KR20170070211A - 제1 동력 공급 경로에서 제2 동력 공급 경로로 전환하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

제1 동력 공급 경로에서 제2 동력 공급 경로로 전환하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 내의 하나 이상의 전기 기계의 동력 공급 경로들을 전환하는 방법으로, 상기 전기 기계는 동력 공급 경로들을 교대로 개방 및 폐쇄함으로써 제1 동력 공급 경로와 제2 동력 공급 경로 각각에 의해 선택적으로 동력이 공급되도록 배치되어 있고, 상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들은 동력 공급원을 상기 전기 기계의 제1 접속 터미널 수단에 연결하도록 배치되어 있는, 동력 공급 경로들을 전환하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 상기 제1 동력 공급 경로로부터 상기 제2 동력 공급 경로로 전환할 때, - 상기 제1 동력 공급 경로를 개방하는 단계; - 상기 전기 기계에 의해, 상기 제1 접속 터미널 수단의 터미널 전압을 실질적으로 상기 제2 동력 공급 경로의 동력 공급 전압으로 제어하는 단계; 및 - 상기 제2 동력 공급 경로를 폐쇄하는 단계;를 포함한다.

Description

제1 동력 공급 경로에서 제2 동력 공급 경로로 전환하기 위한 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR SWITCHING FROM A FIRST POWER SUPPLY PATH TO A SECOND POWER SUPPLY PATH}
본 발명은 차량에 관한 것으로, 특히 전기로 구동되는 차량의 동력 공급 경로들을 전환하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 본 발명에 따른 방법을 구현하는 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 프로그램 제품뿐만 아니라 차량에도 관한 것이다.
일반적으로 차량과 관련하여, 그리고 트럭, 버스 등과 같이 적어도 어느 정도의 중대형/상업용 차량과 관련하여, 연료 효율을 증가시키면서 배기가스 배출을 줄이는 것에 대한 연구 및 개발이 지속적으로 진행되고 있다.
이는 종종 적어도 부분적으로는 예컨대 도시 지역에서 오염 및 대기 질에 관한 정부 차원의 관심이 증대되는 것에 기인하며, 이는 많은 국가에서 다양한 배출 기준과 규정을 제정하게 하고 있다.
정부의 관심 외에도, 차량 운행과 관련된 주된 지출 중 하나가 차량을 추진하기 위한 연료의 소모이다. 중대형 차량의 사용 빈도가 종종 높아지고 있고, 이와 관련하여 연료 소모, 총 배출이 증가할 수 있으며, 연료비용이 차량 소유주의 수익성에 상당한 정도로 영향을 줄 수 있다.
이러한 점과 도로에서의 화물 운송이 계속해서 증가하여 전반적으로 배기물이 총체적으로 증대될 것으로 예측되는 것에 비추어 보면, 통상적인 연소 엔진 기술에 대한 대안이 고려되어야 한다.
예를 들어, 전기차와 하이브리드-전기차들이 광범위하게 연구 및 개발되고 있다. 이와 관련하여, 차량에서 나오는 불용한 배기가스를 추가로 줄이기 위한 시도로, 도로를 주행하는 차량들이 철도를 주행하는 차량들과 매우 유사한 방식으로 대전(electrification)될 수 있도록 하기 위해, 도로의 대전이 현재 고려되고 있다. 도로에서 동력이 인가되는 차량의 사용은 예컨대 차량들이 의지에 따라 도로 파워 네트워크에 연결되고 분리되게 하고, 예컨대 비-대전 도로를 주행할 때에는 하이브리드-전기 차에 연소 엔진이 사용될 수 있어서, 유연성이 유지되는 동시에 차량 배기가스를 실질적으로 줄일 수 있는 잠재력이 있다.
예를 들어, 팬터그래프 같은 전류 콜렉터에 의해 차량이 오버헤드 동력 공급장치에 연결되는 경우, 오버헤드 파워 라인 시스템이 사용되어, 외부 동력원에 의해 차량으로 전력을 인가할 수 있게 된다.
본 발명의 목적은 전기 기계에 동력을 제공하는 동력 공급 경로들 간의 전환을 부드럽게 할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것으로, 일 실시형태에 따르면, 동력 공급 경로들이 서로 다른 수준의 안전성(safety)으로 전기 기계에 동력을 전달할 수 있도록 배치되어 있다. 이 목적은 청구항 제1항에 따른 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 차량 내의 하나 이상의 전기 기계의 동력 공급 경로들을 전환하는 방법으로, 상기 전기 기계는 동력 공급 경로들을 교대로 개방 및 폐쇄함으로써 제1 동력 공급 경로와 제2 동력 공급 경로 각각에 의해 선택적으로 동력이 공급되도록 배치되어 있고, 상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들은 동력 공급원을 상기 전기 기계의 제1 접속 터미널 수단에 연결하도록 배치되어 있는, 동력 공급 경로들을 전환하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 상기 제1 동력 공급 경로로부터 상기 제2 동력 공급 경로로 전환할 때,
- 상기 제1 동력 공급 경로를 개방하는 단계;
- 상기 전기 기계에 의해, 상기 제1 접속 터미널 수단의 터미널 전압을 실질적으로 상기 제2 동력 공급 경로의 동력 공급 전압으로 제어하는 단계; 및
- 상기 제2 동력 공급 경로를 폐쇄하는 단계;를 포함한다.
