KR20100133993A - 듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20100133993A
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storage device
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필립 케이. 스니더
도날드 에이. 벤더
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에이에프에스 트리니티 파워 코포레이션
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Abstract

(a)울트라 커패시터와 같은 패스트 에너지 저장 장치(FES), 및 (b) 연료 전지 또는 배터리와 같은 장기 또는 안정한 전력 장치의 2 개의 에너지 소스를 갖는 듀얼 에너지 저장 시스템이 기술된다. 전력 컨버터 또는 제어기는 패스트 에너지 저장 장치로부터 추가적인 전력/전류의 부스트를 제공할 때, 및 패스트 에너지 저장 장치를 재충전 할 때를 결정하기 위해 에너지 관리 알교리즘을 실행한다. 플러그인 하이브리드 추진 시스템의 듀얼 에너지 저장 시스템에서 울트라커패시터 또는 다른 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태를 최적으로 관리하는 방법이 또한 기술된다. 상기 방법은 배터리의 양호한 보호, 양호한 성능을 제공하며 울트라커패시터의 요구된 용량을 최소화한다.

Description

듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DUAL ENERGY STORAGE MANAGEMENT}
[0001] 본 발명은 두 개의 에너지 저장 장치들, 짧은 기간 및 높은 전력(예, 울트라커패시터, 커패시터, 플라이휠 에너지 저장 장치, 또는 고전력 배터리)의 에너지 운반을 위해 의도된 하나의 패스트-에너지 저장 장치(또한 FESTM으로 알려짐) 및 긴 기간 및 안정된 전력(예, 배터리, 연료배터리)을 위해 의도된 두번째 장치의 조정(coordination)에 관한 것이다. 여기서 기술된 기술은 전력이 신속하게 전달되거나 복구되어야만 하는 모든 어플리케이션들에 적절하다. 적절한 어플리케이션은 무정전 전력 공급 장치(UPS), 전기 자동차 (EVs), 하이브리드 차량(HEVs), 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차(PHEVs)를 포함한다.
[0002] 산업 또는 운송에서 다중 에너지 저장 시스템의 사용을 요구하는 많은 상황들이 있다. 일반적으로, 배터리 또는 연료 배터리와 같은 장기적인 에너지 저장 시스템은 장비 또는 전력 전자 장치를 작동시키는데 필요한 대부분의 에너지를 공급하는데 사용될 수 있다. 종종 시스템의 단축된 작동 수명, 또는 심지어 과열 및 폭발의 위험으로 귀착되는 시스템에 손상을 초래하지 않고 장기간 에너지 시스템에 의해 항상 공급될 수 없는 전력 및 신속한 에너지 폭발(bursts of energy)에 대한 필요가 있다. 이러한 경우에서 추가적인 에너지 저장 시스템을 추가하여 장비에 더 짧지만 더 높은 전력, 에너지 폭발을 공급하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 2 개 에너지 소스가 함께 작동하게 하는 것은 도전환다. 따라서 2 개 에너지 시스템들이 함께 작동하게 할 도전을 해결하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
[0003] 하이브리드 차량은 일반적으로 종래의(예, 가솔린, 디젤, 압축 천연가스, 에탄올, 또는 이들의 조합을 사용하는) 탄화 수소 연소 엔진 및 배터리에 커플링된 전기 모터를 사용한다. 배터리는 전기 모터에 전력을 제공하며 어떤 경우에는 재생 브레이킹에서 회수된 에너지를 저장한다. 전류 하이브리드에서, 배터리는 일반적으로, 충분한 저장 공간을 가져서 가솔린 엔진에 조력하지만, 도로 속도로만 전기 동력을 사용하여 차량을 작동시키지 않는다. 플러그인 하이브리드 차량 (PHEVs)은 더 높은 전력/에너지 용량을 갖는 하이브리드 차량이어서, 짧은(예, 40 마일보다 적은) 여행 동안 단독으로 전력으로 작동할 수 있다. 플러그인 하이브리드는 전형적으로 (가정에서 110볼트나 220 볼트 또는 전용 충전 스테이션에서 더 높은 전력과 같이) 메인 전력 공급 장치로부터 재충전된다.
[0004] 안타깝게도, 전형적인 전류의 저장 시스템이 갖는 전류의 문제는 등장 PHEVs의 광범위한 채택을 제한한다. 예를 들어, 이러한 전형적인 전력원들(예, 배터리들)은 비용이 많이 들고 제한된 수명을 갖는다. 신속한 충전 및 방전이 시간이 지남에 따라 전력원을 저하시키기 때문에, 기존 PHEV 시스템은 오래 지속되지 못한다.
[0005] 이러한 차량의 전력 및 전류 요구 사항은 크게 변화된다. 예를 들어, 차량이 신호등에 있을 때, 차량은 정지된 정상 상태에 있어서 매우 작은 전력 또는 전류를 필요로 한다. 차량이 도로를 주행할 때, 차량은 주행 정상 상태에 있을 수 있고 또한 더 낮은 전류 또는 전력을 요구할 수 있다. 가속, 언덕 오르막, 또는 짐 견인은 상당히 많은 전류 또는 전력을 필요로 하며 연속적인 대량 전력 드로우(draw)를 요구할 수 있다. 예를 들어, 전형적인 도로 주행은 도로 상 가속 또는 추월을 위해 요구되는 전력의 단지 30 %가 필요할 수 있다. 경사에서(예, 오르막 모드에서) 안정된 고속도로 속도 유지는 고속도로 작동에서 가속도 만큼 많은 전력을 요구할 수 있다.
[0006] 충전용 배터리가 특정 제한(배터리 제조사에 의해 종종 특정화됨) 이상으로 높은 전류 드로우를 받는다면, 배터리 성능 및 배터리 사용 수명이 저하될 것이다.
[0007] 그러므로, 전력원의 사용 수명 또는 성능을 저하시킴 없이 높은 전류/전력 요구사항을 허용하여 상기 문제들을 해결하는 에너지 저장 시스템을 갖는 것이 바람직하다.
[0008] 패스트-에너지 저장 장치(Fast energy storage devices)를 최적으로 관리하는 시스템 및 방법이 기술된다. 패스트 에너지 저장 장치는 전력 배터리, 울트라커패시터, 플라이휠 및 전력 배터리, 초전도체를 포함한다. 패스트 에너지 저장 장치의 신규 및 유용한 어플리케이션은 플러그인 하이브리드 차량(PHEVs) 또한 전기 자동차(EVs) 및 하이브리드 전기 자동차(HEVs)를 포함하는 전기 차량에서 울트라커패시터 및 배터리의 결합이다. 일부 실시예에서, 배터리는 주행 중에 차량을 작동시키기 위해 사용된다. 울트라커패시터는 가속이 요구될 때 전력의 큰 폭발을 제공하는 패스트 에너지 저장 장치이며, 울트라커패시터는 또한 차량의 기계적 브레이킹 대신에 제공될 수 있는 재생 에너지를 흡수할 수 있다. 에너지 저장 장치의 이러한 조합의 바람직한 효과는 배터리의 감소된 부하 및 결과로 생긴 더 긴 배터리 수명이다.
[0009] 패스트 에너지 저장 장치를 사용하는 개선된 전력 변환 시스템 및 방법이 기술된다. 전력 컨버터/제어기(PCC)는 패스트 에너지 저장 장치까지 및 상기 장치로부터 에너지 흐름을 변환하고 제어한다. 패스트 에너지 저장 장치(Fast energy storage devices)를 관리하는 시스템 및 방법이 기술된다.
[0010] 상기 방법에서, 부하에 의해 끌어 들여진 부하 전류가 결정된다. 배터리로부터 부하까지 공급될 예상된 배터리 전류가 부하 전류를 기초로 추정된다(estimated, 평가된다). 패스트 에너지 저장 장치에서 부하까지 요구되는 과도 전류는 추정된 배터리 전류 및 부하 전류를 기초로 결정된다. 패스트 에너지 소스에서 부하까지의 과도 전류의 방전이 제어된다.
[0011] 일부 실시예들에서, 방법은 리프트 메카니즘(lift mechanism)에서 리프트 전력 제어기 컨버터로 수행된다. 리프트 메커니즘은 기중기, 리프팅 플랫폼, 잭, 엘리베이터, 등을 포함한다. 일부 실시예들에서 방법은 범용(무정전) 전력 공급 장치의 범용 전력 제어기 컨버터에서 수행된다.
[0012] 일부 실시예에서, 패스트 에너지 저장 장치는 부하 전류가 미리 결정된 레벨 아래에 있는 경우 재충전된다.
[0013] 일부 실시예들에서, 부하 전류의 필터링된 값이 결정되며 필터링된 값은 제 1 상단 임계값과 제 2 하단 임계값 사이에의 경계 값(bounded value)에 제한되며, 배터리로부터 끌어 당겨진 최대 전류가 상기 경계값에 제한된다.
[0014] 일부 실시예들에서, 배터리로부터 이끌려진 최대 전류가 시구간 동안 제 1 상단 임계값 이상에 있다면 제 1 상단 임계값으로 제한한다. 일부 실시예에서, 부하 전류가 제 2 하단 임계값보다 적은 미리 결정된 레벨 아래이면 패스트 에너지 저장 장치가 재충전된다.
[0015] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 추정, 결정, 또는 제어가 전력 제어기에서 발생한다. 일부 실시예들에서, 방법은 범용 전력 공급 장치(UPS)에서 수행된다. 일부 실시예들에서, 방법은 적어도 부분적으로 전기 자동차에 수행된다. 일부 실시예들에서, 방법은 리프트 메커니즘의 리프트 전력 제어기 컨버터에서 수행된다.
[0016] 일부 실시예들에서, 부하 전류에 관련된 에너지가 차량의 파워트레인에 커플링된 센서에서 측정된다. 일부 실시예들에서, 스로틀 제어의 위치가 측정되고, 스로틀 제어는 부하에 부하전류를 증가시키거나 감소시키도록 구성된다.
[0017] 일부 실시예들에서, 부하 전류를 필터링 전류이다. 일부 실시예들에서 필터링된 전류는 일정 기간 이상의 부하 전류의 평균이다. 일부 실시예들에서, 배터리가 배터리를 손상시키지 않고 제공할 수 있는 안전한 배터리 전류가 추정된다.
[0018] 일부 실시예들에서, 과도 전류는 부하 전류와 추정된 배터리 전류 사이의 차이이다. 일부 실시예들에서, 부하 전류는 패스트 에너지 저장 장치가 최소 충전에 도달하면 줄어든다. 일부 실시예들에서, 배터리로부터 이끌려진 전류는 최대 배터리 전류 레벨까지 제한된다. 일부 실시예들에서, 최대 배터리 전류 레벨은 배터리의 온도에 대한 응답으로 가변된다.
[0019] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치의 낮은 충전 상태에 도달할 때, 패스트 에너지 저장 장치를 손상으로부터 보호하기 위해 패스트 에너지 저장 장치로부터 과도 전류가 점차 감소된다.
[0020] 일부 실시예들에서, 방전 명령이 전력 컨버터 제어기에 전송되어 패스트 에너지 저장 및 배터리로부터 전기 에너지의 흐름을 관리한다.
[0021] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 분석되어 정상 상태에 도달할 때 결정이 이루어진다. 일부 실시예들에서, 배터리에 의해 패스트 에너지 저장 장치에 공급될 재충전 전류가 정상 상태를 기초로 결정된다.
[0022] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태가 모니터링 되고 배터리에 의해 공급될 예상 재충전 전류가 점차 감소되어 패스트 에너지 저장 장치를 손상으로부터 보호한다.
[0023] 일부 실시예들에서, 재충전 명령은 전력 컨버터 제어기로 전송되고, 전력 컨버터 제어기가 패스트 에너지 저장 장치와 배터리 사이에 전기 에너지의 흐름을 관리한다.
[0024] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 탐색 밴드와 비교되고, 상기 탐색 밴드가 패스트 에너지 저장 장치가 충전될 부하 전류의 범위를 특정한다.
[0025] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 정지된 정상 상태에 있거나 주행 정상 상태에 있는지의 결정이 이루어진다.
[0026] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 정지된 정상 상태에 있다면 재충전 전류가 패스트 에너지 저장 장치에 최대 전하까지 충전하도록 추정된다. 일부 실시예들에서, 부하 전류가 주행 정상 상태에 있다면 재충전 전류가 패스트 에너지 저장 장치에 최대 전하 이하까지 충전하도록 추정된다.
[0027] 일부 실시예들에서, 부하전류가 정지된 정상 상태에 있는지 주행 정상 상태에 있는지 결정은 이루어지며 및 부가 전류가 정지 정상 상태에 있다면 패스트 에너지 저장 장치를 최대 전하까지 충전할 재충전 전류가 추정되며, 부하 전류가 주행 정상 상태에 있다면, 패스트 에너지 저장 장치를 최대 전하 이하까지 충전할 재충전 전류가 추정된다.
[0028] 배터리 및 패스트 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에 의해 구동되는 부하를 최적으로 제어하는 방법이 설명된다. 부하에 의해 이끌려진 부하 전류가 결정된다. 추정 배터리 전류가 부하 전류를 필터링하여 결정된다. 예상 배터리 전류는 제 1 상단 임계값에 제한된다. 예상 배터리 전류가 제 2 하단 임계값에 제한된다.
[0029] 일부 실시예에서, 부하 전류의 변화율이 시구간 동안 제 1 상단 임계값 이상이면 배터리로부터 이끌려진 최대 전류가 제 1 상단 임계값까지 제한된다.
[0030] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 제 2 하단 임계값 이하이면 패스트 에너지 저장 장치가 재충전된다.
[0031] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치에서 부하까지 요구된 과도 전류가 예상 배터리 전류에 기초하여 결정되며, 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하까지 과도 전류의 방전이 제어된다.
[0032] 배터리 및 패스트 에너지 저장 장치에서 전력 분배를 최적으로 제어하는 방법이 설명된다. 부하에 의해 이끌려진 부하 전류가 결정된다. 부하 전류가 하단 전류 제한 내에 있으면 패스트 에너지 저장 장치(FES)가 재충전된다. 부하 전류가 하단 전류 제한 이상이면, 차량이 연속 드로우 모드로 작동하는지 가속 모드로 작동하는지 결정된다. 배터리 전류 한계은 차량이 작동하는 모드에 기초하여 설정된다. 시스템에서 전력은 배터리 전류 한계에 기초하여 분배된다.
[0033] 일부 실시예들에서, 부하는 모터이다. 일부 실시예들에서, 배터리 전류 한계은 연속 전류 제한으로 설정된다.
[0034] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치가 하한에 도달할 때 부하 전류가 감소되며, 패스트 에너지 저장 장치는 배터리 전류와 병렬로 부하에 전류를 제공한다. 일부 실시예들에서, 배터리 제한은 적응성 연속 전류 제한보다 더 큰 적응성 높은 배터리 전류 한계으로 설정된다.
[0035] 일부 실시예들에서, 적응성 높은 배터리 전류 한계은 역 방향으로 배터리 온도까지 가변된다. 일부 실시예들에서, 가속 모드에서 전력이 배터리로부터 그리고 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하에 제공된다.
[0036] 일부 실시예들에서, 타겟 속도가 달성되는 시간까지 패스트 에너지 저장 장치를 하한까지 소모하기 충분한 비율로 패스트 에너지 저장 장치로부터 모터 부하까지 전류가 제공된다.
[0037] 이러한 및 다른 방법들을 설명하는 시스템 및 컴퓨터 판독가능 저장 매체가 또한 기술된다.
[0038] 도 1a는 일부 실시예들에 따른 플러그인 하이브리드 전기 차량 (PHEV)을 도시한다.
[0039] 도 1b는 일부 실시예들에 따라, 전기 자동차에 대한 듀얼-에너지 시스템의 개략도이다.
[0040] 도 1c는 일부 실시예들에 따라, 전력 컨버터 제어기(PCC)를 포함하는 전기 자동차 어플리케이션에 대한 듀얼-에너지 저장(storage) 시스템의 다른 개략도이다.
[0041] 도 2는 일부 실시예들에 따라 컴퓨터-구현 에너지 관리 시스템을 도시한 블록 다이어그램이다.
[0042] 도 3은 일부 실시예들에 따라 도 1c의 에너지 관리 시스템의 회로 개략도이다.
[0043] 도 4a는 일부 실시예에 따른 부하 및 배터리 전류 대 시간의 그래프이다.
[0044] 도 4b는 일부 실시예에서 패스트 에너지 저장 시스템 대 시간의 전류 응답을 보여주는 그래프이다.
[0045] 도 5는 일부 실시예들에 따른 패스트 에너지 저장 장치를 재충전하는 회로의 개략적 도식을 보여주는 블록 다이어그램이다.
[0046] 도 6은 일부 실시예들에 따른 탐색 밴드가 패스트-에너지 저장 장치를 재충전하는데 사용되는 방법을 보여주는, 도 1c의 전력 컨버터 제어기를 통한 전류 대 시간의 그래프이다.
[0047] 도 7은 실시예에 따라, 패스트-에너지 저장 장치가 과충전되거나, 과-소모되는 것을 방지하는 스너버를 도시한, 공급된 완충 전류 퍼센티지 대 패스트 에너지 저장 장치(예, 울트라커패시터)의 충전 상태의 그래프이다.
[0048] 도 8은 일부 실시예들에 따라, 차량 어플리케이션의 패스트 에너지 저장 장치(예, 울트라커패시터)를 재충전하기 위한 폐루프 조절기 회로의 예시이다.
[0049] 도 9a는 일부 실시예들에 따라 패스트 에너지 저장 장치에 의해 공급되거나 흡수될 수 있는 과도 전류를 계산하기 위한 전류 추정기(estimator, 도면 평가기) 회로의 예시이다.
[0050] 도 9b는 일부 실시예들에 따라 차량이 높거나 낮은 가속도 상태에 있는지를 결정하기 위한 가속도 요구 감지 회로의 예시이다.
[0051] 도 10a 내지 10d는 일부 실시예에 따라, 듀얼 에너지 저장 장치 관리에 대한 프로세스의 순서도이다.
[0052] 도 11은 일부 실시예에 따라 시리즈 플러그인 하이브리드 전기 자동차 시스템의 개략도이다.
[0053] 도 12는 일부 실시예에 따라, 도 11에 도시된 일련의 하이브리드(PHEV)의 전기 드라이브에 대한 전력 컨버터 제어기 제어기(PCC)의 개략도이다.
[0054] 도 13은 일부 실시예에 따라 충전 상태(SOC) 및 과도 전류 제어(TCC) 작동 존들을 도시한, 배터리 전류 대 시간의 선형 그래프이다.
[0055] 도 14는 일부 실시예들에 따라, 배터리의 전류 한계 및 적응성배터리 전류 한계 작동을 보여주는, 배터리 전류 대 시간의 그래프이다.
[0056] 도 15a 및 도 15b는 일부 실시예들에 따라, 작동하는 TCC 지역에 있는 동안, 배터리, 모터 및 FES 전류 사이의 관계를 도시한, 배터리 전류 및 FES 전류 각각 대 시간의 2 개의 그래프들이다.
[0057] 도 16은 일부 실시예들에 따라, 충전 상태(SOC) 및 과도 전류 제어(TCC)의 제어 기능을 도시한 개략적인 회로이다.
[0058] 도 17은 일부 실시예들에 따라 적응성 전류 대 온도 그래프이다.
[0059] 도 18은 일부 실시예들에 따라, 하나의 전기 구동 액슬을 갖는 병렬 하이브리드 추진 시스템의 개략도이다.
[0060] 도 19는 일부 실시예들에 따른 스루-더-로드(TTR) 병렬 플러그인 하이브리드 차량의 개략도이다.
[0061] 도 20은 일부 실시예들에 따른 2 개의 구동 액슬을 갖는 일련의 하이브리드 추진 시스템의 개략도이다.
[0062] 도 21a 및 21b는 일부 실시예에 따른 도 18, 도 19, 도 20에 도시된 차량들에 대한 예시적인 추진 시스템의 개략도이다.
[0063] 도 22는 일부 실시예들에 따른 패스트 에너지 저장 장치의 적응성 충전을 도시한 부하 전류, PCC 전류 및 FES 전압 대 시간의 그래프들이다.
[0064] 도 23는 일부 실시예들에 따른 패스트 에너지 저장 장치의 적응성 충전을 도시한 부하 전류 및 FES 전압 대 시간의 그래프들이다.
[0065] 도 24는 다른 실시예들에 따른 FES 전압의 적응성 충전을 도시한 부하 전류 대 시간의 그래프이다.
[0066] 도 25는 일부 실시예들에 따라 패스트 에너지 저장 장치를 사용한 전력 분배를 제어하고 전기 자동차의 전류를 최적으로 제어하기 위한 순서도이다.
