KR102187158B1 - 자동차 배터리의 안전 충전을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

자동차 배터리의 안전 충전을 위한 시스템 및 방법. 네트워크(2)의 중성점과 접지 사이의 저항을 산출하여 상기 네트워크(2)로부터 자동차의 배터리(3)를 안전하게 충전하는 방법으로서, 전류 펄스들의 상기 네트워크(2) 안으로의 적어도 한번의 주사, 각각의 펄스에 응하여 상기 네트워크(2)의 중성점과 접지 사이 전압의 측정, 및 상기 측정된 전압들로부터 접지 저항의 판별을 포함한다. 상기 네트워크(2) 안으로의 전류 펄스들의 각각의 주사는 제1 양의 펄스 및 이에 뒤이은 제2 음의 펄스의 주사를 포함하고, 상기 제1 펄스 및 제2 펄스는, 절대값의 면에서 동일한 세기를 가지고, 제2 펄스 동안에 상기 네트워크(2)에 결합된 기생 캐패시터가 더 충전되기에 충분히 짧은 시간간격만큼 분리되며, 상기 접지 저항의 판별은 각각의 주사의 상기 제1 펄스 및 제2 펄스에 대해 측정된 전압들 및 그 펄스들의 진폭에 기초하여 수행된다. 참조: 도면

Description

자동차 배터리의 안전 충전을 위한 시스템 및 방법{System and Method for Secure Charging of a Motor Vehicle Battery}

본 발명은 자동차의 배터리를 충전하기 위한 내장 장치(on-board device)의 이용자의 안전에 관한 것이며, 더 구체적으로는 자동차의 배터리를 충전하기 위한 장치에 결합되는 공급 네트워크의 접지의 품질의 산출(estimation)에 관한 것이다.

전기 자동차의 배터리의 충전 중에 강한 전류가 상기 공급 네트워크를 통하여 상기 차량의 배터리로 흐른다. 상기 차량을 올바르게 충전할 수 있도록 하기 위하여, 이 전류는 상기 공급 네트워크의 제약조건들(constraints)을 준수하도록 초핑(chop)된다.

상기 전류의 초핑은 누설 전류의 출현으로 이어지고, 상기 누설 전류는 상기 공급 네트워크의 접지 접촉(ground contact)을 통하여 방전될 필요가 있다. 이 접지 접촉은 상기 차량의 섀시에 연결되고 따라서 기생 전류(parasitic currents)를 위한 경로가 제공된다.

완전히 안전한 충전을 보장하기 위하여, 접지에 대한 연결이 양호한(good) 품질이도록, 다시 말해서 접지 경로의 등가 저항이 상기 자동차의 섀시에 닿은 인간에 의해 제공될 저항에 비해 낮도록 보장할 필요가 있다. 접지에 대한 이 연결이 없다면 접촉 전류 현상(contact current phenomenon)이 발생할 수 있다. 사람이 상기 차량의 섀시에 닿는다면, 충전기와 접지 사이의 연결을 확립하는 것은 사람의 신체가 될 것이며, 따라서 제어 장치가 추가되지 않는다면 잠재적으로 위험할 누설 전류 전부가 그 신체를 통과할 것이다.

열악한 품질의 접지, 다시 말해서 인간 신체와 등가인 저항을 가지는 접지에 의해 누설 전류의 일부가 그 개인의 신체를 통과하게 될 수도 있다. 구체적으로, 충전되고 있는 상기 차량의 섀시에 개인이 닿는다면, 이 경우에 누설 전류는 같은 저항을 가지는 2개의 병렬 경로들을 가질 것이며, 따라서 그 누설 전류의 절반은 접지로 귀환(return)하도록 상기 개인을 통과할 수 있다.

접촉 전류가 발생할 수 없음을 보장하기 위하여 상기 자동차의 배터리를 충전하기 전에 접지로의 연결의 저항값이 특정 문턱값 미만이도록 보장할 필요가 있다.

상기 공급 네트워크의 중성점과 접지 사이의 저항을 산출할 수 있도록 하기 위하여, 상기 접지 경로 내로 직접적으로, 그리고 상기 네트워크의 중성점을 통하여 되돌려지는(looping back) 전류 펄스들을 주사(inject)하고, 상기 중성점과 상기 접지 사이의 전압을 측정하는 것이 가능하다.

이상적인 경우에, 상기 접지 내로 주사되는 전류가 측정될 뿐만 아니라 상기 주사된 전류의 옴의 법칙에 따른 상(像; image)인 전압도 측정된다. 그 후 상기 저항값은 상기 측정된 전압을 상기 측정된 전류로 나눔으로써 얻어진다.

안타깝게도 올바른 결과를 그렇게 간단하게 얻기는 불가능한데, 왜냐하면 상기 중성점과 상기 접지 사이의 전압은 고도로 교란(highly perturbed)되기 때문이다.

상기 교란의 제1 부분은 위에서 언급된 누설 전류에서 비롯된 것일 수 있다. 이 전류들이 상기 접지를 통과할 수도 있으므로 상기 중성점과 상기 접지 사이의 전압의 측정값이 교란될 것이다.

