KR101604681B1 - 하이브리드 전기 차량 - Google Patents

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라번 앤드류 캐런
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페이필드 매뉴팩처링 컴파니, 인코포레이티드
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Abstract

하이브리드 전기 차량은 내부 연소 엔진 및 고전압 DC 버스를 포함한다. 내부 연소 엔진은 바람직하게는 스위칭된 자기저항 기계인 비-자려 발전기/모터와 기계적으로 연동된다. 파워 인버터는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 고전압 DC 버스를 전기적으로 그리고 양방향적으로 연결시킨다. 전방 및 후방 축 듀얼 DC-AC 인버터들은 회생 전원을 위해 그리고 차량을 움직이기 위해 고전압 DC 버스에 두개의 견인 AC 비-자려 스위칭된 자기저항 모터들/기어 리듀서들을 전기적으로 그리고 양방향적으로 연결시킨다. 울트라커패시터는 고전압 DC 버스에 연결되었다. 저전압 배터리 사이에 위치된 양방향 DC-DC 컨버터 및 고전압 DC 버스는 고전압 DC 버스 및 울트라커패시터에 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터가 엔진을 시동시킬 수 있도록 에너지를 전송한다.

Description

하이브리드 전기 차량{HYBRID ELECTRIC VEHICLE}
이 출원은 2013년 2월 25일 출원된 가 특허 출원 시리얼 번호 61769092 호에 대한 우선권 및 그 이익을 주장한다.
이 발명은 하이브리드 전기 차량의 분야에 있다.
하이브리드 전기 차량 기술은 모든 타입 차량의 효율을 증가시킨다. 휠 로더들, 프론트 엔드 로더들, 굴삭기들, 컴바인들, 분무기 및 모든 타입의 유틸리티 차량들은 환경적 그리고 경제적 효율의 증가를 요구한다.
반대 토크들을 갖고 비-자려 견인 발전기들/모터들을 작동시키는 것에 의해 또는 흔들림(움직임)을 피하기 위해 충분히 낮은 충분한 전원에서 작동하는 것에 의해 흔들림 없이 비-자려 견인 발전기들/모터들의 회선들(windings)로 울트라커패시터 뱅크에서 얼마정도의 에너지를 방전시키기 위해 듀얼 컴팩트 인버터들을 이용하는 것이 본 발명의 목적이다.
하이브리드 전기 차량에 대해 주 전기 에너지 소스를 제공하기 위해 양방향 전원 인버터와 결합하여 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터를 이용하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
하이브리드 전기 차량의 휠들에 대해 추진력을 제공하기 위해 모터 모드에서 작동하는 복수의 견인 AC 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들을 이용하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
하이브리드 전기 차량을 이동시키는 데 있어 저장된 운동 에너지로부터 전기 전원의 회생을 제공하기 위해 전방 및 후방 컴팩트 듀얼 축 인버터들과 결합하여, 발전기 모드에서 작동하는 복수의 견인 AC 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들을 이용하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
내부 연소 엔진의 시동을 위해 울트라커패시터를 가로지르는 전압이 너무 낮을 때 DC-DC 컨버터와 결합하여 저 전압 배터리로부터 에너지를 수신하는 울트라커패시터를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
저 전압 배터리에 대해 충전 수단들을 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
고 전압 DC 버스로부터 배터리 전압 레벨로 전압을 낮추기 위한 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
최소 전압 레벨 위에서 고 전압 DC 버스의 전압을 제어하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
울트라커패시터의 요구되는 용량보다 낮은 결합된 전체 에너지를 유지하기 위해 울트라커패시터에서 에너지를 계산하는 것에 의해 그리고 차량에서 회복가능 에너지를 계산하는 것에 의해 재생된 에너지를 저장하는 능력을 갖는 울트라커패시터 뱅크를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
양방향 전원 인버터와 결합하여 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터 때문에 울트라커패시터에서 에너지의 양을 제어하고 울트라커패시터에서 에너지를 계산하는 것에 의해 차량에서 복원가능 에너지를 계산하는 것에 의해 재생된 에너지를 저장하는 능력을 갖는 울트라커패시터 뱅크를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
양방향 전원 인버터와 결합한 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터 때문에 울트라커패시터에서 에너지의 양을 제어하는 것에 의해 재생된 에너지를 저장하는 능력을 갖는 울트라커패시터 뱅크를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
고 전압 배터리 팩들(high voltage battery packs)을 갖지 않는 시스템들에 대해 크랭킹 모터로 비-자려 발전기/모터를 이용하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
고 전압 배터리 팩들 없이 시스템들에 대해 크랭킹 모터로 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터를 이용하는 방법 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
비록 장기간에 대한 주저앉음 및/또는 비활성 및/또는 엔진이 시동된 적이 없다 하더라도 내부 연소 엔진을 시동시키기 위한 능력을 갖는 하이브리드 전기 차량을 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
고 효율 하이브리드 전기 차량을 제공하는 것의 본 발명의 추가 목적이다.
시간 기능에 따라 운동 에너지의 저장을 위해 충분한 용량을 제공하기 위해 내부 연소 엔진에 기여가능한 에너지가 제어되고 울트라커패시터에서 회복가능한 에너지 량이 저장되는 전기 차량 제어 시스템 및 울트라커패시터를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
차량의 작동에서 과도(차량 안정성, 진동, 속도, 가속, 등등)을 수용하는 하이브리드 전기 차량에 대한 제어 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
저 전압 전기기구들 중 몇몇및 회선들 및 고전압 커넥터, 하우징, 버스 바(bus bars)들, DC-링크 커패시터 뱅크, 냉각 판을 두개의 인버터들이 공유한다는 점에서 시너지 이점을 갖는 듀얼 컴팩트 인버터를 제공하는 것이 본 발명의 추가 목적이다.
하이브리드 전기 차량은 고전압 DC 버스 및 내부 연소 엔진을 포함한다. 내부 연소 엔진은 바람직하게는 스위칭된 자기저항 기계인 비-자려 발전기/모터(non self-excited generator/motor)에 기계적으로 연결된다. 전원 인버터는 고 전원 DC 버스를 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 전기적으로 그리고 양방향적으로 연결시킨다. 전방 및 후방 축 듀얼 DC-AC 인버터들은 전원을 회생시키기 위해 그리고 차량을 움직이기 위해 고 전압 DC 버스에 두개의 견인 AC 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들/기어 리듀서들(reducers)을 전기적으로 그리고 양방향으로 연결시킨다. 울트라커패시터는 고전압 DC 버스에 연결된다. 여기에서 이용되는 것처럼 울트라커패시터 및 울트라커패시터 뱅크는 동일한 것을 의미하고 상기 용어는 상호교환가능하다. 저 전압 배터리 및 고 전압 DC 버스 사이에 위치되는 양방향 DC-DC 컨버터는 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터가 내부 연소 엔진을 시동걸 수 있는 것을 담보하기 위해 울트라커패시터 및 고 전압 DC 버스에 에너지를 전송한다.
비-자려 견인 모터들이 매력적인 하나의 이유는 그것들이 매우 넓고 일정한 전원 대역을 가지고 그래서 요구되는 성능 특성들을 더 잘 만족시킨다는 것이다. 효율적인 방법으로, 모터들은 자석들을 이용하고, 속도가 증가함에 따라 더 많은 역 EMF(back EMF)를 발생시키고 이는 일종의 필드(field) 약화가 이용되기 전에 더 높은 속도를 달성하는 것을 막는다. 영구 자석 모터들은 또한 선호되지 않는 실패 모드들을 갖고 제조 및 서비스를 처리하는데 있어 ACI 및 SR 기계보다 덜 유연하다.
발명의 이러한 점 및 추가 목적들은 아래에 따르는 청구항들 및 발명의 설명, 동반되는 도면들에 대한 레퍼런스가 제공될 때 가장 잘 이해될 것이다.
도 1a 는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그 중에서도 하이브리드 전기 차량의 연장된 셧 다운 후에 24 볼트 배터리로부터 커패시터가 충전되는 조건,을 설명한다.
도 1b는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명, 그중에서도 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 에너지를 공급하고 커패시터가 충분히 충전되는 조건을 설명한다.
도 1c 는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명으로 그중에서도 내부 연소 엔진이 24 볼트 배터리 및 DC-DC 컨버터, 울트라커패시터 뱅크에 대해 전원을 고급하는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 전원을 공급하는 조건을 설명한다.
도 1d는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그중에서도 내부 연소 엔진이 저 전압 배터리들을 공급하는 DC-DC 컨버터에, 그리고 견인 모터들에 전원을 공급하는 듀얼 인버터들, 울트라커패시터 뱅크에 전원을, 차례로, 공급하는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 전원을 공급할 때 조건을 설명한다.
도 1e는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그중에서도 회생 전원이 울트라커패시터 뱅크, DC-DC 컨버터, 및 저-전압 배터리에 공급될 때의 조건을 설명한다.
도 1f는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그중에서도 회생 전원이 모터 모드에서 작동하는 비-자려 자기저항 발전기/모터 및 울트라커패시터 뱅크에 제공되는 조건을 도시한다.
도 1g는 저 전압 배터리들이 내부 연소 엔진을 시동시키기 위한 엔진 스타터를 갖고 이용되는 울트라커패시터 뱅크 없는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이다.
도 1h 는 인버터들이 저 전압 전기기구들 중 몇몇 및 회선들 및 고전압 커넥터, 하우징, 버스 바들, DC-링크 커패시터 뱅크, 냉각판을 공유할 수 있다는 점에서 시너지 이점을 갖는 듀얼 컴팩트 인버터의 개략적 설명이다.
도 2 및 2a는 하이브리드 전기 차량의 제어 전략의 개략도이다.
도 3은 도 2 및 2a의 제어 전략을 실행하는 전기적 개략도이다.
도 4는 울트라커패시터 전체 저장된 에너지 대 울트라커패시터 전압을 도시하는 그래프이다.
도 5는 충전 시간 대 울트라커패시터 이용가능 에너지를 도시하는 그래프이다.
도 6은 30,000 kg 및 40,000 kg 차량에 대한 운동 에너지 대 차량 속도를 도시하는 그래프이다.
도 7은 에너지의 회생을 위해 차량 속도, 시간, 및 조건들을 도시하는 그래프.
도 8은 상이한 전원 레벨들에 대한 방전 시간 대 울트라커패비터 전압의 반-대수(semi-log) 그래프.
휠 로더(wheel loader)는 휠 로더의 운동 및 잠재 에너지로부터 전원을 재생시키는 그리고 차량을 추진시키는 네개의 AC 비-자려 스위칭된 자기저항 견인 모터들/발전기들(AC non self-excited switched reluctance traction motors/generators)을 이용하는 직렬 전기 하이브리드이다. 대안적으로, 오직 하나의 견인 모터/발전기가 이용될 수 있고 그것은 스위칭된 자기저항 견인 모터/발전기가 되어야 할 필요가 없다. 게다가, 휠 로더는 휠 로더의 작동을 위해 휠 로더에 주 전원(primary power)를 제공하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터를 포함한다. 울트라커패시터 뱅크는 포함된 에너지 양이 그다지 많지 않지만 사이클(cycle)들의 숫자가 매우 높기 때문에(분당 4에서 8 사이클) 회복 에너지를 저장하는데 이용된다.
스위칭된 전기저항 (SR) 기술은 그들의 넓게 일정한 전원 범위, 양성 실패 모드들(benign failure modes), 저 비용, 양호함, 및 디자인 유연성 때문에 AC 견인 모터들에 대해 바람직하게 이용된다. 동일한 이유 때문에, 기계에 주 전원을 공급하는 발전기/모터에 대한 스위칭된 자기저항 (SR) 기술을 바람직하게 이용하는 것이 요구된다. 그러나, IPM 발전기들같지 않게, SR(스위칭된 자기저항) 발전기들은 자려(self-exciting)가 아니다. 이는 실수 용납 특성으로는 바람직하지만 바람직하게 기능하기 위해 시스템에 대해 다루어져야 한다. 전기 전원의 어느정도의 초기 양은 스위칭된 자기저항 발전기에서 전원 발생을 일으키기 위해 공급되어야 하며 그렇지 않으면 시스템은 작동/발전하지 않을 것이다. 만약 시스템이 고-전압 배터리 팩을 포함하는 경우 그것은 스위칭된 자기저항 발전기에 대해 필요한 여기 에너지(excitatin energy)를 제공하는 데 이용될 수 있다. 그러나, 울트라커패시터들의 경우에서 충분한 에너지가 이용가능하지 않은, 예를 들어, 최초 설치에서, 그리고 오랜 셧다운(shutdown)의 기간 후에 또는 서비스 후인 조건들이 있을 수 있다.
이용되는 발전기 기술에 관계없이, 내부 연소 엔진을 시동하기 위한 발전기의 활용이 바람직하다. 이는 관련 솔레노이드 및 회선(wiring) 및 스타터(starter)를 제거하는 것에 의해 시스템을 단순화시킨다. 일반적 DC 브러쉬-타입 스타터 모터, 솔레노이드 및 링 기어(ring gear)는 필요한 큰 사이클 숫자를 위해 설계되지 않기 때문에, 그것은 또한 스타트-스탑(start-stop) 작동을 실용적으로 만든다. 스위칭된 자기저항 발전기/모터는 컨벤셔널 스타터(전통적인 스타터, conventional starter)에 관련된 큰 기계이고 더 높은 크랭킹 토크들 및 스피드를 제공할 수 있다. 풀-타임 커플링 또한 바람직하고 이는 피니언-링 기어 결속을 관리할 필요가 없기 때문이다.
울트라커패시터 뱅크(ultracapacitor bank)는 엔진 시동을 위해 에너지를 공급하는데 이용될 수 있다. 그러나, 예를 들어, 초기 설치상, 울트라커패시터 뱅크가 방전될 수 있는 때에 시간이 있다. 너무 높은 전압이 필요되기 때문에 (>500 볼트) 그것은 울트라커패시터 뱅크를 직접 "점프 스타트"하는데 실용적이지 않다.
(SR 여기(excitation) 및 크랭킹을 위한) 해법은 울트라커패시트 뱅크에 차량 12 또는 24 볼트 배터리들로부터 에너지를 전송하기 위한 적당히 저 전원 DC-DC 컨버터를 제공하는 것이다. 만약 12 또는 24 볼트 배터리가 방전되는 경우, "점프 스타팅"은 12 또는 24 볼트 시스템에서 적용될 수 있다. 이러한 접근의 또다른 이점은 더 긴 시간의 기간 동안 전원의 상대적으로 낮은 레벨이 에너지 전송을 처리하는데 이용될 수 있다는 것이다. 그래서 약한 배터리가 엔진을 크랭크하기 위한 충분한 전원을 공급할 수 없는 경우, 그것은 쉽게 엔진을 크랭크 할 레벨에 울트라커패시터 뱅크를 충전할 충분한 전원을 공급할 수 있다. 이러한 접근은 컨택터들(contactors)의 일반적 배치에 대한 필요 및 프리-차지 저항기들(pre-charge resistors)을 현재 제한하는 것 없이 전원 인버터 DC-링크 커패시터 뱅크들 및 울트라커패시터 뱅크 양쪽을 프리-차징하기 위한 메커니즘을 또한 제공한다.