[0067] 본 발명의 다른 양태들이 본 발명의 바람직한 실시예들의 도면 및 뒤이은 설명의 고려로부터 명백해질 것이다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 다른 실시예들이 가능하다는 것 및 본 발명의 세부사항들이 본 발명의 개념으로부터 벗어남 없이 다수의 관련되 것에서 수정될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 후속하는 도면 및 설명은 본래 설명되는 것으로 간주될 것이고 제한되지 않는다.
[0068] 또한 부분 하이브리드 전기 차량으로 알려진, 플러그인 하이브리드 전기 차량(PHEVs)은 통상적인(예, 가솔린, 디젤, 압축 천연 가스, 에탄올, 등) 연소 엔진, 전기 모터 및 전기 모터에 동력을 전달하기 위한, 및 일부 실시예에서, 재생 브레이킹에 의해 생산된 에너지를 저장하기 위한 배터리 전력 소스를 갖는 차량이다. PHEVs가 전형적인 통근 거리와 같은 짧은 여정을 위해 배터리 전력으로 단독 운행될 만큼 충분히 큰 배터리 소스를 갖는다.
[0069] 플러그인 하이브리드 자동차(PHEVs)의 장점은 짧은 여정시에 동력을 전달할 때, 가솔린(또는 다른 탄화 수소 연료)에 대한 전기의 대용이다. 짧은 여정은 전형적인 운전자, 예 40 마일(또는 대략 60 킬로미터)를 위한 전형적인 일일 통근으로서 간주된다. 그러나, 약 40 마일의 일일 전기 범위를 갖는 것은 다수 사용자들에 대해 가솔린을 완전히 바꿔놓을 것이다.
[0070] 일부 실시예들에서, PHEVs이 40 마일보다 더 큰 범위를 갖는다.
[0071] 일부 실시예들에 따르면, PHEV 차량은 하이브리드 모드 및 전기 전용 모드의 작동 양쪽을 갖는 하이브리드 동력 전달 계통(drivetrain)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전기 동력 전달 계통은 도로 속도로 작동하는 것을 포함하여 일일 작동에 대한 완전한 수행이 가능하다. 비용(및 무게 및 부피)를 최소화하기 위해, 일부 실시예들에서 PHEV의 전기 에너지 저장 시스템은 미리 정의된 전기 범위를 제공하기 위해 선택된다. 일부 실시예들에서, 에너지 저장 시스템은 안전 여유를 더한 미리 정의된 전기 범위를 제공하도록 선택된다.
[0072] 특정화(예, 40 마일) 전기 범위를 위한 에너지 저장 시스템을 선택하는 것과 전기 작동으로 완전 수행을 제공하는 것의 결합은 에너지 저장 시스템에 대한 도전을 제공한다. 예를 들어, 혼합된 도시/도로 운전에 대해, 소형 자동차 및 대형 자동차나 크로스 오버 SUV가 각각 대략 0.2 kWh/mi 0.4 kWh/mi을 소모할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 두 차량에 대해 40 마일에 요구된 에너지는 각각 대략 약 8 kWh 및 16 kWh이다. 전기 전용 차량은 훨씬 더 많은 에너지가 필요할 수 있다.
[0073]가속, 추월, 따라 잡음, 또는 견인을 포함한 양호한 모든-주위 성능을 위해, 모터 전력은 소형차에 대해 약 80 kW 이상 대형차/크로스오버 SUV에 대해 150 kW 이상이어야 한다. 요구된 에너지에 대한 전력의 방전 속도 비율은 배터리의 "C" 등급을 제공한다. 대표적인 에너지 소비 및 전력 요구 사항에 대해, 결과의 방전 속도 비율은 대략 C10이다.
[0074] 여기에 기술된 듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 시스템 및 방법은 FES 또는 다른 패스트 에너지 저장 장치를 배터리와 결합하여 가속시와 같은 높은 전류 드로우 또는 요구와 관련된 단점을 설명한다. FES는 고속도로 상의 가속하는 동안과 같은 과도 전류 동안 배터리를 보충하기 위해 전력을 제공한다. 과도 전류는 일반적으로 짧은 기간(예, <10 초)의 초과 전류이다. FES는 일반적으로 Farads 단위로 측정되는 용량에 의해, 과도 기간 동안(예, 과도 전류가 발생할 때) 배터리를 보충하기 위해 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있는 커패시터이다. FES에서 추가된 전력은 전기 모드에서 완전한 성능을 제공할 동안 (배터리로부터 이끌려진 전류를 감소시키거나 제거하는 것에 의해) 배터리를 보호하여서, 더 가볍고 저럼한 배터리의 사용을 허용한다.
[0075] 커패시터 또는 울트라커패시터가 패스트 에너지 저장 장치에 대해 여기서 기술되는 동안, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 플라이휠 또는 고전력 배터리와 같은 다른 패스트 에너지 저장 장치가 또한 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 높은 전류 드로우를 설명하는 다른 방법은 높은 전류 요구 동안 전기 모터를 보충하기 위해 연소 엔진을 사용할 것이다. 그러나, PHEV의 가장 중요한 목표 중 하나가 가솔린의 소모를 최소화하는 것이기 때문에, 연소 엔진의 사용을 최소화하는 것이 바람직하다.
[0076] 일부 실시예들에서, FES가 멈춤에서 도로의 속도까지 차량을 가속시키기에 필요한 모든 에너지를 제공하도록 크기화된다. 이러한 기능을 위해 크기화된 FES는 배터리의 최대 보호를 제공하나, 자동차에 바람직하지 않은 공간, 무게 및 비용을 잠재적으로 가산시킨다. 일부 실시예들에서, FES가 배터리로부터 이끌려진 전류를 배터리를 손상시키지 않을 레벨까지 제한하기 위해 배터리와 동시에 작동하도록 크기화된다; 이 방법은 앞서 언급한 해결책보다 더 작고 덜 비싼 시스템을 산출한다.
[0077] 일부 실시예들에서, 듀얼 에너지 저장 시스템은 추월하거나 언덕을 오를 때 FES을 완전히 소모시키는 것은 아니다. 이렇게 하는 것은 차량이 불완정하게 할 수 있다(예, 경사도에서 통과할 수 없거나, 비상 기동을 할 수 없음) 일부 실시예들에서 듀얼 에너지 저장 시스템은 과도(예, 가스 페달을 구별할 수있는 등 가속 페달을 누르는 것과 같은 운전자에 의해 가속 명령 또는 스로틀 제어) 및 높은 평균 전력(예, 주어진 속도로 차량을 유지하기 위해 요구되는 전력이 언덕 또는 비탈로 인해 증가함) 사이에서 차이날 수 있다. 일부 실시예들에서, 듀얼 에너지 시스템은 차량이 모터와 관련된 부하 전류를 모니터링하여 가속 또는 언덕-오름 모드에 있는지를 결정한다.
[0078] 도 1a는 일부 실시예들에 따른 플러그인 하이브리드 전기 차량을 도시한다. 차량은 내부 연소 엔진(101), 전기 모터/발전기(150), 전력 드라이브(140), 전력 버스(152)(후속 도면들의 DC 버스(104)에 해당), 전력 컨버터 제어기(106), 고전압 배터리 팩(102), 및 패스트 에너지 저장 장치(105)를 포함한다. 전력 버스(152)가 전력 컨버터 제어기(106) 및 전기 모터 발전기(150)에 적어도 커플링되며, 전력 저장 시스템(102, 105, 106)과 드라이브 시스템(101, 150, 140) 사이에 전류를 전도하는 작용을 한다. 전력 컨버터 제어기(106)는 버스(152)에 의해 전달된 전류를 제어하며, (i)배터리 팩(102)로부터, 및 (ii) 패스트 에너지 저장 장치(105)로부터 버스 전류의 비율을 제어한다.
[0079] 일부 실시예들에서, 연소 엔진이 전력 드라이브(140)에 직접 커플링된다. 일부 실시예들에서 연소 엔진이 전기 모터(150)에 커플링되어, 연소 엔진은 모터를 기계적으로 구동하여 전기를 생산한다.
[0080] 일부 실시예들에서, 연소 엔진 및 전기 모터는 병렬로(예, 성능 모드에서) 사용될 수 있으며, 차량이 연소 엔진에 의해 및 고전압 배터리 팩(102) 및/또는 패스트 에너지 저장 장치(105)로부터 버스(152)를 따라 전류를 공급받는 전기 모터(150)에 의해 양쪽으로 전력이 공급될 수 있다. 일부 실시예들에서, 차량은 (전기 전용 모드에서) 고전압 배터리 팩(102) 및/또는 패스트 에너지 저장 장치(105)에 의해 전력이 공급되는 전기 모터(150)에 의해 구동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 차량은 (통상적인 비-전기 자동차와 같은) 연소 엔진 전용모드로 구동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 차량은 주로 연소 엔진 모드에서 전기 모터/발전기가 요구되는 가속의 부스트(burst)를 제공하도록 및 재생 브레이킹으로부터 에너지를 캡쳐하도록 사용되면서 구동될 수 있다.
[0081] 도 1b는 일부 실시예에 따라 하이브리드 전기 자동차와 같은 듀얼 에너지 시스템(109)의 개략도이다. 듀얼 에너지 시스템은 하나 이상의 DC 버스(104)들에 커플링된 임의의 수의 부하들 또는 에너지 소스들(101)을 사용할 수 있다. 어플리케이션들은 정상 상태(예, 언덕 오름을 위해 연속 대량 전력 드로우 요구) 및 과도(예, 가속) 전력이 요구되는 곳에서 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 차량(HEV, 또는 플러그인 PHEV)을 포함한다. 예를 들어, 크레인, 리프트, 또는 배터리 전력을 사용하고 전력(과도의 것)의 부스트를 필요로 하는 건설 장비가 여기 기술된 듀얼 에너지 시스템으로부터 유익할 것이다. 또한, 산업 무정전 전력 공급 장치 (UPS)가 여기 기술된 듀얼 에너지 시스템과 함께 보강되어 시스템이 전력 부족이 발생시 전력을 신속하게 공급할 때 배터리에 로딩을 감소시킨다.
[0082] 패스트 에너지 저장 시스템은 다음을 포함한다: 고전압 배터리 팩(102)(하나 이상의 전기 에너지 저장 배터리) 또는 연료 배터리와 같은 장기적 에너지 저장 장치, 커패시터, 울트라커패시터, 전력 배터리 및 플라이휠와 같은 단기적 패스트 에너지 저장 장치(105); 및 전력 컨버터 제어기(PCC)(106), 패스트 에너지 저장 장치(105)와 PCC(106) 사이에 커플링된 패스트 에너지 저장 장치 버스, PCC(106)와 배터리 팩(102) 사이에 연결된 DC버스.
[0083] 빠른 에너지 저장 시스템은 DC 버스(104)에 커플링된 하나 이상의 전력 드라이브(140), 상기 전력 드라이브(140)에 커플링된 하나 이상의 모터/발전기(150) 및 상기 하나 이상의 모터/발전기(150) 및/또는 상기 전력 드라이브(140)에 커플링된 하나 이상의 내연기관(101)을 더 포함한다. 전력 드라이브(140)는 차량의 휠에 기계적 동력(예, 엔진(101)으로부터 및/또는 전기 모터(150)로부터)을 전달한다. 일부 실시예들에서, 전력 드라이브(140)는 또한 재생 브레이킹 동안 휠로부터 전기 모터(150)에 기계적 동력을 전달한다. 정상적인 드라이브 작동 동안, 전력 드라이브(들)(140) 및 모터/발전기(들)(150)이 배터리(102) 및/또는 FES(105)로부터 전류를 끌어 낼 때 부하로서 작용한다. 재생 브레이킹 동안 전력 드라이브(140) 및 모터/발전기(150)는 DC 버스(104)에 재생된 에너지(브레이킹으로부터)를 제공하기 때문에 소스를 포함한다.
[0084] PCC(Power Converter/Controller, 106)는 정상적인 드라이브 작동 동안및 재생 브레이킹 동안 양쪽에서 빠른 에너지 저장 장치 버스(103) 및 DC 버스(104) 사이에서 에너지의 흐름을 관리하기 위한 알고리즘을 포함한다. PCC(106)는 이러한 에너지 흐름을 관리할 때 전기 시스템으로부터 국소적으로(locally) 이용될 수 있는 대부분의 정보를 사용한다. 일부 실시예에서, PCC(106)는 전기 에너지의 흐름을 관리하기 위한 하나 이상의 프로세서들(일부 실시예에서, 특정 목적 전력 변환기 프로세서) 및 전력 전자회로, 및 전력 변환을 위한 계획을 실행하는 제어기를 포함한다.
[0085] 일부 실시예에서, 독립적인 빠른 에너지 저장 시스템(예, PCC(106), 버스(103) 및 빠른 에너지 저장 장치(105))은 느린 에너지 저장 장치 소스(예, 배터리 팩(102))을 사용하는 기존 어플리케이션을 개선하는 수단으로서 제조되어 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 빠른 에너지 저장 시스템은 수리용 부품 시장 키트로서 제공되어 기존 차량을 개장할 수 있다.
[0086] 도 1c는 일부 실시예들에 따라, 전력 변환기 제어기(PCC)를 포함하는 전기 자동차 어플리케이션용 듀얼-에너지 저장 시스템(119)의 다른 개략도이다. 듀얼-에너지 저장 시스템은 에너지 관리 알고리즘(110), 재충전 관리 알고리즘(113)을 포함하는 PCC(106), PCC(106)에 커플링된 DC-DC 전력 변환기(112), 고전압 버스(예, 대략 350 볼트 DC)를 통해 전력 변환기(112)에 커플링된 모터 드라이브 전력 전자회로(140), 전력 변환기(112)에 커플링된 배터리 팩(102)을 포함하며, 부하(150)(예, 전기 모터)가 모터 드라이브 전력 전자회로(140)에 커플링된다.
[0087] 듀얼-에너지 시스템은 빠른 에너지 버스(103)(예, 대략 100 내지 200 볼트 DC) 및 저전압 버스에 걸쳐 DC-DC 변환기(112)에 커플링된 FES와 같은 빠른 에너지 저장 시스템(105)을 더 포함한다. FES의 작동 전압은 충전되고 방전되는 동안 가변한다.
[0088] 전기 자동차(EV) 어플리케이션 또는 다른 모터 구동 장치의 일부 실시예들에서, (에너지 관리 알고리즘(110)을 사용하는) PCC(106)는 고전압 버스 및 저전압 버스 사이의 전력의 전력변환을 관리하여 배터리(102)를 보호한다. PCC(106)는 전류, 전압, 배터리 온도, 페달/스로틀이 얼마나 많이 눌려졌는지, 및 국소적 전기 시스템으로부터 다른 적절한 정보를 제공하는 센서 데이터와 같은 센서 데이터(107)을 수신한다.
[0089] PCC(106)는 배터리 전압(v_bus)으부터 DC 버스의 전압을 나타내는 FES 전압(v_ucap)을 격리하고(즉, DC-DC 변환기를 사용하여 전기적으로 분리함), 보통 배터리 단자 전압(v_ucap)과 동일한 것이 FES의 추정된 이론상 전압이다. PCC(106)는 고전압 버스(104)로부터 저전압 버스(103)에 관한 전압을 격리하는 DC-DC 변환기를 포함하며, 이들 사이에서 필요하면 전력을 전달을 제공한다.
[0090] PCC에서 에너지 관리 알고리즘(110)은 DC-DC 전력 변환기(112)를 제어하여서, 미리 정의된 계획에 따라 FES(105)와 모터 드라이브 전력 전자회로(140) 사이에서 전력을 변환하고 전달한다. 센서 데이터(170)는 시스템에서 전류 및 전압의 전기적 측정을 포함할 수 있다. 차량 어플리케이션에서, 차량 속도 및 가속도 위치와 같은 몇몇 데이터는 차량 조건들에 기초한 알고리즘의 성능을 최적화하는데 또한 사용될 수 있다. 제어 신호(180)는 DC-DC 전력 변환기를 제어하여 에너지-관리 알고리즘에 의해 컴퓨팅됨으로서 차량 버스 및 FES 사이에서 전력을 전달한다. 재충전 관리 알고리즘(113)은 FES(105)의 재충전을 관리한다. 일부 실시예에서 재충전 관리 알고리즘(113)은 에너지 관리 알고리즘(110)으로부터 분리된다. 일부 실시예에서 재충전 관리 알고리즘(113)은 에너지 관리 알고리즘(110)의 일부이다.
[0091] 일부 실시예에서, 에너지 관리 알고리즘(110)은 PCC에서 또는 PCC와 관련된 하나 이상의 특정 목적 전력 프로세서를 사용하여 구현된다. 일부 실시예에서, 고전압 스위칭 회로는 빠른 에너지 저장 장치 버스(103) 및 DC 버스(104)와 관련된 고전압을 스위칭하여 변환하기 위한 하나 이상의 특정 목적 전력 프로세서에 커플링된다.
[0092] 도 1c의 듀얼 에너지 저장 시스템의 장점은 필터 파라미터(전형적으로 시정수의 수)를 조절하여 빠른 에너지 저장 장치의 상이한 타입들 또는 크기들을 사용하도록 용이하게 전환가능하다는 것이다. 알고리즘은 배터리를 보호하고 더 작은(또한 그래서 더 값싼) 배터리가 사용되는 것이 허용되는 양쪽에서 장점이 있다. 일부 실시예들에서, 알고리즘은 전력 변환기 제어기(106)로서 동일한 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 수 있다. 일부 실시예에서, 알고리즘은 전력 변환기 제어기로부터 분리되어 실행될 수 있다.
[0093] 도 2는 PCC(106)로서 구현된, 컴퓨터-구현 에너지 관리 시스템을 도시한 블록 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, PCC(106)는 적어도 부분 하이브리드 전기 자동차에서 전력 분배를 제어하기 위한, 전용(예, 특정 목적) 자동차 전력 제어기 컴퓨터이다. 일부 실시예에서, 이러한 컴퓨터는 범용 전력 공급 장치의 작동을 제어하기 위한, 전용 범용 전력 공급 제어기 컴퓨터이다. 다른 실시예에서, PCC(106)는 일반적인 목적 컴퓨터이다.
[0094] PCC(106)는 하나 이상의 프로세싱 유닛(CPU's)(202), 선택적으로 하나 이상의 네트워크 또는 다른 통신 인터페이스(204), 메모리(210), 및 이러한 구성요소들을 상호연결하기 위한 하나 이상의 통신 버스들(208)을 포함한다. PCC(106)는 선택적으로 사용자 인터페이스와 양립 가능할 수 있다(예, 따라서 기계 기술자 또는 기술자가 PCC에 접근하여 통신할 수 있다).
[0095] PCC(106)는 전형적으로 전압 센서들로부터 하나 이상의 입력들(270), 온도 센서들, 전류 센서들 등, 및 페달/스로틀 및 브레이크 센서들(272)로부터 하나 이상의 입력들(272)을 수신한다. PCC(106)은 또한 전형적으로 DC 버스(104), 저전압 버스(103), 등에 제어 출력들(274)을 포함한다.
[0096] 메모리(210)의 DRAM, SRAM, DDR RAM이나 다른 랜덤 액세스 솔리드 스테이트 메모리 장치(random access solid state memory devices)와 같은 고속 랜덤 액세스 메모리를 포함할 수 있고, 하나 이상의 마그네틱 디스크 저장 장치, 광학 디스크 저장 장치, 플래시 메모리 장치, 또는 기타 비휘발성 솔리드 상태 저장 장치와 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(210)는 CPU(들)(202)로부터 원격에 위치된 하나 이상의 저장 장치를 포함할 수 있다. 메모리(210), 또는 대안적으로 메모리(210) 내의 비휘발성 메모리 장치(들)은 컴퓨터 판독가능 저장 매체를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 메모리(210)는 다음 프로그램들, 모듈들 및 데이터 구조들, 또는 그것의 부분 집합을 저장한다 :
- 다양한 기본 시스템 서비스를 처리하기 위한 그리고 하드웨어에 의존적인 작업을 수행하기 위한 프로시저를 포함하는 운영 체제(211);
- 다른 컴퓨팅 장치에 하나 이상의 통신 네트워크 인터페이스(204)(유선 또는 무선) 및 무선 네트워크 한 와이파이 네트워크와 같이 , 휴대 전화 네트워크, 인터넷, 다른 광역 네트워크, 로컬 영역 네트워크, 수도권 네트워크, 등등과 같은 하나 이상의 통신 네트워크들을 통해 다른 컴퓨팅 장치들에 PCC(106)를 연결하기 위해 사용되는 광학 네트워크 통신 모듈(212)로서, 이는 서비스 패치가 릴리즈된다면, 또는 차량의 성능의 맞춤을 허용하기 위해 PCC의 소프트웨어를 업데이트하기 위해 사용될 수 있다.
