KR102516569B1

KR102516569B1 - 차량 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR102516569B1
Application number: KR1020170145630A
Authority: KR
Inventors: 문상훈; 김정식; 김연호; 신영진; 박경수; 조형준; 채웅찬
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2023-04-03
Also published as: KR20190050337A; US10427546B2; US20190135118A1; CN110014874A; CN110014874B

Abstract

개시된 발명의 일 실시예에 따른 차량은 고정자와 회전자를 포함하는 고정자와 회전자를 포함하는 전동기와, 전동기를 구동시키는 인버터와, 충전이 가능한 배터리와, 회전자의 위치를 감지하는 감지부와, 감지부에 의해 감지된 회전자의 위치와 배터리의 충전시 차량에 발생하는 진동과 소음이 저감되도록 미리 정해진 위치가 일치하는지 여부에 기초하여 회전자의 위치를 변경하고, 회전자의 위치가 변경된 후 배터리의 충전이 이루어지도록 인버터를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

차량 및 그 제어방법{VEHICLE AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

전기 에너지를 주 에너지원으로 이용하여 주행하는 차량 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 화석 연료, 전기 등을 동력원으로 하여 도로 또는 선로를 주행하는 이동 수단 또는 운송 수단을 의미한다.

화석 연료를 이용하는 차량은 화석 연료의 연소로 인하여 미세 먼지, 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소, 탄화수소, 질소, 질소산화물 및/또는 황산화물 등을 배출할 수 있다. 수증기와 이산화탄소는 지구 온난화의 원인으로 알려져 있으며, 미세 먼지, 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 및/또는 황산화물 등은 사람에게 피해를 줄 수 있는 대기 오염 물질로 알려져 있다.

이러한 이유로, 최근 화석 연료를 대체하는 친환경 에너지를 이용한 차량이 개발되고 있다. 예를 들어, 전기 에너지를 주 에너지원으로 이용하는 전기자동차(Electric Vehicle, EV) 등이 개발되고 있다.

전기 자동차는 전기 에너지를 저장할 수 있는 고전압 배터리와, 동력원인 전동기, 그리고 전동기를 구동하기 위한 인버터가 필수적이다. 최근 전기 자동차의 주행 거리 및 전력 소비 효율의 증가를 위해 배터리의 용량이 증가하는 추세이다.

일 측면은 배터리를 충전 시 발생하는 소음 및 진동을 저감시킬 수 있는 차량 및 그 제어방법을 제공한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 일 측면에 따른 차량은, 고정자와 회전자를 포함하는 전동기; 상기 전동기를 구동시키는 인버터; 충전이 가능한 배터리; 상기 회전자의 위치를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에 의해 감지된 회전자의 위치와 상기 배터리의 충전시 차량에 발생하는 진동과 소음이 저감되도록 미리 정해진 위치가 일치하는지 여부에 기초하여 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 회전자가 정지하고, 상기 전동기의 권선의 중성점에 충전을 위한 전압이 인가되면, 상기 전동기와 상기 인버터를 이용하여 상기 인가된 전압을 승압시키도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.

일 측면에 차량의 제어방법은 회전자의 위치를 감지하는 단계; 상기 감지된 회전자의 위치와, 차량의 배터리 충전시 상기 차량에 발생하는 진동과 소음이 저감되도록 미리 정해진 위치가 일치하는지 여부에 기초하여 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계; 상기 회전자의 위치가 변경된 후 배터리의 충전을 시작하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 위치와 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 위치와 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 위치와 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 회전자의 위치를 감지하는 단계는, 상기 회전자의 극의 중심 위치를 감지하고, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는, 상기 회전자의 극의 중심 위치와 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 상기 배터리의 충전을 시작하는 단계는, 상기 회전자가 정지하고, 전동기 권선의 중성점에 충전을 위한 전압이 인가되는 단계; 및 상기 전동기와 인버터를 이용하여 상기 인가된 전압을 승압시키는 단계;를 포함할 수 있다.

