KR20180011426A - 자동차의 교류 전력 송전 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 교류 전력 송전 시스템 및 방법에 관한 것으로, 외부 동력원으로부터의 교류 전력을 공급받아 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력하는 전력 송전부, 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 대전력 부하장치로 공급하는 제1 전력 변환부, 및 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급하는 제2 전력 변환부를 포함하여 구성되는바, 교류 전력원을 통해 공급되는 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 온보드를 비롯한 전기 장치와 변전기기 등으로 송전함으로써, 교류 전력을 동력으로도 사용하고 전기 장치들의 동작 범위를 확장시켜 이용할 수 있도록 하여 전력 공급 효율성을 더 높일 수 있는 효과를 이룰 수 있다.
Description
본 발명은 자동차의 전력 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 교류 전력원을 통해 공급되는 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 온보드를 비롯한 전기 장치와 변전기기 등으로 송전함으로써 교류 전력을 동력으로도 사용하고 전기 장치들의 동작 범위를 확장시켜 이용할 수 있도록 하여 전력 공급 효율성을 더 높일 수 있는 교류 전력 송전 시스템 및 방법에 관한 것이다.
현재 양산 차량의 전력 공급 및 지원 체계는 직류 전원을 기반으로 하는 직류 전력 공급 시스템으로 이루어지고 있다.
근래에는 신 재생 대체 에너지원, 다양한 온보드 전장 부하, 각 전기 장치들의 서로 다른 부하에 따른 변압기기 및 다양한 옵션 기기들이 증가 되면서, 각각 서로 다른 레벨의 전력을 공급하기 위한 구동 전압의 전력 시스템 구현을 위해 차량 내 여러 개의 승압/강압 직류 컨버터 등이 추가로 요구되고 있다.
승압/강압 직류 컨버터를 비롯한 변전기기와 트랜스포머 등의 변전 소자들은 전기 장치들의 구동 전압 레벨들에 따라 다양한 종류로 다수 구성되어야 한다.
하지만, 변전 소자, 트랜스포머 등을 포함한 다수의 변전기기나 장치들이 추가로 구성되면 그에 따른 각종 커넥터와 배선 등의 부품 수가 증가하게 되고, 차량의 설계 난이도 및 배선 복잡도, 비용 및 차량 중량 등이 더불어서 증가하게 되는 문제가 발생하게 된다.
또한, 저전압 송전 시에는 고전압 송전 대비 배선 상 전송 선로 손실이 증가하기도 하고, 송배전 경로 상에서 직류 컨버터를 많이 경유할수록 전력의 전달 효율도 저하되거나 악화 되므로 전체적으로는 자동차들의 전력 전달/분배 효율이 저하될 수밖에 없는 다양한 문제들이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 교류 전력원을 통해 공급되는 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 온보드를 비롯한 전기 장치와 변전기기 등으로 송전함으로써 교류 전력을 동력으로도 사용하고 전기 장치들의 동작 범위를 확장시켜 이용할 수 있도록 하여 전력 공급 효율성을 더 높일 수 있는 교류 전력 송전 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
특히, 본 발명의 자동차의 교류 전력 송전 시스템 및 방법을 통해서는 전력의 승압 또는 강압을 위한 전압 변환 설계가 용이해지도록 하여 차량의 전장계 고장 진단 및 원인 검출이 더욱 용이해지도록 하며, 승/강압을 위한 직류 컨버터 대신 고주파 트랜스포머를 사용하여 단순 권선 비에 의한 전압 변환이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.
아울러, 전력 공급계의 회로 모듈(L,C, Transformer) 사이즈를 축소시켜 경량화를 이루도록 하되, 추가적으로는 주파수가 높을수록 트랜스포머 사이즈 축소, 경량화, DC 전압으로 정류가 용이해지도록 하여 고주파 전류의 배선 경량화가 가능해지도록 함에 그 목적이 있다.
