KR101451787B1 - 전기추진 차량의 고효율 전력변환 제어방법 - Google Patents

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임종광
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 전기추진 차량용 대용량 DC-DC 컨버터의 고효율 제어 기술에 대한 것으로, 배터리로부터 요구되는 출력 전력(배터리가 공급하는 부하전력)과 배터리의 전압, 전기추진 차량에서 구동 모터의 속도와 관련된 정보를 감지하고, 상기 감지된 정보에 근거하여, 동작해야할 전력변환 동작 컨버터 개수를 최소 선정하고 가변 DC 버스 전압 값을 결정하여 전력변환장치를 제어함으로써, 전력변환 효율을 향상시키고, 배터리의 내부 저항 손실과 전자파 노이즈에 의한 영향을 최소화시킨다.

Description

전기추진 차량의 고효율 전력변환 제어방법{HIGH EFFICIENCY POWER CONVERSION CONTROL STRATEGY FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기추진 차량용 대용량 DC-DC 컨버터의 고효율 제어 방법에 관한 것이다.
배터리를 승압하여 고전원을 생성하면서 충방전 전력제어를 수행하는 전력변환장치는 다중 컨버터를 포함한다. 다중 컨버터는 대전력 처리를 위해 전력을 변환하는 다수의 컨버터를 병렬 운전하여, 출력 밀도를 증대시키고, 효율 향상 및 동적 성능 향상, 컨버터의 표준화 측면에서 장점이 있다.
다중 컨버터 전력변환장치의 내부 부품 중 전력용 반도체 스위치 소자는 온·오프 동작 시에 전력 손실이 발생한다. 따라서, 경부하 조건 하에서 전력변환장치의 모든 컨버터가 동작하는 경우, 전력변환장치에서 요구되는 전력에 비해 손실이 증대되어 전력변환장치의 전력 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 상기 경부하 조건은 병렬 연결된 개별 컨버터가 처리할 수 있는 최대 전력보다 작은 경우에 대응된다. 보다 상세하게는, 상기 경부하 조건은 개별 컨버터로 전력 변환할 때 달성할 수 있는 최대 효율보다 작은 부하에 대응된다.
병렬로 연결된 컨버터는 각 개별 컨버터의 위상을 천이시켜서 구동시키는 인터리빙(Interleaving) 방식을 통해, 컨버터에 대한 입력 전류의 리플(ripple)을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 도 2는 고정된 DC 버스 전압 값(예시 660 V)에서 입력 전원의 변동에 따른, 컨버터에 대한 입력 전류의 리플 크기의 변화가 도시되어 있다. 도 2에서는 컨버터가 2-병렬로 제작될 경우와 3-병렬로 제작될 경우를 비교한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입력 전류의 리플 크기는 병렬 연결된 컨버터의 개수 및 입·출력 전압의 값에 따라 달라진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입력 전류의 리플이 최소화되지 않는 경우, 전기추진시스템에서 전력변환장치의 입력 소스로 사용되는 고용량 배터리로, 리플 전류가 유입되어 배터리 내부에 추가적인 손실을 발생시킨다. 또한 리플 전류에 의한 노이즈 발생은 배터리와 연계된 전기장치의 오동작을 발생시키는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 컨버터의 경부하 조건에서 전력변환장치의 동작 효율을 향상시킬 수 있는 전력변환장치의 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 전력변환장치의 제어방법은, 배터리 및 모터의 작동 상태와 관련된 정보를 감지하며, 상기 배터리 및 모터 사이에는 병렬로 연결된 복수의 컨버터가 배치되는 것을 특징으로 하는 단계; 상기 감지된 정보와 미리 설정된 테이블에 근거하여, 상기 복수의 컨버터 중 가동될 개수 및 상기 복수의 컨버터의 출력 전압 값을 결정하는 단계; 전력을 변환하기 위해, 상기 복수의 컨버터 중 상기 결정된 개수의 컨버터를 가동시키는 단계; 상기 복수의 컨버터가 상기 결정된 출력 전압 값을 출력하도록 제어하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 감지된 정보는 배터리로부터 요구되는 출력 전력, 배터리 전압 및 모터의 회전수와 관련되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 컨버터 중 가동될 개수 및 상기 복수의 컨버터의 출력 전압 값을 결정하는 단계는, 각각 미리 설정된 제 1 또는 제 2 룩업 테이블에서 상기 감지된 정보와 대응되는 