상기에 따르면, 전기 도로에서 주행하는 차량들이 연소 엔진의 배기가스를 감소시키는 데에 사용될 수 있다. 그러나, 외부 동력 공급원에서 전기 도로에서 주행하는 차량들로 동력을 공급할 때에는 반드시 고려해야 하는 안전성 문제가 있다. 예를 들면, 그러한 차량들은 차량의 구동 휠들을 추진하기 위한 동력을 제공하기 위한 전기 기계를 포함하고, 이 차량은 전기 차량 또는 하이브리드-전기 차량일 수 있는데, 예를 들어 전기 동력을 이용할 수 없을 때에는 연소 엔진이 추진 동력을 제공하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 종류의 차량에서, 전기 기계는 통상적으로 연소 엔진 및/또는 차량 구동 트레인의 컴포넌트들에 연결되어 있고, 이들 컴포넌트들은 일반적으로 차량 섀시에 전기 접속되어 있어서 전기 기계가 차량 섀시에도 전기적으로 연결될 수 있게 되어 있다. 전기 기계는 연소 엔진과 유사하게 전기적으로 연결되는 방식으로 차량 섀시와 관련하여 현가되어(suspended) 있다.
그러나, 차량 섀시가 통상 차량 전기 시스템에 그라운드 접속되는 기능을 구비하고 있기는 하지만, 차량 섀시 그 자체로는 예컨대 절연성 고무 타이어로 인해 지면에 접지되어 있지 않다. 철도 주행 차량들은 통상적으로 지면에 적절하게 연결되어 있는 철도 트랙과 금속 휠들이 접촉함으로써 지면에 접속되어 있다는 점에서 도로 주행 차량과 철도 주행 차량은 다르다. 차량 전기 시스템이 저 전압 시스템인 경우, 차량 외부에 있는 사람이 전도성 차량 섀시에 접촉할 때, 접지 오류(ground fault)는 사람에 거의 영향을 주지 않거나 영향을 주더라도 미미하다.
예컨대 오버헤드 동력 라인들에 의해 동력이 제공되는 것과 같이 고 전압을 제공하는 외부 동력 공급원에 의해 도로 주행 차량이 동력을 공급받는 경우, 동력 공급 전압은 수백 볼트 단위일 수 있다. 차량에 탑승하고 있는 사람이 위험해질 가능성은 작지만, 이 정도의 전압에서 접지 오류가 발생하면 예컨대 차량 외부에 있는 사람이 우연히 고 전압 차량 섀시에 접촉하여 그 사람이 지면에 연결된다면 치명적인 결과가 발생할 수 있게 된다. 이러한 이유로, 그러한 상황이 발생하지 않도록 하기 위해서는 안전 시스템 예컨대 접지 오류 검출 시스템이 사용되어야만 한다.
이러한 안전 시스템은 구동 트레인을 차량 외부 동력 공급 시스템에 대해 전기적으로 절연시키는 것을 포함할 수 있다. 그러나 특히 차량이 외부 동력 시스템으로부터 동력을 공급받는 경우, 그러한 안전 시스템은 고 동력에서도 작동할 수 있어야 하며, 이에 따라 보호 시스템이 커지고(bulky) 고비용(expensive)으로 된다. 일 실시형태에 따르면, 본 발명은 그러한 안전 시스템을 사용할 때의 단점이 줄어든 시스템에 관한 것으로, 다른 상황에서 다른 안전성 대책을 제공하는 다른 동력 공급 경로들이 사용된다.
예를 들면, 차량이 정지되어 있거나 저속으로 움직일 때, 외부 동력 공급 시스템과 관련하여 전기 절연을 제공하는 보호 시스템을 통해 전기 기계가 동력을 공급받도록 배치될 수 있다. 다른 한편으로, 차량이 고속으로 주행하고 차량 외부의 사람 또는 물체가 지면에 접촉하고 있는 동시에 우연히 차량 섀시에 접촉할 가능성이 낮은 경우에는, 안전 예방책을 취할 필요성이 줄어들 수 있고, 중간의 전기 절연을 제공하지 않고서 동력이 외부 동력원으로부터 직접 인가될 수 있다. 결과적으로, 이러한 종류의 시스템에 따르면, 전기 기계는 2개의 다른 동력 공급 경로들을 사용하여 동력을 공급받을 수 있다. 그러나, 2개의 다른 동력 공급 경로들을 사용하는 것은 본질적으로 이들 동력 공급 경로들 간의 전환(switching)이 필요하다는 것을 의미하고, 이러한 전환은 종종 동력 소모가 큰 상황에서 수행되어야 하며, 구동 트레인에 원치 않은 충격(jolt)/저크(jerk)를 부과하지 않거나 차량 컴포넌트들에게 불편한 영향 또는 과도한 스트레스를 부과하지 않는 방식으로 수행되어야 한다는 것을 의미한다.
