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KR102227848B1 - 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 및 이 시스템의 pwm 캐리어 신호의 위상 제어 방법 - Google Patents

하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 및 이 시스템의 pwm 캐리어 신호의 위상 제어 방법 Download PDF

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KR102227848B1
KR102227848B1 KR1020140144215A KR20140144215A KR102227848B1 KR 102227848 B1 KR102227848 B1 KR 102227848B1 KR 1020140144215 A KR1020140144215 A KR 1020140144215A KR 20140144215 A KR20140144215 A KR 20140144215A KR 102227848 B1 KR102227848 B1 KR 102227848B1
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South Korea
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pwm
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carrier signal
power
inverter
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김상민
Original Assignee
현대모비스 주식회사
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Publication date
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Abstract

하이브리드 전기 차량의 구동 시스템이 개시된다. 이 시스템은 제1 PWM(Pulse Width Modulation Carrier) 캐리어(carrier) 신호를 적용한 펄스 폭 변조(PWM) 방식에 따라 차량 배터리의 저전압 직류 전원을 고전압 직류 전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터와, 제2 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제1 교류 전원을 변환하고, 변환된 상기 제1 교류 전원에 따라, 차량을 구동시키기 위한 모터링 모드(motoring mode) 및 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode) 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제1 구동 모터를 구동시키는 제1 인버터와, 제3 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하고, 변환된 상기 제2 교류 전원에 따라, 상기 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제2 구동 모터를 구동시키는 제2 인버터 및 상기 제1 및 제2 구동 모터의 동작 모드에 따라 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어하는 PWM 위상 제어부를 포함한다.

Description

하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 및 이 시스템의 PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법{SYSTEM FOR DRIVING HYBRID ELECTRIC VEHICLES AND METHOD FOR CONTROLLING PHASE OF PWM CARRIER SIGNAL IN THE SYSTEM}
본 발명은 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 및 이 시스템의 PWM 위상 제어 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템의 PWM 캐리어(Pulse Width Modulation Carrier) 신호의 위상을 제어하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 및 이 시스템의 PWM 위상 제어 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템은 배터리(10), DC/DC 컨버터(20), 모터 구동부(30), 발전 구동부(40) 및 DC 평활 캐패시터(DC Voltage Smoothing Capacitor)로 구성될 수 있다.
상기 배터리(10)는 저전압의 직류 전원을 공급하기 위한 전력 공급원으로 역할한다.
상기 DC/DC 컨버터(20)(DC/DC Converter)는 상기 저전압의 직류 전원을 고전압의 직류(DC) 전원으로 변환하는 구성으로서, 상기 저전압을 고전압으로 변환하기 때문에 고전압 DC/DC 전력변환기 컨버터(High voltage DC/DC Converter: HDC)라 불릴 수도 있다.
상기 모터 구동부(30, Motor Driving unit)는 상기 DC/DC 컨버터(20)로부터의 상기 고전압의 DC 전원을 교류(AC) 전원으로 변환하는 인버터와 상기 AC 전원에 따라 구동하는 구동 모터로 구성될 수 있다. 이때, 상기 모터 구동부(30)에 포함된 구동 모터는 주로 차량을 구동시키기 위한 모터링 모드(motoring mode)로 동작하지만, 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode)로 동작할 수 있다.
상기 발전 구동부(40, Generator Driving unit)도 상기 DC/DC 컨버터(20)로부터의 상기 고전압의 DC 전원을 교류(AC) 전원으로 변환하는 인버터와 상기 AC 전원에 따라 구동하는 구동 모터로 구성될 수 있다. 이때, 발전 구동부(40)에 포함된 구동 모터는 상기 모터 구동부(30)에 포함된 구동 모터와는 달리, 주로 발전 모드로 동작하지만, 모터링 모드로 동작할 수도 있다.