정보에 근거하여, 상기 가동될 개수 및 상기 출력 전압 값을 결정하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 컨버터 중 가동될 개수 및 상기 복수의 컨버터의 출력 전압 값을 결정하는 단계는, 상기 배터리로부터 요구되는 출력 전력 및 배터리 전압과 관련된 상기 감지된 정보에 근거하여, 제 1 전압 값 및 제 1 컨버터 가동 수를 결정하는 단계; 상기 모터의 회전수와 관련된 상기 감지된 정보에 근거하여, 미리 설정된 식을 통해, 제 2 전압 값을 결정하는 단계; 상기 제 1 전압 값과 상기 제 2 전압 값의 크기를 비교하여, 비교한 결과에 따라, 상기 출력 전압 값을 상기 제 1 전압 값 또는 제 2 전압 값으로 결정하고, 상기 가동될 개수를 상기 제 1 컨버터 가동 수 또는 모든 컨버터의 개수로 결정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제 1 전압 값 및 제 1 컨버터 가동 수를 결정하는 단계는, 상기 배터리로부터 요구되는 출력 전력의 값과 소정의 전력 값을 비교하는 단계; 상기 배터리로부터 요구되는 출력 전력 및 배터리 전압과 관련된 상기 감지된 정보에 근거하여, 직류(DC) 버스 전압 값을 결정하는 단계; 상기 계산된 DC 버스 전압 값과 소정의 전압 값을 비교하는 단계; 상기 전력 값을 비교하는 단계와 상기 전압 값을 비교하는 단계에 따라, 상기 제 1 전압 값을 상기 결정된 DC 버스 전압 값 또는 상기 소정의 전압 값으로 결정하고, 상기 제 1 컨버터 가동 수를 2 또는 3으로 결정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 컨버터는 직류 - 직류 컨버터인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 컨버터와 상기 모터 사이에 직류-교류 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 복수의 컨버터는 3-병렬 컨버터인 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 전력변환장치의 경부하 조건에서, 배터리와 DC-DC 컨버터에서 발생하는 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 경부하 조건에서 전력 손실 발생을 감소시킴으로써, 전력변환장치의 전력 효율을 향상시킬 수 있다. 아울러, 컨버터에 대한 입력 전류의 리플을 최소화하여, 배터리 내부의 손실 및 발열을 감소시키고, 리플에 의한 전자파 노이즈를 최소화시킬 수 있다.
도 1은 다중 모듈 전력변환장치의 입출력 시스템을 나타내는 블록도.
도 2는 병렬 모듈 컨버터의 병렬 모듈 개수 및 입출력 전압에 따르는 입력 전류 리플을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명을 적용할 수 있는 전기추진 차량 시스템의 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련된 전력변환장치의 제어방법에 대한 흐름도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 관련된 전력변환장치의 제어방법에 있어서, DC 버스 전압 값 및 병령 모듈 개수를 결정하는 방법을 나타내는 룩업 테이블 생성에 관련된 블록도.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 관련된 전력변환장치의 제어방법에 있어서, 제 1 DC 버스 전압 값을 결정하는 방법에 대한 흐름도.
도 7은 본 발명에서 제안된 방법에 따른 가변 DC 버스 전압 지령의 생성 예시를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명에서 제안된 방법에 따른 전력변환장치의 전력 효율을 나타내는 그래프.
도 9은 본 발명에서 제안된 방법에 따른 전력변환장치의 제어 방법을 나타내는 블록도.
도 10는 본 발명에서 제안된 컨버터 제어 방법의 흐름도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 다중 컨버터 전력변환장치의 개념도이고, 도 3은 도 1의 다중 컨버터 전력변환장치를 포함할 수 있는 전기추진차량 시스템의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 병렬 입력 시스템 및 병렬 출력 시스템을 포함하는 다중 컨버터 전력변환장치에 적용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 다중 컨버터 전력변환장치는 소스부(101), 병렬 연결된 복수의 컨버터(102), 부하부(103)를 포함할 수 있다.
