KR102037769B1

KR102037769B1 - 배터리의 충전을 제어하는 방법

Info

Publication number: KR102037769B1
Application number: KR1020147031561A
Authority: KR
Inventors: 페드로 크비에스카; 뤼도뷕 메리엔느
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2019-10-29
Also published as: JP6224078B2; RU2014146952A; FR2990078B1; WO2013160593A2; FR2990078A1; EP2842223A2; DK2842223T3; RU2624259C2; US20150091532A1; EP2842223B1; CN104303410A; JP2015534800A; CN104303410B; KR20150003801A; WO2013160593A3

Abstract

단상 망을 기반으로 하여 배터리 (13), 특히 자동차의 배터리 충전을 제어하는 방법으로서: - 입력 전압 (Ve)이 필터링되며; - 유도성 컴포넌트 (Ld)를 경유하여 같이 연결된 전압 스텝-다운 단 (3) 및 전압 스텝-업 단 (4)을 통해서 상기 망의 전력이 상기 배터리로 공급되며; 그리고 - 상기 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 전류의 강도 (Id)는 강도 세트포인트 (Id^ref)의 함수로서 제어되며, 상기 강도 (Id)는 연속하여 제어될 수 없다. 이 방법에 따라서, 상기 강도 세트포인트는 작동되어, 상기 강도 세트포인트가 적어도 제1 값 그리고 상기 제1 값보다 더 큰 적어도 제2 값을 구비하며, 상기 강도 세트포인트는 상기 강도가 제어될 수 없는 과정의 위상의 시작 이전에 상기 제2 값을 구비하도록 한다.

Description

배터리의 충전을 제어하는 방법{Method of controlling charge of a battery}

본 발명은 고-전압 배터리를 충전하기 위한 디바이스에 관한 것이며, 더 상세하게는 단상 공급망으로부터 전기 구동 자동차를 충전하기 위한 디바이스에 관한 것이다.

고-전압 배터리 재충전 시스템들에서, 망의 전력은 버크 (buck) 및 부스트 (boost)의 두 개의 컨버터들을 통해서 연속하여 배터리로 공급된다. 이 두 컨버터들은 출력 전류 및/또는 원하는 출력 전압의 함수로서 제어되는 주파수로 일련의 스위치들을 연속하여 개방하고 폐쇄함으로써 컨버터의 출력 단자 그리고 컨버터의 입력 단자 사이의 전압 비율이 각각 낮아지고 그리고 높아지는 것을 가능하게 한다

그런 재충전 시스템들은 예를 들면 특허출원 FR 2 943 188에서 설명되며, 이 출원은 자동차 온-보드 재충전 시스템에 관한 것으로, 3상 또는 단상 회로로부터 차량 배터리를 재충전하는 것을 가능하게 한다. 상기 재충전 회로는 차량의 전류 생성 또는 추진과 같은 다른 기능들을 더 제공하는 전자 기계의 코일들을 편입시킨다.

공급망으로부터 꺼내진 (drawn) 전류를 쵸핑 (chopping)하는 것은 상기 꺼내진 전류에서 고-주파수 성분들, 즉, 통상적으로 50 Hz인 배전망의 기본파보다 더 큰 차수의 고조파들을 산출한다.

상기 전기 배전기는 상기 꺼내진 전류의 고조파들에 관한 표준을 세팅하기 때문에, 그런 재충전 시스템은 상기 버크의 입력단에서 RLC (Resistive-Inductive-Capacitive) 필터를 또한 포함한다. 이 필터는 상기 망으로부터 꺼내진 전압 및 전류 사이에 위상 천이를 초래한다. 이 위상 천이는 상기 망을 통해서 지나가는 무효 전력에 결부되지만, 이는 사용자에 의해서 꺼내진 것이 아니며 또한 그 무효 전력을 최소화하기 위한 목적을 가진다.

또한, 가정의 공급망들은 주로 단상 공급망들이다. 단상 공급으로부터 배터리를 재충전하기 위한 디바이스를 포함하는 차량은 그러므로, 예를 들면, 개인의 차고 또는 주차 공간에서 가정 공급망 상에서 재충전될 수 있다

단상 공급망으로부터 재충전하는 것은 몇 가지 특수한 특징들을 가진다.

기하학적 모습에 종속하여, 입력 전류를 망의 전압에 위상을 맞추는 것은 가능하지 않다. 더욱이, 입력 정현파 전압이 0에 가까울 때에, 상기 시스템은 순간적으로 제어 불가능하게 된다. 또한, 전력 흐름이 연속하여 설립되도록 하기 위해서, 상기 버크와 상기 부스트 사이의 전기 기계의 저장 인덕터에서 비-제로 전류가 흘러야만 한다. 이것은 그러면 시스템 비제어가능 위상 (uncontrollability phase)들 동안에 상기 인덕터를 통해서 지나가는 전류의 값이라는 문제를 일으킨다. 실제로, 이 위상들 동안에, 상기 인덕터를 통해서 지나가는 전류는 특히 제어될 수 없다.

한 가지 솔루션은 높은 값의 저장 인덕터를 사용하여 상기 인덕터 내의 전류가 제로 값으로 떨어지는 시간을 가지지 않도록 하는 것이다. 그러나, 이 솔루션은 이 인덕터가 큰 용적을 가지는 불리함을 가진다.

상기의 것을 고려한 본 발명의 목적은 상기 언급된 불리함들이 적어도 부분적으로 해소될 수 있도록 하는 배터리 충전 방법을 제안하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은 전기 기계의 인덕터를 통해서 지나가는 전류의 값이 제로 (zero)를 통해서 지나가지 못하게 하는 충전 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 충전 시스템의 에너지 효율을 또한 증가시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 높은 값의 인덕터를 필요로 하지 않는 충전 방법을 제안하는 것이다.

한 모습에 따라서, 단상 망으로부터 배터리, 특히 자동차의 배터리 충전을 제어하는 방법이 제안되며, 이 경우에:

- 입력 전압이 필터링되며;

- 유도성 컴포넌트를 경유하여 같이 연결된 버크 단 (buck stage) 및 부스트 단 (boost stage)을 통해서 상기 망의 전력이 상기 배터리로 공급되며; 그리고

- 상기 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 강도 (intensity)는 강도 세트포인트의 함수로서 모니터되며, 상기 강도 (Id)는 연속하여 제어될 수 없다.

이 방법의 일반적인 특징에 따라, 상기 강도 세트포인트는 작동되어, 상기 강도 세트포인트가 적어도 하나의 제1 값 그리고 상기 제1 값보다 더 큰 적어도 하나의 제2 값을 구비하며, 상기 강도 세트포인트는 상기 강도가 제어될 수 없는 위상의 시작 이전에 상기 제2 값을 구비하도록 한다.

비제어가능 위상 (uncontrollability phase)들로 또한 불리는, 전류가 제어가능하지 않은 때인 위상들 동안에, 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 강도는 단지 감소될 수 있을 뿐이다. 그러므로, 충분하게 높은 제2 세트포인트 값을 선택하는 것은 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 강도가, 회피되어야 할 경우인 0의 값에 도달하는 것을 방지한다. 더욱이, 상기 세트포인트가 상기 비제어가능 위상들 외부에서 제1 값을 취한다고 주어지면, 상기 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 강도의 평균 값은, 예를 들면, 제2 값을 취하는 일정한 세트포인트에 관련하여 크게 감소된다. 그러므로 재충전 에너지 효율이 향상된다.

