KR20220061016A - 트랙션 시스템에서 컨택터들을 구동하는 방법 및 시스템 - Google Patents

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다니엘 지몬
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 트랙션 시스템에서 컨택터들을 구동하는 방법에 관한 것으로, 이 방법에서는 트랙션 시스템이 AC 배터리; 전기 모터; 적어도 1개의 주변 유닛; 복수의 전압 및 전류 센서; AC 배터리, 전기 모터 및 적어도 1개의 주변 유닛으로의 전기적 연결부에 배치된 복수의 컨택터; 그리고 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛을 구비한 제어기로서, 상기 프로세서 유닛에서는 작동 시작 시 컨택터들을 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되고, 구성 후에는 컨택터들의 구동에 관한 고정 반도체 회로 구조가 상기 프로세서 유닛에 제공되는, 제어기;를 포함하며, 트랙션 시스템은 다수의 작동 모드를 가지고, 각각의 작동 모드는 차량 총괄 제어기에 의해 사전 설정되며, 각각의 작동 모드는 적어도 1개의 개별 목표 상태 및 적어도 1개의 중간 상태에 의해 형성되는 복수의 상태를 가지고, 각각의 상태는 트랙션 시스템에 의해 각각의 명령을 통해 개별 상태들 간의 각각의 전환을 통해 취해지며, 트랙션 시스템에는 각각의 상태에 대해 스위칭 테이블 내의 컨택터들의 각각의 스위칭 위치가 할당되고, 각각의 컨택터에 대해 폐쇄 지속기간 및 개방 지속기간이 스위칭 시간 테이블에 저장되며, 상기 각각의 상태에는 상태 머신에 의해 확고하게 사전 설정된 시퀀스를 통해 도달되고, 상태 머신은 상기 제어 프로그램에 의해 구현되며, 컨택터들은 제어 프로그램에 의해 스위칭 테이블에 따라 스위칭 시간 테이블을 사용하여 제어된다. 또한, 본원 방법이 실행되는 시스템이 제안된다.

Description

트랙션 시스템에서 컨택터들을 구동하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONTACTOR ACTUATION IN A TRACTION SYSTEM}
본 발명은 트랙션 시스템에서 컨택터들을 구동하는 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 방법이 수행되는 시스템이 제안된다.
전기 차량의 트랙션 시스템에서는 AC 배터리가 사용되고, 계속 변하는 DC 전압원들의 상호 연결에 의해 전기 모터에 AC 전류를 공급하기 위한 1개 이상의 상(phase)이 생성된다. 트랙션 시스템 내에는 상이한 구성요소들 사이의 전기적 연결을 형성 및 차단하려는 목적으로 제어기에 의해 제어되는 컨택터들이 배치된다.
공보 US 2018/0043783 A1호에는, 제어기, 릴레이 및 컨택터의 코일을 포함하는 차량 시스템이 개시되어 있다. 릴레이는 폐쇄 상태에서 트랙션 배터리와 전기 부하 사이에 전류를 전달하도록 구성된다. 제어기는, 트랙션 배터리로부터 코일 및 스위치를 통해 흐르는 전류가, 릴레이를 우회하여, 상기 릴레이가 폐쇄되게 하고 부하가 사전 충전될 수 있게 하는 방식으로 스위치를 작동시킨다.
공보 US 2017/005371 A1호에는, 전기 차량에 의해 사용될 에너지를 저장하기 위한 시스템 및 방법이 기술되어 있다. 상기 시스템은 각각의 제어식 스위치를 통해 서로 독립적으로 차량 전원에 연결될 수 있는 배터리 스트링들을 포함한다.
미국 공보 US 2018/0072179 A1호에는, 컨택터 및 션트 연결부를 구비한 제1 모듈과, 제1 및 제2 라인을 통해 상기 제1 모듈에 연결된 제1 및 제2 회로를 구비한 제2 모듈을 포함하는 고전압 잠금 시스템이 개시되어 있다. 제2 모듈은, 션트의 임피던스가 임계값을 초과하는 것에 대한 반응으로서 컨택터를 스위칭하기 위한 신호를 차단한다.
전기 차량의 작동 중에, AC 배터리, 전기 모터 및 주변 장치 연결부로의 상이한 상호 연결을 필요로 하는 트랙션 시스템의 다양한 작동 상태가 요구될 수 있다. 따라서, 예를 들어 트랙션을 위해 AC 배터리의 방전 또는 충전 컬럼에서의 충전이 실시되는지의 여부에 따라, 컨택터들에 의해 AC 배터리와 전기 모터 사이의 연결이 닫히거나 분리된다.
트랙션 시스템의 구성요소들의 개별 하드웨어 상호 연결, 위험 및 리스크 분석, 그리고 기능상 안전 규정을 토대로 각각의 작동 상태에 대해, 유형에 따라 예를 들어 상이한 상시 위치(개방 또는 폐쇄) 및 상이한 스위칭 시간을 가질 수 있는 컨택터들의 구동에 대한 요건이 도출된다.
이러한 배경에서, 본 발명의 과제는, 컨택터들에 의해 트랙션 시스템의 구성요소들의 상호 연결이 각각 수행됨으로써 트랙션 시스템의 상이한 작동 상태가 야기되는, 트랙션 시스템에서 컨택터들을 구동하는 방법을 제시하는 것이다. 이때, 안전 관련 고찰에 기반하여 하드웨어 솔루션을 찾아내야 한다. 또한, 본 발명은 상기 방법이 실행되는 시스템을 제시해야 한다.
