KR20120064068A - 전기 자동차 - Google Patents

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KR20120064068A
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reversible
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current
electric
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KR1020127003125A
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English (en)
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디미트리 베니아미노비치 버신인
올레그 그리고리에비치 다쉬코
에브게니 알렉산드로비치 스모트로브
Original Assignee
오브쉐츠보 에스 오그라니쉐노이 오트베츠베토츄이 ＇토바리쉐츠보 에네르겟췌스키크 아이 일렉트로모바일닉 프로엑토브＇
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Abstract

가역 전력 공급 장치(또는 외부의 가역 전력 공급 장치와 연결됨), 기계식 전동을 통해 (또는 그러한 전동 없이) 바퀴들에 연결된 하나 이상의 전기 모터들, 전기 기계적 특성들의 모든 사분면들에서 상기 전기 모터들의 속도 및/또는 토크를 제어할 수 있는 하나 이상의 가역 변환기들, 고용량 커패시터(슈퍼커패시터) 및 안정 저항을 포함하는 전기 자동차가 제안된다.
전기 자동차에는 가역 dc 스텝-업/스텝-다운 변압기, 2 개의 전류 센서들, 2 개의 전압 센서들, 차량 속도 센서, 전기 모터들 중 하나에 대한 속도 센서 및 제어 시스템이 제공되고, 하나 이상의 가역 변환기들은 가역 전력 공급 장치의 단자들에 직접적으로 접속된다. 슈퍼커패시터는 가역 변압기를 통해 단자들에 접속된다. 우회 다이오드에 병렬로 접속된 안정 저항은 방전 키를 사용하여 동일한 단자들에 직렬로 접속된다. 하나의 센서는 가역 전력 공급 장치의 전류 값 및 방향을 나타내고, 제 2 센서는 변압기의 컴포넌트인 코일(인덕턴스 초크)의 전류를 측정한다. 속도 센서의 출력과 함께 상기 센서들의 출력들은 제어 시스템의 입력들에 접속되고, 제어 시스템의 출력들은 가역 변압기 및 방전 키의 제어 입력들에 접속된다. 기술 결과는 회수된 에너지의 증가된 사용의 결과로서 에너지 손실에서의 감소이다.

Description

전기 자동차{ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은 전기 자동차들(EVs) 분야에 관한 것이며, 자립식 전력 공급 장치(self-contained power supply)가 장착된 EV들 및 외부 전력 공급 장치에 접속된 (전차들, 무궤도 버스(trolley bus), 수도권 전철들 내의) EV들 양자에서 사용될 수 있다.
더욱 상세하게, 본 발명은 수송 차량 제동 과정에서 전기 에너지의 회수(저장)에 대한 기술적 결정들에 관한 것이다.
전기 자동차 제동의 과정에서 회수된 전력 사용 유효성의 개선을 위한 이미 알려진 다양한 결정들이 존재한다.
예를 들면, "Battery-fed vehicle traction motor with capacitor boost"(1998.03.07자의 프랑스 특허 제 2757806 A1 호, B60L 11/00)가 공지되어 있다. 상기 장치는, 저장 배터리로부터 전력이 공급되는 전자 제어부, 커패시터 뱅크 및 로직 유닛을 갖는 전기 자동차의 바퀴에 접속된 모터를 포함한다. 로직 유닛 출력은 중계 코일에 접속되고, 중계 코일의 접촉들은 커패시터 뱅크를 저장 배터리에 직렬로 접속한다. 기본적으로, 커패시터 뱅크는 회생 제동(regenerative braking) 동안에 및 수송 차량 가속 과정에서 접속된다. 회생 제동이 커패시터 뱅크에 완전한 충전을 제공하지 않는다면, 개별적인 배터리-의존 충전기가 사용된다.
종래 기술의 장치의 단점은, 저장 배터리가 커패시터 뱅크에 직렬로 접속되는 경우 전력 공급 장치의 과전압으로 인해 전력 유닛의 높은 전력-대-크기 비율, 및 부가적인 배터리 충전 유닛의 사용으로 인한 장치의 높은 복잡성을 포함한다.
또한, 회생 제동 동안에, 배터리 충전 레이트와 동일한 커패시터 뱅크 충전 레이트는 상기 커패시터 뱅크 및 배터리의 조건에 의해 및 제동의 레이트에 의해서만 결정되고, 충전 레이트는 허용 가능(추천된) 값을 초과할 수 있고, 이는 저장 배터리 수명 주기의 감소를 유도할 수 있다.
