KR20200068175A - 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 - Google Patents

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리와, 모터 구동 시 상기 배터리에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 상기 모터로 출력하는 인버터와, 상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 상기 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템으로서, 상기 모터의 중성점으로 외부 충전 전류가 제공되는 경우 상기 인버터 내 스위칭 소자의 듀티를 결정함으로써 상기 모터의 중성점 전압을 승압하여 상기 배터리로 출력하도록 인버터를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템이 개시된다.

Description

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템{CHARGING SYSTEM USING MOTOR DRIVING SYSTEM}
본 발명은 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 모터의 중성점으로 입력되는 외부 충전 전압을 안정적으로 제어하고 전류 불평형을 감소시키며 충전 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차는 외부의 충전 설비에서 제공되는 전력을 차량 내 배터리 충전에 적합한 상태로 변환하여 배터리로 제공하여 배터리 충전을 실시하고 있다.
예를 들어, 종래에 급속 충전을 위한 충전 설비는 400V의 단일된 전압 규격을 출력하도록 제작되었으나, 차량 내에 사용되는 배터리는 효율, 주행 가능 거리 향상을 위해 800V 혹은 그 이상의 전압을 가지도록 배터리가 설계되는 추세이다. 따라서, 급속 충전 설비는 여전히 400V의 충전 전압을 제공하고 있으나 차량 내 사용되는 배터리는 800V 이상의 전압 사양을 가지므로, 배터리의 충전을 위해서는 외부의 충전 설비에서 제공된 전압을 승압하기 위한 승압 컨버터가 요구된다.
그러나, 400V의 전압을 800V 이상으로 승압하기 위한 대용량의 승압 컨버터는 무게와 부피가 매우 클 뿐만 아니라 가격 또한 고가로서 차량 내 구비하기 어려울 뿐만 아니라 차량의 가격을 상승시키는 원인이 될 수 있다.
이에 당 기술분야에서는 기존 인프라로 구축되어 있는 상대적으로 낮은 전압의 충전 전압을 제공하는 충전 설비의 전압을 제공 받아 추가적 장치 및 추가적 비용 상승 없이 고전압으로 승압하여 배터리로 제공할 수 있는 새로운 충전 기술이 요구되고 있는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0047100 A
이에 본 발명은, 모터 구동을 위해 마련된 모터 구동 시스템을 이용하여 외부 충전 전압을 승압하여 배터리의 충전하기 위한 적절한 크기의 전압으로 변환할 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 모터의 중성점으로 입력되는 외부 충전 전압을 안정적으로 제어하고 각 상의 전류 불평형을 감소시키며 배터리를 충전하는 충전 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 에 관한 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리와, 모터 구동 시 상기 배터리에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 상기 모터로 출력하는 인버터와, 상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 상기 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템으로서,
상기 모터의 중성점으로 외부 충전 전류가 제공되는 경우 상기 인버터 내 스위칭 소자의 듀티를 결정함으로써 상기 모터의 중성점 전압을 승압하여 상기 배터리로 출력하도록 인버터를 제어하는 컨트롤러
를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 사전 설정된 중성점 전압의 목표치와 상기 인버터의 직류 링크 전압의 비율과 상기 중성점 전압의 목표치와 상기 중성점 전압의 측정치의 차이에 기반하여 상기 인버터 내 스위칭 소자의 제1 듀티를 결정하는 전압 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전압 제어부는, 상기 중성점 전압의 목표치와 상기 인버터의 직류 링크 전압의 비율을 연산하는 제산기; 상기 중성점 전압의 목표치와 상기 중성점 전압 측정치의 차이를 연산하는 감산기; 상기 감산기의 연산값을 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 생성하는 제어기; 및 상기 제산기의 연산값과 상기 제어기의 출력을 합산하여 상기 제1 듀티를 생성하는 가산기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 인버터의 직류 링크 전압의 검출값과 상기 외부 충전 전류의 검출값에 기반하여 상기 인버터의 비선형성을 보상하기 위한 비선형 보상 듀티를 생성하는 비선형 보상부; 및 상기 제1 듀티와 상기 비선형 보상 듀티를 합산하여 제2 듀티를 생성하는 가산기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 