KR102141100B1 - 전기자동차를 위한 통합 충전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전기자동차를 위한 통합 충전기는, 에너지 저장 역할을 하는 복수의 배터리 팩, 상기 복수의 배터리 팩에 연결되는 복수의 인버터, 상기 복수의 인버터에 연결되는 복수의 권선을 전동기 회전 또는 전력계통 연계에 사용할 수 있다.

Description

전기자동차를 위한 통합 충전기{INTEGRATED CHARGER FOR ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기자동차를 위한 통합 충전기에 관한 것이다.
친환경 자동차 시장의 확대에 따라 배터리 전기자동차 보급이 꾸준히 증가하고 있다. 전기자동차의 상용화에 가장 큰 걸림돌 중에 하나는 충전인프라의 부족이다. 충전 인프라의 구축을 위해 다양한 노력이 진행 중에 있다. 또한 계통으로부터 전기자동차로 단방향 충전기를 사용하는 것에서 전기차 배터리에 저장된 에너지를 계통에 연계하여 사용하고자 하는 V2G(Vehicle to Grid) 기술과 정전 시 가정에 에너지를 공급하고자 하는 V2H(Vehicle to Home)기술의 개발 및 실증이 꾸준히 진행되고 있다. 이와 같이 다양한 방식으로 최근 전기자동차를 스마트그리드(smart grid) 영역에 적용하려는 연구가 진행되고 있으며 급속 충전 시스템의 활발한 보급으로 상용화가 가속화 되고 있다. 이를 위해 양방향 배터리 충전기 및 전력 변환 장치의 개발이 필수적으로 필요하며 급속 충전기에서 충전시간단축과 충전효율의 향상은 핵심 기술 중 하나로 배터리 성능과 함께 양방향 전력 변환 장치의 최적 설계, 최적 제어기법이 중요하게 연구되어 적용되고 있다.
국제공개번호: WO 2010/057893 A1; 국제공개번호: WO 2011/159241 A1 미국등록특허: US 9,018,809; 미국등록특허: US 5,099,186 미국등록특허: US 8,847,555; 미국공개특허: US 2011/0187185
본 발명의 목적은 전기자동차를 위한 신규한 통합 충전기를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기자동차를 위한 통합 충전기는, 에너지 저장 역할을 하는 복수의 배터리 팩, 상기 복수의 배터리 팩에 연결되는 복수의 인버터, 상기 복수의 인버터에 연결되는 복수의 권선을 전동기 회전 또는 전력계통 연계에 사용할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 배터리 팩은 서로 전기적으로 분리되어 있거나 임의의 임피던스를 통해 전기적인 흐름이 현저히 방해를 받는 연결이 존재할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 인버터는 상기 복수의 배터리 팩과 상기 복수의 권선 사이에서 전력반도체를 이용하여 양방향 전력 변환이 가능하도록 할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 권선은 상기 복수의 인버터에 전기적으로 직접 연결될 수 있는 도체 물질로, 전동기 구동 모드 시 회전 자속을 만들 수 있고, 배터리 충방전 모드시 인버터와 전력계통 사이에 전기적인 연결 통로를 제공할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 권선은 별도의 장치를 사용하여 통합 충전기와 전력 계통 사이 연결과 분리가 가능하다.
실시 예에 있어서, 상기 전력계통 연계는 배터리와 전력계통 사이에서 전기적인 에너지를 서로 주거나 받는 동작을 의미할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 배터리 팩이 서로 전기적으로 분리되거나 전기적인 흐름이 현저히 방해를 받는 구성과 상기 복수의 인버터를 제어함으로 인해, 상기 복수의 권선에 인가되는 전압 또는 전류의 고조파 함유율이 상기 복수의 인버터를 개별적으로 사용하는 경우의 전압 또는 전류의 고조파 함유율보다 작아질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 고조파 함유율은 상기 복수의 권선에서 상기 복수의 인버터를 통해 만들고자 했던 기본 주파수 성분에 대하여 상기 복수의 권선에 실제로 보이는 기본 주파수 성분을 제외한 모든 주파수 성분의 비율이다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 배터리 팩이 서로 전기적으로 분리되거나 전기적인 흐름이 현저히 방해를 받는 구성으로 인해, 상기 복수의 인버터 중 일부에 고장이 발생하여도 고장 부위 동작을 중지함으로써 나머지 정상적인 인버터로도 전동기 구동 또는 전력계통 연계가 가능하다.
본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기는 전기자동차의 동력 발생에 필수적인 인버터와 전동기를 전기자동차의 배터리 충전 목적으로 활용함으로써, 기존에 전기자동차 충전을 위해 필요하던 별도 충전장치를 최소화하면서도 충전 용량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기 및 그것의 동작 방법은 배터리의 동작전압을 낮추고 전동기 권선에 인가되는 전압의 고조파 특성을 향상시킬 수 있어, 전기자동차의 생산, 운용, 보수에 드는 전반적인 비용을 절감할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 배터리 충전을 위해 전기자동차가 AC 전력 계통에 연결되었을 경우의 블록 다이어그램이다.
