KR20170063509A - 갈바닉 절연 없는 전기 또는 하이브리드 자동차 배터리 충전기의 중성선 전류에 대한 보정된 세트포인트를 결정하는 기기 및 방법 - Google Patents

Abstract

갈바닉 절연 없는 전기 또는 하이브리드 자동차 배터리 충전기의 정류 단계의 출력에서 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 기기로서, 상기 충전기는 전기 공급 네트워크에 의해 전기 공급받으며, 상기 기기는 상기 전기 공급 네트워크의 전압의 측정치의 함수로서 상기 네트워크의 순간 주파수를 결정할 수 있는 위상 고정 루프(10), 그리고 배터리 전류의 세트포인트의 함수로서 중성선 전류의 세트포인트를 결정할 수 있는 조정 매핑부(regulating mapping)(14)를 포함한다. 상기 기기는 : 상기 네트워크의 상기 순간 주파수의 함수로서 상기 네트워크의 주파수 변동의 진폭을 산출하는 수단(11); 상기 주파수 변동의 진폭의 값을 입력으로서 수신하고 상기 중성선 전류 세트포인트의 보정 값을 출력으로서 방출하는 보정 매핑부(12); 및 상기 중성선 전류 세트포인트의 보정 값을 상기 중성선 전류 세트포인트에 더함으로써 보정된 중성선 전류 세트포인트를 결정할 수 있는 합산기(15)를 포함한다.

Description

갈바닉 절연 없는 전기 또는 하이브리드 자동차 배터리 충전기의 중성선 전류에 대한 보정된 세트포인트를 결정하는 기기 및 방법 {Device and method for determining a setpoint corrected for the neutral current of an electrical or hybrid automotive vehicle battery charger without galvanic isolation}

본 발명의 기술적 영역은 차량 탑재용 자동차 배터리 충전기들의 기술 영역이며, 그리고 특히 그러한 충전기들을 교란된(disturbed) 전기 공급 네트워크에 사용하는 것에 관한 것이다.

갈바닉 절연 없는 차량 탑재용 충전기들은, 특히 저주파 전압 고조파가 관련되는 한, 교란된 전기 공급 네트워크에 민감하다. 경우에 따라, 교란된 네트워크로의 연결은 부하 분리(disconnection)를 유발하며, 이는 사용자에게 바람직하지 않다. 또한 전력 전자 장치들에 부담을 줄 수 있는 과전류가 발생하는 것을 볼 수 있다. 또한, 상기 과전류는 부하 분리를 유도하는 고장을 유발한다.

이를 막기 위한 한 가지 해결책은 충전기에서 순환하는 전류에 대해 더 넓은 마진을 채택하는 것이다. 그러나 이는 충전기 출력을 저하시키는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 네트워크 품질에 관계없이 부하의 완전한 가용성을 보장하기 위해 모든 사용 사례에서 충전기 출력을 줄이는 것 또한 사용자에게 허용되지 않는 것으로 보인다.

이에 따라, 전기 공급 네트워크의 품질에 관계없이 부하의 가용성과 고 부하 출력을 조화시키는 기술적인 문제가 존재한다.

다음의 문헌들은 선행 기술로부터 공지되어 있다.

문헌 WO2012052190은 전력 발생 시스템과 파워 그리드 간의 전기 접속부에 존재하는 교란의 분해(decomposition) 및 완화를 개시한다. 이 문헌은 적절하게 조정된 전류를 주입함으로써 파워 그리드의 품질이 향상될 수 있게 하는 시스템에 대해 설명한다. 이는 자동차에 적용될 수 없는 완벽한 시스템이다.

문헌 EP1665495는 그리드 내의 교란 중에 풍력 터빈을 작동시키는 방법을 개시한다. 이 문헌은 풍력 터빈 시스템에 의해 공급되는 전력이 상기 그리드 내의 결함의 모습에 따라 달라짐을 나타낸다.

이러한 문헌들은 자동차 분야와는 거리가 멀기 때문에, 자동차 분야에서, 부하의 가용성과 고 부하 출력을 조화시키는 것에 대한 정보를 제공하지 않는다.

본 발명의 목적은 갈바닉 절연 없는 전기 또는 하이브리드 자동차 배터리 충전기의 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 기기이며, 이 때, 상기 충전기는 전기 공급 네트워크에 의해 전기 공급받는다.

