KR20130034633A - 액티브 스위칭 주파수 변조 - Google Patents

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KR20130034633A
KR20130034633A KR1020120108284A KR20120108284A KR20130034633A KR 20130034633 A KR20130034633 A KR 20130034633A KR 1020120108284 A KR1020120108284 A KR 1020120108284A KR 20120108284 A KR20120108284 A KR 20120108284A KR 20130034633 A KR20130034633 A KR 20130034633A
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Abstract

차량에 배치된 가변 주파수 전력 변환기를 제어하는 방법, 및 이러한 가변 주파수 전력 변환기를 가진 기계가 기술된다. 본 방법은 차량에 배치된 전력 제어기, 가변 주파수 전력 변환기 및 전기 에너지 저장 리포지터리를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은, 전력 제어기에 의해, 희망 기준 값을 수신하는 단계, 및 희망 기준 값에 기초하여 제1 스위칭 주파수로부터 제2 스위칭 주파수로 가변 주파수 전력 변환기의 스위칭 주파수를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

액티브 스위칭 주파수 변조{ACTIVE SWITCHING FREQUENCY MODULATION}
본 발명은 일반적으로 고 효율 전기 전력 변환기들에 관한 것으로, 특히, 하이브리드 토공, 건설, 자재 관리, 채광 차량 등에서 사용되는 이러한 변환기들로부터 야기된 전류 및 전력 리플을 감소시키는 것에 관한 것이다.
기계들을 위한 구동 시스템들은 통상 기계를 나아가도록 동작하는 바퀴 또는 다른 견인 장치에 연결된 모터를 포함한다. 구동 시스템은 원동기, 예를 들어, 발전기를 구동하는 엔진을 더 포함한다. 발전기는 모터를 구동하는데 사용되는 전기 전력을 생산한다. 엔진에 의해 생산된 기계적 전력은 발전기에 의해 전기 전력으로 변환된다. 이 전기 전력은 그 후 모터 및/또는 기계 보조 장치들에 제공되기 전에 처리 및/또는 조절될 수 있다. 모터는 견인 장치를 구동하고 차량을 나아가게 하기 위해 전기 전력을 다시 기계적 전력으로 변환한다.
전형적인 기계들은 기계를 지연 또는 감속시키기 위한 브레이크들 및 다른 메커니즘들을 또한 포함할 수 있다. 기계가 감속함에 따라, 기계의 모멘텀이 견인 장치를 통해 모터에 전송될 수 있다. 모터는 기계의 운동 에너지를, 기계의 구동 시스템 또는 에너지 저장 장치에 제공될 수 있는 전기 에너지로 변환하기 위해 발전기로서 작용할 수 있다.
하이브리드 기계들 등의 일부 기계들은 동작의 지연 모드 중에 모터에 의해 제공되는 전기 에너지 또는 엔진에 의해 제공되는 전기 에너지를 차후 사용을 위해 저장하도록 구성된다. 이러한 에너지는 전력 변환기에 의해 조절되어서 배터리들 등의 전기 에너지 저장 리포지터리들에 저장된다. 저장된 에너지는 엔진 사용을 최소화하고 연료 소비를 감소시키도록 보조 장치들에 전력을 공급하고/하거나 기계에서 모터(들)를 구동하는데 사용될 수 있다.
2010년 12월 23일에 공개된 미국 공개 번호 제2010/0321958호("브린리(Brinlee) 외 다수")는 스위칭 주파수 제어에 관련된 종래 기술의 일례이다. 브린리 외 다수는 파워 스위치를 포함하는 전력 변환기, 스위칭 주파수를 제어하기 위한 제어기 및 균일하지 않은 갭을 가진 자기 장치를 기술한다. 브린리 외 다수에서, 시스템 피크 실제 전류는 인덕턴스의 값에 대한 피드백을 제공하는데 사용된다. 스위칭 주파수는 그 후 시스템의 커패시터들을 최소화하기 위해 피드백에 기초하여 조정된다. 이러한 설계는 전력 변환 효율을 증가시킬 수 있지만, 요구된 피드백을 제공하기 위해 시스템 피크 실제 전류의 사용을 요구한다.