일 또는 이 분이 인용된 저 전원 레벨에서 울트라커패시터 뱅크를 충전하는데 필요할 수 있기 때문에 차량을 시동거는 이러한 방법은 바람직하지 않고 반대인 상황에서만 이용되어야 한다. 상기 해법은, 정상 상황에서, 울트라커패시터 뱅크는 셧 다운(shutdown)에 앞서 완전히 충전된 것을 보장하는 것이다. 완전히 충전된 커패시터 뱅크는 몇몇 주들 동안 시동을 걸기 위해 충분한 전하를 일반적으로 유지할 것이다.
종래의 차량에 대해, 24-볼트 배터리는 알터네이터에 의해 충전이 유지될 것이다. 알터네이터(alternators)들은 상대적으로 저렴하지만 비효율적이고 낮은 신뢰성을 갖는다. 알터네이터에 대한 필요는 DC-DC 컨버터를 양방향으로 만드는 것에 의해 제거될 수 있고 에너지는 충전 상태를 유지하기 위해 DC 링크(link)에서 24 볼트 시스템으로 전송된다. 이는 울트라커패시트 뱅크를 충전하기 위해 에너지를 전송하는 드문 경우들상에서 24 볼트 시스템을 충전하는 그것의 주된 삶을 소비할 DC-DC 컨버터의 이용을 정당화하는 것을 돕는다.
상기 발명은 오프-하이웨이 응용들에 대한 에너지 밸런싱 프로세스를 포함한다. 상기 발명은 울트라커패시터 뱅크의 최대 에너지 저장 용량과 동일한 레벨에서 전체 하이브리드 시스템 에너지를 일정하게 유지한다. 예를 들어, 전체 시스템 에너지는 실제 울트라커패시터 에너지 더하기 차량에서 회복가능 운동 에너지 더하기 회복가능 엑세서리 에너지와 동일하다.
발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기 및 내부 연소 엔진과 함께, 이후 : 차량의 운동 에너지가 낮고(차량이 움직이지 않음) 및 유압 시스템에서 포텐셜 에너지(위치 에너지)가 낮은 경우(버킷 다운), 이후 울트라커패시터 뱅크는 최대로 충전되어야 하고; 그리고, 만약 차량의 회복 가능 에너지가 있다면 울트라커패시터 뱅크의 충전 상태는 이 에너지가 장래에 회복될 수 있게 필요한 확장에 대해 감소되어야 한다. 다른 말로, 실제 울트라커패시터 에너지는 주 에너지 소스, 발전기 때문에 울트라커패시터 에너지 최대 용량 빼기 차량 운동 에너지 빼기 회복가능 유압 에너지(부가 에너지)와 같다.
회복가능 차량 운동 에너지 =
Figure 112014017707449-pat00001
- 롤링 저항 손실.
회복가능 유압 에너지 = mgH 여기서, m은 버킷 질량(bucket mass)이고, g는 중력 가속도이고, H 는 버킷 높이이다.
이러한 전략을 이용하여, 울트라커패시터 뱅커에서 유지되는 실제 에너지 레벨은 제곱된 차량 속도의 음수에 관계될 것이다. 내부 연소 엔진이 구동하지 않을 때, 움직이지 않는 차량과 함께, DC-DC 컨버터는 필요할 때 엔진이 시동될 수 있는 것을 확실히 하는 레벨에서 울트라커패시터 뱅크의 충전 상태를 유지한다.
엔진을 시동시키기 위해 울트라커패시터 뱅크에서 요구되는 에너지 레벨은 엔진 냉각 온도에 기반하여 추론되고, 약 냉각 엔진을 위해 200kJ 따뜻한 엔진을 위해 14kJ의 범위이다. 두 타입 31(95AHr) 24VDC 배터리들에서 이용가능한 에너지는 약 7MJ이다. 800 VDC에서 1200 패럿 커패시터들을 이용하는 울트라커패시터 뱅크는 냉각 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 충분한 것보다 더 많은 약 1.3MJ의 에너지를 저장한다. 저장된 1.3MJ 의 오직 약 700kJ은 일반적 고 전압 DC 버스에서 전압으로 이용될 수 있고 700kJ이 이용된 후 500 VDC 아래로 떨어진다. 500 VDC는 인버터들이 작동가능한 것에서 약 최저 전압이다.
하이브리드 전기 차량은 고전압 DC 버스 및 내부 연소 엔진을 포함한다. 내부 연소 엔진은 바람직하게는 스위칭된 자기저항 기계인 비-자려 발전기/모터(non self-excited generator/motor)에 기계적으로 연결된다. 전원 인버터는 고 전원 DC 버스를 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 전기적으로 그리고 양방향적으로 연결시킨다. 전방 및 후방 축 듀얼 DC-AC 인버터들은 전원을 회생시키기 위해 그리고 차량을 움직이기 위해 고 전압 DC 버스에 두개의 견인 AC 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들/기어 리듀서들(reducers)을 전기적으로 그리고 양방향으로 연결시킨다. 울트라커패시터는 고전압 DC 버스에 연결된다. 여기에서 이용되는 것처럼 울트라커패시터 및 울트라커패시터 뱅크는 동일한 것을 의미하고 상기 용어는 상호교환가능하다. 저 전압 배터리 및 고 전압 DC 버스 사이에 위치되는 양방향 DC-DC 컨버터는 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터가 내부 연소 엔진을 시동걸 수 있는 것을 담보하기 위해 울트라커패시터 및 고 전압 DC 버스에 에너지를 전송한다.
직렬-전기 하이브리드 차량은 고 전압 DC 버스 및 그것의 작업 및 추진을 위해 차량에 전원을 공급하기 위한 비-자려 발전기/모터를 포함한다. 바람직하게 비-자려 발전기/모터는 발전기 또는 모터 모드 각각에서 작동가능한 스위칭된 자기저항 발전기/모터이다. 복수의 휠들은 차량을 추진시킨다. 하나 이상의 비-자려 AC 견인 모터들/발전기들은 차량을 추진시킨다. 하나 이상의 컴팩트 듀얼 인버터들은 복수의 휠들 중 하나 이상에, 각각 부착되는 하나 이상의 비-자려 AC 견인 모터들/발전기들 및 고 전압 DC 버스 사이의 양방향으로 전원을 전송한다. 비-자려 AC 견인 모터들/발전기들과 관련된 컴팩트 듀얼 인버터들은 모터 모드 또는 발전기 모드에서 작동하도록 구성된다. 비-자려 AC 견인 모터들/발전기들은 회생 브레이킹 및 추진을 제공하기 위해 휠들과 결합되게 구성된다. 바람직하게 비-자려 AC 견인 모터들 발전기들/모터들은 발전기 또는 모터 모드 각각에서 작동가능한 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들이다. 내부 연소 엔진은 추진 및 그 작업을 위해 차량에 전원을 공급하기 위한 비-자려 발전기/모터에 연결된다. 비-자려 발전기/모터는 전원 인버터에 연결된다. 전원 인버터는 고 전압 DC 버스로부터 또는 고전압 DC 버스에 양방향으로 전원으로 공급한다. 인버터는 또한 비-자려 발전기/모터가 발전기 모드에서 작동할 때 고 전압 DC 버스에 전원을 공급하고, 인버터는 비-자려 발전기/모터가 모터 모드에서 작동할 때 비-자려 발전기/모터에 전원을 공급한다. 울트라커패시터 뱅크는 고 전압 DC 버스에 전기적으로 연결된다. 울트라커패시터 뱅크는 모터 모드에서 작동할 때 비-자려 AC 견인 모터들로부터 회생 에너지를 저장하고, 울트라커패시터 뱅크는 엔진을 시동시키기 위해 모터 모드에서 작동하는 비-자려 발전기/모터에 연결되는 인버터에 에너지를 제공한다. 직렬 전기 하이브리드 차량은 또한 적어도 하나의 12 또는 24 볼트 DC 배터리를 갖는 전통적인 저 전압 시스템을 포함한다. 양방향 DC-DC 컨버터는 12 또는 24 볼트 DC 배터리 및 울트라 커패시터 뱅크 사이에서 내부 연손 엔진을 시동시키고 엔진이 시동된 후에 12 또는 24 볼트 배터리의 충전 상태를 유지하기 위해 울트라커패시터 뱅크를 프리-차징 의 목적으로 내부 연소 엔진을 시동시킨다. 선택적으로, 직렬-전기 하이브리드 차량은 저항기 뱅크를 포함하고 여기서 저항기 뱅크는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 AC 견인 발전기/모터들로부터 초과 회생 에너지를 소멸시킨다. 훨씬 더, 선택적으로, 직렬-전기 하이브리드 차량은 엔진 압축 브레이크가 작동하는 동안 내부 연소 엔진을 역으로 구동하는 것에 의해 차량으로부터 초과 운동 에너지를 소멸시키기 위해 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 발전기/모터를 포함한다. 직렬-전기 하이브리드 차량에서 비-자려 발전기/모터는 차량을 위한 전기 에너지의 주 소스이다.
발명의 또다른 예는 고 전압 DC 버스 및 내부 연소 엔진을 포함하는 하이브리드 전기 차량을 포함한다. 바람직하게 비-자려 발전기/모터는 발전기 또는 모터 모드에서 작동가능한 스위칭된 전기저항 발전기/모터이다. 내부 연소 엔진은 고 전압 DC 버스에 에너지를 공급하는 비-자려 발전기/모터를 구동한다. 후방 축 컴팩트 양방향 듀얼 DC-AC 인버터는 회생 브레이킹으로부터 에너지를 회수하기 위해 그리고 차량을 움직이기위해 두개의 AC 견인 모터들/발전기들/기어 리듀서들을 구동한다. 전방 축 컴팩트 양방향 듀얼 DC-AC 인버터는 회생 브레이킹으로부터 에너지를 회수하기 위해 그리고 차량을 움직이기 위해 두개의 AC 견인 모터들/발전기들/기어 리듀서들을 구동한다. 울트라커패시터는 고 전압 DC 버스에 전기적으로 연결된다. 양방향 DC-DC 컨버터는 12 또는 24-볼트 배터리 및 고 전압 DC 버스 사이에 위치된다. DC-DC 커버터는 고 전압 DC 버스 및 울트라커패시터 및 12 또는 24 볼트 DC 배터리 사이에 에너지를 전송한다. 비-자려 발전기/모터는 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 엔진에 기계적으로 연결된다. 바람직하게 비-자려 발전기/모터는 스위칭된 자기저항 기계이다. 울트라커패시터는 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 발전기에 연결되는 인버터에 에너지를 공급한다. 때때로, 하이브리드 전기 차량의 이 예는 저항기 뱅크를 포함하고 컴팩트 듀얼 양방향 DC-AC 인버터들은 배터리 및/또는 울트라커패시터에서 에너지를 저장하고 에너지를 회생시키기 위한 정류 수단을 포함한다.
하이브리드 전기 차량의 또다른 예는 내부 연소 엔진 및 고 전압 DC 버스를 포함한다. 내부 연소 엔진은 비-자려 스위칭된 전기저항 모터/발전기에 기계적으로 연결된다. 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기는 발전기 모드에서 전기 전원을 공급하는 발전기로 작동한다. 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기는 모터 모드에서 전기 전원을 수신하는 모터로 작동한다. 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터는 전원 인버터에 연결된다. 인버터는 고 전압 DC 버스 및 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터 사이에 전원을 양방향으로 전송한다. 제1전방 AC 견인 모터/발전기는 제1전방 휠을 구동하고 제1전방 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이다. 제1전방 AC 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공한다. 제2전방 AC 견인 모터는 제2전방 휠을 구동한다. 제2전방 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이다. 제2전방 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공한다. 제1후방 AC 견인 모터/발전기는 제1후방 휠을 구동한다. 제1후방 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이다. 제1후방 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공한다. 제2후방 AC 견인 모터/발전기는 제2후방 휠을 구동한다. 제2후방 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이다. 제2후방 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공한다. 제1컴팩트 듀얼 인버터 및 제2컴팩트 듀얼 인버터는 이 예에 포함된다. 제1컴팩트 듀얼 인버터는 고 전압 DC 버스와 전기적 연결된다. 제1컴팩트 듀얼 인버터는 고 전압 DC 버스로부터 DC 전원을 AC 전원으로 제1전방 휠 및 제1전방 AC 견인 모터/발전기를 구동시키기 위해 변환한다. 제1컴팩트 듀얼 인버터는 고 전압 DC 버스로부터 DC 전원을 제2전방 AC 견인 모터/발전기 및 제2전방 휠을 구동하기 위해 AC 전원으로 변환한다. 제2컴팩트 듀얼 인버터는 고 전압 DC 버스와 전기적 연결된다. 제2컴팩트 듀얼 인버터는 고전압 DC 버스로부터의 DC 전원을 제1후방 휠 및 제1후방 AC 견인 모터/발전기를 구동하기 위해 AC 전원으로 변환한다. 제2컴팩트 듀얼 인버터는 고전압 DC 버스로부터 DC 전원을 제2후방 휠 및 제2후방 AC 견인 모터/발전기를 구동하기 위해 AC 전원으로 변환한다. 울트라커패시터 뱅크는 고전압 DC 버스로 전기적으로 연결된다. 울트라커패시터 뱅크는 회생 모드에서 작동하는 제1 및 제2전방 AC 견인 모터들/발전기들에 의해 공급되는 제1컴팩트 듀얼 인버터로부터 회생 에너지를 저장한다. 울트라커패시터 뱅크는 회생 모드에서 작동하는 제1 및 제2후방 AC 견인 모터들/발전기들에 의해 공급되는 제2컴팩트 듀얼 인버터로부터 회생 에너지를 저장한다. 울트라커패시터 뱅크는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터가 발전기 모드에서 작동할 때 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 연결되는 전원 인버터로부터 에너지를 저장한다. 울트라커패시터 뱅크는 내부 연소 엔진을 시동하기 위해 모터 모드에서 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터가 작동할 때 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 연결되는 전원 인버터에 에너지를 공급한다. 적어도 하나의 12 또는 24 볼트 배터리를 갖는 전통적인 저전압 시스템은 양방향 DC-DC 컨버터와 연결되어 이용된다. 양방향 DC-DC 컨버터는 내부 연소 엔진을 시동하기 위해 울트라커패시터 뱅크를 프리-차지하기 위해 울트라커패시터 뱅크 및 12 또는 24 배터리 사이에 전원을 전송하고 배터리의 전압을 단계별로 올린다. 양방향 DC-DC 컨버터는 내부 연소 엔진이 시동된 후에 12 또는 24 볼트 배터리의 충전 상태를 유지하기 위해 고전압 DC 버스의 전압을 내린다. 선택적으로, 하이브리드 전기 차량은 저항기 뱅크를 포함한다. 저항기 뱅크는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 AC 견인 발전기들/모터들로부터 초과 회생 에너지를 소멸시킨다. 더하여, 선택적으로, 모터 모드에서 작동하는 모터/발전기는 엔진 압축 브레이크가 작동하는 동안 엔진을 역으로 구동하는 것에 의해 차량으로부터 초과 운동 에너지를 소멸시키는데 이용된다. 하이브리드 전기 차량의 예에서 전원 인버터에 전기적으로 연결된 스위칭된 자기저항 비-자려 발전기/모터는 차량에 대해 전기 에너지의 주 소스이다.