일 측면에 따른 차량 및 그 제어방법에 따르면, 충전 시설의 충전기에 의해 배터리를 충전하는 경우, 발생할 수 있는 소음 및 진동을 저감시킬 수 있고, 동시에 충전의 효율성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 차량의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 차량의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 차량의 제어 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 차량의 전동기 구성을 도시한 도면이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 차량의 전동기 단면의 일부를 도시한 도면이다.
도 5b는 일 실시예에 따른 차량의 전동기 단면의 일부를 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 차량의 전동기에 의해 발생하는 토크 및 토크 리플을 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 차량의 제어방법의 흐름도이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 명세서에서 사용되는 '부, 모듈, 부재, 블록'이라는 용어는 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예들에 따라 복수의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '부, 모듈, 부재, 블록'이 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 간접적으로 연결되어 있는 경우를 포함하고, 간접적인 연결은 무선 통신망을 통해 연결되는 것을 포함한다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술된 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 작용 원리 및 실시예들에 대해 설명한다.

도 1은 일 실시예에 따른 차량에 있어서, 배터리와 관련된 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 차량의 외관을 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 차량(1)은 전기 에너지를 주 에너지원으로 이용하는 차량으로서, 전동기(100) 및 전동기(100)를 구동하기 위한 전력을 저장할 고전압 배터리(500)를 포함한다.

일반적인 내연 기관 차량에도 차량의 전장품에 전기 에너지를 공급하기 위한 보조 배터리가 엔진 룸의 한쪽에 마련된다. 하지만 전기 에너지를 이용하는 차량(1)의 경우 크기가 큰 대용량의 고전압 배터리(500)가 요구된다.

일 실시 예에 따른 차량(1)에는 2열 승객석 하부 공간에 고전압 배터리(500)가 설치될 수 있다. 고전압 배터리(500)에 저장되는 전력은 전동기(100)를 구동하여 동력을 발생시키는데 사용될 수 있다. 이 때, 고전압 배터리(500)는 리튬 배터리일 수 있다.

전기 차량(1)에는 충전 포트(14)가 마련된다. 충전 포트(14)에는 외부의 충전 시설의 충전 커넥터(15)가 연결될 수 있고, 충전 커넥터(15)로부터 전기 에너지가 공급되면 고전압 배터리(500)의 충전이 이루어질 수 있다.

차량(1)의 고전압 배터리(500)를 충전하기 위해 급속 충전기(150)를 포함하는 다양한 형태의 외부 충전기가 사용될 수 있다.

급속 충전기(150)는 400V의 직류 전압으로 고전압 배터리(500)를 충전할 수 있는 상용 급속 충전기와 800V의 높은 직류 전압으로 고전압 배터리(500)를 충전할 수 있는 고전압 급속 충전기를 포함할 수 있다.

고전압 배터리(500)를 충전하기 위하여, 급속 충전기(150)는 상용 교류 전력을 400V 또는 800V의 직류 전압으로 변환하여 차량(1)으로 공급할 수 있다.

고전압 배터리(500)는 500~800V의 충전 전압을 가질 수 있으며, 고전압 배터리(500)와 외부의 급속 충전기(150)의 전압 용량이 다른 경우 호환성 문제가 발생할 수 있다.

이 경우, 고전압 배터리(500)와 급속 충전기(150)의 호환성 문제를 해결하기 위해 급속 충전기(150)의 출력단과 차량(1) 내 고전압 배터리(500) 사이에 전동기(100)와 인버터(300)를 활용하여 승압을 할 수 있다.

구체적으로, 외부 급속 충전기(150)의 전압이 고전압 배터리(500)를 충전하기에는 너무 낮을 때, 급속 충전기(150)로부터 공급되는 전압을 고전압 배터리(500)를 충전하기에 충분한 레벨로 승압할 수 있다.

이를 위해, 전동기(100)와 인버터(300)는 승압 컨버터로 동작할 수 있으며, 전동기(100)의 코일은 인덕터(L1, L2, L3)일 수 있다. 인버터(300)는 복수개의 스위치(S1,S2,S3,S4,S5,S6)를 포함할 수 있다.

전동기(100)의 인덕터(L1,L2,L3)와 인버터(300)의 스위치(S1,S2,S3,S4,S5,S6)의 조합은 부스트(Boost) 방식의 승압 회로를 구성하여 입력 전압을 고전압 배터리(500)를 충전하기에 충분한 레벨로 승압할 수 있다.