본 발명의 일 양상에 따라, 차량에 배치된 가변 주파수 전력 변환기를 제어하는 방법이 기술된다. 본 방법은 차량에 배치된 전력 제어기, 가변 주파수 전력 변환기 및 전기 에너지 저장 리포지터리를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전력 제어기는 가변 주파수 전력 변환기 및 전기 에너지 저장 리포지터리에 연결될 수 있다. 본 방법은, 전력 제어기에 의해, 희망 전력 기준 값을 수신하는 단계, 및 희망 전력 기준 값에 기초하여 제1 스위칭 주파수로부터 제2 스위칭 주파수로 가변 주파수 전력 변환기의 스위칭 주파수를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 하이브리드 차량에 배치된 가변 주파수 전력 변환기를 제어하는 방법이 기술된다. 본 방법은 하이브리드 차량에 배치된 전력 제어기, 가변 주파수 전력 변환기 및 전기 에너지 저장 리포지터리를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전력 제어기는 가변 주파수 전력 변환기 및 전기 에너지 저장 리포지터리에 연결될 수 있다. 본 방법은, 전력 제어기에 의해, 희망 전류 기준 값을 획득하는 단계, 및 희망 전류 기준 값에 기초하여 제1 스위칭 주파수로부터 제2 스위칭 주파수로 가변 주파수 전력 변환기의 스위칭 주파수를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 전기 구동 기계가 기술된다. 본 기계는 엔진, 엔진에 동작 가능하게 연결된 발전기, 하나의 또는 그 이상의 견인 장치에 동작 가능하게 연결된 모터, 전기 에너지 저장 리포지터리, 전기 에너지 저장 리포지터리에 연결된 폐 루프 가변 주파수 전력 변환기, 및 가변 주파수 전력 변환기에 연결된 전력 제어기를 포함할 수 있다. 가변 주파수 전력 변환기는 제1 위치 및 제2 위치 간에 이동가능한 스위치를 포함할 수 있다. 전력 제어기는 희망 기준 값의 함수로서 가변 주파수 전력 변환기의 스위칭 주파수를 스케일링하도록 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 교시에 따라 전기 구동 기계에 적용된 구동 시스템의 일례의 실시예의 일반적인 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따라 전력 변환기를 제어하는 방법의 일례의 단계들을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따라 전력 변환기를 제어하는 방법의 일례의 단계들을 도시한 흐름도이다.
도 4의 (a)-(c)는 본 발명에 따른 스위칭 주파수와 전력 부하 간의 일례의 관계와 전력 및 전류 리플에 대한 영향을 도시한다.
도 5의 (a)-(c)는 본 발명에 따른 스위칭 주파수와 전류 간의 일례의 관계와 전력 및 전류 리플에 대한 영향을 도시한다.
특정 실시예들 또는 특징들에 대해 이제부터 상세히 기술될 것이며, 그 일례들은 첨부 도면들에 도시된다. 일반적으로, 대응 참조 부호들은 도면들에 걸쳐 동일하거나 또는 대응하는 파트들을 나타내는데 사용될 것이다.
도 1은 일례의 전기 구동 기계(100)를 개략적으로 도시한다. 이 기계는 굴착기, 차륜식 짐싣는 기계, 온 오프-로드 트럭(on off-road truck), 또는 건설업, 광업, 농업 또는 다른 산업 응용들에서 사용되는 차량일 수 있지만, 이들로만 한정되지는 않는다. 전기 구동 기계(100)는 엔진 등의 기계적 전원(102), 엔진(102)에 연결된 발전기(104), 하나의 또는 그 이상의 견인 모터들(106), 하나의 또는 그 이상의 최종 구동 견인 장치(108), 마스터 제어기(109), 전기 에너지 저장 리포지터리(110), 가변 주파수 전력 변환기(112) 및 전력 제어기(114)를 포함할 수 있다. 견인 장치(108)는 기계(100)의 이동을 추진하고 용이하게 하며, 굴착기들 및 트랙-타입 기계들에서 발견되는 바와 같은 이착륙 장치들(undercarriage), 바퀴들 등일 수 있지만, 이들로만 한정되지는 않는다. 기계(100)는 도 1에 도시된 제1 전력 변환기(116) 및 제2 전력 변환기(118) 등의 추가 전력 변환기들을 더 포함할 수 있다.