본 발명에 따르면, 제1 동력 공급 경로로부터 제2 동력 공급 경로로 전환할 때에 바람직하지 않은 영향들이, 현재 활성화된 동력 공급 경로를 개방하는 시스템 및 방법에 의해 감소될 수 있다. 즉, 회로가 더 이상 완전하지 않도록 전도 회로(conducting circuit)가 분리되거나 활성화된 공역 공급원과 전기 기계 간의 전류 전도 경로가 예컨대 적당한 전환 수단의 개방 즉 분리/해제에 의해 전도 회로가 개방되며, 전기 기계를 사용하여 전기 기계의 터미널 전압이 제2 동력 공급 경로의 전압으로 조절되는 시스템 및 방법에 의해 감소될 수 있다. 터미널 전압이 제2 동력 공급 경로의 전압과 실질적으로 같아질 때, 제2 동력 공급 경로가 폐쇄 즉 완전해지거나, 또는 적당한 전환 수단의 폐쇄에 의해 즉 연결에 의해 제2 동력 공급원과 전기 기계 사이의 전류 전도 경로가 확립되며, 전기 기계는 제2 동력 공급 경로에 의해 동력을 공급받게 된다. 개시되어 있는 유형의 동력 공급 경로들은 종종 서로 다른 동력 공급 전압을 구비하며, 본 발명에 따른 전압의 동기화(synchronization)는 바람직하지 않은 충격/저크에 대한 위험을 실질적으로 감소시킨다.
바람직한 실시형태에 따르면, 전기 기계의 터미널 전압은 전기 기계의 전압, 토크 및 속도 중 하나 이상을 제어하는 데에 사용되는 인버터 드라이브의 터미널 전압이다. 통상의 기술자라면 인지하는 바와 같이, 전기 기계의 회전은 본래 인버터 드라이브의 터미널 전압에 영향을 주게 된다.
차량의 전압과 다른 전압을 갖는 외부 동력 공급원으로 전환할 때, 예컨대 팬터그래프 같은 전류 컬렉터와 외부 동력 공급원의 동력 라인들 사이에 전기 아크 및/또는 스파크가 종종 발생한다. 이러한 전기 아크 및/또는 스파크는 전류 컬레턱 표면을 침식시켜서 컴포넌트의 사용 수명을 감소시킨다. 본 발명은 그러한 전기 아크 및/또는 스파크 발생 가능성을 감소시켜, 컴포넌트들의 마모도 감소시킨다.
본 발명의 추가의 특징들과 이점들이 첨부된 도면들과 아래에 기재되어 있는 바람직한 실시형태의 상세한 설명에 적시되어 있다.
도 1a는 예시적인 도로-동력공급식 전기 차량의 파워 트레인을 설명하는 도면이다.
도 1b는 차량 제어 시스템 내의 예시적인 제어 유닛을 설명하는 도면이다.
도 2는 개별 동력 공급 경로의 예시적 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 예시적 실시형태를 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 실시형태를 설명하는 도면이다.
이하에서 본 발명은 병렬식 하이브리드 차량에 대하여 예시될 것이다. 그러나 본 발명은 동력 공급원(power source)의 전환이 수행되는 어떠한 하이브리드 전기 차량에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 병렬식 하이브리드 차량 및 직렬식 하이브리드 차량에도 적용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 발명은 복수의 전기 기계들을 구비하는 하이브리드 차량에서 동력 공급 경로를 전환하는 데에 적용될 수 있다. 전기 기계들은 직접적으로 및/또는 예컨대 유성 기어들과 같은 트랜스미션 부재들에 의해 예컨대 분리될 수 있다. 본 발명은 하나 이상의 유성 기어들을 구비하는 임의의 전기 하이브리드 차량에 적용될 수 있고, 파워-스플릿 하이브리드 차량과 직렬-병렬 하이브리드 차량에도 적용될 수 있다. 본 발명은 전기 차량에도 적용될 수 있다.
도 1a는 예시적인 도로-동력공급식 전기 차량(100)의 파워 트레인을 개략적으로 묘사하고 있다. 도 1a의 차량(100)은 병렬식 하이브리드 차량(100)이다. 도 1a의 병렬식 하이브리드 차량의 파워 트레인은 통상적인 방식으로 엔진(101)의 출력 샤프트에 의해 클러치(106)를 경유하여 기어박스(103)에 연결되어 있는 연소 엔진(101)을 포함한다. 이 연소 엔진(101)은 제어 유닛(115)을 통해 차량의 제어 시스템에 의해 제어된다. 예컨대 자동으로 작동하는 클러치일 수 있는 클러치(106)와 기어박스(103)도 제어 유닛(116)을 사용하여 차량의 제어 시스템에 의해 제어된다.
차량은 클러치(106) 하류에, 기어박스(103)의 입력 샤프트(109)에 연결되어 있는 전기 기계(110)를 구비하는 하이브리드 부분을 추가로 포함함으로써, 클러치(106)가 개방되어 있을 때에도 기어박스 입력 샤프트(109)가 전기 기계(110)에 의해 구동될 수 있다. 이에 따라 병렬식 하이브리드 차량은 2개의 별개의 동력 공급원 즉 연소 엔진(101)과 전기 기계(110) 모두로부터 동시에 힘을 구동 휠들(113, 114)에 제공할 수 있다. 이와는 다르게, 이 차량은 한 번에 하나의 동력 공급원에 의해 즉 연소 엔진(101)과 전기 기계(110) 중 어느 하나에 의해 추진될 수도 있다.
하이브리드 부분은 추가의 컴포넌트들도 포함한다. 도 1a는 그러한 컴포넌트들 부분을 묘사하고 있으며, 전기 기계(110), 상기 전기 기계(110)를 제어하기 위한 인버터 드라이브(119), 하나 이상의 배터리(111)와 같은 에너지 저장장치 및 하이브리드 부분의 기능을 제어하는 하이브리드 제어 유닛(112)을 나타내고 있다. 또한, 도 1a는 예컨대 오버헤드 동력 라인으로 연결하기 위한 예컨대 팬터그래프 같은 전류 컬렉터(117)를 개략적으로 도시하고 있다. 차량(100)은 동력 공급 경로를 전환하기 위한 전환 시스템(switching system)(118)도 포함하고 있으며, 이에 대해서는 아래에서 설명한다.