발명의 또다른 예는 하이브리드 전기 시스템으로 설명되며 다음을 포함한다 : 내부 연소 엔진 및 비-자려 AC 발전기/모터. 비-자려 AC 발전기/모터는 각 발전기 모드 또는 모터 모드에서 작동한다. 울트라커패시터 뱅크는 고전압 DC 버스를 넘어 풀 타임(full time, 항시) 연결된다. AC-DC 인버터는 고전압 DC 버스 및 울트라커패시터 뱅크에 공급을 위해 비-자려 AC 발전기/모터로부터 AC 전원을 DC 전원으로 변환한다. 모터 모드에서 작동하는 비-자려 발전기/모터에 대해 초기 여기 에너지를 제공하기 위한 전통적인 저-전압 차량 DC 배터리로부터 우릍라커패시터 뱅크를 충전하는 수단은 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 제공된다. 울트라커패시터 뱅크는 비 자려 발전기/모터가 전통적인 저-전압 엔진 스타터를 교체하고 엔진을 시동하기 위해 모터 모드들에서 작동할 수 있도록 저 전압 배터리로부터 충분한 에너지로 충전된다. 울트라커패시터를 충전하기 위해 이용되는 상기 수단들은 전통적인 저-전압 알터네이터에 대한 필요를 제거하고 저전압 배터리의 충전 상태를 유지하는 양방향 DC-DC 컨버터이다. 게다가, 발명의 예에서, 듀얼 컴팩트 인버터들이 이용된다. 복수의 휠들 중 각 하나와 상호연결되는 각 복수의 비-자려 견인 발전기들/모터들이 제공된다. 대안적으로, 하나의 휠과 상호연결된 단일 비-자려 견인 발전기/모터가 이용될 수 있다. 자전거 및 모터사이클을 제외하고, 단일 휠은 별로 실용적이지 않다. 단일 견인 모터를 갖는 설계의 포인트는 적어도 두개의 휠 엔드(wheel ends)에 토크를 제공하기 위한 차이를 갖는 전통 축을 이용하는 것이 될 것이다.
듀얼 컴팩트 인버터들은 울트라커패시터 뱅크를 가로질러 연결된다. 듀얼 컴팩트 인버터들은 양방향 DC-AC 인버터들이고, 듀얼 컴팩트 인버터들은 에너지를 울트라커패시터 뱅크에(to) 그리고 울트라커패시터 뱅크로부터(from) 그리고 비-자려 견인 발전기들/모터들로부터(from) 그리고 비-자려 견인 발전기들/모터들(to)에 전송한다. 선택적으로, 발명의 이 예에서, 비-자려 발전기/모터는 과도 회생 브레이킹 에너지를 소멸시키기 위해 관련 엔진 브레이크 및 내부 연소 엔진을 역으로 구동시키기 위한 모터 모드에서 작동한다. 발명의 이 예에서, 비-자려 발전기/모터는 스위칭된 자기저항 기계이다. 발전기들/모터들의 상이한 타입은 비-자려 발전기/모터보다 다른 것이 이용될 수 있다. 이에 더하여 하이브리드 전기 시스템의 예에서, 울트라커패시터 뱅크는 정상 작동 조건 하에서 차량 저-전압 DC 배터리로부터 프리-차징에 의존할 필요 없이 급격한 엔진 시동을 제공하기 위해 엔진 셧 다운에 앞서 미리 결정된 최대 충전 상태로 구동된다. 이에 더하여 하이브리드 전기 시스템의 예에서 듀얼 컴팩트 인버터들은 반대 토크들을 갖는 비-자려 견인 발전기들/모터들을 작동시키는 것에 의해 또는 흔들림을 피하기 위해 충분히 낮은 충분한 전원에서 작동하는 것에 의해 각각 흔들림 없이 비-자려 견인 발전기들/모터들의 회선들(windings)로 울트라커패시터 뱅크에서의 얼마간의 에너지를 선택적으로 방전시킬 수 있다.
발명의 또다른 예는 컨트롤러(controller), 내부 연소 엔진, 전원 인버터, 및 비-자려 발전기/모터와 전원 인버터가 전기적으로 연결된 것과 기계적으로 상호 연결된 비-자려 발전기/모터를 갖는 하이브리드 전기 차량을 포함한다. 비-자려 발전기/모터는 발전기 모드 또는 모터 모드에서 작동가능하다. 울트라커패시터는 고전압 DC 버스와 상호연결되고 컨트롤러는 전원 인버터를 제어한다. 울트라커패시터 뱅크는 DC-DC 컨버터의 이용에 의해 저 전압 배터리로부터 에너지를 전송하는 것에 의해 이용가능 작동 전압으로 충전된다. 비-자려 발전기/모터는 울트라커패시터가 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 이용가능한 전압으로 충전될 때 전원 인버터에 의해 모터 모드에서 구동되는 그리고 컨트롤러에 의해 구동된다. 추가로, 제1 및 제2 듀얼 컴팩트 인버터들에 의해 구동되는 복수의 비-자려 견인 발전기들/모터들은 발명의 즉시 예에 포함된다. 제1 및 제2 컴팩트 인버터들은 컨트롤러에 의해 제어된다. 전원 인버터는 양방향으로 전원을 공급할 수 있다. 추가로, 제1 및 제2 듀얼 컴팩트 인버터들은 전원을 양방향으로 공급할 수 있다.
DC-DC 컨버터는 4-포트 장치이다. 라인들 중 둘은 12/24 볼트 배터리들을 넘어 평행으로 (항시) 연결되고 다른 두 라인들은 고전압 버스를 넘어 (항시) 연결된다. 알터네이터처럼, DC-DC 컨버터는 현재 장치이다. 차량 컨트롤 유닛(컨트롤러)로부터 명령에 응답하여 전압 소스들 중 하나로부터 전류를 취하고 반대 전압 소스로 그것을 전달한다. 이 예에서, 8 스위치들이 있다. 겨우 네개의 스위치들이 동시에 켜져야 한다 (또는 손상이 일어난다). 대기 모드에서 스위치들 전체는 꺼질 것이다.
견인 모터들의 컨트롤은 견인 또는 브레이킹에 대한 드라이버 요구에 엄격히 응답하고, 시스템 에너지 또는 DC-링크 전압에 관계 없이, 다음 예외들을 가진다 : 1) 관련 인버터들은 얼마간의 최소 전압 (예를 들어, 500V) 아래에서 작동할 수 없고 모터들이 이것이 일어나는 경우 작동을 멈춘다; 2) 울트라커패시터 뱅크 및 전원 인버터들은 DC-링크 전압이 900 볼트를 초과하는 경우 손상받고, 회생 에너지의 전달은 어느정도 높은 전압 한계에서 중단되어야 한다.
하이브리드 컨트롤러는 DC-링크에 전류를 공급하기 위해 발전기 인버터를 제어하고 : 1) DC-링크 전압은 최소 인버터 작동 전압 위에 머무르고; 2) 울트라커패시터 뱅크 전압은 (안전 마진을 갖고 900V 한계에 미치지 못하는) 가능한 높이 유지되며 차량에서 현재 저장되는 어떤 운동 또는 잠재(위치) 에너지를 회수할 충분한 저장 능력을 유지한다. 그것은 더 높은 DC-링크 전압이 더 낮은 시스템 전류를 도출하고, 더 낮은 손실; 더 좋은 시스템 효율을 도출하기 때문이다; 3) 울트라커패시터 뱅크는 엔진 셧 다운에 앞서 완전히 충전되고, 울트라커패시터들이 시간에 따라 방전된다 하더라도, 그것들은 엔진을 재시동하기 위해 충분한 에너지를 유지할 것이다.
하이브리드 전기 차량을 제어하는 방법은 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 울트라커패시터 뱅크에서 충분한 에너지가 있는지를 결정하고 최소 고 전압 DC 버스 전압을 설정하고 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량을 설정하는 것을 포함한다. 상기 방법은 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 울트라커패시터 뱅크에서 충분한 에너지가 없다면 울트라커패시터 뱅크에 저 전압 DC 배터리로부터 DC-Dc 컨버터를 이용하여 에너지를 전송하는 것을 또한 포함한다. 게다가 상기 방법은 울트라커패시터 뱅크에서 충분한 에너지가 있는 경우 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 모터 모드에서 작동하는 비-자려 발전기/모터를 이용하여 내부 연소 엔진을 시동하는 것을 포함한다. 상기 방법의 추가 단계들은 하이브리드 전기 차량의 울트라커패시터 뱅크에서 에너지를 계산하고 하이브리드 전기 차량에서 회복가능 에너지를 계산하는 것을 요구한다. 한번 계산이 결정되면, 상기 방법은 계산된 회복가능 에너지 더하기 울트라커패시터 에너지가 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작은지를 결정하는 것을 필요로 한다.
상기 방법은 상기 내부 연소 엔진이 아이들링(idle)하도록 명령하고(commanding) 상기 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작은지 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 발전기/모터로부터 무 전원 발생(zero power generation)을 명령하고 상기 내부 연소 엔진이 상기 발전기 모드에서 작동하는 상기 비-자려 발전기/모터로부터 전원 발생 없이 아이들링(idling)하는 동안의 기간을 대기하고 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지를 재계산하고 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 하이브리드 전기 차량에 의한 에너지 소비 때문에 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작은지 재결정하고 재계산된 회수가능 에너지 더하기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작은 경우, 상기 내부 연소 엔진을 셧다운하는 단계를 포함한다. 이에 더하여 상기 방법은 상기 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 상기 최대 허용 에너지 컨텐츠보다 작은 경우 발전기 모드에서 작동하는 상기 비-자려 발전기/모터로부터 최대 전원을 명령하고 최적의 브레이크 특정 스피드로 상기 내부 연소 엔진 스피드를 설정하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 브레이크 명령(brake command)이 존재하는지 결정하는 단계 및 상기 브레이크 명령이 존재하는 경우 안정성 한계들 내에서 상기 브레이크 명령에 비례하는 상기 비-자려 견인 모터들에 역방향 토크 명령을 보내는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 상기 브레이크 커맨드가 존재하지 않는 경우 상기 고전압 DC 버스 전압이 상기 고전압 DC 버스 최소 전압보다 큰지를 결정하는 단계를 요구한다.
다음으로 상기 방법은 상기 고 전압 DC 버스 전압이 상기 고 전압 DC 버스 최소 전압보다 크지 않을 경우 상기 비-자려 견인 발전기들/모터들에 제로 토크 명령(zero torque command)을 보내는 단계 및 상기 고전압 DC 버스가 상기 고전압 DC 버스 최소 전압보다 큰 경우 가속기(accelerator) 명령을 읽는 단계를 요구한다. 상기 방법은 이에 더하여 및 상기 차량 속도가 상기 최대 허용 속도보다 작은지 결정하는 단계 및 차량 속도가 상기 최대 허용 속도보다 작지 않은 경우 상기 비-자려 견인 발전기들/모터들에 제로 토크 명령을 보내는 단계 및 시프트 선택기(shift selector)가 전진 기어(forward gear)에 있는 경우 상기 비-자려 견인 발전기들/모터에 안정성 한계 내에서 상기 가속기 신호에 비례하는 정방향 토크 명령을 보내는 단계를 요구한다. 다음으로 상기 방법은 상기 시프트 선택기가 전진 기어에 있지 않은 경우 상기 비-자려 견인 발전기들/모터들에 안정성 한계들 내에서 상기 가속기 신호에 비례하는 역방향 토크 명령을 보내는 단계를 요구한다. 이에 더하여, 상기 방법은 상기 비-자려 견인 발전기들/모터들이 스위칭된 자기저항 기계인 것을 선호한다. 이에 더하여, 상기 방법은 하이브리드 전기 차량을 제어하는 것을 필요로 하며 여기서 내부 연소 엔진을 시동시키는 상기 비-자려 발전기/모터가 바람직하게 스위칭된 자기저항 기계이다. 선택적으로, 하이브리드 전기 차량을 제어하는 방법은 여기서 상기 내부 연소 엔진이 아이들링하도록 명령하고 상기 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 상기 최대 허용 에너지 함량보다 작은 경우 발전기 모드에서 작동하는 상기 비-자려 발전기/모터로부터 제로 전원 발생을 명령하고 상기 내부 연소 엔진이 상기 발전기 모드에서 작동하는 상기 비-자려 발전기/모터로부터 제로 전원 발생과 함께 아이들링하는 동안의 기간을 대기하고 상기 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지를 재계산하고 상기 하이브리드 전기 차량에 의한 에너지의 소비 때문에 상기 계산된 회수 가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작은지를 재결정하고 상기 재계산된 회수 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작지 않은 경우, 상기 내부 연소 엔진을 셧다운하는 것이 수행된다.
이에 더하여, 하이브리드 전기 차량을 제어하는 방법은, 여기서
상기 내부 연소 엔진이 아이들링하도록 명령하고 상기 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작은 경우 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 발전기/모터로부터 제로 전원 발생을 명령하고 상기 발전기 모드에서 작동하는 상기 비-자려 발전기/모터로부터 제로 전원 발생과 함께 상기 내부 연소 엔진이 아이들링하는 동안의 기간을 대기하며 상기 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지를 재계산하며 상기 하이브리드 전기 차량에 의한 에너지 소비 때문에 상기 계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 함량보다 작은지 재결정하고 상기 재계산된 회수가능 에너지 더하기 상기 울트라커패시터 에너지가 상기 울트라커패시터 뱅크의 최대 허용 에너지 컨텐츠보다 작은 경우, 상기 내부 연소 엔진을 셧다운하는 단계가 반대 토크들과 함께 상기 비-자려 견인 발전기들/모터들을 작동시키는 것에 의해 또는 흔들림을 피하기 위해 충분히 낮은 에너지 전원에서 작동하는 것에 의해 흔들림 없이 상기 비-자려 견인 발전기들/모터들의 회선들로 상기 울트라커패시터 뱅크의 어느 정도의 에너지를 방전시키는 상기 듀얼 컴팩트 인버터들과 협력하여 수행되된다.
여기에 더하여, 하이브리드 전기 차량을 제어하는 방법은 선택적으로 상기 울트라커패시터 뱅크는 상기 차량 저-전압 DC 배터리로부터 프리-차징(pre-charging)에 의존할 필요 없이 급격한 엔진 시동을 위해 상기 내부 연소 엔진의 셧다운에 앞서 미리 결정된 최대 충전 상태로 구동하는 것을 포함한다.
심각한 결함 조건의 경우에 또는 서비스 및 유지를 위해 그것은 사람들이 위험한 전압에 노출되지 않도록 에너지 저장 장치들을 급격히 방전하는 것이 필요할 수가 있다. e-기계(e-machine)에서 에너지를 소멸시키는 간단한 방법은 단일 위상만을 계속해서 펄스시키는(pulse) 것이다. EM 필드는 위상과 관련된 폴들(poles)을 정렬할 것이고 로터(rotor)는 기계적 움직임 없이 제자리에 단순히 유지할 것이다. 위상들 사이에 에너지를 더 잘 분산시키기 위해, 모든 위상의 활동(펄싱(pulsing))이 동시에 수행된다. 하나의 위상이 전진 움직임을 만들려 노력하는 경우, 하나는 역 움직임(reverse motion)을 생성하려하고 세번째는(the third) 제자리에서 로터를 유지하려고 노력한다. 전원의 좋은 분배가 이용되지만 아무것도 움직이지 않는다. 이는 모터들 및 인버터에 대해 심각한 작업으로 나타날 수 있지만 시간의 아주 짧은 기간 동안 일 것이다. 예를 들어, 만약 울트라커패시터 뱅크가, 1.2MJ로 완전히 충전되는 경우, 2.5kW는 4 견인 모터들 각각에서 소멸되고, 대략 1.2MJ/(4x2500 J-Sec) = 120 Sec = 2-minutes 으로 울트라커패시터 뱅크를 방전시키는 것이 가능하다. 그것들의 계속적인 비율 45kW 및 95% 효율에서, 각 모터는 그것의 쿨링 재킷으로 2.27kW을 일반적으로 소멸시킨다. 상기 모터들은 조금 더 빠른 방전이 요구되는 경우 1 분에 3.25kW를 소멸시키도록 또한 등급이 매겨진다.
비-자려 발전기, 울트라커패시터 뱅크 및 양-방향 DC-DC 컨버터는 전통적인, 차동 축(differential equipped axles)들을 구동하는 단일 견인 모터와 이용될 수 있다. 어떤 타입의 전기 기계인지 기술적으로 중요하지 않고, 견인 모터들은 토크, 전원 및 속도 요구를 만족하는 기계가 제공된다. 그것들은 자려(self-exciting) (예를 들어, IPM 모터들) 또는 비-자려 및 A/C 또는 DC일 수 있다. 견인 모터들이 발전기로 작동할 때마다 차량은 이미 움직이고 있다. 그래서 시스템 어딘가에 필요하다면 여기 에너지를 공급할수 있는 이용가능한 풍부한 에너지가 있다.
비-자려 견인 모터들이 매력적인 하나의 이유는 그것들이 매우 넓고 일정한 전원 대역을 가지고 그래서 요구되는 성능 특성들을 더 잘 만족시킨다는 것이다. 효율적인 방법으로, 모터들은 자석들을 이용하고, 속도가 증가함에 따라 더 많은 역 EMF(back EMF)를 발생시키고 이는 일종의 필드(field) 약화가 이용되기 전에 더 높은 속도를 달성하는 것을 막는다. 영구 자석 모터들은 또한 선호되지 않는 실패 모드들을 갖고 제조 및 서비스를 처리하는데 있어 ACI 및 SR 기계보다 덜 유연하다.
