KR20150122160A - Dc 전압을 ac 전압으로 변환하거나 ac 전압을 dc 전압으로 변환하기 위한 전기 아키텍처 - Google Patents

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Abstract

DC 전압을 AC 전압으로 변환하거나 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 전기 아키텍처(1)는 병렬 실장된 복수의 아암을 포함하는 DC/AC 전압 컨버터(2)로서 복수의 아암은 H 브릿지들(11)에서 쌍을 이루고, 복수의 아암 각각은 직렬 연결되어 중점에 의해 분리되는 2개의 제어 가능 스위칭 셀을 포함하는 DC/AC 전압 컨버터, 및 H 브릿지(11)마다 상기 H 브릿지(11)의 스위칭 셀들(12) 모두가 제어될 수 있도록 전위 장벽(15)을 통해 동일한 원격 제어 유닛(14)과 통신하기 위한 전용 제어 부재(13)를 포함한다.

Description

DC 전압을 AC 전압으로 변환하거나 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 전기 아키텍처{ELECTRICAL ARCHITECTURE FOR CONVERTING DC VOLTAGE INTO AC VOLTAGE, AND VICE VERSA}
본 발명은 DC 전압을 AC 전압으로 변환하거나 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 전기 아키텍처에 관한 것이다.
이 아키텍처는 전기 또는 하이브리드(hybrid) 차량에 탑재될 수 있고, 전기 네트워크에 의해 공급된 전원 전압을 전기 에너지 저장 유닛에 공급되어 충전되는 DC 전압으로 변환하는데 사용될 수 있다. 변형예로서, 아키텍처는 전기 에너지 저장 유닛에 의해 공급된 DC 전압을 차량을 추진시키는데 사용되고 있는 전기 기계의 고정자(stator)에 공급되는 AC 전압으로 변환하거나, 다상(polyphase) 전기 네트워크에 전달되는 AC 전압으로 변환하는데 사용될 수 있다.
차량에 대한 이러한 적용의 경우, 차량이 이동하고 있는 경우 전기 에너지 저장 유닛으로부터 모터로의 전기 공급에 포함된 임의의 컴포넌트 내에 일어날 수 있는 하나 이상의 결함이 차량의 사용자들 또는 다른 사람들의 안전에 영향을 미치지 않도록 보장할 필요가 있다.
마찬가지로, 전기 네트워크로부터 전기 에너지 저장 유닛으로의 충전에 포함된 임의의 컴포넌트 내에 일어날 수 있는 하나 이상의 결함이 차량 주변의 사람들의 안전에도 영향을 미치지 않도록 보장할 필요가 있다.
이로써, DC 전압을 AC 전압으로 변환하거나 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 것을 허용하고, 상대적으로 간단하고 구현하기에 그렇게 복잡하지 않으면서 전술된 안전 요건들을 충족시키는 아키텍처로부터 이익을 얻을 필요가 있다.
양태들 중 하나에 따르면, 본 발명은 DC 전압을 AC 전압으로 변환하거나 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 전기 아키텍처의 도움으로 이러한 필요성에 대응하는데, 전기 아키텍처는,
- 병렬 조립된 복수의 아암(arm)을 포함하는 DC/AC 전압 컨버터로서 여기서 복수의 아암은 H 브릿지들에 따라 쌍을 이루고, 복수의 아암 각각은 직렬 연결되어 중점에 의해 분리되는 2개의 제어 가능 스위칭 셀을 포함하는 DC/AC 전압 컨버터, 및
- H 브릿지마다 상기 브릿지의 스위칭 셀들 모두가 제어될 수 있도록 전위 장벽을 통해 원격 제어 유닛과 통신하기 위해, 특히 통신하도록 구성된 전용 제어 블록을 포함한다.
전술된 아키텍처에 따르면, 각 H 브릿지는 상기 브릿지에 전용하는 제어 블록으로부터 이익을 얻는다. 이로써, 아키텍처는 서로에 대해 상대적으로 독립적인 여러 구획(compartment)으로 분할되며, 특히 각 구획은 H 브릿지 및 H 브릿지에 전용하는 제어 블록을 포함한다. 상대적으로 독립적인 구획화(compartmentalization)로 인해, 하나의 구획 내에서 일어나는 결함은 다른 구획들의 동작에 영향을 미치지 않으며, 이로써 아키텍처의 동작 및/또는 그 주변에 위치하는 사람들의 안전이 보장될 수 있다.
하이브리드 또는 전기 차량에 대한 본 발명의 적용의 경우, 각 구획은 차량을 추진하는데 사용되고 있는 전기 기계의 전기 고정자 권선의 하나의 위상을 추가적으로 포함할 수 있다.
이하, “저전압”은 12V 이하의 전압들을 의미하고, “고전압”은 60V 이상의 전압을 의미한다.
아키텍처는 원격 제어 유닛을 포함할 수 있다. 이 경우, 원격 제어 유닛은 저전압 환경에 있고, H 브릿지들의 제어 블록들 및 컨버터는 고전압 환경에 있고, 이들 2개의 환경은 전위 장벽에 의해 분리된다.
예를 들어, 전기 기계의 전기 고정자 권선의 하나의 위상의 제어에 대한 고장, 즉 상기 위상에 전용하는 H 브릿지에 대한 고장 또는 상기 브릿지의 스위칭 셀들의 제어 블록에 대한 고장은 이 모터에 의한 차량의 추진의 지속 또는 전기 에너지 저장 유닛의 충전의 지속을 방지하지 않는데, 이 경우 이 충전 동작은 전기 기계의 전기 고정자 권선을 재사용한다.
각각의 제어 블록은 제1 전기 에너지 소스 및 제1 전기 에너지 소스와 분리된 제2 전기 에너지 소스를 포함할 수 있다. 전기 전력 공급을 위한 2개의 분리 에너지 소스의 이용 가능성 덕분에, 에너지 소스들 중 하나에 영향을 미치는 임의의 결함은 다른 전기 에너지 소스에 의해 공급될 수 있는 제어 블록의 동작을 방지하지 않는다. 이는 아키텍처의 더 신뢰 가능한 동작을 보장할 수 있다.
예를 들어, 전기 에너지 소스들 중 하나는 하나 이상의 배터리를 이용하여 형성되며, 다른 전기 에너지 소스는 아키텍처에서 이용 가능한 고전압 또는 저전압을 이용하여 획득된다. 예를 들어, 제2 전기 에너지 소스는 전기 모터에 공급되는 전기 에너지 저장 유닛, 및 이러한 전기 에너지 저장 유닛의 단자 사이의 전압의 값을 제어 블록을 위한 전력 공급과 호환 가능한 값으로 적응시키기 위해 제공되는 DC/DC 전압 컨버터를 포함한다. 특히, 이 컨버터는 예를 들어, 제12°59180호 하에서 2012년 9월 28일에 프랑스에 출원된 특허출원에 설명된 바와 같이 가역 DC/DC 전압 컨버터이다.
예를 들어, 제1 전압 소스는 아키텍처가 차량 탑재에 맞춰진 경우 온보드 네트워크(onboard network)의 전기 에너지 소스와 같은 저전압 소스이다. 필요에 따라, 저전압 소스에 의해 공급되는 전압의 값을 낮추기 위해 DC/DC 전압 컨버터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 저전압 소스는 모든 제어 블록을 공급한다. 저전압 소스에 의해 공급되는 전압의 값을 낮추기 위해 DC/DC 전압 컨버터가 사용되는 경우, 제어 블록들만큼 이러한 컨버터들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 전술된 제1 소스 및 제2 소스는 모든 제어 블록들에 공통적이다.
각각의 제어 블록은,
- 원격 제어 유닛과 통신하도록 구성된 디지털 프로세싱 유닛;
- H 브릿지에서의 적어도 하나의 전기량을 측정하기 위한 디바이스; 및
- H 브릿지에서의 온도를 측정하기 위한 디바이스
중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 디지털 프로세싱 유닛은 H 브릿지에서 온도 및/또는 전기량의 측정치들을 이용하도록 구성된다. 필요에 따라, 이들 이용되는 측정치들은 원격 제어 유닛으로 송신되며, 이로써 일단 각 제어 블록에 의해 수신되고 프로세싱 되면, 원격 제어 유닛은 제어 블록으로 하여금 전용 H 브릿지의 스위치들을 구동하도록 허용할 세트포인트들을 발생시킬 수 있다.