트랜스포머 등의 변압기기 사용시에는 DC 컨버터 효율(85%) 대비 전력 변환 효율 향상(97~99%)시키도록 함으로써 각 변압기기의 전력 출력단으로 다양한 가전제품, 차량용 전장부하와 인터페이스 가능하도록 하여 부하 확장성을 높이는데 그 목적이 이 있다. 이렇게 트랜스포머 사용하면 고전압 파워넷의 절연 성능이 확보(Galvanic Isolation)되고, 고정 RPM의 DC 모터를 작은 사이즈의 AC 모터로 교체 가능하여 효율적인 옵션 사양 운영이 가능하도록 함과 아울러, 신규 전력 소스원인 발전 소스에 대한 토폴로지 대응력 높이는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 다양한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 교류 전력 송전 시스템은 외부 동력원으로부터의 교류 전력을 공급받아 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력하는 전력 송전부, 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 대전력 부하장치로 공급하는 제1 전력 변환부, 및 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급하는 제2 전력 변환부를 포함한다.
이와 아울러, 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 모터로 공급하는 제3 전력 변환부, 및 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 공급하는 제n 전력 변환부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
전력 송전부는 AC-AC 컨버터 동작을 수행하도록 구성되는바, 동력원으로부터 입력되는 교류 파형의 입력 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류 회로부, 외부로부터의 폭 변조 신호에 응답하여 상기 정류 회로부의 직류 신호가 직사각 교류 파형으로 스윙 되도록 상기 정류 회로부의 직류 신호를 스위칭시켜 출력하는 펄스 폭 변조 스위칭 회로, 및 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 통해 출력되는 직사각 교류 파형의 전압 레벨을 승압 또는 강압하여 변환 출력하는 트랜스포머 회로부를 포함한다.
전력 송전부는 12Vrms 내지 220Vrms 중 어느 한 레벨의 교류 전압을 제공받아서 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형을 출력하는 것을 특징으로 한다.
제1 전력 변환부는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부와 연결되어 구성됨으로써, 상기 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받고, 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 구동계의 대전력 부하장치로 제공한다.
제2 전력 변환부는 플랫 케이블 타입으로 상기 전력 송전부와 연결되어 구성됨으로써, 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받고, 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 전기장치로 제공한다.
또한, 상기와 같은 다양한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 교류 전력 송전 방법은 외부 동력원으로부터의 교류 전력을 전력 송전부로 공급받고 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력하는 전력 송전단계, 상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제1 전력 변환부에서 변환하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 대전력 부하장치로 공급하는 제1 전력 변환단계, 및 상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제2 전력 변환부에서 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급하는 제2 전력 변환단계를 포함한다.
이와 아울러, 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제3 전력 변환부에서 변환하여 적어도 하나의 모터로 공급하는 제3 전력 변환단계, 및 상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제n 전력 변환부에서 변환하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 공급하는 제n 전력 변환단계를 더 포함한다.
전력 송전단계는 정류 회로부를 포함하는 AC-AC 컨버터 구성을 이용하여 상기 동력원으로부터 입력되는 교류 파형의 입력 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류 단계, 외부로부터의 폭 변조 신호에 응답하여 상기 정류 회로부의 직류 신호가 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 이용해 정류 회로부의 직류 신호를 스위칭시켜 출력하는 펄스 폭 변조 스위칭 단계, 및 트랜스포머 회로부 구성으로 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 통해 출력되는 직사각 교류 파형의 전압 레벨을 승압 또는 강압하여 변환 출력하는 단계를 포함한다.
아울러, 전력 송전단계는 12Vrms 내지 220Vrms 중 어느 한 레벨의 교류 전압을 제공받아서 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형을 출력하는 것을 특징으로 한다.
제1 전력 변환단계는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부와 연결되어 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받는 단계, 및 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 대전력 부하장치로 제공하는 단계를 포함한다.
제2 전력 변환단계는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부와 연결되어 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받는 단계, 및 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 전기장치로 제공하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 기술 특징들을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 교류 전력 송전 시스템 및 방법은 교류 전력원을 통해 공급되는 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 온보드를 비롯한 전기 장치와 변전기기 등으로 송전함으로써 교류 전력을 동력으로도 사용하고 전기 장치들의 동작 범위를 확장시켜 이용할 수 있도록 하여 전력 공급 효율성을 더 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 전력의 승압 또는 강압을 위한 전압 변환 설계가 용이해지도록 할 수 있으며, 차량의 전장계 관련 고장 진단 및 원인 검출 과정이 단순해지도록 함과 아울러, 승/강압을 위한 직류 컨버터 대신 고주파 트랜스포머를 사용하여 단순 권선 비에 의한 전압 변환이 가능해지도록 할 수 있다.
