KR20090097030A - 전기 자동차용 충전 및 구동 장치와 그의 충전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 자동차용 충전 및 구동장치에 있어서 별도의 충전 유닛을 필요로하지 않고 구성이 간단하며 용이하게 출력전압의 증대가 가능하고 인버터 출력 제어성능을 향상시킬 수 있는 전기 자동차용 충전 및 구동장치를 제공하려는 것으로서, 본 발명에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동장치는, 직류 고전압을 충전가능하고 동력원으로서 제공하는 고압 배터리와, 상기 고압 배터리의 충전 전압을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암(ARM) 스위치와 상기 암 스위치를 구동제어하는 인버터 구동회로를 갖는 전동기 구동 유닛과, 상기 전동기 구동 유닛으로부터의 3상 교류 전압에 의해 구동되어 차량의 동력원을 제공하는 3상 유도 전동기를 구비하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서, 상기 고압 배터리와 상기 전동기 구동 유닛 사이에 접속 설치되어, 상기 고압 배터리의 충전전압을 최소 고압 배터리 충전전압으로부터 미리 결정된 배율의 상승 전압까지의 범위로 상기 전동기 구동 유닛에 제공하는 직류-직류 변환기 유닛을 포함하여 구성된다.

전기 자동차, 충전/구동 장치, 버크-부스트, 프리-휠링 다이오드, 충전 유닛

Description

전기 자동차용 충전 및 구동 장치와 그의 충전방법{CHARGING AND DRIVING APPARATUS FOR ELECTRIC VEHICLE AND CHARGING METHOD THEROF}

본 발명은 전기 자동차에 관한 것으로서, 특히 장치의 구성이 간편하고 용이하게 출력 전압의 증대가 가능하고 출력 전압 제어 성능이 향상될 수 있는 전기자동차용 충전 및 구동장치와 그의 충전방법에 관한 것이다.

아직까지 화석 연료인 휘발유, 경유, 액화석유가스등의 에너지를 사용하는 자동차가 전 세계에서 제조, 판매 및 운용되는 자동차의 대세를 차지하는 형편이지만, 한정된 석유 자원의 고갈 예측과 석유 자원의 급속한 가격상승, 유해 배기 가스로 인한 공해와 지구 온난화 등 환경 파괴의 문제점 때문에, 친환경의 대체 에너지 자동차의 개발이 국내외에서 활발히 진행되어왔고 점차 대체 에너지 자동차의 보급이 확대되고 있는 단계에 와 있다. 이러한 대체 에너지 자동차로는 순수 전기 자동차(Electric Vehicle, 줄여서 EV로도 불림), 화석 연료와 전기 에너지를 겸용하는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle, 줄여서 HEV로도 불림), 연료전지 전기 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, 줄여서 FCEV로도 불림)등이 있다.

본 발명은 상기 여러 종류의 대체 에너지 자동차 중 순수 전기 자동차에 관 한 것으로서, 전기 자동차는 배터리(BATTERY)로부터 전력을 공급받고 인버터(INVERTER)로 대표되는 전동기 제어장치(MOTOR CONTROLLER)에 의해 전동기를 제어하여 최적의 효율을 달성하고, 엔진을 전동기로 대체함으로써 유해가스의 배출이 전혀 없는 완전한 친환경 자동차이다.

이러한 전기 자동차용 충전 및 구동 장치는 전동기의 최적 구동과 배터리 충전을 위해 필요한 전기 자동차의 엔진에 해당하는 핵심 기기로써, 전기 자동차의 상용화를 고려할 때 무엇보다도 전기 자동차의 가격 경쟁력 확보와 용이한 출력용량 확대 및 출력 성능 최적화가 요구된다.

이러한 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서, 종래기술은 정류회로를 포함하는 별도의 충전 유닛이 구비되어 있어서, 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 구성이 복잡하고 가격이 상승되는 문제점이 있었다.

또한 이러한 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서, 종래기술은 전동기 제어장치 즉, 인버터 측에 공급되는 직류전압이 배터리 전압으로 고정되어 있어서, 인버터 출력을 용이하게 증대시키는 것이 불가능한 문제점이 있었다.

또한 이러한 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서, 종래기술은 전동기 제어장치 즉, 인버터 측에 공급되는 직류전압이 배터리 전압으로 고정되어 있어서, 부하에 따라 인버터 출력을 용이하게 제어할 수 있는 성능을 지원하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소하는 것으로서, 본 발명의 일 목적은 인버터 출력을 용이하게 증대시키는 것이 가능한 전기 자동차용 충전 및 구동 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부하에 따라 인버터 출력을 용이하게 제어할 수 있는 성능을 가진 전기 자동차용 충전 및 구동 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 별도의 충전 유닛이 불필요하여 전기 자동차의 가격 경쟁력 확보에 기여할 수 있는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 별도의 충전 유닛이 불필요하여 전기 자동차의 가격 경쟁력 확보에 기여할 수 있는 전기 자동차용 충전방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 일 목적 및 다른 목적은,

직류 고전압을 충전가능하고 동력원으로서 제공하는 고압 배터리와, 상기 고압 배터리의 충전 전압을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암 스위치(ARM SWITCH)와 상기 암 스위치를 구동제어하는 인버터 구동회로를 갖는 전동기 구동 유닛(UNIT)과, 상기 전동기 구동 유닛으로부터의 3상 교류 전압에 의해 구동되어 차량의 동력원을 제공하는 3상 유도 전동기를 구비하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서,

상기 고압 배터리 유닛과 상기 전동기 구동 유닛 사이에 접속 설치되어, 상기 고압 배터리 유닛의 충전전압을 최소한 상기 고압 배터리의 충전전압으로부터 미리 결정된 배율로 상승된 전압까지 범위에서 상기 전동기 구동 유닛에 제공하는 직류-직류 변환기 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.