이들 측정치는 아키텍처의 각 구획에서의 하나 이상의 결함의 발생을 검출하기 위해 제공될 수 있고, 이들 측정치에 기반하여 생성된 세트포인트들은 전술된 안전 관련 제약들을 충족시키기 위해 제공된다. 예를 들어, 이들 세트포인트는 스위칭 셀들의 제어 가능 스위치들에 적용될 듀티 사이클 값(duty cycle value)들이다.
아키텍처에서의 하나 이상의 결함의 검출 이전에, 제1 제어 모드는 스위칭 셀들에 적용될 수 있고, 결함 또는 결함들의 검출로 인해, 전술된 안전 요건들을 충족시키기 위해 제2 제어 모드가 생성되어 스위칭 셀들의 전부 또는 일부에 적용될 수 있다.
제2 제어 모드는 포괄적일 수 있고, 결함이 아키텍처에서 검출되자마자 이 결함의 특성과 무관하게 동일한 세트포인트가 적용된다.
변형예로서, 제2 제어 모드는 검출된 결함에 적응될 수 있는데, 즉 적응된 세트포인트들은 검출된 결함의 특성에 따라 달라지고/거나 결함의 개수에 따라 달라질 수 있다.
DC/AC 전압 컨버터의 H 브릿지의 각각의 제어 블록은 상기 컨버터의 다른 H 브릿지들의 다른 제어 블록들과 통신할 수 있다.
각 제어 블록의 디지털 프로세싱 유닛은 제어 블록들에 공통적이고 상기 전위 장벽을 통과하는 링크를 통해 원격 제어 유닛의 디지털 프로세싱 유닛과 통신하도록 구성될 수 있다.
바람직하게, 제어 블록들의 디지털 프로세싱 유닛들 중 하나가 이러한 통신을 위한 마스터이고, 원격 제어 유닛의 디지털 프로세싱 유닛 및 다른 제어 블록들의 다른 디지털 프로세싱 유닛들은 슬레이브이다. 본 출원의 관점에서, 프로세싱 유닛이 링크를 통한 통신을 트리거하는 이니셔티브(initiative)를 갖는 경우, 그 프로세싱 유닛이 마스터이다.
필요에 따라, 마스터인 제어 블록의 디지털 프로세싱 유닛이 결함을 겪으면, 다른 제어 블록들의 프로세싱 유닛들 중 어느 하나가 자신의 위치에서 마스터가 된다.
원격 제어 유닛이 위치하는 저전압 환경과 DC/AC 전압 컨버터가 위치하는 고전압 환경 사이의 통신이 H 브릿지들의 제어 블록들의 이니셔티브에 대해 수행된다는 사실 덕분에, 저전압 환경에서의 원격 제어 유닛 또는 임의의 다른 컴포넌트에서의 고장 또는 결함의 이벤트에서, H 브릿지들의 제어 블록들은 원격 제어 유닛과의 상호 작용을 요구하지 않는 동작 모드를 적용함으로써 DC/AC 전압 컨버터의 스위칭 셀들을 계속 동작시키고 구동시킬 수 있다.
아키텍처의 전술된 구획화는 고전압 환경의 컴포넌트들에 일어나는 결함들을 어느 정도 극복하기 위해 제공된다. 각각의 H 브릿지의 제어는 아키텍처의 다른 H 브릿지의 제어에 독립적일 수 있다.
DC/AC 전압 컨버터의 제어 블록들과 원격 제어 유닛 사이의 통신을 허용하는 링크는 전이중 동기 직렬 링크일 수 있다. 직렬 주변 인터페이스(SPI) 타입 링크일 수 있다. 링크는 전위 장벽을 통과할 수 있다.
필요에 따라, 단일 전위 장벽은 컨버터의 H 브릿지들의 제어 블록들과 원격 제어 유닛 사이에 배치될 수 있다.
각각의 스위칭 셀은 양방향 전류 스위치, 예를 들어, 역평행(antiparallel)으로 맞춰진 다이오드를 갖는 IGBT 타입 트랜지스터 또는 전계 효과 트랜지스터를 이용하여 생산될 수 있다.
본 발명의 제1 예시 구현예에 따르면, 아키텍처는 전기 에너지 저장 유닛과 DC/AC 전압 컨버터 사이에 배치된 DC/DC 전압 컨버터가 없으며, 이로써 이러한 DC/AC 전압 컨버터의 DC 인터페이스는 전기 에너지 저장 유닛의 단자들에 연결될 수 있다.
제어 블록들의 디지털 프로세싱 유닛들은 프로그래머블 로직 회로(programmable logic circuit, FPGA)들일 수 있고, 원격 제어 유닛의 디지털 프로세싱 유닛은 마이크로컨트롤러일 수 있다.
제어 블록들의 디지털 프로세싱 유닛들이 프로그래머블 로직 회로(FPGA)들인 경우 및 원격 제어 유닛이 마이크로컨트롤러를 이용하는 경우, 아키텍처는 3개의 FPGA 및 1개의 마이크로컨트롤러를 이용하여 컨버터의 스위칭 셀들의 전체 제어를 수행한다.
변형예로서, 본 발명의 제2 예시 구현예에 따르면, 아키텍처는 고전압 인터페이스와 저전압 인터페이스를 포함하는 DC/DC 전압 컨버터를 포함할 수 있고, 고전압 인터페이스와 저전압 인터페이스 중 하나는 DC/AC 전압 컨버터에 연결된다.
본 발명의 제2 예시 구현예에 따르면, DC/DC 전압 컨버터는 여러 인터리빙된 브랜치를 포함할 수 있고, 브랜치 각각은,
- 저전압 인터페이스를 정의하는 2개의 단자 사이에 연장되며, 직렬 연결되고 중점에 의해 분리된 2개의 제어 가능 스위칭 셀을 포함하는 아암, 및
- 일단이 브랜치의 중점에 연결되고, 타단이 고전압 인터페이스의 양의 단자에 연결된 코일
을 포함한다.
여러 인터리빙된 브랜치들을 이용하는 DC/DC 전압 컨버터의 이러한 구현은 다양한 브랜치 사이의 전력을 더 잘 분배하기 위해 제공될 수 있으며, 이로써 이 컨버터의 스위칭 셀들의 수명을 연장하기 위해 제공될 수 있다.
DC/DC 전압 컨버터의 스위칭 셀들은 양방향 전류 스위치들을 이용하여 획득될 수도 있고 되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 이들 스위칭 셀은 DC/AC 전압 컨버터의 셀들과 동일하다.
DC/DC 전압 컨버터는 짝수 개의 브랜치를 포함할 수 있고, 브랜치들은 쌍을 이룰 수 있고, 브랜치 쌍 중 하나의 브랜치의 코일은 그 쌍의 나머지 브랜치의 코일과 자기 결합 상태에 있다.
본 발명의 제2 예시 구현예의 제1 서브모드에 따르면, 아키텍처는 브랜치 쌍마다 상기 브랜치 쌍의 모든 스위칭 셀들을 구동하는데 적합한 제어 블록을 포함할 수 있다.
이러한 서브모드에 따르면, DC/DC 전압 컨버터 및 그 제어부는 구획화되며, 구획 사이에는 어느 정도의 독립성이 존재한다. 각각의 구획은 브랜치 쌍 및 그와 관련된 제어 블록을 포함한다. 이로 인해, 하나의 구획에서의 임의의 결함은 다른 구획들에 영향을 미치지 않는다.
또한, 이러한 서브모드에 따르면, DC/DC 전압 컨버터의 브랜치 쌍의 각 제어 블록은 제1 전기 에너지 소스 및 제1 전기 에너지 소스와 분리된 제2 전기 에너지 소스를 포함할 수 있다. H 브릿지에 전용하는 제어 블록의 전기 에너지 공급에 관해 이전에 설명된 바와 같이, 이러한 이용 가능한 듀얼 전기 전력 공급은 제어 블록의 전기 전력 공급 결함의 위험들을 감소시키기 위해 제공된다.
이 서브모드에 따르면, DC/DC 전압 컨버터의 브랜치 쌍의 각 제어 블록은,
- 원격 제어 유닛(14)과 통신하도록 구성된 디지털 프로세싱 유닛;
- 브랜치 쌍에서의 적어도 하나의 전기량을 측정하기 위한 디바이스; 및
- 브랜치 쌍에서의 온도를 측정하기 위한 디바이스
중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이로써, 이용 가능한 듀얼 전기 전력 공급은 이들 측정치 및 프로세싱 동작들이 필요에 따라 실시되도록 보장하기 위해 제공될 수 있다.