- 부하 전류, 배터리 전류, 과도 전류, 및 재충전 전류를 포함하는 전류들을 추정하고, 결정하고, 및 제어하는 전류 제어 모듈(220). 부하 전류는 배터리(102) 및/또는 FES(105)로부터의 부하(예를 들어, 파워 드라이브(140) 및 모터(105), 도 1b)에 의해 이끌려진 전류이다. 배터리 전류는 배터리에 의해 DC 버스(104)(도 1)에 공급된 전류이다. 과도 전류는 가속, 오르막, 및/또는 견인 기간동안 부하에 의해 이끌려진 높은 부하 전류와 배터리로부터 이끌려질 수 있는 최대 안정 배터리 전류 사이의 차이이다. 과도 전류는 FES(105)로부터 PCC에 공급된다. 재충전 전류는 재생 브레이킹 동안 부하로부터 공급된 전류이며, 배터리(102) 및/또는 FES(105)을 재충전하는데 사용된다. 일부 실시예들에서, FES는 재생 브레이킹에 의해 발생된 재충전 전류로부터 충전된다. 일부 실시예들에서, FES는 배터리에서 충전된다.
- FES 장치(예, 울트라커패시터)의 충전을 모니터링하며, 도 4, 도 5, 도 6에 대해 아래에 기술된 바와 같이 이를 재충전하여 완충하거나 재충전하여 부분적으로 완충하며 및/또는 도 7에 대해 아래에 기술된 바와 같이 스너버(변경 리미터의 비율) 기능을 제공하는 방전/재충전 패스트 에너지 저장 장치 모듈(230).
일부 실시예들에서 방전/충전 모듈(230)은 에너지 관리 알고리즘(232) 및 재충전 관리 알고리즘(234)을 포함한다;
-부하 전류가 배터리 및 FES 및 일부 실시예에서 연소 엔진에 의해 함께 안전하게 제공될 수 있는 것보다 더 높은지를 결정하며, 부하에 토오크를 제한하는 것에 의해, 예를 들어, 레이블 컷 토오크(2324)에 의해 도 23에 도시된 바와 같이 차량의 휠에 제공된 전력을 감소시키는 것에 의해 부하 전류를 감소시키는 제한 토오크 모듈(240);
- 배터리의 온도를 모니터링하고, 높고 낮은 전류 한계를 최적으로 조절하고, 및/또는 전류, 전압 및/또는 배터리의 충전을 모니터링하는 배터리 보호 모듈(250);
- 부하 또는 다른 장치의 작동 모드를 제어하고, 재충전 모드(정지 및 주행시 모두), 토오크 모드(예, 견인, 적재, 또는 언덕 오름시에), 가속 모드(예, 멈춤으로부터 가속), 및 제한 토오크 모드(예, 패스트 에너지 저장 장치가 소모될때)를 제어하는 것을 포함하는 모드 제어 모듈(260); 및
- 상태, 제어, 관리 등을 포함하는 보조 서비스를 제공하기 위한 보조 서비스 모듈(290).
[0097] 상기 식별된 모듈들의 가각은 이전에 언급된 하나 이상의 메모리 장치에 저장될 수 있으며, 전술된 기능들을 수행하기 위한 명령어 세트를 포함한다. 위의 식별 모듈 또는 프로그램(즉, 명령의 세트)는 별도의 소프트웨어 프로그램, 프로시저 또는 모듈로서 구현될 필요없으며, 따라서 이러한 모듈의 다양한 서브세트가 결합될 수 있거나 달리 다양한 실시예로 재배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 메모리(210)는 위에 식별된 모듈과 데이터 구조의 서브세트를 저장할 수 있다. 더욱이, 메모리(210)는 전술되지 않은 추가 모듈과 데이터 구조를 저장할 수 있다.
[0098] 도 2가 단일 시스템을 도시한다 할지라도, 하나 이상의 컴퓨터들에 존재할 수 있는 다양한 특징들의 기능적 설명으로서 의도된다. 실제로, 그리고 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 수 있듯이, 분리되어 도시된 아이템들은 결합될 수 있고 일부 아이템들은 분리될 수 있다. 시스템을 구현하는데 사용된 실제 컴퓨터의 수 및 특징들이 이들 사이에 어떻게 할당되는지는 일 실시예로부터 다른 것까지 다양할 것이다.
[0099] 도 3은 일부 실시예들에 따라, 도 1c의 에너지 관리 알고리즘(110)을 구현하는 전력 컨버터 제어기(106)의 개략적인 회로도(300)를 도시한다. 도 3에 도시된 하드웨어(회로) 및/또는 소프트웨어 시스템 및 알고리즘(예, 기술된 바와 같이 PCC에서 구현된 또는 관련된)은 충전 상태(SOC) 제어기(310), 과도 추정기(320), 재충전 로직(330), 및 서너버(340)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 도 3의 회로는 도 2의 전류 제어 모듈(220)에 상응한다.
[00100] 충전 상태(SOC) 제어는 배터리 전류 한계를 초과한 모터 전류에 대해 다음 과도 요구를 이용할 수 있도록 FES를 충전하는데 사용된다. SOC 제어는 모터 전류가 낮은 배터리 전류 한계 아래로 떨어질 때 활성화된다. 충전하는 동안, SOC 제어기는 배터리로부터 또는 모터(재생 감속 동안)로부터 한쪽에서 전류를 끌어들인다. 충전 상태(SOC) 제어기(310)는 SOC의 설정포인트 입력(312)을 수신하고 재충전 로직(330)에 커플링된 출력(314)를 갖는다.
[00101] 일부 실시예들에서, SOC의 설정포인트는 제어 소프트웨어에 암호화되어 100 % 아래(예, 80 %)의 몇몇값으로 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이러한 수는 고정되나, 어플리케이션리 예를 들어, FES가 더 많은 에너지를 줄일 수 있도록 50 % 설정포인트가 사용될 수 있는 FES 제어 전략에서 변화를 요구하면 변경될 수 있다.
[00102] SOC는 에너지 저장 용량의 비율을 나타낸다. 과도 추정기(320)는 부하 전류 입력(322)(모터로부터 부하 전류의 측정)을 수신하고 재충전 로직(330)에 커플링된 출력(324)(과도 전류)를 갖는다. 재충전 로직은 스너버(340)에 커플링된 출력을 갖는다. 스너버는 패스트 에너지 PCC(106)에 연결된 출력(344)(설정포인트)을 갖는다.
[00103]다음의 설명은 FES가(105)가 패스트 에너지 저장 장치로 사용되고 배터리가 장기간 에너지 스토리를 위해 사용되는 모터 부하를 가정한다. 그러나, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 임의의 다른 부하 또는 패스트 에너지 저장 장치가 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
[00104] 과도 추정기(320)는 과도 기간 동안, 예를 들어, 가속, 추월, 따라잡기, 언덕 오름 및 부하 견인 동안 패스트 에너지 저장 장치 전류를 계산한다. 과도 추정기는 PCC(106)를 사용하여 배터리(102)(느린 에너지 소스)로부터 및 FES로부터 부하(전력 드라이브(140)에 커플링되는 모터(150))로 운반될 부하 전류의 비율을 결정한다. 과도 전류(예, 가속으로 인한)는 분석되어 안정 전류(예, 언덕 오름으로 인한)로부터 분리되며, 과도 전류 추정들이 PCC(106)에 설정포인트가 된다. 이것은 부하 전류의 변화의 비율을 결정하는 것에 의해 행해질 수 있고, 즉 변화의 높은 비율은 가속에 상응하고 또는 전체적인 높은 부하 전류는 부하 견인 또는 언덕 오름에 상응한다.
[00105] PCC는 이후 과도 전류가 FES(105)에 의해 부하(모터)(150)에 공급되는 원인이 되고, 따라서 배터리(102)로부터 이끌려진 전류를 제한하여서 초과 전류로부터 배터리를 보호한다. 일부 실시예들에서,이 배터리 보호 기능은 도 2의 배터리 보호 모듈(250)에 의해 구현된다.
[00106] 부하 전류에서 안정된 경우에서(예, 어떤 가속도 없을 때), 부하(150)에 전송될 어떠한 효과적인 과도 전류(i_pcc)도 없다. 이것은 적절한 충전 상태(SOC)까지 FES를 재충전하는 기회를 제공하고; 이러한 재충전은 SOC 제어기(310)에 의해 수행된다.
[00107] SOC 제어기(310)는 부하 전류가 안정한, 즉 어떤 과도 전류도 없는 기간 동안 패스트 에너지 저장 장치(FES)를 재충전한다. SOC 제어기가 목표된 설정포인트(SOC 설정포인트, 즉 85 % 충전)에 FES 충전 레벨을 저장하는 것을 책임진다. 단기간에서, FES에서 변화는 특히 차량의 변화들의 요구로서 SOC의 설정포인트로부터 상당히 변할 수 있다. SOC 제어기는 목표된 SOC의 설정포인트에 FES의 SOC를 저장하도록 정상 상태 조건들을 활용한다. 용어 '상태(state)'는 충전값의 상태(절대값, 또는 상대값) 양쪽으로서, 설정값을 의미하는 것으로 사용될 수 있다.
[00108] 재충전 로직(330)은 SOC 제어기(310)를 통해 FES(105)를 재충전할 것인지를 결정하기 위한 로직(도 2의 재충전 관리 알고리즘(234)을 포함하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로서 구현되고, 이것의 출력은 도 4b 및 도 6의 그래프에 도시됨)을 포함한다. 재충전 로직(330) 블록은 시스템이 정상 상태(즉, 어떤 과도 전류도 없는 상태)에 있는 시기를 결정하고 이후 과도 추정기(320)에 의해 SOC 제어기(310)의 출력을 활용하며, 이는 스너버(340)에 보내진다. 일부 실시예들에서, SOC 제어기 출력은 과도 추정기 출력과 합산된다.
[00109] 스너버(340)는 패스트 에너지 저장 장치의 과충전 또는 과방전을 방지한다. 스너버(340)는 작동 한도 내에서 패스트 에너지 저장 장치를 유지하는 계산 (하드웨어, 소프트웨어 또는 그것의 조합에 의해 수행)을 나타낸다. 스너버(340) 계산(도 7의 그래프의 경사면들(712 및 714)에 의해 도시됨)은 FES의 완충 또는 빈 한도 한쪽에 접근되면서 PCC에 명령된 전류를 점차 감소시킨다. 스너버는 따라서 그 작동 한계 내에서 패스트 에너지 저장 장치를 유지한다. 스터버(340) 계산이 수행된 후에 PCC(106)에 대한 최종 출력이 컴퓨팅된다. 일부 실시예들에서, 스너빙 작동은 전체 한도 또는 빈 한도 범위에서, 예를 들면, 한도 값의 5 % 이내, 10 % 이내, 15 % 이내, 20 % 이내, 25 % 이내에서 수행된다.
[00110] 후속하는 그래프(예를 들어, 도 4a, 도 4b, eh 6)에 도시된 바와 같이, 모터, 버스, 배터리 및 FES 전류는 전력 소스로부터 전류를 이끌려올 때 음의 값 및 재생 감속에 전류를 보낼 때 양의 값을 갖는 것으로 도시되고 기술된다. 텍스트 전체에 걸쳐, "높은 배터리 전류(high battery 전류)"는 "낮은 배터리 전류(low battery 전류)" 보다 더 큰 값을 갖는 배터리 전류를 지칭하고, 즉, "높은" 및 "낮은"은 서로 상대적인 것이다.
[00111] 도 4a는 일부 실시예에 따른 부하 전류(즉, 부하에 의해 이끌려진 전류) 및 배터리 전류(즉, 배터리에 의해 이끌려진 전류) 대 시간의 중첩된 그래프(400)이다. 도 4a는 과도 전류(i_pcc)가 부하 및 배터리 전류에 어떻게 관계되는지를 도시한다. 도 4a는 부하 전류(i_mot)(410) 및 배터리(i_bat)에 의해 공급된 전류, 배터리 단자로의 전류를 도시한다. 모터 전류는 직류 버스에서 측정된다. 음의 전류는 모터에 동력을 제공한다. 양의 전류는 DC 버스에 모터/발전기로부터 제생된 에너지를 제공한다.
[00112] i_mot(410)과 i_bat(420) 사이의 차는 FES에 의해 공급될 수 있는 과도 전류, i_pcc(440)를 나타내고 가속 조건에 상응한다. i_pcc는 전력 컨버터/제어기(PCC) 전자 회로(패스트 에너지 저장 장치를 충전)내로 전류 흐름이며, 또한 "과도 전류(transient 전류)"로 설명된다.
[00113] 재충전 존(430)은 FES 재충전 모듈(도 2, 도 3)이 FES에 과도 전류를 능동적으로 복원하여 이를 충전하는 곳이며, 정상 상태 조건들에 상응한다. 일부 실시예들에서, FES는 배터리에 의해 재충전된다. 일부 실시예들에서, FES는 배터리에 커플링된 발전기(예를 들어, 재생 브레이킹 동안)로부터 전류에 의해 재충전된다. 일부 실시예들에서, 배터리 보호 모듈(250)(도 2)은 배터리 전류에서 변화를 제한하여서, 배터리를 보호한다.
[00114] 도 4b는 일부 실시예들에 따라, 패스트 에너지 저장 시스템으로/으로부터 과도 전류(106) 대 시간을 도시한 그래프이고, 즉 이 도면은 도 4a의 과도 전류(i_pcc)(440)의 더 상세한 도면을 제공한다. FES의 방전은 음의 전류(즉, 도면 부호 460에 의해 도시된 X-축 아래의 것이 음의 전류임)로서 도시되며 재충전(420)은 양의 전류(즉, 도면 부호 450에 의해 도시된 X-축 위의 것이 양의 전류임)로서 도시된다. FES가 (에, 재생 브레이킹 동안) 발전기로부터 재생된 에너지로 변하는 것이 또한 가능하다. 이런 상황에서, SOC 제어기(310) 또는 과도 추정기(320) 중 한쪽이 FES를 완전히 충전할 수 있는 양의 전류를 컴퓨팅한다.
[00115] 가속 조건 동안, 과도 전류(i_pcc)(440)는 음이며, 전류가 패스트 에너지 저장 장치(105)로부터 이끌려진다는 것을 지시한다. 재충전 조건(455) 동안, 과도 전류(420)는 양(420)이고, 전류(420)가 양임을 지시하고, PCC에 의해 패스트 에너지 저장 장치(105)에 공급된 전류를 지시한다.
[00116] 도 5는 일부 실시예들에 따른 패스트 에너지 저장 장치를 재충전하는 회로의 개략적 도식을 보여주는 블록 다이어그램이다. 일부 실시예들에서, 도 5는 도 2의 재충전 관리 알고리즘(234)에 상응한다. 도 6은 탐색 밴드가 패스트-에너지 저장 장치를 재충전하는데 사용되는 방법을 보여주는, 도 1c의 PCC(106)를 통한 전류의 그래프이다. 탐색 밴드는 i_pcc가 이러한 밴드 이내에 있을 때 컴퓨팅된 과도 전류(i_pcc)에 적용되는 밴드(전형적으로 0 Amps가 중심에 위치)이고, 패스트 에너지 저장 장치의 재충전이 발생할 수 있다. 간결하게 하기 위해, 도 6은 먼저 설명되어 있다.
[00117] 일부 실시예들에서, 과도 전류(i_pcc)가 탐색 밴드 이내에 있다면, 탐색 전류는 배터리로부터 이끌려진 과도 전류에 가산되며, 이러한 총 전류는 FES를 재충전하도록 보내진다.
[00118] 다른 실시예들에서, FES를 재충전하도록 보내진 출력이 탐색 전류 또는 과도 전류 한쪽이도록 선택된다. 만약 과도 전류(i_pcc)가 탐색 밴드 내이면, 탐색 전류만이 FES을 재충전하도록 보내지고, 그렇지 않으면 과도 전류가 FES에 보내진다.
[00119] 도 6은 (도 1c의) PCC(106)를 통해 과도 또는 재충전 전류 대 시간의 그래프를 도시하며, 일부 실시예들에 따라 탐색 밴드가 패스트 에너지 저장 장치를 재충전하는데 사용된다. 도 6을 참조하여, 양의 탐색 밴드(650) 및 음의 탐색 밴드(660)를 갖는 탐색 밴드(610)가 정의된다. 컴퓨팅된 과도 전류(i_pcc, 620)가 과도 방전의 끝에서 양과 음의 탐색 밴드 사이에 있을 때(예, 과도 방전의 끝의 포인트(630)에 있을 때), 차량은 정상 상태 조건, 즉, FES로부터 요구되는 어떤 큰 과도 전류도 없는 상태에서 작동하고 있는 것으로 고려된다. 과도 방전 단계(665)동안, 과도 전류(620)은 탐색 밴드 외측에 있고 어떠한 재충전도 발생하지 않는다. 재충전 단계(675) 동안, 도 5(하기에 설명됨)의 탐색 로직 블록(510)으로부터 비롯된과도 전류 설정포인트(640, i_pcc_sp)에 의해 도시된 바와 같이, 탐색 밴드(630) 내에 과도 전류가 있고 재충전이 발생한다. 도 5의 로우-패스 필터(520)로부터 필터링된 탐색 전류 출력은 과도 전류(i_pcc)에 추가되어 패스트 에너지 저장 장치가 재충전하는 원인이 되는 양의 과도 전류 설정포인트(640)를 생성한다.
[00120] 일부 실시예들에서, 도 5의 회로는 탐색 로직(510)(도 2의 재충전 관리 알고리즘(234)에 상응)을 포함하고, 이는 SOC 제어기로부터 탐색 전류 입력을 수신하고, 부하로부터 부하 전류 입력(i_mot)을 수신하며, 과도 추정기로부터 과도 전류(i_pcc)를 수신한다. 탐색 로직(510)은 로우-패스 필터(520)에 커플링되는 출력을 갖는다. 로우 패스 필터(520)는 합산기(512)에 커플링된 필터링된 탐색 전류 출력을 갖는다. 합산기(512)로부터 합산된 출력은 스너버 알고리즘(530)에 연결된다. 스너버 알고리즘은 에너지 관리 알고리즘에 의해 발생되고, 일부 실시예에서 특정 목적 전력 컨버터 프로세서로 구현된 PCC 전류에 대한 설정포인트(i_pcc_sp)인 출력을 갖는다.
[00121] 일부 실시예들에서, 탐색 로직(510)은 i_pcc가 탐색 밴드(620) 밖에 있는 경우, 전기 모터가 재생 에너지인 경우, 또는 운전자가 "풀 스로틀(full throttle)"에서 가속 페달, 밟는 경우, 즉 신호 hi_accel이 활성화되는 경우 충전을 방지한다.
[00122] 재충전 로직은 도 5와 도 6을 참조하여 설명된다. 재충전 로직(303, 도 3)의 기능은 (도 3, SOC 제어기(310)를 사용하여) 배터리, 또는 다른 장기 에너지 소스로부터 FES(105, 도 1)을 재충전할 때를 결정하는 것이다. 배터리 (의 SOC 제어기를 310, 도 3)를 사용하여, 또는 다른 장기 에너지 원본 FES를 105 (도 1) 충전을 결정하는 것이다로직(510)은 SOC 제어기(seek_전류)로부터 재충전 신호를 통과시켜서 이후 FES를 재충전하기 시작하고; PCC에 실제 재충전 전류는 i_pcc_sp(640)이다. seek_전류는 특정 충전 레벨까지 패스트 에너지 저장 장치를 재충전하도록 탐색하는 충전 상태(SOC) 제어기에 의해 계산된 전류 명령이다.
[00123] 로우 패스 필터(520)는 SOC 제어기에서 PCC로 거친 단계 변환(harsh step transition)을 방지한다. 이것은 로직(520)에서 변화가 일어날 때마다 재충전 신호(seek_전류_filt)를 램핑(ramp)하여서, 스텝 변화를 피하게 하는 정상적으로 빠른 필터이다. 로우 패스 필터(520)는 더 높은 주파수의 것들을 배척하는 반면, 특정 값 아래의 전자기 주파수를 전달하도록 설계된 필터이고; 필터의 설계는 간단하거나 복잡할 수 있다.
[00124] 합산기(512)는 과도 추정기로부터 PCC 전류 및 필터링된 탐색 전류를 합산하여 합산된 출력을 제공한다.
[00125] 스너버 로직(530)은 전력 컨버터/제어기(PCC)에 신호를 실제로 보내기 전에 적용된다. (필터링된 탐색 전류를 포함하는) 합산기로부터 출력에 기초하여 스너버 알고리즘은 PCC(i_pcc_sp)로부터/에서의 전류(710, 도 7)를 제어하며, 완충(예, 100%), 또는 빈(예, 25%) SOC 중 한쪽이 달성될 때 아래로 램핑되게 하여(도 7, 712, 714), FES를 과충전 부족 충전하는 것을 방지한다. 일부 실시예에서, 이러한 램핑은 선형이다.