상기 본 발명의 또 다른 목적은,

상기 암 스위치에 병렬로 접속되고, 상기 암 스위치가 오프(OFF) 될 때 방전 경로를 제공하는 프리 휠링(FREE WHEELING) 기능을 수행하며, 상기 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 충전 동작시 외부 교류 전원으로부터의 교류를 정류하여 상기 고압 배터리 측으로 공급하는 정류 기능을 수행하는 프리 휠링 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은,

직류 고전압을 충전가능하고 동력원으로서 제공하는 고압 배터리와, 상기 고압 배터리의 충전 전압을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암(ARM) 스위치와 상기 암 스위치에 병렬로 접속되고 상기 암 스위치가 오프(OFF) 될 때 방전 경로를 제공하도록 프리 휠링(FRRE WHEELING) 기능을 수행하는 프리 휠링 다이오드와 상기 암 스위치를 구동제어하는 인버터 구동회로를 갖는 전동기 구동 유닛과, 상기 전동기 구동 유닛으로부터의 3상 교류 전압에 의해 구동되어 차량의 동력원을 제공하는 3상 유도 전동기를 이용하는 전기 자동차용 충전방법에 있어서,

상기 전기 자동차의 충전 동작시 상기 프리 휠링 다이오드를 외부 교류 전원으로부터의 교류를 정류하여 상기 고압 배터리 측으로 공급하는 정류수단으로 이용하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 전기 자동차용 충전방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치는 인덕터와 인덕터의 승압동작을 일으키는 반도체 스위치를 구비하고, 부하에 따라 상기 반도체 스위치를 온, 오프 제어함으로써 부하에 따른 출력전압의 승압과 최적 제어가 가능한 전기 자동차용 충전 및 구동 장치를 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치 및 충전 방법에 따라서, 인버터의 반도체 스위치 아암에 병렬로 접속되는 프리-휠링 다이오드(free-wheeling diode)를 교류 충전 전원을 정류하여 배터리에 공급하는 정류수단으로 활용함으로써, 별도의 충전 유닛이 불필요하여 전기 자동차의 가격 경쟁력 확보에 기여할 수 있는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치를 얻을 수 있는 효과가 있다.

상기 본 발명의 목적과 이를 달성하는 본 발명의 구성 및 그의 작용효과는 첨부한 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 이하의 설명에 의해서 좀 더 명확히 이해될 수 있을 것이다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치와 차량의 변속기 및 차륜(wheel)의 전체적 구성을 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치와 차량의 변속기 및 휠의 전체적 구성을 보여주는 구성 블록 도이다.

도 1에 있어서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치는 크게 고압 배터리 유닛(HIGH VOLTAGE BATTERY UNIT)(1), 직류-직류 변환기 유닛(DC-DC CONVERTER UNIT)(2), 전동기 구동 유닛(3), 3상 유도 전동기(5)를 포함하여 구성된다.

고압 배터리 유닛(1)은 직류 고전압을 충전하고 전원으로 제공하는 고압 배터리(BH)를 포함한다. 또한 고압 배터리 유닛(1)은 운전 릴레이(DRIVE RELAY)(SWd)를 포함하고, 운전 릴레이(SWd)는 상기 고압 배터리(BH)와 직류-직류 변환기 유닛(2) 사이에 접속되어, 상기 고압 배터리(BH)로부터의 구동 전원을 상기 직류-직류 변환기 유닛(2)에 공급하는 온(ON)위치 또는 상기 구동 전원의 공급을 중단하는 오프(OFF) 위치로 전환가능한 운전 스위치 수단이다. 운전 릴레이(SWd)는 또한 하기에서 설명될 차량 제어 유닛(8)에 의해 온(ON) 또는 오프(OFF)의 개폐 위치가 제어된다.

전동기 구동 유닛(UNIT)(3)은 고압 배터리(BH)의 충전 전압(직류 전압)을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암 스위치(ARM SWITCH)(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)와, 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)를 구동제어하는 인버터 구동회로(3a)를 포함하여 구성된다.

여기서 각각의 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)는 잘 알려진 바와 같이 게이트(GATE) 구동신호에 의해 온 또는 오프 제어가능한 반도체 스위치, 예컨대 싸이리스터(Thyristor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 구성될 수 있다.

전동기 구동 유닛(3)은 상기 암 스위치에 병렬로 접속되는 프리 휠링 다이오드(Dap, Dan; Dbp, Dbn; Dcp, Dcn)를 포함한다. 이들 프리 휠링 다이오드(Dap, Dan; Dbp, Dbn; Dcp, Dcn)는 기본적으로 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)가 오프(OFF) 될 때 방전 경로를 제공하는 프리 휠링(FRRE WHEELING) 기능을 수행하며, 여기에 상기 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 충전 동작시 외부 교류 전원으로부터의 교류를 정류하여 고압 배터리 (BH)측으로 공급하는 정류 기능도 수행한다.

