KR20170018448A - 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈 - Google Patents

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로버트 제이. 우드
챠드 홀
다니엘 에이. 파초스
제프 콜튼
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이옥서스, 인크.
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Abstract

차량의 교류발전기가 작동되거나 작동되지 않는 상태에서, 엔진 시동 보조 및 호텔 부하 지원 모두를 지원하는 준위까지 충전된 울트라 커패시터(UC)의 뱅크를 이용하는 차량용 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈이 제공된다. UC의 셀별 충전은 저온 기간 중에 조정 및 상승될 수 있으며, 극저온 온도 중에 그보다 더 높게 조정 및 상승될 수 있다. 동적 및/또는 자동적일 수 있는 그러한 조정은 UC 에너지 저장 용량을 증가시킨다. 또한, UC으로부터의 에너지 방출은 DC 버스 전압에 기초하여 펄스 폭 변조(PWM) 제어기에 의해서 제어된다. UC는 온보드 DC/DC 변환기, AC 연결로부터, 또는 UC의 뱅크를 병렬 구성과 직렬 구성 사이에서 스마트하게 스위칭하는 것으로부터 충전될 수 있다.

Description

엔진 시동 및 배터리 지원 모듈{ENGINE START AND BATTERY SUPPORT MODULE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 35 U.S.C. 119(e) 하에서, 2014년 6월 20일자로 출원된 "에너지 시동 및 배터리 지원 모듈"이라는 명칭의 미국 출원 제62/014,910호의 우선권을 주장한다. 전술한 출원은 그 전체가 본원에서 참조로 포함된다.
자동차 및 트럭 산업 모두에서의 일반적인 실무, 법, 및 용인되는 행태의 변화로 인해서, 정지 중의 엔진의 중단이 강제되었다. 자동차 또는 트럭의 엔진을 중단시키는 것은 배터리 및 시동기 모터에서 스트레스를 유발하여, 배터리 약화 및 전체적으로 더 낮은 시스템 성능을 초래한다. 극한 환경과 같은 가혹한 조건이 그러한 문제를 더욱 악화시키고 완전한 배터리 고장 및/또는 시동기 고장을 초래할 수 있다.
엔진의 일별 중단 횟수는 차량 구조(architecture), 차량 용도 등에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 2가지 유형의 차량 구조: 예를 들어, 매일 250 번 정도로 많은 멈춤(shut-off) 이벤트가 이루어질 수 있는 "지역적 운송" 차량, 및 예를 들어 매일 25번의 멈춤까지 이루어질 수 있는 "장거리 수송" 차량이 있다. 이러한 정지 이벤트는 차량의 DC 전기 버스 상에 낮은 전압 조건을 생성하고, 이는 내장형 에너지 저장 시스템으로부터의 더 높은 전력 요건을 초래한다. DC 전기 버스 상의 낮은 전압 조건은 또한, 전자제어유닛(ECU), 릴레이, 스위치, 및 펌프를 포함하는 다른 차량 구성요소에 스트레스가 될 수 있다.
본 발명의 실시예는 차량의 엔진이 오프되었을 때 시동기 모터의 회전 및 정지 중의 단기 배터리 부하를 위한 전압 지원 모두를 허용하는 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)(UC)를 이용하여 차량의 직류(DC) 전압 버스로 직접적인 에너지 공급을 지원하도록 구성된 에너지 시동 및 배터리 지원 모듈을 포함한다. 이러한 모듈은 차량에 대한 어떠한 배선 변화도 필수적으로 요구하지 않으며, 차량 동작 과정에 대한 어떠한 차량 변경 또는 변화도 필수적으로 요구하거나 포함하지 않는다.
그러한 모듈은 강건한(healthy) 배터리 및 더 긴 시동기 수명을 지원하기 위해서 - 엔진 시동 동안을 포함하여 - 에너지의 전달을 변조하는 것에 의해서, 정적 부하 변동 또는 엔진 시동기 변동과 관계없이, 오프 시퀀스 중에 차량의 DC 전압을 자동적으로 안정화시킬 수 있다. 그러한 모듈은 UC 및 모듈 내의 전자장치의 수명을 연장하기 위해서 모듈이 저장하는 에너지의 양을 자동적으로 조정할 수 있다. 일부 경우에, 모듈은 차량의 배터리가 완전히 방전된 이벤트에서, 차량의 전자장치 및/또는 차량의 시동기를 위한 적절한 전압을 공급한다.
모듈의 일부 실시예는 전력을 공급할 수 있는 차량의 능력에 기초하여, 하여 UC을 자동적으로 재충전할 수 있다. 예를 들어, 모듈은 UC를 재충전하는 DC 부스트 변환기 또는 UC를 둘 이상의 동일한 또는 상이한 적층체들(stacks)로 분할하고 적층체들을 병렬로 벅 충전하는(buck charge) 스위치를 포함할 수 있다. 모듈은 교류발전기가 작동되는 경우에 많은 전력을 UC로 전달할 수 있고, 차량의 배터리가 차량 시동 시퀀스를 개시하기에 충분한 에너지를 가지지 못하는 경우에 적은 전력을 전달할 수 있다. 모듈은 또한, 차량의 교류발전기가 작동되지 않을 때, UC로부터 에너지를 전달할 수 있다. 일부 경우에, 모듈은 차량의 배터리를 미리 설정된 전압 준위, 예를 들어 12-볼트 시스템에서 9 볼트 또는 24-볼트 시스템에서 18 볼트 미만으로 방출(drain)시키지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 모듈은 차량이 최초 시도에서 시동되지 않거나 배터리가 너무 약해서 그 자체적으로 충분한 전력을 공급하지 못하는 이벤트에서, 모듈의 충전을 차량의 조작자가 재-개시할 수 있게 하여, 별개의 점프 시동의 이용을 배제한다. 일부 실시예에서, 모듈은 표준 배터리 케이스 크기를 이용하는 차량 상의 표준 배터리 지역 내로 설치될 수 있거나, 희망에 따라서, 임의 차량에 맞춰 축척이 조정될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은, 배터리의 방전을 유발하지 않고, 임의 차량에서 30-일 공항(airport) 테스트를 통과할 수 있다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 30-일 공항 테스트는 -20 ℃의 낮은 온도에서 30일 동안 차량을 공항에 주차하여 방치하는 것을 모사한다. 30일 동안에, 차량의 전기 시스템은, 경보, 컴퓨터, 잠금 메커니즘, 시계 등과 같은, 중요한 차량 시스템을 작동시키기 위해서 배터리 또는 에너지 저장 시스템으로부터 에너지를 소비한다. 차량의 소유자가 돌아왔을 때, 차량은, 크랭크 작동(cranking) 이벤트를 개시하고 엔진 시동 시스템을 지원하기 위한, 에너지 저장 시스템(통상적으로, 납산 배터리)에 잔류하는 충분한 에너지를 가져야 한다. 30-일 공항 테스트의 통과는 자동차 배터리 및 전기 시스템에 대한 일반적인 요건이다.
모듈이 (예를 들어, 에너지를 양방향으로 전달하기 위한 릴레이가 없이) 솔리드-스테이트 시스템으로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 모듈의 전자장치가, 에너지 전달의 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance)(ESR)을 감소시키기 위해서 병렬로 또는 심지어 분할 모드 재충전 체계로 이용될 수 있는, 하나 이상의 강화 모드 n-채널 전계-효과 트랜지스터(enhancement mode n-channel field-effect transistor)(N-FET)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자장치의 총 정동작 전류(quiescent current)가 50 mA 미만일 수 있고, 그에 따라 과다한 방출이 긴 기간에 걸쳐 발생되지 않는다.
모듈은 DC 변환기를 포함할 수 있고, 그러한 DC 변환기의 입력 및 출력 전압 및 전류를 제어하여: (1) UC의 후방부(back) 상의 전압이 정밀하게 제어될 수 있게 하고; (2) UC 상의 충전 전류가 제어될 수 있게 하여, 완전히 방전된 UC의 세트가 완전히 충전되게 할 수 있는 능력을 보조할 수 있게 하며; (3) 시스템으로부터 너무 많은 전력을 인출하지 않도록 입력 전류가 설정될 수 있게 하여, 차량의 DC 버스가 다른 장치를 동작시킬 수 있게 하며; 그리고/또는 (4) 희망하는 또는 미리 결정된(예를 들어, 안전) 동작 체제를 벗어난 배터리 시스템의 동작을 방지하기 위해서, UC 충전을 낮추도록 최소 입력 전압이 설정될 수 있게 한다.
DC 변환기는 복수의 위상 각도로 나누어질 수 있어, 낮은 피크 전류, 낮은 전자파 간섭(EMI), 및/또는 더 작고 더 효율적인 구성요소를 가능하게 한다. 복수의 위상은 360°기반으로 동일하게 이격될 수 있다. 예를 들어, 4-위상 DC 변환기는 전류 펌프 충전을, 시간 스펙트럼에서 90도 이격된 4개의 동일한 부분으로 분할한다. DC 변환기는 입력측 상의 전류 및/또는 전압 그리고 출력측 상의 전류 및/또는 전압을 제어할 수 있다. 예를 들어, 전압 출력은, 저장된 에너지(에너지가 식 E = 0.5CV2에 의해서 표현될 수 있다)와 같을 수 있는, UC 상에 저장된 최대 전압 전위를 설정할 수 있다. 전류 출력 제어는, 과다 전류(예를 들어, 변환기를 일반적으로 붕괴시킬 수 있는 전류)가 없이, DC 변환기가 UC의 완전히 빈 뱅크(bank)를 충전하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 입력 전압 한계 및 입력 전류 제어는 교류발전기가 작동되지 않을 때 시스템이 동작하게 할 수 있고, 배터리로부터 전달되는 에너지는 DC 버스가 미리 결정된 전압(예를 들어, 12V 시스템에 대해서 9V 또는 24V 시스템에 대해서 18V) 미만으로 떨어지는 것을 방지하기 위해서 제한된다.
모듈은 외부 세계로의 2개의 단자 연결부만을 가지도록 패키지화될 수 있고 배터리가 엔진에 연결되는 것과 같이 엔진에 연결될 수 있다. 설치는 단순하고 안전할 수 있고, 모듈이 초기에 연결될 때 전류가 흐르지 않거나 거의 흐르지 않을 수 있다. 단순함 및 저비용을 위해서, 제어부가 단일 인쇄회로기판 조립체(PCBA) 상에 함께-배치될 수 있다.