도 1a 는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그 중에서도 하이브리드 전기 차량의 연장된 셧 다운 후에 24 볼트 배터리로부터 커패시터가 충전되는 조건,을 설명한다. 도 1a-1h는 포괄적으로, 동일 도면 부호를 많이 사용하고 그것들은 동일 의미를 갖는다. 한번 요소가 주어진 도면 부호와 연결되어 설명되면 그것은 일반적으로 반복을 피하기 위해 다음 도면 요소들과 연결하여 다시 설명되지 않는다. 도면 부호(161)는 내부 연소 엔진(101)에 그리고 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터 및, 양방향 전원 인버터(103), 울트라커패시터 뱅크(104)에 DC-DC 컨버터(106)를 통해 저 전압 배터리들(107)로부터 경로(161)를 따라 에너지 흐름을 도시하는 점선을 표시한다. DC-DC 컨버터(106)는 5 kW 전원을 처리할 수 있다. 울트라커패시터 뱅크가 울트라커패시터/고전압 DC 버스를 넘는 전압에 의해 표현되는 것처럼 충분한 에너지 레벨로 충전되면, 모터 모드에서 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터 작동(102)은 과대 전류 상황으로부터 저-전압 배터리들을 보호하기 위해 작동될 수 있다. 울트라커패시터 뱅크(104) 및 고 전압 DC 버스는 그것들이 물리적으로 연결될 때 언제나 동일 전압에 있다. 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터는 내부 연소 엔진(101)과 기계적으로 연결된다. 도면 부호(103M)는 모터 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 의해 내부 연소 엔진(101)의 크랭크 샤프트(crank shaft)에 적용되는 회전 에너지를 표시하는 개략적 화살표이다.
여기에서 용어 "울트라커패시터 뱅크" (104)는 "울트라커패시터" 또는 "울트라-커패시터"와 동일한 것을 의미한다. 바람직한 실시예 또는 예시에서, 울트라커패시터들은 1200 패럿 정전 용량을 달성하기 위해 직렬로 배치된다. 바람직하게 울트라커패시터 뱅크는 에너지가 저장되는 허용 작동 범위를 갖는다. 정전 용량은 직렬로 더하지 않고, 오히려 직렬 정전 용량은 다음에 따라 계산된다:
울트라커패시터들은 병렬로, 직렬로, 또는 병렬 및 직렬의 결합으로 이용될 수 있다는 것이 특정적으로 고려된다. 게다가, 용량은 1200-3000F 사이의 범위에 있을 수 있다는 것이 특히 고려된다. 도 4는 울트라커패시터 전체 저장 에너지(402) 대 울트라커패시터 전압(401)을 도시하는 그래프(400)이다. 정전 용량 650F을 표현하는 라인(403), 정전 용량 1200F 을 표현하는 라인(404), 정전 용량 1500F 를 표현하는 라인 (405), 정전용량 2000F 를 표현하는 라인, 정전용량 3000F를 표현하는 라인이 도 4에 도시된다. 도면 부호(408)는 500 V DC 의 더 낮은 울트라커패시터 작동 전압을 표시하고 도면 부호(409)는 800V DC 의 더 높은 울트라커패시터 작동 전압을 표시한다.
여전히 도 1a에 관하여, 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)는 내부 연소 엔진(101)을 따라 도시된다. 비-"자려(self-excited)" 및 비-"자려적인(self-exciting)" 용어는 여기서 동일 의미로 쓰인다. 양방향 전원 인버터는 고 전압 DC 버스 (105)로부터 그리고 전기 전원에 통신한다(103A). 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)는 AC 전원을 생성하고 및 양방향 인버터(103)는 AC 전원을 DC 전원으로 그리고 그 반대로 변환한다. 고전압 DC 버스 (105)는 울트라커패시터 뱅크(104), DC-DC 컨버터(106), 컴팩트 듀얼 인버터들(108, 109)와 상호연결된다(104A).
제1컴팩트 듀얼 인버터(108)는 하이브리드 전기 차량의 전방 휠을 구동하기 위해 모터 모드에서 작동하는 AC 스위칭된 자기저항 모터들/발전기들(110, 111)을 구동한다. 제1컴팩트 듀얼 인버터(108)는 발전기 모드에서 작동할 때 AC 스위칭된 자기저항 견인 모터들/발전기들(110, 111)로부터 에너지를 또한 수신할 수 있다. 도면 부호들(110A, 111A)는 제1컴팩트 듀얼 인버터(108) 및 AC 스위칭된 자기저항 모터들/발전기들(110, 111) 사이의 양방향 전원 또는 에너지 흐름을 표시한다. 도면 부호들(112A, 113A)는 AC 스위칭된 자기저항 모터들/발전기들(112, 113) 및 제2컴팩트 듀얼 인버터(109) 사이의 양방향 전원 또는 에너지 흐름을 표시한다.
제2컴팩트 듀얼 인버터(109)는 하이브리드 전기 차량의 후방 휠을 구동하기 위해 모터 모드에서 작동하는 AC 스위칭된 자기저항 모터들/발전기들(112, 113)을 구동한다. 제2컴팩트 듀얼 인버터(109)는 발전기 모드에서 작동하는 AC 스위칭된 자기저항 견인 모터들/발전기들(112, 113)으로부터 에너지를 수신할 수 있다.
도면 부호(108A)는 제1컴팩트 듀얼 인버터(108) 및 고전압 DC 버스(105) 사이의 양방향 상호연결을 도시한다. 도면 부호(109A)는 고전압 DC 버스(105) 및 제2컴팩트 인버터(109) 사이의 양방향 상호연결을 도시한다.
도 1B는 하이브리드 전기 차량의 개략적 도시 (100B)이고, 그중에서도 여기서 커패시터(104)는 내부 연소 엔진을 시동하기 위해 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 에너지를 공급하고 충분히 충전되는 조건을 나타낸다. 도면 부호(162M)는 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 그리고 DC/AC 인버터(103)에 울트라커패시터 뱅크(104)로부터 충전 흐름을 식별하는데 이용된다. 도면 부호(163M)는 모터 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 의해 내부 연소 엔진의 크랭크 샤프트에 적용되는 회전 에너지를 표시하는 개략적 화살표를 도시한다.
도 1c는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명(100C)이며, 그중에서도 여기서 내부 연소 엔진(101)이 24 볼트 배터리들 (107) 및, DC-DC 컨버터(105), 울트라커패시터 뱅크(104)에 전원을 공급하는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 전원을 공급하는 조건을 설명한다. 도면 부호 (163G)는 발전기 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 내부 연소 엔진(101)의 크랭크 샤프트에 의해 제공되는 회전 에너지를 표시하는 개략적 화살표이다. 내부 연소 엔진(101)은 10.8리터 디젤 엔진일 수 있다. 발전기 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)는 227kW 기계일 수 있다. 도면 부호(162G)는 발전기 모드에서 작도하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)로부터 다음으로의 충전 흐름을 도시한다 : DC/AC 인버터(103), 울트라커패시터 뱅크(104), DC-DC 컨버터(106), 저-전압 배터리(107), 컴팩트 듀얼 인버터들(108, 109), 하이브리드 차량의 휠들을 구동하기 위한 비-자려 견인 모터들/기어 리듀서들(gear reducers)(110, 111, 112, 및 113). 하이브리드 차량의 휠들을 구동하기 위한 비 자려 견인 모터/기어 리듀서들(110, 111, 112, 및 113)은 65kW 스위칭된 자기저항 모터들일 수 있고 도 1c에서 개략적으로 도시된다. 도 1d는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명(100D)이며, 그중에서도 내부 연소 엔진(101)이 저 전압 배터리들(107)을 공급하는 DC-DC 컨버터(106)에, 그리고 견인 모터들에 전원을 공급하는 듀얼 인버터들(108, 109), 울트라커패시터 뱅크(104)에 전원을, 차례로, 공급하는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 전원을 공급할 때 조건을 설명한다. 도 1d를 참고하면, 도면 부호(162G)는 하이브리드 차량의 휠을 구동하기 위해 비-자려 견인 발전기들/모터들 기어 리듀서들(110, 111, 112, 및 113)에 그리고, 컴팩트 듀얼 인버터들(108, 109)에 고 전압 DC 버스 및/또는 울트라커패시터로부터 에너지 흐름을 도시한다. 비-자려 견인 발전기들/모터들/기어 리듀서들은 하이브리드 차량의 휠들을 구동하기 위해 부착된다. 기어 감소는 고속, 저-토크, 견인 모터들로부터의 전원에서 휠 엔드들(wheel ends)에서 저속, 고-토크 전원으로 변환하는데 이용된다.
도 1h를 언급하면, 두개의 인버터들이 듀얼 컴팩트 인버터는 저 전압 전기기구들 중 몇몇 및 회선들 및 고전압 커넥터, 하우징, 버스 바들(bus bars), DC-링크 커패시터 뱅크, 냉각판을 공유할 수 있다는 점에서 시너지 이점을 갖는 듀얼 컴팩트 인버터가 도시된다. 이는 증가된 효율 및 공간을 절약하는 결과를 도축한다.
도 1d를 언급하면 도면부호 (163G)는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)로부터의 전기 AC 전원을 발생시키는 내부 연소 엔진으로부터의 기계적 회전 에너지 흐름을 도시하며 여기서 그것은 양방향 전원 인버터(103)에 의해 DC 전원으로 변환된다. DC 전원은 울트라커패시터 뱅크(104)에 저장되고 및/또는 그것은 차량에 의해 이용된다. 만약 DC 전원이 차량에 의해 이용되는 경우, 컴팩트 듀얼 인버터들(108, 109)는 DC 전원을 AC 전원으로 변환하고 이는 차량에 전원을 공급하고 비-자려 AC 견인 모터들/발전기들(110, 111, 112, 113)을 작동하기 위함이다. 비록 도 1d에서 점선으로 특정적으로 도시되지는 않았지만, DC-DC 컨버터가 고 전압 DC 버스의 고 전압을 저 전압 DC 배터리를 충전하기 위해 변환하는 데 이용되는 것이 또한 가능하다. 500-800 VDC 사이의 전압에서 울트라커패시터 뱅크 및 고전압 DC 버스를 유지하는 것이 요구된다.
도 1e는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명(100E)이며, 여기서 회생 전원은 저-전압 배터리들(107) 및 DC-DC 컨버터(106), 울트라커패시터 뱅크(104)에 제공되는 것을 설명한다. 도면 부호(162R)는 비-자려 AC 견인 모터들/발전기들(110, 111, 112, 및 113)에 전원 흐름의 표현인 파선(dashed line)을 표시한다. 더 구체적으로, 도면 부호(162R)은 컴팩트 듀얼 AC/DC 인버터들(108, 109), 고전압 DC 버스(105), 및 울트라커패시터 뱅크(104)에 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터들(110, 111, 112, 및 113)으로부터 충전 흐름을 표시한다. 도 1e에서 설명된 것처럼, 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)는 작동할 수 있고 그리고 아이들링(idling)일 수 있다.
회생 에너지 저장소를 위한 공간은 도 1e에서 설명되는 것처럼 울트라커패시터 뱅크에서 만들어져야 한다. 도 3에서 설명되는 것 같은 전기 컨트롤러는 하이브리드 전기 차량의 작동을 제어한다. 도 3은 도 2 및 2a의 제어 전략을 실행하는 전기적 개략도(300)이다. 도 2 및 2a는 하이브리드 전기 차량의 제어 전략의 개략도(200, 200A)이다. 도 2를 참고하면, 도면 부호(203)은 쿼리(query)를 표현한다 : 키가 "시동(start)" 위치에 있는지? 동그라미 쳐진 "A"는 하이브리드 전기 차량의 작동 프로세스를 제어하는 컨트롤러(301)에 대한 입력 및 출력을 표시하는 터미널(terminal)이다. DC-DC 컨버터는 4-포트 장치이다. 라인들 중 두개는 (항시) 12/24 볼트 배터리를 넘어 병렬로 연결되고 다른 두 라인들은 고전압 버스를 넘어 (항시) 연결된다. 알터네이터처럼, DC-DC 컨버터는 전류 장치이다. 차량 제어 유닛으로부터의 명령에 응답하여 그것은 하나의 전압 소스로부터 전류를 취하여 반대 전압 소스로 그것을 전달한다. 이 예에서, 8개의 스위치가 있다. 단지 4 스위치들만이 동시에 켜져야 한다 (아니면 손상이 일어난다). 대기모드에서 모든 스위치들이 꺼질 것이다. 견인 모터들의 제어는, 시스템 에너지 또는 DC-링크 전압에 관계없이, 그리고 다음 예외들과 함께, 견인 또는 브레이킹에 대한 운전자 요구사항들에 엄격히 대응한다 : 1) 관련 인버터들은 모터들이 이러한 것이 발생하는 경우 작동을 멈추도록 얼마간의 최소 전압(예를 들어, 500V) 아래에서 작동할 수 없다; 2) 울트라커패시터 뱅크 및 전원 인버터들은 DC-링크 전압이 900 볼트를 초과하면 손상을 입을 것이고, 회생 에너지의 전달은 다소 높은 전압 한계에서 정지되어야 한다. 하이브리드 컨트롤러는 DC-링크 버스에 전류를 공급하기 위해 발전기 인버터를 제어할 것이다 : 1) DC-링크 전압은 최소 인버터 작동 전압 위에 머무른다; 2) 울트라커패시터 뱅크 전압은 가능한 높이 유지되며 (안전 마진으로 900V는 부족하며) 차량에서 현재 저장되는 어떠한 운동 또는 잠재 에너지를 회수하는 충분한 저장 능력을 보유하도록 제공된다. 그것은 높은 DC-링크 전압이 낮은 시스템 전류들을 도출하고, 그래서 낮은 손실을 도출하고, 이런 이유로 더 높은 시스템 효율을 도출하기 때문이며 ; 3) 울트라커패시터 뱅크는 엔진 셧 다운에 앞서 완전히 충전되고, 울트라커패시터들이 시간에 따라 방전하더라도, 그것들은 엔진을 재시동하기 위해 충분한 에너지를 보유할 것이다.
만약 차량이 구동하지 않는다면, 내부 연소 엔진은 반드시 시동되어야 한다. 컨트롤러는 내부 연소 엔진을 시동시키기에 울트라커패시터 뱅크(104)에 충분한 에너지(205)가 있는지 결정하기 위해 울트라커패시터 뱅크의 에너지 상태를 묻는다. 만약 엔진을 시동시키기 위해 울트라커패시터 뱅크(104)에 충분한 에너지(205)가 없다면, 그후 단계(210)으로 진행하고 바람직하게는 적어도 200V DC 로 그것을 충전하기 위해 울트라커패시터 뱅크(104)로 에너지를 전송(충전)한다. 도면 부호(211)는 충분한 에너지(205)가 있는지 여부의 물음이 반복 모드인 곳에서 울트라커패시터 뱅크에 에너지를 전송하는 것을 표시하는 라인을 표시한다. 더 특정적으로, 울트라커패시터 뱅크에 엔진을 시동시키기 위해 충분한 에너지(205)가 있는 경우, 그 후 단계(203)으로 진행하고 키(key)를 시동 위치(start position)에 위치시킨다. 일단 시작 명령이 내려지면, 통신(203Y)은 그것이 구동하는지(204)를 결정하기 위해 내부 연소 엔진과 함께 만들어진다. 만약 내부 연소 엔진이 구동하면 (204Y) 계산은 차량(207)에서 회복가능 에너지에서 결정된다. 만약 내부 연소 엔진이 구동하지 않는다면(204N), 그 후 키(key)는 내부 연소 엔진(101)을 시동시키려는 시도를 위해 시작 위치(start position)에 다시 위치된다.
계산은 차량(207)에서 회수가능 에너지를 결정하기 위해 만들어지게 되고, 다음 단계(208)로 통신되고(207A), 그 후 컨트롤러는 회수 가능 에너지, Er,을 합계가 울트라커패시터 뱅크(208)에서 최대 허용 에너지 함량보다 적은지를 결정하기 위해 울트라커패시터 뱅크에서 에너지에 대해 더한다. 만약 단계(208)의 에너지 비교가 요구되는 비동일성을 만족시키는 경우, 더 정확히 말해, 차량의 회복가능 에너지, Er, 더하기 울트라커패시터 뱅크에서 현재 저장된 에너지, Euc, 는 울트라커패시터 뱅크에서 최대 허용 에너지, Euc-max 보다 작다는 것을 만족시키는 경우(208Y), 그러면 내부 연소 엔진(101)은 최적 브레이크 특정 연소 소비로 설정되고 최대 발전기(102) 전원은 컨트롤러에 의해 명령된다(214).
