KR200488692Y1 - Dc 에너지 전달 장치, 애플리케이션, 부품 및 방법 - Google Patents

Dc 에너지 전달 장치, 애플리케이션, 부품 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 고안은 직류(DC) 에너지 전달 회로, 에너지 전달 컨트롤러, DC 에너지 전달 네트워크, 이러한 회로에 사용하는 부품, 본 고안에 따라 동작하는 방법 및 DC 에너지 전달 장치를 포함 및/또는 사용하여 이득을 얻는 응용 장치를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 상기 응용 장치는 하이브리드 전기 차량, 전기 차량 및/또는 태양열 발전 장치, 특히 하이브리드 전기/내연기관 자동차를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.

Description

DC 에너지 전달 장치, 애플리케이션, 부품 및 방법{DC ENERGY TRANSFER APPARATUS, APPLICATIONS, COMPONENTS AND METHODS}
본 고안은 직류(DC) 에너지 전달 장치, 에너지 전달 컨트롤러, DC 에너지 전달 네트워크, 이러한 회로에 사용되는 부품, DC 에너지 전달 장치 및/또는 네트워크를 포함하거나 사용하는 것이 유용한 장치, 이 고안에 따른 상기 장치 등을 동작하는 방법에 관한 것이다. 부품은, 적어도 하나의 용량성 장치, 스위치 장치 및/또는 유도성 장치를 포함하나, 이에 제한되지 않고, 각각은 고안의 내용 및 고안을 실시하기 위한 구체적인 내용에 규정 및 개시되어 있다. 애플리케이션 장치는, 하이브리드 전기 자동차, 전기 자동차 및/또는 태양열 발전 장치를 포함하나, 이에 제한되지 ?는다. 차량은 자동차, 트럭, 버스, 트롤리, 기차, 비행기, 배, 잠수함, 인공위성 및/또는 우주선을 포함할 수 있다. 바람직한 차량은 자동차, 트럭 또는 버스이다. 차량은 유인 또는 무인 차량일 수 있다. 태양열 발전 장치는, 이 장치들이 온-그리드(on-gird) 또는 오프-그리드(off-grid)인지에 따라, 태양열 어레이 및/또는 태양열 스토리지로부터의 에너지 전달 장치를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
하나의 전압에서 다른 전압으로 DC 에너지를 전환하는 것은 20세기 초반부터 많은 전기 및 전자 시스템에서 표준 기능이었다.
여기서 사용되는 DES(dynamical electro-state)는 회로에서 제2노드에 대한 적어도 하나의 노드의 하나 이상의 전압, 전류 또는 인덕턴스를 의미한다. 전압 및/또는 전류는 노드와 제2노드 사이의 측정값에 의해 결정되며, 시간에 따라 변한다. 인덕턴스는 인덕터와 관련하여 논의된다. 전류는 노드에서 제2노드로 흐르는 전하의 시간에 따른 변화율에 상당하는 것이다. 이 문서에서 표준단위로, 전압은 볼트(V), 전류는 암페어(Amp), 전하는 쿨롬(C)이 사용된다. 전압은 여기서 전압차를 의미한다.
회로는 대부분 단자를 포함하는 장치, 복수의 노드, 일부 단자 및/또는 일부 노드 사이의 전기적 접속을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 회로는, 회로에 포함되는 장치 및 전기적 접속과 함께, 복수의 DES를 형성한다. 각 DES는 단독 제2노드에 대해 복수의 노드에 걸쳐 공유되는 전기적 상태를 갖는다. 다른 상황에서는, 하나 이상의 DES가 제2노드에 대해 일 노드에서 타 노드로 측정가능하게 변하는 전기적 상태를 가질 수 있다.
회로에 설치된 일부 표준 장치는, 커패시터, 저항, 인덕터, 다이오드 및/또는 스위치를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 이 표준 장치들을 종래 기술 관점에서 이하 간략히 설명한다.
커패시터는 일반적으로, 주요 전기적 특성이 두 단자를 가로지르는 커패시턴스인 두 단자 장치이다. 커패시턴스는 주로 전하를 축적하는 능력으로, 이에 따라 전기적 에너지가 장치에 저장된다. 커패시터는 주로 유전체로 분리된 두 개의 평행한 도전성 플레이트로 모델링 및/또는 만들어진다. 커패시턴스는 보통 도전성 플레이트의 표면적에 정비례하고 플레이트 사이의 분리 거리에 반비례하도록 모델링된다. 또한 커패시턴스는 플레이트의 기하학적 구조 및 유전체의 유전율의 함수에 상당한다. 여기서 사용되는 커패시턴스의 단위는 패럿(Farad)이다. 1 쿨롬(C)으로 충전된 1 패럿(F) 커패시터는, 그 플레이트 사이에 1V의 전위차를 갖는 것으로 규정된다. 커패시턴스의 통상적인 모델은 C = er eo A / d이며, 여기서 C는 패럿 단위의 커패시턴스이고, A는 평행한 플레이트들이 중첩되는 영역이고, er은 유전체의 유전율, eo는 유전상수(대략 8.854 * 10-12 F/meter), d는 플레이트들이 분리된 거리를 미터로 나타낸 것이다. 에너지는 줄(J)로 측정되고, 커페시터에 저장될 때, 통상 커패시터를 그 전류 상태로 충전하는 것을 완료한 것으로 규정된다. 커패시터에 저장된 에너지는 주로 CV2/2로 추정되고 J로 보고된다.
인덕터는 일반적으로 주요 전자기 특성이 단자 사이를 가로지르는 인덕턴스인 두 단자 장치이다. 일반적으로, 인덕터는 주로 와이어로 언급되는 도전성 재료의 코일을 포함한다. 와이어는 인덕터의 두 단자를 접속한다. 단자 사이의 와이어는 주로 축을 중심으로 감긴다. 일부 상황에서, 와인딩(winding)은 그 축에 대해 필수적으로 대칭이다. 코일의 내부에는 금속 코어가 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있다. 인덕턴스는 주로, 와이어 자체에서(자체 인덕턴스) 및 임의의 근처 와이어에서(상호 인덕턴스), 그를 통해 흐르는 전류의 변화가 전압을 유도하는(전자기력) 와이어의 전자기적 특성으로 규정된다. 인덕턴스는 주로 그 단자에 걸쳐 인가되는 주어진 주파수의 시간에 따라 변하는 전압(주로 사인곡선)에 대한 코일의 응답으로 측정된다. 본 고안에서 인덕턴스의 단위는 국제단위(SI)계인 헨리(H)이다. 기본 SI계로 바꾸면, 1H는 kg m2 s-2 A-2에 상응한다. 인덕터에 대해 특정 주파수에서 사인곡선 테스트 패턴에 헨리(H)로 나타내는 것(주로 1 Kilo Herz)은 일반적이다.
저항은 일반적으로 주요 전기적 특성이 그 단자 사이를 가로지르는 저항(resistance)인 두 단자 장치이다. 저항은 SI계에서 옴(ohm)의 단위로 측정된다. 여기서, 옴은 1V의 일정한 전압차가 그 노드들에 인가될 때 1A의 전류를 생성하는 두 노드 사이의 저항으로 규정된다.
다이오드는 일반적으로 주요 전기적 특성이 제1단자에서 제2단자로의 전류 흐름을 차단하는 한편 통과 저항을 갖고 제2단자에서 제1단자로 전류 흐름을 허용하는 것인 두 단자 장치이다.
스위치는, 기계적 스위치, 고체(solid state) 스위치 및/또는 고체 스위치와 기계적 스위치의 통합형태 중 하나 이상을 의미한다. 여기서 스위치는 제1 및 제2단자와 제어 단자를 포함한다. 제어 단자가 닫힌 상태이면, 제1 및 제2단자는 접속되거나 닫힌다. 제어 단자가 열린 상태이면, 제1 및 제2단자는 개방되거나 접속되지 않는다.
시스템은 하나 이상의 회로 및/또는 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 자동차는 자동차의 추진을 돕도록 동작되는 변속기 회로 및 자동차의 차 안의 기후 조절을 돕도록 동작되는 냉난방 장치를 포함하는 시스템에 상당한다.
여기서 직류(DC) DES는 전류가 노드와 제2노드 사이에 일방향으로만 흐르는 DES를 의미한다. 교류(AC) DES는 전류가 노드에서 제2노드로, 제2노드에서 제1노드로 흐르는 DES를 의미한다.
여기서 사용되는 바와 같이, 에너지 전달 장치는, 입력 DC 단자, 출력 DC 단자 및 공통 단자를 포함하고, 입력 DC 단자로부터의 DC DES를 수신하고 적어도 하나의 출력 DC DES를 생성하도록 구성된 회로를 의미한다. 입력 DC DES는 제1노드로서 입력 DC 단자를 갖는다. 출력 DC DES는 제1노드로서 출력 DC 단자를 갖는다. 입력 및 출력 DC DES는 제2노드로 공통 단자를 공유한다.
종래에는 에너지 전달 장치를 DC-DC 컨버터로 구현하는 것을 오랫동안 선호하였다. 이 DC-DC 컨버터는 DC 입력 DES를 변압기의 1차 코일을 구동하는 AC 내부 전력 DES로 변환하기 위해 AC 타이밍 DES에 응답하는 인버터를 사용한다. 변압기의 2차 코일은 적어도 하나의 2차 AC DES를 생성한다. 이어서, 2차 AC DES는 DC-DC 컨버터의 출력 DC DES를 생성하기 위해 필터링되고 정류된다. 일부 또는 모든 AC DES는, 특히 2차 AC DES는 종종 한 쌍의 와이어로 구현된다.