전술된 측정치들은 DC/DC 전압 컨버터의 스위칭 셀들의 제1 제어 모드가 적용되는 동안 브랜치 쌍에서의 하나 이상의 결함의 발생을 검출하기 위해 제공될 수 있다. 이러한 결함이 검출되는 경우, DC/AC 전압 컨버터에 관해 전술된 것과 유사하게, 제2 제어 모드가 생성되어 컨버터의 스위칭 셀들의 전부 또는 일부에 적용될 수 있다.
필요에 따라, 제2 제어 모드 및 제1 제어 모드는,
- DC/AC 전압 컨버터의 스위칭 셀들의 전부 또는 일부; 및
- DC/DC 전압 컨버터의 스위칭 셀들의 전부 또는 일부에
동시 적용된다.
브랜치 쌍의 각 제어 블록은 원격 제어 유닛의 디지털 프로세싱 유닛과 통신하도록 구성된 디지털 프로세싱 유닛을 포함할 수 있고, 이 통신은,
- DC/AC 전압 컨버터의 H 브릿지들의 스위칭 셀들의 제어 블록들, 및
- 상기 DC/DC 전압 컨버터의 브랜치 쌍의 스위칭 셀들의 제어 블록들
에 공통적 링크를 통해 일어날 수 있는데, 상기 링크는 상기 전위 장벽을 통과한다.
바람직하게, 제어 블록의 디지털 프로세싱 유닛들 중 적어도 하나는 이 통신을 위한 마스터이다.
전술된 바와 같이, 고전압 환경의 스위칭 셀들을 구동하기 위해 배정된 디지털 프로세싱 유닛이 마스터로서 동작하는 경우, 저전압 환경에서 일어난 하나 이상의 결함의 컨버터들에 대한 결과들이 감소된다.
제어 블록들의 디지털 프로세싱 유닛들은 프로그래머블 로직 회로(FPGA)들일 수 있고, 원격 제어 유닛의 디지털 프로세싱 유닛은 마이크로컨트롤러일 수 있다.
제어 블록들의 이들 디지털 프로세싱 유닛이 FPGA인 경우 및 원격 제어 유닛이 마이크로컨트롤러를 이용하는 경우, 아키텍처는 6개의 FPGA 및 1개의 마이크로컨트롤러를 이용하여 컨버터들의 스위칭 셀들의 전체 제어를 수행한다.
이 서브모드에 따르면, DC/DC 전압 컨버터의 브랜치의 개수는 DC/AC 전압 컨버터의 아암의 개수와 같을 수 있고, 아키텍처는 DC/DC 전압 컨버터의 스위칭 셀들을 구동하는 제어 블록들만큼 많은 DC/AC 전압 컨버터의 스위칭 셀들을 구동하는 제어 블록들을 포함한다.
본 발명의 제2 예시 구현예의 제2 서브모드에 따르면, DC/DC 전압 컨버터의 브랜치의 개수는 DC/AC 전압 컨버터의 아암의 개수와 같고, H 브릿지에 전용하는 각 제어 블록은 DC/DC 전압 컨버터의 브랜치 쌍의 모든 스위칭 셀들을 구동시킨다.
이러한 제2 서브모드에 따르면, 제어 블록들은 본 발명의 제1 예시 구현예에 따라 DC/DC 전압 컨버터가 없는 아키텍처의 제어 블록들의 역할과 전술된 본 발명의 제2 예시 구현예의 제1 서브모드에 따른 아키텍처의 브랜치 쌍의 스위칭 셀들의 제어 블록들의 역할을 동시에 수행한다.
제어 블록들의 디지털 프로세싱 유닛들은 프로그래머블 로직 회로(FPGA)들일 수 있고, 원격 제어 유닛의 디지털 프로세싱 유닛은 마이크로컨트롤러일 수 있다.
각각의 제어 블록이 FPGA인 프로세싱 유닛을 포함하는 경우 및 원격 제어 유닛이 마이크로컨트롤러를 이용하는 경우, 아키텍처는 3개의 FPGA 및 1개의 마이크로컨트롤러를 이용하여 컨버터의 스위칭 셀들의 전체 제어를 수행하는데, 즉 DC/DC 전압 컨버터가 존재함에도 불구하고 DC/DC 전압 컨버터의 부재 시에 존재하는 것만큼 많은 프로세싱 컴포넌트들의 전체 제어를 수행한다. 이러한 제2 서브모드에 따르면, 아키텍처는 사이즈 감소 및 비용 감소에 따라 더 효율적이다.
이들 서브 모드 중 하나 또는 나머지 하나에 따르면, DC/AC 전압 컨버터는 6개의 아암을 포함할 수 있고, DC/DC 전압 컨버터는 6개의 브랜치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예시 구현예에 따르면, 아키텍처는 DC/AC 전압 컨버터가 없는데, DC/DC 전압 컨버터가 전기 네트워크에 연결되는데 적합한 커넥터와 전기 에너지 저장 유닛 사이에 배치되고, DC/DC 전압 컨버터의 브랜치 쌍은 이 쌍에 전용하는 제어 블록과 관련되어 있고, 이 쌍의 모든 스위칭 셀들을 위해 제공된다.
전술된 모든 내용에서, 아키텍처는 원격 제어 유닛의 일부를 형성하는 단 하나의 마이크로컨트롤러, 및 H 브릿지들의 제어 블록들의 디지털 프로세싱 유닛들을 형성하는 여러, 특히 3개 또는 6개의 FPGA를 포함할 수 있다.
전술된 모든 내용에서, 전기 기계의 운전자의 위치를 위한 센서 및/또는 전기 모터의 온도, 예를 들어, 고정자의 온도를 위한 센서는 저전압 환경에서 배열될 수 있고, 고전압 환경의 컴포넌트들의 중개 없이 원격 제어 유닛과 직접 상호 작용할 수 있다. 이로써, 단일 위치 센서는 원격 제어 유닛과 상호 작용할 수 있으며, 특히 원격 제어 유닛은 전술된 바와 같이 마이크로컨트롤러를 이용한다.
본 발명의 양태들 중 다른 하나에 따른 본 발명의 다른 주제는 전술된 아키텍처로서, 이 아키텍처는,
- 단자들 사이에 DC 전압을 갖고 DC/AC 전압 컨버터와 직간접적으로 연결된 전기 에너지 저장 유닛, 및
- 고정자의 각각의 전기 위상이 H 브릿지의 2개의 중점 사이에 연결된 다상 전기 고정자 권선
을 추가적으로 포함한다.
아키텍처는 외부 전기 네트워크에 대한 커넥터를 통해 연결되도록 적합한 전력 공급 라인을 포함할 수 있고, 전력 공급 라인은 전기 고정자 권선의 위상의 개수와 같은 컨덕터(conductor)들의 개수를 포함하고, 각 컨버터는 일단이 전기 고정자 권선의 위상의 중간 지점에 연결된다. 상기 위상의 중간 지점은 중점일 수 있다.
전기 네트워크는 운영자에 의해 관리되는 산업용 전기 네트워크일 수 있다. 예를 들어, 50Hz 또는 60Hz의 주파수로 전압을 공급하는 전기 네트워크이다.
120V와 240V 사이의 전압을 공급하는 단상 네트워크 또는 다상 네트워크, 예를 들어, 3상, 특히 208V와 416V 사이의 전압을 공급하는 3상 네트워크일 수 있다.
본 발명의 양태들 중 다른 하나에 따른 본 발명의 다른 주제는 전술된 아키텍처를 위한 제어 방법으로서,
- 제1 제어 모드가 스위칭 셀들에 적용되는 동안 적어도 하나의 결함이 상기 아키텍처에 일어난다고 검출되고, 그리고
- 결함이 검출되면, 스위칭 셀들의 전부 또는 일부에 적용되는 제2 제어 모드가 생성된다.
제1 제어 모드가 전기 고정자 권선을 위한 전기 에너지 저장 유닛으로부터의 전력 공급을 허용하는 경우 및 전기 고정자 권선이 다상인 경우, 제2 제어 모드는 특히, 저전압 환경에서의 결함의 이벤트에서 또는 원격 제어 유닛과의 통신을 허용하는 링크에서의 결함의 이벤트에서 권선의 전기 위상들 중 전부 또는 일부를 단락 상태에 배치하기 위해 제공될 수 있다. 그 결함이 전기 고정자 권선의 하나의 위상의 제어에만 관련되어 있는 경우, 즉 상기 위상에 전용하는 H 브릿지 또는 상기 브릿지의 스위칭 셀들의 제어 블록과 관련되어 있는 경우, 제2 제어 모드는 전기 고정자 권선의 나머지 전기 위상들을 단락 상태에 배치하기 위해 제공되거나, 의심 가는 전기 위상을 임시로 억제하기 위해 제공될 수 있다. 특히, 전기 위상에 대한 이러한 임시 억제는 상기 위상과 관련된 제어 블록 및/또는 상기 위상에 전용한 H 브릿지의 스위칭 셀들에 대한 공급을 중단하는 것을 포함한다. 제1 제어 모드가 어떤 아이템보다도, 전기 고정자 권선을 통해 전기 네트워크로부터의 전기 에너지 저장 유닛의 충전을 허용한 경우, 제2 제어 모드는 충전을 방해하기 위해 제공되거나, 성능 감소 레벨로 충전이 실시되는 것을 허용할 수 있다.