이 모든 교란들에 대한 특정 데이터가 알려진다. 낮은 주파수에서 특히 1kHz 미만의 주파수에 대하여, 이 교란들은 상기 공급 네트워크의 고조파(harmonics), 예컨대 50Hz, 100Hz 등등에서 발생되며, 7V의 제곱평균제곱근(rms) 전압 및 6.6mA 전류의 최대 진폭을 가진다. 이 레벨들의 교란은 EDF 표준(EDF standards)에 의해 정의된다. 더 높은 주파수에 대하여, 상기 EDF 표준은 1.5kHz에서 6.6mA와 15kHz에서 66mA 사이에서 지속적으로 달라지는 교란 전류 진폭들을 예측하는바, 상기 전류의 진폭은 150kHz에 이르기까지 66mA에서 유지된다.

마지막으로 제2 제약조건은 임의의 전류를 상기 접지 내로 보낼 수 없다는 점에서 기인한다. 무엇보다도, 그 임의의 전류는 그 회로가 연결되는 네트워크에서 지나다닐(trip) 수 없다. 따라서 너무 높은 진폭 및/또는 너무 긴 지속시간을 가지는 펄스들을 보내는 것은 불가능하다.

따라서 도전할 과제(challenge)는, 10kHz의 최대 주파수에서 작동하는 프로세서들을 가지는 자동차 내에 시스템을 설치할 수 있도록 하기 위한 필요에 의해 부과되는 제약조건들을 준수하면서도, 이 모든 오차(error)의 근원들에도 불구하고 상기 접지 저항을 산출함에 있어 성공하는 것이다.

상기 교란의 제2 부분은, 상기 교란의 현저한 부분을 나타내고, 충전 단말기들(charging terminals) 또는 충전되고 있는 다른 자동차에서 비롯될 수 있는바, 왜냐하면 이 다른 자동차의 구성요소들이 상기 공급 네트워크의 중성점과 상기 접지 사이에 기생 캐패시턴스를 연결할 것인데 이는 상기 접지 저항의 측정값을 현저히 오염(vitiate)시킬 수 있기 때문이다.

예를 들어 상기 네트워크의 접지가 연결되지 않은 경우에 전류의 유일한 경로는 상기 기생 캐패시턴스에 의해 제공된다. 그렇다면 상기 접지의 저항을 측정하기 위하여 상기 접지 내로 주사되는 전류 펄스들은 상기 기생 캐패시턴스를 충전시킬 것이다.

예를 들어 충전 장치가 1μF의 기생 캐패시턴스에 연결되는 경우에 20mA의 진폭 및 1ms의 펄스 지속시간을 가진 전류 펄스의 주사는 상기 캐패시턴스를 충전시키는 약 5V의 전압으로 이어질 것인바, 이는 250옴의 저항과 등가의 것이다. 그렇다면 진짜인(true) 상기 접지 저항과 병렬로 위치된 이 가상의 저항(fictitious resistance)에 의해 상기 계산이 오염될 것이며, 특히, 산출된 접지 저항을 위하여 얻어진 값이 감소됨으로써 오염될 것이다. 상기 산출에 있어 오차는 이용자들의 안전에 대하여 위험할 수 있다.

상기 접지 저항의 산출을 수행하는 시판중인 장치들이 있다. 이 장치들은 자동차 상에서 이용가능한 것보다 훨씬 더 큰 계산 성능(computation power)을 가지며 각각의 자동차 내에 하나를 넣는 것을 상정하면 너무 많은 비용이 든다.

그런데, 이 장치들은 개인의 안전을 관리하는 관점에서 구성되지 않았다. 구체적으로, 그것들은 상기 접지 저항값에 관한 정보를 주도록 구성되었을 뿐이다.

중국 특허출원 CN 201 508 392호에는 상기 접지 저항을 측정하기 위한 방법이 설명되는바, 이는 중성점/접지 전압에 있어서의 단일 주파수를 제거할 수 있게 한다.

그러나 다른 고조파들에 의해 발생된 교란들은 제거되지 않으며, 여전히 상기 접지/중성점 전압의 측정이 교란될 것이며, 결과적으로 상기 접지 저항의 판별이 교란될 것이다.

유럽 특허출원 EP 1 482 317호에는 상기 접지/중성점 전압 측정의 신호-대-잡음비를 개선하기 위하여 매우 높은 주파수를 가진 전류를 주사하기 위한 방법이 설명된다. 그러나 그 방법은 상기 접지 내의 강한 전류 피크를 견딜 수 있는 적합한 환경을 요구하며, 따라서, 일반적으로 33mA를 초과하는 전류에 대하여 촉발되는(declenchent) 가정용 네트워크의 회로 차단기들보다 10 내지 1000배 더 큰 누설을 회로 차단기가 용인하는 작업장(workshop) 내에서만 이용가능하다.

유럽 특허출원 EP 0 642 027호에는 상기 접지와 상기 중성점 사이의 주사 전압에 기초한 방법이 설명된다. 그러나 그러한 방법의 이용은 차량 내로 통합되어 상기 네트워크 상에 전압을 인가할 수 있기에는 너무나 큰 크기를 가지는 시스템을 요구한다.