만약 단계(208)의 에너지 비교가 요구되는 비동일성을 만족시키지 않는 경우, 더 정확히 말해, 차량의 회복 가능 에너지, Er, 더하기 울트라커패시터 뱅크에 현재 저장된 에너지, Euc,는 울트라커패시터 뱅크에서의 최대 허용 에너지, Euc-max, 보다 적지 않은 경우, (208N), 내부 연소 엔진(101)은 아이들링하도록 명령되고 발전기 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)의 출력은 제로(zero) 발전기 전류로 명령된다. 그 후, 이 조건은 컨트롤러(216Y)로 통신되고(216Y) 하이브리드 전기 차량은 울트라커패시터(104)에 저장된 에너지를 소모(소비/소멸)시킨다. 대기 시간(wait time, 217)은 에너지 소모(energy burn)을 위해 개시된다(initiated). 만약 대기 시간이 초과하고(217Y) 충분한 에너지가 소모되지 않은 경우, 내부 연소 엔진은 셧 다운된다(218). 대기 시간 동안, 컨트롤러는 에너지 비교 단계(208)을 만들고 주기적으로 데이터를 확인(샘플링)한다.
도 2a를 참고하면, 내부 연소 엔진(101)이 최적 브레이크 특정 연소 소비로 설정되고 최대 발전기(102) 전원이 컨트롤러에 의해 명령될 때(214), 컨트롤러는 다음 단계(235)에 조건(215)을 통신하고, 쿼리(query) : 브레이크 명령이 존재하는지(211)이 만들어진다. 브레이크 명령은 차량의 작업자가 하이브리드 전기 차량의 브레이크 페달을 누를 때 존재한다. 만약 브레이크 명령이 존재한다면(221Y), 다음 단계(227)로 진행하고, 컴팩트 듀얼 AC/DC 인버터들(108, 109)를 통해 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터들(110, 111, 112, 및 113)에 역 토크 명령(227)을 전송한다.
만약 브레이크 명령이 존재하지 않는 경우(221), 그 후 다음 단계(222) DC 링크 전압(DC Link voltage) > DC 링크 최소 전압(DC Link Min voltage)인지? 로 진행한다. DC 링크는 고전압 버스(105)이다. DC 링크 전압이 DC 링크 최소 전압보다 크지 않은 경우, 이러한 조건을 통신하고 (222N) 다음 단계(228)로 진행하며 안정성 한계들 내에서 가속 신호에 비례하는 차량 휠들에 제로 토크 명령(zero torque command)를 전송한다. DC 링크 전압은 고전압 DC 버스와 동일한 것이다.
만약 DC 링크 전압이 DC 링크 최소 전압보다 크다면 (227Y), 다음 단계(223)으로 진행하고, 전기 컨트롤러로부터 가속 명령을 읽는다. 다음으로, 시프트 선택기(shift selector)가 읽혀지고 쿼리(225) : 차량의 속도가 선택기 위치에 대한 최대 속도보다 작은지? 가 읽혀진다. 만약 차량의 속도가 선택기 위치(225N)에 대한 최대 속도보다 작지 않은 경우, 다음 단계(228)로 진행하고 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 제로 토크 명령을 전송한다.
만약 차량의 속도가 선택기 위치에 대한 최대 속도보다 작은 경우, 다음 단계(226), 하이브리드 전기 차량이 전진 기어에 있는지? (226),로 진행한다. 만약 차량이 전진 기어에 있지 않은 경우(226N), 다음 단계(230)로 진행하고 역방향 (후방) 방향으로 차량을 구동하기 위해 안정성 한계 내에서 그리고 가속 신호에 비례하는 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 역 토크 명령을 전송한다. 만약 차량이 전진 기어에 있는 경우(226Y), 다음 단계(229)로 진행하고 전진 방향으로 차량을 구동하기 위해 안정성 한계 내에서 그리고 가속 신호에 비례하는 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 정방향 토크 명령을 전송한다.
도 1f는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명(100F)이고, 그중에서도, 회생 전원(162R)이 모터 모드에서 작동할 때 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102) 및 울트라커패시터 뱅크(104)에 공급되는 조건을 설명한다. 도면 부호(162M)는 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 그리고 DC-AC 전원 인버터(103)에 울트라커패시터 뱅크(104)로부터 충전 흐름을 나타낸다. 도면 부호(163M)는 모터 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 의해 내부 연소 엔진(101)의 크랭크 샤프트에 적용되는 회전 에너지를 표시하는 모식적 화살표다.
도 1F는 또한 고전압 DC 버스(105)와 스위칭가능하게(190S) 상호연결된(190A) 저항기 뱅크(190)을 개략적으로 도시한다. 추가적으로, 저항기 뱅크(190)는 하이브리드 전기 차량의 안정적 작업 및 제어를 보조한다. 도 1f는 또한 에너지의 회수에 기여할 수 있는 유압 시스템들처럼 엑세서리들(180)을 도시한다. 양방향 엑세서리 인버터들(185)은 DC 로부터 AC 전원으로의 변환 또는 그 반대를 가능하게 한다. 전기 통신 라인들(180A 및 185A)은 도 1f에서도 도시된다.
도 1g는 울트라커패시터 뱅크 없이 하이브리드 전기 차량의 개략적 도시(100G)이며 여기서 저전압 배터리들(107)은 내부 연소 엔진(101)을 시동시키기 위해 엔진 스타터와 이용된다. 도면 부호(171)는 내부 연소 엔진(101)을 시동시키고 기계적으로 구동하는 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)를 구동하기 위해 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 전원 인버터(103)를 통해, 고전압 DC 버스(105)를 따라 DC-DC 컨버터(106)를 통해 저전압 배터리들(107)로부터 에너지 흐름을 나타내는 파선(dashed line)이다. 도면 부호(173)는 그것을 시동시키는 기계적 연결 방식에 의해 내부 연소 엔진(101)에 공급되는 에너지를 표시하는 개략적 화살표이다.
도 1h는 두개의 인버터들이 냉각판, DC-링크 커패시터 뱅크, 버스 바들, 하우징, 고전압 커넥트 및 회선들, 및 저전압 전기기구들 중 몇몇을 공유할 수 있다는 점에서 시너지 이점을 갖는 듀얼 컴팩트 인버터의 개략적 도시이다. 공유(Sharing)는 컴팩트 효율 패키징을 만든다.
하이브리드 컨트롤러에서 오직 물리적 I/O 는 데이터 링크 쌍이 될 것이다. 모든 컨트롤은 이러한 링크들을 통해 수행된다. 모든 종류의 컨트롤 연결들은 데이터 흐름 및 제어 다이어그램에서 보일 수 있지만 그것들은 모두 데이터 링크들을 통해서만 존재한다.
도 3을 언급하면, 거기에서 설명되는 것처럼 전자 컨트롤러 (301)는 하이브리드 전기 차량의 작동을 제어한다. 도 3은 도 2 및 2a의 제어 전략을 실행하는 전기 개략도(300)이다. 도 3은 현재 소스에 따라 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기(102)를 도시한다. 도 3은 현재 소스들에 따라 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기들(110, 111, 112, 113)을 또한 도시한다. 로드(Load, 320)는 도 3에서 도시되고 버킷을 갖는 로드를 들어올리기 위해 그리고 차량의 추진(propulsion)을 위해 요구되는 힘을 표현한다. 하이브리드 데이터 링크(310)으로부터의 입력 및 차량 데이터 링크(311)로부터의 입력이 도 3에서 보여진다.
다양한 알고리즘들이 컨트롤러(301)에서 이용될 수 있다. 게다가, 회생으로부터 이용가능 에너지는 계속 모니터링(확인, monitored)되고 컨트롤러에 의해 계산되며, 그래서 비-자려 발전기(102)로부터의 에너지 출력량은 감소될 수 있다. 컨트롤러(301)는 비-자려 발전기(102)를 제어하는 출력 r1을 포함한다. 컨트롤러(301)는 복수의 비-자려 AC 견인 발전기들(110, 111, 112, 113)을 제어하는 출력 r2를 포함한다. 게다가, 회생으로부터 이용가능 에너지는 컨트롤러에 의해 계산되고 계속 모니터링되며, 그래서 비-자려 발전기/모터(102)로부터의 에너지 출력량은 제어 신호 출력 r1 에 따라 감소될 수 있다. 다른 말로, 컨트롤러의 출력들, 즉 출력 r1 및 출력 r2는, 하이브리드 전기 차량의 상태에 기반하여 지속적으로 변경될 수 있는 동적 출력이다(dynamic outputs). 예를 들어, 차량이 버킷에서 들어올려진 짐을 운반하고 움직일 때, 차량은 그것의 속도 덕에 운동 에너지를 가지며 그것은 또한 들어올려진 짐 덕분에 잠재(위치)에너지를 갖는다. 공간(room)은 울트라커패시터에서 운동 및 위치 에너지의 저장을 위해 만들어질 수 있고 여기서 컨트롤러(301)는 차량으로부터 운동 및 위치 에너지의 회복의 예측에서 발전기에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)의 출력 r1을 감소시킨다.
도 3을 고려하면, 차량이 시간의 연장된 기간 동안 정지해 있었을 때 또는 차량이 새 것일 때, 배터리(107) 및 DC-DC 컨버터(106)는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)를 이용하여 차량의 시작을 가능하게 하기 위해 울트라커패시터(104)를 충전한다. 이용되는 저전압 배터리들은 울트라커패시터가 저장할 수 있는 에너지를 대략 6배 저장할 수 있는 능력이 있다. 도 4를 언급하면, 예를 들어, 도면 부호(409)는 대략 1.2MJ 가 1200 패럿 커패시터를 넘어 800VDC에서 저장될 수 있다는 것을 나타낸다. 만약 3000패럿 커패시터가 800 VDC에서 이용되면, 대략 2.8MJ 가 저장될 수 있다. 두개의 선호되는 저전압 배터리들(107)은 24 VDC 에서 대략 7MJ를 저장할 수 있다.
도 5는 5kW의 충전 비율과 함께 울트라커패시터 이용가능 에너지(501) 대 충전 시간(502)을 도시하는 그래프(500)이다. 도면 부호(504)는 1200 패럿 커패시터 스트링(string)의 충전 시간을 도시한다. 특히, 이용가능 에너지의 0.2 MJ 는 대략 120 초 내에 울트라커패시터(104)에 저장되고 이 에너지량은 내부 연소 에너지가 냉각되었을 때 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 충분한 것 이상이다. 엔진이 식었을 때, 200kJ의 이용가능 에너지는 엔진을 시동시키는데 필요하다. 도면 부호(503)는 650 패럿 커패시터 스트링의 충전 시간을 도시하고, 도면 부호(505)는 1500 패럿 커패시터 스트링의 충전 시간을 도시하고, 도면 부호(506)는 2000 패럿 커패시터 스트링의 충전 시간을 도시하고, 도면 부호(507)는 3000 패럿 커패시터 스트링의 충전 시간을 도시한다.
도 6은 30,000 kg 및 40,000 kg 차량에 대해 km/hr인 차량 속도(601) 대 kJ 인 운동 에너지(602)를 도시하는 그래프(600)이다. 도면 부호(603)은 30,000 kg 차량에 대한 그림을 보여주고, 도면 부호(604)는 40,000 kg 차량에 대한 그림을 보여준다. 도면 부호(605)는 도 4에 따라 보이는 것처럼 커패시터의 전체 저장된 에너지의 큰 부분인 운동 에너지 저장 한계가 700 kJ라는 것을 보여준다.
도 7은 차량 속도(702), 작업 시간(701) 및 에너지 회생 조건들을 도시하는 그래프(700)이다. 도면 부호들(713, 714, 715, 및 716은 에너지의 회생을 위한 시간 기간을 표현한다. 특히, 도면 부호(703)은 4 초 시간 인터벌을 표현한다. 시간 기간의 부분 동안(703), 차량은 가속하고 12km/h의 속도를 이룬다. 그 후에, 도면 부호(704)는 차량이 12km/h 로부터 0 km/h로 감속될 때 2초 시간 인터벌을 표현한다. 이 2초 시간 기간 동안, 차량이 12.0 km/h 에서 0.0 km/h 로 감속되는 것에 따라 에너지가 회생된다(716). 에너지의 회생은 휠들이 발전기 모드에서 비-자려 AC 견인 발전기들/모터들(110, 111, 112, 및 113)을 구동할 때 발생한다. 견인 발전기들/모터들의 다른 타입들은 이 위에서 언급된 것처럼 이용될 수 있다.
다음으로, 도면 부호(705)는 급격한 가속이 뒤따르는 3초 기간에 대한 제로(0) 스피드를 표시한다. 도면 부호는 4초 시간 기간(706)이다. 시간의 부분(706)은 차량이 10 km/h에 달하기 전까지 역 방향으로의 가속이다. 차량이 1초 기간 동안 10km/h에 도달하면, 그것은 3초 동안 10 km/h를 유지한다. 다음으로, 차량이 10km/h 에서 0 km/h로 감속될 때 2초 시간 인터벌(707)이 있다. 2초 시간 기간(707) 동안, 차량이 10 km/h 로부터 0 km/h로 감속되는 것에 따라 에너지가 회생된다(713). 다음으로, 4초 시간 기간(708)이 있고, 그 중 2초는 12 km/h로 가속 기간이다. 상기 차량이 12km/h의 속도를 달성하면 그것은 추가 2초 동안 12km/h를 유지한다. 도면 부호(709)는 차량이 12 km/h로부터 0 km/h로 감속할 때 2초 시간 인터벌이다. 이 2초 시간 기간 동안, 에너지는 12.0 km/h 에서 0.0 km/h로 감속되는 것에 따라 회생된다(714).
차량이 휴식하게 되면, 그것은 추가 2초 동안(710) 휴식 상태를 유지한다. 이후, 차량은 그것이 10km/h의 속도에 도달할 때까지 0.5 초 동안 역 방향으로 급격히 가속한다. 도면 부호(710)는 차량이 움직이지 않을 때 2초 시간 인터벌을 표현한다. 도면 부호(711)는 10 km/h의 속도에서 역 방향으로 차량이 움직일 때 4초 시간 인터벌이다. 이후, 다시 한번, 2초 시간 인터벌에서(712), 차량은 10 km/h 에서 0 km/h로 감속하고 에너지는 회수/회생된다(715).
도 8은 상이한 전원 레벨들에 대해 울트라커패시터 전압(813) 대 방전 시간 (812)의 세미-로그(semi-log) 그래프(800)이다. 도면 부호(801)는 최대 안전 전압을 표현하고 도면 부호(802)는 울트라커패시터가 작동될 수 있는 곳에서 최소 정상 작동 전압이다. 도면 부호(803)는 1 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호(804)는 2 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호 (805)는 4 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호 (806)은 8 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호(807)은 16 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호(808)은 33 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호 (808)은 65 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호 (809)는 65 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호 (810)은 130 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현하고, 도면 부호 (811)은 260 kW 에서 800 VDC 로부터의 방전 시간을 표현한다.
통상의 기술자는 본 발명의 단순히 예시의 방법에 의해 설명되었으며 첨부된 청구항의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고 발명이 변형될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
100A - 하이브리드 전기 차량의 개략도, 그중에서도, 하이브리드 전기 차량의 연장된 셧-다운 후에 커패시터는 24 볼트 배터리로부터 충전되는 조건을 설명한다.
100B - 하이브리드 전기 차량의 개략도, 그중에서도, 커패시터가 충분히 충전되며 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 비-자기 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 에너지를 공급하는 조건을 설명한다.