이와 아울러, 전력 공급계의 회로 모듈 사이즈를 축소시켜 경량화를 이루도록 할 수 있으면서도 추가적으로는 주파수가 높을수록 트랜스포머 사이즈 축소, 경량화, DC 전압으로 정류가 용이해지도록 하여 고주파 전류의 배선 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
트랜스포머 등의 변압기기 사용시에는 DC 컨버터 효율(85%) 대비 전력 변환 효율 향상(97~99%)시키도록 함으로써 각 변압기기의 전력 출력단으로 다양한 가전제품, 차량용 전장부하와 인터페이스 가능하도록 하여 부하 확장성을 높일 수 있는 효과가 있다.
전술한 바와 같이, 트랜스포머 사용하면 고전압 파워넷 절연 성능이 확보되고, 고정 RPM의 DC 모터를 작은 사이즈의 AC 모터로 교체 가능하여 효율적인 옵션 사양 운영이 가능하도록 함과 아울러, 신규 전력 소스원인 발전 소스에 대한 토폴로지 대응력 높일 수 있는 효과들이 있다.
특히, 차량의 온보드 동작 전압 범위 확장성, 파워넷 부품 경량화, 플랫폼 공용화 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 혁신적인 아키텍처 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 교류 전력 송전 시스템을 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 송전부를 구체적으로 나타낸 회로 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 적어도 하나의 전력 변환부를 구체적으로 나타낸 회로 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 송전부의 입출력 신호와 전력의 파형을 나타낸 파형도이다.
도 5는 도 1에 도시된 전력 송전부를 구체적으로 나타낸 다른 회로 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전력 송전부의 입출력 신호와 전력의 파형을 나타낸 다른 파형도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 송전부를 구체적으로 나타낸 회로 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 적어도 하나의 전력 변환부를 구체적으로 나타낸 회로 블록도이다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 송전부의 입출력 신호와 전력의 파형을 나타낸 파형도이다.
도 5는 도 1에 도시된 전력 송전부를 구체적으로 나타낸 다른 회로 블록도이다.
도 6은 도 5에 도시된 전력 송전부의 입출력 신호와 전력의 파형을 나타낸 다른 파형도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 교류 전력 송전 시스템을 구체적으로 나타낸 구성 블록도이다.
도 1에 도시된 교류 전력 송전 시스템은 모터나 엔진 등의 동력원(100), 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력하는 전력 송전부(200), 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 대전력의 부하장치, 적어도 하나의 전기장치, 서로 다른 전압 레벨의 소전력 부하장치 등으로 공급하는 적어도 하나의 전력 변환부(300, 400, 500, 600)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 교류 전력 송전 시스템의 경우는 모터나 엔진 등의 동력원(100)으로부터 발생된 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력하는 전력 송전부(200), 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 구동 모터 등의 대전력 부하장치로 공급하는 제1 전력 변환부(300), 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급하는 제2 전력 변환부(400), 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 모터로 공급하는 제3 전력 변환부(500), 및 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 공급하는 제 n 전력 변환부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
모터나 엔진 등을 포함하여 구성된 각각의 동력원(100)은 구동축에서 발생된 토크 즉, 회전 동력에 따른 전기 에너지를 생성하여 전력 송전부(200)로 제공한다. 이를 위해, 동력원(100)은 계자 권선형 동기전동기 등을 더 구비하여 구성되기도 하며 이때는 3상의 교류 전력을 전력 송전부(200)로 제공하게 된다. 즉, 계자 권선형 동기전동기의 경우는 3상(U.V,W)의 결선에서 각 상(U.V,W)이 공통으로 접속되어 있는 결선점에서의 교류 전력을 전력 송전부(200)로 제공하기도 한다.