전술한 과제의 해결을 위해, 트랙션 시스템은 AC 배터리, 전기 모터, 적어도 1개의 주변 유닛, 복수의 전압 및 전류 센서, AC 배터리 및 전기 모터 및 적어도 1개의 주변 유닛에 대한 전기적 연결부에 배치되는 복수의 컨택터, 및 작동 시작 시 컨택터들을 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛을 구비한 제어기로, 구성 후에는 컨택터들의 구동에 관한 고정 반도체 회로 구조가 프로세서 유닛에서 이용 가능한 제어기를 포함하는, 트랙션 시스템에서 컨택터들을 구동하는 방법이 제안된다. 트랙션 시스템은 다수의 작동 모드를 가지고, 각각의 작동 모드는 차량 총괄 제어기에 의해 사전 설정된다. 각각의 작동 모드는 적어도 1개의 개별 목표 상태 및 적어도 1개의 중간 상태에 의해 형성되는 복수의 상태를 가지고, 각각의 상태는 트랙션 시스템에 의해 각각의 명령을 통해 개별 상태들 간의 각각의 전환을 통해 취해진다. 트랙션 시스템에는 각각의 상태에 대해 스위칭 테이블 내의 컨택터들의 각각의 스위칭 위치가 할당된다. 각각의 컨택터에 대해 폐쇄 지속기간 및 개방 지속기간이 스위칭 시간 테이블에 저장된다. 각각의 상태에는 상태 머신에 의해 확고하게 사전 설정된 시퀀스를 통해 도달되고, 상태 머신은 제어 프로그램에 의해 구현되며, 컨택터들은 제어 프로그램에 의해 스위칭 테이블에 따라 스위칭 시간 테이블을 사용하여 제어된다.
이러한 유형의 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서는 바람직하게 완전히 테스트될 수 있으므로, 테스트 시리즈를 통해 잘못된 구동이 미리 배제될 수 있다. 또한, 예를 들어 안전한 상태로의 진입 시, 일시적으로 정의된 시퀀스와 순서대로 정의된 시퀀스 모두를 보장하는 것이 가능하다. 이를 이용하여 본 발명에 따른 방법은 각각의 컨택터 스위칭 상태(즉, 개방 또는 폐쇄)를 언제든지 트랙션 시스템의 각각의 상태에 안전하게 할당하고, 그에 따라 위험 및 리스크 분석과 기능상 안전성의 결과로 제어식 트랙션 시스템에 대한 모든 안전 요건을 충족시킨다.
각각의 컨택터의 폐쇄 지속기간 및 개방 지속기간은 예를 들어 각각의 컨택터의 유형에 관한 사양을 포함하는 데이터 시트로부터 취해진다. 트랙션 시스템은 예를 들어, 작동 시작 시, 즉 이전에는 비통전(deenergized) 상태였다가, 상시 폐쇄형(또는 NC) 또는 상시 개방형(또는 NO)으로 스위칭되는 상이한 유형의 컨택터들(표 2 참조)을 포함할 수 있다. 따라서, 전기 모터를 능동적으로 단락시키는 데 사용되는 이른바 능동 단락 컨택터들은 NC형으로 설계되는 반면, AC 배터리의 각각의 상전압에 할당되는 각각의 모터 상 컨택터는 NO형으로 설계된다. (유해 전류 또는 전압 펄스를 방지하기 위한) 회로 기술적 이유로, 능동 단락 컨택터는 각각의 모터 상 컨택터가 폐쇄되기 전에 먼저 개방되어야 한다. 그러나 개방 또는 폐쇄 과정은 컨택터의 제조사에 따라서도 달라지는 각각의 지속기간과 관련이 있다. 그러나 본 발명에 따르면 유리하게는, 이러한 각각의 개방 지속기간 및 폐쇄 지속기간이 스위칭 시간 테이블에 저장되며(표 3 참조), 컨택터들을 구동하기 위한 제어 프로그램에 의해 구현된다.
중간 상태의 예로서, 전류 센서의 센서 체크 또는 자가 테스트를 말할 수 있으며, 이로써 예를 들어 상기 전류 센서에 의존하는 과전류 회로가 작동하는 점이 보장된다.
기능상 안전에 관한 분석에서, 특히 복수의 컨택터의 구동을 위해, 타이밍의 관점에서 및 복수의 컨택터의 각각의 상태에 기반하여 구동이 조정될 필요가 있음이 확인되었다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 방법에 기반한 프로그램 기술상 하드웨어 구현이 유리한데, 그 이유는 프로그램 기술적으로 제어되는 차량 시스템 및/또는 프로그램 기술적으로 제어되는 AC 배터리, 예를 들어 Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T., "Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.30, no.1, pp.203,215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225에 기술된 직렬 및 병렬 연결성을 갖는 모듈식 멀티레벨 컨버터에 적합하게 하기 위한, 상태 머신 또는 스위칭 테이블에서의 적응이 복잡하지 않고 간단하게 순수 프로그램 기술적으로 수행될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에서, 각각의 목표 상태를 갖는 작동 모드들은 적어 하기의 목록: 선행하는 "전원 센서 체크" 중간 상태 이후 "아이들(idle)" 목표 상태를 갖는 "POWER_UP_DOWN" 작동 모드, 선행하는 "모터 센서 체크" 이후 "모터" 목표 상태를 갖는 "MOTOR" 작동 모드, 선행하는 "DC 전원 센서 체크" 이후 "DC 충전" 목표 상태를 갖는 "DC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "AC 전원 센서 체크" 이후 "AC 충전" 목표 상태를 갖는 "AC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "아이들 에러" 중간 상태 이후 "초기화" 목표 상태를 갖는 "ERROR" 작동 모드, 선행하는 "PowerDown" 중간 상태 이후 "오프" 목표 상태를 갖는 "SHUTDOWN" 작동 모드로부터 선택된다.