실시예에 따라서, 상기 강도 세트포인트는 작동되어, 상기 세트포인트가 제3 값을 구비하도록 하며, 이 제3 값은 상기 처음의 두 값들보다 더 작으며, 상기 세트포인트는 상기 강도가 제어될 수 없는 위상 동안에 상기 제2 값으로부터 제3 값으로 이동한다.

그러므로, 상기 처음의 두 값들보다 더 작은 값을 취하는 세트포인트 덕분에, 상기 비제어가능 위상들의 끝 부분에서 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 전류는 이 전류의 평균 값을 많이 줄이는 더 낮은 값으로부터 다시 증가된다.

실시예에 따라서, 상기 강도 세트포인트가 작동되어, 상기 제3 값을 구비한 이후에 상기 강도 세트포인트가 아핀 (affine) 함수를 증가시킨 것에 이어서 상기 제3 값으로부터 상기 제1 값으로 이동하도록 한다.

그러므로, 제어가능의 회복 동안에, 상기 세트포인트를 따라갈 전류는 상기 제1 값에 늦게 도달하기 위해서 상기 처음의 두 값들보다 더 낮은 값으로부터 시작한다. 그러므로, 이것은 전류가 너무 갑자기 다시 증가하는 것을 방지하며, 이 갑작스러운 증가는 실제로 전류 상에 고조파들을 생성할 수 있고 그리고/또는 세트포인트 유도 강도가 초과되도록 할 수 있다.

다른 실시예에 따라서, 상기 강도 세트포인트가 작동되어, 상기 제2 값으로부터 제3 값으로 이동할 때에 상기 강도 세트포인트가 특정 지속시간 동안 일정한 값을 취하도록 한다.

비제어가능 위상 동안에 이 안정상태의 존재는 상기 세트포인트로 하여금 상기 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 전류가 더 감소되는 것을 방지하도록 하는 것을 가능하게 한다.

이 다른 실시예의 특징에 따라서, 상기 일정한 값은 상기 제1 값과 동일하다.

다른 실시예에 따라서, 상기 버크 단의 입력 전류는 상기 버크 단의 입력 전압와 동상으로 생성된다.

실제로 이 위상 시프트는 상기 망을 통해서 흐르지만 상기 배터리 충전에 의해서 꺼내지지 않은 무효 전력의 원인이다. 그러므로, 이 위상 시프트를 최소화할 수 있고 그리고 이 무효 전력을 줄일 수 있는 것이 유리하다. 이 위상 시프트는 예를 들면 상기 전류 및 상기 망으로부터 꺼내진 전압 사이에서 위상 시프트를 초래하는 RLC 필터로 인한 것이다.

바람직하게는, 상기 버크 단의 쵸핑 듀티 사이클을 단상 공급망의 전압의, 세트포인트 전력의 그리고 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 전류의 강도의 함수로서 개방 루프에서 제어함에 의해서 상기 버크 단의 상기 입력 전류는 조정되며, 이는 상기 버크 단의 입력 전류를 상기 버크 단의 입력 전압과 동위상으로 하며, 그리고 상기 배터리에 의해서 수신한 전력을 상기 세트포인트 전력에 관하여 제어하기 위한 것이다.

상기 배터리를 통해서 지나가는 전류의 강도는 부스트 단의 쵸핑 듀티 사이클을 상기 버크 단의 출력에서의 전압의, 상기 배터리의 전압의, 그리고 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 전류의 강도 및 상기 강도 세트포인트 사이의 차이의 함수로서 폐쇄 루프에서 제어함으로써, 레퍼런스 배터리 강도에 관하여 또한 조정될 수 있다.

유리하게도, 하나의 문턱 거리 내에서 상기 쵸핑 듀티 사이클이 0 또는 1의 값과 동일하다면 비례 적분 제어기의 적분 부분이 비활성화될 수 있다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

본 발명의 다른 유리함들 및 특징들은 본 발명의 실시예의 상세한 설명 그리고 첨부된 도면들을 검토하면 나타날 것이며, 그 실시예는 어떤 방식이건 제한하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시에에 따른 재충전 디바이스를 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 제1 모니터링 모듈의 제1 실시예 및 제2 실시예를 각각 예시한다.
도 3은 제2 모니터링 모듈의 실시예를 걔략적으로 보여준다.
도 4는 유도 코일을 통해서 지나가는 전류의 그래프를 보여준다.
도 5 내지 도 8은 유도 코일을 통해서 지나가는 전류의 그래프들을 세트포인트 유도 강도의 함수로서 보여준다.
도 9는 재충전 시스템의 변수들의 비교를 세트포인트의 함수로서 예시한다.

도 1은 일 실시예에 따라 단상 공급망으로부터 전기 구동 자동차의 배터리를 충전시키기 위한 디바이스를 개략적으로 보여준다.

상기 재충전 디바이스 (1)는 필터링 단 (2), 상기 필터링 단 (2)에 연결된 버크 단 (3), 그리고 전기 기계 (5)를 경유하여 상기 버크 단 (buck stage; 3)에 연결된 부스트 단 (boost stage; 4)을 포함한다.

상기 디바이스 (1)는 삼상 공급 및 단상 공급에 연결될 수 있기 때문에, 상기 필터링 단 (2)의 입력에 연결된 세 개의 단자들 T₁, T₂, T₃을 포함하며, 이는 공급망에 연결될 수 있다. 단상 재충전을 위해서, 입력들 T₁ 및 T₂ 만이 단상 공급망에 연결되어, 입력 전압 Ve 그리고 입력 전류 Ie를 공급한다.

각 입력 단자 T₁, T₂ 및 T₃은 상기 필터링 단 (2)의 필터링 분기에 연결된다. 각 필터링 분기는 두 개의 병렬 분기들을 포함하며, 하나의 병렬 분기는 값 L₂의 인덕터를 구비하며 그리고 다른 하나의 병렬 분기는 값 L₁의 인덕터와 값 R의 저항을 직렬로 구비한다.

상기 필터링 분기들 각각에 대해서 이 두 필터링 분기들 각각은 출력단에서, D₁, D₂, D₃ 으로 불리는 포인트에서 커패시턴스 C의 커패시터에 연결된다. 모두 값이 R인 저항들, 값이 L₁ 또는 L₂인 인덕터들, 그리고 커패시턴스 C의 커패시터들은 상기 버크 (3)의 입력에서 RLC 필터를 형성한다.

단상 재충전의 경우에, 단자 T₃은 상기 공급망에 연결되지 않는다. 상기 단자 T3에 연결된 필터링 분기가 사용되지 않기 때문에, 그것은 설명의 나머지 부분에서는 고려되지 않을 것이며 그리고 점선 내에 도시된다. 점선 내에서 보이는 전기 회로의 다른 요소들은 삼상 공급망으로의 접속의 환경에서만 사용되는 요소들이다.

상기 버크 단 (3)은 D₁ 및 D₂의 포인트들에 의해서 상기 필터링 단 (2)에 연결된다. 단상 공급으로 동작하는 상기 버크 (3)는 두 개의 병렬 분기들 (6 및 7)을 포함하며, 이 병렬 분기들 각각은 조정 유닛 (15)에 의해서 제어되는 두 개의 스위치들 S_1h 및 S_1b 또는 S_2h 및 S_2b를 구비한다.