전체 시스템의 제어는 DC 전압에 기초할 수 있고, 이는 수용 가능한 설정점 및 미리 결정된 배터리 전압을 이용한 에너지의 양방향 전달을 가능하게 한다. 이러한 제어는 아날로그 또는 디지털 도메인 모두에서 달성될 수 있고; 제어가 또한 비동기식일 수 있고 그에 따라 모든 차량에 적용할 수 있다. 제어는 명확하게 영인 내장된 이력(appreciably zero built-in hysteresis)을 가지며, 그에 따라 신속하고 극히 안정적인 전압 준위를 가능하게 한다. 안정성이 달성될 수 있는데, 이는 제어가 비동기식이고 응답에서 강제되는 주파수 도메인을 가지지 않기 때문이다. 다시 말해서, 에너지 전달이 어떠한 레이트(rate) 또는 조절기 반복 펄스(regulator repeated pulse)로 강제되지 않을 수 있다. 일부 경우에, 설정점을 만족시키기에 충분한 에너지 만이 전달된다. 각각의 차량 및 각각의 차량의 배선 부하가 특이적이기 때문에, 이는 널리 적용되는(one-size-fits-all) 모듈 구조를 허용한다.
예시적인 모듈은 울트라 커패시터 충전을 제어(예를 들어, 균등화)하기 위한 능동 밸런싱 회로를 포함할 수 있고, 그에 의해서 임의의 단일 울트라 커패시터가 너무 많은 에너지를 가지는 것을 방지한다. UC 밸런싱 회로는 동적일 수 있고, 설정점은 온도에 따라 변화될 수 있다. 에너지가 차량의 DC 버스로 다시 변조되기 때문에, UC 내에 저장된 에너지는 차량의 정격 시스템 자체의 에너지보다 더 높을 수 있다. 이는 에너지가 거의 등전위(equipotential)로 저장되는 경우에 발생되는 것보다, 더 많은 에너지가 저장될 수 있게 하고 더 적은 피크 전류가 발생되게 한다. 이러한 방법은 운송 차량 용도 경우에서의 연장된 정적 차량 부하 지원을 포함하여, 장기간 동안의 연장된 정적 차량 부하 지원을 지원한다. 총 셀 전압이 차량의 배터리 시스템의 전압 준위보다 높기만 하다면, 에너지를 저장하기 위해서 이용되는 울트라 커패시터의 수 또는 그들의 정확한 병렬/직렬 구성에는 실질적인 제한이 없다.
일부 실시예에서, 모듈이 복수의(예를 들어, 각각의 DC 변환기에 대해서 3개의) 전압 비교기 및 전압 비교기에 결합된 로직을 포함할 수 있다. 로직은 전압 비교기의 일부(예를 들어, 3개의 전압 비교기 중 2개) 또는 전부의 값에 기초하여 에너지를 전달하거나 재충전할 지의 여부를 결정한다. 이는 시스템의 전체적인 신뢰성 및 신인성(dependability)을 실질적으로 증대시킨다. 이는 또한, 매우 넓은 DC 버스 동작 범위에 걸쳐 시스템의 전자장치의 동작을 지원하고 게이트-소스 전압 문턱값을 극복하는 2개의 더 작은 DC 변환기를 포함할 수 있다.
그러한 모듈은 비제한적으로 납산 배터리를 포함하는, 임의의 화학 배터리와 양립될 수 있다.
본 기술의 부가적인 실시예는 차량 내의 차량 배터리의 전압 준위를 조절하기 위한 방법을 포함한다. 예시적인 방법에서, 제어 로직은 전압 준위가 미리 결정된 전압 문턱값 미만인지를 결정하고, 그러한 결정은 차량 배터리 사용기간, 차량 사용기간, 차량 배터리 상태, 차량 배터리 수량, 차량 배터리 유형, 차량 시동기 유형, 시동기 사용기간, 온도, 및 차량 운전자의 경력에 기초할 수 있다. 전압 준위가 미리 결정된 전압 문턱값 미만인 경우, 제어 로직은 차량 배터리와 전기적으로 소통하는 적어도 하나의 울트라 커패시터의 방전을 개시한다. 예를 들어, 울트라 커패시터와 전기적으로 소통하는 적어도 하나의 트랜지스터를 통한 전류 유동을 제어하는 것에 의해서, 제어 로직이 울트라 커패시터의 방전을 변조하여 전압 준위를 적어도 미리 결정된 전압 문턱값까지 상승시킨다.
또한, 제어 로직은, 차량 교류발전기가 오프일 때, 에너지를 차량 배터리로부터 울트라 커패시터로 전달할 수 있다. 이러한 에너지의 전달은 전압 준위가 재충전 전압 문턱값을 초과한다는 것이 결정된 이후에 개시될 수 있다. 일부 경우에, 에너지의 전달은 차량 배터리의 전압량이 재충전 전압 문턱값을 초과할 때에만 개시된다. 전압 준위가 차량을 시동하는데 필요한 전압 준위보다 낮을 때, 에너지가 또한 차량 배터리로부터 울트라 커패시터로 전달될 수 있다.
일부 경우에, 제어 로직에 의해서 충전을 위한 병렬 구성과 방전을 위한 직렬 구성 사이에서 스위칭되는 복수의 울트라 커패시터가 있을 수 있다.
본 기술의 다른 예는 차량 배터리의 전압 준위를 조절하기 위한 장치를 포함한다. 이러한 장치는 전하를 저장하기 위해 직렬로 연결된 복수의 울트라 커패시터를 포함할 수 있고; 차량 배터리 및 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 적어도 하나의 전압 비교기; 및 전압 비교기 및 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 제어 로직을 포함할 수 있다. 동작시에, 비교기는 미리 결정된 전압 문턱값에 대한 전압 준위의 비교를 실시한다. 그리고, 제어 로직은 비교에 기초하여 울트라 커패시터의 방전을 변조하여, 전압 준위를 적어도 미리 결정된 전압 문턱값까지 높인다.
일부 실시예에서, 제어 로직은 울트라 커패시터 내부로의 그리고/또는 외부로의 전류 유동을 제어하기 위해, 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는, 적어도 하나의 트랜지스터를 포함한다. 비교기는 울트라 커패시터 내부로의 그리고/또는 외부로의 전류 유동을 제어하기 위해 트랜지스터의 게이트와 전기적으로 소통될 수 있다.
장치는 또한 울트라 커패시터 및 전압 비교기(들)와 전기적으로 소통되는 직류(DC) 변환기를 포함할 수 있다. 동작시에, DC 변환기는 전압 준위와 재충전 전압 문턱값의 비교에 응답하여 울트라 커패시터를 충전한다. 이러한 예에서, 전압 비교기는 DC 변환기와 전기적으로 소통되는 제1 전압 비교기 및 제어 로직과 전기적으로 소통되는 제2 전압 비교기를 포함할 수 있다. 제1 전압 비교기는, 전압 준위가 재충전 전압 문턱값을 초과하는 경우, DC 변환기를 인에이블링시키고(enable), 제2 전압 비교기는 미리 결정된 전압 문턱값에 대한 전압 준위의 비교를 실시한다. 전압 준위가 재충전 전압 문턱값을 초과한다는 것을 나타내는 전압 비교기로부터의 출력에 응답하여, 전하를 차량 배터리로부터 울트라 커패시터로 전달하도록, DC 변환기가 또한 구성될 수 있다. 그리고, DC 변환기는 비교기(들)로부터의 출력에 응답하여, 차량의 차량 버스로 에너지를 전달할 수 있다.
장치는 또한, 차량 배터리의 온도를 모니터링하기 위해, DC 변환기에 동작적으로 결합되는 온도 센서를 포함할 수 있다. 원하는 경우에, 차량 배터리의 온도에 기초하여, 미리 결정된 전압 문턱값 및/또는 재충전 전압 문턱값을 변경하도록 DC 변환기가 구성될 수 있다.
장치는 또한, 예를 들어 방전 및 충전 각각을 위해, 직렬 구성과 병렬 구성 사이에서 울트라 커패시터를 스위칭하기 위하여, 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 스위치를 포함할 수 있다. 그리고 장치는, 차량의 운전자가 장치에 대해서 관여 및/또는 분리될 수 있게 하는, 제어 로직에 동작적으로 결합되는, 수동적 인터페이스를 포함할 수 있다.
다른 실시예는 차량 배터리의 전압 준위를 조절하기 위한 장치를 포함하고, 그러한 장치는: 복수의 울트라 커패시터; 차량 배터리와 전기적으로 소통되는 제1 전압 비교기; 제1 전압 비교기 및 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 제어 로직; 차량 배터리와 전기적으로 소통되는 제2 전압 비교기; 제1 전압 비교기 및 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 제어 로직; 울트라 커패시터 및 제2 전압 비교기와 전기적으로 소통되는 DC 변환기; 및 DC 변환기에 동작적으로 결합되는 온도 센서를 포함한다. 동작 시에, 제1 전압 비교기는 전압 준위를 제1 전압 문턱값에 비교한다. 전압 준위가 제1 전압 문턱값 미만일 때, 제어 로직은 울트라 커패시터를 방전시킨다. 제2 전압 비교기는 전압 준위를 제2 전압 문턱값에 비교한다. 전압 준위가 제2 전압 문턱값 초과일 때, 제어 로직은 울트라 커패시터를 방전시킨다. 전압 준위가 제2 전압 문턱값 초과일 때, DC 변환기는 복수의 울트라 커패시터를 충전한다. 그리고 온도 센서는 차량 배터리의 온도를 모니터링한다. DC 변환기는 또한, 차량 배터리의 온도에 기초하여, 제1 전압 문턱값 및/또는 제2 전압 문턱값을 변경할 수 있다.
전술한 개념 및 이하에서 구체적으로 설명되는 부가적인 개념의 모든 조합은 (그러한 개념이 상호 불일치되지 않는 한) 본원에서 개시된 발명의 청구 대상의 일부가 되는 것으로 간주될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 특히, 본 개시 내용의 말미에 기재된 청구범위의 청구 대상의 모든 조합이 본원에서 개시된 발명의 청구 대상의 일부가 되는 것으로 간주된다. 또한, 참조로서 포함되는 임의 개시 내용에도 기재되어 있을 수 있는, 본원에서 명시적으로 이용된 용어가 본원에서 개시된 특별한 개념과 가장 일치되는 의미를 따라야 한다는 것을 이해하여야 할 것이다.
당업자는, 도면이 일차적으로 설명을 목적으로 하고 본원에서 개시된 발명의 청구 대상의 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 도면이 반드시 실제 축척(scale)인 것은 아니고; 일부 경우에, 상이한 특징들의 이해를 돕기 위해서, 본원에서 개시된 발명의 청구 대상의 여러 가지 양태가 도면에서 과장되거나 확대되어 도시되어 있을 수 있다. 도면에서, 유사한 문자는 일반적으로 유사한 특징부(예를 들어, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소)를 지칭한다.
도 1a는 예시적인 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈의 사진이다.
도 1b 및 도 1c는 차량(예를 들어, 자동차 또는 트럭) 내에 설치된 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈의 예시적인 이용을 도시한 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈을 위한 전체적인 마스터 구조(master architecture)를 나타내는 회로도를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는, 확장된 울트라 커패시터의 뱅크를 재충전하기 위해서 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈 내에서 이용될 수 있는 DC 변환기의 몇몇 실시예를 도시한다.
도 3d 및 도 3e는 도 3c의 격리된 DC 변환기의 예시적인 특징부를 도시한다.