본 고안은 직류(DC) 에너지 전달 회로, 에너지 전달 컨트롤러, DC 에너지 전달 네트워크, 이러한 회로에 사용되는 부품, 에너지 전달 장치를 포함하거나 사용하는 것이 유용한 장치, 이 고안에 따른 상기 장치, 부품 및/또는 장치를 동작하는 방법에 관한 것이다. 여기서, 본 발명의 회로에 사용되는 부품은 다른 애플리케이션에도 사용될 수 있다.
여기서, DC 에너지 전달 장치는 입력 DC 단자, 출력 DC 단자 및 공통 단자를 포함할 수 있고, 이 단자들을 통해, DES 모두에 제2노드로 작용하는 공통 단자와 함께, 입력 DC 단자로부터 입력 DC DES를 수신하고 출력 DC 단자를 통해 적어도 하나의 출력 DC DES를 생성한다. DC 에너지 전달 장치는, 여기서 내부 DC DES로 불리는, DC DES를 필수적으로 포함하는 출력 DC DES의 생성에 기여하는 적어도 하나의 내부 DES를 포함한다. 용어 "내부 DES"는 입력 DC 단자와 출력 DC 단자 사이에서 대부분 및 가능한 모든 에너지를 전달하는데 사용되는 입력 단자나 출력 단자가 아닌, DC 에너지 전달 장치 내의 적어도 하나의 노드를 의미한다.
본 고안은 DC 에너지 전달 장치의 3개의 기본 구현예에 대해 먼저 논의한다. 제1구현예는, 본 고안의 일 실시형태의 기본 동작 및 성능을 보여준다. 제2 및 제3구현예는 다양한 응용에서 사용될 수 있는, 예를 들어, 하이브리드 전기/내연기관(ICE) 자동차에서 사용될 수 있다. DC 에너지 전달 장치의 제2구현예의 바람직한 실시형태는 갤런 당 적어도 100마일 또는 미터 단위로 가솔린과 같은 연료의 리터 당 적어도 43킬로미터의 연료 사용량을 유지하는 하이브리드 전기/ICE 자동차를 지원한다. DC 에너지 전달 장치의 제3구현예의 바람직한 실시형태는 갤런 당 적어도 200마일 또는 리터 당 적어도 86킬로미터의 연료 사용량을 유지하는 하이브리드 전기/ICE 자동차를 지원한다. DC 에너지 전달 장치의 제2 및 제3구현예는, 바람직하게 하이브리드 전기/ICE 자동차와 같은 장치 내에 사용되는 DC 에너지 전달 네트워크에 포함될 수 있다.
DC 에너지 전달 장치로 되돌아가서, 일부 구현예에서, DC 에너지 전달 장치의 내부 DES 각각은 대부분 DC DES에 상당할 수 있다. 여기서, 대부분 DC DES는 그 전압과 전류가 시간에 따라 변하나, 임의의 단시간 윈도우에서 전력 스펙트럼이 DC로 집중되거나 거의 0 주파수 요소인 것을 의미한다. 여기서, 단시간 윈도우는 64분, 32분, 16분, 8분, 4분, 2분, 1분, 30초, 15초, 8초, 4초, 2초, 1초, 0.5초, 0.25초, 125밀리초(ms), 63ms, 32ms 또는 16ms 중 적어도 하나의 기간을 가질 수 있다.
일부 구현예에서, 장치는 DC 에너지 전달 장치에 의해 수신된 적어도 하나의 제어 DES를 생성하고 제어 DES에 응답하여 그 동작을 수행하기 위해 입력 DC DES 및/또는 출력 DC DES에 응답하도록 구성된 에너지 전달 컨트롤러를 포함할 수 있다. 제어 DES는 '0' 및 '1'과 같은 불(Boolean) 로직 값으로 나타낼 수 있고, 상세한 설명에서 논의되는 여러 다른 방법으로 구현될 수도 있다.
애플리케이션 장치는 하이브리드 전기 자동차, 전기 자동차 및/또는 태양열 발전 장치를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 차량은 자동차, 트럭, 버스, 트롤리, 기차, 비행기, 배, 잠수함, 인공위성 및/또는 우주선일 수 있다. 바람직한 차량은 자동차, 트럭 또는 버스이다. 임의의 차량은 유인 또는 무인 차량일 수 있다. 태양열 발전 장치는, 이 장치들이 온-그리드(on-gird) 또는 오프-그리드(off-grid)인지에 따라, 태양열 셀 및/또는 태양열 스토리지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
부품은 용량성 장치, 스위치 장치 및/또는 유도성 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 1은 DC 에너지 전달 장치 및 에너지 전달 컨트롤러를 포함하는 시스템의 첫번째 3개의 구현예들에 대한 간략화된 예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 차량, 특히 하이브리드 전기 및 내연기관(ice) 자동차를 구현하기 위해 DC 에너지 전달 장치 및 에너지 전달 컨트롤러를 포함하고 사용하는 도 1의 시스템을 도시한다.
도 3은 운전시 도로의 오른쪽에 연료 유닛이 공급되어 연료 유닛이 소비되는 도 2의 차량 및/또는 자동차를 도시한다.
도 4 내지 도 12는 도 1의 DC 에너지 전달 장치의 제2구현예 및/또는 제3구현예를 지원하는 차량 및/또는 하이브리드 전기-ice 자동차 내로 에너지를 전달하도록 구성된 도 2의 DC 에너지 전달 네트워크의 일부 구성을 도시한다.
도 13은 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 DC 에너지 전달 네트워크를 도시하는 것으로, 전체 네트워크의 임의의 시간에서 동작되는 오직 하나의 스텝다운 스테이지를 갖는데 이점이 있는 DC SD 스테이지의 예를 도시한다.
도 14는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 DC 에너지 전달 네트워크를 도시하는 것으로, 전체 네트워크의 임의의 시간에서 동작되는 오직 하나의 스텝다운 스테이지를 갖는데 이점이 있는 DC SD 스테이지의 3가지 예를 도시한다.
도 15a 내지 도 15i는 적어도 제1용량성 장치의 일부 특징을 도시하는 것으로, 하나 이상의 다른 용량성 장치에도 적용가능하다.
도 16은 본 발명의 다양란 실시형태 및/또는 구현형태의 필요사항을 충족하도록 구성되거나 그에 따라 별개로 제조될 수 있는 본 발명의 장치의 일부를 요약한다.
도 17은 컨트롤러, 컴퓨터, 구성부 및 적어도 하나의 메모리 항목을 포함하는 영구 메모리로 구성되는 그룹의 적어도 하나의 부재의 적어도 하나의 인스턴스를 포함하는 적어도 하나의 에너지 전달 컨트롤러를 도시한다.
도 18은 도 17의 프로그램 구성의 일부 실시예를 도시하는 것으로, 임의의 하나는 DC 에너지 전달 장치, DC 에너지 전달 네트워크 및/또는 시스템 중 적어도 하나, 특히 하이브리드 전기/ICE 자동차의 일부에서 동작 및/또는 사용되는 방법의 적어도 하나의 구성을 구현한다.
본 고안은 DC 에너지 전달 회로, 에너지 전달 컨트롤러, DC 에너지 전달 네트워크, 이러한 회로에 사용되는 부품, 본 고안에 따라 동작하는 방법 및 DC 에너지 전달 장치를 포함 및/또는 사용하여 이득이 되는 장치를 개시한다. 고안을 실시하기 위한 구체적인 내용은 이 설명에 의해 청구범위를 가능하게 하는 설명 및 청구범위를 이해하는데 적절한 일부 용어를 정의하는 것으로 시작한다. DC 에너지 전달 장치의 3개의 기본 구현예가 논의된다. 또한, 본 발명의 다양한 조합 및 대안의 상세한 설명이 개시된다.
일부 용어의 정의: 상기 고안의 내용, 고안을 실시하기 위한 구체적인 내용, 이하의 청구범위 및 첨부된 도면, 도면부호는 발명의 특징을 특정하기 위해 만들어진다. 이러한 특징은, 예를 들어, 부품, 재료, 요소, 장치, 기기, 시스템, 그룹, 범위, 방법, 테스트 결과 및 프로그램 명령을 포함하는 명령일 수 있다.
본 명세서에서 개시된 고안의 내용은 이러한 특정 특징의 모든 가능한 조합을 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 특정 특징이 특정 양태, 특정 실시형태, 특정 청구범위 또는 특정 도면의 내용에 개시되고, 그 내용이 제외될 수 있다는 가능성이 개시된 경우를 제외하고, 본 고안에서 일반적으로, 특징은 다른 특정 양태, 실시형태, 청구범위 및 도면과 조합하여 사용될 수 있다.
여기에 개시된 고안 및 청구범위는 여기에 구체적으로 설명되지 않은 실시형태를 포함하고, 예를 들어 여기에 구체적으로 설명되지 않았으나 여기에 구체적으로 개시된 특징과 동일하거나 대응되거나 유사한 기능을 제공하는, 특징을 사용할 수 있다.
용어 "포함하다(comprise)" 및 문법적으로 그에 대응하는 용어는, 구체적으로 식별되는 특징에 추가로, 다른 특징들이 선택적으로 존재하는 것을 의미하는 것으로 사용된다. 예를 들어, 화합물 또는 장치가 구성요소 A, B, C를 "포함한다"는 것은 오직 구성요소 A, B, C만을 포함할 수도 있고, 구성요소 A, B, C 외에 다른 하나 이상의 구성요소를 더 포함할 수도 있다. 용어 "포함하다(include)" 및 "함유하다(contain)"도 유사하게 해석된다.
용어 "필수적으로 구성된다(consisting essentially of)" 및 문법적으로 그에 대응하는 용어는, 구체적으로 식별된 특징 외에, 다른 특징들이 청구범위를 실질적으로 대체하지 않고 존재하는 것을 의미한다.
