KR20110034030A - 자동차용 전기 견인 체인 - Google Patents

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KR20110034030A
KR20110034030A KR1020117004331A KR20117004331A KR20110034030A KR 20110034030 A KR20110034030 A KR 20110034030A KR 1020117004331 A KR1020117004331 A KR 1020117004331A KR 20117004331 A KR20117004331 A KR 20117004331A KR 20110034030 A KR20110034030 A KR 20110034030A
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electric
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필리페 뒤피
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르노 에스.아.에스.
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Abstract

본 발명은
- 재충전 가능한 온보드 (onboard) 에너지 소스 (2:energy source);
- 입력에서 상기 재충전 가능한 에너지 소스 (2)에 접속된 3 상 전압 시스템을 전달할 수 있는 솔리드 스테이트 (solid-state) 컨버터 (5);
- 솔리드 스테이트 컨버터 (5)에 의해 전달되는 3 상 전압 시스템에 의해 동력을 공급받는 3 상 전기 모터 (10)를 포함하며;
온보드 에너지 소스가 솔리드 스테이트 컨버터 (5)에 의해 재충전 되는 것이 가능하도록, 외부 전기 에너지 소스 (35)가 상기 모터의 고정자 권선에 접속되는 것이 가능한 자동차용 전기 견인 체인 (1)에 관련된 것이며,
본 발명에 따르면, 상기 견인 체인은 상기 모터는 재충전 단계 중에 회전자 (23)를 위한 전력 공급이 중단되는, 개별 여기와 동기화되는 타입인 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 전기 견인 체인{Electric traction chain for an automobile}
본 발명은 자동차 분야에 관한 것이며, 보다 자세하게는 전기 견인 체인을 포함하는 차량에 관한 것이다.
보다 자세하게는, 사용되는 특정 장치 (arrangement)에서 견인력을 전달하는 전기 축전지의 재충전 시간을 개선하는 것을 목적으로 한다.
통상, 전기 견인 체인을 포함하는 차량은 견인 기능을 위해 요구되는 힘을 전달하도록 제작되는 축전지를 포함한다. 이 전지는 솔리드 스테이트 (solid-state) 컨버터를 통해 전기 모터에 동력을 공급한다. 이 컨버터들의 역할은 상기 모터에 직접 인가되는 유리하게는 3 상인, 교류 전압을 생성하는 것이다. 따라서, 이 타입의 컨버터는 인버터로 동작하며, 따라서 시스템에 그 진폭과 주파수가 필요한 토크 (torque)을 전달하도록 제어되는 전압을 시스템에 전달한다.
전기 견인 체인을 갖는 차량과 관련하여 이미 알려진 문제의 하나는 축전지의 재충전 단계와 관련된다. 열 엔진 차량과 비교했을 때, 에너지 재충전 단계가 훨씬 길다. 사실, 현재 알려진 기술로는 메인 전압 소스를 통해 온보드 (onboard) 배터리에 동력을 공급하기 위해서는 차량이 약 한 시간 이상 고정되어 있어야 한다. 보통, 배터리의 재충전은 상기 배터리를 내부 또는 외부 충전기에 연결함으로써 이루어진다. 현재 이용 가능한 유형의 온보드 컨버터로는 이 재충전 동작이 수 시간 소요될 수 있으며, 따라서 통상 차량이 멈춘 야간에 재충전이 수행된다.
나아가, 훨씬 빠른 재충전 동작을 제공하지만 너무 비싸서 광범위하게 사용할 수 있기에는 너무 비싼 외부 충전기들이 있다. 나아가, 이 특정 충전기 타입들은 전기 차에 존재하는 매우 다양한 단자 블록 (terminal block)과 항상 호환성이 있는 것은 아니다.