본 발명의 목적은, 자동차 내에 설치되는 시스템 및 방법으로서, 상기 공급 네트워크로 인한 교란들을 필터링함으로써 그리고 상기 공급 네크워크 상에 위치된 기생 캐패시턴스의 존재를 구별해냄으로써 상기 접지의 저항을 산출하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 일 실시례에 따라 공급 네트워크로부터 자동차의 배터리를 충전하기 위한 안전 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 상기 자동차 내에 설치되며, 상기 공급 네트워크 안으로 전류 펄스들을 주사하기 위한 수단, 및 상기 공급 네트워크의 중성점과 접지 사이의 전압을 측정하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 일반적 특성에 따라, 상기 펄스 주사 수단은, 전류 펄스들의 상기 공급 네트워크 안으로의 각각의 주사가 양의 제1 펄스 및 상기 제1 펄스에 뒤이은 음의 제2 펄스의 주사를 포함하도록 구성되며, 상기 제1 펄스 및 제2 펄스는, 절대값에 있어 동일한 강도를 가지고, 상기 공급 네트워크에 결합된 기생 캐패시턴스가 상기 제2 펄스가 주입될 때에 여전히 충전되어 있기에 충분히 짧은 시간 간격만큼 분리되며, 상기 시스템은 각각의 펄스 주사의 제1 펄스 및 제2 펄스에 대해 측정된 전압들 및 상기 전류 펄스들의 진폭에 기초하여 상기 접지의 저항을 판별하는 수단을 포함한다.

상기 양의 제1 펄스의 경우에 상기 캐패시턴스는 방전되고, 상기 전류 펄스의 끝에서 측정되는 전압은 다음 수식에 의해 표현될 것이다:

여기에서 V₁ ^m은 상기 주사된 제1 전류 펄스에 대해 상기 중성점과 상기 접지 사이의 상기 차량의 단자들 양단에서 측정되는 전압이고, Iinj는 상기 공급 네트워크 안으로 주사되는 전류 펄스의 강도이며, R_t는 상기 공급 네트워크의 접지 와 중성점 사이의 저항이며, C_parasitic은 상기 공급 네트워크의 접지와 중성점 사이에 연결된 기생 캐패시턴스이다.

상기 제1 펄스 직후의, 상기 캐패시턴스가 충전된 상태로부터 시작하는 상기 음의 제2 펄스의 경우에 상기 전압은 정확하게는 이전 측정값의 반대값이 아니며, 오히려 수식 단순화(simplification) 후의 다음 수식에 의해 표현될 것이다:

여기에서 V₂ ^m은 상기 주사된 제2 전류 펄스에 대해 상기 중성점과 상기 접지 사이의 상기 차량의 단자들 양단에서 측정되는 전압이고, Iinj는 상기 공급 네트워크 안으로 주사되는 전류 펄스의 강도이며, R_t는 상기 공급 네트워크의 접지 와 중성점 사이의 저항이며, C_parasitic은 상기 공급 네트워크의 접지와 중성점 사이에 연결된 기생 캐패시턴스이다

2개의 연속적인 펄스들의 각각의 주사는 상기 공급 네트워크의 여러 전기적 주기들에 의해 이전의 주사로부터 분리된다.

상기 접지 저항의 값 및 상기 공급 네트워크에 결합된 있을 수 있는(possible) 기생 캐패시턴스의 값을 알아내기 위하여 다음 공식들이 이용될 수 있다:

유리하게 상기 시스템은 상기 공급 네트워크의 주파수를 측정하기 위한 수단, 상기 측정된 전압들을 높은 주파수들에서 필터링하기 위한 아날로그 필터, 상기 아날로그-필터링된 전압들을 낮은 주파수들에서 필터링하기 위한 디지털 필터를 포함하며, 상기 판별 수단은 상기 디지털-필터링된 전압들을 측정된 전압들로서 이용하고, 상기 디지털 필터는, T가 상기 공급 네트워크의 주파수를 측정하기 위한 수단에 판별되는 바와 같은 상기 공급 네트워크의 주기일 때 시간 간격

에 의해 분리되는 N개의 전압 측정값들에 기초하여 평균값을 판별하는 평균 필터(average filter)를 포함할 수 있다.

이는 불완전한 공급 네트워크의 교란들을 필터링할 수 있게 한다. 따라서 50Hz에서의 종래의 공급 네트워크 및 40개의 측정값들에 기초하여 취해진 평균값에 대하여, 상기 평균 필터는 2개의 측정값들 사이에 20.5ms의 시간 간격으로 수행된 40개의 전압 측정값들에 기초한 평균값을 판별할 것이다.

상기 높은 주파수들은 2kHz 초과의 주파수들을 포함하며, 특히 5kHz에서의 주파수를 포함한다. 상기 낮은 주파수들은 5kHz 미만의 주파수들을 포함하며, 특히 50Hz와 2kHz 사이의 주파수들을 포함한다.

60Hz의 주파수를 가지고 40개의 전압 측정값들에 기초하여 취해진 평균값을 가지는 공급 네트워크의 경우에 그 측정값들은 17.1ms의 시간 간격으로 이격되고 0.1ms 이내에서 반올림될 것이다(T = 16.7 ms).

바람직하게 상기 아날로그 필터는, 3kHz의 주파수에서 -20dB의 감쇠를 얻기 위하여, 800Hz와 1.2kHz 사이의 컷오프 주파수, 바람직하게는 1kHz의 컷오프 주파수를 가지고, 0.6과 0.8 사이의 감쇠계수(damping factor), 바람직하게는 0.7의 감쇠계수를 가지는 2차 아날로그 필터이다.

그러한 특성들을 가지는 아날로그 필터의 선택은, 측정을 수행하기 위하여 상기 공급 네트워크 안으로 주사되는 전류 펄스들의 지속시간을 최소화할 수 있게 한다. 상기 전류 펄스들의 지속시간의 감소는 상기 전류 펄스들의 진폭을 증가시킬 수 있게 하고, 따라서 신호-대-잡음비(signal/noise ratio)가 개선된다.