소스부(101)은 다중 컨버터(102)에 전력을 공급하고, 다중 컨버터(102)는 전력 변환을 수행하여 부하부(103)에 변환된 전력을 전달한다. 이 경우, 병렬 연결된 각 컨버터(104)는 처리할 수 있는 최대 전력의 크기가 전력변환장치가 처리해야할 전체 전력의 크기보다 작다. 따라서, 부하 증가에 따라 필수적으로 운용되어야할 컨버터의 개수가 증가하게 된다.
일 실시예에서 소스부(101)는 도 3에 도시된 배터리(40)인 것을 특징으로 할 수 있다. 일 실시예에서 다중 컨버터(102)는 도 3에 도시된 DC-DC 컨버터(50)인 것을 특징으로 할 수 있다. 이하에서는 도 3을 참조하여, 배터리와 모터 사이에 배치된 DC-DC 컨버터를 포함하는 전기추진차량 시스템의 개념도를 살펴보도록 한다.
도 3은 본 발명을 적용할 수 있는 전기추진차량 시스템의 개념도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 양방향 DC-DC 컨버터(50)는 배터리(40)와 DC 버스(60) 사이에 배치될 수 있다. 도 3에 도시된 시스템은 배터리(40)를 보조 에너지 저장장치로 사용할 수 있고, 배터리(40)의 충방전 전력 흐름을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, DC-DC 컨버터(50)은 도 1에 도시된 다중 컨버터(102)인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, DC 버스(60)는 DC-DC 컨버터(50)의 출력단에 연결될 수 있고, DC-DC 컨버터(50)의 출력 전압은 DC 버스(60)의 전압과 동일할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 시스템은 엔진(10)과 연결된 발전기(20)를 주 에너지 저장장치로 사용할 수 있다. 발전기(20)은 교류전력을 생성시킬 수 있다.
AC-DC 컨버터(30)는 상기 발전기(20)로부터 생성되는 교류 전력을 사용하기 위해, 상기 생성된 교류 전력을 직류로 변환시켜 DC 버스(60)에 전달할 수 있다.
구동 모터(80)는 차량에 구동력을 제공하거나 회생 제동을 수행할 수 있고, 상기 구동 모터(80)는 DC-AC 인버터(70)를 통해 제어될 수 있다.
제어기(90)는 상기 전기추진 차량에 적용되는 주요 전력변환장치들을 특정 명령에 따라 동작하도록 제어하여 차량 운용을 전체적으로 관리할 수 있다. 상기 제어기(90)는 상기 주요 전력변환 장치들을 제어함에 있어서, CAN (Controller Area Network) 통신을 사용할 수 있다.
도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 다중 컨버터에 적용될 수 있는 본 발명의 컨버터 제어 방법을 도시한다.
도 4를 참조하면, 본 발명은 배터리 및 구동 모터의 작동 상태와 관련된 정보를 감지한다(S410). 일 실시예에서, 상기 정보를 감지하는 단계(S410)에서 감지되는 정보는 배터리로부터 요구되는 출력 전력, 배터리 전압 또는 구동 모터의 회전수인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 정보를 감지하는 단계(S410) 이후, 상기 감지된 정보와 미리 설정된 테이블에 근거하여, 다중 컨버터 중 가동될 개수 및 컨버터의 출력 전압을 결정한다(S420). 보다 상세하게는, 배터리로부터 요구되는 출력 전력(등가적으로 부하 전력)과 배터리 전압을 고려하여, 가동될 컨버터의 개수와 컨버터의 제 1 출력 전압을 결정한다. 또한, 구동 모터의 회전수를 고려하여 컨버터의 제 2 출력 전압을 결정한다.
이하에서 설명될 도 5는 상기 다중 컨버터 중 가동될 개수 및 컨버터의 출력 전압을 결정하는 단계(S420) 에 대한 블록도를 도시한다.
상기 결정하는 단계(S420) 이후, 복수의 컨버터 중 결정된 개수의 컨버터를 가동시키고, 컨버터가 결정된 출력 전압을 출력하도록 제어한다(S430).