도 4는 직렬 연결로부터 병렬 연결로의 그리고 그 반대로의 울트라 커패시터들 사이의 셀간 연결(inter-cell connection)을 스위칭하기 위한 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈 내의 스위치를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 에너지 시동 및 배터리 지원 모듈에서 이용하기 위한 비-분할형(non-split)(도 5a) 및 분할형(도 5b)이 직렬 구성으로 배열된 울트라 커패시터를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈에서 이용될 수 있는 예시적인 직류 변환기의 회로도를 도시한다.
도 7은 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈의 예시적인 동작을 설명하는 흐름도를 도시한다.
엔진 시동 시퀀스를 개시할 때 크랭크 작동을 위해서 차량 배터리 시스템을 보조하기 위해서 울트라 커패시터-기반의 엔진 크랭크 작동 시스템이 이용될 수 있다. 이러한 시스템에서, 울트라 커패시터로부터 시동기 모터로의 직접적인 연결을 생성하도록, 기존 차량 배선 시스템이 재경로설정될 수 있다. 일부 경우, 울트라 커패시터는 차량 배터리와 병렬일 수 있다. 시동 시퀀스가 개시됨에 따라, 울트라 커패시터가 방전되어, 시동기 모터를 회전시키기 위한 에너지를 제공한다. 엔진이 시동된 후에, 차량의 교류발전기/발전기를 이용하여 전기를 생산하고 그에 따라 울트라 커패시터를 재충전한다. 이러한 시스템은 또한, 병렬 연결된 배터리로부터 울트라 커패시터를 재충전하는 DC/DC 변환기를 포함할 수 있다.
예시적인 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈
도 1은 엔진 시동 시퀀스 중에 차량 배터리 시스템을 보조하기 위해서 이용될 수 있는 예시적인 울트라 커패시터(UC)-기반의 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈(이하에서, "모듈")(100)을 도시한다. 도 1에 도시된 모듈(100)은 2-와이어 시스템이고 임의 수의 배터리와 병렬로 임의의 표준 DC 버스 내로 포함될 수 있다. 모듈(100)을 이용하여, 정지 중에 (예를 들어, 차량 시동기(101)에 의한) 큰 부하를 시동 또는 소비하는 차량을 위해 강건한 DC 버스 전압을 유지할 수 있다. 모듈은 예를 들어, 도 1b 및 도 1c에서 도시된 바와 같이, 차량 내의 기존의 배터리(102)를 증강시키기 위해서, 또는 통상적인 납산 배터리에 대한 대체물로서 이용될 수 있다. 그러한 모듈의 장점 중 일부는, 안전하게 그리고 특별한 공구가 없이 설치될 수 있고 기존의 기반시설에 대한 배선 변화를 필요로 하지 않거나 거의 필요로 하지 않을 수 있다는 것이다.
일부 실시예에서, 모듈(100)은 엔진(103) 시동 보조 및 "호텔 부하(hotel load)"(104a) 지원 모두를 지원하는 UC의 뱅크를 포함할 수 있다. "호텔 부하"라는 용어는, 도 1c에서 차량 부하(104a) 및 부속품 부하(104b)로서 표시된, 조명, 공조, 가열, 컴퓨터, 추적 시스템(tracking system), 안전 시스템 등을 위한 에너지 이용을 포함하는, 차량에서의 비-운행 에너지 수요를 지칭한다. 차량의 엔진(103)이 오프되었을 때, 차량의 에너지 수요가 호텔 부하를 구성한다. 모듈(100)을 이용하여 차량을 시동하고 그리고/또는 에너지를 제어된 방식으로 차량으로 다시 전달하여 단기간의 정지 중에 차량의 정적 부하를 지원할 수 있고 그리고/또는 차량의 전자장치 기능을 위한 에너지를 공급할 수 있으며, 그에 따라 엔진(103)이 크랭크 작동될 때 차량이 시동되게 할 수 있다. 단기간 정지 중의 정적 부하의 예로서, 차량의 엔진(103)이 정지되었을 때, 온으로 유지되는 전자장치, 공조, 조명 시스템 등이 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 정적 부하가 부속품 부하(104b)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 악천후에서, 극도로 약한 배터리로 인한 제약 하에서, 그리고/또는 과다하게 많은 수의 엔진 시동의 영향하에서 차량을 시동하는데 있어서의 어려움/불가능을 해결하도록, 모듈(100)이 구성될 수 있다. 또한, 모듈(100)은 짧은 오프 시간 및 크랭크 작동 중에, 예를 들어, 음의 DC 버스(106a) 및 양의 DC 버스(106b)(도 1c)를 포함하는, 차량의 직류(DC) 버스(106) 상에서 전압을 유지하는 것(예를 들어, 강하된 경우에 증가시키는 것)에 의해, 차량 배터리(102) 및 시동기 모터(101)의 강건성을 향상시킨다. 예를 들어, 더 높은 및/또는 더 안정적인 전압을 유지하는 것은, 일부 경우에 크게, 배터리(102) 및 시동기 모터(101)의 수명을 연장시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 모듈(100)은 모두 솔리드-스테이트일 수 있다. 전자 업계에서 이해될 수 있는 바와 같이, 전계-효과 트랜지스터(FET) 및 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)를 포함하여, 솔리드-스테이트 구성요소는 릴레이 및 접촉기보다 더 신속하고, 더 신뢰 가능하며, 전력을 덜 소비하는 경향을 갖는다. 또한, 모듈(100)은 배터리(102)로부터 UC로의 에너지 전달을 시작할 수 있는 수동적 "재수행(Redo)" 버튼을 운전자에게 허용할 수 있는 능력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이는 차량이 첫 번째에 시동되지 않을 수 있는 상황에서 이용될 수 있다. 그러한 것은 교류발전기(105)가 작동되지 않을 때에도, 명령에 따라 시스템을 재충전하게 할 수 있다. 충전까지의 지속 시간(duration-to-charge time)이 더 길 수 있지만, 순수한 결과는 동일할 수 있다. 또한, 더 많은 및/또는 더 큰 UC의 뱅크를 부가하여, 예를 들어, 보조 전력 유닛(APU)을 위한 시스템의 총 에너지 저장 용량을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 대부분의 또는 모든 적용예에 맞춰 모듈(100)의 축척을, 물리적으로 및/또는 에너지적으로 조정할 수 있다. 예를 들어, 모듈(100)은 (예를 들어, 고용량(heavy-duty) 사용 등급 배터리에 상응하는) 배터리 그룹 '국제 배터리 연합(Battery Council International)(BCI)' 크기 31 내로 설치되도록 설계될 수 있다. 일부 실시예에서, 전체적인 형상은 적절하게 직사각형일 수 있고, 2개의 와이어가 양 및 음의 배터리 단자에 상응할 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈(100)은 기존 차량 배터리 시스템과 양립될 수 있고, 특별한 설치 방법, 공구, 및/또는 안전 요건을 요구하지 않을 수 있고, 그에 따라 널리 적용되는 유형의 구조로서의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 모듈(100)은 표준 배터리 크기인 하우징 내로 설치되도록 설계될 수 있고, 또한 버스 상에 직접적으로 속박될(tie) 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈(100)은 표준 그룹 31 배터리보다 약간 더 높거나 전자장치를 가지는 18 셀을 지원하기 위해서 "돌출된(bumped out)" 높이를 가지는 그룹 31 크기 내로 설치될 수 있다. 모듈(100)은 무거운 납 배터리보다 더 가벼울 수 있기 때문에, 새롭게 제작된 케이스를 이용하여 공간을 최대화할 수 있다. 도 1b 및 도 1c는 차량 내에 설치된 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈(100)의 예시적인 이용을 도시한 개략도이다.
엔진 시동 및 배터리 지원 모듈 구조
도 2a 및 도 2b는, 양의 배터리 단자(212a) 및 음의 배터리 단자(212b)에 상응하는 2개의 와이어 시스템을 가지는 예시적인 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈(100)을 위한 전체적인 마스터 구조(200)를 나타내는 회로도를 도시한다. 그러한 구조(200)는 호텔 부하 및 엔진 시동을 지원하는 전압 준위들의 독립적인 조정을 허용하며, 그에 따라 특정 적용예 및/또는 정확한 설치에 따른 가변적인 에너지 전달을 제공한다. 모듈(100)은 UC(201)과 시스템 배터리(102) 사이에서 양방향으로 에너지 전달을 변조할 수 있다. 예를 들어, 모듈(100)은 엔진을 작동시키지 않고 짧은 정지 중에 배터리(102)를 활동상태로(alive) 유지하기 위해서 전하를 전달할 때를 인지한다. 모듈은 또한, 일부 적용예에서 시동에 앞서서 전자장치를 리셋하기 위한 정적 부하를 인지한다. 또한, 모듈은 엔진 시동 중에 UC 뱅크(201) 내의 임의의 잔류 에너지를 배터리(102)로 직접적으로 병렬로 자동 연결할 수 있고, 그에 의해서 조기의 배터리 및 시동기 모터 고장을 유발할 수 있는 소정의 결정된 하위 준위보다 높게 시스템 전압을 유지할 수 있다. 사실상, 이는 전체 차량 DC 시스템의 ESR을 변화시킨다. 호텔 부하와 비교하여 사용하고자 하는 ESR의 양에 따라서, 직렬 및 병렬 셀 구성들의 상이한 조합이 이용될 수 있다.
예를 들어, 구조(200)는 UC(201)의 직렬 스트링을 포함하며, 이의 각각은 에너지를 정전기적으로 저장하는 큰 비 커패시턴스(specific capacitance) 전기화학적 커패시터일 수 있다. 전형적인 UC(201)는 전해질 커패시터의 커패시턴스 값의 약 10,000 배인 커패시턴스 값, 통상적인 배터리의 에너지 밀도의 약 10%의 에너지 밀도, 및 배터리의 100 배까지의 전력 밀도를 갖는다. 이는 통상적인 배터리에 대비한, 울트라 커패시터(201)의 더 빠른 충전 및 방전 사이클을 허용한다. 이는 또한 배터리에 비해서 극도로 긴 사이클 수명을 UC(201)로 부여할 수 있다.
