KR-102962027-B1 - BATTERY CHARGING SYSTEM AND METHOD USING DRIVING MOTOR OF ELECTRIC VEHICLE

Abstract

본 발명은 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템 및 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템은, 상용 AC 전원을 공급하는 계통 전원; 상기 계통 전원으로부터 공급되는 상기 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 출력하는 평활 회로; 전기차의 구동 모터로서, 상기 구동 모터는 3상(u,v,w) 유도 모터인, 상기 구동 모터; 상기 전기차의 충전 구간에서 상기 DC 전원을 상기 구동 모터에 공급하는 제1 절환 스위치로서, 상기 제1 절환 스위치는 상기 평활 회로와 상기 구동 모터의 사이에 연결되는, 상기 제1 절환 스위치; 상기 구동 모터의 DC 전류를 스위치 소자의 듀티비에 따라 승압시키는 3상(u,v,w) 인버터; 상기 제1 절환 스위치와 동시에 동작되어 상기 구동 모터 및 상기 3상(u,v,w) 인버터를 포함하는 폐회로 루프를 구성하는 제2 절환 스위치로서, 상기 제2 절환 스위치는 상기 평활 회로와 상기 3상(u,v,w) 인버터의 접지단 사이에 연결되어 상기 제1 절환 스위치와 병렬로 연결되는, 상기 제2 절환 스위치; 상기 3상(u,v,w) 인버터의 상기 듀티비에 따라 승압된 전류에 의해 충전되는 고전압 배터리; 상기 전기차의 상기 충전 구간과 주행 구간에서 상기 제1 절환 스위치 및 상기 제2 절환 스위치의 온/오프 동작을 제어하는 제어부;를 포함한다. 본 발명의 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템 및 방법에 의하면, 전기차의 완속 충전기(OBC)를 전기차의 구동 모터와 3상(u,v,w) 인버터를 이용하여 구현함으로써 완속 충전기를 대체할 수 있는 효과가 있다.

Inventors

• 손영섭

Assignees

• 경북대학교 산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20231228

Claims (7)

