KR20140062066A - 배터리 충전기의 용량성 필터를 모니터링하는 방법 - Google Patents

배터리 충전기의 용량성 필터를 모니터링하는 방법 Download PDF

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Abstract

3상 또는 단상 전원 공급 회로망(3)에 기반하여, 배터리(2), 특히 전기 구동 자동차의 배터리를 충전하는 장치(1)가 제공되며, 상기 장치(1)는 상기 전원 공급 회로망(3)에 접속되도록 이루어진, 용량성 결합체(5b)를 포함하는 필터링 스테이지(5)를 포함한다. 상기 장치(1)는 상기 필터링 스테이지(5)의 입력 단자들(B1, B2, B3) 양단에서 측정된 전압들 및 전류들에 기반하여 상기 용량성 결합체(5b) 중 적어도 하나의 커패시터(C)의 커패시턴스 값의 편차를 검출할 수 있는 상기 용량성 결합체(5b)를 모니터링하는 수단(8)을 포함한다.

Description

배터리 충전기의 용량성 필터를 모니터링하는 방법{Method of monitoring the capacitive filter of a battery charger}
본 발명은 단상 또는 3상 전원 공급 회로망으로부터, 고전압 배터리 충전 장치의 입력 전류, 특히 전기 구동 자동차의 고전압 배터리 충전 장치의 입력 전류를 필터링하는 수단에 관한 것이며, 좀더 구체적으로 기술하면 상기 필터링 수단의 상태의 모니터링에 관한 것이다.
고전압 배터리 충전 시스템들에서는, 전원 공급 회로망의 전력이 2개의 컨버터를 통해, 즉 강압(降壓) 컨버터("버크(buck)") 및 승압(昇壓) 컨버터("부스트(boost)")를 통해 연속적으로 배터리에 공급된다. 이러한 2개의 컨버터는 각각 원하는 출력 전류 및/또는 출력 전압의 함수로서 제어되는 주파수에서 일련의 스위치들을 연속적으로 개방 및 폐쇄함으로써 상기 2개의 컨버터의 출력 단자 및 상기 2개의 컨버터의 입력 단자 간의 전압비(voltage ratio)를 낮출 수 있게 하고 끌어올릴 수 있게 한다.
그러한 충전 시스템들은 예를 들면 발전(current generation) 또는 차량 동력과 같은 다른 기능들을 또한 제공하는 전기 기계의 코일들이 합체되어 있는 3상 또는 단상 회로로부터 차량 배터리를 충전할 수 있게 하는 자동차용 임베디드 충전 시스템에 관한 특허 출원 FR 2 943 188에 개시되어 있다.
전원 공급 회로망으로부터 인출된 전류의 초핑(chopping)에 의해, 인출된 전류에서의 고주파 성분, 다시 말하면 종래 방식으로 50Hz인 배전 회로망의 기본 주파수보다 높은 정도의 고조파(harmonics)가 유도된다.
전기 에너지 공급기들이 인출된 전류의 고조파에 대하여 표준(standard)을 부과하기 때문에, 그러한 충전 시스템은 또한 버크 입력 스테이지에 RLC(저항성(resistive)-유도성(inductive)-용량성(capacitive)) 타입의 필터링 수단을 포함한다.
상기 필터링 수단은 배전 회로망의 각각의 위상 간의 필터링을 제공하도록 "성상(星狀; star)" 배치의 필터링 커패시터들을 포함하는 용량성-타입 필터와 아울러 전자 적합성(電磁 適合性; electromagnetic compatibility; EMC) 필터를 포함하는 것이 일반적이다. 상기 EMC 필터는 예를 들면 상기 충전 시스템의 버크 스테이지 및 부스트 스테이지의 트랜지스터들에 의해 생성된 전류 펄스들을 필터링할 수 있게 하는 공통 모드 인덕턴스들 및 커패시턴스들을 갖는 필터이다. 이러한 방식으로, 상기 필터링 수단은 흡수된 전류를 필터링할 수 있게 함으로써 상기 전류가 고조파와 관련하여 회로망 조작자들에 의해 부과되는 회로망 접속 제한과 아울러, 자동차 섹터의 회로 접속 제한을 충족하게 한다.
중성점(neutral)을 포함하는 구조에서는, 용량성 필터가 또한 필터링 커패시터들의 공통점 및 중성선 사이에 배치된 중성 필터링 커패시터를 포함한다. 이러한 후자의 커패시터는 중성선 및 위상들 간의 필터링을 수행할 수 있게 한다.
그러나, 그러한 용량성 필터는 예를 들면 하나 이상의 커패시터들의 열화 또는 노화의 경우에 열화될 수 있다. 이리하여, 상기 용량성 필터의 그러한 열화는 상기 배전 회로망의 균형이 이루어지지 않게 하고 필터링의 효과가 없어지게 할 수 있다.
용량성 필터를 모니터링하기 위하여는, 배터리에 연결된 용량성 필터의 모니터링을 구현하는 시스템이 개시되어 있는 문헌 US 4 419 621을 참조해 볼 수가 있다. 상기 모니터링 시스템에서는 신호들의 주파수 분석이 사용된다. 그러나, 이러한 장치는 단순한 고장 검출에 대해 매우 복잡하다.
또한 문헌 US 5 880 589로부터 동작시 전해 커패시터에 대한 진단을 수행할 수 있게 하는 장치가 공지되어 있다.