특히, 전기 네트워크와 DC/AC 전압 컨버터 사이에 위치하는 하나 이상의 릴레이(relay)를 개방함으로써 충전이 방해받는다.
특히, 제2 제어 모드에 따라, 제1 제어 모드에 따른 전류를 위한 세트포인트 값보다 작은 전기 에너지 저장 유닛 내의 전류를 위한 세트포인트 값을 부과함으로써 성능 감소 레벨로 충전 동작이 실시된다.
본 발명은 본 발명의 비제한적 예시 구현예들의 다음의 설명을 읽고, 다음의 첨부 도면들을 조사할 때 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
- 도 1은 본 발명의 제1 예시 구현예에 따른 전기 아키텍처를 부분적으로 나타낸다.
- 도 2는 본 발명의 제1 예시 구현예에 따른 아키텍처를 기능적으로 나타낸다.
- 도 3은 도 1의 아키텍처의 DC/AC 전압 컨버터의 H-브릿지에 전용하는 제어 블록의 디지털 프로세싱 유닛을 기능적으로 나타낸다.
- 도 4 및 도 5는 본 발명의 제1 예시 구현예에 따라 아키텍처에 결함이 발생할 때 일어나는 시나리오들의 블록도 형태의 표현들이다.
- 도 6은 본 발명의 제2 예시 구현예의 제1 서브모드에 따른 전기 아키텍처를 부분적으로 나타낸다.
- 도 7은 도 6의 아키텍처의 DC/DC 전압 컨버터의 브랜치 쌍(pair of branches)에 전용하는 제어 블록의 디지털 프로세싱 유닛을 기능적으로 나타낸다.
- 도 8은 본 발명의 제2 예시 구현예의 제2 서브모드에 따른 전기 아키텍처를 부분적으로 나타낸다.
- 도 9는 본 발명의 제2 예시 구현예의 제2 서브모드에 따른 아키텍처의 기능적 표현이다.
- 도 10은 제어 블록의 듀얼 전기 공급의 일례를 개략적으로 나타낸다.
도 1에는 본 발명의 예시 구현예에 따른 전기 아키텍처(1)가 표현되어 있다. 전기 아키텍처(1)는,
- DC/AC 전압 컨버터(2);
- 전기 에너지 저장 유닛(3); 및
- 전기 기계의 전기 고정자 권선(electrical stator winding, 4)
을 포함한다.
이 예시에서, DC/AC 전압 컨버터(2)는 전기 에너지 저장 유닛(3)과 전기 권선(4) 사이의 전기 에너지 교환을 제공하기 위해 이들 사이에 배열된다.
고려 중인 예시에서, 전기 기계는 하이브리드 또는 전기 차량을 구동하는데 사용된다. 예를 들어, 이 기계는 영구 자석 동기 모터를 포함한다. 예를 들어, 전기 기계는 10W와 10MW 사이, 특히 100W와 200kW 사이의 명목 정격 전력(nominal power rating)을 보인다. 이 예시에서, 전기 고정자 권선(4)은 3상(three-phase)이다.
전기 에너지 저장 유닛(3)은 배터리, 슈퍼 커패시터, 또는 배터리들 또는 슈퍼 커패시터들의 임의의 조립체일 수 있다. 예를 들어, 직렬 연결 배터리들의 여러 병렬 브랜치들이 포함된다. 전기 에너지 저장 유닛(3)은 60V와 800V 사이, 특히 200V와 450V 사이 또는 600V와 800V 사이의 명목 정격 전력(nominal voltage rating)을 가질 수 있다.
커패시터(6)는 전기 에너지 저장 유닛(3)과 병렬로 맞춰질 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 아키텍처(1)는 50Hz 또는 60Hz로 전압을 전달하는 산업용 전기 네트워크에 연결되는데 적합한 커넥터(7)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 이 커넥터(7)는 전자기 간섭(electromagnetic interference)을 제거하도록 구성된 필터(9)를 통해 전기 고정자 권선(4)의 각 위상(10)의 중간 지점에 연결된다. 예를 들어, 이 중간 지점은 특허출원 제WO2010/057893호에 교시된 바와 같이 위상들을 위한 중점이다.
이 예시에서, 컨버터(2)는 차량의 추진을 허용하기 위해 전기 에너지 저장 유닛(3)의 단자들 사이의 DC 전압을 전기 고정자 권선(4)에 공급되는 3상 AC 전압으로 변환한다.
반대로, 컨버터(2)는 전기 에너지 저장 유닛(3)의 충전을 제공하기 위해 네트워크에 의해 공급되어 전기 고정자 권선(4)을 지나는 AC 전압을 전기 에너지 저장 유닛(3)에 공급되는 DC 전압으로 변할 수 있다. 그 다음, 커넥터(7)는 전기 네트워크의 단자에 연결된다.
여기서, 컨버터(2)는 3개의 H 브릿지(11)를 포함하는데, 각각의 H 브릿지는 전기 에너지 저장 유닛(3)의 단자 사이에 병렬로 맞춰진 2개의 아암(arm)에 의해 형성된다. 이 예시에서, 각각의 아암은 직렬로 맞춰진 2개의 가역 스위칭 셀(12)을 보인다. 예를 들어, 스위칭 셀(12)은 트랜지스터와 다이오드와의 역평행 맞춤에 의해 형성되며, 여기서 다이오드는 필요하면 트랜지스터의 진성 다이오드이다. 트랜지스터는 전계 효과 IGBT 또는 바이폴라(bipolar)일 수 있다.
각각의 H 브릿지(11)는 브릿지(11)의 모든 스위칭 셀(12)의 동작을 구동하는 제어 블록(13)과 관련되어 있다. 각 스위칭 셀(12)이 트랜지스터를 포함하는 경우, 이러한 제어 블록(13)은 트랜지스터의 상태를 변경하기 위해 제공되는 게이트 또는 베이스 전류를 투입한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 아키텍처(1)는 전이중 동기 직렬 링크(full-duplex synchronous serial link), 예를 들어, SPI일 수 있는 링크(19)를 통해 각각의 제어 블록(13)과 데이터를 교환하는 원격 제어 유닛(14)을 포함한다. 도 1 및 도 2의 예시에서, 이러한 데이터 교환은 링크(19)가 지나가는 단일의 전위 장벽(potential barrier, 15)을 통해 일어날 수 있다. 예를 들어, 이러한 전위 장벽(15)은 특히 변압기(transformer) 또는 옵토 커플러(opto-coupler)를 이용하여 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 제공한다. 이러한 장벽(15)은 제어 블록들(13), DC/AC 전압 컨버터(2), 전기 에너지 저장 유닛(3), 및 전기 고정자 권선(4)이 속하는 고전압 환경으로부터 원격 제어 유닛(14)이 속하는 저전압 환경을 분리시킨다.
원격 제어 유닛(14)은 하나 이상의 프로세싱 시스템, 예를 들어, 하나 이상의 마이크로컨트롤러(16)를 포함할 수 있다. 원격 제어 유닛(14)은 CAN 링크(17)를 통해 슈퍼바이저(supervisor)와 통신할 수 있다. 차량에 대한 적용에서, 슈퍼바이저는 차량의 엔진 전기 제어 유닛(ECU)일 수 있다. 제어 유닛(14)은 브릿지(11)의 각 아암에서의 전류 및 브릿지(11)의 아암의 단자 사이의 전압을 위한 세트포인트 값들을 생성하는 것을 담당할 수 있다.
링크(19)를 통한 통신 맥락에서, 후술되는 바와 같이, 제어 블록들(13) 중 하나는 마스터일 수 있는데, 즉 링크(19)를 통한 통신은 이러한 제어 블록(13)에 의해 관리된다. 필요에 따라, 원격 제어 유닛(14)은 전기 기계의 고정자에서의 온도를 측정하기 위해 제공하는 측정 유닛들 및 전기 기계의 회전자(rotor)의 위치를 결정하기 위해 제공되는 측정 유닛들과 관련되어 있다.