상기 DC 평활 캐패시터(60)는 상기 DC/DC 컨버터로부터 공급되는 고전압의 직류(DC) 전원을 안정화(평탄화)시킨다.
한편, 상기 DC/DC 컨버터(20) 및 상기 인버터들로부터 출력되는 전압은 잘 알려진 바와 같이, PWM 제어기(50)로부터 생성되는 PWM 신호에 따라 제어되는 데, 이 PWM 신호는 기준 신호와 톱니파(sawtooth waveform) 또는 삼각파(triangle wave form)와 같은 PWM 캐리어 신호 간의 비교 결과에 따라 듀티비(duty ration)가 제어된다.
종래의 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템에서는, 상기 DC/DC 컨버터(20) 및 인버터들에 적용되는 PWM 캐리어 신호는 동일한 위상을 갖도록 설계되고 있다.
이러한 캐리어 신호의 위상 제어 방식에서는, 상기 모터 구동부(30)의 구동 모터와 상기 발전 구동부(40)의 구동 모터가 동일한 동작 모드(모터링 모드 또는 발전 모드)로 동작하는 경우, 상기 모터 구동부(30)의 인버터 동작에 따라 DC 평활 캐패시터(60)에 흐르는 전류의 리플 성분과 상기 상기 발전 구동부(40)의 인버터 동작에 따라 DC 평활 캐패시터(60)에 흐르는 전류의 리플 성분이 합산되어, DC 평활 캐패시터(60)에 흐르는 전류의 리플 성분을 증가시킨다. 증가된 리플 성분은 DC 평활 캐패시터(60)의 수명을 단축시키는 요인으로 작용한다.
또한, DC 평활 캐패시터(60)의 사이즈(또는 정전 용량)는 상기와 같은 전류의 리플 성분에 비례하게 설계된다. 따라서, 전류의 리플 성분이 증가하면, DC 평활 캐패시터(60)의 사이즈(또는 정전 용량)도 증가한다.
이와 같이, 리플 성분의 증가는 상기 구동 모터들 각각의 동작 모드에 상관없이 DC/DC컨버터 및 인버터들에 적용되는 각 PWM 캐리어 신호의 위상이 동일한 데서 그 원인을 찾을 수 있다.
따라서, DC/DC컨버터 및 인버터들에 적용되는 PWM 캐리어 신호의 위상을 구동 모터들의 동작 모드에 따라 서로 다르게 제어할 수 있다면, 상술한 바와 같은 DC 평활 캐패시터(60)에 흐르는 전류의 리플 성분을 줄일 수 있을 것이다.
그러나, 아직까지 구동 모터들의 동작 모드에 따라 DC/DC컨버터 및 인버터들에 적용되는 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어할 수 있는 시스템의 개발이 이루어지고 있지 않은 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 DC/DC컨버터와 인버터들에 적용되는 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어할 수 있는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 및 이 시스템을 이용한 PWM 위상 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템은, 제1 PWM(Pulse Width Modulation Carrier) 캐리어(carrier) 신호를 적용한 펄스 폭 변조(PWM) 방식에 따라 차량 배터리의 저전압 직류 전원을 고전압 직류 전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터와, 제2 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제1 교류 전원을 변환하고, 변환된 상기 제1 교류 전원에 따라, 차량을 구동시키기 위한 모터링 모드(motoring mode) 및 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode) 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제1 구동 모터를 구동시키는 제1 인버터와, 제3 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하고, 변환된 상기 제2 교류 전원에 따라, 상기 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제2 구동 모터를 구동시키는 제2 인버터 및 상기 제1 및 제2 구동 모터의 동작 모드에 따라 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어하는 PWM 위상 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템에서 PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법은, DC-DC 컨버터에서, 제1 PWM(Pulse Width Modulation Carrier) 캐리어(carrier) 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 차량 배터리의 저전압 직류 전원을 고전압 직류 전원으로 변환하는 단계와, 제1 인버터에서, 제2 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제1 교류 전원을 변환하고, 변환된 상기 제1 교류 전원에 따라, 차량을 구동시키기 위한 모터링 모드(motoring mode) 및 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode) 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제1 구동 모터를 구동시키는 단계와, 제2 인버터에서, 제3 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하고, 변환된 상기 제2 교류 전원에 따라, 상기 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제2 구동 모터를 구동시키는 단계 및 PWM 위상 제어부에서, 상기 제1 및 제2 구동 모터의 동작 모드에 따라 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 제1 및 제2 구동 모터 각각의 동작 모드(모터링 모드, 발전 모드 또는 동일한 동작 모드)에 따라 고전압 DC/DC 컨버터(High voltage Dc-dc Converter: HDC), 제1 인버터 및 제2 인버터 각각의 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어함으로써, DC-LINK를 형성하는 DC 평활 캐패시터에 흐르는 전류의 리플 성분을 줄이고, 이로 인해 DC 평활 캐패시터의 사이즈(또는 정전용량)를 줄일 수 있게 된다.