USSR 저자의 증서 제 74107 호에 개시된 "Electric drive motor for car wheels"는 제안된 본 발명의 기술적 본질에 가깝다. 종래 기술의 장치는, 제어된 전압 변환기의 입력에 병렬로 접속된 분자 커패시터들(molecular capacitors)의 유닛에 절연 다이오드(isolation diode)를 통해 접속된 배터리를 충전하도록 설계된 전원을 포함한다. 회전의 속도는, 전압 변환 스텝-다운 비율을 갖는 전기 구동 모터로의 전력 이동 및 그의 제동 동안에 전압 변환 스텝-업 비율을 갖는 전기 구동 모터의 전력의 회수를 제공하는 상기 변환기의 출력 전압의 변동에 의해 제어된다. 제동의 과정에서, 배터리로부터 전기 모터로의 에너지의 이동이 멈추게 되고, 상기 모터는 발전기 모드로 전환된다. 이러한 경우에, 발전기 출력에서 생성된 전류에 비례하는 제동 토크는 바퀴들에 적용되고, 변환기는 발전기 과전압의 모드에서 동작한다. 부가적인 이동에서, 전력은 커패시터 뱅크로부터 변환기로 전달되고, 그러한 경우에, 이러한 프로세스는 배터리 및 커패시터 뱅크에서 전압들의 균등이 발생할 때까지 지속될 것이다. 그 이후에, 전기 모터에는 배터리로부터 전력이 공급된다.
종래 기술의 장치의 단점은, 메인 전원, 즉, 저장 배터리 및 메인 사용자 사이의 절연 다이오드의 존재를 포함하고, 메인 사용자는 전기 구동 모터를 갖는 변환기이고, 이는 기본적으로 모터 조건들에서 다이오드를 통한 부가적인 손실들을 발생시키고, 전력 회로에 설치된 절연 다이오드의 방열판(heat sink)의 존재는 전기 자동차의 무게 및 공간 절약 파라미터들을 악화시킨다. 제동 과정에서, 전력이 커패시터 뱅크에 저장되는 한, 전압은 변환기 단자들에서 높아진다. 이것은 변환기의 전력 증폭기의 엘리먼트들, 즉, 전력 트랜지스터들, 전력 필터들의 커패시터들, 드라이버들 등을 선택할 때 부가적인 요건을 부여하고, 이것이 넓은 범위에 걸쳐 변동하는 공급 전압에서 동작해야 하기 때문에, 이는, 대체로, 전력-대-크기 비율 및 변환기의 비용의 과대-추정을 유도하고, 변환기 동작의 로직(튜닝)을 복잡하게 한다.
종래 기술의 해결책의 단점은 또한 커패시터들의 뱅크에 저장된 에너지의 사용, 즉, 차량 속도가 제로(최소값)로부터 새로운 (미리 설정된) 값으로 변하기 시작할 때, 커패시터들의 방전이 차량 출발에서 시작된다는 것을 포함한다. 이러한 과정에서, 전력이 변환기에 의해 소모되고, 결과적으로 전원 전류가 제로(최소값)로부터 차량 최대 속도에 대응하는 최대값으로 변동한다. 따라서, 전원 부하를 감소시키고, 전원의 최대 입력 전류를 감소시키기 위해, 가속을 위한 커패시터들에 저장된 전력을 중간 및 더 높은 속도 값으로 사용하는 것이 바람직한 것처럼 보인다.
"Sealed Lead - Acid Batteries"(www.powerinfo.ru/accumulatortype.php)란 명칭의 논문은 납축 배터리 서비스 수명 및 방전 깊이(depth of discharge)의 관계를 제시한다. 곡선들에 의해 도시된 바와 같이, 방전 깊이의 이중 감소(two-fold decrease)는 주기들의 수, 즉, 배터리 서비스 수명을 증가시킨다. 다른 형태들의 배터리들에 대해 유사한 관계들이 참이다.
2 개의 독립적인 바퀴 내 전기 구동 모터들이 하나 또는 각각의 차축 상의 EV에서 사용될 때, 독립적인 전기 구동 모터들에 걸쳐 음향 제어의 문제점이 발생한다.
RU 2048309 C1에 개시된 "전기 자동차"는 본 발명의 기술적 본질에 가깝다. 종래 기술의 장치는 하이브리드 전원, 이동의 방향 "전방으로-후방으로"의 방향을 선택하기 위한 스위치기어, 동작 모드들: 후륜 구동, 전륜 구동, 4륜 구동, 및 구동 및 각각의 가감 저항기(rheostat)에 연결된 브레이크 페달들뿐만 아니라 전륜 및 후륜의 가역 전자 구동 모터들을 포함한다.
유사한 속도 값들을 제공하기 위해, 전륜 및 결과적으로 후륜들의 전기 구동 모터들은 직렬로 쌍으로 연결된다.
종래 기술의 장치의 단점은 차축의 바퀴들의 속도 및/또는 토크에 걸친 분리된 제어의 이용 가능성의 부재를 포함한다.