기계(100)의 전체 제어는 기계(100)의 내장된 또는 통합된 마스터 제어기(109)에 의해 관리될 수 있다. 제어기는 하나의 또는 그 이상의 프로세서들, 마이크로프로세서들, 마이크로컨트롤러들, 전자 제어 모듈들(ECM들), 전자 제어 유닛들(ECU들), 또는 기계(100)의 기능을 전자적으로 제어하기 위한 임의의 다른 적합한 수단의 형태를 취할 수 있다.
마스터 제어기(109)는 기계(100)의 각종 동작 상태들에 기초하여 기계(100)를 제어하기 위한 명령들의 집합 또는 선정된 알고리즘에 따라 동작하도록 구성될 수 있다. 이 명령들의 집합 또는 알고리즘은 마스터 제어기(109)의 내장된 메모리로 판독되거나, 또는, 예를 들어, 플로피 디스크, 하드 드라이브, 광 매체, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 또는 본 기술 분야에서 흔히 사용되는 임의의 다른 적합한 컴퓨터 판독 가능 기억 매체의 형태로, 제어기(109)에 의해 액세스 가능한 기억 매체 또는 메모리에 미리 프로그래밍될 수 있다. 마스터 제어기(109)는 엔진(102), 발전기(104), 제1 및 제2 변환기들(116, 118), 가변 주파수 전력 변환기(112), 전기 에너지 저장 리포지터리(110) 등과 전기 통신할 수 있다. 마스터 제어기(109)는 또한 기계(100)의 다른 각종 컴포넌트들, 시스템들 또는 서브 시스템들(도시되지 않음)에 연결될 수 있다. 이러한 연결에 의해, 제어기(109)는 센서들 등으로부터 기계(100)의 현재 동작 파라미터들에 속한 데이터를 수신할 수 있다. 이 입력에 응답하여, 마스터 제어기(109)는 각종 결정들을 실행할 수 있으며, 이러한 결정들의 결과들에 대응하거나 실행될 필요가 있는 동작들에 대응하는 출력 신호들을 송신할 수 있다.
일 실시예에서, 전기 에너지 저장 리포지터리(110)는 배터리일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전기 에너지 저장 리포지터리(110)는 하나의 또는 그 이상의 울트라 커패시터일 수 있다. 가변 주파수 전력 변환기(112)는 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에 의해 제공된 전력을 기계(100)에 맞춰 조절할 수 있다. 가변 주파수 전력 변환기(112)는 또한 엔진(102)으로부터 제공된 전력을 저장을 위해 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에 맞춰 조절할 수 있다. 또한, 가변 주파수 전력 변환기(112)는 기계(100)로부터 제공된 재생 전력, 예를 들어, 제동(braking)으로부터 생성된 전력을 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에 맞춰 조절할 수 있다.
동작의 추진 모드(propel mode) 중에, 또는 기계(100)가 가속화중일 때, 전력은 기계(100)의 이동을 야기하기 위해 엔진(102)으로부터 견인 장치(108)로 전송될 수 있다. 구체적으로 말해서, 엔진(102)은 발전기(104)에 출력 토크를 생성할 수 있으며, 발전기(104)는 차례로 기계적 토크를 전기 전력으로 변환할 수 있다. 전기 전력은 교류(AC) 전력의 형태로 생성될 수 있다. AC 전력은 그 후 제1 변환기(116)에 의해 직류(DC)로 변환될 수 있으며, 모터(106)에 제공되기 전에, 제2 전력 변환기(118)에 의해 DC 전력으로부터 적합한 양의 AC 전력으로 다시 변환될 수 있다. 당업자가 아는 바와 같이, 결과로서 생긴 AC 전력은 그 후 하나의 또는 그 이상의 모터들(106) 및 견인 장치(108)를 구동하는데 사용될 수 있다.
동작의 동적 제동 모드 중에, 또는 기계(100)의 움직임이 지연중일 때, 전력은 견인 장치(108)의 기계적 이동에 의해 생성될 수 있다. 특히, 이동하는 기계(100)의 운동 에너지는 견인 장치(108)에서 회전력으로 변환될 수 있다. 견인 장치(108)의 회전력은, 예를 들어, AC 전력의 형태로, 전기 전력을 생성하기 위해 모터(106)를 더 회전시킬 수 있다. 생성된 이러한 재생 AC 전력은 제2 변환기(118)에 의해 DC 전력으로 변환되고 발전기(104)에 전달되어 적어도 부분적으로 엔진(102)을 구동할 수 있고/있으며, 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에 저장되기 전에 조절을 위해 가변 주파수 전력 변환기(112)로 전달될 수 있다.
