KR101933538B1 - 다중 채널 ｄｃ 버스를 갖는 차량 추진 시스템 - Google Patents

다중 채널 ｄｃ 버스를 갖는 차량 추진 시스템 Download PDF

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Abstract

기기는 제 1 채널 및 제 2 채널을 포함하는 다중 채널 DC 버스 어셈블리, 상기 제 1 채널의 양극 DC 링크에 결합되는 제 1 전기기계 장치, 및 상기 제 2 채널의 양극 DC 링크에 결합되는 제 2 전기기계 장치를 포함한다. 제 1 DC-AC 전압 인버터는 상기 제 1 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합되고, 제 2 DC-AC 전압 인버터는 상기 제 2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된다. 상기 기기는 상기 제 2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합되는 양방향 전압 변경 어셈블리 및 상기 제 1 전기기계 장치에 전기적으로 결합되는 제 1 에너지 저장 시스템을 더 포함한다.

Description

다중 채널 ＤＣ 버스를 갖는 차량 추진 시스템 및 그 제조 방법{VEHICLE PROPULSION SYSTEM WITH MULTI-CHANNEL DC BUS AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 하이브리드 및 전기 자동차들을 포함하는 전기 구동 시스템들에 관한 것이며, 보다 구체적으로, 다중 채널 DC 버스를 이용하여 차량의 하나 이상의 에너지 저장 장치들과 다수의 전기기계 장치들 간에 에너지를 전송하는 것에 관한 것이다.
순수 전기 자동차들은, 차량을 추진시키고 보조 구동 장치들을 작동시킬 수도 있는, 전기 모터를 작동시키기 위해 전기 저장 에너지를 이용한다. 순수 전기 자동차들은 하나 이상의 전기 저장 에너지 소스들을 이용할 수 있다. 예를 들면, 제 1 전기 저장 에너지 소스는 보다 오래 지속되는 에너지를 제공하는데 이용될 수 있는 반면에 제 2 전기 저장 에너지 소스는, 예를 들면, 가속을 위해, 보다 높은 출력의 에너지를 제공하는데 이용될 수 있다.
하이브리드 전기 자동차들은 차량을 추진시키기 위해 내연 기관과, 견인 배터리(traction battery)와 같은, 에너지 저장 장치에 의해 작동되는 전기 모터를 조합할 수 있다. 그러한 조합은 상기 연소 엔진 및 상기 전기 모터가 각각의 증대된 효율 범위에서 각각 작동될 수 있도록 함으로써 전체 연료 효율을 증대시킬 수 있다. 전기 모터들은, 예를 들면, 정지 상태 출발(standing start)로부터 가속하는데 효율적일 수 있지만, 반면에 연소 엔진들은, 고속도로 주행에서와 같이, 일정한 엔진 작동이 지속되는 시간 동안 효율적일 수 있다. 초기 가속을 제고하기 위해 전기 모터를 갖는 경우 하이브리드 자동차 내의 연소 엔진은 보다 작아지고 보다 연료 효율적으로 될 수 있다.
순수 전기 자동차들 및 하이브리드 전기 자동차들을 위한 추진 시스템 구성들이 에너지 또는 전력 밀도를 증가시키기 위한 다수의 전기 에너지 소스들 및 원하는 추진 출력을 달성하기 위한 다수의 전력 소스들을 포함하도록 발전되어 왔지만, 이들 에너지 저장 및 전력 소스들을 추진 시스템에 통합시키는 것은 상기 시스템의 전체 크기, 중량, 및 비용을 증가시킨다. 또한, 추진 시스템이 하나 이상의 에너지 저장 소스들과 조합하여 다수의 전력 소스들로 작동되도록 구성함으로써 부과되는 제한들은 전체 시스템 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 상기 추진 시스템의 개별 구성요소들의 작동 효율 및 연료 경제성을 감소시킨다.
그러므로, 전체 시스템 효율을 향상시키고 상기 추진 시스템의 상기 개별 구성요소들이 그 개별 작동 효율을 향상시키도록 독립적으로 작동하게 하는 방식으로 다수의 전기기계 장치들 및 하나 이상의 에너지 저장 시스템들을 통합하는 전기 및/또는 하이브리드 전기 추진 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기기는 제 1 채널 및 제 2 채널을 포함하는 다중 채널 DC 버스 어셈블리, 상기 제 1 채널의 양극 DC 링크에 결합되는 제 1 전기기계 장치, 및 상기 제 2 채널의 양극 DC 링크에 결합되는 제 2 전기기계 장치를 포함한다. 제 1 DC-AC 전압 인버터는 상기 제 1 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합되고, 제 2 DC-AC 전압 인버터는 상기 제 2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된다. 상기 기기는 상기 제 2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합되는 양방향 전압 변경 어셈블리 및 상기 제 1 전기기계 장치에 전기적으로 결합되는 제 1 에너지 저장 시스템을 더 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 추진 시스템을 제조하는 방법은 제 1 DC-AC 전압 인버터를 제 1 전압 버스에 결합하는 단계, 제 1 전기기계 장치를 상기 제 1 DC-AC 전압 인버터에 결합하는 단계, 및 제 2 DC-AC 전압 인버터를 제 2 전압 버스에 결합하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제 2 전기기계 장치를 상기 제 2 DC-AC 전압 인버터에 결합하는 단계, 양방향 DC-DC 전압 컨버터를 상기 제 2 전압 버스에 결합하는 단계, 제 1 에너지 저장 시스템을 상기 양방향 DC-DC 전압 컨버터에 결합하는 단계, 및 상기 제 1 에너지 저장 시스템의 전압을 상기 제 1 전압 버스의 전압과 상이한 승압된 전압으로 승압하기 위해 상기 양방향 DC-DC 전압 컨버터의 스위칭을 제어하도록 컨트롤러를 프로그래밍하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 차량 추진 시스템은 제 1 DC 버스 및 제 2 DC 버스를 갖는 DC 버스 어셈블리를 포함한다. 상기 차량 추진 시스템은 또한 상기 제 1 DC 버스에 결합되는 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터, 상기 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터의 저전압 측에 결합되는 고비출력(high specific-power) 에너지 저장 장치, 제 1 DC-AC 전압 컨버터를 통해 상기 제 1 DC 버스에 결합되는 제 1 전기기계 장치, 및 제 2 DC-AC 전압 컨버터를 통해 상기 제 2 DC 버스에 결합되는 제2 전기기계 장치를 포함한다. 컨트롤러는 상기 제 1 전기기계 장치의 전압을 승압된 전압으로 승압시키고, 상기 제 2 DC 버스의 전압과 상이한, 상기 승압된 전압을 상기 제 1 DC 버스에 공급하기 위해 상기 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터를 제어하도록 프로그래밍된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 차량 추진 시스템은 제 1 DC 버스의 양극 DC 링크에 결합되는 제 1 전기기계 장치, 상기 제 1 전기기계 장치의 출력측에 결합되는 보조 부하, 및 상기 제 1 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합되는 제 1 DC-AC 전압 인버터를 포함한다. 제 2 전기기계 장치는 제 2 DC 버스의 양극 DC 링크에 결합되고, 트랜스미션(transmission)은 상기 제 2 전기기계 장치의 출력측에 결합된다. 상기 차량 추진 시스템은 또한 상기 제 2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합되는 제 2 DC-AC 전압 인버터, 상기 제 2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 전기적으로 결합되는 에너지 저장 시스템, 및 상기 제 2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합되고 상기 제 1 에너지 저장 시스템의 전압을 상기 제 1 DC 버스의 전압과 상이한 전압으로 승압하도록 구성되는 양방향 전압 변경 어셈블리를 포함한다.