100C - 하이브리드 전기 차량의 개략도, 그중에서도, 상기 내부 연소 엔진이 울트라커패시터 뱅크, DC-DC 컨버터 및 24 볼트 배터리에 전원을 공급하는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 전원을 공급하는 조건을 도시한다.
100D - 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그중에서도 내부 연소 엔진이 저 전압 배터리들을 공급하는 DC-DC 컨버터에, 그리고 견인 모터들에 전원을 공급하는 듀얼 인버터들, 울트라커패시터 뱅크에 전원을, 차례로, 공급하는 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터에 전원을 공급할 때 조건을 설명한다.
100E - 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그중에서도 회생 전원이 울트라커패시터 뱅크, DC-DC 컨버터, 및 저-전압 배터리에 공급될 때의 조건을 설명한다.
100F - 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이며, 그중에서도 회생 전원이 모터 모드에서 작동하는 비-자려 자기저항 발전기/모터 및 울트라커패시터 뱅크에 제공되는 조건을 도시한다.
100G - 저 전압 배터리들이 내부 연소 엔진을 시동시키기 위한 엔진 스타터를 갖고 이용되는 울트라커패시터 뱅크 없는 하이브리드 전기 차량의 개략적 설명이다.
100H - 인버터들이 저 전압 전기기구들 중 몇몇 및 회선들 및 고전압 커넥터, 하우징, 버스 바들, DC-링크 커패시터 뱅크, 냉각판을 공유할 수 있다는 점에서 시너지 이점을 갖는 듀얼 컴팩트 인버터의 개략적 설명이다.
101 - 내부 연소 엔진;
101A - 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102) 및 내부 연소 엔진(101) 사이의 전기 통신;
102 - 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터;
103 - 모터 모드에서 DC 에서 AC 로 발전기 모드에서 AC 에서 DC로의 인버터;
103A - 비-자려 발전기/모터 및 AC/DC 인버터 사이의 전기 통신;
104 - 울트라커패시터 뱅크;
104A - 울트라커패시터 뱅크(104) 및 고전압 DC 버스 사이의 전기 통신;
105 - 고전압 DC 버스;
106 - 차량 저-전압 배터리들 및 고-전압 DC 버스 사이에 위치되는 5kW DC-DC 컨버터;
106A - 차량 저-전압 배터리들 및 DC-DC 컨버터 사이의 전기 통신;
107 - 차량 저-전압 배터리들, 바람직하게는 24 볼트 배터리들;
108 - 하이브리드 차량의 전방 휠을 구동하기 위한 두개의 AC 모터/기어 리듀서들(110, 111)을 구동하는 컴팩트 듀얼 DC/AC 인버터;
109 - 하이브리드 차량의 후방 휠들을 구동하기 위해 두 AC모터들/기어 리듀서들(112, 113)을 구동하는 컴팩트 듀얼 DC/AC 인버터;
108A - 고전압 DC 버스(105) 및 컴팩트 듀얼 인버터(108) 사이의 전기 통신;
109A - 고전압 DC 버스(105) 및 컴팩트 듀얼 인버터(109) 사이의 전기 통신;
110, 111, 112, 113 - 하이브리드 차량의 휠을 구동하기 위한 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터/기어 리듀서들;
110A - 컴팩트 듀얼 DC/AC 인버터(108) 및 견인 모터(110) 사이의 전기 통신;
111A - 컴팩트 듀얼 DC/AC 인버터(108) 및 견인 모터(111) 사이의 전기 통신;
112A - 컴팩트 듀얼 DC/AC 인버터(109) 및 견인 모터(112) 사이의 전기 통신;
113A - 컴팩트 듀얼 DC/AC 인버터(109) 및 견인 모터(113) 사이의 전기 통신;
161 - 저전압 배터리들(107)에서 DC-DC 컨버터(106)로 울트라커패시터 뱅크(104)로의 충전 흐름;
162G - 발전기 모드에서 작도하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)로부터 다음으로의 충전 흐름 : DC/AC 인버터(103), 울트라커패시터 뱅크(104), DC-DC 컨버터(106), 저-전압 배터리(107), 컴팩트 듀얼 인버터들(108, 109), 하이브리드 차량의 휠들을 구동하기 위한 비-자려 견인 모터들/기어 리듀서들(110, 111, 112, 및 113);
162M - 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 그리고 DC/AC 인버터(103)에 울트라커패시터 뱅크(104)로부터 충전 흐름;
162R - 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터들(110, 111, 112, 및 113)로부터 고전압 DC 버스 및 울트라커패시터 뱅크(104), 컴팩트 듀얼 AC/DC 인버터들(108, 109)에 대한 충전 흐름;
163G - 발전기 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 내부 연소 엔진(101)의 크랭크 샤프트에 의해 제공되는 회전 에너지를 표시하는 개략적 화살표;
163M - 모터 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)에 의해 내부 연소 엔진(101)의 크랭크 샤프트에 적용되는 회전 에너지를 표시하는 모식적 화살표;
171 - 내부 연소 엔진(101)을 시동시키고 기계적으로 구동하는 모터 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)를 구동하기 위해 DC 전원을 AC 전원으로 변환하는 전원 인버터(103)를 통해, 고전압 DC 버스(105)를 따라 DC-DC 컨버터(106)를 통해 저전압 배터리들(107)로부터 에너지 흐름을 나타내는 파선(dashed line);
173 - 내부 연소 엔진(101)에 공급되는 에너지를 표시하는 개략적 화살표
180A - 엑세서리(accessory)와의 전기 통신
180 - 엑세서리
185 - 엑세서리 인버터들
185A - 엑세서리 인버터들과의 전기 통신
190 - 저항기 뱅크;
190A - 저항기 뱅크(190) 및 고전압 DC 버스 사이의 전기 통신 라인;
190A - 전기 통신 라인(190A)에 삽입되는 스위치
200, 200A - 하이브리드 전기 차량의 제어 전략의 개략(schematic);
203 - 키(key)가 "시작(start)" 위치에 있는지?;
203Y - 키가 "시작" 위치에 있는지?
204 - 내부 엔진이 구동중인지?
204N - 엔진이 구동중이 아님;
204Y - 엔진이 구동중임;
205 - 울트라커패시터 뱅크에 엔진을 시동시키기에 충분한 에너지가 있는지?
205N - 엔진을 시동시키기에 충분한 에너지가 울트라커패시터 뱅크에 있지 않은 경우, 그 후 단계(210)으로 진행하고 그것을 충전하기 위해, 바람직하게는 적어도 200VDC까지, 울트라커패시터에 에너지를 전송(충전);
205Y - 만약 엔진을 시동시키기 위해 울트라커패시터 뱅크(104)에 충분한 에너지(205)가 없다면, 그후 단계(210)으로 진행하고 바람직하게는 적어도 200V DC 로 그것을 충전하기 위해 울트라커패시터 뱅크(104)로 에너지를 전송(충전);
207 - 기계의 작동 상태 및 기계의 속도에 기반하여, 회수 가능 에너지 이용가능, Er,을 계산;
207A - 다음 단계(208)로 계산된 회수 가능 에너지량의 통신;
208 - 회수 가능 에너지 더하기 울트라커패시터 뱅크의 에너지가 울트라커패시터 뱅크에 저장된 최대 허용 에너지 Er + Ec < Euc max보다 작거나 같은지?
만약 회수 가능 에너지 더하기 울트라커패시터 뱅크의 에너지가 울트라커패시터 뱅크에서 저장된 최대 허용 에너지와 같거나 작지 않은 경우, 다른 말로, 만약 Er + Ec < Euc max 의 관계가 만족되지 않는 경우, 다음 단계(216)으로 진행하고, 여기서 내부 연소 엔진은 아이들링으로 설정됨;
208Y - 만약 회수 가능 에너지 더하기 울트라커패시터 뱅크의 에너지가 울트라커패시터 뱅크에서 저장되는 최대 허용 에너지와 동일하거나 적은 경우, 다른 말로, Er + Ec < Euc max 관계가 만족되는 경우, 다음 단계(214)로 진행하고 엔진 속도를 최적 브레이크 특정 연소 소비로 설정하고 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터(102)로부터 최대 전원을 명령한다;
210 - 울트라커패시터가 200 V DC로 충전되도록 DC-DC 컨버터(106)을 이용하여 시간에 따라 울트라커패시터에 저전압 배터리들로부터 에너지를 전송;
211 - 울트라커패시터 뱅크로 에너지의 통신을 표시하는 라인;
214 - 최적 브레이크 특정 연료 소모(brake specific fuel consumption, BSFC) 속도로 엔진을 설정하고 발전기 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터로부터 최대 발전기 전원을 명령;
215 - 다음 단계(235)로의 통신 라인, 브레이크 명령이 존재하는가?
216 - 회수 가능 에너지 더하기 울트라커패시터에 저장된 에너지가 울트라커패시터에서 최대 허용 에너지보다 작지 않은 경우, 내부 연소 엔진이 아이들링하도록 명령하고 발전기 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터의 출력이 제로(0) 발전기 전류가 되도록 명령;
216A - 내부 연소 엔진이 아이들링하도록 명령되고 발전기 모드에서 작동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터가 제로 발전기 전류를 생성하도록 시그널링하는 통신 라인;
217 - 대기 시간이 만료되었는지, 즉, Er + Euc < Euc max 관계가 대기 시간 후에 만족되었는지?
217Y - 대기 시간이 만료되고, 단계(218)로 진행하며 내부 연소 엔진을 셧 다운;
218 - 연료를 제거하는 것에 의해 내부 연소 엔진을 셧 다운;
221 - 브레이크 명령이 존재하는가?
221N - 브레이크 명령이 존재하지 않는 경우, 다음 단계(222)로 진행하고, DC 링크 > DC 링크 최소값인지를 결정(DC Link > DC Link Min);
221Y - 브레이크 명령이 존재하는 경우, 다음 단계(227)로 진행하고, 역방향 토크 명령을 컴팩트 듀얼 AC/DC 인버터들(108, 109)에 대해 발전기 모드에서 작동하는 비-자려 스위칭된 자기저항 발전기/모터들(110, 111, 112, 및 113)에 전송;
222 - DC 링크 > DC 링크 최소값?
222N - DC 링크 전압이 DC 링크 최소 전압보다 크지 않은 경우, 이러한 조건을 통신하고 다음 단계(228)로 진행하며 안정성 한계들 내에서 가속 신호에 비례하는 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터들(110, 111, 112, 113)에 제로 토크 명령(zero torque command)를 전송;
222Y - DC 링크 전압이 DC 링크 최소 전압보다 큰 경우, 다음 단계(223)으로 진행하고, 전자 컨트롤러로부터 가속 명령을 읽음(판독);
223 - 전자 컨트롤러로부터 가속 명령을 읽음;
224 - 시프트 선택기를 읽음;
225 - 차량 속도가 선택기 위치에 대해 최대 속도보다 작은지?
225N - 만약 차량의 속도가 선택기 위치에 대한 최대 속도보다 작지 않은 경우, 다음 단계(228)로 진행하고 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 제로 토크 명령을 전송;
225Y - 차량 속도가 선택기 위치에 대한 최대 속도보다 작은 경우, 다음 단계(226)로 진행, 기계가 전진 기어에 있는지?
226 - 차량이 전진 기어에 있는가?
226N - 만약 차량이 전진 기어에 있지 않은 경우, 다음 단계(230)로 진행하고 역방향 (후방) 방향으로 차량을 구동하기 위해 안정성 한계 내에서 그리고 가속 신호에 비례하는 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 역 토크 명령을 전송;
226Y - 만약 차량이 전진 기어에 있는 경우, 다음 단계(229)로 진행하고 전진 방향으로 차량을 구동하기 위해 안정성 한계 내에서 그리고 가속 신호에 비례하는 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 정방향 토크 명령을 전송
227 - 안정성 한계 내에서 브레이크 명령(225Y)에 비례하는 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 역방향 토크 명령을 전송;
228 - 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 제로 토크 명령을 전송;
229 - 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기들/모터들(110, 111, 112, 113)에 정방향 토크 명령을 전송;
230 - 안정성 한계 내에서 가속 신호에 비례하는 차량 휠들을 구동하는 스위칭된 자기저항 발전기/모터들(110, 111, 112, 113)에 역방향 토크 명령을 전송;
300 - 도 2 및 2a의 제어 전략을 실행하는 전기 개략도;
301-컨트롤러
310 - 하이브리드 데이터 링크로부터의 입력
311 - 차량 데이터 링크로부터의 입력
400 - 울트라커패시터 전압 대 울트라커패시터 전체 저장 에너지를 도시하는 그래프;
401 - 울트라커패시터 전압;
402 - 울트라커패시터 전체 저장 에너지 (MJ);
403 - 650 패럿 커패시터 스트링;
404 - 1200 패럿 커패시터 스트링;
405 - 1500 패럿 커패시터 스트링;
406 - 2000 패럿 커패시터 스트링;
407 - 3000 패럿 커패시터 스트링;
408 - 500 볼트 가로좌표 마크;
409 - 800 볼트 가로좌표 마크;
410 - 1.3MJ 좌표 마크;
500 - 울트라커패시터 이용가능 에너지 대 충전 시간을 도시하는 그래프;
501 - 이용가능 에너지 뱅크;
502 - 5kW 에서 충전 시간;
503 - 650 패럿 커패시터 스트링;
504 - 1200 패럿 커패시터 스트링;
505 - 1500 패럿 커패시터 스트링;
506 - 2000 패럿 커패시터 스트링;
507 - 3000 패럿 커패시터 스트링;
600 - 30,000 kg 및 40,000 kg 차량에 대해 차량 속도 대 운동 에너지를 나타내는 그래프;
601 - 차량 속도 km/h;
602 - 운동 에너지 kJ;
603 - 짐 없는 30,000 kg 차량 ;
604 - 짐을 포함한 40,000kg 차량;
605 - 에너지 저장 한계, 800V DC;
700 - 에너지 회생을 위한 차량 속도, 시간 및 조건를 나타내는 그래프;
701 - 시간;
702 - 차량 속도 km/h;
703 - 차량이 가속하여 12km/h에 도달하는 4초 시간 인터벌;
704 - 차량이 12 km/h 에서 0 km/h로 감속하는 2초 시간 인터벌;
705 - 2초 시간 인터벌;
706 - 역 방향으로 차량이 가속할 때 4초 시간 인터벌;
707 - 차량이 -10km 에서 0 km/h 로 감속할 때 2초 시간 인터벌;
708 - 차량이 가속하고 12km/h 에 도달할 때 4초 시간 인터벌;
709 - 차량이 12km/h 에서 0 km/h로 감속할 때 2초 시간 인터벌;
710 - 2초 시간 인터벌;
711 - 역 방향으로 차량이 가속할 때 4초 시간 인터벌;
712 - 차량이 -10 km/h에서 0 km/h로 감속할 때 2초 시간 인터벌;
713, 714, 715, 716 - 에너지 회생을 표현하는 음영 영역;
800 - 다른 전원 레벨들에 대해 울트라커패시터 전압 대(versus) 시간의 세미-로그(semi-log) 그래프;
801 - 최소 정상 작동 전압;
802 - 최대 안전 전압;
803 - 1 kW;
804- 2 kW;
805- 4 kW;
806- 8 kW;
807- 16 kW;
808- 33 kW;
808- 65 kW;
809- 130 kW;
810- 130 kW;
811- 260 kW;
812 - 분으로 잰 시간(time in minutes)
813 - 전압, DC;
하이브리드 차량의 제어;