외부 급속 충전기(150)로부터 공급되는 전압이 전동기(100)의 권선 중성점(N)에 인가되면, 전동기(100)의 인덕터(L1,L2,L3)와 인버터(300)의 스위치(S1,S2,S3,S4,S5,S6)가 서로 그룹을 이루어 승압 컨버터로 기능할 수 있다.

인덕터 L1과 스위치 S1, S4가 하나의 그룹을 이루어 입력 전압을 승압할 수 있다. 인덕터L2와 스위치 S2, S5가 또 하나의 그룹을 이루고, 인덕터 L3와 스위치 S3, S6가 또 하나의 그룹을 이루어 인덕터 L1과 스위치 S1, S4 그룹과 동일하게 동작할 수 있다. 쌍을 이루는 S1과 S2, S3와 S4, S5와 S6는 온/오프가 서로 교번으로 이루어질 수 있다.

한편, 급속 충전기(150)를 통해 고전압 배터리(500)를 충전하는 경우, 차량(1)은 주행하지 않는 상태이고, 전동기(100)는 구동하지 않을 수 있다. 이 때 전동기(100)의 회전자(도 4의 120)는 정지한 상태일 수 있다.

이 경우, 전동기(100)의 회전자(도 4의 120)의 위치에 따라 전동기(100)의 3상 코일에서 회전자(도 4의 120)를 통과하는 자기저항이 달라질 수 있다. 따라서, 자기저항이 달라짐에 따라 각 권선의 인덕턴스가 달라질 수 있고, 충전을 위한 전류가 각 권선에 흐를 때 회전자(도 4의 120)에 의도치 않은 토크와 토크 리플이 발생할 수 있다.

이러한 의도치 않게 발생한 토크와 토크 리플은 차량(1) 내 고전압 배터리(500) 충전 시에 차량(1)의 진동 및 소음을 발생시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 차량(1)은 전동기(100)의 정지 상태를 고려하여 차량(1) 내 고전압 배터리(500)의 충전 시에 발생하는 차량(1)의 진동 및 소음을 저감시킬 수 있다. 이하, 일 실시예에 따른 차량(1)의 구성 및 동작을 구체적으로 설명한다.

도 3은 일 실시예에 따른 차량의 제어 블록도이며, 도 4는 일 실시예에 따른 차량의 전동기 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 차량(1)은 운동에너지 및 전기에너지를 생성할 수 있는 전동기(100); 전동기(100)를 구동시킬 수 있는 인버터(300); 전기 에너지를 저장하도록 마련된 고전압 배터리(500); 고전압 배터리(500)의 충전을 제어할 수 있는 제어부(400); 및 감지부(200);를 포함할 수 있다.

고전압 배터리(500)는 전기 에너지를 저장하도록 마련될 수 있다. 이 때, 고전압 배터리(500)에 저장되는 전기 에너지는 외부 전원으로부터 충전될 수 있으며, 전동기(100)로부터 공급받을 수도 있다. 전동기(100)로부터 공급받는 경우에는, 차량(1)의 회생 제동에 의해 발생된 전기 에너지를 공급받을 수 있다.

인버터(300)는 전동기(100)에 구동 전류를 공급할 수 있다. 구체적으로, 인버터(300)는 입력받은 전력의 전압과 주파수를 가변시켜 전동기에 공급함으로써 전동기를 제어할 수 있다.

또한, 인버터(300)는 직류 전압으로부터 전동기(100)의 구동에 필요한 3상의 교류전력을 출력할 수 있다. 인버터(130)는 전류의 흐름을 허용하거나 차단하는 복수의 스위치(도 2의 S1,S2,S3,S4,S5,S6)를 포함하며, 복수의 스위치(도 2의 S1,S2,S3,S4,S5,S6)의 스위칭 동작에 의하여 전동기(100)에 교류 전류가 공급될 수 있다.

고전압 배터리(500)를 충전하기 위한 외부 전압이 인가되는 경우, 인버터(300)의 복수의 스위치(도 2의 S1,S2,S3,S4,S5,S6)는 전동기(100)의 인덕터(도 2의 L1,L2,L3)와 함께 인가된 전압을 고전압 배터리(500)를 충전하기 충분한 레벨로 승압시킬 수 있다.