또한 시스템의 각각의 커패시터의 값을 정확하게 계산할 수 있게 하는 특정 수학식의 사용이 개시되어 있는 문헌 US 2010/0321038을 참조해 볼 수가 있다. 그러나, 이러한 장치는 또한 단순한 고장 검출에 대해 매우 복잡하며 값이 비싸다.
본 발명의 목적은 충전 성능 레벨들을 감소시키며 상기 용량성 필터가 대체되어야 함을 사용자에게 알려주거나, 심지어는 전기 자동차의 배터리의 열화가 매우 심각한 경우에 전기 자동차의 배터리의 충전을 방지하도록 단상 또는 3상 회로망에 연결된 용량성 필터의 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터들의 예상가능한 편차(deviation)를 검출할 수 있게 하는 단순하며 저렴한 모니터링 장치 및 방법을 제안함으로써 위에서 언급한 결함을 완화하는 것이다.
한 실시태양에 의하면, 한 실시예에서는 3상 또는 단상 전원 공급 회로망으로부터 배터리, 특히 전기 구동 자동차의 배터리를 충전하는 장치가 제안되며, 상기 장치는 상기 전원 공급 회로망에 접속되도록 이루어진, 용량성 결합체를 포함하는 필터링 스테이지를 포함한다, 한 실시예에서는, 상기 장치가 상기 필터링 스테이지에 접속된 버크 스테이지, 및 상기 버크 스테이지에 연결되어 있고 상기 배터리에 접속되도록 이루어진 부스트 스테이지를 포함할 수 있다.
일반적인 특징에 의하면, 상기 장치는 상기 필터링 스테이지의 입력에서 측정된 전압들 및 전류들로부터 상기 용량성 결합체의 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스 값의 편차를 검출할 수 있는 상기 용량성 결합체를 모니터링하는 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 모니터링 수단이 상기 측정된 전압들 및 전류들의 특징값들을 결정하는 수단, 이러한 전압 및 전류 특징값들로부터 상기 용량성 결합체를 대표하는 적어도 하나의 매개변수를 계산하는 수단, 상기 계산된 대표 매개변수로부터 상기 용량성 결합체의 커패시터들의 상태를 결정하는 수단, 및 상기 용량성 결합체의 열화에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경고 신호 및/또는 제어 신호를 전달하는데 적합한 처리 수단을 포함한다.
상기 특징 전압 및 전류 값은 예를 들면 이러한 전압들 및 전류들의 rms 값들일 수 있다.
한 실시예에서는, 상기 제어 신호가 배터리 충전 성능 레벨들의 제한을 유발할 수 있다.
유리한 점으로는, 상기 커패시터들의 상태를 결정하는 수단이 상기 대표 매개변수 및 용량 상수(capacitive constant) 간의 차에 대한 절대값을 계산할 수 있는 적어도 하나의 계산 모듈, 및 상기 계산된 절대값을 변동 문턱값과 비교할 수 있는 적어도 하나의 비교 모듈을 포함할 수 있다.
상기 모니터링 수단은 또한 상기 장치가 상기 배터리의 충전 개시 전에 상기 전원 공급 회로망에 접속될 경우에 상기 모니터링 수단을 활성화할 수 있는 활성화 수단을 포함하고, 상기 대표 매개변수는 상기 모니터링 수단이 상기 배터리의 충전 개시 전에 활성화될 경우에 제1 위상의 rms 전류 값 및 상기 제1 위상 및 다른 한 위상 간의 rms 전압의 값과 주파수를 곱한 값 간의 비율에 비례한다.
바람직하게는, 상기 모니터링 수단은 상기 배터리가 단상 전원 공급 회로망을 통해 충전 상태에 있는 경우에 상기 모니터링 수단을 활성화할 수 있는 충전 상태 활성화 수단을 포함할 수 있으며, 상기 대표 매개변수는 상기 모니터링 수단이 단상 전원 공급 회로망을 통해 충전을 개시한 후에 활성화될 때 한편으로 상기 전원 공급 전류의 rms 값을 제곱한 값의 2배 및 상기 버크 스테이지의 입력에 걸린 전류의 rms 값을 제곱한 값 간의 차 값 및 다른 한편으로 상기 전원 공급 회로망의 단자들에 걸린 rms 전압과 상기 전원 공급 회로망의 주파수와의 곱 값 간의 비율에 상응한다.
다른 한 실시태양에 의하면, 구동 차륜들에 연결된 전기 기계 및 배터리로부터 상기 전기 기계에 전력을 공급할 수 있는 인버터 스테이지를 포함하는, 적어도 부분적으로 전기 구동하는 자동차가 제안되어 있으며, 상기 자동차는 위에서 정의된 바와 같은 상기 배터리를 충전하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 한 실시태양에 의하면, 한 구현예에 있어서는, 3상 또는 단상 전원 공급 회로망으로부터, 배터리, 특히 전기 구동 자동차의 배터리를 충전하는 장치를 제어하는 방법이 제안되어 있으며, 상기 전원 공급 회로망으로부터의 적어도 하나의 입력 전압은 용량성 결합체를 포함하는 필터링 스테이지를 사용하여 필터링되고, 상기 필터링 스테이지의 입력에 걸린 상기 전원 공급 전류가 측정되고, 상기 필터링 스테이지의 입력에 걸린 전원 공급 전압이 측정된다.