각각의 제어 블록(13)은 도 2를 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 이 경우, 각각의 제어 블록(13)은 하나의 H 브릿지로부터 다른 H 브릿지까지 동일하다.
각각의 제어 블록(13)은 필요에 따라 원격 제어 유닛(14)으로부터 수신된 세트포인트들에 기반하여 관련 H 브릿지(11)의 상태에 대한 정보를 수신하고, 브릿지(11)가 스위칭 셀들(12)을 구동하기 위한 제어 신호들을 생성하도록 배열되는 디지털 프로세싱 유닛(20)을 포함한다.
프로세싱 유닛(20)은 프로그래머블 로직 회로(또는 FPGA)일 수 있다. 이 경우, 그리고 원격 제어 유닛(14)에 의한 프로세싱이 마이크로컨트롤러를 이용하는 경우, 링크(19)를 통한 통신은 FPGA(20)와 마이크로컨트롤러(16) 사이에 일어난다. FPGA(20)는 마스터일 수 있고, 마이크로컨트롤러는 슬레이브일 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 브릿지(11)의 스위칭 셀들(12)을 구동하기 위한 제어 신호들은 프로세싱 유닛(20)의 기능 블록(21)에 의해 발생될 수 있는데, 이 기능 블록(21)은 브릿지(11) 내의 하나 이상의 결함 이벤트에 적용될 다양한 전략들을 담당하는 다른 블록(22)과 연동된다.
고려 중인 예시에서, 제어 블록(13)은 또한 브릿지(11)의 상태의 진단을 형성하기 위한 수단을 포함한다. 이들 수단은 브릿지(11)의 아암의 단자 사이의 전압, 예를 들어, 분로(shut)로 인한 브릿지(11)의 아암에서의 전류, 또는 브릿지(11)의 2개의 아암 사이에 위치한 지점에서의 온도를 측정하기 위해 제공된다.
그 다음, 이들 수단에 의해 측정된 값들은 프로세싱 유닛(20)으로 송신된다. 필요에 따라, 이들 값은 프로세싱 유닛(20)에 의해 자체적으로 분석될 수 있으며, 이 프로세싱 유닛(20)은 브릿지(11)의 스위칭 셀들(12)을 구동하기 위한 제어 신호들을 생성할 수 있다. 변형예로서, 링크(19)가 스위칭 셀들(12)을 구동하는 제어 신호들을 생성하기 위해 프로세싱 유닛(20)에 의해 사용될 세트포인트들을 생성하는 방식으로, 이들 값은 링크(19)를 통해 원격 제어 유닛(14)에 전송된다.
고려 중인 예시에서, 제어 블록(13)은 도 10에 도시될 수 있는 바와 같이, 듀얼 전기 에너지 공급부를 포함한다. 이러한 듀얼 공급부는 제1 소스(200) 및 제2 소스(201)에 의해 형성된다.
예를 들어, 제1 소스(200)는 온보드 네트워크의 전기 에너지 소스로서, 저전압 대략 12V를 전달한다. 제어 블록(13)의 각각의 제1 소스(200)는 제어 블록들에 공통인 하나의 소스로부터 유래할 수 있으며, 특히 이러한 공통 소스는 전술된 바와 같이 차량의 온보드 네트워크의 전기 에너지 소스이다.
필요에 따라, 온보드 네트워크의 전기 에너지 소스에 의해 공급된 전압의 값을 낮추기 위해 제공되도록, DC/DC 전압 컨버터는 각각의 제어 블록(13)과 온보드 네트워크의 전기 에너지 소스 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 12V 미만의 값, 예를 들어, 6V 미만을 갖는 전압을 이용하여 각각의 제어 블록(13)을 전기적으로 공급하는 것이 바람직하다.
제1 전기 에너지 소스(200)는 제어 블록(13)의 다양한 컴포넌트들을 공급하기 위해 제공될 수 있고, 더 이상 동작할 필요가 없거나 안전상의 이유로 필요 없는 경우, 소스(200)를 활성화하고, 서비스 상태로 유지하고, 방해하기 위한 수단을 제공받을 수 있다.
이 예시에서, 제2 소스(201)는 이미 가용의 고전압 소스를 이용하여 아키텍처(1)의 일부를 형성하거나 그에 대해 액세스 가능할 수 있다.
고려 중인 예시에서, 제2 소스(201)는 전기 에너지 저장 유닛(3)에 의해 공급되는 전압을 이용한다. DC/DC 전압 컨버터, 예를 들어, 제12 59180호 하에서 2012년 9월 28일에 프랑스에 출원된 출원에 설명된 컨버터는 전기 에너지 저장 유닛(3)의 단자 사이의 전압을 제어 블록(13)의 전력 공급과 호환 가능한 저전압으로 변환하기 위해 제공될 수 있다.
도 2의 프로세싱 유닛(20)은 도 3에 기능적으로 표현되어 있다. 이 유닛(20)은,
- 위상 고정 루프(phase-lock loop)를 형성하고, 마이크로컨트롤러(16)로부터 클럭 주파수가 예를 들어 10MHz인 클럭 신호를 수신하는 모듈(30);
- 링크(19)를 통해 데이터를 송수신하는 것을 담당하는 반이중(half-duplex) 모듈(31);
- 전술된 측정 수단에 연결되어 이들 수단 및 이들의 아날로그/디지털 변환에 의해 측정된 아날로그 값들을 획득하기 위해 제공되는 복수의 아날로그/디지털 컨버터(33);
- 스위칭 셀들의 드라이버들에 공급되는 전압을 위한 듀티 사이클 값들을 생성하는 모듈(34);
- 아키텍처(1)가 차량을 추진하는데 사용되는 경우 DC/AC 전압 컨버터(20의 동작을 제어하기 위해 이들 스위칭 셀들을 구동하도록 브릿지(11)의 스위칭 셀들(12)에 인가되는 듀티 사이클 값들을 생성하는 모듈(35);
- H 브릿지(11)의 상태의 진단을 수행하기 위해 이전에 설명된 측정 수단에 의해 공급된 디지털 측정치를 입력들로서 수신하는 모듈(36);
- 아키텍처(1)가 전기 에너지 저장 유닛(3)을 충전하는데 사용되는 경우, DC/AC 전압 컨버터(2)의 동작을 제어하기 위해 이들 스위칭 셀들을 구동하도록 브릿지(11)의 스위칭 셀(12)에 적용될 듀티 사이클 값들을 생성하는 모듈(37);
- 옵션으로서, 4개의 채널로 출력을 보이는 디지털/아날로그 컨버터(38);
- 옵션으로서, 프로세싱 유닛(20)의 활동을 보여주는 비주얼 모듈(39), 및
- 저장 및 계산 모듈(40)
을 포함한다.
이하, 다양한 모듈 사이의 상호작용이 설명될 것이다. 아날로그/디지털 컨버터들(33)에 의해 수신된 정보는 모듈(40)을 지난 이후 모듈(31)에 의해 원격 제어 유닛(14)으로 전송된다. 원격 제어 유닛(14)은 적어도 이 정보에 기반하여, 모듈(40)을 지난 이후 모듈(31)로 링크(19)를 거쳐 송신된 다음, 모듈들(34 및 35)로 송신되는 세트포인트들을 생성한다.
브릿지(11)의 상태의 진단을 설정하는 것을 담당하는 모듈(36)로부터 오는 정보는 모듈(40 및 31)을 통해 원격 제어 유닛(14)으로 송신될 뿐 아니라 모듈들(35 및 37)로 송신된다. 필요에 따라, 이 정보는 전술된 바와 같이 모듈들(34 및 35)에 이후 송신되는 세트포인트들을 생성하기 위해 원격 제어 유닛(14)에 의해 고려된다.
제1 제어 모드가 적용되고 있는 동안 결함이 아키텍처에서 검출되는 경우 다양한 제어 블록(13)에 의해 DC/AC 전압 컨버터(2)의 제2 제어 모드의 예시들이 도 4 및 도 5를 참조하여 설명될 것이다.
도 4는 차량을 추진시키기 위해 전기 에너지 저장 유닛(3)으로부터 전기 고정자 권선(4)을 공급하도록 컨버터(2)가 인버터로서 동작하는 동안 결함이 아키텍처(1)에서 검출되는 경우에 대응한다.