전력 공급원인 동력원(100)은 12Vrms 내지 220Vrms, AC 전압으로 다양한 범위의 전압을 입력 전압으로 공급하게 된다.
이에, 전력 송전부(200)는 모터나 엔진 등의 동력원(100)으로부터 발생된 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력한다.
구형파의 교류 전력은 50%, 또는 50% 전후의 어느 한 듀티 비(Duty ratio)로 그 파형이 스윙하는 교류 형태의 전력으로써, 그 전압 레벨은 입력 전압의 레벨(예를 들어, 구형파 교류 전력의 전압레벨)에 따라 정극성(+) 전압 레벨의 범위에서 로우 전압과 하이 전압으로 스윙하기도 한다. 아울러, 입력 전압의 레벨(예를 들어, 구형파 교류 전력의 전압레벨)에 따라 정극성(+) 및 부극성(-) 전압 레벨의 범위에서 로우 전압과 하이 전압으로 스윙하기도 한다.
다시 말해, 구형파 교류 전력의 전압 레벨은 입력 전압의 주파수에 따라서 동일 주파수로 로우 및 하이 레벨로 스윙하게 되는바, 그 구형파 파형은 직각 형태의 펄스 파형이 될 수도 있고 필요에 따라서는 삼각파나 톱니파 등으로 가변되기도 한다. 하지만, 본 발명에서의 구형파 파형은 직각 사각 형태의 펄스 파형으로 발생됨이 바람직하다.
전력 송전부(200)는 AC-AC 컨버터 구성으로써 직류 파형을 생성해주는 정류 회로, 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 회로(50kHz), 입력 DC 전압을 승/강압 변환하는 트랜스포머 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 전력 송전부(200)는 12Vrms 내지 220Vrms 크기로 입력되는 AC 전압의 레벨과 주파수 및 파형에 따라 출력되는 구형파 교류 전력의 스윙 전압 레벨을 가변시켜 출력하기도 한다. 전력 송전부(200)의 구성과 동작에 대해서는 이후에 첨부된 도면들을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
제1 전력 변환부(300)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 이러한 제1 전력 변환부(300)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력의 전압 레벨을 변환하여 적어도 하나의 구동 모터 등 구동계의 대전력 부하장치로 공급한다.
다시 말해, 제1 전력 변환부(300)는 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형의 교류 전력을 전력 송전부(200)로부터 제공받는다. 그리고 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 구동 모터 등 구동계의 대전력 부하장치로 각각 제공할 수 있다.
제2 전력 변환부(400)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 제2 전력 변환부(400)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급한다.
구체적으로, 제2 전력 변환부(400)는 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형의 교류 전력을 전력 송전부(200)로부터 제공받는다. 그리고 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 전기장치로 각각 제공할 수 있다.
제3 전력 변환부(500)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 제3 전력 변환부(500)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 모터로 공급한다.
다시 말해, 제3 전력 변환부(500)는 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형의 교류 전력을 전력 송전부(200)로부터 제공받는다. 그리고 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 모터로 각각 제공할 수 있다.
제n 전력 변환부(600)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 제n 전력 변환부(600)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 각각 공급한다.
제n 전력 변환부(600)는 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형의 교류 전력을 전력 송전부(200)로부터 제공받는다. 그리고 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 각각 제공할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 송전부를 구체적으로 나타낸 회로 블록도이다. 그리고 도 3은 도 1에 도시된 적어도 하나의 전력 변환부를 구체적으로 나타낸 회로 블록도이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 전력 송전부(200)는 AC-AC 컨버터 구성으로써 동력원(100)으로부터 입력되는 교류 파형의 입력 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류 회로부(210), 외부로부터의 폭 변조 신호(PWM control) 신호에 응답하여 정류 회로부(210)의 직류 신호가 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 정류 회로부(210)의 직류 신호를 스위칭시켜 출력하는 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭 회로(50kHz), 및 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 통해 출력되는 직사각 교류 파형의 전압 레벨을 승압 또는 강압하여 변환 출력하는 트랜스포머 회로부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 전력 송전부(200)는 12Vrms~220Vrms의 AC 전압을 제공받아서 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력, 등 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형을 출력하게 된다. 이때의 스윙되는 전압 레벨과 주파수 및 스윙 폭은 입력되는 AC 전압의 레벨과 주파수 및 파형에 따라 가변되기도 한다.