각각의 UC(201)는 셀 전압 마다의 미리 결정된 준위까지 충전될 수 있다. 구체적인 예로서, UC(201)가 2.7　V/셀을 지원하도록 충전될 수 있다. 셀-별 전압 값은, 낮은 온도(예를 들어, 0 ℉)에 도달될 때 자동적으로 더 높게(예를 들어, 3.0　V/cell) 시프트될 수 있고, 온도가 더 낮아질 때(예를 들어, -20 ℉ 미만)보다 더 높은 셀-별 전압(예를 들어, 3.3　V/cell)으로 시프트될 수 있다. 일부 실시예에서, 온도가 센서(202)에 의해서 측정될 수 있다. 일부 실시예에서, UC(201)의 각각의 팩은 공장에서 전압 범위로, 예를 들어 16.2　V 내지 24　V로 설정될 수 있는 DC/DC 변환기(예를 들어, 500 W DC/DC 변환기)(203)를 이용할 수 있다. 변환기(203)는 부스트 또는 SEPIC 토포그래피(single-ended primary inductor converter topography)를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, UC(201) 내에 저장된 에너지가 DC 버스로부터 취해질 수 있고, 일부 경우에, 그러한 에너지가 UC(201)로부터 동일한 DC 버스 상으로 직접적으로 역으로 전달될 수 있고, 그에 따라 차량 내의 배터리(102)의 제어된 충전 프로세스를 허용할 수 있다. 효과적으로, 모듈(100)은 차량의 전기 시스템의 등가 직렬 저항(ESR)을 실질적으로 일정하게 동적으로 조정한다. 일부 실시예에서, 모듈(100)은 통상적인 배터리보다 상당히 낮은 ESR을 가질 수 있고, 순간적 및/또는 지속적인 기반 모두에서 차량의 변화되는 요구에 기초하여 최소 인터페이스로 에너지를 신속하게 저장할 수 있고 저장된 에너지를 차량으로 다시 전달할 수 있는 능력을 제공할 수 있는 UC(201)를 포함한다. UC(201)의 ESR이 낮을수록, 전체 에너지 전달이 더 효율적일 수 있다. 시스템은, 차량의 크기 및 그 "작업 흐름(work flow)"에 의해서 정해질 수 있는, 희망 에너지에 맞춰 축척이 조정될 수 있다. 모듈(100)은 UC(201)로부터 DC 배터리 버스로 다시 에너지를 전달하는 것을 변조하는 것에 의해서, 모듈이 미리 결정된 양의 전력을 전달할 때 발생될 수 있는 바와 같이, 너무 많은 에너지를 전달하거나(그리고 과다 에너지를 낭비하거나) 부족한 에너지를 전달하여 충분한 에너지를 전달하지 못하는 대신에, 희망하는 양의 에너지를 전달한다. 일부 실시예에서, UC(201)의 에너지 전달 및/또는 충전 및/또는 방전의 변조가, DC 변환기(203) 및 UC(201)와 전기적으로 소통될 수 있는 로직 제어기(210)에 의해서 제어될 수 있고, FET(220)를 통해서 달성될 수 있다. 모듈 (100)은 비제한적으로 차량 DC 버스 부하, 시동기 모터 크기, 배터리 사용기간, 배선 상태, 배터리 상태, 배터리 수량, 부속품, 시동기 유형, 시동기 사용기간, 배터리 유형, 온도, 운전사의 경력, 등을 포함하는, 몇몇 변수에 의해서 유발되는 전압 및/또는 전류의 변동에 기초하여 에너지 전달을 어떻게 변조할 것인지를 결정한다.
예를 들어, 모듈(100)은 배터리를 파괴적인 전압 준위 미만으로 추가적으로 낮추지 않으면서, 연장된 기간에 걸쳐 달리 방전된 배터리로부터 에너지를 끌어들이게 할 수 있다. 예를 들어, 배터리의 전압이 내연 기관을 시동할 수 있을 정도로 충분히 높지 않은 지점까지 방전된 납-산 배터리가, (예를 들어, UC가 배터리보다 적은 에너지를 저장하는 경우에) 하나 이상의 UC를 완전히 충전할 수 있는 충분한 에너지를 여전히 가질 수 있다. 모듈(100)은 UC(201) 및 배터리(102) 쌍의 입력측 및 출력측 모두에서 전류 및 전압 모두를 제어하는 DC 변환기(203)를 이용하여 배터리(102)로부터 UC(201)를 충전시킬 수 있다.
차량의 배터리(102)의 DC 버스 전압을 지원하는데 있어서, 일부 실시예에서, DC 버스로의 에너지의 전달이, 예를 들어 벅 변환기에 의해서, 펄스화될 수 있다. 예를 들어, 펄스는 고정형 펄스-폭 변조(PWM)(204)가 아닐 수 있고, 그 대신에 그것이 내부에 설치되는 특정 트럭의 고유 주파수일 수 있다. 간략히, UC(201)로부터 배터리(102)로 전달되는 에너지는 해당 순간의 차량의 요구에 기초한다. 셀들이 벅 변환기를 인에이블링시키기 위해서 분할되거나 DC 변환기(203)를 이용하여 재충전되는 경우에, UC(201)의 재충전이 펄스화될 수 있다. 그 두가지 경우에, UC의 뱅크(201) 상의 총 전압이, 관심 대상이 되는 일부 매개변수에 따라서 위 및 아래 모두로 능동적으로 조정될 수 있으며, 그러한 매개변수의 특별한 예는 예를 들어, 온도 센서(202)에 의해서 측정되는 바와 같은 모듈 내의 온도이다. 그러한 실시예는 셀의 수명 연장뿐만 아니라 각각의 셀 내에 저장될 수 있는 전위 에너지의 효과적인 이용을 가능하게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 교류발전기(105)가 작동중이 아닐 때, 모듈이 UC(201)를 재충전할 수 있다. DC 변환기(203)는 에너지를 전달할 수 있는 차량의 능력에 비례하는 에너지를 전달하는 것에 의해서, UC의 뱅크(201)를 재충전할 수 있다. 예를 들어, 모듈(100)은 배터리(102)를 일부 하한선 전위 미만(예를 들어, 9 V 미만)으로 방출시킬 수 있는 너무 많은 에너지를 배터리(102)로부터 인출하지 않을 수 있다. 또한, 각각의 제어기가 12 위상까지의 에너지의 부가적인 위상 가치(additional phase worth)에 기여하는 마스터 및 (많은) 슬레이브 구성으로 배열된 제어기 칩들의 병렬 조합을 이용하여, UC(201)를 재충전하기 위한 전력 전달이 축척 조정될 수 있다. 그에 따라, 250 W, 500 W, 750 W, 등의 충전기가 적은 비용으로 이용될 수 있다. 복수의 위상 구현에 있어서, 하나의 위상이 마스터 타이밍을 제어하고, 다른 "슬레이브" 위상은 마스터로부터 동일한 간격으로 편위된다. 복수의 위상의 이용은 전력 전달이 시간에 걸쳐 확산(spread)될 수 있게 하며, 그에 따라 더 작은 피크 전류 및 더 작은 보다 효율적인 구성요소를 가능하게 한다.
일부 실시예에서, UC(201)는 차량의 교류발전기(105)(도 1b 및 도 1c에 도시됨)를 이용하여 일차적으로 충전될 수 있다. 일부 실시예에서, UC(201)는 차량의 배터리(102)로부터 에너지를 끌어들이는 것에 의해서 충전될 수 있다. UC(201)의 재충전은 자동적일 수 있고 엔진(103)이 작동중일 때(즉, 교류발전기(105)가 온일 때) 이루어질 수 있거나, 차량이 그 자체적으로 시동을 위한 충분한 전력을 가지지 못하는 비상 상황 중에 그렇게 하도록 명령 받을 수 있다. 예를 들어, 활성적인(live) 배터리 시스템 내로 연결될 때, 모듈(100)의 전력이 상승될 수 있고 자동적으로 자체적으로 리셋될 수 있다. 예를 들어, 모듈(100)이 배터리 시스템(102)에 병렬로 연결된다면, 차량이 시동될 때, 모듈(100)이 배터리(102)로부터 에너지를 끌어들이는 동안 교류발전기(105)는 원래 의도된 바에 따라 배터리(102)를 충전한다. 모듈(100)은 UC(201)가 용량에 도달할 때까지, UC(201)와 배터리(102) 사이에서 전력 버스 상의 전압의 균형을 잡을 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 모듈(100)은 예를 들어, 도 2a에 도시된 수동적 인터페이스(214)를 통해서, 수동 및/또는 자동 모드 모두로 동작될 수 있다. 자동 모드는 운송 적용예, 및 매일의 엔진 시동의 수가 많은 매우 짧은 수송 용도를 위해서 이용될 수 있을 것이며, 이는 운송 정지 중의 호텔 지원을 위해서 배터리 버스를 활성적으로 유지하기 위해 이용될 것이다. 수동 모드를 이용하여 트럭을 시동할 수 있을 것이고, 이러한 경우에, 시동 시퀀스 중에 전자장치를 활성적으로 유지하기에 충분한, 트럭 동작을 위해서 이용되는 최소 에너지로 시동기(101)에 에너지를 공급하기 위해서 이용될 것이다. 일부 실시예에서, 온 상태가 되었을 때, 수동 인터페이스(214)를 통해서 운전자가 모듈(100)에 관여할 수 있게 하는 스위치(216)에 의해서, 모듈(100)이 수동 모드 또는 자동 모드인지의 여부가 제어될 수 있다.
동작의 자동 모드에서, UC 뱅크(201)가 확장될 때까지, 에너지가 초기에 서서히 방출되어 특정 배터리 버스 전압을 유지한다. 버스 전압이 UC 전압과 같아질 때, 2개의 시스템이 그때부터 사실상 병렬이 된다. 자동 모드에서, 실제 배터리 버스 전압은, 시스템이 충전으로부터 방전을 위해 중립(neutral)으로 진행되는 때를 결정한다. 동작 모드가 수동적일 때, 에너지가 초기에 서서히 방출되어 특정 배터리 버스 전압을 유지하고 이어서, UC 전압이 배터리 버스 전압과 같을 때, 2개의 시스템이 사실상 병렬이 된다. 수동 모드에서, 모듈은 예를 들어, 점화 키의 회전 또는 계기판 상의 전압계 상의 전압에 의해서 표시되는 바에 따라 엔진을 시동하려는 시도를 감지한다. 그렇지 않은 경우에, 이러한 시스템은, 이벤트의 시작이 의도적으로 트리거링되는 경우를 제외하고, 자동 모드에서와 같이 동작된다. 수동 모드에서, UC 시스템은 시동 시퀀스를 연장(lengthen)하지 않으며 운전자는 일반적인 것과 같이 트럭을 시동한다.
또한, 일부 실시예에서, UC의 셀-별 충전이 조정될 수 있고 저온(예를 들어, 0 ℉ 미만)의 기간 동안 상승될 수 있고 극저온(예를 들어, -20 ℉ 미만) 중에 그보다 더 상승될 수 있다. 동적 및/또는 자동적일 수 있는, 셀 전압의 상승은 UC 에너지 저장 용량의 증가를 초래할 수 있다. 또한, 일부 실시예는 펄스-폭 변조(PWM) 제어기를 이용하여 DC 버스 전압에 기초하여 이러한 에너지의 느린 방출을 허용한다. 충전은 온보드(onboard) DC/DC 변환기(203), 교류(AC) 연결(hook up)로부터, 그리고/또는 UC의 뱅크(201)를 병렬 연결과 직렬 연결 사이에서 스마트하게 스위칭하는 것으로부터 이루어질 수 있다.