1. 상용 AC 전원을 공급하는 계통 전원; 상기 계통 전원으로부터 공급되는 상기 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 출력하는 평활 회로; 전기차의 구동 모터로서, 상기 구동 모터는 3상(u,v,w) 유도 모터인, 상기 구동 모터; 상기 전기차의 충전 구간에서 상기 DC 전원을 상기 구동 모터에 공급하는 제1 절환 스위치로서, 상기 제1 절환 스위치는 상기 평활 회로와 상기 구동 모터의 사이에 연결되는, 상기 제1 절환 스위치; 상기 구동 모터의 DC 전류를 스위치 소자의 듀티비에 따라 승압시키는 3상(u,v,w) 인버터; 상기 제1 절환 스위치와 동시에 동작되어 상기 구동 모터 및 상기 3상(u,v,w) 인버터를 포함하는 폐회로 루프를 구성하는 제2 절환 스위치로서, 상기 제2 절환 스위치는 상기 평활 회로와 상기 3상(u,v,w) 인버터의 접지단 사이에 연결되어 상기 제1 절환 스위치와 병렬로 연결되는, 상기 제2 절환 스위치; 상기 3상(u,v,w) 인버터의 상기 듀티비에 따라 승압된 전류에 의해 충전되는 고전압 배터리; 및 상기 전기차의 상기 충전 구간과 주행 구간에서 상기 제1 절환 스위치 및 상기 제2 절환 스위치의 온/오프 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여, 상기 전기차의 상기 구동 모터와 3상(u,v,w) 인버터에 상기 평활 회로 및 상기 제1 절환 스위치 및 제2 절환 스위치만을 추가하여 전기차의 충전 구간에서 토폴로지가 부스트 컨버터인 완속 충전기(OBC)를 대체하도록 구현하는 것을 특징으로 하며, 상기 제2 절환 스위치가 상기 제1 절환 스위치와 병렬 연결시 커패시터가 상기 제1 절환 스위치와 제2 절환 스위치 사이에 개재되고, 상기 제어부는 상기 전기차의 충전 구간에서, 상기 제1 절환 스위치 및 상기 제2 절환 스위치를 온 동작 하도록 제어하여 상기 충전 구간에서의 전류가 상기 구동 모터에서 인버터를 거쳐 배터리로 흐르게 제어하며, 상기 3상(u,v,w) 인버터는 6개의 스위치 소자와 각각의 상기 스위치 소자에 연결된 역병렬 바디 다이오드를 포함하고, 상기 역병렬 바디 다이오드는 상기 충전 구간에서 정류 다이오드로서 역할을 수행하고, 상기 3상(u,v,w) 인버터는 u상의 로우(LOW)측 스위치 소자는 u상에서 듀티비를 결정하는 제어기로서 동작하고, 상기 로우(LOW) 측 스위치 소자의 온 상태에서, 상기 u상의 하이(HIGH) 측 스위치에 연결된 역병렬 다이오드는 도통되어 상기 구동 모터의 u상 코일에 저장된 에너지로 상기 배터리를 충전하되, 상기 로우(LOW)측 스위치 소자의 듀티비에 따라 상기 구동 모터의 DC 전류가 승압되고 승압된 전류에 의해 상기 배터리가 충전되는 것인, 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템.
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3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 스위치 소자는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor)인 것을 특징으로 하는, 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템.
5. 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템에서의 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 방법으로서, 상기 배터리 충전 시스템은, 상용 AC 전원을 공급하는 계통 전원; 상기 계통 전원으로부터 공급되는 상기 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 출력하는 평활 회로; 전기차의 구동 모터로서, 상기 구동 모터는 3상(u,v,w) 유도 모터인, 상기 구동 모터; 상기 전기차의 충전 구간에서 상기 DC 전원을 상기 구동 모터에 공급하는 제1 절환 스위치로서, 상기 제1 절환 스위치는 상기 평활 회로와 상기 구동 모터의 사이에 연결되는, 상기 제1 절환 스위치; 상기 구동 모터의 DC 전류를 스위치 소자의 듀티비에 따라 승압시키는 3상(u,v,w) 인버터; 상기 제1 절환 스위치와 동시에 동작되어 상기 구동 모터 및 상기 3상(u,v,w) 인버터를 포함하는 폐회로 루프를 구성하는 제2 절환 스위치로서, 상기 제2 절환 스위치는 상기 평활 회로와 상기 3상(u,v,w) 인버터의 접지단 사이에 연결되어 상기 제1 절환 스위치와 병렬로 연결되는, 상기 제2 절환 스위치; 상기 3상(u,v,w) 인버터의 상기 듀티비에 따라 승압된 전류에 의해 충전되는 고전압 배터리; 및 상기 전기차의 상기 충전 구간과 주행 구간에서 상기 제1 절환 스위치 및 상기 제2 절환 스위치의 온/오프 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여, 상기 전기차의 상기 구동 모터와 3상(u,v,w) 인버터에 상기 평활 회로 및 상기 제1 절환 스위치 및 제2 절환 스위치만을 추가하여 전기차의 충전 구간에서 토폴로지가 부스트 컨버터인 완속 충전기(OBC)를 대체하도록 구현하는 것을 특징으로 하며, 상기 제2 절환 스위치가 상기 제1 절환 스위치와 병렬 연결시 커패시터가 상기 제1 절환 스위치와 제2 절환 스위치 사이에 개재되고, 상기 제어부는 상기 전기차의 충전 구간에서, 상기 제1 절환 스위치 및 상기 제2 절환 스위치를 온 동작 하도록 제어하여 상기 충전 구간에서의 전류가 상기 구동 모터에서 인버터를 거쳐 배터리로 흐르게 제어하며, 상기 3상(u,v,w) 인버터는 6개의 스위치 소자와 각각의 상기 스위치 소자에 연결된 역병렬 바디 다이오드를 포함하고, 상기 역병렬 바디 다이오드는 상기 충전 구간에서 정류 다이오드로서 역할을 수행하고, 상기 3상(u,v,w) 인버터는 u상의 로우(LOW)측 스위치 소자는 u상에서 듀티비를 결정하는 제어기로서 동작하고, 상기 로우(LOW) 측 스위치 소자의 온 상태에서, 상기 u상의 하이(HIGH) 측 스위치에 연결된 역병렬 다이오드는 도통되어 상기 구동 모터의 u상 코일에 저장된 에너지로 상기 배터리를 충전하되, 상기 로우(LOW)측 스위치 소자의 듀티비에 따라 상기 구동 모터의 DC 전류가 승압되고 승압된 전류에 의해 상기 배터리가 충전되고, 상기 배터리 충전 방법은, 상기 평활 회로에 의해 상용 AC 전원을 공급하는 계통 전원으로부터 공급되는 상기 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 출력하는 전원 정류 단계; 상기 제어부에 의해 충전 구간인지 주행 구간인지에 따라 적어도 하나의 절환 스위치를 제어하는 단계; 및 상기 전기차의 상기 충전 구간에서 상기 DC 전원을 전기차의 구동 모터에 공급하고 상기 구동 모터에 연결된 3상(u,v,w) 인버터의 듀티비에 따라 승압된 전류에 의해 고전압 배터리를 충전하는 고전압 배터리 충전 단계;를 포함하고, 상기 제어부에 의해 상기 충전 구간에서 제1 절환 스위치를 온 시켜 상기 DC 전원을 상기 구동 모터에 공급하고, 상기 제1 절환 스위치와 동시에 제2 절환 스위치를 온 시켜 상기 구동 모터 및 상기 3상(u,v,w) 인버터를 포함하는 폐회로 루프를 구성하는 절환 스위치 제어 단계;를 더 포함하는, 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 방법.
6. 삭제
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Description