본 발명에 따른 방법의 다른 구현예에서, 적어도 1개의 주변 유닛은 절연 감시 장치, 저전압 DC-DC 전압 컨버터, 충전 커넥터, CAN 버스로부터 선택된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 프로세서 유닛으로서 FPGA가 선택된다. FPGA는 "Field Programmable Gate Array"의 약자이다. FPGA 상에서, 예를 들어 본 발명에 따른 컨택터 구동부를 갖는 전기 차량이 시동될 때, 하드웨어 구현으로 간주됨에 따라 상응하게 안전한 방식으로 실행될 수 있는 각각의 프로세서 프로그래밍이 구성될 수 있다. 상태 머신은 VHDL 모듈을 사용하여 제어 프로그램에 의해 하드웨어 프로그램으로서 FPGA 상에 구현된다. VHDL은 "Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language"의 약자 또는 "VHSIC Hardware Description Language"의 약자이기도 하며, 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서상에 구현되어, 하드웨어 제어에 상응하게 상태 머신으로서 기술된 시스템 시퀀스를 실행하도록 개발되었다.
계속해서 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛은 하드웨어-프로그래밍된 제어 프로그램에 의해 구현된 상태 머신보다 상위 레벨의 메타 상태 머신이 소프트웨어 프로그램으로서 실행되는 적어도 1개의 추가 마이크로프로세서 코어를 포함한다. 소프트웨어 프로그램에 의해 구현된 메타 상태 머신이 앞서 언급한 중간 상태와 목표 상태 간에 변경되는 한편, 하드웨어-프로그래밍된 제어 프로그램은 이를 위해 필요한 컨택터 제어를 실행한다. 그에 따라, 한편으로, 하드웨어-프로그래밍된 제어 프로그램에 의해 구현된 상태 머신은 컨택터 구동의 구성이 본질적으로 일관되고 물리적 성질, 예를 들어 스위칭 시간이 고려되는 점을 보장한다. 다른 한편으로, 메타 상태 머신은 시스템 컨텍스트에 관한 각각의 정보를 구비하며, 즉, 전류 센서들로부터 측정된 값에 액세스하며, 이를 위해 구성된 특수 컨택터의 피드백 신호를 수신하고, 각각의 컨택터를 위한 각각의 공급 전압을 모니터링한다. 이러한 각각의 정보를 토대로 메타 상태 머신은, 컨택터 구동을 위한 상태 머신에 의해 유발된 상태들 간의 전환에 영향을 미치며, 상기 상태들에서 메타 상태 머신은 예를 들어 상기 목적으로 구성된 각각의 컨택터들의 피드백 신호로부터 가변 폐쇄 지속기간 또는 개방 지속기간을 추론하고 스위칭 시간 테이블의 수정을 수행한다. 메타 상태 머신은 컨택터 구동의 컨텍스트를, 다시 말해 각각의 전환 시 시간 지연 또는 지속기간 편차가 발생하는지를 모니터링한다. 이로부터 예를 들어 컨택터 접착제(contactor adhesive)의 존재를 추론할 수 있다. 에러가 존재하는 경우, 메타 상태 머신은 항시 독립적으로 현재 취해진 상태로부터 에러 상태로 변경될 수 있다. 이후, 이러한 경우에 수행될 컨택터 구동은 다시 하드웨어-프로그래밍된 제어 프로그램에 의해, 소프트웨어-기반 메타 상태 머신의 추가적인 작동이 전혀 없이, 이행되며, 이로써 상기 목적으로 스위칭 테이블에 제공된 컨택터들이 구동되는 점이 항시 보장된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 컨택터들을 구동하기 위한 제어 프로그램은 작동 시작 시 프로그램 로더에 의해 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛에 구성된다. 작동 시작 시 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛에 각각 새로 제어 프로그램을 제공하는 프로그램 로더는 예를 들어 FSBL로 약칭되는 일단계 부트 로더(first stage boot loader)일 수 있다.