[00126] 일부 실시예들에서, 스너버는 커패시터 극단에서 매우 높은 전류로 갑자기 스위칭 오프하는 것을 방지하여 전력 전자 회로에 과도 상태를 피하게 한다. 일부 실시예들에서, 로우 패스 필터(520)는 전력 전자 회로에 높은 재충전 전류를 갑자기 인가하는 것을 방지하여 또한 과도 상태 및 전력 전자 회로의 수명의 가능한 감소를 피하게 한다.
[00127] 도 7은 FES에 공급된 전체 전류 대 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태 비율을 도시한 그래프이고, 일부 실시예들에 따라, 과충전 또는 과소모로부터 패스트 에너지 저장 장치를 보호하는 스너버 작용을 도시한다. 스너버는 변화 속도 리미터이다.
[00128] 전체 전류는 충전 레벨의 범위(퍼센티지)에 걸쳐, 패스트 에너지 저장 장치에 인가되어 이를 재충전하는 최대 전류를 의미한다. 일부 실시예들에서 전체 전류는 충전 범위에 걸쳐 다를 수 있다. 일부 실시예들에서 전체 전류는 온도, 패스트 에너지 저장 장치의 수명, 패스트 에너지 저장 장치의 충전/방전 사이클의 수, 등에 대응하여 가변될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 7에 도시된 스너버 기능은 도 2의 방전/재충전 FES 모듈(230)에 상응한다.
[00129] 도 7은 이러한 기능을 수행하는 방법을 그래픽로 도시한다. 상대적으로 높은(714) 및/또는 상대적으로 낮은(712) 밴드에서, FES(105) 내로 전류 흐름은 높은 레벨 또는 낮은 레벨에 도달될 때 전류의 변화 속도를 제한하기 위해 감소된다. 예를 들어, FES가 100% 완충될 때까지 FES가 전체 전류 레벨에서(예를 들어, 100 % 전류)로 충전된다면, 충전 전류는 풀(100 %)에서 영(0 %)으로 급격히 턴오프될 것이다. 이러한 전류의 빠른 변화는 시간이 지남에 따라 FES에 해를 미칠 수 있어서, 스너버 자용을 사용하여 빠른 변화를 방지하는 것이 바람직하다.
[00130] FES 충전(710)이 상대적으로 높은(예, 95 %) 충전 상태(SOC)에 도달함에 따라, 전류는 어떤 전류도 100% SOC에서 스너버(530)에 의해 통과되지 않을 때까지 감소된다(714). 스너빙 작용은 또한 상대적으로 낮은(예를 들어, 30 % 내지 25 %) 충전 상태(SOC)로부터 사용될 수 있고, 여기서 전류는 어떠한 전류도 낮은 레벨(예, 빈 상태가 FES에서 25% 충전으로 남겨진 채로 정의됨)에서 스너버에 의해 통과되지 않을 때까지 감소된다(712). 일부 실시예들에서, 더 넓은 또는 더 좁은 스너버 밴드가 특정 어플리케이션들에 따라 사용될 수 있다.
[00131] 도 8은 일부 실시예들에 따라, 차량 어플리케이션에서 FES를 재충전하기 위한 폐루프 조절기 회로(800)의 예시이다. 일부 실시예들에서, 도 8의 기능은 도 2의 방전/재충전 FES 모듈(230)에 상응한다.
[00132] 조절기 회로는 고정된 SOC 설정포인트 입력(802)(예, 0. 8 또는 80 %)을 수신하는 SOC 설정포인트 로직(810), 및 차량 속도 입력(804)를 포함한다. SOC 설정포인트 로직(810)은 합산기(826)에 커플링된, 조절된 SOC 설정포인트 출력(812)을 갖는다. SOC 설정포인트 입력(802)은 FES의 충전 레벨에 상응한다. SOC의 설정포인트 출력(812)는 예를 들어 파워-트레인, 액슬, 또는 휠 상의 센서로부터 결정된 차량의 현재 속도(spd_veh)를 고려하는, FES의 목표된 충전 레벨에 상응한다.
[00133] 조절기 회로는 패스트 에너지 저장 장치 전압(FES 전압 센서로부터 v_ucap)을 수신하는 SOC 계산기(820)를 더 포함한다. SOC 계산기(820)는 합산기(826)에 커플링되는 추정된 SOC 출력(824)을 갖는다. 합산기(826)로부터 합산된 출력은 적분기 블록(830)에 커플링된다. 적분기 블록(830)은 높은 한도 블록(834)에서 높은 한도 신호를 수신한다. 적분기 블록(830)은 적분된 탐색 전류 (840)를 출력한다.
[00134] 조절기(800)는 정상 상태 작동 동안 FES에서 변화를 회복하는데 사용된다. 일부 실시예들에서, 이 조정기는 폐루프 시스템이며, 고정된 설정포인트 값으로 FES의 측정의 SOC를 회복시키는 기능할 한다. 폐루프 제어기의 다른 유형은 도 8의 차량 예시에서 유사한 결과를 달성할 수 있으며, SOC 조절기 알고리즘이 고전적인 비례-적분 (PI) 제어 기술을 사용하여 사용된다. 다른 실시예들에서, 검색 테이블(lookup table) 또는 다른 적합한 제어 알고리즘을 사용할 수 있다.
[00135] 충전 상태 설정포인트 로직(810)은 고정된 설정포인트(802, soc_sp)와 FES의 측정된 SOC(soc)를 비교한다. 회로(810)는 차량 속도가 낮은 경우 100 %로 또는 100%에 가깝게 SOC 설정포인트를 강제로 되게 하고, 차량이 FES 완전 충전에 의해 개시하는 것을 보장하며; 그렇지 않으면, 설정포인트가 재생 브레이킹에 대한 약간의 여유를 허용하면서, 100 % 미만(예, 80 %) 값이다.
[00136] SOC 계산기(820)는 측정된 단자전압(v_ucap)으로부터 FES SOC를 추정한다. 일부 실시예들에서, v_ucap은 커패시터(즉, 전압 강하를 수정한 단자 전압)의 추정된 이론 전압이며, 추정된 SOC 출력(824)으로서 이를 출력한다. 일부 실시예들에서 SOC 타겟이 도달될 때마다 또는, 방전의 종료에서(전류가 0인 곳에서) SOC가 더 정확하게 되기 때문에 단자 전압은 단독으로 사용된다. Vmax_ucap 값은 최대 전압(및 상응하는 전하)를 나타내며, FES(예, 울트라커패시터)는 안전하게 저장될 수 있다.
[00137] 합산기(826)는 SOC의 설정포인트 로직(810), 및 SOC 계산기의 로직(820)의 출력을 합산한다. (계산된 SOC(824), 및 타겟 SOC(812) 사이의 차를 나타내는)합산된 출력은 제어기 블록(830)에 커플링된다.
[00138] 제어기 블록(830)은 비례 및 적분 게인을 적용하여 이들을 안정한 방식으로 FES 충전을 회복하도록 바꾸게 한다. 재충전 전류는 높은 한도 블록(834)으로부터 수용된, Fast_Seek_lim 또는 Slow_Seek_lim 한쪽에 의해 한정된 최대 충전 전류로 제한된다. Fast_Seek_lim은 차량이 느린 속도로 되었을 때 또는 정지되었을 때 빠르게 FES를 충전하는데 사용된다. 일 실시예에서, 제어기는 FES를 충전하고 이를 방전시키지 않을 것이고; 이러한 이유로, 존의 하한(lower limit of zero)이 높은 한도 블록(834)에서 사용된다.
[00139] 높은 한도 블록(834)은 FES를 신속하게(예, Fast_seek_lim, 차량을 재충전하여 스톱 라이트로부터 해제될 수 있다) 변화시킬 것인지, 또는 느리게 변화시킬 것인지를 결정한다.
[00140] 도 9a는 일부 실시예들에 따라 패스트 에너지 저장 장치에 의해 공급되거나 흡수될 과도 전류를 계산하기 위한 과도 전류 추정기 회로(900)(예, 도 1의 PCC(106)에서 발견됨)이다. 일부 실시예들에서, 과도 전류 추정기 회로(900)는 도 3의 전류 추정기(320)에 해당한다.
[00141] 전류의 추정기 회로는 모터로부터 이끌려진 부하 전류(i_mot, 902) 입력 및 초기 조건 로직(904) 입력을 수용하는 로우- 패스 필터(910)를 포함한다. 배터리 전류가 추정기(910)가 합산기(920)에 보내진 추정 배터리 전류(ibat_est, 912) 출력을 발생시킨다. 합산기는 또한 부하 전류(902)를 입력으로서 수신한다. 합산기는 부하 전류 및 추정 배터리 전류의 차이를 출력하며 이 차이는 적분기(930)에 커플링된다. 적분기가 하단 로직(931)에 커플링되어 이로부터 입력을 수용한다. 적분기는 추정된 과도 상태를 출력하고 이것은 PC(106)로 전송된다.
[00142] 일부 실시예들에서, 배터리 전류 추정기(910), 합산기(920) 및 적분기(930)는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 PCC(106)에 구현된다. 일부 실시예들에서 이러한 기능은 도 2의 전류 제어 모듈(220)의 일부로 구현된다.
[00143] 배터리 전류 추정기(910)는 모터 전류(i_mot)을 모니터링하고 이 전류의 필터링된 버전(로우 패스 필터를 사용하여) 컴퓨팅한다. 로우 패스 필터는모터 전류보다 더 적은 과도치를 포함하는 더 부드러운 전류 프로파일을 계산하여서, 배터리(또는 연료 배터리)로부터 운반에 더 적절하다. 배터리 전류 추정기(910)의 출력은 추정된 배터리 전류(i_bat_est)로서 지시된다. 이것은 에너지 관리 알고리즘에 의해 컴퓨팅된 목표된 배터리 전류의 추정이다. 로우 패스 필터는 간단한 필터(예, 하나의 시정수를 갖는 단일 극점 필터)를 포함할 수 있고, 또는 어플리케이션에 의존하여 더 복잡한 타입의 필터를 포함할 수 있다.
[00144] 필터(910)는 관련 시정수를 가지며 FES 작동이 이 값을 조정하는 것에 의해 영향을 받는다. 큰 시정수(하단 컷-오프 주파수)를 갖는 필터는 더 부드러운 배터리 전류 추정치 및 더 높은 과도 전류를 가져온다. 이것은 필터의 더 느린 반응 시간 때문에 과도 전류를 공급할 더 많은 FES 용량을 요구한다. 작은 시정수(더 높은 컷-오프 주파수)를 갖는 필터는 보다 적은 용량을 필요로 하나 더욱 빠른 배터리의 전류 변화를 초래한다. 주어진 FES 크기에 대해, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있듯이, 대부분의 상황에 대해 FES를 완전히 활용하기 위해, (필터 컷오프 주파수를 조정하여) 알고리즘을 튜닝하는 것이 가능하다.
[00145]초기 조건 로직은 차량이 가속되는 속도를 결정하고, 배터리 전류 한계 적절하게 설정한다. 현재 가속도가 이전 가속 속도(911)보다 높으면, 이후 배터리 전류 한계는 더 높은 레벨(예를 들어, -280 Amps)로 설정된다. 현재 가속도가 이전 가속도 (914)보다 낮으면, 이후 배터리 전류 한계는 낮은 레벨(예를 들어, -120Amps)로 설정된다.
[00146] 일부 실시예들에서, 제한들은 배터리 전류의 범위를 제한하도록 로우 패스 필터(910) 후에 적용된다. 하한 로직(931)은 FES(106)가 에너지를 높은 속도(932)(예를 들어, -500Amps)에서 또는 낮은 속도(934)(예를 들어, -150Amps)에서 방전시킬 것이지를 결정한다. 높은 속도는 전력의 부스트(예를 들어, 가속하는 동안)를 제공하는데 사용될 수 있으며, 낮은 속도는 더 긴 시구간(예를 들어, 언덕을 오를때)에 대해 도움을 제공하는데 사용될 수 있다.
[00147] 합산기(920)는 부하 전류(902) 및 추정 배터리 전류(912)의 차이를 계산하도록 구성된다. 이러한 차이는 도 4a 및 도 4b의 PCC 전류(i_pcc, 440)에 상응한다. 일부 실시예들에서, 합산기(920)에 의해 계산된 바와 같이, FES는 모터 전류의 비-배터리 부분을 제공한다. 이러한 비-배터리 부분은 FES에서 더 양호하게 운반될(또는 흡수될) 수 있는 과도 작용(transient activity)을 포함한다. 이것은 모터 전류와 추정된 배터리 전류 사이의 차이(920)(즉, i_mot - i_bat_est)를 계산하는 것에 의해 추정된다.
[00148] 적분기(930)는 합산기(920)로부터의 차이 출력을 적분하여 이를 부드럽게 하고, 하한 로직(931)에 기초하여 PCC(106)으로부터 제공되도록 전력의 추정치(938)를 보낸다. 차량이 높은 가속 모드(낮은 한도 로직(931)에 의해 결정됨)에 있다면 이후 적분기로부터의 추정치(938)는 높은 속도(932)와 관련된다. 차량이 낮은 가속 모드에서 있다면, 이후, 적분기에서 추정치(938)는 낮은 속도(934)와 관련된다. 일부 실시예들에서, 적분기로부터 추정(938)은 높고 낮은 속도 사이에서 가변될 수 있다.
[00149] 도 9b는 일부 실시예들에 따라 차량이 높거나 낮은 가속도 상태에 있는지를 결정하기 위한 가속도 요구 감지 회로(940)를 도시한다. 회로(940)의 출력(952)은 도 9a의 초기 조건 로직(904)에 커플링된다.
[00150] 가속 요구 감지 회로는 로우 패스 필터(940)에 커플링된 가속 위치 센서(942)(예, 자동차의 스로틀 또는 가스 패달)를 포함한다. 로우 패스 필터의 필터링된 출력(942)은 높은 가속 출력(952)을 제공하는 가속 요구 감지 회로(950)에 커플링된다.
[00151] 도 9b의 회로에서, 가속 위치 센서(942)(예, 페탈, 동력전달계통, 전력 버스, 배터리, 등에 또는 이와 관련된 또는 이와 커플링된 센서)는 스로틀 제어 또는 가속기 페달의 위치(예, 신호 pedal_veh) 또는 결과적 파라미터를 감지하여 운전자가 페달을 완전히 누른 때 및/또는 상당히 누른 때(예, "풀 스로틀(full throttle)")을 결정하며, 차량으로부터 가장 높은 성능을 예상한다. 로우-패스 필터(940) 및 가속 요구 감지 회로(950)는 hi_accel이 0 또는 1인지를 결정한다. 페달이 완전히 눌려지면(예, 90 % 이상), 플래그 hi_accel는 이후 과도 추정기 한계들 및 초기 조건들(904, 935)를 수정하는데 사용된다. 이것은 배터리 전류가 FES(911)로부터 에너지를 정상적으로 언로딩하기 전보다 더 높은 레벨에 도달하는 것을 허용한다. 가속 페달 위치가 뒤로 떨어질 때, 즉 운전자가 그 발을 해제할 때 및 페달이 적게 눌릴 때(914), 예를 들어, 50 %보다 적게 눌릴 때 초기 조건은 감소된다. 이들은 도 9a의 하한 로직(931)의 높은 전류(932) 및 낮은 전류(934)에 각각 상응한다. 일부 실시예들에서, 단지 높은(풀 스로틀) 위치 조건이 분석된다. 일부 실시예들에서, 히스테리시스 손실(예, 50 % 내지 90 % 사이에서 페달 누름)이 사용자 선호도 및/또는 차량의 구성 (예, 스포츠 세단 대 패밀리 웨건)에 따라 가변할 수 있다.
[00152] 일부 실시예들에서, 배터리 전류추정기(910) 및/또는 가속 요구 감지 로직(950)이 도 2의 모델 제어 모듈(260)에 상응하는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로서 구현된다.
[00153] 일부 실시예들에서, 듀얼 에너지 저장 시스템은 과도치와 가변 높은 평균 전력 사이를 구별한다. 제어 방식(예를 들어, 도 8과 도 9에 설명된 바와 같이)은 평균 전력 요구사항들이 정상 운전 중에 상당히 변화함에 따라 구성된다. 일부 실시예들에서, 이러한 제어의 방법은 배터리를 보호하고, 상대적으로 예상치 못하게 발생하는 과도 상태에 대한 가용도의 높은 정도를 갖도록 FES를 재충전하고, FES의 크기가 최소화되는 것을 허용한다.
[00154] 도 10a 내지 도 4d는 본 발명의 특정 실시예들에 따라, 듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 컴퓨터 방법(1000)을 나타내는 순서도이다. 컴퓨터 방법(1000)은 컴퓨터 판독가능 저장 장치 매체에 저장되며 하나 이상의 서버들의 하나 이상의 프로세스들에 의해 실행되는 명령들에 의해 조정된다. 컴퓨터 판독가능 저장 장치 매체는 자기 또는 광학 디스크 저장 장치, 플래시 메모리와 같은 솔리드 스테이트 저장 장치, 또는 기타 비 휘발성 메모리 장치 또는 장치들을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 장치 매체에 저장된 컴퓨터 판독 가능 명령들은 소스 코드에서, 어셈블리 언어 코드, 객체 코드, 또는 하나 이상의 프로세서들에 의해 해석되는 기타 명령 포멧이다.
[00155] 도 1Oa를 참조하여, 부하에 의해 이끌려진 부하 전류는 먼저 결정된다(1002). 일부 실시예들에서, 부하 전류에 관련된 에너지(예, 부하 전류 410, 도 4A)가 차량의 파워트레인에 커플링된 센서(예, 센서 170, 도 1c)에서 측정된다(1004). 예를 들어, 도 1c의 PCC(106)는 모터 드라이브 전력 전자 회로(MDPE, 140)에 의해 이끌려진, 도 1c의 부하 전류(i_mot)를 결정한다. 일부 실시예들에서, 부하 전류는 도 2의 전류 제어 모듈(220)에 의해 측정된다.
[00156] 일부 실시예들에서, 차량의 파워 트레인에 커플링된 센서에서 전압이 측정된다. 예를 들어, 도 1C에서 버스 전압(v_bus)은 파워 트레인(DC 버스, 104)에서 측정된다. 버스 전압은 대개 범위 내에서 제한되는 DC 전력 공급 버스 상의 DC 전압이다. 이것은 종종 시스템에서 배터리의 전압에 의해 결정된다.
[00157] 일부 실시예들에서, 가속 페달의 위치가 측정되고, 여기서 가속도 페달은 차량의 사용자 제어에 응답하여 눌리도록 구성된다. 예를 들어, 도 9B에서 가속 위치 센서(942, pedal_veh)가 측정되어 가속 요구 감지 회로(950)를 제어하는데 사용된다. 일부 실시예들에서 가속 요구 감지는 도 2의 모드 제어 모듈(260)에 의해 제어된다.
[00158] 일부 실시예들에서, 스로틀 제어(예, 페달 제어(pedal_veh)에 상응하는 수동 스로틀 제어)의 위치를 측정하고(1010), 여기서 스로틀 제어는 차량의 사용자 제어(예, 스로틀 또는 가스 페달)에 응답하여 전력을 증가 또는 감소시키도록 구성된다.
[00159] 일부 실시예들에서, 로우 패스 필터를 사용하여 부하 전류가 필터링된다(1012).
[00160] 부하 전류에 기초하여 배터리로부터 부하에 공급될 배터리 전류가 평가된다(1014). 일부 실시예들에서, 추정은 전력 제어기 컨버터(예, 도 1의 PCC(106))에서 수행된다. 예를 들어, 도 9A에서 배터리의 전류 추정기(910)는 배터리 전류를 추정하고, 그리고 그것을 적분기(930)에 제공하기 전에, 모터 전류(i_mot)로부터 감산되는 합산기(920)에 제공한다. 일부 실시예들에서, 배터리 전류는 도 2의 배터리 보호 모듈(250)에 의해 추정된다.
[00161] 일부 실시예들에서, 배터리를 손상시키는 것 없이 배터리가 제공할 수 있는 안전한 배터리 전류가 추정된다(1015). 이것은 배터리 전류 추정기(910)에서 수행되며, 최대 안전 배터리 전류를 나타내는 max_discharge_bat값이 추정기(910)에 제공된다.
[00162] 일부 실시예들에서, 추정된 배터리 전류는 최대 임계값으로 제한된다 (1016).
[00163] 일부 실시예들에서, 부하 전류는 필터링되어 추정 배터리 전류를 발생시킨다(1017).
[00164] 일부 실시예들에서, 추정된 배터리 전류가 미리 결정된 시구간 이상 동안 최대 임계값 근처에 남아 있다면 최대 임계값 아래의 하단 임계값까지 평가된 배터리 전류가 감소된다(1018).
