KR101929433B1 - 터치 전류를 추정하고 그러한 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치 및 방법 - Google Patents

터치 전류를 추정하고 그러한 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터치 전류들로부터의 전기 기기(3)의 보호에 관한 것이며, 상기 기기(3)는 전력 소스 및 자동차용 차량(1)의 보드 상의 장치 사이에 접속되도록 의도된다. 본 발명은 상기 전기 기기(3)의 전기 접속 라인들(4a,4b,4c,8)에 접속되도록 의도된, 누설 전류들을 검출하고 터치 전류들을 추정하는 회로(9), 프레임 전류를 측정하는 회로(14), 및 터치 전류들의 추정 레벨 및 프레임 전류의 측정 레벨에 따라 상기 전기 기기(3)의 동작을 제어하는 수단(11)을 구현한다. 본 발명은 하이브리드 또는 전기적으로 구동된 자동차용 차량의 충전시 누설 전류들로부터 보호하는데 사용될 수 있다.

Description

터치 전류를 추정하고 그러한 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치 및 방법{Device and method for estimating a touch current and protecting an electrical apparatus against such touch currents}
본 발명은 누설 전류들로부터의 전기 기기의 보호에 관한 것이며 좀더 구체적으로 기술하면 배터리 충전기가 전력 분배 회로망에 접속될 경우에 생길 가능성이 있는 누설 전류들로부터의 전기 차량들의 배터리 충전기들의 보호에 관한 것이다.
일부 전기 자동차용 차량들에 사용되는 배터리 충전기들은 절연되어 있지 않다. 배터리 충전기의 각각의 요소는 새시(chassis)에 대한 공통-모드 캐패시턴스를 지닌다. 전력 분배 회로망에 대한 접속시, 이러한 여러 요소들에 인가되는 전압들로 인해 접지 누설 전류들이 이러한 캐패시턴스들을 통해 발생하게 된다.
이러한 접지 누설 전류들에 의해, 상기 접지 누설 전류들이 발생할 때 충전 프로세스를 중단할 수 있는 잔류 전류의 차동 보호(differential protection) 기능들이 개시될 수 있다.
사용자가 충전시 전기 자동차용 차량의 차체를 터치하게 되면, 접지 누설 전류들은 전기 자동차용 차량의 접지 결함이 있으면 "터치(touch)" 또는 "접촉(contact)" 전류들이라 불리는 전류들로 된다. 이러한 터치 전류들은 국제 표준 61851-21에 의해 3.5mA로 제한된다.
이러한 전류들을 제한하기 위한 목적으로, 전력 분배 회로망 및 배터리 사이에 갈바닉 절연을 만들어내는 트랜스포머의 사용이 제안되어 왔다.
사용된 트랜스포머들은 부피가 큰 요소들이고 이러한 요소들의 크기는 충전 전력에 따라 또는 상기 요소들을 통해 흐르는 전류에 따라 증가한다. 그러므로, 이러한 해결수단의 결함은 상기 해결수단으로 비용이 추가되고 장치의 부피가 증가하게 되는 원인이 된다는 것인데, 이는 전기 자동차용 차량에 매우 불이익을 준다.
더욱이, 높은 충전 전력을 획득하기 위하여 기존의 충전기들을 단상 또는 3-상 회로망들에 접속시키는 것이 가능하다. 3-상 회로망에 대한 접속시, 사용된 트랜스포머들 상에서의 스트레스(stress)들이 결과적으로는 증가하게 된다.
또한, 예를 들면 전기 자동차용 차량의 차체 및 중성점 사이에 접속된 커패시터를 통해, 누설 전류들을 전력 분배 회로망의 중성점으로 방향지정하는 것이 제안되어 왔다.
전류 제한 해결수단들은 누설 전류들의 증가를 고려할 수 없는 결함을 지니고 있다. 그러한 증가는 간섭 캐패시턴스의 증가 또는 보상 시스템의 결함으로부터 생길 수 있다. 그러므로, 누설-전류 제한 시스템들은 3.5mA보다 낮게 새시 상의 터치 전류를 유지할 수 없다.
위의 내용에 비추어 볼 때, 본 발명의 한 목적은 터치 전류들을 추정하고 상기 터치 전류들의 변동들 동안 전기 자동차용 차량을 보호하는 것이다.
본 발명의 다른 한 목적은 미리 정해진 제한 값 미만으로 상기 터치 전류들의 값을 유지하는 것이다.
제1 실시태양에 의하면, 본 발명은 결과적으로 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치를 제안하며, 상기 전기 기기는 전력 소스 및 자동차용 차량의 보드 상의 장비의 항목 사이에 접속되도록 설계되어 있다.