셀 충전 시스템은 3개의 특성을 가지며, 제1 특성에서는 미리 결정된 전압, 예를 들어 14.5　V까지 UC(201)를 재충전하기 위해서 교류발전기(105)가 이용될 수 있다. 이는 버스 전압이 UC 뱅크(201)에 걸친 전압보다 높을 때, FET(220)을 이용하여 달성될 수 있다. 두 번째로, 14.5　V 초과에서, 각각의 제품(product)은, 예를 들어 16.2 V 내지 24　V의 희망 전압 범위로 공장에서 설정될 수 있는 500 W DC/DC 변환기(203)를 이용할 수 있다. 변환기(203)가 부스트 또는 SEPIC 형태 상으로 설계될 수 있고, 추후의 재-시동 옵션이 포함되는 경우에, 9 V로 하향 작업될 수 있다. 세 번째로, 팩 상의 전압이 그 미리 결정된 설정점에 도달할 때, 심지어 트럭이 오랜 기간 동안 오프일 때, 변환기(203)는 언제든지 시동을 위해서 이용될 수 있는 신인성을 여전히 가지면서, 그 정동작 전류를 최소화하여 전체적인 시스템의 방출을 낮게 유지하도록 설계될 수 있다. 전류 방출은, 예를 들어, 일단 충전되면, 저장 에너지의 100　kJ당 약 1 W일 수 있다.
자가-방출을 감소 또는 최소화하기 위해서, 셀 밸런싱은 클램핑 유형(clamping type)일 수 있다. 이는 하나 이상의 구분된 준위, 예를 들어 2.7　V, 3　V, 및 3.3　V의 3개의 준위를 가지는 온도 보상된 설정점을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 전압 설정점이 DC 시스템 전압 조절기(230)에서 유지될 수 있고, 예를 들어, DC 시스템 전압 조절기(230)는 밸런싱을 위해서 다양한 울트라 커패시터 셀 전압에 합치되도록 설정될 수 있다. 일부 경우에, 자가-방출을 감소 또는 최소화하기 위해서, 밸런싱이 울트라 커패시터(201) 및/또는 DC 시스템 전압 조절기(230)에 의해서 지원될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 보상이 자동적으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 셀 밸런싱은 도 2a의 제어 로직(210)과 동일한 인쇄회로기판 조립체(PCBA) 상에 있을 수 있다.
본원에서 설명된 예시적인 구현예 및/또는 본 기술의 실시예의 임의의 다른 구현예에서, 부가적인 특징이 이용될 수 있다. 예를 들어, 운전자에게 UC 팩(201)의 상태(예를 들어, UC 전력 준위)를 표시하기 위해서, (예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이 케이블을 통해서 모듈(100)에 연결된) 스마트 사용자 인터페이스(107)가 포함될 수 있다. 스마트 사용자 인터페이스(107)는 UC 팩(201)의 상태를 표시하는 LED 상태 표시부 또는 "스마트" UC 연료 게이지 디스플레이를 포함할 수 있다. 이는 또한, 운전자에게 충전 시퀀스의 재수행 옵션을 제공하는 "재수행" 버튼을 포함할 수 있다. 또한, 일부 경우에 차량 제조자에 의해서 내장형 디스플레이의 일체형 부분으로서, 차량의 시스템 내로의 보다 양호한 통합을 위해서, 차량의 계측 제어기 통신망 버스(controller area network bus)(CANbus)에 대한 연결이 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 모듈(100) 내의 에너지는 버스 상에서의 공칭 전압보다 높은 준위로 저장될 수 있고 이어서, 정적 부하(104)와 관계없이 또는 심지어 차량의 시동 시퀀스 중에, 차량의 강건한 DC 버스 전압을 지원하기 위해서 희망될 때 방출될 수 있다. 일부 실시예에서, 차량 시동 이벤트가 큰 정적 부하로서 간주될 수 있고, DC 버스의 모듈의 지원이 차량 시동 시퀀스 및 정적 부하 모두를 커버할 수 있다. 이러한 실시예에서, 시동기 모터(101)에 대한 에너지 전달 또는 차량의 재배선이 불필요해질 수 있다. 모듈 구조(200)는 UC 뱅크(201) 내에 저장된 전압을 배터리 버스보다 높은 준위에서 유지하고, 부하 변화로 인한 해당 버스 전압의 감소(dip)에 따라서, 그러한 전압을 서서히 방출한다. 호텔 또는 트럭 전자장치 부하를 위한 크기의 인덕터로 전력을 전달하는 N-채널 FET(205)를 가지는 PWM 벅 변환기를 이용하여 순수 DC가 버스로 푸싱되고(pushed), 그 이후에만, FET(205)가 완전히 온 상태일 때 그것이 포화된다. PWM(204)이 100% 온에 도달할 때, PWM(204)는 UC 뱅크(201)를 배터리(102)와 병렬이 되게 한다. 루프는 10　kHz 초과에서 평가된(rated) 시간 응답으로 미리 결정된 배터리 버스 전압 준위를 유지한다.
일부 실시예에서, 모듈(100)은 에너지를 DC 버스로 직접적으로 전달하고, (의도적인) 이력이 없이, 비동기식 방식으로 전달한다. 그에 따라, 심지어 엔진 크랭크 작동 중에도, 시스템은 시동 사이클 중에 큰 인자(예를 들어, 1000 이상) 만큼 시스템의 부하가 변화될 때에도, 설정점(예를 들어, 12.5　V)에 가능한 한 가까운 전압을 유지할 수 있다. 일부 실시예에서, 재충전이 다중-위상 및 동적일 수 있고, 제어되는 4상한(quadrant)은 시스템이 환경, UC의 충전 상태, 및 시스템 배터리에 맞춰 조정할 수 있게 한다. (여기에서, "4상한"이라는 용어는 변환기의 입력 및 출력의 전류 및 전압 제어를 의미한다.) 또한, 에너지의 전달이 가변적인 양으로 펄스화되고, 그에 의해서 모듈에 의해서 방출되는 의사(pseudo) 전자파 간섭(EMI)을 감소시킨다. 모듈(100)은 이와 관련하여 주파수-호핑 라디오(frequency-hopping radio)와 매우 유사하게 작용한다. 펄스가 고정된 반복 주파수로 발생될 수 있거나 고정된 펄스 폭을 가질 수 있다.
울트라 커패시터를 재충전하기 위한 DC 변환기
도 3a 내지 도 3c는, UC의 뱅크(301)가 확장되었을 때 이들을 재충전하기 위해서 모듈(100) 내에서 이용될 수 있는 DC 변환기(303)의 몇몇 실시예를 도시한다. 재충전은 시동 사이클들 사이에서 그리고 엔진 작동 중에 이루어질 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 변환기(303)는 모듈(100)이 설치되었을 때 초기에 UC 뱅크(301)를 충전하기 위해서 그리고 배터리(302) 및 UC의 뱅크(301)가 확장된 차량 오프-시간에 의해서 고갈될 때 또는 차량이 초기 시도(들) 이후에 시동되지 않을 때 UC 뱅크(301)를 재충전하기 위해서 이용될 수 있다. 그러한 실시예에서, DC변환기(303)는 (예를 들어, DC 변환기가 UC(301)을 충전하기 위해서 배터리(302)로부터 에너지를 방출할 때) 달리 고갈된 배터리를 파손시키지 않기 위해서 입력 전압 차단을 제어 할 수 있고, 거의 빈 UC(301)을 충전할 수 있게 하기 위해서 입력 및 출력 전류 모두를 제어할 수 있고, 그리고/또는 온도가 변화됨에 따라 UC의 뱅크(301) 상에 저장되는 에너지를 제어하기 위해서 가변 출력 전압 설정점을 제어할 수 있다.
모듈(100)에서 사용될 수 있는 DC 변환기(303)의 예시적인 실시예는 차량의 DC 버스로의 전력 전달의 변조를 허용하는 강화 모드 (통상적으로 개방된) N-FET를 포함한다. 일부 실시예에서, DC 변환기(303)는 양방향적 일 수 있지만, 다른 실시예에서, 이들은 양방향적이지 않고, 어느 한쪽의 전류를 모니터링함으로써 전력의 전달을 조절하는 별도의 변환기를 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 모듈(100) 내의 DC 변환기(303)는 얼마나 많은 에너지가 전달측에서 전송될 수 있는지에 대한 제한을 갖지 않을 수 있다. 또한 이들의 축척이 조정될 수 있다. 예를 들어, 엔진 시동 중에 에너지는 상당한 지연이 없이 그리고 DC 버스를 소정의 희망 전압(예를 들어, 12.5V)에서 유지하기 위해서 UC(301)가 저장하는 만큼의 에너지로 전달될 수 있으며, 이는 시동 시퀀스에서 배터리(302)에 병렬인 UC(301)을 효과적으로 초래할 수 있다.
도 3a는 차량 내의 통상적인 배터리(302)에 결합된 예시적인 모듈 구조(300a)를 도시한다. 모듈은 배터리(302)의 양극 단자 및 격리된 DC 변환기(303a)에 전기적으로 연결된 DC 전압 버스와 직렬로 연결된 UC의 뱅크(301)를 포함한다. DC 변환기(303a)는 양(positive)이 인덕터를 통해서 양의 배터리 단자(BAT+)에 연결되는 것과 같이 전기적으로 격리될 수 있고, 그에 따라 그 접지 전위를 효과적으로 변화시킬 수 있다. 이러한 실시예에서, 입력 및 출력상의 전압 및 전류의 제어가 격리된 장벽을 통해 전송되어야 할 수 있다.
UC 뱅크(301)의 접지측은 배터리(302)의 음의 단자 및 DC 변환기(303a)에 결합된 소스를 가지는, N-FET(305)의 세트의 방출측에 결합된다. 일부 실시예에서, N-FET(305)의 게이트는 DC 전압 버스에 결합된 입력을 가지는, 제1 전압 비교기(306)의 출력에 결합된다. 제2 전압 비교기(307)는 DC 전압 버스에 결합된 입력, 및 격리된 DC 변환기(303a)를 인에이블링 또는 디스에이블링시키는 출력을 갖는다. 동작시에, 제1 전압 비교기(306)는 버스 전압을 설정점 전압(예를 들어, 12 V)에 대해서 비교하고, 버스 전압이 설정점 전압 미만으로 떨어질 때에는 언제든지 UC 뱅크(301)로부터 펄스를 트리거링하며, 그에 의해서 버스 전압을 설정점 전압 이상으로 유지한다. 제2 전압 비교기(307)는 버스 전압을 충전 전압(예를 들어, 13.5 V)에 대해서 비교하고, 버스 전압이 충전 전압 미만으로 떨어지면, DC 변환기(303a)를 인에이블링시킨다. 인에이블 신호에 응답하여, DC 변환기(303a)는 UC 뱅크(301)를 충전한다.