도 1은 종래의 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 차량의 구동 시스템의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템의 동작 상태를 보여주는 상태도이다.
도 4는 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터가 모두 모터링 모드인 경우, PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드인 경우, PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드인 경우, PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터의 동작 모드 별 상기 DC-DC 컨버터, 제1 인버터 및 제2 인버터에 각각 적용되는 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 신호 파형도들이다.
본 발명은 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 내에서 DC-LINK를 형성하는 DC 평활 캐패시터에 흐르는 전류의 리플 성분을 저감하기 위해, 제1 및 제2 구동 모터 각각의 동작 모드(모터링 모드, 발전 모드 또는 동일한 동작 모드)에 따라 고전압 DC/DC 컨버터(High voltage Dc-dc Converter: HDC), 제1 인버터 및 제2 인버터 각각의 PWM 캐리어 신호의 위상을 개별적으로 제어하는 방안을 제시한다. 이렇게 함으로써, 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템 내에서 DC-LINK를 형성하는 DC 평활 캐패시터의 사이즈(또는 정전용량)를 줄일 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템에 대해 상세 기술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템의 내부 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템(100)은 DC-DC 컨버터(110), DC 평활 캐패시터(120), 제1 인버터(130), 제2 인버터(140), 제1 구동 모터(150), 제2 구동 모터(160) 및 PWM 위상 제어부(170)를 포함한다.
상기 DC-DC 컨버터(110)(High voltage DC-dc: HDC)는 차량 배터리의 방전 모드 또는 충전 모드에 따라 저전압 직류 전원을 고전압 직류 전원으로 변환하거나, 반대로 고전압 직류 전원을 저전압 직류 전원으로 변환한다. 예컨대, 차량 배터리의 방전 모드에서는, 저전압 직류 전원이 고전압 직류 전원으로 변환되고, 차량 배터리의 충전 모드에서는, 상기 고전압 직류 전원이 저전압 직류 전원으로 변환된다.
이러한 상기 DC-DC 컨버터(110)는 아래에서 설명하는 위상 제어 방식에 따라 위상 제어된 제1 PWM(Pulse Width Modulation Carrier) 캐리어(carrier) 신호에 따른 PWM 방식으로 전압 변조 동작을 수행한다.
상기 DC 평활 캐패시터(120)는 상기 고전압 DC-DC 컨버터(110)로부터 변환된 고전압 직류 전원(또는 고전압 직류 전류(IB))을 안정화(평활화) 시킨다.