컬럼(40)은 고려 중인 경우에 아키텍처에서 일어날 수 있는 결함들에 대응하는데, 이 경우 컬럼(41)은 어떻게 이 결함이 검출되는지를 표시하고, 컬럼(42)은 스위칭 셀들(12)에 의한 제2 제어 모드의 적용으로 인해 컨버터(2)에 의해 취해지는 구성을 표시하고, 컬럼(43)은 제2 제어 모드의 적용으로 인해 차량의 추진 상태를 표시한다.
블록(50 및 51)은 각각,
- 저전압 환경의 컴포넌트, 예를 들어 원격 제어 유닛(14)의 제어 상실; 및
- 수동 전력 컴포넌트, 예를 들어 커패시터(6)에 대한 결함
에 대응한다.
이들 결함은 원격 제어 유닛(14)의 마이크로컨트롤러(16)에 의해 및/또는 FPGA(20)에 의해 52에 따라 검출된다. 안전 예방책으로서, 제2 제어 모드가 생성되어 스위칭 셀들(12)에 적용되고, 이 제2 제어 모드는 전기 고정자 권선(4)의 3상이 단락 상태에 있는 53에 따른 구성을 취하는 모드이다.
결과적으로, 모터 토크가 영(0)이 되며, 이로써 차량은 전기 모터에 의해 더 이상 추진되지 않고 54에 따라 천천히 감속한다. 블록(55)은 결함이 링크(19)에서 일어나는 경우에 대응한다. 이 결함은 FPGA(20)에 의해 56에 따라 검출된다. 제2 제어 모드는 53에 따르는 것과 동일한 구성으로 컨버터(2)가 시프트하게 하기 위해 제어 블록(13)에 의해 생성되어 스위칭 셀들(12)에 적용되며, 이로써 블록(54)에 대응하는 상태에 도달된다.
블록(58)은 예를 들어, 브릿지(11)의 스위칭 셀들(12)의 드라이버들에서 고전압 환경의 컴포넌트의 제어의 상실에 대응한다. 이 결함은 원격 제어 유닛(14)에 의해 및/또는 FPGA(20)에 의해 59에 따라 검출된다. 제2 제어 모드는 원격 제어 유닛(14)에 의해 및/또는 FPGA(20)에 의해 생성된 다음, 스위칭 셀들(12)에 적용된다. 제2 제어 모드는 적용되는 경우 컨버터(2)가 전기 고정자 권선(4)의 2개의 위상이 단락 상태에 있는 60에 따른 구성을 취하는 모드이다.
결과적으로, 모터 토크가 영(0)이 되며, 이로써 차량은 전기 모터에 의해 더 이상 추진되지 않고 54에 따라 천천히 감속한다.
변형예로서, 원격 제어 유닛(14) 또는 FPGA(20)가 59에 따라 결함을 검출한 경우, 생성된 제2 제어 모드는 스위칭 셀들(12)에 적용된 경우 컨버터(2)가 브릿지(11)가 단락된 구성(61)을 취하여 전기 고정자 권선(4)의 2개의 위상만이 여전히 사용되는 모드일 수 있다. 그 다음, 단 2개의 H 브릿지(11)가 능동 상태이다. 결과적으로, 전기 모터의 성능 레벨이 감소되는데, 다시 말해, 모터가 공급할 수 있는 최대 전력이 감소되며, 이 경우 모터는 62에 따른 상태로 끝난다.
블록(63)은 H 브릿지의 능동 전력 컴포넌트에서 일어나는 결함에 대응한다. 이 결함은 원격 제어 유닛(14)에 의해 및/또는 FPGA(20)에 의해 59에 따라 검출되는데, 이로써 컨버터는 60 또는 61에 따른 구성으로 끝날 수 있다.
요약하면, DC/AC 전압 컨버터(2)는 다음의 결함 중 적어도 하나가 검출되는 경우 53에 따른 구성을 취할 수 있는데,
- 슈퍼바이저(supervisor), CAN 링크와의 통신의 상실 또는 저하, 즉 저전압 환경에서의 결함;
- SPI 링크(19), 또는 FPGA들(20)의 모듈들(31) 중 하나에서의 상실 또는 저하;
- 원격 제어 유닛(14)의 마이크로컨트롤러(16)의 상실 또는 저하;
- 마이크로컨트롤러(16)의 전력 공급부의 상실 또는 저하;
- 전기 기계의 회전자의 위치를 위한 센서로서 원격 제어 유닛(14)과 상호 작용하는 센서의 전력 공급부의 저하, 또는 이 센서에 의해 공급된 위치 측정치의 상실 또는 저하;
- 전기 모터를 위한 긴급 중단 프로그램의 상실 또는 저하;
- 전기 모터에서의 주요 결함;
- EMC 필터(9)의 또는 HV 배터리와 인버터 사이에 배열된 EMC 필터의 상실;
- 커패시터(6)의 상실;
- 제어 블록들(13)의 프로세싱 유닛들(20)의 전력 공급부의 상실 또는 저하; 및
- 전기 에너지 저장 유닛(3)과 DC/AC 전압 컨버터(2) 사이에 배치된 전력 커넥터의 정확한 연결 해제를 보장하는 신호의 상실 또는 저하를 포함한다.
하나 이상의 결함이 아키텍처(1)의 단일 구획 내에, 예를 들어, 고려 중인 예시에서 단일 제어 블록(13) 내에 또는 단일 H 브릿지(11) 내에 일어나는 경우 구성들(60 또는 61)에 도달될 수 있다.
이 결함은 적어도,
- 브릿지(11)에서의 전류 측정 체인 및/또는 브릿지(11)에서의 전압 측정 체인의 상실 또는 오류;
- 전기 고정자 권선(4)에서의 브릿지(11)의 연결의 상실;
- 제어 블록(13)의 프로세싱 유닛(20)의 상실 또는 저하;
- 각각의 스위칭 셀(12)과 관련 있고 프로세싱 유닛(20)으로부터의 세트포인트들을 스위칭 셀(12)에 송신하는 드라이버들의 상실 또는 저하; 및
- 제어 블록들(13)의 프로세싱 유닛들(20)의 전력 공급의 상실 또는 저하
중 하나이다.
도 5는 컨버터(2)가 전기 고정자 권선(4)을 통해 전기 네트워크로부터 전기 에너지 저장 유닛(3)을 충전하기 위한 정류기로서 동작하는 동안, 그리고 컨버터(2)가 제1 제어 모드가 스위칭 셀들(12)에 적용되는 동안 아키텍처(1)에 결함이 검출된 경우에 대응한다.
블록들(50, 51, 55, 58, 및 63)에 따른 동일한 결함들 일어날 수 있고, 블록(65)에 따라 FGPA(20) 또는 원격 제어 유닛(14)에 의해 검출될 수 있다.
이 경우, 컨버터(2)의 브릿지들(11)의 스위칭 셀들에 의해 2개의 2차 대체 제어 모드들이 생성되어 적용될 수 있다.
이들 제2 제어 모드 중 하나는 스위칭 셀들(12)의 제어가 제어 블록(13)의 전기 공급의 중단으로 인해 방해받는 67에 따른 구성으로 컨버터(2)가 시프트하게 하고, 이 구성은 전기 네트워크에 의한 전기 에너지 저장 유닛의 충전이 없는 아키텍처(1)의 상태(68)에 대응한다.
다른 제2 제어 모드는 충전 저하가 일어나는 69에 따른 구성으로 컨버터(2)가 시프트하게 한다. 예를 들어, 이러한 충전 저하는 전기 에너지 저장 유닛(3)에서의 전류를 위한 감소된 세트포인트 값을 이용한 충전에 대응한다. 그 후, 아키텍처(1)는 전기 에너지 저장 유닛(3)의 충전이 성능 감소 레벨로 실시되는 상태(66)에 있고, 특히 충전 시간이 더 높다.
이로써, 브릿지(11)에 결함이 검출되는지 여부에 따라 적용될 전략의 결정 및 브릿지(11)의 상태의 분석 또는 진단은 의문의 브릿지의 프로세싱 유닛(20)에 의해 실시될 수 있는데, 필요에 따라, 원격 제어 유닛(14)으로부터 링크(19)에 의해 송신된 정보를 사용한다.
설명되었던 예시에서, 아키텍처(1)는 컨버터(2)와 전기 에너지 저장 유닛(3) 사이에 배치된 DC/DC 전압 컨버터가 없으며, 이로써 컨버터(2)의 DC 인터페이스에 대한 전압이 전기 에너지 저장 유닛(3)의 단자 사이의 전압과 실질적으로 동일하다. 그러나, 후술될 바와 같이, 본 발명은 이로 한정되지 않는다.