도 2는 일반적인 통합 충전기를 보여주는 도면이다.
도 3은 일반적인 전동기의 권선을 활용한 통합 충전기를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 통합 충전기(100)의 인버터(110, 120) 구성을 좀 더 자세하게 보여주는 도면이다.
도 6은 일반적인 통합 충전기에 의한 전동기 권선 전압과 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)의 전동기 권선 전압과 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 일반적인 통합 충전기의 SVPWM 사용 시 폴전압 지령 및 출력 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)의 SVPWM 사용 전과 후의 출력 전류의 주파수 스펙트럼의 변화를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 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.
구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 혹은 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 혹은 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 혹은 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것들의 존재 혹은 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
전기자동차의 동력 발생에 필수적인 인버터와 전동기를 전기자동차의 배터리 충전 목적으로 활용함으로써, 기존에 전기자동차 충전을 위해 필요하던 별도 충전장치를 최소화하면서도 충전 용량을 증가시킬 수 있다. 제안하는 발명은 배터리의 동작전압을 낮추고 전동기 권선에 인가되는 전압의 고조파 특성을 향상시킬 수 있어, 전기자동차의 생산, 운용, 보수에 드는 전반적인 비용을 절감할 수 있다.
전기자동차는 운행을 위해 화석연료를 이용하는 대신에 배터리에 전기에너지를 저장하고 그로부터 동력을 얻는다. 전기자동차의 배터리에 전기에너지를 저장하기 위해서는 이를 위한 전력변환장치를 별도로 설치하는 방법이 주로 사용되고 있다. 향후 전기자동차는 가솔린 자동차에 버금가는 주행거리 확보를 위해 배터리의 에너지용량에서 대폭적인 증가가 예상되고, 충전시간 단축을 통한 사용자 편의 증진을 위해 배터리의 순시적인 충전 용량도 대폭적인 증가가 필요하다. 이러한 변화는 배터리 충전을 위한 전력변환장치의 대용량화를 수반하게 되므로, 기존 충전 방법처럼 별도 장치를 설치할 경우 비용, 무게, 부피 등에서 많은 제약이 발생한다. 자동차의 근본적인 용도는 동력 발생을 통한 탑승자의 이동이므로, 전기자동차는 배터리로부터 동력을 발생하기 위해 필수적으로 전동기와 그 구동을 위한 전력변환장치인 인버터를 포함하게 된다. 이러한 전동기와 인버터는 대용량 전력변환이 가능하기 때문에, 그 하드웨어를 그대로 배터리 충전에 활용할 수 있다면 충전 장치의 별도 설치에 따른 부담을 대폭 줄여 전기자동차 보급확대에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 본 발명은 전기자동차의 동력발생에서 필수 구성 요소인 전동기와 인버터를 배터리 충전에도 사용하기 위한 회로 구성 및 제어 방법에 대한 것으로, 배터리 팩 내부의 직렬 연결을 줄이고 전동기 권선에 인가되는 고조파 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기자동차의 배터리 충전 장치 및 그것의 제어 방법은 향후 전기자동차를 전력계통에 연계하여 계통안정화에 활용하는 V2G(vehicle to grid) 목적의 양방향 전력변환장치를 대용량화 하기 위해 사용될 수 있다.
도 1은 배터리 충전을 위해 전기자동차가 AC 전력 계통에 연결되었을 경우의 블록 다이어그램이다. AC-DC 전력변환을 하는 정류기(rectifier)는 계통으로부터 전기 에너지를 전달받아 배터리에 저장하는 역할을 수행한다. 정류기가 전기자동차 내부에 포함되어 설치되는지 여부에 따라 온보드(on-board)와 오프보드(off-board) 충전기로 분류된다. DC-AC 전력변환을 하는 인버터(inverter)는 전동기에 연결되어 주로 배터리에 저장된 에너지를 전동기의 운동에너지로 전환하는 역할을 수행한다. 또한 인버터는 전동기가 제동에 사용될 경우 회수된 에너지를 배터리에 저장하는 역할도 수행한다.
일반적인 전기자동차는 충전기의 전력변환 용량이 10kW 이하이고 배터리의 에너지용량이 40kWh 이하인 수준에서 개발되고 있다. 하지만 일반적인 가솔린 자동차에 버금가는 400~500km 주행거리 확보를 위해서는 전기자동차의 배터리 에너지 용량이 90kWh 이상까지 확대될 것으로 예상된다. 전기자동차의 충전기 용량에 변화가 없다면, 배터리 에너지 용량의 증가는 곧바로 전기자동차 충전 시간의 증가를 의미한다. 따라서, 사용자 편의성 측면에서 충전 시간 단축을 위한 충전기 용량의 대폭적인 증가가 필연적이다. 일반적으로 전력변환 용량의 증가는 그 전력변환 장치의 무게 및 부피의 증가를 의미한다. 따라서, 도1과 같은 구성에 따르면 전기자동차 보급이 확산되면서 대용량 충전기 설치 및 운용을 위한 사회적/개인적인 비용의 증가가 예상된다.
