KR20210027662A - 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법 Download PDF

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황재호
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Abstract

전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차 등과 같이 차량 구동용 모터에 전력을 제공하기 위한 배터리를 구비한 차량들 간의 상호 충전이 가능할 뿐만 아니라 충전의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법이 개시된다.

Description

모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CHARGING USING MOTOR DRIVING SYSTEM}
본 발명은 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 차량에 구비된 모터 구동 시스템을 이용하여 차량 간 효율적인 충전이 가능한 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차는 외부의 충전 설비에서 제공되는 전력을 제공받아 차량 내 배터리를 충전하고, 충전된 배터리에 저장된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동함으로써 차량의 동력을 생성할 수 있다.
차량 내 배터리를 충전하는 방식은 크게 외부의 교류 충전 전력을 제공받아 배터리 충전에 적합한 크기의 직류 충전 전력으로 변환하는 차량 탑재형 충전기를 이용하여 배터리를 비교적 느린 속도로 충전하는 완속 충전 방식 및 외부의 직류 충전 전력을 직접 배터리로 제공하여 신속하게 배터리를 충전하는 급속 충전 방식의 두가지 충전 방식이 적용되고 있다.
한편, 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차 등과 외부로부터 전력을 공급받아 배터리를 충전하여야 하는 차량은 외부 충전 설비가 존재하지 않는 상황에서 충전이 요구되는 경우 차량간 충전이 쉽지 않다. 종래의 일반 엔진 차량에 사용되는 전장용 배터리는 전압이 낮고 차량 시동 이후 차량 내 마련된 알터네이터를 이용하여 배터리 충전이 가능하지만, 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차의 모터 구동용 배터리는 전압이 높고 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차의 모터 구동용 배터리를 충전하기 위해서는 안정적 전압으로 일정 시간동안 충전 전류가 공급되어야 하므로 차량 간 전기적 연결을 통한 배터리 충전이 매우 어렵다.
이러한 이유로 종래에는 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차를 충전하기 위한 별도의 서비스 차량을 마련하고 서비스 차량에 안정적으로 충전 전압 및 충전 전류를 제공할 수 있는 충전용 컨버터를 마련하여 충전 설비가 없는 장소에서 배터리 충전 서비스를 별도로 제공하였다.
이러한 종래의 충전 방식은, 충전 서비스 차량 및 충전 서비스 차량에 구비되는 전용 충전 컨버터를 마련하여야 하므로, 서비스 유지를 위한 추가 비용이 발생하고 이러한 추가 비용은 차량 가격에 반영되어 차량 가격을 상승시키는 문제를 발생시킨다.
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.
한국특허출원 제10-2018-0043152호 한국특허출원 제10-2018-0154797호 한국특허출원 제10-2018-0160200호
이에 본 발명은, 전기 자동차 또는 플러그인 하이브리드 자동차 등과 같이 차량 구동용 모터에 전력을 제공하기 위한 배터리를 구비한 차량들 간의 상호 충전이 가능할 뿐만 아니라 충전의 효율을 향상시킬 수 있는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리와, 상기 배터리와 연결된 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단과 상기 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단 사이에 구비된 복수의 스위칭 소자를 갖는 인버터와, 상기 복수의 모터 연결단에 일단이 각각 연결되고 타단이 서로 연결되어 중성점을 형성하는 복수의 코일을 포함하는 모터와, 상기 복수의 스위칭 소자의 듀티를 결정하여 상기 중성점의 전압 또는 전류를 제어하는 컨트롤러를 각각 포함하는 제1 및 제2 차량을 포함하며,