여기서 숫자와 함께 쓰이는 용어 "적어도(at least)"는 범위가 그 숫자로 시작된다(규정되는 변형에 따라, 범위에 상한이 있을 수도 있고 없을 수도 있음)는 것을 의미한다. 예를 들어, "적어도 1"는 1 또는 1 이상을 의미하고, "적어도 80%"는 80% 또는 80% 이상을 의미한다.
여기서 숫자와 함께 쓰이는 용어 "최대(at most)"는 범위의 끝이 그 숫자로 끝나는 것(규정되는 변형에 따라, 그 범위의 하한이 1 또는 0일 수 있고, 하한이 없을 수도 있음)을 의미한다. 예를 들어, "최대 4"는 4 또는 4 이하를 의미하고, "최대 "40%"는 40% 또는 40% 이하를 의미한다. 범위가 "(제1수치) 내지 (제2수치)" 또는 "(제1수치) ~ (제2수치)"로 주어지는 경우, 그 하한이 제1수치이고, 그 상한이 제2수치인 것을 의미한다. 예를 들어 "8 내지 20 탄소 원자" 또는 "8~20 탄소 원자"는 하한이 8 탄소 원자이고 상한이 20 탄소 원자인 범위를 의미한다. 여기서 용어 "복수", "다수" 등은 2 이상을 의미한다.
여기에 언급된 방법은 2 이상의 규정된 단계를 포함하고, 규정된 단계들은 임의의 순서 또는 동시에 (내용에서 그 가능성을 제외한 경우는 제외)수행될 수 있고, 방법은, 그 내용에서 가능성을 제외한 경우를 제외하고, 규정된 임의의 단계들 전, 규정된 두 단계들 사이 또는 규정된 모든 단계들 후에 수행되는 하나 이상의 다른 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.
여기에 언급된 "제1" 및 "제2" 특징은, 내용에서 제외한 경우가 아니면, 일반적으로 식별 목적으로 수행되고, 제1 및 제2특징은 동일하거나 다를 수 있고, 제1특징에 대한 언급이 제2특징이 (존재할 수도 있으나) 반드시 존재한다는 것을 의미하지 않는다.
여기에 언급된 "특징(a or an feature)"은 (내용에서 그 가능성을 제외한 경우를 제외하고) 둘 이상의 특징이 존재할 가능성을 포함한다. 따라서, 단일 특징 또는 복수 특징일 수 있다. 여기에 언급된 둘 이상의 특징은, 내용에서 그 가능성을 제외한 경우를 제외하고, 둘 이상의 특징이 동일한 기능을 제공하는 더 적거나 많은 숫자의 특징으로 대체될 수 있음을 포함한다.
여기에 주어진 숫자는 그 내용 및 표현에 따라 적절히 구성될 수 있고, 예를 들어, 각 숫자는 본 고안의 출원일에 당업자에 의해 종래에 사용된 방법으로 측정될 수 있는 정확도에 따라 변이될 수 있다.
여기에 사용된 용어 "및/또는"은 "및/또는"의 전후에 언급된 요소 중 하나 또는 둘 다가 존재할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 부품, 재료, 요소, 장치, 기기, 시스템, 그룹, 범위 및 단계에서 사용될 수 있다. 예를 들어, "항목 A 및/또는 항목 B"는 3가지 가능성, 즉 (1) 항목 A만이 존재하는 경우, (2) 항목 B만이 존재하는 경우, (3) 항목 A와 항목 B가 모두 존재하는 경우를 개시한다. 유사하게, A, B 및/또는 C는, 다르게 언급한 경우를 제외하고, A 및/또는 (B 및/또는 C)와 등가로 여겨지는 (A 및/또는 B) 및/또는 C로 이해될 것이다.
본 명세서의 청구범위의 임의의 요소는, 미국 특허법 제112조 제35항에 따라, 구조, 재료 또는 작용의 구체적인 설명 없이 특정 기능을 수행하기 위한 수단이나 단계로 표현되는 조합을 위한 청구범위의 요소에 상당하며, 이에 따라, 상세한 설명 및 그에 상응하는 부분에 설명된 상응하는 구조, 재료 또는 작용을 포함하는 구성이고, 상응하는 구조, 재료 또는 작용은 상세한 설명에 명확히 설명된 상응하는 구조, 재료 또는 작용과 이러한 구조, 재료 또는 작용의 등가물 뿐만 아니라, 여기에 참조로 포함되는 US 특허 문헌에 설명된 이러한 구조, 재료 또는 작용 및 그 등가물도 포함한다. 유사하게, 본 고안의 청구범위의 임의의 요소("수단"이라는 용어를 사용하지 않았더라도)는 그를 지원하는 구조, 재료 또는 작용의 청구범위의 설명 없이 특정 기능을 수행하기 위한 수단이나 단계에 상응하도록 정확히 구성되고, 상응하는 구조, 재료 또는 작용은 상세한 설명에 명확히 설명된 상응하는 구조, 재료 또는 작용과 그의 등가물 뿐만 아니라, 여기에 참조로 포함되는 US 특허 문헌에 설명된 이러한 구조, 재료 또는 작용 및 그의 등가물도 포함한다.
본 명세서는 본 고안과 함께 이전에 출원되거나 본 명세서와 동시에 출원된 모든 문서들, 출원 데이터 시트에 언급된 모든 참조 문헌을 포함하나, 이러한 문헌에 제한되지 않고 개방되어 있다.
DC 에너지 전달 장치의 첫번째 3개의 구현예는 다음과 같이 요약된다: 제1구현예는 본 고안의 일 실시형태의 기본 동작 및 성능을 나타낸다. 제2 및 제3구현예는 본 고안의 변형으로, 예를 들어 하이브리드 전기/내연기관(ice) 자동차에서 사용될 수 있다. DC 에너지 전달 장치의 제2구현예의 바람직한 실시형태는 갤런 당 적어도 100마일의 연료 사용량, 또는 미터 단위로 가솔린과 같은 연료의 리터 당 적어도 43킬로미터를 유지하는 하이브리드 전기/ice 자동차를 지원한다. DC 에너지 전달 장치의 제3구현예의 바람직한 실시형태는 갤런 당 적어도 200마일 또는 리터 당 적어도 86킬로미터의 연료 사용량을 유지하는 하이브리드 전기/ice 자동차를 지원한다.
도 1은 DC 에너지 전달 장치(100) 및 에너지 전달 컨트롤러(170)를 포함하는 시스템(180)의 첫번째 3개의 예시적인 구현예에 적절한 간략화된 예를 도시한다.
가장 간략한 형태로, DC 에너지 전달 장치(100)는, 에너지 전달 장치의 규정에서 언급한 바와 같이, 입력 DC 단자(102), 출력 DC 단자(104) 및 공통 단자(106)를 포함한다. DC 에너지 전달 장치(100)는 전기 에너지를 적어도 하나의 내부 DES(114)를 통해 출력 DC 단자(104)에서 출력 DC DES(112)로 전달하기 위해 입력 DC 단자(102)에서 입력 DC DES(110)에 응답하도록 구성되고, 각 내부 DES(114)는 DC DES를 필수적으로 포함한다. 규정된 바와 같이, DC DES는 전류가 오직 한 방향으로만 흐르도록 구성된다. 이 실시예에서, 내부 DC DES(114)는 스위치 SW1(140)의 제2단자(2)에 접속되는 제1노드(1)와 인덕터 L1(150)의 제1단자(1)에 접속되는 제2노드(2)를 갖는다.
DC 에너지 전달 장치(100)는 제1용량성 장치 C1(130), 제2용량성 장치 C2(160), 스위치 SW1(140) 및 유도성 장치 L1(150)를 포함한다. 제1용량성 장치 C1(130), 제2용량성 장치 C2(160), 스위치 SW1(140) 및 유도성 장치 L1(150) 각각은 제1단자(1) 및 제2단자(2)를 포함한다. 스위치 SW1(140)은 제어 단자(C)를 더 포함한다. 스위치 SW1(140)는 폐쇄 상태(174)에서 스위치의 제1단자(1)와 제2단자(2) 사이의 접속을 닫고, 개방 상태(176)에서 그 접속을 열도록 구성되며, 폐쇄 상태와 개방 상태는 노드(2)와 같은 공통 단자에 대해 제어 단자(노드(1)과 같은)의 제어 DES(182)에 대한 응답으로 제어 단자(108)를 통해 제공될 수 있다.
일부 구현예에서, DC 에너지 전달 장치(100)는 다음과 같은 구성을 더 포함한다:
- 입력 DC 단자(102)가 제1용량성 장치 C1(130)의 제1단자(1)에 접속되고 스위치 SW1(140)의 제1단자(1)에 접속된다.
- 제1용량성 장치 C1(130)의 제2단자가 공통 단자(106)에 접속된다.
- 스위치 SW1(140)의 제2단자(2)가 유도성 장치 L1(150)의 제1단자(1)에 접속된다.
- 유도성 장치 L1(150)의 제2단자(2)가 제2용량성 장치 C2(160)의 제1단자(1) 및 출력 DC 단자(104)에 접속된다.
- 제2용량성 장치 C2(160)의 제2단자(2)가 공통 단자(106)에 접속된다.
또한, 도 1은 제어 단자(108)를 통해 스위치 SW1(140)에 폐쇄 상태(174) 또는 개방 상태(176)를 제공하도록 제어 DES(182)를 발생시켜 입력 DC DES(110) 및/또는 출력 DC DES(112)의 감지에 따라 DC 에너지 전달 장치(100)를 동작하도록 구성하는 에너지 전달 컨트롤러(170)를 도시한다. 에너지 전달 컨트롤러(170)는 일부 구현예에서 추정 입력 DES(178) 및/또는 추정 출력 DES(181)를 포함할 수도 있다.