Claims (41)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 고전압 DC 버스;
    내부 연소 엔진;
    제1전방 휠을 구동시키기 위한 제1전방 AC 견인 모터/발전기;
    제2전방 휠을 구동하기 위한 제2전방 AC 견인 모터/발전기;
    제1후방 휠을 구동하기 위한 제1후방 AC 견인 모터/발전기;
    제2후방 휠을 구동하기 위한 제2후방 AC 견인 모터/발전기;
    제1컴팩트 듀얼 인버터 및 제2컴팩트 듀얼 인버터;
    상기 고전압 DC 버스와 전기적으로 연결되는 울트라 커패시터 뱅크;
    적어도 하나의 12-볼트 또는 24-볼트 배터리를 갖는 컨벤셔널 저 전압 시스템; 및
    상기 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 상기 울트라커패시터 뱅크를 프리-챠지(pre-charge)하기 위해 상기 울트라커패시터 뱅크 및 상기 12-볼트 또는 24-볼트 배터리 사이에 전원을 전송하고 상기 12-볼트 또는 24-볼트 배터리의 전압을 올리는 양방향 DC-DC 컨버터;를 포함하며,

    상기 내부 연소 엔진은 비-자려 스위칭된 자기저항(reluctance) 모터/발전기에 기계적으로 연결되며,
    상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기는 발전기 모드에서 전기력을 공급하는 발전기로서 작동하며,
    상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기는 모터 모드에서 전기력을 수신하는 모터로 작동하며,
    상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기는 인버터에 연결되고, 상기 인버터는 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기 및 상기 고전압 DC 버스 사이에서 양방향으로 전원을 전송하며,