감지부(200)는 전동기(100)의 회전자(도 4의 120)의 위치를 측정할 수 있으며, 회전자(도 4의 120)의 절대 위치 검출을 할 수 있다. 이를 위해, 감지부(200)는 레졸버(Resolver) 등을 포함하는 위치 센서로 구현될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 감지부(200)는 전동기(100)와 별도의 구성일 수도 있으며, 감지부(200)는 전동기(100)에 포함되어 구성될 수도 있다.

전동기(100)는 운동 에너지 및 전기 에너지를 생성할 수 있으며, 전기 에너지를 운동 에너지(회전력)로 변환할 수 있을 뿐만 아니라, 운동 에너지(회전력)를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 이러한 전동기(100)의 동작에 의하여 차량(1)이 내리막 도로를 주행하거나 감속하는 경우(회생 제동), 전동기(100)는 전력을 생산할 수 있으며, 전동기(100)에 의하여 생산된 전력을 이용하여 고전압 배터리(500)를 충전할 수 있다.

전술한 바와 같이, 고전압 배터리(500)를 충전하기 위해 전동기(100)가 구동되지 않는 경우, 전동기(100)의 코일은 인덕터(도 2의 L1, L2, L3)를 구성하여 인가된 전압의 승압에 이용될 수 있다.

도 4를 참조하면, 일 실시예에 의한 차량의 전동기(100)는 외부 지지 구조에 의하여 고정되는 고정자(stator)(110), 고정자(110)와의 자기 상호 작용에 의하여 회전하는 회전자(rotor)(120) 및 회전자(120)의 회전력을 외부 부하로 전달하는 회전축(A)을 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 의한 전동기(100)는 원주형상의 회전자(120)가 원통형상의 고정자(110) 내부에 위치하여 회전하는 이너 타입(inner type)의 전동기일 수 있다.

고정자(110)는 중공을 갖는 원통형상으로 형성되며, 회전자(120)가 고정자(110)의 중공에 삽입되어 회전 가능하게 마련될 수 있다.

고정자(110)는 도 4에 도시된 바와 같이 환형의 고정자 본체(111), 고정자 본체(111)로부터 회전축(A)를 향하여 돌출되는 티스(112), 티스(112)의 외면을 감는 코일(미도시)을 포함할 수 있다.

고정자 본체(111)는 원통형상일 수 있으며, 전동기 케이스(미도시)의 내면에 고정될 수 있다.

티스(112)는 고정자 본체(111)의 내주면으로부터 회전자(120)를 향하여 방사형으로 돌출될 수 있다. 티스(112)는 상술한 고정자 본체(111)와 일체의 구조물일 수 있다.

고정자 본체(111)와 티스(112)는 고정자 본체(111)와 티스(112)의 형상을 갖는 금속판을 회전축(A) 방향으로 적층하여 제작될 수 있다.

각각의 티스(112)는 고정자 본체(111)의 내주면을 따라 등간격으로 배치될 수 있으며, 인접하는 티스(112) 사이에는 슬롯(113)이 형성될 수 있다. 이와 같이 인접하는 티스(112) 사이에 형성된 슬롯(113)을 통하여 티스(112)의 외면을 따라 권선이 감겨 코일(미도시)이 형성될 수 있다.

코일(미도시)은 전류가 도통하는 전기 전도성 물질로 구성된 권선이 각각의 티스(112)의 외면을 따라 감겨 형성될 수 있다. 이와 같은 코일(미도시)에 전류가 흐르면 코일(미도시)의 내부, 즉 티스(112)에는 티스 말단면과 수직한 방향의 자기장이 형성될 수 있다.

일 실시예에 따른 전동기(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 48개의 티스(112)를 포함할 수 있으며, 그에 따라 48개의 슬롯(113)을 포함할 수 있다.

회전자(120)는 상술한 바와 같이 고정자(110)의 중공에 마련되며, 고정자(110)와의 자기적 상호작용에 의하여 회전축(A)을 중심으로 회전할 수 있다.

회전자(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 원주형상의 회전자 본체(121), 회전자 본체(121) 내부에 마련되는 영구 자석 그룹(122)을 포함할 수 있다. 또한, 회전자 본체(121)에는 영구 자석 그룹(122)과 인접하여 자속 장벽 그룹(123)이 형성될 수 있다.