일반적인 특징에 의하면, 상기 용량성 결합체의 커패시터들의 상태는 상기 필터링 스테이지의 입력에서 측정된 전압들 및 전류들로부터의 상기 용량성 결합체를 대표하는 적어도 하나의 매개변수의 변동에 기반하여 모니터링된다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 측정된 전압들 및 전류들의 rms 값들의 결정, 상기 rms 전압 및 전류 값들로부터의 상기 용량성 결합체를 대표하는 적어도 하나의 매개변수의 계산, 및 적절히 계산된 대표 매개변수로부터의 용량성 결합체의 커패시터들의 상태의 결정, 그리고 배터리 충전 성능 레벨들을 제한하는 제어 신호 및 상기 용량성 결합체의 열화에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경고 신호의 전달을 포함한다.
상기 용량성 조립체의 커패시터들의 상태의 결정은 상기 용량성 결합체를 대표하는 상기 매개변수들 중 하나 및 용량 상수 간의 차에 대한 절대값의 적어도 하나의 계산 및 변동 문턱값과 상기 계산된 감산 결과와의 비교를 포함하는 것이 유리할 수 있다.
바람직하게는, 상기 대표 매개변수는, 상기 모니터링 수단이 상기 배터리의 충전 개시 전에 활성화될 때 제1 위상의 rms 전류의 값 및 상기 제1 위상 및 다른 한 위상 간의 rms 전압의 값과 주파수를 곱한 값 간의 비율에 상응하며, 상기 모니터링 수단이 단상 전원 공급 회로망을 통해 충전을 개시한 후에 활성화될 때 한편으로 상기 전원 공급 전류의 rms 값을 제곱한 값의 2배 및 상기 버크 스테이지의 입력에 걸린 전류의 rms 값을 제곱한 값 간의 차 값 및 다른 한편으로 상기 전원 공급 회로망의 단자들에 걸린 rms 전압과 상기 전원 공급 회로망의 주파수와의 곱 값 간의 비율에 상응한다.
본 발명의 다른 이점들 및 특징들은 결코 한정하는 것이 아닌 구현예 및 실시예의 구체적인 내용 및 첨부도면들을 고려하면 자명해질 것이다.
본 발명은 단상 전원 공급 회로망 또는 3상 전원 공급 회로망에 연결된 용량성 필터의 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터들의 예상가능한 편차를 검출하여 충전 성능 레벨들을 감소시키고 상기 용량성 필터가 대체되어야 함을 사용자에게 알려주거나, 심지어는 전기 자동차의 배터리의 열화가 매우 심각한 경우에 전기 자동차의 배터리의 충전을 방지하는 것을 가능하게 하는 단순하고 저렴한 모니터링 장치 및 방법을 제안한다.
도 1은 한 실시예에 따른 자동차의 배터리를 충전하는 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 충전 장치의 한 실시예를 좀더 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 충전 장치를 모니터링하는 수단을 좀더 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 한 구현예에 따른 충전 장치를 제어하는 방법을 흐름도로 보여주는 도면이다.
도 1에는 자동차의 배터리(2)를 충전하기 위해 3상 또는 단상 전원 공급 회로망(3)에 접속되도록 이루어진 자동차의 배터리(2)를 충전하는 장치(1)가 개략적으로 도시되어 있다.
상기 장치(1)는 상기 전원 공급 회로망(3)에 상기 충전 장치(1)를 접속할 수 있게 하는 접속 수단(4), 상기 장치(1)에 의해 취해진 상기 전원 공급 회로망(3)으로부터의 전류를 필터링하는 필터링 스테이지(5), 상기 필터링 스테이지(5)의 출력에 접속되어 있으며 상기 전원 공급 회로망(3)으로부터 획득된 교류 전류를 정류할 수 있게 하는 버크 스테이지(6), 및 상기 버크 스테이지(6) 및 상기 배터리(2) 간에 연결된 부스트 스테이지(7)를 포함한다.
상기 필터링 수단(5)은 전자 적합성(electromagnetic compatibility; EMC) 필터(5a) 및 용량성 결합체(5b)를 포함한다. 상기 EMC 필터(5a)는 예를 들면 상기 장치(1)의 버크 스테이지(6) 및 부스트 스테이지(7)의 트랜지스터들에 의해 생성된 전류 펄스들을 필터링할 수 있게 하는 공통 모드 인덕턴스들 및 커패시턴스들을 갖는 필터이다. 상기 필터 수단(5)은 적절히 흡수된 전류를 필터링할 수 있게 하여 상기 전류가 고조파와 관련하여 회로망 조작자들에 의해 부과되는 회로망 접속 제한과 아울러, 자동차 섹터의 회로 접속 제한을 충족하게 한다.
상기 용량성 결합체(5b)는 2개의 커패시터가 각각의 위상 사이에 연결되게 하도록 소위 "성상(star)" 배치"로 연결된 커패시터들을 포함한다. 상기 커패시터들의 소위 "성상" 배치 대신에, 소위 "델타(delta)" 배치(도시되지 않음)로 상기 커패시터(5b)를 배치하는 것, 다시 말하면 상기 EMC 필터링 수단(5a)의 출력에 있는 중성점 및 각각의 위상 사이에 상기 커패시터들을 배치하는 것이 또한 가능하다. 따라서, 상기 EMC 필터링 수단(5a) 및 상기 커패시터(5b)를 통과하는 전류의 값이 감소하게 된다.
상기 장치(1)는 또한 상기 용량성 결합체(5b) 중 적어도 하나의 커패시터의 값의 편차를 검출할 수 있는 용량성 결합체(5b)를 모니터링하는 수단(8)을 포함한다.