상기 제1 차량 내 중성점과 상기 제2 차량 내 중성점을 전기적으로 연결하여 상기 제1 차량 또는 상기 제2 차량 내 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 차량 및 제2 차량의 컨트롤러 중 하나는 상기 중성점의 전압을 사전 설정된 전압 목표값이 되도록 해당 차량 내 인버터의 복수의 스위칭 소자를 제어하며, 나머지 컨트롤러는 상기 중성점에 흐르는 전류를 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량 내 인버터의 복수의 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 차량 및 제2 차량의 컨트롤러는, 각 차량의 직류 연결단의 전압에 각 차량 마다 사전 설정된 마진값을 차감한 가용전압을 서로 비교하고, 더 작은 가용전압을 상기 전압 목표값으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 더 작은 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 더 큰 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 차량 및 제2 차량의 컨트롤러는, 각 차량의 직류 연결단의 전압에 각 차량 마다 사전 설정된 마진값을 차감한 가용전압을 연산하고, 일 차량의 가용전압과 타 차량의 직류 연결단 전압을 비교하며, 일 차량의 가용전압이 타 차량의 직류 연결단 전압 보다 큰 경우 비교된 직류 연결단 전압을 상기 전압 목표값으로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량은 상기 중성단과 상기 직류 연결단 사이에 구비된 릴레이를 더 포함하며, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 릴레이를 단락 시켜 상기 중성단 전압이 상기 직류 연결단 전압이 되도록 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
전술한 모터 충전 시스템을 이용한 충전 방법에 있어서,
상기 제1 차량 및 제2 차량 내 컨트롤러에서 각 차량의 직류 연결단 전압을 검출하고 검출된 직류 연결단 전압 각각에 차량 별로 사전 설정된 마진값을 차감하여 가용전압을 연산하는 단계;
상기 제1 차량 및 제2 차량 내 컨트롤러에서 각 차량의 직류 연결단 전압 및 가용전압을 기반으로 상호 연결된 각 모터의 중성점의 전압 목표치를 설정하는 단계; 및
상기 제1 차량 및 제2 차량 내 컨트롤러 중 하나가 상기 중성점 전압이 상기 전압 목표치가 되도록 해당 차량 내 스위칭 소자를 제어하고, 나머지 하나의 컨트롤러가 상기 중성점에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표치가 되도록 해당 차량 내 스위칭 소자를 제어하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 설정하는 단계는, 각 차량의 가용전압을 서로 비교하고, 더 작은 가용전압을 상기 전압 목표값으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어하는 단계는, 더 작은 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 더 큰 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 설정하는 단계는, 일 차량의 가용전압과 타 차량의 직류 연결단 전압을 비교하며, 일 차량의 가용전압이 타 차량의 직류 연결단 전압 보다 큰 경우 비교된 직류 연결단 전압을 상기 전압 목표값으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제어하는 단계는, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량은 상기 중성단과 상기 직류 연결단 사이에 구비된 릴레이를 더 포함하며, 상기 제어하는 단계는, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 릴레이를 단락 시켜 상기 중성단 전압이 상기 직류 연결단 전압이 되도록 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 따르면, 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 차량과 같이 배터리의 충전이 필요한 차량에서 별도의 충전 설비가 없는 경우에도 주변의 차량을 이용하여 배터리를 충전할 수 있게 된다.
특히, 상기 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법에 따르면, 별도의 충전을 위한 전력 변환 장치가 요구되지 않고 모터와 모터의 구동을 위해 마련되는 인버터를 이용하여 전력 변환을 수행할 수 있으며, 각 차량의 가용전압이나 배터리 전압 상태 등에 따라 최적의 효율로 충전이 가능한 우수한 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에서 배터리 충전 및 충전 전력 공급에 사용되는 각 차량에 구비된 모터 구동 시스템을 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템에서 모터 중성점 전압을 제어하는 차량에 구비된 컨트롤러에 적용되는 전압 제어기의 일례를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템에서 모터 중성점으로 제공되는 충전 전류를 차량에 구비된 컨트롤러에 적용되는 전류 제어기의 일례를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에서 적용되는 전압 목표치 설정 기법 및 차량 제어 기법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 시스템은, 배터리(110)와 인버터(120) 및 모터(130)를 구비하는 제1 차량(10)과 배터리(210)와 인버터(220) 및 모터(230)을 구비하는 제2 차량(20)를 포함할 수 있다. 두 차량(10, 20)은 각각에 구비된 모터(130, 230)의 중성점(N1, N2)이 서로 연결되며, 중성점(N1, N2)을 통해 일 차량에서 타 차량으로 충전 전류를 공급함으로써 두 차량 중 한 차량 내 배터리의 충전이 이루어질 수 있다.
