설계는 그것의 출발점으로 개방 델타 인버터-모터 구성(configuration)를 사용한다. 개방 델타 구성에서, 3개의 모터 페이즈 권선들의 각각은 종래의 Y자(wye) 구성에서와 같이 회전들(turns)의 √3배수를 가진다. 각 권선은 한 쌍의 인버터 폴들에 의해 구동된다. 각 폴은 종래의 3-페이즈 시스템의 1/√3배의 것과 동일한 전류 정격(current rating)을 가진다. 변조 설계는 폴들의 각 연관된 쌍이 중심선 변조(centerline modulate)되는 경우이며 3개의 폴 쌍들을 위한 중심선들은 120도에 의해 상호 간에 변위(displace)되는 경우이다(예를 들어, 도 8을 참조). 개방 델타 드라이브의 이점은 전류 고조파 상쇄(cancellation)의 추가된 레벨이다. 이것은 더 낮은 손실들을 초래하는 동안 버스 DC 버스 입력 커패시터 Ci가 더 작을 수 있음을 의미한다. 다른 이점은 페이즈 리플 전류들이 주어진 스위칭 주파수에 대해 더 낮은 것이다.

종래의 개방 델타 드라이브에 하나의 3-폴(또는 도 7a 및 7b의 경우에 6-폴) 접촉기 K1 및 EMI 필터 재충전 포트 회로를 추가함에 의해, 배터리의 DC 단일-페이즈 및 3-페이즈 충전을 모두 가능하게 하는 새로운 전력 토폴로지(topology)가 실현되고 - 한편 개방 델타 드라이브 구성의 모든 드라이브-모드 이점들을 보존한다.

드라이브-모드에서 접촉기 K1은 개방 상태로 있으며, 재충전-모드에서 접촉기 K1은 닫힌 상태로 있다. 드라이브-모드에서, 모든 12개의 반도체 스위치들이 사용된다. 재충전-모드에서, 반도체 스위치들 Q1 내지 Q6은 각각 오프로 유지되며, 반도체 스위치들 Q7 내지 Q12는 제어되어 공익 설비 전력이 동기식으로 정류되어 배터리의 제어된 충전을 제공하도록 한다(예를 들어, 도 9를 참조).

앞에서와 같이, 최대 재충전 전력은 일반적으로 모터 정격에 의해 결정된다. 전형적으로, 단일-페이즈 작동에 대해, 도 5a, 5b, 6a, 6b, 7a 및 7b 접근법에 대한 최대 연속 재충전 전력은 연속 드라이브 모드 정격의 대략 40%이다. 3-페이즈 작동에 대한 최대 연속 재충전 전력은 연속 드라이브-모드 정격의 대략 70%이다.

이 실시예들의 이점들은 추가된 반도체 구성 요소들(예를 들어, 도 2 다이오드 브리지(24))의 제거, 추가된 접촉기(들)(예를 들어, 도 3 및 4의 K2)의 제거, 배터리 전압보다 낮은 정점 전압을 가지는 임의의 공익 설비로부터 작동되는 능력, 단일 및 3-페이즈 공익 설비 전력 모두를 수용하는 능력, 양방향성 작동의 가능성(capability), 독립형의(stand-alone) 단일 페이즈 및 3 페이즈 AC 전력 출력을 제공하는 능력, 무효 전력을 제어하는 능력, 종래의 3-페이즈 설계들과 비교할 때 버스 커패시터 사이즈의 감소, 종래의 3-페이즈 설계들과 비교할 때 버스 커패시터와 연관된 손실들의 감소, 토폴로지 대칭으로 인한 재충전 공통-모드 전류들의 감소[따라서 더 작은 공통-모드 필터의 사용을 가능하게 함], 드라이브-모드에서 더 낮은 스위칭 주파수들의 사용 가능성[따라서 반도체 스위칭 손실들이 감소됨], 모터 중성 접합부(neutral splice)의 제거[따라서 도 3 설계과 비교하면 단부 회전(end turn) 사이즈가 감소되고, 재충전 동안 모터 코어 손실들은 델타 권선과 연관된 회전들의 증가된 수로 인해 상당히 감소됨]을 포함한다. 이 실시예들의 약점들은 복잡성의 추가(3개를 대신해 6개의 페이즈들)를 포함하고; 게이트 드라이브들의 개수는 6개로부터 12개로 증가되고; 페이즈 전류 센서들의 개수는 2개로부터 3개로 증가되고; 몇몇 최소한의 복잡성이 제어기에 추가되고, 그리고 도 3 설계과 비교하면, 재충전 전력 정격은 델타 구성과 연관된 증가된 모터 권선 저항(resistance)으로 인해 더 낮을 수 있다.