게다가, 트랙션 시스템에서 컨택터들을 구동하는 시스템이 청구되며, 상기 트랙션 시스템은 AC 배터리; 전기 모터; 적어도 1개의 주변 유닛; 복수의 전압 및 전류 센서; AC 배터리, 전기 모터 및 적어도 1개의 주변 유닛으로의 전기적 연결부에 배치된 복수의 컨택터; 그리고 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛을 구비한 제어기;를 포함한다. 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛은 작동 시작 시 컨택터들을 구동하기 위한 제어 프로그램을 구성하도록 설계되고, 그 결과, 구성 후에는 컨택터들의 구동에 관한 고정 회로 구조가 프로세서 유닛에 제공된다. 트랙션 시스템은 다수의 작동 모드를 가지고, 각각의 작동 모드는 차량 총괄 제어기에 의해 사전 설정된다. 각각의 작동 모드는 복수의 상태를 가지며, 상기 복수의 상태는 적어도 1개의 개별 목표 상태 및 적어도 1개의 중간 상태에 의해 형성된다. 복수의 상태 중 개별 상태는 트랙션 시스템에 의해 각각의 명령을 통해 각각의 상태들 간의 각각의 전환을 통해 취해질 수 있다. 트랙션 시스템에는 각각의 상태에 대해 스위칭 테이블 내의 컨택터들의 각각의 스위칭 위치가 할당된다. 각각의 컨택터에 대해 폐쇄 지속기간 및 개방 지속기간이 스위칭 시간 테이블에 저장된다. 각각의 상태에는 상태 머신에 의해 확고하게 사전 설정된 시퀀스를 통해 도달될 수 있고, 상태 머신은 제어 프로그램에 의해 구현되며, 컨택터들은 제어 프로그램에 의해 스위칭 테이블에 따라 스위칭 시간 테이블을 사용하여 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템의 일 실시예에서, 각각의 목표 상태 및 적어도 1개의 개별 중간 상태를 갖는 작동 모드들은 적어도 하기의 목록: 선행하는 "전원 센서 체크" 중간 상태 이후 "아이들" 목표 상태를 갖는 "POWER_UP_DOWN" 작동 모드, 선행하는 "모터 센서 체크" 이후 "모터" 목표 상태를 갖는 "MOTOR" 작동 모드, 선행하는 "DC 전원 센서 체크" 이후 "DC 충전" 목표 상태를 갖는 "DC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "AC 전원 센서 체크" 이후 "AC 충전" 목표 상태를 갖는 "AC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "아이들 에러" 중간 상태 이후 "초기화" 목표 상태를 갖는 "ERROR" 작동 모드, 선행하는 "PowerDown" 중간 상태 이후 "오프" 목표 상태를 갖는 "SHUTDOWN" 작동 모드로부터 선택된다.
본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예에서, 적어도 1개의 주변 유닛은 절연 감시 장치, 저전압 DC-DC 전압 컨버터, 충전 커넥터, CAN 버스로부터 선택된다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 프로세서 유닛은 FPGA이며, 상태 머신은 VHDL 모듈을 사용하여 제어 프로그램에 의해 FPGA 상에 하드웨어로서 구현된다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 개선예에서, 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛은 하드웨어-프로그래밍된 제어 프로그램에 의해 구현된 상태 머신보다 상위 레벨의 메타 상태 머신이 소프트웨어로서 실행될 수 있는 적어도 1개의 추가 마이크로프로세서 코어를 포함한다.
계속해서 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예에서, 시스템은 프로그램 로더를 추가로 포함한다. 이 프로그램 로더는 작동 시작 시 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛에서 컨택터들을 구동하기 위한 제어 프로그램을 구성하도록 설계된다.
본 발명의 추가적인 장점 및 구성은 상세한 설명 및 첨부도면을 참조한다.
자명한 사실로서, 전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도, 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 구현예에서 컨택터 구동을 위한 상태 머신의 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 다른 구현예에서 트랙션 시스템을 제어하기 위한 메타 상태 머신의 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 실시예에서 트랙션 시스템의 블록도이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 구현예에서 컨택터 구동을 위한 상태 머신(100)의 도면을 도시한다. 관련 범례(9)에서 실선 화살표(4)는 상태 머신의 명령으로 인한 두 상태 간의 전환에 상응하고, 파선 화살표(5)는 프로세서 명령으로 인한 전환에 상응하며, 원(6)은 안정된 상태에 상응하고, 빗금이 채워진 파선 원(7)은 과도 상태에 상응하며, 파선 원(8)은 자체 선택된 지속기간을 갖는 차단된 지연 상태에 상응한다. 상태 머신(100)은 입력 동작(101)으로 "POWER_UP_DOWN" 작동 모드에서 시작되고, 상기 입력 동작에 의해 "PowerOnReset" 상태(10)가 취해진다. "PowerUp(또는 아이들)" 명령(111)에 의해 "CSCP" 상태(11)로 변경되고, 이 상태에서는 전력 공급을 위한 전류 센서의 테스트가 수행된다. 다음으로, 전원이 스위치온됨에 따라 추가 명령 "PowerUp(또는 아이들)"(112)에 의해 "아이들" 상태(20)로 변경되고, 그로부터 "PowerDown" 명령에 의해 "PowerOnReset" 상태(10)로 복귀할 수 있다. 트랙션 시스템은 스위치온된 상태로 "아이들" 상태(20)에서 각각의 작동 모드를 실행하기 위한 차량 총괄 시스템의 설정을 기다린다. "AC_CHARGING" 작동 모드의 설정 시에는, "AC 충전" 명령(123)에 의해 "CSCA" 상태(31)로 변경되고, 이 상태에서는 AC 전류를 이용한 AC 배터리의 충전 과정을 위한 전류 센서의 테스트가 수행된다. 