상기 버크의 각 입력 D₁ 또는 D₂는 동일한 분기들 (6 및 7)의 두 스위치들 S_1h 및 S_1b 또는 S_2h 및 S_2b 사이에 위치한 접속 포인트에 각각 분기 F₁ 및 F₂를 경유하여 각각 연결된다.

상기 분기들 (6 및 7)의 공유된 단자들은 상기 버크 (3)의 두 출력 단자들을 형성한다. 상기 단자들 중 하나의 단자는 배터리 (13)의 "-" 단자에 그리고 부스트 (4)의 제1 입력 (10)에 연결된다. 이 단자들 중 다른 하나의 단자는 전기 기계 (5)의 제1 단자에 연결되며, 그 다른 단자는 상기 부스트 (4)의 제2 입력 (11)에 연결된다.

상기 부스트 (4)는 상기 조정 유닛 (15)에 의해서 독립적으로 제어되는 두 스위치들 S₄ 및 S₅를 포함한다. 이 두 스위치들 S₄ 및 S₅는 상기 부스트 (4)의 제1 입력 (10)과 상기 배터리 (13)의 "+" 단자를 연결시키는 분기 상에 위치한다. 상기 전기 기계 (5)가 연결되는 상기 부스트 (4)의 제2 입력 (11)은 상기 두 스위치들 S₄ 및 S₅ 사이에 연결되며, 스위치 S₄는 상기 배터리의 "+" 단자 그리고 상기 제2 입력 (11) 사이에 연결되며, 그리고 스위치 S₅는 상기 제1 입력 (10) 및 상기 제2 입력 (11) 사이에 연결된다.

전기 기계 (5)는 인덕턴스 코일 Ld와 직렬로 위치한 값 Rd인 저항으로 간주되며, 그리고 상기 버크 (3)의 출력 단자와 상기 부스트 (4)의 제2 입력 (11) 사이에 연결된다. 상기 전기 기계 (5)가 비-저항성 유도 코일로 대체되거나 또는 추가의 유도 코일이 상기 전기 기계 (5)와 직렬로 분기된다고 해도 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는다.

상기 배터리 (13)의 단자들에는 상기 배터리 (13)의 단자들에서 상대적으로 안정적인 전압을 유지하기 위한 커패시터 (12), 그리고 배터리의 충전을 모니터링하기 위한 모듈이 연결되며, 이는 세트포인트 값 I_bat ^ref를 제공하여, 상기 배터리 (13)의 "+" 단자를 경유하여 입력될 전류 최적 강도 (intensity)를 상기 배터리의 충전 레벨의 함수로서 준다. 상기 충전 모니터링 모듈 (19)은 상기 세트포인트 값 I_bat ^ref를 전용의 접속을 경유하여 상기 조정 유닛 (15)으로 전송한다.

상기 모듈 (19)에 옵션으로 통합되는 측정 수단은 배터리에 실제로 들어가는 전류 측정 강도를 알리는 값 Ibat 그리고 상기 배터리의 "-" 단자와 "+" 단자 사이의 전압을 알리는 값 V_bat를 상기 조정 유닛 (15)으로 더 전송한다.

다른 전류 강도 측정 모듈들은 상기 전기 기계 (5)를 통해서 지나가는 전류의 값 Id, 상기 필터링 단 (2)에 들어가는 상기 공급망의 전류 강도의 값 Ie, 그리고 상기 망의 공급 입력 전압의 값 Ve을 측정하여 상기 조정 유닛 (15)에게 전송하는 것을 허용한다.

상기 조정 유닛 (15)은 상기 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클 a를 결정하기 위한 제1 모니터링 모듈 (16), 그리고 상기 부스트 단 (4)의 쵸핑 듀티 사이클 a _s 세트포인트를 결정하기 위한 제2 모니터링 모듈 (17)을 포함한다.

이 목적을 위해서 상기 조정 유닛 (15)은 두 개의 구동 모듈들 (도시되지 않음)을 포함하며, 그 중 첫 번째 구동 모듈은 상기 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클 a 을 획득하기 위한 것과 같이 상기 버크 (3)의 스위치들 각각에 대한 시간 패턴을 개방하고 폐쇄하는 것을 세팅하며, 그리고 두 번째 구동 모듈은 상기 듀티 사이클 a _s 를 얻는 위한 것과 같이 상기 부스트 (4)의 스위치들 S₄ 및 S₅ 각각에 대해서 시간 패턴을 개방하고 폐쇄하는 것을 세팅한다.

바람직하게는, 상기 스위치들은 빠른 스위칭을 가능하게 하는 트랜지스터들, 예를 들면, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)이다.

상기 듀티 사이클들 a 및 a _s 를 결정하기 위해서, 상기 조정 유닛 (15)은 상기 망 공급 전압 Ve, 상기 전기 기계 (5)를 통해서 지나가는 전류의 강도 Id, 상기 배터리 (13)를 통해서 지나가는 전압 V_bat, 상기 배터리 (13)를 통해서 지나가는 전류의 강도 I_bat, 그리고 상기 충전 모니터링 모듈 (19)에 의해서 제공된 레퍼런스 배터리 강도 I_bat ^ref의 값들을 입력단에서 수신한다.

상기 듀티 사이클 a 에 의존하여, 상기 조정 유닛 (15)은 상기 버크 단 (3)의 스위치들 S_1h, S_1b, S_2h 및 S_2b 각각의 상태를 제어한다. 유사하게, 상기 듀티 사이클 a _s 에 의존하여, 상기 조정 유닛 (15)은 상기 부스트 단 (4)의 스위치들 S₄ 및/또는 S₅의 상태를 제어할 수 있다.

정보 목적들만을 위해서, 상기 충전 디바이스 (1)의 전기 요소들의 특성 값들은 다음의 값 범위들 내에 있다:

- 참조번호 2의 필터의 커패시터들은 수백 μF, 예를 들면, 100 내지 500 μF 사이이다,

- 상기 배터리 (13)의 단자들에 위치한 커패시터 (12)는 그 단자들의 전압을 안정화하기 위한 것이며, mF 영역, 예를 들면 1 내지 10 mF 사이에 있다,

- 상기 필터링 회로 (2)의 값 R인 저항들은 옴 영역, 예를 들면 1 내지 10

사이에 있다,

- 상기 전기 기계 (Em)의 로터의 저항 Rd는 수십 m

, 예를 들면 0.01

내지 0.1

사이에 있다.

- 상기 필터링 단 (2)의 인덕터들 그리고 상기 전기 기계 (5)의 코일에 각각 대응하는 인덕터 L₁, L₂, Ld는 수십 μH의 값들, 예를 들면 10 μH 내지 100 μH 사이의 값들을 가진다.

상기 조정 유닛은 상기 제1 모니터링 모듈 (16) 및 제2 모듈 (17)을 이용하여 상기 버크 (3)용의 그리고 상기 부스트 (4)용의 쵸핑 듀티 사이클 a, a _s 세트포인트 값들을 작동시키며, 이는 다음의 세 가지 목적들을 충족시키기 위한 것이다:

- 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If의 크기를 모니터링하고 그리고 이 전류 If가 상기 입력 전압 Ve와 동상인 것을 확실하게 하며 (이 모니터링의 목적은 상기 입력 전압과 동상인 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If를 생성하기 위한 것이다), 이는 꺼내진 전력을 공급망에 관하여 제어하는 양이 된다,

- 상기 배터리 (13)의 "+" 단자를 경유하여 인입한 측정된 전류 I_bat를 획득하는 것으로, 상기 배터리 (13)의 공급 요구사항들에 대응하며, 이 요구사항들은 상기 충전 모니터링 모듈 (19)에 의해서 결정되며 그리고 상기 조정 유닛 (15)으로 I_bat ^ref의 함수로서 배송된다.