전술한 바와 같이, 차량의 기능들은 일반적으로 많은 제어 유닛들에 의해 제어되며, 현대 차량의 제어 시스템은 일반적으로 복수의 전자 제어 유닛(ECU)들 또는 컨트롤러들을 차량에 탑재되어 있는 다양한 컴포넌트들에 연결하기 위한 하나 이상의 통신 버스들로 이루어진 통신 버스 시스템을 포함한다. 이러한 제어 시스템은 아주 많은 제어 유닛들을 포함할 수 있으며, 특정 기능의 제어가 이들 둘 이상의 제어 유닛들 간에 분배될 수 있다.
단순함을 위해, 도 1a는 제어 유닛들(112, 115-116)만을 묘사하고 있지만, 통상의 기술자라면 인지하고 있는 바와 같이, 도시되어 있는 종류의 차량(100)에는 상당히 더 많은 제어 유닛들이 제공되어 있다. 제어 유닛들(112, 115-116)은 상기 통신 버스 시스템을 통해 서로가 통신할 수 있다.
본 발명은 임의의 적당한 제어 유닛에서 구현될 수 있으며, 도시되어 있는 실시예에서 본 발명은 차량의 하이브리드 부분을 제어하기 위해 제어 유닛(112)에서 구현된다. 그러나 본 발명이 다른 임의의 적당한 제어 유닛에서 구현될 수도 있다. 본 발명에 따른 동력 공급 경로 전환의 제어는 다른 제어 유닛들 및/또는 차량 컴포턴트들로부터 수신되는 신호들에 따라 종종 달라지며, 일반적으로 도시되어 있는 타입의 제어 유닛은 통상 차량(100)의 다양한 부분들로부터 센선 신호를 수신하기에 적합한 것이 일반적인 케이스이다. 도시되어 있는 타입의 제어 유닛들은 차량의 다양한 부분들과 컴포넌트들에 제어 신호를 전달하기에도 적합한 것이 일반적이다. 예를 들면, 하이브리드 구동 시스템의 제어 외에도, 제어 유닛(112)은 동력 공급 경로의 개방과 폐쇄를 제어하기 위한 제어 신호를 제공하기도 한다.
상기 제어는 종종 프로그래밍된 명령들에 의해 제어된다. 프로그래밍된 명령들은 일반적으로 컴퓨터 프로그램으로 구성되어 있으며, 이 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터 또는 제어 유닛에서 실행될 때, 컴퓨터/제어 유닛이 본 발명에 따른 방법 단계들과 같은 소망하는 제어를 실행하도록 한다. 컴퓨터 프로그램은 일반적으로 컴퓨터 프로그램(126)이 저장 매체(121)에 저장되어 있는 적당한 저장 매체(121)(도 1b 참조)를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 구성한다. 컴퓨터 프로그램은 상기 저장 매체 상에 비-휘발 방식으로 저장될 수 있다. 상기 디지털 저장 매체(121)는 예컨대 ROM(Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), EPROM(Erasable PROM), 플래쉬 메모리, EEPROM(Electrically Erasable PROM), 하드 디스크 유닛 등을 포함하는 그룹에서 선택된 임의의 것으로 구성될 수 있으며, 제어 유닛 내에 배치되거나 제어 유닛과 연관되어 배치되어 제어 유닛에 의해 컴퓨터 프로그램이 실행된다. 컴퓨터 프로그램의 명령을 변조함으로써, 차량의 거동이 특정 상황에 적합하게 될 수 있다.
예시적인 제어 유닛(제어 유닛(112))이 도 1b에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 제어 유닛은 프로세싱 유닛(120)을 포함할 수 있으며, 이 프로세싱 유닛은 예를 들면 디지털 신호 처리용 회로(DSP: Digital Signal Processor) 또는 소정의 특정 기능을 구비한 회로(ASIC: Application Specific Integrated Circuit)와 같은 임의의 적당한 유형의 프로세서 또는 마이크로컴퓨터로 구성될 수 있다. 프로세싱 유닛(120)은 메모리 유닛(121)에 연결되어 있고, 메모리 유닛은 예를 들어 프로세싱 유닛(120)이 계산을 수행하는 데에 필요한 저장 프로그램 코드(126) 및/또는 저장 데이터를 프로세싱 유닛(120)에 제공한다. 메모리 유닛(121) 내에 최종 계산 결과 또는 중간 계산 결과를 저장할 수 있도록 계산 유닛(120)도 배치된다.
