KR101961218B1

KR101961218B1 - 인휠 모터 시스템

Info

Publication number: KR101961218B1
Application number: KR1020167027819A
Authority: KR
Inventors: 히로시 후지모토; 타케히로 이무라; 가쿠 야마모토; 다이스케 군지; 모토키 사토
Original assignee: 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠; 닛본 세이고 가부시끼가이샤; 토요 일렉트릭 엠에프지. 씨오., 엘티디.
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2019-03-22
Also published as: TW201545922A; US10421351B2; US20180111473A2; JP6219495B2; EP3115250A1; EP3115250A4; TWI642570B; KR20160130836A; EP3115250B1; US20170008385A1; JPWO2015133301A1; WO2015133301A1

Abstract

인휠 모터 시스템은 송수신 코일들이 정렬 불량이더라도 인휠 모터를 안정적으로 구동할 수 있으며, 또한, 도로면으로부터의 전력 공급이 가능하다. 인휠 모터 시스템(1)은 자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 전력 전송 장치(100)을 포함한다. 전력 전송 장치(100)는 차체에서 휠에 내장된 인휠 모터(10)로 전력(P)을 무선 전송한다. 또한, 인휠 모터 시스템(1)은 차체측과 휠 사이에서 통신하는 통신 인터페이스부(110)를 포함하며, 통신 인터페이스부(110)는 인휠 모터를 구동하기 위한 제어 신호(CTL)를 전송할 수 있다.

Description

인휠 모터 시스템{IN-WHEEL MOTOR SYSTEM}

본 발명은 전기차 등과 같이 휠 내부에 배치된 구동원인 인휠 모터를 제어하는 인휠 모터 시스템에 관한 것이다.

전기 자동차 등은 구동원이 휠 내부에 배치된 구동원인 인휠 모터를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 구동원이 타이어에 직접 전달될 수 있기 때문이다. 종래에는, 전선에 의해 차체측으로부터 인휠 모터에 전력을 공급하는 것이 일반적이었다.

무선 전력 공급으로 변화함에 따라, 단선의 위험에 대한 신뢰성 향상과 도로로부터의 전력 공급 지원을 기대할 수 있다. 예를 들어, JP 2013-5544 A(PTL 1)은 전자기 유도 현상을 이용한 비접촉 전자기 급전부를 구비한 휠 급전 장치에 대한 기술을 개시하고 있다.

(선행기술문헌)

특허문헌 PTL 1 : JP 2013-5544 A

그러나, 인휠 모터는 서스펜션의 움직임으로 인해 차체와의 상대 변위가 변하므로, 정렬 불량이 발생한다(특히, 송신 코일 및 수신 코일의 정렬 불량). 전자기 유도 현상을 이용하는 비접촉식 전자기 급전기에서, 급전의 효율은 정렬 불량으로 인해 감소하며, 높은 확률로 인휠 모터에 충분한 전력을 공급할 수 없도록 한다. 유사한 이유로, 도로면으로부터의 급전을 수행하는 것도 어렵다.

그러므로, 송수신 코일들이 정렬 불량이더라도 인휠 모터를 안정적으로 구동할 수 있고 도로면으로부터의 급전이 가능한 인휠 모터 시스템의 제공이 요구된다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 인휠 모터 시스템은 자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 전력 전송 장치를 포함하며, 상기 전력 전송 장치는, 차체에서 휠에 내장된 인휠 모터로 전력을 무선 전송한다.

상기 차체와 상기 휠 사이에서 통신하는 통신 인터페이스부를 더 포함하며, 상기 통신 인터페이스부는, 상기 인휠 모터를 구동하기 위한 제어 신호를 무선 전송할 수 있다.

상기 인휠 모터, 역행(powering)시 제1 직류 전압을 상기 인휠 모터를 구동하는 모터 교류 전압으로 변환하는 모터 변환부, 역행시 상기 제1 직류 전압을 평활화(smoothing)하는 휠측 커패시터, 그리고 역행시 휠 측 코일에서의 제1 교류 전압을 상기 제1 직류 전압으로 변환하는 휠측 변환부를 더 포함하며, 상기 전력 전송 장치는, 역행시 휠측에서 전송된 전력을 무선으로 수신하는 상기 휠측 코일, 그리고 상기 휠측 변환부와 상기 휠측 코일 사이에 직렬로 삽입된 휠측 공진 커패시터를 포함할 수 있다.

제1 제어 신호를 통해, 상기 휠측 변환부에 구비된 스위치의 스위칭을 제어하는 휠측 제어기를 더 포함하며, 상기 휠측 제어기는, 상기 제1 직류 전압을 일정하게 제어하기 위한 상기 제1 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 휠측 제어기는, 상기 제1 교류 전압의 기본파 역률(fundamental power factor)과 상기 휠측 코일의 전류가 1이 되기 위한 상기 제1 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 휠측 제어기는 상기 제1 제어 신호를 통해, 상기 제1 교류 전압이 0인 지속 시간을 조정할 수 있다.

상기 휠측 변환부의 전류를 검출하는 휠측 전류 검출기를 더 포함하며, 상기 휠측 제어기는, 상기 휠측 전류 검출기를 통해 상기 휠측 코일의 전류의 부호 변화를 검출하고, 상기 검출된 부호 변환에 관한 정보를 통해 상기 제1 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 제1 직류 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 포함하고, 상기 휠측 제어기는, 상기 전압 검출기에 의해 검출된 값과 상기 제1 직류 전압의 목표값 사이의 차이에 따라 상기 제1 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 휠측 제어기는, 상기 인휠 모터의 회전수 및 토크 지령값에 따라 상기 제1 제어 신호를 생성할 수 있다.

역행시 배터리에서의 제2 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하고, 상기 제2 교류 전압을 차체측 코일로 출력하는 차체측 변환부, 그리고 상기 배터리를 더 포함하며, 상기 전력 변환 장치는, 역행시 상기 차체에서 전력을 무선 전송하는 상기 차체측 코일, 그리고 상기 차체측 변환부와 상기 차체측 코일 사이에 직렬로 삽입된 차체측 공진 커패시터를 포함할 수 있다.

제2 제어 신호를 통해, 상기 통신 인터페이스부의 제어 신호에 따라 상기 차체측 변환부에 구비된 스위치의 스위칭을 제어하는 차체측 제어기를 더 포함하고, 상기 차체측 제어기는, 상기 제1 직류 전압을 일정하게 제어하기 위한 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 차체측 제어기는, 상기 인휠 모터의 회전수 및 토크 지령값에 따라 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 차체측 변환부의 전류를 검출하는 차체측 전류 검출기를 더 포함하며, 상기 차체측 제어기는, 상기 차체측 전류 검출기에 의해 검출된 값과 상기 인휠 모터의 회전수 및 토크 지령값에 대응하는 목표 전류값 사이의 차이에 따라 상기 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.