EV 터닝 동안에, 모든 4 개의 바퀴들의 속도는 일반적으로 상이하고, 선회 반경이 더 작을수록 속도의 차이가 더 크다. 또한, 차축 전기 모터들의 총 전류는 차축 상에 동일한 바퀴 토크를 발생시킨다. 그 동안에, 일반적으로 차축 상의 저항성 바퀴 토크가 상이하고, 차축 바퀴들 상의 요구된 모터 토크 또는 브레이크 토크가 또한 상이해야 한다. 예를 들면, 하나의 바퀴가 진창이 된 눈(slush)과 접촉하고 다른 바퀴가 아스팔트와 접촉할 때, 마찰 계수들이 n 차에 의해 상이한 바퀴들 상에서 상이하게 되고, 기계적인 차동을 갖는 경우에서와 매우 동일한 방식으로, 종래 기술의 해결책의 제 1 바퀴는 최대 속도에서 회전할 것인 반면에, 제 2 바퀴는 여전히 서 있을 것이다. 동일한 속도 설정에서의 EV 터닝에서 바퀴들의 상이한 속도는 모터들의 상이한 로딩을 야기할 것이다. 동시에, 속도 사전 설정 값의 선택은 매우 중요하다. 실제 바퀴 속도가 사전 설정 속도보다 크다면, 구동 모터는 제동 (발전기) 모드로 스위칭하고, 바퀴가 EV를 제동하기 시작한다. 이것은 EV 안정성의 손실을 유도할 수 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 장치들의 상술된 단점들 중 일부를 제거하고, 따라서, 제동 시에 회수되는 에너지의 활용의 요인을 증가시키고, EV 무게 및 공간 절감 파라미터들 및 비용을 감소시키고, 자립식 가역 전원의 서비스 수명을 증가시키고, 기동성(maneuverability), 노면 판독 가능성(road readability), 연료 경제 효율성, 한 번의 배터리 충전으로 커버되는 거리와 같은 EV 성능 특성을 개선하는 것이다.
이들 목적들은 제안된 전기 자동차에서 성취된다. 전기 자동차는 기계식 전동을 통해 (또는 그러한 전동 없이) 자동차의 바퀴들과 연결된 적어도 하나의 전기 모터, 및 상기 전기 모터들의 속도 및/또는 토크를 제어할 수 있는 하나 이상의 가역 변환기들, 고용량 커패시터 및 방전 키를 갖는 안정 저항(ballast resistor)을 포함하는 제어 시스템을 포함하고, 전기 자동차는 제어 시스템을 갖는 적어도 하나의 가역 dc 스텝-업/스텝-다운 변압기, 2 개의 전류 센서들, 2 개의 전압 센서들, 전기 모터에 대한 속도 센서를 부가적으로 포함하고, 하나 이상의 변환기들은 전원의 단자들에 확실히 접속되고, 커패시터는 상기 가역 변압기를 통해 상기 전원의 단자들에 접속되고, 제 1 전류 센서는 가역 전력 공급 장치의 전류 값 및 방향을 나타내고, 제 2 전류 센서는 변압기의 컴포넌트인 인덕턴스 초크(inductance choke)의 전류를 측정한다. 제 1 전압 센서는 전원 단자들에서 전압을 측정하고, 제 2 전압 센서는 커패시터 단자들에서 전압을 측정한다. 상기 센서들의 출력들은 가역 변환기 제어 시스템의 입력들에 접속되고, 제어 시스템의 출력들은 가역 변압기 및 방전 키의 제어 입력들에 접속된다.
자립식 가역 전원이 사용될 때, 그러한 전원으로서, 아마도, 선택적으로 연료 전지들을 사용하여 전기 기계식 발전기에 장착된 저장 배터리를 채용하는 것이 유리하다.
가역 변환기는 4 개의 우회 다이오드들(bypass diodes)에 의해 분류(shunt)된 4 개의 트랜지스터 스위치들 및 인덕턴스 초크 주변에 설치되고, 제 1 트랜지스터 콜렉터(collector)는 전원 단자에 접속되고, 제 1 트랜지스터 이미터(emitter)는 제 2 트랜지스터 콜렉터 및 상기 초크의 제 1 출력과 연결되고, 제 3 트랜지스터 콜렉터는 커패시터 단자에 접속되고, 제 3 트랜지스터 이미터는 제 4 트랜지스터 콜렉터 및 초크 제 2 출력과 연결되고, 제 2 트랜지스터 이미터는 제 4 트랜지스터 이미터, 커패시터 제 2 단자 및 전력 공급 장치 제 2 단자와 연결된다.
가역 변환기는 사전 설정된 전류를 사용하는 최대 전압으로의 커패시터 예비 충전 및 불충분한 레벨의 회수된 전력의 조건 하의 커패시터의 재충전을 제공한다.
제안된 자동차 내의 제어 시스템은 속도 센서로부터 수신된 정보에 기초하여 일탈 토크를 참조하여 자동차 시작 동안에 정적 전류의 값을 결정한다.