전기자동차의 인버터는 전동기 구동을 위한 필수적인 요소로 배터리 충전 장치와 다른 의미를 지닌다. 즉, 충전기는 전기자동차가 이동하는 중에 동작할 것이 기대되지 않기 때문에 대용량화 과정에서 그 무게 및 부피가 증가할 경우, 연비 향상 및 공간 확보 측면에서 차량 바깥에 별도로 설치하는 것이 바람직하다. 하지만, 인버터의 경우, 전기자동차의 이동을 위한 필수적인 요소이기 때문에 전기자동차 성능 향상을 목적으로 그 전력변환 용량이 증가하더라도 전기자동차 내부에 반드시 포함될 수 밖에 없다. 전기자동차의 보급이 확대되기 위해서는 인버터와 전동기의 정격 용량도 증가가 예상되는데, 전동기의 순간적인 최대 토크 출력을 고려할 때 150kW 이상의 대용량 인버터가 활용될 것으로 예상된다.
인버터와 전동기(motor)는 전기자동차의 속성상 제거가 불가능한 요소이고, 전통적인 자동차에서 가능했던 사용자 경험을 제공하기 위해서는 그 전력변환 용량의 대폭적인 증가가 불가피하다. 따라서 동력 발생을 위해 주로 사용되던 인버터와 전동기의 하드웨어를 대용량 배터리 충전을 위해 활용하는 방법이 고려될 수 있다. 인버터와 전동기를 활용한 통합 충전기(integrated charger)에 대해서 많은 연구/개발이 진행되고 있다.
도 2는 일반적인 통합 충전기를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 통합 충전기는 배터리, 인버터, 모터, 및 그리드를 포함할 수 있다. 전력 계통에 전력변환장치를 연계하기 위해서는 인덕터/변압기가 필요하다. 그런데, 일반적인 통합 충전기는 전동기의 권선으로 인덕터/변압기의 역할을 대체하고 있다. 전동기의 권선을 활용하는 방법은 매우 다양한 구체적인 방법이 존재한다. 공통적인 특성은 전력 변환 장치가 하나의 배터리 뱅크(bank)에 연결되어 동작 모드에 따라 전동기 구동 및 배터리 충전을 수행하는 것이다.
도 3은 일반적인 전동기의 권선을 활용한 통합 충전기를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 통합 충전기는 6개의 권선을 갖는 전동기 및 인버터를 3상 계통에 연결하여 배터리를 충전한다. 예를 들어, A레그(leg)와 B레그 사이에 존재하는 2개의 권선은 극성을 나타내는 점(dot)에 대해서 전동기 구동시에는 동일한 방향 및 동일한 크기의 전류가 흐른다. 배터리 충전시에는 반대 방향 및 동일한 크기의 전류가 흐른다. 이러한 방법은 배터리 충전시 전동기 회전자의 회전을 방지할 수 있다. 이는 배터리의 충전 및 방전이 가능한 양방향 전력변환 방식이다.
하지만, 전력변환에 사용되는 인버터가 하나의 배터리 뱅크에 대해서만 연결이 되어있다. 이 때문에, 전동기 구동 시에 권선에 인가하는 전압의 레벨이 ±Vdc(직류단 전압의 크기)와 0의 3단계로만 제한된다. 통합 충전기 구현을 위해서 일반적인 3상 인버터 구성에 비해 다수의 권선과 다수의 레그를 이용함에도 불구하고, 전동기 권선에 인가되는 출력의 고조파 특성 향상에는 제한을 보이고 있다. 추가로, 하나의 배터리 뱅크와 하나의 인버터 구성을 가짐으로써 배터리나 인버터 중 하나에 결함이 생길 경우, 이러한 통합 충전기는 전기자동차 구동이 불가하기 때문에 신뢰성 측면에서 단점을 갖는다.
전기자동차에서 전동기의 권선을 배터리 충전을 위한 계통 연계에 사용하기 위해서는 일반적인 3상 권선 이상으로 다수의 권선이 필요하다. 그렇지 않을 경우 전동기 권선을 통해 배터리와 계통 사이에 흐르는 전류는 전동기의 회전을 발생시킨다. 따라서, 배터리 충전을 위해 전동기의 회전축과 자동차 구동축을 기계적으로 분리시키는 별도의 클러치 장치를 필요로 하게 된다. 또한 클러치를 사용하더라도 무부하 상태에서 전동기의 회전은 기계적인 한계에 따라 속도 증가가 제한되어야 한다. 따라서 종래의 통합 충전기는 복잡한 제어 시퀀스를 가질 수 밖에 없다. 전동기의 고정자를 3개 이상의 권선으로 설계한 후 배터리 충전에 활용할 경우, 각 권선에서 생기는 자속들을 서로 상쇄시키도록 제어하면 기계적인 도움없이 전동기가 정지된 상태에서 배터리를 충전하는 것이 가능하다.