상기 인휠 모터의 회생(regeneration)시, 상기 휠측 변환부는 인버터로 기능하고, 상기 차체측 변환부는 컨버터로 기능할 수 있다.

본 발명의 인휠 모터 시스템에 따르면, 인휠 모터 시스템은 송수신 코일들이 정렬 불량이더라도, 인휠 모터를 안정적으로 구동할 수 있으며, 도로면으로부터의 급전이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 시스템에 의해 수행될 수 있는 전력 전송을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 시스템을 장착하는 예를 도시한 도면이다.
도 4는 등가회로를 사용한 인휠 모터 시스템의 부분 구성도이다.
도 5a 및 도 5b는 PWM 인버터 및 PWM 컨버터의 스위칭 상태를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 PWM 컨버터의 평균 통과 전류를 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 직류 링크 전압 안정화 제어의 블록도이다.

본 발명에 관한 인휠 모터 시스템(1)의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 인휠 모터 시스템(1)은 휠(wheel)을 구비한 다양한 탈것에 이용되나, 이하의 본 실시예에서 인휠 모터 시스템(1)은 차량에 사용되는 것으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 시스템(1)의 구조를 도시한다. 먼저, 도 1을 통해, 인휠 모터 시스템(1)의 전체적인 구조로서 전력 전송 장치(100)와 통신 인터페이스부(110)를 설명한다.

인휠 모터 시스템(1)은 휠에 내장된 모터인 인휠 모터(10)를 구비하며, 인휠 모터 10을 회전시킴으로써 차량을 이동시킨다. 인휠 모터 시스템(1)은 차량의 차체측과 휠측에 설치된다. 또한, 인휠 모터 시스템(1)은 차체측과 휠측 사이에 전력 P를 무선 송수신하는 전력 전송 장치(100)을 구비한다.

전력 전송 장치(100)은 자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 방법을 통해 전력을 무선 전송한다. 인휠 모터(10)를 역행(powering)시, 전력 전송 장치(100)는 차체측에서 휠측으로 필요 전력 P를 무선 전송할 수 있다. 또한, 인휠 모터(10)가 회생(regeneration)시(예를 들어, 차량이 감속시), 전력 전송 장치(100)는 휠측에서 차체측으로 회생 전력을 전송할 수 있다. 인휠 모터 시스템(1)은 차량의 차체측과 휠측 사이에 전력 P를 전선의 사용 없이 무선 송수신한다. 그러므로, 단선의 위험에 대한 신뢰성을 개선할 수 있다.

서스펜션의 움직임으로 인해 차체와의 상대 변위가 변하는 경우에도 인휠 모터(10)에 충분한 전력 공급을 할 수 있는 방법이 자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 전력 전송 장치(100)에 이용되는 방법으로서 선택된다. 예를 들어, 일반적으로 전자기 공명 방식 또는 자기 공진 결합 방식으로 불리는 방법들이 선택될 수 있다. 전자기 유도와 달리, 자기 공진 결합은 일차측(즉, 차체측) 및 이차측(즉, 휠측)에 동일한 공진 주파수를 통한 회로 토폴로지를 가진다. 자기 공진 결합 방식은 전자기 유도 방식에 비해 정렬 불량에 강하다(예를 들어, 도 1에서, 차체측 코일(5)과 휠측 코일(6) 사이의 정렬 불량). 전자기 유도 방식의 경우, 아주 작은 정렬 불량에서도 충분한 전력 P가 전송될 수 없다. 반대로, 자기 공진 결합 방식은 코일의 Q(도 1을 예로 들면, 차체측 코일(5)과 휠측 코일(6)의 Q)가 높은 경우 결합 계수가 떨어지더라도 전력 P가 높은 전송 효율로 전송된다고 알려져 있다.

자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 방법을 이용한 전력 전송 장치(100)에 의해, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 시스템(1)은 차체와 휠 사이에서 전력 P의 무선 전송이 가능할 뿐만 아니라, 도로면에서 휠로 전력 P의 무선 전송도 가능하다(도로면으로부터의 전력 공급). 도 2에 도시된 파워 서플라이(power supply, 21)와 코일(20)은 도로면에 내장된다. 파워 서플라이(21) 및 코일(20)의 구조는 하기에서 설명되는 배터리(2) 및 차체측 코일(5)과 동일할 수 있다. 도 2의 다른 요소들은 도 1과 동일한 참조 부호로 표기되어 있으며, 도 1을 참조하여 이하에서 설명한다. 따라서, 여기서는 이러한 요소들을 설명하지 않는다.

다시, 도 1을 설명한다. 인휠 모터 시스템(1)은 차체측과 휠측 사이에서 인휠 모터(10)를 구동하기 위한 제어 신호 CTL을 무선 전송하는 통신 인터페이스부(110)를 구비한다. 예를 들어, 통신 인터페이스부(110)는 휠측 통신 인터페이스부(17)와 차체측 통신 인터페이스부(18)를 포함한다. 이들 각각은 무선 안테나를 가지며, 제어 신호 CTL을 송수신 할 수 있다. 휠측 통신 인터페이스부(17) 및 차체측 통신 인터페이스부(18)는 하기 설명되는 휠측 제어기(13) 및 차체측 제어기(14)와 각각 연결된다. 그러므로, 예를 들어, 차체측 제어기(14)는 제어 신호 CTL을 통해 휠측의 인휠 모터(10)의 회전수와 토크 지령값에 따라 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 블루투스, 무선랜 또는 그밖에 유사한 것들이 통신 인터페이스부(110)에 의해 무선 통신 방법으로서 이용될 수 있다.

