KR20120008459A - 전기 차량 내의 전기 부하를 충전하기 위한 조립체 및 방법 - Google Patents

전기 차량 내의 전기 부하를 충전하기 위한 조립체 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전력 충전 조립체 및 방법은 하이브리드 전기 차량(HEV) 내의 전기 추진 시스템의 전기 부하를 위한 사전 충전 저전류 상태, 정상 상태, 고전류 충전 상태 및 비접속 상태를 제공한다. 전력 충전 조립체는 포지티브 접촉 장치, 네거티브 접촉 장치 및 비접촉 장치 수단을 포함한다. 전기 부하가 사전 충전되는 속도는 비접촉 장치 수단에 의해 수신되는 펄스-폭 조정(PWM) 신호를 사용함으로써 효과적으로 제어될 수 있다. 전류만을 운반하는 포지티브 또는 네거티브 접촉기는 비접촉 장치 수단에 의해 전력 충전 조립체 작동 동안 포지티브 및 네거티브 접촉기의 접점들의 전기적 아크 발생을 더 방지하도록 구성될 수 있다.

Description

전기 차량 내의 전기 부하를 충전하기 위한 조립체 및 방법 {ASSEMBLY AND METHOD TO CHARGE AN ELECTRICAL LOAD IN AN ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 하이브리드 전기 차량(hybrid electric vehicle: HEV) 또는 전기차량(electric vehicle: EV)을 위한 전기 추진 시스템 내의 전력 충전 조립체에 관한 것이며, 더 구체적으로 전력 충전 조립체는 전기 부하를 위한 사전 충전 저전류 상태, 정상 상태, 고전류 충전 상태 및 접속 해제 상태를 제공하도록 작동적으로 협동하는 포지티브 접촉 장치, 네거티브 접촉 장치 및 비접촉 장치 수단을 포함한다.
도 1의 종래기술 구성에 도시된 바와 같이, 하이브리드 전기 차량(HEV) 또는 전기 차량(EV)(도시되지 않음)에 사용되는 전기 부하(1)를 전기적으로 충전 또는 방전하는 것은 공지되어 있다. 전기 부하(1)는 정상 상태 고전류가 부하(1)에 인가되기 전에 소정 전압 값까지 사전 충전된다. 제1 또는 포지티브 접촉 장치(2), 제2 또는 네거티브 접촉 장치(3) 및 제3 접촉 장치(4)가 사전 충전 소정 전압 값을 전기 부하(1)에 제공하기 위해 제어기(5)에 의해 작동적으로 제어된다. 접촉 장치(2, 3)는 300 내지 400볼트DC 이상의 일반적인 전압 등급 및 수백 암페어DC 이상의 일반적인 연속 전류 등급에서 작동하도록 전기적으로 등급 지정된 장치로서 정의된다. 접촉 장치(4)는 접촉 장치(2, 3)와 유사한 전압 등급을 갖지만, 10 내지 20암페어 범위의 일반적인 더 낮은 연속 직류(DC) 전류 등급을 갖는다. 접촉 장치(2, 3)는 대체로 약 10cm의 일반적인 높이 및 약 7cm의 직경의 패키지 크기를 갖는다. 접촉 장치(4)는 5cm의 일반적인 높이, 4cm의 일반적인 길이 및 3.5cm의 일반적인 폭을 갖는다. 접촉 장치들은 이들의 공지된 전기 회로 절연 특성 때문에 사용된다. 예를 들어, 일반적인 접촉 장치는 500옴/볼트보다 큰 절연 저항을 가질 수 있다. 정상 상태 고전류가 전기 부하에 인가되기 전에 소정 전압 값까지 부하를 사전 충전하는 것은 접점 생성부에서 포지티브 접촉기 및 네거티브 접촉기를 통한 돌입 전류(in-rush current)를 제한하고 전기 부하에 인가되는 전기 에너지를 제한하기 위해서 요구된다. 배터리(6)가 접촉 장치 또는 릴레이(2, 3, 4)를 통해 전기 부하(1)와 전기적으로 접속된다. 릴레이(2, 3, 4)는 각각의 릴레이를 통해 전류가 흐르는 전기 회로를 완성하는 접점 클로져로서 정의될 수 있는 구성/차단(make/break) 릴레이이며, 차단은 전류가 릴레이를 통해 흐르지 않는 회로의 개방이다. 전기 부하에 대한 제1 및 제2 접촉 장치의 폐쇄가 큰 전기 전위를 갖지 않도록 제3 접촉 장치를 통해 전기 부하를 사전 충전하는 것이 요구된다. 제1 및 제2 접촉 장치를 큰 전기 전위를 갖는 전기 부하에 대해 폐쇄하는 것은 접촉기에 바람직하지 않은 손상 또는 감소된 사용 수명을 초래할 수 있다. 유사하게, 큰 또는 대용량의 전기 부하 하에서 접촉기에 의한 전기 회로의 단절 또는 차단은 또한 접촉기의 사용 수명이 감소되는 바람직하지 않은 결과를 가져올 수 있다.
전류 제한 저항기(7)가 제3 접촉기 릴레이(4)와 직렬 전기 접속으로 접속된다. 전류 제한 저항기(7)는 전기 부하(1)에서 특정 사전 충전 전압 값을 얻기 위해 배터리(6)로부터 제3 접촉기 릴레이(4)를 통해 인가되는 전류를 제한하는데 사용된다. 전기 부하(1)는 또한 전류가 전기 부하(1)에 인가되는 것을 방지하기 위해 접촉기 릴레이(2, 3, 4)의 작동적인 제어에 의해 배터리로부터 전기적으로 접속 해제될 수 있다.