도 2에는 도 1의 충전 장치가 좀더 구체적으로 예시되어 있다.
상기 부스트 스테이지(7)는 유도 코일(Ld)과 직렬로 배치된 저항기(Rd)에 의해 본 도면에서 심벌로 도시된 유도성 요소(9)를 통해 상기 버크 스테이지(6)에 접속되어 있다.
상기 장치(1)가 3상 및 단상 전원 공급원 모두에 연결되어 있을 수 있으므로, 상기 접속 수단(4)은 상기 필터링 스테이지(5)의 입력에 연결되며 상기 전원 공급 회로망(3)에 연결될 수 있는 3개의 단자(B1, B2, B3)를 포함한다. 3상 충전 모드에서는, 상기 3개의 단자(B1, B2, B3)가 3상 전원 공급 회로망에 연결된다. 단상 충전 모드에서는, 단지 상기 입력들(B1, B2)만이 입력 전압(V1) 및 입력 전류(L)를 전달하는 단상 전원 공급 회로망에 연결된다. 각각의 입력 단자(B1, B2, B3)는 상기 EMC 필터(5a)의 필터링 분기부에 접속되어 있다. 상기 EMC 필터(5a)의 각각의 필터링 분기부는 병렬로 이루어진 2개의 분기부를 포함하는데, 한 분기부는 값(L2)의 인덕터를 지니고 다른 한 분기부는 직렬로 이루어진 값(L1)의 인덕터 및 값(R)의 저항기를 지닌다.
이러한 2개의 필터링 분기부는 각각 출력에서, 상기 EMC 필터(5a)의 필터링 분기부들 각각에 대해 D1, D2, D3으로 각각 지칭된 지점들에서 상기 용량성 결합체(5b)의 커패시턴스(C)의 커패시터에 연결되어 있으며 상기 용량성 결합체(5b)의 커패시턴스(C)의 커패시터는 또한 접지에 연결되어 있다. 커패시턴스(C)의 서로 다른 커패시터들 모두는 도 2에서 N으로 나타낸 공통점 또는 중성점에 링크되어 있다. 값들(R)의 저항기들, 값들(L1 또는 L2)의 인덕터들, 및 커패시턴스(C)의 커패시터들의 결합체는 상기 버크 스테이지(3) 입력에서 RLC 타입의 필터를 구성한다.
단상 충전 모드에서는, 단자(B3)가 상기 전원 공급 회로망에 연결되어 있지 않다. 단자(B3)에 연결된 분기부가 단지 3상 충전의 경우에만 고려되기 때문에, 단자(B3)에 연결된 분기부는 파선으로 나타나 있다. 파선으로 나타나 있는 전기 회로의 다른 요소들은 단지 3상 전원 공급 회로망에의 연결이라는 의미로만 사용되는 요소들이다.
상기 버크 스테이지(6)는 지점들(D1, D2, D3)에 의해 상기 필터링 스테이지(5)에 연결된다. 상기 버크 스테이지(6)는 병렬로 이루어진 3개의 분기부(6a, 6b, 6c)를 포함하며, 각각의 분기부는 제어 유닛(12)에 의해 제어되는 2개의 스위치(S1, S2 또는 S3)를 지닌다.
상기 분기부들(6, 7, 8)의 공통 단부들은 상기 버크 스테이지(6)의 2개의 출력 단자를 구성한다. 단자들 중 하나는 상기 배터리(2)의 "-" 단자에 그리고 상기 부스트 스테이지(7)의 제1 입력(10)에 링크되어 있다. 이러한 단자들 중 다른 하나는 상기 전기 기계(9)의 제1 단자에 접속되어 있으며, 상기 전기 기계(9)의 다른 한 단자는 상기 부스트 스테이지(7)의 제2 입력(11)에 접속되어 있다.
상기 부스트 스테이지(7)는 독립적으로 상기 제어 유닛(12)에 의해 구동될 수 있는 2개의 스위치(S4, S5)를 포함한다. 이러한 2개의 스위치(S4, S5)는 상기 부스트 스테이지(7)의 제1 입력(10) 및 상기 배터리(2)의 "+" 단자를 링크시키는 분기부 상에 위치해 있다. 상기 전기 기계(9)가 접속되어 있는 상기 부스트 스테이지(7)의 제2 입력(11)은 상기 2개의 스위치(S4, S5) 사이에 접속되어 있는데, 상기 스위치(S4)는 상기 제2 입력(11) 및 상기 배터리(2)의 "+" 단자 사이에 연결되어 있고, 상기 스위치(S5)는 상기 제1 입력(10) 및 상기 제2 입력(11) 사이에 연결되어 있다.
상기 장치(1)는 상기 제1 단자(B1)에 연결된 분기부를 통하는 전류(L), 상기 제2 단자(B2)에 연결된 분기부를 통하는 전류(I2), 및 상기 제3 단자(B3)에 연결된 분기부를 통하는 전류(I3)를 각각 측정할 수 있는 제1 전류 센서(13), 제2 전류 센서(14), 및 제3 전류 센서(15)를 포함한다.
또한, 상기 장치(1)는 상기 제1 단자(B1) 및 상기 제2 단자(B2) 간의 전압(V1), 상기 제2 단자(B2) 및 상기 제3 단자(B3) 간의 전압(V2), 및 상기 제1 단자(B1) 및 상기 제3 단자(B3) 간의 전압(V3)을 각각 측정할 수 있는 제1 전압 센서(16), 제2 전압 센서(17), 및 제3 전압 센서(18)를 포함한다.