상기 인버터 구동회로(3a)는 통상의 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency, 약하여 VVVF로 통칭됨) 인버터 제어장치로서 3상 유도 전동기(5)에 제공할 출력전압 및 출력주파수의 지령신호를 발출하는 미 도시의 제어회로 부와 상기 지령신호에 따라 상기 반도체 스위치의 게이트 구동신호를 펄스 폭 변조하여 제공하는 미 도시의 펄스 폭 변조회로 부를 포함하여 구성될 수 있다.

3상 유도 전동기(5)는 인버터로부터의 3상 교류 전압에 의해 구동되어 차량의 동력원을 제공하는 일반적인 3상 교류용 유도형 전동기이다.

전동기 구동 유닛(3) 내에 부설되는 것으로서 미 설명 부호 CTu, CTv, CTw는 각각 3상 유도 전동기(5)에 흐르는 3상(U, V, W 상)의 상 전류를 검출하여 인버터 구동회로(3a)에 제공하는 변류기(Current Transformer)이다. 이러한 변류기(CTu, CTv, CTw)가 검출하는 3상 유도 전동기(5)에 흐르는 3상(U, V, W 상)의 상 전류는 인버터 구동회로(3a)로 보내져서 잘 알려져 있는 바와 같이 그에 따라 출력 주파수 및 출력 전압을 변화시켜 제어하는 일반적인 가변전압 가변주파수의 인버터 제어에 이용된다.

전동기 구동 유닛(3) 내에 부설되는 것으로서 미 설명 부호 Ck는 직류-직류 변환기 유닛(2)로부터의 직류전압을 평활하여 인버터 즉 아암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)에 제공하는 직류 링크(DC LINK) 전압 공급용 직류 링크 커패시터(CAPACITOR)이다.

직류-직류 변환기 유닛(2)은 고압 배터리 유닛(1)과 전동기 구동 유닛(3) 사이에 접속 설치되어, 고압 배터리 유닛(1)의 충전전압을 최소한 고압 배터리(BH)의 충전전압으로부터 미리 결정된 배율로 상승된 전압까지 범위에서 전동기 구동 유닛(3)에 제공한다. 예컨대 상기 미리 결정된 최고의 승압 배율은 고압 배터리(BH)의 충전전압의 2.5배이며, 최하(최소)는 고압 배터리(BH)의 충전전압의 1배, 즉 고압 배터리(BH)의 충전전압이 된다. 고압 배터리 유닛(1)에 접속되어 상기 고압 배터리 유닛(1)의 충전 전압을 승압하여 제공 가능한 인덕터(Lb)가 상기 직류-직류 변환기 유닛(2)에 포함된다. 한 쌍의 반도체 스위치(Qp, Qn)도 상기 직류-직류 변환기 유닛(2)에 포함되며, 한 쌍의 반도체 스위치(Qp, Qn)는 인덕터(Lb)와 상기 전동기 구동 유닛(3) 사이에 접속 설치되며, 고압 배터리 유닛(1)의 충전경로를 제공하는 제 1 반도체 스위치(Qp)와, 온(ON) 및 오프(OFF)의 스위칭에 의해 인덕터(Lb)가 충전전압을 승압시키게 하는 제 2 반도체 스위치(Qn)를 포함한다. 상기 직류-직류 변환기 유닛(2)은 상기 한 쌍의 반도체 스위치(Qp, Qn)의 온 또는 오프 스위칭 제어를 위한 스위치 제어회로(2a)를 추가로 포함한다. 여기서, 스위치 제어회로(2a)는 마이크로 프로세서로 구성될 수 있다. 또한, 직류-직류 변환기 유닛(2)은 고압 배터리 유닛(1)의 출력단에 병렬로 접속되는 평활용 커패시터(2b)와, 인덕터(Lb)의 후단에 직렬 접속되는 변류기(CTb)를 포함한다. 여기서, 평활용 커패시터(2b)는 충전 동작시 전동기 구동 유닛(3)에 의해서 정류되어 공급되는 직류를 평활하여 고압 배터리 유닛(1)에 공급한다. 변류기(CTb)는 그의 출력이 미 도시의 신호 선을 통해 스위치 제어회로(2a)에 전달되며, 변류기(CTb)가 검출하여 제공하는 출력신호는 인덕터(Lb)의 전압변화에 비례하는 전류 값을 나타낼 수 있으므로, 따라서 스위치 제어회로(2a)는 변류기(CTb)가 검출하여 제공하는 출력신호를 근거로 인덕터(Lb)의 전압변화를 결정할 수 있고 따라서 목적하는 인덕터(Lb)의 전압이 출력되도록 제 2 반도체 스위치(Qn)의 온 및 오프 스위칭을 제어할 수 있다.

상기 직류-직류 변환기 유닛(2)은 제 1 프리 휠링 다이오드(Dp) 및 제 2 프리 휠링 다이오드(Dn)를 추가하여 포함한다.

제 1 프리 휠링 다이오드(Dp)는 제 1 반도체 스위치(Qp)의 오프 시 방전 경로를 제공하고 본 발명 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 구동 동작시 상기 고압 배터리 유닛(1)으로부터 인덕터(Lb)를 통해 전동기 구동 유닛(3)으로 방전되는 방전 경로를 제공하도록, 제 1 반도체 스위치(Qp)에 병렬로 접속된다.

제 2 프리 휠링 다이오드(Dn)는 제 2 반도체 스위치(Qn)의 오프 시 방전 경 로를 제공하도록, 상기 제 2 반도체 스위치(Qn)에 병렬로 접속된다.

