KR20160022274A - 에너지 스토리지 시스템을 가지는 차량 추진 시스템 및 그 동작을 제어하는 최적화 방법 - Google Patents

에너지 스토리지 시스템을 가지는 차량 추진 시스템 및 그 동작을 제어하는 최적화 방법 Download PDF

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Abstract

차량 추진 시스템은 제 1 DC 버스에 연결되는 제 1 양방향 DC-DC 컨버터, 제 1 양방향 DC-DC 컨버터에 연결되는 적어도 하나의 에너지 스토리지 유닛을 포함하는 에너지 스토리지 시스템, 제 1 DC 버스에 연결되는 제 1 DC-투-AC 인버터 및 제 1 DC-투-AC 인버터에 연결되는 제 1 전자기계 디바이스를 포함한다. 제어기는 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도를 결정하도록, 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도를 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도에 비교하도록, 및 비교에 기초하여 제 1 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 제 1 양방향 DC-DC 컨버터를 선택적으로 제어하도록 프로그램된다.

Description

에너지 스토리지 시스템을 가지는 차량 추진 시스템 및 그 동작을 제어하는 최적화 방법{VEHICLE PROPULSION SYSTEM HAVING AN ENERGY STORAGE SYSTEM AND OPTIMIZED METHOD OF CONTROLLING OPERATION THEREOF}
본 발명의 실시예들은 일반적으로 하이브리드(hybrid) 및 전기 차량들을 위한 전기 구동 시스템들(electric drive systems)에 관한 것으로, 더 구체적으로 하나 또는 그 이상의 에너지 스토리지 디바이스들(energy storage devices) 및 하나 또는 그 이상의 전자기계 디바이스들(electromechanical devices)을 가지는 하이브리드 및 전기 차량들용 차량 추진 시스템(vehicle propulsion system) 및 차량 추진 시스템의 동작을 제어하는 최적화 방법에 관한 것이다.
순전한 전기 차량들은 차량을 추진시키는 전기 모터를 파워링하기(power) 위해 저장된 전기 에너지를 사용하며 또한 보조 드라이브들(auxiliary drives)을 동작시킬 수 있다. 순전히 전기 차량들은 하나 또는 그 이상의 저장된 전기 에너지의 소스들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 저장된 전기 에너지의 제 1 소스는 더 길게 지속하는 에너지를 제공하기 위해 사용될 수 있는 한편 저장된 전기 에너지의 제 2 소스는 예를 들어, 가속을 위해 더 높은-파워 에너지를 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 하나 또는 제 1 및 제 2 소스들 둘 다가 회생 브레이킹(regenerative braking)을 통해 충전될 수 있다.
하이브리드 전기 차량들은 차량을 추진시키기 위해 내연 기관(internal combustion engine) 및 견인 배터리(traction battery)와 같은 에너지 스토리지 디바이스에 의해 파워링되는 전기 모터를 조합할 수 있다. 그와 같은 조합은 내연 기관 및 전기 모터가 각각 증가한 효율성 각 범위들에서 동작할 수 있게 함으로써 전체 연료 효율성을 증가시킬 수 있다. 전기 모터들은 예를 들어, 스탠딩 스타트(standing start)로부터 가속시키는데 효율적일 수 있는 한편, 내연 기관들은 고속도로 주행(highway driving)과 같은 지속적인 엔진 동작의 지탱 기간들 동안 효율적일 수 있다. 전기 모터가 초기의 가속화를 부스팅(boost)함으로써 하이브리드 차량들에서 연소 기관들(combustion engines)이 더 소형화되며 더 연료 효율적으로 될 수 있다.
순전한 전기 차량들 및 하이브리드 전기 차량들을 위한 추진 시스템 구성들이 에너지 또는 파워 밀도를 증가시키기 위한 다수의 전기 에너지 소스들 및 원하는 추진 출력을 달성하기 위한 다수의 파워 소스들을 포함하도록 개발되어 온 동안, 이들 에너지 스토리지 및 파워 소스들을 추진 시스템에 통합하는 것은 시스템의 전체 크기, 중량 및 비용을 증가시킨다. 예를 들어, 최소 레벨의 성능을 보장하기 위해 차량의 원하는 수명에 걸쳐, 파워 및 순환 응력들(cyclic stresses)을 감소시키기 위해 배터리들이 종종 오버사이징되어 유지될 것이다. 또한, 배터리들 상의 열 응력들(thermal stresses)을 감소시키는 것을 돕기 위해 지나치게 공격적인 열 관리 제어들이 구현된다. 이들 방식들 둘 다는 전체 차량 크기를 증가시키고, 제조 비용들을 증가시키며, 에너지 스토리지 시스템의 동작 비용들을 증가시킨다.
하이브리드 및 전기 차량들을 위한 전통적인 에너지 스토리지 유닛들은 시스템 내의 에너지 스토리지 유닛들 또는 배터리들의 품질저하 비율(degradation rate)에 걸친 약간의 제어로 설계되고 구현된다. 공지된 배터리 수명 예측(prognosis)은 다양한 각각의 품질저하 메커니즘들의 비율을 예상하기 위해 물리학-기반 모델들을 사용하여 오프-라인으로 수행된다. 이들 실험 모델들은 고체-전해질 휴지기(solid-electrolyte interphase: SEI) 저항 성장 및 용량 페이드(fade), SEI 성장을 위한 화학 반응 경로들, 고속(high-rate) 충전/방전으로 인한 입자 파괴(particle fracture)의 시작 또는 배터리의 단일 듀티-사이클(duty-cycle)에 대한 전기화학적 상태를 고려할 수 있다. 그러나, 지금까지, 공지된 모델들은 실험 데이터와 실제 용량 페이드를 상관시키는데 필요한 사후-개시(post-initiation) 크랙 전파(crack propagation)를 예측하지 못하며 임의선택적 배터리 듀티-사이클들(duty-cycles)에 대한 예측 능력을 결여한다.
또한, 배터리 기술들의 오프-라인 수명 테스팅은 전형적으로 배터리가 정상 동작 동안 경험하는 것보다 훨씬 더 짧은 기간으로 많은 사이클들을 압축하는 가속화 방식으로 수행된다. 그와 같이, 가속화 에이징(aging) 테스팅을 사용하여 개발된 경험적 모델들은 실시간, 실제(real-world) 적용의 일정-관련(calendar-related) 및 사이클링-관련(cycling-related) 응답 사이의 상호작용들에 대해 정확하게 설명하지 못할 수 있다.
에너지 스토리지 유닛들의 동작에 더하여, 하이브리드 및 전기 파워 시스템들의 시스템 효율성이 또한 구동 시스템의 DC 링크 전압에 의해 영향받는다. DC 링크 전압을 결정하기 위한 일 공지 기술은 특정 차량 추진 시스템 구성을 위한 모터 및 인버터 손실을 최소화하는 DC 버스 전압을 계산하기 위해 종합 모델을 사용한다. 그와 같은 종합 모델의 사용은 시간 집약적이며 값비싼 하드웨어 배치를 발생시킨다. 더욱이, 그와 같은 방법은 모델의 정확도에 의존하며 변화하는 시스템 컴포넌트들 및 동작 모드들에 대해 반드시 견고한 것도 아니다. DC 링크 전압을 결정하기 위한 다른 기술은 최소의 손실로 전압 레벨을 탐색하기 위해 모터 시스템 효율성 맵(map)을 사용한다. 이 기술이 직접 룩업 테이블(look-up table)에 의존함에 따라, 모든 입력상의 잡음은 출력 전압 커맨드(command) 상에 나타난다. 더욱이, 룩업 테이블은 정적이며 시스템 다이내믹들(dynamics)을 고려하지 않는다. 따라서, 갑작스런 로드 변경(load change)은 전압 커맨드의 지연시간으로 인해 모터 토크(motor torque)에 관한 불만족스러운 응답 성능을 야기시킬 수 있다. 종합 모델은 유사하게 갑작스런 로드 변경들에 만족스럽게 응답하는데 실패하여, 임의의 동적 불확정성을 수용하기 위해 전압 커맨드에 대해 전형적으로 미리 결정된 마진(margin)을 추가시킨다. 그러나, 그와 같은 미리 결정된 마진은 종종 불만족스러운 응답을 생산한다; 너무 큰 마진은 시스템 효율성을 희생시키는 한편 너무 작은 마진은 요구되는 동적 응답을 충족시키지 못할 것이기 때문이다.
상기에 개략된 바와 같이, 다수의 에너지 스토리지 소스들 및 하나 또는 그 이상의 파워 소스들로 동작하기 위해 하이브리드 또는 전기 추진 시스템을 구성하기 위한 공지 기술들은 실시간, 실제 시스템 다이나믹들 및 동작 조건들에 대해 설명하지 않는 실험적으로 결정된 모델들 및 정적 데이터에 의존한다. 따라서, 이들 공지 기술들의 사용은 전체 시스템 효율성을 감소시키는데 더하여 추진 시스템의 각각의 컴포넌트들의 동작 효율성 및 연료 경제성을 감소시킨다.