도 10은 일 실시예에 따른 통합된 재충전을 구비하는 더 수정된 개방 델타 모터 드라이브를 보여 주는 전기적 도식도이다. 도 11은 일 실시예에 따라 재충전-모드에서 작동될 때 도 10의 수정된 개방 델타 모터 드라이브 회로를 위한 PWM 스위치 명령들을 도시하는 상응하는 타이밍도이다. 도 8은 드라이브-모드에서 작동될 때 이 실시예를 위한 PWM 스위치 명령들의 타이밍에 상응한다.

도 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b에 도시된 설계들("앞선 설계들")의 수정이 도 10에 도시되고, 재충전 전력은 모터 권선 중심 탭들(taps)에 인가된다. 이 수정에 대해, 모든 12개의 반도체 스위치들이 재충전 동안 이용되고, 그리고 재충전 전력 정격은 그에 의해 앞선 설계들과 비교해서 2배가 되고; 앞선 설계들의 모든 다른 이점들이 보유된다. 이 실시예를 위한 드라이브-모드 스위치 명령들은 도 8에 도시된 것과 동일하고, 그리고 상응하는 재충전-모드 PWM 스위치 명령들은 도 11에 도시된 것과 같다.

이전에 도시된 통합된 재충전 설계들의 각각에 대해, 모터 토크(torque)의 어떤 레벨은 재충전 동안 생기게 된다. 일반적으로, 충전이 일어날 때마다 파킹 폴(parking pawl)이 걸린다(engage)고 가정하는 것은 문제가 아닌 것으로 간주된다. 그러나 도 10 설계에 대해, 각 모터 권선 내부에서 대칭적인 전류 분할(split)로 인해 본질적으로 토크가 재충전 동안 생기지 않고, 따라서 파킹 폴이 재충전 동안 요구되지 않음이 유의된다.

도 10 설계에 대해, 추가의 차동-모드 인덕턴스는 리플 전류들을 제한하도록 요구될 수 있다. 임의의 반도체 폴과 연관된 리플 전류들의 크기(magnitude)는 연관된 인덕턴스에 역(inverse)이다. 결국, 이 전류 구성 요소의 제곱(square)에 비례하는 손실 구성 요소가 존재한다. 그에 따라, 최소 인덕턴스는 RMS 리플 전류가 기본(fundamental) 페이즈 전류의 약 10%의 차수(order)상에 어느 정도로 계속되도록 요구된다. 도 10 설계의 경우에서, 유효(effective) 인덕턴스(모터 누설 인덕턴스)는 일반적으로 아래에서 요구되는 문턱치(threshold)이다. 그러한 경우들에서, 인덕턴스는 이 제한을 극복하기 위해 권선 탭들(winding taps)과 직렬로 추가되어야만 한다. 이 추가된 인덕턴스는 EMI 필터 안에 내장될 수 있다(예를 들어, 도 5c, 5d를 참조).

도 10 설계의 이점들은 추가된 반도체 구성 요소들(예를 들어, 도 2 다이오드 브리지(24))의 제거, 추가된 접촉기(들)(예를 들어, 도 3 및 4의 K2)의 제거, 배터리 전압보다 낮은 정점 전압을 가지는 임의의 공익 설비로부터 작동되는 능력, 단일 및 3-페이즈 공익 설비 전력 모두를 수용하는 능력, 모든 12개의 인버터 스위치들의 동시 사용 및 모터 중심 탭(tap)의 사용[이에 의해 전류 경로들(paths)은 두 배가 됨]으로 인한 매우 높은 재충전율들(recharge rates)을 얻을 가능성, 양방향성 작동의 가능성, 독립형의 단일 페이즈 및 3-페이즈 AC 전력 출력을 제공하는 능력, 무효 전력을 제어하는 능력, 종래의 3-페이즈 설계들과 비교할 때 버스 커패시터 사이즈의 감소, 종래의 3-페이즈 설계들과 비교할 때 버스 커패시터와 연관된 손실들의 감소, 토폴로지 대칭으로 인한 재충전 공통-모드 전류들의 감소[이것은 더 작은 공통-모드 필터의 사용을 가능하게 함], 필터 사이즈의 감소[필터에 적용되는 전압 및 전류 스위칭 구성 요소들 각각은 스위칭 주파수의 2 배인 기본 주파수들을 가지기 때문], 드라이브-모드에서 감소된 스위칭 주파수들을 사용하는 가능성[따라서 반도체 스위칭 손실들이 감소됨], 모터 중성 접합부의 제거[따라서 단부 회전(end turn) 사이즈가 감소됨]를 포함한다. 도 10 설계의 약점들은 몇몇 추가의 회로 복잡성(3개를 대신해 6개의 페이즈들)을 포함하고; 게이트 드라이브들의 개수는 6개로부터 12개로 증가되고; 페이즈 전류 센서들의 개수는 2개로부터 3개로 증가되고; 몇몇 최소한의 복잡성이 제어기에 추가되고, 그리고 앞선 설계들과 비교하면, 중심 탭들이 모터 권선들에 추가되는 것을 포함한다. (대개, 이 추가된 와이어들(wires)의 게이지(gauge)는 다른 6개의 모터 라인들보다 작을 것이다.), 그리고 모터 누설 인덕턴스들의 유효 병렬 접속(paralleling)으로 인한 페이즈 리플 전류들의 크기의 증가. 그러나, 모든 경우들에서, 필요한 경우에, 이 결점은 EMI 필터 내부의 증가된 차동-모드 인덕턴스의 사용에 의해 완화될 수 있다.