일 실시예에서, 가변 주파수 전력 변환기(112)는 임의의 전압, 전류 및/또는 전력 또는 그 조합을 규제하는 폐 루프 스위칭 레귤레이터를 포함할 수 있다. 당업자가 아는 바와 같이, 레귤레이터는 제1 및 제2 위치 간에 이동 가능한 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 당업자가 아는 바와 같이, 가변 주파수 전력 변환기(112)는 펄스 폭 변조(PWM) 프로세스를 사용해서, 폐 루프 스위칭 레귤레이터의 스위칭 소자가 개방 및 폐쇄되는 듀티 사이클의 스위칭 주파수를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)에 연결될 수 있다. 전력 제어기(114)는 마스터 제어기(109)와 별개이거나, (도 1에 도시된 바와 같이) 마스터 제어기(109)에 연결되거나, 또는 마스터 제어기(109)의 파트일 수 있다. 전력 제어기는 하나의 또는 그 이상의 프로세서들, 마이크로프로세서들, 마이크로컨트롤러들, 전자 제어 모듈들(ECM들), 전자 제어 유닛들(ECU들), 또는 변환기(112)의 기능을 전자적으로 제어하기 위한 임의의 다른 적합한 수단의 형태를 취할 수 있다. 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)를 제어하기 위한 명령들의 집합 또는 선정된 알고리즘에 따라 동작하도록 구성될 수 있다. 이 명령들의 집합 또는 알고리즘은 전력 제어기(114)의 내장된 메모리로 판독되거나, 또는, 예를 들어, 플로피 디스크, 하드 드라이브, 광 매체, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 또는 본 기술 분야에서 흔히 사용되는 임의의 다른 적합한 컴퓨터 판독 가능 기억 매체의 형태로, 전력 제어기(114)에 의해 액세스 가능한 기억 매체 또는 메모리에 미리 프로그래밍될 수 있다.
일 실시예에서, 전력 제어기(114)는 전력 기준에 기초하여 한 주파수로부터 다른 주파수로 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 조정하도록 구성될 수 있다. 전력 기준은 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터 기계(100)가 희망하는 방전 전력의 양 또는 기계(100)가 희망하는 전기 에너지 저장 리포지터리(110)를 충전하기 위한 전력의 양일 수 있다. 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터의 방전은, 예를 들어, 기계(100)가 기계(100)에 추진력(propulsion)을 제공하고, 기계(100)의 보조 부가 장치들에 전력을 제공하는 등을 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에게 요구할 때, 발생할 수 있다.
희망 전력 기준(전기 에너지 저장 리포지터리(110)로의 또는 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터의 희망 전력)의 값이 감소함에 따라, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 기존 전력 기준(전기 에너지 저장 리포지터리(110)로/전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터 현재 제공되는 전력의 양)이 희망 전력 기준 보다 더 크면, 전력 제어기(114)는 제1 스위칭 주파수(기존 전력 기준 값에 대응함)로부터 제2 스위칭 주파수(희망 전력 기준 값에 대응함)로 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다. 유사하게, 기존 전력 기준이 희망 전력 기준보다 더 작으면, 전력 제어기(114)는 제1 스위칭 주파수(기존 전력 기준 값에 대응함)로부터 제2 스위칭 주파수(희망 전력 기준 값에 대응함)로 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 감소시킬 수 있다.
일례의 실시예에서, 기계(100)는 전기 에너지 저장 리포지터리(110)를 충전하기를 희망할 수 있다. 마스터 제어기(109), 또는 다른 제어기는, 상당히 충분히 충전될 때의 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터 유용한 전력의 양(초기량)을 나타내는 값을 제어기에 의해 액세스 가능한 메모리 또는 데이터베이스(120)로부터 검색할 수 있다. 마스터 제어기(109)는 현재 충전 레벨에서 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에 남겨진 남은 전력의 측정값(현재량)을 나타내는 데이터를 또한 수신할 수 있다. 이 데이터는 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에 연결된 센서로부터 비롯될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 본 실시예에서, 전력 기준은, 상당히 충분히 충전될 때의 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터 유용한 전력의 양(초기량) 및 현재 충전 레벨에서 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터 유용한 남은 전력(현재량) 간의 차이일 수 있다. 다른 실시예들에서, 예를 들어, 전기 에너지 저장 리포지터리(110)가 기계(100)를 추진하도록 전력을 공급하고 있을 때, 전력 기준은 기계(100)에 의해 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터 요구되는 전력일 수 있다.