따라서, 추진 시스템이 감소된 비용으로 제조되게 허용하면서 전체 시스템 효율성을 개선하며 에너지 스토리지 유닛들의 동작 및 수명을 최적화하는 전기 및/또는 하이브리드 전기 추진 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 차량 추진 시스템은 제 1 DC 버스에 연결되는 제 1 양방향 DC-DC 컨버터, 제 1 양방향 DC-DC 컨버터에 연결되는 적어도 하나의 에너지 스토리지 유닛을 포함하는 에너지 스토리지 시스템, 제 1 DC 버스에 연결되는 제 1 DC-투-AC(DC-to-AC) 인버터(inverter) 및 제 1 DC-투-AC 인버터에 연결되는 제 1 전자기계 디바이스를 포함한다. 제어기는 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도를 결정하도록, 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도를 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도와 비교하도록, 그리고 비교에 기초하여 제 1 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 제 1 양방향 DC-DC 컨버터를 선택적으로 제어하도록 프로그램된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 차량 추진 시스템을 제어하는 방법은 DC-DC 컨버터를 제공하는 단계, 에너지 스토리지 시스템을 DC-DC 컨버터에 연결하는 단계, DC-DC 전압 컨버터를 DC 버스에 연결하는 단계 및 제 1 DC-투-AC 인버터를 DC 버스에 연결하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제 1 전자기계 디바이스를 DC-투-AC 인버터에 연결하는 단계 및 제어기를 DC-DC 컨버터 및 제 1 DC-투-AC 인버터에 연결하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 모니터하도록, 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 결정하도록, 스케줄링 속도와 실시간 속도 사이의 차이를 계산하도록, 그리고 계산된 차이가 임계값을 초과한다면, 제 1 전압 레벨로부터 제 1 전압과 다른 제 2 전압 레벨로 DC 버스의 전압을 시프팅하기 위해 DC-DC 컨버터를 제어하도록 제어기를 구성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체는 그 위에 저장되는 컴퓨터 프로그램을 가지며 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 DC-투-AC 인버터를 통해 DC 버스에 연결되는 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 모니터하게 하며 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 결정하게 하는 명령어들의 세트를 나타낸다. 명령어들은 또한 컴퓨터로 하여금 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도와 비교하게 하며, 에너지 스토리지 시스템으로부터 DC 버스에 파워를 전달하기 위해 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하게 하며, 그리고 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도에 대한 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도의 비교에 기초하여 DC 버스의 전압을 선택적으로 조정하기 위해 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하게 한다.
다양한 다른 피처들 및 장점들이 다음의 상세한 설명 및 도면들로부터 명백해질 것이다.
도면들은 본 발명을 실행하기 위해 현재 고려되는 실시예들을 예시한다.
도면들에서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 추진 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 추진 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 추진 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 스토리지 시스템의 설계 구성을 발생시키기 위한 시뮬레이션 모델의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 에너지 스토리지 유닛들 사이에 차량 추진 시스템의 총 파워 요구를 분배하기 위한 동적 제어 기술을 예시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 추진 시스템의 DC 버스 전압을 조절하기 위한 동적 제어 기술을 예시한다.
도 7은 도 6의 동적 제어 기술로 사용하기 위한 예시적인 전압 스케줄링 맵이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진 시스템(10)의 개략도이다. 이하에 상세하게 설명되는 바와 같이, 추진 시스템(10)은 하나 또는 그 이상의 전자기계 디바이스들 사이에 파워 출력을 분배하는 순수 전기(EV) 추진 시스템 배열 내에 구성되거나 하나 또는 그 이상의 전자기계 디바이스들에 더하여 내연 기관을 포함하는 하이브리드(HEV) 추진 시스템으로서 구성될 수 있다. EV 또는 HEV 중 어느 한 쪽의 실시예에서, 전자기계 디바이스들이 공통 DC 버스 상에 또는 멀티-채널(multi-channel) DC-DC 컨버터의 독립 채널들의 출력 포트 상에 제공되어, 여전히 다수의 전자기계 디바이스들의 사이징 및 동작에서의 융통성을 허용하며 전자기계 디바이스들 및 전체 추진 시스템의 동작 효율성을 증가시키면서 전기적 DC 버스를 간략화하고 구조를 케이블링(cabling)하며 비용을 절약시킨다.
다양한 실시예들에 따르면, 추진 시스템(10)이 자동차들, 버스들, 트럭들, 트랙터들, 광산 및 건축 장비(mining and construction equipment)와 같은 상업 및 산업용 차량들, 마린 크래프트(marine craft), 에어크래프트들(aircrafts) 및 채굴 동작들에서, 또는 예를 들어, 비-제한 예들로서 크레인(crane), 엘리베이터(elevator) 또는 리프트(lift)와 같은 다른 타입의 전기 장치와 같은 지상 및 지하 둘 다에서 동작가능한 물질 수송 차량들(material transport vehicles) 또는 개인용 수송 차량들(personal carrier vehicles)을 포함하는 오프-로드(off-road) 차량들을 포함하는(그러나 이들로 제한되지 않음) 다양한 타입들의 차량들에 통합되도록 구성된다.
추진 시스템(10)은 제 1 에너지 스토리지 유닛(14) 및 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)을 가지는 에너지 스토리지 시스템(12)을 포함한다. 각 에너지 스토리지 유닛(14, 16)은 양의 단자(positive terminal)(18, 20) 및 음의 단자(negative terminal)(22, 24)를 가진다. 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)의 양의 단자(18)가 제 1 양방향 DC-DC 컨버터(26)에 연결되며 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)의 양의 단자(20)는 제 2 양방향 DC-DC 컨버터(28)에 연결된다. 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 각각은 각 에너지 스토리지 유닛이 배터리인 실시예에서 배터리 관리 시스템(battery management system: BMS)으로서 구성될 수 있는 별개의 또는 집적된 에너지 스토리지 관리 시스템(도시되지 않음)을 가진다. 다른 실시예에 따르면, 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)은 양방향 DC-DC 전압 컨버터들 또는 양방향 버크/부스트(buck/boost) 전압 컨버터들이다.
제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 충전 상태(state-of-charge: SOC)를 모니터하며 계산하기 위해 추진 시스템(10) 내에 센서 시스템(30)이 제공된다. 일 실시예에 따르면, 센서 시스템(30)은 그 동작 동안 여러번 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 전압 및/또는 전류를 측정하도록 구성되는 전압 센서들 및/또는 전류 센서들을 포함한다.
다양한 실시예들에 따르면, 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)은 각각 예들로서, 배터리, 플라이휠(flywheel), 연료 전지(fuel cell), 울트라커패시터(ultracapacitor) 또는 울트라커패시터들, 연료 전지들 및/또는 배터리들의 조합과 같은 하나 또는 그 이상의 에너지 스토리지 디바이스들을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)은 높은 고유-파워(specific-power) 에너지 스토리지 디바이스이며 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)은 높은 고유-에너지(specific-energy) 스토리지 디바이스이다. 예를 들어, 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)은 서로 연결되는 다수의 커패시터 셀들을 가지는 울트라커패시터일 수 있으며, 여기서 커패시터 셀들은 각각 대략 500 패럿(Farads)보다 큰 커패시턴스(capacitance)를 가진다. 대안적으로, 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)은 대략 350 W/kg 이상의 고유-파워를 가지는 높은 파워 배터리이거나 하나 또는 그 이상의 울트라커패시터들과 배터리들의 조합일 수 있다. 그와 같은 실시예에서, 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)은 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)과 비교하여 비교적 낮은 고유 파워를 가진다. 본원에 이용된 바와 같이, 낮은 고유 파워는 대략 200 W/kg 이하의 정도로 고유 파워를 달성하기 위해 제시되는 에너지 스토리지 디바이스를 설명한다. 다양한 실시예들에 따르면, 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)은 예를 들어, 높은 고유 에너지 배터리 또는 높은 에너지 밀도 배터리일 수 있다. 본원에 사용되는 용어 에너지 배터리는 100 W-hr/kg 이상 정도로 고유 에너지를 달성하기 위해 제시되는 높은 고유 에너지 배터리를 설명한다(예를 들어, Li-이온, 나트륨-금속 할로겐화물(sodium-metal halide), 나트륨 니켈 염화물(sodium nickel chloride), 나트륨-황(sodium-sulfur), Li-에어(Li-Air) 또는 아연-에어(zinc-air) 배터리).
일 실시예에서, 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)은 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)과 비교하여 비교적 높은 저항성 및 임피던스를 가진다. 다른 실시예에서, 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)의 비교적 낮은 고유 파워는 에너지 스토리지 시스템을 포함하는 각각의 배터리 셀들의 불균형(imbalance)에 기인할 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)은 저-비용 리튬 이온 배터리이다. 대안적으로, 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)은 나트륨 금속 할로겐화물 배터리, 나트륨 황 배터리, 니켈 금속 수소화물 배터리, 아연-에어 배터리, 납산(lead acid) 배터리 등일 수 있다.
추진 시스템(10)은 또한 DC 버스(36)의 양의 DC 링크(32) 및 음의 DC 링크(34)에 걸쳐 연결되는 제 1 양방향 DC-DC 컨버터(26) 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터(28)를 포함한다. 전압 센서(38)는 DC 버스 전압을 모니터하기 위해 DC 버스(36)에 걸쳐 연결된다. 다른 실시예에서, 센서(38)는 DC-DC 컨버터들 중 하나에 임베디드(embedded)된다.
일 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16) 중 어느 한 쪽 또는 둘 다는 각각의 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)이 생략될 수 있도록 사이징될 수 있어, 각 에너지 스토리지 시스템을 위한 각각의 DC-DC 전압 컨버터를 포함하는 시스템보다 더 적은 부품들(parts) 및 더 작은 중량을 포함하는 추진 시스템(10)을 발생시킨다. 그와 같은 실시예에서, 각각의 에너지 스토리지 유닛을 DC 버스에 선택적으로 연결하기 위해 컨택터(contactor)(도시되지 않음)가 제공될 수 있다.
제 1 양방향 DC-DC 컨버터(26) 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터(28) 둘 다는, 사용될 때, DC 전압을 버킹하거나(bucking) 부스팅함으로써 하나의 DC 전압을 다른 DC 전압으로 변환하도록 구성된다. 일 실시예에 따르면, 각 양방향 DC-DC 컨버터(26, 28)는 한 쌍의 전자 스위치들에 연결되며 한 쌍의 다이오드들에 연결되는 인덕터를 포함한다. 각 스위치는 각각의 다이오드에 연결되며, 각 스위치/다이오드 쌍은 각각 하프 위상 모듈(half phase module)을 형성한다. 스위치들은 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(insulated gate bipolar transistors: IGBTs), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터들(metal oxide semiconductor field effect transistors: MOSFETs), 실리콘 카바이드(silicon carbide: SiC) MOSFET들, 갈륨 질화물(Gallium nitride: GaN) 디바이스들, 바이폴라 접합 트랜지스터들(bipolar junction transistors: BJTs) 및 금속 산화물 반도체 제어 사이리스터들(metal oxide semiconductor controlled thyristors: MCTs)일 수 있다.