도 1에 있어서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치는 추가적으로 충전 모드 스위치(SWm)와 차량 제어 유닛(8)을 포함한다.

충전 모드 스위치(SWm)는 수동 조작가능한 스위치로서, 사용자에 의해 충전 모드로 동작하도록 조작되었을 때 즉, 충전 모드 스위치(SWm)가 사용자에 의해서 온 위치로 조작된 충전 모드(MODE) 일 때 이와 같이 사용자가 충전동작을 요구하고 있는 상태임을 상기 차량 제어 유닛(8)에 나타낸다. 더욱 구체적으로 충전 모드 스위치(SWm)가 사용자에 의해 충전 모드로 선택 조작(온 위치로 조작)되면, 예컨대 차량 제어 유닛(8) 내부의 미 도시의 중앙 처리 장치에 저 전위(low level)의 신호가 입력되고 차량 제어 유닛(8)의 상기 중앙 처리 장치는 충전 모드 스위치에 접속된 핀(pin) 단자로부터의 입력신호 레벨이 저 전위가 되면 이를 사용자에 의해 충전 모드가 동작 모드로 선택된 것으로 결정할 수 있다.

차량 제어 유닛(8)은 전동기 구동 유닛(3), 직류-직류 변환기 유닛(2), 운전 스위치 수단(SWd) 및 충전 모드 스위치(SWm)에 접속되고, 충전 모드 스위치(SWm)가 충전 모드 선택을 나타내면, 즉 충전 모드 스위치(SWm)가 사용자에 의해서 온 위치로 조작되면, 차량 제어 유닛(8)은 충전 모드인 것으로 결정하여 상기 구동전압이 상기 3상 유도 전동기(5)에 공급되는 것을 중지하도록 전동기 구동 유닛(3)을 제어하고, 충전 모드 스위치(SWm)의 충전 모드로의 조작이 없으면 전동기 구동 모드인 것으로 결정하여 고압 배터리 유닛(1)으로부터의 구동 전원을 직류-직류 변환기 유닛(2)에 공급하도록 운전 스위치 수단, 즉 운전 릴레이(SWd)를 온 위치로 제어한다.

도 1에 있어서 미 설명 부호 9는 저압 배터리 유닛을 나타내며, 일반적으로 차량에 있어서 차량의 시동과 엔진의 점화, 차량에 부설되는 각종 전기 및 전자장치에 전원을 공급하는 잘 알려진 저압 배터리(BL)와, 사용자에 의해 조작되고 차량(엔진)의 시동과 시동중지를 위해 상기 저압 배터리(BL)에 접속되어 저압 배터리(BL)로부터의 전원을 공급 또는 차단하는 위치로 전환 조작가능한 키이 스위치(Key Switch)(SWk)를 포함하여 구성된다.

도 1에 있어서 미 설명 부호 4는 일반 단상 교류 전원에 접속하여 상기 고압 배터리 유닛(1)의 고압 배터리(BH)를 충전하기 위한 접속 소켓(Socket)인 충전 소켓으로서 전동기 구동 유닛(3)과 3상 유도 전동기(5) 사이의 3상 전원공급 선로 중 어느 2선에 접속된다.

도 1에 있어서 미설명 부호 SWc는 충전 스위치로서, 충전 소켓(4)과 상기 3상 전원공급 선로 중 어느 2선간의 접속선로에 설치되어 충전 소켓(4)으로부터의 통전 경로를 접속 또는 차단하도록 회로 개폐가능한 스위치이고, 차량 제어 유닛(8)에 의해 개폐제어될 수 있는 릴레이(relay)로 구성될 수 있다.

도 1에 있어서 미설명 부호 SWcc는 차량 제어 유닛(8)으로부터 충전 스위치(SWc)로 출력되어 충전 스위치(SWc)의 개폐를 제어하는 충전스위치 제어신호이고, 미설명 부호 SWdc는 차량 제어 유닛(8)으로부터 운전 릴레이(SWd)로 출력되어 운전 릴레이(SWd)의 개폐를 제어하는 운전 릴레이 제어신호이다.

도 1에 있어서 미설명 부호 7은 차륜이고, 미설명 부호 6은 3상 유도 전동기(5)의 회전을 변속하여 차륜(7)에 접속된 미 도시의 차축에 전달하는 잘 알려진 기계적 변속기를 나타낸다.

한편, 이상과 같이 구성되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 동작을 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 단상 교류 전원의 정(+)의 반주기 동안 충전 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 동작 상태 도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 단상 교류 전원의 부(-)의 반주기 동안 충전 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 회로 동작 상태 도이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 충전 동작을 설명한다.

충전 소켓(4)에 단상 상용 교류 전원을 접속한 상태에서 사용자가 충전 모드 스위치(SWm)를 온 위치로 조작하면, 차량 제어 유닛(8)은 충전 모드로 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 동작을 제어한다. 즉, 차량 제어 유닛(8)은 충전 스위치(SWc)에 충전스위치 제어신호(SWcc)를 출력하여 충전 스위치(SWc)를 폐로 위치(다시 말해 온 위치)로 제어함으로써 충전 소켓(4)을 통해 상용 단상 교류 전원이 본 발명에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 공급되도록 하는 동시에 운전 릴레이(SWd)에 운전 릴레이 제어신호(SWdc)를 출력하여 운전 릴레이(SWd)를 폐로 위치 즉 온 위치로 제어한다. 동시에 차량 제어 유닛(8)은 전동기 구동 유닛(3)의 인버터 구동회로(3a)에는 구동 정지 지령신호를 출력하여 인버터 구동회로(3a)의 인버터 구동제어 동작을 중지시킴과 함께, 직류-직류 변환기 유닛(2)의 스위치 제어회로(2a)에는 충전 제어 신호를 출력하고, 스위치 제어회로(2a)는 상기 충전 제어 신호에 응답하여 제 1 반도체 스위치(Qp)를 온 시키는 동시에 제 2 반도체 스위치(Qn)는 오프시킨다.