이와 같이 회전자(120)가 그 내부에 영구 자석 그룹(122)을 포함하므로, 일 실시예에 의한 전동기(100)는 영구 자석(Permanent Magnet: PM) 전동기일 수 있다. 특히, 일 실시예에 의한 전동기(100)는 영구 자석 그룹(122)이 회전자 본체(121) 내부에 매설된 매립형 영구 자석(Interior Permanent Magnet: IPM) 전동기일 수 있다.

회전자 본체(121)는 회전축(A)을 중심으로 하는 원주형상을 가질 수 있으며, 자기장에 의하여 자화되는 자성체로 구성될 수 있다. 이와 같인 회전자 본체(121)는 도 4에 도시된 바와 같은 회전자 본체(121)의 형상을 갖는 금속판을 적층하여 제작될 수 있다.

인접한 영구 자석 그룹(122)은 서로 다른 자성이 회전자 본체(121)의 외측을 향하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 회전자 본체(121)에는 그 외주면을 따라 N극과 S극이 반복되어 형성될 수 있다.

자속 장벽 그룹(123)은 영구 자석 그룹(122)에 의하여 생성되는 자속을 방해하는 비자성 물질로 구성된 복수의 자속 장벽을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자속 장벽 그룹(123)에 대응되는 위치에 홀을 형성함으로써 자속을 방해하는 자속 장벽을 형성할 수 있다.

전동기(100)의 고정자(110)와 회전자(120)는 상호간에 자기력이 작용할 수 있다. 이를 통해 급속 충전기(150)를 통해 고전압 배터리(500)를 충전하는 경우, 회전자(120)의 정지된 위치에 의하여 의도치 않은 토크와 토크 리플이 발생할 수 있다. 따라서 회전자(120)의 정지된 위치의 제어가 요구된다.

이를 위해 제어부(400)는 상술한 회전자(120)의 위치와 미리 정해진 위치가 일치하는지 여부에 기초하여 회전자(120)의 위치를 변경하고, 회전자(120)의 위치가 변경된 후 고전압 배터리(500)의 충전이 이루어지도록 인버터(300)를 제어할 수 있다.

이 때, 미리 정해진 위치는 전동기(100)에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치를 의미할 수 있으며, 전동기(100)에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치를 의미할 수도 있다. 또한, 미리 정해진 위치는 고정자 권선의 중심일 수 있다.

이하 도 5 및 도 6을 참조하여 제어부(400)의 동작을 설명한다.

도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 차량의 전동기 단면의 일부를 도시한 도면이며, 도 6은 일 실시예에 따른 차량의 전동기에 의해 발생하는 토크 및 토크 리플을 나타낸 그래프이다.

도 5a를 참조하면, 전동기(100)의 회전자(120)는 그 내부에 제 1 영구 자석(122a), 제 2 영구 자석(122b), 제 3 영구 자석(122c) 및 제 4 영구 자석(122d)을 포함할 수 있다.

이러한 복수개의 영구 자석들(122a, 122b, 122c, 122d)은 서로 그룹을 이루어 자기장을 형성할 수 있으며, 하나의 극을 형성할 수 있다.

이 때, 극의 중심은 이러한 하나의 극을 형성하는 복수개의 영구 자석들(122a, 122b, 122c, 122d)의 중심을 의미할 수 있다. 또한, 극의 중심은 회전축(A)의 중심으로부터 회전자 본체(121)의 외주면을 따라 형성된 극을 향하는 직선 L1에 의해 나타낼 수 있으며, 직선 L1이 회전자 본체(121)의 외주면과 접하는 지점으로 표시될 수도 있다.

고정자 본체(111)의 내주면을 따라 배치된 각각의 티스(122)의 외면을 따라 감겨 형성된 권선은 U상, V상, W상의 3상 권선으로 나타낼 수 있다.

이 때, 고정자(110) 권선의 중심은 3상 각각의 중간 지점을 의미할 수 있다. 구체적으로, 고정자(110) 권선의 중심은 U상-U'상의 중간, V상-V'상의 중간, W상-W'상의 중간을 의미할 수 있다.