일부 구현예에서, DC 에너지 전달 장치는 DC 에너지 전달 장치에 의해 수신된 적어도 하나의 제어 DES를 생성하기 위한 적어도 하나의 출력 DC DES와 입력 DC DES에 응답하도록 구성된 에너지 제어 컨트롤러를 포함할 수 있다. DC 에너지 전달 장치는 그 동작을 구성하도록 제어 DES에 응답하도록 구성된다. 제어 DES는 '0'과 '1'과 같은 불(Boolean) 로직값을 나타낼 수 있고, 다른 방식으로 구현될 수도 있다.
예를 들어, 불 로직값을 구현하기 위해 2개의 중첩하지 않는 전압 범위, 예를 들어 '0'은 0 내지 1V 범위의 전압을 나타내고, '1'은 2 내지 3.4V 범위의 전압을 나타내도록 구현하는 것이 일반적이다.
다른 예로, -1.5V 내지 최대 -0.75V와 같은 음 전압이 '0'을 나타내고, 0.75V 내지 최대 1.5V와 같은 양 전압이 '1'을 나타내는 것도 일반적이다. 이러한 분류의 시그널링은 때때로 다른 시그널링으로 언급될 수 있다.
당업자라면, 이러한 제어 DES가, 하나 이상의 내부 DES가 있는지 여부에 따라, DC 에너지 전달 장치의 내부 DES에 영향을 미치지 않는다는 것을 인식할 것이다.
일부 구현예에서, 제어 DES(182)는 스위치 SW1(140)의 제어 단자(C)를 구동하기 위해 DC 에너지 전달 장치(100)에서 사용되는 구현예와 에너지 전달 컨트롤러(170) 내로 제어 DES(182)의 내부 구현예를 전환하는 인터페이스 회로를 통해 생성될 수 있다. 이러한 인터페이스 회로는, 증폭기, 레벨 시프터 및/또는 필터를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 에너지 전달 컨트롤러(170)는 10mA의 전류를 사용하는 에너지 전달 컨트롤러(170) 내에서 각 제어 DES(182)가 0V와 3V 사이의 논리 신호로 동작하는 디지털 논리 회로를 포함할 수 있다. 반면, 제어 DES(182)는 스위치 SW1(140)의 제어 단자(C)를 실제로 구동하기 위해 적어도 1000mA의 전류 및 -12V 내지 +12V의 전압 범위를 필요로할 수 있다.
또한, 도 1은 시스템(180)의 일부 구현예에서, 공통 단자(106)가 에너지 전달 컨트롤러(170)에 필터링된 공통 단자를 더 제공하는 필터 공통 발생기에 접속되는 것을 도시한다. 필터링된 공통 단자는 DC 에너지 전달 장치(100)의 전원 회로가 영향을 받지 않는 노이즈로부터 에너지 전달 컨트롤러(170)를 보호하기 위해 마련될 수 있다.
DC 에너지 전달 장치(100)의 구현예를 이하에 설명한다. 제1구현예는 도 1에 도시된 테스트 회로 시스템(180)을 보여주는 것으로, 스위치 SW1(140)의 제2단자(2)와 유도성 장치 L1(150)의 제1단자(1) 사이의 접속이 제1다이오드(D1)를 더 포함한다. 인덕터 L1(150)의 제2단자(2)와 제2커패시터 C2(160)의 제1단자(1) 사이의 접속은 제2다이오드(D2)를 더 포함한다. 다이오드들(D1 및 D2)은 스위치 SW1(140)의 개방 및 폐쇄로부터 가능한 언더슈트(undershoot)를 감쇄하고, 이 다이오드들은 일 방향으로의 전류 흐름을 보장하기 때문에, 내부 DES(114)가 필수적으로 DC DES라는 것을 보장한다.
용량성 장치 C1 및 C2에 사용되는 커패시터는 모두 450V에서 1800마이크로(10-6)F로 측정된다. 그러나, 각 커패시터의 시험은 1600μF의 범위에서 각 커패시턴스를 나타낸다. 시험은 RCL(저항, 커패시턴스 및 인덕턴스) 미터로 수행된다. 각 커패시터에는 측정된 커패시턴스가 붙여져 있다.
제1용량성 장치 C1(130)은 530.76μF의 커패시턴스와 함께, 최대 1000V의 동작 전압을 지원하기 위해 직렬로 배열된 3개의 커패시터를 사용하여 만들어진다.
제2용량성 장치 C2(160)는, 대략 1600μF의 집합 커패시턴스와 병렬로 연결된 제1 내지 제5 커패시터로 번호가 붙여진, 커패시터들 몇 개의 병렬 배열로 테스트된다.
스위치 SW1(140)는 1000V 이상에서 동작하도록 구성된 기계식 스위치이고 DC 에너지 전달 장치(100)의 전류를 처리할 수 있다.
이 테스트를 요약하면, 입력 DC DES는 40V로 측정되었다. 출력 DC DES는 약 15.65V였다. 제1용량성 장치 C1(130)에서 제2용량성 장치 C2로 전달된 에너지는 0.2379J이다. 에너지 전달 효율은 약 83.34%로 추정된다. 결과적으로, DC 에너지 전달 장치는 적어도 K%의 에너지 전달 효율을 갖고, 발명자의 실험 증거에 기초하여, K는 적어도 65이며, 더욱이 K는 적어도 75%이고, 더욱이 K는 적어도 83%일 수 있다.
초기 시험은 기준치를 수립하기 위해 수행된다. 10-6J 단위의 다양한 전압 측정을 하기 위해 DC 계측학 계기 등급이 사용된다. 기록은 대부분 4 소수 유효숫자까지 이루어진다. 이 계기들은 판매자의 공인된 검정 실험실에서 제조자의 시방서 대로 설치된 최근에 획득한 기기에서 판독한 비교 전압과 내부 표준을 검정한다.
도 2는 본 발명에 따라 차량(200), 특히 하이브이드 전기 및 내연기관(ice) 자동차(210)를 구현하기 위해 DC 에너지 전달 장치(100)와 에너지 전달 컨트롤러(170)를 사용하고 포함하는 도 1의 시스템(180)을 도시한다. 이 자동차(210)는 연료(214)를 ICE(222)에 제어가능하게 공급할 뿐만 아니라, 도 1의 시스템(180)의 구성요소를 포함한다. ICE(222)는 전기적 출력이 DC 에너지 전달 장치(100)의 입력 DC 단자(102)에 공급되는 발전기(230)에 에너지를 제공하도록 동작한다. 이 간략화된 개략적인 도시에서, 출력 DC 단자(104)는 자동차의 바퀴를 회전하기 위해 하나 이상의 차축을 구동하는 전기 모터(250)에 접속된다.
도 3은 도로(330)의 우측 상에 연료 유닛(214)이 마련된 도 2의 차량(210) 및/또는 자동차(230)를 도시한다. 차량(200) 및/또는 자동차(210)는 도면에서 우측에서 죄측으로 향하는 화살표로 도시된 바와 같이 이동하고, 거리(310)만큼 이동하고 연료 유닛(214)을 소비한 후의 차량(220) 및/또는 자동차(210)가 도시된다.
제2구현예는, 갤런 당 적어도 100마일의 연료 사용량 또는, 미터 단위로, 가솔린과 같은 연료의 리터 당 적어도 43킬로미터의 연료 사용량을 유지하는 자동차를 지원하기 위해 하이브이드 전기/내연기관(ICE) 자동차(210)에서 동작하는 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 에너지 전달 장치(100)를 구성한다. 바꿔 말하면, 유닛(320)이 1갤런이면, 예상되는 이동 거리는 100 마일 이상이다. 유닛(320)이 1리터면, 예상되는 이동 거리는 43킬로미터 이상이다.
제3구현예는, 갤런 당 적어도 200마일의 연료 사용량 또는 리터 당 적어도 86킬로미터의 연료 사용량을 유지하는 자동차(210)에서 동작하는 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 에너지 전달 장치(100)를 구성한다. 바꿔 말하면, 유닛(320)이 1갤런이면, 예상되는 이동 거리는 200 마일 이상이다. 유닛(320)이 1리터면, 예상되는 이동 거리는 86킬로미터 이상이다.
도 4 내지 도 11은 도 1의 DC 에너지 전달 장치(100)의 제2구현예 및/또는 제3구현예를 지원하는 도 2의 차량(200) 및/또는 하이브이드 전기-ICE 자동차(210) 내로 에너지를 전달하도록 구성된 도 2의 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 일부 구성을 도시한다. 먼저 이 도면들에 대해 개별적으로 살펴본 후, 제2 및/또는 제3구현예를 지원하는 이들 구성에 대해 전체적으로 살펴본다.
도 4는 도 1의 DC 에너지 전달 장치(100)와 도 5에서 더욱 상세하게 설명할 DC 스텝 다운(SD) 스테이지(400-1 및 400-2)의 2개의 인스턴스(instances)를 포함하는 도 2의 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 도시한다. DC 에너지 전달 네트워크(220)는 도 2에 앞서 도시된 바와 같이 고 에너지 단자(202), 공통 단자(106) 및 서비스 단자(204)를 포함한다. DC 에너지 전달 네트워크(220)는 또한 도 2에서 앞서 도시된 바와 같이 208A 내지 208E로 표시된 복수의 제어 단자를 포함할 수 있다.
도 4에서, 공통 단자(106)에 대한 각 제어 단자(208A 내지 208E)에서의 제어 DES는 적절한 부품에서 스위치를 개방 또는 폐쇄하는 것으로 논의될 것이다.
예를 들어, '폐쇄된' 제어 DES A는 도 1에 도시된 바와 같이 DC 에너지 전달 장치(100) 내측의 스위치 SW1(140)를 개방하기 위한 조건이 마련된 제어 단자(208A)를 의미한다.