도 1에서 각 차량(10, 20)에 마련된 릴레이(R11, R12, R13, R21, R22, R23)는 차량의 모터 구동 여부 또는 배터리 충전 여부에 따라 적절이 단락/개방이 제어될 수 있다. 또한, 각 차량(10, 20)은 중성점(N1, N2)과 연결되는 단자 및 배터리(110, 210)의 음단자(전압 크기를 결정하는 기준점)와 연결되는 단자를 포함하는 외부 연결 포트(140, 240)을 포함할 수 있다. 차량 충전 시 두 외부 연결 포트(140, 240)의 중성점(N1, N2)과 연결되는 단자가 서로 연결될 수 있으며, 배터리(110, 210)의 음단자와 연결되는 단자가 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 두 외부 연결 포트(140, 240) 사이의 전기적 연결은 배터리 충전 시 오가는 충전 전류의 크기 및 단자 전압(Vn)을 수용할 수 있는 적절한 케이블을 통해 이루어질 수 있으며, 이 케이블과 외부 연결 포트(140, 240)는 적절한 규격을 갖는 커넥터를 통해 이루어질 수도 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템에서 배터리 충전 및 충전 전력 공급에 사용되는 각 차량에 구비된 모터 구동 시스템을 더욱 상세하게 도시한 회로도이다.
먼저, 도 2를 참조하여 제1 차량에 구비된 모터 구동 시스템을 설명한다. 이 모터 구동 시스템은 차량 충전 시 충전 전압 또는 충전 전류를 제어하여 공급하는 시스템이 될 수 있다.
일반적으로, 모터(130)를 구동하기 위한 시스템은, 모터(130)를 구동하기 위한 전력을 저장하는 에너지 저장 장치인 배터리(110)와 배터리(110)에 저장된 직류 전력을 3상의 교류로 변환하여 모터(130)로 제공하는 인버터(120)를 포함할 수 있다. 인버터(120)는 배터리(110)의 양단에 각각 연결된 양(+)단자(121p)와 음(-)단자(121n)를 포함하는 직류 연결단과 직류 연결단 사이에 상호 병렬 관계로 연결되는 세 개의 레그를 가지며, 각 레그에는 두 개의 스위칭 소자(S11 내지 S16 중 두 개)가 서로 직렬 연결되고 두 스위칭 소자의 연결 노드가 각각 모터(130)의 각 상에 연결되는 복수의 모터 연결단(121a, 121b, 121c)이 된다.
모터 구동을 위해서, 모터(130)의 구동을 통해 얻고자 하는 모터(130)의 토크에 해당하는 전류 지령만큼 모터(130)로 전류를 제공할 수 있도록 인버터(120) 내 스위칭 소자(S11-S16)의 펄스폭 변조 제어가 수행될 수 있다.
본 발명의 여러 실시형태는 전술한 모터 구동 시와는 달리, 인버터(120)의 직류 연결단(121p, 121n)에 외부의 직류 충전 전력을 인가하고 인버터(120)의 스위칭 소자(S11-S16)를 제어하여 모터(130)의 중성점(N1)에 원하는 크기의 직류 전압을 형성하거나 모터(130)의 중성점(N1)에 원하는 크기의 직류 충전 전류가 흐를 수 있도록 인버터(120)의 스위칭 소자(S11-S16)를 제어할 수 있다. 이러한 제어는 컨트롤러(150)에 의해 수행될 수 있다.
인버터(120)의 하나의 레그에 포함된 두 개의 스위칭 소자(예를 들어, S11, S12)와 두 스위칭 소자(S11 ,S12)의 연결 노드에 일단이 연결된 모터(130) 내 코일은 하나의 직류 컨버터 회로를 구성할 수 있다. 따라서, 배터리(110)와 모터의 중성점(N1) 사이에는 인버터(120) 내 스위칭 소자와 모터(130) 내 코일로 구성되는 세 개의 컨버터 회로가 병렬로 연결된 것과 같다. 따라서, 이들 복수의 병렬 연결된 직류 컨버터를 동시 또는 선택적으로 작동시키거나 인터리브드(interleaved)하게 작동하도록 스위칭 소자(S11-S16)를 제어함으로써 중성점(N1)의 전압(즉, 입출력 포트(140)의 전압)이나 중성점(N1)에서 흘러나가는 전류 또는 중성점(N1)으로 흘러 들어오는 전류의 크기를 적절하게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 차량(10)은, 배터리(110)의 양단자(또는 인버터(120)의 직류 연결단의 양단자(121p))와 입출력 포트(140)의 양단자 사이에 연결되는 릴레이(R11)와, 배터리(110)의 음단자(또는 인버터(120)의 직류 연결단의 음단자(121n))와 입출력 포트(140)의 음단자 사이에 연결되는 릴레이(R12)와, 모터(130)의 중성점(N1)과 입출력 포트(140)의 양단자 사이에 연결되는 릴레이(R13)를 더 포함할 수 있다. 이 릴레이(R11, R12, R13)는 입출력 포트(140)의 전압을 배터리(110)의 전압과 동일하도록 결정하여야 하거나 입출력 포트(140)의 전압을 인버터(120)의 스위칭 소자의 단락/개방을 통해 제어하여 하는 경우 선택적으로 단락/개방될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 것과 같은 차량과 연결되어 충전 전력을 주고받는 나머지 차량 내 모터 구동 시스템을 도시한 것이다. 도 3에 도시된 차량은 도 2에 도시된 차량과 거의 동일하므로 구체적인 설명을 생략하더라도 당 기술분야의 통상의 기술자는 도 3에 도시된 차량 내 모터 구동 시스템의 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
