KR20190085530A

KR20190085530A - 전기 또는 하이브리드 차량의 온보드 충전 디바이스 제어 방법

Info

Publication number: KR20190085530A
Application number: KR1020197017108A
Authority: KR
Inventors: 가르시아 루벤 벨라
Original assignee: 르노 에스.아.에스.
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-07-18
Also published as: US20190288539A1; CN110139775A; FR3060230A1; FR3060230B1; JP2020502967A; ES2833409T3; EP3554887A1; KR102226793B1; US11114883B2; EP3554887B1; JP7051852B2; WO2018109103A1; CN110139775B

Abstract

본 발명은 배터리-충전 디바이스를 제어하기 위한 방법에 관련되며, 상기 배터리-충전 디바이스는, 단일-상 또는 3-상 전력 공급 그리드에 연결될 수 있으며 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)에 제1 및 제2 DC 전력 공급 버스들 (7, 8)에 의해 링크된 정류기 스테이지 (11)를 포함하며, 상기 DC-DC 컨버터 스테이지는 제1 및 제2 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)을 포함하며, 그 공진 컨버터들은 상기 정류기 스테이지의 출력에서 상기 버스들 각각에 배치된 제1 및 제2 DC 전력 공급 버스 커패시터들에 연결된다. 본 발명에 따라, 상기 충전 디바이스를 위한 전력 공급은 단일 상 (phase)이며 그리고 상기 DC 전력 공급 버스들 각각에서 고정된 레귤레이션된 전압을 제공하기 위해서, 상기 제1 및 제2 DC 전력 공급 버스 커패시터들 (C1, C2)의 전압 (V_DC_1, V_DC2)은 상기 제1 및 제2 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)에 의해 독립적으로 레귤레이션된다.

Description

전기 또는 하이브리드 차량의 온보드 충전 디바이스 제어 방법

본 발명은 3-상 또는 단일-상 입력을 구비하며 AC-DC (교류-직류) 절연 컨버터를 포함하는 3-상 충전 디바이스를 제어하기 위한 방법에 관련된다. 그런 충전 디바이스는 전기 또는 하이브리드 차량의 온보드 디바이스로서 사용하기에 특히 적합하다.

상기 차량들에는 고압의 전기 배터리들이 장착되며 그리고 그 차량들은 온보드 충전기들, 즉, 그 차량들에 직접적으로 탑재된 전기 배터리들을 충전하기 위한 디바이스들을 보통 포함한다. 상기 충전 디바이스들의 주된 기능은 전기 분배 그리드에서 가용 전기로 배터리들을 재충전하는 것이다. 그 충전 디바이스들은 그러므로 교류를 직류로 변환한다. 그 충전 디바이스들, 특히 온보드 (onboard) 충전기들을 위해 소망되는 기준은 높은 효율, 작은 부피, 갈바니 전기 절연, 양호한 신뢰성, 동작 안전, 전자기 방해의 낮은 방사, 및 입력 전류 상의 낮은 고조파 비율이다.

3-상 (three-phase) 전기 공급 그리드로부터 배터리를 충전할 수 있는 3-상 입력을 갖춘 충전 디바이스들은 물론이며, 단일-상 (single-phase) 전기 공급 그리드로부터 배터리를 충전할 수 있는 단일-상 입력을 갖춘 단일-상 입력 충전 디바이스들이 알려져 있다. 3-상 입력 충전 디바이스들은 최대 22 kW의 전력을 가진 단일-상 입력 충전 디바이스들보다 더 큰 충전 전력을 가진다. 단일-상 그리드 상의 연결을 위해, 여러 충전 전력 레벨들이, 예를 들면, 7 kW, 15 kW 및 22 kW가 요청될 수 있다.

도 1은 전력 공급 그리드 (30)로부터 차량의 고전압 배터리 (20)를 재충전하기 위해 전기 또는 하이브리드 차량에 탑재된 절연된 충전 디바이스 (10)의 알려진 토폴로지를 예시하며, 그 전력 공급 그리드에 온보드 충전 디바이스 (10)가 상기 그리드의 라인 임피던스 (40)를 경유하여 연결된다.

갈바닉 전기 절연을 하면서 AC-DC 변환 기능을 수행하기 위해서, 충전 디바이스 (10)를 이용하는 것이 알려져 있으며, 그 충전 디바이스는, 입력 전류 고조파들을 제한하기 위해 역률 보상 (power factor correction (PFC)) 회로 (11)를 구비하는 제1 AC-DC 컨버터 스테이지, 그리고 충전을 조정 (regulate)하고 사용 안전을 위한 절연 기능을 또한 수행하기 위한 제2 DC-DC (직류-직류) 컨버터 (12)를 포함한다. 상기 전기 그리드 (30)에 대한 PFC 회로 (11)로부터의 업스트림에, 입력 필터 (13)가 상기 온보드 충전 디바이스 (10)의 입력에 통상적으로 통합된다.

상기 PFC 회로 (11)는 통합된 제어기 (도시되지 않음)에 의해 관리되며, 이 제어기는 전압에 대한 전류의 외관을 실시간으로 분석하고 교정한다. 그 제어기는 전압의 정류된 사인 (sine) 커브를 비교함으로써 형상 오류들을 추론하며 그리고 고 주파수 커팅 (cutting) 및 인덕턴스 내의 에너지 저장에 기인한 에너지의 양을 제어함으로써 그 형상 오류들을 교정한다. 그것의 역할은 특히 상기 충전기의 전력 공급의 입력단에서 가능한 정현곡선 (sinusoidal)인 비-위상-시프트 (non-phase-shifted) 전류를 획득하기 위한 것이다.

PFC 회로를 위해, 세 개의 스위치들을 구비한 3-레벨 3-상 정류기를 구현하는 것이 가능하며, 이는 3-상 비엔나 (Vienna) 정류기로 보통 불린다. 이 토폴로지를 선택하는 것은 사실은 역률 보상을 위한 성능의 면에서 특히 유용하다.

도 2는 3-상 비엔나 정류기 유형 (110)의 PFC 컨버터 스테이지 (11)로 만들어진 3-상 입력 충전 디바이스의 토폴로지를 예시하며, 그 PFC 컨버터 스테이지는 출력으로서 두 개의 전력 공급 버스들 (7 및 8)을 가지며, 그 전력 공급 버스들 각각은 양의 피더 및 음의 피더를 포함하며 그 전력 공급 버스들 각각에 DC-DC 회로 (14. 16)에 각각 연결되며, 이는 도 1의 DC-DC 컨버터 스테이지를 형성한다. 각 DC-DC 회로 (14, 16)는 풀 브리지 (140, 160) 각각에 마운트된 MOS 트랜지스터들과 같은 제1 세트의 스위치들을 포함하는 공진 LLC 컨버터이며, 그 풀 브리지는 두 개의 전력 공급 버스들 (7, 8) 중 하나의 입력에 연결되며 그리고 출력에서 공진 회로 L, C에 그리고 변압기 T의 1차 측에 직렬로 연결되며, 그 변압기의 2차 측은 완전 브리지 (complete bridge) (141, 161) 내 제2 세트의 스위치들에 각각 연결되며, 그 완전 브리지는 옵션으로는 출력 필터 (21)를 경유하여 배터리 (20)에 연결된다.