배터리(6)의 전압을 전기 부하(1)에 공급하는 제3 접촉기 릴레이(4)는 바람직하지 않은 큰 크기, 무게 및 비용을 갖는다. 전류 제한 저항기(7)는 바람직하지 않은 큰 크기 및 무게를 가지며, 또한 그것을 가로질러 인가되는 전압에 관련된 바람직하지 않은 열을 발산한다. 전류 제한 저항기의 물리적 크기는 일반적으로 길이가 12cm이고 높이가 약 2cm이다. 전류 제한 저항기의 저항값은 상이한 기타 사전 충전 전압 값을 얻기 위해 적은 유동성으로 전기 부하(1)에서 구현되는 사전 충전 전압 값을 결정한다.
전기 부하를 위한 사전 충전 상태, 정상 상태, 고전류 상태 및 접속 해제 상태를 제공하도록 구성된 튼튼하고 신뢰할 만한 전력 충전 조립체를 제공하는 한편 전력 충전 조립체를 구성하는 대응 전기 구성요소의 크기, 무게, 부품 수 및 비용을 저감할 것이 요구된다. 전기 부하의 사전 충전 값에 있어서 복수의 값들 중 하나를 얻기 위한 유동성을 제공하는 것이 또한 요구된다.
하이브리드 전기 차량(HEV) 또는 전기 차량(EV)을 위한 전기 추진 시스템에서 전기 부하를 전기적으로 충전하고 전기적으로 접속 해제하기 위해 전력 충전 조립체가 사용된다. 전기 부하를 전기적으로 충전하는 것은 적어도 하나의 전기 부하를 전기 부하의 전기 그라운드 전위보다 높은 전압 레벨까지 충전하기 위해 사전 충전 상태를 제공하는 것을 포함한다. 전기 부하를 전기적으로 충전하는 것은 또한 사전 충전 상태가 달성된 후에 적정 시점에서 정상 상태, 고전류 충전 상태를 제공하는 것을 포함한다. 전기 부하는 또한 전력 충전 조립체가 전기적으로 정지되도록 구성될 때 전기적으로 접속 해제될 수 있다. 전력 충전 조립체는 전기 부하를 위한 사전 충전 상태, 정상 상태 고전류 충전 상태 및 접속 해제 상태를 제공하도록 작동적으로 협력하는 포지티브 접촉 장치, 네거티브 접촉 장치 및 비접촉 장치 수단을 포함한다.
사전 충전 상태 및 정상 상태, 고전류 충전 상태를 가능하게 하기 위한 방법이 제공된다. 전기 부하에 대한 접속 해제 상태를 가능하게 하기 위한 추가의 방법이 또한 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참고하여 더 설명될 것이다.
도 1은 하이브리드 전기 차량에 사용되는 전기 회로를 충전하는 종래 기술의 개략적인 전기 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 고체 상태 전기 장치를 사용하는 하이브리드 전기 자동차에 배치된 전력 충전 조립체이다.
도 3은 도 2의 전력 충전 조립체의 개략적인 전기 다이어그램이다.
도 4는 도 3의 전력 충전 조립체를 사용하여 전기 부하를 위한 사전 충전 상태 및 정상 상태, 고전류 상태를 얻는 방법이다.
도 5는 도 3의 전력 충전 조립체를 사용하여 전기 부하를 접속 해제하는 방법이다.
도 6은 본 발명의 대안적인 실시예에 따라 고체 상태 장치가 펄스 폭 조정(PWM) 전기 신호를 사용하여 작동적으로 제어되는 전력 충전 조립체이다.
도 7은 본 발명의 다른 대안적인 실시예에 따라 고체 상태 전기 장치와 직렬 전기 접속된 저전압 릴레이를 사용하는 전력 충전 조립체의 개략적인 전기 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 대안적인 실시예에 따라 사전 충전 전압 값을 전기 부하에 제공하기 위한 저전압을 포함하는 전력 충전 조립체의 개략적인 전기 다이어그램이다.
하이브리드 전기 차량(HEV)은 통상적인 내연 기관 추진 시스템을 전기 추진 시스템과 조합한다. 전기 차량(EV)은 대체로 전기 추진 시스템만을 가질 수 있다. 전기 추진 시스템은 통상적인 내연 기관만을 가진 차량에 비해 증가된 연비를 달성하도록 HEV 또는 EV를 보조한다. 도 2를 참조하면, 일반적으로 알려진 HEV는 하이브리드 전기 자동차(10)이다. 본 발명은 하이브리드 전기 자동차(10)에만 사용되는 것으로 한정되지 않으며, HEV 기술을 채용한 어떠한 유형의 차량에도 적합하다. 예를 들어, 픽-업 트럭 및 트랙터-트레일러 트럭과 같은 하이브리드 전기 트럭에 대한 소비자의 인기가 또한 증가하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도 2를 참고로, 자동차(10)는 전기 추진 시스템(12)을 포함한다. 전기 추진 시스템(12)은 배터리(14), 단일 전기 부하(16) 및 이들과 각각 접속된 전력 충전 조립체(18)를 포함한다. 조립체(18)는 배터리(14)와 부하(16) 사이에 배치된다. 배터리(14)는 자동차(10)의 바닥을 따라 배치된 것으로 도시되어 있다. 대안적으로, 배터리는 HEV 또는 EV 응용예에 대한 전기적 요건에 부합하는 자동차 내의 어느 곳에도 패키징될 수 있다. 조립체(18)는 배터리(14)로부터 전기 부하(16)까지의 전압/전류 부하의 게이트 및 브릿지에 사용된다. 조립체(18)는 전기 부하를 위한 사전 충전 저전류 상태, 정상 상태, 고전류 충전 상태 및 접속 해제 상태를 갖는 것을 포함한다. 사전 충전 단계는 전기 부하(16)가 제어된 방식으로 배터리(14)로부터의 전압으로 전기 충전되는 때로서 정의된다. 사전 충전 단계 동안, 배터리와 전기 부하는 정상 상태, 고전류 상태에서보다 더 제한된 방식으로 커플링된다. 정상 상태, 고전류 상태는 전기 부하(16)가 전력 충전 조립체 작동 동안 사전 충전 상태 후에 적절한 시점에서 전기 에너지로 연속적으로 충전되는 때로서 정의된다. 정상 상태, 고전류 상태 동안, 배터리(14)와 전기 부하(16)는 직접 커플링된다. 접속 해제된 상태는 전기 부하(16)가 배터리(14)로부터 커플링 해제되거나 접속 해제되는 것을 정의한다.