예를 들어, 고정자(110) U상-U'상의 중심은 회전축(A)의 중심으로부터 고정자 본체(111)의 내주면을 향하는 직선 P1에 의해 나타낼 수 있으며, 직선 P1이 고정자(110) 내주면과 접하는 지점으로 표시될 수도 있다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 회전자(120)의 위치가 직선 L1이고, 고정자(110) 각 상 권선 중심의 위치가 직선 P1인 경우에 충전을 시작하면, 회전자(120)와 고정자(110) 간의 자기 상호 작용에 의해 3상 코일에서 회전자(120)를 통과하는 자기 저항이 달라질 수 있다.

이 경우, 각 상의 인덕턴스가 달라질 수 있으며, 충전을 위한 전류가 각 상에 흐를 때 회전자(120)에 의도치 않은 코깅 토크(Cogging Torque)가 발생할 수 있다.

코깅 토크란 회전자의 영구 자석, 고정자의 티스 및 공극으로 구성되는 자기 회로에서 자기 저항이 최소인 위치를 유지하고자 발생하는 맥동 토크이며, 전동기의 동작 시에 토크 리플(ripple)의 원인이 된다.

도 6을 참조하면, 도 5a의 경우에는 평균 토크(Ta) 및 토크 리플(Tr)이 최대이므로, 전동기(100) 및 인버터(300)를 활용하여 고전압 배터리(500)를 충전할 경우 차량(1)에 진동 및 소음이 발생할 수 있다.

이에 제어부(400)는 회전자(120)의 위치가 미리 정해진 위치, 즉 코깅 토크 및 토크 리플이 최소가 되는 위치와 일치하지 않으면, 회전자(120)의 위치를 미리 정해진 위치로 변경할 수 있다.

또한, 제어부(400)는 회전자(120)의 위치가 미리 정해진 위치로 변경된 후 고전압 배터리(500)의 충전이 이루어지도록 인버터(300)를 제어할 수 있다.

도 5b를 참조하면, 제어부(400)는 회전자(120)의 위치, 즉 하나의 극을 형성하는 영구 자석들(122a, 122b, 122c, 122d)의 중심이 직선 L1'이 되도록 회전자(120)를 회전시키는 제어 명령을 내릴 수 있다.

이 때, 회전 방향은 시계 방향이 될 수 있으며, 다른 실시예에 따르면 회전 방향은 반시계 방향이 될 수도 있다.

이 경우, 회전자(120)의 위치(L1')가 고정자(110) U상-U'상의 중간(P1)과 일치하게 되며, 이 때 전동기(100)에 의해 발생하는 평균 토크(Ta) 및 토크 리플(Tr)은 최소가 된다.

도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 전동기(100)가 8극 48슬롯인 경우, 삼상 동상 전류로 충전시 회전자(120)의 위치, 즉 극의 중심이 전기각 15도의 배수(15도, 30도, 45도)인 경우 평균 토크(Ta) 및 토크 리플(Tr)의 크기가 최소임을 알 수 있다.

따라서, 제어부(400)는 전동기(100)에 의해 발생하는 토크 및 토크 리플(Tr)의 크기가 최소가 되도록 회전자(120)의 위치를 변경하고, 회전자(120)의 위치가 변경된 후에 전동기(100) 및 인버터(300)를 활용한 충전이 이루어지도록 인버터(300)를 제어할 수 있다.

이에 따라 전동기(100) 및 인버터(300)를 활용하여 고전압 배터리(500)의 충전하는 경우 차량(1)에 발생하는 진동 및 소음이 저감될 수 있다.

다른 일 실시예에 따른 제어부(400)는 회전자(120)의 위치를 감지부(200)가 감지한 회전자(120)의 절대 위치로 확인할 수 있다.

이 경우, 제어부(400)는 감지부(200)가 감지한 회전자(120)의 절대 위치가 미리 정해진 위치, 즉 고정자(110) 각 상 권선의 중심과 일치하도록 회전자(120)의 위치를 변경할 수 있다.

또한, 제어부(400)는 감지부(200)가 감지한 회전자(120)의 절대 위치가 고정자(110) 각 상 권선의 중심과 일치하도록 회전자(120)의 위치를 변경한 이후, 고전압 배터리(500)의 충전이 이루어지도록 인버터(300)를 제어할 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 차량의 제어방법의 흐름도이다.