도면들은 3-페이즈 모터 및 상응하는 인버터를 보여 주나, 다른 개수의 페이즈들이 사용될 수 있음[예를 들어, 2, 4 기타 등등]을 유의한다. 따라서 청구항들에서 사용된 것과 같은 용어 "폴리페이즈(polyphase)"는 2 이상의 다수의 페이즈들을 나타낼 것이다.

실시예들 및 애플리케이션들이 도시되었고 서술되었으나, 이 개시의 이익을 가지는 이 기술 분야에서 숙련된 자들에게 여기에 개시된 발명의 개념으로부터 벗어나지 않으면서 위에서 언급된 것보다 더 많은 수정들이 가능함이 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상을 제외하고 제한될 수 없다.

Claims

통합된 모터 드라이브 및 배터리 재충전 장치로서:
배터리;
각각은 제1 다리(leg) 및 제2 다리를 구비하는 N개의 분리된 모터 권선들(windings)을 구비하는 전기 모터;
각 폴은 제1 측 및 제2 측을 구비하는 복수의 M개의 폴들(poles)을 구비하는 접촉기;
2N개의 스위칭 폴들 및 커패시터를 구비하며, 각각은 상기 배터리와 병렬로 연결된 2N 폴 브리지 인버터;
각 스위칭 폴의 상태를 제어하도록 구성된 PWM 제어 회로 소자(circuitry)를 포함하고,
각 모터 권선의 각 다리는 상응하는 인버터 스위칭 폴의 페이즈 노드에 연결되고, 상기 모터 권선 다리들 중 적어도 2개는 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제1 측들에 연결되고, 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제2 측들에 전력 소스/싱크(source/sink)가 연결되고, 그리고 접촉기 폴들의 각 쌍 사이에 커패시터가 연결된 장치.
제1항에 있어서,
상기 접촉기 폴들의 상기 제2 측들에 연결된 EMI 필터 재충전 포트를 더 포함하는 장치.
제1항에 있어서, M=N인 장치.
제1항에 있어서, M<N인 장치.
제2항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 DC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
제2항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 AC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
제1항에 있어서,
접촉기 폴의 각 제2 측 및 상기 전력 소스/싱크 사이에 인덕터가 연결된 장치.
제7항에 있어서,
상기 접촉기 폴들의 상기 제2 측들에 연결된 EMI 필터 재충전 포트를 더 포함하는 장치.
제7항에 있어서, M=N인 장치.
제7항에 있어서, M<N인 장치.
제8항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 DC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
제8항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 AC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
통합된 모터 드라이브 및 배터리 재충전 장치로서:
배터리;
각각은 제1 다리 및 제2 다리를 구비하는 N개의 분리된 모터 권선들을 구비하는 전기 모터;
각 폴은 제1 측 및 제2 측을 구비하는 복수의 M개의 폴들을 구비하는 접촉기;
2N개의 스위칭 폴들 및 커패시터를 구비하며, 각각은 상기 배터리와 병렬로 연결된 2N 폴 브리지 인버터;
각 스위칭 폴의 상태를 제어하도록 구성된 PWM 제어 회로 소자를 포함하고,
각 모터 권선의 각 다리는 상응하는 인버터 스위칭 폴의 페이즈 노드에 연결되고, 상기 모터 권선들 중 적어도 2개는 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제1 측들에 연결된 탭들(taps)을 구비하고, 그리고 상기 접촉기 폴들의 상응하는 제2 측들에 전력 소스/싱크가 연결된 장치.
제13항에 있어서,
접촉기 폴들의 각 쌍 사이에 연결된 커패시터들을 더 포함하는 장치.
제13항에 있어서,
상기 접촉기 폴들의 상기 제2 측들에 연결된 EMI 필터 재충전 포트를 더 포함하는 장치.
제13항에 있어서, M=N인 장치.
제13항에 있어서, M<N인 장치.
제15항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 DC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
제15항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 AC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
제14항에 있어서,
접촉기 폴의 각 제2 측 및 상기 전력 소스/싱크 사이에 인덕터가 연결된 장치.
제20항에 있어서,
상기 접촉기 폴들의 상기 제2 측들에 연결되는 EMI 필터 재충전 포트를 더 포함하는 장치.
제20항에 있어서, M=N인 장치.
제20항에 있어서, M<N인 장치.
제21항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 DC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
제21항에 있어서,
상기 EMI 필터 재충전 포트는 AC 전력 소스/싱크에 연결되도록 구성된 장치.
제13항에 있어서,
상기 탭들은 중심 탭들(center taps)인 장치.