    상기 제1전방 AC 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이며, 상기 제1전방 AC 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공하고,

    상기 제2전방 AC 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이고, 상기 제2전방 AC 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공하며,

    상기 제1후방 AC 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이며, 상기 제1후방 AC 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공하며,

    상기 제2후방 AC 견인 모터/발전기는 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기이며, 상기 제2후방 AC 견인 모터/발전기는 추진 및/또는 회생 브레이킹을 제공하며,

    상기 제1컴팩트 듀얼 인버터는 상기 고전압 DC 버스와 전기적 연결되며, 상기 제1컴팩트 듀얼 인버터는 상기 제1전방 AC 견인 모터/발전기 및 상기 제1전방 휠을 구동하기 위해 상기 고전압 DC 버스로부터 DC 전원을 AC 전원으로 변환하고,
    상기 제1컴팩트 듀얼 인버터는 상기 제2전방 AC 견인 모터/발전기 및 상기 제2전방 휠을 구동하기 위해 상기 고전압 DC 버스로부터 DC 전원을 AC 전원으로 변환하며,

    상기 제2컴팩트 듀얼 인버터는 상기 고전압 DC 버스와 전기적 연결되며, 상기 제2컴팩트 듀얼 인버터는 상기 제1후방 AC 견인 모터/발전기 및 상기 제1후방 휠을 구동하기 위해 상기 고전압 DC 버스로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하고, 상기 제2컴팩트 듀얼 인버터는 상기 제2후방 AC 견인 모터/발전기 및 상기 제2후방 휠을 구동하기 위해 상기 고전압 DC 버스로부터의 DC 전원을 AC 전원으로 변환하며,

    상기 울트라커패시터 뱅크는 회생 모드에서 작동하는 상기 제1 및 제2전방 AC 견인 모터들/발전기들에 의해 제공되는 상기 제1컴팩트 듀얼 인버터로부터의 회생 에너지를 저장하며,
    상기 울트라커패시터 뱅크는 회생 모드에서 작동하는 상기 제1 및 제2후방 AC 견인 모터들/발전기들에 의해 제공되는 상기 제2컴팩트 듀얼 인버터로부터의 회생 에너지를 저장하고,
    상기 울트라커패시터 뱅크는 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기가 상기 발전기 모드에서 작동중일 때 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기에 연결된 상기 인버터로부터 에너지를 저장하며,
    상기 울트라커패시터 뱅크는 상기 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기가 상기 모터 모드에서 작동중일 때 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기에 연결된 상기 인버터에 에너지를 공급하고,

    상기 양방향 DC-DC 컨버터는 상기 내부 연소 엔진이 시동된 후 상기 12-볼트 또는 24-볼트 배터리의 전하 상태를 유지하기 위해 상기 고전압 DC 버스의 전압을 낮추는, 하이브리드 전기 차량.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 발전기 모드에서 작동하는 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기들로부터 초과 회생 에너지를 소모하는 저항기 뱅크;를 더 포함하는, 하이브리드 전기 차량.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 모터 모드에서 작동하는 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기가 엔진 압축 브레이크가 작동하는 동안 엔진을 뒤로 구동시키는 것에 의해 차량으로부터 초과 운동 에너지를 소멸시키기 위해 이용되는 하이브리드 전기 차량.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서,
    여기서 상기 비-자려 스위칭된 자기저항 모터/발전기는 상기 차량에 대한 전기 에너지의 주 소스인, 하이브리드 전기 차량.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 내부 연소 엔진;
    비-자려 AC 모터/발전기;
    고 전압 DC 버스;
    상기 고전압 DC 버스에 계속 연결되는 울트라커패시터 뱅크;
    상기 고전압 DC 버스 및 상기 울트라커패시터 뱅크에 공급하기 위해 상기 비-자려 AC 모터/발전기로부터 AC 전원을 DC 전원으로 변환하기 위한 AC-DC 인버터;
    저 전압 DC 배터리; 및
    상기 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 모터 모드에서 작동하는 상기 비-자려 AC 모터/발전기에 초기 여기(excitation) 에너지를 제공하기 위해 상기 저 전압 DC 배터리로부터 상기 울트라커패시터 뱅크를 충전하기 위한 수단;을 포함하며,

    상기 비-자려 AC 모터/발전기는 발전기 모드 또는 모터 모드에서 각각 작동하며,

    여기서 상기 울트라커패시터 뱅크는 정상 작동 조건 하에서 상기 저 전압 DC 배터리로부터 프리-차징에 의존할 필요 없이 급격한 엔진 시동을 제공하기 위해 엔진 셧다운(shutdown)에 앞서 미리 결정된 최대 충전 상태로 구동되는 하이브리드 전기 시스템.
  19. 내부 연소 엔진;
    비-자려 AC 모터/발전기;
    고 전압 DC 버스;
    상기 고전압 DC 버스에 계속 연결되는 울트라커패시터 뱅크;
    상기 고전압 DC 버스 및 상기 울트라커패시터 뱅크에 공급하기 위해 상기 비-자려 AC 모터/발전기로부터 AC 전원을 DC 전원으로 변환하기 위한 AC-DC 인버터;
    저 전압 DC 배터리; 및
    상기 내부 연소 엔진을 시동시키기 위해 모터 모드에서 작동하는 상기 비-자려 AC 모터/발전기에 초기 여기(excitation) 에너지를 제공하기 위해 상기 저 전압 DC 배터리로부터 상기 울트라커패시터 뱅크를 충전하기 위한 수단;을 포함하며,

    상기 비-자려 AC 모터/발전기는 발전기 모드 또는 모터 모드에서 각각 작동하며,

    여기서 상기 저 전압 DC 배터리로부터 상기 비-자려 AC 모터/발전기에 초기 여기(excitation) 에너지를 제공하기 위해 상기 울트라커패시터 뱅크를 충전하기 위한 수단은 상기 내부 연소 엔진을 구동하기 위해 상기 모터 모드에서 작동하는 하이브리드 전기 시스템.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
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