상기 3-상 비엔나 정류기 유형 (110)의 PFC 컨버터 스테이지 (11)는 세 개의 병렬 인입 상 결선 (phase connection)들 A, B, C를 포함하며, 이 결선들 각각은 3-상 전기 공급 그리드의 상 (phase)에 결합되며 그리고 그 각각은 3-상 비엔나 정류기의 스위칭 암을 형성하는 스위치들 S1, S2, S3의 쌍에 직렬인 인덕턴스 코일 L1, L2, L3을 경유하여 연결된다. 각 상 상의 인덕턴스들 L1, L2, L3로부터의 업스트림에 입력 필터 (13)가 통합된다.

스위치들 S1, S2, S3의 각 쌍은, 대응 입력 전류 Ia, Ib, Ic가 양일 때에 조종되는 제1 대응 스위치 1H, 2H, 3H 그리고 상기 대응 입력 전류가 음일 때에 조종되는 제2 대응 스위치 1L, 2L, 3L로 만들어진 직렬 어셈블리를 포함한다. 상기 스위치들은 다이오드와 역-병렬 (anti-parallel) 연결된, 예를 들면, MOS ("Metal Oxide Semiconductor"의 약어) 트랜지스터를 닫고 개방하기 위해 제어된 반도체 컴포넌트들에 의해 형성된다. 스위치들 1H 은 하이 (high) 스위치들로 불리며 그리고 불리며 그리고 스위치들 1L은 로우 (low) 스위치들로 또한 불린다.

상기 3-상 비엔나 정류기는 세 개의 병렬 분기들 (1, 2, 3)을 또한 포함하며, 그 분기들 각각은 두 개의 다이오드들 D1 및 D2, D3 및 D4, 그리고 D5 및 D6을 포함하며, 이것들은 6개의 다이오드들을 가진 3-상 브리지를 형성하여, 3-상 전력 공급 그리드로부터 회수된 전류 및 전압을 정류하는 것을 가능하게 한다. 3-상 비엔나 정류기의 각 입력은 동일한 분기 (1, 2 및 3)의 두 다이오드들 사이에 배치된 연결 포인트에 각자의 병렬 인입 접속에 의해 연결된다.

분기들 (1, 2, 및 3)의 두 개의 공유 말단들은 각각이 양 및 음인 3-상 비엔나 정류기의 두 개의 출력 단자들 (5 및 6)을 만들고, 이는 DC-DC 디바이스 (12)로 결합되도록 예정된 것이다.

각 상의 스위칭 암들 S1, S2, S3은 상기 제1, 제2 및 제3 분기들 (1, 2, 및 3)의 두 다이오드들 사이에 배치된 접속 포인트 그리고 상기 3-상 비엔나 정류기의 출력 전압들 V_DC_1 및 V_DC_2 의 중간포인트 M 사이에 각각 연결되며, 상기 3-상 비엔나 정류기의 출력 전압들은, 상기 3-상 정류기의 양의 출력 단자 (5) 및 상기 중간포인트 M 사이의 출력 커패시터 C1 상의 전압 그리고 상기 중간포인트 M 및 상기 3-상 정류기의 음의 출력 단자 (6) 사이의 출력 커패시터 C2 상의 전압에 각각 대응한다.

LLC (이 약자는 각각 L로 표시된 두 개의 인덕턴스들 및 C로 표시된 하나의 커패시턴스를 포함하는 회로를 사용하는 것을 언급하는 것임) 직렬-병렬 공진 토폴로지를 사용하는 것은 위에서 설명된 DC-DC 컨버터 (12) 내에 적용되며, 그리고 입력 전압이나 상기 스테이지들 (11 및 12) 사이의 두 개의 전력 공급 버스들 (7, 8) 상의 전압 그리고 출력 전압 (배터리 전압 (20)) 사이의 공진 회로의 전압 이득을 변경하는 것을 가능하게 한다. 실제로, 배터리 (20)를 재충전할 때에, 배터리 전압은 자신의 충전 상태에 기반하여 부과되며 변하며, 이는 충전하는 것에 전해진 전력을 상기 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)가 실시간으로 레귤레이션할 것을 필요로 한다.

그 목적을 위해서, 상기 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)는 자신의 이득을 적응시켜서, 상기 공급 버스 상의 입력 전압을 상기 배터리 전압으로 변환하는 것을 가능하게 만든다. 더 상세하게는, 상기 정류기 스테이지 (12)의 DC-DC 회로들 각각 (14 및 16)의 1차 측과 각각 연관된 풀 브리지 (140. 160)의 스위치들의 스위칭 주파수에서의 변이는 상기 공진 회로의 전압 이득을 변하게 하는 것을 가능하게 한다.

단일-상 입력 그리드 (9)로의 연결을 위해 도 3에 예시되었듯이, 상기 용량성 중간포인트 M이 접지되어 있는 한, PFC 입력 정류기 회로의 독립적인 분기, 예를 들면, 참조번호 1의 분기를 배전압기 (voltage doubler)를 구비한 단일-상 충전기로서 사용하는 것이 알려져 있다. 도 4에 예시되었듯이, 단일-상 그리드 (9)로의 연결을 위한 구성은, 상기 중간포인트 M의 재-접지가 항상 존재하는 한은, 상기 PFC 입력 정류기 회로 (11)의 두 분기들을 사용하는 것이 또한 알려져 있다.

상기 그리드에 연결된 입력 정류기 스테이지 (11)를 구비하여, 역률 보상 PFC 기능을 수행하고 그리고 DC-DC 컨버터 (12)를 구비하여 상기 배터리 (20)에 갈바닉 절연을 허용하는, 두 레벨들을 구비한 전술한 유형의 충전 디바이스 (10)를 위해, 두 유형의 레귤레이션 (regulation)이 사용된다.

상기 그리드에 연결된 상기 입력 정류기 스테이지 (11)에 의해 수행된 레귤레이션은 입력 전류에 정현파 형상을 제공하고 그리고 상기 전력 공급 버스 상의 전압에 대한 레귤레이션을 제공하려고 의도된 것이다. 그 목적을 위해, 전통적으로, (상기 그리드 주파수에 가까운 대역폭을 가진) 느린 외부 전압 루프 및 (상기 시스템의 커팅 주파수에 가까운 대역폭을 가진) 빠른 전류 루프가 사용된다. 상기 두 루프들 사이의 결합 해제는 입력에서의 상기 PFC 정류기 스테이지 그리고 상기 DC-DC 컨버터 스테이지 사이에서 확립된 강한 커패시터 값을 이용하여 행해진다.

또한, DC-DC 컨버터 스테이지로 일정한 전류를 송신하는 것에 기반한, 종래 기술의 솔루션은 상기 단일-상 충전 디바이스에 대한 주된 강제이다.

상기 단일-상 모드에서, PFC 정류기 스테이지에 의해 DC-DC 컨버터 스테이지로 송신된 전류는 정류된 정현파 전류를 분할한 것이다. 이 전류는 두 개의 잘-정의된 주파수 성분들, 즉, 상기 시스템의 분할 주파수에 비례하는 제1 성분 (예를 들면 백 kHz에 가깝다) 그리고 상기 그리드 전압의 제2 고조파에 비례하는 제2 성분 (100 Hz - 120 Hz)을 가진다.

이 두 번째 저-주파수 성분은 PFC 정류기 스테이지의 출력에서 두 개의 전력 공급 버스들과의 커패시터들에 대해 매우 제한적이며, 그리고 많은 개수의 커패시터들을 병렬로 연결시키는 것을 필요로 하며, 그래서 그 커패시터 값이 두 개의 레귤레이팅 루프들 사이에서의 결합 해제에 관하여 걱정해야 한다면 필요로 할 수 있을 값보다 아주 더 크도록 한다. 또한, 최적화 비용에 대한 관심들은 화확-유형 커패시터 기술로 향하여 전향하는 것을 의미하며, 이는 다른 유형의 기술들 (예를 들면, 박막, 세라믹-유형 커패시터)보다 그리드 전압 붕괴에 면역이 덜 되어 있다.