상기 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치는, 상기 전기 기기의 전기 접속 라인들에 접속되도록 설계된, 누설 전류들을 검출하고 터치 전류들을 추정하는 회로, 접지 전류를 측정하는 회로, 및 상기 터치 전류들의 추정 레벨 및 접지 전류의 측정 레벨에 따라 상기 전기 기기의 동작을 제어하는 수단을 포함한다.
그러므로, 상기 제어 수단은 높은 누설 전류들이 발생하는 경우에 또는 누설 전류들이 발생하지 않는 경우에 전력의 공급을 허용하거나 전력의 공급을 허용하지 않는 것을 가능하게 한다.
유리한 점으로는, 전력 소스가 3-상 또는 단상 전력 공급 회로망일 수 있다는 점이다.
상기 전기 기기는 상기 자동차용 차량의 보드 상의 배터리용 충전기일 수 있으며, 전기 자동차용 차량은 전기 또는 하이브리드 구동부를 지니는 자동차용 차량이다.
다른 한 실시태양에 의하면, 본 발명은 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법을 제안하며, 상기 전기 기기는 전력 소스 및 자동차용 차량의 보드 상의 장비의 항목 사이에 접속되도록 설계되어 있다.
상기 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법의 일반적인 특징에 의하면, 상기 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법은, 누설 전류들의 검출, 상기 터치 전류들의 추정, 접지 전류의 측정, 및 상기 터치 전류들의 추정 레벨 및 접지 전류의 측정 레벨에 따른 상기 전기 기기의 동작의 제어를 포함한다.
유리한 점으로는, 상기 전기 기기는 상기 전력 소스에 접속되어 있으며 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 상기 터치 전류들의 추정 레벨 및 상기 접지 전류의 측정 레벨에 따라 허용되지 않는다는 점이다.
그러므로, 상기 보드 상의 장비는 상기 접속시 자동으로 전력 공급되지 않는다.
측정된 접지 전류가 제1의 정의된 임계값 미만인 경우에, 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 허용되지 않는다.
매우 약한 접지 전류는 접지 접속의 결함을 나타낼 수 있음으로써, 상기 보드 상의 장비에 전력이 공급되는 것을 방지할 필요가 있다.
측정된 접지 전류가 제2의 정의된 임계값보다 높은 경우에, 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것이 허용된다.
터치 전류들의 추정이 제3의 정의된 임계값 미만인 경우에, 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것이 허용된다.
터치 전류들의 추정이 제4의 정의된 임계값보다 높은 경우에, 상기 보드 상의 장치에 전력을 공급하는 것이 허용되지 않는다.
본 발명은 높은 누설 전류들이 발생하는 경우에 또는 누설 전류들이 발생하지 않는 경우에 전력의 공급을 허용하거나 전력의 공급을 허용하지 않는 것을 가능하게 하도록 터치 전류들을 추정하고 그러한 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호한다.
본 발명의 다른 이점들 및 특징들은 비-제한적인 예로서 취해지며 첨부도면들에 의해 예시되어 있는 이하의 설명을 고려해 볼 때 나타나게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 일반적인 누설 전류들로부터의 보호 원리를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 보호 방법의 동작을 예시하는 도면이다.
도 1은 갈바닉 절연되지 않은 배터리 충전기가 접속되어 있는 전기 자동차용 차량에서 누설 전류들이 생성되는 원리를 보여주는 도면이다.
그러나 여기서 알 수 있는 점은 이러한 원리가 배터리 충전기의 임의 타입의 기기 또는 특히 사람이 전기 자동차용 차량의 차체를 터치하게 되면 상기 기기의 접속 후에 터치 전류들이 발생할 수 있는 전기 또는 하이브리드 구동 시스템을 구비한 전기 자동차용 차량에 대한 다른 타입에 적용된다는 점이다.
본 도면에서는, 참조번호 1은 상기 전기 자동차용 차량 전체를 나타내며 참조번호 2는 상기 전기 자동차용 차량의 전기 도전성 구조, 이러한 경우에는 상기 전기 자동차용 차량의 차체를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 전기 자동차용 차량(1)은 이러한 경우에 충전기(3)를 구비하고 있으며 더욱이 본 도면에 도시되어 있지 않은 한 세트의 배터리들 및 전기 구동 시스템을 포함한다.
물론, 상기 전기 자동차용 차량(1)에는 간략화를 이유로 해서 본 도면에 도시되지 않은 여러 추가적인 부재들이 또한 장착될 수 있다.
상기 충전기(3)는 전기 접속부(4)를 통해 전력 공급 회로망에 접속되어 있다. 상기 전기 접속부(4)는 여러 위상을 포함할 수 있다. 상기 충전기(3)의 보호 장치(5)는 상기 전기 접속부(4) 상에 배치된다.