상기 전압 센서들(16 내지 18), 및 상기 전류 센서들(13 내지 15)은 상기 장치의 모니터링 수단(8)에 연결되어 있다. 단상 전원 공급 회로망을 통한 충전의 경우에, 단지 상기 제1 전류 센서(13)로부터의 측정 및 상기 제1 전압 센서(16)로부터의 측정만이 상기 용량성 결합체(5b)의 커패시턴스(C)의 커패시터들의 상태를 모니터링하는데 사용된다. 상기 전류 센서(14)로부터의 측정이 상기 전류 센서(13)의 고장시 상기 전류 센서(13)로부터의 측정 대신에 사용될 수 있다는 것에 유념할 필요가 있을 것이다.
도 3에는 도 1의 배터리(2)를 충전하는 장치(1)의 모니터링 수단(8)이 좀더 구체적으로 예시되어 있다.
상기 모니터링 수단(8)은 상기 장치가 상기 전원 공급 회로망(3)에 접속될 경우에 그리고 충전이 개시되기 전에 상기 모니터링 수단(8)을 활성화할 수 있는 활성화 수단(19)을 포함한다.
상기 모니터링 수단(8)은 상기 제1, 제2 및 제3 전압 센서들(16, 17, 18)에 의해 각각 측정된 전압들(V1, V2, V3)의 값들 및 상기 제1, 제2 및 제3 전류 센서들(13, 14, 15)에 의해 각각 측정된 전류들(Ii, I2, I3)의 강도들을 입력으로서 수취하는 rms 값들을 결정하는 수단(20)을 포함한다. rms 값들을 결정하는 수단(20)은 출력으로서 상기 전압들(V1, V2, V3)의 rms 값들(V1e, V2e, V3e)과 아울러, 상기 전류들(L, I2, I3)의 rms 값들(I1e, I2e, I3e)을 전달한다.
상기 활성화 수단(19)은, 상기 충전 장치(1)에 대한 전원 공급 회로망(3)의 접속에 상응하는 전류 측정이 상기 전류 센서들(13 내지 15) 중 하나에 의해 상기 결정 수단(20)에 전달되는 즉시, 상기 활성화 수단이 상기 결정 수단(20)을 활성화하도록 상기 결정 수단(20)에 접속되어 있다.
상기 활성화 수단(8)은 상기 용량성 결합체(5b)를 대표하는 적어도 하나의 매개변수를 계산하는 계산 수단(21)을 포함하며 상기 계산 수단(21)은 출력에서 상기 계산된 대표 매개변수들로부터 상기 용량성 결합체(5b)의 커패시턴스(C)의 커패시터들의 상태를 결정하는 수단(22)에 연결되어 있다.
상기 계산 수단(21)은 입력들로서 rms 전압 값들(V1e, V2e, V3e), 및 전류 값들(I1e, I2e, I3e)을 수취하며 각각의 위상에 대해, 다시 말하면 단자(B1, B2 또는 B3)에 연결된 각각의 분기부에 대해, 상기 용량성 결합체(5b)를 대표하는 적어도 하나의 매개변수를 계산한다.
상기 충전 장치(1)가 3상 전원 공급 회로망(3)에 접속된 경우에, 상기 모니터링 수단(8)은 상기 활성화 수단(19)에 의해 상기 배터리(2)의 충전 개시 전에 활성화된다. 이 시점에서, L = Ic1, I2 = Ic2, I3 = Ic3 이다(특히, 도 2 참조). 상기 용량성 결합체(5b)가 균형 시스템을 구성하는데, 다시 말하면 2개의 위상 사이에 연결된 커패시터들이 각각의 다른 쌍의 위상들 사이에 연결된 커패시터들과 동일한 값을 지니므로, 다음과 같은 관계가 각각의 위상에 대해 입증된다.
Figure pct00001
여기서, /는 상기 전원 공급 회로망(3)에 의해 배전된 전류의 (측정된) 주파수이고, Ie는 위상 전류의 rms 값(다시 말하면, Ie1, Ie2, 또는 Ie3)이며, Ve는 이러한 위상을 포함하는 2개의 위상 간의 전압의 rms 값이고,
Figure pct00002
는 EMC 필터(5a)에 의존하는 계수이며,
Figure pct00003
는 2개의 위상 사이에 연결된 등가 커패시턴스의 값이다. 균형 시스템에서는, 커패시턴스들 모두가 동일하며,
Figure pct00004
라는 용어가 커패시터에 결함이 없는 한 상수임을 의미한다.
Figure pct00005
라는 용어는 결과적으로 용량 상수(capacitive constant)라고 불린다. 이러한 용어는 예비단계에서의 교정(calibration)에 의해 획득된 것이다.
전류(Ii)가 통하게 되는 제1 위상 및 중성점 사이에 연결된 커패시터의 상태를 검사하기 위해, 상기 계산 수단(21)은 다음과 같은 대표 매개변수 쌍을 계산한다.
Figure pct00006
마찬가지로, 전류(I2)가 통하게 되는 제2 위상 및 접지 사이에 연결된 커패시터의 상태를 검사하기 위해, 상기 계산 수단(21)은 다음과 같은 대표 매개변수 쌍을 계산한다.
Figure pct00007
그리고, 전류(I3)가 통하게 되는 제3 위상 및 중성점 사이에 연결된 커패시터의 상태를 검사하기 위해, 상기 계산 수단(21)은 다음과 같은 대표 매개변수 쌍을 계산한다.