그 결과, 특히 PFC 정류기 스테이지 및 DC-DC 컨버터 스테이지 사이의 전력 공급 버스들의 커패시터들의 값을 줄어들게 하는 것을 가능하게 하는 단일-상 그리드에 의해 위에서 설명된 토폴로지를 가진 충전 디바이스가 전력을 공급받을 때에, 그 충전 디바이스를 위해 최적화된 레귤레이팅 전략에 대한 필요성이 존재한다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 모터 차량을 위해 배터리-충전 디바이스를 제어하기 위한 방법을 이용하여 달성되며, 상기 충전 디바이스는, 역률 보상 기능을 수행하며, 직렬 유도 코일에 의해 단일-상 또는 3-상 전력 공급 그리드의 입력에서 각각 연결될 수 있는 3상 결선들을 포함하는, 정류기 스테이지, 그리고 상기 정류기 스테이지 및 상기 배터리 사이에 연결된 DC-DC 컨버터 스테이지를 포함하며, 상기 전류기 스테이지는 3-상 다이오드 브리지 및 그 다이오드 브리지에 통합된 3개의 스위칭 암들을 포함하는 3상 비엔나 (Vienna) 정류기이며, 상기 스위칭 암들 각각은 상기 그리드의 전류가 양일 때에 제어될 수 있는 하이 (high) 스위치 및 상기 그리드의 전류가 음일 때에 제어될 수 있는 로우 스위치의 직렬 어셈블리를 포함하며, 상기 스위칭 암들은 중간포인트에서 상호 연결되며, 제1 및 제2 버스 커패시터는 상기 정류기 스테이지의 출력에서 중간포인트에 연결되며, 상기 DC-DC 컨버터 스테이지는 제1 및 제2 LLC 공진 컨버터들을 포함하며, 그 공진 컨버터들은 각자의 입력에서 상기 제1 및 제2 전력 공급 버스들에 의해 제1 및 제2 전력 공급 커패시터들에 연결되며 그리고 출력에서 상기 배터리에 연결되며, 상기 방법의 유형에 따라서 상기 전류가 상기 3상 비엔나 정류기를 이용하여 상기 충전 디바이스의 입력에서 레귤레이션되며, 각 스위칭 암은 펄스 폭 변조 제어 신호들을 이용하여 제어되며, 그 펄스 폭 변조 제어 신호들의 스위칭 듀티 팩터는 상기 입력 전류의 상기 레귤레이션에 기반하여 결정되며, 상기 방법은, 상기 충전 디바이스가 단일 상에 의해 전력을 공급받으며 그리고 상기 전력 공급 버스들 각각에 고정된 레귤레이션된 전압을 제공하기 위해서 상기 제1 및 제2 전력 공급 버스들의 전압은 상기 제1 및 제2 LLC 공진 컨버터들을 이용하여 독립적으로 레귤레이션되는 것을 특징으로 한다.

그래서, 상기 3-상 비엔나 정류기는 상기 충전 디바이스의 입력 전류만을 레귤레이션하며, 이때에 상기 DC-DC 컨버터 스테이지는 상기 중간포인트에서 상기 3-상 비엔나 정류기의 출력에서 공급된 중간 전압들을 레귤레이션한다. 그래서, 상기 단일-상 결선 모드에서, 상기 3-상 비엔나 정류기에 의해 회수된 전류 모두는 상기 DC-DC 컨버터 스테이지에 의해 상기 배터리로 송신된다. DC-DC 컨버터가 수신한 전류는 그러므로 단일-상 충전을 위해서는 더 이상 직류가 아니며 그리고 100 Hz에서 강한 교번 성분을 가진다. 그 결과, 상기 공급 버스 커패시터들에서의 이 전류에서의 전류 변동은 줄어들며 그리고 이 커패시터들의 값을 크게 줄이는 것을 가능하게 하며, 이는 한 편으로는 비용의 면에서 그리고 다른 편으로는 크기에 있어서 특히 유리하다.

유리하게는, 로우로부터 하이로의 세 개의 충전 전력 레벨들 중에서 제1 단일-상 충전 전력 레벨에 대응하는 제1 단일-상 결선 모드에서, 상기 충전 디바이스의 3-상 결선들 중 제1 결선 및 제2 결선은 각각 단일-상 전기 그리드의 상 와이어 및 중성 와이어에 각각 연결되며, 상기 제2 상 결선은 접속 릴레이에 의해 상기 중성 와이어에 연결된다.

이 결선 모드에서, 제1 실시예에 따라, 입력 전류의 부호에 기반하여 제1 충전 전력 레벨에 따라 배터리를 충전하기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들 중 하나만을 교번하여 사용하기 위해서, 상기 중성 와이어에 연결된 상기 충전 디바이스의 제2 상 결선에 대응하는 상기 스위칭 암의 스위치들은 항상 닫힌 상태에서 유지된다.

바람직하게는, 상기 입력 전류의 부호가 교번할 때마다, 사용되지 않은 LLC 공진 컨버터의 제어는 중단된다.

이 제1 결선 모드에서, 제2 실시예에 따라, 상기 제1 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리를 충전시키기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들을 공동으로 사용하기 위해서, 상기 단일-상 전기 그리드에 연결된 충전 디바이스의 제1 및 제2 상 결선들에 대응하는 상기 스위칭 암들의 스위치들이 상기 입력 전류의 부호의 함수로서 체계적으로 스위치된다.

유리하게, 상기 입력 전류의 양의 교번 동안에, 상기 충전 디바이스의 제1 및 제2 상 결선들에 각각 대응하는 상기 스위칭 암들의 하이 스위치 및 로우 스위치는 함께 스위치하도록 만들어지며, 그리고 상기 입력 전류의 음의 교번 동안에, 상기 충전 디바이스의 제1 및 제2 상 결선들에 각각 대응하는 상기 스위칭 암들의 로우 스위치 및 하이 스위치는 함께 스위치하도록 만들어진다.

유리하게는, 로우로부터 하이로의 적어도 3개의 충전 전력 레벨들 중의 제2 단일-상 충전 전력 레벨에 대응하는 제2 단일-상 결선 모드에서, 상기 충전 디바이스의 세 개의 상 결선들 중 제1 상 결선 및 제2 상 결선은 상기 단일-상 전기 그리드의 상 와이어 및 중성 와이어에 각각 연결되며, 상기 제2 상 결선은 제1 접속 릴레이에 의해 상기 중성 와이어에 연결되며, 그리고 상기 제1 상 결선 및 제3 상 결선을 제2 접속 릴레이에 의해 연결시킨다.

이 제2 결선 모드에서, 제1 실시예에 따라, 상기 상태는 상기 중성 와이어에 연결된 충전 디바이스의 제2 상 결선에 대응하는 상기 스위칭 암의 스위치들에 대해 체계적으로 닫혀서 유지되며, 그리고 함께 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선 및 제3 상 결선에 대응하는 상기 스위칭 암의 스위치들은 상기 입력 전류의 부호의 함수로서 체계적으로 스위치되며, 이는 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 상기 제2 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리를 충전하기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들 중 하나만을 교번하여 사용하기 위한 것이다.