상기 제1 인버터(130, INV1)는 상기 제1 구동 모터(150, MG1)의 동작 모드에 따라 상기 DC 평활 캐패시터(120)에 의해 평활화된 고전압 직류 전원을 아래에서 설명하는 위상 제어 방식에 따라 위상 제어된 제2 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식으로 상기 고전압 직류 전원을 제1 교류(AC) 전원으로 변환하거나, 상기 제1 교류 전원을 상기 고전압 직류 전원으로 변환한다. 예컨대, 상기 제1 구동 모터(150)의 동작 모드가 차량을 구동시키는 모터링 모드인 경우, 상기 평활화된 고전압 직류 전원을 제1 교류 전원으로 변환하고, 상기 제1 구동 모터(150, MG1)가 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode)인 경우, 상기 제1 교류 전원을 상기 고전압 직류 전원으로 변환한다.
상기 제2 인버터(140, INV2)는 상기 제2 구동 모터(150, MG1)의 동작 모드에 따라 상기 DC 평활 캐패시터(120)에 의해 평활화된 고전압 직류 전원을 아래에서 설명하는 위상 제어 방식에 따라 위상 제어된 제2 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식으로 상기 고전압 직류 전원을 제2 교류(AC) 전원으로 변환하거나, 상기 제2 교류 전원을 상기 고전압 직류 전원으로 변환한다. 예컨대, 상기 제2 구동 모터(160)의 동작 모드가 상기 모터링 모드인 경우, 상기 평활화된 고전압 직류 전원을 제1 교류 전원으로 변환하고, 상기 제2 구동 모터(160)가 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode)인 경우, 상기 제2 교류 전원을 상기 고전압 직류 전원으로 변환한다.
상기 제1 구동 모터(150, MG1)는 상기 모터링 모드 및 발전 모드 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하고, 상기 제1 인버터(130)로부터 출력되는 상기 제1 교류 전원에 따라 구동한다.
상기 제2 구동 모터(160, MG2)는 상기 모터링 모드 및 발전 모드 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하고, 상기 제2 인버터(130)로부터 출력되는 상기 제2 교류 전원에 따라 구동한다.
상기 PWM 위상 제어부(170)는 상기 제1 및 제2 구동 모터(150, 160) 각각의 동작 모드에 따라 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어하고, 독립적으로 위상 제어된 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호에 따라 생성된 제1 내지 제3 PWM 신호를 상기 DC-DC 컨버터(110), 제1 인버터(130), 제2 인버터(140)에 각각 인가하여, 상기 DC 평활 캐패시터에 흐르는 전류에 리플 성분을 저감하도록 상기 DC-DC 컨버터(110), 제1 인버터(130) 및 제2 인버터(140) 각각의 전압 변조 과정을 제어한다.
도 3은 도 2에 도시된 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템의 동작 상태를 보여주는 상태도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템(100)의 동작 상태는 구동 동작 상태(S1), 발전 동작 상태(S2) 및 복합 운전 상태(S3)를 포함한다. 도 3에서, 참조 기호 IMG1는 상기 직류 평활 캐패시터(120)를 거쳐 상기 제1 인버터(130)의 입력단에 입력되는 입력 전류(이하, 제1 입력 전류)를 나타내고, 참조기호 IMG2는 상기 직류 평활 캐패시터(120)를 거쳐 상기 제2 인버터(140)의 입력단에 입력되는 입력 전류(이하, 제2 입력 전류)를 나타낸다.
상기 구동 동작 상태(S1)는 제1 및 제2 구동 모터(150, 160)가 모두 모터링 모드로 동작하는 상태를 정의한다. 이러한 구동 동작 상태(S1)는, 제1 및 제2 입력 전류(IMG1, IMG2)가 모두 0보다 작은 값을 갖는 경우, 상기 발전 동작 상태(S2)로 전환되고, 제1 입력 전류(IMG1)의 크기와 제2 입력 전류(IMG2)의 크기를 곱한 값(IMG1 ×IMG2)이 0보다 작은 경우, 상기 복합 운전 상태(S3)로 전환된다.