제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)은 DC 버스(36)를 통해 제 1 로드(40) 및 임의선택적 제 2 로드(42)(환영(phantom)으로 도시됨)에 연결된다. 일 실시예에서, 제 1 및 제 2 로드들(40, 42)은 전기 구동부들이다. 제 1 로드(40)는 제 1 DC-투-AC 전압 인버터(44) 및 제 1 모터 또는 제 1 전자기계 디바이스(46)를 포함한다. 제 2 로드(42)는 제 2 DC-투-AC 전압 인버터(48) 및 제 2 모터 또는 제 2 전자기계 디바이스(50)를 포함한다. 일 실시예에서, 각 인버터(44, 48)는 3개의 위상들을 형성하기 위해 쌍이 되는 6개의 하프 위상 모듈들을 포함하며, 각 위상은 DC 버스(36)의 양의 그리고 음의 DC 링크들(32, 34) 사이에 연결된다.
각 전자기계 디바이스(46, 50)는 각 DC-투-AC 전압 인버터(44, 48)의 각각의 위상들에 연결되는 복수의 권선들(windings)을 포함한다. 일 실시예에서, 전자기계 디바이스(46)는 견인 모터(traction motor)이며 전자기계 디바이스(50)는 교류 발전기(alternator) 또는 견인 모터이다. 다른 실시예에서, 전자기계 디바이스들(46, 50)은 AC 모터들이다. 일반적으로 도 1의 부분 번호들(52, 54)로서 표시되는 센서 어셈블리들은 각각의 전자기계 디바이스들(46, 50)의 토크 및 속도를 모니터하기 위해 다양한 전류 및/또는 전압 센서들을 포함한다.
추진 시스템(10)은 본원에서 3-상(three-phase) 인버터들(44, 48) 및 3-상 전자기계 디바이스들(46,50)을 포함하는 것으로 설명되더라도, 추진 시스템(10)이 대안적인 실시예들에서 임의의 수의 위상들을 활용할 수 있음이 고려된다.
추진 시스템(10)은 또한 제 1 및 제 2 전자기계 디바이스들(46, 50)의 출력들에 연결되는 전송부(56)를 포함한다. 전송부(56)는 다양한 실시예들에 따라 기어 어셈블리(gear assembly), 벨트 어셈블리(belt assembly) 또는 그 조합으로서 구성된다. 일 실시예에 따르면, 전송부(56)는 내부 유성 기어들(planetary gears) 및 클러치들의 배치(도시되지 않음)를 통해 전자기계 디바이스들(46, 50)의 출력들을 연결하는 전기적인 가변 전송부(electrically variable transmission: EVT)로서 구성된다. 동작에서, 전자기계 디바이스들(46, 50)은 파워 손실을 최소화하며 고도의 전체 시스템 효율성을 유지하기 위해 넓은 범위의 양방향 속도, 토크 및 파워 커맨드들에 걸쳐 동작될 수 있는 한편 추진 시스템(10)은 전하 고갈(charge depleting: CD) 또는 전하 유지(charge sustaining: CS)의 동작 모드 중 어느 한 쪽에서 동작한다.
전송부(56)의 출력은 차동기(differential)를 포함할 수 있는 기어 어셈블리(60)를 통해 차량의 축들 또는 하나 또는 그 이상의 구동 휠들(58)에 연결된다. 전송부(56)의 클러치들이 구성되는 방법에 따라, 제 1 또는 제 2 전자기계 디바이스(46, 50)는 전송부(56)를 통해 기어 어셈블리(60)에 연결될 수 있거나 제 1 또는 제 2 전자기계 디바이스들(46, 50)의 출력이 전송부(56)를 바이패스(bypass)하도록 기어 어셈블리(60)에 직접 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면 추진 시스템(10)은 순수 전기 차량(EV) 추진 시스템으로서 구성된다. 대안적으로, 추진 시스템(10)은 하이브리드 전기 차량(HEV) 추진 시스템으로 구성되고, 전송부(56)에 연결되는 내연 기관(internal combustion engine: ICE)(62)(환영으로 도시됨)을 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 내연 기관(62)은 비-제한 예들로서, 내연 가솔린 엔진(internal combustion gasoline engine), 내연 디젤 엔진(internal combustion diesel engine), 천연 가스에 의해 연료 공급되는 내연 기관, 외연 기관(external combustion engine) 또는 가스 터빈 엔진(gas turbine engine)일 수 있다.
추진 시스템(10)은 또한 제어 라인들(66)에 의해 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)에 동작가능하게 연결되는 제어기(64)를 포함한다. 제 1 양방향 DC-DC 컨버터(26)의 스위치들의 적절한 제어를 통해, 제어기(64)는 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)의 전압을 더 높은 전압으로 부스팅하도록 그리고 더 높은 전압을 DC 버스(36)에 공급하도록 구성된다. 유사하게, 제어기(64)는 에너지 스토리지 유닛(16)의 전압을 더 높은 전압으로 부스팅하기 위해 그리고 모터링 동작 모드 동안 더 높은 전압을 DC 버스(36)에 공급하기 위해 제 2 양방향 DC-DC 전압 컨버터(28)의 스위칭을 제어하도록 구성된다. 제어기(64)는 또한 충전 또는 재생 동작 모드 동안 DC 버스(36)의 전압을 버킹하기 위해 그리고 버킹 전압을 각각의 제 1 또는 제 2 에너지 스토리지 유닛(14, 16)에 공급하기 위해 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)의 스위칭을 제어하도록 구성된다. 일 실시예에서 제어 라인들(66)은 전압 커맨드들을 각각의 양방향 DC-DC 컨버터(26, 28)에 전달하는 실제 또는 가상 통신 데이터 링크를 포함한다.
제어기(64)는 또한 제어 라인들(68)을 통해 제 1 DC-투-AC 전압 인버터(44) 및 제 2 DC-투-AC 전압 인버터(48)에 연결된다. 모터링 모드에서, 제어기(64)는 DC 버스(36) 상의 DC 전압 또는 전류를 전자기계 디바이스들(46, 50)로의 공급을 위한 AC 전압 또는 전류로 변환하기 위해 제 1 및 제 2 DC-투-AC 전압 인버터들(44, 48)의 하프 위상 모듈들을 제어하도록 구성된다. 모터링 모드에서 가속시킬 때, 추진 시스템(10)은 전자기계 디바이스들(46, 50) 중 하나 또는 둘 다의 회전 속도를 제로 또는 그 실시간 또는 현재 속도로부터 더 높은 속도로 증가시킨다. 회생 모드에서, 제어기(64)는 대응하는 전자기계 디바이스(46, 50)로부터 수신되는 AC 전압 또는 전류를 DC 버스(36)에 공급하기 위한 DC 전압 또는 전류로 인버팅하기 위해 제 1 및 제 2 DC-투-AC 전압 인버터들(44, 48)을 제어하도록 구성된다.
동작 동안 제어기(64)는 또한 제어 라인들(70)을 통해 전압 센서(38)로부터 그리고 제어 라인들(72)을 통해 에너지 스토리지 유닛 센서 시스템(30)으로부터 피드백을 수신한다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 추가적인 전압 및/또는 전류 센서들은 제어기(64)가 다른 동작 조건들을 모니터하게 허용하기 위해 추진 시스템(10) 전반에 제공될 수 있다. 추가로, 당업자는 예를 들어, 내연 기관(62)과 같은 추진 시스템(10) 내의 다른 컴포넌트들로부터 피드백을 수신할 수 있으며 그리고/또는 다른 컴포넌트들에 제어 커맨드들을 전송할 수 있음을 인식할 것이다.
추진 시스템(10)의 에너지 스토리지 시스템(12)은 본원에서 2개의 에너지 스토리지 유닛들을 포함하는 것으로 설명되는 한편, 대안적인 실시예들은 단일 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리에 연결되는 단일 에너지 스토리지 유닛 또는 DC 버스(36)에 직접 연결되거나 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터(26, 28) 중 하나를 통해 또는 추가적인 DC-DC 컨버터를 통해 DC 버스(36)에 연결되는 3개 또는 그 이상의 에너지 스토리지 유닛들을 포함할 수 있음이 고려된다. 추가로, 대안적인 실시예들은 DC 버스(36)에 연결되는 단일 전자기계 디바이스/DC-투-AC 전압 인버터 쌍 또는 각각의 DC-투-AC 전압 인버터들을 통해 DC 버스(36)에 연결되는 3개 또는 그 이상의 전자기계 디바이스들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 추진 시스템(10)은 추진 시스템(10)에 관련되는 정보를 저장하도록 구성되는 데이터베이스(74)를 포함한다. 그와 같은 정보는 예들로서, 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)을 위한 품질저하 모델들, 전자기계 디바이스들(46, 50)을 위한 미리 정의된 전압 스케줄링 맵들, 및 공지된 라우트(route)를 따라 또는 차량 가속/감속 트렌드들 또는 미리 정의된 듀티 사이클(duty cycle)에 따른 차량의 이력 또는 공지 가속 및 감속 기간들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터베이스(74)에 저장되는 가속 및 감속 이벤트들과 관련된 차량 포지션 정보와 함께, 마일 표지들(mile markers), 시각(time of day) 또는 위성 위치 확인 시스템(GPS) 위치 정보와 같은, 포지션(position) 식별자들에 기초하여, 라우트를 따른 차량의 포지션을 결정하기 위해, (환영으로 도시되는) 임의선택적 차량 포지션 센서(76)가 제공될 수 있다. 데이터베이스(74)에서의 각 가속 및 감속 이벤트는 또한 가속 또는 감속 이벤트의 시간 지속기간에 관한 정보를 포함할 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 대안적인 실시예에 따른 추진 시스템(78)이 예시된다. 추진 시스템(10)과 유사하게, 추진 시스템(78)은 각각의 제 1 및 제 2 DC-투-AC 전압 인버터들(44, 48)에 연결되는 제 1 및 제 2 전자기계 디바이스들(46, 50)을 포함한다. 추진 시스템(10) 및 추진 시스템(78)에 공통인 다른 엘리먼트들 및 컴포넌트들은 본원에서 적절하게 유사한 부분 넘버링(numbering)으로 지칭된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 DC-투-AC 전압 인버터(44)가 양의 DC 링크(82) 및 음의 DC 링크(84)를 가지는 제 1 DC 버스(80)를 통해 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)에 연결된다. 유사하게, 제 2 DC-투-AC 전압 인버터(48)가 제 2 DC 버스(90)의 양의 DC 링크(86) 및 음의 DC 링크(88)를 통해 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)에 연결된다. 임의선택적으로, (환영으로 도시되는) 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)은 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)과 DC-투-AC 전압 인버터들(44, 48) 사이에 연결될 수 있으며 모터링 모드 동안 대응하는 제 1 또는 제 2 DC 버스(80, 90)의 버스 전압으로 각각의 에너지 스토리지 유닛들(12, 16)의 전압을 선택적으로 부스팅하기 위해 그리고 회생 또는 충전 모드 동안 각각의 에너지 스토리지 유닛(12, 16)의 전압으로 제 1 또는 제 2 DC 버스(80, 90)의 전압을 버킹하기 위해 제어기(64)를 통해 동작될 수 있다.