모터 내 복수의 상의 코일에 흐르는 전류의 검출값의 평균값과 상기 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 각각의 검출값의 차이를 0으로 수렴하도록 상기 제2 듀티를 수정하여, 상기 복수의 상의 코일에 연결된 스위칭 소자 별로 결정되는 개별 듀티를 생성하는 전류 불평형 저감 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 불평형 저감 제어부는, 상기 모터 내 복수의 상의 코일에 흐르는 전류의 검출값의 평균값과 상기 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 각각의 검출값의 차이를 각각 연산하는 복수의 감산기; 상기 복수의 감산기의 연산값이 각각 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 각각 생성하는 복수의 제어기; 및 상기 복수의 제어기에서 생성된 듀티값 각각을 상기 제2 듀티에 합산하여 상기 복수의 상의 코일과 연결된 상기 인버터 내 스위칭 소자의 개별 듀티를 각각 생성하는 복수의 가산기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전류 불평형 저감 제어부는, 상기 모터 내 복수의 상의 코일에 흐르는 전류의 검출값의 평균값과 상기 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 중 하나를 제외한 나머지 상에 흐르는 전류 각각의 검출값의 차이를 각각 연산하는 복수의 감산기; 상기 복수의 감산기의 연산값이 각각 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 각각 생성하는 복수의 제어기; 상기 복수의 제어기에서 생성된 듀티값들의 부호를 바꾸어 합산하는 제1 가산기; 및 상기 복수의 제어기에서 생성된 듀티값 각각 및 상기 제1 가산기에서 합산된 듀티값을 상기 제2 듀티에 합산하여 상기 복수의 상의 코일과 연결된 상기 인버터 내 스위칭 소자의 개별 듀티를 각각 생성하는 복수의 제2 가산기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 컨트롤러는, 상기 스위칭 소자를 구동하기 위한 상기 개별 듀티에 대응되는 스위칭 소자 구동 신호를 생성하여 출력하는 신호 출력부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 신호 출력부는, 상기 모터의 각 상 코일에 각각 연결되는 스위칭 소자들을 서로 인터리브드 스위칭 되도록 상기 스위칭 소자 구동 신호를 생성할 수 있다.
상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 따르면, 배터리 전압이 외부 충전 설비의 공급 전압보다 높은 경우 별도의 승압 컨버터를 추가하지 않고서도 배터리를 충전할 수 있다.
특히, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 따르면, 외부 충전 설비가 전류 제어를 통해 모터의 중성점으로 충전 전류를 제공할 때 모터의 중성점의 전압을 안정정으로 제어하여 시스템 소손을 방지할 수 있다.
또한, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 따르면, 각 상의 전류 불평형을 감소시켜 충전 중 모터에 토크가 발생하는 것을 방지할 수 있어, 차량 등과 같은 모터 구동 장치가 충전 중에 이동하거나 움직이는 위험을 예방할 수 있다.
또한, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 따르면, 모터의 각 상 코일과 그에 연결된 인버터의 스위칭 소자로 구현된 복수의 승압회로 간 인터리브드 스위칭 제어를 통해 배터리를 충전하는 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 컨트롤러의 일례를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 컨트롤러 내 전압 제어부를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 컨트롤러 내 전류 불평형 저감 제어부의 여러 예를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다.
도 6은 모터의 dq0 모델을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에서 모터 또는 인버터의 각 상에 대응되는 승압회로의 스위칭 소자를 동상으로 스위칭 제어한 것과 인터리브드 스위칭 제어한 것을 비교한 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 시스템은, 모터(20)의 구동을 위해 마련된 시스템을 통해 에너지 저장 장치인 배터리(40)를 충전하는 시스템이다.
일반적으로, 모터(20)를 구동하기 위한 시스템은, 모터(20)를 구동하기 위한 전력을 저장하는 에너지 저장 장치인 배터리(40)와 배터리(40)에 저장된 직류 전력을 3상의 교류로 변환하여 모터(20)로 제공하는 인버터(30)를 포함할 수 있다. 인버터(30)는 배터리(40)의 양단에 상호 병렬 관계로 연결되는 세 개의 레그를 가지며, 각 (L1-L3)레그에는 두 개의 스위칭 소자(S1 내지 S6 중 두 개)가 서로 직렬 연결되고 두 스위칭 소자의 연결 노드에서 모터(20)로 한 상의 구동 전력이 제공된다. 이와 같이, 모터(20)를 구동하기 위한 에너지 흐름은 도 1의 배터리(40)에서 모터(20) 방향으로 이루어진다.