도 3b는 비-격리형 DC 변환기(303b)를 도시하며, 여기에서 N-FET(305)은 하이측(high side)이고, DC 변환기(303b)는 항상 접지 연결을 유지하는 UC(301)의 "상단(top)"을 충전한다. 이는 DC 변환기(303b)가 격리되지 않게 하여, 시제품화 및 생산 조건 모두에서 그 비용을 상당히 절감한다. 일부 실시예에서, N-FET(305)을 위한 구동 회로는 소스 전압(Vsource)보다 적어도 몇 볼트 더 높을(예를 들어, 10 V) 수 있는 게이트-소스 전압(Vgate -source)을 가질 수 있다(그리고 일부 경우에 Vsource 가 BAT+일 수 있다). 그러한 실시예에서, BAT+가 접지 위에서 9 볼트와 14.5 볼트 사이에 놓일 수 있기 때문에, 이는 Vgate -source 가 약 24 볼트가 되게 할 수 있고, 이는 작은 별개의 부스트 회로의 이용을 초래할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 전압 준위를 엔진 시동 중에 전류를 전달하기 위해서 이용될 수 있는 N-FET의 병렬 뱅크를 위한 높은 게이트 커패시턴스로 스위칭할 수 있는 격리된 하이측 FET 드라이버를 또한 이용할 수 있다. 도 3b에 도시된 예시적인 실시예는 더 적은 연결부 및 구성요소를 가지는 장점을 갖는다.
도 3c는 2개의 DC 변환기(303c 및 303d)를 포함하는 시스템을 도시하며, 여기에서 하나의 변환기(303d)는 UC의 뱅크를 충전 또는 재충전하기 위해서 이용되고, 다른 변환기(303c)는 에너지를 DC 버스로 다시 전달하기 위해서 이용된다. '정상(normal)' 모드에서의 이러한 변환기의 각각은, 변환기를 온 상태로 트리거링하는 설정점을 가질 수 있다. 예를 들어, 강건한 배터리를 촉진하기 위해서, 예시적인 12.5　V 설정점이, 에너지를 DC 버스로 다시 전달하기 위해서 선택될 수 있고, 재충전 사이클을 개시하기 위해서 13.75　V가 선택될 수 있다. 설정점이 조정될 수 있기 때문에, 다른 설정점이 달리 결정될 수 있다. 그러나, 모듈 구조(300c)가 또한 입력 및 출력 전류를 모니터링한다. 이러한 특징은, UC(301)의 재충전이, 단지 교류발전기(105)가 작동중일 때, 예를 들어 비제한적으로 배터리(302)가 너무 약해서 시동을 실시하지 못할 때 그리고 연장된 정지 중과 같이 UC의 뱅크(301)가 고갈되었을 때 이외의 시간에 시작될 수 있게 한다.
도 3e 및 도 3d는 각각 격리된 DC 변환기(303c 및 303d)의 일부 예시적인 특징의 상세 부분을 도시한다. 일부 실시예에서, 이러한 변환기는 양방향적일 수 있고, 다른 실시예에서, 양방향적이 아닐 수 있다. 도 3d 및 도 3e에서 도시된 예에서, 별개의 격리된 변환기는 충전 입력측(도 3e) 및 방전 출력측(도 3d) 상에서의 전류를 모니터링하는 것에 의해서, 전력의 전달을 조정한다.
전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 모듈의 에너지는 직렬 및/또는 병렬 구성으로 구성될 수 있는 UC(201) 내에 저장될 수 있다. 모듈(100)이 양립될 수 있는 커패시턴스의 양 및/또는 배터리의 유형은 제한되지 않을 수 있고, 대부분의 실시예에서, 커패시터(201) 상의 전압이 차량 내의 전압보다 높을 수 있다. 전압을 부스트하는 방법은 플라이백(flyback), 스트레이트 부스트(straight boost), 또는 SEPIC으로서 구성될 수 있는 통상적인 부스트 스타일 변환기를 이용할 수 있고, 격리되거나 격리되지 않을 수 있다. 변환기는 피크 스위칭 전류를 최소화하기 위한 다중-위상 접근방식을 이용할 수 있고, 그러한 최소화는 다시 더 작고, 더 효율적인 구성요소, 더 양호한 EMI 성능, 및 저비용을 허용할 수 있다. 설정된 전력의 양(예를 들어, 250 W)의 증가에서, 재충전 전력 준위를 증가시킬 수 있고 재충전 시간을 감소시킬 수 있는, 더 많은 위상이 부가될 수 있다. 각각의 위상이 부가될 때, 그 스위칭 주파수가 제1 스위치로 의도적으로 탈위상(out of phase)될 수 있다.
충전 및 방전을 위한 내부 울트라 커패시터 연결
도 4는 벅-온리(buck-only) 충전 및 방전 체계를 수용하기 위한 직렬 연결과 병렬 연결 사이의 UC(401) 내의 셀간 연결의 변화를 나타내는 실시예를 도시한다. 일부 실시예에서, UC(401)은 그러한 UC을 셀(401a 및 401b)의 동일한 뱅크들로 분할하는 것에 의해서 재충전될 수 있고, 그러한 셀의 동일한 뱅크들에서 그들의 완전 충전된 총 전압은 차량의 시스템보다 낮다. 일부 실시예에서, UC(401)는 UC(401)를 몇 개의 뱅크로 분할하는 것에 의해서 충전될 수 있고, 각각의 뱅크는 동일한 및/또는 상이한 수의 UC(401)을 포함한다. 그러한 실시예에서, UC(401)는 벅 모드에서 재충전될 수 있고, 그러한 벅 모드에서 에너지는 캡(cap)으로 펄스 다운된다(pulsed down). 그러한 실시예는 더 많은 솔리드 스테이트 스위치 및 부가적인 전류 제어를 필요로 한다. 충전되었을 때, 팩은 다시 직렬이 될 수 있고 전력 전달을 위해서 준비될 수 있다. 일부 실시예에서, 직렬/병렬 스위치(402)는 UC(401)를 차량의 시스템 전압보다 낮은 총 전압을 갖는 동일한 수의 UC(401)를 갖춘 2 개의 병렬 뱅크(401a 및 401b)로 분할하거나, 차량의 시스템 전압보다 높은 총 전압을 갖는 단일 UC 뱅크를 형성하도록 이들을 연결시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 UC(401)의 충전 및 방전을 위해서 단일 벅 변환기가 이용되게 할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 일부 예시적인 모듈(100)에서의 UC(501)의 충전 방법에서 이용될 수 있는 변환기(503)를 도시한다. 도 5a는 재충전 사이클 중에 전압을 UC(501a)까지 부스트하는 별도의 그리고 전용의 비-격리형 DC 변환기(503a)를 도시한다. 도 5b는 셀 적층체를 2개(501b 및 501c)(예를 들어, 셀의 총수의 절반을 각각 포함하는 동일한 절반체들)로 분할하는 것 그리고 이어서 에너지가 취해지는 지점으로서 차량의 공칭 DC 버스를 이용하여 병렬로 각각의 절반체를 벅 충전하는 것을 도시한다. 일부 실시예에서, 차량의 전압은 분할 셀의 각각 보다 높을 수 있다. 에너지는, 벅 모드 개념에서 각각의 적층체에 대해서 제어된 방식으로 펄스화될 수 있다. 스위치(502)는, 이러한 것을 달성하기 위해서 적층체가 "함께 합쳐지고" 이어서 "분리되는" 지점을 나타낸다. 주어진 전압까지 일단 충전되면, 이어서 2개의 적층체는 "전달" 모드 즉, 에너지 유출 모드에서 이용하기 위해서 직렬로 다시 놓인다. 도시된 기계적인 스위치(502)는, 실시간으로 발생될 수 있는 "솔리드 스테이트" 스위칭을 나타낸다.
일부 실시예에서, 스위치(502)는 강화 모드 N-FET으로 이루어질 수 있고, 전달(에너지 유출) 모드에서 연결될 때 대략적으로 최대 전류(예를 들어, 2500 A까지)를 전달할 수 있다. 일부 실시예에서, 10 내지 25 A 범위일 수 있는 충전 전류를 취급하도록 FET의 크기가 결정될 수 있다. 도 5b의 스위칭이 덜 고가일 수 있고 더 작은 전자장치를 제공할 수 있으며 양방향의 온-보드 인덕터의 재사용을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 모드 제어기는 차량의 배터리로부터 UC의 2개의 적층체(501b 및 501c)로 스마트하게 그리고 커패시터 상의 충전 상태의 대부분의 또는 모든 상황하에서 유동하는 평균제곱근(RMS) 전류를 모니터링하고 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 더 많은 커패시터(501) 및 더 많은 UC의 적층체(예를 들어, 3, 4, 5, 등)가 이용될 수 있고, 각각의 적층체가 동일한 및/또는 상이한 수의 UC을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, UC(501)을 2개의 동일한 적층체(501b 및 501c)로 분할하고, 이어서 그 적층체들이 충전되고 사용 준비되었을 때 그 적층체들을 직렬로 재조합하는 것에 의해서, UC의 뱅크(501)의 충전을 벅 스위칭하도록, 도 5b에 도시된 DC 변환기가 이용될 수 있다. UC(501)을 2개의 동일한 적층체로 분할하는 것은, 재조합되었을 때 UC의 완전히 충전된 전압이 2배가 되게 할 수 있다(예를 들어, 조합되었을 때, 각각 12.0 V, 또는 24.0 V로 충전된다). 도 5b에 도시된 바와 같은 예는 4개의 스위치 회로(502a, 502b, 502c 및 502d)를 포함하고, 그러한 스위치 중 2개(502c 및 502d)는 엔진 시동 중에 고전류를 취급할 수 있고, 다른 2개(502a 및 502b)는 더 작은 크기를 가질 수 있는데, 이는 이들이 충전 전류의 통과를 허용하기 위해서 이용되기 때문이다. 이용될 수 있는 스위치의 예는 N-FET이다.
도 5b의 일부 실시예에서, 몇 개의 N-FET을 이용하여 DC 버스로 복귀되는 전력을 변조할 수 있다. 예를 들어, 만약 비-분할 구성(예를 들어, 도 5a)의 모듈(100)이 10개의 N-FET을 포함한다면, 분할 셀 구성(예를 들어, 도 5b)에 대한 N-FET의 총수가 22개의 N-FET으로 증가될 수 있다. 그러한 실시예에서, 전류 레벨에 따라서, 표준 전류 감지 저항기 대신에 유도 전류를 감지하는 것이 고전류 감지를 위해서 이용될 수 있다. 일부 실시예는 인덕터에 걸친 작은 전압 강하를 측정하기 위해 하나 이상의 전압 센서를 포함할 수 있고 이어서 그러한 값 주위에서 폐쇄 루프 제어를 생성한다.
도 6a 및 도 6b는 모듈에서 이용될 수 있는 예시적인 DC 변환기의 개략적인 상세 회로도를 도시한다. DC 변환기는 입력 및 출력 모두에서 4-상한 전류 및 전압 제어로 250 W/위상을 전달할 수 있는 다중-위상 부스트 변환기일 수 있다. 이러한 시스템은 약 95%의 효율을 가질 수 있고 단일 위상일 수 있다. 각각의 위상이 부가됨에 따라, 전력이 비례적으로 증가될 수 있다. 각각의 연속적인 위상은 360°/n 만큼 선행하는 위상과 의도적으로 "탈 위상화"되며, 여기에서 n은 위상의 총 수이다. 이는 피크 전류를 감소시키고 구성요소 크기를 작게 유지한다. 시스템은 더 빠른 재충전 속도를 허용할 수 있고, 여기에서 이러한 위상이 고객의 요청에 따라 부가될 수 있거나, 위상은, 모듈이 설치되는 차량의 크기에 비례할 수 있다.