상기 발전 동작 상태(S2)는 제1 및 제2 구동 모터(150, 160)가 모두 발전 모드로 동작하는 상태를 정의한다. 이러한 발전 동작 상태(S2)는, 제1 및 제2 입력 전류(IMG1, IMG2)가 모두 0보다 큰 값을 갖는 경우, 상기 구동 동작 상태(S1)로 전환되고, 제1 입력 전류(IMG1)의 크기와 제2 입력 전류(IMG2)의 크기를 곱한 값(IMG1 ×IMG2)이 0보다 작은 경우, 상기 복합 운전 상태(S3)로 전환된다.
상기 복합 운전 상태(S3)는 상기 제1 및 제2 구동 모터(150, 160)가 서로 다른 모드로 동작하는 상태를 정의한다. 예컨대, 상기 복합 운전 상태(S3)는 제1 구동 모터(150)가 모터링 모드로 동작하고, 제2 구동 모터(160)가 발전 모드로 동작하는 경우 또는 제1 구동 모터(150)가 발전 모드로 동작하고, 제2 구동 모터(160)가 모터링 모드로 동작하는 경우를 정의한다. 이러한 복합 운전 상태(S3)는, 제1 및 제2 입력 전류(IMG1, IMG2)가 모두 0보다 작은 값을 갖는 경우, 상기 발전 동작 상태(S2)로 전환되고, 제1 및 제2 입력 전류(IMG1, IMG2)가 모두 0보다 큰 값을 갖는 경우, 상기 구동 동작 상태(S1)로 전환된다.
이하, 차량의 운전 상태 별로 DC 평활 캐패시터에 흐르는 전류의 리플 성분을 저감하기 위한 PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법을 도 4 내지 도 7을 참조하여 상세히 기술한다.
도 4는 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터가 모두 모터링 모드인 경우, PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, PWM 위상 제어부(170)가 제1 및 제2 입력 전류(IMG1, IMG2)를 입력 받아서, 도 3에서 설명한 상태 전환 조건에 기초해 제1 및 제2 구동 모터(150, 160)의 동작 모드를 판단한다.
상기 동작 모드 판단 결과, 제1 및 제2 구동 모터가 모두 모터링 모드인 경우(차량 배터리의 방전 상태), PWM 위상 제어부(170)가 제1 인버터(130)에 적용되는 제2 PWM 캐리어 신호(ΦINV1 _ CAR)의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖는 제3 PWM 캐리어 신호(ΦINV2 _ CAR)를 제2 인버터(140)에 적용하도록 상기 제2 인버터(140)에 적용되는 제3 PWM 캐리어 신호(ΦINV2 _ CAR)의 위상을 제어한다(S410: ΦINV2 _ CAR = ΦINV1 _ CAR + 180).
이어, PWM 위상 제어부(170)가 도 3의 직류 평활 캐패시터(120)의 양극과 연결되는 노드(N1)에서 분기되는 제1 입력 전류(IMG1)와 제2 입력 전류(IMG2)를 비교한다(S420).
이어, 상기 단계 S420의 비교 결과, 제1 입력 전류(IMG1)가 제2 입력 전류(IMG2)보다 크거나 같은 경우(IMG1 ≥ IMG2), 제1 인버터(130)에 적용되는 상기 제2 PWM 캐리어 신호(ΦINV1 _ CAR)의 위상과 동일한 위상을 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)를 상기 DC-DC 컨버터(110)에 적용하도록 상기 DC-DC 컨버터(110)에 적용되는 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상을 제어한다(S430: ΦHDC _ CAR = ΦINV1 _ CAR).
만일, 상기 단계 S420의 비교 결과, 제1 입력 전류(IMG1)가 제2 입력 전류(IMG2)보다 작은 경우(IMG1 < IMG2), 제1 인버터(130)에 적용되는 상기 제2 PWM 캐리어 신호(ΦINV1 _ CAR)의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)를 상기 DC-DC 컨버터에 적용하도록 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상을 제어한다(S440).