유리하게는, 상기 입력 전류의 양의 교번 동안에, 상기 스위칭 암의 하이 스위치들은 함께 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선 및 제3 상 결선에 각각 대응하며, 그리고 상기 입력 전류의 음의 교번 동안에, 상기 스위칭 암의 로우 스위치들은 함께 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선 및 제3 상 결선에 각각 대응한다.

이 제2 결선 모드에서, 제2 실시예에 따라, 상기 제2 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리를 공동으로 충전하기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들을 사용하기 위해서, 상기 단일-상 전기 그리드에 연결된 충전 디바이스의 제1, 제2 및 제3 상 결선들에 대응하는 상기 스위칭 암의 스위치들은 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 체계적으로 스위치된다.

유리하게, 로우로부터 하이로의 적어도 3개의 충전 전력 레벨들 중의 제3 단일-상 충전 전력 레벨에 대응하는 제3 단일-상 결선 모드에서, 상기 충전 디바이스의 세 개의 상 결선들 중 제1 상 결선 (A)은 상기 단일-상 전기 그리드의 상 와이어에 연결되며 그리고 상기 충전 디바이스의 제2 상 결선 및 제3 상 결선은 각자의 접속 릴레이에 의해 상기 단일-상 전기 그리드의 상기 상 와이어에 연결되며, 3-상 비엔나 정류기의 중간포인트는 상기 단일-상 전기 그리드의 중성 와이어에 연결된다.

유리하게, 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들 중 단 하나가 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 제3 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리를 충전하기 위해 사용되며, 그리고 서로 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선, 제2 상 결선 및 제3 상 결선에 대응하는 상기 스위칭 암들의 스위치들은 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 체계적으로 스위치된다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

본 발명의 다른 특이성들 및 장점들은, 다음의 도면들을 참조하여 비-제한적인 정보를 위해 제공된 본 발명의 하나의 특별한 실시예에 대한 다음의 설명을 읽으면 나타날 것이다.
도 1은 전기 또는 하이브리드 차량에 온보드인 것으로 의도된 배터리-충전 디바이스의 알려진 토폴로지를 개략적으로 예시한다.
도 2는 3-상 비엔나 정류기로 만들어진 두 레벨들을 출력으로서의 두 개의 전력 공급 버스들을 입력으로서 구비한 충전 디바이스를 개략적으로 보여주며, 그 전력 공급 버스들 각각에 LLC 공진 컨버터 유형으로 DC-DC 컨버터가 연결되며, 그리고 본 발명의 제어 방법이 구현된다.
도 3은 단일-상 충전기로의 사용을 위해 도 2의 충전 디바이스의 단일-상 그리드로의 연결을 위한 제1 예시의 구성을 예시한다.
도 4는 단일-상 충전기로의 사용을 위해 도 2의 충전 디바이스의 단일-상 그리드로의 연결을 위한 제1 예시의 구성을 예시한다.
도 5는 단일-상 충전을 위한 레귤레이팅 원칙을 개략적으로 예시하며, 이는 도 2에 예시된 3-상 토폴로지로부터 상이한 단일-상 결선 모드를 단절시키는 것을 가능하게 한다.
도 6 및 도 7은 도 2에 예시된 충전 디바이스의 제1 단일-상 결선 모드를 예시하며, 이는 상기 제1 요청 충전 전력 레벨을 운반하기 위해 교번하는 양 DC-DC 공진 컨버터들을 사용한다.
도 8은 상기 충전 디바이스의 제1 단일-상 결선 모드의 교번을 예시하며, 이 경우 DC-DC 컨버터 스테이지의 양 공진 컨버터들은 상기 제1의 요청된 충전 전력 레벨을 인도하기 위해 병렬로 사용된다.
도 9는 도 2에 예시된 충전 디바이스의 제2 단일-상 결선 모드를 예시하며, 이는 상기 제1 레벨보다 더 큰 제2의 요청된 단일-상 충전 전력 레벨에 대응한다.
도 10은 도 2에 예시된 충전 디바이스의 제3 단일-상 결선 모드를 예시하며, 이는 상기 제1 및 제2 레벨들보다 더 큰, 단일-상 모드에서 요청된 제3 단일-상 충전 전력 레벨에 대응한다.

도 5를 참조하면, 단일-상 그리드 (9)에 연결된 충전 디바이스 (10)의 단일-상 모드에서의 레귤레이팅 원칙이 예시되며, 이는 상기 PFC 정류기 스테이지 (11) 및 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)의 블록들 각각을 위한 단순 레귤레이팅 모델을 구비한다.

상기 PFC 정류기 스테이지 (11)의 단일-상 모드에서의 레귤레이션은 입력 전류를 레귤레이션하고 그리고 상기 전류 상에 정현파 형상을 부과하는 것으로 구성된다. PFC 정류기 스테이지 (11)의 레귤레이션의 제어 모드 (50)는 상기 3-상 정류기 스테이지의 입력 전류의 종속화 (slaving)를 제공하도록 프로그램된다. 상기 제어 모듈 (50)에 의해 구현된 이 종속화는 PFC 정류기의 입력 전류를 위해 제어 변수 및 셋포인트를 구비한 피드백 루프를 인가하는 것을 포함하며, 그리고 여기에서 상기 루프의 상기 제어 변수는 상기 PFC 정류기의 입력 및 출력에서 측정된 전압들로부터의 개방 루프에서 계산된 값에 대한 듀티 사이클 변이에 기반한다. 그 목적을 위해, 상기 PFC 정류기의 입력 V_IN 및 출력 V_out 전압들로부터 이론적인 듀티 사이클 D의 값을 계산하기에 추정기 (51)가 적합하다. 상기 이론적인 값 D에 대한 상기 변이는 새로운 듀티 사이클 비율을 계산하기 위해 PID 레귤레이터 (52)에 의해 사용된 입력 전류 I_BOOST 및 셋포인트 전류 I_cons 측정 사이의 오류를 통해서 계산되며, 여기에서 kp, Ki 및 Kd는 상기 PID 레귤레이터 (52)의 비례 이득, 적분 이득 및 미분 이득이다. 상기 PFC 정류기의 출력에서 상기 전력 공급 버스들의 전압은 일정한 것으로 가정되며, 이는 그 전압이 상기 DC-DC 정류기 스테이지에 의해 종속화되기 때문이다.

상기 이론적인 값에 대한 상기 계산된 듀티 사이클의 상기 변이는 특히 램프 (ramp)에 비교된 PWM (Pulse Width Modulation) 제어 신호들을 생성하기 위한 블록 (53)으로 다음에 제공되어, 나중에 요약될 상이한 단일-상 충전 모드들에 기반하여, 상기 PFC 정류기의 스위칭 암들의 스위치들을 제어하기 위해 사용되는 다양하나 제어 신호들 V_GS을 생성하는 것을 가능하게 한다.

그런 레귤레이팅 루프는 상기 PFC 정류기의 각 입력 상을 위해 사용된다.