두 차량(10, 20) 사이의 전력 송수신을 통해 한 차량 내 구비된 배터리(110 또는 210)를 충전하기 위해서는 두 차량의 외부 연결 포트(140, 240)가 서로 연결되어야 한다. 두 차량(10, 20)의 외부 연결 포트(140, 240)의 연결 이후 한 차량 내 컨트롤러(150 또는 250)은 상호 연결된 외부 연결 포트(140, 240)의 전압(Vn)을 결정하는 제어를 수행하고, 그 나머지 차량 내 컨트롤러(150 또는 250)는 외부 연결 포트(140, 240) 사이에 오가는 전류(충전 전류)의 크기를 결정하는 제어를 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템에서 모터 중성점 전압을 제어하는 차량에 구비된 컨트롤러에 적용되는 전압 제어기의 일례를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템에서 모터 중성점으로 제공되는 충전 전류를 차량에 구비된 컨트롤러에 적용되는 전류 제어기의 일례를 더욱 상세하게 도시한 구성도이다.
각 차량 내에 구비되는 컨트롤러(150, 250)는 도 4에 도시된 것과 같은 전압 제어기 또는 도 5에 도시된 것과 같은 전류 제어기를 포함할 수 있으며, 두 컨트롤러(150, 250) 간의 통신에 의해 하나의 컨트롤러가 전압 제어기로 작동하고 다른 하나의 컨트롤러가 전류 제어기로 작동할 수 있다.
도 4를 참조하면, 컨트롤러(150, 250)에 구비되는 전압 제어기(300)는, 두 차량의 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단 전압(VDC1 또는 VDC2)의 비율을 연산하는 제산기(311)와 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 측정치(Vn)의 차이를 연산하는 감산기(320)와, 감산기(320)의 연산값을 0으로 수렴하도록 하기 위한 듀티값을 생성하는 제어기(330)와 제산기(310)의 연산값과 제어기(330)의 출력을 합산하는 가산기(340)를 포함할 수 있다.
외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단 전압(VDC1 또는 VDC2)의 비율은 모터(130 또는 230)의 코일과 인버터(120 또는 220)의 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26)에 의해 형성되는 승압회로의 승압비를 나타내는 것으로, 제산기(311)의 결과는 승압회로의 승압비, 즉 스위칭 소자의 듀티가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단 전압(VDC1 또는 VDC2)의 비율에 의해 결정되는 듀티에, 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압 측정치(Vn)가 사전 설정된 목표치(Vn*)가 되도록 제어하기 위한 성분을 합산하여 인버터(120 또는 220) 내 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26)의 스위칭 듀티를 결정한다.
이를 위해, 도 4에 도시된 것과 같이, 전압 제어기(310)는 감산기(320)를 통해 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 측정치(Vn)의 차이를 연산하고 이 차이를 0로 수렴하도록 하기 위한 듀티를 생성하는 제어기(330)에 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 측정치(Vn)의 차이를 입력하여 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 측정치(Vn)의 차이를 0으로 수렴하게 하기 위한 듀티를 생성한다.
도 4에서는, 제어기(330)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.
전압 제어기(300)는, 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치(Vn*)와 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단의 전압(VDC1 또는 VDC2)의 비율에 의해 결정되는 듀티에 제어기(330)에서 출력되는 듀티를 합산하여 최종적으로 스위칭 듀티를 생성한다. 스위칭 듀티는 인버터(120 또는 220)와 모터(130 또는 230)의 코일이 구성하는 직류 컨버터 회로의 전압 레벨의 변환 비율을 결정하는 스위칭 소자(S11-S16)의 듀티에 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압이 사전 설정된 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압 목표치(Vn*)가 되도록 제어하기 위한 듀티가 합산된 것이다.