결론적으로, 제1 및 제2 구동 모터가 모두 모터링 모드인 경우에서의 PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법에서는, 상기 DC-DC 컨버터(110: HDC)에 적용되는 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상이 각 인버터(130, 140)에 입력되는 입력 전류(IMG1 , IMG2) 중 큰 값의 입력 전류가 입력되는 인버터에 적용되도록 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상이 제어된다.
도 5는 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드인 경우, PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 먼저, PWM 위상 제어부(170)가 제1 및 제2 입력 전류(IMG1, IMG2)를 입력받아서, 도 3에서 설명한 상태 전환 조건에 기초해 제1 및 제2 구동 모터(150, 160)의 동작 모드를 판단한다.
상기 동작 모드 판단 결과, 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드인 경우(차량 배터리의 충전 상태), PWM 위상 제어부(170)가 제1 인버터(130)에 적용되는 제2 PWM 캐리어 신호(ΦINV1 _ CAR)의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖는 제3 PWM 캐리어 신호(ΦINV2 _ CAR)를 제2 인버터(140)에 적용하도록 상기 제3 PWM 캐리어 신호(ΦINV2_CAR)의 위상을 제어한다(S510: ΦINV2 _ CAR = ΦINV1 _ CAR + 180).
이어, PWM 위상 제어부(170)가 제1 입력 전류(IMG1)와 제2 입력 전류(IMG2)를 비교한다(S520). 이때, 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드인 경우는 차량 배터리의 충전 상태이므로, 도 4의 제1 및 제2 입력 전류의 전류 방향과 도 5의 제1 입력 전류(IMG1)와 제2 입력 전류(IMG2)의 전류 방향은 서로 반대이다. 따라서, 도 5의 제1 입력 전류(IMG1)와 제2 입력 전류(IMG2)는 음의 값으로 표현되고, 이 경우는, 제1 입력 전류(IMG1) 크기의 절대값(|IMG1|)과 제2 입력 전류 크기의 절대값(|IMG2|)을 비교한다.
이어, 상기 단계 S520의 비교 결과, 제1 입력 전류(IMG1)의 절대값(|IMG1|)이 제2 입력 전류(IMG2)의 절대값(|IMG2|)보다 크거나 같은 경우(|IMG1| ≥ |IMG2|), 제1 인버터(130)에 적용되는 상기 제2 PWM 캐리어 신호(ΦINV1 _ CAR)의 위상과 동일한 위상을 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)를 상기 DC-DC 컨버터(110)에 적용하도록 상기 DC-DC 컨버터(110)에 적용되는 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상을 제어한다(S530: ΦHDC _ CAR = ΦINV1 _ CAR).
만일, 상기 단계 S520의 비교 결과, 제1 입력 전류(IMG1)의 절대값(|IMG1|)이 제2 입력 전류(IMG2)의 절대값(|IMG2|)보다 작은 경우, 상기 제2 PWM 캐리어 신호(ΦINV1_CAR)의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)를 상기 DC-DC 컨버터에 적용하도록 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상을 제어한다(S540).
결론적으로, 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드인 경우에서의 PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법에서는, 상기 DC-DC 컨버터(110: HDC)에 적용되는 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상이 각 인버터(130, 140)에 입력되는 입력 전류(IMG1 , IMG2) 중 절대값의 크기가 큰 입력 전류가 입력되는 인버터(130, 140)에 적용되는 PWM 캐리어 신호의 위상에 동기되도록 상기 제1 PWM 캐리어 신호(ΦHDC _ CAR)의 위상이 제어된다.
도 6은 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드인 경우, PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 먼저, PWM 위상 제어부(170)가 제1 및 제2 입력 전류(IMG1, IMG2)를 입력 받아서, 도 3에서 설명한 상태 전환 조건에 기초해 제1 및 제2 구동 모터(150, 160)의 동작 모드를 판단하고, 판단 결과, 제1 및 제2 구동 모터가 서로 다른 모드로 동작하는 경우, 상기 DC-DC 컨버터(110), 제1 인버터(130) 및 제2 인버터(140)에 각각 적용되는 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호가 동일한 위상으로 제어된다(S610).