다양한 다른 특징들 및 이점들이 다음의 상세한 설명 및 도면들로부터 명확해질 것이다.
도면들은 본 발명을 수행하기 위해 현재 고려되는 실시예들을 도시한다.
도면들에 있어서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 부하를 포함하는 추진 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조 부하를 포함하는 추진 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추진 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 추진 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 추진 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 추진 시스템의 개략도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진 시스템(10)의 개략도이다. 하기에서 상세히 설명하는 바와 같이, 추진 시스템(10)은 전력 출력을 둘 이상의 전기기계 장치들 간에 분할하는 순수 전기(EV) 추진 시스템 배치에, 또는 다수의 전기기계 장치들에 부가하여 내연 기관을 포함하는 하이브리드(HEV) 추진 시스템으로서 구성될 수 있다. EV 또는 HEV 실시예 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기기계 장치들은 다중 채널 DC 버스의 독립적인 채널들 상에 제공되어, 상기 다수의 전기기계 장치들의 용량 산정(sizing) 및 작동에 있어서 유연성을 갖게 하고 상기 전기기계 장치들 및 전체 추진 시스템의 작동 효율을 증대시킨다.
다양한 실시예들에 따르면, 추진 시스템(10)은, 비제한적으로, 자동차, 버스, 트럭, 트랙터, 채광(mining) 장비, 선박(marine craft), 및 오프로드 차량을 포함하고, 물질 이송 차량 또는 개인용 운반 차량을 포함하며, 채광 작업에서와 같이 지표면 및 지하에서 모두 작동가능한, 다양한 유형의 차량들 또는, 예를 들면, 비제한적인 예로서 크레인, 엘리베이터, 또는 리프트와 같은, 다른 유형의 전기 기기에 통합되도록 구성된다.
추진 시스템(10)은 에너지 저장 시스템(12) 및 적어도 둘 이상의 독립적인 DC 버스 채널들을 갖는 다중 채널 DC 버스 배치를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 상기 다중 채널 DC 버스 배치는 두 개의 채널, 즉 A 채널 양극 DC 링크(18)를 갖는 A 채널 DC 버스(16)를 포함하는 A 채널(14)과, B 채널 양극 DC 링크(24)를 갖는 B 채널 DC 버스(22)를 포함하는 B 채널(20)을 포함한다. 에너지 저장 시스템(12)은 양극 단자(26) 및 음극 단자(28)를 포함한다. 일 실시예에서, 에너지 저장 시스템(12)은 고전압 또는 고출력 에너지 저장 장치이고, 예를 들면, 배터리, 플라이휠 시스템, 연료 전지, 울트라커패시터, 또는 이러한 울트라커패시터, 연료 전지, 및/또는 배터리의 조합일 수 있다. 에너지 저장 시스템(12)의 양극 단자(26)는 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(30)에 결합된다. 일 실시예에서, 에너지 저장 시스템(12)의 양극 단자(26)는 또한 선택적 사항의 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)(가상선으로 도시됨)에 결합될 수 있다. 도시한 바와 같이, 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30)는 상기 B 채널 양극 DC 링크(24)에 결합되는 반면에 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)는 상기 A 채널 양극 DC 링크(18)에 결합된다. 일 실시예에 따르면, 에너지 저장 시스템(12)은 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)가 A 채널(14)로부터 생략될 수 있도록 용량 산정되어 결과적으로 추진 시스템(10)이 상기 다중 채널 DC 버스 어셈블리의 각 채널 상에 각각의 DC-DC 전압 컨버터를 포함하는 시스템보다 더 적은 부품들 및 더 적은 중량을 포함하도록 한다.
제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30) 및 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)는, 사용되는 경우에, 둘 모두 DC 전압을 강압(bucking) 또는 승압(boosting)하여 하나의 DC 전압을 다른 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. 각각의 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30, 32)는, 한 쌍의 스위치들(36, 38)에 결합되고 한 쌍의 다이오드들(40, 42)에 결합되는, 인덕터(34)를 포함한다. 각각의 스위치(36, 38)는 각각의 다이오드(40, 42)에 결합되고, 각각의 스위치/다이오드 쌍은 각각의 하프 페이즈 모듈(half phase module, 44, 46)을 형성한다. 스위치들(36, 38)은, 예시의 목적으로, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(insulated gate biopolar transistor, IGBT)로서 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 IGBT들에 제한되지 않는다. 예를 들면, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터들(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET), 실리콘 카바이드(SiC) MOSFET들, 갈륨 질화물(GaN) 소자들, 바이폴라 접합 트랜지스터들(biopolar junction transistor, BJT), 및 금속 산화물 반도체 제어 싸이리스터들(metal oxide semiconductor controlled thyristor, MCT)과 같은, 어떠한 적절한 전자 스위치라도 이용될 수 있다.
상기 A 채널(14) 및 B 채널(20)은 또한, 세 개의 페이즈들(64, 66, 68)을 형성하도록 쌍을 이루는 여섯 개의 하프 페이즈 모듈들(52, 54, 56, 58, 60, 및 62)을 포함하는, 각각의 DC-AC 전압 인버터들(48, 50)을 포함한다. 각각의 페이즈(64, 66, 68)는 그 각각의 DC 버스(22, 16)의 한 쌍의 도체들 사이에 결합된다. 구체적으로, DC-AC 전압 인버터(48)의 각각의 페이즈(64, 66, 68)는 A 채널 DC 버스(16)의 A 채널 양극 DC 링크(18)와 A 채널 음극 DC 링크(70) 사이에 결합되고, DC-AC 전압 인버터(50)의 각각의 페이즈(64, 66, 68)는 B 채널 DC 버스(22)의 B 채널 양극 DC 링크(24)와 B 채널 음극 DC 링크(72) 사이에 결합된다.