도 1은 갈바닉 절연 없는 차량 탑재용 충전기의 주요 유닛들을 도시한다. 3상 네트워크(1)는 참조번호 2의 전압 강하 정류기에 연결된다. 다이오드(3)의 음극은 상기 전압 강하 정류기(2)의 제1 출력에 연결되며, 상기 다이오드(3)의 양극은 상기 전압 강하 정류기(2)의 제2 출력에 연결된다. 상기 전압 강하 정류기(2)의 제1 출력은 전기 기계(4)의 인덕턴스들(8)에 연결되며, 이어서 상기 인덕턴스들은 참조번호 5의 전압 승압 인버터에 연결된다. 상기 전압 승압 인버터(5)의 출력들은 상기 배터리(6)에 연결된다.

중성선 전류는 상기 전압 강하 정류기(2)의 출력, 상기 다이오드(3)의 음극 및 상기 전기 기계(4) 사이의 전류 측정 센서(7)에 의해 측정된다. 문헌 FR2943188은 전술한 바와 같은 충전기의 구조를 보다 상세히 설명한다.

보다 일반적으로, 본 특허 출원의 “중성선 전류”는, 일반적으로 전압 승압 단계가 뒤따르는 상기 입력 정류기를 포함하는 갈바닉 절연 없는 충전기의 입력 정류기의 출력에서 버스로부터의 직류이다. 이러한 “중성선 전류”란 용어는, 문헌 FR2943188의 경우, 이 전류가 충전기의 전압 승압 단계에서 에너지 저장 인덕턴스들로서 재-사용되는 고정자 코일들의 중성 입력에 도달한다는 사실에서 발생한다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 정류기 단계를 포함하는 다른 유형의 충전기들에도 적용된다. 전류계(7) 및 고정자 코일들(8) 사이에 직렬 연결된 추가 인덕턴스를 포함하는 문헌 FR2943188의 변형예에서, “중성선 전류”는 상기 추가 인덕턴스를 통과하는 전류이다.

상기 기기는 상기 전기 공급 네트워크의 전압의 측정치의 함수로서 상기 네트워크의 순간 주파수를 결정할 수 있는 위상 고정 루프, 그리고 배터리 전류의 세트포인트의 함수로서 중성선 전류 세트포인트를 결정할 수 있는 조정 매핑부(regulating mapping)를 포함한다.

뿐만 아니라, 상기 기기는 상기 네트워크의 순간 주파수의 함수로서 상기 네트워크의 주파수 변동의 진폭을 산출하는 수단, 주파수 변동의 진폭의 값을 입력으로서 수신하고 중성선 전류 세트포인트의 보정 값을 출력으로서 방출하는 보정 매핑부, 그리고 중성선 전류 세트포인트의 보정 값을 중성선 전류 세트포인트에 더함으로써 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정할 수 있는 합산기를 포함한다.

상기 기기는 중성선 전류의 상승 세트포인트의 저역 통과 필터를 포함할 수 있다.

상기 기기는 중성선 전류 세트 포인트의 최댓값을 초과하지 않도록 상기 합산기로부터 출력된 보정된 중성선 전류 세트포인트를 제한할 수 있는 포화 수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 갈바닉 절연 없는 전기 또는 하이브리드 자동차 배터리 충전기의 정류 단계의 출력에서 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 방법이며, 이 경우, 상기 충전기는 전기 공급 네트워크에 의해 전기 공급받는다.

상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다 :

상기 네트워크의 순간 주파수는 상기 전기 공급 네트워크의 전압의 측정치의 함수로서 루프 위상 고정함으로써 결정되며;

중성선 전류 세트포인트는 배터리 전류의 세트포인트의 함수로서 결정된다.

뿐만 아니라, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함한다 :

상기 네트워크의 주파수 변동의 진폭이 산출되며;

상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값은 상기 네트워크의 순간 주파수 변동의 진폭의 함수로서 결정되며; 그리고

상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값은 상기 중성선 전류 세트포인트에 더해진다.

상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값은 대역 통과 필터를 통해 필터링될 수 있다.

상기 보정된 중성선 전류 세트포인트는 상기 중성선 전류 세트 포인트의 최댓값을 초과하지 않도록 포화될 수 있다.

본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 이루어지고 오직 비-제한적 예로서만 주어진 다음의 설명을 읽을 때 나타날 것이다.
도 1은 갈바닉 절연이 없는 차량 탑재용 충전기의 주요 유닛들을 도시한다.
도 2는 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 기기의 주요 유닛들을 도시한다.
도 3은 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 방법의 주요 단계들을 도시한다.