에러 발생 시에는 "에러" 명령(131)에 의해 다시 "아이들" 상태(20)로 변경되고, 에러가 발생하지 않으면 "ACCh" 명령(133)에 의해 "ACCh" 상태(30)로 변경되며, 이 상태에서 AC 배터리의 AC 충전이 실시된다. AC 충전이 종료되면 "아이들" 명령(132)에 의해 다시 "아이들" 상태(20)로 변경되거나, 에러가 발생할 경우에 "에러" 명령(130)에 의해 먼저 "아이들" 상태로 변경된다. "DC_CHARGING" 작동 모드의 설정 시에는, "DC 충전" 명령(124)에 의해 "CSCD" 상태(41)로 변경되고, 이 상태에서는 DC 전류를 이용한 AC 배터리의 충전 과정을 위한 전류 센서의 테스트가 수행된다. 에러 발생 시에는 "에러" 명령(141)에 의해 다시 "아이들" 상태(20)로 변경되고, 에러가 발생하지 않으면 "DCCh" 명령(144)에 의해 "DCCh" 상태(40)로 변경되며, 이 상태에서 AC 배터리의 DC 충전이 실시된다. DC 충전이 종료되면 "아이들" 명령(142)이 다시 "아이들" 상태(20)로 변경되거나, 에러가 발생할 경우에 "에러" 명령(140)에 의해 먼저 "아이들" 상태(20)로 변경된다. "MOTOR" 작동 모드의 설정 시에는, "모터" 명령(125)에 의해 "CSCM" 상태(51)로 변경되고, 이 상태에서 모터 전류 센서에 관한 테스트가 수행된다. 에러 발생 시에는 "에러" 명령(151)에 의해 다시 "아이들" 상태(20)로 변경되고, 에러가 발생하지 않으면 추가적인 "모터" 명령(153)에 의해 자체 선택된 지속기간(158) 동안 유지되는 추가적인 "CSC2 모터" 중간 상태(52)로 변경된다. 에러가 있다면 "에러" 명령(156)에 의해 "PErrorT" 과도 상태(61)로 변경되며, 이 과도 상태에서는 에러의 존재에 대비되고 자체 선택된 지속기간(168)을 갖는 지연을 포함하는 "PError" 상태(60)로 변경되며, 마지막으로 프로세서 명령(126)이 주어질 때 "아이들" 상태(20)로 변경된다. 그러나 "CSC2 모터" 상태(52)에서 에러가 발생하지 않으면, "모터" 명령(154)에 의해 예를 들어 운전 동작이 실행될 수 있는 "모터" 상태(50)로 변경된다. 이러한 "모터" 상태(50)가 종료되면 "아이들" 명령(150)에 의해 다시 "CSC2 모터" 상태(52)로 변경되고, 그로부터 자체적으로 추가 "아이들" 명령(152)에 의해 다시 "아이들" 상태(20)로 변경될 수 있다. 그러나 "모터" 상태(50)에서도 에러가 발생할 수 있고, 그에 따라 "에러" 명령(165)에 의해 "PError" 상태(60)로 변경된다.
상태 머신(100)은 제어 프로그램에 의해 구현된다. 각각의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)에 대해 트랙션 시스템의 각각의 컨택터의 각각의 스위칭 위치가 표 1의 스위칭 테이블에 의해 정의되고, 제어 프로그램에 의해 제어된다. 이때, 제어 프로그램은 각각의 상태들(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61) 간의 전환을 위한 각각의 명령(111, 112, 121, 123, 124, 125, 126, 130, 131, 132, 133, 140, 141, 142, 144, 151, 152, 153, 154, 156, 165)에서 어떤 유형의 컨택터(S1, S2, S3, S4, S5, S9, S10, S11, S12, S13, S14)가 사용되어야 하는지(표 2 참조), 그리고 어느 스위칭 시간이 준수되어야 하는지(표 3 참조)를 고려한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 다른 구현예에서 트랙션 시스템을 제어하기 위한 메타 상태 머신(200)의 도면을 도시한다. 추가 범례(209)에서, 점선 화살표(206)에는 "IDLE" 상태(220)로의 전환이 할당되고, 파선 화살표(207)에는 "IDLE_ERROR" 상태(229)로의 전환이 할당되며, 일점쇄선 화살표(208)에는 "PREPARE_SHUTDOWN" 상태(290)로의 전환이 할당된다. 시작(201) 후에 메타 상태 머신(200)은 분기(202)를 가지고, 이 분기에서는 트랙션 시스템의 AC 배터리의 단일 모듈을 디버깅하기 위한 모드에 관한 결정이 내려진다. 변수(DBG_CB_TEST_SINGLE_MODULE_IS_ENABLED)가 "참"(203)인지 "거짓"(204)인지에 따라 각각의 분기가 실행된다. "참" 분기(203)가 실행되면, "DBG_SINGLE_CB" 상태 후에 "PREPARE_SHUTDOWN" 상태(290)에 바로 도달하거나, "UPDATE_CB" 상태(271) 및 "UPDATE_CC" 상태(272)를 거쳐 간접적으로 도달한다. "거짓" 분기(204)가 실행되면, 먼저 전원이 "PowerOnReset" 상태(210)에서 활성화되고, 그 후에 "BOOT_ERROR" 상태(219)가 취해지거나, 전류 센서가 "CSCP" 상태(211)에서 테스트된 후에 "IDLE" 상태(220)에 도달된다. "BOOT_ERROR" 상태(219)로부터 바로 "PREPARE_SHUTDOWN" 상태(290)에 도달하거나, "UPDATE_CB" 상태(271) 또는 "UPDATE_CC" 상태(272)를 거쳐 간접적으로 도달된다. 그러나 "DBG_HSB_CMD" 상태(281)로의 전환도 가능하며, 그로부터 "IDLE" 상태(220) 또는 "IDLE_ERROR" 상태(229)에 도달된다. 후자의 두 상태(220, 229)는 "DBG_PMSM" 상태로부터도 도달된다. 그러나 "IDLE_ERROR" 상태(229)로부터는 곧바로 다시 "PREPARE_SHUTDOWN" 상태(290)에 도달된다. "IDLE" 상태(220)로부터는 "AC_CHARGING"을 위한 작동 모드에 상응하는 "CSC_A" 상태(231), "ACCHG" 상태(230) 및 "ACCHG_ERROR" 상태(239)에 도달될 수 있다. 또한, "IDLE" 상태(220)로부터, "DC_CHARGING"을 위한 작동 모드에 상응하는 "CSC_D" 상태(241), "DCCHG_SER" 상태(242), "DCCHG_PAR" 상태(243), "DCCHG_DYN" 상태(244) 및 "DCCHG_ERROR" 상태(249)에 도달될 수 있다. "IDLE" 상태(220)로부터는 그 외에도 "MOTOR"를 위한 작동 모드에 상응하는 "CSC_M" 상태(251), "CSC2 MOTOR" 상태(252), "MOTOR_CHECK_STOP" 상태(258) 및 "MOTOR_ERROR" 상태(259)에 도달될 수 있다. 