전기기계 장치(74)는 A 채널(14) 상의 DC-AC 전압 인버터(48)에 결합된다. 전기기계 장치(74)는 DC-AC 전압 인버터(48)의 각각의 페이즈들(64~68)에 결합되는 복수의 권선들(76, 78, 80)을 포함한다. 추진 시스템(10)은 또한 상기 B 채널(20) 상의 DC-AC 전압 인버터(50)에 결합되는 전기기계 장치(82)를 포함한다. 도시한 바와 같이, 전기기계 장치(82)는 DC-AC 전압 인버터(50)의 각각의 페이즈들(64~68)에 결합되는 복수의 권선들(84, 86, 88)을 포함한다. 일 실시예에서, 전기기계 장치(82)는 견인 모터이고, 전기기계 장치(74)는 교류발전기(alternator) 또는 견인 모터이다. 도 1에 도시된 상기 추진 장치(10)는 3-페이즈 인버터들(48, 50) 및 3-페이즈 전기기계 장치들(74, 84)을 포함하지만, 추진 시스템(10)은 대안적인 실시예들에서 페이즈들을 얼마든지 이용할 수 있음을 생각할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전기기계 장치(82) 및 연관된 DC-AC 전압 인버터(50)는 고출력 레벨을 제공 및 수용하고 전기기계 장치(74) 및 연관된 DC-AC 전압 인버터(48)보다 더 고속으로 작동되도록 용량 산정될 수 있다. 시스템 손실을 최소화하기 위해, 특히 고속, 고출력 작동 중에, B 채널(20)의 상기 DC 링크 전압은 에너지 저장 시스템(12)의 전압으로부터 분리될 수 있으며 A 채널(14)의 상기 DC 링크 전압보다 더 높은 전압이 되도록 제어될 수 있다. 하나의 비제한적 예로서, 전기기계 장치(74)는, 정격 전압이 약 650 V인 스위칭 장치들을 갖는 DC-AC 전압 인버터(48)와 함께, 약 400 V의 DC 링크 전압용으로 설계될 수 있지만, 반면에 전기기계 장치(82)는, 정격 전압이 약 900 V 또는 1200 V 또는 가능한 더 높은 전압인 1800 V인 스위칭 장치들을 갖는 DC-AC 전압 인버터(50)와 함께, 약 630 V의 승압된 DC 링크 전압에서 작동하도록 설계된다. 또한, 상기 B 채널의 상기 DC 링크 전압은 상기 A 채널의 상기 DC 링크 전압으로부터 분리되기 때문에, DC-AC 전압 인버터(48)의 작동 및 전기기계 장치(74)의 여기는 원하는 작동 특성들을 달성하도록 더 최적화될 수 있다.
추진 시스템(10)은 또한 전기기계 장치(74) 및 전기기계 장치(82)의 출력측들에 결합되는 트랜스미션(90)을 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 트랜스미션(90)은 기어 어셈블리, 벨트 어셈블리, 또는 이들의 조합으로서 구성된다. 일 실시예에 따르면, 트랜스미션(90)은 유성 기어들 및 클러치들(미도시)의 배치를 통해 전기기계 장치들(74, 82)의 상기 출력측들을 결합하는 전기 가변 트랜스미션(electrically variable transmission, EVT)으로서 구성된다. 작동시에, 전기기계 장치들(74, 82)은, 충전 소진(charge depleting, CD) 또는 충전 유지(charge sustaining, CS) 작동 모드에서 작동하면서, 전력 손실을 최소화하고 고도의 전체 시스템 효율을 유지하기 위해 광범위한 양방향 속도, 토크, 및 전력 명령들에 걸쳐서 작동될 수 있다.
트랜스미션(90)의 출력측은, 차동 기어를 포함할 수 있는, 기어 어셈블리(94)를 통해 차량(미도시)의 하나 이상의 구동 바퀴들 또는 차축들(92)에 결합된다. 트랜스미션(90)의 클러치들이 어떻게 구성되는가에 따라, 전기기계 장치(82)는 트랜스미션(90)을 통해 기어 어셈블리(94)에 결합될 수 있거나 또는 전기기계 장치(82)의 출력측이 트랜스미션(90)을 우회하도록 기어 어셈블리(94)에 직접 결합될 수 있다.
추진 시스템(10)은 또한 제어 라인들(98)에 의해 양방향 DC-DC 전압 컨버터들(30, 32)의 하프 페이즈 모듈들(44, 46)에 작동가능하게 결합되는 컨트롤러(96)를 포함한다. 전압 컨버터들(30, 32)의 스위치들(36, 38)의 적절한 제어를 통해, 컨트롤러(96)는 에너지 저장 시스템(12)의 전압을 더 높은 전압으로 승압하고 상기 더 높은 전압을 A 채널 DC 버스(16)에 공급하도록 구성된다. 마찬가지로, 컨트롤러(96)는 에너지 저장 시스템(12)의 상기 전압을 더 높은 전압으로 승압하고 상기 더 높은 전압을 B 채널 DC 버스(22)에 공급하기 위해 양방향 DC-DC 전압 컨버터(32)의 스위칭을 제어하도록 구성된다. 일부 작동 모드들에서, DC 버스(22)는 DC 버스(16)보다 더 높은 전압에서 작동될 수 있다. 다른 모드들에서, DC 버스(16) 및 DC 버스(22)는 동일한 전압에서 작동될 수 있다. 컨트롤러(96)는 또한 A 채널 DC 버스(16) 및 B 채널 DC 버스(22)의 전압을 강압하기 위해 각각의 전압 컨버터들(30, 32)의 스위치들(36, 38)을 제어하고 상기 강압된 전압들을 에너지 저장 시스템(12)으로 공급하도록 구성된다.
컨트롤러(96)는 또한 제어 라인들(100)에 의해 인버터들(48, 50)의 하프 페이즈 모듈들(52~62)에 결합된다. 컨트롤러(96)는, 모터링 모드에서 하프 페이즈 모듈들(52~62)의 적절한 제어를 통해, 각각의 DC 버스들(16, 22) 상의 DC 전압 또는 전류를 각각의 전기기계 장치들(74, 82)의 권선들(74~80, 84~88)로 공급하기 위한 AC 전압 또는 전류로 변환하기 위해 인버터들(48, 50)을 제어하도록 구성된다. 재생(regenerative) 모드에서, 컨트롤러(96)는 각각의 인버터들(48, 50)에 의해 그 상응하는 전기기계 장치(74, 82)로부터 수신되는 AC 전압 또는 전류를 A 채널 DC 버스(16) 또는 B 채널 DC 버스(22)로 공급하기 위한 DC 전압 또는 전류로 변환하기 위해 하프 페이즈 모듈들(52~62)을 제어하도록 구성된다.
작동시에, 컨트롤러(96)는 제어 라인들(102)을 통해 추진 시스템(10) 내에 제공되는 다수의 센서들로부터 피드백을 수신한다. 예를 들면, 전압 센서들(104, 106)은, 컨트롤러(96)가 상기 A 및 B 채널들(14, 20)의 상기 버스 전압을 모니터링할 수 있도록 하기 위해, 상기 A 채널 DC 버스(16) 및 상기 B 채널 DC 버스(22) 상에 각각 제공될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자라면 알 수 있는 바와 같이, 컨트롤러(96)가, 예를 들면, 에너지 저장 시스템(12)의 충전 전압과 같은, 기타 작동 상태들을 모니터링할 수 있도록 하기 위해, 추가적인 전압 및/또는 전류 센서들이 추진 시스템(10) 전체에 걸쳐서 제공될 수 있다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련된 자라면 컨트롤러(96)는, 예를 들면, 내연 기관(108)과 같은, 추진 시스템(10) 내의 다른 구성요소들로부터 피드백을 수신하고 및/또는 상기 다른 구성요소들에게 제어 명령들을 송신할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
일 실시예에 따르면, 추진 시스템(10)은 순수 전기 자동차(electric vehicle, EV) 추진 시스템으로서 구성된다. 대안적으로, 추진 시스템(10)은 하이브리드 전기 자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 추진 시스템에 구성되고 또한 트랜스미션(90)에 결합되는 내연 기관(108)(가상선으로 도시)을 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 내연 기관(108)은, 예를 들면, 내연 가솔린 엔진, 내연 디젤 엔진, 천연 가스에 의해 연료 공급받는 내연 기관, 외연 기관, 또는 가스 터빈 엔진일 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 이중 채널 추진 시스템(110)이 차량 액세서리 부하 또는 보조 부하(112)를 포함하는 대안적인 실시예에 따라 도시되어 있다. 추진 시스템(10) 및 추진 시스템(110)에 공통되는 요소들 및 구성요소들은 본 명세서에서 유사한 파트 번호를 붙여 칭한다. 추진 시스템(10)과 유사하게, 추진 시스템(110)은 DC-AC 전압 인버터(50)를 통해 상기 B 채널(20)에 결합되는 전기기계 장치(82)를 포함한다. 추진 시스템(110)은 또한, 선택적으로, 모터링 모드 동안 에너지 저장 시스템(12)의 전압을 B 채널 DC 버스(22)의 버스 전압으로 승압하고 재생 또는 재충전 모드 동안 B 채널 DC 버스(22)의 전압을 에너지 저장 시스템(12)의 전압으로 강압하도록 구성되는 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30)를 포함한다.