도 3을 참조하면, 제1 전력 변환부(300)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 이러한 제1 전력 변환부(300)는 필요에 따라 보조 전압원을 더 구비하여 구성될 수 있으며, 보조 전압원을 선택적으로 이용하기 위한 스위칭 회로 구조를 더 포함하여 구성될 수도 있다. 이때, 제1 전력 변환부(300)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력의 전압 레벨을 변환하여 적어도 하나의 구동 모터 등 구동계의 대전력 부하장치로 공급하기도 하고 필요에 따라 보조 전압원을 충전시키기도 한다.
특히, 제1 전력 변환부(300)는 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형의 교류 전력을 전력 송전부(200)로부터 제공받는다. 그리고 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 구동 모터 등 구동계의 대전력 부하장치로 각각 제공할 수 있다.
한편으로, 제2 전력 변환부(400)는 도 3과 같이 적어도 하나의 변압기 구조로 LC 회로 모듈(L,C, Transformer)이나 트랜스포머 등의 구성을 구비하여 구성되기도 한다. 이러한 제2 전력 변환부(400)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 제2 전력 변환부(400)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급한다. 구체적으로, 제2 전력 변환부(400)는 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형의 교류 전력을 전력 송전부(200)로부터 제공받는다. 그리고 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 전기장치로 각각 제공할 수 있다.
한편, 제3 전력 변환부(500)는 적어도 하나의 정류 회로를 포함하여 LC 회로 모듈(L,C, Transformer)을 구비하여 구성될 수 있다. 이러한 제3 전력 변환부(500)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 제3 전력 변환부(500)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 모터로 공급한다.
제n 전력 변환부(600)는 적어도 하나의 변압기 구조로 LC 회로 모듈(L,C, Transformer)이나 트랜스포머 등의 구성을 구비하여 구성되기도 한다. 이러한 제n 전력 변환부(600)는 플랫 케이블 타입으로 전력 송전부(200)와 연결되어 구성될 수 있다. 제n 전력 변환부(600)는 전력 송전부(200)로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 각각 공급한다.
도 4는 도 2에 도시된 전력 송전부의 입출력 신호와 전력의 파형을 나타낸 파형도이다.
도 4와 함께 도 2를 참조하여, 전력 송전부(200)의 직사각 교류 파형 출력 방식을 설명하면 다음과 같다.
전력 송전부(200)는 모터나 엔진 등의 동력원(100)으로부터 교류 파형의 교류 전력(AC1)이 입력되면, 정류 회로부(210)를 통해서 입력되는 교류 파형의 입력 전압을 직류 전압(ADC1)으로 정류한다.
그리고 50% 또는 50% 전후의 어느 한 듀티 비(Duty ratio)로 그 파형이 스윙하는 펄스 폭 변조 신호에 따라 펄스 폭 변조 스위칭 회로(50kHz)의 스위치들(SW1.SW2)를 각각 스위칭하여, 직사각 교류 파형의 스윙 전압(SDC2)을 생성하고 이를 트랜스포머 회로부(230)로 공급한다.
트랜스포머 회로부(230)는 직사각 교류 파형의 스윙 전압(SDC2) 레벨을 외부로부터 입력되는 기준 전압의 레벨에 따라 직사각 교류 파형의 전압 레벨을 승압 또는 강압하여 변환 출력하게 된다.
이렇게 전력 송전부(200)는 12Vrms 내지 220Vrms의 AC 전압을 제공받아서 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력, 등 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형을 출력할 수 있게 된다.