제어 시스템은 또한 자동차 가속 동안의 커패시터 내의 에너지 예비의 소모 시에 전원 전류 제한, 제 1 전류 센서의 신호의 극성 변화를 갖는 자동차 제동 동안에 회수된 전기 모터 전력의 소모 시에 커패시터 충전, 및 전원 충전 전류를 사전 설정된 레벨에서 제한함으로써 커패시터 충전, 및 전원 단자들에서의 전압이 사전 설정된 값을 초과하는 조건들 하에서 안정 저항을 전원 단자들 접속, 및 제로로부터 최대값으로의 안정 저항 전류의 점차적인 조절을 제공한다.
자동차 중간 속도 값들(제로 값 및 최대값 사이)에서, 제어 시스템은 중간 속도 값으로부터 최대 속도 값으로의 가속 동안에 자동차 크랭킹 앰프(vehicle cranking amps)를 생성하기에 충분한 전압 레벨을 상기 커패시터에 제공하고, 제어 시스템은 중간 속도 값으로부터 완전한 정지로의 자동차 제동 동안에 회수되는 에너지를 커패시터에 저장하는 것을 지원한다.
부가적으로, 외부 전원과 연결되거나 자립식 전원을 포함하는 제안된 EV에서 하나 또는 각각의 차축들 상의 2 개의 독립적인 바퀴 내 전기 구동 모터들의 사용 동안에, 초크 및 슈퍼커패시터를 갖는 상기 가역 변환기에 의해 형성된 에너지 리규퍼레이터, 토크 및 이동 속도 설정 제어부, 브레이크 토크 설정 제어부, 이동 모드 선택 스위치, 자동차의 2 개 또는 4 개의 바퀴들과 각각 연결된 2 개 또는 4 개의 바퀴 전기 구동 모터들, 전기 구동 모터들의 토크를 조절하기 위한 2 개 또는 4 개의 가역 변환기들, 및 스티어링 각도 센서가 장착된 상위 레벨 제어 시스템(TLCS)이 이용 가능하고, 스티어링 각도 센서와 함께 상기 설정 제어부들 및 이동 모드 선택 스위치는 TLCS 입력들에 접속되고, TLCS 출력들은 모터에서의 전류 제한 레벨 및 브레이크 동작 조건들의 개별 설정을 갖는 상호 간의 설계를 갖는 가역 변환기의 제어 입력들에 접속된다. 게다가, TLCS 입력들은 또한 전기 구동 모터들의 전류 및 속도에 관한 정보를 전달하는 변환기들의 출력들을 접속하는데 사용될 수 있다. TLCS는 스티어링 및 가속기 및 브레이크 페달들의 위치를 고려하여 모터들의 속도(토크)의 설정들을 생성한다.
가속기 페달이 초기 위치로 설정된 EV 가속의 요구된 (제어 가능한) 안락함을 제공하기 위해, TLCS는 제로 전류 (토크) 값 및 최소 속도 값을 설정한다. 가속기 페달이 눌려지면, 먼저 전류 (토크) 설정의 값은 일정한(최소) 속도 설정으로 증가하게 된다. 전류 제한 레벨의 피크 값 후에, 가속기 페달의 부가적인 누름은 속도 설정을 증가시킨다.
바퀴들의 그립(grip)의 손실(바퀴 미끄러짐)을 회피하기 위해, TLCS는 가속 동안에 유도된 바퀴 속도를 제어하고, 사전 설정된 값이 초과될 때, TLCS는 전류 (토크) 레벨을 제한하고, 즉, TLCS는 미끄럼 방지 (마찰 제어) 조건들을 제공한다.
조정 성능에서의 이득에 대해, 강력한 제동에서 감소 및 안정성의 요구된 (제어된) 레이트를 제공하기 위해, TLCS는, 속도 설정 신호 페이드-아웃 및 브레이크 페달이 초기 위치로 눌려진 제동 모드로의 구동 전환의 조건들 하에서, 다음과 같이 제동 전류(토크)의 값을 제로 값(코스팅 모드) 또는 특정, 미리 결정된 값(자동차에서 모터 제동과 유사함)으로 설정하고, 브레이크 페달이 눌려지면, TLCS는 전류 (토크) 설정을 증가시킨다. 이러한 경우에, TLCS는, 바퀴들의 속도에 관한 정보에 기초하여, "다운힐(downhill)" 제동의 레이트를 제어하고, 요구되면, 제동 토크의 값을 제한하거나, TLCS는 바퀴들의 잠김을 방지하기 위해 맥동 토크 성분(pulsating torque comoponent)을 생성한다.
이러한 경우에, 노면 유지 능력(roadholding ability)을 보장하는 기능을 구현함으로써, 스티어링 안락함 및 안정성의 개선을 위해 수평형 가속도 센서들을 사용하는 것이 유리하고, 수평면 가속도 센서들의 출력들은 TLCS 입력들에 접속된다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 다음의 설명 및 도면들을 참조하여 명백해질 것이다.
도 1은 TLCS가 없는 제안된 EV를 도시한 도면.
도 2는 가역 변환기에 대한 간략한 전기 회로의 실시예를 예시한 도면.