부하(16)에 전압이 결여되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 조립체(18)는 부하(16)가 전압으로 사전 충전되는 것을 보조하기 위해, 그리고 정상 상태, 고전류 상태를 부하(16)에 제공하기 위해 이용된다. 부하(16)에 저장된 에너지는 조립체(10)의 전자기적 성능을 개선하는 것을 보조한다. 바람직하게는, 조립체(18)는 배터리(14) 부근에 위치하는데, 이는 전기 추진 시스템이 전기적으로 정지될 때 HEV 자동차(10) 내에 배치된 전기 라인, 와이어 또는 케이블(도시되지 않음) 상에서 높은 전류가 활성화되는 것을 방지하는데 유용하다. 전기 부하(16)는 조립체(10) 및 배터리(14)로부터 떨어져 배치된다. 대안적으로, 전기 부하는 전력 충전 조립체 부근에 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 부하(16)는 하이브리드 전기 자동차(10)의 엔진 격실(17) 내에 배치된다. 복수의 배터리 셀(20)들이 서로 전기적으로 커플링되고, 이들은 전기 부하(16)가 전기 추진 시스템(12)의 작동 동안 지속적인 공급 전류를 갖는 것을 보장하기에 적합하다. 대안적으로, 배터리는 단일 배터리 셀(도시되지 않음)일 수 있다. 바람직하게는, 전기 부하(16)는 하류의 DC/DC 컨버터 조립체(도시되지 않음)와 커플링된 용량성 전기 부하(22)이다. 용량성 전기 부하(22)는 바람직하지 않은 전자기적 자기 간섭(EMI)을 줄이기 위해 하류의 전기 부하에 인접하여 국지적으로 전기 에너지를 필터링하고 저장하는데 유용하다. 하류 전기 부하를 위한 국지적 에너지 저장은 고전압 전기 에너지가 하류 전기 부하로부터 멀리 떨어져 배치된 배터리로부터 HEV를 통해 인출되는 것을 방지하는데 도움이 된다. 예를 들어, 하류 전기 부하는 DC/DC 컨버터(도시되지 않음)일 수 있다. DC/DC 컨버터는 HEV 내의 전조등, 경적, 라디오 등에 전력을 공급하기 위해 배터리로부터 공급되는 고전압 레벨을 저전압 부하로 변환한다. 대안적으로, 하류 전기 부하는 인버터/모터 구동 조립체일 수 있다.
전기 부하(16)가 전기 그라운드 기준 전압 전위에 있을 때 조립체(10)의 정상 상태, 고전류 상태에서 전기 부하(16)에 공급하는 것은 바람직하지 않다. 일부 HEV 응용예들은 0볼트DC의 전기 그라운드 기준 전압 전위를 가질 수 있다. 전기 부하(16)는 하류 전기 부하의 효율적인 작동을 허용하기 위해 적절한 전기 전위까지 전기적으로 사전 충전된다. 대안적으로, 전기 부하(16)는 저항성 또는 유도성 전기 부하일 수 있다. 또 다른 대안으로서, 전기 부하(16)는 구체적인 HEV 응용예의 요건에 따라 하류 전기 부하와 각각 커플링되거나 조합되는 복수의 전기 부하를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전기 부하가 전기적 그라운드 전위에 있을 때 정상 상태, 고전류 상태가 발생한다면, 접촉기의 조기 아크 발생(arcing)이 접촉기 및 조립체에 부수적인 손상을 초래할 수 있다. 더 바람직하게는, 정상 상태, 고전류 상태를 전기 부하에 적용하기 전에 전기 부하를 전기 그라운드 전위보다 크고 배터리의 전압 레벨보다 낮은 소정 전압 값까지 사전 충전하는 것이 바람직하다. 전기 부하(16)가 소정 전압 레벨까지 사전 충전된 후에, 전기 부하(16)의 전압 및 전류 요건이 전기 추진 시스템(12)의 정상 상태 작동 동안 유지되는 것을 보장하기 위해 조립체(10)는 고전류 충전의 연속적인 공급을 제공하도록 구성된다.
조립체(10)는 또한 더 이상 전류가 공급되어 전기 부하(16)를 충전하지 않도록 조립체(10)가 전기적으로 정지되기 전에 전기 부하(16)를 접속 해제하기 위해 접속 해제 상태를 갖도록 구성된다. 접속 해제 상태는 조립체(18) 또는 전기 추진 시스템(12)의 일부의 수리를 위해 수리 기술자가 필요할 때 수리 기술자가 당할 수 있는 바람직하지 않은 감전 또는 기타 부상이 방지되도록 하는데 유용하다. 일반적으로, 전기적으로 충전된 회로 내의 각각의 전기 부하와 전기적으로 커플링된 하류 전기 부하는 저장된 에너지를 전기 부하에 방전할 것이다. 접속 해제 상태는 또한 HEV 자동차가 바람직하지 않은 사고를 당한 경우에 유용하다. 사고가 발생하면, 제어기는 전력 충전 조립체를 포함하는 전기 추진 시스템의 전기적 정지를 수행하도록 구성된다. 대안적으로, 복수의 전기 부하가 동시에 사전 충전될 수 있다. 다른 대안으로서, 복수의 전기 부하는 배터리와 동시에 정상 상태, 고전류 상태로 들어갈 수 있다. 또 다른 대안으로서, 복수의 전기 부하가 배터리로부터 동시에 전기적으로 접속 해제될 수 있다.