일부 실시예들에서, 희망 기준 전력이 선정된 범위 내에 속할 때만, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 조정할 수 있다. 일 실시예에서, 희망 전력 기준이 가변 주파수 전력 변환기(112)의 전력 등급의 대략 80% 보다 더 적은 범위 내에서 감소하면, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증가시킨다. 대안의 실시예에서, 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수의 이러한 조정은 저전력 상태들에서만 발생할 수 있다. 저전력 상태의 일례는, 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로의/전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터의 전력/에너지의 희망량이 가변 주파수 전력 변환기(112)의 전력 등급의 대략 10% 보다 더 적은 범위 내에 있을 때이다.
제2 스위칭 주파수는 전력 제어기(114)에 의해 실행되는 함수 또는 알고리즘을 사용해서 전력 제어기(114)에 의해 결정되거나, 또는 데이터베이스(120)에 저장된 룩업 테이블로부터 전력 제어기(114)에 의해 검색될 수 있다. 그 후, 전력 제어기(114)는, 본 명세서에서 제1 스위칭 주파수라고 하는, 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 기존 스위칭 주파수를 제2 주파수로 조정할 수 있다.
다른 실시예에서, 전력 제어기(114)는 희망 전류 기준에 기초하여 한 주파수로부터 다른 주파수로 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 조정하도록 구성될 수 있다. 희망 전류 기준은 전력 제어기(114), 마스터 제어기(109) 또는 다른 제어기에 의해 계산될 수 있다. 이 희망 전류 기준은 희망 전력 기준에 대응하거나 또는 그와 연관된 전류를 나타낼 수 있다.
상술된 일례를 사용해서, 전력 제어기(114)는, 일 실시예에서, 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 한 주파수로부터 다른 주파수로 희망 전류 기준에 기초하여 조정하도록 구성될 수 있다. 희망 전류 기준의 값이 감소하면, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 기존 전류 기준(전기 에너지 저장 리포지터리(110)로의/전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터의 요구된 기존 전류)이 희망 전류 기준 보다 더 크면, 전력 제어기(114)는 제1 스위칭 주파수(기존 전류 기준에 대응함)로부터 제2 스위칭 주파수(희망 전류 기준에 대응함)로 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증가시킬 수 있다. 유사하게, 기존 전류 기준이 희망 전류 기준보다 더 작으면, 전력 제어기(114)는 제1 스위칭 주파수(기존 전류 기준에 대응함)로부터 제2 스위칭 주파수(희망 전류 기준에 대응함)로 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 감소시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 희망 전류 기준이 선정된 범위 내에 속할 때만, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 조정할 수 있다. 일 실시예에서, 희망 전류 기준이 가변 주파수 전력 변환기(112)의 전류 등급의 대략 80% 보다 더 적은 범위 내에서 감소하면, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 증가시킨다. 대안의 실시예에서, 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수의 이러한 조정은 저전류 상태들에서만 발생할 수 있다. 저전류 상태의 일례는, 전기 에너지 저장 리포지터리(110)로의/전기 에너지 저장 리포지터리(110)로부터의 전류의 희망량이 가변 주파수 전력 변환기(112)의 전류 등급의 대략 10% 보다 더 적은 범위 내에 있을 때이다.
도 2는 일례의 실시예에 따라 차량에 연결된 전력 변환기를 제어하는 일례의 방법(200)이다. 본 방법은 도시된 단계들의 수 보다 더 많거나 더 적은 단계들로 실행될 수 있으며 도시된 순서로 한정되지 않는다.
단계(210)에서, 전력 제어기(114)는 희망 전력 기준을 수신할 수 있다. 일례의 실시예에서, 희망 전력 기준 값은 기계의 마스터 제어기(109) 또는 다른 제어기로부터 전력 제어기(114)로 송신될 수 있다.