축전지의 재충전을 다룬 문서 EP-0　603　778에 이미 하나의 해결책이 제시되어 있다. 여기의 원리는 외부 전력 소스를 모터의 고정자 권선의 단자에 접속시키는 것을 포함한다. 이 방법으로, 모터의 권선들이 유도 소자로서 행동하며 권선들이 연결되어 있는 인버터는 배터리를 충전하는 스위치된-모드의 (switched-mode) 컨버터로서 기능하게 된다.
이 해결책에 의해 나타나는 잠재적 문제는 배터리 재충전 단계 중에, 충전 전류가 고정자 권선을 통과할 때 모터 토크가 발생한다는 것에 있다. 실제로, 이 해결책에 사용되는 자석 동기 모터 (magnet synchronous motor) 또는 비동기 모터들은 회전부를 위한 전류 공급을 필요로 않는다는 장점을 갖지만, 다른 한편 이와 같은 모터들은 이 모터의 고정자 권선들이 2 상 교류를 통과할 때 토크를 생성한다는 단점을 보인다. 토크의 존재는, 회전자가 멈춘 동안에 낮다고 해도, 특별한 문제점을 형성하게 되는데, 왜냐하면 충격이 발생한 경우, 가벼운 충격이라도 충전중에는 모터에 의해 바퀴에 전달되는 평균 토크가 매우 심각하게 증가하며 기계 권선 내를 순환하는 충전 전류가 높은 경우, 더 커질 것이기 때문이다. 사실, 충전 전류의 통로에 연결된 계 (field)를 회전시키는 고정자 방향에서 회전자의 아주 미세한 움직임도 동일한 방향으로 토크 발생을 야기할 것인데, 이것은 고정자 계와 회전자 계의 동기화 (synchronism)로 야기되는 과속 (overspeed) 때문이며, 차량의 원하지 않는 출발이라는 재난을 초래하는 (disastrous) 결과를 갖는다.
따라서, 예기치 않게 차량이 움직이는 것을 볼 위험 요인 (risk)이 존재한다는 것이 이해될 것이다. 이 위험 요인은 전기 차에 있어서는 공회전 속도 (idle speed) 라는 것이 존재하지 않기 때문에, 차량이 0의 속도에서는 완전히 조용하기 때문에 더욱 위험하다. 실제로, 정말로 멈춘 (stop) 차와 0의 속도이지만 가속 페달을 밝으면 가속될 준비가 되어 있는 챠량을 구분하는 것이 불가능하다. 또한, 라디칼 (radical) 수단에 의해, 주차된 차량이 재출발의 위험을 갖지 않는다는 것을 보장하는 것이 전적으로 중요하다. 이것을 위해, 규정들이 이 상태에서 견인이 가능하지 않다는 것을 보장하는 컷 오프 (cut-off) 장치를 전기 시스템이 갖추고 있을 것을 규정한다. EP-0　603　778에 기술된 시스템은 이와 같은 케이스가 아닌데, 이 문헌은 브레이크 시스템을 사용하여 바퀴를 잠금으로써 차량을 고정시킬 (immobilizing) 것을 추천한다. 이 해결책은 결코 만족스럽지 않은데, 왜냐하면 이 해결책이 차량이 멈춘 동안에 견인 시스템의 전기 컷-오프의 제공을 골자로 하는 현재의 규정을 만족시키지 않기 때문이다. 또한, 이것은 차량을 출발 시킬때의 안전 장치로서 주차 브레이크 기능에 의존하는데, 이것은 견인 엔진이 활성화 되었을 때 차량을 고정시키기에 충분하지 않다. 나아가, 바퀴들이 차단되면 (block), 엔진 출력과 축 사이의 모든 트랜스미션이 (transmission)들이 기계적 스트레스와 진동의 소스가 되며, 외부 전력 소스의 전력 공급 주파수에서 그리고 이 주파수의 정수배 (harmonics)에서 특히 그러하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 문제는 특히 기계적 트랜스미션 부재들(member)이 현저한 기계적 스트레스를 받게 되는 것을 방지하고 충전 시 트랜스미션 축 상에 비 영 (non-zero) 평균 토크가 생기는 위험을 제거함으로써, 개선된 방식으로 충전지가 재충전되는 것을 가능하게 하는 것이다.
