KR102628357B1 - 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터 - Google Patents

충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터에 관한 것으로, 인버터는 복수의 스위치를 포함하고, 모터와 고전압 배터리 사이에 연결된 스위칭 회로부; 모터에 선택적으로 연결되고, 외부 전원이 연결되는 정류 회로부; 3상 코일 중 하나의 코일과 스위칭 회로부 사이에 연결된 제1 스위치; 제1 스위치가 연결된 코일과 정류 회로부의 (+)단자 사이에 연결된 제2 스위치; 및 모터 구동 모드에서 제1 스위치를 온 시키고 제2 스위치를 오프 시키며, 충전 모드에서 제1 스위치를 오프 시키고 제2 스위치를 온 시키는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터{INTEGRATED INVERTER FOR SMALL ELECTRIC VEHICLE WITH THE NEUTRAL POINT OF THE CHARING MOTOR REMOVED}
본 발명은 소형 전기모터 구동장치용 통합형 인버터에 관한 것으로, 상세하게는 충전시간을 줄일 수 있으며, 안전성을 향상시킬 수 있고, 제조 단가, 부피 및 무게를 줄일 수 있는, 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터에 관한 것이다.
현재, 소형 전기모터를 포함하는 구동장치에 의해 구동되는 전기차(이하, 소형 전기차)(ex, 이륜 전기차, 농업용 기계 및 전기차, 20kW 이하 카트 등)는 주행거리가 짧고, 충전시간이 길다는 문제점이 있다.
배터리 기술의 비약적인 발전으로 인하여 주행거리는 지속적으로 길어지고 있기는 하지만, 소형 전기차의 낮은 시스템 전압(100V 이하)으로 인해 여전히 충전시간이 수시간으로 길게 소요되어 유저의 요구사항을 만족시키는 데에 한계가 있다.
또한, 소형 전기차의 경우, 72V 정도의 낮은 시스템 전압으로 인하여 모터 구동 시 고전류가 흐르게 되어 전력 반도체의 저항성분이나 도전저항의 영향을 전력손실이 커지게 되어, 주행거리가 짧아져 유저의 요구사항을 만족시키지 못하고 있다.
또한, 충전을 위해서 별도의 충전용 어댑터(Adapter)가 필요하기 때문에, 충전을 위해서는, 유저가 충전용 어댑터를 보유해야 하고, 충전 시에 충전용 어댑터를 결합 및 분리해야 하는 등 유저의 불편함이 발생하고, 제품의 시스템 단가가 상승하는 단점이 있다.
충전용 어댑터의 추가 비용 발생 때문에 충전 시스템에 대한 기술 개발이 계속되어 왔으며, 기술 개발을 통해, 구동 모터의 3상 코일과 3상 스위치 회로를 이용하여 승압 회로를 구성하여 배터리를 충전하는 방식이 제안되어 있다. 하지만, 3상 모터에서 충전을 위한 중성점을 외부로 노출시켜 외부 전원 입력측과 연결시켜야 하기 때문에 시스템 구성 상의 추가적인 비용이 발생하고 부피 또한 증가되어 시스템 구성에 단점이 있다.
또한, 구동 시스템을 구성하기 위해서는 모터 구동을 위한 인버터인 MCU(Motor Control Unit), 배터리 모니터링을 위한 BMS(Battery Management System), 충전을 위한 Charger, 전원 전압의 변환을 위한 DC-DC Converter가 구성되어야 하는데, 각 제어 유닛이 별도로 구성되고 있어 제품 시스템의 가격 상승의 요인이 되고, 시스템의 부피 및 무게가 증대되는 단점이 있다.
이러한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공증에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 본 명세서에서 개시되는 실시예들은 소형 전기차의 배터리 전압을 고전압화 하여 모터 구동 시 발생되는 전력손실을 낮출 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 실시예들은 소형 전기차의 배터리 전압을 고전압화 하여 배터리 충전 시 흐르는 충전전류를 최소화하여 고전류에 의한 발열을 낮추어 빠른 충전이 가능한 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 실시예들은 모터의 3상 코일과 인버터의 3상 스위치 회로를 이용하여 충전회로를 구현할 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 실시예들은 모터의 3상 코일을 이용한 충전회로를 구현하는 데에 있어서 모터 3상의 중성점을 외부로 노출시킬 필요없이 충전회로를 구성할 수 있기 때문에 부피와 비용을 줄일 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 실시예들은 충전을 위한 고가 고전압의 전력반도체 소자와 고용량의 코일을 필요하지 않아 별도의 충전 어댑터가 필요한 종래 구성 대비 원가를 절감할 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 실시예들은 고전압 배터리의 높은 전압을 DC-DC 컨버터를 통해서 감압하고, Flyback 컨버터를 통해서 절연된 10~24V를 외부 구성요소(ex, LCD, LED, USB 등)로 공급하여 사용자가 직접 높은 전압에 노출되는 것을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 실시예들은 DC-DC 컨버터(Converter), 모터 제어부(MCU: Motor Control Unit), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System), 충전부(Charger)를 하나의 보드에 구성하여 소형 전기모터 구동장치 구성 비용을 낮출 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