상기 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)에 관하여, 도 2를 참조하여 상기 선택된 토폴로지는 LLC 공진 컨버터의 토폴로지이며, 그 LLC 공진 컨버터의 기능은 상기 배터리 (20) 및 상기 PFC 정류기 (11)의 출력에서 상기 전력 공급 버스들 사이에서의 전압들을 조정하는 것이다. 특히, 상기 컨버터의 1차 측에 연결된 풀 브리지의 트랜지스터들의 스위칭 주파수에서 충전의 과정에 걸친 변동은 상기 공진 회로의 전달 함수를 바꾸는 것을 가능하게 만든다. 전통적으로, DC-DC 컨버터는 상기 배터리로 전달된 출력 전압을 레귤레이션하기 위해 사용된다. 본원에서 구현된 레귤레이팅 원칙은 상기 DC-DC 컨버터를 이용하여 DC-DC 컨버터의 입력에서 두 전력 공급 버스들을 통한 전압 V_DC_1 및 V_DC_2 각각을 레귤레이션하는 것으로 구성된다. 그래서, 상기 PFC 정류기의 출력 전압에 대응하는 구역 입력 전압을 레귤레이션하는 것이 상기 DC-DC 컨버터이다.

상기 컨버터 스테이지 (12)의 레귤레이션을 제어하기 위한 모듈 (60)은 이 레귤레이션을 제공하도록 프로그램된다. 상기 선택된 토콜로지에서 상기 DC-DC 컨버터 (12)를 구성하는 각 LLC 공진 컨버터는 자신이 연결된 전력 공급 버스에 독립적으로 전압을 레귤레이션하기 위해 자기 자신의 레귤레이팅 루프를 가질 것이다. 더 상세하게는, 전력 공급 버스의 전압 V_DC_BUS 및 상기 PFC 정류기의 출력에서 소망되는 전압 V_out 측정 사이의 전압 오류는 상기 제어 모듈 (60)의 PID 레귤레이터 (610)에게 제공되며, 이것은 새로운 전압 값을 계산한 것이며, 이는 전압-제어 발진기 (62)에게 차례로 제공되어, 상기 전력 공급 버스들 각각에서의 고정된 레귤레이션된 전압 V_DC_1 및 V_DC_2를 각각 제공하기 위해서 상기 공진 LLC 컨버터에 부과하기 위해 필요한 스위칭 주파수를 한정하는 것을 가능하게 한다. 상기 LLC 공진 컨버터의 1차에서의 스위치들의 풀 브리지의 스위치들의 두 대각선들은 그러므로 위에서 표시된 루프를 레귤레이션함에 의해 한정된 주파수 및 고정된 듀티 사이클 (50%)로 스위치된다.

상기 충전 디바이스의 상기 3-상 결선 모드이든지 또는 상기 단일-상 결선 모드이든지 간에, 상기 제어 모듈 (60)은 그러므로 배터리를 충전하는 동안에 상기 DC-DC 컨버터를 이용하여 일정한 전압에서 상기 전력 공급 버스의 레귤레이션을 자동적으로 제공하도록 프로그램된다.

상기 충전 디바이스의 상이한 단일-상 결선 모드들을 이제 단절시킬 것이며, 이는 도 2를 참조하여 설명된 상기 충전 디바이스의 동일한 기본적인 3-상 토폴로지에 기반하며 그리고 단일-상 모드에서 요청된 상이한 충전 전력 레벨들, 특히 7 kW, 15 kW 및 22 kW로 조절할 수 있는 충전 디바이스를 개발하는 것을 유리하게도 가능하게 한다. 이것은 전력을 위해 사용되는 컴포넌트들을 조절하는 것 이외에 상기 충전 디바이스의 전반적인 하드웨어 구성을 바꾸지 않으면서도, 상기 충전 디바이스가 그 충전 디바이스의 상이한 단일-상 결선 모드들을 조절하는 것을 가능하게 하기 위해 필요한 상기 PFC 정류기의 스위칭 암들의 제어 조절만이 가능하다.

최대의 3-상 충전 전력은 22 kW이다. 상기 PFC 정류기 (11)의 암에 의해 유사성을 끌어넣음으로써, 상기 PFC 정류기의 각 암은 22 kW/3, 또는 약 7 kW의 전력을 통과시킬 수 있다고 말할 수 있다. 상기 두 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)은 그것들 각각이 약 11 kW의 전력을 가지도록 크기가 정해진다. 그러므로 상기 목적은 상이한 단일-상 결선 모드들을 단절시켜서 여러 요청된 전력 레벨들, 특히, 7 kW, 15 kW 및 22 kW로 조절하는 것을 가능하게 하며, 그러면서도 상기 충전 디바이스에 만들어질 변화들은 최소화한다.

도 6은 단일-상 모드에서 7 kW를 인도하는 것을 가능하게 하는 상기 충전 디바이스의 제1 단일-상 결선 모드를 기술하며, 이는 소위 말하는 제1의 낮은 충전 모드에 대응한다. 실제로, 상기 PFC 정류기의 암들 각각은 이 정격 전력을 위해 크기가 정해지며, 상기 충전 디바이스의 전반적인 전력 토폴로지를 수정하지 않으면서 단일-상 모드에서 7 kW를 인도하기 위해 관리하는 것을 가능하게 한다. 상기 충전 디바이스의 나머지는 변하지 않게 유지하면서 상기 충전 디바이스의 상 결선들 중 하나를 상기 단일-상 그리드 (9)에 적응시키기 위해서, 상기 단일-상 그리드 (9)의 중성 와이어 (90) 및 상기 충전 디바이스의 상 결선들 중 하나 사이에 접속 릴레이 (9)를 추가하는 것만이 필요하다. 그래서, 이 제1 단일-상 결선 모드에서, 상 (phase) A의 결선은 상기 접속 릴레이 (17)를 경유한, 예를 들면, 상기 단일-상 전기 그리드 (9)의 상기 중성 와이어 (90)로의 상 C의 결선 그리고 상기 단일-상 전기 그리드 (9)의 상기 상 와이어 (91)로의 상기 충전 디바이스의 입력으로서 연결된다. PFC 정류기의 제2 스위칭 암과 연관된 상 B의 결선은 사용되지 않는다.

저 전력에서, 상기 시스템의 무효 전력 소비를 최소화하기 위해서 상기 PFC 정류기의 출력에서 한번에 단일 DC-DC 공진 컨버터와 함께 동작하는 것에 관심이 끌린다. 그 결과, 상기 단일-상 그리드의 중성 와이어에 연결된 상 C 접속에 대응하는 상기 스위칭 암 S3의 스위치들 3H 및 3L은 항상 닫힌 상태로 유지되며, 이는 입력 전압의 부호에 따라 단 하나의 공진 LLC 컨버터에 교번하여 에너지를 송신하기 위한 것이다. 도 7은 항상 닫혀있는 상기 그리드의 중성 와이어에 연결된 암의 두 스위치들을 구비한 상기 단일-상 그리드에 연결된 PFC 정류기의 이런 구성을 예시한다.

이 구성에서, 양의 입력 전압에 대해, 상기 그리드의 상 와이어에 연결된 PFC 정류기의 스위칭 암 S1의 상단 스위치 1H는, 상기 PFC 정류기 스테이지 (11)를 제어하는 상기 모듈 (50)에 의해 공급된 상기 제어 신호에 의한 스위칭에서 제어되며, 이때에 하단 스위치 1L는 아이들 (idle) 상태에 있도록 제어된다. 상기 중성 와이어에 연결된 스위칭 암의 상단 및 하단 스위치들 3H 및 3L은 항상 닫힌 상태로 유지되며, 상기 DC-DC 컨버터 스테이지의 LLC 공진 컨버터로 전류가 송신되며, 상기 LLC 공진 컨버터의 입력은 버스 커패시터 C1에 연결된다.

