KR20120021092A - 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상용전원인 외부의 단상전원을 플러그인 방식으로 접속하여 배터리의 충전을 제공하는 하이브리드 자동차의 충전장치 및 방법이 개시된다.
본 발명은 전동기 또는 발전기로 동작하는 모터, 직류전압을 저장하고 모터에 구동전압으로 출력하는 배터리, 모터와 배터리의 사이에 배치되는 인버터를 포함하며, 인버터와 플러그인 접속되는 외부전원 사이에 설치되어 전압원간 직접적 병렬연결을 방지하는 인덕터, 플러그인으로 외부전원이 접속되면 인버터의 스위칭을 제어하여 외부전원과 모터의 절연을 실행하고, 외부전원으로 배터리 충전을 실행하는 제어기, 외부전원이 접속되는 두 개의 상 중 어느 하나의 상에 연결되어 외부전원과 모터의 절연을 물리적으로 실행하는 스위치, 외부전원이 접속되지 않는 하나의 상에 연결되어 모터에 공급되는 전류량을 검출하는 전류센서를 포함한다.

Description

플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치 및 방법{SYSTEM OF RECHARGE FOR PLUG-IN HYBRID VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 상용전원인 외부의 단상전원을 플러그인 방식으로 접속하여 배터리의 충전을 제공하는 하이브리드 자동차의 충전장치 및 방법에 관한 것이다.
자동차에 대한 강화된 배기가스의 규제를 만족시키고, 연비 향상을 제공하기 위하여 하이브리드 자동차가 개발되어 운행되고 있다.
하이브리드 자동차는 감속시에 모터를 역회전시키는 회생제동을 통해 전기를 생성하여 배터리를 충전하며, 정차시에는 엔진을 시동 오프하고 출발시 모터로 엔진을 재시동시키는 ISG(Idle Stop and Go)기능을 통해 연비 향상 및 배기가스의 안정화를 제공한다.
도 3은 종래의 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 종래의 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치는, 모터(1)와 배터리(2)의 사이에 인버터(3)가 배치되고, 배터리(2)의 DC 링크에 플러그인을 통해 외부 AC전원(4)이 연결되는 충전기(5)가 병렬로 접속된다.
상기 충전기(5)는 다수개의 인버터 소자로 구성되어 온 보드(On Board) 형태로 하이브리드 자동차에 탑재된다.
따라서, 하이브리드 자동차가 운행을 마쳤거나 충전소에 진입한 상태에서 플러그인을 통해 외부 AC전원(4)이 충전기(5)에 연결되면 충전기(5)는 인버터 소자의 스위칭을 통해 플러그인으로 공급되는 AC전압을 DC 전압으로 변환시켜 배터리(2)를 충전한다.
이때, 배터리(2)와 모터(1)의 사이에 설치되는 인터버(3)는 스위칭 오프상태를 유지한다.
상기 하이브리드 자동차에 온 보드 형태로 탑재되는 충전기는 큰 전류 및 파워의 공급으로 배터리의 충전이 짧은 시간 내에 이루어질 수 있도록 하기 위해 고가 및 고용량으로 구성되므로, 하이브리드 자동차의 제작에 따른 재료비의 상승과 연비 저하를 발생시키는 단점이 있다.
또한, 충전기의 탑재에 따라 한정된 공간의 사용에 효율성을 저하시켜 패키지 상품성을 저하시키는 단점이 있다.
예를 들어, 온 보드로 탑재되는 충전기는 출력 기준으로 대략 10배 용량의 인버터 가격과 비슷하여 하이브리드 자동차의 제작에 따른 재료비를 과다하게 상승시켜 가격 경쟁력을 크게 약화시키는 단점이 발생된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 별도의 충전기를 구비하지 않고, 하이브리드 자동차에 기본적으로 적용되어 있는 인버터를 이용하여 플러그인 방식으로 배터리의 충전이 제공될 수 있도록 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 전동기 또는 발전기로 동작하는 모터; 직류전압을 저장하고 모터 구동전원을 공급하는 배터리로 대표되는 에너지 저장장치; 상기 모터와 배터리의 사이에 배치되는 인버터; 플러그인 접속하여 전기에너지를 공급하는 교류전원; 상기 인버터와 모터를 연결하는 파워케이블에 플러그인 접속되는 교류전원 사이에 배치되는 단상 인덕터; 상기 인버터와 모터를 연결하는 파워케이블과 인덕터를 연결하는 정션중 임의의 한 정션과 모터 사이에 전기적 연결 및 분리를 실행하는 하나의 스위치; 상기 외부전원이 접속되지 않는 하나의 상에 연결되어 모터에 공급되는 전류량을 검출하는 전류센서를 포함하며,
플러그인으로 외부전원 접속시 인덕터와 모터간 전기적 연결이 분리되도록 상기 스위치를 제어하는 제어기; 인덕터와 연결되지 않은 상에 전류가 흐르지 않도록 인버터의 스위치를 제어하는 인버터 제어기를 포함하는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치가 제공될 수 있다.