도 3을 참조하면, 전력 충전 조립체(18)는 포지티브 접촉 장치 또는 릴레이(26), 네거티브 접촉 장치 또는 릴레이(28) 및 비접촉 장치 또는 릴레이 수단(29)을 포함한다. 비접촉 장치 수단은 수백 볼트DC 미만으로 회로를 구성 또는 차단하는 장치로서 정의된다. 접촉기 릴레이(26, 28)는 ON 위치 및 OFF 위치를 갖는다. ON 위치에 있을 때, 접촉기(26, 28)는 배터리(14)를 전기 부하(16)와 전기적으로 접속한다. OFF 위치에 있을 때, 접촉기(26, 28)는 배터리(14)와 전기 부하(16)를 전기적으로 접속 해제한다. 구성/차단 접촉기(26, 28)는 작은 건포도 상자(raisin box)의 크기와 유사한 물리적 크기 또는 약 2인치×3인치의 치수 면적을 가질 수 있다. 비접촉 릴레이 수단(29)은 고체 상태 전기 장치(30)이다. 고체 상태 장치(30)는 IGBT 전기 장치, MOSFET 전기 장치 또는 바이폴라 전력 전기 장치 등일 수 있다. 포지티브 접촉기 릴레이(26)는 배터리(14)의 포지티브측(32) 및 전기 부하(34)의 포지티브측과 전기 접속된다. 네거티브 접촉기 릴레이(28)는 배터리(14)의 복귀측(36) 및 전기 부하(16)의 복귀측(38)과 전기 접속된다. 접촉기 릴레이(26)는 접촉기 릴레이(28)와 병렬 전기 접속된다. 고체 상태 장치(30)는 배터리(32)의 포지티브측 및 전기 부하(34)의 포지티브측과 전기 접속된다. 고체 상태 장치(30)는 접촉기 릴레이(26, 28)와 병렬 전기 접속된다. 접촉기 릴레이(26, 28) 및 고체 상태 장치(30)는 제어기(39)와 전기 접속된다. 제어기(39)는 부하(16)에 사전 충전 전압을 제공하고, 또한 부하(16)에 대한 정상 상태 고전류 상태를 제공하기 위해 장치(26, 28, 30)를 작동적으로 제어하도록 구성된다. 바람직하게는, 제어기(39)는 컴퓨터 또는 프로세서 등일 수 있고, 이것은 바람직하게는 자동차 내의 배터리 근처에 위치하고, 전기 추진 시스템(12)의 일부이다. 제어기(39)는 전기 추진 시스템(12) 내에 배치되지만, 전력 충전 조립체(18) 내에는 배치되지 않는다. 대안적으로, 제어기는 전력 충전 조립체의 일부로서 패키징될 수 있다. 접촉기 릴레이(26, 28)는 또한 전기 추진 시스템이 사용되지 않을 때 고전압으로부터 HEV 자동차의 탑승자 또는 HEV 자동차를 수리하는 수리 기술자를 보호하는데 유용하다. 접촉기 릴레이(26, 28)들이 전기적으로 접속되면, 접촉기 릴레이(26, 28)와 전기적으로 접속된 전기 회로는 인가된 전압에서 300 내지 400볼트 점프를 겪을 수 있다.
전력 충전 조립체(18)가 작동 중이 아니거나 또는 전기적으로 OFF되면, 전압 또는 전류가 배터리(12)로부터 부하(16)로 전달되지 않는다. 포지티브 및 네거티브 접촉 장치(26, 28)는 배터리(12) 및 부하(16)와의 접속을 제공하지 않으며, 전압 또는 전류가 전기 부하(16)로부터 배터리(14)로 전달되지 않는다.
도 4를 참조하면, 전력 충전 조립체(18)는 조립체(18)가 전기적으로 ON되고 정상 상태 작동으로 사용될 때 부하(16)를 충전하도록 작동된다. 부하(16)를 충전하는 방법(40)은 비접촉 장치 수단을 제공하는 단계(42)를 포함한다. 다른 단계(44)는 네거티브 접촉 장치(28)를 사용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 전기 부하(16)와 전기적으로 접속하는 것을 포함한다. 방법(40)의 다른 단계(45)는 조립체(18)를 사전 충전 상태로 들어가게 하는 비접촉 장치 수단(29)을 사용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 전기 부하(16)에 전기적으로 접속하는 것을 포함한다. 조립체(18)의 사전 충전 상태는 부하(16)의 초기 기준 그라운드 전압 전위로부터 적어도 하나의 전기 부하(16)를 적어도 부분적으로 전기 충전하도록 발생한다.
사전 충전 상태가 가능해진 후에, 방법(40)의 다른 단계가 포지티브 접촉 장치(16)를 사용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 부하(16)와 전기적으로 접속한다. 포지티브 접촉기(16)의 전기 접속에 의해, 정상 상태 고전류 상태가 조립체(18)에 발생하여 적어도 하나의 전기 부하(16)를 충전한다. 일단 정상 상태, 고전류 상태가 채용되면, 방법(40)의 다른 단계(48)는 고체 상태 장치(30)를 사용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 부하(16)로부터 전기적으로 접속 해제하는 것을 포함한다. 고체 상태 장치(30)를 통한 부하(16)로의 전기 경로는 정상 상태, 고전류 상태를 위한 부하로의 전류 유동 값보다 대체로 작은 전류 유동 값을 갖는다. 따라서, 일단 정상 상태 고전류 상태가 조립체(18)에서 구현되면, 고체 상태 장치를 통한 전류 유동 경로는 필요하지 않다. 바람직하게는, 적어도 하나의 전기 부하가 실질적으로 전기 방전된 후에, 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치(30)가 적어도 하나의 전기 부하로부터 접속 해제된다. 이것은 부하가 효과적으로 사전 충전된 후의 시간 주기 내에 일어날 수 있다. 바람직하게는, 부하(16) 상의 전압과 배터리(14) 상의 전압의 감지는 사전 충전 상태가 아직 완료되지 않았음을 나타내는 전압 전위가 존재하는지 판단하기 위해 비교될 수 있다. 일반적으로, 사전 충전 상태는 시간의 이벤트(timed event)이다. 이것은 숙련자들이 사전 충전 저항기의 직렬 저항뿐만 아니라 회로 및 배터리의 부하측에서의 용량의 크기를 알 것이라는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 사전 충전 상태를 달성하기 위한 시간 상수가 결정될 수 있고, 조립체(18)의 회로에 맞게 설계될 수 있다.