유리하게, 상기 아날로그 필터의 통과대역에 대하여 상기 측정된 전압은 사실 상기 주사되는 펄스들의 전류의 상(image)이므로, 즉, 상기 아날로그 필터의 반응 시간을 고려하기 위하여 상기 전류 펄스들은 적어도 0.8ms보다 큰 지속시간, 바람직하게는 1ms의 지속시간을 가지고, 18mA와 22mA 사이의 최대 진폭, 바람직하게는 20mA의 최대 진폭을 가진다.

그 안전 내장 시스템은, 상기 측정된 접지 저항이 활성화 문턱값 미만인 경우에만 상기 공급 네트워크로부터 상기 배터리의 충전을 활성화하도록 적합화된 안전 제어 수단(safety control means)을 유리하게 포함할 수 있다.

따라서, 상기 공급 네트워크의 접지가 상기 활성화 문턱값보다 큰 저항, 다시 말해서 인간 신체의 저항과 적어도 등가인 것으로 여겨지는 저항보다 큰 저항을 가진다면, 상기 공급 네트워크는 상기 차량의 배터리에 결합되지 않고 충전은 시작되지 않는다. 이는 접촉 전류의 발생의 위험을 회피하기 위한 것이다.

이를 위하여, 상기 활성화 문턱값은 유리하게 20옴 내지 600옴 사이의 저항값에 해당할 수 있으며 바람직하게는 200옴에 해당할 수 있다.

다른 양상에 따르면 일 실시례에서, 공급 네트워크로부터 자동차의 배터리의 안전한 충전을 위하여 상기 공급 네트워크의 중성점과 접지 사이의 저항을 산출하는 방법이 제공되는바, 상기 방법에서 상기 공급 네트워크 안으로의 전류 펄스들의 적어도 한번의 주사가 수행되고, 각각의 펄스에 응하여 상기 공급 네트워크의 접지와 중성점 사이의 전압의 측정들이 취해지고, 접지 저항은 상기 측정된 전압들에 기초하여 판별된다.

본 발명의 일반적 특성에 따라, 전류 펄스들의 상기 공급 네트워크 안으로의 각각의 주사가 양의 제1 펄스 및 상기 제1 펄스에 뒤이은 음의 제2 펄스의 주사를 포함하고, 상기 제1 펄스 및 제2 펄스는, 절대값에 있어 동일한 강도를 가지고, 상기 공급 네트워크에 결합된 기생 캐패시턴스가 상기 제2 펄스가 주입될 때에 여전히 충전되어 있기에 충분히 짧은 시간 간격만큼 분리되며, 상기 접지 저항의 판별은 각각의 펄스 주사의 제1 펄스 및 제2 펄스에 대해 측정된 전압들 및 상기 전류 펄스들의 진폭에 기초하여 수행된다.

유리하게, 상기 공급 네트워크의 주파수가 측정되고, 각각의 펄스에 대해 측정된 전압들은 높은 주파수들에서 아날로그-필터링되고, 상기 아날로그-필터링된 전압들은 낮은 주파수들에서 디지털-필터링되고, 상기 접지 저항의 판별이 상기 디지털 필터링된 전압들에 기초하여 수행되며, 상기 디지털 필터링은, T가 상기 공급 네트워크의 주파수의 측정에 기초하여 판별되는 바와 같은 상기 공급 네트워크의 주기일 때 시간 간격

에 의해 분리되는 N개의 전압 측정값들에 기초한 평균값의 판별을 포함한다.

바람직하게, 상기 아날로그 필터링함은, 800Hz와 1.2kHz 사이의 컷오프 주파수, 바람직하게는 1kHz의 컷오프 주파수를 가지고 0.6과 0.8 사이의 감쇠계수(damping factor), 바람직하게는 0.7의 감쇠계수를 가지는 2차 필터링(second-order filtering)을 포함한다.

바람직하게, 상기 전류 펄스들이 적어도 0.8ms보다 큰 지속시간, 바람직하게는 1ms의 지속시간을 가지고, 18mA와 22mA 사이의 최대 진폭, 바람직하게는 20mA의 최대 진폭을 가진다.

바람직하게, 상기 공급 네트워크 안으로 주사되는 전류 펄스들의 지속시간은 적어도 상기 공급 네트워크의 주기에 해당한다.

유리하게, 상기 접지와 상기 중성점 사이의 N = 40 번의 측정이 상기 공급 네트워크의 첫 39개의 고조파들을 제거하기 위하여 수행될 수 있다.

바람직하게, 상기 공급 네트워크는 상기 측정된 접지 저항이 활성화 문턱값 미만인 경우에만 상기 배터리에 결합된다.

본 발명의 다른 장점들 및 특성들은, 전적으로 비한정적인 실시례의 상세한 설명 및 그것의 구현례, 및 첨부된 도면들을 연구할 때 분명해질 것인바, 그 첨부된 도면들 중에서:
- 도 1에는 일 실시례에 따른 자동차의 배터리를 충전하기 위한 안전 내장 시스템이 개략적으로 제시된다;
- 도 2에는 일 구현례에 따른 공급 네트워크의 접지 저항을 산출하기 위한 방법의 흐름도가 제시된다;
- 도 3에는 상기 공급 네트워크 안에서 관련되는 전압들의 전기배선도(electrical diagram)가 제시된다;
- 도 4에는 진폭 및 위상으로 된 2개의 보드 선도가 제시되는바, 이는 도 1의 시스템의 2개의 필터들의 작용들을 도시한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시례에 따른 안전 시스템(1)이 표현된다. 상기 안전 시스템(1)은 자동차 내에 설치되며 상기 자동차의 배터리(3)의 충전 중에 상기 배터리(3)와 공급 네트워크(2) 사이에 결합되도록 의도된다.