또한, 실시예들은 고전압부에 모터 및 충전 제어용 컨트롤러가 위치하여 각종 제어용 아날로그 신호를 절연하지 않고 직접 송수신할 수 있어 인버터 구성 비용을 줄일 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 사항에 제한되지 않으며, 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 의도하는 기타의 과제들 또한 명료하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터는, 3상 코일을 구비하는 모터 및 고전압 배터리를 포함하는 소형 전기차에 구현된 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소형 전기차용 통합형 인버터는 컨트롤러, 컨트롤러의 제어에 따라 스위칭 하는 복수의 스위치를 포함하고, 모터와 고전압 배터리 사이에 연결된 스위칭 회로부, 컨트롤러의 제어에 따라 모터에 선택적으로 연결되고, 외부 전원이 연결되는 정류 회로부, 3상 코일 중 하나의 코일과 스위칭 회로부 사이에 연결된 제1 스위치, 및 제1 스위치가 연결된 코일과 정류 회로부의 (+)단자 사이에 연결된 제2 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러는 모터 구동 모드에서 제1 스위치를 온 시키고 제2 스위치를 오프 시키며, 충전 모드에서 제1 스위치를 오프 시키고 제2 스위치를 온 시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러는 스위칭 회로부를 제어하여, 모터 구동 모드에서 고전압 배터리로부터 공급되는 배터리 전압에 상응하는 교류 전류가 스위칭 회로부로부터 모터로 출력되도록 하여 모터를 구동시키고, 충전 모드에서 외부 전원으로부터 공급되는 외부 전압이 스위칭 회로부를 통해 고전압 배터리로 공급되도록 하여 고전압 배터리를 충전시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스위칭 회로부는 고전압 배터리의 (+)단자와 정류 회로부와 공유되는 고전압 그라운드 사이에서 병렬로 연결되고, 각각 U상 코일, V상 코일 및 W상 코일에 연결된 제1 내지 제3 스위치부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 스위치부 각각은 제1 내지 제3 노드를 통해 직렬로 연결된 상측 스위치 및 하측 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 스위치는 제1 스위치부의 제1 노드와 U상 코일 사이에 연결되거나, 제2 스위치부의 제2 노드와 V상 코일 사이에 연결되거나, 제3 스위치부의 제3 노드와 W상 코일에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2 스위치는 U상 코일, V상 코일 및 W상 코일 중 제1 스위치가 연결된 코일과 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소형 전기차용 통합형 인버터는 스위칭 회로부와 고전압 배터리 사이에 병렬로 연결되어, 고전압 그라운드를 공유하는 DC-링크 캐패시터를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러는 제1 내지 제3 스위치부 각각의 상측 스위치 및 하측 스위치를 제어하여, 모터 구동 모드에서 배터리 전압에 상응하는 교류 전류가 모터로 출력되도록 하고, 충전 모드에서 외부 전압이 정류 회로부, 3상 코일, 및 스위칭 회로부를 통해 DC-링크 캐패시터에 축적되도록 하여, DC-링크 패캐시터에 축적된 전압에 의해 고전압 배터리가 충전되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러는 충전 모드에서 제2 스위치를 온 시켜 제2 스위치가 연결된 코일의 출력단에 나머지 두 개의 코일이 병렬 연결되도록 하고, 제1 스위치를 오프 시켜 제1 스위치가 연결된 스위치부와 모터와의 연결을 차단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러는 충전 모드에서 제1 스위치가 연결된 스위치부를 제외한 나머지 스위치부 각각의 하측 스위치를 온 시키고, 상측 스위치를 오프 시켜, 정류 회로부로부터 출력되는 전압이 제2 스위치 및 제2 스위치가 연결된 코일을 통해 나머지 두 개의 코일에 인가되도록 하여 전압을 축적시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러는 충전 모드에서 나머지 스위치부 각각의 하측 스위치 및 상측 스위치를 오프 시켜 나머지 두 개의 코일에 축적된 전압이 나머지 스위치부 각각의 상측 스위치부의 바디 다이오드를 통해 상기 DC-링크 캐패시터로 인가되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 소형 전기모터 구동장치용 통합형 인버터는 고전압 배터리의 다수의 배터리 셀 각각을 모니터링하고, 다수의 배터리 셀의 전압을 동일하게 맞추는 배터리 관리 시스템, 및 고전압 배터리로부터의 전압을 공급받고, 공급받은 전압을 감압시켜 출력하는 DC-DC 컨버터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, DC-DC 컨버터는, 인버터의 고전압 영역에 위치하고, 고전압 배터리로부터의 전압을 강하시켜 제1 변환 전압을 출력하는 제1 감압 컨버터, 인버터의 고전압 영역과 저전압 영역에 걸쳐 위치하며, 제1 감압 컨버터로부터의 제1 변환 전압을 변환하여 제2 변환 전압을 출력하는 플라이-백 컨버터, 및 인버터의 고전압 영역 및 저전압 영역 중 적어도 하나의 영역에 위치하고, 제1 변환 전압을 강하시켜 제3 변환 전압을 출력하거나 제2 변환 전압을 강하시켜 제4 변환 전압을 출력하는 제2 감압 컨버터를 포함할 수 있다.