갈바닉 절연 없는 차량 탑재용 충전기들의 전력 조정(regulation)은, 3상이던 단상이던, 전기 네트워크의 품질에 의존한다. 도 1과 같은 충전기에서, 전류계(7)와 고정자 코일(8) 사이에 추가 인덕턴스가 부가될 수 있지만, 상기 인덕턴스는 충전기의 비용 및 크기를 최소화하기 위해 작게 유지된다. 이는 네트워크 상에 나타나는 교란들이 상기 충전기에 포함된 조정에 의해 부분적으로 상쇄되더라도, 이러한 교란들이 충전기의 중성선 전류로(즉, 상기 전압 강하 정류기(2)의 출력으로) 피드백될 것임을 암시한다.

그러한 조정은 전기각의 값을 사용하여 전기 사이클의 현재 위치를 결정하고, 그리고 3상 Park 변환을 수행하거나 상기 전압 강하 정류기의 출력에서 원하는 단상 전류를 계산한다. 상기 전기각의 값은 위상 고정 루프(phase locked loop; PLL)에 의해 결정된다.

네트워크 전압은 다음과 같이 쓸 수 있다 :

(방정식 1).

이 때, V₀는 진폭이며, ω는 맥동(pulsation)이며, t는 시간이다.

그렇다면, 상기 위상 고정 루프의 출력은 ωt 항에 대응한다.

문헌 FR2974253에 설명된 여러 가지 이유로, 중성선 전류 세트포인트는 항상 입력 전류 및 배터리 전류보다 높아야한다. 전기 공급 네트워크에 교란이 존재할 때, 중성선 전류는 교란되어 선전류로 전달될 수 있다. 선전류는 상전류이며, 따라서 충전기 입력에서의 전류이다. 이 전류기 중성선 전류로 구성됨에 따라, 충전기 입력 전류에 중성선 전류의 교란들이 존재한다. 실제로, 그 결과, 전기 공급 네트워크로부터 원하는 전류를 얻는 것이 불가능하다. 경우에 따라, 교란들의 영향으로, 조정은 전류를 그것의 세트포인트로 유지할 수 없으며, 이는 부하 분리로 이어질 수 있다. 다른 경우에, 조정은 배터리 전류가 시스템에 대해 위험한 수준에 도달하는 정도까지 교란될 수 있다.

실제로, 시스템의 정상 작동에서, 중성선 전류는 상승하고, 사전-충전 단계동안 전류 세트 포인트 주위에서 진동한다. 그런 다음, 중성선 전류는 약간의 진동을 가지면서 이러한 세트포인트 값 주위에서 조정된다.

그러나, 종래기술의 충전기를 이용하여, 3상 네트워크의 3차 고조파(즉, 예를 들어, 150Hz)에 9 % 교란을 주입하면 부하 단절이 발생한다.

이러한 단절은 약 300 A로 설정되고 충전기에 존재하는 과전류 보호(over-current protection; OCP)의 결과이다. 이 보호는 상기 조정과 무관하다.

상술된 바와 같이 이 문제에 대한 한 가지 해결책은 중성선 전류 세트포인트 값을 증가시키는 것이다. 보다 정확하게, 제로 중성선 전류 또는 OCP로 인한 부하 분리들은 선전류가 더 이상 올바르게 구성될 수 없을 때 발생한다. 이는 중성선 전류가 너무 낮을 때 발생한다. 이 때, 상기 선전류에 “닿는다(touch)”고 한다. 네트워크가 더 많이 교란될수록, 중성선 전류가 더 많이 교란되고, 원하는 선전류가 상기 중선선 전류와 같은 수준에 있을 가능성이 더 커진다. 교란에 의해 증가되는 진동들에도 불구하고 중성선 전류 세트포인트를 증가시킴으로써 조정이 더 잘된다. 3상 네트워크의 3차 고조파에 9 % 교란을 주입하는 상기의 예에서, 30 A 더 높은 중성선 전류 세트포인트는 상당한 진동에도 불구하고 위험 없이 조정 기능이 유지될 수 있게 한다. 따라서 이러한 솔루션은 차량 배터리가 계속 충전되도록 한다.

그러나 중성선 전류 세트포인트를 변경하는 것은 제어 전자 기기들의 함수로서 수행되어야 한다. 실제로, 상기 중성선 전류 세트포인트는 무한히 상승할 수 없으며, OCP를 트리거할 최대 중성선 전류 값을 항상 고려해야한다. 따라서 이 솔루션이 최대 충전 전력에 항상 적용 가능한 것은 아니라고 생각할 수 있다. 실제로, 이러한 경우, 중성선 전류는 이미 매우 높고 약간의 차이로 최댓값에서 떨어져있다.