도 3은 제안된 EV의 기능도.
도 4는 속도 및 토크를 설정하기 위한 TLCS 출력 신호들 및 가속기 페달 위치의 관계를 나타낸 도면.
도 1은, 자립식(온-보드) 전원을 포함하거나, 또는 전압이 전압 센서에 의해 측정되고 전류가 전류 센서에 의해 측정되는 단자들(1 및 2)을 갖는 외부 가역 전원과 연결된 제안된 EV의 간략한 회로를 도시한다.
단자들(1 및 2)은 안정 저항 R(ballast resistor)(우회 다이오드(D)에 병렬로 접속됨), 방전 키(DK) 및 기계식 전동(mechanical transmission)을 통해 또는 전동 없이(모터-바퀴들)(간략히 도시되지 않음) EV 바퀴들에 연결된 전기 모터들(EM1 내지 EMi)의 속도 및/또는 토크의 조절을 제공하는 가역 변환기들(RC1 내지 RCi)을 직렬로 접속하는데 사용된다.
간략한 회로는 또한 전압이 센서(2Sv)에 의해 측정되는 슈퍼커패시터(SC)를 나타낸다. SC는 가역 변환기(RC)(4 및 2)의 출력 단자들 및 전원(1)의 단자들(1 및 2)에 접속된 출력 단자들(3 및 2)에 접속된다.
도 2는 우회 다이오드들(D1 내지 D4)에 병렬로 접속된 4 개의 트랜지스터 스위치들(S1 내지 S4), 및 전류가 센서(2Sc)에 의해 측정되는 인덕턴스 코일(L) 주변에 구축된 가역 변환기(RC)의 실시예를 예시한다.
전기 모터들 중 하나와 연관된 속도 센서의 출력을 포함하는, 상술된 센서들의 출력들은 제어 시스템(CS)에 접속된다.
CS 출력들은 RC 및 DK의 제어 입력들에 접속된다.
스티어링 각도 센서의 신호들을 통신하는 EV, 가속기 페달(전기 모터의 속도 및/또는 토크를 설정함)의 위치, 및 브레이크 페달(제동 토크를 설정함), 핸드(파킹) 브레이크의 위치, RC1 내지 RCi로부터의 모드 선택 스위치(전방-후방 등)의 상위 레벨 제어 시스템이 도 3의 도표에 도시된다.
제안된 장치는 다음과 같이 동작한다.
시동 키(ignition key)를 돌릴 때 운영자(운전자)의 명령에 응답하여, CS는 RC에 의해 전원(1)으로부터 SC를 충전하는 단계를 수행한다. 초기에, 제로로부터 1로 K1 트랜지스터 상대 펄스 지속 기간(접속 시간)을 변경함으로써, SC는 소스(1)의 전압으로 충전한다. 그후, 시작-및-실행 트랜지스터(K1)를 사용하여, SC는 최대 전압(Uscmax)으로 충전한다.
EV 시작 시에, 제어 시스템은 전류 센서(1Sc)에 의해 가역 소스(1)의 전류를 제어하고, EV 일탈(breakaway)(토크가 속도 센서로부터의 신호에 의해 식별됨)에서, 이것은 EV 정적 모멘트에 대응하는 소스(1)의 레벨을 나타낸다. 이러한 모멘트(일탈)로부터 시작하여, CS는 SC를 가역 변환기들(EC1 내지 ECi)로 방전시키고, 따라서, 소스(1)의 전류를 고정 레벨에서 유지하기 시작한다. 이로써, 소스 1 크랭킹 앰프(cranking amps)의 제한이 제공된다.
EV를 제동하고, 전류 센서(1Sc)의 출력에서 전력을 회수하는데 있어서, 출력 신호 극성이 변한다. 상기 신호가 가역 전원(SB)의 공칭 (허용 가능) 충전 레이트에 대응하는 사전 설정된 값을 초과할 때, CS는 SC를 충전하고, 동시에 소스 1 충전 전류를 사전 설정된 레벨에서 유지하기 시작한다.
SC에서의 전압 값은 전압 센서(2Sv)에 의해 측정된다. SC 커패시턴스의 값은 최대 속도 및 EV 최대 로드, 즉 최대값에 대응하는 EV 운동 에너지 예비의 흡수를 고려하여 선택된다. SC에서의 전압 허용 가능 값(Uscmax)이 성취될 때, CS는 SC 충전을 종료한다. 이러한 이벤트에서, 전력 회수 프로세스가 정지되지 않는다면(즉, 제동 프로세스가 종료되지 않는다면), 예를 들면, EV 긴 언덕(lengthy hill)이 강하하고, 그후 전압은 단자들(1 및 2)에서 높아지기 시작한다. 2Sv로부터의 신호에 응답하여, CS는 제어 신호들을 방전 키(DK)로 전송한다. 이러한 경우에, CS는, 전원(단자들 1 및 2)을 분류(shunt)하고 단자들(1 및 2)에서 점차적인 전압 제한을 제공하는 안정 저항 R를 통해 DK 전류의 점차적인 변동을 수행한다.