DC-DC 컨버터들(26, 28) 중 어느 한 쪽 또는 둘 다가 추진 시스템(78)으로부터 생략되는 실시예들에서, 전체 시스템 아키텍처가 간략화되며 추진 시스템(78)의 중량 및 체적이 감소된다. 그러나, 시스템 토폴로지(topology)로부터의 이들 컴포넌트들의 생략은 제 1 및 제 2 DC 버스들(80, 90)의 전압의 제어 손실 결과로서 제어들 및 최적화의 더 낮은 효율성 및 더 적은 융통성을 초래할 수 있다.
추진 시스템(78)이 2개의 독립적인 DC 버스들(80, 90)로 구성되기 때문에, 각 버스(80, 90)의 DC 링크 전압이 독립적으로 선택될 수 있으며 제어될 수 있다. 추가로, 독립적 DC 링크 전압들은 최대 시스템 효율성을 위해 에너지 스토리지 유닛들(14, 16) 및 전자기계 디바이스들(46, 50)을 선택하고 사이징하는데 더 큰 융통성을 제공한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 추진 시스템(92)의 개략도이다. 추진 시스템들(10, 78 및 92)에 공통인 엘리먼트들 및 컴포넌트들은 적절하게 동일한 참조 부호들에 연관되어 지칭된다. 추진 시스템(92)은 제 1 및 제 2 집적 파워 전자 어셈블리들(94, 96)이 추진 시스템(10, 78)의 DC-DC 전압 컨버터 어셈블리들 및 DC-AC 인버터들(도 1 및 2)을 교체한다는 점에서 추진 시스템들(10, 78)과 다르다. 도 3의 각 집적 파워 전자 어셈블리(94, 96)는 DC-DC 전압 컨버터 및 공통 하드웨어 패키징(hardware packaging) 내에 조합되는 DC-AC 인버터를 포함한다. 그와 같은 실시예는 파워 전자부의 더 효율적인 열 관리 및 더 컴팩트한 설계를 제공한다. 그러나, 전압 컨버터 및 인버터 전자부가 동일한 하우징에 패키징되며, 하나의 컴포넌트가 실패할 때 전체 패키징 어셈블리가 교체되어야 할 수 있기 때문에 추진 시스템(92)을 위한 수리 비용들이 추진 시스템들(10, 78)을 위한 수리 비용보다 더 높을 수 있다.
도 1, 2 및 3의 에너지 스토리지 시스템(12)의 설계 구성은 도 4에 개략적으로 예시되는 에너지 스토리지 시스템 시뮬레이션 모듈(98)을 사용하여 결정된다. 이하에 상세하게 설명되는 바와 같이, 시뮬레이션 모듈(98)은 오프라인으로 동작되며 추진 시스템 동작을 위한 원하는 성능 특성들을 제공할 수 있으며 또한 에너지 스토리지 시스템 내의 각각의 에너지 스토리지 유닛들의 비용 및 사이징을 최소화하는 에너지 스토리지 시스템을 위한 구성을 정의하기 위해 에너지 스토리지 유닛 모델들, 동작 데이터 및 경제 데이터의 수집을 사용한다.
시뮬레이션 모듈(98)은 에너지 스토리지 시스템(12) 내에 포함될 수 있는 각각의 에너지 스토리지 유닛들을 위한 넓은 범위의 가능한 사용량 패턴들에 대한 데이터를 포함하는 동작 사용 데이터(100)를 입력으로서 수신한다. 그와 같은 동작 사용 데이터(100)는 예를 들어, 예시적인 주행 사이클들에 걸친 파워 요구가 어떻게 변화하는지에 관한 상세들을 포함하는, 시내 주행 사이클(city drive cycle) 및 고속도로 주행 사이클과 같은 미리 결정된 또는 표준 듀티 또는 주행 사이클들의 선택을 포함할 수 있다. 시뮬레이션 모듈(98)은 또한 다양한 타입들의 에너지 스토리지 유닛들의 초기 자본 비용들 및 예를 들어, 서로 다른 타입들의 에너지 스토리지 유닛들을 통합하는 차량들을 위한 동작 비용들 및/또는 서로 다른 타입들의 에너지 스토리지 유닛들을 충전하기 위한 비용들을 포함하는 차량 동작 비용들에서의 변화들을 설명하는 파라미터들을 포함하는 경제 시나리오 데이터(102)를 수신한다.
에너지 스토리지 시스템 시뮬레이션 모듈(98) 내에는, 에너지 스토리지 시스템(12) 내에 포함될 수 있는 다양한 타입들의 에너지 스토리지 유닛들에 대한, 예를 들어, 전기화학 모델들과 같은 물리학-기반 모델들(104)이 제공된다. 시뮬레이션 모듈(98)은 또한 다양한 타입들의 에너지 스토리지 유닛들의 품질저하 모델들(106)을 포함한다.
에너지 스토리지 유닛들을 위한 다양한 옵션들의 물리학-기반 모델들(104) 및 품질저하 모델들(106), 동작 사용 데이터(100), 및 추진 시스템을 위한 경제 시나리오 데이터(102)를 고려하여, 에너지 스토리지 시스템(12)을 위한 최적화 구성을 결정하기 위해 시뮬레이션 모듈(98)에 최적화 알고리즘(108)이 적용된다.
시뮬레이션 모듈(98)의 결과적인 출력(110)은 예를 들어 파워 배터리들 및/또는 에너지 배터리들과 같은 에너지 스토리지 시스템(12) 내의 에너지 스토리지 유닛들의 타입, 및 킬로와트(kilowatts)로 정의되는 각 에너지 스토리지 유닛의 파워뿐 아니라 킬로와트-시간으로 정의되는 각 에너지 스토리지 유닛의 에너지를 포함할 수 있는, 에너지 스토리지 유닛들의 최적화 사이징의 선택을 포함하는 에너지 스토리지 시스템(12)을 위한 설계이다. 비-제한 예로서, 시뮬레이션 모듈(98)의 출력(110)은 10 kW, 20 kW-hr 파워 배터리 및 10 kW, 50 kW-hr 에너지 배터리를 포함하여 에너지 스토리지 시스템(12)을 정의할 수 있다.
시뮬레이션 모듈(98)에 의해 출력되는 에너지 스토리지 시스템 설계는 추진 시스템의 동작 사용 및 경제 시나리오들 모두는 아닐지라도, 대부분에 대해 적합할 수 있다. 예를 들어, 특정 설계가 고객들의 85%에 대해 10년의 수명을 달성하도록 공인될 수 있는 한편, 다른 설계 옵션은 고객들의 95%에 대해 9년의 수명을 달성할 수 있다.
시뮬레이션 모듈(98)의 오프라인 사용을 통해 에너지 스토리지 시스템(12)에 대한 최적화 설계 구성을 제공하는데 더하여, 본 발명의 실시예들은 또한 추진 시스템(10)의 전체 동작 효율성을 최대화하면서 에너지 스토리지 유닛들(14, 16) 중에 분배되는 파워를 최적화하기 위해 설계된 제어 전략에 따라 제어기(64)가 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)로부터 파워를 선택적으로 뽑아내는 동안, 도 5에 예시되는 동적 파워-분배 제어 기술(112)의 동작을 통해 에너지 스토리지 시스템(12)의 온라인 최적화를 제공한다. 파워-분배 제어 기술(112)은 실시간으로 동작되며 넓은 범위의 에너지 스토리지 유닛들에 대한 가능한 사용량 패턴들, 에너지 스토리지 유닛들에 대한 품질저하 모델들, 가능한 장래 요구들의 인식 및 파워 디스패치(dispatch) 알고리즘을 고려하면서 에너지 스토리지 유닛들(14, 16) 사이의 추진 시스템(10)에 대한 총 파워 요구의 분배에 영향을 미친다. 동적 제어 기술(112)이 도 1의 추진 시스템(10)을 참조하여 이하에 설명되는 한편, 기술(112)이 예를 들어, 추진 시스템(78)(도 2) 및 추진 시스템(92)(도 3)과 같은 대안적인 구성들을 가지는 추진 시스템들로 용이하게 확장될 수 있음이 인식될 것이다.
동적 파워-분배 제어 기술(112)은 추진 시스템(10)의 총 파워 요구가 정해진 동작 기간 동안 에너지 스토리지 유닛들(14, 16) 사이에 어떻게 분배되게 하는지를 정의하는, 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)에 대한 초기 파워 분배를 액세스함으로써 단계(114)에서 시작한다. 차량 시동시에, 초기의 파워 분배가 추진 시스템(10)을 위한 사전설정 듀티 또는 주행 사이클로부터 결정되는 디폴트(default) 값으로서 정의될 수 있다. 동작에서, 초기의 파워 분배는 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)에 적용되는 가장 최신의 파워 분배로서 정의될 수 있다.