도 6은 본 발명의 제2 예시 구현예에 따른 아키텍처(1)를 나타낸다. 아키텍처(1)는 커패시터(6)와 전기 에너지 저장 유닛(3) 사이에 배치된 DC/DC 전압 컨버터(70)를 추가적으로 포함한다는 사실, 즉 컨버터(70)가 또한 유닛(3)과 DC/AC 전압 컨버터(2) 사이에 배열된다는 사실로 인해, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 상이하다.
DC/DC 전압 컨버터(70)는 전기 에너지 저장 유닛(3)의 단자 사이의 전압 값을 전기 고정자 권선(4)에 공급하는데 적합한 전압 값에 적응시키기 위해 제공되는데, 그 반대도 그렇다. 이 경우, 이 컨버터(70)는 인터리빙되며, 여러 브랜치를 포함한다. 이 예시에서, 각 브랜치는,
- 커패시터(6)와 병렬로 맞춰지고, 제어 가능하며 중점(73)에 의해 분리되는 직렬의 2개의 스위칭 셀을 포함하는 아암; 및
- 일단이 아암의 중점(73)에 연결되고, 타단이 전기 에너지 저장 유닛(3)의 고전압 양의 단자에 연결된 코일(74)
을 포함한다.
고려 중인 예시에서, 컨버터(70)의 브랜치의 개수는 컨버터(2)의 아암의 개수, 즉 6개이며, 브랜치들은 쌍을 이루는데, 하나의 쌍(75)의 하나의 브랜치의 코일(74)은 그 쌍(75)의 다른 브랜치의 코일(74)과 자기 결합(magnetic coupling) 상태에 있다.
이 예시에서, 각 브랜치 쌍(75)은 이 도면에 표현되지 않았지만, 이 쌍(75)의 스위칭 셀(71) 모두를 구동하는 것을 담당하는 제어 블록과 관련되어 있다. 각 제어 블록은 하나의 브랜치 쌍(75)에 전용되고, 모든 면에서 전술된 컨버터(2)의 브릿지(11)의 제어 블록(13)과 동일하거나 그렇지 않을 수 있다. 특히, 브랜치 쌍(75)에 전용된 각 제어 블록은 전술된 디지털 프로세싱 유닛(20)과 동일하거나 유사한 디지털 프로세싱 유닛(77)을 포함한다.
예를 들어, 이러한 프로세싱 유닛(77)은 FPGA를 이용하여 구현되고, 모듈(37)이 없다는 점에서 도 3을 참조하여 설명된 것과 상이할 수 있다. 각각의 프로세싱 유닛(77)은 링크(19)를 통해 원격 제어 유닛(14)과 통신하는데, 이 링크(19)는 제어 블록(13)의 프로세싱 유닛(20)들과 공유된다. 예를 들어, 링크(19)는 여러 배선을 포함하는데, 하나의 배선은 프로세싱 유닛들(20)과 원격 제어 유닛(14) 사이에서의 데이터의 교환에 배정되며, 다른 배선은 프로세싱 유닛들(77)과 원격 제어 유닛(14) 사이의 데이터의 교환에 배정된다.
전술된 바와 유사하게, 각 프로세싱 유닛(20) 및 각 프로세싱 유닛(77)은 FPGA들을 이용하여 구현되는 경우, 및 원격 제어 유닛(14)에 의한 프로세싱이 마이크로컨트롤러를 이용하는 경우, 링크(19)를 통한 통신이 FPGA들과 마이크로컨트롤러(16) 사이에 일어나며, FPGA 중 하나는 마스터이다.
도 6의 예시에서, 아키텍처(1)는 6개의 제어 블록, 즉
- 각각이 DC/AC 전압 컨버터(2)의 H 브릿지에 전용하는 3개의 제어 블록(13); 및
- 각각이 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치 쌍(75)에 전용하는 3개의 제어 블록
을 포함한다.
이로 인해, 이러한 아키텍처에서, 3개의 프로세싱 유닛(20) 및 3개의 프로세싱 유닛(77), 즉 6개의 FPGA가 존재하는데, 이 경우 각각의 프로세싱 유닛(20 또는 77)은 FPGA를 이용하여 구현된다.
컨버터(70)의 각 브랜치 쌍(75)에 전용된 제어 블록의 존재는 상기 쌍(75) 내에 또는 상기 쌍(75)의 제어 블록 내에 일어나는 다음의 결함을 치유하기 위해 제공될 수 있는데,
- 그 쌍(75)에서의 전류 측정 체인 및/또는 그 쌍(75)에서의 전압 측정 체인의 상실 또는 오류;
- 그 쌍(75)의 제어 블록의 프로세싱 유닛(77)의 상실 또는 저하;
- 각각의 스위칭 셀(71)과 관련 있고 프로세싱 유닛(77)으로부터의 세트포인트들을 스위칭 셀(12)에 송신하는 드라이버들의 상실 또는 저하; 및
- 상기 쌍(75)이 전기 에너지 저장 유닛(3)을 사용하는 경우, 상기 쌍(75)의 보조 에너지 소스의 상실을 포함한다.
이하,
- DC/AC 전압 컨버터(2)의 각각의 H 브릿지(11)에 전용하는 제어 블록(13); 및
- DC/DC 전압 컨버터(70)의 각 브랜치 쌍(75)에 전용하는 제어 블록을 갖는 대신,
즉 총 6개의 제어 블록 대신, 아키텍처(1)가 단지 3개를 포함한다는 사실에 의해서만 설명되었던 바와 상이한 아키텍처(1)가 도 8 및 도 9를 참조하여 설명될 것이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 이 예시 구현예에 따르면, DC/AC 전압 컨버터(2)의 H 브릿지(11)의 스위칭 셀들(12)을 구동할 뿐 아니라, 제어 블록(13)은 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치 쌍(75)의 스위칭 셀들(71)을 구동한다. 그러므로, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 프로세싱 유닛들(20)은 또한 도 6 및 도 7을 참조하여 설명된 프로세싱 유닛(77)의 역할을 수행한다.
도 9는 도 8의 아키텍처에 대해 도 2와 유사한 표현이다. 알 수 있듯이, 각 프로세싱 유닛(20)은 기능적으로 2개의 부분으로 분열되는데, 제1 부분(80)은 DC/AC 전압 컨버터(2)의 H 브릿지(11)의 스위칭 셀들(12)을 구동하기 위해 배정되어 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 프로세싱 유닛(20)의 태스크들을 실시하고, 제2 부분(81)은 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치 쌍(75)의 스위칭 셀들(71)을 구동하기 위해 배정되어 도 6 및 도 7을 참조하여 설명된 프로세싱 유닛(77)의 태스크들을 실시한다.
이 예시에서, 링크(19)는 DC/DC 전압 컨버터(70)의 스위칭 셀들(71)의 구동과 연결된 데이터와 DC/AC 전압 컨버터(2)의 스위칭 셀들(12)의 구동과 연결된 데이터 모두를 원격 제어 유닛(14)과 제어 블록들(13) 사이에서 운반하기 위해 제공된다. 예를 들어, 링크(19)의 배선(82)은 원격 제어 유닛(14)과 제1 부분들(80) 사이의 데이터의 교환에 전용되고, 다른 배선(84)은 원격 제어 유닛(14)과 제2 부분들(81) 사이의 데이터의 교환에 전용된다.
원격 제어 유닛과 컨버터들(2 및 70) 사이의 전위 장벽(15)을 제공하는 2개의 별도의 아이솔레이터(isolator; 18)는 각각 자신을 지나는 배선들 중 하나(82 또는 84)를 가질 수 있다. 변형예로서, 자신을 지나는 배선들(82 및 84)을 갖는 단일 멀티채널 아이솔레이터(18)가 사용될 수 있다.
원격 제어 유닛(14)에 의한 컨버터들(2 및 70)로부터의 데이터의 프로세싱이 마이크로컨트롤러를 이용하는 경우 및 각 제어 블록(13)이 FPGA를 포함하는 경우, 도 8 및 도 9에 따른 아키텍처(1)는 단지 4개의 디지털 프로세싱 컴포넌트를 이용하면서 전술된 안전 관련 이점들을 보인다.
본 발명은 단지 설명된 예시들로 한정되지 않는다.