따라서, 네트워크가 교란되는 것을 식별할 수 있다면, 그리고 중성선 전류의 세트포인트가 증가된다면, 교란된 네트워크 상의 부하 가용성이 향상된다. 이러한 가용성 향상과 상반된 점은 교란이 없는 네트워크에 비해 이러한 교란된 네트워크의 효율성이 낮아 충전 시간이 길다는 것이다.

네트워크의 품질은 위상 고정 루프의 출력을 통해 간단하고 신뢰성 있게 추정될 수 있다. 상술된 바와 같이, 위상 고정 루프는 방정식 1의 가정을 함으로써 사인 전압이 재구성될 수 있게 한다.

또한, 상기 위상 고정 루프는 출력으로서 순간 주파수 f = ω/2π를 갖는다.

위상 고정 루프가 완벽하게 기능한다면, ωt는 0과 2π 사이에서 진동하는 톱니형 신호이며, 주파수는 일정하다. 네트워크가 (특히 저주파에서) 더 많이 교란될수록, 일정하지 않은 순간 주파수에 대응하는 신호 ωt는 더 많이 왜곡된다.

정확하게 기능하는 위상 고정 루프의 경우, 주파수는 일정하며, 주파수 변동의 진폭은 수백 밀리초에 걸쳐 수 퍼센트이다. 즉, 네트워크 상에 교란이 거의 없을 때, 위상 고정 루프의 출력에서 방출되는 주파수는 거의 변하지 않는다.

예를 들어, 네트워크의 5차 고조파의 7 % 교란을 삽입함으로써 교란된 공급 네트워크를 시뮬레이션할 수 있다. 그러한 경우, 상기 위상 고정 루프 또한 적어도 하나의 차수만큼 더 큰 주파수 변동으로 충전 전후에 교란된다.

따라서 위상 고정 루프의 순간 주파수의 출력 진폭은 전기 공급 네트워크의 품질을 평가하기 위한 신뢰할 수 있는 지표라는 결론을 내릴 수 있다.

뿐만 아니라, 교란된 네트워크를 시뮬레이팅할 때, 예를 들어 30 A만큼 전류 세트포인트를 증가시키는 것은 네트워크 주파수의 상당한 변동에도 불구하고 배터리 충전이 유지될 수 있게 한다는 것으로 드러난다.

따라서 루프 위상 고정은 네트워크 교란의 신뢰할 수 있는 지표이다.

중성선 전류 세트포인트는 현재 배터리 전류 세트포인트에 의존하는 매핑을 통해 결정된다. 결국, 배터리 전류 세트포인트는 전력의 이미지이다.

이에 따라, 전기 공급 네트워크가 교란될 때 배터리를 충전하는 기능을 유지하기 위해, 본원에서 조정 매핑부(14)라고 알려진 이 매핑부로부터 유래한 중성선 전류 세트포인트에 대한 보정(11, 12, 13, 15)이 추가된다. 상기 보정은 상기 위상 고정 루프(10)에서 시작하는 전기 공급 네트워크의 주파수 변동의 진폭에 의존한다. 상기 위상 고정 루프의 출력에서의 주파수 변동들의 함수로서 보정의 진폭을 결정하는 것은 각각의 차량 충전기 유형에 따라 다르므로, 경험적 결정이 이루어져야 한다.

도 2는 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하는 기기(9)를 도시하며, 상기 기기(9)는 위상 고정 루프(10), 주파수 변동의 진폭을 산출하는 수단(11), 보정 매핑부(12), 저역 통과 필터(13), 조정 매핑부(14), 합산기(15) 및 포화 수단(16)을 포함한다.

상기 위상 고정 루프(10)는 입력으로서 상기 전기 공급 네트워크의 전압의 측정치를 수신하며, 출력으로서 이 네트워크의 순간 주파수를 방출한다.

상기 네트워크의 주파수 변동의 진폭을 산출하는 수단(11)은 이 순간 주파수를 수신하며, 그리고 상기 주파수 변동의 진폭의 값(특히, 단위 Hz)을 방출한다.

상기 보정 매핑부(12)는 입력으로서 상기 주파수 변동의 진폭의 값을 수신하고 그리고 출력으로서 상기 중성선 전류 세트포인트의 보정 값을, 특히 상기 중성선 전류의 증가된 세트포인트의 형태로 방출한다. 예를 들어, 5 Hz의 주파수 변동의 진폭 값은 상기 중성선 전류 세트포인트의 30 A 증가에 대응할 수 있다.

상기 중성선 전류 세트포인트의 보정 값은 세트포인트의 급작스런 변화를 방지하는데 사용되는 상기 저역 통과 필터(13)에 의해 필터링된다.