상기 충전기(3)가 전력 공급 회로망에 접속될 경우에, 간섭 커패시터(interference capacitor; 6)는 상기 충전기(3) 및 상기 전기 자동차용 차량의 전기 도전성 구조(2) 사이에 누설 전류를 만들어낸다.
사용자(7)가 상기 전기 자동차용 차량의 차체(2)를 터치하게 되면, 상기 전기 자동차용 차량의 차체(2)에서는 상기 간섭 커패시터(6)를 통해 만들어진 터치 전류(IT)가 흐르게 된다.
상기 누설 전류는 또한 접지 전류(IM)를 만들어낸다.
상기 보호 장치(5)에 의해 누설 전류들의 발생을 검출하고 특히 상기 누설 전류들에 따라 상기 충전기(3)를 제어하는 것이 가능하게 된다.
상기 보호 장치(5)의 아키텍처의 세부를 보여주는 도 2에는 상기 전기 자동차용 차량(1)이 예시되어 있으며 상기 전기 자동차용 차량(1)은 상기 전기 자동차용 차량을 3-상 또는 단상 회로망에 접속시키는 3개의 전기 접속부들(4a,4b,4c), 및 접지 접속부(8)를 포함한다.
상기 보호 장치(5)는 상기 위상들(4a,4b,4c) 및 상기 접지 접속부(8) 양단 간에 측정될 강도들을 검출하도록 선택되는 것이 유리한 전류-측정 수단을 포함하는 누설 전류 검출 및 터치 전류 추정 회로(9)를 포함한다.
상기 회로(9)는 상기 충전기(3)에 입력되는 전류에 따른 추정값을 제공한다.
상기 회로(9)는 접지 및 위상들을 포함하는 계측용 토로이드(measuring toroid)를 통한 전자 유량(electromagnetic flow)의 측정부를 이루고 있을 수 있다.
이러한 회로(9)는 또한 접지 전류 및 누설 전류 간의 측정 차이를 계산하는 수단을 포함할 수 있다. 상기 누설 전류의 측정부는 3개의 위상의 누설 전류의 측정부를 포함한다.
이때, 매칭 회로(matching circuit; 10)는 처리 유닛(11)에 이르도록 상기 터치 전류 추정 회로(9)의 출력을 적응시킬 수 있게 한다. 상기 매칭 회로(10)는 한 세트의 3개의 레지스터(12) 및 2개의 커패시터(13)를 포함한다.
처리 유닛(11)은 상기 충전기(3)를 제어하는 수단을 포함한다.
접지 전류들을 측정하는 회로(14)는 접지 접속부(8) 상에 배치된다. 이러한 회로(14)는 레지스터(15)를 통해 상기 처리 유닛(11)에 접속된다.
도 3에는 누설 전류들로부터 전기 기기를 보호하기 위한 장치 내에서 사용되는 여러 단계의 세부가 제공되어 있다.
이러한 단계들은 이러한 경우에 충전기(3)를 포함하는 전기 자동차용 차량(1) 내에서 수행된다.
상기 충전기(3)는 단계(E1) 동안 수행되는 접속시 단상 또는 3-상일 수 있는 전력 공급 회로망에 접속된다.
그리고나서, 측정 및 추정의 2가지 단계들(E2,E3)이 동시에 수행된다. 단계(E2)는 상기 회로(14)에 의한 접지 전류(IM)의 측정에 상응한다. 단계(E3)는 상기 회로(9)에 의한 터치 전류들(IT)의 추정에 상응한다.
상기 단계(E2) 다음에는 예를 들면 테스트들 동안 미리 정의된 하나 이상의 임계값들과 상기 전류(IM)가 비교되는 비교 단계(E4)가 수행된다.
예를 들면, 상기 측정된 전류(IM)가 제1 임계값 미만인 경우에, 접지에 이르게 되는 전류량이 매우 약한데, 이는 접지 접속 결함을 나타낼 수 있다. 충전은 단계(E6) 동안 허용되지 않는다.
상기 전류(IM)가 제2의 정의된 임계값보다 큰 경우에, 상기 충전기(3)에 남아 있는 전류량은 접지 접속이 존재함을 나타내기에 충분하므로 충전이 허용된다(단계(E7)).
단계(E3) 다음에는 하나 이상의 미리 정의된 임계값들과 상기 추정된 터치 전류(IT)가 비교되는 비교 단계(E5)가 수행된다.
상기 추정된 전류(IT)가 제3의 미리 정의된 임계값 미만인 경우에, 충전을 허용(단계(E7))하는 것이 가능하며, 사용자는 위험 없이 상기 전기 자동차용 차량의 전기 도전성 구조(2)를 터치할 수 있게 된다.
