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KR100568728B1 - 배터리 충전 상태에 의존하는 가변 효율 회생 제동을 갖는 전기차량의 작동 방법 - Google Patents

배터리 충전 상태에 의존하는 가변 효율 회생 제동을 갖는 전기차량의 작동 방법

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Publication number
KR100568728B1
KR100568728B1 KR1019980050084A KR19980050084A KR100568728B1 KR 100568728 B1 KR100568728 B1 KR 100568728B1 KR 1019980050084 A KR1019980050084 A KR 1019980050084A KR 19980050084 A KR19980050084 A KR 19980050084A KR 100568728 B1 KR100568728 B1 KR 100568728B1
Authority
KR
South Korea
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charge
batteries
traction
traction motor
battery
Prior art date
Application number
KR1019980050084A
Other languages
English (en)
Other versions
KR19990045485A (ko
Inventor
아서 폴 라이온스
티모시 마이클 그루
Original Assignee
배 시스템즈 컨트롤즈 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 배 시스템즈 컨트롤즈 인코포레이티드 filed Critical 배 시스템즈 컨트롤즈 인코포레이티드
Publication of KR19990045485A publication Critical patent/KR19990045485A/ko
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Publication of KR100568728B1 publication Critical patent/KR100568728B1/ko

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Abstract

전기 차량은 그 작동이 종래의 내연기관 동력 차량의 작동에 일치되도록 제어된다. 어떤 실시예들에서, 보조 전기 공급원에 의한 그리고 발전 제동에 의한 배터리들의 충전은 배터리들이 부분적인 충전과 완전 충전 사이의 충전 상태에 있을 때 크기 면에서 경사지는데, 충전의 크기는 배터리 충전의 상대적인 상태에 관련된다. 견인 전동기 수요와 보조 전기 공급원으로부터 이용 가능한 에너지 사이의 부족분은 배터리들의 상태에 의존하는 양으로 배터리들로부터 공급되는데, 배터리들이 완전 충전에 가까울 때는 완전한 양의 부족분이 공급되고 배터리들이 방전 상태에 가까울 때는 적은 에너지가 공급되거나 아무 에너지도 공급되지 않는다. 배터리들의 충전 상태가 거의 완전 충전과 거의 완전 방전 사이에 있을 때, 배터리들은 충전 상태에 단조롭게 의존하는 양의 에너지를 공급한다. 배터리들이 완전 충전에 가까울 때는 회생 제동 동안 보조 공급원으로부터의 배터리 충전이 감소된다. 회생 제동 동안 되돌아오는 에너지 양의 제어는 발전기로 작동되는 견인 전동기의 변환 효율을 제어하는 것에 의해 이루어질 수 있다.

Description

배터리 충전 상태에 의존하는 가변 효율 회생 제동을 갖는 전기 차량의 작동 방법{METHOD OF OPERATING AN ELECTRIC VEHICLE WITH VARIABLE EFFICIENCY REGENERATIVE BRAKING DEPENDING UPON BATTERY CHARGE STATE}
본 발명은 혼성 전기 차량(hybrid electric vehicle)들의 작동 및 작동 특성들을 간단하고 효과적으로 하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.
혼성 전기 차량은 저공해 차량(low-polluting vehicles)들 중 가장 실용적인 것들 중 하나로 널리 인식되고 있다. 혼성 전기 차량은 차량의 바퀴들을 구동하는 견인 전동기(electric traction motor)에 전력을 공급하는 "견인" 배터리(electric "traction" battery)를 포함하고 있다. 혼성 전기 차량의 "혼성"적인 면은 차량이 작동하는 동안 견인 배터리를 재충전하기 위한 전기에너지의 이차 공급원 내지 보충적인 공급원을 사용하는 것에 있다. 이 전기에너지 이차 공급원은 태양전지판(solar panel), 연료전지(fuel cell), 내연기관에 의해 구동되는 발전기일 수 있고, 또는 일반적으로 임의의 다른 전기에너지 공급원일 수 있다. 내연기관이 전력의 이차 공급원으로 사용되는 때는, 그것은 보통 적은 연료를 사용하고 적은 공해를 생성하는 비교적 작은 기관이다. 그에 수반되는 하나의 장점은 그러한 작은 내연기관은 제한된 분당회전수(RPM) 범위에서 작동될 수 있고, 그 결과 엔진의 공해 제어가 최적화될 수 있다는 것이다. 전기에너지의 공급원을 설명하기 위하여 사용되는 "일차(primary)" 와 "이차(secondary)"라는 용어는 단지 작동 중에 에너지가 분배되는 방식에 관한 것이고, 본 발명에 근본적으로 중요하지는 않다. 전기적인 배터리들에 의해서만 동력을 공급받는 단순한 전기 구동 차량은 차량이 배터리 충전소로부터 멀리 떨어져 있는 상황에서 배터리들이 고갈될 수 있는 단점을 가지며, 설사 그러한 차량이 하루의 사용을 마치고 성공적으로 차고로 복귀한 때라도 그 다음에 배터리들이 재충전되어야만 하는 단점을 가진다. 혼성 전기 차량은 단순한 전기 동력 차량에 대하여 다음과 같은 중요한 장점 즉, 혼성 전기 차량은 작동 중에 그 자체의 배터리들을 재충전하며, 그에 따라 통상적으로 어떠한 외부적인 배터리 충전도 요구되지 않는다는 장점을 가진다. 그러므로, 혼성 전기 차량은 연료의 보충만이 요구되는, 내연기관에 의해 동력을 공급받는 일반적인 차량에 거의 유사하게 사용될 수 있다. 혼성 전기 차량의 또 다른 주요한 장점은 우수한 연비(fuel mileage)이다. 연비상의 장점은 회생 발전 제동(回生 發電 制動)(regenerative dynamic braking)의 사용으로부터 발생되는데, 이 회생 발전 제동은 제동의 적어도 일부 동안 운동의 운동에너지를 전력으로 변환하고, 그 에너지를 배터리로 되돌린다. 도시 운송 환경에서 차량이 겪는 전체 마찰 손실의 거의 절반이 제동 손실(braking losses)로 인한 것임이 알려져 있다. 이 50 % 의 에너지를 회수하여 앞으로의 사용을 위해 배터리들로 돌려주는 것에 의해 회생 제동(regenerative braking)이 사용되지 않는 경우보다 훨씬 작은 "이차" 연료-작동(fuel-operated) 전기 발전기를 사용하는 것이 가능하다. 그리고, 더 작은 이차 전기 공급원을 사용하는 것은 단위 시간 또는 단위 주행거리 당 사용되는 연료를 줄이는 결과를 낳는다. 혼성 전기 차량의 또 다른 장점은 많은 상황에서, 차량을 가속하기 위하여 사용 가능한 동력은 배터리들에 의해 공급될 수 있는 최대 동력과 이차 전기 발전기에 의해 생성될 수 있는 최대 동력의 합이 된다는 것이다. 상기 전기 발전기가 디젤 동력(diesel-powered) 내연기관인 경우, 배터리 동력과 디젤 동력의 결합은 연비(fuel mileage)가 우수하면서도 꽤 상당한 구동력(motive force)을 제공할 수 있다.
혼성 전기 차량이 경제적으로 그리고 환경적으로 유리하지만, 널리 호응을 얻기 위해서는, 그 작동과 운전자 입력 조작에 대한 응답에서 종래의 내연기관 동력 차량들과 유사해야만 한다는 점에서, 다소간 "단순 명료(foolproof)" 해야만 한다.