B 채널(20) 이외에, 추진 시스템(110)의 상기 이중 채널 DC 버스 어셈블리는, DC-AC 전압 인버터(50)처럼 각각의 페이즈들(130, 132, 134)을 형성하도록 쌍을 이루는 여섯 개의 하프 페이즈 모듈들(118, 120, 122, 124, 126, 128)을 포함하는, DC-AC 전압 인버터(116)를 통해 보조 부하(112)에 연결되는 제 2 채널 또는 C 채널(114)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, C 채널(114)은 선택적 사항의 DC-DC 컨버터(142)(가상선으로 도시)를 통해 에너지 저장 시스템(12)의 상기 양극 단자(26)에 결합되는 C 채널 양극 DC 링크(138) 및 에너지 저장 시스템(12)의 상기 음극 단자(28)에 결합되는 C 채널 음극 DC 링크(140)를 갖는 C 채널 DC 버스(136)를 포함한다.
일 실시예에서, 에너지 저장 시스템(12)은 에너지 저장 시스템(12)의 양극 단자(26)가 C 채널 DC 버스(136)에 직접 결합될 수 있도록 용량 산정된다. 대안적으로, 선택적 사항의 양방향 DC-DC 전압 컨버터(142)(가상선으로 도시)는, 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30)(도 1)와 유사하게, 상기 C 채널 DC 버스(136)에 결합된다.
추진 시스템(110)의 상기 보조 부하(112)는, DC-AC 전압 인버터(116)의 각각의 페이즈들(130, 132, 134)에 결합되는 복수의 권선들(146, 148, 150)을 갖는, 전기기계 장치(144)에 결합된다. 보조 부하는, 비제한적 예로서, 펌프, 히터, 냉각팬, 전동식 에어컨, 공압식 또는 기타 유체 압축기일 수 있다. 직접 구동 실시예에서, 전기기계 장치(144)는 보조 부하(112)에 직접 결합된다. 예를 들면, 펌프를 작동시키는 고속 모터와 같은, 기어 또는 벨트 구동 장치를 포함하는 대안적인 실시예들에서, 전기기계 장치(144)는 선택적 사항의 기어 또는 벨트 어셈블리 구성요소(152)(가상선으로 도시)를 통해 보조 부하(112)에 결합될 수 있다.
선택적으로, 추진 시스템(110)은 상기 C 채널 양극 및 음극 DC 링크들(138, 140)에 결합되는 하나 이상의 전기적 보조 부하들(154)(가상선으로 도시)을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에 따르면, 전기적 보조 부하(들)(154)는, 예를 들면, 저항성 가열 요소들과 같은 고출력 전기적 부하들을 포함할 수 있다.
추진 시스템(10)(도 1) 및 추진 시스템(110)(도 2)은 상기에서 두 개의 채널들, 즉 추진 시스템(10)의 경우에는 트랜스미션(90)에 둘 모두가 결합되는 A 채널(14) 및 B 채널(20), 및 추진 시스템(110)의 경우에는 트랜스미션(90)에 결합되는 A 채널(14) 및 보조 부하(112)에 결합되는 C 채널(114)을 포함하는 것으로 설명되어 있다. 대안적인 실시예들은, 두 개 이상의 채널들이 상기 차량 트랜스미션에 결합되고 하나 이상의 DC 버스 채널들이 보조 부하들에 결합되는 것과 함께, 두 개를 초과하는 DC 버스 채널들을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 도 3의 추진 시스템(156)은 각각의 전기기계 장치들(74, 82)을 통해 트랜스미션(90)에 결합되는 A 채널(14) 및 B 채널(20)과 전기기계 장치(144)를 통해 보조 부하(112)에 결합되는 C 채널(114)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 각 채널의 양극 DC 링크들(18, 24, 138)은 에너지 저장 시스템(12)의 상기 양극 단자(26)에 결합된다. 도 1 및 도 2에 관해 설명한 바와 같이, A 채널(14)의 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32) 및/또는 C 채널 DC 버스(136)의 양방향 DC-DC 전압 컨버터(142)는 선택적인 구성요소들이며, 에너지 저장 시스템(12)의 용량 산정에 기반하여 생략될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 추진 시스템(158)의 개략도이다. 추진 시스템들(10 및 158)에 공통적인 요소들 및 구성요소들은 적절한 동일 참조 번호들과 관련하여 논의될 것이다. 추진 시스템(10)과 공통되는 상기 구성요소들 이외에, 추진 시스템(158)은 이것이 도 1의 단일 에너지 저장 시스템(12) 대신에 제 1 에너지 저장 시스템(160) 및 제 2 에너지 저장 시스템(162)을 포함한다는 점에서 추진 시스템(10)과 다르다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제 1 및 제 2 에너지 저장 시스템들(160, 162)은 상기 에너지 저장 시스템들(160, 162)의 각각의 음극 단자들(166, 168)에 결합되는 공통 음극 DC 링크(164)에 의해 연결된다. 제 1 에너지 저장 시스템(160)의 양극 단자(170)는 DC-DC 컨버터(32)를 통해 상기 A 채널 양극 DC 링크(18)에 결합되고, 제 2 에너지 저장 시스템(162)의 양극 단자(172)는 DC-DC 컨버터(30)를 통해 상기 B 채널 양극 DC 링크(24)에 결합된다.
일 실시예에 따르면, 제 1 에너지 저장 시스템(160)은 고비출력 에너지 저장 장치이고, 제 2 에너지 저장 시스템(162)은 고비에너지 저장 장치이다. 제 1 에너지 저장 시스템(160)은, 예를 들면, 서로 결합된 다수의 커패시터 셀들을 갖는 울트라커패시터일 수 있으며, 여기서 상기 커패시터 셀들은 각각 약 500 패럿을 초과하는 커패시턴스를 가질 수 있다. 대안적으로, 제 1 에너지 저장 시스템(160)은 약 350 W/kg 이상의 비출력(specific-power)을 갖는 고출력 배터리, 또는 하나 이상의 울트라커패시터들 및 배터리들의 조합일 수 있다. 제 1 에너지 저장 시스템(160)이 울트라커패시터인 실시예들에서, 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터(32)는 상기 A 채널(14) 상에 포함된다. 대안적으로, 제 1 에너지 저장 시스템(160)이 배터리인 경우에, 선택적 사항의 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터(32)(가상선으로 도시)는 제 1 에너지 저장 시스템(160)의 용량 산정에 기반하여 선택적으로 생략될 수 있다.