상기 시스템(1)은 상기 공급 네트워크(2)의 주파수를 측정하기 위한 수단(4), 및 전류 펄스들을 상기 공급 네트워크(2) 안으로 주사(injecting)하기 위한 수단(5)을 포함한다. 상기 주파수 측정 수단(4)은, 상기 공급 네트워크(2)의 주파수 값을 상기 전류 펄스 주사 수단(5)으로 전달하기 위하여 상기 전류 펄스 주사 수단(5)에 결합된다.

상기 전류 펄스 주사 수단(5)은 상기 펄스들의 최소 지속시간을 상기 공급 네트워크(2)의 신호의 주기(T)로 조절(adjust)한다. 50Hz에서의 공급 네트워크(2)의 경우, 상기 전류 펄스들의 최소 지속시간은 1ms일 것이다. 각각의 주사에서 상기 펄스 수단(5)은 양의 제1 펄스를 전달하고, 그 직후에 음의 제2 펄스가 뒤를 잇는다. 상기 2개의 연속적인 펄스들은 절대값에 있어서 동일한 진폭을 가지지만 부호가 반대이다.

반대 부호들의 이 이중 펄스는, 상기 접지 저항의 판별 중에 상기 공급 네트워크(2)에 결합된, 있을 수 있는 기생 캐패시컨스의 값을 극복할 수 있게 하는바, 상기 있을 수 있는 기생 캐패시턴스는 상기 접지 저항의 값을 오염시킬 수 있다.

상기 시스템(1)은 상기 공급 네트워크(2)의 중성점과 접지 사이의 전압을 측정하기 위한 수단(6)도 포함하는바, 상기 수단(6)은, 상기 접지 상으로 주사되어 상기 공급 네트워크(2)의 중성점을 통하여 되돌려지는(looping back) 각각의 전류 펄스에 응하여 전압 측정을 수행한다.

상기 연속적인 제1 펄스 및 제2 펄스의 끝에서 수행되는 전압 측정들은, 상기 공급 네트워크(2)에 결합된 기생 캐패시턴스가 없을 때에는, 엄밀하게(strictly) 정반대인 값들을 준다.

기생 캐패시턴스가 있을 때, 상기 제1 펄스 전에 방전된 이 캐패시턴스는 이 제1 펄스 동안에 충전되며, 반대 부호의 제2 전류 펄스 전에 방전될 시간을 가지지 않는다. 따라서 상기 2개의 연속적인 전류 펄스들로부터의 결과인 2번의 전압 측정들은 상이하며, 따라서 위 등식 (1) 및 (2)로 표현된다.

상기 접지 저항의 값, 및 상기 공급 네트워크에 결합된 상기 있을 수 있는 기생 캐패시턴스의 값을 찾기 위하여, 상기 주사의 제1 펄스 및 제2 펄스의 전압 측정값들을 이용하는 공식 (3) 및 (4)가 적용된다.

제1 주사 및 제2 주사 중 각각의 주사는 상기 공급 네트워크(2)의 복수개의 전기적 주기들에 의해 이전의 주사로부터 분리된다.

자동차의 프로세서들은 최대 주파수 10kHz에서 작동한다. 5kHz 초과의 주파수들로 인한 교란들을 디지털 필터의 도움으로 필터링하는 것이 전체적으로 불가능할 것이라는 점은 섀넌의 정리(Shannon’s theorem)로부터 알려져 있다. 상기 전압 측정값들 안의 고-주파수(high-frequency) 교란들을 극복하기 위하여 상기 시스템(1)은 상기 전압 측정 수단(6)의 출력부(output)에 결합된 아날로그 필터(7)를 포함한다.

이 실시례에서 이용되는 아날로그 필터(7)는, 3kHz에서 -20dB의 감쇠를 얻기 위하여 1kHz에서의 컷오프 주파수 및 0.7의 감쇠계수를 가지는 2차 아날로그 필터이다. 임의의 아날로그 필터보다는 그러한 특성들을 가지는 필터를 이용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 주사되는 전류 펄스들의 지속시간을 최소화할 수 있게 하고 따라서 상기 주사되는 전류 펄스들의 진폭을 증가시킬 수 있게 하기 때문이다.

상기 시스템(1)은, 상기 아날로그 필터(7)의 출력부에 결합되는 디지털 필터(8)를 포함한다. 상기 디지털 필터(8)는 50Hz와 2kHz 사이의 상기 공급 네트워크(2)의 고조파들로 인한 교란들을 제거할 수 있게 한다. 2kHz 위로는 상기 아날로그 필터가 이미 충분히 교란들을 감쇠시킨다.

상기 아날로그 필터의 통과대역에 대하여 상기 측정된 전압은 사실 상기 주사되는 펄스들의 전류의 상이므로, 상기 주사되는 전류 펄스들의 최소 지속시간이 적어도 상기 아날로그 필터의 반응 시간에 해당됨으로써 상기 고-주파수 필터링이 효과적이도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 주사되는 펄스들의 지속시간은 적어도 상기 공급 네트워크(2)의 신호의 일 주기에 해당하여야 한다. 따라서 50Hz의 주파수를 가지는 공급 네트워크(3)에 대하여, 상기 주사되는 전류 펄스들의 최소 지속시간은 1ms이어야 한다.