Figure pct00008
상기 용량성 결합체(5b)의 상태를 대표하는 3개의 매개변수 쌍은 상기 용량성 결합체(5b)의 커패시터들(C)의 상태를 결정하는 수단(22)에 전달된다. 각각의 위상에 대한 대표 매개변수 쌍의 사용은 상기 용량성 결합체 중 어느 커패시터에 결함이 있는지를 결정하는 것을 가능하게 한다.
상기 결정 수단(22)은 수취된 각각의 대표 매개변수에 대해 출력으로서, 상기 대표 매개변수 및 상기 용량 상수
Figure pct00009
간의 차의 결과에 대한 절대값, 다시 말하면
Figure pct00010
을 전달하는 계산 모듈(23)을 포함한다.
각각의 위상에 대해, 한 쌍의 절대값들은 이러한 방식으로 획득되어 비교기(24)에 전달된다. 상기 쌍의 각각의 절대값은 변동 문턱값과 비교된다. 상기 결과 중 적어도 하나의 절대값이 상기 변동 문턱값보다 클 경우에, 상기 위상 및 상기 중성점 사이에 연결된 커패시터(C)는 열화된다.
3개의 비교기(24)는 출력에서 상기 배터리(2)의 충전 성능 레벨들을 제한하는 제어 신호 및 상기 용량성 결합체(5b)의 열화 및 상기 용량성 결합체(5b)를 변경해야 할 필요성에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경고 신호를 전달할 수 있는 처리 모듈(25)에 연결되어 있다.
상기 충전 장치(1)가 상기 단자들(Bi, B2)에 의해 단상 전원 공급 회로망(3)에 접속되어 있는 경우에, 단일 대표 매개변수는 상기 계산 수단(21)에 의해 계산된다.
Figure pct00011
이러한 대표 매개변수는 절대값, 다시 말하면
Figure pct00012
를 계산하도록 상기 계산 수단(21)에 의해 계산 모듈(23)에 전달된다. 적절히 계산된 절대값은 상기 변동 문턱값과 비교되도록 비교기(24)에 전달된다. 상기 절대값이 상기 변동 문턱값보다 작은 경우에, 상기 2개의 위상 사이에 연결된 커패시턴스(C)의 커패시터들은 열화되는 것으로 고려되지 않는다. 이와는 달리, 상기 절대값이 상기 변동 문턱값보다 클 경우에, 충전에 대한 제한 및 사용자에 대한 경고를 제어하는 신호가 상기 처리 모듈(25)에 전달된다.
상기 장치가 단상 전원 공급 회로망(3)에 접속되는 경우에, 상기 배터리(2)가 충전 상태에 있는 동안 모니터링을 수행하는 것이 또한 가능하다. 이를 위해, 상기 모니터링 수단은 상기 계산 수단(21)을 제어할 수 있는 충전 상태 활성화 모듈(26)을 포함한다.
상기 배터리(2)가 충전 상태에 있는 경우에, 다음과 같은 관계가 입증된다.
Figure pct00013
여기서,
Figure pct00014
는 지점 Di 및 버크 스테이지(6) 사이에 통하는 전류이며,
Figure pct00015
는 단자들(Bi, B2) 사이에 연결된 2개의 커패시터의 단자들에 걸린 전압이다. 상기 제어 유닛(12)은
Figure pct00016
및
Figure pct00017
가 동위상(同位相)이도록 상기 배터리의 충전을 구동한다.
Figure pct00018
가 구동되는 경우에,
Figure pct00019
의 값이 알려져 있으며 소프트웨어 데이텀에 상응한다.
전류(
Figure pct00020
) 및 전압(
Figure pct00021
)이 동위상이므로, 이전의 관계가 다음과 같이 표기될 수 있다.
Figure pct00022
이고,
Figure pct00023
는 EMC 필터에 기인하며 근사치: Uc = kVi를 갖는 위상 오프셋이다.
rms 전류 및 전압 값들을 고려함으로써, 다음과 같은 수식이 그로부터 추정될 수 있다.
Figure pct00024
이 경우에, /는 상기 단상 전원 공급 회로망(3)에 의해 배전된 전류의 주파수이고,
Figure pct00025
는 상기 필터링 수단(5)의 입력에 걸린 전류의 rms 값이며,
Figure pct00026
는 2개의 단자(Bi, B2) 간의 전압의 rms 값이고,
Figure pct00027
는 EMS 필터(5a)에 의존하는 계수이다.
단상 전원 공급 회로망(3)으로부터의 충전시 상기 용량성 결합체(5b)의 상태를 모니터링하기 위해서는, 상기 충전 상태 활성화 모듈(26)에 의해 활성화된 계산 수단(21)이 다음과 같은 대표 매개변수를 계산한다.
Figure pct00028
이러한 대표 매개변수는 이때 다음과 같은 절대값, 다시 말하면
Figure pct00029
를 계산하는 계산 모듈(23)에 전달된다.
적절히 계산된 절대값은 변동 문턱값과 비교되도록 비교기(24)에 전달된다. 상기 절대값이 상기 변동 문턱값보다 클 경우에, 상기 2 단자(Bi, B2) 사이에 연결된 커패시터들(C) 중 하나가 열화된다.
