[0001][0001] 본 명세서는 차량 배터리 충전 장치에 관한 것으로, 전기자동차에 구비된 모터-인버터 구동시스템을 이용하여 배터리를 충전하거나 충전된 배터리를 이용하여 모터를 발전시키는 기술에 대한 것이다.
[0002][0002] 오늘날 차량산업은 차량 자체의 성능을 높이는 기술, 차량 디자인 기술, 차량 내부의 장치에 대한 기술 등 다양성을 추구하고 있다. 또한 최근에는 전기자동차 관련 기술에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.
[0003][0003] 전기자동차는 그 특성상 모터를 구동시키기 위한 배터리와 배터리를 충전시키는 충전기를 구비할 수 밖에 없는데, 일반적으로 전기자동차의 배터리는 모터와 인버터를 통해 연결되고, 충전기는 이와 독립적으로 장착되어 있다. 따라서 충전기가 배터리와 모터를 연결시키는 인버터와 별도의 제품으로 되어 있음으로써 다수의 전력소자를 이용하여 다단계의 전력변환이 필요한 문제점이 있다.
[0004][0004] 이러한 문제점을 해결하기 위해 별도의 충전기를 사용하지 않고, 기존의 모터구동에 사용되는 인버터를 통해 충전기를 충전하는 통합형 인버터에 대한 기술이 다수 제시되고 있다.
[0005][0005] 일본 공개특허 1997-298840호에서는 전기자동차의 충전장치에 대해 기재하고 있다. 이 기술은 전기자동차용 고전압배터리 충전장치에 대한 것으로, 차량구동시 인버터의 출력을 모터 고정자의 제1권선으로(또는 제1권선, 제2권선에 동시) 공급하여 구동에 필요한 토크를 발생시키고, 충전시에는 고정자의 제2권선을 상용계통전원에 연결하여 모터의 고정자를 절연변압기의 형태로 만든다. 이렇게 만들어진 절연변압기를 통해 인버터출력을 상용계통전원과 연결하게 되면, 기존의 모터-인버터시스템은 승압형 PWM컨버터로 동작할 수 있어 상용계통전원을 이용해 고전압배터리를 충전할 수 있게 된다. 다만 이 발명은 모터 구동에 필요한 인덕턴스를 가진 제1권선 외에 충전시에만 사용되는 제2권선을 추가해야 하여 모터중량이 증가하고 이에 따라 재료비가 증가하는 문제점이 있다. 또한 이 발명의 다른 실시예에서는 상기 문제점을 해결하기 위해 모터구동에 필요한 인덕턴스를 가지는 고정자 권선을 제1권선과 제2권선으로 분할하여 실시하는 것이 있으나, 이 경우 제2권선에 흐르는 전류를 제어하기 위해 별도의 인버터가 추가되어 인버터 부피가 증가하고 이에 따라 재료비가 증가하는 문제점이 있다.
[0006][0006] 본 명세서의 실시예는 계통전압을 이용하여 전기자동차의 배터리를 충전하거나, 충전된 배터리를 이용하여 계통으로 발전함에 있어, 별도의 충전기가 아닌 전기자동차에 구비된 모터-인버터 구동시스템을 이용함으로써 전기자동차의 부품을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
[0007][0007] 본 명세서의 실시예는 전기자동차의 모터를 계자권선형 동기전동기 형태로 구현함으로써 모터구동에 필요한 인덕턴스를 가지는 고정자 권선을 분할하는 공정을 줄이는 것을 목적으로 한다.
[0008][0008] 본 명세서의 실시예는 모터구동에 필요한 인덕턴스를 가지는 고정자 권선을 분할하는 공정을 줄임으로써 전기자동차의 모터와 인버터를 연결하는 스위치 개수를 줄여 제조비용을 줄이는 것을 목적으로 한다.
[0009][0009] 본 명세서의 실시예는 계자권선형 동기전동기 제어시스템에 외부 충전 전원과 연결할 수 있는 스위치를 부가하여 전기자동차의 모터를 발전 시키거나 충전기를 충전하는 것을 목적으로 한다.
[0010][0010] 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 차량 배터리 충전장치는 배터리부, 서로 다른 위상을 가지는 고정자권선을 가진 모터고정자, 계자권선을 가진 모터회전자를 포함하는 모터부, 계자 인버터 및 고정자 인버터를 포함하는 인버터부, 상기 모터부의 모터회전자, 상기 인버터부의 계자 인버터 및 외부 충전 전원이 입력되는 콘센트와 연결되어 상기 모터회전자, 계자 인버터 및 콘센트간의 결선 상태를 변경하는 스위치부, 상기 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결되는 경우와 상기 외부 충전 전원과 상기 콘센트가 분리되는 경우를 구분하여 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함한다.