따라서, 모터(20)의 3 상 코일 하나와 그에 연결된 인덕터(30)의 레그(L1-L3) 내 스위칭 소자(S1-S6)는 하나의 승압회로를 구성할 수 있다. 다시 말해, 3상 모터와 3상 인버터에 의해 총 세 개의 승압회로가 모터(20)의 중성점(N)과 배터리(20) 사이에 병렬로 연결된 것과 같은 회로가 구성된다.
본 발명의 여러 실시형태는 전술한 모터 구동을 위한 에너지 흐름과는 달리, 외부 충전 설비(예를 들어, EVSE(Electric Vehicle Supply Equipment))(10)로부터 모터(20)의 중성점(N)으로 제공되는 외부 충전 전력을 인버터(30)의 각 상에 대응되는 레그로 제공받고, 각 레그의 스위칭 소자를 제어하여 승압한 후 배터리(40)로 제공하여 배터리(40)의 충전이 이루어지게 하는 것이다.
즉, 본 발명의 여러 실시형태에서는, 인버터(30)의 모터(20) 측 연결단이 인버터(30)의 입력단이 되고, 인버터(30)의 배터리(40) 측 연결단이 인버터(30)의 출력단이 된다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템은, 배터리(40)와, 모터 구동 시 배터리(40)에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 모터(20)로 출력하는 인버터(30)와, 인버터(30)에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 모터(20)를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템으로서, 모터(20)의 중성점으로 외부 충전 전류가 제공되는 경우 인버터(30) 내 스위칭 소자의 듀티를 결정하여 모터(20)의 중성점 전압 레벨을 승압하여 배터리(40)로 출력하도록 인버터(30)를 제어하는 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이, 모터(20)의 중성점으로 충전 전력을 제공받아 배터리(40)를 충전하는 경우, 가장 중요한 것은 모터 중성점의 전압(Vn)을 안정적으로 제어하는 것이다. 입력단 전압이 원하는대로 제어되지 않는 경우, 충전이 중단되거나 심각한 경우 시스템의 소손을 유발할 수 있다.
외부 충전 설비(EVSE)(10)는 전류 제어 모드, 전압 제어 모드로 동작할 수 있어서 충전 전력의 입력단이 되는 모터(20) 중성점 전압(Vn)을 외부 충전 설비(10)가 제어하도록 할 수 있으나, 일반적인 차량의 충전에 대하여 외부 충전 설비(10)가 전류 제어 모드로 동작하는 경우가 많으므로, 본 발명의 여러 실시형태는 컨트롤러(100)가 중성점 전압(Vn)의 제어를 수행하고 외부 충전 설비(10)가 전류 제어를 수행하는 경우를 고려한 것이다.
또한, 모터(20)의 중성점으로 충전 전력을 제공받아 배터리(40)를 충전하는 경우, 전류를 평형상태로 제어하는 것이 중요하다. 모터에 흐르는 전류는 모터 불평형, 인버터 불평형 등으로 3상 불평형 상태, 즉 인버터(30)의 레그(L1-L3)와 모터(20)의 코일(인덕터)가 구성하는 각각의 승압 회로에 의해 제공되는 전류가 서로 동일하게 결정되어야 한다. 전류가 3상 평형을 이루지 않으면 모터에서 토크가 발생하게 되고, 모터가 차량 구동 모터인 경우차량의 움직임이나 흔들림 등으로 연결될 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 전류 불평형 저감 제어가 필수적으로 포함되어야 한다.
또한, 모터(20)의 중성점으로 충전 전력을 제공받아 배터리(40)를 충전하는 경우, 충전 시스템의 효율을 최대화하는 것이 중요하다. 충전 시스템의 효율이 낮으면, 낮은 전비를 갖게 되며, 그 만큼의 열이 발생하기 때문에 냉각 시스템에서의 문제가 발생하게 된다. 또한 모터나 인버터 내구에도 악영향을 미치므로 충전 시스템의 효율을 높이는 것이 중요하다.