전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템 및 방법{BATTERY CHARGING SYSTEM AND METHOD USING DRIVING MOTOR OF ELECTRIC VEHICLE} 본 발명은 전기차의 배터리 충전 분야에 관한 것으로, 전기차의 구동 모터와 인버터를 이용하여 전기차의 충전 구간에서 완속 충전기(OBC : On Board Charger)를 대체할 수 있는 기능을 구현하는 배터리 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다. 전기차에는 차량 구동을 위한 구동 모터 시스템과 고전압 배터리의 완속 충전을 위한 완속 충전기(OBC : On Board Charger)가 존재한다. 또한 구동 모터 시스템과 완속 충전기, 두 시스템은 동작 시점을 명확히 구분하여 적용이 가능하다. 차량이 주행 중에는 구동 모터 시스템은 작동하나, 완속 충전기는 동작할 수 없다. 반대로 차량이 주차 혹은 완속/급속 충전 중에는 모터시스템은 작동이 불가하다. 완속 충전기의 토폴로지는 부스트 컨버터(Boost Converter)를 채용하여 사용하고 있으며, 이를 위해서는 인덕터와 스위치 소자가 필요하다. 그러나, 인덕터와 스위치 소자는 구동 모터에 포함된 인덕터와 인버터에 포함된 스위치 소자를 이용하여 구현될 수 있는바 완속 충전기(OBC)를 대체할 수 있는 시스템에 대한 요구가 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 개략도이다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터와 3상(u,v,w) 인버터의 u상 충전 토폴로지를 도시한 회로 구성도이다. 도 2b는 도 2a에서의 전기차의 구동 모터와 3상(u,v,w) 인버터의 u상 충전 토폴로지에 대응되는 부스트 컨버터의 회로 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템의 충전 구간과 주행 구간에서의 전류의 흐름을 도시한 도면이다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템의 배터리 충전 개념을 설명하는 개요도이다. 도 4b는 도 4a와 비교하여 전기차의 구동 모터의 회생 제동을 설명하는 개요도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 방법의 흐름도를 도시한 도면이다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 구성들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 구성들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 구성들의 모양은 구성의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 개념 및 이에 따른 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템(100)은 전기차의 구동 모터와 인버터를 이용하여 전기차의 충전 구간에서 완속 충전기(OBC : On Board Charger)를 대체할 수 있다. 본 발명은 전기차의 구동 모터 시스템과 완속 충전기, 두 시스템이 주행 구간과 충전 구간에서 완전히 구별되어 동작된다는 점에 근거한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템(100)에서 구동 모터와 인버터는 주행 구간에서 전기차의 운행을 위하여 바퀴를 구동시키는 운동에너지를 공급하는 에너지원으로서 동작한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템(100)에서 구동 모터와 인버터는 충전 구간에서 완속 충전기(OBC)로서 역할을 수행한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템의 개략적인 구성도를 도시한 개략도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템(100)은 계통 전원으로부터 상용 AC 전원(110), 평활 회로(120), 구동 모터(150), 제1 절환 스위치(130), 제2 절환 스위치(140), 인버터(160), 고전압 배터리(170) 및 제어부(190)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템(100)은 계통 전원으로부터 상용 AC 전원(110)을 공급받는다. 