[00165] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 하단 임계값 이하이면 패스트 에너지 저장 장치가 재충전된다(1019).
[00166] 도 1OB를 참조하여, 평가된 배터리 전류 및 부하 전류에 기초하여 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하까지 요구된 과도 전류가 결정된다(1020). 예를 들어, 도 9a에서 적분기(930)는 과도치를 추정하고 전력 컨버터(PCC)에 그것을 보낸다.
[00167] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 모니터링 및 필터링되며(1022), 부하 전류로부터 배터리 전류가 감산된다. 예를 들어, 도 9A에서 합산기(920)는 부하 전류(i_mot)로부터 추정된 배터리 전류(ibat_est)를 감산한다.
[00168] 일부 실시예들에서, 과도 전류는 부하 전류와 배터리 전류 사이의 차이다(1024). 도 9에서, 추정된 과도 전류(i_pcc, 930)는 전력 컨버터로 보내진다.
[00169] 일부 실시예들에서, 방전 모드 동안, 과도 전류가 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하까지 흐르며, 부하 전류가 패스트 에너지 저장 장치로부터 과도 전류 및 배터리로부터 배터리 전류를 포함한다(1026). 예를 들어, 도 1C에서 과도 전류(i_ucap)가 DC-DC 전력 컨버터(112)(PCC(106)에 의해 제어됨)를 통해 부하 모터 드라이브 전럭 전자 회로(140)에 패스트 에너지 저장 장치(105)에 의해 제공된다.
[00170] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치가 최소 수용력에 도달할 때 부하 전류가 감소된다(1028). 배터리에 대해, 용량은 대개 Amp- hours (Ah)로 비율되며; 또한 Wh 또는 kWh로 표현 될 수 있다. 부하 전류에서 이러한 감소는 모터 동력(토오크)가 커팅되기 때문에, 즉 모터 가 수행하는 일의 양이 감소되어서, 모터에 의해 이끌리는 부하전류를 제한하기 때문에, '토오크 제한(torque limiting)'으로 지칭된다. 일부 실시예에서, 이 토오크 제한은 도 2의 토오크 모듈(240)을 제한하는 것에 상응한다.
[00171] 일부 실시예들에서, 배터리로부터 이끌려진 전류는 최대 배터리 전류 레벨까지 제한된다(1030). 예를 들어, 도 9a의 배터리 높은 레벨(lbat_hi-init, 911) 또는 배터리 낮은 레벨(Ibat_lo_init, 914)이 임계 레벨들이다. 일부 실시예들에서, 최대 배터리 전류 레벨은 배터리의 온도에 대응하여 가변된다(1032).
[00172] 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하까지 과도 전류의 방전 또는 충전이 제어된다(1040). 예를 들어, 과도 전류 평가(938, 도 9A)는 패스트 에너지 저장 장치(105)를 제어하는 PCC(106, 도 1)에 보내진다.
[00173] 일부 실시예들에서, 전력 분배는 범용 전력 서플라이에 있는 범용 전력 제어기 컨버터에서 제어된다(1042).
[00174] 일부 실시예들에서, 도 1의 차량(100)과 같은 적어도 부분적으로 하이브리드 전기 차량에서 전력 분배가 제어된다(1044).
[00175] 일부 실시예들에서, 제어는 자동차의 자동차 전력 제어기 컨버터(예, 도 1의 PCC (106))에서 수행된다. PCC는 전류를 PCC 내로 및 PCC로부터 제어하기 위한 에너지 관리 알고리즘(110) (도 1C)을 실행하거나 실행되는 원인이 된다.
[00176] 일부 실시예들에서, 리프트 기구의 리프트 전력 제어 컨버터에서 제어가 수행된다(1050).
[00177] 일부 실시예들에서, 전력 컨버터 제어기에 방전 명령이 보내지고, 여기서 전력 컨버터 제어기는 패스트 에너지 저장 장치 및 배터리 사이의 전기 에너지의 흐름을(예, 기술된 바와 같이, 에너지 관리 알고리즘(110)을 사용하여) 관리한다(1052).
[00178] 도 10c를 참조하여, 일부 실시예들에서 부하 전류가 분석되어 정상 상태에 도달하는 때를 결정한다(1060). 예를 들어, 도 6은 탐색 밴드에 있는 동안,재충전 작업을 도시한다. 재충전 시구간(675) 동안, 과도 전류(패스트 에너지 저장 장치에서 요구되는 전류)가 탐색 밴드 내에 있어서 패스트 에너지 저장 장치가 재충전된다(도 4a, 재충전(430)).
[00179] 일부 실시예들에서, 과도 전류는 재충전 전류이다(1062). 배터리에 의해 패스트 에너지 저장 장치에 공급될 재충전 전류가 정상 상태를 기초로 하여 추정된다.
[00180] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태가 모니터링되고 손상으로부터 패스트 에너지 저장 장치를 보호하도록 배터리에 의해 공급될 평가된 재충전 전류가 점차 감소된다(1064). 예를 들어, 도 8은 FES 충전 상태(SOC) 설정값(Soc_sp, 802)를 도시하며, 이는 모니터링된다(810). 도 7은 충전 상태가 모니터링되는 스너버 작용(710)을 도시한다. 충전 상태가 중간 범위(710) 내(예, 도 7의 '낮은'(712) 및 '높은'(714))에 있으면, 이후 패스트 에너지 저장 장치 내로 충전 흐름은 제한되지 않고, 즉, 충전의 전체 흐름이 바른 에너지 저장 장치 내로 허용된다. 충전 상태가 낮은 지역(예, '빈(empty)' 및 "낮은" 사이 또는 '높은' 및 '전체(full)'사이의 높은 지역)에 있으면, 이후 충전 흐름의 비율은(그래프의 좌측 및 우측면에서 경사선에 의해 도시됨) 제한된다. 제한은 충전의 지나치게 빠른 속도가 패스트 에너지 저장 장치를 해하는 것을 방지한다.
[00181] 일부 실시예들에서 패스트 에너지 저장 장치의 전기 파라미터가 측정된다(1066). 예를 들어, 도 8에서, FES 전압 센서(v_ucap)는 패스트 에너지 저장 장치에 걸친 전압 값을 측정한다. 일부 실시예들에서, 전압 센서의 전압 값은 예를 들어, 패스트 에너지 저장 장치에 연결된 열전대에 의해 감지된 온도에 상응한다.
[00182] 일부 실시예들에서, 높은 충전 설정값인 설정값에 도달할 때 제 1 전류로부터 제 2 전류까지 재충전 전류를 감소시켜서 재충전 전류가 제한된다(1068). 이것은 도 7을 참조하여 설명된다.
[00183] 일부 실시예들에서, 전력 컨버터 제어기(예, PCC(106), 도 1)에 재충전 명령(예, i_pcc_sp, 도 6)이 보내지고, 여기서 전력 컨버터 제어기는 패스트 에너지 저장 장치 및 배터리 사이의 전기 에너지의 흐름을 관리한다. 일부 실시예들에서, 재충전 명령은 도 2의 방/재충전 FES 모듈(230)과 관계된다.
[00184] 일부 실시예들에서, 부하전류가 정지 정상 상태 또는 주행 정상 상태에 있는지를 결정이 이루어진다(1072). 예를 들어, 도 8에서 FES SOC 설정포인트(810)는 차량 속도가 느린 속도보다 작은지를 결정하며, 만약 그렇다면, 풀 충전까지(즉, soc_sp=1) SOC 설정포인트를 설정한다. 차량 속도가 느린 속도보다 높으면, 이후 SOC의 설정포인트가 완전 충전보다 더 작게 설정되어, 재생 브레이킹에 의해 에너지가 캡쳐되도록 한다.
[00185] 부하가 정지되면, 재충전 전류가 패스트 에너지 저장 장치를 최대 충전까지 충전하도록 제어하며, 부하가 정상 상태에서 작동한다면, 재충전 전류는 최대 충전 아래까지 패스트 에너지 저장 장치를 충전하도록 제어된다.
[00186] 일부 실시예들에서, 부하 전류가 탐색 밴드와 비교되고, 도 6의 재충전 지역(675)에 도시된 바와 같이, 여기서 탐색 밴드는 패스트 에너지 저장 장치가 재충전될 부하 전류의 범위를 특정한다(1074).
[00187] 일부 실시예들에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 재충전 전류는 부하 전류가 정지된 정상 상태(810)에 있다면, 최대 충전까지 패스트 에너지 저장 장치를 충전하도록 추정된다.
[00188] 일부 실시예들에서, 설명했듯이, 도 8에 도시된 바와 같이, 부하 전류가 주행 정상 상태에 있다면, 패스트 에너지 저장 장치를 최대 충전 아래까지 충전하도록 재충전 전류가 추정된다.
[00189] 낮은 충전 설정점에 도달할 때 제 1 전류로부터 제 2 전류로 과도 전류를 감소시켜서 과도 전류가 제한된다(1079). 예를 들어, 토오크 제한은 모터 부하 전류를 줄이기 위해 수행될 수 있다. 토오크 제한은 도 2의 제한 토오크 모듈(240)로 설명에 의해 제어된다.
[00190] 도 10d를 참조하여, 듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 컴퓨터 방법(1080)을 나타내는 순서도가 도시된다. 부하에 의해 이끌려진 부하 전류가 결정된다(1082). 추정된 배터리 전류가 부하 전류를 필터링하여 결정된다(1082). 추정된 배터리 전류는 기술된 바와 같이, 제 1 상단 임계값까지 제한된다(1084). 추정된 배터리 전류는 도시된 바와 같이, 제 2 하단 임계값까지 제한된다(1088).
[00191] 일부 실시예들에서, 부하에 의해 끌어 들여진 전류가 시구간 동안 상단 제 1 임계값 위에 있다면, 배터리로부터 끌어 들여진 최대 전류가 상단 제 1 전류까지 제한된다(1090).
[00192] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치는 부하 전류가 제 2 하단 임계값 아래에 있다면 재충전된다(1092).
[00193] 일부 실시예들에서, 평가된 배터리 전류에 기초하여 패스트 에너지 저장 장치에서 부하에 요구된 과도 전류가 결정되고, 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하로 과도 전류의 방전이 제어된다(1094).
[00194] 여기에 기술된 방법들은 컴퓨터 판독가능 저장 장치 매체에 저장되며 하나 이상의 서버들의 하나 이상의 프로세스들에 의해 실행되는 명령들에 의해 조정될 수 있다. 방법들의 작동 각각은 컴퓨터 메모리 또는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장된 명령들에 상응할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 장치 매체에 저장된 컴퓨터 판독 가능 명령들은 소스 코드, 어셈블리 언어 코드, 객체 코드, 또는 하나 이상의 프로세서들에 의해 해석되는 기타 명령 포멧을 포함한다.
[00195] PHEV의 듀얼 에너지 저장 시스템에서 FES의 충전 상태 또는 기타 패스트 에너지 저장 장치(FES) 장치를 최적으로 관리하기 위한 시스템 및 방법이 도 11 내지 도 24에 설명된다. 상기 시스템 및 방법은 배터리의 향상된 보호, 향상된 성능을 제공하고, FES의 필요한 용량을 최소화한다. 제어의 방식은 모터 드라이브(예, 도 1a의 모터(150)) 및 FES(예, FES(105), 도 1a)와 DC 버스 사이에서 전력의 흐름을 관리하는 DC-DC 컨버터(예, 컨버터(112), 도 1c) 양쪽을 작동시키는 제어기(일부 실시예들에서 도 1a의 PCC(106))에 호스팅된다.
[00196] 상기 시스템 및 방법(제어기에 의해 실행됨)은 FES 및 토오크 제한를 사용하여 높은 전류 드로우로부터 배터리를 보호하는 것, FES의 가용성을 극대화하는 것, 토오크 한도의 사용을 최소화는 것, 및 FES의 용량을 최소화하는 것을 포함하여 몇몇 기능들을 제공한다.
[00197] 기술된 하나의 실시예에서, 전력 전자회로에 끼어들지 않고 DC 버스에 커플링된 배터리(예, 도 1a의 배터리(102))를 포함한다. 도 1C에 나타난 바와 같이, FES는 DC 버스는 DC-DC 컨버터(112)를 통해 DC 버스에 커플링되고, 일부 실시예들에서 PCC(106)에 또는 이의 일부에 커플링된다. 모터(150)는 인버터(모터 드라이브 전력 전자회로(140))를 통해 DC 버스에 커플링된다. FES 전류 및 모터 전류는 흐르는 네트 전류가 배터리 전류이도록 제어된다. 대안적으로, 여기에 기술된 방법은 배터리 및 DC 버스 사이의 DC-DC 컨버터를 사용하여 구현될 수 있다. 배터리 전류를 제어하는 목적은 과열로부터 배터리를 보호하고 배터리 수명을 늘리는 것이다.
[00198] 여기에 개시된 제어 방법은 차량 사용의 폭넓은 다양한 타입들에 본질적으로 융통성 있고 적절하다. 상기 방법은 가속, 감속, 주행, 언덕 오름 또는 견인과 같은 지속되는 높은 부하 작동, 및 무부하 운전 동안 수정없이 구현될 수 있다. 이러한 전략은 차량의 작동의 많은 양태들의 모니터링을 불필요하게 하고, 종래의 해결책보다 더 간단하고 더 값싸게 구현되며, 더 신뢰할만 하다. 제어 프로세스의 수는 다음을 포함하여 적용된다 : 배터리 전류 한계을 결정하는 것, FES에서 에너지를 공급하거나 고갈시키는 것, 및 모터에 전류 제한을 적용하는 것.
[00199] 평균 구동력 동력에 대한 폭넓은 범위에 대응하기 위해, 적응성의 배터리 전류 한계은 공정 배터리 전류 한계을 대신하여 사용된다. 이러한 적응성 배터리 전류 한계을 계산하는 방법 및 시스템이 기술된다. 적응성 배터리 전류 한계는 배터리의 허용 범위를 한정하여 손상을 방지하고 배터리 수명을 연장하기 때문에 장점이 있다. 상기 제한은 FES로부터 에너지에 의해 차량을 먼저 보충하고, 필요한 경우에만(즉, FES 에너지가 소진되거나, 소진에 가깝게 된 경우), 모터에 구동력을 감소시키는 것에 의해 강화된다.
[00200] 일 실시예에서, 높은 배터리 전류 한계와 낮은 배터리 전류 한계가 설정되며 배터리 전류 한계는 이러한 제한 사이에 가변된다. 이것들은 고정된 파라미터로서 설정될 수 있고, 사용자 선택될 수 있고, 또는 제어기에 의해 동적으로 그리고 자동으로 제어기에 의해 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배터리 전류 한계는 메모리(휘발성이나 비휘발성) 및/또는 룩업 테이블(LUT)에 저장된다.
[00201] 낮은 배터리 전류 한계에 대한 대표값은 배터리에 대한 연속 전류 비율이다. 높은 배터리 전류 한계에 대한 대표 값은 배터리에 대한 30 초 과도 전류 제한, 즉 배터리를 손상시키지 않고 30 초 동안 이끌려질 수 있는 최대 전류이다. 일부 실시예들에서, 다른 시구간이나 레벨을 사용할 수 있다.
[00202] 배터리 전류를 낮은 레벨로 제한하는 것이 바람직한 반면, 짧은 기간 동안 높은 레벨을 사용하도록 허용될 수 있다. 높은 레벨의 사용은 배터리 수명을 최대화하기 위해 최소화되어야 한다.
[00203] 배터리 전류 한계는 낮고 높은 경계 사이에서 또한 동적으로 조절될 수 있다. 예를 들어 "풀 스로틀(full throttle)" 가속 이벤트(예, 도 9b에 대해 기술된 완전히 눌려진 페달)의 경우, 하나의 접근 방식은 배터리 전류 한계를 높은 배터리 전류 한계와 동일하게 설정하는 것이다.
[00204] 높은 배터리 전류 한계는 배터리 온도의 함수로 배터리 손상 또는 배터리 노화 방지하기 위해 줄어들 수 있다. 다른 많은 파라미터들이 배터리 사용기한, 주위 온도, 날짜에 대한 배터리 사이클의 수, 등를 포함하여, 배터리 전류 한계들의 조정에 대한 입력으로 사용될 수 있다
[00205] 배터리 전류 한계는 예를 들어, PCC에서 또는 이와 관련된 프로세서에 의해 낮고 높은 한계 사이에서 가변될 수 있다. 배터리 전류 한계를 조정하는 방법에 대한 결정은 모터 전류를 관찰하여 이루어진다. 일부 실시예들에서, 배터리 전류 한계는 지속적으로 모터 전류를 평균하여 계산된다(이러한 계산은 간단한 지수의 로우 패스 필터, 또는 이동하는 평균기를 포함하는 임의의 수의 방법으로 수행될 수 있다). 이러한 평균 값은 배터리에 의해 공급되어야 하는 정상 상태 전류를 나타낸다. 계산은 낮고 높은 한계에 의해 제한된다.
[00206] 고정된 한계에 대한 적응성 배터리 전류 한계의 장점은 적응성 배터리 전류 한계가 FES를 고갈시키지 않고 높은 평균 전력 작동을 과도으로 허용한다는 것이다. 예를 들어, 도로에서 일정한 속도로 언덕 오름은 도시 및 도로 운전에서 가속 전력 요구사항들을 초과하는 평균 전력을 초래할 수 있다. FES가 도시 및 고속도로 가속에서 배터리를 보호하도록 허용하는 고정 전류 한계는 차량이 추월 또는 비상 기동을 위해 가속할 수 없는 상태로 일정 속도 도로 언덕 오르막 동안 소모되는 것을 또한 허용한다. 적응성 전류 한계를 사용하여, 차량이 일정한 속도로 언덕을 오르는 동안, 배터리 전류 한계 추정은 평균 모터 전류 요구사항과 매칭시키는 것을 증가시킨다. 이것은 하기에 기술된 FES 충전 방법들이 추월 또는 기동시 충분한 충전을 유지하도록 한다.
[00207] 배터리 전류 한계 추정기에 대한 많은 대안을 구현할 수 있다.
일부 실시예들에서 추정기는 필터 또는 간단한 이동 평균으로 구현될 수 있고, 프로세서 또는 전용 추정기 하드웨어에 의해 실행된다. 일부 실시예들에서, 필터의 순서와 시간 상수가 하드 코딩되거나 파라미터로 설정된다. 일부 실시예들에서 필터에 대한 파라미터가 동적으로 조정할 수 있다.
[00208] 다양한 에너지 관리 전략 효율적으로 FES를 사용하여 채택될 수 있다. 일부 실시예들에서, FES에 대한 제어 모드가 배터리 전류에 기초하여 선택되고, 배터리 전류의 2개 존이 있고 이로써 특정 배터리 전류 레벨은 FES에 대한 두 개의 제어 체제(control regimes)의 파티션이다. 일부 실시예들에서 이러한 제어 체제들 사이에 구별되는 파티션된 배터리 전류가 낮은 배터리 전류 한계이다. 다른 실시예들에서, 파티션 배터리 전류는 임의로 선택될 수 있다. 이 파티션에는 적어도 두 개의 제어 체제가 있다 : 충전 상태(SOC) 제어 밴드, 및 과도 전류 제어(TCC) 밴드.
[00209] 과도 전류 제어시(TCC), FES는 배터리에있는 과도 부하를 줄이기 위해 작동되고, 따라서 배터리 수명을 보존한다. 수용 가능한 배터리 전류 한계는 모터 전류를 지속적으로 평균(또는 필터링)하여 추정된다. TCC는 컴퓨팅된 배터리 전류 추정에서 또는 그 아래로 배터리 전류를 홀딩하기 위해 FES로부터 전류를 공급하거나 감소시키는데 사용된다. 과도 전류 제어기는 과도 전류를 모니터링하고 과도 전류가 배터리에 손상을 야기하지 않는 것을 보장하는 회로이다.
[00210] 모터(부하)는 부하 전류를 끌어 들이고 차량의 휠을 돌리는 토오크를 발생시킨다. 이 모터 토오크는 PCC는에 의해 모니터링된다. 모터 전류 요구가 FES 출력에 높은 배터리 전류 한계를 더한 합계를 초과하는 경우, PCC는 높은 배터리 전류한계에서 또는 아래로 배터리 전류를 유지하기 위해 모터 전류를 감소시키기 위해 토오크를 제한한다. 토오크를 제한하는 것은 차량이 적게 가속하고, 더 천천히 (언덕 상에서) 오르거나 (트레일러 또는 짐을) 더 천전히 견인하도록 휠에 동력을 감소시키는 것을 의미한다.
[00211] 일부 실시예들에서, 모터 드라이브는 얼마나 많은 토오크가 모터에 의해 적용되는가를 제어하는 신호 입력을 갖는다. 일부 실시예들에서,이 신호는 스로틀 제어(예, 가속기 페달)에서 유래한다. 일부 실시예들에서, 신호 출력은 소프트웨어에 의해 모터 드라이브에 대한 전체 가속기 출력을 적용 않도록 제한될 수 있다.