위에서 언급된 과제의 해결 수단 이외의 본 발명의 다양한 예에 따른 구체적인 사항들은 아래의 기재 내용 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서에서 기재된 실시예들에 따르면, 소형 전기차의 배터리 전압을 고전압화 하여 모터 구동 시 발생되는 전력손실을 낮출 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면, 소형 전기차의 배터리 전압을 고전압화 하여 배터리 충전 시 흐르는 충전전류를 최소화하여 고전류에 의한 발열을 낮추어 빠른 충전이 가능한 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면, 모터의 3상 코일과 인버터의 3상 스위치 회로를 이용하여 충전회로를 구현할 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면, 충전을 위한 고가 고전압의 전력반도체 소자와 고용량의 코일을 필요하지 않아 별도의 충전 어댑터가 필요한 종래 구성 대비 원가를 절감할 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면, 모터의 3상 코일을 이용한 충전회로를 구현하는 데에 있어서 모터 3상의 중성점을 외부로 노출시킬 필요없이 충전회로를 구성할 수 있기 때문에 부피와 비용을 줄일 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면, 고전압 배터리의 높은 전압을 DC-DC 컨버터를 통해서 감압하고, 플라이-백 컨버터를 통해서 절연된 10~24V를 외부 구성요소(ex, LCD, LED, USB 등)로 공급하여 사용자가 직접 높은 전압에 노출되는 것을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면, DC-DC 컨버터(Converter), 모터 제어부(MCU: Motor Control Unit), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System), 충전부(Charger)를 하나의 보드에 구성하여 소형 전기모터 구동장치 구성 비용을 낮출 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
또한, 실시예들에 따르면, 고전압부에 모터 및 충전 제어용 컨트롤러가 위치하여 각종 제어용 아날로그 신호를 절연하지 않고 직접 송수신할 수 있어 인버터 구성 비용을 줄일 수 있는 소형 전기차용 통합형 인버터를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위에서 언급된 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과의 내용은 청구범위의 필수적인 특징을 특정하는 것은 아니므로, 청구범위의 권리 범위는 발명의 내용에 기재된 사항에 의하여 제한되지 않는다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명의 실시예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터에 있어서 컨트롤러, 배터리 관리 시스템 및 배터리의 사이의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터의 DC-DC 컨버터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터에 있어서 모터 구동 모드 시의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 통상의 고전압 충전 회로를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터에 있어서 충전 모드 시의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 오차 범위에 대한 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, "상에", "상부에", "하부에", "옆에" 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, 예를 들면, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, "후에", "이어서", "다음에", "전에" 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 구성 요소를 설명하는 데에 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 간접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있는 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
"적어도 하나"는 연관된 구성요소의 하나 이상의 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 예를 들면, "제1, 제2, 및 제3 구성요소의 적어도 하나"의 의미는 제1, 제2, 또는 제3 구성요소뿐만 아니라, 제1, 제2, 및 제3 구성요소의 두 개 이상의 모든 구성요소의 조합을 포함한다고 할 수 있다.
본 명세서의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면 및 실시예를 통해 본 발명의 실시예를 살펴보면 다음과 같다. 도면에 도시된 구성요소들의 스케일은 설명의 편의를 위해 실제와 다른 스케일을 가지므로, 도면에 도시된 스케일에 한정되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 인버터를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 인버터(이하, 인버터)는 이륜 전기차, 농업용 기계 및 전기차, 20kW 이하 카트 등의 소형 전기차의 모터를 구동시키고, 외부 전원을 이용하여 소형 전기차의 배터리를 충전시키기 위해 소형 전기차에 구현될 수 있으며, 외부 전원(AC)을 이용한 충전 시 모터 3상의 중성점을 외부로 연결시키는 것을 필요로 하지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 인버터는 컨트롤러(MCU/CCU)(100), 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)(200), DC-DC 컨버터(300), 스위칭 회로부(400), 정류 회로부(500), 신호 절연부(signal isolator)(600)를 포함할 수 있으며, 인버터의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컨트롤러(100), 배터리 관리 시스템(200), DC-DC 컨버터(300), 및 스위칭 회로부(400)는 하나의 보드 상에 구현될 수 있다. 또한, 정류 회로부(500) 및 신호 절연부(600)도 컨트롤러(100), 배터리 관리 시스템(200), DC-DC 컨버터(300), 및 스위칭 회로부(400)가 구현된 하나의 보드 상에 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인터버는 저전압 영역(LVA: Low Voltage Area)과 고전압 영역(HVA: High Voltage Area)으로 구분될 수 있다.
컨트롤러(100), 배터리 관리 시스템(200), 스위칭 회로부(400), 정류 회로부(500)는 고전압 영역(HVA)에 위치하여 고전압 배터리(HVB: High Voltage Battery)와 동일하게 고전압 그라운드(HVG)를 공유할 수 있고, 신호 절연부(600)는 저전압 그라운드(LVG)와 고전압 그라운드(HVG) 모두에 접속될 수 있다.
한편, DC-DC 컨버터(300)는 저전압 영역(LVA)과 고전압 영역(HVA) 사이에 위치하여, 고전압 영역(HVA)에 위치하는 1차측 구성요소들은 고전압 그라운드(HVG)에 접속되고, 저전압 영역(LVA)에 위치하는 2차측 구성요소들은 저전압 그라운드(LVG)에 접속될 수 있다.
사용자의 감전사고 등을 방지하기 위하여 저전압 영역(LVA)과 고전압 영역(HVA)은 절연되며, 저전압 영역(LVA)과 고전압 영역(HVA) 사이에서 송수신되는 신호는 고전압 영역(HVA)과 저전압 영역 사이(LVA)의 신호 절연부(600)를 통해 송수신될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 인버터는 고전압 배터리(HVB)의 전압을 이용하여 모터(M)를 구동시키는 한편, 외부 전원(AC)을 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있다. 구분을 위해, 고전압 배터리(HVB)으로부터 공급되는 전압을 배터리 전압이라 하고, 외부 전원(AC)으로부터 공급되는 전압을 외부 전압이라 할 수 있다.
인버터가 고전압 배터리(HVB)를 이용하여 모터(M)를 구동시키는 경우, 고전압 배터리(HVB)의 전압은 스위칭 회로부(400)를 거쳐 모터(M)에 인가될 수 있다.
인버터가 외부 전원(AC)을 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시키는 경우, 외부 전원(AC)은 정류 회로부(500), 모터(M) 및 스위칭 회로부(400)를 거쳐 고전압 배터리(HVB)로 공급될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고전압 배터리(HVB)는 직렬 연결된 다수의 배터리 셀로 구성될 수 있고, 모터(M)에는 3상(U상, V상, W상) 코일이 구비될 수 있다.