평활 회로(120)는 계통 전원으로부터 공급되는 AC 전원을 정류하여 DC 전원을 출력한다. 평활 회로(120)는 교류(AC)를 직류(DC)로 바꾸는 여러 과정 가운데 맥류(脈流)를 완전한 직류로 바꿔주는 전원 공급 장치이다. 정류회로·정전압 회로와 함께 전원공급장치의 핵심이 되는 정류회로의 일부이다. 그러나 평활 회로를 거쳤다고 해도 완전한 직류는 아니기 때문에 다이오드나 트랜지스터 등을 통해 실제로 사용되는 완전한 직류로 변환시켜야 한다. 이 장치가 정전압 회로이다. 이런 몇 가지 과정을 거쳐야만 비로소 교류가 완전한 직류로 바뀐다. 본 발명의 전기차의 구동 모터를 이용한 배터리 충전 시스템(100)에서의 전기차의 구동 모터(150)는 3상(u,v,w) 유도 모터이다. 3상(u,v,w) 유도 모터는 모터에 코일을 고정하고 전자기 유도를 사용하여 기계의 회전체에 전류를 생성하는 모터로서 비동기 모터라고도 한다. 유도 모터는 교류를 사용하고 구조가 간단하고 내구성이 있으며 제조 비용이 저렴한 것이 특징이다. 3상(u,v,w) 유도 모터에서, 3개의 고정자 권선은 3상 AC 전원에 권선을 연결할 때 각각 120도의 전기 각도로 분리된다. 회전자를 구동하기 위해 회전 자기장을 설정한다. 제1 절환 스위치(130)는 전기차의 충전 구간에서 평활 회로(120)에서 출력되는 DC 전원을 구동 모터에 공급한다. 즉, 충전 구간에서 제1 절환 스위치(130)는 스위치 온 된다. 제1 절환 스위치(130)는 평활 회로(120)와 구동 모터(150)의 사이에 연결된다. 제1 절환 스위치(130)는 충전 구간에서는 스위치 온 되지만, 주행 구간에서는 스위치 오프되어 DC 전원이 구동 모터(150)에 공급되지 않는다. 3상(u,v,w) 인버터(160)는 구동 모터(150)의 DC 전류를 스위치 소자의 듀티비에 따라 승압시킨다. 3상(u,v,w) 인버터(160)는 전자기 유도 현상으로 발생한 전기를 고전압 배터리에 충전 시키는 역할을 수행한다. 3상(u,v,w) 인버터(160)의 각 상에서 로우(LOW)측 스위치 소자는 부스트 컨버터(boost converter)의 제어기로서 역할을 하여 듀티비를 조절할 수 있다. 제2 절환 스위치(140)는 제1 절환 스위치(130)와 동시에 동작되어 구동 모터(150) 및 3상(u,v,w) 인버터(160)를 포함하는 폐회로 루프를 구성한다. 제2 절환 스위치(140)는 평활 회로(120)와 3상(u,v,w) 인버터(160)의 접지단 사이에 연결되어 제1 절환 스위치(130)와 병렬로 연결된다. 병렬 연결시, 커패시터(180)가 제1 절환 스위치(130)와 제2 절환 스위치(140) 사이에 개재된다. 고전압 배터리(170)는 3상(u,v,w) 인버터(160)의 듀티비에 따라 승압된 전류에 의해 충전된다. 고전압 배터리(170)는 HEV, PHEV, EV의 고출력 대용량 배터리 시스템으로 기본적으로 모터를 구동시켜 주행하게 하는 에너지원이다. 고전압 배터리(170)로 인해 주행거리가 판별되고 출력에도 영향이 있기 때문에 관리가 필요하다. 코나 EV나 니로 EV에는 에너지 용량 64KWh의 리튬 폴리머 배터리가 장착되는데 리튬 폴리머 배터리 98개 정도를 묶어 배터리 케이스에 넣어 장착하므로 전압은 일반적으로 3.7V X 96셀 = 355.2V이다. 테슬라 모델 S의 배터리 팩은 396개의 셀로 이뤄진 14개 모듈, 총 5,544개 셀로 이뤄지며, 총 전압은 366 V다. 로드스터의 경우에는 범용 리튬 이온 배터리를 6,831개를 사용하며 일본 EV 클럽이 제작한 미라 EV는 리튬 이온 배터리를 8,320개를 탑재하여 240V의 전압을 사용한다. 순수 전기 차량(EV) 및 하이브리드 차량의 전력 아키텍처에서는 다양한 전압으로 전력을 저장 및 분배하여 다양한 하위 시스템(감지, 제어, 안전 및 인포테인먼트 등)에 전력을 공급한다. 제어부(190)는 전기차의 충전 구간과 주행 구간에서