단계(116)에서, 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)에 대한 동작 파라미터들이 모니터링된다. 일 실시예에서, 동작 파라미터들은 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 충전 상태(state-of-charge: SOC)의 실시간 값 및 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 건강 상태(state-of-health: SOH)의 실시간 값을 포함한다. 이들 실시간 SOC 및 SOH 값들(116)은 에너지 스토리지 유닛 센서 시스템(30)으로부터 수신되는 정보로부터 결정될 수 있다. SOC는 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)에 저장되는 전기 에너지의 수량 또는 레벨을 표시하며 센서 시스템(30)으로부터 제어기(64)에 제공되는 전압 및/또는 전류 측정치들을 사용하여 제어기(64)에 의해 결정될 수 있다. 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 SOH는 방전(예를 들어, 로드를 공급하는) 동안 또는 충전 동안 정격 성능(rated performance)을 충족시키기 위한 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 능력을 지칭한다. SOH는 다양한 파라미터들로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)은 하나 또는 그 이상의 배터리들을 포함하는 경우에, SOH는 전류의 함수로서 배터리 단자 전압, 내부 배터리 저항의 추정치, 배터리 온도, SOC의 정해진 값에서의 배터리 전압 및/또는 배터리의 수명 또는 달력 나이에 걸친 배터리 저항성의 트렌트들에 기초할 수 있다.
단계(118)에서, 파워-분배 제어 기술(112)은 추진 시스템(10)으로부터의 실시간 파워 요구를 반영하는 시변 요망 차량 성능 데이터(time-variable desired vehicle performance data)를 수신한다. 그와 같은 시변 요망 차량 성능 데이터는 가속 또는 감속 이벤트와 같은 사용자 입력으로부터, 또는 데이터베이스(74) 상에 저장되는 정보로부터와 같이, 미리 결정된 차량 라우트 또는 듀티 사이클로부터 획득되는 정보로부터 결정될 수 있다.
단계(120)에서 파워 분배에 따라 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)을 동작시키는 영향이 결정된다. 구체적으로, 단계(120)에서 시변 요망 성능 데이터, 초기 파워 분배 및 실시간 SOC 및 실시간 SOH 데이터가 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)을 위한 품질저하 모델들에 입력된다. 품질저하 모델들(120)은 실시간 SOC 및 SOH 값들(116) 및 초기의 파워 분배(114)에 기초하여 각 에너지 스토리지 유닛(14, 16)에 대한 건강의 상태에서의 변화인 ΔSOH뿐 아니라 각 에너지 스토리지 유닛(14, 16)에 대한 충전 상태에서의 변화인 ΔSOC를 결정하기 위해 사용된다. 단계(120)에서, 품질저하 모델들은 또한 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 수명에 걸쳐 감소하는 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)로부터 이용가능한 최대 파워를 결정하기 위해 사용된다.
단계(122)에서, 파워-분배 제어 기술(112)은 초기 파워 분배가 임의의 시스템 성능 제약 함수들을 위반하는지에 따라 에너지 스토리지 시스템(12)을 동작시킬지 여부를 결정한다. 이들 시스템 성능 제약 함수들은 예들로서, 열 제한, 최대 파워, 최대 전류, 및/또는 최대 전압과 같은 추진 시스템을 위한 특정 임계값들을 정의하는 함수들을 포함할 수 있다.
초기 파워 분배에서의 동작이 시스템 성능 제약 함수(124)를 위반하면, 파워-분배 제어 기술(112)은 단계(126)에서 제 1 및 제 2 에너지 스토리지 유닛들(14, 16) 사이의 파워 분배를 수정하며 그 후에 품질저하 모델들로부터의 수정된 파워 분배의 영향을 결정하기 위해 단계(120)로 리턴한다. 예를 들어, 초기의 파워 분배가 총 파워 요구의 30 퍼센트를 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)에 할당하며 총 파워 요구의 나머지 70 퍼센트를 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)에 할당한다면, 파워 분배는 총 파워 요구의 40 퍼센트를 제 1 에너지 스토리지 유닛(14)에 할당하며 나머지 60 퍼센트를 제 2 에너지 스토리지 유닛(16)에 할당하기 위해 단계(126)에서 수정될 수 있다.
이하에 설명되는 바와 같이, 다른 한편으로, 초기의 파워 분배에서의 동작이 시스템 성능 제약 함수(128)를 위반하지 않는다면, 파워-분배 제어 기술(112)은 파워 분배가 유효화되는지 여부를 결정하기 위해 단계(129)로 진행하거나 또는 파워 분배 알고리즘을 실행하기 위해 단계(130)로 직접 진행한다.
전류 파워 분배가 디폴트 값으로부터 결정되는 경우의 추진 시스템 시동 동안과 같이, 파워 분배 알고리즘을 실행한 결과로서 전류 파워 분배가 결정되지 않은 경우에, 파워-분배 제어 기술(112)은 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)을 위한 최적화 파워 분배 또는 파워 할당을 식별하는 파워-분배 알고리즘을 실행하도록 단계(122)로부터 단계(130)로 직접 진행한다. 본원에 설명된 예시적인 실시예에서, 이하에 상세하게 설명된 바와 같이, 파워-분배 알고리즘은 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 열화와 추진 시스템(10)의 성능의 최대화 사이의 최적화 균형유지를 제공하는 파워 분배 계수들의 최적 벡터를 식별하는 다목적(multi-objective) 최적화 알고리즘이다. 대안적인 실시예들에서, 파워 분배 알고리즘은 간략화 필터-기반 알고리즘, 규칙-기반 또는 논리-기반 알고리즘 또는 하나 또는 그 이상의 룩업 테이블들에 기초한 알고리즘일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 다목적 최적화 알고리즘은 예를 들어, 추진 시스템 파워 전자부의 효율성 및 추진 시스템(10)의 파워 트레인의 전체 효율성을 위한 모델들과 같은 에너지 스토리지 시스템(12)을 정의하는 비선형 모델들과 인터페이싱한다. 다목적 최적화 알고리즘은 원하는 동작 효율성, 연료 경제성 및 최대 파워 출력, 및 추진 시스템(10)의 동작 제약들을 받는 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 건강 상태(SOH)에서의 최소화 변경들을 포함하는, 원하는 모델 및 시스템 출력들을 달성하기 위해, 시변 성능 요건, 디바이스 전류 및 전압들, 스위칭 주파수, 파워 인자들 등과 같은 비선형 모델들의 입력들을 조작한다.
다목적 최적화 알고리즘은 다양한 실시예들에 따른 최적화의 서로 다른 방법들을 통합한다. 하나의 비-제한 예로서, 최적화 기술들을 통합하는 진화 알고리즘들은 자연 진화 프로세스들을 시뮬레이트하기 위해 사용될 수 있다. 그와 같은 진화 알고리즘들은 비-평활, 비-선형 및 멀티-모드 전송 기능 관계들에 대해 견고하다. 대안적으로, 평활 및 단봉형(uni-modal) 전달 함수 관계들을 위해 적합한 그라디언트-디슨트(gradient-decent) 최적화 기술들이 적용될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예로서, 최적화 알고리즘은 계산 요구를 감소시키기 위해 그리고 실시간 구현을 간략화하기 위해 하이-로우(high-low) 통과 필터 기반, 규칙/논리 기반, 또는 룩업 테이블로서 간략화될 수 있다.
동작에서, 다목적 최적화 알고리즘은 에너지 스토리지 시스템(120)의 동작 제약들을 충족시키는 입력-출력 벡터 투플들(tuples)의 파레토-최적(Pareto-optimal) 세트를 식별하기 위해 에너지 스토리지 시스템(12)의 다양한 비선형 모델들을 조사한다. 각 입력-출력 투플은 파워 분배 비들의 입력 벡터, 및 에너지 스토리지 시스템(12)의 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 건강 상태(SOH)에서의 변화, 에너지 스토리지 시스템(12)의 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 충전 상태(SOC)에서의 변화, 및 에너지 스토리지 시스템(12)의 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)의 이용가능한 예비 피크 성능과 같은 출력 벡터에 대응한다. 파레토-최적 입력-출력 투플들은 파레토 또는 효율적인 프론티어 솔루션들(frontier of solutions) 상에 존재하며 장래의 의사-결정(decision-making) 정보의 부재시에 상호간에 그리고 동일하게 양호한 균형유지 솔루션들이다.
다목적 최적화 알고리즘은 에너지 스토리지 유닛들(14, 16)에 대한 파워 분배를 정의하는 기준 커맨드로서 배치되도록 특정 파레토-최적 파워-분배 전략의 자동화 선택을 수행하기 위해 의사-결정 함수를 사용한다. 의사-결정 함수는 자기 조정 또는 정정되는 그리고 미리 결정된 수의 장래 시간 단계들 동안 추진 시스템(10)의 파워 및 에너지 요구들을 예측하는 체험적 모델(heuristic model)에 기초한다. 다목적 최적화 알고리즘은 장래의 시간 단계들에 걸친 차량 시스템의 성능 및 건강을 최적화하는 최적의 파워 분배 전략을 필터링하고 식별하기 위해 파워 분배 전략들의 파레토-최적 세트 상에 의사-결정 함수를 중첩시킨다.
단계(130)에서 다목적 최적화 알고리즘을 실행한 후에, 파워-분배 제어 기술(112)은 다목적 최적화 알고리즘에 의해 파워 분배 출력을 테스트하고 유효화하는 동작 루프를 시작한다. 도 5에 예시된 바와 같이, 파워-분배 제어 기술(112)은 단계(120)로 리턴하며 초기의 파워 분배에 관하여 상술한 바와 유사한 방식으로 품질저하 모델들로부터 새로운 파워 분배의 영향을 결정한다. 파워-분배 제어 기술(112)은 그 후에 단계(122)로 진행하며 새로운 파워 분배가 임의의 시스템 제약 함수들을 위반하는지에 따라 동작하는지 여부를 결정한다.
단계(122)에서, 파워-분배 제어 기술(112)은 새로운 파워 분배가 시스템 제약 함수(124)를 위반하는 것으로 결정하면, 파워 분배는 단계(126)에서 수정된다. 일 실시예에 따르면, 파워-분배 제어 기술(112)은 특정 퍼센티지만큼 에너지 스토리지 유닛 중 하나의 사용량을 감소시킴으로써 그리고 원하는 파워 출력의 나머지를 발생시키기 위해 다른 에너지 스토리지 유닛의 사용량을 증가시킴으로써와 같이, 증가하는 값만큼 파워 분배를 수정할 수 있다. 대안적으로, 파워-분배 제어 기술(112)은 새로운 파워-분배를 발생시키기 위해 다목적 최적화 알고리즘을 재실행할 수 있으며, 이 때 비-선형 모델들에 서로 다른 가중치들을 적용한다.