본 발명의 목적은 회생 제동과 관련하여 차량의 작동과 운전자 입력 조작에 대한 응답에서 종래의 내연기관 동력 차량들과 유사하게 작동 및 작동 특성들이 간단하고 효과적으로 되는 혼성 전기 차량의 작동 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 전기 차량의 적어도 하나의 구동 바퀴를 구동하기 위하여 또한 제동 중에 차량의 운동을 전기에너지로 변환하기 위하여 연결되는 견인 전동기를 포함하는 전기 차량을 작동시키는 하나의 방법은, 배터리들이 완전 충전 상태보다 적은 제1 충전 상태 이하의 충전 레벨에 있을 때, 발전기로 작동되는 견인 전동기의 최대 효율로, 제동하는 동안 견인 전동기로부터의 거의 모든 에너지를 상기 배터리들로 되돌리는 단계를 포함한다. 추가적인 단계들은 상기 배터리들이 상기 제1 충전 상태와 상기 완전 충전 상태 사이의 충전 레벨에 있을 때, 제동하는 동안 상기 견인 전동기로부터의 상기 에너지 모두 보다 작은 에너지를 상기 배터리들로 되돌리기 위하여, 상기 견인 전동기의 효율을 최대 효율과 제로 효율 중간인 중간 레벨로 조정하는 것과, 배터리들이 완전 충전 상태에 이르렀을 때 상기 견인 전동기로부터의 상기 에너지의 최소한의 양을 상기 배터리들로 되돌리기 위하여 상기 견인 전동기의 효율을 가능한 만큼 또는 편리한 만큼 제로 효율에 가깝게 조정하는 것을 포함한다. 본 발명의 이러한 태양의 특정 형태에서는, 발전기로 작동되는 견인 전동기의 효율을 조정하는 단계는 견인 전동기의 슬립 주파수를 변화시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 이러한 태양의 또 다른 특정 형태에서는, 발전기로 작동되는 견인 전동기의 효율을 조정하는 단계는 견인 전동기의 필드 권선 내의 전류를 변화시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 이러한 태양의 또 하나의 다른 특정 형태에서는, 발전기로 작동되는 견인 전동기의 효율을 조정하는 단계는 견인 전동기의 하나의 권선을 통하여 직류 전류를 통과시키는 단계를 포함한다.
도 1에서, 전기 차량(10)은 교류 전압 견인 전동기(alternating voltage electric traction motor)(40)에 연결된 적어도 하나의 구동 바퀴(12)를 포함하는데, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 교류 전압 견인 전동기는 3상 교류 전동기이다. 전동기(40)는, 발전 제동 중에 운동(motion)의 운동에너지(kinetic energy)가 전기에너지로 변환될 수 있도록, 공지된 것과 같은 전동발전기(motor-generator)인 것이 바람직하다. 동력 제어기(14)가 동력 조종 경로(power-handling path)에 의해 견인 전동기(40)와 20으로 도시된 견인 배터리 및 블록(16)으로 도시된 보조 전기에너지 공급원으로 연결되어 있다. 블록(16)에 도시된 바와 같이, 보조 공급원은 전기 발전기(22)를 구동하는 디젤기관(18)과 같은 내연기관을 포함할 수 있고, 또는 연료전지(24)를 포함할 수 있다. 블록(50)으로 도시된 명령 제어기는 적당한 제어 규칙(control laws)에 따라 동력 제어기(14)와 보조 공급원(16) 및 견인 전동기(40)의 작동을 제어하기 위하여, 정보 경로(information path)에 의해 동력 제어기(14)와 보조 공급원(16) 및 견인 전동기(40)에 연결되어 있다.
비교적 높은 동력을 저장할 수 있는 배터리들 중 가장 일반적이고 저렴한 일 형태는 보통의 납/황산 배터리를 포함한다. 이 종류의 배터리는, 전해액 가스 발생 및 바람직하지 않은 열 발생을 방지하기 위해 배터리가 완전 충전되었을 때 충전 전류가 배터리에 가해지는 것을 막기 위하여 약간의 주의를 기울이고, 또 황산화(sulfation)가 방지될 수 있다면, 전기 차량에서의 사용에 적합하다.
도 1에서, 차량(10)의 디스플레이 및 운전자 조종 장치들은 블록(30)으로 도시되어 있다. 블록(30)은, 구동 명령(driving command)들을 명령 제어기(50)에 가하기 위하여, 양방향 데이터 경로(bidirectional data path)(31)에 의해 명령 제어 블록(50)에 연결된 것으로 도시되는데, 그 다음에 명령 제어기(50)는 그 구동 명령들을 동력 제어기(14), 보조 공급원(16) 그리고 견인 전동기(40)와 같은 다양한 동력 요소들로의 적당한 명령들로 변환할 수 있다. 블록(30)은 또한, 브레이크 페달에 연결된 종래의 유압 제동 시스템에 의해 직접 마찰 브레이크를 제어하기 위하여, 경로(32)에 의해 마찰 브레이크(36a,36b)로 연결된 것으로 도시된다.
도 2는 도 1의 동력 제어기(14)의 요소들 중 일부와 도 1의 다른 요소들간의 상호 연결을 나타낸다. 보다 상세하게는, 동력 제어기(14)는 보조 공급원(16)에 연결된 정류기 장치(rectifier arrangement)(26)를 포함하는데, 이는 (만약 필요하다면) 보조 공급원(16)의 교류 출력을 직류 전압으로 변환하기 위한 것이다. 동력 제어기(14)는 또한 양방향 추진 제어 시스템을 포함하는데, 그것은 또 동력 연결에 의해 배터리(20), 정류기 장치(26) 그리고 견인 전동기(40)에 연결되는 직류-교류 인버터(dc-to-ac inverter)(28)를 포함한다. 인버터(28), 보조 공급원(16) 그리고 견인 전동기(40)의 작동은 상기한 바와 같이 명령 제어기(50)에 의해 제어된다. 추진 제어 시스템은 전동기/발전기, 배터리 그리고 보조 전기 공급원의 다양한 작동 파라미터들을 감지하기 위하여, 직류-교류 인버터(28)에 외에도, 전압 및 전류 센서들을 포함한다는 것에 주의하여야 한다.
도 1 및 도 2의 장치의 기초 작동에서, 명령 제어기(50)는 펄스 폭 변조 명령(pulse-width-modulated command)으로 인버터(28)의 각각의 스위치들(미도시)을 제어하고, 이에 의하여 인버터(28)의 견인 전동기(40)에 연결된 포트(28m)에서, 선택된 주파수와 크기를 갖는 교류 전압의 근사(approximation)가 생성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 인버터는 필드 지향 명령(field oriented command)(FOC) 형이고, 견인 전동기는 유사하게 FOC 유도 전동기이다. 견인 전동기(40)를 구동하기 위하여 지령이 내려진 교류 전류의 주파수와 크기는, 상기 견인 전동기가 선택된 전동기 속도에서 선택된 견인 전류로 구동될 수 있도록 정해진다. 일반적으로, 견인 전동기(40)는 전동기 속도 증가와 더불어 증가하는 역기전력(back EMF)을 생성하고, 인버터는 동일한 견인 전동기 구동 전류를 유지하기 위하여 (명령 제어기(50)의 제어 하에) 교류 전압 주파수의 증가와 더불어 크기가 증가하는 교류 전압을 생성해야만 한다. 전동기는 인버터 출력의 명령된 주파수에 일치하는 주파수로 회전한다. 도 1 및 도 2의 전기 차량과 같은 전기 차량의 기초 작동에서는 또한, 발전 제동(dynamic braking)과 마찰 제동(friction braking)이 모두 수행될 수 있다. 차량이 감속될 때, 차량의 운동에 내재하는 (운동)에너지가 전기 발전기로서 작동하는 견인 전동기에 의해 재포획되므로 발전 제동이 훨씬 바람직하다. 발전 제동이 일어나는 간격들 동안, 도 2의 직류-교류 인버터(28)는, 이차 또는 회생 방향으로 작동하여, 견인 전동기(40)에 의해 생성된 교류 전압을 견인 배터리(20)를 충전하는 직류 전압으로 변환한다. 또, 전기 차량이 보조 전기 공급원(16)을 포함하는 혼성 전기 차량인 때는, 명령 제어기(50)의 명령들에 따라, 배터리들을 다시 채우기 위해 및/또는 견인 에너지의 일부를 제공하기 위해 그 보조 공급원이 차량이 작동하는 동안 작동될 수 있다.