더 긴 전류 펄스 지속시간은, 상기 전류 펄스들이 상기 시스템을 지나다니지 않도록 상기 전류 펄스들의 진폭을 감소시킬 필요가 있게 할 것이다. 그러나 가능한 한 높은 진폭을 가진 펄스들을 방출(emit)하는 것이 중요한데, 왜냐하면 그것들은 이에 대해 더 높은, 따라서 잡음에 상대적으로 더 잘 나타나는 전압들을 발생시키기 때문이다.

50Hz에서의 공급 네트워크(2)의 경우에 1ms의 펄스에 대하여, 상기 전류 펄스들의 진폭은, 상기 시스템을 지나다니는 위험 없이 최대 20mA에 이를 수 있다. 50옴의 저항 상의 20mA의 펄스는, 50V의 잡음(상기 공급 네트워크의 고조파들에서의 잡음들의 합)에 파묻힌 1V의 전압을 발생시킬 것이다. 따라서 수치적으로 가능한 한 상기 공급 네트워크(2)의 고조파들을 제거할 필요가 있다.

이를 위하여, 상기 디지털 필터(8)는, 목표 주파수들(targeted frequencies)을 무한히 감쇠하는(infinitely attenuating) 장점을 가지는 평균 필터를 포함한다. 예를 들어 10ms에 의해 분리된 2개의 지점들을 기록하고 그 평균을 취하는 것은 상기 50Hz를 완전히 제거할 수 있게 한다. 상기 디지털 필터는, 상기 공급 네트워크(2)의 전기적 주기(T)에 관한 정보를 수신하기 위하여, 상기 공급 네트워크(2)의 주파수를 측정하기 위한 수단(4)에 결합된다.

상기 전기적 주기의 20ms에 걸쳐서 동등하게 분산되고 그 각각이 상기 제1 펄스에 대한 하나의 전압 측정값 및 상기 제2 펄스에 대한 하나의 전압 측정값을 포함하는 40개의 측정 지점들(measurement points)을 기록함으로써, 상기 네트워크의 39차 고조파에 이르기까지, 즉 50Hz에서 작동하는 공급 네트워크(2) 상의 1950Hz의 주파수에 이르기까지 제거하는 것이 가능하다.

그러나, 각각 1ms의 2개의 연속적인 펄스들의 주사를, 각각의 이중 펄스가 이전의 펄스로부터 500μs만큼 분리된 채 수행함은 20mA의 펄스 진폭을 가지고는 불가능하다.

여기서, 반대 부호의 제2 펄스가 직후에 뒤를 잇는 제1 펄스의 주사는 "이중 펄스(double pulse)"라는 표현에 의해 지칭된다. 그럼에도 불구하고 이 평균을 취하기 위하여 상기 시스템은 이중-펄스 측정을 수행하는 동안에, 상기 공급 네트워크(2)의 신호의 일 전기적 주기(T)에 d = T/N인 측정 오프셋(d)을 더한 만큼 각각의 새로운 이중-펄스 측정을 오프셋시키는바, N은 일 전기 신호 주기(T) 내에 수행된 측정들의 횟수이다.

따라서 50Hz에서의 공급 네트워크 및 40개의 측정값들에 기초하여 취해진 평균값의 경우에, 제1 이중 펄스에 응한 제1 이중 전압 측정값은 시간(t = 0)에 수행될 것이며, 제2 이중 펄스에 응한 제2 이중 전압 측정값은 후속의 시간(t = 20.5ms)에 수행될 것인바, 그 시간 간격은 전기적 주기(T = 1/50 = 20 ms) 및 측정 오프셋(d = 20/40 = 0.5 ms)의 합에 해당한다. 이 제2 이중 측정값은 상기 제1 이중 측정의 단지 500μs 후에 수행된 이중 측정값과 동일할 것인바, 왜냐하면 잡음 신호는 주기적이며 그 주기는 T = 20 ms이기 때문이다.

따라서, 20.5 ms에 의해 분리된 이중 전압 측정값들의 40번의 획득(forty acquisitions)을 수행하고, 이 40개의 이중 측정값들에 걸쳐서 한편으로는 각각의 이중 펄스에 대하여 측정된 제1 전압들의 평균(양의 평균)을, 다른 한편으로는 각각의 이중 펄스에 대하여 측정된 제2 전압들의 평균(음의 평균)을 취함으로써, 상기 디지털 필터(8)는 상기 네트워크의 고조파들에서의 교란들을 제거하고, 상기 공급 네트워크(2) 안으로 주사되는 전류 펄스들로 인한 DC 성분을 찾아낼 수 있게 한다.

이 방식으로 디지털 필터링된(digitally filtered) 평균 전압은 상기 공급 네트워크(2)의 중성점과 접지 사이의 저항(R_t)을 판별하기 위한 수단(9)에 전달된다. 상기 접지의 저항값은, 상기 제1 전압들의 상기 평균값의 제곱근과, 상기 제2 전압들의 상기 평균값과 상기 공급 네트워크(2) 안으로 주사되는 전류 펄스들의 진폭의 곱 사이의 비율의 절대값에 기초하여 판별된다.