다른 예에서, '개방된' 제어 DES B는 도 5에 도시된 바와 같이 제1DC 스텝 다운 스테이지(400)에서 스위치 SW4(540)를 개방하기 위한 조건이 마련된 제어 단자(208B)를 의미한다.
제3예에서, '폐쇄된' 제어 DES C는 스위치 SW2(410-2)를 폐쇄하기 위한 조건이 마련된 제어 단자(208C)를 의미한다.
도 5는 도 4의 DC 스텝 다운(SD) 스테이지(400-1 및/또는 400-2)의 하나 이상의 인스턴스의 일부 구성을 도시한다. 각 DC SD 스테이지는 도 4에 먼저 도시된 바와 같이 입력 DC 단자(402), 출력 DC 단자(404), 제어 단자(408) 및 공통 단자(106)를 포함한다. DC SD 스테이지는 또한 스위치 SW4(540), 제2인덕터 L2(550) 및 제3용량성 장치 C3(560)를 포함한다.
도 4 내지 도 11의 논의 및 분석을 간략화하기 위해, 제어 단자(208C 및 209E)의 제어 DES는 동시에 같이 폐쇄되지 않는 것으로 가정한다. 이는, 이 조건들이 도 5에 도시된 바와 같이 제3용량성 장치 C3(560)에 저장된 에너지로 다루어질 수 있다는 가정 하에서 진행되도록, 도 2의 서비스 단자(204)에서 DES 조건의 분석을 가능하게 한다. 이러한 간략화는 본 고안의 동작 및 분석을 이해하는데 도움이 되나, 이는 도 2의 에너지 전달 컨트롤러(280)가 유용하다고 발견된 임의의 조합에서 이 제어 DES가 동작하는 것을 배제하는 것은 아니다.
도 6은 도 4의 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 개선예를 도시하는 것으로, 제3 및 제4 DC SD 스테이지(400-3 및 400-4)를 포함한다. 이 DC 에너지 전달 네트워크(220)는 또한 추가적인 제어 단자들(208F 내지 208I)을 포함한다. 이전에 논의한 바와 유사하게, 스위치 SW2(410-2), SW3(410-3), SW4(410-6), SW5(410-7) 중 하나는 대부분 언제나 닫혀있다. 이러한 간략화는 본 고안의 동작 및 분석을 이해하는데 도움이 되나, 도 2의 에너지 전달 컨트롤러(280)가 유용하다고 발견된 임의의 조합에서 이 제어 DES를 동작하는 것을 배제하는 것은 아니다. 그러나, DC SD 스테이지(400-1 내지 400-4)의 4개의 인스턴스의 제어 단자 C(408)와 관련된 제어 DES는 동시에 '폐쇄'되거나 되지 않을 수 있다. DC SD 스테이지에서 이 내부 스위치 중 2개를 닫는 것은 도 5의 제3용량성 장치 C3(560) 중 2개가 동시에 충전되는 것을 허용하는 한편, 이 용량성 장치 각각은 개별적으로 방전되는 것이 특히 제3구현예와 관련하여 유용하다.
도 7은 도 4의 개선예를 도시하는 것으로, DC 에너지 전달 네트워크(220)는 제5DC SD 스테이지(400-5)를 더 포함한다. 듀얼 스테이지(dual stage) DC 에너지 전달 장치(700)는 제1DC 에너지 전달 장치(100-1) 및 제5DC 스텝 다운(SD) 스테이지(400-5)를 포함한다. 듀얼 스테이지 DC 에너지 전달 장치(700)의 단자는 (전과 같이) 입력 DC 단자(102) 및 공통 단자(106)를 포함한다. 혼란을 방지하기 위해, 출력 단자는 이 도면에서 일관되게 '404'로 표기되어 있다. 제1DC 에너지 전달 장치(100-1)의 출력 DC 단자(104)는 도시된 바와 같이 DC 스텝 다운(SD) 스테이지의 제5인스턴스의 입력 DC 단자(402)에 접속된다. 듀얼 스테이지 DC 에너지 전달 장치(700)는 제5인스턴스에서 중간 전압으로 두 스테이지 스텝 다운을 지원하여, 일 부 구현예에서 이 도면의 제1 및 제2DC SD 스테이지(400-1 및 400-2)로 구현되고 이전에 도시된 바와 같이 DC 스텝 다운 스테이지의 통상 제1 내지 제4인스턴스의 서비스 DES 상의 필요사항을 감소시킨다.
도 8은 제1DC 에너지 전달 장치(100-1)를 듀얼 스테이지 에너지 전달 장치(700)로 대체하여 도 6의 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 개선한 예를 도시한다. 이러한 대체는 상술한 바와 같이, 도 6과 관련한 잠재적인 장점이 조합된 도 7과 관련하여 논의한 바와 같이 유사한 잠재적인 장점을 가져온다.
도 9a 내지 도 9c는 공유된 출력 인덕터 L3(950)를 갖는 DC 에너지 전달 장치(900)의 4개의 잠재적인 구현예를 도시한다.
도 9a 및 도 9b에서, 공유된 인덕터(900)를 갖는 DC 에너지 전달 장치는 DC 에너지 전달 장치(100)의 인스턴스를 포함한다.
도 9a에서, DC 에너지 전달 장치(100)의 출력 DC 단자(104)는 제3유도성 장치 L3(950)의 제1단자(1)에 접속된다. 제3유도성 장치 L3(950)의 제2단자(2)는 공유된 출력 DC 단자(904)에 접속된다.
도 9b에서, DC 에너지 전달 장치(100)의 출력 DC 단자(104)는 제5다이오드(D5)를 통해 제3유도성 장치 L3(950)의 제1단자(1)에 접속된다. 제3유도성 장치 L3(950)의 제2단자(2)는 제6다이오드(D6)를 통해 공유된 출력 DC 단자(904)에 접속된다.
도 9c 및 도 9d에서, 공유된 인덕터(900)를 갖는 DC 에너지 전달 장치는 듀얼 DC 에너지 전달 장치(700)의 인스턴스를 포함한다.
도 9c에서, 듀얼 DC 에너지 전달 장치(700)의 출력 DC 단자(404)는 제3유도성 장치 L3(950)의 제1단자(1)에 접속된다. 제3유도성 장치 L3(950)의 제2단자(2)는 공유된 출력 DC 단자(904)에 접속된다.
도 9d에서, 듀얼 DC 에너지 전달 장치(700)의 출력 DC 단자(104)는 제7다이오드(D7)를 통해 제3유도성 장치 L3(950)의 제1단자(1)에 접속된다. 제3유도성 장치 L3(950)의 제2단자(2)는 제8다이오드(D8)를 통해 공유된 출력 DC 단자(904)에 접속된다.
도 10은 공유된 인덕터(900), DC 커패시턴스 스테이지의 2개의 인스턴스(1000-1, 1000-2), 2개의 스위치 SW2(410-2), SW3(410-3)를 갖는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 이전 도면의 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 구현예를 도시한다. 도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이 제3인덕터 L3(950)를 공유하는 것에 의해, DC 커패시턴스 스테이지(1000-1, 1000-2)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 인덕터가 필요하지 않다. 구현예는 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 일부 구현예에서 유용할 것이다.
도 11은 도 9a 내지 도 9d에 도시된 공유된 인덕터(900)를 갖는 DC 에너지 전달 장치에 따른 DC 커패시턴스 스테이지의 실시예를 도시한다.
도 12는 DC 커패시턴스 스테이지의 제3 및 제4인스턴스(1000-3, 1000-4)를 더 포함하는 도 10의 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 개선예이다.
이하는 도 2 및 도 3의 하이브이드 전기-ICE 자동차(210)의 초기 적응에 관한 것으로 가정한다. 자동차(210)는 약 3,000파운드 또는 약 1,361Kg의 무게이다. 전기 모터(250)는, 시간 당 70마일을 운행할 수 있고 시간 당 55 마일로 5% 경사를 올라갈 수 있는 것과 같이, 통상적인 사용에서 동작하는 자동차(210)를 유지하기 위한 50kW(킬로와트)의 전력을 연속적으로 전달하기 위한 것이 필요하다. 자동차(210)는 고 에너지 단자(204)를 통해 존재하는 에너지를 DC 에너지 전달 네트워크(220) 내로 생성하는 발전기(230)를 구동하기 위해 내연기관(ICE)(222)을 턴-온하여 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 충전하는 것을 통해 반복적으로 순환한다. ICE(22)를 턴-온하는 것은, 서비스 단자(204)를 통해 전기 모터(205)에 전력을 제공하는 것을 유지하기 위해 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 충전하는 연료(214)를 소비한다.
도 13은 DC 에너지 전달 장치(100)와 DC 스텝 다운(SD) 스테이지(400)를 포함하는 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 도시하는 것으로, DC SD 스테이지(400)의 입력 DC 단자(402)는 고 에너지 단자(202)에 접속되어, 도 1의 제1용량성 장치 C1(130)에 저장된 에너지를 도 5의 제4스위치(SW4)의 제1단자(1)와 효과적으로 공유한다. 이 네트워크(220)는 전체 네트워크에 대해 임의의 한 시점에서 동작되는 오직 하나의 스텝 다운 스테이지를 갖는다는데 장점이 있다.
도 14는 DC 에너지 전달 장치(100)와 DC 스텝 다운(SD) 스테이지의 3개의 인스턴스(400-1, 400-2, 400-3)를 포함하는 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 도시하는 것으로, 각 DC SD 스테이지(400-1, 400-2, 400-3)의 입력 DC 단자(402)는 고 에너지 단자(202)에 접속되어, 도 1의 제1용량성 장치 C1(130)에 저장된 에너지를 DC SD 스테이지의 각 인스턴스(400-1, 400-2, 400-3)에서 도 5의 제4스위치 SW4의 제1단자(1)와 효과적으로 공유한다. 이 네트워크(220)는 전체 네트워크에 대해 임의의 한 시점에서 동작되는 오직 하나의 스텝 다운 스테이지를 갖는다는데 장점이 있다.