엔진 시동 및 배터리 지원 모듈의 동작
도 7은 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈(100)을 위한 예시적인 동작 프로세스를 설명하는 흐름도를 도시한다. 일부 실시예에서, DC 변환기는 입력 및 출력 전압 및 전류 모두에 대해서 문턱값 및 최대 값을 제어 또는 설정할 수 있다. UC(701)가 비었을 때 이들을 충전하는 것은, UC가 완전 단락(dead short)과 같이 작용할 수 있다는, 그리고 출력 전류가 감지되고 제어되지 않는다면, DC 변환기가 일시적 하락(hiccup), 붕괴, 또는 완전 소모(burn up)될 수 있다는 문제점을 제시할 수 있다. 출력 전류 한계를 설정하는 것은 그러한 복잡한 문제를 피하거나 제한하는데 도움이 되어야 한다.
일부 실시예에서, 출력 전압 설정이 UC(701) 상의 희망 전압을 설정할 수 있고, 커패시터의 수명을 증가 또는 최대화하기 위해서 그리고, 특히 극저온 환경에서, 희망할 때 적절한 에너지를 전달하기 위해서, 온도에 기초하여 변경될 수 있다. 그리고, 입력 전류 한계 및 최소 전압은 교류발전기가 오프 상태인 동안의 재충전 사이클 중에 DC 버스가 방출될 때, 배터리(702)가 그들의 안전 동작 영역(예를 들어, 12-볼트 시스템에서 9 볼트) 미만으로 떨어지는 것을 방지하는데 있어서 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 기능은 동적일 수 있고, 제어가 비례적일 수 있다 - 더 많은 전력이 재충전을 위해서 이용될 수 있고, 더 많은 전력을 시스템(예를 들어, 변환기(703))이 취할 수 있다. 예를 들어, 9 볼트에서, 변환기에 의해서 소비되는 전력이 영일 수 있고, 13.75 볼트에서, 전력이 단일 위상 시스템에 대해서 250 Watt 일 수 있고, 그 사이의 임의의 전압의 경우에, 소비되는 전력이 0　Watt와 250 Watt 사이에서 비례적일 수 있다. 일부 실시예에서, 변환기가 디스에이블링될 때, 변환기가 또한 25 mA 미만의 정동작 전류를 가질 수 있으며, 그러한 디스에이블링은 전체적인 시스템 성능을 유지하는데 있어서 유용할 수 있다.
예시적인 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈
이하의 비제한적인 예는 본 개시 내용의 원리에 따른 엔진 시동 및 배터리 지원 모듈의 양태를 강조하기 위한 것이다.
예시적인 장치 1: 셀의 수: 직렬인 8개; UC 셀 커패시턴스: 3000　F; 총 커패시턴스: 375　F; 전압: 온도가 약 0 ℉ 보다 높을 때 21.6 V 및 온도가 약 0 ℉ 미만일 때 24 V.
예시적인 장치 1은 일차적인 기능으로서 "호텔 부하" 지원을 제공할 수 있고, 이차적인 기능은 실제 시동 시퀀스를 위한 에너지를 보유하는 것이다. 비율은 약 10:1이고, 호텔 부하 지원이 더 많은 에너지를 획득한다. 시스템은 직렬로 적층되고 온도에 따라서 2.7　V/셀 또는 3.0　V/셀까지 충전된 UC의 스트링으로부터 배터리 버스 전압을 자동적으로 지원한다. 셀 상의 전압이 배터리 전압과 같을 때, 구조의 설계에 의해서 셀들이 병렬이 된다. 이러한 장치의 예시적인 적용예는 차량이 운송을 위해서 사용될 때이다.
예시적인 장치 2: 셀의 수: 각각 직렬인 6개의 셀의 2개의 병렬 스트링; UC 셀 커패시턴스: 3000　F; 총 커패시턴스: 1000　F; 전압: 온도가 약 0 ℉ 보다 높을 때 16.2 V 및 온도가 약 0 ℉ 미만일 때 18.0 V.
예시적인 장치 2는 해당 프로세스 중에 차량 전자장치를 활성적으로 유지하기 위해 감소된 양의 또는 최소량의 에너지를 제공하면서, 차량을 크랭크 작동시키기 위한 에너지를 전달할 수 있다. 이러한 장치의 예시적인 적용예는 보조적인 전력 유닛이 없는 커패시턴스를 위해서 차량이 사용될 때이다.
예시적인 장치 3: 셀의 수: 각각 직렬인 6개의 셀의 3개의 병렬 스트링; UC 셀 커패시턴스: 3000　F; 총 커패시턴스: 1500　F; 전압: 온도가 약 0 ℉ 보다 높을 때 16.2 V 및 온도가 약 0 ℉ 미만일 때 18.0 V.
예시적인 장치 3은 해당 프로세스 중에 차량 전자장치를 활성적으로 유지하기 위한 감소된 양의 또는 최소량의 에너지를 제공하면서, 차량을 크랭크 작동시키기 위한 에너지를 전달할 수 있다. 이러한 적용예는 특히 4개 초과의 병렬 배터리가 존재하는 차량 상에서, 차량 시동 이벤트 중에 차량 전자장치를 위해서 더 많은 에너지를 전달하는 것을 지원한다. 이러한 장치의 예시적인 적용예는 보조적인 전력 유닛을 갖춘 커패시턴스를 위해서 차량이 사용될 때이다.
예시적인 장치 4: 셀의 수: 각각 직렬인 6개의 셀의 3개의 병렬 스트링; UC 셀 커패시턴스: 3000　F; 총 커패시턴스: 1500　F; 전압: 온도가 약 0 ℉ 보다 높을 때 16.2 V, 온도가 약 0 ℉ 미만일 때 18.0 V, 및 온도가 -20 ℉ 미만일 때 19.8 V.
예시적인 장치 4는 극저온 적용예에서 차량을 크랭크 작동시키기 위한 증가된 또는 최대 에너지를 전달한다.
결론
다양한 본 발명의 실시예가 본 명세서에서 설명되고 예시되었지만, 당업자는 기능을 수행하기 위한 및/또는 본원에서 설명된 결과를 및/또는 하나 이상의 장점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상 할 것이고, 그러한 변형 및/또는 수정의 각각은 본원에 설명된 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는, 본원에서 설명된 모든 매개변수, 치수, 재료, 및 구성이 예시적인 것로서 의미된다는 것 그리고 실제의 매개변수, 치수, 재료 및/또는 구성이, 교시 내용이 이용되는 특정의 적용예 또는 적용예들에 따라서 달라질 것임을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 당업자는, 단지 일상적인 실험을 이용하여, 본원에서 설명된 특정의 발명적인 실시예에 대한 많은 균등물을 인지하거나 알아낼 수 있을 것이다. 그에 따라, 전술한 실시예가 단지 예로서 제시된 것이고, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에서; 본 발명의 실시예가 구체적으로 설명되고 청구된 것과 달리 실행될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 개시 내용의 발명에 따른 실시예는 본원에서 설명된 각각의 개별적인 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법에 대한 것이다. 또한, 둘 이상의 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의 조합은 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 상호 불일치되지 않는다면, 본 개시 내용의 발명에 따른 범위 내에 포함된다.
전술한 실시예는 임의의 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 기술의 실시예는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 그 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 펌웨어 및/또는 소프트웨어로 구현되는 경우, 펌웨어 및/또는 소프트웨어 코드는 단일 장치에서 제공되는지 또는 다수 장치들 사이에서 분산되든지 간에, 임의의 적절한 프로세서 또는 로직 구성요소들의 집합상에서 실행될 수 있다.
이와 관련하여, 다양한 발명에 따른 개념이 하나 이상의 프로그램으로 인코딩된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체 (또는 다수의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체) (예를 들어, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 콤팩트 디스크, 광학 디스크, 자기 테이프, 플래시 메모리, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array) 또는 다른 반도체 장치의 회로 구성, 또는 다른 비-일시적 매체 또는 유형의 컴퓨터 저장 매체)로서 구현될 수 있고, 그러한 하나 이상의 프로그램은 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 프로세서 상에서 실행될 때, 전술한 발명의 여러 실시예를 구현하는 방법을 실시한다. 컴퓨터 판독 가능 매체 또는 매체들이 운반될 수 있고, 그에 따라 그에 저장된 프로그램 또는 프로그램들이, 전술한 바와 같은 본 발명의 다양한 양태들을 구현하기 위해서, 하나 이상의 상이한 컴퓨터들 또는 다른 프로세서들 상에 로딩 될 수 있다.
"프로그램" 또는 "소프트웨어"라는 용어는, 전술한 바와 같은 실시예의 다양한 양태를 구현하도록 컴퓨터 또는 다른 프로세서를 프로그래밍하는데 사용될 수 있는 임의의 유형의 컴퓨터 코드 또는 컴퓨터-실행 가능 명령어의 세트를 지칭하는 일반적인 의미로 사용된다. 또한, 일 양태에 따르면, 실행될 때 본 발명의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램이 단일 컴퓨터 또는 프로세서 상에 존재할 필요는 없고, 본 발명의 다양한 양태를 구현하기 위해서 다수의 상이한 컴퓨터들 또는 프로세서들 사이에 모듈 방식으로 분산될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
컴퓨터 실행 가능 명령어는 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 장치에 의해 실행되는, 프로그램 모듈과 같은, 다양한 형태일 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은 특정 작업을 수행하거나 특별한 추상적 데이터 유형을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 구성요소, 데이터 구조 등을 포함한다. 통상적으로, 프로그램 모듈의 기능은 다양한 실시예에서 요구되는 바에 따라 조합되거나 분산될 수 있다.
또한, 데이터 구조가 임의의 적합한 형태로 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 설명의 단순화를 위해서, 데이터 구조 내의 위치를 통해서 관련되는 필드들을 가지는 것으로 데이터 구조가 제시될 수 있다. 그러한 관계는 필드들 간의 관계를 전달하는 컴퓨터-판독 가능 매체 내의 위치들을 필드들에 대한 저장 장치에 할당함으로써 유사하게 달성될 수 있다. 그러나 포인터, 태그 또는 데이터 요소들 간의 관계를 설정하는 다른 메커니즘의 사용을 통한 것을 포함하여, 데이터 구조의 필드 내의 정보 간의 관계를 수립하기 위해서 임의의 적합한 메커니즘이 사용될 수 있다.
또한, 다양한 발명의 개념이 하나 이상의 방법으로 구현될 수 있으며, 그 예가 제공되어 있다. 방법의 일부로 수행되는 행위들이 적절한 방법으로 순서화될 수 있다. 따라서, 예시된 실시예에서 순차적인 동작들로 도시되어 있지만, 몇몇 동작을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 도시된 것과 다른 순서로 동작들 실시되는 실시예가 구성될 수 있다.