따라서, 상기 단상 상용 교류 전원의 정(+)의 반주기 동안의 단상 교류는 도 2의 굵은 선으로 도시된 바와 같이 충전 소켓(4)으로부터 충전 스위치(SWc), 변류기(CTv)를 통해 프리 휠링 다이오드(Dbp)에 공급되고, 이때 프리 휠링 다이오드(Dbp)는 정류기로 동작하여 상기 단상 교류를 직류로 정류하여 출력한다. 프리 휠링 다이오드(Dbp)에 의해 정류된 직류는 직류 링크 커패시터(Ck)를 충전하는 동시에 제 1 반도체 스위치(Qp), 변류기(CTb), 인덕터(Lb)를 거쳐 평활 커패시터(2b)를 충전하는 동시에 운전 릴레이(SWd)를 통해 고압 배터리(BH)로 공급되며, 따라서 고압 배터리(BH)로부터 프리 휠링 다이오드(Dan)과 변류기(CTu)를 거쳐 다시 충전 소켓(4)로 전류가 흘러나가는 폐 회로가 구성됨으로써 고압 배터리(BH)가 충전된다.

또한, 상기 단상 상용 교류 전원의 부(-)의 반주기 동안의 단상 교류는 도 3의 굵은 선으로 도시된 바와 같이 충전 소켓(4)으로부터 변류기(CTu)를 통해 프리 휠링 다이오드(Dap)에 공급되고, 이때 프리 휠링 다이오드(Dap)는 정류기로 동작하여 상기 단상 교류를 직류로 정류하여 출력한다. 프리 휠링 다이오드(Dap)에 의해 정류된 직류는 직류 링크 커패시터(Ck)를 충전하는 동시에 제 1 반도체 스위치(Qp), 변류기(CTb), 인덕터(Lb)를 거쳐 평활 커패시터(2b)를 충전하는 동시 에 운전 릴레이(SWd)를 통해 고압 배터리(BH)로 공급되며, 따라서 고압 배터리(BH)로부터 프리 휠링 다이오드(Dbn)과 변류기(CTv)와 충전 스위치(SWc)를 거쳐 다시 충전 소켓(4)로 전류가 흘러나가는 폐 회로가 구성됨으로써 고압 배터리(BH)가 충전된다.

충전 동작 동안, 인버터 구동회로(3a)의 구동제어에 의해 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)는 모두 오프되고, 전동기가 3상 교류 전동기이므로 단상 교류가 인버터에 인가되어도 3상 유도 전동기(5)는 구동되지 않는다.

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 구동 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 회로 동작 상태 도이다. 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 구동 동작을 설명하면 다음과 같다.

충전 모드 스위치(SWm)의 충전 모드 조작이 없으면 즉, 사용자가 충전 모드 스위치(SWm)를 오프 위치로 조작하면, 차량 제어 유닛(8)은 전동기 구동 모드인 것으로 결정하고, 차량 제어 유닛(8)은 충전 스위치(SWc)에 충전스위치 제어신호(SWcc)를 출력하여 충전 스위치(SWc)를 개로 위치(다시 말해 오프 위치)로 제어함으로써 충전 소켓(4)을 통한 전로를 차단하는 동시에 운전 릴레이(SWd)에 운전 릴레이 제어신호(SWdc)를 출력하여 운전 릴레이(SWd)를 폐로 위치 즉 온 위치로 제어한다. 동시에 차량 제어 유닛(8)은 전동기 구동 유닛(3)의 인버터 구동회로(3a)에는 구동 지령신호를 출력하여 인버터 구동회로(3a)가 인버터 구동제어 동작을 개시하도록 제어함과 함께, 직류-직류 변환기 유닛(2)의 스위치 제어회 로(2a)에는 구동 제어 신호를 출력하고, 스위치 제어회로(2a)는 상기 구동 제어 신호에 응답하여 제 1 반도체 스위치(Qp)를 오프 시키는 동시에 제 2 반도체 스위치(Qn)는 온 하였다가 오프시킨다. 따라서, 인덕터(Lb)에는 예컨대 최고 고압 배터리 충전전압의 2.5배에 달하는 승압된 전압이 발생한다(즉 전기 에너지가 발생한다).