상기 시스템(1)은, 상기 판별 수단(9)으로의 입력부(input)에서 그리고 상기 자동차의 배터리(3)의 출력부에서 결합되는 안전 제어 수단(10)을 포함한다. 판별된 상기 접지 저항의 값이 500옴의 문턱값 미만이라면, 상기 자동차의 배터리(30)로의 결합이 수행되고, 충전이 시작될 수 있다. 그렇지 않다면, 상기 배터리(3)는 상기 공급 네트워크(2)에 전기적으로 결합되지 않으며, 충전이 일어나지 않는다.

도 2에는 일 실시례에 따라 자동차의 배터리를 충전하기 위하여 이용되는 공급 네트워크의 중성점과 접지 사이의 저항을 제거하기 위한 방법의 흐름도가 제시된다.

제1 단계(210)에서 상기 자동차의 배터리(3)를 재충전하기 위한 상기 자동차(100)에 결합되는 공급 네트워크(2)의 주파수가 측정된다.

후속 단계(220)에서 이중 전류 펄스들이 상기 공급 네트워크(20)에 주사되는바, 각각의 이중 펄스는 제1 전류 펄스 및 이에 뒤이은 반대 부호의 제2 전류 펄스를 포함한다. 상기 펄스들의 지속시간은 선택된 아날로그 필터(7)에 의존하며, 그 자체는 상기 공급 네트워크(2)의 주기에 의존한다.

그 후, 단계(230)에서 주사된 제1 및 제2 전류 펄스들(Iinj) 각각의 끝에서, 상기 공급 네트워크(2)의 접지인 Ground와 그 중성점인 Neutral 사이의 전압(V_x ^m)의 측정들이 수행된다.

도 3에는 상기 공급 네트워크 안에서 관련되는 전압들의 전기배선도가 제시된다.

후속 단계(240)에서 각각의 측정된 전압(V_x ^m)은 높은 주파수들에서 아날로그-필터링된다.

그 뒤에 단계(250)에서 상기 측정값(V_x ^m)이 획득된 후에, 단계(260)에서 상기 수행된 측정값들(V_x ^m)의 개수가 테스트된다. 40번의 이중 전압 측정들이 아직 수행되지 않았다면, 단계(220)에서 후속의 전기적 주기(T)에 걸쳐서 새로운 이중 전류 펄스 주사에 기초한 이중 측정이 재시작되는바, 단계(270)에서 상기 이중 측정값의 순간은 오프셋 시간(d = T/N)만큼, 즉, 50Hz에서의 공급 네트워크의 경우에는 시간(d = 0.5ms)만큼 오프셋된다.

40번째 이중 측정이 수행된 때에 후속 단계(280)에서, 한편으로는 상기 40개의 제1 측정된 전압들(V₁ ^m)의 평균 및 상기 40개의 제2 측정된 전압들(V₂ ^m)의 평균을 취함으로써, 저-주파수 디지털 필터링이 수행되고, 다른 한편으로는 상기 접지인 Ground와 상기 중성점인 Neutral 사이의 저항(R_t)이 마침내 단계(290)에서 판별되는바, 이 판별은, 식 (3)에 따라, 상기 제1 전압들의 상기 평균값의 제곱근과, 상기 제2 전압들의 상기 평균값과 상기 전류 펄스들의 진폭의 곱 사이의 비율의 절대값에 기초한다. 이 판별은, 다른 자동차(110)의 상기 공급 네트워크(110)로의 결합을 통하여 상기 공급 네트워크(2)의 접지인 Ground와 그 중성점인 Neutral 사이에 결합되는, 기생 캐패시턴스(C_parasitic)의 값을 극복할 수 있게 한다.

도 4에는 50Hz의 공급 네트워크 주파수에 대한, 상기 아날로그 필터의 작용의 진폭 및 위상이 점선으로, 상기 디지털 필터의 작용의 진폭 및 위상이 실선으로, 2개의 보드 선도들 상에 제시된다.

상기 안전 시스템(1)은, 상기 자동차의 제약조건들에 적합화되고, 상기 안전 시스템이 설치된 상기 자동차의 배터리의 충전 시작을 인가(authorize)하기 전에 네트워크, 특히 가정용 네트워크의 접지의 품질을 체크할 수 있게 하는바, 심지어 다른 충전기와 같은 교란 요소(perturbing element)에 의해 상기 공급 네트워크 안으로 용량성 요소들이 도입된다고 하더라도 그러하다.

Claims (17)

1. 공급 네트워크(2)로부터 자동차의 배터리(3)의 충전을 위한 안전 시스템(secure system; 1)으로서, 상기 시스템(1)은 상기 자동차 내에 설치되고, 전류 펄스들을 상기 공급 네트워크(2) 안으로 주사(inject)하기 위한 수단(5), 및 상기 공급 네트워크(2)의 중성점 및 접지 사이의 전압을 측정하기 위한 수단(6)을 포함하며, 전류 펄스들을 주사하기 위한 상기 수단은, 전류 펄스들의 상기 공급 네트워크(2) 안으로의 각각의 주사가 양(positive)의 제1 펄스 및 상기 제1 펄스에 뒤이은 음(negative)의 제2 펄스의 주사를 포함하도록 구성되며, 상기 제1 펄스 및 제2 펄스는, 절대값에 있어 동일한 강도를 가지며, 상기 공급 네트워크(2)에 결합된 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance)가 상기 제2 펄스가 주입될 때에 여전히 충전되어 있기에 충분히 짧은 시간 간격만큼 분리되며, 상기 시스템은 각각의 펄스 주사의 제1 펄스 및 제2 펄스에 대해 측정된 전압들 및 상기 전류 펄스들의 진폭에 기초하여 상기 접지의 저항을 판별하는 판별 수단(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 공급 네트워크(2)의 주파수를 측정하기 위한 수단(4), 상기 측정된 전압들을 높은 주파수들에서 필터링하기 위한 아날로그 필터(7), 상기 아날로그 필터에 의해 필터링된 아날로그-필터링된 전압들을 낮은 주파수들에서 필터링하기 위한 디지털 필터(8)를 포함하며, 상기 판별 수단(9)은 상기 디지털-필터링된 전압들을 측정된 전압들로서 이용하고, 상기 디지털 필터(8)는, T가 상기 공급 네트워크(2)의 주파수를 측정하기 위한 수단(4)에 판별되는 바와 같은 상기 공급 네트워크(2)의 주기일 때 시간 간격