3상 코일(LU, LV, LW) 중 하나의 코일(LV)과 스위칭 회로부(400) 사이에는 제1 스위치(S1)가 연결되고, 이와 대응되게, 3상 코일(LU, LV, LW) 중 하나의 코일(LV)과 정류 회로부(500)의 (+)단자 사이에는 제2 스위치(S2)가 연결되며, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 컨트롤러(100)의 제어에 따라 스위칭 되어 온 또는 오프 될 수 있다.
본 실시예에서는, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 3상 코일(LU, LV, LW) 중 V상 코일(LV)에 연결된 것이 예시되나, 이에 한정되는 것은 아니며, U상 코일(LU) 또는 W상 코일(LW)에 연결될 수도 있다.
컨트롤러(100)는 모드에 따라 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 제어하며, 모터(M)를 구동시키는 모터 구동 모드에서는 제1 스위치(S1)를 온 시키고 제2 스위치(S2)를 오프 시켜, 모터(M)와 정류 회로부(500)가 연결되지 않도록 함으로써 모터(M)에 의해 발생하는 전력에 의해 정류 회로부(500)가 영향을 받지 않도록 할 수 있다.
그리고, 컨트롤러(100)는 외부 전원(AC)을 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시키는 충전 모드에서는 제1 스위치(S1)를 오프 시키고 제2 스위치(S2)를 온 시켜 모터(M)와 정류 회로부(500)를 연결시켜 외부 전원(AC)이 정류 회로부(500)를 통해 모터(M)로 인가되도록 할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(100)는 모드에 따른 동작을 하지 않는 경우에는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 모두 오프 시킬 수 있다.
고전압 배터리(HVB)는 모터(M) 구동 시에 스위칭 회로부(400)를 통해 모터(M)로 구동 전압을 공급할 수 있으며, 외부 전원(AC) 또는 모터(M)로부터의 전압을 공급받아 충전될 수 있다.
3상 모터(M)가 회전 시 역기전력에 의해서 교류 전압이 발생되고, 스위칭 회로부(400)에 의해 직류 전압으로 변환되어 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있으며, 이를 회생제동이라고 한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 3상 모터(M)와 스위칭 회로부(400)를 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있기 때문에, 고전압 배터리(HVB)의 충전을 위한 고가 고전압의 전력반도체 소자와 고용량의 코일을 필요로 하지 않아 충전 어댑터가 필요한 종래 구성 대비 원가를 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 3상 코일(LU, LV, LW) 중 하나의 코일과 스위칭 회로부(400) 사이 및 정류 회로부(500)의 (+)단자 사이에 연결되는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 모드에 따라 제어하여 충전회로를 구현할 수 있으며, 따라서, 충전회로를 구현하기 위해 모터 3상의 중성점을 외부와 연결시킬 필요 없기 때문에 부피와 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컨트롤러(100)는 모터(M)의 구동을 제어하는 모터 제어부(MCU: Motor Control Unit)의 역할과, 고전압 배터리(HVB)를 충전시키는 충전 제어부(CCU: Charge Control Unit)의 역할을 겸할 수 있다.
모터 제어부(MCU)로서의 컨트롤러(100)는 상위 장치(ex, 소형 전기차의 시동 장치)로부터 시동과 관련된 신호(ex, 시동 온 신호)를 수신하면 모터 구동 모드로 진입하고, 소형 전기차의 시동 온 상태에서 상위 장치(ex, 소형 전기차의 가속 장치)로부터 가속과 관련된 신호(ex, 가속 신호)가 수신되면 가속 신호에 따라 모터(M)를 구동시키고, 가속 신호가 수신되지 않으면 모터(M)의 회생제동에 의해 발생하는 전압을 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있다.
충전 제어부(CCC)로서의 컨트롤러(100)는 시동 오프 신호를 수신하거나, 시동 온 신호를 수신하지 않은 상태, 즉 소형 전기차의 시동이 오프인 상태에서 외부 전원(AC)이 연결되면 충전 모드로 진입하고, 외부 전원(AC)으로부터 공급되는 외부 전압을 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러(100)는 고전압 배터리(HVB)의 충전을 위한 충전 단자에 외부 전원(AC)의 플러그가 삽입되었는지를 감지하고, 플러그가 충전 단자에 삽입된 경우 충전 모드로 진입할 수 있다.
컨트롤러(100)는 스위칭 회로부(400)를 제어하여 고전압 배터리(HVB)로부터의 전압이 모터(M)로 공급되도록 하거나, 모터(M)의 회전 시 발생하는 전압이 고전압 배터리(HVB)로 공급되도록 하거나, 외부 전원(AC)의 전압이 고전압 배터리(HVB)로 공급되도록 할 수 있다.
모터 구동 모드에 따른 모터(M)의 구동 및 충전 모드에 따른 고전압 배터리(HVB)의 충전에 대해서는 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터에 있어서 컨트롤러, 배터리 관리 시스템 및 배터리의 사이의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배터리 관리 시스템(200)은 고전압 배터리(HVB)의 배터리 셀의 전압을 모니터링하고, 배터리 셀의 전압을 동일하게 맞추는 역할을 하는 것으로, 집적 회로(IC: Integrated Circuit) 형태로 구현될 수 있으며, 배터리 배런싱 직접회로(battery balancing IC)로 표현될 수 있다.
이를 위해, 배터리 관리 시스템(200)은 배터리 셀 각각의 (+)단자 및 (-)단자에 출력선을 통해 연결되어 배터리 셀 각각의 전압을 측정할 수 있다.
배터리 관리 시스템(200)은 컨트롤러(100)와의 통신을 통해 고전압 배터리(HVB)의 현재 상태 정보를 컨트롤러(100)로 전달하고, 컨트롤러(100)로부터의 밸런스 목표 값 등을 수신할 수 있다.