[0011][0011] 상기 제어부는 상기 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결되는 중 상기 외부 충전 전원에 의해 상기 배터리부가 충전되는 경우는 상기 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압을 상기 모터부의 모터고정자에 유기된 전압보다 낮은 전압을 출력하여 상기 외부 충전 전원에서 배터리부로 전류가 흐르도록 제어하고, 상기 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결되는 경우 중 상기 배터리부가 상기 외부 충전 전원으로 발전하는 경우는 상기 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압을 상기 모터부의 모터고정자에 유기된 전압보다 높게 인가하여 상기 배터리부에서 상기 모터부로 전류가 흐르도록 제어할 수 있다.
[0012][0012] 상기 모터부의 모터회전자는 계자권선-슬립링-브러시로 이루어 질 수 있으며, 상기 모터부가 발전 중인 경우 상기 스위치부를 통해 상기 인버터부의 계자 인버터 출력전압과 연결되고, 상기 배터리부가 상기 외부 충전 전원에 의해 충전 중인 경우 상기 외부 충전 전원과 연결되도록 할 수 있다.
[0013][0013] 상기 스위치부는 2개의 접점을 가지며, 접점1과 접점2의 출력단은 상기 모터부의 모터회전자와 연결되고, 입력단은 각각 상기 인버터부의 계자 인버터 출력과 상기 외부 충전 전원에 연결될 수 있다.
[0014][0014] 상기 스위치부는 상기 제어부의 제어신호에 의해 동작되며, 스위치제어신호가 OFF일 경우 접점1의 입출력은 연결되고 접점2의 입출력은 분리하여 상기 인버터부의 계자 인버터 출력과 상기 모터부의 모터회전자를 연결하고, 스위치제어신호가 ON일 경우 접점1의 입출력을 분리하고 접점2의 입출력은 연결하여 상기 모터부의 모터회전자가 상기 외부 충전 전원과 연결될 수 있다.
[0015][0015] 상기 제어부는 상기 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결되는 경우, 상기 모터부의 모터회전자를 임의의 위치에 정지한 상태로 구속시켜 상기 모터부의 모터회전자를 1차측 상기 모터부의 모터고정자를 2차측으로 하는 변압기가 되도록 상기 스위치부를 제어할 수 있다.
[0016][0016] 상기 사기 외부 충전 전원과 상기 콘센트가 분리되는 경우, 상기 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압의 벡터궤적은 원의 형태이고, 상기 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압의 파형은 크기가 같고 위상이 각기 다르게 될 수 있다.
[0017][0017] 상기 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결되는 경우, 상기 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압의 벡터궤적은 영점을 지나며 임의의 기울기를 가지는 직선 형태이고, 상기 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압의 파형은 위상이 같고 크기가 다르게 될 수 있다.
[0018][0018] 본 명세서의 실시예는 계통전압을 이용하여 전기자동차의 배터리를 충전하거나, 충전된 배터리를 이용하여 계통으로 발전함에 있어, 별도의 충전기가 아닌 전기자동차에 구비된 모터-인버터 구동시스템을 이용함으로써 전기자동차의 부품을 감소시키는 효과가 있다.
[0019][0019] 본 명세서의 실시예는 전기자동차의 모터를 계자권선형 동기전동기 형태로 구현함으로써 모터구동에 필요한 인덕턴스를 가지는 고정자 권선을 분할하는 공정을 줄이는 효과가 있다.
[0020][0020] 본 명세서의 실시예는 모터구동에 필요한 인덕턴스를 가지는 고정자 권선을 분할하는 공정을 줄임으로써 전기자동차의 모터와 인버터를 연결하는 스위치 개수를 줄여 제조비용을 줄이는 효과가 있다.
[0021][0021] 본 명세서의 실시예는 계자권선형 동기전동기 제어시스템에 외부 충전 전원과 연결할 수 있는 스위치를 부가하여 전기자동차의 모터를 발전 시키거나 충전기를 충전하는 효과가 있다.
[0022][0022] 도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 구성도이다. 도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 스위치부에 대한 구성도이다. 도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압 파형과 벡터궤적을 도시한 설명도이다. 도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압 파형과 벡터궤적을 도시한 설명도이다.