제 2 에너지 저장 시스템(162)은 제 1 에너지 저장 시스템(160)과 비교하여 상대적으로 낮은 비출력을 가진다. 본 명세서에서, 낮은 비출력은 약 200 W/kg 이하 정도의 비출력을 내는 것으로 입증된 에너지 저장 장치를 묘사한다. 다양한 실시예들에 따르면, 제 2 에너지 저장 시스템(162)은, 예를 들면, 고비에너지 배터리 또는 고에너지 밀도 배터리일 수 있다. 본 명세서에서, 에너지 배터리라는 용어는 100 W-hr/kg 이상 정도의 에너지 밀도를 내는 것으로 입증된 고비에너지 배터리 또는 고에너지 밀도 배터리를 말한다(예를 들면, Li-이온, 나트륨-금속 할라이드, 나트륨 니켈 염화물, 나트륨-황, Li-공기, 또는 아연-공기 배터리).
일 실시예에서, 제 2 에너지 저장 시스템(162)은 제 1 에너지 저장 시스템(160)과 비교하여 상대적으로 높은 비저항 및 임피던스를 가진다. 다른 실시예에서, 제 2 에너지 저장 시스템(162)의 상기 상대적으로 낮은 비출력은 상기 에너지 저장 시스템을 포함하는 개별 배터리 셀들의 불균형으로 인한 것일 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 에너지 저장 시스템(162)은 저비용 리튬 이온 배터리일 수 있다. 대안적으로, 제 2 에너지 저장 시스템(162)은 나트륨 금속 할라이드 배터리, 나트륨 황 배터리, 니켈 금속 할라이드 배터리, 아연-공기 배터리, 및 납산(lead acid) 배터리 등일 수 있다.
제 1 에너지 저장 시스템(160)이 파워 배터리로서 구성되는 실시예들에서, 추진 시스템(158)은, 예를 들면, 대중 교통 버스 내로 통합될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 1 및 제 2 에너지 저장 시스템들(160, 162)은 둘 모두 고비에너지 저장 장치들로서 구성된다.
상기 다중 채널 DC 버스 어셈블리의 각 채널에 대한 별개의 에너지 저장 시스템(예를 들면, 상기 A 채널(14)에 대한 제 1 에너지 저장 시스템(160) 및 상기 B채널(20)에 대한 제 2 에너지 저장 시스템(162))을 갖는 추진 시스템(158)을 구성함으로써, 상기 에너지 저장 시스템들(160, 162)은 그 각각의 채널이 상기 전체 추진 시스템(158)의 크기, 중량, 및 비용을 최소화하도록 개별적으로 용량 산정되고, 상기 전기기계 장치들(74, 82)이 상기 추진 시스템(158)에서 할 수 있는 상이한 역할들을 담당할 수 있다. 예를 들면, 전기기계 장치(74)는 가속 시간 동안 고출력을 제공하도록 작동될 수 있지만, 반면에 전기기계 장치(82)는 차량의 주행 거리를 증가시키기 위해 상기 차량에게 더 오래 지속되는 전력을 제공하도록 작동될 수 있다. 따라서, 상기 A 채널(14)의 피크 전력은 상기 B 채널(20)의 피크 전력보다 두 배 이상 클 수 있으므로, 상기 제 1 및 제 2 에너지 저장 시스템들(160, 162)은 이에 따라 개별적으로 용량 산정될 수 있다.
각각의 채널에 대한 상기 DC 링크 전압은 상기 각각의 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30, 32)에 의해 제어된다. 또한, 추진 시스템(158)은, 작동하는 동안 피크 전력 요구를 충족시키고 다양한 차량 구동 주기들 동안 제 1 및 제 2 에너지 저장 시스템들(160, 162)로부터 이용가능한 에너지를 관리하면서, 효율을 더 최적화하도록 제어될 수 있다. 별개의 제 1 및 제 2 에너지 저장 시스템들(160, 162)을 포함하는 것은 상기 제 1 및/또는 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터들(30, 32)에 포함되는 전력 전자제품들 및 수동 구성요소들 뿐만 아니라 상기 에너지 저장 시스템들(160, 162) 중 하나 또는 둘 모두에서의 전력 전자 모듈들 및 수동 구성요소들을 추가적으로 절약하는 결과를 또한 가져올 수 있다. 또한, 각 채널에 대한 별개의 에너지 저장 시스템을 포함하는 것은 상기 에너지 저장 시스템들(160, 162) 중 하나 또는 둘 모두가, 상기 A 및 B 채널들(14, 20) 둘 모두의 피크 전력 요구를 충족시키도록 용량 산정되는 도 1의 에너지 저장 시스템(12)과 같은, 다수의 채널들의 피크 전력 요구들을 충족시키도록 용량 산정되는 단일 에너지 저장 시스템을 포함하는 시스템보다 더 낮은 전압에서 작동될 수 있게 하여 향상된 작동 효율의 결과를 가져올 수 있다.
선택적으로, 추진 시스템(158)은 A 채널(14) 및 B 채널(20)의 양극 DC 링크들(18, 24) 간에 위치하는 스위칭 요소 또는 결합 장치(174)(가상선으로 도시)를 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 결합 장치(174)는, 비제한적 예로서, 전기기계 스위칭 장치, 고체형 스위칭 장치, 다이오드, 저항체와 컨택터 또는 고체 스위치의 조합으로서 구성될 수 있다. 컨트롤러(96)는 제어 라인들(176)을 통해 결합 장치(174)에 연결되며, 상기 A 및 B 채널들(14, 20)이 어떤 작동 모드들 동안 상이한 DC 링크 전압들에서 작동되고 선택적으로 서로 결합되어 다른 작동 모드들 동안 동일한 DC 링크 전압에서 작동될 수 있도록, 결합 장치(174)를 개방(open) 상태 또는 폐쇄(close) 상태에서 작동시킨다. 예를 들면, 모터링 작동 모드 동안, 전기기계 장치(82)가 전기기계 장치(74)보다 더 높은 작동 전압에서 효율적으로 작동될 수 있고, 상기 A 채널(14)이 상기 B 채널(20)보다 더 낮은 DC 링크 전압에서 작동될 수 있도록, 결합 장치(174)는 개방 상태에 있도록 구성될 수 있다. 또한, 회생 제동(regenerative braking) 이벤트 동안 또는 상기 에너지 저장 시스템들(162, 160) 중 하나의 엔진 재충전 이벤트 동안, 컨트롤러(96)는, 결합 장치(174)를 폐쇄 상태에 있도록 하여, 전기기계 장치(74)에 의해 발생되는 AC 전압 또는 전류가 DC-AC 전압 인버터(48)에 의해 DC 전압 또는 전류로 변환되고 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(30)에 공급되어 제 2 에너지 저장 시스템(162)을 재충전시키도록 구성될 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 추진 시스템(178)이 본 발명의 다른 실시예에 따라 도시되어 있다. 추진 시스템들(10, 158)에 공통적인 추진 시스템(178)의 요소들 및 구성요소들은 적절한 동일 참조 번호들과 관련하여 논의될 것이다.