“포함하는”이라는 표현은 다른 설명이 있는 경우를 제외하고 “적어도 하나를 포함하는”을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. DC 전압을 AC 전압으로 변환하거나 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 전기 아키텍처(1)에 있어서,
    병렬 조립된 복수의 아암을 포함하는 DC/AC 전압 컨버터(2) - 상기 복수의 아암은 H 브릿지(11)에 따라 쌍을 이루고, 상기 복수의 아암 각각은 직렬 연결되어 중점(midpoint)에 의해 분리되는 2개의 제어 가능 스위칭 셀(12)을 포함함 -, 및
    각각의 H 브릿지(11)에 대하여, 상기 H 브릿지(11)의 모든 스위칭 셀(12)이 제어될 수 있도록 전위 장벽(15)을 통해 동일한 원격 제어 유닛(14)과 통신하기 위한 전용 제어 블록(13)을 포함하는, 전기 아키텍처.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 제어 블록(13)은 제1 전기 에너지 소스 및 상기 제1 전기 에너지 소스와 분리된 제2 전기 에너지 소스를 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 제어 블록(13)은,
    상기 원격 제어 유닛(14)과 통신하도록 구성된 디지털 프로세싱 유닛(20);
    상기 H 브릿지에서의 적어도 하나의 전기량을 측정하기 위한 디바이스; 및
    상기 H 브릿지에서의 온도를 측정하기 위한 디바이스
    중 적어도 하나를 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  4. 제3항에 있어서, 각각의 제어 블록(13)은 상기 제어 블록(13)에 공통적이고 상기 전위 장벽(15)을 통과하는 링크(19)를 통해 상기 원격 제어 유닛(14)의 디지털 프로세싱 유닛(16)과 통신하도록 구성된 디지털 프로세싱 유닛(20)을 포함하며, 제어 블록(13)의 디지털 프로세싱 유닛(20) 중 하나는 이 통신을 위한 마스터인 것인, 전기 아키텍처.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제어 블록(13)은 다른 제어 블록(13)과 통신하도록 구성되는 것인, 전기 아키텍처.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 고전압 인터페이스와 저전압 인터페이스를 포함하는 DC/DC 전압 컨버터(70)를 포함하고,
    상기 고전압 인터페이스와 상기 저전압 인터페이스 중 하나는 상기 DC/AC 전압 컨버터(2)에 연결되는 것인, 전기 아키텍처.
  7. 제6항에 있어서, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)는 여러 인터리빙된 브랜치(branch)를 포함하고,
    각각의 브랜치는,
    상기 저전압 인터페이스를 정의하고, 직렬 연결되어 중점(73)에 의해 분리되는 2개의 제어 가능 스위칭 셀(71)을 포함하는 2개의 단자 사이에서 연장되는 아암; 및
    일단이 상기 브랜치의 중점에 연결되고, 타단이 상기 고전압 인터페이스의 양의 단자에 연결된 코일(74)을 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  8. 제7항에 있어서, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)는 짝수 개의 브랜치를 포함하고, 상기 브랜치는 쌍을 이루며, 쌍(75)의 브랜치의 코일(74)은 상기 쌍의 다른 브랜치의 코일(74)과 자기 결합(magnetic coupling) 상태에 있는 것인, 전기 아키텍처.
  9. 제8항에 있어서, 각각의 브랜치 쌍(75)에 대하여, 상기 브랜치 쌍(75)의 모든 스위칭 셀(71)을 구동하는데 적합한 제어 블록을 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  10. 제9항에 있어서, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치 쌍(75)의 각각의 제어 블록(75)은 제1 전기 에너지 소스 및 상기 제1 전기 에너지 소스와 분리된 제2 전기 에너지 소스를 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  11. 제10항에 있어서, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치 쌍(75)의 제어 블록은,
    상기 원격 제어 유닛(14)과 통신하도록 구성된 디지털 프로세싱 유닛(77);
    상기 브랜치 쌍(75)에서의 적어도 하나의 전기량을 측정하기 위한 디바이스; 및
    상기 브랜치 쌍(75)에서의 온도를 측정하기 위한 디바이스
    중 적어도 하나를 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  12. 제4항 및 제11항에 있어서, 브랜치 쌍(75)의 각각의 제어 블록은, 상기 DC/AC 전압 컨버터(2)의 H 브릿지(11)의 스위칭 셀(12)의 제어 블록(13)에 공통적이고, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치 쌍(75)의 스위칭 셀(71)의 제어 블록에 공통적인 링크(19)를 통해, 상기 원격 제어 유닛(14)의 디지털 프로세싱 유닛(16)과 통신하도록 구성된 디지털 프로세싱 유닛(77)을 포함하고, 상기 링크(19)는 상기 전위 장벽(15)을 통과하고, 제어 블록의 디지털 프로세싱 유닛(20, 77) 중 하나는 이 통신을 위한 마스터인 것인, 전기 아키텍처.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치의 개수는 상기 DC/AC 전압 컨버터(2)의 아암의 개수와 같고, 상기 아키텍처(1)는, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)의 스위칭 셀(71)을 구동하는 제어 블록만큼 많은, 상기 DC/AC 전압 컨버터(2)의 스위칭 셀(12)을 구동하는 제어 블록(13)을 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  14. 제8항에 있어서, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)의 브랜치의 개수는 상기 DC/AC 전압 컨버터(2)의 아암의 개수와 같고, H 브릿지(11)에 전용된 각각의 제어 블록(13)은 또한 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)의 아암 쌍(75)의 모든 스위칭 셀(71)을 구동하는데 적합한 것인, 전기 아키텍처.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 DC/AC 전압 컨버터(2)는 6개의 아암을 포함하고, 상기 DC/DC 전압 컨버터(70)는 6개의 브랜치를 포함하는 것인, 전기 아키텍처.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    단자 양단에 DC 전압을 갖고 상기 DC/AC 전압 컨버터(2)와 직간접적으로 연결된 전기 에너지 저장 유닛(3);
    각각의 전기 위상이 H 브릿지(11)의 2개의 중점 사이에 연결된 전기 고정자 권선(4); 및
    원격 제어 유닛(14)을 더 포함하는, 전기 아키텍처.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 원격 제어 유닛(14)의 일부를 형성하는 단 하나의 마이크로컨트롤러; 및
    상기 H 브릿지(11)의 제어 블록(13)의 디지털 프로세싱 유닛을 형성하는 여러, 특히 3개 또는 6개의 프로그래머블 로직 회로(20)를 포함하는, 전기 아키텍처.
  18. 제16항 또는 제17항의 상기 아키텍처(1)에 대한 제어 방법에 있어서,
    제1 제어 모드가 스위칭 셀(12, 71)에 적용되는 동안 적어도 하나의 결함이 상기 아키텍처(1)에 일어난다고 검출되고,
    이 결함이 검출되면, 상기 스위칭 셀(12, 71)의 전부 또는 일부에 적용되는 제2 제어 모드가 생성되는, 제어 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 제어 모드는 상기 전기 고정자 권선(4)에 대해 전기 에너지 저장 유닛(3)으로부터의 전력 공급을 허용하고, 특히 상기 전력 공급에 대응하며, 상기 전기 고정자 권선은 다상(polyphase)이고, 상기 적용되는 제2 제어 모드는 상기 권선(4)의 전기 위상 중 전부 또는 일부의 단락에서의 배치를 제공하고, 특히 상기 배치에 대응하는 것인, 제어 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제1 제어 모드는 상기 전기 고정자 권선(4)에 대해 전기 에너지 저장 유닛(3)으로부터의 전력 공급을 허용하고, 특히 상기 전력 공급에 대응하며, 상기 전기 고정자 권선은 다상이고, 상기 전기 고정자 권선(4)의 하나의 위상의 제어에만 상기 결함이 관련되어 있다고 검출되고, 상기 적용되는 제2 제어 모드는 상기 전기 고정자 권선(4)의 다른 전기 위상의 단락에서의 배치를 제공하고, 특히 상기 배치에 대응하거나, 또는 상기 결함이 일어나는 제어에서의 전기 위상을 일시적으로 억제하고, 특히 상기 전기 위상의 일시적 보류에 대응하는 것인, 제어 방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 제1 제어 모드는 다른 아이템 중에 상기 전기 고정자 권선(4)을 통해 전기 네트워크로부터의 상기 전기 에너지 저장 유닛(3)의 충전을 허용하고, 특히 상기 충전에 대응하고, 상기 인가된 제2 제어 모드는 상기 충전을 방해하고, 특히 상기 충전의 방해에 대응하거나, 또는 상기 성능 레벨의 감소를 제공하고, 특히 상기 성능 레벨의 감소에 대응하는 것인, 제어 방법.
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