[0023][0023] 이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[0024][0024] 실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
[0025][0025] 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
[0026][0026] 본 명세서의 실시예에 따른 차량 배터리 충전 장치는 전기자동차뿐만 아니라, 배터리와 모터-인버터를 사용하는 모든 차량, 예를 들어 전기자동차, 플러그-인 하이브리드자동차, 주행거리연장형 전기자동차, 하이브리드 스타터-제너레이터 장착차량 등에도 적용 가능하다.
[0027][0027] 이하, 도 1 내지 도4를 참조하여 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치에 대해 설명한다.
[0028][0028] 도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 구성도이다.
[0029][0029] 도 1을 참조하면, 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 충전 장치(100)는 배터리부(10), 인버터부(20), 모터부(30), 스위치부(40) 및 제어부(50)를 포함한다.
[0030][0030] 배터리부(10)는 모터부(30)를 구동시키기 위한 에너지를 제공하는 장치로, 고전압 배터리를 포함한다.
[0031][0031] 인버터부(20)는 모터 3상 고정자 전류제어에 사용되는 6개의 IGBT(Insulated Gate Bipolar mode Transistor)로 구성된 3상 전압형 인버터 형태의 고정자 인버터(21)와, 계자전류제어에 사용되는 4개의 IGBT로 구성된 풀 브릿지(Full-bridge)형태 또는 2개의 IGBT를 사용한 하프 브릿지(Half-bridge)형태의 계자 인버터(23)로 구성될 수 있다. 인버터부(20)는 제어부(50)에 의해서 IGBT의 동작이 제어될 수 있다.
[0032][0032] 모터부(30)는 서로 다른 위상을 가지는 고정자권선을 가진 모터고정자(31), 계자권선을 가진 모터회전자(33)를 포함한다.
[0033][0033] 모터부(30)의 모터회전자(33)는 계자권선, 슬립링 및 브러시로 이루어지며, 브러시, 슬립링을 통해 전압을 직접 인가할 수 있다.
[0034][0034] 모터부(30)의 모터회전자(33)는 상기 외부 충전 전원과 상기 콘센트가 분리되는 경우 스위치부(40)를 통해 인버터부(20)의 계자 인버터(23) 출력전압과 연결된다. 또한 모터부(30)의 모터회전자(33)는 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결되는 경우 상기 외부 충전 전원과 연결된다.
[0035][0035] 상기 외부 충전 전원은 단상 계통 전압을 의미할 수 있다.
[0036][0036] 상기 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결된 경우는 상기 외부 충전 전원에 의해 배터리부(10)가 충전되는 경우와 배터리부(10)가 상기 외부 충전 전원으로 발전하는 경우를 모두 상정할 수 있다.
[0037][0037] 또한, 상기 외부 충전 전원과 상기 콘센트가 분리된 경우는 배터리부(10)가 모터부(30)에 에너지를 공급하여 모터부(30)가 구동되는 경우와 모터부(30)가 배터리부(10)에 에너지를 공급하여 배터리부(10)가 충전되는 경우를 모두 상정할 수 있다. 배터리부(10)가 모터부(30)에 에너지를 공급하여 모터부(30)가 구동되는 경우는 차량의 엑셀레이터가 작동되는 경우를 의미할 수 있다. 모터부(30)가 배터리부(10)에 에너지를 공급하여 배터리부(10)가 충전되는 경우는 차량의 브레이크가 작동되는 경우 모터부(30)가 배터리부(10)에 회생 에너지를 공급하는 경우를 의미할 수 있다.도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 스위치부에 대한 구성도이다.
[0038][0038] 스위치부(40)는 모터부(30)의 모터회전자(33), 인버터부(20)의 계자 인버터(23) 및 상기 외부 충전 전원이 입력되는 콘센트와 연결되어 모터회전자(33), 계자 인버터(23) 및 상기 콘센트간의 결선 상태를 변경한다.
[0039][0039] 스위치부(40)는 2개의 접점을 가지며, 접점1과 접점2의 출력단은 모터부(30)의 모터회전자(33)와 연결되고, 입력단은 각각 인버터부(20)의 계자 인버터(23) 출력과 상기 외부 충전 전원에 연결된다.
[0040][0040] 스위치부(40)는 제어부(50)의 제어신호에 의해 동작된다.
[0041][0041] 도 2 (a)를 참조하면, 제어부(50)의 스위치제어신호가 OFF일 경우 접점1의 입출력이 연결되고 접점2의 입출력은 분리된다. 따라서 인버터부(20)의 계자 인버터(23) 출력과 모터부(30)의 모터회전자(33)가 연결된다.