이때 인버터 구동회로(3a)는 한 상과 다른 상의 암 스위치를 각각 하나씩 차례로 온 하도록 3상 유도 전동기(5)와의 폐 회로를 형성시키게 통상적인 인버터 제어와 같이 각각의 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)를 제어한다. 발생한 전기 에너지는 전류로서 도 4의 굵은 선으로 표시된 바와 같이 제 1 프리 휠링 다이오드(Dp)를 통해 직류 링크 커패시터(Ck)를 충전하는 동시에 암 스위치(Qap)와 U상 변류기(CTv)를 통해 3상 유도 전동기(5)로 흘러들어가서 3상 유도 전동기(5)를 구동하며, 다시 3상 유도 전동기(5)로부터 흘러나와서 V상 변류기(CTv) 및 암 스위치(Qbn)를 거쳐서 고압 배터리(BH)로 흘러들어가는 폐 회로를 형성한다. 따라서 3상 유도 전동기(5)가 구동하여 즉, 회전하고 3상 유도 전동기(5)의 회전력은 변속기(6)에 변속되어 차륜(7)을 회전시킴으로써 차량이 구동된다. 상기에서 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)중 U상과 V상 암 스위치(Qap; Qbn)의 온에 의한 3상 유도 전동기(5)의 구동 동작을 설명하였으나, 잘 알려진 바와 같이 인버터 구동회로(3a)는 다음에는 V상과 W상 암 스위치(Qbp; Qcn)를 온 시키고 또 그 다음에는 W상 암 스위치와 U상 암 스위치(Qcp; Qan)를 온 시키는 식으로 상 별 암 스위치를 순차 온 시켜 3상 유도 전동기(5)에 3상 교류 전력을 공급한다.

위에서 스위치 제어회로(2a)는 상기 구동 제어 신호에 응답하여 제 1 반도체 스위치(Qp)를 오프 시키는 동시에 제 2 반도체 스위치(Qn)는 온 하였다가 오프시킴으로써 인덕터(Lb)에는 예컨대 최고 고압 배터리 충전전압의 2.5배에 달하는 승압된 전압이 발생한다. 따라서 전동기 구동 유닛(3)의 출력전압에 대한 용이한 증대가 가능해진다. 그리고 인덕터(Lb)에 발생한 승압된 전압은 시간경과에 따라 감소하나, 최소한 고압 배터리(BH)의 충전전압이 전동기 구동 유닛(3)에 더욱 구체적으로 직류 링크 커패시터(Ck)에 인가된다. 따라서 전동기 구동 유닛(3)에는 최소한 고압 배터리(BH)의 충전전압으로부터 최대 고압 배터리 충전전압의 2.5배에 달하는 승압된 전압이 공급될 수 있다.

상기 인덕터(Lb)의 후단에 직렬로 접속된 변류기(CTb)가 검출하여 제공하는 출력신호를 근거로 스위치 제어회로(2a)는 인덕터(Lb)의 전압변화를 결정할 수 있고 따라서 목적하는 인덕터(Lb)의 전압이 출력되도록 제 2 반도체 스위치(Qn)의 온 및 오프 스위칭을 제어할 수 있다. 따라서 차량이 감당하는 부하가 클 때 즉, 언덕길 오르막 주행 또는 적재 화물이 많은 상태 등일 때, 차량 제어 유닛(8)은 3상 유도 전동기(5)에 흐르는 전류를 상기 변류기(CTu, CTv, CTw)에 의해 검출하여 전류가 큰 경우 차량에 부하가 많은 상태인지 결정하고, 부하가 많은 상태인 경우 스위치 제어회로(2a)를 통해 제 1 반도체 스위치(Qp)를 온 및 오프하여 인덕터(Lb)에서 고압 배터리 유닛(1)이 공급하는 고압 배터리 충전전압을 승압하여 큰 전기 에너지를 전동기 구동 유닛(3)을 통해 3상 유도 전동기(5)에 공급한다. 부하가 적은 상태, 예컨대 평평한 포장도로에서 차량에 적재된 화물이 적은 경우, 차량 제어 유 닛(8)은 3상 유도 전동기(5)에 흐르는 전류를 상기 변류기(CTu, CTv, CTw)에 의해 검출하여 전류가 작은 경우 차량에 부하가 적은 상태인지 결정하고, 부하가 적은 상태인 경우 스위치 제어회로(2a)를 통해 제 1 반도체 스위치(Qp)및 제 2 반도체 스위치((Qn)을 모두 오프하여 고압 배터리 유닛(1)이 공급하는 고압 배터리 충전전압으로 상기 승압된 상태보다 작은 전기 에너지를 전동기 구동 유닛(3)을 통해 3상 유도 전동기(5)에 공급한다. 따라서 차량에 부과되는 다시 말해 3상 유도 전동기(5)에 부과되는 부하의 크기에 따라서 적합한 전기 에너지를 조절하여 전동기 구동 유닛(3)을 통해 3상 유도 전동기(5)에 공급할 수 있으므로, 부하의 변동에도 3상 유도 전동기(5)로 공급되는 전동기 구동 유닛(3)의 출력전류 파형이 왜곡이 최소화된 양호한 3상 정현 파를 나타내고 다시 말해서 3상 유도 전동기(5)의 구동 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 회생 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 회로 동작 상태 도이다. 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 회생 동작을 설명한다.