도 3을 참조하면, 본 발명과 관련된 일 실시예에서 컨버터의 출력 전압은 DC 버스(60)의 전압일 수 있다. 도 3과 관련하여 상술한 바와 같이, 일 실시예에서 상기 제어하는 단계(S430)은 제어기(90)에 의해 수행될 수 있다.
이하의 도 10은 도 4에서 제안되는 컨버터 제어방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다. 도 10에 도시된 컨버터 제어방법은 도 3에 도시된 전기추진차량 시스템에 적용된다. 도 3에 도시된 바와 같이, DC-DC 컨버터(50)의 출력단에는 DC 버스(60)가 연결되어 있다. 따라서 이하 살펴볼 바와 같이, 도 3의 전기추진차량 시스템에 적용되는 도 10의 컨버터 제어 방법에 있어서는, 컨버터 출력 전압과 DC 버스 전압이 등가이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 전력변환장치의 배터리 및 모터의 작동 상태와 관련된 정보를 감지한다(S1010). 일 실시예에서, 상기 정보를 감지하는 단계(S1010)에서 감지되는 정보는 배터리로부터 요구되는 출력 전력, 배터리 전압 또는 구동 모터의 회전수인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 감지된 정보와 미리 설정된 룩업 테이블에 근거하여, 상기 복수의 컨버터 중 가동될 개수를 결정하고, 상기 복수의 컨버터 출력 전압으로서 제 1 및 제 2 DC 버스 전압 값을 결정한다(S1020). 일 실시예에서는, 배터리로부터 요구되는 출력 전력(등가적으로 부하 전력)과 배터리 전압을 고려하여, 가동될 컨버터의 개수와 제 1 DC 버스 전압을 결정한다. 일 실시예에서는, 구동 모터의 회전수를 고려하여 제 2 DC 버스 전압을 결정한다.
상기 제 1 및 제 2 DC 버스 전압 값을 결정하는 단계(S1020)의 일 실시예는, 후술할 도 5 및 6에서 보다 상세하게 도시된다.
제 1 및 제 2 DC 버스 전압 값이 결정되면, 제 1 DC 버스 전압 값과 제 2 DC 버스 전압 값의 크기를 비교한다(S1030).
제 1 DC 버스 전압 값이 제 2 DC 버스 전압 값 이상인 경우, 복수의 컨버터 중 가동될 개수를 상기 결정된 개수로 결정하고, 컨버터의 출력 전압(최종 DC 버스 전압)을 제 1 DC 버스 전압 값으로 결정한다(S1040).
제 1 DC 버스 전압 값이 제 2 DC 버스 전압 값 미만인 경우, 모든 개수의 컨버터를 가동시키도록 결정하고, 컨버터의 출력 전압을 제 2 DC 버스 전압 값으로 결정한다(S1050).
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 전력변환장치의 부하 조건에 따라 필요한 수의 컨버터가 가동되도록 전력변환장치를 제어할 수 있다. 특히, 전력변환장치가 경부하 조건일 때, 병렬로 연결된 컨버터를 모두 가동시키지 않고, 일부만 가동시킨다. 이로써, 컨버터에서 발생하는 전력 손실을 감소시키고, 전력변환장치의 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
아울러 컨버터의 입력 조건(배터리 전압)을 고려하여 컨버터의 출력 전압(DC 버스 전압)을 결정함으로써, 컨버터에 대한 입력 전류의 리플을 최소화할 수 있다. 따라서 배터리 내부의 손실 및 발열이 감소되고, 리플에 의한 전자파 노이즈를 최소화시킬 수 있다.
이하의 도 5는, 가변 병렬 컨버터 및 가변 DC 버스 전압의 제어방법에 대한 블록도이다. 도 5는 도 4의 상기 다중 컨버터 중 가동될 개수 및 컨버터의 출력 전압을 결정하는 단계(S420), 도 10의 상기 제 1 및 제 2 DC 버스 전압 값을 결정하는 단계(S1020)와 관련하여, 다중 컨버터 출력 전압이 DC 버스 전압인 것을 특징으로 한다(도 3 참조).