여기서는 인휠 모터 시스템(1)의 전체적인 구조를 상세히 설명한다. 회생이 구체적으로 명시되지 않는 한, 이하에서 인휠 모터(10)는 역행중인 것을 전제로 한다. 도 1에 도시된 것처럼, 인휠 모터 시스템(1)은 인휠 모터(10), 제1 직류 전압 Vd1을 인휠 모터(10)를 구동하는 모터 교류 전압으로 변환하는 모터 변환부(9), 제1 직류 전압 Vd1을 평활화하는 휠측 커패시터(11), 휠측 코일(6)에서의 제1 교류 전압 Va1을 제1 직류 전압 Vd1으로 변환하는 휠측 변환부(8), 배터리(2)에서의 제2 직류 전압 Vd2를 제2 교류 전압 Va2로 변환하고 차체측 코일(5)로 제2 교류 전압 Va2를 출력하는 차체측 변환부(3), 그리고 배터리(2)를 구비한다. 배터리(2)에 병렬연결된 커패시터(12)는 차체측에 구비될 수 있다. 커패시터(12)는 휠측 커패시터(11)에 대응하고, 제2 직류 전압 Vd2를 안정시킨다. 인휠 모터(10)의 전력 공급 장치 100은 휠측에서 무선 전송 전력 P를 수신하는 휠측 코일(6), 휠측 변환부(8)와 휠측 코일(6) 사이에 직렬로 삽입되는 휠측 공진 커패시터(7), 차체에서 전력 P를 무선 전송하는 차체측 코일(5), 그리고 차체측 변환부(3)와 차체측 코일(5) 사이에 직렬로 삽입되는 차체측 공진 커패시터(4)를 구비한다. 또한, 차체측 코일(5)과 휠측 코일(6)은 안테나로 불린다. 도 1의 예에서, 모터 변환부(9)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)로 구성된 3상 전압형 인버터이나, 모터 변환부(9)는 이 구성에 한정되지 않는다.

본 실시예에서, 인휠 모터 시스템(1)의 휠측 변환부(8)는 4개의 풀 브릿지 스위치(full bridge switch) G1, G2, G3 및 G4(이하, 스위치 G1 내지 G4로 표기한다)로 구성된다. 또한, 휠측 변환부(8)와 같이, 차체측 변환부(3)는 4개의 풀 브릿지 스위치 G11, G12, G13 및 G14(이하, 스위치 G11 내지 G14로 표기한다)로 구성된다. 인휠 모터 시스템(1)은 휠측 변환부(8)에 구비된 스위치 G1 내지 G4의 스위칭을 제어하는 제1 제어 신호 CT1을 이용하는 휠측 제어기(13)를 구비한다. 인휠 모터 시스템(1)은 제2 제어 신호 CT2를 통해 차체측 변환부(3)에 구비된 스위치 G11 내지 G14의 스위칭을 제어하는 차체측 제어기(14)를 구비한다. 예를 들어, 스위치 G1 내지 G4와 스위치 G11 내지 G14는 절연 게이트 양극성 트랜지스터일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

도 1에 도시된 것처럼, 인휠 모터 시스템(1)의 상기 구성 요소는 차체측과 휠측 사이로 구분된다. 구체적으로, 배터리(2), 커패시터(12), 차체측 변환부(3), 차체측 공진 커패시터(4), 차체측 코일(5), 차체측 제어기(14), 그리고 차체측 통신 인터페이스부(18)는 차체측에 배치된다. 인휠 모터(10), 모터 변환부(9), 휠측 커패시터(11), 휠측 변환부(8), 휠측 공진 커패시터(7), 휠측 코일(6), 휠측 제어기(13), 그리고 휠측 통신 인터페이스부(17)는 휠측에 배치된다. 전력 P를 송수신하는 차체측 코일(5) 및 휠측 코일(6) 사이에는 전선 연결이 없다. 제어 신호 CTL을 송수신하는 휠측 통신 인터페이스부(17) 및 차체측 통신 인터페이스부(18) 사이에도 전선 연결이 없다. 따라서, 상기에 언급된 바와 같이 단선의 위험에 관한 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 그리고 도로면으로부터의 전력 공급 또한 가능하다(도 2 참조).

휠측 제어기(13) 및 차체측 제어기(14)는 제1 직류 전압 Vd1을 일정하게 제어하기 위한 제1 제어 신호 CT1 및 제2 제어 신호 CT2를 각각 생성한다. 제1 제어 신호 CT1 및 제2 제어 신호 CT2에 대한 상세한 설명은 아래에 개시된다.

자기 공진 결합 기법을 통한 전력 P의 무선 전송 동안, 2차측, 즉, 휠측의 전압 및 전류는 부하(모터 변환부(9)와 인휠 모터(10))의 변화 및 전력 송수신 코일들(차체측 코일(5)과 휠측 코일(6))의 상대 변위에 대하여 서로 다르다고 알려져 있다. 그에 반해, 인휠 모터(10)를 구동하는 전압형 인버터인 모터 변환부(9)에서는, 일반적으로 DC 링크 전압(DC link voltage), 즉 제1 직류 전압 Vd1을 일정하게 유지할 필요가 있다. 그러므로, 휠측 제어기(13) 및 차체측 제어기(14)는 제1 직류 전압 Vd1이 일정하게 유지되도록 적절히 제어하기 위하여 제1 제어 신호 CT1과 제2 제어 신호 CT2를 생성한다. 휠측 제어기(13) 및 차체측 제어기(14) 중 적어도 하나면 제1 직류 전압 Vd1을 일정하게 유지하기 위한 제어를 수행하기에 충분하다.

예를 들어, 제1 직류 전압 Vd1을 일정하게 유지하기 위하여, 휠측 제어기(13)는 제1 교류 전압 Va1의 기본 역률(fundamental power factor) 및 휠측 코일(6)의 전류 Ia1이 1이 되기 위한 제1 제어 신호 CT1을 생성할 수 있다. 이때, 휠측 제어기(13)는 기본 역률이 1이 되도록 제1 교류 전압 Va1이 0이 되는 지속 시간을 조정할 수 있다.

또한, 인휠 모터 시스템(1)은 휠측에서만 동작하도록 제어를 수행할 수 있다. 후술하는 것처럼, 휠측 변환부(8)에 구비된 스위치 G1 내지 G4의 스위칭을 제어하기 위한 제1 제어 신호 CT1을 이용함으로써, 휠측 제어기(13)는 차체측과 독립적으로 휠측에서만 전력 P의 변화를 조정할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 인휠 모터 시스템(1)은 상술한 휠측 제어기(13) 및 차체측 제어기(14)에 의한 앞서 언급한 제어에 사용하기 위해, 휠측 전류 검출기(15), 전압 검출기(16) 및 차체측 전류 검출기(19)를 구비할 수 있다. 예를 들어, 휠측 전류 검출기(15)는 휠측 코일(6)의 전류 Ia1을 검출하고 검출된 값을 휠측 제어기(13)에 출력하는 전류 센서일 수 있다. 휠측 제어기(13)는 휠측 코일(6)의 전류 Ia1의 부호 변화를 감지할 수 있으며, 검출된 부호 변화 정보에 따라 제1 제어 신호 CT1을 생성할 수 있다.