도 5를 참조하면, 조립체(18)가 전기적으로 정지될 것이 요구될 때, 부하(16)를 배터리(14)로부터 전기적으로 접속 해제하는 방법(50)이 제공된다. 방법(50)의 단계(53)는 비접촉 장치 수단(29)을 사용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 전기 부하(16)와 전기적으로 접속하는 것이다. 방법(50)의 다른 단계는 포지티브 접촉 장치(26)를 사용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 전기 부하(16)로부터 전기적으로 접속 해제하는 것이다. 방법(50)의 다른 단계는 비접촉 장치 수단(29)을 이용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 전기 부하(16)로부터 전기적으로 접속 해제하는 것이다. 방법(50)의 또 다른 단계는 네거티브 접촉 장치(28)를 사용하여 배터리(14)를 적어도 하나의 전기 부하(16)로부터 전기적으로 접속 해제하는 것이다.
도 6을 참조하면, 고체 상태 장치(130)를 가진 충전 조립체(118)가 펄스 폭 조정 전기 신호(131)에 의해 제어되는 본 발명의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 도 2 내지 도 5의 실시예와 유사한 도 6의 대안적인 실시예의 요소들은 100의 차이를 갖는 도면부호를 갖는다. 고체 상태 장치(130)는 제어기(139)로부터 PWM 신호(131)를 수신한다. 제어기(139)는 고체 상태 장치(130)가 제어되고 따라서 부하(116)가 사전 충전되는 속도 및 정도(magnitude)를 설정하는 제어기(139)의 메모리(도시되지 않음) 내의 PWM 제어 알고리즘(135)을 포함한다. 바람직하게는, 저전류 레벨 PWM 신호는 고체 상태 장치의 게이트 또는 베이스에 적용된다. 또한 바람직하게는, PWM 신호가 고체 상태 장치에 최초로 적용될 때, 쇄도하는 전류가 배터리로부터 고체 상태 장치에 인가될 가능성을 최소화기 위해 좁은 PWM 펄스가 활용된다. 소정 시간 후에, PWM 신호(131)의 듀티 사이클(duty-cycle)은 부하(116)의 제어된 사전 충전을 허용하도록 확대된다. 예를 들어, 부하(116)의 전압 값은 조립체(118)의 실시간 작동 동안 상이한 값을 가질 수 있다. 이것은 사전 충전 상태 기능성, PWM 제어 및 사전 충전 상태를 발생시키기 위해 이용되는 회로 요소에 추가적인 설계 유동성을 허용할 수 있다. PWM 신호(131)는 제어기(139)에 의해 인가되는 사전 충전 부하(116)에 유용한 0%로부터 100%까지의 듀티 사이클을 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 부하(116)에 대한 사전 충전 상태는 정해진 시간에 걸쳐 특정 전압 값을 달성하기 위해 정밀하게 제어될 수 있다. 부하(116)에서 완전 충전이 달성됨에 따라, PWM 신호(131)의 듀티 사이클이 감소되어, 정상 상태, 고전류 모드로의 순차적인 이행이 발생할 수 있다. 도 6의 구성에서, 고체 상태 장치와 직렬 전기 접속되는 전류 제한 저항기는 필요하지 않을 수 있다. 다른 대안으로서, 전류 제한 저항기는 고체 상태 장치로부터 전기 부하로의 전류를 더 제한하기 위해 고체 상태 장치와 직렬 전기 접속 상태로 포함될 수 있다. 채용된 전류 제한 저항기는 가열시에 저항 특성이 바뀌어 배터리로부터 밀려오는 큰 전류가 하류 전기 부하에 충격을 가하는 것을 방지하도록 하는 특별한 종류의 저항기이다. 전류 제한 저항기는 또한 상이한 양의 전력이 그것을 통해 진행하는 것을 허용하도록 구성된다. 도 6에 도시된 바와 같은 PWM 제어를 사용하는 것은 감소된 물리적 크기의 전류 제한 저항기를 허용할 수 있거나 또는 저항기를 통해 발산되는 열이 감소되거나 제거되는 것으로 인해 완전히 제거될 수 있다. 사전 충전 상태가 시작되면, 배터리와 부하 캐패시터 사이의 전압 전위는 기본적으로 배터리 전압(300 내지 400V)이다. 조립체(118)의 회로가 충전을 시작함에 따라서, 부하(116)와 배터리(114) 사이의 전압 전위는 감소한다. 저항기는 고정 저항 값이기 때문에, 전류는 배터리와 부하 사이의 전압 전위 및 옴(Ohm)의 법칙에 따른 저항 값의 함수로서 달라질 것이다. 고체 상태 장치의 PWM 제어를 사용하는 것은 전기 부하의 전기 부하가 특정 HEV 자동차 응용예에 커스터마이징되는 것을 허용한다. 도 6의 회로가 직렬 사전 충전 저항기 없이 사용되면, 바람직하게는 펄스의 수는 고체 상태 장치(129)의 저항과 함께 사전 충전 상태가 완성된 시간을 판단하는데 사용될 수 있다. 