전동기의 권선 수 증가는 전동기를 구동하기 위한 인버터의 전력반도체 개수 증가를 필요로 한다. 그리고 전동기의 권선 수 증가는 일반적인 3상 인버터 구성보다 많은 전력 반도체가 스위칭 과정에서 필요하다. 즉, 전동기 회전축의 움직임이 없는 통합 충전기 구현을 위해서는, 다수의 권선 및 다수의 인버터의 사용이 필수적이다. 따라서, 이러한 하드웨어 조건을 잘 활용하면, 권선에 인가되는 인버터 출력의 고조파 특성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 인버터 출력의 고조파 특성을 향상시키는 통합 충전기(100)는 제 1 인버터(110), 제 2 인버터(120), 및 전동기(M, 130)를 포함할 수 있다. 일반적인 통합 충전기는 하나의 배터리 뱅크를 사용하던 것과 달리, 본 발명의 통합 충전기(100)는 접지(GND)가 분리된 여러 배터리 팩들(101, 102)을 사용함으로써 하나의 전동기(130)를 구동하거나, 전동기 권선을 이용하여 계통과 연결된 양방향 전력 변환을 할 수 있다.
실시 예에 있어서, 복수의 배터리 팩들(101, 102)은 서로 전기적으로 분리되어 있거나 임의의 임피던스를 통해 전기적인 흐름이 현저히 방해를 받는 연결이 존재할 수 있다.
실시 예에 있어서, 복수의 인버터들(110, 120)은 복수의 배터리 팩들(101, 102)과 복수의 권선 사이에서 전력 반도체를 이용하여 양방향 전력 변환이 가능하도록 할 수 있다. 실시 예에 있어서, 복수의 권선은 복수의 인버터들(110, 120)에 전기적으로 직접 연결될 수 있는 도체 물질로, 전동기 구동 모드 시 회전 자속을 만들 수 있고, 배터리 충방전 모드시 인버터와 전력계통 사이에 전기적인 연결 통로를 제공할 수 있다. 실시 예에 있어서, 상기 복수의 권선은 별도의 장치를 사용하여 통합 충전기와 전력 계통 사이 연결과 분리가 가능하다.
배터리 팩(101, 102)마다 각각의 인버터(110, 120)를 사용하게 된다. 이러한 직류 전원을 분리한 다중 인버터 구조(110, 120)는 전동기 권선에 인가되는 인버터 출력의 전압 레벨을 증가시킴으로써 고조파 특성을 향상시킬 수 있다. 인버터 출력의 고조파 향상은 시스템 전반의 효율 증가, EMI(electromagnetic interference) 저감, 누설 전류 감소 등을 통해 전반적인 운영 비용을 감소시킬 수 있다.
접지가 분리된 여러 배터리를 하나의 전동기 구동에 사용할 경우, 동일한 전동기 설계에 대해 필요한 인버터 전압의 크기를 감소시킬 수 있다. 이 때문에 배터리 팩 내부 직렬 연결되는 셀의 개수를 감소시키는 효과가 있다. 동일한 용량의 배터리를 여러 팩으로 나누는 경우 BMS(battery management system) 회로 비용 측면에서 증가가 예상되지만, 배터리 셀의 직/병렬 연결 개수를 감소시키는 것은 배터리 생산, 유지, 보수 등에 드는 비용을 절감하는 효과가 있다. 추가로, 다중 구조의 배터리(101, 102)와 인버터(110, 120) 구성은 한쪽 세트에 문제가 생기더라도 다른 세트만으로도 전동기(130)를 구동할 수 있기 때문에, 고장 상황에서의 전기자동차 신뢰성 향상에도 도움이 될 수 있다.
실시 예에 있어서, 복수의 배터리 팩들(101, 102)이 서로 전기적으로 분리되거나 전기적인 흐름이 현저히 방해를 받는 구성과 복수의 인버터들(110, 120)를 제어함으로 인해, 복수의 권선에 인가되는 전압 또는 전류의 고조파 함유율이 복수의 인버터(110, 120)를 개별적으로 사용하는 경우의 전압 또는 전류의 고조파 함유율보다 작아질 수 있다. 실시 예에 있어서, 고조파 함유율은 복수의 권선에서 복수의 인버터들(110, 120)를 통해 만들고자 했던 기본 주파수 성분에 대하여 복수의 권선에 실제로 보이는 기본 주파수 성분을 제외한 모든 주파수 성분의 비율이다.
실시 예에 있어서, 복수의 배터리 팩들(101, 102)이 서로 전기적으로 분리되거나 전기적인 흐름이 현저히 방해를 받는 구성으로 인해, 복수의 인버터들(110, 120) 중 일부에 고장이 발생하여도 고장 부위 동작을 중지함으로써 나머지 정상적인 인버터로도 전동기 구동 또는 전력계통 연계가 가능하다.