이러한 회생동작은 대표적으로 차량이 언덕길을 내려갈 때 이루어진다. 상술한 구동 동작과 마찬가지로 차량 제어 유닛(8)은 충전 스위치(SWc)에 충전스위치 제어신호(SWcc)를 출력하여 충전 스위치(SWc)를 개로 위치(다시 말해 오프 위치)로 제어함으로써 충전 소켓(4)을 통한 전로를 차단하는 동시에 운전 릴레이(SWd)에 운전 릴레이 제어신호(SWdc)를 출력하여 운전 릴레이(SWd)를 폐로 위치 즉 온 위치로 제어한다. 동시에 차량 제어 유닛(8)은 전동기 구동 유닛(3)의 인버터 구동회로(3a)에는 회생 지령신호를 출력하여 인버터 구동회로(3a)가 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)를 모두 오프 하도록 제어함과 함께, 직류-직류 변환기 유닛(2)의 스위치 제어회로(2a)에는 회생 제어 신호를 출력하고, 스위치 제어회로(2a)는 상기 회생 제어 신호에 응답하여 제 1 반도체 스위치(Qp)를 온 시키는 동시에 제 2 반도체 스위치(Qn)는 오프시킨다. 따라서, 도 5에 굵은 선으로 도시된 예와 같이 U상의 회생전류는 U상 변류기(CTu), U상 프리 휠링 다이오드(Dap), 제 1 반도체 스위치(Qp), 변류기(CTb), 인덕터(Lb), 운전 릴레이(SWd)를 거쳐 고압 배터리(BH)로 흘러들어가고 다시 고압 배터리(BH)로부터 흘러나와서 V상 프리 휠링 다이오드(Dbn) 및 V상 변류기(CTv)를 거쳐 다시 3상 유도 전동기(5)로 흘러들어가는 폐 회로가 구성된다. 마찬가지로 V상의 회생전류와 W상의 회생전류도 유사한 경로를 통해 폐 회로를 순환하여 소모되며, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명에 따른 전기 자동차용 충전방법은 상술한 바와 같고 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 직류 고전압을 충전하고 전원으로 제공하는 고압 배터리(BH)와, 고압 배터리(BH)의 충전 전압을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암(ARM) 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)와 상기 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)에 병렬로 접속되고 상기 암 스위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)가 오프(OFF) 될 때 방전 경로를 제공하도록 프리 휠링(FRRE WHEELING) 기능을 수행하는 프리 휠링 다이오드(Dap, Dan; Dbp, Dbn; Dcp, Dcn)와 상기 암 스 위치(Qap, Qan; Qbp, Qbn; Qcp, Qcn)를 구동제어하는 인버터 구동회로(3a)를 갖는 전동기 구동 유닛(3)과, 상기 전동기 구동 유닛(3)으로부터의 3상 교류 전압에 의해 구동되어 차량의 동력원을 제공하는 3상 유도 전동기(5)를 이용하는 방법으로서, 상기 전기 자동차의 충전 동작시 상기 프리 휠링 다이오드(Dap, Dan; Dbp, Dbn; Dcp, Dcn)를 외부 교류 전원(상기 상용 단상 교류 전원)으로부터의 교류를 정류하여 상기 고압 배터리(BH) 측으로 공급하는 정류수단으로 이용하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치와 차량의 변속기 및 차륜의 전체적 구성을 보여주는 구성 블록도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 단상 교류 전원의 정의 반주기 동안 충전 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 동작 상태 도이고,

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 단상 교류 전원의 부의 반주기 동안 충전 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 회로 동작 상태 도이며,

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 구동 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 회로 동작 상태 도이고,

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서 회생 동작 모드의 전류 흐름을 보여주는 회로 동작 상태 도이다.

*도면의 주요부에 대한 부호의 설명

1: 고압 배터리 유닛 2: 직류-직류 변환기 유닛

2a: 스위치 제어회로 2b: 평활 커패시터

3: 전동기 구동 유닛 3a: 인버터 구동회로

4: 충전 소켓 5: 3상 유도 전동기

6: 변속기 7: 차륜(wheel)

8: 차량 제어 유닛 9: 저압 배터리 유닛

Claims (10)

1. 직류 고전압을 충전가능하고 동력원으로서 제공하는 고압 배터리와, 상기 고압 배터리의 충전 전압을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암 스위치(ARM SWITCH)와 상기 암 스위치를 구동제어하는 인버터 구동회로를 갖는 전동기 구동 유닛(UNIT)과, 상기 전동기 구동 유닛으로부터의 3상 교류 전압에 의해 구동되어 차량의 동력원을 제공하는 3상 유도 전동기를 구비하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서,

   상기 고압 배터리 유닛과 상기 전동기 구동 유닛 사이에 접속 설치되어, 상기 고압 배터리 유닛의 충전전압을 최소한 상기 고압 배터리의 충전전압으로부터 미리 결정된 배율로 상승된 전압까지 범위에서 상기 전동기 구동 유닛에 제공하는 직류-직류 변환기 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전동기 구동 유닛은,

   상기 암 스위치에 병렬로 접속되고, 상기 암 스위치가 오프(OFF) 될 때 방전 경로를 제공하는 프리 휠링(FREE WHEELING) 기능을 수행하며, 상기 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 충전 동작시 외부 교류 전원으로부터의 교류를 정류하여 상기 고압 배터리 측으로 공급하는 정류 기능을 수행하는 프리 휠링 다이오드를 포함하 는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 직류-직류 변환기 유닛은,

   상기 고압 배터리에 접속되어 상기 고압 배터리의 충전 전압을 승압하여 제공 가능한 인덕터;

   상기 인덕터와 상기 전동기 구동 유닛 사이에 접속 설치되고, 상기 고압 배터리의 충전경로를 제공하는 제 1 반도체 스위치와, 온(ON) 및 오프(OFF)의 스위칭에 의해 상기 인덕터가 상기 충전전압을 승압시키게 하는 제 2 반도체 스위치를 구비하는 한 쌍의 반도체 스위치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 직류-직류 변환기 유닛은,