배터리(114)에서의 전압과 전기 부하(116)에서의 전압 사이의 전압 비교는 사전 충전 상태의 확인으로서 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 대안적인 실시예에서, 저전압 릴레이(247)가 고체 상태 장치(230)와 직렬 전기 접속 상태로 배치될 수 있다. 저전압 릴레이(247)는 40볼트 미만의 접촉 전압 등급 및 10 내지 20암페어 범위의 연속 DC 전류 등급을 갖는 릴레이로서 정의된다. 일반적인 저전압 릴레이는 도 1의 종래 기술의 실시예에서의 제3 접촉기(4)의 물리적 크기의 1/4인 일반적인 물리적 크기를 갖는다. 도2 내지 도 5와 유사한 도 7의 대안적인 실시예의 요소들은 200의 차이를 갖는 도면부호를 갖는다. 릴레이(247)는 단순히 고체 상태 장치(230)를 별도로 사용하는 것보다 배터리(214)와 부하(216) 사이의 추가적인 전기 절연을 제공하는데 유용할 수 있다. 조립체(218)의 회로의 전기적 작동에 있어서, 고체 상태 장치(230)가 OFF되는 비부하 조건 하에서 릴레이(247)가 먼저 폐쇄된다. 다음으로, 네거티브 접촉기(228)가 폐쇄되어, 배터리(214)를 부하(216)와 전기적으로 접속한다. 다음으로, 고체 상태 장치(230)가 활성화되어, 사전 충전 상태가 부하(216) 상에서 수행된다. 다음으로, 포지티브 접촉기(226)가 릴레이(247)의 사전 충전 회로 및 고체 상태 장치(230)를 가로질러 폐쇄된다. 다음으로, 고체 상태 장치(230)는 비활성화되거나 또는 전기적으로 OFF된다. 다음으로, 릴레이(247)가 개방되어 고체 상태 장치(230)를 절연시킨다. 대안적으로, 도 7의 실시예는 도 6의 실시예에서 논의된 바와 같은 PWM 제어를 채용할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 대안적인 실시예에서, 저전압 저전류 릴레이(355)는 사전 충전 상태 기능성을 수행하도록 비접촉 장치 수단으로서 채용될 수 있다. 릴레이(355)는 도 7의 실시예의 릴레이(247)와 유사한 전기적 그리고 물리적 특성 및 기능성을 갖는다. 도 2 내지 도 5의 실시예와 유사한 도 8의 대안적인 실시예의 요소들은 300의 차이를 갖는 도면부호를 갖는다. 릴레이(355)는 또한 도 1의 종래 기술 실시예의 제3 접촉기(4)에 비해 감소된 비용을 갖는다. 제1 단계는 릴레이(355)가 폐쇄되어 배터리(314)를 부하(316)와 접속시키는 것이다. 다음으로, 네거티브 접촉기(328)가 폐쇄되어 배터리(314)를 부하(316)와 접속시킨다. 다음으로, 사전 충전 상태가 부하(316) 상에서 수행된다. 다음으로, 포지티브 접촉기(326)가 릴레이(355)를 가로질러 폐쇄된다. 다음으로, 릴레이(355)가 개방되고, 이는 부하(316)를 배터리(314)로부터 접속 해제한다. 바람직하게는, 사전 충전 저항기(도시되지 않음)는 부하(316)에 인가되는 전류를 더 제한하기 위해 릴레이(355)와 전기적 직렬 접속 상태로 사용될 수 있다.
하나의 대안적인 실시예에서, 포지티브 접촉기와 네거티브 접촉기 중 적어도 하나는 전류만을 운반하는 릴레이로서 구성될 수 있다. 이 구성은 포지티브 및 네거티브 접촉 장치에서 유효 수명을 증가시키는데 유용하다. 포지티브 접촉기가 전류만을 운반하는 접촉기라면, 포지티브 접촉기는 회로 루프가 전기 부하와 폐쇄될 때 접점이 개방에서 폐쇄 위치로 또는 폐쇄에서 개방위치로 가압될 때 포지티브 접촉기 릴레이의 접점(도시되지 않음)의 전기적 아크 발생을 방지하기 위해 네거티브 접촉기 및 비접촉 장치 수단과 작동적 조합으로 작동한다. 비접촉 장치 수단은 접점을 갖지 않으며, 아크를 발생시킬 수 없다. 아크 발생을 완화하기 위해 포지티브 전류 전용 접촉기(positive current-only contactor)가 구성되고, 우선 폐쇄된다. 포지티브 접촉기를 통한 전류 유동이 존재하지 않으면, 이것은 네거티브 접촉기 및 비접촉 장치 수단이 ON 또는 폐쇄되어 있지 않고, 따라서 포지티브 접촉기의 접점에서 아크가 발생하지 않는다는 것을 나타낸다. 이어서, 비접촉 장치 수단이 ON되어, 회로가 포지티브 및 네거티브 접촉 장치를 통해 전력을 공급받는 상태로 사전 충전 상태가 발생하는 것을 허용한다. 네거티브 접촉 장치가 이미 폐쇄되고 비접촉 장치가 고체 상태 전기 장치이면, 전력 충전 조립체의 회로 작동 동안 전기적 아크가 발생하지 않는다. 사전 충전 상태가 완료되고 전기 부하(16)의 전압이 대략 배터리의 값이 되면, 포지티브 접촉 장치는 폐쇄된다. 배터리와 전기 부하 사이에 전압 전위가 거의 또는 전혀 없기 때문에, 아크 전위가 존재하지 않으며, 장치의 접점(도시되지 않음)은 아크 발생을 겪지 않을 것이다. 네거티브 접촉기는 높은 전압 조건 하에서 회로를 차단하기 위해 사용될 것이며, 포지티브 전류 전용 접촉기는 고전압 조건을 중단시키는데 요구되지 않을 것이다.