DC 에너지 전달 장치(100)와 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 상업적 목적 중 하나는 연료(214)의 유닛(320)에서 소비되는 것을 통해 이동하는 거리(310)를 증가시키는 것이다. 에너지 효율은 ICE가 얼마나 오래 구동하는지에 대해 전기 모터가 얼마나 오래 구동하는지의 비율에 상당한다. 연료 효율은 이동하는 거리(310)에 대한 연료(214)의 유닛(320)의 비율이다.
제2구현예는 갤런 당 적어도 100마일 또는 미터 단위로 가솔린과 같은 연료의 리터 당 적어도 43 킬로 미터의 연료 사용량을 유지하는 자동차를 지원하는 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 에너지 전달 장치(100)를 위한 것이다.
ICE(222)가 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 충전하기 위해 전달되는 50kW를 생성하기 위해 30초 동안 동작한다고 가정하면, ICE가 다시 턴-온되고 에너지 전달 사이클이 반복되기 전에, 상술한 구동 조건 하에서 적어도 100초에 걸쳐 전기 모터(250)에 저장 및 방전된다. 1시간 동안 100초의 중간 휴식 시간(interval)이 36번이면, ICE는 1시간에 18분 동안 구동된다. 시간 당 70마일을 위해 갤런 당 40마일로 구동하는 자동차(210)는 70마일 동안 약 1.75갤런을 소비한다. DC 에너지 전달 네트워크(220)를 사용하여, ICE는 한 시간에 18분만 구동하므로, 시간 당 약 0.5갤런을 소비하고, 갤런 당 약 140마일 또는 리터 당 약 60km의 연료 효율을 갖는다. 저속으로 자동차(210)를 동작하는 것이 연료 효율을 높이기 쉽다. 또한, 갤런 당 100마일의 목표를 설정함에 있어서, 이 분석에는 현재 가시화되지 않고 상업적 목적을 아직 이루지 못한 실험 인자를 위한 여지가 있다.
제2구현예를 도출하기 위해 도 1을 다시 참조한다. 제1스위치 SW1(140)이 개방되었다고 가정한다. 입력 DC 단자(102)로부터의 에너지 전달은 제1용량성 장치(130)에 저장된 에너지가 그 충전 임계치에 도달했을 때 시작된다. 제1용량성 장치에 저장된 에너지가 그 충전 임계치에 도달하면, 제1스위치 SW1은 폐쇄되고, 에너지는 제1용량성 장치에서 유도성 장치 L1(150)을 통해 제2용량성 장치 C2(160)로 흐르기 시작한다. 에너지 전달 장치(100)의 에너지 효율은, 시작시 제1용량성 장치 C1(130)에 저장된 에너지와, 스위치 SW1(140)가 스위치의 단자(1, 2) 사이의 접속을 개방하기 전에 제2용량성 장치 C2(160)로 전달된 에너지 사이의 차이를 나타낸다.
도 15a 내지 도 15i는 제1용량성 장치(1310)의 일부 특징을 도시하는 것으로, 하나 이상의 다른 용량성 장치 C2(160), C3(560) 및/또는 C4(1160)에도 적용가능하다.
제1용량성 장치 C1(130)에 5 ~ 6MJ(Mega-Joule)을 저장하기 위해서는 1 내지 1.4F 범위의 커패시턴스와 2,700 내지 3,000V 범위의 전압이 필요하다. 종래 기술에서 언급한 바와 같이, C = er eo A / d이며, 여기서 C는 패럿 단위의 커패시턴스이고, A는 평행한 플레이트들이 중첩되는 영역이고, er은 유전체의 유전율, eo는 유전상수(대략 8.854 * 10-12F/meter), d는 플레이트들이 분리된 거리를 미터로 나타낸 것이다.
도 15a는 제1용량성 장치 C1(130)의 상면도이다. 제1용량성 장치는 원 형상 또는 4개의 부채꼴과 같은 원의 조각 형상의 전극 플레이트를 포함한다. 제1용량성 장치 C1(130)은 4개의 별개의 용량성 쿼터(C11 내지 C14)를 포함한다. 이 용량성 쿼터들은 제1용량성 장치 C1(130)을 형성하기 위해 전기적으로 연결되고 서로 결합될 수 있다. 용량성 장치 직경(D1)은 1.2M, 1M, 0.75M, 0.5M 및 0.25M로 이루어진 그룹 중 최대 하나의 부재일 것이다. 중첩되는 플레이트의 면적 A는 대략 0.25 * pi * D12이다.
도 15b는 용량성 쿼터 중 하나, 예를 들어 도 15a의 C14의 횡단면의 간략화된 예를 도시한다. 이 횡단면은 층 및 플레이트의 집합을 포함한다. 이 예에서, 층은 유전체(1330)의 층이다. 유전체(1330)는 세라믹이며, 가능하게는 티탄산바륨(Barium Titanate), BST(barium strontium titanate) 및 티탄산염(strontium titanate)으로 구성되는 그룹 중 하나 이상을 필수적으로 포함한다. 유전체(1330)는 파우더로 제공될 수 있고, 가능하게는 커패시턴스 손실(loss of capacitance) 공극 및/또는 습기를 없애기 위해 고압 처리된다. 이러한 파우더는 '소결된 것'으로 언급된다. 유전체(1330) 층은 필수적으로 두께 d를 갖고, 여기서 d는 플레이트(1)와 플레이트(2) 사이의 거리로 모델링된다. 전극 1(1310)은 모든 플레이트(1)을 포함한다. 전극 2(1320)은 모든 플레이트(2)를 포함한다. 전극 1(1310) 및 전극 2(1320)은 금속 소자의 합급과 같이, 반드시 동일한 재료로 구성되고, 금속 소자는 주석과 알루미늄으로 구성되는 그룹의 부재일 수 있다.
도 15c는 배터리(1340) 층, 저항(1350) 층 및/또는 다이오드(1360) 층 중 적어도 하나를 더 포함하는 도 15b의 층 다이어그램의 개선예를 도시한다. 배터리(1340) 층은 플레이트(1 및 2)와 유전체 층 사이에서 해제되는 에너지보다 더 긴 시간에 걸쳐 해제될 수 있는 에너지를 추가로 저장하는데 사용된다. 저항(1350) 층은 DC 에너지 전달 장치(100)에서 개별 소자에 하나 이상의 저항의 필요성을 제거한다. 다이오드(1360) 층은 DC 에너지 전달 장치(100)에서 언드슈트 상태로부터 제1용량성 장치 C1(130)을 보호하도록 작용한다.
도 15d는 도 15a의 용량성 소자 C14의 A-A의 횡단면을 도시한다.
도 15e는 도 15d의 A-A 횡단면에서 두 개의 전극(1310, 1320)의 플레이트를 분리하는 유전체(1330)의 증착 뿐만 아니라, 제1전극을 형성하기 위한 제1전극(130)의 개별 플레이트의 연결, 제2전극을 형성하기 위한 제2전극(1320)의 개별 플레이트의 연결을 도시한다.
도 15f 내지 도 15h는 플레이트의 측면에 증착 및/또는 성장되는 탄소나노튜브와 같은 핑거(finger)를 포함하는 하나 이상의 전극의 하나 이상의 플레이트의 하나 이상의 측면의 일부 실시예를 도시한다. 탄소나노튜브와 같은 핑거는 표면의 유효 면적을 증가시킬 수 있으며, 플레이트의 거시적 면적에 걸쳐 적어도 110%, 150%, 175%, 200%, 250% 또는 그 이상의 인자가 가능하다. 이 특징은 장치에 필요한 크기 및 무게를 감소시키는 한편, 동일한 인자에 의해 C1, C2, C3 및/또는 C4와 같은 용량성 장치의 커패시턴스를 개선할 수 있다.
도 15f는 탄소나노튜브(1312)가 증착 및/또는 성장된 제1표면을 포함하는 제1전극 1(1310)의 플레이트의 일 예를 도시한다.
도 15g는 탄소나노튜브(1312)가 증착 및/또는 성장된 제1표면을 포함하는 제2전극 2(1320)의 플레이트의 일 예를 도시한다.
도 15h는 플레이트의 두 면 상에 탄소나노튜브(1312)가 증착 및/또는 성장된 전극(1310) 중 하나를 도시한다. 이 도면을 제2전극 2(1320)에도 적용될 수 있다.
도 15i는 제1용량성 장치 C1(130)의 제1단자(1)를 형성하기 위해 접속된 제1단자들을 갖는 m개의 인스턴스(C1.1 130.1 내지 C1.m 130.m)를 포함하는 제1용량성 장치 C1(130)의 일 예를 도시한다. C1.1 내지 C1.m의 제2단자(2)는 또한 C1(130)의 제2단자(2)를 형성하기 위해 접속될 수 있다. 이러한 회로 연결은 종종 구성요소의 병렬 회로로 언급된다. 여기서 사용되는 바와 같이, m은 적어도 2이다.
제2용량성 장치 C2(150)의 구현예는, 도 15i에 도시된 바와 같이, m이 6인 회로를 포함할 수 있다. 제2구현예에서, 서비스 단자와 공통 단자 사이의 서비스 전압은 64V이거나 64V의 작은 배수이다. 이제, 서비스 전압이 64V이고 제2용량성 장치 C2가 2MJ 이상을 저장할 필요가 있다고 가정한다. 그 구현예에서 구성요소 C2.1 내지 C2.m은 슈퍼 커패시터의 스택(직렬 회로)이고, 각 스택은 가능한 64V에서 125F를 구현한다. 이러한 구성요소는 오늘날 대량생산된다.