이러한 점을 고려하여, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템의 컨트롤러(100)는, 먼저 모터(20)의 중성점(N)의 전압(Vn)을 일정하게 제어하고, 이에 더하여 승압 동작 시 모터(20) 또는 인버터(30)의 각 상에 해당되는 경로를 통해 흐르는 전류의 불평형을 제거하는 제어를 수행할 수 있다. 더하여, 컨트롤러(100)는 충전 효율을 개선하기 위한 제어를 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 컨트롤러의 일례를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템의 컨트롤러(100)는 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 비율과 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 중성점 전압 측정치(Vn)의 차이에 기반하여 스위칭 소자(S1-S6)의 듀티를 결정하는 전압 제어부(110)를 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 컨트롤러 내 전압 제어부를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 전압 제어부(110)는, 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 비율을 연산하는 제산기(111)와 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 중성점 전압 측정치(Vn)의 차이를 연산하는 감산기(112)와, 감산기(112)의 연산값을 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 생성하는 제어기(113)와 제산기(111)의 연산값과 제어기(113)의 출력을 합산하는 가산기(114)를 포함할 수 있다.
중성점 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 비율은 모터(20)의 코일과 인버터(30)의 스위칭 소자(S1-S6)에 의해 형성되는 승압회로의 승압비를 나타내는 것으로, 제산기(111)의 결과는 승압회로의 승압비, 즉 스위칭 소자의 듀티가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 비율에 의해 결정되는 듀티에, 중성점 전압(Vn)이 사전 설정된 목표치(Vn*)가 되도록 제어하기 위한 성분을 합산하여 제1 듀티를 결정한다.
이를 위해, 도 3에 도시된 것과 같이, 전압 제어부(110)는 감산기(112)를 통해 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 중성점 전압 측정치(Vn)의 차이를 연산하고 이 차이를 0로 수렴하도록 하기 위한 듀티를 생성하는 제어기(113)에 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 중성점 전압 측정치(Vn)의 차이를 입력하여 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 중성점 전압 측정치(Vn)의 차이를 0으로 만들기 위한 듀티를 생성한다.
도 3에서는, 제어기(113)는 회로를 단순화하고 신속한 제어 연산의 수행을 위해 비례 제어기(P 제어기)를 적용한 예를 도시하고 있으나, 당 기술 분야에 잘 알려진 비례적분 제어기(PI 제어기) 또는 비례적분미분 제어기(PID) 제어기 등이 선택적으로 적용될 수 있다.
듀티 제어기(110)는 중성점 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 비율에 의해 결정되는 듀티에 제어기(113)에서 출력되는 듀티를 합산하여 제1 듀티를 생성한다. 제1 듀티는 승압회로의 승압을 위한 스위칭 소자(S1-S6)의 듀티에 외부 충전 설비(10)에서 외부 충전 전류가 입력되는 모터(20)의 중성점의 전압(Vn)이 사전 설정된 중성점 전압의 목표치(Vn*)가 되도록 제어하기 위한 듀티가 합산된 것이다.
이 제1 듀티를 이용하여 인버터(30)의 스위칭 소자(S1-S6)의 온/오프를 제어하는 경우, 모터(20)의 중성점의 전압(Vn)이 사전 설정된 중성점 전압의 목표치(Vn*)를 추종하면서 중성점 전압(Vn)의 레벨이 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 레벨으로 승압되도록 승압회로를 제어할 수 있게 된다.
다시, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태는 전압 제어부(110)에서 출력되는 제1 듀티에 인버터(30)가 갖는 비선형성을 보상하기 위한 보상 듀티(Dcomp*)를 생성하는 비선형 보상부(130)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 인버터의 비선형성이란 인버터의 안전한 구동을 스위칭 소자의 데드타임, 인버터 구동회로의 온/오프 지연 시간, 스위치 소자 자체 특성 등에 의해 발생하는 입/출력간의 차이를 의미한다. 이러한 비선형성 때문에 제어 알고리즘에 의해 연산된 듀티 및 인버터 전압과 실제 출력되는 듀티 및 인버터 전압은 차이를 가지게 된다. 이러한 비선형성은 제어 오차, 동적 특성 저감 등을 유발할 수 있기 때문에 보상이 필요하다.