또한, 제어 유닛(112)에는 입력 신호와 출력 신호 각각을 송수신하기 위한 장치들(122, 123, 124, 125)이 장착되어 있다. 이들 입력 신호와 출력 신호는 계산 유닛(120)에 의해 처리하기 위한 정보로서 검출될 수 있는 입력 신호를 장치들(122, 125)이 수신하는 파형, 펄스 또는 다른 어트리뷰트를 포함할 수 있다. 계산 유닛(120)에서 나온 계산 결과를 차량 제어 시스템의 다른 부분 및/또는 신호들을 사용하기 위한 컴포넌트(들)로 송신하기 위한 출력 신호로 변화할 수 있도록 출력 신호를 송신하기 위한 장치들(123, 124)이 배치되어 있다. 입력 및 출력 신호 각각을 송수신하기 위한 장치들에 대한 연결들 각각 그리고 모든 연결들은 하나 이상의 케이블, CAN(Controller Area Network) 버스, MOST(Media Oriented Systems Transport) 버스 또는 다른 임의의 버스 구성 같은 데이터 버스, 하나 이상의 무선 연결로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도로-동력인가식 전기 차량과 관련하여, 고려해야할 필요가 있는 추가의 안전 측면이 있다. 본 발명에 따르면, 이는 다양한 동력 공급 경로들을 사용함으로써 달성되는데, 이 다양한 동력 공급 경로들은 다양한 상황에서 다른 안전 대책을 발휘하는 데에 사용된다.
도 2는 도 1a에 도시되어 있는 실시형태를 기재하고 있으며, 특히 동력 공급 경로들을 더 상세하게 기재하고 있다. 도 2에서, 전류 컬렉터, 이 실시예에서는 팬터그래프(117)가 외부 동력 공급원으로부터 동력을 공급받는 오버헤드 동력 라인들(201, 202)에 연결되어 있다. 이 실시예에서, 동력 공급원은 비교적 전압이 높은 예컨대 300-1000V 단위의 전압을 공급하는 직류 동력 공급원이다. 도 2에 도시되어 있는 시스템은 DC-DC 컨버터를 추가로 포함하며, 이 DC-DC 컨버터(203)의 입력 측(203A)과 출력 측(203B) 사이에는 절연(galvanic isolation)되어 있고, 이에 따라 외부 동력 공급원과 전기 기계 사이가 절연되어 있다. 계속해서 DC-DC 컨버터(203)의 출력 측(203B)은 에너지 저장장치(111)에 연결되어 있으며 그 결과 에너지 저장장치(111)가 충전될 수 있다. DC-DC 컨버터(203)의 출력 측(203B)은, 제1 스위치(SW1)를 사용하여 인버터 드라이브(119)에 연결되고/인버터 드라이브(119)로부터 분리됨으로써 전기 기계(110) 인버터 드라이브(119)에 선택적으로 연결될 수 있도록 배치되어 있다. 그 결과로, 인버터 드라이브(119)를 통해 전기 기계(110)가 스위치 SW1을 통하는 제1 동력 공급 경로에 의해 에너지 저장장치(111) 및/또는 DC-DC 컨버터(203)를 통해 외부 동력 공급원으로부터 동력을 공급받을 수 있게 된다. DC-DC 컨버터(203)는 외부 동력 공급원과는 다른 동력 예컨대 더 낮은 전압의 동력을 출력 측(203B)에 공급하도록 추가로 배치된다. 예를 들어 팬터그래프(117)와 동력 라인들(201, 202)의 연결이 해지될 때 및/또는 차량이 외부 동력 공급원을 이용할 수 없는 도로를 따라 주행하기 위해 차량이 전기 도로를 떠날 때, 전기 기계(110)는 에너지 저장장치(111)로부터 동력을 공급받을 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 시스템은 전기 기계(110)에 동력을 제공하기 위한 제2 동력 공급 경로를 추가로 포함한다. 제2 동력 공급 경로는 팬터그래프(117)로부터 제2 스위치(SW2)를 통해 인버터 드라이브(119)로 동력을 직접 제공하며, 그 결과 제2 동력 공급 경로도 전기 기계(110)에 선택적으로 연결될 수 있도록 배치되어 있다.
전술한 바와 같이, 도로를 주행하는 차량은 철로를 주행하는 차량에 비교해 보면 다른 문제들에 직면하게 되는데, 이는 도로 주행 차량은 예컨대 고무 타이어로 인해 지반에 튼튼하게 연결되지 않는 반면 철도 차량의 경우 트랙이 지반에 대한 견고한 연결을 제공하기 때문이다. 궁극적으로 이는 제2 동력 공급 경로 즉 스위치 SW2를 통해 차량에 동력을 제공한다는 것은 오버헤드 동력 라인들(201, 202)과 전기적으로 절연되어 있지 않은 전기 기계(110)에 동력 공급을 제공한다는 것을 의미한다. 이러한 이유로, 차량 섀시의 전위(potential)가 지상의 전위와 다르게 되는 접지 오류가 발생하는 경우, 차량 바깥에서 지상과 관련되어 차량 섀시와 접촉하며 서 있는 사람은 위험해질 수 있으며, 잠재적으로 치명적인 전압이 차량 섀시를 통과하게 된다.
이러한 이유로, 도 2의 제2 동력 공급 경로에 의한 동력 공급 경로를 차량이 예컨대 정지되어 있을 때 사용하기에는 적절하지 않은데, 이는 접지 오류가 발생하는 경우, 섀시와 지상 모두와 연관되어 서 있는 사람이 위험에 빠질 수 있기 때문이다. 이러한 이유로, 도 2와 관련하여 기재된 첫 번째 유형의 동력 공급 경로 즉 DC-DC 컨버터(203)를 통한 동력 공급 경로가 그런 상황에 사용되어 위험한 상황이 발생하지 않게 할 수 있다. 그러나, 기재되어 있는 종류의 DC-DC 컨버터(203)는, 만약 이 동력 공급 경로가 전기 기계에 동력을 제공하는 데에 독점적으로 사용되는 경우, DC-DC 컨버터(203)가 비교적 높은 동력 특히 중대형 차량을 추진하는 경우에는 매우 높은 동력을 취급해야 한다는 단점이 있다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 일 실시형태에 따르면, 도 2에 도시되어 있는 유형의 시스템은, 제1 동력 공급 경로 즉 DC-DC 컨버터(203)를 통한 동력 공급 경로가 사용되는, 차량이 정지되어 있을 때 및/또는 제1 제한 속도(Vlim1) 미만의 속도로 움직일 때 사용될 수 있다.