상기 해당 ERROR 상태들(239, 249, 259)은 모두 "PREPARE_SHUTDOWN" 상태(290)로 이어지고, 이 상태는 메타 상태 머신(200)의 "SHUTDOWN" 상태(291) 및 종료(299)로 이어진다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예에서 트랙션 시스템(300)의 블록도를 도시한다. 트랙션 시스템(300)은 본 발명에 따른 방법의 구현예에 의해 구동되는 컨택터들(S1 301, S2 302, S3 303, S4 304, S5 305, S9 309, S10 310, S11 311, S12 312, S13 313, S14 314)을 포함한다. 마찬가지로 트랙션 시스템(300)에 포함된 컨택터(S6 306)는 여기서 특별한 역할을 담당하는데, 그 이유는 상기 컨택터가 저전압 공급 DC-DC 전압 컨버터를 사전 충전하는 데에만 사용되고 컨택터들(S1 301, S2 302, S3 303, S4 304, S5 305, S9 309, S10 310, S11 311, S12 312, S13 313, S14 314)의 스위칭 위치와 안전 관련 관계를 갖지 않기 때문이다. 트랙션 시스템(300)은 또한 컨택터들(S1 301, S2 302, S3 303, S4 304, S5 305, S9 309, S10 310, S11 311, S12 312, S13 313, S14 314)을 구동하기 위한 단자(321), AC 배터리(360)로서의 모듈식 멀티레벨 컨버터를 위한 모듈 제어기(322), 에러 신호 라인들(323), CAN 게이트웨이(329)에 대한 인터페이스(324), 상전류 센서들(331)로부터의 신호 입력(325), 상전압 센서들(333)로부터의 신호 입력(326), 및 전류 센서들(331, 332)을 위한 제어 전류 루프(328)를 포함하는 제어기(320)를 포함한다. 게다가, 트랙션 시스템(300)은 상전류 센서들(331), 스타 포인트(star point) 전류 센서(332), 상전압 센서들(333), 전압 센서들(334), 절연 감시 장치(337) 및 저전압 공급 DC-DC 전압 컨버터(338), 그리고 다양한 퓨즈(F1 341, F2 342, F3 343, F4 344, F5 345, F6 346, F7 347, F8 348)도 포함한다. 계속하여, 트랙션 시스템(300)은 전기 모터(350)와; 3개의 상 "U(373), V(372) 및 W(271)"을 위한 3개의 모듈 스트링[U 모듈 스트링(363), V 모듈 스트링(362), W 모듈 스트링(361)] 형태의 제어식 모듈을 갖는 AC 배터리(360)로서의 모듈식 멀티레벨 컨버터;를 포함한다. 마지막으로, 트랙션 시스템(300)은 48V 외부 전원(380), DC 충전용 "DC 충전, 음극" 단자(381) 및 "DC 충전, 양극" 단자(382), AC 충전용 L1 라인 단자(385) 및 N 라인(389), 추가로 차량 접지 단자(387), 12V 차량 전기 시스템 단자(388), 코일(391), 및 차량 CAN 버스(399)로 연결되는 CAN 게이트웨이(329)의 단자를 포함한다.
표 1: 컨택터들의 스위칭 테이블
Figure pat00001
표 2: 사용된 컨택터 유형
Figure pat00002
표 3: 스위칭 시간 테이블
Figure pat00003
100 컨택터 구동을 위한 상태 머신
4 명령으로 인한 전환
5 IP 코어로 인한 전환
6 안정된 상태
7 과도 상태
8 자체 선택된 지속기간의 차단된 지연 상태
9 범례
10 PowerOnReset
11 CSCP: 전원 전류 센서 테스트
20 아이들(idle)
30 ACCh: AC 충전
31 CSCA: AC 전류 센서 테스트
40 DCCh: DC 충전
41 CSCD: DC 전류 센서 테스트
50 모터
51 CSCM: 모터 전류 센서 테스트
52 CSC2 모터
60 PError: 에러 상태 대비
61 PErrorT: 에러 상태 대비를 위한 과도 상태
101 입력 동작
111 PowerUp(또는 아이들)
112 PowerUp(또는 아이들)
121 PowerDown
123 ACCh: AC 충전 명령
124 DCCh: DC 충전 명령
125 모터
126 IP 코어에 의해 야기되는 전환
130 에러
131 에러
132 아이들
133 ACCh
140 에러
141 에러
142 아이들
144 DCCh
150 아이들
151 에러
152 아이들
153 모터
154 모터
156 에러
158 지연
165 에러
168 지연
200 메타 상태 머신
201 시작
202 분기
203 분기 DBG_CB_TEST_SINGLE_MODULE_IS_ENABLED 참
204 분기 DBG_CB_TEST_SINGLE_MODULE_IS_ENABLED 거짓
206 IDLE로의 전환 화살표
207 IDLE_ERROR로의 전환 화살표
208 PREPARE_SHUTDOWN로의 전환 화살표
209 범례
210 PowerOnReset
211 CSC_P
219 BOOT_ERROR
220 IDLE
229 IDLE_ERROR
230 ACCHG
231 CSC_A
239 ACCHG_ERROR
241 CSC_D
242 DCCHG_SER
243 DCCHG_PAR
244 DCCHG_DYN
249 DCCHG_ERROR
250 MOTOR
251 CSC_M
252 CSC2 MOTOR
258 MOTOR_CHECK_STOP
259 MOTOR_ERROR
271 UPDATE_CB
272 UPDATE_CC
281 DBG_HSB_CMD
282 DBG_SINGLE_CB
283 DBG_PMSM
290 PREPARE_SHUTDOWN
291 SHUTDOWN
299 종료
300 트랙션 시스템
301 컨택터(S1)
302 컨택터(S2)
303 컨택터(S3)
304 컨택터(S4)
305 컨택터(S5)
306 컨택터(S6)
309 컨택터(S9)
310 컨택터(S10)
311 컨택터(S11)
312 컨택터(S12)
313 컨택터(S13)
314 컨택터(S14)
320 제어기
321 컨택터 구동 단자
322 멀티레벨 컨버터용 모듈 제어기
323 에러 신호 라인
324 CAN 게이트웨이로 연결되는 인터페이스
325 신호 입력, 상전류 센서들
326 신호 입력, 상전압 센서들
328 제어 전류 루프, 전류 센서들
329 게이트웨이
331 상전류 센서들
332 스타 포인트 전류 센서
333 상전압 센서들
334 전압 센서들
337 절연 감시 장치
338 저전압 공급 DC-DC 전압 컨버터
341 퓨즈(F1)
342 퓨즈(F2)
343 퓨즈(F3)