이러한, 인버터(30)의 비선형성을 보상하기 위해, 비선형 보상부(130)는 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)과 외부 충전 설비(10)에서 입력되는 외부 충전 전류(In)에 대응되는 비선형 보상 듀티(Dcomp*)를 사전에 저장한 데이터맵을 포함할 수 있다. 즉, 비선형 보상부(130)는 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 검출값과 외부 충전 설비(10)에서 입력되는 외부 충전 전류(In)의 검출값을 입력 받고 데이터맵에서 입력 받은 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 검출값과 외부 충전 설비(10)에서 입력되는 외부 충전 전류(In)의 검출값에 대응되는 비선형 보상 듀티(Dcomp*)를 출력할 수 있다.
가산기(140)은 전압 제어부(110)에서 출력되는 제1 듀티에 비선형 보상부(130)에서 출력되는 비선형 보상 듀티(Dcomp*)를 합산하여, 제2 듀티(Dcom*)를 생성할 수 있다. 여기서, 제2 듀티(Dcom*)는 모터(20)와 인버터(30)의 각 상에 대응되는 승압 회로에 공통으로 적용되는 듀티이다.
이 제2 듀티를 이용하여 인버터(30)의 스위칭 소자(S1-S6)의 온/오프를 제어하는 경우, 모터(20)의 중성점의 전압(Vn)이 사전 설정된 중성점 전압의 목표치(Vn*)를 추종하면서 중성점 전압(Vn)의 레벨이 인버터(30)의 직류 링크 전압(VDC)의 레벨으로 승압되도록 승압회로를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 인버터(20)의 비선형성이 보상되도록 승압회로를 제어할 수 있게 된다.
제2 듀티는 모터(20) 또는 인버터(30)의 각 상에 대응되는 복수의 승압회로에 공통으로 적용되는 듀티이다. 즉, 도 1에서 모터(20)의 한 상의 코일마다 인버터(30)의 한 레그(L1-L3)가 각각 연결되고, 한 상의 코일과 한 레그가 하나의 승압회로를 형성하게 되는데, 제2 듀티는 각 승압회로를 구성하는 레그의 스위칭 소자에 공통으로 적용되는 듀티이다. 전술한 바와 같이, 각 상에 대응되는 승압회로는 모터(20) 및 인버터(30)가 불평형성을 가질 수 있으므로 이를 제거하기 위한 제어가 필요하다. 이를 위해 본 발명의 일 실시형태는 도 2에 도시된 것과 같은 전류 불평형 저감 제어부(150)를 포함한다.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 컨트롤러 내 전류 불평형 저감 제어부의 여러 예를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 전류 불평형 저감 제어부(150)는, 모터(20) 내 복수의 상의 코일에 각각 흐르는 전류 검출값(ias, ibs, ics)의 평균값(iavg)과 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 각각의 검출값(ias, ibs, ics)의 차이를 각각 연산하는 복수의 감산기(151a, 151b, 151c)와, 복수의 감산기(151a, 151b, 151c)의 연산값이 각각 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값(△Da, △Db, △Dc)을 각각 생성하는 복수의 제어기(152a, 152b, 152c)와, 복수의 제어기(152a, 152b, 152c)에서 생성된 듀티값(△Da, △Db, △Dc) 각각을 제2 듀티(Dcom*)에 합산하여 복수의 상의 코일과 연결된 인버터(30) 내 스위칭 소자의 개별 듀티(Da*, Db*, Dc*)를 각각 생성하는 복수의 가산기(153a, 153b, 153c)를 포함할 수 있다.