상기 제어기는 플러그인으로 단상 외부전원이 접속되면 외부전원이 접속되지 않은 어느 하나의 상 전류를 전류센서로 검출하여 PI(비례적분)제어기로 대표되는 제어기를 통해 모터에 공급되는 해당 상전류가 "제로"가 되도록 인버터를 제어할 수 있다.
상기 제어기는 외부전원이 연결되지 않는 상에 대한 전류명령과 해당 상에 연결되는 전류센서에서 검출되는 전류값을 비교하여 전류오차를 추출하는 연산기; 상기 연산기에서 인가되는 전류오차에 따라 "제로" 전류 유지 보상값을 추출하는 비례적분기; 상기 비례적분기의 보상값으로 인버터의 해당 아암을 제어하여 외부전원이 접속되지 않는 상 전류를 "제로"로 유지하고, 인버터의 다른 두상의 아암을 제어하여 외부전원을 직류전압으로 변환시켜 배터리 충전을 실행시키는 인버터제어기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배터리 충전을 위한 단상의 외부전원이 플러그인 접속되는지 또는 접속의도를 판단하는 과정; 플러그인 접속이 판단되면 외부전원과 모터가 연결되는 두 개의 상 중 어느 하나의 상을 개방시켜 한 상의 외부전원과 모터간 전기적 연결을 분리하는 과정; 상기 외부전원이 연결되는 않는 상에서 모터에 흐르는 전류를 검출한 다음 비례적분 제어로 보상값을 추출하고, 보상값에 따라 인버터의 스위칭을 제어하여 외부전원이 연결되는 않는 상에서 모터에 흐르는 전류를 "제로"로 유지하여 모터가 구동하지 않게 하는 과정; 외부전원과 연결된 두상의 인터버 스위칭을 제어하여 외부전원으로 배터리 충전을 실행하는 과정을 포함하는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전방법가 제공될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 하이브리드 자동차에 존재하는 인버터를 이용하여 배터리의 충전을 제공함으로써 고가의 충전기 탑재가 배제되어 가격 경쟁력을 제공할 수 있다.
또한, 차량의 공간을 효율적으로 사용할 수 있어 패키지 상품성을 향상시키며, 하이브리드 자동차의 연비 향상을 제공하여 차량의 운행에 신뢰성 및 상품성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
도 3은 종래의 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치는, 모터(10)와 배터리(20), 인버터(30), 인덕터(40), 제어기(50), 스위치(S1), 전류센서(60)를 포함한다.
모터(10)는 도시되지 않은 차륜을 구동하는 3상 전동기로, 인버터(30)에서 공급되는 3상 전압에 의해 구동되며, 회생 제동시 발전기로 동작된다.
모터(10)는 3상 고정자 코일을 포함하며, 3상 고정자 코일을 형성하는 U, V, W상 코일은 각각의 일측이 서로 연결되어 중성점을 형성하고, 각각의 다른 일측은 인버터(30)의 대응하는 아암에 연결된다.
배터리(20)는 직류전원으로, 예를 들어 니켈-수소, 리튬-이온 2차 전지, 대용량 커패시터 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 모터(10)를 구동시키기 위한 전압을 저장한다.
상기 배터리(20)는 인버터(30)에서 승압 혹은 감압되어 인가되는 상용전원인 외부전원(70)에 의해 충전된다.
인버터(30)는 전력 스위칭소자가 직렬로 연결되어 구성되며, U상 아암(Sau, Sau'), V상 아암(Sav, Sav'), W상 아암(Saw, Saw')을 포함한다.
상기 전력 스위칭소자는 NPN형 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFET 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
인버터(30)는 제어기(50)에서 각각의 아암에 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 따라 스위칭 되어 배터리(20)에서 공급되는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하여 모터(10)에 구동전압으로 공급한다.
인덕터(40)는 인버터(30)와 플러그인 접속되는 외부전원인 교류원 사이에 설치되어 전압원간 직접적인 병렬연결을 방지한다.