도 4의 추진 시스템(158)과 유사하게, 추진 시스템(178)은, 그 각각의 채널(14, 20)의 피크 전력 요구에 기반하여 개별적으로 용량 산정될 수 있는, 제 1 에너지 저장 시스템(180) 및 제 2 에너지 저장 시스템(182)을 포함하여, 이로써 상기 추진 시스템의 크기, 전체 중량, 및 비용을 줄일 수 있다. 또한, 제 1 에너지 저장 시스템(180)은, 제 1 에너지 저장 시스템(180)보다 더 높은 공칭 전압에 대해 용량 산정될 수 있는, 제 2 에너지 저장 시스템(182)보다 더 높은 비출력(및 더 낮은 내부 임피던스)을 갖도록 선택될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 제 1 에너지 저장 시스템(180)은 제 1 에너지 저장 시스템(160)(도 4)과 유사한 고비출력 에너지 저장 장치로서 구성되며, 제 2 에너지 저장 시스템(182)은 제 2 에너지 저장 시스템(162)(도 4)과 유사한 고비에너지 저장 장치로서 구성된다.
그러나, 도 4의 추진 시스템(158)의 구성과 달리, 도 5에 나타낸 바와 같이, 추진 시스템(178)의 제 1 에너지 저장 시스템(180) 및 제 2 에너지 저장 시스템(182)은 직렬 구성으로 배치되며, 이와 함께 제 1 에너지 저장 시스템(180)의 양극 단자(184)는 제 2 에너지 저장 시스템(182)의 음극 단자(186)에 결합된다. 도시한 바와 같이, 제 2 에너지 저장 시스템(182)의 양극 단자(188)는 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30)에 연결되고, 제 1 에너지 저장 시스템(180)의 음극 단자(190)는 A 채널 음극 DC 링크(70)에 연결되며 또한 B 채널 음극 DC 링크(72)에도 연결된다. 제 1 및 제 2 에너지 저장 시스템들(180, 182)을 직렬로 연결함으로써, 에너지 저장 시스템들(180, 182) 간의 전력 분배는 상기 두 개의 에너지 저장 시스템들의 상대적 전압들의 함수이다. 다시 말하면, 각 에너지 저장 시스템(180, 182)에서의 전력은 직렬 구성의 결과로서 상기 각각의 에너지 저장 시스템(180, 182)의 전압의 함수이다. 에너지 저장 시스템들(180, 182)의 직렬 연결은 상기 두 개의 시스템들의 상대적 전압들이 합해지도록 하므로, 에너지 저장 시스템들(180, 182)은, 도 1에 나타낸 것과 같은, 비교할 만한 전체 전압 출력을 갖는 단일 에너지 저장 시스템을 갖는 추진 시스템보다 더 낮은 전압들을 갖도록 용량 산정될 수 있다.
작동시에, 제 1 에너지 저장 시스템(180) 및 제 2 에너지 저장 시스템(182) 둘 모두의 충전 상태(state of charge, SOC)는, 상기 컨트롤러(96)가 상기 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30, 32)에 전송하는 스위칭 명령들을 통해, 소정의 한계치들 내에서 및 소정의 작동 범위 내에서 유지된다. 상기 A 채널(14) 및 B 채널(20)의 상기 DC 링크 전압들은 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30, 32)와, DC-AC 전압 인버터들(48, 50) 및 전기기계 장치들(74, 82)로부터의 연관된 부하들에 의해 독립적으로 제어된다.
선택적으로, 추진 시스템(178)은 또한 A 채널(14) 및 B 채널(20)의 상기 양극 DC 링크들(18, 24) 사이에 위치하는 선택적 사항의 결합 장치(174)(가상선으로 도시)를 포함할 수 있다. 결합 장치(174)는 추진 시스템(158)에 관해 상기에서 설명한 바와 같이 추진 시스템(178)에서 유사한 방식으로 컨트롤러(96)에 의해 작동될 수 있으며, 따라서 상기 A 및 B 채널들(14, 20)의 상기 DC 링크 전압들은 어떤 작동 모드들 동안에는 동일하고 다른 작동 모드들 동안에는 상이하다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 추진 시스템(192)을 도시하고 있다. 추진 시스템(192)이 도 5의 추진 시스템(178)의 동일한 구성요소들 및 요소들 중 많은 것을 포함함에 따라, 시스템들(178 및 192)에 공통되는 요소들 및 구성요소들은 적절한 동일 참조 번호들과 관련하여 논의될 것이다.
추진 시스템(178)과 공통되는 상기 구성요소들 이외에, 추진 시스템(192)은, 상기 A 채널 상에서 추진 시스템(178)의 상기 양방향 DC-DC 전압 컨버터(32)를 대체하고 제어 라인들(196)을 통해 컨트롤러(96)에 의해 제어되는, 결합 장치(194)를 포함한다. 결합 장치(174)와 유사하게, 결합 장치(194)는, 비제한적 예로서, 전기기계 스위칭 장치, 고체형 스위칭 장치, 다이오드, 저항체와 컨택터 또는 고체 스위치의 조합으로서 구성될 수 있다. 결합 장치(194)는 양방향 DC-DC 전압 컨버터보다 더 낮은 비용의 구성요소이므로, 추진 시스템(192)은 도 5의 추진 시스템(178)보다 더 낮은 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 결합 장치(194)는 양방향 DC-DC 전압 컨버터보다 더 높은 효율로 작동되므로, 도 1의 상기 A 채널 양방향 DC-DC 전압 컨버터(32)를 결합 장치(194)로 대체하는 것은 추진 시스템(192)의 전체 효율을 증대시킨다.
도 5의 추진 시스템(178)과 유사하게, 추진 시스템(192)은, 제 1 에너지 저장 시스템(180)의 양극 단자(184)가 제 2 에너지 저장 시스템(182)의 음극 단자(186)에 결합되도록, 직렬로 배치된다. 제 1 에너지 저장 시스템(180)은 상기 추진 시스템(192)의 원하는 가속에 기반하여 용량 산정되지만, 반면에 제 2 에너지 저장 시스템(182)은 전기 구동을 이용하여 작동되면서 원하는 주행 거리에 기반하여 용량 산정된다. 도 6에 도시된 실시예에서, 제 1 에너지 저장 시스템(180)은, 결합 장치(194)가 폐쇄 상태에 있는 경우에 DC-AC 전압 인버터(48)에 대한 DC 링크 전압을 소정의 공칭 전압의 한계치 내에서 유지하기 위해, 울트라커패시터보다는 파워 배터리로서 구성된다. 또한, 제 1 에너지 저장 시스템(180)의 상기 공칭 전압은, 제 1 에너지 저장 시스템(180)의 정상적인 작동 전압 범위가 전기기계 장치(74)의 설계 파라미터들에 기반하여 결정되는 A 채널(14)에 대한 최적화된 DC 링크 전압의 한계치 내에 있도록, 선택된다.
도 7을 참조하면, 이중 채널 추진 시스템(198)이 또 다른 실시예에 따라 도시되어 있다. 추진 시스템들(10, 198)에 공통적인 요소들은 유사한 번호를 붙여 칭한다. 도 1의 추진 시스템(10)과 유사하게, 추진 시스템(198)은 상기 A 채널(14) 및 상기 B 채널(20) 둘 모두에 결합되는 단일 에너지 저장 시스템(200)을 포함한다. 에너지 저장 시스템(12)(도 1)과 유사하게, 다양한 실시예들에 따르면, 에너지 저장 시스템(200)은 고전압 또는 고출력 에너지 저장 장치일 수 있고, 또한 배터리, 플라이휠 시스템, 연료 전지, 울트라커패시터, 또는 울트라커패시터, 연료 전지, 및/또는 배터리의 조합일 수 있다. 도시한 바와 같이, 에너지 저장 시스템(200)의 양극 단자(202)는 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터(30)를 통해 B 채널 양극 DC 링크(24)에 결합된다. 상기 A 채널 양극 DC 링크(18)는 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)를 통해 상기 양극 단자(202)에 결합된다.