한편, 도 4에서는 하나의 예시로 2개의 배터리들(101, 102) 및 2개의 인버터들(110, 120)와 6개 권선에 대한 구조를 설명하였지만, 본 발명의 구조가 여기에 제한되지 않는다고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 통합 충전기는 고조파 특성 향상을 위해 그 이상의 개수를 가지는 배터리, 인버터, 권선들을 활용할 수 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 통합 충전기(100)의 인버터(110, 120) 구성을 좀 더 자세하게 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 통합 충전기(100)는 제 1 및 제 2 인버터들(110, 120)을 포함할 수 있다.
제 1 인버터(110)는 6개의 트랜지스터들(T11 ~ T16) 및 6개의 다이오드들(D11 ~ D16)을 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 트랜지스터(T11)와 제 2 트랜지스터(T12)는 제 1 배터리 팩(101)의 양단 사이에 직렬 연결될 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 및 제 2 트랜지스터들(T11, T12)의 각각의 양단 사이에는 대응하는 다이오드들(D11, D12)이 연결될 수 있다. 실시 예에 있어서, 트랜지스터들(T11 ~ T16)의 각각의 게이트는 대응하는 제어 신호(S11 ~ S16)를 수신할 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 1 인버터(110)는, 제 1 배터리 팩(101)의 양전압단과 제 1 권선(C11) 사이에 연결된 제 1 트랜지스터(T11), 제 1 권선(C11)과 제 1 배터리 팩(101)의 음전압단 사이에 연결된 제 2 트랜지스터(T12), 제 1 배터리 팩(101)의 양전압단과 제 2 권선(C12) 사이에 연결된 제 3 트랜지스터(T13), 제 2 권선(C12)과 제 1 배터리 팩(101)의 음전압단 사이에 연결된 제 4 트랜지스터(T14), 제 1 배터리 팩(101)의 양전압단과 제 3 권선(T13) 사이에 연결된 제 5 트랜지스터(T15), 및 제 3 권선(T13)과 제 1 배터리 팩(101)의 음전압단 사이에 연결된 제 6 트랜지스터(T16)를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 1 인버터(110)의 음전압단은 제 1 접지단(GND1)에 연결될 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 1 인버터(110)는, 제 1 트랜지스터(T11)의 양단에 연결된 제 1 다이오드(D11), 제 2 트랜지스터(T12)의 양단에 연결된 제 2 다이오드(D12), 제 3 트랜지스터(T13)의 양단에 연결된 제 3 다이오드(D13), 제 4 트랜지스터(T14)의 양단에 연결된 제 4 다이오드(D14), 제 5 트랜지스터(T15)의 양단에 연결된 제 5 다이오드(D15), 및 제 6 트랜지스터(T16)의 양단에 연결된 제 6 다이오드(D16)를 더 포함할 수 있다.
제 2 인버터(120)는 6개의 트랜지스터들(T21 ~ T26) 및 6개의 다이오드들(D21 ~ D26)을 포함할 수 있다. 제 2 인버터(120)는 제 1 인버터(110)과 유사하게 구현될 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 2 인버터(120)는, 제 2 배터리 팩(102)의 양전압단과 제 4 권선(C21) 사이에 연결된 제 7 트랜지스터(T21); 제 4 권선(C21)과 제 2 배터리 팩(102)의 음전압단 사이에 연결된 제 8 트랜지스터(T22), 제 2 배터리 팩(102)의 양전압단과 제 5 권선(C22) 사이에 연결된 제 9 트랜지스터(T23); 제 5 권선(C22)과 제 2 배터리 팩(102)의 음전압단 사이에 연결된 제 10 트랜지스터(T24), 제 2 배터리 팩(102)의 양전압단과 제 6 권선(C23) 사이에 연결된 제 11 트랜지스터(T25) 및 제 6 권선(C23)과 제 2 배터리 팩(102)의 음전압단 사이에 연결된 제 12 트랜지스터(T26)를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 2 인버터(120)는, 제 7 트랜지스터(T21)의 양단에 연결된 제 7 다이오드(D21), 제 8 트랜지스터(T22)의 양단에 연결된 제 8 다이오드(D22), 제 9 트랜지스터(T23)의 양단에 연결된 제 9 다이오드(D23), 제 10 트랜지스터(T24)의 양단에 연결된 제 10 다이오드(D24), 제 11 트랜지스터(T25)의 양단에 연결된 제 11 다이오드(D25), 및 제 12 트랜지스터(T26)의 양단에 연결된 제 12 다이오드(D26)를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 2 인버터(120)의 음전압단은 제 2 접지단(GND2)에 연결될 수 있다. 여기서 제 2 접지단(GND2)는 제 1 접지단(GND1)과 전기적으로 분리될 수 있다.
한편, 도 5에는 도시되지 않았지만, 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 제 1 및 제 2 인버터들(110, 120)을 제어하기 위한 제어 장치를 더 포함할 수 있다. 이러한 제어 장치는 제 1 및 제 2 인버터(110, 120)의 트랜지스터들(T11 ~ T16, T21 ~ T26)의 온/오프 및 온/오프 시간 등을 제어할 수 있다.