도 7은 도 2에 도시된 제1 및 제2 구동 모터의 동작 모드 별 상기 DC-DC 컨버터(110), 제1 인버터(130) 및 제2 인버터(140)에 각각 적용되는 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 신호 파형도들이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 구동모터와 제2 구동모터가 서로 다른 동작 모드로 동작하는 상태(State3)에서는, 한 주기(Tsw: PWM Switching Period) 내에서 모든 PWM 캐리어 신호가 동일한 위상을 갖도록 위상 제어되고, 제1 구동모터와 제2 구동모터가 동일한 동작 모드(모터링 동작 모드 또는 발전 동작 모드)로 동작하는 상태(S1 또는 S2)에서는, 제1 인버터(130)에 적용되는 PWM 캐리어 신호의 위상과 제2 인버터(140)의 PWM 캐리어 신호의 위상 간에 180도 위상차가 적용된다.
그리고, 제1 구동모터와 제2 구동모터가 동일한 동작 모드(모터링, 또는 발전)로 동작하고, 제1 구동모터에 입력되는 입력 전류의 크기가 제2 구동모터에 입력되는 입력 전류의 크기보다 작은 경우에는 DC-DC 컨버터(110: HDC)에 적용되는 PWM 캐리어 신호의 위상과 제1 인버터(130: INV1)에 적용되는 PWM 캐리어 신호의 위상 간에 180도의 위상차가 적용된다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 및 제2 구동 모터 각각의 동작 모드(모터링 모드, 발전 모드 또는 동일한 동작 모드)에 따라 고전압 DC/DC 컨버터(High voltage Dc-dc Converter: HDC), 제1 인버터 및 제2 인버터 각각의 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어함으로써, DC-LINK를 형성하는 DC 평활 캐패시터에 흐르는 전류의 리플 성분을 줄이고, 이로 인해 DC 평활 캐패시터의 사이즈(또는 정전용량)를 줄일 수 있게 된다.

Claims (20)

  1. 제1 PWM(Pulse Width Modulation Carrier) 캐리어(carrier) 신호를 적용한 펄스 폭 변조(PWM) 방식에 따라 차량 배터리의 저전압 직류 전원을 고전압 직류 전원으로 변환하는 DC-DC 컨버터;
    제2 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제1 교류 전원을 변환하고, 변환된 상기 제1 교류 전원에 따라, 차량을 구동시키기 위한 모터링 모드(motoring mode) 및 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode) 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제1 구동 모터를 구동시키는 제1 인버터;
    제3 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하고, 변환된 상기 제2 교류 전원에 따라, 상기 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제2 구동 모터를 구동시키는 제2 인버터; 및
    상기 제1 및 제2 구동 모터의 동작 모드가 모두 상기 모터링 모드인 경우, 모두 상기 발전 모드인 경우 또는 서로 다른 동작 모드인 경우에 따라, 제1 및 제2 PWM 캐리어 신호의 위상을 동일한 위상으로 제어하는 방식, 상기 제1 PWM 캐리어 신호의 위상을 상기 제2 PWM 캐리어 신호의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖도록 제어하는 방식 및 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 모두 동일한 위상으로 제어하는 방식 중에서 어느 하나의 제어 방식으로 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어하는 PWM 위상 제어부;
    를 포함하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PWM 위상 제어부는,
    상기 제1 및 제2 구동 모터가 모두 모터링 모드로 동작하는 경우, 상기 제2 PWM 캐리어 신호의 위상과 동일한 위상을 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호를 상기 DC-DC 컨버터에 적용함을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 상기 제1 및 제2 인버터의 입력단에 각각 연결하는 직류 평활 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제1 인버터의 입력단에 입력되는 제1 입력 전류의 크기는 상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제2 인버터의 입력단에 입력되는 제2 입력 전류의 크기보다 큰 것임을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 PWM 위상 제어부는,