상기 추정된 전류(IT)가 제4의 미리 정의된 임계값보다 큰 경우에, 충전이 허용되지 않는다(단계(E6)).
위에서와 같이, 이러한 제3 및 제4 임계값들은 선험적인 학습(prior learning)에 의해 획득될 수 있으며 예를 들면 3.5mA로 설정되는 것이 바람직하고 3.5mA와 동일할 수 있다.
본 발명은 임의 타입의 절연되지 않은 전기 기기에서 사용될 수 있는 장치를 제공한다. 본 발명은 상기 전기 기기의 사용시 항상 사용자들 및 상기 전기 기기의 보호를 허용한다. 더욱이, 그러한 보호는 단상 회로망 또는 3-상 회로망에 대한 접속시 사용될 수 있다.
좀더 구체적으로 기술하면, 본 발명에 따른 보호 방법은 상기 전기 기기(3)의 충전을 정지시키도록 상기 전기 장치(3)의 전력 공급 회로망에, 매우 큰 터치 전류(IT) 또는 매우 약한 접지 전류(IM)의 검출에 대한 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 상기 전기 기기(3)가 전기 차량인 경우에, 이러한 메시지는 예를 들면 "파일럿 라인(pilot line)"이라 불리는 통신 라인을 통해 상기 전기 차량의 전기 충전을 관리하는 상기 전기 차량의 컴퓨터로부터 상기 전기 기기(3)에 전력을 공급하는 충전 단자로 전송된다. 이러한 메시지의 수신시, 상기 충전 단자는 접촉기(contactor)를 개방하여 상기 전기 차량에 전력을 공급하는 상기 충전 단자에 대한 상기 3-상 또는 단상 회로망의 접속부들(4a,4b,4c)의 접속을 단선시킨다.

Claims (10)

  1. 터치 전류들로부터 전기 기기(3)를 보호하는 장치로서, 상기 전기 기기(3)는 전력 소스 및 자동차용 차량(1)의 보드 상의 장비의 항목 사이에 접속되도록 설계되어 있는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치에 있어서,
    상기 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치는,
    상기 전기 기기(3)의 전기 접속 라인들(4a,4b,4c,8)에 접속되도록 설계된 회로(9)로서, 누설 전류들을 검출하고 터치 전류들(IT)을 추정하는, 회로(9);
    접지 전류를 측정하는 회로(14); 및
    상기 터치 전류들(IT)의 추정 레벨 및 접지 전류(IM)의 측정 레벨에 따라 상기 전기 기기(3)의 동작을 제어하는 수단(11);
    을 포함하며,
    상기 전기 기기(3)의 동작을 제어하는 수단(11)은,
    측정된 접지 전류(IM)가 제1 임계값 미만인 경우에 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 허용되지 않는 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 소스는 3-상 또는 단상 전력 공급 회로망인 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기 기기(3)는 상기 자동차용 차량(1)의 보드 상의 배터리용 충전기이며, 상기 자동차용 차량(1)은 전기 또는 하이브리드 구동부를 지니는 자동차용 차량인 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 장치.
  4. 터치 전류들로부터 전기 기기(3)를 보호하는 방법으로서, 상기 전기 기기(3)는 전력 소스 및 자동차용 차량(1)의 보드 상의 장비의 항목 사이에 접속되도록 설계되어 있는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법에 있어서,
    상기 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법은, 누설 전류들의 검출, 상기 터치 전류들(IT)의 추정, 접지 전류의 측정, 및 상기 터치 전류들(IT)의 추정 레벨 및 접지 전류(IM)의 측정 레벨에 따른 상기 전기 기기의 동작의 제어를 포함하며,
    측정된 접지 전류(IM)가 제1 임계값 미만인 경우에 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 허용되지 않는 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기 기기(3)는 상기 전력 소스에 접속되어 있으며 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 상기 터치 전류들의 추정 레벨 및 상기 접지 전류의 측정 레벨에 따라 허용되지 않는 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법.
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서, 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 측정된 접지 전류(IM)가 제2 임계값보다 큰 경우에 허용되는 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 상기 터치 전류들(IT)의 추정이 제3의 임계값 미만인 경우에 허용되는 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 상기 터치 전류들(IT)의 추정이 제4의 정의된 임계값보다 큰 경우에 허용되지 않는 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법.
  10. 제5항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보드 상의 장비에 전력을 공급하는 것은 통신 라인을 통해 상기 보드 상의 장비로부터 충전 단자로 메시지를 전송함으로써 정지되는 것을 특징으로 하는, 터치 전류들로부터 전기 기기를 보호하는 방법.
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