   상기 한 쌍의 반도체 스위치의 온 또는 오프 스위칭 제어를 위한 스위치 제어회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
5. 전기 자동차용 충전 및 구동 장치에 있어서,

   상기 전기 자동차의 동력을 제공하는 3상 유도 전동기;

   상기 3상 구동 전동기에 접속되어, 상기 3상 유도 전동기의 구동전압을 제공 하는 전동기 구동 유닛(UNIT);

   상기 3상 유도 전동기의 구동 전원을 제공하는 고압 배터리(BATTERY);

   상기 고압 배터리와 상기 전동기 구동 유닛 사이에 접속 설치되어, 상기 고압 배터리 유닛의 충전전압을 최소한 상기 고압 배터리의 충전전압으로부터 미리 결정된 배율로 상승된 전압까지 범위에서 상기 전동기 구동 유닛에 제공하는 직류-직류 변환기 유닛;

   상기 고압 배터리 유닛과 상기 직류-직류 변환기 유닛 사이에 접속되어, 상기 고압 배터리로부터의 구동 전원을 상기 직류-직류 변환기 유닛에 공급하는 온(ON)위치 또는 상기 구동 전원의 공급을 중단하는 오프(OFF) 위치로 전환가능한 운전 스위치 수단;

   사용자에 의해 충전 모드로 동작 모드가 선택되었음을 나타내도록 수동 조작가능한 충전 모드 스위치; 및

   상기 전동기 구동 유닛, 상기 직류-직류 변환기 유닛, 상기 운전 스위치 수단 및 상기 충전 모드 스위치에 접속되고, 상기 충전 모드 스위치가 충전 모드로 조작되면 충전 모드인 것으로 결정하여 상기 구동전압이 상기 3상 유도 전동기에 공급되는 것을 중지하도록 상기 전동기 구동 유닛을 제어하고, 상기 충전 모드 스위치의 충전 모드 조작이 없으면 전동기 구동 모드인 것으로 결정하여 상기 고압 배터리로부터의 구동 전원을 상기 직류-직류 변환기 유닛에 공급하도록 상기 운전 스위치 수단을 온 위치로 제어하는 차량 제어 유닛을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전동기 구동 유닛은,

   상기 고압 배터리의 직류 충전 전압을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암(ARM) 스위치를 갖는 인버터;

   상기 인버터의 암 스위치를 구동제어하는 인버터 구동회로; 및

   상기 암 스위치에 병렬로 접속되고, 상기 암 스위치가 오프(OFF) 될 때 방전 경로를 제공하는 프리 휠링(FREE WHEELING) 기능을 수행하며, 상기 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 충전 동작시 외부 교류 전원으로부터의 교류를 정류하여 상기 고압 배터리 측으로 공급하는 정류 기능을 수행하는 프리 휠링 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 직류-직류 변환기 유닛은,

   상기 고압 배터리에 접속되어 상기 고압 배터리 유닛의 충전 전압을 승압하여 제공 가능한 인덕터;

   상기 인덕터와 상기 전동기 구동 유닛 사이에 접속 설치되고, 상기 고압 배터리의 충전경로를 제공하는 제 1 반도체 스위치와, 온(ON) 및 오프(OFF)의 스위칭에 의해 상기 인덕터가 상기 충전전압을 승압시키게 하는 제 2 반도체 스위치를 구비하는 한 쌍의 반도체 스위치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동 차용 충전 및 구동 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 직류-직류 변환기 유닛은,

   상기 제 1 반도체 스위치의 오프 시 방전 경로를 제공하고 상기 전기 자동차용 충전 및 구동 장치의 구동 동작시 상기 고압 배터리로부터 상기 인덕터를 통해 상기 전동기 구동 유닛으로 방전되는 방전 경로를 제공하도록, 상기 제 1 반도체 스위치에 병렬로 접속되는 제 1 프리 휠링 다이오드; 및

   상기 제 2 반도체 스위치의 오프 시 방전 경로를 제공하도록, 상기 제 2 반도체 스위치에 병렬로 접속되는 제 2 프리 휠링 다이오드를 추가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
9. 제7항에 있어서,

   상기 직류-직류 변환기 유닛은,

   상기 한 쌍의 반도체 스위치의 온 또는 오프 스위칭 제어를 위한 스위치 제어회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전 및 구동 장치.
10. 직류 고전압을 충전가능하고 동력원으로써 제공하는 고압 배터리와, 상기 고압 배터리의 충전 전압을 교류 전압으로 변환하여 제공하는 3쌍의 암(ARM) 스위치와 상기 암 스위치에 병렬로 접속되고 상기 암 스위치가 오프(OFF) 될 때 방전 경 로를 제공하도록 프리 휠링(FREE WHEELING) 기능을 수행하는 프리 휠링 다이오드와 상기 암 스위치를 구동제어하는 인버터 구동회로를 갖는 전동기 구동 유닛과, 상기 전동기 구동 유닛으로부터의 3상 교류 전압에 의해 구동되어 차량의 동력원을 제공하는 3상 유도 전동기를 이용하는 전기 자동차용 충전방법에 있어서,

    상기 전기 자동차의 충전 동작시 상기 프리 휠링 다이오드를 외부 교류 전원으로부터의 교류를 정류하여 상기 고압 배터리 측으로 공급하는 정류수단으로 이용하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차용 충전방법.

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