제동 종료 후에 SC 단자들에서의 불충분한 전압 레벨로 인해, CS는 전원(1)으로부터 RC에 의해 SC를 재충전한다.
따라서, 제안된 EV는 예비 충전, 필요하다면, 주차장에서 요구된 전압 레벨로의 SC의 재충전, EV 가속 동안에 로드로의 SC 방전을 제공한다. 이러한 경우에, EV 정적 전류 (토크) 레벨에서 전원 전류 제한이 제공된다. 가역 변환기로 인해, SC는 (필요할 때) 전원(1)의 전압보다 낮은 Uscmax로 방전된다. 중간 속도(EV 최대 속도 미만)를 갖는 이동 동안에, SC는 소스의 크랭킹 앰프, 필요할 때, 최대 속도로의 가속을 제공하기에 충분한 에너지 예비를 저장하고, SC는 중간 속도에서 정지로의 제동 동안에 회수되는 전기 에너지를 수용(저장)하는 옵션을 유지한다.
회수된 에너지의 일부는 전원 충전 조건들에 대한 요건들을 준수하여 가역 전원으로 업로딩된다.
제안된 장치는 회수된 에너지 활용 요인의 증가, 자립식 가역 전원의 수명의 증가(이러한 소스의 비용이 총 EV 비용의 상당한 부분을 차지함)로 인해 조절 손실들의 감소를 제공하고, 이것은 SC 단자 상의 전압 변동의 범위의 확장 및 소스 충전의 조건들을 준수하여 가역 전원에 회수된 에너지의 일부를 다시 제공하는 것으로 인해 무게 및 공간 절감 및 SC의 비용 파라미터들을 감소시킨다.
제안된 장치는 자립식 전원을 갖는 전기 자동차 및 외부 (연결된) 전원을 갖는 도시의 전기 교통 수단(전차들, 무궤도 버스, 수도권 전철) 양자에서 사용될 수 있다. 후자의 경우에, 가역성(invertibility property)은 EV 입력(단자들 1 및 2)에 커패시터들의 뱅크를 설치함으로써 구현될 수 있다. 전기 모터들을 작동시키는 것은 임의의 형태, DC 또는 AC일 수 있다.
변환기들은 전기 기계적 특성의 모든 4 개의 사분면들(quadrants)에서 전기 구동 모터들의 동작을 제공하고, 가역성을 갖고, 즉, 제동 동안에 에너지 회수를 수행한다.
도 3에 예시된 실시예에서, EV는 전원(PS)(1), 에너지 리큐퍼레이터(recuperator)(2), 이동 속도(토크) 설정 제어부(가속기 페달(3), 제동 토크 설정 제어부(브레이크 페달(4))), 이동 모드 선택 스위치(전방, 후방, 정지 (5))를 포함하거나, 이에 접속된다. 상기 장치는 바퀴들과 연결되거나 바퀴들(모터-바퀴들)(MW1 내지 MWi)(7)에 장착된 모터들(6)의 가역 변환기(RC1 내지 RCi), 스티어링 각도 센서(8) 및 상위 레벨 제어 시스템(TLCS)(9)을 통합하고, 스티어링 각도 센서와 함께 상기 설정 및 모드 선택 제어부들은 TLCS에 접속되고, 한편 TLCS 출력들은 변환기들(RC1 내지 RC4)의 제어 입력들에 접속된다.
전원(PS)은 저장 배터리(SB) 및/또는 연료 전지들을 사용하는 전기 기계식 발전기로서 구현될 수 있다. 또한, SB와 결합하여 소위 결합된 전력 플랜트(CPP)를 형성하는 시스템 "내부 연소 엔진 - 발전기"를 사용하는 것이 가능하다. PS는 무궤도 버스에서와 같이 외부에 있을 수 있다.
제동(회수) 동안에 전기 모터들에 의해 생성된 에너지를 수용하는 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장, TLCS 명령에 응답하여 EV 가속 및 이동 동안의 에너지 저장 및 전력 회로로의 피드 백을 포함하는 팩(pack)인 에너지 회수 디바이스가 상술되었다.
변환기들(RC1 내지 RC4)은 TLCS 설정들에 따라 구동 모터들(DM1 내지 DV4)의 속도 및/또는 토크에 걸친 제어를 제공한다. 변환기들은 가역성을 갖고, 즉, 제동(발전기) 조건들에서의 동작 동안에, 변환기들은 에너지를 다시 공급 회로에 제공한다.
구동 모터들(actuating motors)(AM1 및 AM4)은 다양한 설계, 즉, DC 또는 AC, 정류자(commutator) 또는 브러시리스(brushless)일 수 있다. 특히, 바퀴(모터-바퀴)에 장착된 영구=자석 여자(excitation)(회전자는 외부의 회전 부분이고, 고정자는 내부의 움직이지 않는 부분임)를 갖는 반전 동기식 3 상 모터들에서 사용될 수 있다.