커패시터의 열화가 이러한 방식으로 적어도 하나의 비교기(24)에 의해 검출될 경우에, 상기 처리 모듈(25)은 출력으로서, 상기 배터리(2)의 충전 성능 레벨들을 제한하는 제어 신호 및 상기 용량성 결합체의 열화 및 상기 용량성 결합체를 변경해야 할 필요성에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경고 신호를 전달한다.
도 4에는 한 구현예에 따른 충전 장치(1)를 제어하는 방법이 개략적인 흐름도로 도시되어 있다.
제1 단계(400)에서는, 전원 공급 회로망(3)에 대한 충전 장치의 접속이 상기 전류 센서들(13 내지 15) 및 상기 전압 센서들(16 내지 18)에 의해 생성된 상기 장치(1)의 입력 단자들(B1, B2, B3)에 걸린 전류 및 전압의 측정들에 의해 검출된다.
다음 단계(410)에서는, 상기 전압 및 전류 측정들로부터, 접속된 전원 공급 회로망(3)이 단상 전원 공급 회로망인지 3상 전원 공급 회로망인지에 대한 결정이 내려진다.
다음 단계(420)에서는 단상 전원 공급 회로망인 경우에나 또는 다음 단계(420')에서는 3상 전원 공급 회로망인 경우에, 상기 배터리(2)의 충전이 개시되었는지에 대한 결정이 내려진다. 상기 배터리(2)의 충전이 개시되지 않은 경우에, 다음 단계(430)에서는 단상 전원 공급 회로망인 경우에나 또는 다음 단계(430')에서는 3상 전원 공급 회로망인 경우에, 상기 모니터링 수단(8)이 활성화되고 상기 전원 공급 회로망(3)이 단상 전원 공급 회로망인 경우에 대표 매개변수가 계산되고 상기 전원 공급 회로망(3)이 3상 전원 공급 회로망인 경우에 3개의 대표 매개변수 쌍이 계산된다.
다음 단계(440)에서는 단상 전원 공급 회로망인 경우에나 또는 다음 단계(440')에서는 3상 전원 공급 회로망인 경우에, 상기 대표 매개변수 또는 매개변수들 및 상기 용량성 상수 간의 차에 대한 절대값이 계산된다.
다음 단계(450)에서는 단상 전원 공급 회로망인 경우에나 또는 다음 단계(450')에서는 3상 전원 공급 회로망인 경우에, 커패시터의 열화의 존재가 변동 문턱값에 대한 계산된 절대값 또는 절대값들의 비교로부터 검출된다.
단상 전원 공급 회로망인 경우에, 상기 계산된 절대값이 상기 변동 문턱값보다 크다면, 다음 단계(460)에서는, 상기 용량성 결합체(5b) 중 적어도 하나의 커패시터가 상기 배터리(2)의 충전 성능 레벨들을 제한하도록 전달된다. 상기 용량성 결합체(5b)의 열화에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경고 신호가 전달된다.
3상 전원 공급 회로망인 경우에, 한 쌍의 대표 매개변수들 중 적어도 하나의 절대값이 상기 변동 매개변수보다 클 경우에, 고려된 위상 및 중성점 사이에 결합된 용량성 결합체(5b)의 커패시터가 열화된다. 다음 단계(460')에서는, 상기 배터리(2)의 충전 성능 레벨들을 제한하는 제어 신호가 전달되고 상기 용량성 결합체(5b)의 열화에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경보 신호가 전달된다.
어떠한 결함도 검출되지 않는 경우에 어떠한 신호도 전달되지 않는다.
단계(420)에서 상기 배터리(2)의 충전이 이미 개시된 것으로 검출되는 경우에, 충전 상태 활성화 수단(26)에 의한 충전 상태 모니터링의 활성화가 대기된다. 3상 전원 공급 회로망에 대한 접속인 경우에(단계 420'), 어떠한 충전 상태 모니터링도 수행되지 않는다.
이러한 방식으로, 본 발명은 단상 전원 공급 회로망 또는 3상 전원 공급 회로망에 연결된 용량성 필터의 커패시터들 중 하나 이상의 커패시터들의 예상가능한 편차를 검출하여 충전 성능 레벨을 감소시키고 상기 용량성 필터가 대체되어야 함을 사용자에게 알려주거나, 심지어는 전기 자동차의 배터리의 열화가 매우 심각한 경우에 전기 자동차의 배터리의 충전을 방지하는 것을 가능하게 하는 단순하고 저렴한 모니터링 장치 및 방법을 제안한다.