[00212] 일부 실시예들에서, 모터 토오크는 패스트 에너지 저장 장치가 최소 용량에 도달할 때 제한된다. 일부 실시예들에서, 최소 용량은 예를 들어, 정상 용량의 20 % 내지 30 %, 정상 용량의 10 % 내지 40 %, 등의 범위 내이다. 일부 실시예들에서, 긴급 기동, 등을 위해 패스트 에너지 저장 장치에 일부 전하를 남기는 것이 바람직하다. FES가 소진되고 높은 전류로부터 배터리를 보호할 수 없을 때, 모터 전류는 감소된다. 본 발명의 범위 내에 남아 있는 동안, 토오크 제한에 대한 임계값을 계산하는 많은 변형들이 적용될 수 있다.
[00213] 듀얼 에너지 저장 용량과 높은 배터리 전류 한계는 배터리를 보호하고 만족스러운 성능을 제공하도록 제어될 수 있다. (0~60mph 시간과 같은) 가속 시간은 자주 차량을 비교하는 데 사용된다. FES는 과도한 배터리 전류를 끌어들이는 것 없이 가속을 최대화하기 위해 사용할 수 있다.
[00214] 일부 실시예들에서, 시스템이 자동으로, 풀 스로틀 이벤트를 감지하고, 최대 허용된 한도까지 배터리 전류 제한을 조정한다. 이것은 FES가 필요한 전력이나 전류의 나머지 부분을 제공하는 동안 배터리를(그것의 안전한 운영 한도 내에서) 완전히 사용한다. 일부 실시예들에서, FES 제어 파라미터는 차량이 60mph, 또는 몇가지 다른 타겟 속도를 달성하는 시점까지 FES을 완전히 소모하도록 또한 자동적으로 조정될 수 있다. 이 타겟 속도는 사용자에 의해 차량의 제조 업체에 의해 설정될 수 있거나, 또는 위치(예, 지역 도로 법률, 도시 법 등)에 의존할 수 있다.
[00215] FES가 가속 이벤트의 전체 예봉(full brunt)을 수행한다면 다른 방법으로 필요해지는 것보다 더 작은 FES가 이러한 상황 아래에 사용될 수 있다. 이것은 감소된 비용, 무게 및 차량의 듀얼 에너지 저장 장치 요구 사항의 풋프린트를 가능하게 하고 이러한 듀얼 에너지 저장 시스템에 의해 차량을 생산하느 비용을 감소시킨다.
[00216] 도 11을 참조하여, 도 1a의 자동차에 대해 자동차에서 FES (또는 다른 에너지 저장 장치)의 충전 상태를 최적으로 관리하기 위한 차량 시스템의 개략도가 개시된다. 도 18 내지 도 20은 대안적인 차량 시스템을 도시한다.
[00217] 도 11은 하나의 구동 액슬을 갖는 시리즈 플러그인 하이브리드 전기 자동차 (PHEV)의 실시예(1100)를 도시한다. 시리즈 PHEV는 액슬/휠에 기계적으로 커플링되지 않고, 대신 배터리에 전류를 공급하는 전기 발전기를 구동하고 전기 모터를 구동하는 엔진을 갖는다.
[00218] 차량은 제 1 모터/발전기(1101)에 커플링된 엔진(1103)(예를 들어, 설명된 기존의 탄화 수소 연료 엔진)을 포함하고, 상기 엔진은 전기를 생산하는 모터/발전기를 구동한다. 제 1 모터/발전기(1101)는 전력 제어기 컨버터(PCC)에 커플링된다. PCC(1107)는 FES(1108), 및 느린 에너지 저장 장치(예, 배터리)(1109)에 에 커플링된다. PCC(1107)는 DC 버스(1111)에 커플링되고, 이는 제 2 모터/발전기(1102)에 차례로 커플링된다. 제 2 모터/발전기는 기어 박스(1104)를 통해 하나 이상의 액슬(1105)에 커플링되며, 상기 액슬은 하나 이상의 휠(1106)에 커플링되어, 제 2 모터가 휠을 직접 구동한다. 일부 실시예들에서, 버스(1111)는 DC 버스 대신 AC 버스일 수 있다.
[00219] 전력은 모터/발전기, 배터리(1109), FES(1108), 및 DC 버스(1111)에 걸친 제어기(1107) 및 전력 컨버터에 의한 부수적인 시스템 사이에서 교환된다. 제 2 모터/발전기(1102)는구동력을 발생시키기 위해 전기를 소모하고 및/또는 재생 브레이킹을 통해 전기를 발생시킬 수 있다. 전력 컨버터 및 제어기(1107)는 모터/발전기, 에너지 저장 장치, 및 충전 및 다른 부수적인 시스템과 같은 연결된 구성요소들 사이에서 전력의 흐름을 프로세싱, 조정, 및 지향한다. 전력 컨버터 및 제어기(1107)는전압 및 전력 레벨의 범위에 걸쳐 DC, 단상 AC, 및/또는 다상 AC 전기를 공급하거나 감소시킨다.
[00220] 도 12 는 도 11에 도시된 시리즈 하이브리드 PHEV에 상응하는 전력 컨버터와 제어기(PCC, 1107)의 개략적인 대표도(1200)이다.
[00221] PCC(1107)는 제 1 모터/발전기(1101) 및 제 2 모터/발전기(1102)에 커플링된다. PCC(1107)는 제 1 및 제 2 모터/발전기에(드라이브 모드) 전력을 제공하고 제 1 및 제 2 모터/발전기로부터(재충전 모드) 전력을 수용한다. 일부 실시예들에서, PCC(1107)는 또한 FES(1108)에, 및 느린 에너지 저장 장치(예, 배터리)(1109)에 커플링된다.
[00222] PCC(1107) 내부에서, 제어기(1211)는 DC 버스(1111)에, 및 PCC 버스를 통해 다수의 스위칭 장치(1201)에 커플링된다. 스무딩 커패시터(smoothing capacitor, 1212)는 배터리(1109)로부터 전압 라인들에 걸쳐 커플링된다. 스위칭 장치(1201)는 배터리(1109)로부터 전압 라인에 걸쳐 시리즈로 커플링된다. 인덕터(1213)는 FES(1108)로부터의 전압 라인에 커플링된다.
[00223] 도 12를 참조하여, 모터/발전기(1101 및 1102)를 구동하는 스위칭 장치(1201)는 2 개의 3 상 인버터 구성을 포함한다. FES(1108)는 2 개의 스위칭 장치(1201), 및 인덕터(1213)와 함께 단상 레그를 포함하는 벅-부스터 컨버터(buck-boost converter, 1202)에 의해 DC 버스(1111)에 커플링된다. 이 벅-부스트 컨버터(1202)는상대적으로 일정한 DC 버스 전압에 의해 가변하는 FES 전압의 매칭을 촉진한다. 스무딩 커패시터(1212)는 DC 버스 전압을 안정화하는데 조력하고 전압 리플(ripples)을 감소시킨다. 스위칭 장치(1201)는 제어기(1211)에 의해 작동된다. 표시되지 않지만, 전류 및 전압 피드백은 인버터를 제어하는 것을 돕는데 사용된다. 단순화를 위해 제어기(1211)와 스위칭 장치(1201) 사이의 약간의 제어 경로만이 도시된다.
[00224] 일부 실시예들에서, 여기에(및 도2) 기술된 에너지 관리 전략은 제어기(1211)에 의해 실행된다. 다수의 제어 프로세스는 다음을 포함하여 적용된다 : 적응성 배터리 전류 한계를 설정하는것, FES에서 및 이로부터 에너지 흐름을 관리하는 것, 및 전류 제한을 모터에 저용하는 것.
[00225] 적응성 배터리 전류 한계는 주어진 시간에 차량에 대해 허용가능한 배터리 전류의 레벨을 한정한다. 한계는 먼저 FES로부터 에너지에 의해 차량을 보충하고 오직 필요하다면, 모터에 구동력을 감소시킨다(즉, FES 에너지가 소진되거나, 소진에 가깝게 된 경우). 이것은 도 13, 도 14, 도 15 및 도 16에 설명되어 있다.
[00226] 도 13은 일부 실시예에 따라 충전 상태(SOC) 및 과도 전류 제어(TCC) 작동 존들을 도시한, 배터리 전류 대 시간의 선형 그래프이다. 도 13은 배터리 전류 한계를 준수하는 동안 FES를 활용하는 다양한 작동 존 및 에너지 관리 전략을 도시한다. X축 위에서, 재생 존(1304)은 배터리 및/또는 FES가 충전되는 것을 나타낸다. X축 아래에서, 저전력 작동 존(1305)은 도 6의 탐색 밴드에 대해 설명된 바와 같이, 배터리가 약간 방전되고 FES가 충전되는 것을 나타낸다. 높은 전력 작동 존(1306)은 배터리가 방전하고 FES가 방전하여 배터리 전류 한계를 강화하는 것을 나타낸다. 토오크 제한 존(1307)은 배터리가 높은 전류 한계(1302)에서 방전하고 모터 토오크가 배터리에 손상을 방지하기 위해 이러한 높은 전류 한계를 강화하도록 제한되는 것을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 밴드들 사이의 한계가 동적일 수 있다.
[00227] 재생 존(1304)에서, 배터리 전류는 충전을 나타내는 양(Y 축상 1350)이다. FES는 활용할 수 있는 모터 에너지를 사용하여 편리하게 충전할 수 있다.
[00228] 저전력 작동 존(1305)에서 배터리 전류는 음(Y 축상 1360)이며, 차량은 배터리 전류의 공칭 량(nominal amount)(낮은 한계(1301)내에서, IB-min)을 끌어 들이고, IB-min은 낮은(낮은 크기) 배터리 전류 한계이다. IB-min은 낮은(낮은 크기) 배터리 전류 한계( Low (low magnitude) battery current limit)이다. The FES는 요구되는 것이 아니라 배터리 전류 한계(1301)가 초과되지 않는 한 재충전될 수 있다.
[00229] 높은 전력 작동 존(1306)(TCC 제어 존 1310)에서, 낮은 배터리 전류 한계(1301), 또는 차량은 낮은(1301) 및 높은 제한(1302) 사이에서 이동하는 동적 조절 한계(1403-도 4) 한쪽까지 전류를 제한하기 위해 FES를 사용할 것이다.
[00230] 높은 전력의 경우, 배터리가 높은 배터리 전류 한계(1302)에 도달하기 위해 요구될 수 있다. 토크 제한 작동 존(1307)에서, 모터 토오크 제한은 특히 FES 에너지가 소진될 때 배터리 전류가 높은 배터리 전류 제한(1302)을 초과하는 것을 막는다.
[00231] 일부 실시예들에서, 다양한 제어 전략은 FES를 최적으로 사용하여 채용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 두 가지 제어 모드 중 하나가 배터리 전류에 기초하여 선택되며, 여기서 배터리 전류의 2 개 존(도 13의 SOC 존(1309) 및 TCC 존(1310))이 있어서 특정 배터리 전류 레벨(1301, 하한)이 2 개 FES 제어 체제에 대한 파티션이다. 일부 실시예들에서, 이러한 제어 체제를 분할하는 배터리 전류값이 임의로 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 파티션 배터리 전류는 낮은 배터리 전류 한계(1301)이다.
[00232] 충전 상태 제어(SOC) 존(1309)에서, 배터리 전류 크기는 낮은 배터리 전류 한계보다 더 작다. 이 체제에서 FES가 높은 전류로부터 배터리를 보호하기 위해 필요로 하지 않는다. 제어기는 FES를 충전하여 간단한 피드백 제어 전략을 사용하여 목표 충전 상태(SOC)를 탐색한다. 목표 SOC는 임의의 값을 가지나 전형적으로 완전 충전에 근접할 것이다. 이러한 작동 모드는 SOC 제어로 지칭되며, SOC 제어기(도 16에서 1611에 관계되어 설명됨)에 의해 제어된다.
[00233] 과도 전류 제어(TCC) 존(1310)에서, 전류 배터리 크기가 낮은 배터리 전류 한계를 초과한다. 이 체제에서, FES 제어기는 전류를 공급하거나 감소시켜서 모터 전류 및 배터리 전류 한계 추정 사이의 차이를 만회한다. 이 모드는 TCC 제어로 지칭되며, TCC 제어기 (도 16에서 1612에 관련해 설명됨)에 의해 제어된다.
[00234] 적응성 배터리 전류 한계의 일부 실시예들에서, 높은 배터리 전류 한계(1302) 및 낮은 배터리 전류 한계(1301)가 설정되어 배터리 전류 한계가 높고 낮은 한계들 사이에서(도 14, 1403) 가변된다. 이것들은 고정 파라미터로서 설정될 수 있고, 사용자 선택으로 설정될 수 있고, 또는 최적으로 조정될 수 있고 자동으로 제어기에 의해 설정될 수 있다.
[00235] 일부 실시예들에서, 적응성(가변) 배터리 전류 한계(1403)는 필터링된 부하 전류를 나타낸다.
[00236] 배터리 전류를 낮은 레벨(1301)로 제한하는 것이 바람직한 반면, 배터리를 손상시키지 않고 짧은 기간 동안 높은 레벨(1302)을 사용하는 것이 허용될 수 있다. 높은 레벨(1302)의 사용은 배터리 수명을 최대화하기 위해 최소화되어야 한다. 낮은 배터리 전류 한계(1301)에 대한 대표 값은 배터리에 대한 지속적인 전류 비율이다. 높은 배터리 전류 한계(1302)에 대한 대표값은 배터리에 대한 30 초 과도 전류 제한(예, 배터리 제조업체 규격으로부터)이다. 다른 값들이 구현에 따라 사용할 수 있다.
[00237] 도 14는 일부 실시예들에 따라, 배터리의 전류 한계 및 적응성 배터리 전류 한계 작동을 보여주는, 배터리 전류 대 시간의 그래프(1400)이다. 도 14의 작동 존은 도 13의 작동 존에 상응한다. 도 14는 X-축의 시간 및 Y축의 배터리 전류를 도시한다. Y 축(1450)의 양의 부분은 배터리 충전 상황에 상응한다. Y 축의 음의 부분(1460)은 배터리 방전 상황에 해당한다. 최소의 배터리 전류 한계(1301) 및 최대 배터리 전류 한계(1302)(도 13에서 양쪽)는 상단 및 하단 배터리 전류 한계를 나타낸다. 적응성 배터리 전류 한계(1403)는 이러한 상단 및 하단 한계들 사이에 도시된다.
[00238] 도 14를 참조하여, 배터리 전류 한계(1403)는 낮은(최소, 1301) 및 높은(최대, 1302) 한계들 사이에서(1403) 최적으로 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 배터리 전류 한계를 조정하는 방법의 결정은 도 15에 도시된 모터 전류(1508)를 관찰하여 이루어진다.
[00239] 도 15A와 15B는 배터리의 전류 (IB_lim_est) 및 FES 전류 각각 대 시간의 2 개 그래프(1600)이며, 이는 일부 실시예들에 따라, 작동의 TCC 영역에 있는 동안 배터리, 모터 및 FES 전류 사이의 관계를 도시한다.
[00240] 도 15a는 X-축의 시간 및 Y축의 배터리 전류를 도시한다. 도 15a의 Y 축의 양수 값(1550)은 배터리 충전 상황을 나타낸다. 음수 값(1560)은 배터리 방전 상황을 나타낸다. 배터리 전류 최소(1301) 및 최대(1302) 값들이 도시되며, 모터 전류(1508)가 이러한 값들 사이에서 가변된다.
[00241] 도 15b는 X-축의 시간 및 Y축의 FES 전류를 도시한다. 전류에 대한 양수 값은 FES가 충전(1515)되는 것을 나타내고, 음수 값은 FES가 방전(1516)하는 것을 나타낸다. 과도 전류 제어(TCC)로부터 FES 버스 전류(1513)가 도시된다.
[00242] 도 15b에서 시구간(1517)은 부하(모터) 전류(1508)가 추정된 배터리 전류(1303, IB_lim_est)보다 적은 도 15a의 기간에 상응한다. 부하에 의해 요구되는 것 이상으로 초과 배터리 전류가 있기 때문에, 이러한 초과분은 FES를 충전하는데 사용될 수 있다.
[00243] 도 15b에서 시구간(1518)은 부하(모터) 전류(1508)가 추정된 배터리 전류(1303)보다 큰 도 15a의 기간에 상응한다. 배터리 전류가 부하에서 요구되는 것을 안정하게 제공하는데 부족하기 때문에, FES는 전류를 공급하여 그 차이를 커버하고 초과 전류가 배터리로부터 이끌려지는 것을 방지한다.
[00244] 도 15b를 참조하여, 일 구현에서 배터리 전류 한계는 부하(모터) 전류(1508)를 지속적으로 평균하여 컴퓨팅된다(이러한 계산은 간단한 지수 필터 또는 이동하는 평균기를 포함하는 임의 수의 방법으로 수행될 수 있다). 이 평균된 값은 이후 배터리에 의해 공급되어야 하는 이상적인 전류를 나타낸다. 계산은 낮은(1301) 및 높은(1302) 한계들에 의해 제한된다.
[00245] 일부 실시예들에서, 배터리 전류 한계는 낮은(1301) 및 높은(1302) 경계 사이에서 또한 신속하게 조정될 수 있다. 예를 들어 "풀 스로틀(full throttle)" 가속 이벤트의 경우, 하나의 접근 방식은 배터리 전류 한계를 높은 배터리 전류 한계와 동일하게 설정하는 것이다. 일부 실시예들에서, 조정은 스텝 변화이다. 일부 실시예들에서, 조정은 램프 변화이다.
[00246] 높은 배터리 전류 한계(1302)는 초과 배터리 온도의 함수로 배터리 손상 또는 배터리 노화 방지하기 위해 줄어들 수 있다. 다른 많은 파라미터가 배터리 전류 한계들의 조정에 대한 입력으로 사용될 수 있다.
[00247] 도 16은 일부 실시예들에 따라, 충전 상태(SOC) 및 과도 전류 제어(TCC)의 제어 기능을 도시한 개략적인 로직 회로(1600)이다.
[00248] 회로는 입력(1615) 타겟 충전 상태에, 및 입력(1609) 실제 충전 상태에 커플링된 충전 상태(SOC) 제어기(1611)를 포함한다. 충전 상태 제어기는 입력들 사이의 차이를 결정하는 입력(1615 및 1609)에 커플링된 합산기(1620)를 포함한다. 상기 차이(합산기 출력)은 비례 적분(PI) 제어(1622)에 연결된다. 비례 적분(PI) 제어(1622)의 출력은 출력 리미터(1624)에 커플링된다. 출력 리미터(1624)의 출력(1614)은 FES 충전 전류를 포함하고, 선택기(1618)에 커플링된다.
[00249] 회로는 입력(1608) 구동기 모터 전류(traction motor current)에 커플링되는 과도 전류 제어기(TCC, 1612)를 더 포함한다. TCC(1612)는 입력(1608)에 커플링되며, 제한 로직(1632)에 커플링된 출력을 갖는 TCC 필터(1617)를 포함한다. 제한 로직(1632)은 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 배터리 전류 한계 추정치들 1301(최소 배터리 전류), 1302(최대 배터리 전류) 및 1403(동적으로 조정된 배터리 한도)로 구현된다. 제한 로직의 출력은 합산기(1634)에 커플링되며, 이는 또한 입력(1608) 구동기 모터 전류에 커플링된다. 합산기(1634)는 모터 전류 및 추정된 배터리 전류 한계 사이의 차이를 출력하며, 상기 출력은 출력 리미터(1636)에 커플링된다. 출력 리미터는 선택기(1615)에 커플링된 제한된 차이 출력(1613)을 갖는다. 선택기(1615)는 FES 버스 전류 명령을 나타내는 출력(1616)을 제공한다.
[00250] 충전 상태(SOC) 제어는 도 16의 충전 상태(SOC) 제어기(1611)를 참조하여 기술된다. 충전 상태 제어는 차량 성능에 최소한의 영향을 갖는 시간 동안 FES(1108)의 충전을 회복하는데 사용된다. 호출될 때, SOC 제어기(1611)는 간단한 피드백 제어 메카니즘을 사용하여 타겟 값(1615)까지 FES의 SOC를 회복할 것이다. 소진되었던 것 이상으로 더 신속하게 FES를 충전하는 것이 타당하다. 일부 실시예들에서, 이것은 전략에 비례 피드백을 병합하여 달성될 것이다. 의견을 통합하는 것에 의해 수행된다. 일부 실시예들에서, 룩업 테이블(LUT)이 사용된다.