전기 차량이 발전 제동을 사용하는 정상 모드로 작동되고 배터리들이 완전히 충전된 때는, 발전 제동은 이미 충전된 배터리를 통과하여 전류가 흐르게 한다는 것이 발견되었다. 납 배터리(lead-acid battery)의 특성들은, 완전히 충전된 배터리에 충전 전류를 가하는 이러한 상황에서는, 배터리 전압이 명목상 12 볼트 배터리에서 13 볼트의 완전히 충전된 무전류값(no-current value)으로부터 16 볼트에 가까운 값으로 되는 것과 같이 현저히 상승하려는 경향을 가지며, 그에 의해 과충전 상태가 발생했다는 표시를 명령 제어기에 제공한다. 만약 명령 제어기가 발전 제동에 의해 생성된 에너지를 배터리로부터 분리(배터리를 보호하기 위해 반드시 분리되어야 함)하면, 배터리 전압은 즉시 그것의 완전히 충전된 무전류값으로 떨어진다. 그리고 이는 발전 제동 제어기가 과전압 제어가 일어날 때까지 다시금 배터리에 에너지를 공급하기 시작하도록 허용한다. 이는 명령 제어기의 루프 특성들에 의해 정해지는 펄스 반복수(pulse rate)의 주기적 발전 제동 적용으로 귀결되고, 펄스 간격의 일부 동안 배터리를 과충전하기 쉽게 됨과 아울러 감지 가능한 브레이크 채터(brake chatter)를 생성한다. 상기 과충전과 채터는 모두 바람직하지 않다.
도 3a와 도 3b는 함께 본 발명의 일면에 따른 제어 규칙을 도시하는데, 그것은 견인 배터리들이 완전 충전보다 적은 특정한 충전량보다 적은 충전 상태에 있는 간격들 동안에는 발전 제동으로부터 나오는 에너지가 견인 배터리들로 완전히 회생(regeneration)되거나 되돌려지게 하고, 상기 특정한 충전과 완전 충전 사이에 있는 견인 배터리 충전 수준에서는, 소정의 충전과 완전 충전 사이의 충전 차이에 관계되는 그 당시 존재하는 충전 상태의 함수의 방식으로 발전 제동으로부터 나오는 회생된 에너지의 비율을 점차로 감소시킨다. 본 발명의 일실시예에서는, 그 관계는 단조형(monotone)이고, 그리고 그 관계는 선형적일 수 있다. 도 3a에서, 그래프(310)는 본 발명의 일 태양에 따른 제어 규칙을 따르는 견인 배터리 충전 상태의 함수로 회생량을 보인 것이다. 보다 상세하게는, 그래프(310)는 100 % 회생 또는 가능한 한 100 %에 가까운 회생을 나타내는 어떤 발전 제동 회생값을 일정하게 갖는 부분 312를 규정한다. 완전 충전에서는, 발전 제동으로부터 나오는 에너지의 회생량이 제로로 또는 가능한 한 제로에 가깝게 감소된다. 그래프(310)에 의해 나타내어진 제어 규칙은 또한 두 번째 부분(314)를 포함하는데, 그 부분은 "제1 충전"으로 명명된 소정의(predetermined) 견인 배터리 충전 레벨에서의 100 % 회생으로부터 견인 배터리의 완전 충전에서의 제로 회생으로 단조롭게 경사진다. 차량의 회생 견인 또는 제동에 대한 효과가 견인 배터리 충전 상태의 함수로서 도 3b의 그래프(320)에 의해 도시된다. 도 3b에서, 그래프(320)는 견인 배터리의 저충전 레벨로부터 "제1" 충전 레벨까지 최대 회생 견인을 나타내는 일정한 값으로 연장되는 첫 번째 부분(322)을 포함한다. 그래프(320)의 두 번째 부분(324)은 "제1" 충전에서의 100 % 로부터 완전 충전에서의 0 % 로 단조롭게 경사지는 회생 견인을 나타낸다. 그래프(310, 320)의 314 와 324 부분들이 각각 선형 경사들로 도시되었지만, 제어 목적을 위해서는 314 와 324 부분가 단조형태이기만 하면 충분하다. 견인 배터리 충전 상태가 천천히 변하므로, 그리고 그에 따라 회생 제동의 양이 천천히 변화하므로, 이러한 발전 제동에서의 단조감소는 자동차의 운전자에게는 감지되지 않는다. 회생 제동이 천천히 변하므로, 마찰 제동들은 동적 제동과 요구되는 제동력간의 임의의 결손을 점차로 점한다. 이는 단순히 배터리들이 완전 충전되었을 때 회생을 중지함으로써 제어 규칙이 단순히 견인 배터리를 과충전으로부터 보호할 때 명백하게 나타나는 채터(chatter)를 감소시키게 된다.
도 4 는 도 3a 및 도 3b에 의해 나타내어진 결과를 발생시키는 도 1의 제어 프로세서(50)를 제어하는 제어 규칙의 부분(400)을 보이는 단순화된 흐름도이다. 도 4에서, 논리는 시작 블록(410)에서 시작하고, 온도, 전압, 전류와 같은 견인 배터리 팩(도 1 의 20) 파라미터들을 측정하고 또한 시각을 적어두는 것을 나타내는 블록(412)으로 진행한다. 이들 파라미터들의 표본들(samples)은 도 4의 루프를 통과하는 논리의 각각의 반복과 같은 주기적인 샘플링 간격들에서 얻어질 수 있다. 논리 블록(412)으로부터, 논리는, 배터리로 들어간 전하량을 결정하고 배터리를 떠난 전하량을 감산함으로써 견인 배터리의 충전 상태를 평가하는 것을 나타내는 블록(414)로 흘러간다. 이 전하의 단위는 앰프아워(amphour)이다. 일단 견인 배터리의 충전 상태에 대한 평가가 되면, 논리는, 현재의 평가된 견인 배터리 충전 상태와 도 3a와 도 3b의 "제1 충전" 레벨로 나타내어지는, 완전 충전보다 낮은 소정의 값을 비교하는 결정 블록(416)으로 흘러간다. 만약 결정 블록(416)이 견인 배터리의 평가된 충전 레벨이 제1 충전 레벨보다 작은 것으로 판단하면, 논리는 "예" 출력에 의해 결정 블록(416)을 떠나고, 완전한 회생 제동 에너지 내지 동력이 사용되는 것을 허용하는 것을 나타내는 추가적인 블록(418)으로 진행한다. 블록(418)에서 취해지는 작용은, 예를 들면, 견인 전동기(발전기 모드로 작동하는)의 전기 출력을 최대화하기 위해 제동 중에 견인 전동기의 필드 전류를 조정한다. 일정한 종류의 전동기/발전기는 구별되는 필드 권선(distinct field windings)을 갖지 않고, 복수개의 권선을 가져 그 중 하나의 권선이 다른 권선의 제어된 전류에 의해 유도되는 요구 전류(desired current)를 갖도록 되며, 본 발명의 목적을 위해서는, 필드 전류가 생성되는 방식은 무관하며, 요구되는 양만큼 생성되기만 하면 충분하다. 블록(418)으로부터, 논리는 다시 블록(412)으로 흘러가서 루프를 도는 또 다른 반복(iteration)을 시작한다. 혼성 전기 차량이 이 상태에서 구동될 때, (보조 내연기관/발전기에 의한) 견인 배터리와 차량의 운동을 포함하는 에너지 저장 시스템 내로의 연속적인 에너지의 주입에 의해 견인 배터리는 종종 더 완전히 충전되게 된다.