전동기(130)는 6개의 권선들(C11, C12, C13, C21, C22, C23)를 포함할 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 권선들(C11, C12, C13)는 제 1 인버터(110)에 연결되고, 제 2 권선들(C21, C22, C23)은 제 2 인버터(120)에 연결될 수 있다.
또한, 전동기(130)는 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 권선들(C11, C12, C13)과 대응하는 제 2 권선들(C21, C22, C23) 사이에서 교류 전압/전류를 송수신하도록 그리드(140)에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 도 3에 도시된 그것과 비교하여, 동일한 개수의 권선과 전력반도체를 가지지만 접지가 분리된 배터리 팩(101, 102)를 갖는 것을 알 수 있다.
한편, 3상은 각 상마다 동일한 원리로 동작하기 때문에 아래에서는 a상을 하나의 예시로 설명하겠다. 실시 예에 있어서, 전동기(130)가 구동 모드로 동작 시에는 각 인버터의 출력 전류가 크기가 같고 반대 위상을 갖도록(ia1=ia2) 제어될 수 있다. 실시 예에 있어서, 전동기(130)가 배터리 충방전 모드로 동작 시에는 각 인버터의 출력 전류가 크기와 위상에서 동일하도록(ia1=ia2) 제어될 수 있다. 전동기(130)의 회전을 방지하면서 계통 연계 운전이 수행될 수 있다.
실시 예에 있어서, 도 5에 도시되지 않았지만 전동기와 계통 사이에는 차단기가 더 설치될 수 있다. 전기자동차 이동시에는 계통과의 회로적인 연결은 존재하지 않는다.
일반적인 통합 충전기와 본 발명의 통합 충전기(100)의 결정적인 차이는 접지가 분리된 배터리를 사용하는 것이다. 하지만, 그로 인해 나타나는 적용 효과는 전동기 권선에 인가되는 전압 및 출력 전류에서 눈에 띄게 나타날 수 있다.
도 6은 일반적인 통합 충전기에 의한 전동기 권선 전압과 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6에 도시된 전동기 권선 전압과 전류는 도 3의 통합 충전기에 의한 결과이다. 도 3의 통합 충전기는 ±Vdc와 0의 3레벨만으로 구성 된 전동기 권선에 인가되는 인버터 전압을 갖는다. 도 6에서 권선에 인가되는 전압의 기본파 성분은 247.9 V이고 RMS와 THD는 각각 221V와 76.8%이다. 도 6의 아래 파형은 그러한 권선 전압이 인가될 때 흐를 수 있는 전류의 예시로, 기본파 성분이 39.6A일 때 RMS와 THD는 각각 28A와 1.85%이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)의 전동기 권선 전압과 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 7에 도시된 권선 전압과 출력 전압은, 도 6에서 동일한 스위칭 주파수와 직류단 전압을 사용할 때, 결과값이다.
본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 분리된 배터리 구조를 갖기 때문에 인버터 전압 출력에 있어 ±
Figure 112017120906370-pat00001
Figure 112017120906370-pat00002
Vdc, ±Vdc, ±
Figure 112017120906370-pat00003
Figure 112017120906370-pat00004
Vdc, ±
Figure 112017120906370-pat00005
Figure 112017120906370-pat00006
Vdc, 0의 9개 전압 레벨을 활용할 수 있다. 전압 출력 합성에 있어서 3배 더 많은 전압 레벨을 활용할 수 있기 때문에 고조파 특성이 도 6의 그것과 비교하여 눈에 띄게 향상시킬 수 있다. 그 결과, 도 7에서 권선에 인가되는 전압의 기본파 성분은 247.8V이고 RMS와 THD는 각각 190V와 42.6%이다. 또한, 도 7의 아래 파형에 보이듯 출력 전류는 기본파 성분이 39.6A일 때 RMS와 THD는 각각 28A와 1.3%이다.
본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는, 동일한 기본파 성분을 출력할 경우 전압과 전류의 THD를 기존 발명에 비해 각각 44.5%와 29.7% 감소시키고, 고조파 특성을 대폭 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 전압 레벨의 간격이
Figure 112017120906370-pat00007
Figure 112017120906370-pat00008
Vdc로 일반적인 방식의 Vdc에 비해 dv/dt가 작아 전압 스트레스, 누설 전류나 EMI 측면에서도 이점을 갖는다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 접지가 분리된 배터리로 인해 기본파 전압 출력에서도 장점을 갖는다.
일반적인 3상 인버터에서는 SVPWM(space vector pulse-width modulation)을 적용해 스위칭 주파수의 고조파 특성을 향상시키거나 선형적인 합성 영역을 최대한 넓히기 위한 목적으로 3고조파 성분이 사용된다.