새로운 파워 분배가 어떠한 시스템 제약들(128)도 위반하지 않는다면, 파워-분배 제어 기술(112)은 단계(129)로 진행하며 현재의 전류 분배가 유효한지 여부를 결정한다. 이 단계 동안, 현재 파워 분배로부터 발생하는, 건강 상태에서의 변화인 ΔSOH 및 충전 상태에서의 변화인 ΔSOC는 현재 전류 분배가 에너지 스토리지 시스템의 건강 상태 및/또는 충전 상태에 관한 영향을 크게 야기할지 여부를 결정하기 위해 평가된다. 일 실시예에서, 건강 상태에서의 변화인 ΔSOH 및 충전 상태에서의 변화인 ΔSOC는 각각의 미리 정의된 임계값들과 비교될 수 있다.
건강 상태에서의 변화인 ΔSOH 및 충전 상태에서의 변화인 ΔSOC 중 어느 한 쪽이 임계값을 초과한다면, 현재의 파워 분배는 유효하지 않았다(131). 이러한 상황에서, 파워-분배 제어 기술(112)은 단계(130)에서 다시 다목적 최적화 알고리즘을 적용하며 파워-분리 제어 기술(112)은 단계들(120, 122, 129 및 130) 사이에 정의되는 루프를 통해 실행하는 파워 분배를 반복적으로 계속해서 조정한다.
미리 결정된 수의 반복들의 종료에서, 파워-분배 제어 기술(112)은 다목적 최적화 알고리즘으로부터 도출되는 파워 분배의 가장 최신의 반복이 시스템 제약 함수들(128)을 위반하지 않으며 파워 분배가 유효한 것으로(133) 결정하면, 파워-분배 제어 기술(112)은 이하에 설명된 바와 같이 (환영으로 도시되는) 임의선택적 단계(135)로 진행한다.
일 실시예에서, 다목적 최적화 알고리즘은 단일 반복 동안 단계(130)에서 다수의 가능한 파워 분배들을 출력할 수 있다. 예를 들어, 정해진 반복 동안 다목적 최적화 알고리즘은 고객들의 85%에 대해 10년의 수명을 달성하도록 공인되는 제 1 파워 분배 그리고 고객들의 95%에 대해 9년의 수명을 달성하도록 공인되는 제 2 파워 분배를 출력할 수 있다. 이들 다수의 파워 분배들의 각각이 단계(122)에서 시스템 제약 함수를 위반하지 않으며 단계(129)에서 유효한 것이라면, 파워-분배 제어 기술(112)은 단계(135)에서 균형유지 의사결정을 사용하여 이들 파워 분배 전략들 중 어느 것을 이용할 것인지를 결정한다. 이러한 균형유지 의사 결정은 서로 다른 인자들의 미리 결정된 가중치 및 또는 그 인자들에 대한 미리 결정된 임계값들에 기초한 자동화 프로세스일 수 있거나 사용자 선택에 기초하여 결정될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 균형유지 의사결정은 단계(130)에서 다목적 최적화 알고리즘의 일부로서 통합될 수 있다.
단계(135)의 균형유지 의사결정에 후속하여, 파워-분배 제어 기술(112)은 단계(134)로 진행하며 에너지 스토리지 유닛들의 파워 할당을 제어기(64)에 출력한다. 파워 할당은 파워 분배의 가장 최신의 반복에 대응하며 총 파워 요구가 에너지 스토리지 유닛들 사이에 어떻게 분배되는지를 표시한다. 제어기(64)는 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)에 대한 적절한 제어 커맨드들을 통한 파워 할당을 구현한다.
파워-분배 제어 기술(112)은 추진 시스템(10)의 실시간 동작 동안 주기적으로 반복된다. 다양한 실시예들에 따르면, 새로운 파워 분배들을 정의하기 위해 파워-분배 제어 기술(112)이 사용되는 주파수는 시간의 함수, 차량의 변화하는 동작 조건들, 에너지 스토리지 시스템의 변화하는 상태 또는 그 조합으로서 결정될 수 있다.
하이브리드 또는 전기 차량을 위한 추진 시스템의 최적화 동작이 또한 DC 버스(36)의 전압을 동적으로 조절함으로써 달성될 수 있다. 동적 조절 기술은 도 1의 추진 시스템(10)에 관하여 이하에 설명되는 한편, 기술은 예를 들어, 추진 시스템(78)(도 2) 또는 추진 시스템(92)(도 3)과 같은 대안적인 추진 시스템 구성들의 DC 링크 전압(들)을 제어하도록 확장될 수 있음이 고려된다. 일 실시예에서, 동적 DC 버스 전압 조절은 상술한 파워-분배 제어 기술(112)과 동시에 실행된다. 또 다른 실시예에서, 동적 DC 버스 전압 조절은 상술한 파워 분배 제어 기술(112) 없이 독립적으로 실행될 수 있다.
이제 도 6을 참조하며, 그리고 도 1의 엘리먼트들을 계속 참조하여, 적절하게, 추진 시스템(10)의 DC 버스 전압을 조절하기 위한 동적 전압 제어 기술(136)이 설명된다. 에너지 스토리지 시스템(12)의 에너지 스토리지 유닛들(14, 16) 사이의 파워 분배를 제어하는데 더하여, 제어기(64)는 또한 추진 시스템(10)이 동작 동안 최적 효율성에 근접할 수 있도록 그에 따라 DC 버스(36)의 DC 링크 전압을 동적으로 제어한다. 이하에 상세하게 설명된 바와 같이, 제어기(64)는 DC 버스(36)의 DC 전압을 모니터하며 동작의 각 시간 단계 동안 최적 전압 커맨드를 컴퓨팅하며 제어 라인들(66)을 통해 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)에 전압 커맨드들을 계속적으로 전송한다.
단계(138)에서, 동적 전압 제어 기술(136)은 전압 센서(38)로부터 수신된 측정을 통해 또는 제어기(64)에 의해 제 1 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)에 전송되는 이전의 DC 버스 전압 커맨드를 액세스함으로써 DC 버스의 실시간 전압을 결정한다. 이러한 이전의 DC 버스 전압 커맨드는 추진 시스템(10)의 시동시에 전송되는 초기의 전압 커맨드 또는 추진 시스템(10)의 실시간 동작 동안 이전의 시간 단계 동안 전송되는 전압 커맨드일 수 있다.
동적 전압 제어 기술(136)은 단계(140)에서 제 1 및 제 2 전자기계 디바이스들(46, 50)의 실시간 토크 및 실시간 속도 값들을 액세스한다. 실시간 DC 버스 전압의 실시간 토크를 사용하면, 동적 전압 제어 기술(136)은 단계(141)에서 대응하는 스케줄링 속도를 식별한다.
일 실시예에 따르면, 실시간 토크 및 실시간 DC 버스 전압에 대응하는 스케줄링 속도는 전자기계 디바이스의 측정 토크 및 DC 버스 전압에 의해 인덱싱되는 전압 스케줄링 룩업 테이블로부터 결정된다. 일 실시예에서, 전압 스케줄링 룩업 테이블은 예를 들어, 토크의 메시 그리드(mesh grid)를 위해 발생되는 최적 전압 및 전자기계 디바이스의 속도의 등고선 선도(contour plot)인, 예를 들어 도 7에 예시되는 전압 스케줄링 맵(144)과 같은 전압 스케줄링 맵으로부터 발생된다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 도 7은 단일 사분면(quadrant), 즉 양의 토크 및 양의 속도를 위한 최적 전압으로서의 예시 목적들을 위해 도시된다. 그러나, 제어 목적들을 위해 사용되는 등고선 선도는 4개의 사분면들, 즉 양 및 음의 토크 그리고 양 및 음의 속도 둘 다를 포함할 것이다. 전압 스케줄링 맵은 특정 전자기계 디바이스를 위한 동작 토크들 및 동작 속도들의 범위에 걸쳐 최적 DC 버스 전압들을 정의한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전압 스케줄링 맵(144)은 예를 들어, 특정 전자기계 디바이스를 동작시키기 위한 250 V, 350 V, 450 V, 550 V, 650 V 및 700 V와 같은 서로 다른 DC 버스 전압 레벨들에 대응하는 다수의 동작 곡선들(146, 148, 150, 152, 154, 156)을 포함한다. 모터 토크 및 속도의 입력들의 쌍이 주어지면, 전압 스케줄링 맵(144)으로부터 발생되는 전압 스케줄링 룩업 테이블은 시스템 손실이 최소인 차량 추진 시스템을 위한 최적의 DC 전압을 식별하기 위해 사용될 수 있다. 일 예로서, 실시간 DC 버스 전압이 250 V이며 실시간 토크가 20 Nm라면, 스케줄링 속도는 전압 스케줄링 맵(146)에 기초하여 단계(141)에서 2000 rpm인 것으로 결정될 것이다.
단계(158)에서, 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도는 단계(141)에서 결정된 바와 같이 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도에 비교된다. 동적 전압 제어 기술(136)은 다음에 단계(160)에서 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도와 실시간 동작 속도 사이의 차이가 임계값보다 큰지 여부를 결정한다. 스케줄링 속도와 실시간 동작 속도 사이의 차이가 임계값(162)보다 크다면, 새로운 전압 커맨드가 단계(163)에서 발생된다.
단계(163)에서, 동적 전압 제어 기술(136)은 전압 스케줄링 맵(144)으로부터 발생되는 전압 스케줄링 룩업 테이블로부터 그리고 전자기계 디바이스를 위한 실시간 토크 및 실시간 속도에 기초하여 새로운 전압 커맨드 값을 결정한다. 2000 RPM의 스케줄링 속도, 20 Nm의 토크 및 250 V의 DC 버스 전압을 가지는 상술한 예에 후속하여, 실시간 속도가 1500 RPM으로부터 2500 RPM으로 증가하였다면, 동적 전압 제어 기술(136)은 DC 버스 전압이 (곡선(148)에 대응하는) 350 V와 같은 더 높은 전압 레벨까지 시프트하게 야기시키도록 단계(163)에서 새로운 전압 커맨드를 발생시킬 것이다. 전자기계 디바이스의 실시간 동작 포인트가, 실시간 토크 및 실시간 속도 값들로부터 결정된 바와 같이, 전압 스케줄링 맵(144)의 동작 곡선들 중 하나에 속하지 않는다면, 전압 커맨드 값은 선형 보간(linear interpolation)에 의해 또는 실시간 동작 포인트에 대해 최근접 동작 곡선을 선택함으로써 결정될 수 있다.