본 방법의 단계(220)에서, 전력 제어기(114)는 (적용가능하다면) 희망 전력 기준이 선정된 범위 내에 있는 지를 결정할 수 있다. 희망 전력 기준이 선정된 범위 내에 있으면, 본 방법은 단계(230)로 진행한다. 희망 전력 기준이 선정된 범위 밖이면, 프로세스는 종료한다. 선정된 범위가 없는 실시예들에서, 프로세스는 단계(210) 내지 단계(230)를 계속한다.
단계(230)에서, 전력 제어기(114)는 희망 전력 기준을 기존 전력 기준과 비교한다. 희망 전력 기준이 기존 전력 기준과 상이하면, 프로세스는 단계(240)를 계속하고, 그렇지 않으면, 프로세스는 종료한다.
단계(240)에서, 전력 제어기(114)는 희망 전력 기준에 기초하여 제2 스위칭 주파수를 결정한다. 제2 스위칭 주파수는 전력 제어기(114)에 의한 함수 또는 알고리즘의 실행으로부터 계산되거나, 또는 데이터베이스(120)에 저장된 룩업 테이블로부터 전력 제어기(114)에 의해 검색될 수 있다.
단계(250)에서, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 제1 스위칭 주파수로부터 제2 스위칭 주파수로 조정한다.
하이브리드 기계들에서, 희망 전력 기준이 가변 주파수 전력 변환기의 전력 등급의 특정 범위 내에 있을 때, 전력(및 전류) 리플이 발생할 수 있다. 이 전력(또는 전류) 리플은 전기 에너지 저장 리포지터리(110)에 의해 저장 또는 제공될 수 있는 에너지의 양을 제한할 수 있다. 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 조정함으로써, 리플의 양이 감소될 수 있다. 더 구체적으로 말해서, 희망 전력(또는 전류) 기준이 감소함에 따라 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 전력(또는 전류) 리플이 감소될 수 있다. 도 4의 (a)-(c)는 본 발명의 교시에 따른 이러한 개념을 도시한다.
도 4의 (a)에서, 전력 기준 및 스위칭 주파수 간의 관계를 도시한 2개의 일례의 그래프들이 도시된다. 제1 그래프(400)에서, 전력 기준(402)은 시간이 흐름에 따라 감소하는 것으로 도시되어 있다. 제2 그래프(410)에서, 본 발명의 교시에 따라, 전력 기준(402)이 감소함에 따라, 전력 변환기(112)의 연관된 스위칭 주파수(412)는 증가하는 것으로 도시되어 있다. 2개의 그래프들(400, 410)을 함께 판독하면, 전력 기준(402)이 감소함에 따라 스위칭 주파수(412)는 증가한다.
도 4의 (b)는 전력 변환기(112)의 스위칭 주파수의 임의의 증가 전에 그래프 4의 (a)에 도시된 일례의 전력 기준점(404)에서의 일례의 전력 리플(422) 및 전류 리플(424)을 도시한 그래프(420)를 도시한다. 도 4의 (c)는 그래프 4의 (a)에 도시된 일례의 희망 전력 기준점(406)에서의 일례의 전력 리플(432) 및 일례의 전류 리플(434)을 도시한 그래프(430)를 도시한다. 그래프(420) 및 그래프(430) 간의 비교로 알게 되는 전력 리플 및 전류 리플의 감소는, 전력 기준(402)이 감소함에 따라 전력 변환기(112)의 스위칭 소자의 스위칭 주파수가 증가할 때 전력 리플(422) 및 전류 리플(424)에 대한 영향을 도시한다.
도 3은 일례의 실시예에 따라 차량에 연결된 전력 변환기를 제어하는 다른 일례의 방법(300)이다. 본 방법은 도시된 단계들의 수 보다 더 많거나 더 적은 단계들로 실행될 수 있으며 도시된 순서로 한정되지 않는다.
단계(310)에서, 전력 제어기(114)는 희망 전류 기준을 획득할 수 있다. 일례의 실시예에서, 희망 전류 기준 값은 기계의 마스터 제어기(109) 또는 다른 제어기로부터 전력 제어기(114)로 송신될 수 있다. 다른 실시예에서, 당업자가 아는 바와 같이, 전력 제어기(114)는 전력 제어기(114)에 의해 수신된 희망 전력 기준에 기초하여 희망 전류 기준을 계산할 수 있다.