결국은, 견인 배터리의 충전 상태는 도 3a 및 도 3b에 도시된 "제1 충전" 레벨을 초과한다. 그 때, 도 4의 논리 루프(400)로 나타내어지는 미리 프로그램된 논리 부분을 도는 도 1의 제어기(50)의 논리의 반복은 변화되는데, 왜냐하면 논리 흐름은 결정 블록(416)의 "예" 출력을 향하게 되는 것이 아니라 "아니오" 출력을 향하게 되기 때문이다. 결정 블록(416)의 "아니오" 출력으로부터, 논리는 추가적인 블록(420)으로 흘러가게 되는데, 그 블록은 차량의 운동에너지의 형태로 이용 가능한 회생 동력 또는 에너지의 크기의 감소를 나타내되, 완전 충전과 도 3a 및 도 3b의 제1 충전 간의 차이에 대한 현재의 충전값에 역관계 내지 역비례로 감소하는 것을 나타낸다. 그러므로, 만약 현재의 충전 상태가, 도 3a 및 도 3b에서 Cc 로 도시된 바와 같이, 제1 충전과 완전 충전 사이의 70 % 에 위치한다면, 회복되어 배터리로 연결되도록 허용되는 운동에너지의 양은 30 % 이다. 현재의 충전 레벨이 100 % 에 이르면, 허용되는 회생은 0 % 이다. 상기한 바와 같이, 발전기로서 작동하는 견인 전동기로부터의 에너지 또는 동력의 연결 제어는 단순히 필드 지향 제어 교류 전동기(field oriented controlled alternating current motor)에서의 구동의 명령 토크(command torque of the drive)를 조절함으로써 이루어질 수 있다. 본 발명의 한 실시예에서는, 발전기로서 작동하는 전동기에 의해 생성되어 견인 배터리로 되돌아가는 동력의 양을 제어하기 위하여 상기 토크는 속도에 비례하여 감소된다.
지금까지 기술한 바와 같이, 도 4의 논리는 견인 배터리의 충전 상태에 따라 회생을 제어한다. 이는 발전기로서 작동하는 견인 전동기에 의해 차량에 작용하는 속력을 늦추는 힘(retarding force)은 제동하는 동안 감소된다는 것을 의미한다. 회생 제동을 사용하는 전기 차량의 이점 중 한가지는 모든 제동을 수행하기 위해 마찰 제동이 요구되지는 않고, 그에 따라, 예를 들어 구조를 경량으로 만드는 것과 같이, 디자인이나 구조에 있어서 마찰 제동을 덜 사용하는 이점이 활용될 수 있다는 것이다. 도 4의 논리와 관련하여 지금까지 기술한 바와 같이, 발전 제동은 견인 배터리의 어떠한 충전 상태 하에서는 감소된다. 회생 제동이 감소되는 그러한 때에 추가적인 제동을 제공하기 위해서, 본 발명의 다른 면에 따르면, 논리는 도 4의 블록(420)으로부터 추가적인 블록(422)으로 흘러가는데, 그 블록은 발전기로 작동하는 견인 전동기의 효율의 감소를 나타낸다. 발전기로 작동하는 견인 전동기의 이 효율의 감소는 필드 권선에서의 전류를 조절하거나 슬립(slip)을 조절하는 것에 의해, 또는 바람직하게는 둘 모두를 조절하는 것에 의해 달성될 수 있다. 도 4의 블록(422)으로부터, 논리는 논리(400)을 통과하는 또는 루프를 도는 또 다른 반복을 시작하기 위하여 블록(412)으로 복귀한다.
지금까지 기술한 바와 같이, 채터(chatter) 내지 불균일한 성능(uneven performance)은 완전히 충전된 배터리를 추가적인 충전으로부터 보호하는 것으로부터 야기된다. 유사한 결과가 거의 방전된 배터리로 가속할 때에 발생한다. 도 1의 차량(10)을 가속하는 동안, 견인 배터리(20)와 보조 내지 이차 전기 공급원(16)(내연기관/발전기) 모두가 견인 전동기(40)를 위한 전기 에너지의 공급원으로 이용 가능하다. 그 결과, 견인 전동기(40)는 견인 배터리(20)로부터 끌어내어질 수 있는 최대 동력과 보조 공급원(16)이 제공할 수 있는 최대 동력의 합의 율로 동력을 제공할 수 있다. 이는 순간적인 가속이 상당한 동력을 요구할 수도 있는 도시에서의 작동을 위해서는 편리하다. 그러나, 어떤 상태에서는, 견인 배터리 보호 제어들이, 만약 배터리가 방전된 상태로 간주되는 충전 상태에 도달할 때 단순히 견인 배터리로부터 동력을 끌어내는 것을 중단한다면, 또한 어떤 형태의 채터를 야기할 것이다. 이러한 형태의 채터는 만약 차량이 로키 산맥 분수령(the Continental Divide)을 가로지르는 것과 같이 오르막길을 장시간 주행하면 발생한다. 만약 길을 따라 차량을 올라가게 하는 데에 쓰이는 에너지 사용율이 보조 공급원(16)에 의한 에너지 공급율을 초과하는 경우에는, 배터리들이 계속적으로 방전되고, 결국 "방전"레벨로 생각되는 충전 상태에 도달하게 된다. 만약, 그 때에, 견인 배터리 제어기가 단순히 견인 배터리를 견인 전동기 회로로부터 단절시킨다면, 견인 전동기에 사용 가능한 전류의 양이 갑자기 보조 공급원(16)에 의해 제공되는 레벨로 줄어들고, 결과적으로 견인 동력에 급작스러운 변화와 아울러 차량은 속도의 급격한 감소를 겪게 될 것이다. 견인 전동기로의 견인 배터리 방전을 제거하는 것은, 그러나, 배터리 전압이 갑자기 그것의 무부하 전압(no-load voltage)으로 상승하도록 하게 된다. 만약 제어기가 이 전압의 상승을 견인 배터리가 사용 가능한 전하를 가지고 있는 것을 나타내는 것이라고 해석한다면, 그것은 견인 배터리를 견인 전동기에 다시 연결할 수 있고, 그에 따라 다시금, 견인 배터리로부터의 추가적인 견인 동력을 제공하나, 견인 배터리의 전압이 떨어지게 만든다. 이 기술에 익숙한 사람들은 이를 진동하는 상태(oscillatory condition)로 인식할 것인데, 이 상태는 등반하는 동안 차량에 반복적으로 소음(chug)이나 또는 요동(lurch)을 발생시킬 수 있다.
여기에서 "완전히" 방전된 배터리는, 견인 배터리의 오랜 수명이 요구되는 상황에서는, 여전히 상당한 전하를 포함하고 있다는 것을 주의하여야 한다. 왜냐하면, 만약 방전의 깊이가 너무 크면 그러한 배터리들의 수명이 현저하게 감소되기 때문이고, 그러므로 전기 구동 차량을 논의하는 목적을 위한 방전 배터리는 배터리들이 완전 방전된 상태에 있는 것으로 간주되나 여전히 상당한 전하를 함유하고 있는 배터리이다. 혼성 전기 차량에서는, 보조 에너지 공급원이 연속적으로 에너지를 공급하며, 만약 견인 수요가 보조 에너지 공급원의 출력보다 적다면 보조 에너지 공급원이 공급하는 에너지는 견인 배터리들을 충전하는 데에 사용될 수 있다. 제어 규칙은 보조 에너지 공급원과 견인 배터리들 모두가 견인 전동기에 에너지를 제공하도록 허용한다. 견인 전동기 수요가 보조 공급원 출력을 초과하는 때는, 전류가 견인 배터리로부터 흘러나오게 되고, 이는 견인 배터리의 전압이 강하되도록 한다. 만약 견인 배터리가 완전 방전 상태 근방에 있다면, 이 전류 흐름에 기인하는 전압 강하는 배터리로부터의 전류 방출을 중지시킴으로써 배터리를 보호하는 것을 촉발하는 것일 수 있다. 제어 규칙에 의한 전류 방출의 제거는 차량이 오직 보조 공급원에 의해서만 동력을 전달받도록 야기하고, 견인 배터리의 전압이 상승하도록 허용한다. 견인 배터리가 상승할 때, 제어 규칙은 더 이상 배터리가 방전된 것으로 인식하지 않고, 견인 배터리로부터의 전류 방출이 다시금 허용된다. 견인 배터리를 전인 전동기로 연결하고 연결을 끊는 것을 반복하는 프로세스는 제어 시스템의 진동을 형성한다. 이 진동은, 제어 시스템 진동율로 변화하고 (그 변화가) 차량의 운전자에게 감지될 수 있는 견인력을 야기한다.