- 상기 전기 기계 (5)의 유도 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류 Id의 소거를 방지함.

상기 전압 감소는 사용의 전력 범위에 대해서 상기 필터링 단 (2)에 걸쳐서 무시해도 좋을 정도이기 때문에, 상기 입력 필터의 균등을 설명하는 것은 필요하지 않다.

상기 버크 단 (3)의 입력에서의 전압 Vc는 상기 공급망의 입력 전압 Ve와 동일하다고 간주된다.

상기 버크 단 (3)의 출력 전압 Vkn은

와 동일하다.

와 동일하기 때문에, 이것은 전기 기계 (5)를 지탱하는 상기 분기의 등식을 다음과 같이 줄 수 있다:

이 경우 s는 라플라스 변수이며,

a는 상기 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클이며, 그리고 a _s 는 상기 부스트 단 (4)의 듀티 사이클이다.

상기 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클 a는 a=If/Id로 또한 써질 수 있으며, 이 경우에 If는 상기 부트 단 (3)의 입력 전류이며, 그리고 상기 부스트 단 (4)의 쵸핑 듀티 사이클 a _s 는 a _s =I_bat/Id 로 주어진다.

그러므로 상기 수학식 1은 또한 다음과 같이 써질 수 있다:

또는,

수학식 3에 따라서, 상기 버크 단 (3)의 입력 전류의 강도 If는 그러므로 제어 변수로서 사용될 수 있으며, 이는 상기 전기 기계 (5)를 통해서 지나가는 전류 Id를 세트포인트 값 Id^ref에 관해서 제어하기 위한 것이며, 상기 세트포인트 값은 유도 코일 Ld에서의 전류를 소거하는 것을 방지하기 위해서와 같이 작동될 것이다.

입력 전압 Ve가 0에 접근할 때에, 상기 시스템은 설사 그 시스템이 제어되는 시스템이라고 하더라도 제어할 수 없게 된다. 상기 수학식들에 다라서, 제어불가능의 이 단계들 동안에, 상기 전기 기계 (5)의 코일 Ld 내에서의 전류 Id는 도 4에 도시된 것처럼 감소만 할 수 있다.

상기 버크 단 (3)의 입력 전류의 강도 If의 값을, 정의에 의해서 상기 전기 기계 (5)를 통해서 측정된 전류의 강도 Id의 값으로 나누는 것은 상기 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클의 값을 준다.

상기 버크 단 (3)의 입력 전압 Vc는 상기 공급망의 입력 전압 Ve와 동일하며, Vc=Ve=V_m sin(ωt)로 주어진다.

제어는 If가 상기 입력 전압과 동상인 것을 확실하게 한다. 상기 입력 전류 Ie는 Ie=If+Ic으로, 즉,

Ie=If_m sin(ωt)+ C/2 V_m cos(ωt)으로 주어진다.

상기 전류 If는 그러므로 상기 망으로부터 취해진 유효 전력의 상 (image)이다. 상기 유효 전력은 P_active=If_m V_m/2에 의해서 주어지며, 이 경우에 If_m=2 P_active/V_m 이다.

상기 입력 전류 Ie가 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If에 의해서 조정되고 그리고 상기 전기 기계 (5)의 코일 Ld 내에서의 전류 소거를 방지하기 위해서 상기 전기 기계 (5)를 통해서 지나가는 전류 Id가 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If에 의해서 조정된다면, 그러면 상기 조정 유닛 (15)에 의해서 수행된 조정의 상기 세 번째 목적은 상기 배터리에 인입하는 전류 I_bat를 충전 모니터링 모듈 (19)에 의해서 배송된 세트포인트 값 I_bat ^ref에 관하여 제어하는 것에 관련되며, 여전히 충족될 필요가 있다.

이 목적을 위해서, 쵸핑 듀티 사이클 a _s 는 예를 들면 a _s =I_bat ^ref/Id의 관계에 관한 것과 같이 상기 부스트를 위해서 세팅될 수 있다.

상기 전기 기계 (5)를 통한 전류의 역학을 표현하는 상기 관계는 수학식 1에 의해서 주어지며, 상기 부스트 단 (4)의 상기 듀티 사이클 a _s 그리고 상기 전기 기계 (5)를 통해서 지나가는 전류 Id를 직접적으로 연결시킨다.

그러므로 레퍼런스 값 Id^ref 그리고 상기 전기 기계 (5)를 통해서 지나가는 측정된 값 Id 사이의 오차로부터 a _s 를 직접 제어하는 것이 가능하다.

도 2a는 상기 제1 모니터링 모듈 (16)의 제1 실시예를 개략적으로 보여준다. 상기 제1 모니터링 모듈은 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If의 개방 루프 조정 (open loop regulation)을 포함한다. 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If는 상기 버크 (3)의 쵸핑 듀티 사이클을 계산하는 것에 의해서 조정된다.

상기 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클은 배터리의 전압 V_bat로부터 그리고 상기 세트포인트 배터리 강도 I_bat ^ref로부터, 단상 공급망의 입력 전압 Ve로부터 그리고 유도 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류의 강도 Id로부터 결정된 세트포인트 전력 P_bat ^ref의 함수로서 결정된다.

상기 제1 모니터링 모듈 (16)은 배터리 강도 세트포인트 I_bat ^ref를 제1 입력 상으로 수신하고 그리고 상기 배터리의 단자들에서 측정된 전압 V_bat를 제2 입력 상으로 수신한다. 상기 배터리의 세트포인트 강도 I_bat ^ref 그리고 상기 배터리의 전압 V_bat는 제1 곱셈기 (21)의 입력단에 배송되며, 그러면 상기 제1 곱셈기는 세트포인트 전력 P_bat ^ref을 출력한다.

제3 입력 상으로, 상기 모니터링 모듈 (16)은 상기 공급망의 입력 전압 Ve를 수신한다. 상기 모듈 (16)은 정규화된 크기 V_m의 신호를 추출하기 위한 신호 분석기 (22)를 포함하며, 그 신호는 상기 단상 공급망의 입력 전압 Ve에 비례한다. 크기 V_m의 신호는 제1 인버터 (23)로 배송되며, 이 제1 인버터는 크기 V_m의 역을 출력한다. 이 크기의 역 V_m은 제2 곱셈기 (24)로 배송되며, 이 제2 곱셈기는 상기 세트포인트 전력 P_bat ^ref를 또한 입력에서 수신한다.

상기 제2 곱셈기 (24)는 그러면 상기 버크 단 (3)의 입력 전류의 크기 If_m를 제3 곱셈기 (25)로 출력하며, 이 제3 곱셈기는 상기 단상 공급망의 입력 전압 Ve의 위상 신호 sin(ωt)를 입력에서 또한 수신한다.

상기 제3 곱셈기 (25)는 그러면 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If를 상기 제2 모니터링 모듈 (17)로 그리고 제4 곱셈기 (26)로 출력한다. 상기 모듈 (16)은 상기 전기 기계 (5)의 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류의 강도의 값 Id를 제4 입력 상으로 수신한다. 상기 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류의 값 Id는 제2 인버터 (27)로 배송되며, 이 제2 인버터는 상기 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류의 강도 Id의 역을 상기 제4 곱셈기 (26)로 출력한다.