위와 같은 구성에서, 복수의 제어기(152a, 152b, 152c)는 모터(20) 내 각 상의 코일에 흐르는 각각 흐르는 전류(ias, ibs, ics)가 그 값들의 평균값(iavg)을 추종하도록 제어한다. 이에 따라, 모터(20) 내 각 상의 코일을 포함하는 복수의 승압회로에는 동일한 크기의 전류가 흘러 모터(20) 또는 인버터(30)의 불평형성이 해소되고 이에 따라 모터(20)의 토크 발생을 억제하여 충전 중 차량이 이동하거나 움직이는 위험을 해소할 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 전류 불평형 저감 제어부(150)의 다른 예는, 모터(20) 내 복수의 상의 코일에 흐르는 전류의 검출값(ias, ibs, ics)의 평균값(iavg)과 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 중 하나를 제외한 나머지 상에 흐르는 전류 각각의 검출값(ias, ibs)의 차이를 각각 연산하는 복수의 감산기(151a, 151b)와, 복수의 감산기(151a, 151b)의 연산값이 각각 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값(△Da, △Db)을 각각 생성하는 복수의 제어기(152a, 152b)와, 복수의 제어기(152a, 152b)에서 생성된 듀티값(△Da, △Db)들의 부호를 바꾸어 합산하는 제1 가산기(154) 및 복수의 제어기(152a, 152b)에서 생성된 듀티값(△Da, △Db) 각각 및 제1 가산기(154)에서 합산된 듀티값(-△Da-△Db)을 제2 듀티(Dcom*)에 합산하여 복수의 상의 코일과 연결된 인버터(30) 내 스위칭 소자의 개별 듀티(Da*, Db*, Dc*)를 각각 생성하는 복수의 제2 가산기(153a, 153b, 153c)를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 예는 복수의 상 중 하나의 상의 코일을 포함하는 승압회로의 스위칭 소자에 대한 듀티 제어값을 생성하지 않는 예이다. 이는 각 승압회로의 스위칭 소자의 개별 듀티의 합이 0이 되어야 공통 듀티인 제2 듀티(Dcom*)에 영향을 미치지 않아 출력 전압이 원하는 대로 제어되는 점을 이용한 것이다.
도 4 및 도 5에서 제어기(152a, 152b, 152c)는 회로를 단순화하고 신속한 제어 연산의 수행을 위해 비례 제어기(P 제어기)를 적용한 예를 도시하고 있으나, 당 기술 분야에 잘 알려진 비례적분 제어기(PI 제어기) 또는 비례적분미분 제어기(PID) 제어기 등이 선택적으로 적용될 수 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 컨트롤러(100)는 모터(20)의 각 상에 대응되는 승압회로의 스위칭 소자를 개별 제어하기 위한 개별 듀티(Dabc*)에 대응되는 스위칭 소자 구동 신호를 생성하여 출력하는 신호 출력부(170)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태에 따른 충전 시스템은 모터(20)를 이용하여 승압 충전 제어를 수행하기 때문에 승압 충전이 없는 충전 시스템에 비해 충전 효율이 저하된다. 이 때 충전 시 발생하는 손실은 스위칭을 수행하는 인버터(30)와 전류가 도통하는 모터(20)에서 발생하게 된다.
모터(20)에서 발생하는 손실은 철손과 동손인데, 동손의 경우 전류량에 비례하므로 줄이는 것이 불가능하다. 철손의 경우 전류 리플의 크기, 주파수와 크게 관계가 있기 때문에 전류 리플을 줄이는 방법이 요구된다.
도 6은 모터의 dq0 모델을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시형태에서 모터 또는 인버터의 각 상에 대응되는 승압회로의 스위칭 소자를 동상으로 스위칭 제어한 것과 인터리브드 스위칭 제어한 것을 비교한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 동상 스위칭의 경우 dq축 전압 리플은 없으나 0상분 전압 리플이 스위칭 주파수와 같은 주파수로 형성되며, 그 크기 또한 Vdc로 크다. 그러나, 인터리브드 스위칭의 경우 dq축 전압 리플은 존재하나 0상분 스위칭 리플의 주파수가 동상의 3배 주파수로 형성되며 그 크기 또한 Vdc/3으로 작다.
전류 리플의 크기는 일반적으로 주파수와 반비례하며, 전압 크기와 비례하기 때문에 0상분 전류 리플의 크기는 인터리브드 스위칭 방식을 사용하는 경우 동상 스위칭의 1/9가 된다.