선택적 사항의 바이패스 컨택터(204)(가상선으로 도시)가 상기 A 채널(14) 상에서 에너지 저장 시스템(200)과 DC-AC 전압 인버터(48) 사이에 포함된다. 다양한 실시예들에 따르면, 바이패스 컨택터(204)는, 비제한적 예로서, 전기기계 스위칭 장치, 고체형 스위칭 장치, 다이오드, 저항체와 컨택터 또는 고체 스위치의 조합으로서 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 에너지 저장 시스템(200)은, 에너지 저장 시스템(200)의 상기 양극 단자(202)가 선택적인 바이패스 컨택터를 통해 A 채널 양극 DC 링크(18)에 직접 결합되도록, 용량 산정된다. 대안적으로, 선택적인 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)(가상선으로 도시)가 상기 A 채널 DC 버스(16)에 결합된다. 이 실시예에서, 선택적인 DC-DC 컨버터(32) 또는 선택적인 바이패스 컨택터(204) 중 적어도 하나가 이용된다.
컨트롤러(96)는 제어 라인들(206)을 통해 바이패스 컨택터(204)에 연결된다.어떤 작동 모드들에서, 컨트롤러(96)는 바이패스 컨택터(204)를 개방 상태로 작동시켜, 이로써 컨트롤러(96)에 의해 에너지 저장 시스템(200)의 전압을 상기 A 채널 DC 버스(16)의 전압으로 승압하도록 제어되는 선택적인 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)를 통해 이동하는, 에너지 저장 시스템(200)과 DC-AC 전압 인버터(48) 간의 전력 유로를 생성한다. 다른 작동 모드들에서, 컨트롤러(96)는, 선택적 사항의 바이패스 컨택터(204)를 폐쇄 상태에 있도록 작동시켜서, 선택적 사항의 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)를 우회하는, 에너지 저장 시스템(200)과 DC-AC 전압 인버터(48) 간의 전력 유로를 생성하게 한다. 바이패스 결합 장치(204)가 폐쇄 상태에서 작동되어 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)를 우회하는 경우, 양방향 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리(32)에서의 손실이 제거되므로, 추진 시스템(198)은 단순히 쵸핑(chopping)을 턴-오프하는 것을 통해 효율의 향상을 경험하게 된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 하나 또는 다수의 공통 에너지 저장 시스템들에 연결되어 있으면서, 상기 개별적인 DC 버스 채널들이 공통 전압에서 또는 상이한 전압에서 작동될 수 있도록 구성되는 다중 채널 DC 버스 어셈블리를 이용한다. 일부 실시예들에서, 상기 DC 버스 어셈블리의 각각의 채널들에 결합되는 전기기계 장치들의 출력측들은, 전기 가변 트랜스미션과 같은, 공통 트랜스미션 어셈블리를 통해 서로 결합된다. 더불어, 상기 전기기계 장치들, DC-AC 인버터들, 및 에너지 저장 시스템(들)과 함께 상기 다중 채널 DC 버스 어셈블리의 각 채널과 연관되는 양방향 DC-DC 컨버터들은, 상기 에너지 저장 시스템(들)이 충전 소진 및 충전 유지 모드들에서 작동되고 있는 경우 전력 손실을 최소화하고 고도의 전체 시스템 효율을 유지하도록 제어될 수 있는 광범위한 양방향 속도, 토크, 및 전력에 걸쳐 작동된다. 선택적으로, 열기관이 상기 에너지 저장 시스템(들) 상에서의 충전을 유지하기 위해 상기 트랜스미션 어셈블리에 결합될 수 있으며, 상기 DC 버스 채널들 중 하나 이상의 채널들의 출력측이 보조 부하에 결합될 수 있다. 유익하게, 본 명세서에 개시된 상기 추진 시스템들은, 상기 다중 채널 DC 버스 어셈블리의 상기 각각의 DC 버스 채널들 상에서의 상기 DC 링크 전압의 임피던스 제어를 통해 향상된 효율을 제공하면서, 상기 에너지 저장 시스템(들)이 크기, 중량, 및 비용을 최소화하도록 설계될 수 있게 한다.
상기 개시된 기기에 대한 기술적인 기여는 그것이 에너지 저장 시스템의 전압을 승압된 전압으로 승압하고 상기 승압된 전압을 전압 버스에 제공하는 컨트롤러 구현 기법을 제공한다는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기기는 제 1 채널 및 제 2 채널을 포함하는 다중 채널 DC 버스 어셈블리, 상기 제 1 채널의 양극 DC 링크에 결합되는 제 1 전기기계 장치, 및 상기 제 2 채널의 양극 DC 링크에 결합되는 제 2 전기기계 장치를 포함한다. 제 1 DC-AC 전압 인버터는 상기 제 1 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합되고, 제 2 DC-AC 전압 인버터는 상기 제 2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된다. 상기 기기는 상기 제 2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합되는 양방향 전압 변경 어셈블리 및 상기 제 1 전기기계 장치에 전기적으로 결합되는 제 1 에너지 저장 시스템을 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 추진 시스템을 제조하는 방법은 제 1 DC-AC 전압 인버터를 제 1 전압 버스에 결합하는 단계, 제 1 전기기계 장치를 상기 제 1 DC-AC 전압 인버터에 결합하는 단계, 및 제 2 DC-AC 전압 인버터를 제 2 전압 버스에 결합하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제 2 전기기계 장치를 상기 제 2 DC-AC 전압 인버터에 결합하는 단계, 양방향 DC-DC 전압 컨버터를 상기 제 2 전압 버스에 결합하는 단계, 제 1 에너지 저장 시스템을 상기 양방향 DC-DC 전압 컨버터에 결합하는 단계, 및 상기 제 1 에너지 저장 시스템의 전압을 상기 제 1 전압 버스의 전압과 상이한 승압된 전압으로 승압하기 위해 상기 양방향 DC-DC 전압 컨버터의 스위칭을 제어하도록 컨트롤러를 프로그래밍하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 차량 추진 시스템은 제 1 DC 버스 및 제 2 DC 버스를 갖는 DC 버스 어셈블리를 포함한다. 상기 차량 추진 시스템은 또한 상기 제 1 DC 버스에 결합되는 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터, 상기 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터의 저전압 측에 결합되는 고비출력 에너지 저장 장치, 제 1 DC-AC 전압 컨버터를 통해 상기 제 1 DC 버스에 결합되는 제 1 전기기계 장치, 및 제 2 DC-AC 전압 컨버터를 통해 상기 제 2 DC 버스에 결합되는 제2 전기기계 장치를 포함한다. 컨트롤러는 상기 제 1 전기기계 장치의 전압을 승압된 전압으로 승압시키고, 상기 제 2 DC 버스의 전압과 상이한, 상기 승압된 전압을 상기 제 1 DC 버스에 공급하기 위해 상기 제 1 양방향 DC-DC 전압 컨버터를 제어하도록 프로그래밍된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 차량 추진 시스템은 제 1 DC 버스의 양극 DC 링크에 결합되는 제 1 전기기계 장치, 상기 제 1 전기기계 장치의 출력측에 결합되는 보조 부하, 및 상기 제 1 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합되는 제 1 DC-AC 전압 인버터를 포함한다. 제 2 전기기계 장치는 제 2 DC 버스의 양극 DC 링크에 결합되고, 트랜스미션은 상기 제 2 전기기계 장치의 출력측에 결합된다. 상기 차량 추진 시스템은 또한 상기 제 2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합되는 제 2 DC-AC 전압 인버터, 상기 제 2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 전기적으로 결합되는 에너지 저장 시스템, 및 상기 제 2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합되고 상기 제 1 에너지 저장 시스템의 전압을 상기 제 1 DC 버스의 전압과 상이한 전압으로 승압하도록 구성되는 양방향 전압 변경 어셈블리를 포함한다.