예를 들어, 전압 검출기(16)는 제1 직류 전압 Vd1을 검출하고 검출된 값을 휠측 제어기(13)로 출력하는 전압 센서일 수 있다. 휠측 제어기(13)는 제1 직류 전압 Vd1의 검출된 값과 제1 직류 전압 Vd1의 목표값 사이의 차이에 따라 제1 제어 신호 CT1를 생성할 수 있다. 여기서, 휠측 제어기(13)는 차량의 실제 주행 상태 등을 나타내는 인휠 모터(10)의 회전수 및 토크 지령값에 따라 제1 제어 신호 CT1을 생성할 수 있다. 이때, 휠측 제어기(13)는 신호 MRT로 인휠 모터(10)의 회전수를 수신할 수 있으며, 제어 신호 CTL로 차체측에서 토크 지령값을 수신할 수 있다. 신호 MRT는 모터 변환부(9) 및 인휠 모터(10)의 상태를 검출하는 부하 상태 검출기(미도시)에서 휠측 제어기(13)로 출력된다.

상기와 같이, 차체측 제어기(14)는 휠측 제어기(13) 대신 또는 휠측 제어기(13)와 함께 제1 직류 전압 Vd1을 일정하기 유지하기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 차체측 제어기(14)는 차체측 통신 인터페이스부(18)로부터 신호 MRT를 수신할 수 있으며, 인휠 모터(10)의 회전수 및 토크 지령값에 따라 제2 제어 신호 CT2를 생성할 수 있다. 이때, 휠측 제어기(13)는 제어 신호 CTL에 신호 MRT를 포함하고, 휠측 통신 인터페이스부(17)에서 차체측 통신 인터페이스부(18)로 제어 신호 CTL을 무선 전송한다.

예를 들어, 차체측 전류 검출기(19)는 차체측 코일(5)의 전류 Ia2를 검출하고 검출된 값을 차체측 제어기(14)로 출력하는 전류 센서일 수 있다. 차체측 제어기(14)는 차체측 전류 검출기(19)에 의해 검출된 값(차체측 코일(5)의 전류 Ia2)과 인휠 모터(10)의 회전수 및 토크 지령값에 대응하는 목표 전류값 사이의 차이에 따라 제2 제어 신호 CT2를 생성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 시스템(1)은 차체측과 휠측 사이에 대칭적인 구성을 포함한다. 예를 들어, 차체측 변환부(3)의 구성과 휠측 변환부(8)의 구성은 동일하다. 다시 말해, 스위치 G11 내지 G14는 스위치 G1 내지 G4에 대응한다. 전력 전송 장치(100)에서, 차체측 코일(5)의 구성과 휠측 코일(6)의 구성은 동일하고, 차체측 공진 커패시터(4)의 구성과 휠측 공진 커패시터(7)의 구성은 동일하다. 다시 말해, 도 1의 회로 구성예에서, 차체측과 휠측 사이의 가상 경계선 BD에 대해 거울면 대칭인 부분이다. 이러한 구성을 통해, 인휠 모터 시스템(1)은 인휠 모터(10)가 역행시뿐만 아니라 회생시에도 전력 P를 전송할 수 있다. 인휠 모터(10)가 회생시일 때, 휠측 변환부(8)는 인버터로 기능하고, 차체측 변환부(3)는 컨버터로 기능한다. 이는 인휠 모터(10)가 역행시일때는 반대이다.

인휠 모터 시스템(1)에서, 동일한 구조를 가지는 차체측 변환부(3)와 휠측 변환부(8)는 제1 제어 신호 CT1 및 제2 제어 신호 CT2의 기본 파형을 동일하게 만드는 것을 목적으로 한다. 다시 말해, 이는 휠측 제어기(13)와 차체측 제어기(14)가 공통적으로 제어의 주요 부분을 공유할 수 있다는 것을 의미한다.

예를 들어, 상기에 설명한 바와 같이, 인휠 모터 시스템(1)의 구성 요소는 도 3에 도시된 바와 같은 형태로 차량에 설치될 수 있다. 도 3은 금속 프레임에 덮인 차체 부분(페이지의 좌측)과 하나의 휠(페이지의 우측)을 도시한 차량 내부의 일부를 확대한 도면이다. 유닛 P1은 차체 부분의 거의 중앙에 배치되며, 유닛 P2는 유닛 P1에서 휠 방향으로 배치된다. 휠측에서, 유닛 P3은 차체 근처의 일부분에 배치되고, 유닛 P4는 휠 근처의 일부분에 배치된다. 배터리(2)는 도 3에 도시가 생략된다.

도 3에서, 유닛 P2는 차체측 코일(5)이고, 유닛 P1은 차체측 코일(5) 및 배터리(2)를 제외한 차체측 구성 요소를 포함한다(즉, 커패시터(12), 차체측 변환부(3), 차체측 공진 커패시터(4), 차체측 제어기(14), 차체측 통신 인터페이스부(18) 및 차체측 전류 검출기(19)). 뿐만 아니라, 도 3에서, 유닛 P3은 휠측 코일(6)이고, 유닛 P4는 휠측 코일(6)을 제외한 휠측 구성 요소를 포함한다(즉, 인휠 모터(10), 모터 변환부(9), 휠측 커패시터(11), 휠측 변환부(8), 휠측 공진 커패시터(7), 휠측 제어기(13), 휠측 통신 인터페이스부(17), 휠측 전류 검출기(15) 및 전압 검출기(16)). 유닛 P1과 유닛 P4는 도시된 예의 모든 구성 요소를 포함할 필요가 없으며, 최소한의 일부를 포함하면 충분하다.

상기에 나타난 바와 같이, 차체측과 휠측의 대칭 구조를 가지는 인휠 모터 시스템(1)은 도 3에 도시된 형태로 차량에 장착될 경우 부품 개수의 감소 및 유닛 공통화를 이끌어 낼 수 있다. 예를 들어, 차체측 코일(5)인 유닛 P2와 휠측 코일(6)인 유닛 P3은 공통 유닛일 수 있다. 이러한 공통성은 유닛 종류의 수를 감소시키고, 설치시 생산 효율을 개선시킬 수 있다.

인휠 모터 시스템(1)의 전체적인 구성을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하였다. 이하에서는 제1 제어 신호 CT1과 제2 제어 신호 CT2의 파형 등과 같은 것을 도시하여 휠측 제어기(13)와 차체측 제어기(14)를 제어하는 방법을 상세히 설명한다. 또한, 인휠 모터 시스템(1)에 적합한 차체측 코일(5) 및 휠측 코일(6)의 형태 등과 같은 것들에 대해서도 설명한다.