제어기(50)는 플러그인으로 상용전원인 단상의 외부전원(70)이 접속되는 경우 외부전원(70)과 모터(10)간의 절연과 배터리(20)의 충전을 제어한다.
상기 제어기(50)는 플러그인으로 단상의 외부전원(70)이 접속되면, 외부전원(70)과 접속되는 두 개의 상 중 어느 하나에 연결되는 스위치(S1)를 개방시켜 외부전원(70)과 모터(10)간의 절연을 물리적으로 실행한다.
상기 외부전원(70)과 접속되는 두 개의 상은 예를 들어 "a상" 및 "b상"이고, 스위치(S1)가 연결되는 상은 예를 들어 "a상"이다.
또한, 제어기(50)는 플러그인으로 단상의 외부전원(70)이 접속되는 경우 외부전원(70)이 접속되지 않은 어느 하나 상 전류를 전류센서(60)를 통해 검출한 다음 PI(비례적분)제어를 통해 모터(10)에 공급되는 해당 상전류가 "제로"가 되도록 인버터(30)를 제어하여 외부전원(70)과 모터(10)간의 절연을 유지시킨다.
상기 외부전원(70)이 접속되지 않는 상은 예를 들어 "c"상이다.
상기 제어기(50)는 연산기(51)와 비례적분기(52) 및 PWM발생기(53)를 포함할 수 있다.
연산기(51)는 외부전원(70)이 연결되지 않는 상(예를 들어 "c"상)에 대한 "제로" 전류명령과 해당 상(예를 들어 "c"상)에 연결되는 전류센서(60)에서 검출되는 전류값을 비교하여 전류오차를 추출한다.
비례적분기(52)는 상기 연산기(51)에서 추출되어 인가되는 전류오차에 따라 "제로" 전류를 유지시키기 위한 보상값을 추출한다.
PWM발생기(53)는 상기 비례적분기(52)의 제어에 따라 인버터(30)의 해당 상에 대한 아암을 스위칭 제어하여 외부전원(70)이 접속되지 않은 하나의 상(예를 들어 "c"상) 전류를 "제로"로 유지하고, 인버터(30)의 다른 두 개상(예를 들어 "a"상과 "b"상)과 연결되는 아암을 스위칭 제어하여 교류상태의 외부전원(70)을 고전압의 직류전압으로 변환시켜 배터리(20)의 충전을 실행시킨다.
외부전원(70)은 상용전원으로 플러그인으로 접속되는 단상 전원이다.
상기 외부전원(70)은 교류전원을 적용하는 것이 바람직하나 직류전원의 적용도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
스위치(S1)는 단상인 외부전원(70)이 접속되는 두 개의 상 중 어느 하나의 상(예를 들어 "a"상)에 구성되어, 배터리(20)의 충전을 위한 플러그인 접속이 검출되면 제어기(50)의 제어에 따라 개방(Open)되어 예를 들어 "a" 상에 대하여 외부전원(70)와 모터(10)의 개방을 유지한다.
전류센서(50)는 인버터(30)와 모터(10)를 연결하는 3개의 상에서 어느 하나의 상(예를 들어 "c"상)에 연결되어 전류량을 검출한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치의 충전제어에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플러그인 하이브리드 자동차의 충전제어를 도시한 흐름도이다.
본 발명이 적용되는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치에 구성되는 제어기(50)는 배터리(20)의 충전을 위해 플러그인 접속으로 외부전원(70)이 연결되는지를 판단한다(S101).
상기 S101에서 외부전원(70)이 연결되면 제어기(50)는 스위치(S1)를 개방시켜 예를 들어 "a"상에 대하여 외부전원(70)과 모터(10)의 연결을 개방상태로 형성한다(S102).
그리고, 전류센서(60)를 통해 인버터(30)로부터 모터(10)에 흐르는 예를 들어 "c"상의 전류를 검출한 다음(S103) PI(비례적분)제어를 통해 "c"상의 전류가 "제로"가 되도록 인버터(30)를 제어한다(104).
즉, 제어기(50)를 구성하는 연산기(51)는 외부전원(70)이 연결되지 않는 "c"상에 대한 "제로" 전류명령과 "c"상에 연결되는 전류센서(60)에서 검출되는 전류값을 비교하여 전류오차를 추출하여 비례적분기(52)에 인가한다.
비례적분기(52)는 상기 연산기(51)에서 추출되어 인가되는 전류오차에 따라 "제로" 전류를 유지시키기 위한 보상값을 추출한 다음 PWM발생기(53)에 인가한다.