예를 들어, 고전압 배터리(HVB)는 팩(pack) 형태로 구현될 수 있으며, 팩 내에 다수의 배터리 셀이 직렬로 연결된 상태로 배치되어 고전압을 출력할 수 있다. 배터리 셀의 (+)단자 및 (-)단자는 출력선을 통해 배터리 관리 시스템(200)과 연결될 수 있으며, 배터리 셀의 온도를 측정하는 온도 센서(TS: Temperature Sensor)가 팩 형태의 고전압 배터리(HVB)에 내장되어 컨트롤러(100)와 연결되어, 측정된 온도를 컨트롤러(100)로 전달할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터의 DC-DC 컨버터의 구성을 나타낸 도면이다.
DC-DC 컨버터(300)는 고전압 배터리(HVB)로부터의 전압을 공급받고, 공급받은 전압을 감압시켜 출력하며, DC-DC 컨버터(300)에 의해 감압되는 비율은 기 설정되는 바에 따라 다를 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, DC-DC 컨버터(300)는 제1 강압 컨버터(step down converter)(310), 및 플라이-백 컨버터(flyback converter)(320)를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 제2 강압 컨버터(step down converter)(330)를 더 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터(300)는 컨트롤러(100)의 제어에 따라 온 또는 오프 상태가 되는 제3 스위치(S3)를 구비하며, 제3 스위치(S3)가 온 되면 고전압 배터리(HVB)와 연결되고, 제3 스위치(S3)가 오프 되면 고전압 배터리(HVB)와의 연결이 해제된다.
제3 스위치(S3)가 온 되면, 제1 강압 컨버터(310)는 고전압 배터리(HVB)로부터 공급되는 전압을 강하시켜 제1 변환 전압을 출력하고, 플라이-백 컨버터(320)는 제1 감압 컨버터(310)로부터의 제1 변환 전압을 변환하여 제2 변환 전압을 출력할 수 있다.
제1 강압 컨버터(310)는 인버터의 고전압 영역(HVA)에 위치하고, 플라이-백 컨버터(320)는 인버터의 고전압 영역(HVA)과 저전압 영역(LVA)에 걸쳐 위치하며, 제1 강압 컨버터(310)로부터 출력되는 전압(제1 변환 전압)과, 플라이-백 컨버터(320)에 의해 출력되는 전압(제2 변환 전압)은 플라이-백 컨버터(320)에 의해 분리 및 절연될 수 있다.
예를 들어, 제1 강압 컨버터(310)는 고전압 배터리(HVB)로부터의 전압을 강하시켜 15V를 출력할 수 있고, 플라이-백 컨버터(320)는 제1 강압 컨버터(310)로부터 출력되는 15V을 입력 받아 10V~24V로 변환하여 출력할 수 있으며, 출력된 10V-24V는 소형 전기차의 외부 라이트나 고전력 기기의 전원으로 공급될 수 있다.
제2 강압 컨버터(330)는 인버터의 고전압 영역(HVA) 및 저전압 영역(LVA) 중 적어도 하나의 영역에 위치할 수 있으며, 제1 강압 컨버터(310)로부터 출력되는 제1 변환 전압을 강하시켜 제3 변환 전압을 출력하거나, 플라이-백 컨버터(320)로부터 출력되는 제2 변환 전압을 강하시켜 제4 변환 전압을 출력할 수 있다.
제2 강압 컨버터(330-1, 330-2)에 의해 출력되는 제3 변환 전압 또는 제4 변환 전압은 소형 전기차의 로직 IC의 구동이나, 외부 USB 케이블 충전을 위해 이용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 고전압 영역(HVA)에 위치하는 제2 강압 컨버터(330-1), 및 저전압 영역(LVA)에 위치하는 제2 강압 컨버터(330-2)는 3.3V 및 5V를 출력할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터에 있어서 모터 구동 모드 시의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 스위칭 회로부(400)는 고전압 배터리(HVB)의 (+)단자와 고전압 그라운드(HVG) 사이에 병렬로 연결되는 제1 내지 제3 스위치부(410, 420, 430)로 구성될 수 있으며, 제1 내지 제3 스위치부(410, 420, 430) 각각은 모터(M)의 U상 코일(LU), V상 코일(LV), W상 코일(LW) 각각과 연결될 수 있다.
제1 내지 제3 스위치부(410, 420, 430) 각각은 직렬로 연결되는 2개의 스위치(SUH, SUL)(SVH, SVL)(SWH, SWL)로 구성될 수 있으며, 제1 스위치부(410)의 상측 스위치(SUH)와 하측 스위치(SUL) 사이의 노드(n1)가 모터(M)의 U상 코일(LU)과 연결되고, 제2 스위치부(420)의 상측 스위치(SVH)와 하측 스위치(SVL) 사이의 노드(n2)가 모터(M)의 V상 코일(LV)과 연결되고, 제3 스위치부(430)의 상측 스위치(SWH)와 하측 스위치(SWL) 사이의 노드(n3)가 모터(M)의 W상 코일(LW)과 연결될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 회로부(400)는 6개의 스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL)로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며, 6개의 스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL) 각각은 컨트롤러(100)로부터의 스위치 제어신호(또는 스위칭 신호)에 응답하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 스위치(S1)는 스위칭 회로부(400)의 제2 스위치부(420)의 노드(제2 노드)(n2)와 V상 코일(LV) 사이에 연결되고, 제2 스위치(S2)는 정류 회로부(500)의 (+)단자와 V상 코일(LV) 사이에 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 제1 스위치(S1)는 스위칭 회로부(400)의 제1 스위치부(410)의 노드(제1 노드)(n1)와 U상 코일(LU) 사이에 연결되고, 제2 스위치(S2)는 정류 회로부(500)의 (+)단자와 U상 코일(LU) 사이에 연결될 수 있다.