다양한 구현예에서, 용량성 장치 C1(130)의 특징 중 일부 또는 모두를 조합하는 것은 다른 용량성 장치 C2(160), C3(560) 및/또는 C4(1160) 중 어느 하나 또는 모두를 구현하는데 사용될 수 있다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제2구현예의 일부에서, 도 4, 도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이 바람직한 어셈블리는 듀얼 출력 스테이지를 포함하며, 각각이 개별적으로 충전 및 방전되는 것이 바람직하다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제2구현예의 일부에서, 단일 스테이지 DC 에너지 전달 장치(100)는 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같은 것이 바람직하다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제2구현예의 일부에서, 듀얼 스테이지 DC 에너지 전달 장치(700)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 것이 바람직하다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제2구현예의 일부에서, 출력 인덕터를 공유하는 DC 에너지 전달 장치(900)는 도 10 및 도 12에 도시된 바와 같은 것이 바람직하다. 이 도면에서, DC 커패시턴스 스테이지는 도 11에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다.
공유된 인덕터를 갖는 DC 에너지 장치(900)는 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 단일 스테이지 DC 에너지 전달 장치(100)로 구현되거나, 도 9c 및 도 9d에 도시된 바와 같이 듀얼 스테이지 DC 에너지 전달 장치(700)로 구현된다.
공유된 인덕터 L3(950)는 도 9a에 도시된 바와 같이 공유된 출력 DC 단자(904)에 출력 DC 단자(104) 사이에서 직접 접속된다. 대안적으로, 공유된 인덕터 L3(950)는 도 9b에 도시된 바와 같이, 각각 공유된 출력 DC 단자(904)로 출력 DC 단자(104) 사이에서 제5다이오드(D5) 및/또는 제6다이오드(D6)를 거쳐 접속된다.
공유된 인덕터 L3(950)는 도 9c에 도시된 바와 같이 출력 DC 단자(404)와 공유된 출력 DC 단자(904) 사이에 직접 접속될 수 있다. 대안적으로, 공유된 인덕터 L3(950)는 도 9d에 도시된 바와 같이, 각각 출력 DC 단자(404)와 공유된 출력 DC 단자(904) 사이에서 제7다이오드(D7) 및/또는 제8다이오드(D8)를 거쳐 접속될 수 있다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제3구현예를 다시 참조하면, DC 에너지 전달 네트워크(220)에서 에너지 전달 장치(100)는 갤런 당 적어도 200마일 또는 리터 당 적어도 86km의 연료 사용량을 유지하기 위해 자동차(210)에서 동작하도록 구성된다. 바꿔말하면, 유닛(320)이 1갤런이면, 예상 이동 거리는 200마일 이상이고, 유닛(320)이 1리터이면, 예상 이동 거리는 86km 이상이다.
제조 비용이 자동차 회사의 중요한 고려사항이라고 가정하면, 안정적으로 설립되는 간단한 회로가 선호될 것이다. 그러나, 2배의 연료 효율을 갖는 자동차(210)의 제2버전을 처리할 수 있는 것이, 특히 이러한 전개가 시장에서 빠른 흐름을 갖는다면, 더 큰 사업 가치를 가질 것이다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제2구현예의 필요조건이 도 4 또는 도 7에 도시된 바와 같이 2개의 DC SD 스테이지(400-1, 400-2)를 사용하는 것으로 충족되면, 도 6 또는 도 8에 도시된 바와 같이 DC SD 스테이지(400-1 내지 400-4)의 4개의 인스턴스를 사용하는 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제3구현예가 바람직할 것이다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제2구현예의 필요조건이 도 10에 도시된 바와 같이 2개의 DC 커패시턴스 스테이지(1000-1, 1000-2)의 두 개의 인스턴스로 충족되면, 도 12에 도시된 바와 같이 DC 커패시턴스 스테이지(1000-1 내지 1000-4)의 4개의 인스턴스를 사용하는 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 제3구현예가 바람직할 것이다.
유도성 장치 L1(150), L2(550) 및 L3(950)는 초기에는 상업적으로 이용가능한 인덕터로 구현될 수 있다.
그러나, 인덕터의 냉각 및 검정에 대한 개선사항이 요구된다.
DC 에너지 전달 네트워크(220)의 DC 에너지 전달 장치(100) 및 그 외 사항의 다양한 구현예에서 그 성능에 특징이 있는 인덕터는, 성능 표시에, 일반 동작에 포함되는 낮은 주파수 뿐만 아니라 그를 가로지르는 고 에너지를 반영하는 것이 바람직하다.
본 고안의 다양한 구현예에서 사용하기 적절한 인덕터는 냉각 층, 가능한 미네랄 오알과 같은 액체 절연체를 필요로할 것이다.
스위치 SW1(140), SW2(410-2), SW3(410-3), SW4(540), SW5(410-5) 및/또는 SW6(410-6)는 제조시 이미 솔리스-스테이트 스위치로 구현될 수 있다.
그러나, 안정적인 기계식 스위치 구현이 필요한 경우가 있으며, 예를 들어, 전기자(armature)가 단자(1 및 2)의 개방 및 폐쇄 접속 사이를 이동하는 전기자 캐비티를 포함하는 릴레이가 필요한 경우가 있다.
전기자 캐비티는 전기자가 스위치 단자(1 및 2) 사이의 접속을 개방 및 폐쇄함에 따라 아크방전의 영향을 억제하기 위해 액체 절연체로 채워질 수 있다.
기계식 스위치는, 스위치가 폐쇄될 때 전기자와 단자 접촉 사이의 간극으로부터 액체 절연체를 떼어놓고 스위치가 개방될 때 액체 절연체를 간극 내로 밀어넣도록 구성된 플런저(plunger)를 더 포함할 수 있다.
DC 에너지 전달 장치를 두 스테이지 이상으로 구성하는 것도 본 고안의 범위에 해당하나, 명세서의 간결화를 위해 여기서는 그 논의를 생략한다.
DC SD 스테이지(400)를 4개의 인스턴스 이상으로 구성하는 것도 본 고안의 범위에 해당하나, 명세서의 간결화를 위해 여기서는 그 논의를 생략한다. DC SD 스테이지(400)의 인스턴스 수는 적어도 1개이고, 2의 배수로 제한되지 않는다. 예를 들어, DC 에너지 전달 네트워크(220)에서 3인스턴스를 가져오는, 전기 모터(250)의 3 스테이지 순환이 바람직하다.
도 16은 본 고안의 다양한 실시형태 및/또는 구현예의 필요사항을 충족하도록 구성되거나 그에 따라 개별적으로 제조되는 본 고안의 장치(10)의 일부를 요약한다. 장치(10)는 DC 에너지 전달 장치(100), 듀얼 스테이지 DC 에너지 전달 장치(700), 에너지 전달 컨트롤러(170 및/또는 280), DC 에너지 전달 네트워크(220), 이러한 회로에 사용되는 구성요소들(1400), DC 에너지 전달 장치 및/또는 네트워크를 포함 및/또는 사용하여 이득이 되는 장치, 본 고안에 따라 상기 장치들을 동작하는 방법을 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
구성요소들(1400)은, 적어도 하나의 용량성 장치(C1 내지 C4), 적어도 하나의 스위치 장치(SW1 내지 SW6), 적어도 하나의 유도성 장치(L1 내지 L3), 적어도 하나의 SD 스테이지(400) 및/또는 적어도 하나의 DC 용량성 장치(1000)을 포함하나, 여기에 제한되지 않고, 각각은 본 명세서에 정의 및 개시되어 있다.
응용 장치는 하이브리드 전기 자동차, 전기 자동차 및/또는 태양열발전 장치를 포함하나, 이에 제한되지 않는다.
임의의 차량은 자동차, 트럭, 버스, 트롤리, 기차, 유인 또는 무인 비행기, 배, 잠수함, 인공위성 및/또는 우주선일 수 있다.
바람직한 차량은 자동차, 트럭 또는 버스이다.
태양열 발전 장치는, 이 장치들이 온-그리드(on-gird) 또는 오프-그리드(off-grid)인지에 따라, 태양열 어레이 및/또는 태양열 스토리지로부터 에너지를 전달하는 장치를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 고안에서는 하이브리드 전기/내연기관(ICE) 자동차(210)가 개시되어 있다.
도 17은 컨트롤러(1500), 컴퓨터(1510), 구성부(1520) 및 메모리 항목(1540) 중 적어도 하나를 포함하는 영구적 메모리(1530)를 포함하는 그룹의 적어도 하나의 부재의 적어도 하나의 인스턴스를 포함하는 에너지 전달 컨트롤러(170 및/또는 280)를 도시한다.
컨트롤러(1500)는 적어도 하나의 입력, 적어도 하나의 출력 및 가능한 적어도 하나의 내부 상태를 포함한다. 컨트롤러(1500)는 내부 상태롤 바꿔 입력에 대해 응답한다. 컨트롤러(1500)는 입력의 적어도 하나의 값 및/또는 적어도 하나의 내부 상태의 적어도 하나의 값에 기초하여 출력을 생성한다. 내부 상태는 영구적 메모리(1530), 메모리 항목(1540) 및/또는 구성부(1520)의 하나 이상의 인스턴스로 구현될 수 있다.
컴퓨터(1510)는 적어도 하나의 명령 프로세서 및 적어도 하나의 데이터 프로세서를 포함한다. 각 데이터 프로세서는 적어도 하나의 명령 프로세서에 의해 지시를 받는다. 컴퓨터는 영구적 메모리(1530), 메모리 항목(1540) 및/또는 구성부(1520)의 하나 이상의 인스턴스를 구현한다.
메모리 항목(1540)은 영구적 메모리(1530), 컨트롤러(1500) 및/또는 컴퓨터(1510)에 보유될 수 있다.