[0042][0042] 또한 제어부(50)의 스위치제어신호가 ON일 경우 접점1의 입출력이 분리되고 접점2의 입출력은 연결된다. 따라서 모터부(30)의 모터회전자(33)가 상기 외부 충전 전원과 연결된다.
[0043][0043] 제어부(50)는 상기 외부 충전 전원과 상기 콘센트가 분리되는 경우, 모터부(30)의 모터회전자(33)는 인버터부(20)의 계자인버터(23) 출력단과 연결되도록 스위치부(40)를 제어한다. 이 때 인버터부(20)의 계자인버터(23)는 모터회전자(33)의 계자권선이 영구자석과 같이 고정자계를 형성할 수 있도록 직류형태의 전류를 인가한다.
[0044][0044] 상기 계자권선에서 발생한 고정자계를 모터고정자(31)에서 볼 경우, 모터 회전주파수에 따라 정현적으로 변하는 회전자계로 보인다. 또한 고정자인버터(21)는 이러한 회전자계와 상호작용하여 원하는 토크가 발생될 수 있도록, 모터부(30)의 모터고정자(31)의 3상 고정자 권선으로 전압을 출력한다.
[0045][0045] 도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압 파형과 벡터궤적을 도시한 설명도이다.
[0046][0046] 도 3 (b)를 참조하면, 인버터부(20)의 고정자 인버터(21)의 출력전압의 벡터궤적은 원의 형태가 된다. 또한 도 3 (a)를 참조하면, 인버터부(20)의 고정자 인버터(21)의 출력전압의 파형은 각 상별 크기가 같고 위상이 각기 다른 형태가 된다.
[0047][0047] 다만 실제 고정자인버터(21) 출력전압의 정확한 파형은 인버터내 IGBT의 스위칭을 통해 도 3 (a)의 정현적인 파형을 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)한 형태로 인가되나, 이해의 편의를 위해 정현적으로 등가화해서 표현한 것이다.
[0048][0048] 제어부(50)는 상기 외부 충전 전원에 상기 콘센트가 연결되는 경우, 모터부(30)의 모터회전자(33)를 임의의 위치에 정지한 상태로 구속시켜 모터부(30)의 모터회전자(33)를 1차측 모터부(30)의 모터고정자(31)를 2차측으로 하는 변압기가 되도록 스위치부(40)를 제어한다.
[0049][0049] 상기 변압기는 모터부(30)의 모터회전자(33)의 회전자권선과 모터고정자(31)의 고정자권선이 회전자와 고정자의 코어와 공극을 통해 형성된 자로를 갖는 절연변압기의 형태가 된다. 이 때 외부 충전 전원에 연결된 모터부(30)의 모터회전자(33)의 계자권선에는 외부 충전 전원의 주파수와 동일한 교류형태의 자속이 발생되며, 고정자와 회전자의 공극과 코어를 통해 자로를 공유하고 있는 모터부(30)의 모터고정자(31)의 3상 고정자 권선에 전압이 유기된다. 상기 고정자 권선에 유기된 전압은 인버터부(20)의 고정자 인버터(21)의 출력전압과 같다.
[0050][0050] 도 4는 본 명세서의 일 실시예에 따른 차량 배터리 장치의 인버터부의 고정자 인버터의 출력전압 파형과 벡터궤적을 도시한 설명도이다.
[0051][0051] 도 4 (b)를 참조하면, 인버터부(20)의 고정자 인버터(21)의 출력전압의 벡터궤적은 영점을 지나며 임의의 기울기를 가지는 직선 형태가 된다. 또한 도 4 (a)를 참조하면, 인버터부(20)의 고정자 인버터(21)의 출력전압의 파형은 상기 외부 충전 전원의 주파수와 같은 주파수를 가지고, 각 상별 출력전압 파형이 위상은 같고 크기가 다른 형태가 된다.
[0052][0052] 다만 실제 고정자인버터(21) 출력전압의 정확한 파형은 인버터내 IGBT의 스위칭을 통해 도 4 (a)의 정현적인 파형을 펄스폭변조(Pulse Width Modulation)한 형태로 인가되나, 이해의 편의를 위해 정현적으로 등가화해서 표현한 것이다.
[0053][0053] 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[0054][0054] 한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
[0055][0055] 100 : 차량 배터리 충전 장치 10 : 배터리부 20 : 인버터부 21 : 고정자 인버터 23 : 계자 인버터 30 : 모터부 31 : 모터고정자 33 : 모터회전자 40 : 스위치부 50 : 제어부