도 5는 도 1에 도시된 전력 송전부를 구체적으로 나타낸 다른 회로 블록도이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 전력 송전부(200)는 AC-AC 컨버터 구성으로써 서로 다른 전압 레벨을 입력하는 다수의 동력원(Grid Power, HSG, M/G, ALT, RF siurce), 전원 소스 선택부(250), 복수의 펄스 폭 변조 스위칭 회로(260, 271, 272, 273), 정류 회로부, 트랜스포머 회로부(280) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 전력 송전부(200)의 전원 소스 선택부(250)는 서로 다른 전압 레벨을 입력하는 다수의 동력원(Grid Power, HSG, M/G, ALT, RF siurce)로부터 각각 입력되는 다수 레벨의 입력 전압 중 하나의 전압을 선택 출력한다.
정류 회로부는 전원 소스 선택부(250)에서 선택된 입력 전압을 직류 전압으로 정류하나, 도 5의 회로 구조에서는 구성되지 않을 수도 있다.
제1 펄스 폭 변조 스위칭 회로(260)는 외부로부터의 폭 변조 신호(PWM control) 신호에 응답하여 정류 회로부의 직류 신호가 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 스위칭시켜 트랜스포머 회로부(280)로 공급한다.
반면, 제2 펄스 폭 변조 스위칭 회로(271)는 외부로부터의 폭 변조 신호(PWM control) 신호에 응답하여 정류 회로부의 직류 신호가 48V dc 레벨의 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 스위칭시켜 트랜스포머 회로부(280)로 공급한다.
제3 펄스 폭 변조 스위칭 회로(272)는 외부로부터의 폭 변조 신호(PWM control) 신호에 응답하여 정류 회로부의 직류 신호가 12V dc 레벨의 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 스위칭시켜 트랜스포머 회로부(280)로 공급한다.
제4 펄스 폭 변조 스위칭 회로(273)는 외부로부터의 폭 변조 신호(PWM control) 신호에 응답하여 정류 회로부의 직류 신호가 5V dc 레벨의 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 스위칭시켜 트랜스포머 회로부(280)로 공급한다.
도 5에 도시된 트랜스포머 회로부(280)의 경우는 제1 내지 제4 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 통해 각각 입력되는 서로 다른 직사각 교류 파형의 전압 레벨 각각을 승압 또는 강압하여 변환 출력한다.
도 6은 도 5에 도시된 전력 송전부의 입출력 신호와 전력의 파형을 나타낸 다른 파형도이다.
도 6과 함께 도 5를 참조하여, 또 다른 구조의 전력 송전부(200)를 이용한 직사각 교류 파형 출력 방식을 설명하면 다음과 같다.
전력 송전부(200)는 모터나 엔진 등의 다양한 동력원(100)으로부터 교류 파형의 교류 전력(AC1)이 입력되면, 이 중 하나의 입력 전압을 선택하여 정류 회로부로 공급함으로써 정류 회로부를 통해 교류 파형의 입력 전압을 직류 전압으로 정류할 수도 있다.
그리고 50% 또는 50% 전후의 어느 한 듀티 비(Duty ratio)로 그 파형이 스윙하는 펄스 폭 변조 신호에 따라 펄스 폭 변조 스위칭 회로(50kHz)의 스위치들(SW1.SW2)를 각각 스위칭하여, 직사각 교류 파형의 스윙 전압(SDC2)을 생성하고 이를 트랜스포머 회로부(280)로 공급한다.
제1 내지 제4 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 통해서는 원하는 전압 레벨의 직사각 교류 파형을 얻을 수 있도록 제어할 수 있다.
트랜스포머 회로부(280)는 직사각 교류 파형의 스윙 전압(SDC2) 레벨을 외부로부터 입력되는 기준 전압의 레벨에 따라 직사각 교류 파형의 전압 레벨을 승압 또는 강압하여 변환 출력하게 된다.
이렇게 전력 송전부(200)는 12Vrms 내지 220Vrms의 AC 전압을 제공받아서 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력, 등 +100V 내지 -100V 전압 레벨(100Vpeak to peak, 100Vpp)등의 직사각 교류 파형을 출력할 수 있게 된다.