   

   에 의해 분리되는 N개의 전압 측정값들에 기초하여 평균값을 판별하는 평균 필터(average filter)를 포함하는, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 아날로그 필터(7)는 800Hz와 1.2kHz 사이의 컷오프 주파수 및 0.6과 0.8 사이의 감쇠계수(damping factor)를 가지는 2차 아날로그 필터(second-order analog filter)인, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 전류 펄스들이 적어도 0.8ms보다 큰 지속시간 및 18mA와 22mA 사이의 최대 진폭을 가지는, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정된 접지 저항이 활성화 문턱값 미만인 경우에만 상기 공급 네트워크(2)로부터 상기 배터리(3)의 충전을 활성화하도록 적합화된 안전 제어 수단(safety control means; 10)을 포함하는, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 활성화 문턱값은 20옴 내지 600옴 사이의 저항값에 해당하는, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
7. 공급 네트워크(2)의 중성점과 접지 사이의 저항을 산출하는, 상기 공급 네트워크(2)로부터 자동차의 배터리(3)의 안전한 충전을 위한 방법으로서, 상기 공급 네트워크(2) 안으로의 전류 펄스들의 적어도 한번의 주사가 수행되고, 각각의 펄스에 응하여 상기 공급 네트워크(2)의 접지와 중성점 사이의 전압의 측정들이 취해지고, 접지 저항은 상기 측정된 전압들에 기초하여 판별되며, 전류 펄스들의 상기 공급 네트워크(2) 안으로의 각각의 주사가 양의 제1 펄스 및 상기 제1 펄스에 뒤이은 음의 제2 펄스의 주사를 포함하고, 상기 제1 펄스 및 제2 펄스는, 절대값에 있어 동일한 강도를 가지며, 상기 공급 네트워크(2)에 결합된 기생 캐패시턴스가 상기 제2 펄스가 주입될 때에 여전히 충전되어 있기에 충분히 짧은 시간 간격만큼 분리되며, 상기 접지 저항의 판별은 각각의 펄스 주사의 제1 펄스 및 제2 펄스에 대해 측정된 전압들 및 상기 전류 펄스들의 진폭에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 자동차 배터리 안전 충전 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 공급 네트워크(2)의 주파수가 측정되고, 각각의 펄스에 대해 측정된 전압들은 높은 주파수들에서 아날로그-필터링되고, 상기 아날로그-필터링된 전압들은 낮은 주파수들에서 디지털-필터링되고, 상기 접지 저항의 판별이 상기 디지털 필터링된 전압들에 기초하여 수행되며, 상기 디지털 필터링은, T가 상기 공급 네트워크(2)의 주파수의 측정에 기초하여 판별되는 바와 같은 상기 공급 네트워크(2)의 주기일 때 시간 간격

   

   에 의해 분리되는 N개의 전압 측정값들에 기초한 평균값의 판별을 포함하는, 자동차 배터리 안전 충전 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 아날로그 필터링은, 800Hz와 1.2kHz 사이의 컷오프 주파수 및 0.6과 0.8 사이의 감쇠계수(damping factor)를 가지는 2차 필터링(second-order filtering)을 포함하는, 자동차 배터리 안전 충전 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 전류 펄스들이 적어도 0.8ms보다 큰 지속시간 및 18mA와 22mA 사이의 최대 진폭을 가지는, 자동차 배터리 안전 충전 방법.
11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 네트워크(2) 안으로 주사되는 전류 펄스들의 지속시간은 적어도 상기 공급 네트워크(2)의 주기에 해당하는, 자동차 배터리 안전 충전 방법.
12. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 네트워크(2)는 상기 측정된 접지 저항이 활성화 문턱값 미만인 경우에만 상기 배터리(3)에 결합되는, 자동차 배터리 안전 충전 방법.
13. 제3항에 있어서,
    상기 컷오프 주파수는 1kHz이며 그리고 상기 감쇠계수는 0.7인, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
14. 제4항에 있어서,
    상기 지속 시간은 1ms이며 그리고 상기 최대 진폭은 20mA인, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
15. 제6항에 있어서,
    상기 활성화 문턱값은 200옴의 저항값에 해당하는, 자동차 배터리 충전용 안전 시스템.
16. 제9항에 있어서,
    상기 컷오프 주파수는 1kHz이며 그리고 상기 감쇠계수는 0.7인, 자동차 배터리 안전 충전 방법.
17. 제10항에 있어서,
    상기 지속시간은 1ms이며 그리고 상기 최대 진폭은 20mA인, 자동차 배터리 안전 충전 방법.

Images