도 8은 일반적인 통합 충전기의 SVPWM 사용 시 폴전압 지령 및 출력 전류를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 8의 위 파형은 SVPWM을 위해 3고조파 성분이 기본파에 더해져 전압 지령이 생성된 예시를 나타내고 있다. 도 8의 아래 파형은 이러한 지령을 사용할 경우, 기존 방식에서의 출력 전류가 나타나고 있다. 기존 방식은 하나의 배터리 전원을 사용하기 때문에, 3고조파와 같은 영상분(zero-sequence) 전압을 지령 합성에 사용할 경우 그에 해당하는 고조파 전류가 흐를 수 있다. 도 8의 출력 전류는 기본파 성분이 39.5A일 때 7.9%에 해당하는 3.1A의 3고조파 성분이 발생하여, 도 6에 비해 저차 고조파 특성이 악화된 것을 알 수 있다. 전동기에 대한 주요한 전력 전달은 기본파 성분을 통해 이루어지므로, 이러한 3고조파 성분은 불필요한 손실 및 토크 맥동을 초래할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)의 SVPWM 사용 전과 후의 출력 전류의 주파수 스펙트럼의 변화를 예시적으로 보여주는 도면이다. 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 3고조파 전압을 지령 합성에 활용하더라도 분리된 배터리 전원을 사용하기 때문에 3고조파 전류가 흐를 수 없다.
또한 3고조파 성분을 활용하는 SVPWM을 적용할 수 있기 때문에, 동일한 스위칭 주파수에서도 좀더 향상된 고주파 특성이 나타난다. 도 9에 도시된 바와 같이 SVPWM 적용 전 후의 출력 전류에 대한 주파수 스펙트럼을 보면, 스위칭 주파수 부근의 고주파 성분이 감소된 것을 알 수 있다. 결과적으로 SVPWM 적용을 통해 본 발명의 통합 충전기(100)는 THD를 1.3%에서 1.2%로 좀더 감소시킬 수 있다.
추가로, 3고조파 전압을 사용할 수 있는지 여부는 매우 중요한 의미를 지닌다. 3고조파 성분을 전압 지령 합성에서 사용할 경우는 그렇지 않은 경우에 비해 인버터가 선형적으로 합성 가능한 전압 영역이 15.5% 증가할 수 있기 때문이다. 전기자동차에서는 동일한 배터리 전압과 동일한 출력 전류에서 가급적 더 많은 출력을 생성하는 것이 매우 중요하다. 본 발명의 통합 충전기(100)는 3고조파 성분을 활용할 수 있기 때문에, 고조파 왜곡없이 출력 가능한 인버터의 출력이 기존의 방식에 비해 15.5% 클 수 있다.
결론적으로 본 발명의 통합 충전기(100)는 종래의 그것과 비교하여 동일한 스위칭 주파수에서 고조파 특성을 향상시킬 수 있고 동일한 인버터 하드웨어로 더 큰 출력을 낼 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 전기자동차의 대용량 충전기를 자체에 내장하면서 고조파 특성도 향상시켜 전력변환 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 양방향 전력변환이 가능한 구조이므로, 전기자동차를 계통에 연계하는 V2G 기술을 활성화하는 것에도 기여할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 인버터-전동기 통합 충전기로 전동기 권선을 통해 계통에 연계되면서, 전기자동차 내부는 배터리 분리를 통해 전동기 권선에 흐르는 전류 및 인가되는 전압의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)는 배터리 분리로 인해 한 쪽 배터리 및 전력변환장치 문제가 발생하더라도 제한적이나마 여전히 전기 차량의 지속적인 운전을 가능하게 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 통합 충전기(100)의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 4 내지 도 10을 참조하면, 통합 충전기(100)는 아래와 같이 동작할 수 있다.
정상 동작 가능한 인버터가 선택될 수 있다(S110). 이후 계통 연계 여부가 판별될 수 있다(S120). 계통 연계가 되지 않았다면, 통합 충전기(110)는 전동기 구동 모드로 동작할 수 있다(S130). 반면에 계통 연계가 되었다면, 통합 충전기(110)은 배터리 충/방전 모드(140)로 동작할 수 있다(S140). 이후 셧 다운 되었는지가 판별될 것이다(S150). 만일 셧 다운 되지 않았다면 S110 단계가 진행될 것이다. 반면에 셧 다운 되었다면, 통합 충전기(100)의 동작은 종료될 것이다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예들의 하나 이상의 동작들/단계들/모듈들을 구현/수행하기 위한 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체 및/또는 수단들은 ASICs(application-specific integrated circuits), 표준 집적 회로들, 마이크로 컨트롤러를 포함하는, 적절한 명령들을 수행하는 컨트롤러, 및/또는 임베디드 컨트롤러, FPGAs(field-programmable gate arrays), CPLDs(complex programmable logic devices), 및 그와 같은 것들을 포함할 수 있지만, 여기에 한정되지는 않는다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기자동차를 위한 통합 충전기는: 제 1 배터리 팩의 양단에 연결되는 제 1 인버터; 제 2 배터리 팩의 양단에 연결되는 제 2 인버터; 및 상기 제 1 인버터에 3개의 제 1 권선들에 의해 연결되고, 상기 제 2 인버터에 3개의 제 2 권선들에 의해 연결되고, 상기 제 1 권선들과 대응하는 상기 제 2 권선들 사이에서 교류 전압을 그리드에 제공하거나 상기 그리드로부터 제공받는 전동기를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 배터리 팩의 접지단과 상기 제 2 배터리 팩의 접지단은 서로 분리될 수 있다.