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 배터리로부터 요구되는 전력 Pbat(등가적으로 부하전력) 및 배터리의 전압 크기 vbat, 전기 추진 차량에서 구동원으로 사용되는 모터의 동작 속도 ωr를 감지한다.
상기 감지된 Pbat, vbat, ωr는 각각 미리 설정된 룩업 테이블(501, 502)의 입력으로 수신된다.
상기 감지된 값들과 미리 설정된 룩업 테이블(501, 502)을 근거로, 동작해야할 컨버터의 개수 Nconverter 및 DC 버스 전압 값 Vdc , ref *이 결정되고, 상기 결정된 값에 따라 전력변환장치가 제어될 수 있다.
제 1 DC 버스 전압 값과 동작될 컨버터의 개수는 아래의 수학식(1) 및 (2) 와 같이, 상기 감지된 Pbat, vbat 을 변수로 입력받아, 미리 설정된 룩업 테이블(501, 502)에 대응되는 값으로 결정된다.
[수학식 1]
Vdc , ref1 = f(Pbat, vbat)
[수학식 2]
Nconverter = f(Pbat, vbat)
상기 수학식(1) 및 (2)에서 Vdc , ref1 는 제 1 DC 버스 전압 값이고, Nconverter 는 병렬로 연결된 복수의 컨버터들 중 동작될 컨버터의 개수이다.
상기 Vdc , ref1 과 Nconverter 는 미리 설정된 이차원 룩업 테이블(501, 502)에 근거하여, 도 6에 도시된 흐름으로 결정된다.
도 6은 제 1 DC 버스 전압 값 및 가동될 컨버터의 개수(도 5의 Vdc , ref1 및 Nconverter)를 결정하는 방법에 대한 흐름도이다. 도 6에 도시된 방법은 상술한 도 10의 상기 제 1 및 제 2 DC 버스 전압 값을 결정하는 단계(S1020)에서 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전력변환장치는, 배터리로부터 요구되는 출력 전력의 크기가 경부하 최대전력의 크기보다 작은지 여부를 판단한다(S610).
상기 경부하 최대전력은 병렬 연결된 개별 컨버터가 처리할 수 있는 최대 전력과 대응된다. 보다 상세하게는, 상기 경부하 최대전력은 개별 컨버터로 전력 변환할 때 달성할 수 있는 최대 효율에서의 전력과 대응된다.
일 실시예에서, 도 6에 도시된 방법은 배터리로부터 요구되는 출력 전력의 크기가 경부하 최대전력의 크기보다 작은 경우에만 수행될 수 있다.
배터리로부터 요구되는 출력전력의 크기가 미리 설정된 경부하 최대전력의 크기보다 작은 경우, 미리 설정된 제 1 룩업 테이블에 근거하여, DC 버스 전압 값을 결정하고, 미리 설정된 제 2 룩업 테이블에 근거하여, 컨버터 가동 개수를 결정한다(S620).
일 실시예에서, 병렬 연결된 3개의 컨버터가 경부하 조건 하에서 모두 동작하게 된다면, 전력변환장치 내부에서의 전력 변화에 따른 손실로 인해 효율이 저하된다. 이러한 전력 손실을 최소화하기 위해, 부하 조건에 따라 컨버터의 동작 개수를 변화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 모든 컨버터의 개수는 3이고, 상기 결정하는 단계(S620)에서 결정되는 컨버터 가동 개수는 2인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결정하는 단계(S620)의 DC 버스 전압은 상기 수학식(1)에 의해 결정될 수 있다.
상기 결정하는 단계(S620)에서 결정된 DC 버스 전압 값이 미리 설정된 최대 DC 버스 전압 설계 값보다 작은지 여부를 판단한다(S630).
상기 판단하는 단계(S610 및 S630)에서 판단한 결과에 따라, 제 1 DC 버스 전압 값을 상기 결정하는 단계(S620)에서 결정된 DC 버스 전압 값으로 결정할 수 있다(S640). 일 실시예에서, 상기 결정하는 단계(S640)은 배터리 요구 전력이 경부하 최대 전력보다 작고, 상기 결정하는 단계(S620)에서 결정된 DC 버스 전압이 최대 DC 버스 전압 설계 값보다 작은 경우 수행될 수 있다.