344 퓨즈(F4)
345 퓨즈(F5)
346 퓨즈(F6)
347 퓨즈(F7)
348 퓨즈(F8)
350 전기 모터
360 AC 배터리: 모듈식 멀티레벨 컨버터
361 W 모듈 스트링
362 V 모듈 스트링
363 U 모듈 스트링
371 상(W)
372 상(V)
373 상(U)
380 48V 외부 전원
381 DC 충전, 음극
382 DC 충전, 양극
385 AC 충전, L1 라인
387 차량 접지 단자들
388 12V 차량 전기 시스템 단자
389 N 라인
391 코일
399 차량 CAN 버스

Claims (12)

  1. 트랙션 시스템(300)에서 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)을 구동하는 방법으로서, 상기 트랙션 시스템(300)은 AC 배터리(360); 전기 모터(350); 적어도 1개의 주변 유닛; 복수의 전압 및 전류 센서(331, 332, 333, 334); AC 배터리(360), 전기 모터(350) 및 적어도 1개의 주변 유닛으로의 전기적 연결부에 배치된 복수의 컨택터(301, 302, 303, 304, 305, 306, 309, 310, 311, 312, 313, 324); 그리고 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛을 구비한 제어기(320)로서, 상기 프로세서 유닛에서는 작동 시작 시 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)을 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되고, 구성 후에는 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)의 구동에 관한 고정 반도체 회로 구조가 상기 프로세서 유닛에 제공되는, 제어기(320);를 포함하며, 상기 트랙션 시스템(300)은 다수의 작동 모드를 가지고, 각각의 작동 모드는 차량 총괄 제어기에 의해 사전 설정되며, 각각의 작동 모드는 적어도 1개의 개별 목표 상태(10, 20, 30, 40, 50, 60) 및 적어도 1개의 중간 상태(11, 31, 41, 51, 52, 61)에 의해 형성되는 복수의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)를 가지고, 각각의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)는 트랙션 시스템(300)에 의해 각각의 명령(111, 112, 121, 123, 124, 125, 126, 130, 131, 132, 133, 140, 141, 142, 144, 151, 152, 153, 154, 156, 165)을 통해 각각의 상태들(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61) 간의 각각의 전환을 통해 취해지며, 트랙션 시스템(300)에는 각각의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)에 대해 스위칭 테이블 내의 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)의 각각의 스위칭 위치가 할당되고, 각각의 컨택터(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)에 대해 폐쇄 지속기간 및 개방 지속기간이 스위칭 시간 테이블에 저장되며, 상기 각각의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)에는 상태 머신(100)에 의해 확고하게 사전 설정된 시퀀스를 통해 도달되고, 상기 상태 머신(100)은 상기 제어 프로그램에 의해 구현되며, 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)은 상기 제어 프로그램에 의해 상기 스위칭 테이블에 따라 상기 스위칭 시간 테이블을 사용하여 제어되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 목표 상태(10, 20, 30, 40, 50, 60) 및 적어도 1개의 개별 중간 상태(11, 31, 41, 51, 52, 61)를 갖는 작동 모드들은 적어도 하기의 목록: 선행하는 "전원 센서 체크" 중간 상태(11) 이후 "아이들" 목표 상태(20)를 갖는 "POWER_UP_DOWN" 작동 모드, 선행하는 "모터 센서 체크"(51, 52) 이후 "모터" 목표 상태(50)를 갖는 "MOTOR" 작동 모드, 선행하는 "DC 전원 센서 체크"(41) 이후 "DC 충전" 목표 상태(40)를 갖는 "DC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "AC 전원 센서 체크"(31) 이후 "AC 충전" 목표 상태(30)를 갖는 "AC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "아이들 에러" 중간 상태 이후 "초기화" 목표 상태를 갖는 "ERROR" 작동 모드, 선행하는 "PowerDown" 중간 상태 이후 "오프" 목표 상태를 갖는 "SHUTDOWN" 작동 모드로부터 선택되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 1개의 주변 유닛은 절연 감시 장치(337), 저전압 DC-DC 전압 컨버터(338), 충전 커넥터, CAN 버스(399)로부터 선택되는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서 유닛으로서 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)가 선택되며, 상태 머신(100)은 VHDL 모듈을 사용하여 상기 제어 프로그램에 의해 하드웨어 프로그램으로서 상기 FPGA 상에 구현되는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛은, 상기 하드웨어-프로그래밍된 제어 프로그램에 의해 구현된 상태 머신(100)보다 상위 레벨의 메타 상태 머신(200)이 소프트웨어로서 실행되는 적어도 1개의 추가 마이크로프로세서 코어를 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)을 구동하기 위한 제어 프로그램은 작동 시작 시 프로그램 로더에 의해 상기 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛 상에 구성되는, 방법.