실시예에 따라, 제1 스위치(S1)는 스위칭 회로부(400)의 제3 스위치부(430)의 노드(제3 노드)(n3)와 W상 코일(LW) 사이에 연결되고, 제2 스위치(S2)는 정류 회로부(500)의 (+)단자와 W상 코일(LW) 사이에 연결될 수 있다.
이와 같이, 제1 스위치(S1)는 제1 스위치부(410)와 U상 코일(LU)의 사이, 제2 스위치부(420)와 V상 코일(LV)의 사이, 및 제3 스위치부(430)와 W상 코일(LW)의 사이 중 한 곳에 연결될 수 있고, 이와 대응되게, 제2 스위치(S2)는 정류 회로부(500)의 (+)단자와 V상 코일(LV) 사이, 정류 회로부(500)의 (+)단자와 U상 코일(LU) 사이, 및 정류 회로부(500)의 (+)단자와 W상 코일(LW) 사이 중 한 곳에 연결될 수 있다.
모터 구동 모드에서, 컨트롤러(100)는 제1 스위치(S1)를 온 시켜 모터(M)와 스위칭 회로부(400)를 연결시키고, 제2 스위치(S2)를 오프 시켜 모터(M)와 정류 회로부(500) 사이의 연결을 차단하게 된다. 모터 구동 모드에서 제1 스위치(S1)가 오프 상태인 경우에 V상 전류가 흐르지 않기 때문에 모터(M)가 정상 동작을 하지 못하며, 탈조 현상이 발생할 수 있고, 과전류로 인한 인버터 스위치 소자의 소손이 발생할 수 있다.
스위칭 회로부(400)의 스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL) 각각은 트랜지스터와 바디 다이오드를 포함할 수 있으며, 트랜지스터는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor, IGBT), 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor, MOSFET)일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL) 각각의 트랜지스터는 컨트롤러(100)로부터의 스위치 제어신호(또는 스위칭 신호)에 응답하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있으며, 트랜지스터를 흐르는 전류의 방향과 바디 다이오드를 흐르는 전류의 방향은 반대이다.
모터(M)를 구동시키는 경우, 고전압 배터리(HVB)의 전압은 고전압 배터리(HVB)에 병렬로 연결된 DC-링크 캐패시터(C1)를 통해 스위칭 회로부(400)로 공급되고, 스위칭 회로부(400)는 컨트롤러(100)의 제어에 따라 턴 온 및 턴 오프 동작하여, 고전압 배터리(HVB)로부터 공급되는 전압에 상응하는 교류 전류를 모터(M)로 출력하여 모터(M)를 구동시킬 수 있다.
DC-링크 캐패시터(C1)는 모터(M)를 구동시키는 경우에 고전압 배터리(HVB)로부터의 전압을 안정적으로 스위칭 회로부(400)로 공급하며, 고전압 배터리(HVB)를 충전시키는 경우, 스위칭 회로부(400)로부터 공급되는 전압을 축적하여 고전압 배터리(HVB)로 공급할 수 있다.
예를 들어, 제1 스위치부(410)로부터 출력되는 전류는 U상 코일(LU)로 인가되고, 제2 스위치부(420)로부터 출력되는 전류는 V상 코일(LV)로 인가되고, 제3 스위치부(430)로부터 출력되는 전류는 W상 코일(LW)로 인가될 수 있다.
모터(M)가 발전에 이용되는 경우, 스위칭 회로부(400)는 모터(M)로부터 출력되는 교류 전류를 정류하고, 정류된 전류를 DC-링크 캐패시터(C1)로 출력하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있으며, 컨트롤러(100)는 스위칭 회로부(400)의 스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL)를 턴 오프 시켜, 스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL)의 바디 다이오드에 의하여 정류 회로가 형성되도록 할 수 있다.
예를 들어, 모터(M)가 회전하면 UVW상 코일(LU, LV, LW)과 영구자석 사이의 자기적 상호 작용에 의하여 UVW상 코일(LU, LV, LW)에 기전력이 발생하며, 기전력에 의하여 UVW상 코일(LU, LV, LW)로부터 스위칭 회로부(400)로 교류 전류가 공급될 수 있다. 이때, 스위칭 회로부(400)의 스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL)가 오프 되면, 스위치(SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, SWL)의 바디 다이오드로 인하여 다이오드 브리지가 형성되며, 바디 다이오드의 다이오드 브리지는 교류 전류를 정류할 수 있다.
도 5는 통상의 고전압 충전 회로를 나타낸 것이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 소형 전기차용 통합형 인버터에 있어서 충전 모드 시의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 충전 모드 시의 소형 전기차용 통합형 인버터는 도 5의 고전압 충전 회로와 같이 동작할 수 있다.
도 6의 충전 모드 시의 소형 전기차용 통합 인버터를 설명하기에 앞서 도 5를 참조하여 통상의 고전압 충전 회로에 대해서 살펴보면, 고전압 충전 회로(또는 승압 컨버터)는 입력측(VIN)과 출력측(VOUT) 사이에 직렬로 연결되는 인덕터(L)와 다이오드(D), 인덕터(L)와 다이오드(D) 사이에서 입력측(VIN) 및 출력측(VOUT)과 병렬로 연결되는 스위치(S), 및 다이오드(D)와 출력측(VOUT) 사이에서 입력측(VIN) 및 출력측(VOUT)과 병렬로 연결되는 캐패시터(C)로 구성될 수 있다.
도 5의 구성에서, 스위치(S)가 온 되면 인덕터(L)에 입력 전압(VIN)이 축적되고, 이후 스위치(S)가 오프 되면 인덕터(L)에 축적된 전압이 다이오드(D)를 통해 캐패시터(C)에 저장되는 과정이 반복되면 입력 전압(VIN)보다 높은 출력 전압(VOUT)을 얻을 수 있다.