또한, 제 1 DC 버스 전압 값을 최대 DC 버스 전압 설계 값으로 결정할 수 있다(S650, S660). 일 실시예에서, 상기 결정하는 단계(S650)은 배터리 요구 전력이 경부하 최대 전력보다 작고, 상기 결정하는 단계(S620)에서 결정된 DC 버스 전압이 최대 DC 버스 전압 설계 값보다 작지 않은 경우 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결정하는 단계(S660)은 배터리 요구 전력이 경부하 최대 전력보다 작지 않은 경우 수행될 수 있다. 상기 결정하는 단계(S660)에서 컨버터 가동 개수는 모든 컨버터의 개수인 것을 특징으로 할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 배터리의 입력 전원을 고려하여 제 1 DC 버스 전압 값을 결정할 수 있다. 이로써 배터리로 유입되는 리플 전류를 감소시켜, 배터리 자체의 내부 저항 손실과 전자파 노이즈 발생을 최소화할 수 있다.
도 5의 제 2 DC 버스 전압 값(Vdc , ref2)은 모터가 최대 성능을 유지할 수 있는 경우의 DC 버스 요구 전압으로서, 모터의 속도를 통신으로 수신받아, 수학식(3) 에 의해 결정된다.
[수학식 3]
Figure 112014057373835-pat00001

상기 수학식(3) 의 Vdc , ref2 는 제 2 DC 버스 전압 값이고, λf 는 모터의 제원 특성으로서, 모터의 영구 자석에 의한 쇄교 자속의 크기이며, ωr 는 모터의 회전수이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 부하장치인 모터의 속도를 판단하여 제 2 DC 버스 전압을 결정할 수 있다. 이로써 모터 출력 특성이 확보될 수 있는 제 2 DC 버스 전압을 결정할 수 있다.
상술한 바와 같이 제 1 DC 버스 전압 값과 제 2 DC 버스 전압 값이 결정되면, 상기 제 1 및 제 2 DC 버스 전압 값의 크기를 비교하여, DC 버스의 최종 전압 값인 Vdc , ref * 를 결정한다. 일 실시예에서, Vdc , ref * 는 제 1 및 제 2 DC 버스 전압 값 중 크기가 더 큰 값으로 결정된다. 이로써 본 발명의 전력변환장치는 모터의 정출력(constant power)을 보장할 수 있다.
도 7은 도 5 및 6에서 상기 제안된 방법에 따라 결정되는 최종 DC 버스 전압 값(Vdc , ref *)의 예시를 나타내는 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 배터리로부터 요구되는 전력이 소정의 값(예를 들어, 경부하 최대 전력)보다 작은 경우, 배터리의 입력 전압크기에 따라 배터리의 입력 리플을 최소화하고, 전력 효율을 향상시키기 위해, 최종 DC 버스 전압 값이 결정될 수 있다.
도 8은 본 발명에서 제안된 방법에 따라 전력변환장치를 제어하는 경우, 전력변환장치의 전력 효율을 나타내는 그래프이다. 도 8 그래프의 X 축은 컨버터의 입력 측에 있는 배터리 전압 vbat 을 나타내고, Y 축은 배터리로부터 요구되는 전력 Pbat(등가적으로 부하전력) 을 나타낸다. 도 8에서는 DC-DC 컨버터가 2-병렬 방식, 3-병렬 방식 및 본 발명에서 제안된 방식으로 제어되는 경우에 대하여, 각각 전력변환장치의 전력 효율을 나타낸다. 일 실시예에서, DC-DC 컨버터는 최대 150kW 의 전력을 처리할 수 있는 양방향 컨버터인 것을 특징으로 할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 2-병렬 방식을 따르는 전력변환장치는 출력 한계가 있다. 또한, 도 8의 효율 향상 구간에서 2-병렬 방식, 3-병렬 방식 및 본 발명에서 제안된 방식을 따르는 각각의 전력변환장치는 상이한 전력 효율 값을 갖는다.