상기 충전 디바이스의 입력 전압이 음일 때에, 상기 스위칭 암 S1은 상기 하단 스위치 1L이며, 이때에 상기 상단 스위치 1H는 아이들 상태에 있도록 제어된다. 상기 중성 와이어에 연결된 스위칭 암의 상단 및 하단 스위치들 3H 및 3L은 여전히 항상 닫힌 상태에서 유지되며, 입력이 버스 커패시터 C2에 연결된 상기 DC-DC 컨버터 스테이지의 LLC 공진 컨버터에게 이 시기에 전류가 송신된다.

상기 두 전력 공급 버스들 각각의 레귤레이션은 상기 버스와 연관된 LLC 공진 컨버터에 의해 교대로 수행된다. 상기 버스 커패시터 C1에 연결된 상기 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)의 참조번호 14의 상기 LLC 공진 컨버터는 상기 입력 전압의 양의 교번 동안에 전기가 통하며 그리고 상기 버스 커패시터 C2에 연결된 상기 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)의 참조번호 16의 상기 LLC 공진 컨버터는 상기 입력 전압의 음의 교번 동안에 전기가 통한다.

상기 입력 전압의 교번들 중의 각 교번 동안에 사용되지 않는 상기 LLC 공진 컨버터의 1차 측 상의 스위치들의 풀 브리지의 PWM 커맨드는, 손실들을 줄이기 위해서는 물론이며 상기 시스템 내 무효 전류의 순환을 줄이기 위해서 바람직하게는 중단된다.

도 8은 이전에 설명된 제1 단일-상 결선 모드의 환경에서의 제2 제어 전력을 예시하며, 이는 제1 충전 전력 레벨, 또는 7 kW를 인도하는 것을 여전히 목적으로 하지만, 이 시점에서 상기 PFC 정류기 스테이지의 출력에서 상기 DC-DC 컨버터 스테이지의 두 LLC 공진 컨버터들을 통한 전력을 인도하며, 이는 상기 시스템의 성능을 최적화하기 위한 것이다. 그 결과, 도 6 및 도 7을 참조한 이전의 경우와는 다르게, 상기 DC-DC 컨버터의 양 LLC 공진 컨버터에 동시에 에너지가 송신되며, 이는 7 kW의 충전 전력을 인도하기 위해 병렬로 사용되는 경우이다.

단일-상 충전에 있어서 7 kW의 전력을 인도하기 위해 동시에 양 LLC 공진 컨버터들을 사용하는 것을 가능하게 하는 상기 제어 전략은, 상기 단일-상 그리드 (9)의 상 와이어 및 중성 와이어에 각각 연결된 상기 상 A 결선 및 상 C 결선과 연관된 스위칭 암들 S1 및 S3의 스위치들을 입력 전류의 부호에 따라서 체계적으로 스위칭하는 것으로 구성된다.

더 상세하게는, 상기 입력 전류의 양의 교번 동안에, PFC 정류기 스테이지 (11)의 제어 모듈 (50)은 적절한 제어 신호들을 적합하게 공급하여, 그 신호들이 함께, 상기 그리드 (9)의 상 와이어에 연결된 상기 PFC 정류기의 스위칭 암 S1의 상단 스위치 1H 및 상기 그리드 (9)의 중성 와이어에 연결된 스위칭 암 S3의 하단 스위치 3L의 스위칭을 제어하는 것을 가능하게 하며, 그러면서 상기 스위칭 암들 S1 및 S3의 하단 스위치 1L 및 상단 스위치 3H는 아이들 모드에 남겨진다.

상기 입력 전류의 음의 교번 동안에, PFC 정류기 스테이지 (11)의 제어 모듈 (50)은 적절한 제어 신호들을 적합하게 공급하여, 그 신호들이 함께, 상기 그리드 (9)의 상 와이어에 연결된 상기 스위칭 암 S1의 하단 스위치 1L 및 상기 그리드 (9)의 중성 와이어에 연결된 상기 스위칭 암 S3의 상단 스위치 3H의 스위칭을 제어하는 것을 가능하게 하며, 그러면서 상기 스위칭 암들 S1 및 S3의 상단 스위치 1H 및 하단 스위치 3L은 아이들 모드에 남겨진다.

상기 단일-상 그리드 (9)의 상 와이어 및 중성 와이어에 각각 연결된 상기 상 A 결선 및 상 C 결선과 연관된 상기 스위칭 암들 S1 및 S3의 제어 신호들을 시프트함으로써, 상기 두 상들 사이에 인터리빙을 가지는데 있어서 성공할 수 있으며, 이는 상기 시스템의 분할 주파수를 변경하지 않으면서도 상기 PFC 정류기의 인덕턴스가 바라보는 주파수를 두 배로 하는 것을 가능하게 한다.

상기 레귤레이팅 모드는 바뀌지 않는다. 도 5에서 예시된 상기 PFC 정류기의 각 입력 상과 연관된 레귤레이팅 루프들 각각은 상기 충전 디바이스의 입력 전류를 레귤레이션하기 위해 제공되며, 이때에 각 상 결선 상에서 취해진 입력 전압은 상기 단일-상 그리드에 의해 인도된 전압의 절반에 각자 대응한다고 가정한다.

도 9는 상기 충전 디바이스의 제2 단일-상 결선 모드를 기술하며, 이는 약 15 kW의, 중간으로 불리는, 단일-상 모드에서 요청된 제2 충전 전력 레벨에 대응한다. 이것을 하기 위해서, 도 6에서 설명된 실시예에 관한 상기 충전 디바이스의 적응은 상기 상 C 결선 및 상기 단일-상 그리드 (9)의 중성 와이어 (90)를 연결시키는 것을 가능하게 하는 상기 제1 접속 릴레이 (17)에 추가로, 상기 두 개의 상 A 결선 및 상 B 결선들을 함께 연결시키려고 의도된 제2 접속 릴레이 (18)를 더하는 것으로 구성되며, 이것들 둘 모두는 그 후에 상기 단일-상 그리드 (9)의 상 와이어 (91)에 연결된다. 이 연결에서, 상기 상 A 결선 및 상 B 결선과 연관된 두 스위칭 암들 S1 및 S2용의 동일한 컴포넌트들과 동일한 기본적인 토폴로지를 유지하는 것이 가능하다. 실제로, 상기 PFC 정류기의 스위칭 암들 각각은 약 7 kW를 통과시킬 수 있도록 크기가 정해진다. 반대로, 상기 그리드의 중성 와이어에 연결된 상 C 결선과 연관되며 리턴 암으로 서빙하는 제3 스위칭 암 S3은 상기 그리드의 상 와이어에서 함께 연결된 다른 두 암들에 의해 전송된 전력, 또는 약 14 kW를 통과시킬 수 있도록 다시-크기 조절되어야 한다. 상기 스위칭 암 S3의 컴포넌트들은 그러므로 그에 따라서 다시 크기 조절되어야 한다.

단일-상 모드에서 7 kW를 인도하는 것을 가능하게 하는 상기 제1 단일-상 결선 모드와 유사하게, 이 단일-상 결선 모드를 위해, 상기 제2의 요청된 충전 전력 레벨을 인도하기 위해 상기 컨버터 스테이지 (12)의 두 개의 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)이 교번하여 사용되는 제어 전략, 그리고 이 제2 충전 저녁 레벨을 인도하기 위해 상기 두 컨버터들 (14, 16)이 병렬로 공동으로 사용되는 전략인 두 개의 제어 전략들을 확립하는 것이 가능하다.