실시 예에 있어서, 전동기 구동 모드시 각 인버터의 출력 전류의 크기는 같고 반대 위상을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 인버터가 제어될 수 있다.
실시 예에 있어서, 배터리 충방전 모드시, 각 인버터의 출력 전류의 크기 및 위상이 동일하도록 상기 제 1 및 제 2 인버터가 제어될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 전동기와 상기 그리드 사이에 차단기를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 인버터의 각각의 출력 전압이 9개의 전압 레벨을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 인버터들이 제어될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 인버터들을 제어할 때 3고주파 성분이 전압 지령 합성에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기자동차를 위한 통합 충전기의 동작 방법은: 전동기 구동 모드시 분리된 배터리에 의해 발생된 복수의 인버터들의 출력 전압들을 이용하여 전동기를 구동하는 단계; 및 배터리 충방전 모드시 상기 복수의 인버터들의 각각의 출력 전류와 크기를 동일하게 제어함으로써 상기 전동기를 정지시키는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 인버터 전압들의 각각은 3상 전압일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 인버터들의 각각은 상기 전동기에 3개의 권선에 의해 연결될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 전동기를 구동하는 단계는, 상기 복수의 인버터들의 각각의 출력 크기는 갖고 위상을 반대로 하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.
100: 통합 충전기
101: 제 1 배터리 팩
102: 제 2 배터리 팩
110: 제 1 인버터
120: 제 2 인버터
130: 전동기
140: 그리드

Claims (9)

  1. 전기자동차를 위한 통합 충전기에 있어서,
    에너지 저장 역할을 하는 복수의 배터리 팩;
    상기 복수의 배터리 팩에 연결되는 복수의 인버터; 및
    상기 복수의 인버터에 연결되고, 전동기 내부에 구비되는 개방 권선(Open-end Winding) 형태의 복수의 고정자 권선을 포함하고,
    상기 복수의 고정자 권선은 전동기 회전 또는 전력계통 연계에 사용되고,
    상기 복수의 고정자 권선은 제 1 인버터에 연결되는 제 1 권선들 및 제 2 인버터에 연결되는 제 2 권선들을 포함하고, 상을 기준으로 상기 제 1 및 제 2 권선들의 서로 대응하는 권선들은 전기적으로 연결되어, 상기 복수의 고정자 권선을 통해 상기 제 1 및 제 2 인버터의 출력이 합쳐져 고조파 특성을 향상시키고,
    상기 복수의 고정자 권선은 별도의 장치를 사용하여 통합 충전기와 전력 계통 사이 연결과 분리가 가능한, 통합 충전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩은 서로 직접적으로 연결되지 않고, 상기 복수의 인버터와 상기 복수의 고정자 권선을 통해 전기적으로 연결되는, 통합 충전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 인버터는 상기 복수의 배터리 팩과 상기 복수의 고정자 권선 사이에서 양방향 전력 변환을 수행하는 전력반도체를 포함하는, 통합 충전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 고정자 권선은 상기 복수의 인버터에 전기적으로 직접 연결되는 도체 물질로써 전동기 구동 모드 시 회전하는 자속을 만들고, 배터리 충방전 모드시 상기 복수의 인버터마다 전력계통 사이에 전기적으로 연결되는 3상 병렬 연결 통로를 제공하는, 통합 충전기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력계통 연계는 각각의 배터리와 전력계통 사이에서 상기 고정자 권선을 고주파 필터로 이용하여 전기적인 에너지를 서로 주거나 받는 동작을 수행하는, 통합 충전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩이 서로 직접적으로 연결되지 않고, 상기 복수의 인버터와 상기 복수의 고정자 권선을 통해 전기적으로 연결되는 구성을 통해 상기 복수의 인버터의 출력이 합쳐지도록 함으로써, 상기 복수의 고정자 권선에 인가되는 전압의 변화율을 감소시켜 전동기의 누설 전류를 감소시키고 전류의 고조파 함유율을 줄여 운전 효율을 향상시키는, 통합 충전기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고조파 함유율은 상기 복수의 고정자 권선에서 상기 복수의 인버터를 통해 만들고자 했던 기본 주파수 성분에 대하여 상기 복수의 고정자 권선에 실제로 보이는 기본 주파수 성분을 제외한 모든 주파수 성분의 비율인, 통합 충전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 배터리 팩이 서로 직접적으로 연결되지 않고, 상기 복수의 인버터와 상기 복수의 고정자 권선을 통해 전기적으로 연결되는 구성을 통해, 상기 복수의 인버터 중 하나에 고장이 발생하여도 다른 하나의 정상적인 인버터만으로 고장 이전과 동일한 최대 출력 토크를 가지면서 절반의 최대 속도를 갖는 전동기 구동이 가능한, 통합 충전기.
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