상기 제4 곱셈기 (26)는 그러면 If/Id의 계산을 수행하고 그리고 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클의 값을 출력하며, 이는 버크 단 (3)의 입력 전류 If를 제어하기 위한 것이다.

도 2b는 상기 제1 모니터링 모듈 (16)의 제2 실시예를 도시한다.

이 모듈 (26)에서, 상기 제2 곱셈기 (24)는 상기 버크 단 (3)의 입력 전류 If의 크기 If_m을 상기 입력 전압 Ve의 크기 V_m의 그리고 상기 세트포인트 전력 P_bat ^ref의 함수로서 배송하는 매핑 (28)에 의해서 대체되었다.

도 3은 상기 제2 모니터링 모듈 (17)의 실시예를 도시한다.

상기 충전 디바이스 (1)에서, 상기 배터리 (13)로 넘어가는 전류 I_bat를 조정하는 것이 상기 부스트 단 (4)에 의해서 제어된다. 실제로, 상기 배터리의 전류 I_bat는 I_bat=a _s Id의 관계로 주어진다.

그러므로, 상기 배터리 (13) 내의 전류 I_bat를 그 배터리의 레퍼런스 값에 관하여 제어하기 위해서, a _s =I_bat ^ref/Id의 관계는 충분하다.

상기 배터리 전류 측정이 이용 가능하다면 교정 루프 (correction loop)를 추가하는 것 또한 가능하다. 이 경우에, 그 결과는 다음과 같다:

이 경우에

는 조절 파라미터이다.

상기 제2 모니터링 모듈 (17)은 상기 전기 기계 (5)의 유도 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류의 강도 Id의 폐쇄 루프 조정을 포함한다.

상기 제2 모니터링 모듈 (17)은 상기 공급망의 입력 강도의 값 Ie를 제1 입력에서 수신한다. 이 강도 값 Ie는 세트포인트 유도 강도 (induction intensity) Id^ref의 값을 결정하는 모듈 (31)로 배송된다. 상기 제2 모니터링 모듈 (17)은 상기 전기 기계 (5)의 코일 Ld를 통해서 지나가는 강도의 값 Id를 제2 입력에서 수신한다. 상기 강도의 값 Id는 상기 세트포인트 유도 강도의 값 Id^ref를 양의 입력에서 수신하는 제1 감산기 (32)의 음의 입력으로 배송된다.

상기 제1 감산기 (32)는 그러면 상기 유도 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류의 강도 Id 그리고 상기 세트포인트 유도 강도 Id^ref 사이의 차이를 비례 적분 제어기 (30)로 출력한다.

상기 비례 적분 제어기 (30)는 두 개의 병렬 분기들을 포함하며, 그 분기들 중 첫 번째는 비례 제어 모듈 Kp를 포함하며 그리고 두 번째 분기는 적분 제어 모듈 K_i 및 적분 모듈 i를 포함한다.

상기 제2 모니터링 모듈 (17)은 제3 입력 상으로 상기 버크 단 (3)의 입력에서의 전류의 강도의 값 If를 수신하며, 이는 상기 제1 모니터링 모듈 (16)에 의해서 배송된다. 상기 강도 If는 제1 곱셈기 (33)로 배송되며, 그 제1 곱셈기는 상기 제2 모니터링 모듈 (17)의 제4 입력 상으로 수신된 단상망의 입력 전압 Ve를 입력으로 또한 수신한다.

상기 제1 곱셈기 (33)는 그러므로 유효 전력의 값 P_active를 출력한다. 이 값 P_active은 제2 곱셈기 (34)로 입력되며, 그 제2 곱셈기는 상기 전류 Id의 역을 입력으로 또한 수신하며, 상기 전류 Id는 이전에 제1 인버터 (35)로 배송된 것이다.

상기 제2 곱셈기 (34)는 P_active/Id 계산을 수행하며 그리고 상기 버크 단 (3)의 출력 전압의 값 Vkn을 출력한다. 상기 버크 단 (3)의 전압 Vkn은 상기 비례 적분 제어기 (30)의 출력을 음의 입력 상으로 수신하는 제2 감산기 (36)의 양의 입력으로 배송된다.

상기 제2 감산기 (36)는 그러면 상기 유도 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류의 강도 Id 그리고 상기 비례 적분 제어기 (30)에 의해서 교정된 세트포인트 유도 강도 Id^ref 사이의 차이, 그리고 상기 버크 단 (3)의 출력 전압 Vkn 의 합을 제3 곱셈기 (37)의 입력에서 출력한다. 상기 제3 곱셈기 (37)는 배터리 전압 V_bat의 역을 입력으로 또한 수신하며, 상기 배터리 전압 V_bat는 상기 제2 모니터링 모듈 (17)의 제5 입력 상에서 수신되었으며 그리고 제2 인버터 (38)로 이전에 배송된 것이다.

상기 제3 곱셈기 (37)는 그러면 상기 부스트 단 (4)의 쵸핑 듀티 사이클 a _s 의 세트포인트 값을 출력한다.

상기 제2 모니터링 모듈 (17)은 상기 제3 곱셈기 (37)의 출력 그리고 적분 제어 모듈 K_i를 포함하는 상기 비례 적분 제어기 (30)의 분기의 입력 사이의 피드백 루프를 또한 포함한다.

상기 부스트 단 (4)의 쵸핑 듀티 사이클 a _s 의 값이 하나의 문턱값 내에서 0 또는 1과 동일하다면, 상기 적분 제어 분기는 비활성화된다.

이 피드백 루프는 입력 전압 Ve가 0에 가까울 때에 상기 디바이스의 비제어가능함을 극복하기 위해서 사용된 반-탈주 (anti-runaway) 기술에 대응한다. 실제로, 비제어가능의 위상들 동안에, 상기 제어는 포화되며, 즉, 상기 스위치들, 또는 IGBT 트랜지스터들의 듀티 사이클들은 1에 있으며, 반면에 그것은 그 차이를 줄일 수는 없다. 상기 피드백 루프는 이 오류의 계속된 포함을 방지하기 위해서 사용된다. 그래서, 일단 상기 디바이스가 제어가능하면, 상기 전기 기계 (5)의 코일 Ld를 통해서 지나가는 전류 Id는 레퍼런스 값 Id^ref로 돌아간다.

이 피드백 루프를 사용하는 것은 극도로 낮은 인덕턴스를 구비한 코일 Ld을 가진 시스템이 제어되는 것을 또한 가능하게 한다. 낮은-인덕턴스 코일을 사용하는 것은 충전기의 체적이 줄어드는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 자동차를 위해서 온-보드 충전 디바이스가 제공되는 것을 가능하게 하며 - 이는 차량의 전기 기계의 코일을 내부의 회로 내에 통합하는 외부의 단상 공급망에 연결되기에 적합하다 - 그리고 상기 전류 및 상기 단상 공급망으로부터 꺼내진 전압 사이의 축소된 위상 시프트를 유지하는 것과 같이 상기 버크 및 상기 부스트가 조정되는 것을 가능하게 한다

도 4는 레퍼런스의 두 포인트들을 도시하며, 각 포인트는 시간을 초로 보여주는 수평 축 그리고 전류를 암페어로 그리고 전압을 볼트로 보여주는 수직 축을 각각 보여준다. 상기 도시된 커브들 1 및 2는 세트포인트 또는 일정한 값, 예를 들면 Id^ref = 100 A의 세트포인트 유도 강도에 대한 유도성 컴포넌트 Ld를 통해서 지나가는 암페어 단위의 전류에서의 변동, 그리고 전압 Ve에서의 변동을 비제어가능 위상들의 함수로서 각각 보여준다.