(제어 방법에 대한 설명)

도 4는 전력 전송 장치(100)가 등가 회로에 의해 대체된 인휠 모터 시스템(1)의 부분 구성도이다. 아래에서는 도 4를 참조하여 휠측 제어기(13)와 차체측 제어기(14)를 제어하는 방법에 대하여 상세히 설명한다. 이해의 명확성을 위하여, 휠측 제어기(13), 차체측 제어기(14) 및 통신 인터페이스부(110)는 도 4에서 생략하였으나, 이러한 구성 요소는 도 1과 동일하다.

우선, 인휠 모터(10)의 역행시 동작에 대해 설명한다. 차체측 변환부(3) 및 모터 변환부(9)는 인버터이고, 휠측 변환부(8)는 컨버터이다. 도 4의 예에서, 아래에 설명하는 바와 같이, PWM 신호는 제어 수행에 사용되고, 전압형인 인버터 및 컨버터가 사용된다. 따라서, 설명을 간소화 하기 위해, 차체측 변환부(3)는 전압형 PWM 인버터로, 휠측 변환부(8)는 전압형 PWM 컨버터로, 그리고 모터 변환부(9)는 3상 전압형 PWM 인버터로 나타낸다. 도 1의 차체측과 휠측은 각각 도 4의 일차측과 이차측으로 표현된다. 인휠 모터(10)가 역행되면, 전력 P는 일차측(즉, 차체측)에서 무선 전송된다. 전력 P는 이차측(즉, 휠측)에 수신된다. 인휠 모터(10)가 회생중이면, 휠측 변환부(8)는 인버터로서 기능하고, 차체측 변환부(3)는 컨버터로 기능한다. 그러나, 휠측 제어기(13)와 차체측 제어기(14)를 제어하는 방법이 동일하므로, 구체적인 설명은 생락한다.

도 4에서, 전력 전송 장치(100)는 저항, 코일 및 커패시터로 구성된 등가회로에 의해 대체된다. 이 등가회로에서, 저항은 저항 R₁ 과 R₂를 각각 포함하고, 코일은 인덕턴스 L_m, L₁-L_m 및 L₂-L_m을 각각 포함하고, 커패시터는 커패시턴스 C₁과 C₂를 각각 포함한다.

간단히 설명하면, 도 1에 도시된 휠측 코일(6)의 전류 Ia1 및 제1 교류 전압 Va1과 차체측 코일(5)의 전류 Ia2 및 제2 교류 전압 Va2는 각각 전류 i_conv, 전압 v_conv 및 전압 v_inv로 나타낸다. 도 1에 도시된 휠측 커패시터(11)와 제1 직류 전압 Vd1은 각각 도 4에서 평활화 커패시터 Cs와 직류 링크 전압 Vdc로 나타낸다.

도 4에서, 전류 i_cin은 평활화 커패시터 Cs로의 전류 흐름이다. 그리고, 전류 I_dc는 직류 링크 전류이다. 도 4에서 배터리(2), 커패시터(12) 및 인휠 모터(10)는 도 1과 동일하며, 상세한 설명은 생략한다. 더욱이, 도 4에서, 모터 변환부(9)와 인휠 모터(10)를 둘러싼 점선은 이러한 구성요소들이 부하로서 취급됨을 의미한다.

도 4에 도시된 인휠 모터 시스템(1)에서, 첫째, 배터리(2)의 전압 E는 일차측(차체측 변환부(3))의 전압형 PWM 인버터에 의해 공진 주파수를 가지는 교류로 변환된다. 자기 공진 결합에 의해 전송된 전압 P는 이차측(휠측 변환부(8)) 전압형 PWM 컨버터에 의해 직류로 변환된다. 인휠 모터 시스템(1)에서, 전송 전력은 제1 제어 신호 CT1 및 제2 제어 신호 CT2를 통해 전압형 PWM 컨버터 및 전압형 PWM 인버터의 듀티비(duty ratio)를 제어함으로써 제어된다. 3상 전압형 PWM 인버터(모터 변환부(9))는 부하인 인휠 모터(10)의 구동에 이용된다. 따라서, 3상 전압형 PWM 인버터의 입력 전압인 직류 링크 전압 V_dc는 일정하게 유지될 필요가 있다. 인휠 모터 시스템(1)에는 특히 2차측의 탑재 공간이 한정되어 있다. 그러므로, 예를 들어, 부하의 변화가 발생한 경우라도, 직류 링크 전압 V_dc는 전압형 PWM 컨버터 만의 제어를 통해 일정하게 유지될 수 있는 것이 바람직하다. 앞서 언급한 듀티비의 제어는 하기에서 부하의 모델링 및 전력 전송 장치(100)의 등가 회로를 상세히 검토한 뒤 설명한다.

먼저, 부하는 모델링된다. 일반적으로, 전력 수신 측 정류 회로의 기본 역률이 1일 때 손실이 없다고 가정하면, 정류 회로를 포함한 전체 부하는 순저항(부하 저항)과 동등하게 간주된다고 알려져 있다. 이는 등가 부하 저항 RL로 정의된다. 3상 전압형 PWM 인버터에 의해 구동된 인휠 모터(10)의 부하에 대하여, 인휠 모터(10)의 기계적 출력 Pm은 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, η_m은 모터 효율을 의미하고, η_inv는 인버터 효율을 의미하고, I_dc는 직류 링크 전류를 의미한다.

수학식 1에 등가 부하 저항 R_L을 이용하면 아래의 수학식 2가 된다.

직류 링크 전압 V_dc가 일정하게 유지될 때, 등가 부하 저항 R_L은 인휠 모터(10)의 기계적 출력 Pm에 결정된다. 등가 부하 저항 R_L을 도입함에 따라, 부하(모터 변환부(9)와 인휠 모터(10))는 유사한 해석 기법을 통해 순저항 부하와 같이 취급될 수 있다.

다음으로, 전력 전송 장치(100)의 등가 회로를 상세히 설명한다. 이 등가회로에서, 일차측 전압에서 이차측 전압으로의 전달 함수 G_io는 각각의 전압식 연산에 의해 아래의 수학식 3과 같이 표현된다. 여기서, 계수는 아래의 수학식 4 내지 8에 의해 주어지고, 그 기호(예를 들면, L₁-L_m과 C₁)는 상기에서 언급한 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스로 표현된다.

공진 주파수에서의 이득에 비해, 고조파 성분의 이득이 충분히 작다. 그러므로, 아래에서는 기본적인 공진 주파수 성분만을 주목한다. 여기서, 평활화 커패시터 Cs의 역학 관계에 대해 검토한다. 평활화 커패시터 Cs(도 1의 휠측 커패시터(11))로 흐르는 전류 i_cin에서 등가 부하 저항 R_L의 단자 전압(직류 링크 전압 V_dc)으로의 전달 함수는 아래의 수학식 9와 같이 1차 지연 시스템으로 표현될 수 있다.