예를 들어, 제1 제한 속도(Vlim1)는 사람이 적어도 다른 이유 예컨대 차량의 속도로 인해 큰 위험에 빠질 위험이 없고, 사람이 차량 섀시와 지상에 동시에 접촉하기 어려운 속도로 설정될 수 있다. 차량 속도가 상기 제1 제한 속도(Vlim1)를 초과할 때, 동력 공급이 제2 동력 공급 경로 즉 도 2에서 스위치 SW2를 통한 경로로 전환되어 인버터 드라이버(119)를 통해 전기 기계가 외부 동력 공급원으로부터 직접 동력을 제공받게 된다. 결과적으로 이 시스템을 사용한다는 것은, DC-DC 컨버터가 변환할 수 있는 최대 동력이 사용 중인 차량이 외부 동력 공급원으로부터 소모하는 최대 동력보다 상당히 낮게 설정되게 하는 DC-DC 컨버터(203) 크기로 될 수 있다는 것을 의미한다.
전술한 사항에 따르면, 본 발명은 전기 기계에 동력을 전달하기 위해 다른 동력 경로들 간에 경로를 전환하는 방법을 제공한다. 본 발명의 제1 예시적 실시형태(300)가 도 3에 도시되어 있으며, 이는 제1 동력 공급 경로(DC-DC 컨버터(203)를 통한)로부터 제2 동력 공급 경로로 전환하는 것을 예시한다.
단계 301에서, 차량이 제1 동력 공급 경로 즉 DC-DC 컨버터(203)를 통해 동력을 공급받는 지를 판단한다. 차량이 제1 동력 공급 경로에 있지 않는 한은 이 방법은 단계 301에 머물러 있다. 단계 301에서 차량이 제1 동력 공급 경로를 통해 동력을 공급받는 것으로 판단되는 경우, 이 방법은 차량 속도 Vvehicle가 상기 제1 차량 속도 Vlim1보다 큰 지를 판단하는 단계 302를 수행한다. 차량 속도 Vvehicle가 상기 제1 차량 속도 Vlim1보다 크지 않은 경우, 이 방법은 단계 301로 복귀한다. 차량 속도 Vvehicle가 제1 차량 속도 Vlim1를 초과할 때, 이 방법은 계속해서 단계 303을 수행한다.
단계 303에서, 전기 기계(110)에 의해 발생된 토크가 제로이거나 거의 제로인 토크 T1으로 감소되어서, 제1 동력 공급 경로에 의해 소모되는 동력이 거의 제로로 감소하게 된다. 그런 다음, 이 방법은 전기 기계(110)에 의해 발생된 토크가 충분한 정도로 감소되었는지를 여부를 판단하는 단계 304를 수행한다. 예를 들어, 동력 공급이 끊겼을 때 차량 구동 트레인이 바람직하지 않은 충격이나 손실을 받지 않는 것으로 판단되는 어느 정도 비교적 낮은 토크 혹은 제로 토크로 감소되도록 토크가 배치될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 단계 303에서 감소될 토크로부터 적어도 토크 레벨의 최대 10%인 토크 T1로 감소된다. 단계 305에서 도 2의 스위치 SW1이 개방됨에 따라 제1 동력 공급 경로가 분리된 후에 토크가 소망하는 정도로 감소될 때까지 이 방법은 단계 304에 머물러 있다.
이는 도 4a 내지 도 4d에도 예시되어 있는데, 도 4a는 전기 기계에 의해 발생된 토크를 도시하고 있고, 동력 공급 경로들의 전환이 수행될 것으로 판단되는 시점 A에서, 전기 기계에 의해 발생된 토크의 감소가 시작된다. 토크가 충분히 낮은 정도로 감소되는 도 4a의 시점 B에서 스위치 SW1이 단계 305에 따라 개방된다. 이것이 도 4c에 도시되어 있다. 도 4b는 전기 기계 인버터 드라이브(119)의 현재 터미널 전압을 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 유사한 전압으로 전기 기계(110)에 동력을 제공하는 데에 2개의 동력 경로들이 반드시 필요한 것이 아니고, 제1 및 제2 동력 공급 경로가 서로 다른 전압을 제공하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제2 동력 공급 경로가 제1 동력 경로보다 높은 전압 또는 낮은 전압을 제공하도록 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 제2 동력 공급 경로가 제1 동력 공급 경로의 전압 UDCDC보다 더 높은 전압 UGRID를 제공하도록 배치되어 있다. 도 4d로부터도 알 수 있듯이, 전기 기계(110)가 스위치 SW1을 통해 제1 동력 공급 경로에 의해 동력을 제공받는 동안 스위치 SW2는 개방되어 있다. 단계 305에서 스위치 SW1을 개방하여 제1 동력 공급 경로가 분리되는 경우, 이 방법은 인버터 드라이브(119)의 접속 터미널의 전압이 제2 동력 공급 경로 즉 현재의 전압 상류 스위치 SW2의 전압 UGRID로 조절되는 단계 306으로 이어진다. 전기 기계(110) 및 가끔은 인버터 드라이브(119)에 의해 전압이 조절될 수 있고, 이는 전기 기계에 의해 유도되는 전압을 적절하게 스위치하거나 및/또는 전기 기계에 의해 소모되는 동력을 조절하거나 또한 적당한 전환에 의해 인버터 드라이브 터미널 전압을 조절할 수 있으며, 이에 따라 인버터 드라이브 접속 터미널의 전압이 감소된다.