    상기 제1 및 제2 구동 모터가 모두 모터링 모드로 동작하는 경우, 상기 제2 PWM 캐리어 신호의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호를 상기 DC-DC 컨버터에 적용함을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 상기 제1 및 제2 인버터의 입력단에 각각 연결하는 직류 평활 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제1 인버터의 입력단에 입력되는 제1 입력 전류의 크기는 상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제2 인버터의 입력단에 입력되는 제2 입력 전류의 크기보다 작은 것임을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 PWM 위상 제어부는,
    상기 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드로 동작하는 경우, 상기 제2 PWM 캐리어 신호의 위상과 동일한 위상을 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호를 상기 DC-DC 컨버터에 적용함을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 상기 제1 및 제2 인버터의 입력단에 각각 연결하는 직류 평활 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제1 인버터의 입력단에 입력되는 제1 입력 전류의 절대값은 상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제2 인버터의 입력단에 입력되는 제2 입력 전류의 절대값보다 큰 것 인임을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 PWM 위상 제어부는,
    상기 제1 및 제2 구동 모터가 모두 발전 모드로 동작하는 경우, 상기 제2 PWM 캐리어 신호의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖는 상기 제1 PWM 캐리어 신호를 상기 DC-DC 컨버터에 적용함을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터의 출력단을 상기 제1 및 제2 인버터의 입력단에 각각 연결하는 직류 평활 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제1 인버터의 입력단에 입력되는 제1 입력 전류의 절대값은 상기 직류 평활 캐패시터를 거쳐 상기 제2 인버터의 입력단에 입력되는 제2 입력 전류의 절대값보다 작음을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 PWM 위상 제어부는,
    상기 제1 및 제2 구동 모터가 서로 다른 동작 모드로 동작하는 경우, 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호를 동일한 위상으로 제어함을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템.
  11. 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템에서 PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법에 있어서,
    DC-DC 컨버터에서, 제1 PWM(Pulse Width Modulation Carrier) 캐리어(carrier) 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 차량 배터리의 저전압 직류 전원을 고전압 직류 전원으로 변환하는 단계;
    제1 인버터에서, 제2 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제1 교류 전원을 변환하고, 변환된 상기 제1 교류 전원에 따라, 차량을 구동시키기 위한 모터링 모드(motoring mode) 및 차량의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위한 발전 모드(regenerative mode) 중 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제1 구동 모터를 구동시키는 단계;
    제2 인버터에서, 제3 PWM 캐리어 신호를 적용한 PWM 방식에 따라 상기 고전압 직류 전원을 제2 교류 전원으로 변환하고, 변환된 상기 제2 교류 전원에 따라, 상기 어느 하나의 동작 모드로 동작하는 제2 구동 모터를 구동시키는 단계; 및
    PWM 위상 제어부에서, 상기 제1 및 제2 구동 모터의 동작 모드가 모두 상기 모터링 모드인 경우, 모두 상기 발전 모드인 경우 또는 서로 다른 동작 모드인 경우에 따라, 제1 및 제2 PWM 캐리어 신호의 위상을 동일한 위상으로 제어하는 방식, 상기 제1 PWM 캐리어 신호의 위상을 상기 제2 PWM 캐리어 신호의 위상에 대해 180도의 위상차를 갖도록 제어하는 방식 및 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 모두 동일한 위상으로 제어하는 방식 중에서 어느 하나의 제어 방식으로 상기 제1 내지 제3 PWM 캐리어 신호의 위상을 독립적으로 제어하는 단계;
    를 포함하는 하이브리드 전기 차량의 구동 시스템에서 PWM 캐리어 신호의 위상 제어 방법.
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