본 발명의 또 다른 면에 따르면, 제어기(50)는 견인 배터리의 충전 상태에 응하여 견인 배터리로부터 뽑을 수 있는 동력의 양을 제어한다. 이는 상술한 "소음 발생(chugging)" 상황을 방지하고, 배터리 전하가 감소됨에 따라 차량이 산을 오르는 속도가 완만하게 감소하도록 한다. 도 5는 본 발명의 이러한 면에 따른 제어의 결과를 나타내는 그래프(500)을 보인다. 도 5에서는, 차량에 이용 가능한 견인 동력이 견인 배터리의 충전 상태 내지 레벨에 대하여 그려져 있다. 그래프(500)는 한 부분 510을 포함하는데, 그것은 전기에너지 또는 동력의 보조 공급원의, 상대적으로 낮은 수준의 계속적인 출력을 나타낸다. 그래프 부분 510은 명목상의 방전 상태(nominal discharge condition)보다 적은 레벨로부터, "저충전점"으로 표시된 견인 배터리의 명목상의 방전된 상태(nominal discharged condition)인 충전 레벨까지 연장된다. 그래프 부분 512로 나타내어진 작동 영역에서는, 차량에 이용 가능한 견인 동력은, 배터리 및 보조 동력의 합을 나타내는 비교적 높은 레벨에 있다. 그래프 부분 512에 의해 나타내어지는 이 최대 동력 레벨은 "제1 충전"으로 명명된 충전 상태로부터 완전히 충전된 상태까지 연장된다. 견인 배터리의 상기 "저충전" 상태와 "제1 충전" 상태 사이에서는, 견인 동력의 양은, 그래프 부분 514에서 나타내어진 바와 같이, 견인 배터리의 충전 상태에 따라 변화한다. 이러한 유형의 제어의 결과는 견인 배터리가 약간 방전되어 "제1" 레벨에 도달할 때까지 일정한 기간 동안 완전한 견인 동력 하에서 작동이 일어나게 한다. 견인 배터리가 제1 레벨 바로 아래로 강하하면, 견인 전동기에 이용 가능한 배터리 동력의 양은 약간 감소되며, 바람직하게는 눈치채지 못할 양만큼 감소된다. 도 5 의 제1 충전 레벨 바로 아래 점에서의 약간의 동력 감소는 견인 배터리의 방전율을 약간 감소시킨다. 만약 언덕이 길다면, 견인 배터리는 더 방전될 수 있다. 견인 배터리가 도 5의 "저" 충전과 "제1" 충전 상태 사이 영역에서 추가적으로 방전되게 되면, 배터리 동력의 상대적으로 적은 양이 견인 전동기에게 이용 가능하게 되고, 차량이 더욱 감속된다. 매우 긴 언덕들에 대해서는, 견인 배터리는 결국 명목상 방전된 상태로 간주되는 상기 "저" 충전 상태에 도달할 것이다. 이 레벨에 도달된 때는, 견인 배터리로부터 더 이상의 에너지가 뽑아지지 않고, 일반적으로, 견인 배터리의 충전 상태는, 차량 또는 그 점유자에게 절박한 위험 상황하에서 배터리 보호를 해제하는 비상 수동 장치(override)에 의한 전류 방출과 같은 견인 배터리의 다른 전류 방출이 있지 않는 한, 상기 "저"충전 레벨을 넘어서서 그래프 부분 510 내로 연장될 수 없다. 도 5에 그려진 제어에 따라, 제어 곡선을 따른 임의의 점에서 견인 동력의 급작스러운 변화는 없다. 배터리 충전이 상기 "저" 충전점 바로 위에서 보조 전기 공급원으로부터의 완전 작동으로의 변화를 행하고 있는 때는, 견인 배터리에 의해 제공되는 견인 동력의 양은 이미 매우 작고 그에 따라 그 변화는 차량 운전자에게 감지되지 않을 것이다.
도 6은 도 5의 그래프(500)에 따른 제어를 제공하는 도 1의 제어기(50)의 논리의 부분(600)을 보이는 단순화된 흐름도이다. 도 6에서, 논리는 시작 블록(610)에서 시작하여, 블록(612)으로 진행하는데, 상기 블록(612)은 도 4의 블록(412)과 마찬가지로 배터리 특성들을 읽는 것을 나타낸다. 도 6의 블록(612)으로부터, 논리는 블록(614)으로 흘러가는데, 그 블록은 역시 도 4에서 일반적으로 설명되었던 것과 같이 충전 상태의 평가를 나타낸다. 도 6의 결정 블록(616)은 현재의 충전 상태가 도 5의 "제1" 충전점보다 높은지를 결정하고, 만약 충전 상태가 "제1" 충전점보다 크면 결정 블록(616)의 "예"출력을 통해 논리의 루트를 정한다. 결정 블록(616) 의 "예"출력으로부터, 논리는 블록(618)으로 흘러가는데, 상기 블록은 견인 전동기에 이용 가능한 최대의 견인 동력을 제공하는 것을 나타낸다. 이는, 인버터의 작동에 따라 배터리와 전동기/발전기는 공급원(sources) 또는 싱크(sinks)가 될 수 있으나, 보조 공급원은 단지 공급원이라는 것에 주목하여, 도 7a 및 도 7b와 관련하여 기술되는 바와 같이, 인버터를 제어하는 소프트웨어에서 동력 한계(power limits)를 제거하는 것에 의해 이루어진다. 블록(618)으로부터, 논리는, 도 6의 논리를 통과하는 또 다른 반복을 시작하기 위하여 다시 블록(612)으로 흘러간다. 일반적으로, 거의 완전히 충전된 견인 배터리를 가지고 시작하는 때는, 견인 배터리 충전이 도 5에서 "제1"충전 레벨로 나타내어진 충전을 초과하는 동안은 도 6의 블록(612, 614, 616 및 618)을 포함하는 루프를 반복하여 돌 것이다.