터미널 전압은 차량 구동 트레인에 양의 토크 또는 음의 토크를 가하여 전기 기계를 사용하여 제어된다. 일반적으로, 인버터 드라이브(119)의 터미널 전압을 원하는 전압으로 제어하는 데에 필요한 에너지는 비교적 작기 때문에 쉽게 달성될 수 있다. 전압이 증가하는 경우, 본 실시예에서와 같이, 전기 기계(110)는 회생 제동을 적용하도록 제어되고, 반대로 전압이 감소하는 경우 전기 기계는 예컨대 인버터 드라이브의 커패시터로부터 에너지를 소모하는 양의 토크를 가하도록 제어되어 전압이 감소한다. 전술한 바와 같이, 요구되는 에너지가 종종 작으며, 이는 도 4a에서 시점 B와 C 사이의 약간 음인 토크로 나타내어 있다.
단계 307에서, 인버터 드라이브(119)의 접속 터미널들의 전압이 원하는 전압으로 증가한 것으로 판단되는 경우, 외부 동력 공급원과 인버터 드라이브(119)가 직접 연결되도록 하기 위해 단계 308에서 스위치 SW2가 닫힌다. 이것이 도 4d에서 포인트 C로 표기되어 있다. 단계 309에서, 전기 기계(110)에 의해 발생된 토크가 요청된 토크 예컨대 동력 공급 경로를 전환하기 전에 발생된 토크로 증가된다. 이는 도 4a에서 시점 C 및 D 사이에 표기되어 있으며, 이에 따라 차량이 제2 동력 공급 경로로부터 동력을 사용하여 구동된다. 이 방법은 단계 310에서 종료된다.
본 발명은 차량 구동 트레인에 거의 혹은 전혀 과도 특성(transient behavior)을 부과하지 않아서 차량 컴포넌트들 등에 충격이나 다른 스트레스를 가할 위험을 거의 감소시키는 동력 공급 경로를 전환하는 방법을 제공한다. 운전자의 관점에서, 도 4a 내지 도 4c에 따른 동력 공급 경로들 간의 전환은 부드럽고 예컨대 자동화된 매뉴얼 트랜스미션(AMT) 기어박스에서의 기어변속같이 기어박스(103)에서 통상적으로 이루어지는 기어 변속과 매우 유사한 것으로 느껴질 것이다. 실제로, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 본 발명에 따라 동력 공급 경로를 전환할 때, 기어박스(103)에서 기어들의 변속을 제어할 때 사용되는 소프트웨어 루틴과 동일하거나 유사한 소프트웨어 루틴이 사용될 수 있다. 전기 기계에 의해 전달되는 토크를 감소/증가시킬 때의 램프 함수(ramp function)는 통상의 기술자에게 자명한 바와 같이 임의의 적절한 외관을 취할 수 있도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 램프 기능이 도 4a에서와 같이 선형일 수 있지만, 램프 기능이 예컨대 지수 함수로도 구성될 수 있고, 또는 예컨대 다른 토크 레벨에 대해 사용되는 다른 램프 함수들의 조합일 수도 있다. 동력 공급 경로들의 전환이 부드럽고 쾌적하게 이루어지도록 하기 위해, 램프 함수는 구동 트레인에서 제어되는 방식으로 비틀림을 해제하도록 설계될 수 있다.
또한, 도 3, 도 4a 내지 도 4d에 예시되어 있는 방법은, 차량의 동력의 필요성이 증가하고 동력 공급 경로와 관련하여 보다 높은 안전 대책이 필요한 제1 동력 공급 경로로부터 동력 공급 경로로 동력 공급 경로의 전환이 이루어질 때의 동력 공급 경로들의 전환에 관한 것이다. 그러나 이 방법은 상황이 위와 반대인 경우에도 동등하게 적용될 수 있으며, 예컨대 차량이 감속되어 속도가 감소되는 결과 상대적으로 높은 안전 대책이 수행되어야 하는 동력 공급 경로로 전환될 때에도 사용될 수 있다. 전술한 실시예와 관련하여, 터미널 전압은 증가하는 대신 전기 기계에 의해 전압 UGRID로부터 전압 UDCDC로 감소되게 된다.
또한, 제2 동력 공급 경로 즉 본 실시예에 따르면 외부 동력 공급 경로가 제1 동력 공급 경로의 전압 UDCDC보다 낮은 전압 UGRID를 가질 수 있다. 이 경우, 동력 공급 경로들을 전환할 때, 차량의 동력에 대한 요구가 증가하는 것에 의해 전압이 증가하지 않고 감소하게 될 것이다. 반대로, 이 경우에 있어서, 예컨대 동력에 대한 요구가 감소하는 것에 의해 동력 공급 경로를 전환할 때 전압이 증가하게 될 것이다.