본 발명의 다른 대안적인 실시예에서, 단일 고체 상태 장치는 전기 부하에 사전 충전 상태를 제공하기 위해 전기 부하와 직렬 또는 병렬 전기 접속 상태로 사용되는 복수의 고체 상태 장치일 수 있다. 고체 상태 장치들을 직렬 전기 접속 상태로 조합함으로써, 고전압 절연이 고체 상태 장치의 개방 또는 OFF 조건 동안 실현될 수 있다. 병렬 전기 접속에서, 고체 상태 장치는 전류를 공유하여 저전류 등급의 고체 상태 장치들의 조합이 사전 충전 상태를 수행하는데 사용되는 것을 허용한다. 고체 상태 장치는 또한 단일 패키징된 고체 상태 장치보다 더 효과적으로 열 부하를 공유할 수 있다. 대안적으로, 도 6의 실시예의 PWM 제어는 도 8의 실시예에 채용될 수 있다.
또 다른 대안으로서, 하나 이상의 전류 센서가 배터리에 채용되어 충전 전류 또는 방전 전류를 측정할 수 있다. 전류 센서는 포지티브 및 네거티브 접촉 장치 및 비접촉 장치 수단으로서 동일한 인쇄 회로 기판 상에 패키징될 수 있다. 예를 들어, 과전류를 수반하는 안전 문제가 존재하는 경우에, 제어기는 전력 충전 조립체 및 전기 추진 시스템의 순차적인 전기적 정지를 발생시킬 수 있다.
또 다른 대안으로서, 배터리로부터의 충전 또는 방전 전류를 감시하기 위해 전류 센서를 감시하는 프로세서는 쿨롱(coulomb) 계산 동작을 수행하고, 이 정보를 CAN 또는 LIN 시리얼 통신 데이터 버스와 같은 시리얼 통신 데이터 버스를 거쳐 전력 충전 조립체에 전달할 수 있다.
대안적으로, 전기 부하의 충전은 전기 부하의 충전 상태를 알기 위해 제어기에 의해 감시될 수 있다.
대안적으로, 포지티브 또는 네거티브 접촉기가 인가 전압이 없는 전류-운반 접촉기이면, 접점이 회로 내에서 폐쇄될 때 접촉기의 바람직하지 않은 전기 아크 발생이 더욱 최소화될 수 있다. 일반적으로, 전류 운반 접촉기는 고전압 스위칭 응용예에 적합하지 않고, 고전류 부하를 지지하도록 구성된다. 따라서, 전류 운반 접촉기는 배터리로부터의 또는 전기 추진 시스템 내의 고전압의 단절 또는 접속으로부터 보호되도록 구성될 것이다.
다른 대안적인 실시예는 PWM 신호 정보를 고체 상태 장치의 PWM 제어를 위한 통신 데이터 버스에 걸쳐 디지털 신호로서 전달하는 것일 수 있다.
또 다른 대안으로서, 사전 충전 상태가 도 3 내지 도 8의 실시예의 전기 부하의 레그의 포지티브측을 통해 발생하는 동안, 사전 충전 상태가 전기 부하의 레그의 네거티브측을 통해 전력 충전 조립체 내에 발생할 수 있다.
이와 같이, 포지티브 접촉기, 네거티브 접촉기 및 비접촉 장치 수단을 사용하여 사전 충전 상태, 정상 상태, 고전류 상태 및 비접속 상태를 견고하고 신뢰성 있게 제공하는 견고한 조립체 및 방법이 제시되었다. 비접촉 장치 수단은 FET 또는 IGBT 장치와 같은 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치일 수 있다. 고체 상태 장치를 사용하는 것은 전자기적 고전압, 고전류 접촉기보다 긴 작동 사용 수명을 가질 수 있다. 고체 상태 장치는 감소된 물리적 크기를 가지며, 접촉 장치보다 감소된 비용으로 여전히 견고한 전기적 작동을 제공한다. 고체 상태 전기 장치는 전기 부하에 전달되는 사전 충전 전압 값을 작동적으로 제어하기 위해 제어기로부터 PWM 신호를 수신할 수 있다. 수신된 PWM 신호의 제어로부터 실현된 사전 충전 전압 값의 범위는 전기 부하의 커스터마이징된 사전 충전을 제공한다. 포지티브 및 네거티브 접촉기와 고체 상태 전기 장치는 전력 충전 조립체의 더 효과적인 패키징을 위한 감소된 크기 및 감소된 질량을 갖는 단일 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 패키징될 수 있다. 효과적인 PWM 제어는 고체 상태 전기 장치와 직렬 전기 접속 상태인 전류 제한 저항기가 제거되는 것을 허용하여, 전력 충전 조립체의 PCB 레이아웃을 더 단순화할 수 있다. 고체 상태 장치와 직렬 전기 접속 상태로 배치된 저전압 릴레이는 고체 상태 장치만을 사용하여 제공되는 절연에 비해 추가의 전기적 절연을 제공할 수 있다. 비접촉 장치 수단은 전기 부하를 충전하기 위한 효과적인 사전 충전 상태를 제공하는 대안적인 방법을 제공하기 위해 포지티브 및 네거티브 접촉 장치와의 병렬 전기 접속 상태로 사용되는 저전압 릴레이일 수 있다. 전류만을 운반하는 포지티브 또는 네거티브 접촉기의 구현은 전력 충전 조립체 작동 동안 접촉기의 접점들의 바람직하지 않은 아크 발생을 완화하는데 유용할 수 있다.
본 발명은 특정한 바람직한 실시예들을 참조하여 도시되고 설명되었지만, 당업자들에 의해 형태와 세부에 다양한 변화가 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
청구범위에 사용된 모든 용어들에는 달리 반대로 지시되지 않는 한 당업자들에 의해 이해되는 가장 넓은 통상의 의미 및 합당한 구성이 주어진다. 특히, "하나의", "그" 및 "상기" 등과 같은 단수 관사는 청구범위에서 명시적인 한정을 반대로 하지 않는 한 지시된 요소들 중 하나 이상을 말하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 전기 부하를 전기적으로 충전하기 위해 하이브리드 전기 차량용 전기 추진 시스템에 사용되는 전력 충전 조립체이며,
    배터리에 복귀 전기 신호를 출력하고 적어도 하나의 전기 부하로부터 복귀 전기 신호를 수신하는 네거티브 접촉 장치와,
    배터리로부터 전기 신호를 수신하고 전기 부하에 전기 신호를 출력하는 포지티브 접촉 장치와,
    배터리로부터 전기 신호를 수신하고 전기 부하에 전기 신호를 출력하도록 구성된 비접촉 장치 수단을 포함하는
    전력 충전 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 비접촉 장치 수단은 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치인
    전력 충전 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치는 가변 펄스-폭 조정(PWM) 전기 신호를 수신하고, 적어도 하나의 전기 부하는 수신된 PWM 전기 신호에 비례하여 전기적으로 충전하는
    전력 충전 조립체.