하기에서, i) 일차측 전압형 PWM 인버터(차체측 변환부(3)) 및 이차측 전압형 PWM 컨버터(휠측 변환부(8))의 듀티비와 ii)직류 링크 전압 V_dc 사이의 관계가 설명된다. 전압형 PWM 인버터 및 전압형 PWM 컨버터 각각은 도 5A 및 도 5B의 스위칭 상태에서 동작한다. 다시 말해, 전압형 PWM 인버터 및 전압형 PWM 컨버터 각각은 3단계(예를 들어, 도 5a에서 +E, 0 및 -E)로 스위칭된다. 여기서, 듀티비는 펄스폭 T_P와 반주기 0.5T의 비율인 T_P/(0.5T)로 정의된다. 예를 들어, 일차측 전압형 PWM 인버터의 듀티비가 1.0일 때, 파형은 ±E의 전압을 통해 구형파가 되고, 0 상태를 가지지 않는다.

전압형 PWM 인버터의 기본파에만 초점을 맞추면, 듀티비 d_inv에 대한 그 출력 전압의 기본 진폭 V_inv1은 퓨리에 급수 전개를 통해 아래의 수학식 10과 같이 나타난다.

도 5b에 도시된 것처럼, 전압형 PWM 컨버터(휠측 변환부(8))는 제1 제어 신호 CT1(도 1 참조)에 의해 스위칭 될 수 있는 3개의 스위칭 모드로 동작한다. 도 5b에서, 3개의 스위칭 모드는 mode 1, mode 2 및 mode 3으로 표시된다. 전압형 PWM 컨버터(휠측 변환부(8)) 및 전압형 PWM 인버터(차체측 변환부(3))은 상기에서 언급한 바와 같이 동일한 구조를 가지므로, 전압형 PWM 인버터 또한 제2 제어 신호 CT2(도 1 참조)에 의해 3개의 스위칭 모드로 동작될 수 있다. 그러나, 중복되는 설명을 피하기 위하여, 여기서는 전압형 PWM 컨버터만을 상세히 설명한다.

도 6a는 스위치 G1 내지 G4를 도시한 도 4의 전압형 PWM 컨버터(휠측 변환부(8)) 부분을 확대한 도면이다. 도 6a를 참조하여 3개의 스위칭 모드를 설명한다. 제1 제어 신호 CT1(도 1 참조)은 스위치 G1 및 G4를 턴온함으로써 제1 모드(mode 1)에서 전압형 PWM 컨버터가 동작하도록 한다. 제1 제어 신호 CT1은 스위치 G2 및 G3를 턴온함으로써 제2 모드(mode 2)에서 전압형 PWM 컨버터가 동작하도록 한다. 제1 모드 및 제2 모드는 이차측 코일에서 평활화 커패시터 Cs로 흐르는 전류를 야기하는 모드이고, 부하 저항에 연결된 상태이다. 제1 제어 신호 CT1은 스위치 G2 및 G4를 턴온함으로써 제3 모드(mode 3)에서 전압형 PWM 컨버터가 동작하도록 한다. 제3 모드는 부하 저항이 0인 단락 상태이다. 제1 제어 신호 CT1은 전압형 PWM 컨버터가 제3 모드에서 작동하도록 함으로써 전압이 0인 지속 시간을 조정할 수 있다.

제1 모드 및 제2 모드와 달리, 제3 모드에서 부하 저항은 0이다. 그러므로, 제3 모드의 비율에 따라 피상 부하 저항이 변한다. 따라서, 전압형 PWM 컨버터의 듀티비 d_conv에 대응하는 피상 부하 저항 R_La이 도입되며, 아래의 수학식 11과 같이 나타난다.

전압형 PWM 컨버터의 입력 전류의 진폭 I_conv는 아래의 수학식 12와 같이 나타난다. 여기서, ω_in은 전압형 PWM 인버터의 구동 각주파수를 의미한다.

그러나, 전달함수 G_ioa에서, 등가 부하 저항 R_L은 피상 부하 저항 R_La로 대체될 수 있다. 여기서, 평활화 커패시터 Cs의 1차 지연 시스템에서의 시상수가 구동 주파수에 대하여 충분히 느린 경우, 평활화 커패시터 Cs로 흐르는 전류 i_cin은 평균값으로 취급될 수 있다.

여기서, 도 6b는 평활화 커패시터 Cs로 흐르는 전류 i_cin의 평균값을 나타내는 도 5b의 반주기(0에서 0.5T)를 확대한 도면이다. 전류는 오직 듀티비 d_conv의 간격, 즉, 오직 제1 모드(또는 제2 모드)에서만 통과하기 때문에, 평활화 커패시터 Cs로 흐르는 전류 I_Cave는 아래의 수학식 13으로 나타난다.

아래의 수학식 14는 수학식 10 및 수학식 12를 이용하여 수학식 13을 재연산한 결과이다.

따라서, 직류 링크 전압 V_dc의 정상 상태 값은 아래의 수학식 15와 같다.

여기 R_L|G_ioa(jω_in)|의 항에서, 부하 변화 및 코일들의 상대 변위에 따라 역학적으로 변화하는 인자들은 등가 부하 저항 R_L, 전압형 PWM 컨버터의 듀티비 d_conv 및 전력 전송 장치(100)의 코일의 인덕턴스 L_m이다. 그러므로, K(R_L, L_m, d_conv)를 통해 이 항을 대체하면 아래의 수학식 16과 같다.

스위칭 신호(제1 제어 신호 CT1)의 생성 동안, 반송파 신호는 전압형 PWM 컨버터(휠측 변환부(8))의 입력에서 기본 역률을 1로 설정하기 위하여 컨버터 입력 전류(전류 i_conv)와 동기화 될 필요가 있다. 이를 위한 방법으로서, 휠측 제어기(13)는 휠측 전류 검출기(15)(도 1 참조)에 의해 검출된 전류 i_conv를 수신한다. 그러면, 도 6a에 도시된 것처럼, 휠측 제어기(13)가 전류 i_conv가 제로 크로스(zero cross)하는 시점을 기준으로 하여 PWM 반송파를 생성하기에 충분하다. 전류 i_conv의 제로 크로스 지점을 검출하는 구체적인 방법은 휠측 제어기(13)가 전류 i_conv에서 부호 변화를 검출하고, 검출된 부화 변화가 제로 크로스 지점이 되는 시점을 설정하는 것이다.