본 방법의 단계(320)에서, 전력 제어기(114)는 (적용가능하다면) 희망 전류 기준이 선정된 범위 내에 있는 지를 결정할 수 있다. 희망 전류 기준이 선정된 범위 내에 있으면, 본 방법은 단계(330)로 진행한다. 희망 전류 기준이 선정된 범위 밖이면, 프로세스는 종료한다. 선정된 범위가 없는 실시예들에서, 프로세스는 단계(310) 내지 단계(330)를 계속한다.
단계(330)에서, 전력 제어기(114)는 희망 전류 기준을 기존 전류 기준과 비교한다. 희망 전류 기준이 기존 전류 기준과 상이하면, 프로세스는 단계(340)를 계속하고, 그렇지 않으면, 프로세스는 종료한다.
단계(340)에서, 전력 제어기(114)는 희망 전류 기준에 기초하여 제2 스위칭 주파수를 결정한다. 제2 스위칭 주파수는 전력 제어기(114)에 의한 함수 또는 알고리즘의 실행으로부터 계산되거나, 또는 데이터베이스(120)에 저장된 룩업 테이블로부터 전력 제어기(114)에 의해 검색될 수 있다.
단계(350)에서, 전력 제어기(114)는 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 제1 스위칭 주파수로부터 제2 스위칭 주파수로 조정한다.
도 4의 (a)-(c)와 유사하게, 도 5의 (a)-(c)는, 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 조정함으로써, 리플의 양이 감소될 수 있음을 도시한다. 더 구체적으로 말해서, 전력(또는 전류) 리플은, 희망 전류 기준이 감소함에 따라 가변 주파수 전력 변환기(112)의 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
도 5의 (a)에서, 전류 기준 및 스위칭 주파수 간의 관계를 도시한 2개의 일례의 그래프들이 도시된다. 제1 그래프(500)에서, 전류 기준(502)은 시간이 흐름에 따라 감소하는 것으로 도시되어 있다. 제2 그래프(510)에서, 본 발명의 교시에 따라, 전류 기준(502)이 감소함에 따라, 전력 변환기(112)의 연관된 스위칭 주파수(512)는 증가하는 것으로 도시되어 있다. 2개의 그래프들(500, 510)을 함께 판독하면, 전류 기준(502)이 감소함에 따라 스위칭 주파수(512)는 증가한다.
도 5의 (b)는 전력 변환기(112)의 스위칭 주파수의 임의의 증가 전에 그래프 5의 (a)에 도시된 일례의 전류 기준점(504)에서의 일례의 전력 리플(522) 및 전류 리플(524)을 도시한 그래프(520)를 도시한다. 도 5의 (c)는 그래프 5의 (a)에 도시된 일례의 희망 전류 기준점(506)에서의 일례의 전력 리플(532) 및 일례의 전류 리플(534)을 도시한 그래프(530)를 도시한다. 그래프(520) 및 그래프(530) 간의 비교로 알게 되는 전력 리플 및 전류 리플의 감소는, 전류 기준(502)이 감소함에 따라 전력 변환기(112)의 스위칭 소자의 스위칭 주파수가 증가할 때 전력 리플(522) 및 전류 리플(524)에 대한 영향을 도시한다.
엔진으로부터의 또는 다른 재생 소스들로부터의 전력/에너지를 전기 에너지 저장 리포지터리에 저장하는 또는 전기 에너지 저장 리포지터리로부터 전력/에너지를 획득하는 하이브리드 기계들에는, 전기 에너지 저장 리포지터리에 연결된 전력 변환기가 통상 존재한다. 특정 상태들에서, 전기 에너지 저장 리포지터리의 충전 및 방전 중에 전력 및 전류 리플이 드러날 수 있다. 당업자가 아는 바와 같이, 이 리플은 전기 에너지 저장 리포지터리로부터 저장 또는 획득될 수 있는 에너지를 제한한다. 본 발명은 희망 전력 또는 전류 기준이 감소함에 따라 스위칭 주파수를 증가시킴으로써 리플을 감소시키는데서 이용 가능성을 찾을 수 있다.