이 스위칭 듀티를 이용하여 인버터(120 또는 220)의 스위칭 소자(S11-S16)의 온/오프를 제어하는 경우, 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압이 사전 설정된 목표치(Vn*)를 추종하면서 인버터(120 또는 220)와 모터(130 또는 230)의 코일이 구성하는 직류 컨버터 회로에 의해 직류 연결단의 전압(VDC1, VDC2)이 사전 설정된 목표치(Vn*)로 변환되게 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 컨트롤러(150, 250)에 구비되는 전압 제어기(400)는, 외부 연결 포트(140 또는 240) 전류의 목표치(In*)와 실제 외부 연결 포트(140 또는 240)에 흐르는 전류의 측정치(In)의 차이를 연산하는 감산기(410)와, 감산기(410)의 연산값을 0으로 수렴하도록 하기 위한 전압 지령값(V*)을 생성하는 제어기(420)와, 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단 전압(VDC1, VDC2)과 전압 지령값(V*)의 비를 연산하여 인버터(120 또는 220)의 스위칭 듀티를 결정하는 제산기(430)를 포함할 수 있다.
도 4을 통해 설명한 전압 제어기와 유사하게, 전류 제어기(400)는 외부 연결 포트(140 또는 240)에 흐르는 전류(In)과 전류의 목표치(In*)의 오차를 0으로 수렴하게 하기 위한 외부 연결 포트(140 또는 240) 전압의 목표치인 전압 지령값(V*)을 비례 제어기(P 제어기) 또는 비례적분 제어기(PI 제어기) 또는 비례적분미분 제어기(PID) 제어기 등과 같은 제어기(420)에 의해 도출하고, 도출된 전압 지령값(V*)과 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단 전압(VDC1, VDC2)의 비율에 해당하는 듀티를 연산하여, 인버터(120 또는 220) 내 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26)을 제어한다. 즉, 제어기(420)에 의해 연산된 듀티는, 인버터(120 또는 220) 및 모터(130 또는 230)의 코일이 구성하는 직류 컨버터 회로의 전압 변환 비율에 해당하는 값이 된다.
전술한 도 4 및 도 5를 통해 설명된 전압 제어기 또는 전류 제어기의 예는 인버터(120 또는 220) 내의 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26)의 스위칭 듀티를 생성하는 기초적인 개념을 설명하기 위한 것으로, 당 기술 분야의 통상 기술자에 의해 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
본 발명은 전술한 것과 같이 구성되는 충전 시스템을 이용한 충전 방법도 제공한다. 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법은 두 차량(10, 20) 내에 구비되는 컨트롤러(150, 250)에 의해 구현되는 것으로, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에 대한 설명을 통해 충전 시스템의 동작 및 작용 효과가 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법은, 각 차량의 컨트롤러(150, 250)에서 각각 인버터(120, 220)의 직류 연결단(121p, 121n, 221p, 221n)의 전압(VDC1, VDC2)을 검출하고 직류 연결단 전압(VDC1, VDC2)을 이용하여 가용전압을 연산하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다.
각 차량의 직류 연결단 전압(VDC1, VDC2)은 도시하지 않은 전압 센서로부터 검출될 수 있다.
가용전압은 인버터(120 또는 220)의 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26) 및 모터(130 및 230)의 코일로 구성된 직류 컨버터의 안정적인 동작을 위해 사전에 설정되는 마진값을 고려한 외부 연결 포트(140 또는 240) 전압의 최대 허용치를 의미한다.
인버터(120 또는 220)의 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26) 및 모터(130 및 230)의 코일로 구성된 직류 컨버터가 이상적으로 동작하는 경우 모터(130 또는 230)의 중성점에 해당하는 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압은 인버터(120 또는 130)의 직류 연결단 전압(VDC1, VDC2)과 같거나 그보다 작은 값을 가질 수 있다. 그러나, 실제 구현되는 회로에서 발생하는 여러 손실 등의 영향 및 스위칭 제어의 한계에 의해 인버터(120 또는 220)의 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26) 및 모터(130 및 230)의 코일로 구성된 직류 컨버터에 의해 형성할 수 있는 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 최대치는 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단 전압(VDC1, VDC2) 보다 작은 값을 갖는다. 즉, 직류 연결단 전압(VDC1, VDC2)에 시스템 특성을 고려하여 사전 설정된 마진값을 차감한 전압의 크기가 인버터(120 또는 220)의 스위칭 소자(S11-S16 또는 S21-S26) 및 모터(130 및 230)의 코일로 구성된 직류 컨버터가 출력할 수 있는 최대 허용치가 되며, 이 값이 곧 가용전압에 해당한다.