따라서, 본 발명은 알려진 대로,
- 재충전 가능한 온보드 (onboard) 에너지 소스 (2:energy source);
- 입력에서 상기 재충전 가능한 에너지 소스 (2)에 접속된 3 상 전압 시스템을 전달할 수 있는 솔리드 스테이트 (solid-state) 컨버터 (5);
- 솔리드 스테이트 컨버터 (5)에 의해 전달되는 3 상 전압 시스템에 의해 동력을 공급받는 3 상 전기 모터 (10)를 포함하며;
온보드 에너지 소스가 솔리드 스테이트 컨버터 (5)에 의해 재충전 되는 것이 가능하도록, 외부 전기 에너지 소스 (35)가 상기 모터의 고정자 권선에 접속되는 것이 가능한 자동차용 전기 견인 체인 (1)에 관련된 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 견인 체인은 상기 모터는 재충전 단계 중에 회전자 (23)를 위한 전력 공급이 중단되는, 개별 여기와 동기화되는 타입인 것을 특징으로 한다.
환언하면, 사용되는 모터는 고정자 권선에 의해 발생되는 회전 계 (field)와 상호 작용하는 회전자 계를 생성하는 권선을 포함하는 회전자를 갖는다. 이 여기 (excitation)가 재충전 단계 중에 고정자 권선을 통과하는 전류에 의해 생성되는 토크를 없애거나 적어도 현저하게 감소시키기 위해 동일한 재충전 단계 중에 명령에 의해 제거될 수 있다. 따라서, 회전하는 접촉 (contact)에 의해 동력이 공급되어야 하는 회전자를 갖는 제한은 배터리의 재충전이 특히 3상이지만 단일 위상이기도 한 외부 전력 공급 네트워크에 직접 접속함으로써, 심각한 기계적 스트레스 또는 모터 출력에서 트랜스미션에 비 영 평균 토크를 인가하는 위험 없이 이루어질 수 있다는 사실에 의해, 상쇄되고도 남는다. 실제로, 각 고정자 권선은 한 쌍의 독립적인 단자들을 포함할 수 있고, 각 권선은 솔리드 스테이트 컨버터에 연결된 단자를 가지며, 다른 단자는 중립 형성 (neutral-forming) 공통 포인트 (common point), 또는 외부 전기 에너지 소스에 접속되기 위한 단자 블록 (terminal block)에 교대로 접속된다. 환언하면, 모터 고정자의 권선은 모터의 3상의 중립의 직접적 연결을 포함하지 않지만, 위상 회복을 외부 전력 소스에 접속시키는 것이 가능하게 한다.
유리하게, 실제로, 상기 견인 체인은 재충전 단계 외에는, 상기 고정자 권선의 단자들을 중립 형성 공통 포인트에 접속시킬 수 있는 한 세트의 릴레이 부재 (relaying member)를 포함할 수 있다. 환언하면, 중립은 기계 내, 외부에 위상 회복을 쇼팅 (shortcircuting) 하는 한 세트의 릴레이를 폐쇄함으로써 접속된다.
일 변형 실시예에서, 상기 견인 체인은 재충전 단계 외에는, 모든 고정자 권선들의 단자들을 접속시킬 수 있는 공통 포인트를 형성하는 플러그 커넥터 (plug connector)를 포함할 수 있다.
반대로, 재충전 단계 중에, 위상 회복 단자들이 연결되어 있는 단자 블록이 3 상 또는 단일 위상인 외부 전력 소스에 연결될 수 있다. 후자의 경우, 2개의 고정자 권선)들이 함께 외부 전력 소스의 동일한 단자에 공유 (commoned)될 수 있다. 경우에 따라, 상기 단자 블록은 변압기에 의해, 특히 계단식 하강 (step-down) 변압기를 통해 외부 전력 소스에 연결될 수 있다.