도 4는 속도ω 및 전류(토크) I(M)를 설정하기 위한 TLCS 출력 신호들 및 가속기 페달 위치 Fgas의 관계를 나타낸다. EV가 정지 상태이고 가속기 페달이 초기 위치에 있을 때, TLCS는 ωmin 및 제로 레벨 전류(토크)를 설정한다. 가속 페달이 눌려지면, 운영자(운전자)는 AM에 의해 전개되는 토크를 설정한다. 전류 (설정) 토크가 저항 정적 토크의 값에 도달할 때, EV는 일탈하고, 설정 및 정적 토크들의 차이에 의해 규정된, 즉, 운영자에 의해 결정된 동적 토크로 가속한다. EV가 ωmin 레벨의 현재 속도 값에 도달한 후에 EV가 가속하는 한, 전기 드라이브(ED)는 사전 설정된 속도 값을 유지하는 시스템에서 동작하고, ED의 토크는 Mlimit 레벨에서 제한된다. 따라서, EV 시동(일탈)은 운전자에 의해 결정된 레이트에서 제공된다.
사전 설정된 속도 값의 감소(또는 가속기 페달의 완전한 해제에서)로, ED는 최소(또는 제로) 제동 토크(코스팅(coasting))를 갖는 제동 모드로 전환한다. 이러한 모드에서 최소 제동 토크의 존재 또는 값은 운전자의 편의(맞춤(custom))에 대해 앞서 설정되고, 즉, "차량 모터 제동"과 유사하게 설정된다.
제동 토크를 증가시키기 위해, 운전자는 제동의 요구된 값을 설정하고 제동의 요구된 레이트를 제공하는 브레이크 페달을 누른다. AM 속도에 관한 정보에 기초하여, TLCS는 제동 프로세스의 동역학을 추적하고, 필요할 때, 이것은 제동 토크의 값을 제한하여, 따라서 차단 방지 모드(anti-blocking mode)를 제공한다.
유사한 기술은 가속의 레이트를 제어하는데 사용된다. TLCS는 미끄럼 방지 모드(anti-slip mode)를 제공하여, 따라서 모터 토크의 값을 제한한다.
수평형 가속도계(lateral accelerometer)가 설치된 경우에, 요구된 소프트웨어가 이용 가능하면, TLCS는 물론 노면 유지 시스템(road-holding system)을 제공할 수 있다. 그러나, 종래 기술의 수송 차량들에서 상기 동작 모드들을 구현하는 것과 반대로, 제안된 EV에서, 상기 모드들은 전기 기술에 의해서만, 즉, 모터의 값 및/또는 각각의 바퀴의 제동 토크를 개별적으로 제한함으로써 제공되고, 이는, 에너지 회수 조건들을 제공하는 경우에서, 제어 효율 및 한 번의 배터리 충전에 대해 EV에 의해 커버되는 거리를 상당히 증가시킨다.

Claims (15)

  1. 자립식 가역 전력 공급 장치(self-contained reversible power supply)가 장착된 (또는 외부의 가역 전력 공급 장치와 연결된) 전기 자동차(electric vehicle)로서,
    기계식 전동을 통해 (또는 그러한 전동 없이) 바퀴들에 연결된 적어도 하나의 전기 모터, 및 상기 전기 모터들의 속도 및/또는 토크를 제어할 수 있는 하나 이상의 가역 변환기들(reversible converters), 고용량 커패시터 및 방전 키를 갖는 안정 저항(ballast resistor)을 포함하는 제어 시스템을 포함하고,
    상기 전기 자동차는 제어 시스템을 갖는 적어도 하나의 가역 dc 스텝-업/스텝-다운 변압기(transformer), 2 개의 전류 센서들, 2 개의 전압 센서들, 전기 모터 속도 센서를 포함하고,
    하나 이상의 가역 변환기들은 전원의 단자들에 직접적으로 접속되고, 상기 커패시터는 상기 가역 변환기를 통해 상기 전원의 단자들에 접속되고, 제 1 전류 센서는 가역 전원의 전류 값 및 방향을 나타내고, 제 2 전류 센서는 상기 가역 변환기의 컴포넌트인 인덕턴스 초크(inductance choke)의 전류를 측정하고, 제 1 전압 센서는 전원 단자들에서 전압을 측정하고, 제 2 전압 센서는 커패시터 단자들에서 전압을 측정하고, 이러한 센서들의 출력들은 상기 가역 변환기의 제어 시스템의 입력들에 접속되고, 상기 제어 시스템의 출력들은 상기 가역 변환기 및 방전 키의 제어 입력들에 접속되는 것을 특징으로 하는,
    전기 자동차.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가역 전력 공급 장치는 저장 배터리인,
    전기 자동차.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가역 전력 공급 장치는 연료 엘리먼트들을 사용하는 전기 기계식 발전기를 더 포함하는,
    전기 자동차.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가역 변환기는 4 개의 우회 다이오드들(bypass diodes)에 의해 분류(shunt)된 4 개의 트랜지스터 스위치들, 및 인덕턴스 초크 주변에 설치되고, 트랜지스터 콜렉터(collector)는 전력 공급 장치 단자에 접속되고, 제 1 트랜지스터 이미터(emitter)는 제 2 트랜지스터 콜렉터 및 상기 초크의 제 1 출력과 연결되고, 제 3 트랜지스터 콜렉터는 커패시터 단자에 접속되고, 제 3 트랜지스터 이미터는 제 4 트랜지스터 콜렉터 및 초크 제 2 출력과 연결되고, 제 2 트랜지스터 이미터는 제 4 트랜지스터 이미터, 커패시터 제 2 단자 및 전력 공급 장치 제 2 단자와 연결되는,