상기 두 컨버터들 (14, 16)을 교번하여 사용할 것을 도모하는 상기 첫 번째 전략에 따라, 상기 단일-상 그리드의 중성 와이어에 연결된 상기 상 C 결선에 대응하는 상기 스위칭 암 S3의 스위치들 3H 및 3L은 항상 닫힌 상태에서 유지되며, 이는, 상기 입력 전압의 부호에 따라서, 교번하는 방식으로 단 하나의 LLC 공진 컨버터 상으로 에너지를 송신하기 위한 것이다. 그러나, 교번하여 사용된 두 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)을 사용하는 이 단일-상 결선 모드에 대한 전력 제한은 약 11 kW이며, 이는 상기 컨버터들 (14, 16) 각각을 위해 크기 조절된 정격 전력이다. 상기 PFC 정류기의 스위칭 암들 S1 및 S2의 제어 측에서, 상기 제어 신호들은 상기 PFC 정류기의 인덕턴스가 경험하는 리플들을 제한하기 위해서 인터리브된다. 다른 말로 하면, 상기 스위칭 암 S1의 스위칭 사이클은 상기 스위칭 암 S2의 스위칭 사이클에 대해 위상-시프트된다. 그래서, 양의 충전 디바이스의 입력 전압에 대해, 상기 그리드의 상 (phase) 와이어에 연결된 PFC 정류기의 스위칭 암들 S1 및 S2의 상단 스위치들 1H 및 2H는 180ㅀ의 위상 시프트를 가지고 스위치되며, 상기 그리드의 중성 와이어에 연결된 상 C 결선에 대응하는 스위칭 암 S3의 스위치들 3H 및 3L은 항상 닫힌 상태로 유지된다. 음의 입력 전압에 대해, 상기 스위칭 암들 S1 및 S2의 하단 스위치들 1L 및 2L은 180ㅀ의 위상 시프트를 가지고 스위치되며, 상기 스위칭 암 S3의 스위치들 3H 및 3L은 항상 닫힌 상태로 유지된다.

상기 두 번째 제어 전략에 따라, 에너지는 상기 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)의 두 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)에게 송신되며, 이는 이 경우에 상기 제2 중간 충전 전력을 인도하기 위해 병렬로 사용된다.

그 목적을 위해, 상기 단일-상 그리드의 상 와이어에 함께 연결된 상기 상 A 결선 및 상 B 결선과 연관된 스위칭 암들 S1 및 S2의 스위치들 그리고 상기 단일-상 그리드 (9)의 중성 와이어에 연결된 상기 상 C 결선과 연관된 스위칭 암 S3의 스위치는 상기 입력 전류의 부호에 따라 체계적으로 스위치된다.

더 상세하게는, 상기 입력 전류의 양의 교번 동안에, 상기 PFC 정류기 스테이지 (11)의 제어 모듈 (50)은 적절한 제어 신호들을 적합하게 공급하여, 상기 그리드 (9)의 상 와이어에 연결된 상기 스위칭 암들 S1 및 S2의 상단 스위치들 1H 및 2H 그리고 상기 그리드 (9)의 중성 와이어에 연결된 스위칭 암들 S3의 하단 스위치 3L의 스위칭을 제어하는 것을 가능하게 하며, 그러면서 상기 스위칭 암들 S1 및 S2의 하단 스위치들 1L 및 2L 그리고 상기 스위칭 암들 S3의 상단 스위치 3H는 아이들 모드에 남겨진다.

상기 입력 전류의 음의 교번 동안에, 상기 그리드 (9)의 상 와이어에 연결된 상기 스위칭 암들 S1 및 S2의 하단 스위치들 1L 및 2L 그리고 상기 그리드 (9)의 중성 와이어에 연결된 상기 스위칭 암 S3의 상단 스위치 3H의 스위칭이 제어되며, 그러면서 상기 스위칭 암들 S1 및 S2의 상단 스위치들 1H 및 2H 그리고 상기 스위칭 암 S3의 하단 스위치 3L은 아이들 모드에 남겨진다.

도 10은 상기 충전 디바이스의 제3 단일-상 결선 모드를 기술하며, 이는 소위 말하는 높은 약 22 kW의 단일-상 모드에서 요청된 제3 충전 전력 레벨에 대응한다. 이 제3 단일-상 결선 모드에서, 상기 PFC 정류기의 세 개의 상 A, B 및 C 결선들은 상기 단일-상 그리드 (9)의 상 와이어 (91)에 병렬로 연결된다. 상기 상 A 결선은 예를 들면 상기 상 와이어에 직접적으로 연결되며 그리고 두 개의 접속 릴레이들 (17, 18)이 추가되어, 각각 상기 PFC 정류기의 상기 상 B 및 C 결선들을 상기 상 와이어 (91)에 연결시킨다. 또한, 상기 정류기의 입력 필터 (13)는 상기 단일-상 그리드 (9)의 중성 와이어 (90)에 연결된다. 실로, 이 제3 단일-상 결선 모드에 따라, 상기 전력 공급 버스 커패시터들의 중간포인트 M은 상기 입력 필터 (13)를 경유하여 상기 중성 와이어에 연결되어야만 한다.

이 결선 모드에서, 미드포인트 M은 상기 중성에 연결되어 있으며, 그것은 상기 컨버터 스테이지 (12)의 두 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)로 에너지를 송신하는 것이 가능하기 위해서 제외된다. 그 결과, 상기 두 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)은 22 kW의 충전 전력을 상기 배터리 (20)로 송신하기 위해 교번하여 사용된다. 그 결과, 이 컨버터들 각각은 이전에 설명된 상기 두 단일-상 결선 모드를 위한 11 kW 대신에 22 kW의 정격 전력을 위해 크기 조절되어야 한다.

PFC 정류기의 스위칭 암들의 제어에 관하여, 입력 전류의 양의 교번 동안에, 상기 PFC 정류기 스테이지 (11)의 제어 모듈 (50)은 제어 신호들을 적합하게 공급하여, 상기 그리드 (9)의 상 와이어에 연결된 상기 스위칭 암들 S1, S2 및 S3의 각자의 상단 스위치들 1H, 2H 및 3H의 스위칭을 제어하는 것을 가능하게 하며, 그러면서 상기 스위칭 암들 S1, S2 및 S3의 하단 스위치들 1L, 2L 및 3L은 아이들 모드에 남겨진다. 상기 입력 전류의 음의 교번 동안에, 상기 그리드 (9)의 상 와이어에 연결된 상기 스위칭 암들 S1, S2 및 S3 각자의 하단 스위치들 1L, 2L 및 3L의 스위칭이 제어되며, 그러면서 상기 하단 스위치들 1L, 2L 및 3L은 아이들 모드에 남겨진다. 전류 변동을 제한하기 위해서, 상기 스위치들의 상기 제어 신호들은 바람직하게는 120ㅀ의 위상 시프트를 가지고 인터리브된다.