상기와 같은 기술 특징들을 갖는 본 발명의 실시 예에 따른 자동차의 교류 전력 송전 시스템 및 방법은 교류 전력원을 통해 공급되는 교류 전력을 구형파의 교류 전력으로 변환하여 온보드를 비롯한 전기 장치와 변전기기 등으로 송전함으로써 교류 전력을 동력으로도 사용하고 전기 장치들의 동작 범위를 확장시켜 이용할 수 있도록 하여 전력 공급 효율성을 더 높일 수 있다.
또한, 전력의 승압 또는 강압을 위한 전압 변환 설계가 용이해지도록 할 수 있으며, 차량의 전장계 고장 진단 및 원인 검출이 용이해지도록 함과 아울러, 승/강압을 위한 직류 컨버터 대신 고주파 트랜스포머를 사용하여 단순 권선 비에 의한 전압 변환이 용이해지도록 할 수 있다.
이와 아울러, 전력 공급계의 회로 모듈 사이즈를 축소시켜 경량화를 이루도록 할 수 있으면서도 추가적으로는 주파수가 높을수록 트랜스포머 사이즈 축소, 경량화, DC 전압으로 정류가 용이해지도록 하여 고주파 전류의 배선 경량화를 이룰 수 있다.
트랜스포머 등의 변압기기 사용시에는 DC 컨버터 효율(85%) 대비 전력 변환 효율 향상(97~99%)시키도록 함으로써 각 변압기기의 전력 출력단으로 다양한 가전제품, 차량용 전장부하와 인터페이스 가능하도록 하여 부하 확장성을 높일 수 있는 효과가 있다. 이와 같이, 트랜스포머 사용하면 고전압 파워넷 절연 성능이 확보되고, 고정 RPM의 DC모터를 작은 사이즈의 AC 모터로 교체 가능하여 효율적인 옵션 사양 운영이 가능하도록 함과 아울러, 신규 전력 소스원인 발전 소스에 대한 토폴로지 대응력 높일 수 있다.
특히, 차량의 온보드 동작 전압 범위 확장성, 파워넷 부품 경량화, 플랫폼 공용화 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 혁신적인 아키텍처 기술을 제공할 수 있다.
100: 동력원
200: 전력 송전부
210: 정류 회로부
220: 펄스 폭 변조 스위칭 회로
230: 트랜스포머 회로부
300: 제1 전력 변환부
400: 제2 전력 변환부
500: 제3 전력 변환부
600: 제4 전력 변환부
200: 전력 송전부
210: 정류 회로부
220: 펄스 폭 변조 스위칭 회로
230: 트랜스포머 회로부
300: 제1 전력 변환부
400: 제2 전력 변환부
500: 제3 전력 변환부
600: 제4 전력 변환부
Claims (12)
- 외부 동력원으로부터의 교류 전력을 공급받아 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력하는 전력 송전부;
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 대전력 부하장치로 공급하는 제1 전력 변환부; 및
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급하는 제 2 전력 변환부;
를 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 적어도 하나의 모터로 공급하는 제3 전력 변환부; 및
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 변환하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 공급하는 제 n 전력 변환부;
를 더 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전력 송전부는
AC-AC 컨버터 구성으로써 상기 동력원으로부터 입력되는 교류 파형의 입력 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류 회로부;
외부로부터의 폭 변조 신호에 응답하여 상기 정류 회로부의 직류 신호가 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 상기 정류 회로부의 직류 신호를 스위칭시켜 출력하는 펄스 폭 변조 스위칭 회로; 및
상기 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 통해 출력되는 직사각 교류 파형의 전압 레벨을 승압 또는 강압하여 변환 출력하는 트랜스포머 회로부;
를 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 시스템.
- 제 1 항 있어서,
상기 전력 송전부는
12Vrms 내지 220Vrms 중 어느 한 레벨의 교류 전압을 제공받아서 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형을 출력하는 자동차의 교류 전력 송전 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전력 변환부는
플랫 케이블 타입으로 상기 전력 송전부와 연결되어 구성됨으로써, 상기 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받고,
상기 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 구동계의 대전력 부하장치로 제공하는 자동차의 교류 전력 송전 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2 전력 변환부는
플랫 케이블 타입으로 상기 전력 송전부와 연결되어 구성됨으로써,
상기 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받고,
상기 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 전기장치로 제공하는 자동차의 교류 전력 송전 시스템.