도 4에서, 전압 Ve의 절대값이 0 값에 가까울 때에, 비제어가능의 위상에 따라서 전류 Id가 빠르게 떨어지는 그런 비제어가능의 위상이 존재하는 것으로 보인다. 주기적인 단상 입력 전압의 경우에, 비제어가능의 상기 위상들은 입력 전압 Ve의 주파수의 두 배인 주파수에 주기적이다.

그러므로, 비제어가능의 상기 위상들은 예측 가능하며 그리고/또는 탐지될 수 있다. 예를 들면, 입력 전압 Ve의 절대값에 대해서 문턱값이 정의될 수 있으며, 그 입력 전압 아래에서 비제어가능의 위상이 탐지된다. 다른 예에 따르면, 비제어가능의 제1 위상을 탐지한 이후에, 다음의 위상은 그것이 주기적으로 발행하기 때문에 예측될 수 있다.

도 5는 레퍼런스의 두 포인트들을 도시하며, 각 포인트는 시간을 초로 보여주는 수평 축 그리고 전류를 암페어 보여주는 수직 축을 보여준다. 상기 도시된 커브 3 및 4는 유도성 컴포넌트 Ld를 통해서 지나가는 암페어 단위의 전류 Id에서의 상세한 변동 그리고 도 3의 모듈 (31)에 의해서 배송된 일정한 값 Id^ref = 100 A의 세트포인트에서의 상세한 변동을 각각 보여준다. 상기 도시된 커브 5는 가동 수단 (running means) 이후에 상기 전류 Id의 값에서의 변동을 보여준다. 세트포인트 Id^ref = 100 A에서 상기 전류 Id는 약 96.6 A, 96.52 내지 96.68 A 사이 범위의 평균값을 가지는 것으로 보인다.

그러면 상기 부스트 단 (4) (도 1)을 이용하여 전류 Id를 전류 I_bat의 모습으로 상기 배터리로 전송하는 것이 상상된다. 그러나, 위에서 도시된 것과 같은 충전 시스템을 이용하여 전력 7 kW의 300 V 배터리를 충전하기 위해서, 전류 I_bat는 25 A 이어야한다. 230 볼트 RMS의 전통적인 유럽의 망에서, 그런 전력에서 꺼내진 네트워크 전류는 30.5 A RMS 즉, 43 A 크기일 것이다. 그러므로 Id 평균 값 (96.6 A)은 크며 그리고 상기 배터리에 의해서 꺼내진 전류 I_bat의 값 그리고 꺼내진 네트워크 전류 (43 A 크기)와는 또한 극도로 상이하다고 보인다. 크며 그리고 전류 I_bat 및 망 전류와는 상이한 이 값은 앞으로 설명되는 에너지 손실들을 수반한다. 하나의 솔루션은 전류 Id를 줄이기 위해서 도 3의 모듈 (31)에 의해서 배송된 세트포인트 값 Id^ref를 낮추는 것일 수 있다.

비제어가능 위상들 동안을 포함하여 상기 버크와 상기 부스트 사이의 전기 기계의 저장 인덕터 내에서 비-제로 (non-zero) 전류가 항상 흘러야만 하기 때문에, 즉, 전류 Id는 0 A보다는 항상 더 커야만 하기 때문에, 이 솔루션은 실제로는 가능하지 않다. 위에서 도시된 충전 시스템 그리고 약 43 A의 입력 전류 Ie의 크기를 이용하여, 55 A의 강도 Id의 최소 값 (예를 들면 제어가능 위상 동안에 이 최소 값에 도달한다)을 수반하는 세트포인트 Id^ref는 12 A의 안전 마진만을 허용한다.

도 5에서 도시된 것과 같은 일정한 세트포인트 Id^ref = 100 A의 이용은 약 20 A의 충분한 안전 마진을 가능하게 하지만 (이 마진 값은 63.79 A의 비제어가능 위상들 동안에 최소 값으로부터 입력 전류 43 A의 크기 값을 뺌으로써 획득된다: 63.79 A - 43 A = 20.79 A), 전류 Id의 크기 그리고 그 전류와 상기 배터리에 의해서 꺼내진 전류 값 I_bat 사이의 차이로 인해서 불만족스러운 에너지 효율을 수반한다.

이 문제에 대한 솔루션이 도 6에 도시된다. 도 6은 레퍼런스의 두 포인트들을 도시하며, 이 포인트들 각각은 초 단위의 시간을 보여주는 수평 축 그리고 암페어 단위의 전류를 보여주는 수직 축을 도시한다. 상기 도시된 커브들 6 및 7은 각각 새로운 세트포인트 Id^ref를 보여주며 그리고 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 암페어 단위의 전류에서의 상세한 변동을 이 새로운 세트포인트의 함수로서 보여준다.

커브 6에 따라서, 이 새로운 세트포인트는 두 개의 값들을 취하는 것으로 보이며, 그 값 중 제1 값은 약 80 A의 중간-문턱과 동일하며 그리고 제2 값은 약 105 A의 높은 문턱과 동일하다. 상기 세트포인트는 상기 제1 값으로부터 상기 제2 값으로 급격하게 증가하며, 그 후 상기 제2 값에 도달할 때에, 그것은 상기 제1 값으로 즉시 감소한다. 상기 제1 값으로부터 상기 제2 값으로의 증가하는 지속시간, 예를 들면

/4는 전압 Ve=V_m sin(ωt)의 전기적인 각도 ωt인 레퍼런스이다. 주기로 주어진 대응하는 지속시간은 그러므로 50 Hz의 주파수의 경우에 1/8 주기이다: (

/4)/(2.

.50) = 2.5 ms.

커브 7에 따라서, 상기 커브 6 상에 도시된 세트포인트 Id^ref와 함께, 상기 전류 Id는 비제어가능 위상들 동안에 대략 62.71 A의 최소 값을 취하는 것으로 보인다. 이 값은 Id^ref = 100 A에서 고정된 일정한 세트포인트와 함께 획득된 값과 거의 동일하다. 이것은 상기 비제어가능 위상 직전에 상기 제2 값 (105 A)을 취하는 세트포인트의 결과이다.

더욱이, 상기 도시된 커브 8은 가동 수단 이후에 상기 전류 Id의 값 (커브 7)에서의 변동을 보여준다. 이 새로운 세트포인트 Id^ref (커브 6)와 함께, 상기 전류 Id는 약 80.9 A, 80.83 내지 80.93 A 사이 범위의 평균값을 가지는 것으로 보인다.

그러므로, 상기 새로운 세트포인트는 전류 Id를 주며, 그 전류의 평균값은 크게 줄어들지만 그 전류의 최소 값은 동일하다. 도 6은 그러므로 두 개의 값들을, 상기 전류 Id의 평균 강도가 축소되며 반면에 상기 전류 Id의 최소 강도가 동일한 안전 마진에 대응하는 것을 가능하게 하는 결과로서 취하는 새로운 세트포인트 Id^ref로 구성된 솔루션을 개시한다. 그러므로, 이것은 충분한 안전 마진을 유지하면서도 향상된 에너지 효율을 제공한다. 더욱 상세하게는, 평균 전류는 16 % 떨어지며 (96.6 A에 대비하면 80.9 A), 이는 전기 기계 (5) (도 1)에서의 옴 손실의 감소 및 코어 손실의 감소만이 아니라 더욱 큰 효율을 허용하는 듀티 사이클 a _s 에 따라서 상기 부스트 단 (4) (도 1)의 스위칭을 가능하게 하며, 이는 상기 강도 Id가 I_bat보다 더 크게 유지하면서도 상기 강도 Id는 I_bat에 더 가까워지기 때문이다.