본 발명을 어떻게 구현할 것인가 및 이에 의해 얻어지는 장점들이 하기의 실시예들의 상세한 설명으로부터 명백해질 것인데, 이 설명은 첨부된 도면에 의해 뒷받침되며, 여기서
- 도 1은 운행 모드 (running mode)에서, 견인 체인의 다양한 부품들을 도시하는 다이어그램이며;
- 도 2는 도 1과 유사한 다이어그램으로서, 모터가 중립인 (neutral) 변형례를 도시하고;
- 도 3 내지 도 6은 도 1과 유사한 다이어그램으로서, 외부 전력 소스의 상이한 변형례들에 따른, 배터리 재충전 모드에서의 견인 체인을 도시한다.
도 1에 도시된 것처럼, 견인 체인 (1)은 주로 배터리 (2), 출력 단자 (3, 4) 및 상기 출력 단자에 접속된 인버터 기능을 갖는 솔리드 스테이트 컨버터 (5)으로 구성된다. 이 인버터 (5)는 입력 커패시터 (6), 각각 2개의 솔리드 스테이트 스위치를 포함하는 다양한 레그들 (leg:7)을 포함하며, 이 스위치들 사이에 출력 단자 (8)들이 접속된다. 인버터가 적절히 제어되면, 출력 단자 (8)들 사이에 존재하는 전압이 3 상 전압의 시스템을 형성한다. 이 인버터 (5)는 3개의 고정자 권선 (11, 12, 13)을 포함하는 모터 (10)에 동력을 공급한다. 상기 인버터의 출력 단자 (8)들은 각 고정자 권선 (11, 12, 13)의 단자들 (14, 15, 16) 들의 하나에 연결된다. 고정자 권선 (11, 12, 13)의 위상 회복 (phase-return) 단자들 (17, 18, 19) 그 자체가 단자 블록 (25)에 연결되는데, 이 단자 블록에 외부 전력 소스가 연결될 것이다.
도 1에 도시된 실시예에서, 각 고정자 권선의 3 상-회복 단자 (17, 18, 19)는 플러그 커넥터 (27)를 통해 공유된다 (common).
모터의 동작은 회전자 권선 (23)을 위한 적절한 전력 공급 및 인버터 (5)의 적절한 제어에 의해 보장될 수 있다.
도 2에 도시된 변형례에서, 상이한 위상-회복 단자들 (17, 18, 19)이 2개의 릴레이 (30, 31)의 존재에 의해 공유된다. 이 릴레이 (30, 31)들의 접촉은 위상 회복을 운행 모드에서 쇼트 (short-circuit) 시키기 위해 폐쇄된다. 다른 한편, 이 릴레이들의 접촉은 재충전 모드에서는 개방된다. 이 릴레이들은 본 발명의 원칙에는 영향을 미치지 않으면서, 상이한 기술을 사용하여 생산될 수 있다.
차량의 배터리가 재충전되어야 하면, 견인 체인이 도 3에 도시된 것과 같이 구성된다, 이 경우, 바람직하게 3 상인 외부 전력 소스 (35)가 터미널 블록 (25)에 연결된다. 회전자 파워 공급이 단절 (cut) 되는 이 방법으로, 주 전압 (35) 시스템이 유도 소자로 기능하는 고정자 권선을 통해 인버터의 출력 단자 (8)에 인가된다. 그 후, 인버터를 구성하는 솔리드 스테이트 스위치의 적절한 제어로, 인버터 (5)가 전압 계단식 상승 (step-up) 타입의 컨버터로 동작한다.
적절하게 도 4에 도시된 것처럼, 계단식 하강 (step-down) 변압기 (37)는 모터의 고정자에 인가되는 전압 시스템을 인버터가 전압 계단식 상승 모드에서 동작 가능하도록 하는 레벨로 낮추는데 필요할 수 있다.
본 발명에 따른 견인 체인의 구성 (architecture)은 도 5에 도시된 것처럼, 단일 위상 주 전압 소스로부터의 재 충전도 가능하게 한다. 이 재충전 모드는 덜 빠르기는 하지만, 3 상 주 전압이 가용하지 않은 경우에 유용할 것이다.