- 외부 동력원으로부터의 교류 전력을 전력 송전부로 공급받고 구형파의 교류 전력으로 변환하여 출력하는 전력 송전단계;
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제1 전력 변환부에서 변환하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 대전력 부하장치로 공급하는 제1 전력 변환단계; 및
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제2 전력 변환부에서 변환하여 적어도 하나의 전기장치로 공급하는 제 2 전력 변환단계;
를 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제3 전력 변환부에서 변환하여 적어도 하나의 모터로 공급하는 제3 전력 변환단계; 및
상기 전력 송전부로부터 송전되는 구형파 교류 전력 레벨을 제n 전력 변환부에서 변환하여 서로 다른 전압 레벨의 부하장치들로 공급하는 제n 전력 변환단계;
를 더 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 전력 송전단계는
정류 회로부를 포함하는 AC-AC 컨버터 구성을 이용하여 상기 동력원으로부터 입력되는 교류 파형의 입력 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류 단계;
외부로부터의 폭 변조 신호에 응답하여 상기 정류 회로부의 직류 신호가 직사각 교류 파형으로 스윙되도록 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 이용해 상기 정류 회로부의 직류 신호를 스위칭시켜 출력하는 펄스 폭 변조 스위칭 단계; 및
트랜스포머 회로부 구성으로 상기 펄스 폭 변조 스위칭 회로를 통해 출력되는 직사각 교류 파형의 전압 레벨을 승압 또는 강압하여 변환 출력하는 단계;
를 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 방법.
- 제 7 항 있어서,
상기 전력 송전단계는
12Vrms 내지 220Vrms 중 어느 한 레벨의 교류 전압을 제공받아서 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형을 출력하는 것을 특징으로 하는 자동차의 교류 전력 송전 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제1 전력 변환단계는
플랫 케이블 타입으로 상기 전력 송전부와 연결되어 상기 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받는 단계; 및
상기 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 구동 모터를 포함하는 대전력 부하장치로 제공하는 단계;
를 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제2 전력 변환단계는
플랫 케이블 타입으로 상기 전력 송전부와 연결되어 상기 전력 송전부로부터 100Vpp, 50kHz 사각 파형의 교류 전력 또는 +100V 내지 -100V 사이의 어느 한 전압 레벨로 스윙하는 직사각 교류 파형의 교류 전력을 제공받는 단계; 및
상기 직사각 교류 파형의 교류 전력 레벨을 승압 또는 강압하여 적어도 하나의 전기장치로 제공하는 단계;
를 포함하는 자동차의 교류 전력 송전 방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020160093491A KR20180011426A (ko) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 자동차의 교류 전력 송전 시스템 및 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020160093491A KR20180011426A (ko) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 자동차의 교류 전력 송전 시스템 및 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20180011426A true KR20180011426A (ko) | 2018-02-01 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160093491A Ceased KR20180011426A (ko) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | 자동차의 교류 전력 송전 시스템 및 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20180011426A (ko) |
-
2016
- 2016-07-22 KR KR1020160093491A patent/KR20180011426A/ko not_active Ceased
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| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20160722 |
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| PA0201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20180102 Patent event code: PE09021S01D |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Final Notice of Reason for Refusal Patent event date: 20180306 Patent event code: PE09021S02D |
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20180905 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20180306 Comment text: Final Notice of Reason for Refusal Patent event code: PE06011S02I Patent event date: 20180102 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| E801 | Decision on dismissal of amendment | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20181010 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20180306 Comment text: Final Notice of Reason for Refusal Patent event code: PE06011S02I Patent event date: 20180102 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |
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| PE0801 | Dismissal of amendment |
Patent event code: PE08012E01D Comment text: Decision on Dismissal of Amendment Patent event date: 20181010 Patent event code: PE08011R01I Comment text: Amendment to Specification, etc. Patent event date: 20181005 Patent event code: PE08011R01I Comment text: Amendment to Specification, etc. Patent event date: 20180504 Patent event code: PE08011R01I Comment text: Amendment to Specification, etc. Patent event date: 20180228 |