물론, 에너지 효율에서 그리고 안전 마진에서의 증가를 얻기 위해서 또는 에너지 효율에서의 증가 없이 안전 마진에서의 증가를 획득하기 위해서, 예를 들어, 세트포인트의 가장 높은 문턱값이 증가되는 그런 세트포인트로 구성된 다른 조정들을 이용하는 것이 또한 가능할 것이다.

그러나, 도 6에서 상기 커브 7은 제어가능의 회복 동안에 상기 세트포인트를 크게 초과하는 것으로 보인다. 이 문제에 대한 솔루션은 다음의 도 7에서 도시된다.

도 6에서처럼, 도 7은 레퍼런스의 두 개 포인트들을 보여주며, 그 포인트들 각각은 초로 시간을 보여주는 수평 축 그리고 암페어로 전류를 보여주는 수직축을 포함한다. 도시된 커브들 9 및 10은 각각 새로운 세트포인트 Id^ref를 보여주며 그리고 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 암페어 단위의 전류 Id에서의 상세한 변동을 이 새로운 세트포인트의 함수로서 보여준다. 도시된 커브 11은 가동 수단 이후의 전류 Id (커브 10)의 값에서의 변동을 보여준다.

커브 6 상에 도시된 세트포인트처럼, 커브 9의 세트포인트는 약 80 A의 중간-문턱과 동일한 제1 값 그리고 약 105 A의 높은 문턱과 동일한 제2 값을 취하는 것으로 보인다. 상기 커브 9의 세트포인트는 상기 비제어가능 위상들 동안에 상기 세트포인트가 취하는 값으로서 낮은 문턱으로 불리는 제3 값만큼 커브 6의 세트포인트와 차이가 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 낮은 문턱은 66 A이다. 이 제3 값을 취한 이후에, 커브 9의 세트포인트는 평균 문턱값 제1 값을 향하여 다시 증가한다. 예시적인 실시예로서, 상기 제3 값으로부터 상기 제1 값으로의 증가의 지속시간은

/4 라디안이며, 레퍼런스는 전압 Ve=V_m sin(ωt)의 전기적인 각도 ωt이다. 주기로 주어진 대응하는 증가 지속시간은 그러므로 1/8 주기이며, 즉, 주파수 50 Hz인 경우에는 (

/4)/(2.

.50) = 2.5 ms 이다.

커브 10 상의 이 새로운 세트포인트와 함께, 커브 10 상에서 전류 Id는 상기 세트포인트를 커브 7의 세트포인트보다는 아주 더 작은 값만큼 여전히 약간 초과하는 것으로 보인다. 이것은 전류 Id에서 제3 값으로부터, 비제어가능 위상의 끝 부분으로부터의 제1 값으로의 늦은 증가로 인한 것이며, 이 늦은 증가는 이 늦은 증가를 또한 디스플레이하는 세트포인트 Id^ref로 인한 것이다.

그 후에, 커브 10 상에 도시된 전류 Id는 커브 7과 유사한 최대 값에 도달할 것이며, 그 후에 상기 커브 7의 최소 값보다 약간 작은 최소 값에 도달할 것이다. 더욱 상세하게는, 커브 10의 전류 Id는 60.89 A 의 최소 값 그리고 (커브 11 상에 도시된) 약 79.86 A의 79.83 내지 79.92 A 범위의 평균 값에 도달할 것이다. 그러므로, 커브 9의 세트포인트는 상기 평균 값이 줄어드는 것을 가능하게 하며 그리고 너무 급격한 증가를 방지하는 것이 가능하게 하며, 이 과도하게 급격한 증가는 상기 전류 상에서의 고조파들을 초래하며 그리고 세트포인트가 초과되도록 한다.

그러나, 상기 커브 9의 세트포인트와 함께, 60.89 A의 획득된 최소 값은 아주 충분하지는 않으며, 이는 60.89 A - 43 A = 17.89 A의 안전 마진만을 허용하기 때문이다.

도 8은 이 문제를 극복하기 위한 세트포인트를 제안한다. 도 7에서처럼, 도 8은 레퍼런스의 두 포인트들을 보여주며, 그 포인트들 각각은 초로 시간을 보여주는 수평 축 그리고 암페어로 전류를 보여주는 수직 축을 포함한다. 도시된 커브 12 및 13은 각각 새로운 세트포인트 Id^ref를 보여주며 그리고 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 암페어 단위의 전류 Id에서의 상세한 변동을 이 새로운 세트포인트의 함수로서 보여준다. 도시된 커브 14는 가동 수단 이후의 상기 전류 Id (커브 13) 값에서의 변동을 보여준다.

커브 9의 세트포인트처럼, 커브 12의 세트포인트는 약 80 A의 중간-문턱와 동일한 제1 값 그리고 약 105 A의 높은 문턱과 동일한 제2 값 그리고 약 66 A의 낮은 문턱과 동일한 제3 값을 취하는 것으로 보인다. 상기 커브 12의 세트포인트는 비제어가능 위상들 동안에 상기 세트포인트에 의해서 가정된 안정상태만큼 커브 9의 세트포인트와는 상이하다.

이 안정상태는 상기 제2 값으로부터 상기 제3 값으로 이동할 때에 특정 지속시간 동안에 상기 세트포인트 유도 강도에 의해서 취해진 일정한 값에 대응한다. 예시적인 실시예로서, 상기 일정한 값이 취해지는 상기 지속시간은 0.07

라디안이며, 레퍼런스는 전압 Ve=V_m sin(ωt)의 전기적인 각도 ωt이다. 주기로 표현된 대응하는 지속시간은 그러므로 0.035 주기, 즉, 50Hz의 주파수인 경우에 (0.07.

)/(2.

.50) = 0.7 ms 이다. 예시적인 예로서, 상기 취해진 일정한 값은 상기 제1 값, 즉, 약 80 A의 값을 가진 상기 중간-문턱이다.

이 새로운 세트포인트와 함께, 커브 13 상에서, 상기 전류 Id는 (비제어가능 위상들 동안에) 상기 커브 10의 최소 값보다 아주 더 큰 최소 값을 취한다. 이것은 상기 세트포인트에서의 안정상태의 존재로 인한 것이며, 이는 비록 비제어가능 위상 동안일지라도, 상기 세트포인트가 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 전류를 더 감소시키는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다.

이 포인트에 추가로, 상기 커브 13 상에 도시된 전류 Id의 모습은 커브 10의 모습과 유사하다. 상기 커브 13의 전류 Id는 그러므로 62.51 A 최소 값 그리고 약 79.1 A, 79.03 내지 79.19 A의 범위의 (커브 114 상에 도시된) 평균 값에 도달할 것이다. 그러므로 상기 커브 12 상의 세트포인트는, 유사하거나 또는 심지어 더 작은 (-0.7 A) 평균 값을 유지하면서 상기 전류 Id의 최소 값이 약간 증가되는 것을 가능하게 한다.