다음으로, 일차측과 이차측 사이의 역할 분담에 초점을 맞춰 직류 링크 전압 V_dc의 안정화 제어를 검토한다. 인휠 모터(10)(전력 변동 부하)과 같이 전력이 변화하는 부하로의 전력 전송에 있어, 전력은 부하의 필요에 따라 동시에 공급될 것이 요구된다. 전압형 인버터가 부하에 포함되는 경우에 있어, 직류 링크 전압 V_dc를 일정하게 유지함으로써, 등가 부하 저항 R_L은 부하에 의해 요구되는 전력에 따라 변한다. 그러므로, 필수 전력의 공급은 직류 링크 전압 V_dc를 일정하게 유지하기 위한 제어 수행에 의해 달성된다. 상기에서 설명한 바와 같이, 인휠 모터 시스템(1)에서, 전압형 PWM 컨버터의 듀티비는 제어될 수 있거나, 전압형 PWM 인버터의 듀비티는 제어될 수 있다. 다시 말해, 일차측이나 이차측은 제어될 수 있으므로, 인휠 모터 시스템(1)은 2단계의 제어 자유도를 가진다. 그러나, 인휠 모터 시스템(1)은 통신 인터페이스부(110)를 통해 무선 통신으로 일차측과 이차측 사이에서 정보를 전달한다. 그 결과, 통신 속도는 제한되고, 통신 지연이 발생한다. 그러므로, 인휠 모터 시스템(1)에서, 피드 포워드 제어(feedforward control)는 일차측 전압형 PWM 인버터에서 수행되는 것이 바람직하다. 그리고, 피드백 제어(feedback control)는 이차측 전압형 PWM 컨버터의 직류 링크 전압 V_dc에서 수행되는 것이 바람직하다.

먼저, 일차측 전압형 PWM 인버터에서의 피드 포워드 제어를 설명한다. 모터의 각속도가 무선 통신에 의해 획득될 수 있고 모터의 토크 응답이 지령값에 대해 충분히 빠른 경우, 수학식 2에 의해, 등가 부하 저항 R^* _L은 인휠 모터(10)의 기계적 출력 P^* _m 및 직류 링크 전압의 목표값 V^* _dc에 의해 결정된다. 특히, 인휠 모터(10) 및 3상 전압형 인버터의 효율성을 고려하는 것이 필요하다. 그러므로, 인휠 모터(10)의 기계적 출력 P^* _m에 대한 등가 부하 저항 R^* _L의 맵(테이블)은 미리 준비되는 것이 바람직하다. 이때, 공칭값은 앞서 언급한 인덕턴스 L_m(상호 인덕턴스)을 이용할 수 있다.

여기서, 일차측에서 전송된 전력 P는 이차측 피드백 제어의 실행을 고려한다. 이차측 전압형 PWM 컨버터가 동작하는 듀티비의 공칭값(일차측 전압형 PWM 인버터에서 피드 포워드 제어가 이상적일 때의 값)은 d_convn으로 표시한다. 이때, 직류 링크 전압의 목표값 V^* _dc에 대한 전압형 PWM 인버터의 듀티비의 지령값 d^* _inv는 수학식 16으로부터 아래의 수학식 17과 같이 표현된다.

한편, 이차측 전압형 PWM 컨버터는 플랜트(제어 대상)로서, 평활화 커패시터 Cs의 역학 관계를 이용한 2단 자유도를 통해 직류 링크 전압 V_dc를 제어한다. 다시 말해, 이차측 전압형 PWM 컨버터는 수학식 9에 나타난 바와 같이, 평활화 커패시터 Cs에 흐르는 전류에서 직류 링크 전압 V_dc로의 전달 함수를 이용하는 2단 자유도를 통해 직류 링크 전압 V_dc를 제어한다. 여기서, 전력 전송 장치(100)의 등가회로의 과도 특성이 평활화 커패시터 Cs의 응답에 비해 충분히 빠르기 때문에, 과도 특성은 무시될 수 있다. 등가 부하 저항 R_L로서, 앞서 언급한 등가 부하 저항 R^* _L이 이용될 수 있고, 공칭값은 앞서 언급한 인덕턴스 L_m에 이용될 수 있다. 예를 들어, 휠측 제어기(13)의 피드백 제어기는 PI 제어로서, -p[rad/s]의 중근에서 극점 배치를 수행한다.

휠측 제어기(13)의 피드 포워드 제어기는 차단 주파수 ω_c[rad/s]의 역 플랜트 및 저역 통과 필터를 통한 아래의 수학식 21을 따른다.

휠측 제어기(13)의 작동량은 평활화 커패시터 Cs로 흐르는 평균 전류 I^* _Cave이다. 그리고 듀티비의 지령값 d^* _conv는 수학식 16으로부터 아래의 수학식 22와 같이 나타난다.

도 7a 및 7b는 상기에서 기술한 직류 링크 전압 V_dc의 안정화 제어를 정리한 것이다. 도 7a는 일차측 제어를 나타내고, 도 7b는 이차측 제어를 나타낸다. 먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 차체측 제어기(14)는 인휠 모터(10)의 기계적 출력 P^* _m 및 직류 링크 전압의 목표값 V^* _dc를 획득하고, 수학식 2 및 앞서 언급한 맵(테이블) 중 적어도 하나에 기반한 등가 부하 저항 R^* _L을 결정한다. 다음으로, 차체측 제어기(14)는 수학식 17에 대응하는 전압형 PWM 인버터의 듀티비의 지령값 d^* _inv를 찾고, PWM 제어를 수행한다. 이때, 전압 v_inv가 생성되고, 전류 i_conv가 이차측에 흐른다.

도 7b에 도시된 것처럼, 휠측 제어기(13)는 직류 링크 전압의 목표값 V^* _dc를 획득하고, 수학식 21에 따라 피드 포워드 제어를 수행하며, 수학식 18에 따라 PI 제어를 수행한다. 그러면, 휠측 제어기(13)는 수학식 22에 따라 전압형 PWM 컨버터의 듀티비의 지령값 d^* _conv를 찾고, PWM 제어를 수행한다. 그러면, 직류 링크 전압 V_dc가 생성되고, 그 값은 피드백된다.

(코일의 형상과 재질)

인휠 모터 시스템(1)의 차체측 코일(5) 및 휠측 코일(6)은 어떠한 형태도 될 수 있다. 그러나, 아래의 형상과 재질로 되는 것이 바람직하다. 아래에서, 차체측 코일(5) 및 휠측 코일(6)은 동일한 형상과 재질로 이루어졌다고 가정하며, 총괄하여 코일이라고 한다.