Claims (13)

  1. 3상 또는 단상 전원 공급 회로망(3)으로부터 배터리(2), 특히 전기 구동 자동차의 배터리를 충전하는 장치(1)로서, 상기 장치(1)는 상기 전원 공급 회로망(3)에 접속되도록 이루어진, 용량성 결합체(5b)를 포함하는 필터링 스테이지(5)를 포함하며, 상기 장치(1)는 상기 필터링 스테이지(5)의 입력(B1, B2, B3)에서 측정된 전압들 및 전류들로부터 상기 용량성 결합체(5b) 중 적어도 하나의 커패시터(C)의 커패시턴스 값의 편차를 검출할 수 있는 상기 용량성 결합체(5b)를 모니터링하는 수단(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치(1)는 상기 필터링 스테이지(5)에 접속된 버크 스테이지(6), 및 상기 버크 스테이지(6)에 연결되어 있고 상기 배터리(2)에 접속되도록 이루어진 부스트 스테이지(7)를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모니터링 수단(8)은 상기 측정된 전압들 및 전류들의 특징값들을 결정하는 수단(20), 상기 전압 및 전류 특징값들로부터 상기 용량성 결합체를 대표하는 적어도 하나의 매개변수를 계산하는 수단(21), 상기 대표 매개변수로부터 상기 용량성 결합체(5b)의 커패시터들의 상태를 결정하는 수단(22), 및 상기 용량성 결합체(5b)의 열화에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경고 신호 및/또는 제어 신호를 전달하는데 적합한 처리 수단(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 특징값들은 rms 값들인 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 배터리 충전 성능 레벨들을 제한할 수 있는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 한 항에 있어서, 상기 커패시터들의 상태를 결정하는 수단(22)은 대표 매개변수 및 용량 상수(capacitive constant) 간의 차를 계산할 수 있는 적어도 하나의 계산 모듈(23), 및 상기 계산된 차를 변동 문턱값과 비교할 수 있는 적어도 하나의 비교 모듈(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 있어서, 상기 모니터링 수단(8)은 상기 장치(1)가 상기 배터리(2)의 충전 개시 전에 상기 전원 공급 회로망(3)에 접속될 경우에 상기 모니터링 수단(8)을 활성화할 수 있는 활성화 수단(19)을 포함하고, 대표 매개변수는 상기 모니터링 수단(8)이 상기 배터리(2)의 충전 개시 전에 활성화될 경우에 제1 위상의 rms 전류 값 및 상기 제1 위상 및 다른 한 위상 간의 rms 전압의 값과 주파수를 곱한 값 간의 비율에 비례하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 한 항에 있어서, 상기 모니터링 수단(8)은 상기 배터리(2)가 단상 전원 공급 회로망(3)을 통해 충전 상태에 있는 경우에 상기 모니터링 수단(8)을 활성화할 수 있는 충전 상태 활성화 수단(26)을 포함하며, 대표 매개변수는 상기 모니터링 수단(8)이 단상 전원 공급 회로망(3)을 통해 충전을 개시한 후에 활성화될 때 한편으로 상기 전원 공급 전류의 rms 값을 제곱한 값의 2배 및 버크 스테이지의 입력에 걸린 전류의 rms 값을 제곱한 값 간의 차 값 및 다른 한편으로 상기 전원 공급 회로망의 단자들에 걸린 rms 전압과 상기 전원 공급 회로망의 주파수와의 곱 값 간의 비율에 상응하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치.
  9. 구동 차륜들에 연결된 전기 기계 및 배터리(2)로부터 상기 전기 기계에 전력을 공급할 수 있는 인버터 스테이지를 포함하는, 적어도 부분적으로 전기 구동하는 자동차로서, 상기 자동차는 제1항 내지 제8항 중 한 항에 기재된 바와 같은 배터리(2)를 충전하는 장치(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차.
  10. 3상 또는 단상 전원 공급 회로망(3)으로부터, 배터리(2), 특히 전기 구동 자동차의 배터리를 충전하는 장치(1)를 제어하는 방법으로서, 상기 전원 공급 회로망(3)으로부터의 적어도 하나의 입력 전압은 용량성 결합체(5b)를 포함하는 필터링 스테이지(5)를 사용하여 필터링되고, 상기 필터링 스테이지(5)의 입력(B1, B2, B3)에 걸린 상기 전원 공급 전류가 측정되고, 상기 필터링 스테이지(5)의 입력(B1, B2, B3)에 걸린 전원 공급 전압이 측정되며, 상기 용량성 결합체(5b)의 커패시터들의 상태는 상기 필터링 스테이지(5)의 입력 단자들(B1, B2, B3)에서 측정된 전압들 및 전류들로부터의 상기 용량성 결합체(5b)를 대표하는 적어도 하나의 매개변수의 변동에 기반하여 모니터링되는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 방법은 상기 측정된 전압들 및 전류들의 rms 값들의 결정, 상기 rms 전압 및 전류 값들로부터의 상기 용량성 결합체를 대표하는 적어도 하나의 매개변수의 계산, 및 계산된 대표 매개변수들로부터의 용량성 결합체(5b)의 커패시터들의 상태의 결정, 그리고 배터리 충전 성능 레벨들을 제한하는 제어 신호 및 상기 용량성 결합체(5b)의 열화에 대한 경보를 사용자에게 발행하도록 하는 경고 신호의 전달을 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 용량성 조립체(5b)의 커패시터들의 상태의 결정은 상기 용량성 결합체(5b)를 대표하는 매개변수 및 용량 상수 간의 차의 절대값의 적어도 하나의 계산 및 변동 문턱값과 상기 계산된 절대값과의 비교를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치의 제어 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 한 항에 있어서, 대표 매개변수는, 상기 모니터링 수단이 상기 배터리의 충전 개시 전에 활성화될 때 제1 위상의 rms 전류의 값 및 상기 제1 위상 및 다른 한 위상 간의 rms 전압의 값과 주파수를 곱한 값 간의 비율에 상응하며, 상기 모니터링 수단이 단상 전원 공급 회로망을 통해 충전을 개시한 후에 활성화될 때 한편으로 상기 전원 공급 전류의 rms 값을 제곱한 값의 2배 및 버크 스테이지의 입력에 걸린 전류의 rms 값을 제곱한 값 간의 차 값 및 다른 한편으로 상기 전원 공급 회로망의 단자들에 걸린 rms 전압과 상기 전원 공급 회로망의 주파수와의 곱 값 간의 비율에 상응하는 것을 특징으로 하는, 배터리 충전 장치의 제어 방법.
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