긴 오르막길에서는, 견인 배터리 충전이 마침내 도 5의 "제1" 충전점과 같거나 적게되도록 강하될 수 있고, 그러면 도 6의 논리를 통과하는 다음 반복에서, 논리 6은 결정 블록(616)을 "아니오"출력에 의해 나와 블록(620)으로 진행할 것이다. 블록(620)은 견인 배터리로부터 견인 전동기로의 이용 가능한 동력의 양의 감소를 나타내는 것으로서, 그 감소는 도 5의 "제1" 과 "저" 충전 상태 사이의 충전 차이에 대한 현재의 견인 배터리 충전 상태의 크기에 따른 양으로 된다. 예를 들면, 만약 견인 배터리의 현재의 충전 레벨이 도 5의 "제1" 충전 상태 아래로 떨어져 도 5에서 "저" 와 "제1"로 나타내어진 충전 레벨 사이의 9/10인 "현재 충전"으로 나타내어진 충전 레벨로 떨어지면, 제어기(50)는 견인 배터리로부터 견인 전동기로의 이용 가능한 동력의 양이 그래프 부분 512에 의해 나타내어지는 최대 동력중 배터리 공급 성분의 90 % 가 되도록 제어한다. 달리 말하면, 도 5에서 "현재 충전"으로 나타내어진 현재의 충전 상태는 배터리에 기인하도록 지정된 최대 견인 동력 성분의 90 % 이므로, 견인 전동기로 공급되는 배터리 동력은 배터리 동력의 90 %로 감소된다. 물론, 도 5의 그래프 부분 514는 도시된 바와 같은 선형 경사일 필요는 없으나, 만약 그래프 부분 514가 적어도 단조롭다면 제어 시스템이 단순화된다. 도 6의 블록(620)으로부터, 논리는 결정 블록(622)으로 흘러가는데, 그 결정 블록은 견인 전동기 동력 수요를 전기에너지 보조 공급원으로부터의 동력과 비교한다. 만약 견인 동력 수요가 보조 전기 공급원으로부터의 동력을 초과하면, 배터리들은 방전되고, 논리는 결정 블록(622)에서 "예"출력으로 빠져나간다. 결정 블록(622)의 "예"출력으로부터, 논리는 블록(624)으로 흘러가는데, 그 블록은 보조 공급원으로부터의 이용 가능한 동력을 그 최대값까지 증가시키는 것을 나타낸다. 블록(624)으로부터, 논리는 결정 블록(626)으로 흘러간다. 결정 블록(626)은 견인 배터리의 현재의 충전 상태를 도 5의 "저"충전점과 비교한다. 만약 충전 상태가 상기 "저"충전점보다 낮다면, 견인 배터리의 손상을 막기 위해 견인 배터리가 더 이상 방전되어서는 안 된다는 것을 의미하며, 논리는 결정 블록(626)을 "예"출력으로 빠져나가, 논리 블록(628)으로 진행한다. 블록(628)은 견인 전동기 동력을, FOC 제어에 의해, 전기에너지 보조 공급원으로부터 이용 가능한 알려진 동력의 양 즉, 전압과 전류의 곱으로 쉽게 결정되는 동력의 양으로 제한하는 것을 나타낸다. 블록(628)으로부터, 논리는 논리 패스(630)를 거쳐 다시 블록(612)으로 되돌아 가서 도 6의 논리를 통과하는 새로운 반복을 행한다. 만약, 결정 블록(626)이 견인 배터리의 충전 상태를 시험할 때, 현재의 충전 상태가 도 5의 "저"충전점보다 큰 경우에는, 논리는 결정 블록(626)을 "아니오"출력으로 떠나, 블록(628)을 거치지 않고, 논리 패스(630)를 거쳐 블록(612)으로 되돌아간다. 그러므로, 견인 배터리 내부에 사용 가능한 상당한 전하가 있는 때는, 도 6의 논리는 그것의 사용을 허용한다. 만약, 도 6을 통하는 논리의 통과 도중에, 결정 블록(622)이 견인 동력이 보조 공급원(16)에 의해 생성되는 동력보다 크지 않다는 것을 발견하면, 논리는 결정 블록(622)을 "아니오"출력으로 떠나 논리 패스(630)를 경유하여 블록(612)으로 진행하여, 또 다른 반복을 시작하며, 결과적으로 이 경로는 보조 공급원(16)의 동력을 최대로 증가시키는 것을 회피하여 우회한다.
도 7a는 전동기(또는 발전기) 동력 대 속도의 단순화된 파라미터 그래프 710a, 710b, 710c,..,710N을 보인다. 도 7a에서, 그래프 710a, 710b, 710c,..,710N 는 경사진 부분 712를 공통적으로 갖는다. 전동기 또는 발전기를 위한 동력은 토크에 속도를 곱한 것이다. 그러므로, 제로 속도에서는 토크에 무관하게 동력이 제로이다. 일정한 토크에서 속도가 증가하면, 도 7a 의 그래프의 부분 712에서 보여지는 바와 같이, ωbase 속도까지 동력이 증가한다. ωbase 의 주파수보다 높은 주파수에서, 열 또는 기타의 이유로 전동기/발전기의 설계는 더 많은 동력이 다루어질 수 없도록 된다. 결과적으로, 최대 토크에서, 전동기/발전기의 동력은 인버터의 제어 규칙에 의해 그래프 710a 상에 놓이도록 제한된다. 만약 토크가 상기 최대 토크보다 다소간 작다면, 그래프 710b에 나타낸 바와 같이, 최대 동력은 ωbase 속도보다 약간 낮은 전동기 속도에서 달성된다. 그래프 710c는 더 작은 토크 크기를 나타내고, 가장 낮은 그래프 710N은 양자화된(quantized) 제어 시스템이 지탱할 수 있는 최소의 토크를 나타낸다. 제어 시스템은, 전동기가 요구되는 최대 동력 한계를 넘어서 작동하는 것을 방지하기 위하여, 속도에 따라, 전동기에 의해 생성되는 토크를 한계값으로 제한할 것이다. 제한 토크_한계는 단순히 최대 동력을 현재의 전동기 속도로 나누어
토크_한계 = Pmax / 속도
로 결정되고 토크의 결과적인 한계는 동력 그래프가 도 7a에서 그래프 710a와 그래프 부분 712로 나타내어진 값보다 크지 않은 값으로 제한되도록 한다. 만약 동력이 Pmax 보다 더 낮은 값으로 제한되려면, 전동기가 따르는 동력 그래프는 도 7a 의 710b, 710c,..,710N 그래프들 중 하나에 해당될 것이다. 도 7b는 토크 명령(talk command)과 동력 제한기(power limiter)의 관계를 보이는 단순화된 블록도이다. 도 7b에서, 토크_명령이 제한기 블록(714)에 가해지는데, 그 제한기 블록은, 곡선(716) 아래에 놓이도록 동력을 제한하는 방식으로 필드 지향 제어(Field Oriented Control)(FOC) 인버터(28)에 도달하는, 토크 명령(제한된 토크_명령)의 크기를 조절한다. 곡선(716)은 선택된 또는 설정된 동력 P를 전동기 속도로 나누어 결정된 토크 대 속도의 그래프이다. 그러므로, FOC 인버터는 전동기 속도의 관점에서 명령된 토크(commanded torque)를 제어함으로써 전동기의 동력을 제어할 수 있다. 문제의 토크는 견인 내지 구동 토크일 수 있고, 또는 지연(retarding) 내지 제동 토크일 수 있다. 발전기로 작동하는 전동기로부터 배터리들로 흘러들어가는 동력의 제어가 요구되는 때는, 적당한 FOC 명령들에 의하여 한계가 적용된다.