본 발명은 단지 제한된 수의 실시예들과 관련하여 상세히 설명되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 할 것이다. 오리혀, 본 발명은, 지금까지 설명되지 않았지만 본 발명의 사상 및 범위에 부합하는, 변형들, 변경들, 치환들 또는 동등한 배치들을 얼마든지 포함하도록 변경될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 측면들은 단지 상기 설명된 실시예들의 일부만을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다. 따라서, 본 발명은 상기 설명에 의해 제한되는 것으로 이해되어서는 안 되며, 첨부된 청구항들의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (28)

  1. 장치에 있어서,
    다중 채널 DC 버스 어셈블리의 제1 채널과 제2 채널 둘 다에 결합된 제1 에너지 저장 시스템;
    상기 제1 채널의 양극(positive) DC 링크에 결합된 제1 전기 모터;
    상기 제2 채널의 양극 DC 링크에 결합된 제2 전기 모터 - 상기 제2 전기 모터는 상기 제1 전기 모터보다 더 높은 속도로 동작하도록 구성됨 -;
    상기 제1 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제1 인버터;
    상기 제2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제2 인버터;
    상기 제2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제1 양방향 DC/DC 컨버터; 및
    상기 제1 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합되고, 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 제2 인버터 사이의 상기 제2 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된 결합 디바이스
    를 포함하고,
    상기 결합 디바이스는 상기 제1 채널의 상기 양극 DC 링크를 상기 제2 채널의 상기 양극 DC 링크에 선택적으로 결합시키도록 구성된 것인 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전기 모터에 결합된 제2 에너지 저장 시스템
    을 더 포함하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 울트라커패시터와 파워 배터리 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제2 에너지 저장 시스템은 에너지 배터리를 포함한 것인 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템의 음극 단자는 상기 제2 에너지 저장 시스템의 음극 단자에 결합된 것인 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템과 상기 제2 에너지 저장 시스템은 직렬 배열로 함께 결합된 것인 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 채널의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제2 양방향 DC/DC 컨버터
    를 더 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    회생제동(regenerative braking) 작동 모드와 충전 유지(charge sustaining) 작동 모드 중 적어도 하나의 작동 모드 동안 상기 결합 디바이스를 폐쇄(close)시키고, 모터링(motoring) 작동 모드 동안 상기 결합 디바이스를 개방(open)시키도록 프로그래밍된 컨트롤러
    를 더 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 채널의 상기 양극 DC 링크를 상기 제1 에너지 저장 시스템에 선택적으로 결합시키도록 구성된 바이패스 결합 디바이스
    를 더 포함하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기 모터를 상기 제2 전기 모터에 기계적으로 결합시키도록 구성된, 기어 어셈블리와 벨트 어셈블리 중 적어도 하나
    를 더 포함하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 에너지 저장 시스템은 상기 다중 채널 DC 버스 어셈블리의 제3 채널에 결합되며, 상기 제3 채널에는 보조 부하가 결합된 것인 장치.
  11. 차량 추진 시스템에 있어서,
    제1 DC 버스와 제2 DC 버스를 포함한 DC 버스 어셈블리;
    상기 제2 DC 버스에 결합된 제1 양방향 DC/DC 컨버터;
    상기 제1 DC 버스에 결합되고, 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터의 저전압 측에 결합된 고 비출력(high specific-power) 에너지 저장 디바이스;
    제1 DC/AC 컨버터를 통해 상기 제1 DC 버스에 결합된 제1 전기 모터;
    제2 DC/AC 컨버터를 통해 상기 제2 DC 버스에 결합된 제2 전기 모터 - 상기 제2 전기 모터는 상기 제1 전기 모터보다 더 높은 속도로 동작하도록 구성됨 -;
    상기 제1 DC 버스에 결합되고, 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터와 제2 인버터 사이의 상기 제2 DC 버스에 결합된 결합 디바이스 - 상기 결합 디바이스는 상기 제1 DC 버스를 상기 제2 DC 버스에 선택적으로 결합시키도록 구성됨 -; 및
    상기 제2 DC 버스의 전압을 강압(buck)된 전압으로 강압시키고 상기 강압된 전압을 상기 고 비출력 에너지 저장 디바이스에 공급하도록 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터를 제어하도록 프로그래밍된 컨트롤러
    를 포함하는 차량 추진 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 DC 버스에 결합된 제2 양방향 DC/DC 컨버터
    를 더 포함하며,
    상기 제2 양방향 DC/DC 컨버터는 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터의 전압 정격보다 낮은 전압 정격을 갖는 것인 차량 추진 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 양방향 DC/DC 컨버터의 저전압 측에 결합된 고 비에너지(high specific-energy) 에너지 저장 디바이스
    를 더 포함하는 차량 추진 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 고 비출력 에너지 저장 디바이스와 직렬로 결합된 고 비에너지 에너지 저장 디바이스
    를 더 포함하는 차량 추진 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 고 비출력 에너지 저장 디바이스의 음극 단자에 결합된 음극 단자를 갖는 고 비에너지 에너지 저장 디바이스
    를 더 포함하는 차량 추진 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전기 모터의 출력 및 상기 제2 전기 모터의 출력에 결합된 트랜스미션(transmission)
    을 더 포함하는 차량 추진 시스템.
  17. 차량 추진 시스템에 있어서,
    제1 DC 버스의 양극 DC 링크에 결합된 제1 전기 모터;
    상기 제1 전기 모터의 출력에 결합된 보조 부하;
    상기 제1 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제1 인버터;
    제2 DC 버스의 양극 DC 링크에 결합된 제2 전기 모터 - 상기 제2 전기 모터는 상기 제1 전기 모터보다 더 높은 속도로 동작함 -;
    상기 제1 전기 모터의 출력 및 상기 제2 전기 모터의 출력에 결합된 트랜스미션;
    상기 제2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제2 인버터;
    상기 제1 DC 버스의 상기 양극 DC 링크 및 상기 제2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크 둘 다에 결합된 에너지 저장 시스템;
    상기 제2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제1 양방향 DC/DC 컨버터; 및
    상기 제1 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합되고, 상기 제1 양방향 DC/DC 컨버터와 상기 제2 인버터 사이의 상기 제2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합된 결합 디바이스
    를 포함하고,
    상기 결합 디바이스는 상기 제1 DC 버스의 상기 양극 DC 링크를 상기 제2 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 선택적으로 결합시키도록 구성된 것인 차량 추진 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 DC 버스의 상기 양극 DC 링크에 결합된 제2 양방향 DC/DC 컨버터
    를 더 포함하는 차량 추진 시스템.
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