따라서, PWM발생기(53)는 상기 비례적분기(52)에서 공급되는 보상값에 따라 인버터(30)의 "c"상 아암을 스위칭 제어하여 "c"상의 전류를 "제로"로 유지시켜 순환루프로 연결되는 "b"상 역시 전류의 흐름이 발생되지 않도록 한다.
그러므로, "a"상은 개방 상태이고, "c"상은 전류가 "제로"인 상태이며, 이에 따라 "b"상 역시 전류의 흐름이 발생되지 않게 되므로, "b"상에 인가되는 외부전원(70)과 모터(10)간의 절연이 유지된다.
상기와 같이 외부전원(70)과 모터(10)의 절연이 완료되면 제어기(50)내의 PWM발생기(53)는 인버터(30)내의 "a"상과 "b"상을 연결되는 아암을 PWM 스위칭 제어하여 교류상태의 외부전원(70)을 고전압의 직류전압으로 변환시켜 배터리(20) 충전을 실행시킨다(S105).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예는 별도의 충전기를 구비하지 않은 상태에서 플러그인 방식으로 외부전원이 연결되는 경우 전류제어를 통해 외부전원과 모터의 절연을 실행하고, 인버터를 통해 직류전압으로 변환시켜 배터리의 충전을 제공함으로써, 하이브리드 차량의 성능 향상을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 추가, 삭제 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 : 모터 20 : 배터리
30 : 인버터 40 : 인덕터
50 : 제어기 60 : 전류센서

Claims (4)

  1. 전동기 또는 발전기로 동작하는 모터;
    직류전압을 저장하고 모터 구동전원을 공급하는 배터리로 대표되는 에너지 저장장치;
    상기 모터와 배터리의 사이에 배치되는 인버터;
    플러그인 접속하여 전기에너지를 공급하는 교류전원;
    상기 인버터와 모터를 연결하는 파워케이블에 플러그인 접속되는 교류전원 사이에 배치되는 단상 인덕터;
    상기 인버터와 모터를 연결하는 파워케이블과 인덕터를 연결하는 정션중 임의의 한 정션과 모터 사이에 전기적 연결 및 분리를 실행하는 하나의 스위치;
    상기 외부전원이 접속되지 않는 하나의 상에 연결되어 모터에 공급되는 전류량을 검출하는 전류센서;
    를 포함하며,
    플러그인으로 외부전원 접속시 인덕터와 모터간 전기적 연결이 분리되도록 상기 스위치를 제어하는 제어기;
    인덕터와 연결되지 않은 상에 전류가 흐르지 않도록 인버터의 스위치를 제어하는 인버터 제어기;
    를 포함하는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 플러그인으로 단상 외부전원이 접속되면 외부전원이 접속되지 않은 어느 하나의 상 전류를 전류센서로 검출하여 PI(비례적분)제어기로 대표되는 제어기를 통해 모터에 공급되는 해당 상전류가 "제로"가 되도록 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 외부전원이 연결되지 않는 상에 대한 전류명령과 해당 상에 연결되는 전류센서에서 검출되는 전류값을 비교하여 전류오차를 추출하는 연산기;
    상기 연산기에서 인가되는 전류오차에 따라 "제로" 전류 유지 보상값을 추출하는 비례적분기;
    상기 비례적분기의 보상값으로 인버터의 해당 아암을 제어하여 외부전원이 접속되지 않는 상 전류를 "제로"로 유지하고, 인버터의 다른 두상의 아암을 제어하여 외부전원을 직류전압으로 변환시켜 배터리 충전을 실행시키는 인버터제어기;
    를 포함하는 특징으로 하는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전장치.
  4. 배터리 충전을 위한 단상의 외부전원이 플러그인 접속되는지 또는 접속의도를 판단하는 과정;
    플러그인 접속이 판단되면 외부전원과 모터가 연결되는 두 개의 상 중 어느 하나의 상을 개방시켜 한 상의 외부전원과 모터간 전기적 연결을 분리하는 과정;
    상기 외부전원이 연결되는 않는 상에서 모터에 흐르는 전류를 검출한 다음 비례적분 제어로 보상값을 추출하고, 보상값에 따라 인버터의 스위칭을 제어하여 외부전원이 연결되는 않는 상에서 모터에 흐르는 전류를 "제로"로 유지하여 모터가 구동하지 않게 하는 과정;
    외부전원과 연결된 두상의 인터버 스위칭을 제어하여 외부전원으로 배터리 충전을 실행하는 과정;
    을 포함하는 플러그인 하이브리드 자동차의 충전방법.
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