도 8에서, 요망되는 토크 또는 토크 명령은 전기 가속기(electrical accelerator)(미도시)로부터 유도되고 경로(810)를 경유하여 곱셈기(multiplier)(812)의 제1 입력 포트로 가해지는데, 상기 곱셈기는 센서들(미도시)로부터 감지된 차량 속도(또는 만약 차량이 가변 기어를 장비하고 있다면 견인 전동기 속도)를 그 제2 입력 포트(814)에서 수신한다. 곱셈기(812)는 전동기 속도와 명령된 토크의 곱을 취하여, 견인 전동기에 가해질 명령된 동력(commanded power)을 나타내는 신호를 생성한다. 블록(816)은 명령된 동력을 상수 k로 스케일하여, 필요하다면, 신호를 와트(watts)로 나타내어진 명령된 견인 전동기 동력 Pc로 변환한다. 와트로 나타내어진 명령된 동력을 나타내는 신호 Pc는 블록(816)으로부터 추가적인 블록(818)으로 가해지는데, 그 블록은, 명령된 견인 전동기 전류(Ic = P/E)를 나타내는 신호를 얻기 위하여, 와트로 나타내어진 명령된 동력을 견인 배터리 전압으로 나누는 것을 나타낸다. 견인 배터리 전압은 견인 전동기 전압의 용인 가능한 지침(acceptable indicator)인데, 왜냐하면 시스템 내의 모든 전압들은 배터리 전압 쪽으로 가려하기 때문이다. 명령된 전류 Ic를 나타내는 신호는, 요구되는 전동기 전류를 생성하는 방식으로 FOC 인버터(28)와 견인 전동기(40)를 제어하기 위하여, 신호 경로(819)에 의해 도 1의 명령 제어기(50)의 일부로 운반된다. 명령된 전류 Ic를 나타내는 신호는 또한 블록(818)의 출력으로부터 블록(820)으로 도시된 스케일링 회로(scaling circuit)를 경유하여 오류 신호 발생기(error signal generator)(822)로 가해진다. 스케일링 회로(820)의 목적은 아래에 설명되나, 그 작용은 명령된 전동기 전류 Ic 의 명령된 발전기 전류 IG 로의 변환을 야기한다. 오류 신호 발생기(822)는 명령된 발전기 전류 IG 로부터, 내연기관/발전기의 감지된 출력 전류를 나타내는 신호 경로(824)로부터의 피드백 신호를 감산함으로써 오류 신호를 생성한다. 오류 신호 발생기(822)에 의해 생성된 오류 신호는, 단순한 적분기(integrator)일 수 있는, 루프 보상 필터(loop compensating filter)로 가해져, 보조 전기에너지 공급원(16), 더 특정되게는 디젤기관(18)의 명령된 속도를 나타내는 신호를 생성한다. 디젤기관(18)은 전기 발전기(22)를 구동하여, 동력 도선들(832)을 경유하여 도 1의 인버터(28)로 가해지기 위한 교류 출력을 생성한다. 원(834) 으로 도시된 전류 센서 장치는 발전기 전류를 감지하기 위하여 출력 도선들(832)에 연결된다. 도 8의 블록(822, 826, 18, 22 그리고 824)는 함께 폐(closed) 피드백 루프를 구성하며, 그 폐 피드백 루프는 오류 발생기에 가해지는 제어 신호 IG 에 의해 명령되는 크기와 같은 발전기(22)의 출력 전류를 만들려고 한다. 루프 보상기(loop compensator)(826)는 디젤기관의 속도가 너무 빨리 변화하는 것을 방지하도록 선택되는데, 디젤기관의 속도가 너무 빨리 변화하면 바람직하지 않게 공해물질의 배출을 증가시킬 수 있다.
지금까지 기술한 바와 같이, 도 8의 장치는 차량의 운동을 제어하는 견인 전동기 전류를 명령하기 위한 신호 Ic를 생성하고, 또한 보조 발전기(22)의 전류를 명령하는 신호 IG 를 생성한다. 도 8에서, 견인 배터리의 요구되는 충전 상태(state of charge)(SOC)를 나타내는 신호는 합산 회로(summing circuit)(850)의 비반전(noninverting) 입력 포트에서 수신된다. 현재의 충전 상태를 나타내는 신호는 배터리 충전 상태(SOC) 결정 블록(852)으로부터 합산 회로(850)의 반전 입력 포트에서 수신된다. SOC 블록(852)은 배터리 전압, 배터리 온도 그리고 배터리 전류를 나타내는 신호들을 수신한다. 일반적으로, 배터리의 충전 상태는 단순히 입력 및 출력 전류들의 순량(net)의 시간에 대한 적분이다. SOC 블록(852)은 전류의 순 암페어를 적분하여 암페아워의 전하를 얻는다. 합산 회로(850)는 요구되는 또는 명령된 견인 배터리 충전 상태와 실제 충전 상태 사이의 차이를 나타내는 오류 신호를 신호 경로(854) 상에 생성하고, 그에 의해 그 순간의 충전의 과잉 또는 부족을 정한다. 오류 신호는 루프 보상 회로(856)에 가해지고, 그것은 오류 신호를 적분하여 적분된 오류 신호를 생성한다. 그 적분된 오류 신호는 시간의 함수로 천천히 변화한다. 그 적분된 오류 신호는 제한기(limiter)(858)를 경유하여 블록(820)에 작용한다. 보다 상세하게는, 적분된 오류 신호는, 스케일링 블록(820)에 가해질 때, 명령된 전동기 전류 Ic 가 그에 의해 스케일되어(is scaled) 명령된 발전기 전류로 변화되도록 하는 스케일링 인자(scaling factor)를 선택한다. 제한기(858)는 단지 블록(856)으로부터의 적분된 오류 신호를 제한하여 스케일링 블록(820)의 스케일링 인자들의 범위가 0 과 1 사이의 범위에 제한되도록 한다. 그러므로, 명령된 발전기 전류 IG 는 명령된 견인 전동기 전류 Ic 보다 클 수 없고, 제한기(858)로부터의 제한된 적분 신호에 의해 명령된 스케일링 인자에 따라 작게 될 수 있으며, 명령된 발전기 전류 IG 는 0(제로) 전류만큼 작게 될 수 있다.
과충전으로 인한 견인 배터리 손상의 위험이 없이 회생 제동이 적용될 수 있도록 하기 위하여, 견인 배터리의 요망되는 충전 상태는 완전 충전보다 작은 충전 레벨이다. 그러므로, 요망되는 SOC 의 설정점(set-point)은 완전 충전보다 낮은 충전이다. 도 8의 장치의 작동은 루프 보상 필터(856) 내 적분기의 정상 상태의 출력이 제한기(858)에 의해 허용되는 최대 1.0 볼트와 최소 0.0 볼트 사이의 중간인 0.5 볼트라고 가정함으로써 이해될 수 있다. 적분된 오류 신호의 값(제한기(858)에 의해 제한된 대로인)은 곱셈 인자(multiplying factor), 즉 스케일링 회로(820)가 명령된 견인 전동기 전류를 스케일하는 곱셈 인자로 볼 수 있어, 1.0 의 값을 갖는 적분된 오류 신호는 명령된 견인 전동기 전류 Ic 가 오류 신호 전동기(822)에 의해 완전한 진폭으로 전달되도록 하는 한편, 0.5 의 값은 명령된 발전기 전류 IG 의 크기가 명령된 견인 전동기 전류 Ic의 크기의 정확하게 절반이 되도록 할 것이다. 도 8의 장치의 제어 하에 차량이 작동하는 경우, 견인 배터리가 요망되는 충전 상태를 초과하면, 오류 신호 발생기(850)가 높은 충전 상태를 나타내는 큰 신호 값을 설정점 값(set-point value)으로부터 빼고, 그에 의해 음의 극성을 갖는 차이 내지 오류 신호를 생성한다. 루프 보상 필터(856) 내의 적분기는 그 음의 극성의 신호를 적분하는데, 이는 루프 보상 필터(856)의 출력에서의 순(net) 적분 신호를 그 "정상"값인 0.5 볼트로부터 "감소시키거나" 또는 부의 방향으로 멀어지게 하여, 예를 들면 0.3 쪽으로 감소시키려 한다. 적분된 오류 신호의 값 0.3 볼트는 제한기(858)의 허용된 범위 내에 있으므로, 그 적분된 오류 신호는 단지 제한기(858)를 통과하여, 명령된 견인 전동기 전류 Ic 에 "정상적인" 0.5가 곱해지지 않고 0.3이 곱해지게 하는 방식으로 스케일링 회로(820)를 제어하여, 명령된 발전기 전류 IG 를 생성한다. 그러므로, 배터리 충전 상태가 요망되는 설정점보다 크면 발전기의 평균 출력이 감소된다. 