인터리브드 스위칭 방식을 사용하는 경우 dq축 전압이 맥동하나 일반적인 경우 dq축 인덕턴스는 0상분 인덕턴스에 비해 그 크기가 크기 때문에 상전류 리플의 크기가 크게 증가하지는 않는다. 또한, 커패시터(Cn)에는 0상분 전류만 도통하므로 커패시터의 크기에는 dq축 전압 및 전류 리플은 영향을 미치지 않는다.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에서, 신호 출력부(170)는 모터(20) 또는 인버터(30)의 각 상에 대응되는 승압회로의 스위칭 소자들, 즉 모터(20)의 각 상 코일에 각각 연결되는 스위칭 소자들을 서로 인터리브드 스위칭 되도록 스위칭 소자 구동 신호를 생성하여 승압에 의한 손실을 최소화하여 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 청구범위의 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 외부 충전 설비 20: 모터
30: 인버터 40: 배터리
100: 컨트롤러 110: 전압 제어부
111: 제산기 112: 감산기
113: 제어기 114: 가산기
130: 비선형 보상부 140: 가산기
150: 전류 불평형 저감 제어부
151a, 151b, 151c: 감산기
152a, 152b, 152c: 제어기
153a, 153b, 153c, 154: 가산기
170: 신호 출력부

Claims (9)

  1. 배터리와, 모터 구동 시 상기 배터리에 저장된 직류 전력을 입력 받아 3상 교류로 변환하여 상기 모터로 출력하는 인버터와, 상기 인버터에서 출력되는 3상 교류 전력을 이용하여 회전력을 생성하는 상기 모터를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템으로서,
    상기 모터의 중성점으로 외부 충전 전류가 제공되는 경우 상기 인버터 내 스위칭 소자의 듀티를 결정함으로써 상기 모터의 중성점 전압을 승압하여 상기 배터리로 출력하도록 인버터를 제어하는 컨트롤러
    를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    사전 설정된 중성점 전압의 목표치와 상기 인버터의 직류 링크 전압의 비율과 상기 중성점 전압의 목표치와 상기 중성점 전압의 측정치의 차이에 기반하여 상기 인버터 내 스위칭 소자의 제1 듀티를 결정하는 전압 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 전압 제어부는,
    상기 중성점 전압의 목표치와 상기 인버터의 직류 링크 전압의 비율을 연산하는 제산기;
    상기 중성점 전압의 목표치와 상기 중성점 전압 측정치의 차이를 연산하는 감산기;
    상기 감산기의 연산값을 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 생성하는 제어기; 및
    상기 제산기의 연산값과 상기 제어기의 출력을 합산하여 상기 제1 듀티를 생성하는 가산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 인버터의 직류 링크 전압의 검출값과 상기 외부 충전 전류의 검출값에 기반하여 상기 인버터의 비선형성을 보상하기 위한 비선형 보상 듀티를 생성하는 비선형 보상부; 및
    상기 제1 듀티와 상기 비선형 보상 듀티를 합산하여 제2 듀티를 생성하는 가산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 모터 내 복수의 상의 코일에 흐르는 전류의 검출값의 평균값과 상기 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 각각의 검출값의 차이를 0으로 수렴하도록 상기 제2 듀티를 수정하여, 상기 복수의 상의 코일에 연결된 스위칭 소자 별로 결정되는 개별 듀티를 생성하는 전류 불평형 저감 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 전류 불평형 저감 제어부는,
    상기 모터 내 복수의 상의 코일에 흐르는 전류의 검출값의 평균값과 상기 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 각각의 검출값의 차이를 각각 연산하는 복수의 감산기;
    상기 복수의 감산기의 연산값이 각각 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 각각 생성하는 복수의 제어기; 및
    상기 복수의 제어기에서 생성된 듀티값 각각을 상기 제2 듀티에 합산하여 상기 복수의 상의 코일과 연결된 상기 인버터 내 스위칭 소자의 개별 듀티를 각각 생성하는 복수의 가산기를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 전류 불평형 저감 제어부는,
    상기 모터 내 복수의 상의 코일에 흐르는 전류의 검출값의 평균값과 상기 복수의 상의 코일에 흐르는 전류 중 하나를 제외한 나머지 상에 흐르는 전류 각각의 검출값의 차이를 각각 연산하는 복수의 감산기;
    상기 복수의 감산기의 연산값이 각각 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 각각 생성하는 복수의 제어기;
    상기 복수의 제어기에서 생성된 듀티값들의 부호를 바꾸어 합산하는 제1 가산기; 및
    상기 복수의 제어기에서 생성된 듀티값 각각 및 상기 제1 가산기에서 합산된 듀티값을 상기 제2 듀티에 합산하여 상기 복수의 상의 코일과 연결된 상기 인버터 내 스위칭 소자의 개별 듀티를 각각 생성하는 복수의 제2 가산기를 포함하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    상기 스위칭 소자를 구동하기 위한 상기 개별 듀티에 대응되는 스위칭 소자 구동 신호를 생성하여 출력하는 신호 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 신호 출력부는,
    상기 모터의 각 상 코일에 각각 연결되는 스위칭 소자들을 서로 인터리브드 스위칭 되도록 상기 스위칭 소자 구동 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
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