또한, 본 발명은 전기 기계가 다른 동력 공급 경로에 의해 선택적으로 동력을 공급받을 수 있는 어떠한 상황에도 적용될 수 있다. 특히 동력 공급 경로들의 공급 전압이 다를 때 즉 차량이 외부 동력 공급원에 의해 동력을 공급받도록 배치되어 있는 차량인지 와는 관계없이 모든 상황에 적용될 수 있다. 이에 따라 동력 공급 경로가 다른 안전 대책을 제공하도록 배치될 필요가 없다.

Claims (17)

  1. 차량 내의 하나 이상의 전기 기계의 동력 공급 경로들을 전환하는 방법으로, 상기 전기 기계는 동력 공급 경로들을 교대로 개방 및 폐쇄함으로써 제1 동력 공급 경로와 제2 동력 공급 경로 각각에 의해 선택적으로 동력이 공급되도록 배치되어 있고, 상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들은 동력 공급원을 상기 전기 기계의 제1 접속 터미널 수단에 연결하도록 배치되어 있는, 동력 공급 경로들을 전환하는 방법에 있어서,
    상기 방법은, 상기 제1 동력 공급 경로로부터 상기 제2 동력 공급 경로로 전환할 때,
    - 상기 제1 동력 공급 경로를 개방하는 단계;
    - 상기 전기 기계에 의해, 상기 제1 접속 터미널 수단의 터미널 전압을 실질적으로 상기 제2 동력 공급 경로의 동력 공급 전압으로 제어하는 단계; 및
    - 상기 제2 동력 공급 경로를 폐쇄하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접속 터미널 수단이 상기 전기 기계를 제어하는 인버터 드라이브의 접속 터미널 수단인 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인버터 드라이브가, 상기 전기 기계의 전압, 상기 전기 기계에 의해 전달되는 토크, 상기 전기 기계의 회전 속도 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제1 동력 공급 경로가 제1 동력 공급 전압을 구비하고, 상기 제2 동력 공급 경로는 제2 동력 공급 전압을 구비하되, 상기 제2 동력 공급 전압과 상기 제1 동력 공급 전압은 다른 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 전기 기계를 제어하는 상기 인버터 드라이브를 사용하여 상기 제1 접속 터미널의 상기 터미널 전압을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동력 공급 경로를 분리하기 전에,
    - 상기 전기 기계에 의해 전달되는 토크를 제1 토크(T1)로 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 토크(T1)가 거의 제로 토크이거나 또는 적어도 토크의 상기 감소가 시작될 때 상기 전기 기계에 의해 전달되는 토크의 최대 10%인 토크인 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 동력 공급 경로가 연결될 때,
    - 상기 전기 기계에 의해 전달되는 토크를 상기 전기 기계로부터 요청되는 토크로 증가시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 동력 공급 경로를 분리하기 전에,
    - 상기 전기 기계에 의해 전달되는 상기 토크를 램프 함수에 따라 감소 및/또는 증가시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    차량 속도가 제1 차량 속도 미만일 때 제1 및 제2 동력 공급 경로들 중 하나의 동력 공급 경로가 사용되고, 차량 속도가 상기 제1 차량 속도일 때 혹은 상기 제1 차량 속도를 상회할 때 상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들 중 다른 하나의 동력 공급 경로가 사용되는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    차량이 움직이고 있을 때, 차량이 차량 외부 동력 공급원에 연결되어 있고, 상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들 중 적어도 하나가 상기 차량 외부 동력 공급원으로부터 동력을 제공하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들 중 하나의 동력 공급 경로가 상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들 중 다른 동력 공급 경로보다 차량 섀시 전압 오류와 관련하여 더 높은 안전성을 제공하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제1 접속 터미널 수단의 상기 터미널 전압을 상기 전기 기계가 상기 제1 동력 공급 경로와 상기 제2 동력 공급 경로로부터 분리될 때 실질적으로 상기 제2 동력 공급 경로의 동력 공급 전압으로 제어하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 방법.
  14. 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램으로, 상기 프로그램 코드가 컴퓨터에서 실행될 때, 상기 컴퓨터가 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램.
  15. 컴퓨터-판독가능 매체와 제14항에 따른 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로, 상기 컴퓨터-판독가능 매체 내에 상기 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  16. 차량 내의 하나 이상의 전기 기계의 동력 공급 경로들을 전환하는 시스템으로, 상기 전기 기계는 동력 공급 경로들을 교대로 개방 및 폐쇄함으로써 제1 동력 공급 경로와 제2 동력 공급 경로 각각에 의해 선택적으로 동력이 공급되도록 배치되어 있고, 상기 제1 및 제2 동력 공급 경로들은 동력 공급원을 상기 전기 기계의 제1 접속 터미널 수단에 연결하도록 배치되어 있는, 동력 공급 경로들을 전환하는 시스템에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 제1 동력 공급 경로로부터 상기 제2 동력 공급 경로로 전환할 때,
    - 상기 제1 동력 공급 경로를 개방하기 위한 수단;
    - 상기 전기 기계를 사용하여, 상기 제1 접속 터미널 수단의 터미널 전압을 실질적으로 상기 제2 동력 공급 경로의 동력 공급 전압으로 제어하기 위한 수단; 및
    - 상기 제2 동력 공급 경로를 폐쇄하기 위한 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 공급 경로들을 전환하는 시스템.
  17. 제16항에 따른 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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