이어, 두 차량의 컨트롤러(150 및 250)은 두 차량의 인버터(120 또는 220)의 직류 연결단 전압 및 가용전압을 기반으로 중성점 전압, 즉 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압의 목표치를 설정한다(S12).
이어, 두 차량의 컨트롤러(150 및 250)은 상호간의 통신을 통해, 하나의 컨트롤러가 외부 연결 포트(140 또는 240)의 전압을 단계(S12)에서 결정된 전압 목표치가 되도록 전압 제어하고, 나머지 하나의 컨트롤러가 외부 연결 포트(140 또는 240)에 사전 설정된 전류 목표치의 충전 전류가 흐를 수 있도록 전류 제어를 수행한다(S13).
본 발명의 여러 실시형태는 외부 연결 포트(140, 240)의 전압 목표치를 설정하고, 전압 제어 및 전류 제어를 수행하는 차량을 결정하는 기법들을 제공한다. 이러한 다양한 기법들이 도 7 내지 도 9에 도시된다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에서 적용되는 전압 목표치 설정 기법 및 차량 제어 기법을 설명하는 흐름도이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에서는, 외부 연결 포트(140 또는 240)의 목표 전압을 두 차량의 가용전압 중 작은 값으로 결정할 수 있다(S12-1). 전술한 바와 같이, 가용전압은 각 차량의 인버터(150 및 250)의 직류 연결단 전압에 각 차량 마다 사전 설정된 마진값을 차감한 값이다. 직류 컨버터 회로는 변환 비율이 클수록 시스템 효율이 저하되므로 가능한 변환 비율을 최소로 제어하면 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 변환 비율을 최소로 하기 위해 외부 연결 포트(140 또는 240)의 목표 전압을 두 차량의 가용전압 중 작은 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 단계(S12-1)에서 컨트롤러(150, 250)은 상호 통신을 통해 서로의 가용전압을 비교하고 두 가용전압 중 작은 값을 목표 전압으로 설정할 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에서는, 외부 연결 포트(140 또는 240)의 목표 전압을 일 차량의 가용전압과 타 차량의 직류 연결단 전압 중 작은 값을 목표 전압으로 설정할 수 있다.
이 경우, 직류 연결단 전압을 목표 전압으로 설정한 경우 도 2 및 도 3에 도시된 릴레이(R11, R12)를 이용하여 배터리(110, 210)의 전압이 직접 모터(130, 230)의 중성점, 즉 외부 연결 포트(140, 240)에 인가되게 할 수 있다(S12-2). 또는 인버터(120, 220) 내의 스위칭 소자 중 각 레그의 상부 스위치(S11, S13, S15, S21, S23, S25)를 단락시키고 하부 스위치(S12, S14, S16, S22, S24, S26)를 개방시켜 배터리(110, 210)의 전압이 직접 모터(130, 230)의 중성점, 즉 외부 연결 포트(140, 240)에 인가되게 할 수 있다.
이러한 방식은 인버터(120, 220) 내 스위칭 소자의 펄스폭 제어가 요구되지 않으므로 스위칭 생략을 통해 충전 효율을 증대시킬 수 있으며, 중성점(또는 외부 연결 포트(140, 240))의 전압을 마진을 고려하지 않은 높은 전압으로 설정함으로써 충전 효율과 충전 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 릴레이를 이용하여 중성점(또는 외부 연결 포트(140, 240))의 전압을 인가하는 경우 모터 전류의 불평형을 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 본 발명의 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법에서는, 외부 연결 포트(140, 240)의 전압 목표값을 결정하기 위해 일 차량의 직류 연결단 전압(Vdc1, Vdc2)과 타 차량의 가용전압(Vmax1, Vmax2)을 비교하고(S121, S123), 일 차량의 직류 연결단 전압(Vdc1, Vdc2)이 타 차량의 가용전압(Vmax1, Vmax2) 보다 작은 케이스가 발생하지 않는 경우에는 두 차량의 가용전압(Vmax1, Vmax2)을 서로 비교한 후(S125), 각각의 비교 결과에 따라 중성점(또는 외부 연결 포트(140, 240))의 목표 전압을 설정하고 그에 따라 전류 및 전압 제어를 수행하는 차량을 결정할 수 있다(S131-S134).