상기 조정 매핑부(14)는 상기 중성선 전류 세트포인트가 배터리 전류의 세트포인트의 함수로서 결정될 수 있게 한다.

상기 합산기(15)는 상기 저역 통과 필터링(13)에서 발생하는 상기 중성선 전류 세트포인트에 대한 보정 값이 상기 조정 매핑부(14)의 출력에서의 중성선 전류 세트포인트에 더해질 수 있게 한다.

상기 포화 수단(16)은 보정된 중성선 전류 세트포인트가 상기 시스템의 풀리적 한계들을 초과하지 않도록 상기 합산기(15)의 출력에서 제한되도록 한다. 실제로, 상기 중성선 전류 세트포인트의 최댓값은 상기 OCP의 존재로 인해 무한하지 않다.

도 3은 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 방법을 도시한다.

제1 단계(18) 동안, 중성선 전류 세트포인트는 배터리 전류의 세트포인트의 함수로서 결정된다.

제2 단계(19) 동안, 상기 전기 공급 네트워크의 순간 주파수는 상기 전기 공급 네트워크의 전압의 측정치에 적용되는 위상 고정 루프를 이용하여 결정된다.

제3 단계(20) 동안, 상기 네트워크의 순간 주파수 변동의 진폭이 산출되며, 그 다음, 상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값은 제4 단계(21) 동안 상기 네트워크의 순간 주파수 변동의 진폭의 함수로서 결정된다.

제5 단계(22) 동안, 상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값이 필터링되며, 그 다음, 제6 단계(23) 동안 상기 중성선 전류 세트포인트에 더해진다.

제7 단계(24) 동안, 상기 보정된 중성선 전류 세트포인트는 특히 과전류 보호(OCP)와 관련하여 상기 시스템의 파라미터들의 함수로서 포화된다.

Claims (6)

1. 갈바닉 절연 없는 전기 또는 하이브리드 자동차 배터리 충전기의 정류 단계의 출력에서 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 기기로서,
   상기 충전기는 전기 공급 네트워크에 의해 전기 공급받을 수 있으며,
   상기 기기는 상기 전기 공급 네트워크의 전압의 측정치의 함수로서 상기 네트워크의 순간 주파수를 결정할 수 있는 위상 고정 루프(10), 그리고 배터리 전류의 세트포인트의 함수로서 중성선 전류 세트포인트를 결정할 수 있는 조정 매핑부(regulating mapping)(14)를 포함하며,
   상기 기기는 :
   상기 네트워크의 상기 순간 주파수의 함수로서 상기 네트워크의 주파수 변동의 진폭을 산출하는 수단(11);
   상기 주파수 변동의 진폭의 값을 입력으로서 수신하고 상기 중성선 전류 세트포인트의 보정 값을 출력으로서 방출하는 보정 매핑부(12); 및
   상기 중성선 전류 세트포인트의 보정 값을 상기 중성선 전류 세트포인트에 더함으로써 보정된 중성선 전류 세트포인트를 결정할 수 있는 합산기(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 중성선 전류 세트포인트의 보정 값의 저역 통과 필터(13)를 포함하는, 기기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 중성선 전류 세트포인트의 최댓값을 초과하지 않도록 상기 합산기(15)로부터 출력된 상기 보정된 중성선 전류 세트포인트를 제한할 수 있는 포화 수단(16)을 포함하는, 기기.
4. 갈바닉 절연 없는 전기 또는 하이브리드 자동차 배터리 충전기의 정류 단계의 출력에서 중성선 전류의 보정된 세트포인트를 결정하기 위한 방법으로서,
   상기 충전기는 전기 공급 네트워크에 의해 전기 공급받으며,
   상기 방법은 :
   상기 전기 공급 네트워크의 전압의 측정치의 함수로서 루프 위상 고정함으로써 상기 네트워크의 순간 주파수를 결정하는 단계; 및
   배터리 전류의 세트포인트의 함수로서 중성선 전류 세트포인트를 결정하는 단계를 포함하며,
   상기 방법은 :
   상기 네트워크의 순간 주파수 변동의 진폭을 산출하는 단계;
   상기 네트워크의 순간 주파수 변동의 진폭의 함수로서 상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값을 결정하는 단계; 및
   상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값을 상기 중성선 전류 세트포인트에 더하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 중성선 전류 세트포인트의 보정값은 저역 통과 필터를 통해 필터링되는, 방법.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 보정된 중성선 전류 세트포인트는 상기 중성선 전류 세트 포인트의 최댓값을 초과하지 않도록 포화되는, 방법.

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