이 경우, 상기 터미널 블록 (25)은 전압 소스 (40)에 접속되어, 그것의 2개의 단자 (41, 42)는 공유되며 제 3의 단자 (43)는 전력 소스 (4)의 다른 단자에 접속된다. 이 경우, 동일한 전류가 2개의 고정자 권선 (11, 13)을 흘러간다.
전술한 바와 같이, 도 6에 도시된 계단식 하강 변압기 (48)는 솔리드 스테이트 컨버터 (5)가 전압 계단식 상승 모드에서 동작할 수 있도록 하기 위해 필요할 수 있다.
전술한 바로부터, 본 발명에 따른 견인 체인은 재 충전 단계 동안에 모터 내에 어떤 토크도 발생시키지 않으면서 3 상 전력 소스에 접속될 수 있다는 장점을 보인다는 것을 알 수 있다. 따라서, 3 상 네트워크에 연결되었을 때의 충전 속도가 종래 기술의 해결책과 비교했을 때, 사용의 안전도 제공하게 된다. 이 구성은 또한 단일 위상 네트워크를 통한 재충전을 허용한다.

Claims (7)

  1. 자동차용 전기 견인 체인 (1)로서,
    - 재충전 가능한 온보드 (onboard) 에너지 소스 (2:energy source);
    - 입력에서 상기 재충전 가능한 에너지 소스 (2)에 접속된 3 상 전압 시스템을 전달할 수 있는 솔리드 스테이트 (solid-state) 컨버터 (5);
    - 상기 솔리드 스테이트 컨버터 (5)에 의해 전달되는 3 상 전압 시스템에 의해 동력을 공급받는 3 상 전기 모터 (10)를 포함하며;
    상기 온보드 에너지 소스가 솔리드 스테이트 컨버터 (5)에 의해 재충전 되는 것이 가능하도록, 외부 전기 에너지 소스 (35)가 상기 모터의 고정자 권선에 접속되는 것이 가능한 상기 전기 견인 체인에 있어서,
    상기 모터는 재충전 단계 중에 회전자 (23)를 위한 전력 공급이 중단되는, 개별 여기와 동기화되는 타입인 것을 특징으로 하는, 전기 견인 체인.
  2. 제 1항에 있어서, 각 고정자 권선 (12, 13, 14)은 한 쌍의 독립적인 단자들을 포함하고, 각 권선은 솔리드 스테이트 컨버터에 연결된 단자 (14, 15, 16)를 가지며, 다른 단자 (17, 18, 19)는 중립 형성 (neutral-forming) 공통 포인트 (common point: 27), 또는 외부 전기 에너지 소스 (35)에 접속되기 위한 단자 블록 (terminal block:25)에 교대로 접속되는 것을 특징으로 하는, 전기 견인 체인.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 견인 체인은 재충전 단계 외에는, 상기 고정자 권선의 단자들을 중립 형성 공통 포인트에 접속시킬 수 있는 한 세트의 릴레이 부재 (relaying member)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 견인 체인.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 견인 체인은 재충전 단계 외에는, 모든 고정자 권선 (12, 13, 14)들의 단자들 (17, 18, 19)을 접속시킬 수 있는 공통 포인트를 형성하는 플러그 커넥터 (plug connector:27)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 견인 체인.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 단자 블록 (25)은 3 상 외부 전력 소스 (35)에 접속되는 것을 특징으로 하는, 전기 견인 체인.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 단자 블록 (25)은 단일 위상 외부 전력 소스에 연결되며, 2개의 고정자 권선 (41, 42)들은 외부 전력 소스 (40)의 동일한 단자에 공유되는 (commoned) 것을 특징으로 하는, 전기 견인 체인.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 단자 블록 (25)은 계단식 하강 (step-down) 변압기 (37)를 통해 외부 전력 소스에 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 견인 체인

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