도 8에 도시된 전력변환장치의 전력효율 값은 아래의 수학식(4)와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
ηeff = Pload/(Pload + PLoss , tot)
상기 수학식(4) 의 상기 ηeff 는 컨버터의 효율, 상기 Pload 는 컨버터의 부하전력, 상기 PLoss , tot 는 스위치, 다이오드 또는 등가저항에 의한 손실 전력을 나타낸다.
도 9는 본 발명에서 제안된 방법을 적용한 전력변환장치의 제어 블록도이다. 도 5에 도시된 DC 버스 전압 값과 동작될 컨버터 개수를 결정하는 블록이 도 9의 "가동 컨버터 개수 & 컨버터 출력 전압 결정 블록"(910) 에 적용된다. 본 발명은 DSP / FPGA 등의 연산장치와 메모리를 통해 구현할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 전기추진차량의 전력변환 제어방법은 상기 개시된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (9)

  1. 배터리로부터 요구되는 출력 전력, 배터리 전압 및 모터의 회전수와 관련된 정보를 감지하며, 상기 배터리 및 모터 사이에는 병렬로 연결된 복수의 컨버터가 배치되는 것을 특징으로 하는 단계;
    상기 감지된 정보와 미리 설정된 테이블에 근거하여, 상기 복수의 컨버터 중 가동될 개수 및 상기 복수의 컨버터의 출력 전압 값을 결정하는 단계;
    전력을 변환하기 위해, 상기 복수의 컨버터 중 상기 결정된 개수의 컨버터를 가동시키는 단계;
    상기 복수의 컨버터가 상기 결정된 출력 전압 값을 출력하도록 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 복수의 컨버터 중 가동될 개수 및 상기 복수의 컨버터의 출력 전압 값을 결정하는 단계는,
    상기 배터리로부터 요구되는 출력 전력 및 배터리 전압과 관련된 상기 감지된 정보에 근거하여, 제 1 전압 값 및 제 1 컨버터 가동 수를 결정하는 단계;
    상기 모터의 회전수와 관련된 상기 감지된 정보에 근거하여, 미리 설정된 식을 통해, 제 2 전압 값을 결정하는 단계; 및
    상기 제 1 전압 값과 상기 제 2 전압 값의 크기를 비교하여, 비교한 결과에 따라, 상기 출력 전압 값을 상기 제 1 전압 값 또는 제 2 전압 값으로 결정하고, 상기 가동될 개수를 상기 제 1 컨버터 가동 수 또는 모든 컨버터의 개수로 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터 중 가동될 개수 및 상기 복수의 컨버터의 출력 전압 값을 결정하는 단계는,
    각각 미리 설정된 제 1 또는 제 2 룩업 테이블에서 상기 감지된 정보와 대응되는 정보에 근거하여, 상기 가동될 개수 및 상기 출력 전압 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전압 값 및 제 1 컨버터 가동 수를 결정하는 단계는,
    상기 배터리로부터 요구되는 출력 전력의 값과 소정의 전력 값을 비교하는 단계;
    상기 배터리로부터 요구되는 출력 전력 및 배터리 전압과 관련된 상기 감지된 정보에 근거하여, 직류(DC) 버스 전압 값을 결정하는 단계;
    상기 결정된 직류 버스 전압 값과 소정의 전압 값을 비교하는 단계;
    상기 전력 값을 비교하는 단계와 상기 전압 값을 비교하는 단계에 따라, 상기 제 1 전압 값을 상기 결정된 직류 버스 전압 값 또는 상기 소정의 전압 값으로 결정하고, 상기 제 1 컨버터 가동 수를 2 또는 3으로 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 식은
    식 :
    Figure 112014087217284-pat00013

    이고,
    상기 식에 있어서,
    상기 Vdc,ref2 는 상기 제 2 전압 값이고, 상기 λf 는 상기 모터의 제원 특성과 관련된 값이고, 상기 ωr 는 상기 모터의 회전수인 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터는 직류 - 직류 컨버터인 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터와 상기 모터 사이에는, 직류 - 교류 인버터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 컨버터는 3-병렬 컨버터인 것을 특징으로 하는 전력변환장치의 제어방법.
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