도 1, 및 도 4 내지 도 6을 참조하면, 컨트롤러(100)는 시동 오프 신호를 수신하거나, 시동 온 신호를 수신하지 않은 상태, 즉 시동이 오프인 상태에서 외부 전원(AC)이 연결되면 충전 모드로 진입하고, 외부 전원(AC)으로부터 공급되는 외부 전압을 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있다.
충전 모드에서, 컨트롤러(100)는 제1 스위치(S1)를 오프 시키고 제2 스위치(S2)를 온 시키며, 이에 따라, 외부 전원(AC), 정류 회로부(500), 모터(M)의 3상 코일(LU, LV, LW), 스위칭 회로부(400), DC-링크 캐패시터(C1) 및 고전압 배터리(HVB)를 포함하는 고전압 충전 회로가 구성될 수 있다.
도 6에 있어서 모터(M)의 3상 코일(LU, LV, LW), 스위칭 회로부(400)의 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 하측 스위치(SUL, SWL), 스위칭 회로부(400)의 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 상측 스위치(SUH, SWH), 및 DC-링크 캐패시터(C1)는 도 5의 인덕터(L), 스위치(S), 다이오드(D), 및 캐패시터(C)의 역할을 하여, 정류 회로부(500)를 통해 입력되는 전압(VIN)보다 높은 전압으로 고전압 배터리(HVB)를 충전시킬 수 있다.
한편, 제1 스위치(S1)가 오프 되기 때문에, 제1 스위치(S1)가 연결된 제2 스위치부(420)의 하측 스위치(SVL) 및 상측 스위치(SVH)는 고전압 충전 회로를 구성하지 못하여 도 6에 도시되어 있지 않다.
V상 코일(LV) 이외의 나머지 코일, 본 실시예에서는 U상 코일(LU), 및 W상 코일(LW)은 V상 코일(LV)의 출력단에 병렬로 연결되고, 따라서, V상 코일(LV)과 DC-링크 캐패시터(C1) 사이에 병렬로 연결된 2개의 고전압 충전회로가 구성될 수 있다.
물론, 제1 스위치(S1)가 U상 코일(LU)과 제1 스위치부(410) 사이에 연결되고 제2 스위치(S2)가 정류 회로부(500)의 (+)단자와 U상 코일(LU) 사이에 연결된 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
마찬가지로, 제1 스위치(S1)가 W상 코일(LW)과 제3 스위치부(430) 사이에 연결되고 제2 스위치(S2)가 정류 회로부(500)의 (+)단자와 W상 코일(LW) 사이에 연결된 경에도 동일하게 적용될 수 있다.
정류 회로부(500)는 외부 전원(AC)으로부터 외부 전압을 수신 및 정류하여 모터(M) 측으로 전달할 수 있다.
예를 들어, 정류 회로부(500)는 외부 전원(AC)으로부터 공급되는 외부 전압을 소정의 전압을 변환하여 출력하는 변압기(T1)와, 변압기(T1)로부터 출력되는 전압을 정류하는 정류부(510), 및 정류부(510)에 의해 정류되어 출력되는 전압을 평활하는 평활부(520)를 포함할 수 있으며, 정류부(510)는 4개의 다이오드(D1 ~ D4)로 구성된 다이오드 브리지를 포함할 수 있고, 평활부(5120)는 평활 캐패시터(C2)를 포함할 수 있다.
3상 코일(LU, LV, LW) 중 제2 스위치(S2)가 연결된 코일, 본 실시예에서는 V상 코일(LV)의 입력단은 정류 회로부(500)로부터 출력되는 전압이 인가되는 (+)단이 되며, 정류 회로부(500)는 고전압 그라운드(HVG)에 연결되어, 고전압 배터리(HVB)와 그라운드를 공유할 수 있다.
컨트롤러(100)의 제어에 따라, 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 하측 스위치(SUL, SWL)가 온 되고, 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 상측 스위치(SUH, SWH)가 오프 된 경우, 정류 회로부(500)로부터 출력되어 모터(M)로 입력되는 입력 전압(VIN)은 V상 코일(LV)을 통해 U상 코일(LU) 및 W상 코일(LW)로 인가되어 축적된다.
그리고, 컨트롤러(100)의 제어에 따라, 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 하측 스위치(SUL, SWL)가 오프 되고, 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 상측 스위치(SUH, SWH)가 오프 된 경우, U상 코일(LU) 및 W상 코일(LW)로 인가되어 축적된 전압은 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 상측 스위치(SUH, SWH)의 바디 다이오드를 통해 DC-링크 캐패시터(C1)로 인가되어 축적될 수 있다.
이와 같이, 외부 전원(AC)을 이용하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시키는 경우, 컨트롤러(100)는 스위칭 회로부(400)의 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 상측 스위치(SUH, SWH)를 오프 시킨 상태에서 제1 및 제3 스위치부(410, 430) 각각의 하측 스위치(SUL, SWL)를 스위칭하여 고전압 배터리(HVB)를 충전시키게 된다.