[00251] 일부 실시예들에서, 실제의 SOC (1609)는 피드백이다. 일부 실시예들에서, 실제의 SOC는 타겟 SOC와 비교된다. 상기 차이는 PCC에 출력 전류(Ic) 명령을 컴퓨팅하는 P 알고리즘에 공급된다. PCC는 실제의 SOC를 변경하는 울트라커패시터로부터 전류를 공급하거나 감소시켜서, 피드백 루프를 제공한다.
[00252] SOC 제어 모드에서 충전의 높은 비율은 적절하게 높거나 낮은 값까지 (출력 리미터(1624)를 사용하여) 제어기의 출력을 제한하는 것에 의해 가변될 수 있다. 예를 들어 차량이 정지되어 후속할 가속을 위해 준비할 때 FES를 신속하게 충전하는 것이 적절하다.
[00253] SOC 및 커터의 속도에 따라 충전율을 가변시키는 것은 배터리에 보호의 특정 레벨을 제공하는 동안 설계자(예, 자동차, 기계류, 건설시공 또는 리프팅 장치)가 FES의 크기, 무게 및 비용을 최소화하는 것을 가능하게 한다. 차량이 정지되거나 SOC가 낮을 때 충전율을 증가시키는 개념을 적용하는 것은 FES가 이러한 개념을 구현하는 것 없이 동일한 보호 레벨을 제공하는 FES와 비교하면 요구된 용량에서 실질적인 감소를 허용한다.
[00254] 과도 전류 제어(TCC)는 도 16의 과도 전류 제어기(TCC, 1612)를 참조하여 기술된다. 과도 제어시(TCC), FES는 배터리에 있는 과도 부하를 줄이기 위해 작동되고, 따라서 배터리 수명을 보존한다. 일부 실시예들에서, 수용 가능한 배터리 전류 한계는 모터 전류(1608)를 지속적으로 평균(또는 필터링)하여 추정된다. 이 배터리 전류 제한(1303)은 도 13에 대해 이전에 설명된 낮고(1301) 및 높은(1302) 배터리 한계들 사이에서 전형적으로 일반적으로 존재한다.
[00255] TCC 제어기(1612)는 FES로부터 전류를 공급하거나 감소시켜서 모터 전류(1608)와 배터리 전류 한계 추정(1303) 사이의 차이(1613)를 만회하는데 사용된다. 일 실시예에서, FES(1108)에 의해 공급되거나 감소된 전류는 명시적으로(explicitly) 제어되고 모터 전류 및 배터리 전류 한계 추정치(필터(1617) 및 제한 로직(1632)에 의해 발생됨)의 차이(합산기(1634)에 의해 결정됨)와 동등하게 설정되어 배터리 전류를 규제한다.
[00256] 일부 실시예들에서, TCC 제어기와 SOC 제어기 사이에서 선택은 그래프로 도 13에 도시된다.
[00257] 부하(모터) 전류(1608)의 크기가 배터리 전류 한계 추정치(1303)보다 작으나 SOC 제어(1301)에 대한 임계값 위에 존재한다면, 배터리 전류 및 배터리 전류 한계 추정치 사이의 차이는 FES(1608)에 의해 줄어들어서 FES(1108)을 충전한다. FES가 완전히 충전되면 배터리의 전류는 배터리 전류 한계 추정치 아래로 떨어지게 할 수 있다.
[00258] 모터 전류(1608)의 크기가 배터리 전류 한계 추정치(1403)을 초과할 때, TCC 제어기(1612)는 FES(1518에 의해 도시됨)로부터 전류(1613)를 공급하여, 배터리 전류 및 FES 전류의 결합이 모터 전류 요구사항을 충족하도록 배터리 전류 한계 추정치에서 배터리 전류를 유지시킨다. FES가 소모되어 전류를 공급할 수 없으면, 배터리 전류는 배터리 전류 한계 추정치를 초과하는 것이 허용된다. 배터리 전류가 높은 배터리 한도(1302)까지 증가하고 이러한 전류 한계를 초과하려고 시도하면, 이후 모터 전류는 이러한 높은 허용된 값까지 전류를 규제하기 위해, 토오크 제한을 사용하여 감소될 수 있다.
[00259] 특정 조건 하에서, 배터리 전류 한계 추정치는 최기화되고 배터리 전류 한계 추정치가 초기값으로 설정되는 것을 의미한다. 초기 값의 할당은 배터리의 작동 기록에 기초할 수 있다. 일반적으로 초기 배터리 전류 한계 추정치는 차량이 정지 또는 주차될 때마다 낮은 배터리 전류 한계(1301)로 설정될 것이다.
[00260] 기술된 바와 같이, FES가 높은 전류로부터 배터리를 보호할 수 없을 때, 모터 전류는 도 23에 2324로 도시된 바와 같이 감소된다. 하나의 구현에서, 모터 토오크 제한은 즉시 사용 가능한 파라미터를 사용하여 간단하게 계산할 수 있다 :
[00261] K (Pultracap + Vbus * IB - max) / w = Tlimit
[00262] 여기서 :
[00263] K = 스케일링 파라미터
[00264] Pultracap = 울트라커패시터(측정된 값)에 의해 공급된 전력
[00265] Vbus = DC 버스 전압 (측정된 값) [00266] IB - max = 최대 배터리 전류(추정기에 의해 특정됨)
[00267] w = 모터 회전 속도 (측정된 값)
[00268] 일부 실시예들에서, 모터는 약 12,000 rpm까지 작동하며 이것은 차량 속도의 약 90mph에 관련된다. 회전 속도는 기본적인 관계가 : 일률 = 토오크 * 속도이기 때문에 전력으로부터 토오크를 컴퓨팅하는데 사용된다.
[00269] 스케일링 인자 K는 시스템 효율 및 단위의 차이에 대해 수정하는데 사용된다. 스케일링 인자 K는 모터의 효율, 모터 드라이브, 및 기어박스 또는 전동장치를 고려한다. 이 스케일링 인자는 간단화를 위해 고정될 수 있거나 전류, 모터 속도 및 다른 요인들에 따라 다양한 모터 및 드라이브 효율을 더 양호하게 근사시키기 위해 가변될 수 있다.
[00270] 상기 방법은 토오크 제한 값의 직접 추정이다.
대안적으로, 임의이 수의 피드백 제어 방법은 높은 전류 한계로부터 전류의 편차에 따라 모터에 토오크 제한을 적용하는데 또한 사용할 수 있다. 일반적인 방법은 선형 비례-적분 (PI) 제어 또는 비선형 룩업 테이블 방법을 포함한다.
[00271] 제어 전환(control transitions)에 안정성을 보장하는 것이 바람직하다. SOC 제어기(1611), TCC 제어기(1612), 및 모터의 토오크 제한 사이의 제어 충돌(불안정성)의 특정 타입을 피하기 위한 하나의 방법은 (도 13에 도시된 바와 같이) 허용된 작동 존들을 사용하여 특정 타입의 작동을 배제하는 것이다. 안정성은 SOC 제어 및 TCC와 같은 제어 모드 사이에서 자기 유발 전환의 회피를 의미한다. 일부 실시예들에서, 히스테리시스는 또한 작동 모드 사이의 빠른 전환을 방지하기 위해 사용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 안정성이 아래에 설명된대로 달성될 수 있다.
[00272] 도 13을 참조하여, 높은(1302) 및 낮은(1301) 배터리 전류 한계들은 SOC 제어(1611)에 의해서가 아니라 TCC 제어 방법(1612, 도 6)을 사용하여 FES 작동이 기대되는 밴드(1306)를 한정할 수 있다. SOC 제어 존(1309)에서 낮은 배터리 전류 한계(1301) 아래에서, TCC 방법이 실행될 수 있고 SOC 제어(1611)만 사용된다. SOC 제어가 활성화될 때 FES 충전 전류(1614, 도 16)는 (낮은 배터리 전류 한계(1301) 위의 전류를 상승시키는 것에 의해) TCC 방법으로 의도하지 않은 전환을 야기하는 배터리 전류가 되는 것이 허용되지 않을 것이다.
[00273] 안정성을 제공하기 위한 예시적인 규칙이 기술되며, 다른 규칙들이 또한 사용될 수 있다. 이에 덧붙여 초과하는 배터리 전류를 피하고 제어 상태들 사이의 바람직하지 않은 전환을 제거하는 다른 규칙들은 다음을 포함한다 :
[00274] (1) 모터 전류 (IM) + FES 전류(IC)가 최소 배터리 전류(IB-min)보다 더 크도록 FES 전류 IC를 제어하는 것;
[00275] (2) FES 충전(즉, FES의 충전을 위해 배터리가 아닌 모터 재생을 사용함)이 가능하도록 모터 전류(IM)가 0 보다 크도록 요구하는 것;
[00276] (3) FES 충전을 가능하게 하기 위해 0 보다 더 큰 모터 전류(IM) 또는 최소 배터리 전류(IB-min)보다 큰 모터 전류(IM) 이외에 고정 또는 변수의 임계값을 적용하는 것;
[00277] (4) FES가 상이한 조건들 하에서(커패시터를 너무 빠르게 소모시키는 것을 피하기 위해 높은 모터 전류(IM)에서 더 짧은 시정수를 사용하여) 소모되는 비율에 영향을 주기 위해 TCC 필터(1617, 도6)의 시정수를 자동으로 조정하는 것;
[00278] (5) FES에 대한 높은 충전/방전 비율을 부과하여, 고정 또는 자동으로 조정된 (IB 한계와 마찬지로) FES 전류(IC) 한계를 사용하여, 충전/방전 시간을 제어하는 것;
[00279] (6) 특히 SOC 제어가 가능한 FES 충전 상태 "탐색 상태(seek state)"를 한정하기 위해 SOC 제어 존(1309)을 적용하는 것;
[00280] 이러한 동등한 것들(equations)은 배터리 및/또는 FES의 방전을 위해 음의 전류값들을 가정하고, 모터에 동력을 운반한다. 양의 값은 모터가 전류를 발생시켜서, 배터리 및/또는 FES를 충전하는 재생 상황을 나타낸다.
[00281] 본 발명의 추가적인 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들의 도면 및 뒤이은 설명의 고려로부터 명백해질 것이다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 다른 실시예들이 가능하다는 것 및 본 발명의 세부사항들이 본 발명의 개념으로부터 벗어남 없이 다수의 관련되 것에서 수정될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 후속하는 도면 및 설명은 본래 설명되는 것으로 간주될 것이고 제한되지 않는다.
[00282] 도 17은 변화하는 적응성 전류 대 온도의 그래프(1700)를 보여준다. X축(1720)는 배터리 온도(예, degree F 단위)이고 Y축은 암페어(A)로 방전 배터리 전류 한계를 도시한다. 점선(1740)은 하단 배터리 전류 한계(IB 하단)을 도시한다. 실선(1730)은 상단 배터리 전류 한계(IB 상단), 및 온도가 어떻게 변하는지를 도시한다. 배터리 온도 증가가 증가함에 따라, 상단 전류 한계가 감소되어 배터리가 손상되는 것을 방지한다.
[00283] 도 18 내지 도 22를 참조하여, 본 발명의 대안적인 실시예가 개시된다.
[00284] 도 18은 일부 실시예들에 따라, 하나의 전기 구동 액슬을 갖는 병렬 하이브리드 추진 시스템의 개략도를 도시한다.
[00285] 병렬 하이브리드 추진 시스템은 모터/발전기(1802)(여기서 재충전 동안 기어박스가 전기를 생산하는 모터/발전기를 구동하며, 방전 동안 모터/발전기가 기어박스를 구동하여 액슬(1805) 및 휠(1806)을 돌린다)에 기계적으로 커플링되며 기어박스(1804)에 기계적으로 커플링되며, 기어 박스를 통해 액슬(1805) 및 휠(1806)에 커플링되는 엔진(1803)(예, 기술된 바와 같은 종래의 탄화수소 연료 엔진)을 포함한다.
[00286] 모터/발전기(1802)는 DC 버스(1811)를 통해 파워 제어기 컨버터 (PCC, 1807)에 커플링된다(일부 실시예들에서 AC 버스가 사용될 수 있다).
PCC(1107)는 FES(1108)에, 및 느린 에너지 저장 장치(예, 배터리)(1109)에 커플링된다. PCC(1807)는 DC 버스(1811)에, 및 이에 따라 모터/발전기(1802)에 커플링된다.
[00287] 전력은 모터/발전기(1802), 배터리(1809), FES(1808), 및 전력 컨버터 및 제어기(1807)에 의해 보조 시스템 사이에 교환된다. 종래의 연소 엔진(1803)과 전기 모터(1802) 양쪽이 동일한 세트의 휠들(1806)을 구동한다.
[00288] 도 19는 일부 실시예들에 따른 스루 더 로드(TTR) 병렬 플러그인 하이브리드 차량의 개략도이다. TTR 병렬 구성은 전력부(1901)와 연소 전력 부(1900)로 구성되어 있다.
[00289] 이러한 실시예에서, 전력부(1901)는 액슬(1905)에 커플링된 휠의 제 1 세트(1906)를 포함하고, 상기 액슬은 기어 박스(1905)에 및 전기 모터/발전기(1902)에 기계적으로 커플링된다. 전기 모터/발전기는 DC 버스(1913)(또는 일부 실시예들에서 AC 버스)에 의해 전력 컨버터 제어기(PCC, 1907)에 및 배터리(1909)에 및 FES(1908)에 전기적으로 커플링된다.
[00290] 연소 전력부(1900)는 제 2 기어박스 또는 트랜스액슬(1910)을 통해 및 제 2 액슬 또는 하프(half) 샤프트(1911)를 통해 휠(1912)의 제 2 세트에 기계적으로 커플링되는 엔진(1903)을 포함한다. TTR 구성에, 연소부(1900) 및 전기부(1901) 사이에 어떤 구동력 에너지의 전기적 교환도 없고 차량이 이동하는 도로를 통과하는 것이외에 엔진과 전기 드라이브 시스템 사이의 에너지의 어떤 기계적 교환도 없다. 에너지 TTR 전달의 예는 재생 브레이크를 제공하기 위해, 엔진(1903)에 의해 생산된 초과 에너지를 흡수하고 배터리(1909) 또는 FES(1908)에 이를 저장하기 위해 전기 드라이브 트레인(기어박스(1904) 및 모터/발전기(1902))을 동시에 작동시키는 동안 차량을 추진하는 데 필요한 것보다 더 높은 전력에서 엔진(1903)의 작동이다.
[00291] 도 20은 일부 실시예들에 따라, 두개의 전기 구동 액슬을 갖는 시리즈 하이브리드 추진 시스템의 개략도이다.
[00292] 시리즈 하이브리드 추진 시스템은 엔진(2003)을 포함하고, 이는 엔진이 전기를 생산하는 제 1 모터/발전기를 구동하도록 제 1 모터/발전기(2001)에 기계적으로 커플링된다. 모터/발전기(2001)는 전력 제어기 컨버터(PCC, 2007)에 커플링되고, PCC(2007)는 FES(2008)에 그리고 느린 에너지 저장 장치(예, 배터리(2009))에 커플링된다.
[00293] 제 3 모터 발전기(2013)가 PCC(2007)에 전기적으로 커플링된다. 제 3 모터/발전기(2013)가 제 2 기어박스(2010)에 기계적으로 커플링되고, 이는 제 2 액슬(2011)에 기계식을 커플링된다. 제 2 액슬은 휠(2012)의 제 2 세트에 기계적으로 커플링된다.
[00294] 제 2 모터/발전기(2002)는 DC 버스(2014)(일부 실시예들에서 AC 버스일 수 있음)에 의해 PCC(2007)에 전기적으로 커플링된다. 제 2 모터/발전기(2002)는 제 1 기어박스(2004)에 기계적으로 커플링되며, 이 기어박스는 제 1 액슬(2005)에 기계적으로 커플링된다. 제 1 액슬은 휠(2006)의 제 1 세트에 기계적으로 커플링된다.
[00295] 제 2 모터/발전기(2002)는 전기를 사용하여 제 2 기어박스(트랜스액슬) 및 차동 장치(2004), 및 제 2 액슬 또는 하프 샤프트(2005)를 통해 구동된 제 2 휠(2006)에 원동력을 제공한다. 제 3 모터/발전기(2013)는 전기를 사용하여 제 2 기어박스 또는 트랜스액슬(2010) 및 제 2 액슬 또는 하프 샤프트(2011)를 통해 제 2 세트의 구동된 휠(2012)에 원동력을 제공한다. 전력은 모터/발전기, 배터리(2009), FES(2008), 및 제어기(2007) 및 전력 컨버터에 의한 부수적인 시스템 사이에서 교환된다. 제 2 및 제 3 모터/발전기(2002 및 2013)는구동력을 발생시키기 위해 전기를 소모하거나 재생 브레이킹을 통해 전기를 발생시킬 수 있다.
[00296] 도 21a 및 21b는 일부 실시예에 따른 도 18, 도 19, 도 20에 도시된 차량들에 대한 예시적인 추진 시스템의 개략도이다.
[00297] 도 21a는 느린 에너지 소스(예, 배터리(2109))에 그리고 FES(2108)에 커플링된 전력 컨버터 제어기(PCC, 2107)를 포함하는 추진 시스템(2100)을 도시한다. 모터/발전기(2101)가 PCC(2107)에 또한 커플링된다. PCC는 제어기(2111), 배터리(2109)로부터 입력에 걸쳐 커플링된 스무딩 커패시터(2112), 배터리(2109)의 입력에 걸쳐 시리즈로 커플링된 복수의 스위치들(2101) 및 FES(2108)로부터 입력에 커플링되고 제 1 세트의 스위치들(2101) 사이에 커플링된 인덕터(2103)을 포함한다. 모터/발전기(2102)로부터 복수의 입력이 스위치들(2101)의 세트들 사이에서 또한 커플링된다.
[00298] 도 21a의 추진 시스템(2100)은도 18에 도시된 병렬 드라이브 및 도 19에 도시된 스루 더 로드(TTR) 시스템에 상응하는 전력 컨버터 및 제어기(2107)의 개략도이다.
[00299] 일 실시예에서, 스위치들(2101)은 모터/발전기(2102)를 구동하고 3 상 브리지 구성에 배치된다. FES(2108)는 제 1 세터의 스위치들(2101) 및 인덕터(2103)을 갖는 단상 레그를 포함하는 벅-부스트 컨버터(buck-boost converter)에 의해 DC 버스(즉, 배터리(2109)에 의해 공급된 전력)에 커플링된다. 스무딩의 콘덴서(2112)는 DC 버스 전압(즉, 배터리(2109)에 의해 공급된 전력)을 안정화하는데 조력하여 리플을 감소시킨다. 스위칭 장치(1201)는 제어기(1211)에 의해 작동된다. 단순화를 위해 제어기(2211)와 스위칭 장치(2201) 사이의 약간의 제어 경로만이 도시된다.
[00300] 도 21b의 추진 시스템(2120)은 도 20에 도시된 2개-액슬 시리즈 구성에 상응하는 전력 컨버터 및 제어기(2107)의 개략도이다.
[00301] 추진 시스템(2120)은 느린 에너지 소스(예, 배터리(2109))에 그리고 FES(2108)에 커플링된, 전력 컨버터 제어기(PCC, 2107)를(도 21a와 유사하게) 포함한다. PCC는 제어기(2111), 배터리(2109)로부터 입력에 걸쳐 커플링된 스무딩 커패시터(2112), 배터리(2109)의 입력에 걸쳐 시리즈로 커플링된 복수의 스위치들(2101) 및 FES(2108)로부터 입력에 커플링되고 제 1 세트의 스위치들(2101) 사이에 커플링된 인덕터(2103)을 포함한다.
[00302] 제 1 모터/발전기(2122)는 또한 PCC(2107)에 커플링되고, 스위치들(2101)의 세트 사이에 커플링된 복수의 입력을 갖는다. 제 2 모터 발전기(2124)및 제 3 모터 발전기(2126)는 PCC(2107)에 유사하게 커플링된다. 일부 실시예에서 제 1, 제 2 및 제 3 모터/발전기들은 모터/발전기(도 20의 2001, 2002, 및 2013)에 상응한다.
[00303] 도 21b를 참조하여, 일 실시예에서 도 20에 도시된 2개 액슬 시리즈 구성에 상응하는 전력 컨버터 및 제어기(PCC, 2107)는 예를 들어, 제 2 모터 발전기(2124) 및 제 3 모터 발전기(2126)에 상응하는 2 개의 구동 액슬들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 20에 도시된 모든 3 개의 모터/발전기들은 기술된 바와 같이, 제어기(2114)에 의해 작동되는 스위칭 장치(2111)를 포함하는 3 상 인버터들을 통해 DC 버스(배터리(2104))에 커플링된다.