일 실시예에서, 전력 제어기는 희망 전력 기준을 수신한다. 그 후, 전력 제어기는 희망 전력 기준이 선정된 범위 내에 있는 지를 결정할 수 있다. 그 후, 전력 제어기는, 희망 전력 기준의 값이 기존 전력 기준의 값과 상이한 지를 결정할 수 있다. 상이하다면, 전력 제어기는 희망 전력 기준의 값에 기초하여 가변 주파수 전력 변환기의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 변경한다. 전력 기준이 감소함에 따라, 스위칭 주파수는 증가하며, 그 반대도 성립한다. 스위칭 주파수의 이러한 변경은 전력 리플을 감소시키며, 전기 에너지 저장 리포지터리가 더 빠르게 충전/방전할 수 있게 한다.
다른 실시예에서, 전력 제어기는 희망 전류 기준을 수신한다. 그 후, 전력 제어기는 희망 전류 기준이 선정된 범위 내에 있는 지를 결정할 수 있다. 그 후, 전력 제어기는, 희망 전류 기준의 값이 기존 전류 기준의 값과 상이한 지를 결정할 수 있다. 상이하다면, 전력 제어기는 희망 전류 기준의 값에 기초하여 가변 주파수 전력 변환기의 스위치 소자의 스위칭 주파수를 변경한다. 전류 기준이 감소함에 따라, 스위칭 주파수는 증가하며, 그 반대도 성립한다. 스위칭 주파수의 이러한 변경은 전류 리플을 감소시키며, 전기 에너지 저장 리포지터리가 더 빠르게 충전/방전할 수 있게 한다.
본 명세서에 기술된 특징들은 특히 하이브리드 굴착기들, 차륜식 짐싣는 기계 및 다른 토공, 건설, 채광 또는 자재 관리 차량들에 유익할 수 있다.

Claims (10)

  1. 차량에 배치된 가변 주파수 전력 변환기를 제어하는 방법으로서,
    상기 차량에 배치된 전력 제어기, 상기 가변 주파수 전력 변환기 및 전기 에너지 저장 리포지터리를 제공하는 단계 - 상기 전력 제어기는 상기 가변 주파수 전력 변환기 및 상기 전기 에너지 저장 리포지터리에 연결됨 - ;
    상기 전력 제어기에 의해, 희망 전력 기준 값을 수신하는 단계; 및
    상기 희망 전력 기준 값에 기초하여 제1 스위칭 주파수로부터 제2 스위칭 주파수로 상기 가변 주파수 전력 변환기의 스위칭 주파수를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 에너지 저장 리포지터리는 배터리인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 에너지 저장 리포지터리는 울트라 커패시터를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 희망 전력 기준 값은 상기 가변 주파수 전력 변환기의 전력 등급의 대략 80% 보다 더 적은 범위 내에 있는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 희망 전력 기준 값은 상기 가변 주파수 전력 변환기의 전력 등급의 대략 10% 보다 더 적은 범위 내에 있는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 제어기에 연결된 데이터베이스에 저장된 룩업 테이블로부터 상기 제2 스위칭 주파수를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 희망 전력 기준 값은 실질적으로 충전된 때 상기 전기 에너지 저장 리포지터리로부터 유용한 전력의 초기량과 현재 충전 레벨에서 상기 전기 에너지 저장 리포지터리로부터 유용한 전력의 현재량 간의 차이를 나타내는 방법.
  8. 전기 구동 기계로서,
    엔진;
    상기 엔진에 동작 가능하게 연결된 발전기;
    하나의 또는 그 이상의 견인 장치에 동작 가능하게 연결된 모터;
    전기 에너지 저장 리포지터리;
    상기 전기 에너지 저장 리포지터리에 연결된 폐 루프 가변 주파수 전력 변환기 - 상기 가변 주파수 전력 변환기는 제1 위치와 제2 위치 간에 이동가능한 스위치를 포함함 - ; 및
    상기 가변 주파수 전력 변환기에 연결된 전력 제어기 - 상기 전력 제어기는 희망 기준 값의 함수로서 상기 가변 주파수 전력 변환기의 상기 스위칭 주파수를 스케일링하도록 구성됨 -
    를 포함하는 기계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 희망 기준 값은 희망 전력 기준 값인 기계.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 희망 기준 값은 희망 전류 기준 값인 기계.
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