이러한 고전압 배터리(HVB) 충전 과정은 제1 스위치(S1)가 U상 코일(LU)과 제1 스위치부(410) 사이에 연결되고 제2 스위치(S2)가 정류 회로부(500)의 (+)단자와 U상 코일(LU) 사이에 연결된 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
마찬가지로, 이러한 고전압 배터리(HVB) 충전 과정은 제1 스위치(S1)가 W상 코일(LW)과 제3 스위치부(430) 사이에 연결되고 제2 스위치(S2)가 정류 회로부(500)의 (+)단자와 W상 코일(LW) 사이에 연결된 경에도 동일하게 적용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 컨트롤러 200: 배터리 관리 시스템(BMS)
300: DC-DC 컨버터 310: 제1 강압 컨버터
320: 플라이-백 컨버터 330: 제2 강압 컨버터
400: 스위칭 회로부 410, 420, 430: 스위치부
500: 정류 회로부 510: 정류부
520: 평활부 600: 신호 절연부

Claims (9)

  1. 3상 코일을 구비하는 모터 및 고전압 배터리를 포함하는 소형 전기차에 구현된 인버터로서,
    컨트롤러;
    상기 컨트롤러의 제어에 따라 스위칭 하는 복수의 스위치를 포함하고, 상기 모터와 상기 고전압 배터리 사이에 연결된 스위칭 회로부;
    상기 컨트롤러의 제어에 따라 상기 모터에 선택적으로 연결되고, 외부 전원이 연결되는 정류 회로부;
    상기 3상 코일 중 하나의 코일과 상기 스위칭 회로부 사이에 연결된 제1 스위치;
    상기 제1 스위치가 연결된 코일과 상기 정류 회로부의 (+)단자 사이에 연결된 제2 스위치; 및
    상기 스위칭 회로부와 상기 고전압 배터리 사이에 병렬로 연결되어, 고전압 그라운드를 공유하는 DC-링크 캐패시터;를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 모터 구동 모드에서 상기 제1 스위치를 온 시키고 상기 제2 스위치를 오프 시키며, 충전 모드에서 상기 제1 스위치를 오프 시키고 상기 제2 스위치를 온 시키며,
    상기 스위칭 회로부는 상기 고전압 배터리의 (+)단자와 상기 정류 회로부와 공유되는 고전압 그라운드 사이에서 병렬로 연결되고, 각각 U상 코일, V상 코일 및 W상 코일에 연결된 제1 내지 제3 스위치부를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 스위치부 각각은 제1 내지 제3 노드를 통해 직렬로 연결된 상측 스위치 및 하측 스위치를 포함하며,
    상기 컨트롤러는 상기 충전 모드에서 상기 제1 스위치가 연결된 스위치부를 제외한 나머지 스위치부 각각의 하측 스위치를 온 시키고, 상측 스위치를 오프 시켜, 상기 정류 회로부로부터 출력되는 전압이 상기 제2 스위치 및 상기 제2 스위치가 연결된 코일을 통해 나머지 두 개의 코일에 인가되게 하여 전압을 축적시키며,
    상기 나머지 스위치부 각각의 하측 스위치 및 상측 스위치를 오프 시켜 상기 나머지 두 개의 코일에 축적된 전압이 상기 나머지 스위치부 각각의 상측 스위치부의 바디 다이오드를 통해 상기 DC-링크 캐패시터로 인가되도록 하는, 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 스위칭 회로부를 제어하여, 상기 모터 구동 모드에서 상기 고전압 배터리로부터 공급되는 배터리 전압에 상응하는 교류 전류가 상기 스위칭 회로부로부터 상기 모터로 출력되도록 하여 상기 모터를 구동시키고, 상기 충전 모드에서 상기 외부 전원으로부터 공급되는 외부 전압이 상기 스위칭 회로부를 통해 상기 고전압 배터리로 공급되도록 하여 상기 고전압 배터리를 충전시키는, 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 스위치는 상기 제1 스위치부의 상기 제1 노드와 상기 U상 코일 사이에 연결되거나, 상기 제2 스위치부의 상기 제2 노드와 상기 V상 코일 사이에 연결되거나, 상기 제3 스위치부의 상기 제3 노드와 상기 W상 코일에 연결되고, 상기 제2 스위치는 상기 U상 코일, 상기 V상 코일 및 상기 W상 코일 중 상기 제1 스위치가 연결된 코일과 연결된, 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 내지 제3 스위치부 각각의 상측 스위치 및 하측 스위치를 제어하여, 상기 모터 구동 모드에서 배터리 전압에 상응하는 교류 전류가 상기 모터로 출력되도록 하고, 상기 충전 모드에서 외부 전압이 상기 정류 회로부, 상기 3상 코일, 및 상기 스위칭 회로부를 통해 상기 DC-링크 캐패시터에 축적되도록 하여, 상기 DC-링크 캐패시터에 축적된 전압에 의해 상기 고전압 배터리가 충전되도록 하는, 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 충전 모드에서 상기 제2 스위치를 온 시켜 상기 제2 스위치가 연결된 코일의 출력단에 나머지 두 개의 코일이 병렬 연결되도록 하고, 상기 제1 스위치를 오프 시켜 상기 제1 스위치가 연결된 스위치부와 상기 모터와의 연결을 차단하는, 충전용 모터 중성점을 제거한 소형 전기차용 통합형 인버터.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 배터리의 다수의 배터리 셀 각각을 모니터링하고, 상기 다수의 배터리 셀의 전압을 동일하게 맞추는 배터리 관리 시스템; 및
    상기 고전압 배터리로부터의 전압을 공급받고, 공급받은 전압을 감압시켜 출력하는 DC-DC 컨버터 중 적어도 하나를 더 포함하는, 소형 전기차용 통합형 인버터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터는,
    인버터의 고전압 영역에 위치하고, 상기 고전압 배터리로부터의 전압을 강하시켜 제1 변환 전압을 출력하는 제1 감압 컨버터;
    인버터의 고전압 영역과 저전압 영역에 걸쳐 위치하며, 상기 제1 감압 컨버터로부터의 상기 제1 변환 전압을 변환하여 제2 변환 전압을 출력하는 플라이-백 컨버터; 및
    인버터의 고전압 영역 및 저전압 영역 중 적어도 하나의 영역에 위치하고, 상기 제1 변환 전압을 강하시켜 제3 변환 전압을 출력하거나 상기 제2 변환 전압을 강하시켜 제4 변환 전압을 출력하는 제2 감압 컨버터를 포함하는, 소형 전기차용 통합형 인버터.
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