  4. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치는 (i) FET 타입 장치 및 (ii) IGBT 타입 장치 중 하나인
    전력 충전 조립체.
  5. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치는 단일 장치를 포함하는
    전력 충전 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 포지티브 접촉 장치, 네거티브 접촉 장치 및 비접촉 장치 수단은 배터리와 적어도 하나의 전기 부하 사이에 병렬 전기 접속 상태로 구성되는
    전력 충전 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 비접촉 장치 수단은 적어도 하나의 전기 부하가 실질적으로 전기 충전되기 전에 적어도 하나의 전기 부하의 충전을 중단하는
    전력 충전 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 비접촉 장치 수단은 전류 제한 저항기와 직렬 전기 접속 상태로 구성되는
    전력 충전 조립체.
  9. 제1항에 있어서, (i) 포지티브 접촉 장치 및 (ii) 네거티브 접촉 장치 중 적어도 하나는 전류만을 운반하도록 구성된 장치인
    전력 충전 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 전력 충전 조립체는 포지티브 접촉 장치, 네거티브 접촉 장치 및 비접촉 장치 수단의 작동적 제어에 의해 적어도 하나의 전기 부하와의 전기 접속을 작동적으로 해제하도록 더 구성되는
    전력 충전 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 비접촉 장치 수단은 저전압 전기 릴레이인
    전력 충전 조립체.
  12. 하이브리드 전기 차량의 전력 시스템 내에 배치되는 전력 충전 조립체를 사용하여 배터리로부터 적어도 하나의 전기 부하를 전기적으로 충전하기 위한 전기 접속 방법으로서, 상기 전력 충전 조립체는 포지티브 접촉 장치 및 네거티브 접촉 장치를 포함하는, 전기 접속 방법이며,
    비접촉 장치 수단을 제공하는 단계와,
    네거티브 접촉 장치를 사용하여 배터리를 적어도 하나의 전기 부하와 전기적으로 접속하는 단계와,
    비접촉 장치 수단을 사용하여 배터리를 적어도 하나의 전기 부하와 전기적으로 접속하는 단계를 포함하고,
    이로써 사전 충전 상태가 발생하여 적어도 하나의 전기 부하를 충전하는
    전기 접속 방법.
  13. 제12항에 있어서, 포지티브 접촉 장치를 사용하여 배터리를 적어도 하나의 부하와 전기적으로 접속하는 단계를 더 포함하고, 이로써 정상 상태, 고전류 상태가 발생하여 적어도 하나의 전기 부하를 충전하는
    전기 접속 방법.
  14. 제13항에 있어서, 비접촉 장치 수단을 사용하여 배터리를 적어도 하나의 부하로부터 전기적으로 접속 해제하는 단계를 더 포함하는
    전기 접속 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 단계들은 기재된 순서대로 수행되는
    전기 접속 방법.
  16. 제12항에 있어서, 비접촉 장치 수단을 제공하는 단계에서는 비접촉 장치 수단이 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치를 포함하는
    전기 접속 방법.
  17. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 고체 상태 장치를 제공하는 단계는 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치가 가변 펄스-폭 조정(PWM) 전기 신호를 수신하고, 적어도 하나의 전기 부하가 수신된 가변 PWM 전기 신호에 비례하여 전기적으로 충전되는 단계를 더 포함하는
    전기 접속 방법.
  18. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 고체 상태 전기 장치를 제공하는 단계에서는 적어도 하나의 고체 상태 장치가 (i) FET 타입 장치 및 (ii) IGBT 타입 장치 중 하나인
    전기 접속 방법.
  19. 하이브리드 전기 차량의 전력 시스템 내에 배치된 전력 충전 조립체를 사용하여 적어도 하나의 전기 부하를 배터리로부터 전기적으로 접속 해제하는 방법이며,
    포지티브 접촉 장치, 네거티브 접촉 장치 및 비접촉 장치 수단을 제공하는 단계와,
    비접촉 장치 수단을 사용하여 배터리를 적어도 하나의 전기 부하와 전기적으로 접속하는 단계와,
    포지티브 접촉 장치를 사용하여 배터리를 적어도 하나의 전기 부하로부터 전기적으로 접속 해제하는 단계와,
    비접촉 장치 수단을 사용하여 배터리를 적어도 하나의 전기 부하로부터 전기적으로 접속 해제하는 단계와,
    네거티브 접촉 장치를 사용하여 배터리를 적어도 하나의 전기 부하로부터 전기적으로 접속 해제하는 단계를 포함하는
    전기 접속 해제 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 단계들은 기재된 순서대로 수행되는
    전기 접속 해제 방법.
  21. 전력 충전 조립체를 포함하는 전기 차량 추진 시스템이며,
    상기 전력 충전 조립체는,
    배터리에 복귀 전기 신호를 출력하고 적어도 하나의 전기 부하로부터 복귀 전기 신호를 수신하는 네거티브 접촉 장치와,
    배터리로부터 전기 신호를 수신하고 전기 부하에 전기 신호를 출력하는 포지티브 접촉 장치와,
    배터리로부터 전기 신호를 수신하고 전기 부하에 전기 신호를 출력하도록 구성된 비접촉 장치 수단을 포함하는
    전기 차량 추진 시스템.
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