Claims

모터 차량을 위해 배터리-충전 디바이스를 제어하기 위한 방법으로,
상기 충전 디바이스는:
역률 보상 기능을 수행하며, 직렬 유도 코일 (L1, L2, L3)에 의해 단일-상 또는 3-상 전력 공급 그리드 (9)의 입력에서 각각 연결될 수 있는 3상 결선들 (A, B, C)을 포함하는, 정류기 스테이지 (11), 그리고
상기 정류기 스테이지 (11) 및 상기 배터리 (20) 사이에 연결된 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)를 포함하며,
상기 전류기 스테이지는 3-상 다이오드 브리지 (D1-D6) 및 그 다이오드 브리지에 통합된 3개의 스위칭 암들 (S1, S2, S3)을 포함하는 3상 비엔나 (Vienna) 정류기이며, 상기 스위칭 암들 각각은 상기 그리드의 전류가 양일 때에 제어될 수 있는 하이 (high) 스위치 (1H-3H) 및 상기 그리드의 전류가 음일 때에 제어될 수 있는 로우 (low) 스위치 (1L-3L)의 직렬 어셈블리를 포함하며,
상기 스위칭 암들 (S1, S2, S3)은 중간포인트 (M)에서 상호 연결되며, 제1 및 제2 버스 커패시터 (C1, C2)는 상기 정류기 스테이지 (11)의 출력에서 중간포인트 (M)에 연결되며,
상기 DC-DC 컨버터 스테이지 (12)는 제1 및 제2 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)을 포함하며, 그 공진 컨버터들은 입력에서 상기 제1 및 제2 전력 공급 버스들 (7, 8)에 의해 제1 및 제2 전력 공급 커패시터들에 연결되며 그리고 출력에서 상기 배터리 (20)에 연결되며,
상기 방법의 유형에 따라서 상기 전류가 상기 3상 비엔나 정류기 (110)를 이용하여 상기 충전 디바이스의 입력에서 레귤레이션되며,
각 스위칭 암은 펄스 폭 변조 제어 신호들을 이용하여 제어되며, 그 펄스 폭 변조 제어 신호들의 스위칭 듀티 팩터는 상기 입력 전류의 상기 레귤레이션에 기반하여 결정되며,
상기 방법은,
상기 충전 디바이스가 단일 상에 의해 전력을 공급받으며 그리고 상기 전력 공급 버스들 각각에 고정된 레귤레이션된 전압을 제공하기 위해서 상기 제1 및 제2 전력 공급 버스들 (C1, C2)의 전압 (V_DC_1, V_DC2)은 상기 제1 및 제2 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)을 이용하여 독립적으로 레귤레이션되는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
로우로부터 하이로의 세 개의 충전 전력 레벨들 중에서 제1 단일-상 충전 전력 레벨에 대응하는 제1 단일-상 결선 모드에서, 상기 충전 디바이스의 3-상 결선들 중 제1 결선 (A) 및 제2 결선 (C)은 각각 단일-상 전기 그리드의 상 와이어 (91) 및 중성 와이어 (90)에 각각 연결되며, 상기 제2 상 결선은 접속 릴레이 (17)에 의해 상기 중성 와이어에 연결된 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,
입력 전류의 부호에 기반하여 제1 충전 전력 레벨에 따라 배터리 (20)를 충전하기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들 (14. 16) 중 하나만을 교번하여 사용하기 위해서,
상기 중성 와이어에 연결된 상기 충전 디바이스의 제2 상 결선 (C)에 대응하는 상기 스위칭 암 (S3)의 스위치들 (3H, 3L)은 항상 닫힌 상태에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 입력 전류의 부호가 교번할 때마다, 사용되지 않은 LLC 공진 컨버터의 제어는 중단되는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 제1 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리 (20)를 충전시키기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)을 공동으로 사용하기 위해서,
상기 단일-상 전기 그리드 (9)에 연결된 충전 디바이스의 제1 및 제2 상 결선들 (A, C)에 대응하는 상기 스위칭 암들 (S1, S3)의 스위치들이 상기 입력 전류의 부호의 함수로서 체계적으로 스위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 입력 전류의 양의 교번 동안에, 상기 충전 디바이스의 제1 및 제2 상 결선들에 각각 대응하는 상기 스위칭 암들 (S1, S3)의 하이 스위치 (1H) 및 로우 스위치 (3L)는 함께 스위치하도록 만들어지며, 그리고
상기 입력 전류의 음의 교번 동안에, 상기 충전 디바이스의 제1 및 제2 상 결선들에 각각 대응하는 상기 스위칭 암들 (S1, S3)의 로우 스위치 (1L) 및 하이 스위치 (3H)는 함께 스위치하도록 만들어진 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
로우로부터 하이로의 적어도 3개의 충전 전력 레벨들 중의 제2 단일-상 충전 전력 레벨에 대응하는 제2 단일-상 결선 모드에서,
상기 충전 디바이스의 세 개의 상 결선들 중 제1 상 결선 (A) 및 제2 상 결선 (C)은 상기 단일-상 전기 그리드의 상 와이어 및 중성 와이어에 각각 연결되며, 상기 제2 상 결선 (C)은 제1 접속 릴레이 (17)에 의해 상기 중성 와이어에 연결되며, 그리고 상기 제1 상 결선 (A) 및 제3 상 결선 (B)을 제2 접속 릴레이 (18)에 의해 연결시키는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 상태는 상기 중성 와이어에 연결된 충전 디바이스의 제2 상 결선 (C)에 대응하는 상기 스위칭 암 (S3)의 스위치들에 대해 체계적으로 닫혀서 유지되며, 그리고 함께 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선 (A) 및 제3 상 결선 (B)에 대응하는 상기 스위칭 암 (S1, S2)의 스위치들은 상기 입력 전류의 부호의 함수로서 체계적으로 스위치되며,
이는 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 상기 제2 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리를 충전하기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터 (14, 16)들 중 하나만을 교번하여 사용하기 위한 것임을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서,
상기 입력 전류의 양의 교번 동안에, 상기 스위칭 암 (S1, S2)의 하이 스위치들 (1H, 2H)은 함께 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선 (A) 및 제3 상 결선 (B)에 각각 대응하며, 그리고
상기 입력 전류의 음의 교번 동안에, 상기 스위칭 암 (S1, S2)의 로우 스위치들 (1L, 2L)은 함께 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선 (A) 및 제3 상 결선 (B)에 각각 대응하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 제2 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리를 공동으로 충전하기 위해 상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들 (14, 16)을 사용하기 위해서,
상기 단일-상 전기 그리드 (9)에 연결된 충전 디바이스의 제1, 제2 및 제3 상 결선들에 대응하는 상기 스위칭 암 (S1, S2, S3)의 스위치들은 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 체계적으로 스위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
로우로부터 하이로의 적어도 3개의 충전 전력 레벨들 중의 제3 단일-상 충전 전력 레벨에 대응하는 제3 단일-상 결선 모드에서, 상기 충전 디바이스의 세 개의 상 결선들 중 제1 상 결선 (A)은 상기 단일-상 전기 그리드 (9)의 상 와이어 (91)에 연결되며 그리고 상기 충전 디바이스의 제2 상 결선 (C) 및 제3 상 결선 (B)은 각자의 접속 릴레이 (17. 18)에 의해 상기 단일-상 전기 그리드의 상기 상 와이어에 연결되며, 3-상 비엔나 정류기 (110)의 중간포인트 (M)는 상기 단일-상 전기 그리드 (9)의 중성 와이어 (91)에 연결된 것을 특징으로 하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 두 개의 LLC 공진 컨버터들 (14, 16) 중 단 하나가 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 제3 충전 전력 레벨에 따라 상기 배터리를 충전하기 위해 사용되며, 그리고 서로 연결된 상기 충전 디바이스의 제1 상 결선 (A), 제2 상 결선 (C) 및 제3 상 결선 (B)에 대응하는 상기 스위칭 암들 (S1, S2, S3)의 스위치들은 상기 입력 전류의 부호에 기반하여 체계적으로 스위치되는 것을 특징으로 하는 방법.