먼저, 일 실시예에 따른 차량(1)은 회전자(120)의 위치를 검출할 수 있다(810). 이 때, 회전자(120)의 위치는 감지부(200)에 의해 감지될 수 있으며, 회전자(120)의 극의 중심으로 확인될 수도 있다.

회전자(120)의 위치를 검출한 이후, 제어부(400)는 검출된 회전자(120)의 위치가 미리 정해진 위치와 다른지 여부를 확인할 수 있다(820). 이 경우, 미리 정해진 위치는 전동기(100)에 의해 발생되는 코깅 토크 및 토크 리플이 가장 작은 위치를 의미할 수 있으며, 고정자(110) 각 상 권선의 중심을 의미할 수도 있다.

검출된 회전자(120)의 위치가 미리 정해진 위치와 다른 경우, 제어부(400)는 회전자(120)의 위치를 미리 정해진 위치로 변경할 수 있다(830). 이를 위해, 제어부(400)는 전동기(100)의 회전자(120)가 회전하도록 제어 명령을 내릴 수 있다.

회전자(120)의 위치가 미리 정해진 위치로 변경된 후, 제어부(400)는 차량(1) 내 고전압 배터리(500)의 충전이 시작되도록 인버터(300)를 제어할 수 있다(840). 이 때, 제어부(400)은 외부의 급속 충전기(150)에 의해 인가되는 전원이 고전압 배터리(500)를 충전하기에 적당한 레벨이 아닌 경우, 전동기(100)의 코일과 인버터(300)를 이용하여 승압시킬 수 있다.

이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 개시된 실시예들은 예시적인 것이며, 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

1: 차량 100: 전동기
110: 고정자 111: 고정자 본체
112: 티스 113: 슬롯
120: 회전자 121: 회전자 본체
122: 영구 자석 그룹 123: 자속 장벽 그룹
200: 감지부 300: 인버터
400: 제어부 500: 고전압 배터리

Claims

고정자와 회전자를 포함하는 전동기;
상기 전동기를 구동시키는 인버터;
충전이 가능한 배터리;
상기 회전자의 위치를 감지하는 감지부; 및
상기 감지부에 의해 감지된 회전자의 위치와 상기 배터리의 충전시 차량에 발생하는 진동과 소음이 저감되도록 미리 정해진 위치가 일치하는지 여부에 기초하여 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 제어부;를 포함하는 차량.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 감지부에 의해 감지된 상기 회전자의 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제6항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하고, 상기 회전자의 위치가 변경된 후 상기 배터리의 충전이 이루어지도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 회전자가 정지하고, 상기 전동기의 권선의 중성점에 충전을 위한 전압이 인가되면, 상기 전동기와 상기 인버터를 이용하여 상기 인가된 전압을 승압시키도록 상기 인버터를 제어하는 차량.
회전자의 위치를 감지하는 단계;
상기 감지된 회전자의 위치와, 차량의 배터리 충전시 상기 차량에 발생하는 진동과 소음이 저감되도록 미리 정해진 위치가 일치하는지 여부에 기초하여 상기 회전자의 위치를 변경하는 단계;
상기 회전자의 위치가 변경된 후 배터리의 충전을 시작하는 단계;를 포함하는 차량의 제어방법.
제11항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 위치와 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 위치와 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅 토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제12항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 위치와 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제11항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 감지하는 단계는,
상기 회전자의 극의 중심 위치를 감지하고,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 상기 미리 정해진 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 미리 정해진 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제16항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 고정자의 각 상 권선의 중심이 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 고정자의 각 상 권선의 중심과 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제16항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 코깅토크가 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제16항에 있어서,
상기 회전자의 위치를 변경하는 단계는,
상기 회전자의 극의 중심 위치와 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치가 일치하지 않는 경우, 상기 회전자의 극의 중심 위치가 상기 전동기에 의해 발생되는 토크 리플이 가장 작은 위치와 일치하도록 상기 회전자의 위치를 변경하는 차량의 제어방법.
제11항에 있어서,
상기 배터리의 충전을 시작하는 단계는,
상기 회전자가 정지하고, 전동기 권선의 중성점에 충전을 위한 전압이 인가되는 단계; 및
상기 전동기와 인버터를 이용하여 상기 인가된 전압을 승압시키는 단계;를 포함하는 차량의 제어방법.