단계(163)에서 발생되는 새로운 전압 커맨드는 단계(164)에서 제 1 및 제 2 양방향 DC-DC 컨버터들(26, 28)에 전송되며 그에 의해 DC 버스 상의 전압이 새로운 전압 커맨드에 따라 위 또는 아래로 시프트하게 야기시킨다. 상술한 예에서, DC 버스에 관한 전압은 예를 들어, 50 V 또는 100 V 스텝들(steps)에서와 같은 미리 정의된 전압 간격에 의해 위 및 아래로 시프트하도록 제어된다. 그러나, 대안적인 실시예들은 더 크거나 더 작은 스텝들로 DC 버스의 전압을 시프트하는 전압 커맨드들을 발생시킬 수 있다.
다른 한편, 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도와 실시간 동작 속도 사이의 차이는 임계값(166)보다 크지 않다면, 동적 전압 제어 기술(136)은 (환영으로 도시되는) 임의선택적 대기 단계(168)를 개시한 후에 단계(140)로 리턴한다.
다수의 전자기계 디바이스들을 포함하는 추진 시스템 실시예들에서, 별개의 전압 스케줄링 맵은 각 전자기계 디바이스를 위해 발생된다. 일 실시예에서, 전압 스케줄링 맵은 각 전자기계 디바이스 오프라인에 대해 경험적으로 도출된다. 도 2 및 3에 예시되는 실시예들과 같은, 독립적 DC 버스들에 연결되는 다수의 전자기계적 디바이스들을 가지는 추진 시스템들에 대해, 각각의 전압 커맨드들이 동적 전압 제어 기술(136)의 단계들(138-168)에 관하여 설명된 방식으로 발생되며 각 DC 버스에 관한 전압을 독립적으로 제어하기 위해 사용된다. 대안적으로, 전자기계 디바이스들이 도 1에 예시된 실시예와 같은 공통 DC 버스에 연결되는 경우에, 전압 커맨드들은 동적 전압 제어 기술(136)의 단계들(138-168)에 관하여 설명된 방식으로 발생되며 그 후에 DC 버스에 관한 전압을 제어하기 위해 전압 내로 함께 혼합된다.
일 실시예에서, 각 전자기계 디바이스를 위한 각각의 전압 커맨드들이 각각의 전압 커맨드들 각각으로부터 전압들의 중간값 또는 모드로서 혼합된 전압 커맨드를 정의할 수 있는 선택 로직을 사용하여 조합된다. 다른 실시예에서, 혼합된 전압 커맨드는 0과 1 사이의 가중치 숫자를 갖는 각각의 전압 커맨드들의 각각에 가중치를 두는 가중치 로직을 사용하여 결정된다. 각 전자기계 디바이스를 위한 가중치 숫자는 변화하는 전압이 추진 시스템의 전체 동작 효율성에 영향을 얼마나 미치는지의 인덱스로서 선택된다. 가중치 숫자들은 최대 파워, 최대 효율성 및 높은 효율성 범위와 같은 전자기계 디바이스의 하나 또는 그 이상의 공지된 동작 파라미터들에 기초하여 결정될 수 있다. 그와 같은 실시예에서, 높은 파워 출력, 낮은 효율성 및 좁은 효율성 범위들을 가지는 전자기계 디바이스들이 높은 인덱스 값들 또는 가중치 숫자들을 제공받을 것이다. 대안적으로, 가중치 숫자들은 전자기계 디바이스의 실시간 동작 조건들에 기초하여 동적으로 결정될 수 있다. 이 경우에, 전자기계 디바이스를 위한 가중치 숫자는 특정 전압 레벨에 특정하여 결정될 것이며 DC 버스의 스케줄링 전압에 대한 조정들로 변화할 수 있다.
동적 DC 링크 전압 제어 기술(136)은 동작 동안 DC 버스 전압에서의 원하지 않는 요동들(fluctuations)을 야기시키는 전압 커맨드들의 전송을 방지하여 그에 의해 동적 제어 기술(136)이 잡음에 견고하게 하는 로직을 포함한다. 이러한 동적 제어 기술(136)을 달성하기 위해, 연속적인 반복들 사이의 전자기계 디바이스의 실시간 속도에서의 변화가 미리 결정된 임계값을 초과할 때만 새로운 전압 커맨드를 구현한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 전기 차량들 및 하이브리드 전기 차량들을 위한 차량 추진 시스템들을 설계하고 동작시키기 위한 오프라인 및 온라인 최적화 기술들을 활용한다. 오프라인 최적화 기술은 최대 파워 출력 및 원하는 수명의 연한들과 같은 원하는 시스템 제약들을 달성하는 설계 구성을 제공하면서 에너지 스토리지 시스템 내의 에너지 스토리지 유닛들의 크기를 최소화하는 차량 추진 시스템의 에너지 스토리지 시스템을 위한 설계 구성을 결정한다. 정해진 에너지 스토리지 시스템 내에 제공된 에너지 스토리지 유닛들의 수명을 더 최대화하기 위해, 에너지 스토리지 유닛들의 충전 상태 및 건강 상태를 모니터링하면서 추진 시스템의 총 파워 요구를 달성하기 위해 차량 추진 시스템의 동작 동안 에너지 스토리지 유닛들 사이의 파워 분배를 조정하는 온라인 최적화 기술이 본원에 설명된다. 본 발명의 실시예들은 또한 전자기계 디바이스들의 속도 및 각 전자기계 디바이스에 고유한 미리 결정된 전압 스케줄링 맵에 기초하여 DC 버스의 전압을 동적으로 제어하는 온라인 전압 조절 기술을 활용한다. 상술한 바와 같이, 이들 온라인 및 오프라인 기술들은 에너지 스토리지 유닛들의 수명을 최적화하며 차량 추진 시스템의 전체 제조 비용을 감소시키면서 전체 시스템 성능 및 효율성을 개선한다.
당업자는 제어기(64)가 전자 컴포넌트들, 하드웨어 컴포넌트들 및/또는 컴퓨터 소프트웨어 컴포넌트들 중 하나 또는 그 이상과 같은 복수의 컴포넌트들을 통해 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 이들 컴포넌트들은 하나 또는 그 이상의 구현들 또는 실시예들 중 하나 또는 그 이상의 부분들을 수행하기 위한 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 어셈블리 언어와 같은 명령어들을 일반적으로 저장하는 하나 또는 그 이상의 탠저블 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체를 포함할 수 있다. 탠저블 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체의 예들은 기록가능한 데이터 스토리지 매체 및/또는 매스 스토리지 디바이스를 포함한다. 그와 같은 탠저블 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체는 예를 들어, 자기, 전기, 광학, 생체 및/또는 원자 데이터 스토리지 매체 중 하나 또는 그 이상을 사용할 수 있다. 또한, 그와 같은 매체들은 예를 들어, 플로피 디스크들, 자기 테이프들, CD-ROM들, DVD-ROM들, 하드 디스크 드라이브들 및/또는 전자 메모리의 형태를 취할 수 있다. 정렬되지 않은 탠저블 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체의 다른 형태들은 본 발명의 실시예들에 사용될 수 있다.
다수의 그와 같은 컴포넌트들은 본원에 설명된 시스템들의 구현에서 조합될 수 있거나 분할될 수 있다. 또한, 그와 같은 컴포넌트들은 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 다수의 프로그래밍 언어들 중 임의의 하나로 기록되거나 구현될 수 있는 컴퓨터 명령어들의 세트 및/또는 시리즈(series)를 포함할 수 있다.
개시된 장치를 위한 기술적 기여는 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도와 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도 사이의 비교에 기초하여 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하기 위한 제어기 구현 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 차량 추진 시스템은 제 1 DC 버스에 연결되는 제 1 양방향 DC-DC 컨버터, 제 1 양방향 DC-DC 컨버터에 연결된 적어도 하나의 에너지 스토리 유닛을 포함하는 에너지 스토리지 시스템, 제 1 DC 버스에 연결되는 제 1 DC-투-AC 인버터, 및 제 1 DC-투-AC 인버터에 연결되는 제 1 전자기계 디바이스를 포함한다. 제어기는 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도를 결정하도록, 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도를 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 비교하도록, 그리고 비교에 기초하여 제 1 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 제 1 양방향 DC-DC 컨버터를 선택적으로 제어하도록 프로그램된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 차량 추진 시스템을 제조하는 방법은 DC-DC 컨버터를 제공하는 단계, 에너지 스토리지 시스템을 DC-DC 컨버터에 연결하는 단계, DC-DC 전압 컨버터를 DC 버스에 연결하는 단계 및 제 1 DC-투-AC 인버터를 DC 버스에 연결하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제 1 전자기계 디바이스를 DC-투-AC 인버터에 연결하는 단계 및 제어기를 DC-DC 컨버터 및 제 1 DC-투-AC 인버터에 연결하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 모니터하도록, 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 결정하도록, 스케줄링 속도와 실시간 속도 사이의 차이를 계산하도록, 그리고 계산된 차이가 임계값을 초과한다면, 제 1 전압 레벨로부터 제 1 전압과 다른 제 2 전압 레벨로 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 DC-DC 컨버터를 제어하도록 제어기를 구성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체는 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있고 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 DC-투-AC 인버터를 통해 DC 버스에 연결되는 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 모니터하게 하며 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 결정하게 하는 명령어들의 세트를 나타낸다. 명령어들은 또한 컴퓨터로 하여금 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도와 비교하게 하며, 그리고 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도의 비교에 기초하여 DC 버스의 전압을 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도로 선택적으로 조정하기 위해 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하게 한다.
본 발명은 단지 제한된 수의 실시예들과 관련하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명이 그와 같이 개시된 실시예들에 제한되지 않음이 용이하게 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 지금까지 설명되지 않지만 본 발명의 정신 및 범위와 어울리는 임의의 수의 변화들, 개조들, 치환들 또는 등가의 배치들을 통합하기 위해 수정될 수 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명된 한편, 본 발명의 양상들이 설명된 실시예들 중 일부만을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명에 의해 제한되는 것으로 여겨지는 것이 아니라, 단지 첨부 청구범위에 의해 제한된다.