도 9에 나타난 바와 같이, 제1 차량(10)의 가용전압(Vmax1) 이 제2 차량(20)의 직류 연결단 전압(Vdc2) 보다 큰 경우에는(S121) 제2 차량(20)의 직류 연결단 전압(Vdc2)을 외부 연결 포트(140, 240)의 전압 목표값(Vn*)으로 결정하고(S122), 제1 차량(10)을 전류 제어하고 제2 차량(20)을 전압 제어하여 충전을 실시할 수 있다(S131). 이 때, 제2 차량(20)은 릴레이(R21, R22)을 단락시키고 릴레이(R23)을 개방시켜 외부 연결 포트(140, 240)의 전압을 직류 연결단 전압(Vdc2)으로 유지시킬 수 있다.
제2 차량(20)의 가용전압(Vmax2) 이 제1 차량(10)의 직류 연결단 전압(Vdc1) 보다 큰 경우에는(S123) 제1 차량(10)의 직류 연결단 전압(Vdc1)을 외부 연결 포트(140, 240)의 전압 목표값(Vn*)으로 결정하고(S124), 제2 차량(20)을 전류 제어하고 제1 차량(10)을 전압 제어하여 충전을 실시할 수 있다(S132). 이 때, 제1 차량(10)은 릴레이(R11, R12)을 단락시키고 릴레이(R13)을 개방시켜 외부 연결 포트(140, 240)의 전압을 직류 연결단 전압(Vdc1)으로 유지시킬 수 있다.
일 차량의 직류 연결단 전압(Vdc1, Vdc2)이 타 차량의 가용전압(Vmax1, Vmax2) 보다 작은 케이스가 발생하지 않는 경우에는 두 차량의 가용전압(Vmax1, Vmax2)을 서로 비교한다(S125).
제1 차량(10)의 가용전압(Vmax1)이 더 큰 경우 제2 차량(20)의 가용전압(Vmax2)을 외부 연결 포트(140, 240)의 전압 목표값(Vn*)으로 결정하고(S126), 제1 차량(10)을 전류 제어하고, 제2 차량(20)을 전압 제어할 수 있다(S133). 제2 차량(20)이 릴레이를 구비한 차량인 경우, 릴레이(R21)은 개방하고 릴레이(R22, R23)을 단락시킨 후 인버터(220) 내 스위칭 소자를 펄스폭 제어하여 외부 연결 포트(140, 240)의 전압을 전압 목표값(Vn*)이 되도록 제어할 수 있다.
단계(S125)의 비교 결과, 제2 차량(20)의 가용전압(Vmax2)이 더 큰 경우 제1 차량(10)의 가용전압(Vmax1)을 외부 연결 포트(140, 240)의 전압 목표값(Vn*)으로 결정하고(S127), 제2 차량(20)을 전류 제어하고, 제1 차량(10)을 전압 제어할 수 있다(S134). 제1 차량(10)이 릴레이를 구비한 차량인 경우, 릴레이(R11)은 개방하고 릴레이(R12, R13)을 단락시킨 후 인버터(120) 내 스위칭 소자를 펄스폭 제어하여 외부 연결 포트(140, 240)의 전압을 전압 목표값(Vn*)이 되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 도 9에 도시된 실시형태에서는, 직류 연결단 전압과 가용전압 간의 크기 비교하고 일 차량의 직류 연결단 전압이 타 차량의 가용전압 보다 작은 경우 외부 연결 포트(140, 240)에 일 차량 직류 연결단 전압이 인가되게 하여 가능한 최대 전압이 되게 하고 타 차량이 직류 연결단 전압 보다 큰 값의 가용범위를 갖는 차량을 전류 제어 함으로써 전류 제어를 위한 마진이 충분히 확보되게 하여 제어가 불가능해지는 상황이 발생하는 것을 예방할 수 있다.