메모리 항목(1540)은, 본 고안의 일부 요소를 동작하는 방법의 적어도 일부를 구현할 수 있는, 다운로드(1550), 설치 패키지(1552), 동작 시스템(1554) 및/또는 적어도 하나의 프로그램 항목(1556) 중 적어도 하나의 적어도 하나의 인스턴스를 포함한다.
여기서 사용된 바와 같이, 영구적 메모리(1530)는, DC 에너지 전달 장치(100) 및/또는 DC 에너지 전달 네트워크(220)에 의해 장치(10)가 사용을 위해 현재 생성되는 전력에 결합되어있는지에 따라, 통상 동작에서 그 휘발성이 제거되도록 구성되어 전원이 제공된 적어도 하나의 휘발성 메모리 부품 및/또는 적어도 하나의 비휘발성 메모리 부품을 포함한다. 비휘발성 메모리는 메모리에 전력이 공급되었는지에 따라 그 메모리 항목(1540)을 유지하도록 구성된다. 휘발성 메모리는 일정 주기에 걸쳐 전력이 제공되지 않으면 그 메모리 항목(1540)이 손실된다.
도 18은 도 17의 프로그램 항목(1556)의 일부 실시예를 도시하는 것으로, DC 에너지 전달 장치(100), DC 에너지 전달 네트워크(220), DC 에너지 전달 장치(100) 및/또는 DC 에너지 전달 네트워크(220) 중 적어도 하나를 포함 및/또는 사용하는 시스템(180) 중 적어도 하나, 특히 하이브리드 전기/ICE 자동차(210)의 적어도 일부를 동작하는 방법의 적어도 하나의 항목을 구현한다. 방법은 하나 이상의 단계를 포함하고, 프로그램 항목(1556)은 이하 명령 동작 중 하나 이상을 포함한다:
프로그램 동작(1600)은 공통 단자(160)에 대해 입력 DC 단자(102) 및/또는 출력 DC 단자(104)를 감지한 것에 응답하여 DC 에너지 전달 장치(100)의 동작을 지원한다. 에너지 전달 컨트롤러(170)는 폐쇄 상태(174) 또는 개방 상태(176) 중 하나를 제1스위치 SW1(140)의 제어 단자(C)에 제공하기 위해 제어 상태(172)를 바꿀 수 있다.
실시예에서, 입력 DC 단자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 시간 t0에서 Vin_est0 V의 전압 및 시간 t1에서 Vin_est1 V의 전압을 포함하는 입력 DC DES와 Cest1으로 추정되는 커패시턴스를 갖는, 제1용량성 장치 C1(130)에 접속된다. t0에서 C1에 저장된 추정 에너지는 1/2 * Cest1 * Vinest02로 계산될 수 있다. t1에서 C1에 저장된 추정 에너지는 1/2 * Cest1 * Vinest12로 계산될 수 있다. 시간 t0에서 t1까지 C1에서 전달된 에너지의 추정치는 1/2 * Cest1 * (Vinest12 - Vinest02)로 계산될 수 있다.
제2실시예 또한 도 1에 기초한다. 제2용량성 장치 C2(160)가 Cest2의 추정 커패시턴스를 갖는다고 가정한다. 출력 DC DES가 t0에서 Vout_est0의 전압을 갖고 t1에서 Vout_est1의 전압을 포함한다고 가정한다. 유사하게, 시간 t0에서 t1까지 전달된 에너지의 추정치는 1/2 * Cest2 * (Vinest12 - Vinest02)로 계산될 수 있다.
DC 에너지 전달 장치(100)를 동작하는 것은, C1에 저장된 추정 에너지가 임계치 이하이거나 입력 DC DES의 추정 전압이 제2임계치 이하일 때 제1용량성 장치(100)를 충전하는 것을 포함한다. C1에서 동작 최대 전압이 3000V이고 커패시턴스가 1F라고 가정한다. 제1임계치는 최대 동작 전압 3000V에서 C1에 저장된 에너지의 1/4일 수 있고, 제2임계치는 3000V의 1/2일 수 있다.
t0과 t1 사이의 에너지 전달 효율은 C2에서 전달된 에너지를 C1에서 전달된 에너지로 나눈 비율로 추정될 수 있고, Cest2 * (Vinest12 - Vinest02) / (Cest1 * (Vinest12 - Vinest02))로 계산될 수 있다.
프로그램 동작(1610)은 공통 단자(106)에 대해 고 에너지 단자(202) 및/또는 서비스 단자(204)를 감지한 것에 응답하여 DC 에너지 전달 네트워크(220)를 동작하는 것을 지원한다.
프로그램 동작(1620)은 공통 단자(106)에 대해 그 단자(102 및/또는 404) 중 적어도 하나를 감지하기 위해 듀얼 스테이지 DC 에너지 전달 장치(700)를 동작하는 것을 지원한다. 이 동작은 듀얼 스테이지 DC 에너지 전달 장치(700)에서 공통 단자(108 및 408)를 통해 2개의 스위치를 각각 제어하기 위해 2개의 제어 상태(172-1 및 172-2)를 바꾸는 것을 포함한다.
프로그램 동작(1630)은 공통 단자(106)에 대해 고 에너지 단자(202) 및/또는 서비스 단자(204)를 감지하는 것에 응답하여 적어도 하나의 스텝 다운(SD) 스테이지(400)를 동작하는 것을 지원한다.
프로그램 동작(1640)은 공통 단자(106)에 대해 고 에너지 단자(202) 및/또는 서비스 단자(204)를 감지하는 것에 응답하여 적어도 하나의 커패시턴스(Cap) 스테이지(100)를 동작하는 것을 지원한다.
프로그램 동작(1650)은 적어도 하나의 DC 에너지 전달 장치(100) 및/또는 적어도 일부의 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 적어도 하나의 감지된 DES에 응답하여 시스템(180)의 적어도 일부를 동작하는 것을 지원한다.
프로그램 동작(1660)은 적어도 일부의 DC 에너지 전달 네트워크(220)의 적어도 하나의 감지된 DES에 응답하여 하이브리드 전기/ICE 자동차(210)를 동작하는 것을 지원한다.
이 실시예들 및 설명들은 본 고안을 개시하고 청구범위를 실시가능하게 하고 여러 국가에서 분할 출원 및 연속 출원을 위하여 제시된 것으로, 당업자라면 본 고안의 범위가 여기에 제시된 설명만으로 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다.
예를 들어, 가장 간단한 DC 에너지 전달 장치(100)는, 에너지 전달 장치의 규정된 요소를 넘어, 여기서 내부 DC DES로 언급된, DC DES를 필수적으로 포함하는 출력 DC DES의 생성에 기여하는 적어도 하나의 내부 DES로 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같은 DC 에너지 전달 장치(100)의 구성요소들 사이의 하나 이상의 접속은, 도면에 도시되었을 지라도, 다이오드(D1 또는 D2)를 포함하지 않을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 도 1 및 이어지는 도면들의 임의의 접속들 사이에서, 저항, 커패시터, 다이오드 및/또는 인덕터와 같은 추가 구성요소가, DC 에너지 전달에 기여하는 내부 DC DES를 방해하지 않도록, 연결 및 마련될 수 있다.

Claims (13)

  1. 입력 DC 단자, 공통 단자 및 출력 DC 단자를 포함하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치로,
    상기 DC 에너지 전달 장치는, 출력 DC 단자에서 전기 에너지를 적어도 하나의 내부 DES(dynamical electro-state)를 통해 출력 DC DES로 전달하기 위해, 입력 DC 단자에서 입력 DC DES에 응답하도록 구성되고, 각 내부 DES는 전류가 오직 한 방향으로만 흐르도록 구성된 DC DES를 필수적으로 포함하고,
    상기 DC 에너지 전달 장치는, 제1용량성 장치, 제2용량성 장치, 스위치 및 유도성 장치를 포함하고,
    상기 DC 에너지 전달 장치는, 입력 DC 단자와 출력 DC 단자 사이의 에너지 전달이 적어도 K% 효율(여기서, K는 적어도 65)로 이루어지도록 구성되고,
    상기 장치는 기차, 배, 온-그리드(on-gird) 장치 또는 오프-그리드(off-grid) 장치에서 동작하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 DC 에너지 전달 장치는, 상기 K가 적어도 75 이상이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 DC 에너지 전달 장치는, 상기 K가 적어도 83 이상이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 DC 에너지 전달 장치는:
    입력 DC DES가 적어도 1000V의 전압을 포함하는 구성, 및
    출력 DC DES가 적어도 100V의 전압을 포함하는 구성,
    중 적어도 하나 이상을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 DC 에너지 전달 장치는:
    입력 DC DES가 적어도 2000V의 전압을 포함하는 구성, 및
    출력 DC DES가 적어도 200V의 전압을 포함하는 구성,
    중 적어도 하나 이상을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 DC 에너지 전달 장치는:
    입력 DC DES가 적어도 3000V의 전압을 포함하는 구성, 및
    출력 DC DES가 적어도 300V의 전압을 포함하는 구성,
    중 적어도 하나 이상을 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    고 에너지 단자, 서비스 단자, 공통 단자 및 고 에너지 단자와 서비스 단자 사이에 적어도 1MJ의 에너지를 전달하도록 구성된 DC 에너지 전달 장치의 적어도 하나를 포함하는 DC 에너지 전달 네트워크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고 에너지 단자와 서비스 단자 사이의 에너지 전달은 적어도 2MJ인 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고 에너지 단자와 서비스 단자 사이의 에너지 전달은 적어도 4MJ인 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 고 에너지 단자와 서비스 단자 사이의 에너지 전달은 적어도 상기 K%의 에너지 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 K는 적어도 75인 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 K는 적어도 83인 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 DC 에너지 전달 네트워크의 에너지 전달에 응답하여 동작하는 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 에너지 전달 장치를 포함하는 장치.
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