    전기 자동차.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가역 변환기는 사전 설정된 전류를 사용하여 최대 전압으로의 커패시터 예비 충전, 및 회생 전력 레벨이 불충분한 경우에 상기 커패시터의 부가적인 충전을 제공하는,
    전기 자동차.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 속도 센서 정보에 기초하여, 일탈 토크(breakaway torque)에 의한 자동차 시동 동안 정적 전류의 값을 결정하고, 자동차 가속 동안에, 상기 제어 시스템은 상기 커패시터 내의 에너지 예비의 소모 시에 전원 전류 제한을 제공하는,
    전기 자동차.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 제 1 전류 센서의 출력 신호의 극성의 변화를 갖는, 수송 차량 제동 시에 회수된 전기 구동 모터 에너지의 소모 시에 커패시터 충전을 제공하는,
    전기 자동차.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 전원 충전 전류를 사전 설정된 레벨에서 제한함으로써 상기 커패시터를 충전하는 것을 제공하는,
    전기 자동차.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 전원 단자들에서의 전압이 사전 설정된 값을 초과하는 조건들 하에서 상기 안정 저항을 상기 전원 단자들에 접속하는 것, 및 제로로부 최대값으로의 상기 안정 저항의 점차적인 조절을 제공하는,
    전기 자동차.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 자동차 중간 속도 값들에서, 상기 제어 시스템은, 중간 속도 값으로부터 최대 속도 값으로의 가속 동안에 자동차 크랭킹 앰프(vehicle cranking amps)를 생성하기에 충분한 전압 레벨을 상기 커패시터에 제공하고, 상기 제어 시스템은 상기 중간 속도 값으로부터 완전한 정지로의 자동차 제동 동안에 회수되는 에너지를 상기 커패시터에 저장하는 것을 지원하는,
    전기 자동차.
  11. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 차축(axle)의 바퀴들은 독립적인 전기 구동 모터들과 연결되고, 상기 전기 구동 모터들의 속도 및 토크의 각각의 조절은 모터에서의 전류 제한 레벨 및 브레이크 동작 조건들의 개별 설정을 갖는 상호 간의 설계(reciprocal design)를 갖는 개별적인 가역 변환기들로부터 수행되고, 이러한 경우에, 전기 자동차는 이동 속도 및 토크를 설정하고, 제동 토크, 이동 모드 선택 스위치, 스티어링 각도 센서, 상위 레벨 제어 시스템을 설정하기 위한 제어부들을 포함하고, 상기 스티어링 각도 센서와 함께 상기 이동 속도 및 토크 및 제동 토크를 설정하기 위한 제어부들은 상기 상위 레벨 제어 시스템에 접속되고, 상기 시스템의 출력들은 상기 개별적인 가역 변환기들의 제어 입력들에 접속되는,
    전기 자동차.
  12. 제 11 항에 있어서,
    전기 구동 모터들의 전류 및 속도에 관한 정보를 전달하는 상기 개별적인 가역 변환기들의 부가적인 입력들은 상기 상위 레벨 제어 시스템의 입력들에 접속되는 것을 특징으로 하는,
    전기 자동차.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 상위 레벨 제어 시스템은, 상기 전기 자동차 가속의 제어 가능한 안락함을 제공하기 위한 가속기 페달이 초기 위치에 있는 상기 이동 전류의 제로 레벨 및 속도 설정의 최소 레벨을 설정하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자동차.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 상위 레벨 제어 시스템은 가속 동안에 상기 바퀴들의 유도된 속도를 제어하고, 사전 설정된 값이 초과될 때, 상기 상위 레벨 제어 시스템은 모터 동작 조건들에서 레벨을 제한하는 것을 특징으로 하는,
    전기 자동차.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기 자동차에는 수평형 가속도계들(lateral accelerometers)이 장착되고, 상기 수평형 가속도계들의 출력들은 상기 상위 레벨 제어 시스템의 입력들에 접속되는 것을 특징으로 하는,
    전기 자동차.
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