또한, 두 차량의 가용전압을 비교하여야 하는 상황에서 더 낮은 가용전압을 갖는 차량을 전압 제어함으로써 타 차량에서 전압 제어가 수행되는 것에 비해 전압 변환 비율을 최소화하여 충전 효율을 더욱 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, 20: 차량 110, 210: 배터리
120, 220: 인버터 121p, 121n, 221p, 221n: 직류 연결단
121a, 121b, 121c, 221a, 221b, 221c: 모터 연결단
130, 230: 모터 140, 240: 외부 연결 포트
150, 250: 컨트롤러 N1, N2: 모터 중성점
S11-S16, S21-S26: 인버터 스위칭 소자
R11, R12, R13, R21, R22, R23: 릴레이

Claims (12)

  1. 배터리와, 상기 배터리와 연결된 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단과 상기 직류 연결단 및 복수의 모터 연결단 사이에 구비된 복수의 스위칭 소자를 갖는 인버터와, 상기 복수의 모터 연결단에 일단이 각각 연결되고 타단이 서로 연결되어 중성점을 형성하는 복수의 코일을 포함하는 모터와, 상기 복수의 스위칭 소자의 듀티를 결정하여 상기 중성점의 전압 또는 전류를 제어하는 컨트롤러를 각각 포함하는 제1 및 제2 차량을 포함하며,
    상기 제1 차량 내 중성점과 상기 제2 차량 내 중성점을 전기적으로 연결하여 상기 제1 차량 또는 상기 제2 차량 내 배터리를 충전하는 경우, 상기 제1 차량 및 제2 차량의 컨트롤러 중 하나는 상기 중성점의 전압을 사전 설정된 전압 목표값이 되도록 해당 차량 내 인버터의 복수의 스위칭 소자를 제어하며, 나머지 컨트롤러는 상기 중성점에 흐르는 전류를 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량 내 인버터의 복수의 스위칭 소자를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 차량 및 제2 차량의 컨트롤러는,
    각 차량의 직류 연결단의 전압에 각 차량 마다 사전 설정된 마진값을 차감한 가용전압을 서로 비교하고, 더 작은 가용전압을 상기 전압 목표값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    더 작은 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 더 큰 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 차량 및 제2 차량의 컨트롤러는,
    각 차량의 직류 연결단의 전압에 각 차량 마다 사전 설정된 마진값을 차감한 가용전압을 연산하고, 일 차량의 가용전압과 타 차량의 직류 연결단 전압을 비교하며, 일 차량의 가용전압이 타 차량의 직류 연결단 전압 보다 큰 경우 비교된 직류 연결단 전압을 상기 전압 목표값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량은 상기 중성단과 상기 직류 연결단 사이에 구비된 릴레이를 더 포함하며, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 릴레이를 단락 시켜 상기 중성단 전압이 상기 직류 연결단 전압이 되도록 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 시스템.
  7. 청구항 1의 모터 충전 시스템을 이용한 충전 방법에 있어서,
    상기 제1 차량 및 제2 차량 내 컨트롤러에서 각 차량의 직류 연결단 전압을 검출하고 검출된 직류 연결단 전압 각각에 차량 별로 사전 설정된 마진값을 차감하여 가용전압을 연산하는 단계;
    상기 제1 차량 및 제2 차량 내 컨트롤러에서 각 차량의 직류 연결단 전압 및 가용전압을 기반으로 상호 연결된 각 모터의 중성점의 전압 목표치를 설정하는 단계; 및
    상기 제1 차량 및 제2 차량 내 컨트롤러 중 하나가 상기 중성점 전압이 상기 전압 목표치가 되도록 해당 차량 내 스위칭 소자를 제어하고, 나머지 하나의 컨트롤러가 상기 중성점에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표치가 되도록 해당 차량 내 스위칭 소자를 제어하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 설정하는 단계는,
    각 차량의 가용전압을 서로 비교하고, 더 작은 가용전압을 상기 전압 목표값으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    더 작은 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 더 큰 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 설정하는 단계는,
    일 차량의 가용전압과 타 차량의 직류 연결단 전압을 비교하며, 일 차량의 가용전압이 타 차량의 직류 연결단 전압 보다 큰 경우 비교된 직류 연결단 전압을 상기 전압 목표값으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제어하는 단계는,
    비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단 전압이 상기 전압 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량은 상기 중성단과 상기 직류 연결단 사이에 구비된 릴레이를 더 포함하며,
    상기 제어하는 단계는, 비교된 직류 연결단 전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 릴레이를 단락 시켜 상기 중성단 전압이 상기 직류 연결단 전압이 되도록 제어하고, 비교된 가용전압을 갖는 차량의 컨트롤러는 상기 중성단에 흐르는 전류가 사전 설정된 전류 목표값이 되도록 해당 차량의 인버터 내 스위칭 소자를 듀티 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템을 이용한 충전 방법.
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