  7. 트랙션 시스템(300)에서 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)을 구동하는 시스템으로서, 상기 트랙션 시스템(300)은 AC 배터리(360); 전기 모터(350); 적어도 1개의 주변 유닛; 복수의 전압 및 전류 센서(331, 332, 333, 334); AC 배터리(360), 전기 모터(350) 및 적어도 1개의 주변 유닛으로의 전기적 연결부에 배치된 복수의 컨택터(301, 302, 303, 304, 305, 306, 309, 310, 311, 312, 313, 324); 그리고 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛을 구비한 제어기(320)로서, 상기 프로세서 유닛에서는 작동 시작 시 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)을 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되고, 구성 후에는 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)의 구동에 관한 고정 반도체 회로 구조가 상기 프로세서 유닛에 제공되는, 제어기(320);를 포함하며, 상기 트랙션 시스템(300)은 다수의 작동 모드를 가지고, 각각의 작동 모드는 차량 총괄 제어기에 의해 사전 설정되며, 각각의 작동 모드는 복수의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)를 가지고, 상기 복수의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)는 적어도 1개의 개별 목표 상태(10, 20, 30, 40, 50, 60) 및 적어도 1개의 중간 상태(11, 31, 41, 51, 52, 61)에 의해 형성되며, 복수의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61) 중 각각의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)는 트랙션 시스템(300)에 의해 각각의 명령(111, 112, 121, 123, 124, 125, 126, 130, 131, 132, 133, 140, 141, 142, 144, 151, 152, 153, 154, 156, 165)을 통해 각각의 상태들(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61) 간의 각각의 전환을 통해 취해질 수 있으며, 트랙션 시스템(300)에는 각각의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)에 대해 스위칭 테이블 내의 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)의 각각의 스위칭 위치가 할당되고, 각각의 컨택터(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)에 대해 폐쇄 지속기간 및 개방 지속기간이 스위칭 시간 테이블에 저장되며, 상기 각각의 상태(10, 11, 20, 30, 31, 40, 41, 50, 51, 52, 60, 61)에는 상태 머신(100)에 의해 확고하게 사전 설정된 시퀀스를 통해 도달될 수 있고, 상기 상태 머신(100)은 상기 제어 프로그램에 의해 구현되며, 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)은 상기 제어 프로그램에 의해 상기 스위칭 테이블에 따라 상기 스위칭 시간 테이블을 사용하여 제어될 수 있는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 목표 상태(10, 20, 30, 40, 50, 60) 및 적어도 1개의 개별 중간 상태(11, 31, 41, 51, 52, 61)를 갖는 작동 모드들은 적어도 하기의 목록: 선행하는 "전원 센서 체크" 중간 상태(11) 이후 "아이들" 목표 상태(20)를 갖는 "POWER_UP_DOWN" 작동 모드, 선행하는 "모터 센서 체크"(51, 52) 이후 "모터" 목표 상태(50)를 갖는 "MOTOR" 작동 모드, 선행하는 "DC 전원 센서 체크"(41) 이후 "DC 충전" 목표 상태(40)를 갖는 "DC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "AC 전원 센서 체크"(31) 이후 "AC 충전" 목표 상태(30)를 갖는 "AC_CHARGING" 작동 모드, 선행하는 "아이들 에러" 중간 상태 이후 "초기화" 목표 상태를 갖는 "ERROR" 작동 모드, 선행하는 "PowerDown" 중간 상태 이후 "오프" 목표 상태를 갖는 "SHUTDOWN" 작동 모드로부터 선택되는, 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 적어도 1개의 주변 유닛은 절연 감시 장치(337), 저전압 DC-DC 전압 컨버터(338), 충전 커넥터, CAN 버스(399)로부터 선택되는, 시스템.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서 유닛은 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)이며, 상기 상태 머신(100)은 VHDL 모듈을 사용하여 상기 제어 프로그램에 의해 상기 FPGA 상에 하드웨어로서 구현되는, 시스템.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛은, 상기 하드웨어-프로그래밍된 제어 프로그램에 의해 구현된 상태 머신(100)보다 상위 레벨의 메타 상태 머신(200)이 소프트웨어로서 실행될 수 있는 적어도 1개의 추가 마이크로프로세서 코어를 포함하는, 시스템.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 프로그램 로더를 추가로 포함하고, 상기 프로그램 로더는 작동 시작 시 상기 하드웨어-프로그래밍 가능 프로세서 유닛에서 컨택터들(301, 302, 303, 304, 305, 309, 310, 311, 312, 313, 314)을 구동하기 위한 제어 프로그램을 구성하도록 설계되는, 시스템.
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