동일한 방식으로, 만약 견인 배터리의 충전 상태가 요망되는 설정점보다 낮다면, 도 8의 블록(852)으로부터 오류 신호 발생기(850)의 반전 입력 포트로 가해지는 신호는 요망되는 SOC를 나타내는 신호보다 크기가 작게되고, 이는 오류 신호 발생기(850) 출력에서의 오류 신호의 값이 양이 되는 결과를 낳는다. 루프 필터(856)에 결합되는 적분기는 그것의 양의 입력 신호들을 적분하여 그것의 "정상적인" 값인 0.5 볼트를 넘어서서 증가하여, 예를 들어, 0.8 볼트와 같은 값에 이르려하는 적분된 출력 신호를 생성한다. 이 값은 제한기(858)가 용인 가능한 값들 내에 있으므로, 그 0.8 볼트 적분 오류 신호는 변화없이 스케일링 회로(820)에 가해진다. 그 0.8 볼트 적분 오류 전압은 스케일링 회로(820)가 명령된 견인 전동기 전류 Ic를 나타내는 신호에 0.8을 곱하도록 하여, 명령된 발전기 전류 IG 가 전보다 더 크게 되게 한다. 견인 배터리 충전이 설정점보다 낮은 값으로 감소하는 것의 순 효과는 발전기(22)로부터의 평균 출력 동력의 증가이고, 이것은 견인 배터리 충전 레벨을 증가시키려고 할 것이다. 이 기술에 익숙한 사람들은 위에서 언급된 적분된 오류 신호의 "정상적인"값이 실제로 존재하지 않고 단지 제어 시스템의 작동을 이해하는 것을 돕기 위해 사용된다는 것을 이해할 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일 태양에 따르면, 전기 차량(10)의 적어도 하나의 구동 바퀴(12)를 구동하기 위하여 또한 제동 중에 차량(10)의 운동을 전기에너지로 변환하기 위하여 연결되는 견인 전동기(40)를 포함하는 전기 차량(10)을 작동시키는 하나의 방법(도 3a, 도 3b, 도 4)은 배터리들(20)이 완전 충전 상태 보다 적은 제 1 충전 상태 이하의 충전 레벨(도 3b 의 저충전과 제 1 충전의 사이)에 있을 때, 발전기로 작동되는 견인 전동기(40)의 최대 효율로, 제동하는 동안 견인 전동기(40)로부터의 거의 모든 에너지(완전 회생 동력)를 상기 배터리들로 되돌리는 단계(312,418)를 포함한다. 추가적인 단계들(324,422)은 상기 배터리들이 상기 제 1 충전 상태와 상기 완전 충전 상태 사이의 충전 레벨(Cc)에 있을 때, 제동하는 동안 상기 견인 전동기(40)로부터의 상기 에너지 모두 보다 작은 에너지를 상기 배터리들(20)로 되돌리기 위해, 상기 견인 전동기(40)의 효율 η 을 최대 효율과 제로 효율 중간인 중간 레벨(최대 η과 현저하게 감소된 η 사이)로 조정하는 것과, 배터리들(20)이 완전 충전 상태에 이르렀을 때 상기 견인 전동기(40)로부터의 상기 에너지의 최소한의 양을 상기 배터리들(20)로 되돌리기 위해 상기 견인 전동기(40)의 효율을 가능한 한 또는 편리한 한 제로 효율에 가깝게(가능하게는 80 % 와 같은 낮은 효율) 조정하는 것을 포함한다. 본 발명의 이러한 태양의 특정 형태에서는, 발전기로 작동되는 견인 전동기(40)의 효율을 조정하는 단계는 견인 전동기의 슬립 주파수를 변화시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 이러한 태양의 또 다른 특정 형태에서는, 발전기로 작동되는 견인 전동기(40)의 효율을 조정하는 단계는 견인 전동기(40)의 필드 권선(40f) 내의 전류를 변화시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 이러한 태양의 또 하나의 다른 특정 형태에서는, 발전기로 작동되는 견인 전동기(40)의 효율을 조정하는 단계는 견인 전동기(40)의 하나의 권선(40a, 40b, 40c; 40f)을 통하여 직류 전류를 통과시키는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명은 경제적으로 그리고 환경적으로 유리함은 물론 회생 제동과 관련하여 차량의 작동과 운전자 입력 조작에 대한 응답에서 종래의 내연기관 동력 차량들과 유사하게 작동 및 작동 특성들이 간단하고 효과적으로 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제어를 수행하는 명령 제어기를 포함하고, 또한 동력 제어기를 포함하는 본 발명의 일 양상에 따른 전기 차량의 단순화된 블록도.
도 2는 도 1 의 동력 제어기 내부에서 수행되는 작용의 일부를 보이는 단순화된 블록도.
도 3a는 견인 배터리 충전 상태에 대한 견인 배터리로의 에너지 회생의 단순화된 그래프.
도 3b는 견인 배터리 충전 상태에 대한 회생으로 인한 견인력의 단순화된 그래프.
도 4는 도 3a 및 도 3b 에 보여진 작동들을 제공하기 위한 도 1 및 도 2의 명령 제어기에서의 논리 흐름을 보이는 단순화된 흐름도.
도 5는 도 1 차량의 견인 전동기로의 견인 동력 공급량의 분배를 견인 배터리 충전에 대한 함수로 보인 단순화된 그래프.
도 6은 도 5 에 보여진 작동들을 제공하기 위한 도 1 및 도 2의 명령 제어기에서의 논리 흐름을 보이는 단순화된 흐름도.
도 7a는 토크를 파라미터로 하는, 속도에 대한 전동기 또는 발전기 동력의 그래프.
도 7b는 전동기/발전기의 동력이 어떻게 제어되는지를 보이는 도면.
도 8은 견인 배터리의 충전 상태에 응하여 보조 동력 공급원에 의해 생성되는 전력의 양을 제어하기 위한 일정한 제어 회로 내지 설비를 보이는 단순화된 블록도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10: 전기 차량 12: 구동 바퀴
14: 동력 제어기 16: 보조 공급원
18: 디젤기관 20: 배터리
22: 전기 발전기 24: 연료 전지
26: 정류기 장치 28: 인버터
30: 블록 32: 경로
36: 마찰 브레이크 40: 교류 전압 견인 전동기
50: 블록

Claims (4)

  1. 전기 차량의 적어도 하나의 구동 바퀴를 구동하기 위하여 또한 제동 중에 상기 차량의 운동을 전기 에너지로 변환하기 위하여 연결되는 견인 전동기를 포함하는 전기 차량을 작동시키는 방법으로서,
    상기 배터리들이 완전 충전보다 적은 제1 충전 상태 이하의 충전 레벨에 있을 때, 발전기로 작동되는 상기 견인 전동기의 최대 효율로, 제동하는 동안 상기 견인 전동기로부터의 거의 모든 에너지를 상기 배터리들로 되돌리는 단계와,
    상기 배터리들이 상기 제1 충전 상태와 상기 완전 충전 상태 사이의 충전 레벨에 있을 때, 제동하는 동안 상기 견인 전동기로부터의 상기 모든 에너지보다 적은 에너지를 상기 배터리들로 되돌리기 위하여, 상기 견인 전동기의 효율을 상기 최대 효율과 영(zero) 효율의 중간의 레벨로 조정하는 단계와,
    상기 배터리들이 상기 완전 충전 상태에 이르렀을 때 상기 견인 전동기로부터의 상기 에너지의 최소한의 양을 상기 배터리들로 되돌리기 위하여 상기 견인 전동기의 효율을 선택된 낮은 효율로 조정하는 단계를 포함하는 전기 차량의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 발전기로 작동되는 상기 견인 전동기의 효율을 조정하는 상기 단계들은 상기 견인 전동기의 슬립 주파수를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 작동 방법.
  3. 제1항에 있어서, 발전기로 작동되는 상기 견인 전동기의 효율을 조정하는 상기 단계들은 상기 견인 전동기 내의 필드 전류를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 차량의 작동 방법.
  4. 제1항에 있어서, 발전기로 작동되는 상기 견인 전동기의 효율을 조정하는 상기 단계들은 상기 견인 전동기의 하나의 권선을 통하여 직류 전류를 통과시키는 단계를 포함하는 전기 차량의 작동 방법.
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