Claims (21)

  1. 차량 추진 시스템(vehicle propulsion system)에 있어서,
    제 1 DC 버스에 연결되는(coupled) 제 1 양방향 DC-DC 컨버터(converter);
    상기 제 1 양방향 DC-DC 컨버터에 연결되는 적어도 하나의 에너지 스토리지(energy storage) 유닛을 포함하는 에너지 스토리지 시스템;
    상기 제 1 DC 버스에 연결되는 제 1 DC-투-AC(DC-to-AC) 인버터(inverter);
    상기 제 1 DC-투-AC 인버터에 연결되는 제 1 전자기계 디바이스(electromechanical device); 및
    제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 동작 속도를 결정하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 동작 속도를 상기 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도(scheduled speed)와 비교하고,
    상기 비교에 기초하여 상기 제 1 DC 버스의 전압을 시프트(shift)하기 위해 상기 제 1 양방향 DC-DC 컨버터를 선택적으로 제어하도록,
    프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 또한,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도와 상기 스케줄링 속도 사이의 차이가 임계값을 초과하는지 여부를 결정하고,
    상기 차이가 상기 임계값을 초과한다면, 전압 커맨드(voltage command)에 기초하여 상기 제 1 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭을 제어하도록
    프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 미리 결정된 전압 간격에 의해 상기 제 1 DC 버스의 전압을 시프트하도록 프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 상기 제 1 DC 버스의 전압을 상기 제 1 전자기계 디바이스를 위한 전압 스케줄링 룩업 테이블(look-up table)로부터 결정된 새로운 전압으로 시프트하도록 프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어기는 또한,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 토크(real-time torque)를 결정하고,
    상기 제 1 DC 버스의 실시간 전압을 결정하고,
    상기 제 1 DC 버스의 상기 실시간 토크 및 상기 실시간 전압에 기초하여 상기 전압 스케줄링 룩업 테이블로부터 상기 스케줄링 속도를 결정하고,
    상기 실시간 토크 및 상기 실시간 동작 속도에 기초하여 상기 전압 스케줄링 룩업 테이블로부터 상기 새로운 전압을 결정하고,
    상기 제 1 DC 버스의 전압을 상기 새로운 전압으로 시프트하기 위해 상기 제 1 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하도록
    프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 또한, 측정 토크 및 DC 전압에 의해 인덱싱된(indexed) 전압 스케줄링 룩업 테이블을 사용하여 상기 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 결정하도록 프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 DC 버스에 연결되는 제 2 DC-투-AC 인버터; 및
    상기 제 2 DC-투-AC 인버터에 연결되는 제 2 전자기계 디바이스
    를 더 포함하는, 차량 추진 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 또한,
    상기 제 1 전자기계 디바이스를 위한 미리 정의된 전압 스케줄링 맵(map)으로부터 제 1 전압 커맨드를 발생시키고,
    상기 제 2 전자기계 디바이스를 위한 미리 정의된 전압 스케줄링 맵으로부터 제 2 전압 커맨드를 발생시키고,
    상기 제 1 전압 커맨드 및 상기 제 2 전압 커맨드를 조합(combine)하고,
    상기 조합으로부터 혼합된(fused) 전압 커맨드를 발생시키고,
    상기 혼합된 전압 커맨드에 기초하여 상기 제 1 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 상기 제 1 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭을 선택적으로 제어하도록
    프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는 또한 선택 로직(voting logic) 및 가중 로직(weighting logic) 중 하나를 사용하여 상기 제 1 전압 커맨드 및 상기 제 2 전압 커맨드를 조합하도록 프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    제 2 DC 버스에 연결되는 제 2 양방향 DC-DC 컨버터;
    상기 제 2 DC 버스에 연결되는 제 2 DC-투-AC 인버터; 및
    상기 제 2 DC-투-AC 인버터에 연결되는 제 2 전자기계 디바이스
    를 더 포함하며,
    상기 제어기는 또한,
    상기 제 1 전자기계 디바이스를 위한 미리 정의된 전압 스케줄링 맵으로부터 제 1 전압 커맨드를 발생시키고,
    상기 제 2 전자기계 디바이스를 위한 미리 정의된 전압 스케줄링 맵으로부터 제 2 전압 커맨드를 발생시키고,
    상기 제 1 전압 커맨드에 기초하여 상기 제 1 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 상기 제 1 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭을 선택적으로 제어하고,
    상기 제 2 전압 커맨드에 기초하여 상기 제 2 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 상기 제 2 양방향 DC-DC 컨버터의 스위칭을 선택적으로 제어하도록
    프로그램되는 것인, 차량 추진 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전자기계 디바이스는 전기 모터를 포함하는 것인, 차량 추진 시스템.
  12. 차량 추진 시스템(vehicle propulsion system)을 제조하는 방법에 있어서,
    DC-DC 컨버터를 제공하는 단계;
    에너지 스토리지 시스템(energy storage system)을 상기 DC-DC 컨버터에 연결하는 단계;
    상기 DC-DC 전압 컨버터를 DC 버스에 연결하는 단계;
    제 1 DC-투-AC 인버터를 상기 DC 버스에 연결하는 단계;
    제 1 전자기계 디바이스를 상기 DC-투-AC 인버터에 연결하는 단계;
    제어기를 상기 DC-DC 컨버터 및 상기 제 1 DC-투-AC 인버터에 연결하는 단계; 및
    상기 제어기를,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도(real-time speed)를 모니터(monitor)하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 결정하고,
    상기 스케줄링 속도와 상기 실시간 속도 사이의 차이를 계산하고,
    상기 계산된 차이가 임계값을 초과한다면, 상기 DC 버스의 전압을 제 1 전압 레벨로부터 상기 제 1 전압과 다른 제 2 전압 레벨로 시프트하기 위해 상기 DC-DC 컨버터를 제어하도록
    구성하는 단계
    를 포함하는, 차량 추진 시스템을 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    미리 정의된 전압 간격에 의해 상기 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 상기 DC-DC 전압 컨버터를 제어하도록 상기 제어기를 구성하는 단계를 더 포함하는, 차량 추진 시스템을 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도가 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도보다 작다면 상기 미리 정의된 전압 간격에 의해 상기 DC 버스의 전압을 증가시키기 위해; 그리고
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도가 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도보다 크다면 상기 미리 정의된 전압 간격에 의해 상기 DC 버스의 전압을 감소시키기 위해
    상기 DC-DC 컨버터를 제어하도록 상기 제어기를 구성하는 단계
    를 더 포함하는, 차량 추진 시스템을 제조하는 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    제 2 DC-투-AC 인버터를 상기 DC 버스에 연결하는 단계;
    제 2 전자기계 디바이스를 상기 제 2 DC-투-AC 인버터에 연결하는 단계; 및
    상기 제어기를,
    상기 제 2 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 모니터하고,
    상기 제 2 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도를 결정하고,
    상기 제 2 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도와 상기 실시간 속도 사이의 차이를 계산하고,
    상기 계산된 차이가 임계값을 초과한다면, 상기 DC 버스의 전압을 시프트하기 위해 상기 DC-DC 컨버터를 제어하도록
    구성하는 단계
    를 더 포함하는, 차량 추진 시스템을 제조하는 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 토크(real-time torque)를 모니터하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스를 위한 전압-스케줄링 룩업 테이블(voltage-scheduling look-up table)을 액세스하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 토크 및 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도에 기초하여 상기 전압-스케줄링 룩업 테이블로부터 상기 제 2 전압 레벨을 정의하도록
    상기 제어기를 구성하는 단계를 더 포함하는, 차량 추진 시스템을 제조하는 방법.
  17. 컴퓨터 프로그램이 저장되어 있고, 명령어들의 세트를 나타내는, 비-일시적(non-transitory) 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체(storage medium)에 있어서,
    상기 명령어들의 세트는, 컴퓨터에 의해 실행될 때 상기 컴퓨터로 하여금,
    DC-투-AC 인버터(DC-to-AC inverter)를 통해 DC 버스에 연결되는 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 속도를 모니터(monitor)하게 하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 스케줄링 속도(scheduled speed)를 결정하게 하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도를 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도와 비교하게 하고,
    에너지 스토리지 시스템으로부터 상기 DC 버스에 파워를 전달하도록 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하게 하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도와 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도의 비교에 기초하여 상기 DC 버스의 전압을 선택적으로 조정(adjust)하도록 상기 양방향 DC-DC 컨버터를 제어하게 하는 것인, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 명령어들은 또한, 상기 컴퓨터로 하여금, 미리 정의된 전압 간격에 의해 상기 DC 버스의 전압을 위 또는 아래로 스텝핑(stepping)하게 하는 것인, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 명령어들은 또한, 상기 컴퓨터로 하여금,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도가 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도보다 작다면 상기 양방향 DC-DC 컨버터가 미리 정의된 스텝(step)만큼 상기 DC 버스의 전압을 감소시키게 하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도가 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도보다 크다면 상기 양방향 전압 컨버터가 미리 정의된 스텝(step)만큼 상기 DC 버스의 전압을 증가시키게 하는 것인, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 명령어들은 또한, 상기 컴퓨터로 하여금,
    상기 제 1 전자기계 디바이스를 위한 전압 스케줄링 룩업 테이블을 포함하는 데이터베이스를 액세스하게 하고,
    상기 전압 스케줄링 룩업 테이블로부터 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 스케줄링 속도를 결정하게 하는 것인, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 명령어들은 또한, 상기 컴퓨터로 하여금,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 실시간 토크를 모니터하게 하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스를 위한 미리 정의된 전압 스케줄링 룩업 테이블을 포함하는 데이터베이스를 액세스하게 하고,
    상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 토크 및 상기 제 1 전자기계 디바이스의 상기 실시간 속도에 대응하는 상기 미리 정의된 전압 스케줄링 룩업 테이블로부터 동작 포인트를 식별하게 하고,
    상기 양방향 DC-DC 컨버터가 상기 동작 포인트에 대응하는 전압을 매칭(matching)하도록 DC 버스의 전압을 선택적으로 조정하게 하는 것인, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 스토리지 매체.
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