본원에서 정의되고 사용된 바와 같은 모든 정의는 사전적 정의, 참조로 포함된 문헌에서의 정의 및/또는 정의된 용어의 통상적인 의미에 우선한다는 것을 이해하여야 할 것이다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 부정관사("a" 및 "an")는, 반대로 명시적으로 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 "및/또는"이라는 문구는, 그렇게 결합된 요소, 즉 일부 경우에 결합적으로 존재하고 다른 경우에 분리적으로 존재하는 요소의 "어느 하나 또는 양자 모두"를 의미하는 것으로 이해하여야 한다. "및/또는"으로 나열된 복수의 요소는 동일한 양식으로, 즉 그렇게 결합된 요소의 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 문구에 의해서 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가, 구체적으로 식별된 요소와 관련되거나 관련되지 않든 간에, 선택적으로 존재할 수 있을 것이다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는"과 같은 개방형(open-ended) 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A 만을(선택적으로 B 이외의 요소를 포함한다) 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서 B 만을(선택적으로 A 이외의 요소를 포함한다) 지칭할 수 있으며; 또 다른 실시예에서 A 및 B 모두(선택적으로 다른 요소를 포함한다)를 지칭할 수 있다.
본원의 명세서 및 청구 범위에서 사용된 바와 같이, "또는"은 앞서서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록 내의 항목들을 분리할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉 적어도 하나를 포함하는 것으로 해석되어야 하나, 또한 요소의 수 또는 목록의, 그리고 선택적으로, 부가적인 목록에 없는 항목 중 하나 초과를 포함하는 것으로도 해석되어야 한다. "오직 하나" 또는 "정확히 하나" 또는, 청구항에서 사용되는 경우, "~으로 이루어진"과 같이, 명확하게 반대로 표시된 용어만이, 많은 수의 요소 또는 요소의 목록 중 정확히 하나를 포함한다는 것을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 "또는" 이라는 용어는, "어느 하나", "~ 중 하나", "~ 중 단 하나", 또는 "~ 중 정확히 하나" 와 같은 배타적인 용어가 선행될 때, 배타적인 대안(즉, "하나 또는 다른 것, 그러나 양자 모두는 아닌 것")을 나타내는 것으로만 해석되어야 한다. 청구범위에서 사용되는 경우, "~로 본질적으로 이루어진"은 특허법 분야에서 사용되는 통상적으로 의미를 가질 것이다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록에 대한 언급에서 "적어도 하나"라는 문구는 요소의 목록 내의 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로, 그러나 요소의 목록 내에 구체적으로 나열된 각각의 그리고 모든 요소의 적어도 하나를 반드시 포함하여야 하는 것이 아니고 요소의 목록 내의 요소의 임의 조합을 배제하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 이러한 규정은 또한, 요소가, 구체적으로 식별된 해당 요소와 관련되든지 또는 관련되지 않든지 간에, "적어도 하나의"라는 문구가 인용된 요소의 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소 이외로 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 균등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는, 균등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")가, 일 실시예에서, 선택적으로 하나 초과의 A를 포함하고, B는 존재하지 않는(그리고 선택적으로 B 이외의 요소를 포함하는), 적어도 하나를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 초과의 B를 포함하고, A는 존재하지 않는(그리고 선택적으로 A 이외의 요소를 포함하는), 적어도 하나를 지칭할 수 있고; 또 다른 실시예에서, (선택적으로 다른 요소를 포함하는), 선택적으로 하나 초과의 A를 포함하는 적어도 하나, 그리고 선택적으로 하나 초과의 B를 포함하는; 등 중 적어도 하나를 지칭할 수 있다.
청구범위에서, 그리고 전술한 명세서에서, "포함한다", "갖는다", "수반한다", "구비한다", "내장한다", "관련된다", "유지한다", "~으로 구성되어 있다" 등과 같은 모든 과도적 문구는 개방적인 것으로, 즉 포함하나 그러한 것으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허청의 특허 심사편람, 섹션 2111.03에 기재된 바와 같이, "~으로 이루어진" 및 "본질적으로 ~로 이루어진"이라는 과도적 문구만이 각각 폐쇄형의 또는 절반-폐쇄적형의 과도적 문구가 될 것이다.

Claims (20)

  1. 차량 내의 차량 배터리의 전압 준위를 조절하기 위한 방법이며, 상기 방법은:
    상기 전압 준위가 미리 결정된 전압 문턱값 미만인지를 결정하는 단계;
    상기 전압 준위가 상기 미리 결정된 전압 문턱값 미만인 경우, 상기 차량 배터리와 전기적으로 소통되는 적어도 하나의 울트라 커패시터의 방전을 개시하는 단계; 및
    상기 전압 준위를 적어도 상기 미리 결정된 전압 문턱값까지 상승시키기 위해서, 상기 적어도 하나의 울트라 커패시터의 방전을 변조하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미리 결정된 전압 문턱값은 차량 배터리 사용기간, 차량 사용기간, 차량 배터리 상태, 차량 배터리 수량, 차량 배터리 유형, 차량 시동기 유형, 시동기 사용기간, 온도, 및 차량 운전자의 경력 중 적어도 하나에 기초하여 결정되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 울트라 커패시터의 방전을 변조하는 단계는, 상기 적어도 하나의 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 적어도 하나의 트랜지스터를 통한 전류 유동을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    차량 교류발전기가 오프일 때, 상기 차량 배터리로부터 상기 적어도 하나의 울트라 커패시터로 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지의 전달은 상기 전압 준위가 재충전 전압 문턱값을 초과한다는 것을 결정하는 단계 이후에 개시되는, 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지의 전달은 상기 차량 배터리의 전압량이 상기 재충전 전압 문턱값을 초과할 때에만 개시되는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전압 준위가 상기 차량을 시동하는데 필요한 전압 준위보다 낮을 때, 상기 차량 배터리로부터 상기 적어도 하나의 울트라 커패시터로 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 울트라 커패시터는 복수의 울트라 커패시터를 포함하고, 상기 방법은:
    충전을 위한 병렬 구성과 방전을 위한 직렬 구성 사이에서 상기 복수의 울트라 커패시터를 스위칭하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 차량 배터리의 전압 준위를 조절하기 위한 장치이며, 상기 장치는:
    전하를 저장하기 위해 직렬로 연결된 복수의 울트라 커패시터;
    미리 결정된 전압 문턱값에 대한 상기 전압 준위의 비교를 실시하기 위해, 상기 차량 배터리 및 상기 복수의 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는, 적어도 하나의 전압 비교기; 및
    제어 로직으로서, 상기 전압 준위를 적어도 상기 미리 결정된 전압 문턱값까지 상승시키기 위해서 상기 비교에 기초하여 상기 복수의 울트라 커패시터의 방전을 변조하기 위해, 상기 적어도 하나의 전압 비교기 및 상기 복수의 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는, 제어 로직
    을 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 복수의 울트라 커패시터 내부로의 그리고/또는 외부로의 전류 유동을 제어하기 위해, 상기 복수의 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는, 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비교기는 상기 복수의 울트라 커패시터 내부로의 그리고/또는 외부로의 전류 유동을 제어하기 위해 상기 적어도 하나의 트랜지스터의 게이트와 전기적으로 소통되는, 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전압 준위와 재충전 전압 문턱값의 비교에 응답하여 상기 복수의 울트라 커패시터를 충전하기 위해, 상기 복수의 울트라 커패시터 및 상기 적어도 하나의 전압 비교기와 전기적으로 소통되는, 직류(DC) 변환기를 더 포함하는, 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전압 비교기는:
    상기 전압 준위가 상기 재충전 전압 문턱값을 초과하는 경우 상기 DC 변환기를 인에이블링시키기 위해, 상기 DC 변환기와 전기적으로 소통되는 제1 전압 비교기; 및
    상기 미리 결정된 전압 문턱값에 대한 상기 전압 준위의 비교를 실시하기 위해, 상기 제어 로직과 전기적으로 소통되는 제2 전압 비교기를 포함하는, 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 DC 변환기는, 상기 전압 준위가 상기 재충전 전압 문턱값을 초과한다는 것을 나타내는 상기 전압 비교기로부터의 출력에 응답하여, 전하를 상기 차량 배터리로부터 상기 복수의 울트라 커패시터로 전달하도록 구성되는, 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 차량 배터리의 온도를 모니터링하기 위해, 상기 DC 변환기에 동작적으로 결합된, 온도 센서를 더 포함하는, 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 DC 변환기는, 상기 차량 배터리의 온도에 기초하여, 상기 미리 결정된 전압 문턱값 및/또는 상기 재충전 전압 문턱값을 변경하도록 구성되는, 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 DC 변환기는, 상기 적어도 하나의 비교기로부터의 출력에 응답하여 에너지를 상기 차량의 차량 버스로 전달하도록 추가적으로 구성되는, 장치.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 울트라 커패시터를 직렬 구성과 병렬 구성 사이에서 스위칭시키기 위해, 상기 복수의 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 스위치를 더 포함하는, 장치.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 차량의 운전자가 상기 장치에 관여할 수 있게 하기 위해, 상기 제어 로직에 동작적으로 결합된, 수동적 인터페이스를 더 포함하는, 장치.
  20. 차량 배터리의 전압 준위를 조절하기 위한 장치이며, 상기 장치는:
    복수의 울트라 커패시터;
    상기 전압 준위를 제1 전압 문턱값에 대해서 비교하기 위해, 상기 차량 배터리와 전기적으로 소통되는, 제1 전압 비교기;
    상기 전압 준위가 상기 제1 전압 문턱값 미만인 경우 상기 복수의 울트라 커패시터를 방전시키기 위해, 상기 제1 전압 비교기 및 상기 복수의 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 제어 로직;
    상기 전압 준위를 제2 전압 문턱값에 대해서 비교하기 위해, 상기 차량 배터리와 전기적으로 소통되는 제2 전압 비교기;
    상기 전압 준위가 상기 제2 전압 문턱값 초과인 경우 상기 복수의 울트라 커패시터를 방전시키기 위해, 상기 제1 전압 비교기 및 상기 복수의 울트라 커패시터와 전기적으로 소통되는 제어 로직;
    상기 전압 준위가 상기 제2 전압 문턱값 초과인 경우 상기 복수의 울트라 커패시터를 충전하기 위해, 상기 복수의 울트라 커패시터 및 상기 제2 전압 비교기와 전기적으로 소통되는 직류(DC) 변환기; 및
    상기 차량 배터리의 온도를 모니터링하기 위해, 상기 DC 변환기에 동작적으로 결합되는 온도 센서를 포함하고,
    상기 DC 변환기는 상기 차량 배터리의 온도에 기초하여 상기 제1 전압 문턱값 및/또는 상기 제2 전압 문턱값을 변경하도록 구성되는, 장치.
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