[00304] 도 22는 일부 실시예들에 따라 FES의 적응성 충전을 도시한 모두 시간과 관련하여, 부하 전류의 그래프(2202), PCC 전류의 그래프(2230), 및 FES 전압의 그래프(2250)를 도시한다. 도 22, 그래프(2202 및 2230)에서, X 축 위의 값은 양의 전류를 나타낸다. 도 22, 그래프(2250)에서, X 축 위의 값은 양의 전압을 나타낸다.
[00305] 그래프(2202)는 Y 축 상에 전류(2212)은과 X 축 상에 시간(2114)을 나타낸다. 부하(예, 모터/발전기)에 의해 이끌려진 평균 부하 전류(Iload, 2210)는 과도 기간(2219) 동안, 차량이 가속함(예, 멈춤으로부터)에 따라 급격히 상승한다. 부하에 의해 이끌려진 부하 전류는 일반적으로 추정된 배터리 전류(Ibatt 추정치, 2218)보다 더 빠르게 상승한다. 배터리는 에너지의 상당한 양을 저장하는 느린 에너지 저장 장치이나, 과열 및 배터리를 손상시키는 것을 피하기 위해, 부하 전류(2210)의 충전 속도와 비교할 때 상대적으로 느리게 그 에너지를 방출해야 한다. 평균 부하 전류 및 추정된 배터리 전류 사이의 차이(2211)가 배터리이외의 소스로부터 만족되지 않는다면, 배터리는 그 차이(2211)를 공급하도록 시도할 것이고, 안정한 것보다 더 많은(즉, Ibatt 추정치(2218)보다 더 높은) 전류를 이끌어서, 잠재적으로 배터리를 손상시킨다.
[00306] 패스트 에너지 저장 장치는 과도 기간(2219) 동안 추정된 배터리 전류(2218)와 부하 전류(2210) 사이의 차이(2211)를 공급하고 에너지가 커패시터로부터 유출된다(2220). 그래프(2230)은 패스트 에너지 저장 장치에 의해 공급된 전류(2234)를 도시한다. 전류(2234)의 적분은 과도 기간(2219) 동안 패스트 에너지 저장 장치로부터 유출된 전하(2236)를 제공한다. 그래프(2250)는 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태(SOC, 2252)를 도시한다. 과도 기간(2219) 동안 이러한 충전은 전류가 패스트 에너지 저장 장치로부터 이끌려져서 전력 컨버터 제어기(PCC)에 의해 부하(모터)에 공급됨에 따라 강하된다(2254). 이후 충전은 커패시터가 재충전됨에 따라 시구간(2223) 동안 상승하며, 여기서 이러한 충전은 시구간(2223) 동안 전류(2234)의 적분(2238, 커패시터 전하 충전(top up))에 의해 주어진다.
[00307] 몇 가지 실시예들에서, 차량이 타겟 속도(예를 들어, 60mph)에 접근할 때 부하에 의해 이끌려진 전류는 감소하기 시작한다. 일부 실시예들에서, 이것은 과도 기간(2219)을 통해 대략 중반이다. 이러한 감소는 차량이 타겟 속도에 접근하기 시작할 때 운전자가 가속도를 운전자가 가속을 백-오프(즉, 가속기 페달에서 약간 발을 떨어지게 함)하기 시작함으로써 발생한다. 이것이 발생할 때, 부하 전류는 감소하기 시작한다. 부하 전류(2210)는 추정된 배터리 전류(2218)보다 더 큰 반면, FES는 전류를 공급하여 추정된 배터리 전류를 보충하고 에너지가 FES로부터 배출(2222)됨에 따라 전하(2254)를 소모된다.
[00308] 부하 전류(2210)가 추정된 배터리 전류(2218) 아래로 떨어질 때, 부하 전류에 대한 배터리 전류의 초과치는 패스트 에너지 저장 장치를 '충전(top-up)' 하는데 사용된다. 이것은 그래프(2210)의 기간(2223)으로 표시된다. 이 기간 동안, 전하는 배터리로부터 PCC 내로 흐르고(그래프(2230)에서 음의 전류(2238)로서 도시됨) 이것은 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태(SOC)를 상승시키는 원인이 되고, 그래프(2250)에서 전압 상승(2256)으로 도시된다.
[00309] 부하 전류 및 배터리 전류가 동등할 때(기간 2225) 전류는 배터리에서 패스트 에너지 저장 장치에 더 이상 공급되지 않는다. 그래프(2230)에 제로 전류 흐름(2240)에 의해 도시된 바와 같이, 어떠한 추가적인 전류도 패스트 에너지 저장 장치 내로 흐르지 않는다. 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태(2258)는 차이 없는 같은 수준으로 되어 안정 상태를 유지한다(2258). 평균 부하 전류(2210)가 추정된 배터리 전류(2218) 아래로 떨어질 때 커패시터가 다시 충전된다. 일부 실시예들에서, PCC는 시간(2223)(충전 커패시터 시간)이 더 길어서 커패시터가 정상 상태에(추정된 배터리 전류가 부하 전류와 매칭되는 곳) 도달할 시 완전히 충전되도록 (예, 시정수를 선택하여) 구성될 수 있다.
[00310] 도 23은 다른 실시예에 따라, 패스트 에너지 저장 장치의 적응성 충전을 도시하는 부하 전류 및 FES 전압 대 시간의 그래프를 도시한다.
[00311] 도 23은 시간(2314)에 걸쳐 흐르는 전류(2312)의 그래프(2310)를 도시한다. 이러한 실시예에서, 평균 부하 전류(2316)는 추정된 배터리 전류(2322)를 따라 도시된다. 시구간(2370) 동안, 부하 전류(2316)는 전류가 모터에 의해 이끌려질 때 상승하기 시작한다. 일부 실시예들에서, 일단 부하 전류가 하단 배터리 전류 한계(2330) 위로 상승하면, 추정된 배터리 전류(2322)가 예를 들어 PCC 제어기에 의해 계산된다.
[00312] 시구간(2372) 동안, 부하 전류(2316)가 추정된 배터리 전류(2322)보다 더 높으면, 전류는 차이를 보충하기 위해 패스트 에너지 저장 장치로부터 공급된다. 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태(SOC)가 전체 레벨(2360)로부터(또는 전체 레벨에 가까운) 낮은 레벨(2362)까지 감소된다. 패스트 에너지 저장 장치가 낮은 레벨에 도달하여 방전될 때, 전류는 패스트 에너지 저장 장치에 의해 부하에 더 이상 공급될 수 없다. 이 포인트에서 부하에 대한 토오크가 커팅되고(2324), 그리고 부하 전류(2316)가 추정된 배터리 출력 전류(2322)와 매칭되는 레벨로 강하된다. 추정된 배터리 출력 전류는 상단 배터리 전류(2318), 예를 들어 배터리가 공급할 수 있는 일시적인(예, 30초) 최대 부하에서(또는 이에 근접하여) 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 근접(가까이)은 최대의 5 % 이내를 의미한다. 일부 실시예들에서, 근접은 최대의 15 % 이내를 의미한다. 일부 실시예들에서 근접은 최대의 30 % 이내 를 의미한다.
[00313] 상단 배터리 전류(2318) 및 하단 배터리 전류(2330) 사이의 밴드(2326)에서, 패스트 에너지 저장 장치(예, 커패시터)는 과도 부하 전류(2316)가 추정된 배터리 전류(2322) 아래로 떨어진다면 재충전될 것이다. 부하 전류가 하단 배터리 전류(2330) 아래의 밴드(2328)로 떨어진다면, 패스트 에너지 저장 장치가 재충전될 것이다.
[00314] 도 24는 시간(2314)에 대한 전류(2412)의 그래프(2410)를 도시한다. 이러한 실시예에서, 평균 부하 전류(2416)는 추정된 배터리 전류(2422)를 따라 도시된다. 도 24는 상단(2418) 및 하단(2420) 배터리 전류 한계들을 도시한다. 부하 전류가 추정된 배터리 전류(2422) 아래로 떨어지면 패스트 에너지 저장 장치(예, 커패시터)가 재충전된다(2426). 부하 전류가 하단(2420) 배터리 전류 한계 아래로 떨어지면, 패스트 에너지 저장 장치가 재충전된다(2428).
[00315] 도 25는 본 발명의 특정 실시예들에 따라, 듀얼 에너지 저장 장치 관리를 위한 컴퓨터 방법(2500)을 나타내는 순서도이다.
[00316] 모터 부하(예, 모터/발전기(1102), 도 11)에 의해 이끌려진 부하 전류는 결정되고(2502), 부하 전류가 하단 전류 한계 이내이면, 전력 분배가 재충전 모드로 제어된다.
[00317] 일부 실시예들에서, (예, FES(1108), 도 11) 재충전된다(2504).
[00318] 부하 전류가 하단 전류 한계 위에 있다면, 차량이 오르막 모드 또는 가속 모드로 작동하는지 결정이 이루어진다(2506).
[00319] 일부 실시예들에서, 오르막 모드에서, 도 14의 최소 배터리 전류 한계(1301)과 같이, 배터리 전류 한계가 연속 전류 한계까지 설정된다(2508). 이러한 최소 한계는 패스트 에너지 저장 장치가 고갈되는 것으로부터 방지한다. 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치가 드라이브가 위험한 상황에서 신속하게 기동하거나 또는 큰 차량(예, 세미 트레일러)을 추월할 필요가 있는 경우, 오르막 동안 가속의 부스트 또는 기동하는 동안 충분한 충전에 의해 유지된다.
[00320] 일부 실시예들에서, 패스트 에너지 저장 장치가 하한에 도달할 때 부하 전류가 감소되며, 패스트 에너지 저장 장치가 배터리 전류와 병렬로 부하에 전류를 공급된다(2510).
[00321] 일부 실시예들에서, 도 14의 최대 배터리 전류 한계(1302)와 같이, 가속 모드에서, 적응성 연속 전류 한계보다 더 큰 적응성 높은 배터리 전류 한계까지 배터리 전류 한계가 설정된다(2512). 이러한 높은 한계는 빠른 가속에 대한 높은 전력을 허용하며, 배터리 온도, 배터리 마모, 외부 환경 조건, 최적으로 가변될 수 있다(1403). 일부 실시예들에서, 이것은 전력 시스템의 비용 및 무게를 감소시켜서 배터리 전력 및 패스트 에너지 저장 장치 전력의 더 효율적인 사용을 허용하기 때문에 바람직하다.
[00322] 일부 실시예에서, 배터리 온도에 반대 방향으로 적응성 높은 배터리 전류 한계가 가변된다(2514). (배터리로부터 이끌려진 전류로 인하여) 배터리 온도가 상승함에 따라, 배터리로부터 이끌려진 전류는 배터리에 해를 방지하기 위해 감소되어야만 한다. 적응성 전류 한계는 배터리가 뜨거울 때 배터리로부터 이끌려진 전류를 감소시켜서 이것을 고려하여서, 배터리에 손상을 방지한다.
[00323] 일부 실시예들에서, 가속 모드에서 전력은 배터리로부터 및 패스트 에너지 저장 장치로부터 부하에 제공된다(2516). 예를 들어, 도 22에서, 제 1 시구간(2219) 동안, 자동차가 가속되며, 모터가 높은 부하 전류(2210)를 끌어들인다. 배터리는 이러한 부하 전류의 일부(Ibatt 추정치(2218))를 오직 안전하게 제공할 수 있고 차이(2211)가 패스트 에너지 저장 장치에 의해 제공된다. 그래프(2230)는 패스트 에너지 저장 장치(커패시터, 2236)로부터 배출된 전하를 도시한다. 그래프(2250)는 부하(2210)에 전력을 제공함에 따라 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태에서 강하(2254)를 도시한다.
[00324] 일부 실시예들에서, 타겟 속도가 달성될 시간까지 패스트 에너지 저장 장치를 하한까지 유출시키기 충분한 속도로 패스트 에너지 저장 장치로부터 모터 부하에 전류가 제공된다(2518). 예를 들어, 패스트 에너지 저장 장치의 전하는 배터리 전력(2218)을 보충하도록 부하(2211)에 제공되면 전력으로서 배출될 수 있다(2254). 전하가 배출되는 속도는 0~60mph 가속하는 동안 거의 모든 전하를 배출하도록 설정될 수 있다. 많은 자동차가 시간당 0 내지 60마일로 가속되는 시간까지 특정되어 속도화된다. 따라서, 모터에 최대 부스트를 제공하도록 이러한 가속 동안 커패시터를 배출시키는 것이 바람직할 수 있다.
[00325] 기술된 바와 같이, 차량이 작동하는 모드에 기초하여 배터리 전류 한계가 설정된다(2520).
[00326] 배터리 전류 한계에 기초하여 차량에 전력이 분배된다(2522).
[00327] 설명을 위해, 전술된 설명은 특정 실시예들을 참조하여 기술되었다. 그러나, 상기에 기술된 설명은 개시된 정확한 형태로 완전하게 또는 본 발명을 제한하려고 의도되지 않는다. 많은 수정들과 변형들이 가능한 위의 교시의 관점에서 가능하다. 본 발명의 원리 및 실행적 어플리케이션들을 가장 잘 설명하기 위해 실시예들이 선택되고 기술되었고 이에의해 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명 및 고려된 특정 사용에 적합한 다양한 수정들을 갖는 다양한 실시예들을 활용하게 할 수 있다.

Claims (31)

  1. 전력 분배를 제어하는 방법으로서,
    부하에 의해 이끌려지는 부하 전류를 결정하는 단계;
    상기 부하 전류에 기초하여, 배터리로부터 상기 부하에 공급될 추정된 배터리 전류를 추정하는 단계;
    상기 추정된 배터리 전류 및 상기 부하 전류에 기초하여 상기 부하에 패스트 에너지 저장 장치로부터 요구되는 과도 전류를 결정하는 단계; 및
    상기 패스트 에너지 저장 장치로부터 상기 부하에 상기 과도 전류의 방전을 제어하는 단계를 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 전류가 미리 결정된 레벨 아래이면 상기 패스트 에너지 저장 장치를 재충전하는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정하는 단계는 상기 추정된 배터리 전류를 발생시키도록 상기 부하 전류를 필터링하는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정된 배터리 전류를 최대 임계값까지로 제한하는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 추정된 배터리 전류가 미리 결정된 시구간보다 더 오래 동안 상기 최대 임계값 근처에 남는다면, 상기 최대 임계값 아래의 하단 임계값까지 상기 추정된 배터리 전류를 감소시키는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 부하 전류가 상기 하단 임계값 아래에 있으면 상기 패스트 에너지 저장 장치를 재충전하는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정하는 단계, 결정하는 단계, 또는 제어하는 단계 중 하나 이상이 전력 제어기에서 발생하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법이 범용 전력 서플라이(UPS)에서 수행되는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법이 적어도 부분적으로 전기 자동차에서 수행되는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법이 리프트 메카니즘의 리프트 전력 제어기 컨버터에서 수행되는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 전류를 결정하는 단계는 차량의 파워트레인에 커플링된 센서에서 상기 부하 전류와 관련된 에너지를 측정하는 것을 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 전류를 결정하는 단계는 스로틀 제어의 위치를 측정하는 것을 포함하고, 상기 스로틀 제어가 상기 부하에 상기 부하 전류를 증가시키거나 감소시키도록 구성된
    전력 분배를 제어하는 방법.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 부하 전류가 로우 패스 필터를 사용하여 필터링되는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 추정된 배터리 전류를 추정하는 단계는 배터리가 상기 배터리를 손상시키지 않고 제공할 수 있는 안전한 배터리 전류를 추정하는 것을 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 과도 전류가 상기 부하 전류와 상기 추정된 배터리 전류 사이의 차이인
    전력 분배를 제어하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 패스트 에너지 저장 장치가 최소 충전에 도달할 때 상기 부하 전류를 감소시키는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 배터리로부터 이끌려진 상기 추정된 배터리 전류를 최대 배터리 전류 레벨까지 제한하는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 배터리 온도에 대응하여 상기 최대 배터리 전류 레벨을 가변시키는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 패스트 에너지 저장 장치의 낮은 충전 상태에 도달할 시 상기 패스트 에너지 저장 장치를 손상으로부터 보호하도록 상기 패스트 에너지 저장 장치로부터 상기 과도 전류를 점차 감소시키는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 패스트 에너지 저장 장치 및 상기 배터리로부터 전기 에너지의 흐름을 관리하도록 전력 컨버터 제어기에 방전 명령을 보내는 것을 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 전류를 분석하는 단계 및 정상 상태에 도달될 때를 결정하는 단계, 및 상기 정상 상태에 기초하여 상기 배터리에 의해 상기 패스트 에너지 저장 장치에 공급될 추정된 재충전 전류를 결정하는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 패스트 에너지 저장 장치의 충전 상태를 모니터링 하는 단계 및 상기 패스트 에너지 저장 장치를 손상으로부터 보호하기 위해, 상기 배터리에 의해 공급되도록 상기 추정된 재충전 전류를 점차 감소시키는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 패스트 에너지 저장 장치와 상기 배터리 사이에서 전기 에너지의 흐름을 관리하는 전력 컨버터 제어기에 재충전 명령을 보내는 단계를 더 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    정상 상태에 도달될 때를 결정하는 단계는 상기 과도 전류를 탐색 밴드와 비교하는 것을 포함하고, 상기 탐색 밴드는 상기 패스트 에너지 저장 장치가 재충전될 과도 전류의 범위를 특정하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 부하 전류를 분석하는 단계는 상기 부하가 정지되는지 또는 정상 상태에서 작동하는지를 결정하는 것, 및 상기 부하가 정지되면, 상기 패스트 에너지 저장 장치를 최대 충전까지 충전하도록 상기 재충전 전류를 제어하는 것, 및 상기 부하가 정상 상태에서 작동하면, 상기 패스트 에너지 저장 장치를 상기 최대 충전 아래까지 충전하도록 상기 재충전 전류를 제어하는 것을 포함하는
    전력 분배를 제어하는 방법.
  26. 하나 이상의 프로세서에 의해 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로그램들을 저장하기 위한 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서,
    부하에 의해 이끌려진 부하 전류를 결정하고;
    상기 부하 전류를 기초로, 상기 부하에 배터리로부터 공급될 추정된 배터리 전류를 추정하고;
    상기 추정된 배터리 전류 및 부하 전류에 기초하여 상기 부하에 패스트 에너지 저장 장치로부터 요구되는 과도 전류를 결정하고; 및
    상기 부하에 상기 패스트 에너지 저장 장치로부터 상기 과도 전류의 방전을 제어하기 위한 명령을 포함하는
    하나 이상의 프로세서에 의해 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로그램들을 저장하기 위한 컴퓨터 판독가능 저장 매체.
  27. 배터리 및 패스트 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에 의해 구동되는 부하를 최적으로 제어하는 방법으로서,
    상기 부하에 의해 이끌려진 부하 전류를 결정하는 단계;
    상기 부하 전류를 필터링하는 것에 의해 추정된 배터리 전류를 결정하는 단계;
    상기 추정된 배터리 전류를 상단 제 1 임계값까지 경계로 제한하는 단계; 및
    상기 추정된 배터리 전류를 하단 제 2 임계값까지 경계로 제한하는 단계를 포함하는
    배터리 및 패스트 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에 의해 구동되는 부하를 최적으로 제어하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 부하에 의해 이끌려진 전류가 시구간 동안 상기 상단 제 1 임계값보다 위에 있으면, 상기 배터리로부터 이끌려진 최대 전류를 상기 상단 제 1 임계값까지로 제한하는 단계를 더 포함하는
    배터리 및 패스트 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에 의해 구동되는 부하를 최적으로 제어하는 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 부하 전류가 상기 하단 제 2 임계값보다 아래에 있으면 상기 패스트 에너지 저장 장치를 재충전하는 단계를 더 포함하는
    배터리 및 패스트 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에 의해 구동되는 부하를 최적으로 제어하는 방법.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 추정된 배터리 전류를 기초로 상기 부하에 상기 패스트 에너지 저장 장치로부터 요구되는 과도 전류를 결정하는 단계, 및 상기 패스트 에너지 저장 장치로부터 상기 부하에 상기 과도 전류의 방전을 제어하는 단계를 더 포함하는
    배터리 및 패스트 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에 의해 구동되는 부하를 최적으로 제어하는 방법.
  31. 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행되도록 구성된 하나 이상의 프로그램들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서, 상기 하나 이상의 프로그램들이 배터리 및 패스트 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에서 전력 분배를 최적으로 제어하는 명령들을 포함하며, 상기 명령들은
    상기 부하에 의해 이끌려진 부하 전류를 결정하고;
    상기 부하 전류를 필터링하는 것에 의해 추정된 배터리 전류를 결정하고;
    상기 추정된 배터리 전류를 상단 제 1 임계값까지 경계로 제한하고; 및
    상기 추정된 배터리 전류를 하단 제 2 임계값까지 경계로 제한하기 위한 명령을 포함하는
    하나 이상의 프로세서들에 의해 실행되도록 구성된 하나 이상의 프로그램들을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
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