먼저, 예를 들어, 코일들은 나선형 또는 평면형이다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 전력 전송 및 수신 코일을 위한 장착 공간이 제한되기 때문에, 소형이고 주변 물체에 의해 영향을 덜 받는 평면형이 바람직하다.

예를 들어, 내열성 및 표피 효과 저감을 위해, 리츠선(litz wire)이 코일의 선 재질로 적절하다. 누설 자속을 줄이기 위해, 페라이트(ferrite)가 코일에 삽입되는 것이 바람직하다. 페라이트 배치의 주된 대안은 코일의 전면 배치와 코일의 배면 배치이다. 몇몇 실험들은 코일의 배면에 패라이트를 배치함으로써 전력 P의 전송 효율이 상승될 수 있다는 것을 보여준다. 이는 코일의 배면에 페라이트를 배치할 때 큰 상호 인덕턴스를 획득할 수 있기 때문이다.

상기와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인휠 모터 시스템(1)은 자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 전력 전송 장치(100)를 구비한다. 예를 들어, 전력 전송 장치(100)는 자기 공진 결합 방식을 이용하며, 이에 따라 전자기 유도 기법보다 정렬 불량에 강하다. 그러므로, 인휠 모터(10)는 차체측 코일(5)과 휠측 코일(6) 사이에서 정렬 불량이 발생하더라도 안정적인 구동이 가능하다. 더욱이, 자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 전력 전송 장치(100)를 구비함으로써, 전력 P는 도로면에서 휠측으로 무선 전송될 수 있다(도로면으로부터 전력 공급).

비록 본 발명이 실시예와 도면에 기초하고 있으나, 이는 본 발명의 기술분야에서 다양한 변형과 수정될 수 있음은 명백하다. 그러므로, 이러한 변형과 수정은 본 발명의 범위 내에 포함됨을 이해하길 바란다.

1 : 인휠 모터 시스템 2 : 배터리
3 : 차체측 변환부 4 : 차체측 공진 커패시터
5: 차체측 코일 6 : 휠측 코일
7 : 휠측 공진 커패시터 8 : 휠측 변환부
9 : 모터 변환부 10 : 인휠 모터
11 : 휠측 커패시터 12 : 커패시터
13 : 휠측 제어기 14 : 차체측 제어기
15 : 휠측 전류 검출기 16 : 전압 검출기
17 : 휠측 통신 인터페이스부 18 : 차체측 통신 인터페이스부
19 : 차체측 전류 검출기 20 : 코일
21 : 파워 서플라이 100 : 전력 전송 장치
110 : 통신 인터페이스부

Claims

자기장을 이용한 공진 현상을 활용하는 전력 전송 장치,
차체와 휠 사이에서 통신하는 통신 인터페이스부,
인휠 모터,
역행(powering)시 제1 직류 전압을 상기 인휠 모터를 구동하는 모터 교류 전압으로 변환하는 모터 변환부,
역행시 상기 제1 직류 전압을 평활화(smoothing)하는 휠측 커패시터,
역행시 휠측 코일에서의 제1 교류 전압을 상기 제1 직류 전압으로 변환하는 휠측 변환부, 그리고
제1 제어 신호를 통해, 상기 휠측 변환부에 구비된 스위치의 스위칭을 제어하는 휠측 제어기를 포함하며,
상기 전력 전송 장치는,
역행시 휠측에서 전송된 전력을 무선으로 수신하는 상기 휠측 코일, 그리고
상기 휠측 변환부와 상기 휠측 코일 사이에 직렬로 삽입된 휠측 공진 커패시터를 포함하며,
상기 전력 전송 장치는 상기 차체에서 상기 휠에 내장된 상기 인휠 모터로 전력을 무선 전송하고,
상기 통신 인터페이스부는 상기 인휠 모터를 구동하기 위한 제어 신호를 무선 전송하며,
상기 휠측 제어기는,
상기 제1 직류 전압을 일정하게 제어하기 위한 상기 제1 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
삭제
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제1항에 있어서,
상기 휠측 제어기는,
상기 제1 교류 전압의 기본파 역률(fundamental power factor)과 상기 휠측 코일의 전류가 1이 되기 위한 상기 제1 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 휠측 제어기는
상기 제1 제어 신호를 통해, 상기 제1 교류 전압이 0인 지속 시간을 조정하는 인휠 모터 시스템.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 휠측 변환부의 전류를 검출하는 휠측 전류 검출기를 더 포함하며,
상기 휠측 제어기는,
상기 휠측 전류 검출기를 통해 상기 휠측 코일의 전류의 부호 변화를 검출하고, 상기 검출된 부호 변환에 관한 정보를 통해 상기 제1 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
제1항 또는 제5항에 있어서,
상기 제1 직류 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 포함하고,
상기 휠측 제어기는,
상기 전압 검출기에 의해 검출된 값과 상기 제1 직류 전압의 목표값 사이의 차이에 따라 상기 제1 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
제8항에 있어서,
상기 휠측 제어기는,
상기 인휠 모터의 회전수 및 토크 지령값에 따라 상기 제1 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
제1항에 있어서,
역행시 배터리에서의 제2 직류 전압을 제2 교류 전압으로 변환하고, 상기 제2 교류 전압을 차체측 코일로 출력하는 차체측 변환부, 그리고
상기 배터리를 더 포함하며,
상기 전력 전송 장치는,
역행시 상기 차체에서 전력을 무선 전송하는 상기 차체측 코일, 그리고
상기 차체측 변환부와 상기 차체측 코일 사이에 직렬로 삽입된 차체측 공진 커패시터를 포함하는 인휠 모터 시스템.
제10항에 있어서,
제2 제어 신호를 통해, 상기 통신 인터페이스부의 제어 신호에 따라 상기 차체측 변환부에 구비된 스위치의 스위칭을 제어하는 차체측 제어기를 더 포함하고,
상기 차체측 제어기는,
상기 제1 직류 전압을 일정하게 제어하기 위한 상기 제2 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
제11항에 있어서,
상기 차체측 제어기는,
상기 인휠 모터의 회전수 및 토크 지령값에 따라 상기 제2 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
제11항에 있어서,
상기 차체측 변환부의 전류를 검출하는 차체측 전류 검출기를 더 포함하며,
상기 차체측 제어기는,
상기 차체측 전류 검출기에 의해 검출된 값과 상기 인휠 모터의 회전수 및 토크 지령값에 대응하는 목표 전류값 사이의 차이에 따라 상기 제2 제어 신호를 생성하는 인휠 모터 시스템.
제10항에 있어서,
상기 인휠 모터의 회생(regeneration)시, 상기 휠측 변환부는 인버터로 기능하고, 상기 차체측 변환부는 컨버터로 기능하는 인휠 모터 시스템.