도 12에 도시된 세트포인트는 그러므로 충분한 62.51 - 43 = 19.51 A의 안전 마진이 달성되는 것을 가능하게 하며, 반면에 약 18 % (96.6 A에 대비한 79.1 A)의 전류 Id의 평균에서의 감소를 허용한다.

도 9는 상기 재충전 시스템의 변수들의 비교를 세트포인트의 함수로서 도시한다. 도 9는 레퍼런스의 세 개 포인트들을 보여주며, 이 포인트들 각각은 초 단위로 시간을 보여주는 수평 축 그리고 암페어로 전류를, 볼트로 전압을, 그리고 암페어로 전류를 보여주는 수직 축을 포함한다.

도시된 커브들 15 및 16은 각각 커브 12에 따른 세트포인트 유도 강도 Id^ref 그리고 일정한 값 Id^ref = 100에 따른 세트포인트 유도 강도를 보여준다. 도시된 커브 17은 전압 Ve에서의 변동을 도 4에 이미 도시된 비제어가능의 위상들의 함수로서 보여준다. 마지막으로, 커브들 18 및 19는 상기 커브 16 상에 도시된 세트포인트에 대한 전류 Id 그리고 상기 커브 15 상에 도시된 세트포인트에 대한 전류 Id를 상기 보여준다.

도 9에서, 상기 커브들 15 및 16의 세트포인트들 Id^ref에서의 변동은 네 개의 단계들로 분할될 수 있는 것으로 보인다:

제1 단계 동안에 상기 커브 15의 세트포인트 Id^ref는 상기 제1 값과 동일한 일정한 값을 취한다. 그러므로 커브 18의 전류 Id는 커브 16의 세트포인트와의 조정보다 더 낮은 값에서 유지될 수 있다. 이것은 유도성 컴포넌트를 통해서 상기 배터리로 지나가는 전류 Id (중립 전류로도 불린다)의 커브 16의 세트포인트에서보다 더 큰 부분의 전송에 대응하는 듀티 사이클을 제공한다. 실제로, 상기 전류의 평균 값은 전류 I_bat 보다 더 크게 유지하면서도 그 전류 I_bat에 더 가깝다. 그러므로, 이것은 효율에 있어서 증가를 생성한다.

제2 단계에서 상기 커브 15의 세트포인트 Id^ref는 상기 제2 값으로 향하여 증가한다. 상기 커브 18의 전류 Id는 상기 세트포인트를 따라가며, 그러므로 (0의 값으로 접근하는 상기 커브 17에 의해서 도시된) 제어가능성의 미래의 손실을 미리 막기 위해서 증가된다. 상기 전류 Id는 그러므로 더 높은 값으로부터 떨어질 것이며, 이는 그 떨어짐의 끝부분에서 더 높은 값에 도달되는 것을 또한 가능하게 한다.

비제어가능 위상 동안에 수행된 제3 단계 진행에서 상기 세트포인트는 상기 제2 값으로부터 제3 값으로 떨어지며, 상기 떨어짐은 안정상태를 포함하며, 그 안정상태에서 상기 세트포인트는 일정한 값 (예를 들면, 상기 제1 값)을 유지한다.

제4 단계 진행에서 상기 커브 15의 세트포인트는 상기 제3 값으로부터 상기 제1 값으로 다시 느리게 증가한다.

도 6 내지 도 9에서 도시된 모든 솔루션들은 세트포인트 Id^ref가 비-일정 커브를 따라가도록 하는 방식으로 상기 세트포인트를 작동시키는 것에 존재한다. 그 솔루션들은 상기 세트포인트를 전류 Ie의 함수로서 작동시킬 모듈 (31)을 이용하여 구현된다.

Claims

단상 망으로부터 배터리 (13), 특히 자동차의 배터리 충전을 제어하는 방법으로서:
- 입력 전압 (Ve)이 필터링되며;
- 유도성 컴포넌트 (Ld)를 경유하여 같이 연결된 버크 단 (buck stage; 3) 및 부스트 단 (boost stage; 4)을 통해서 상기 망의 전력이 상기 배터리로 공급되며; 그리고
- 상기 유도성 컴포넌트를 통해서 지나가는 전류의 강도 (intensity; Id)는 강도 세트포인트 (Id^ref)의 함수로서 모니터되며, 상기 강도 (Id)는 연속하여 제어될 수 없으며,
상기 강도 세트포인트가 적어도 하나의 제1 값 그리고 상기 제1 값보다 더 큰 적어도 하나의 제2 값을 구비하도록 상기 강도 세트포인트는 작동되며, 상기 강도 세트포인트는 상기 강도가 제어될 수 없는 위상의 시작 이전에 상기 제2 값을 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 강도 세트포인트가 제3 값을 구비하도록 상기 강도 세트포인트는 작동되며, 이 제3 값은 상기 처음의 두 값들보다 더 작으며, 상기 세트포인트는 상기 강도가 제어될 수 없는 위상 동안에 상기 제2 값으로부터 제3 값으로 이동하는, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 제3 값을 구비한 이후에 상기 강도 세트포인트 (Id^ref)가 아핀 (affine) 함수를 증가시킨 것에 이어서 상기 제3 값으로부터 상기 제1 값으로 이동하도록 상기 강도 세트포인트 (Id^ref)가 작동되는, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제2 값으로부터 제3 값으로 이동할 때에 상기 강도 세트포인트 (Id^ref)가 특정 지속시간 동안 일정한 값을 취하도록 상기 강도 세트포인트 (Id^ref)가 작동되는, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제4항에 있어서,
상기 일정한 값은 상기 제1 값과 동일한, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 버크 단 (3)의 입력 전류 (If)는 상기 버크 단 (3)의 입력 전압 (Vc)와 동상으로 생성되는, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 버크 단 (3)의 쵸핑 듀티 사이클 (a)을 단상 공급망의 전압 (Ve)의, 세트포인트 전력 (P_bat ^ref)의 그리고 유도성 컴포넌트 (Ld)를 통해서 지나가는 전류의 강도 (Id)의 함수로서 개방 루프에서 제어함에 의해서 상기 버크 단 (3)의 상기 입력 전류 (If)는 조정되며, 이는 상기 버크 단의 입력 전류를 상기 버크 단의 입력 전압과 동위상으로 하며, 그리고 상기 배터리에 의해서 수신한 전력 (P_bat)을 상기 세트포인트 전력 (P_bat ^ref)에 관하여 제어하기 위한 것인, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 배터리 (13)를 통해서 지나가는 전류의 강도 (I_bat)는 부스트 단 (4)의 쵸핑 듀티 사이클 (a_s )을 상기 버크 단 (3)의 출력에서의 전압 (VKn)의, 상기 배터리 (13)의 전압 (V_bat)의, 그리고 유도성 컴포넌트 (Ld)를 통해서 지나가는 전류의 강도 (Id) 및 상기 강도 세트포인트 (Id^ref) 사이의 차이의 함수로서 폐쇄 루프에서 제어함으로써, 레퍼런스 배터리 강도 (I_bat ^ref)에 관하여 조정되는, 자동차 배터리 충전 제어 방법.
제8항에 있어서,
하나의 문턱 거리 내에서 상기 쵸핑 듀티 사이클 (a _s )이 0 또는 1의 값과 동일하다면 비례 적분 제어기의 적분 부분이 비활성화되는, 자동차 배터리 충전 제어 방법.