KR20170026217A - 다중 에너지 저장 장치를 갖는 하이브리드 시스템 - Google Patents

다중 에너지 저장 장치를 갖는 하이브리드 시스템 Download PDF

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Abstract

부하(118)에 전력을 제공하고, DC 링크 전압의 신속한 변화를 제공하여 시스템 효율을 개선시키는 하이브리드 에너지 시스템(11, 102)을 개시한다. 그 시스템은 부하(118); 이 부하(118)에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크(16, 114); 직렬로 배치된 제1 에너지 저장 장치(14, 110) 및 제2 에너지 저장 장치(20, 112)를 갖는 에너지 저장 시스템(15, 106); 및 DC 링크(16, 114) 및 에너지 저장 시스템(15, 106)에 전기적으로 결합된 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)를 포함하며, 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)는 제1 에너지 저장 장치(14, 110)와 제2 에너지 저장 장치(20, 112) 사이에 위치한 노드(21)에, 그리고 제2 에너지 저장 장치(20, 112)를 DC 링크(16, 114)에 연결하는 노드(22)에 연결된다.

Description

다중 에너지 저장 장치를 갖는 하이브리드 시스템{HYBRID SYSTEM WITH MULTIPLE ENERGY STORAGE DEVICES}
본 발명은 일반적으로 차량 구동 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리식 전기 차량, 하이브리드 전기 차량, 플러그인 하이브리드 전기 차량에 이용되는 것과 같은 배터리식 구동 시스템에 관한 것이다.
전기 차량 및 하이브리드 전기 차량은 통상 단독으로든 엔진(예를 들면, 내연기관, 터빈엔진 등)과 조합하여든 하나 이상의 에너지 저장 장치에 의해 전력이 공급되며, 그러한 에너지 저장 장치는 전기 모터에 전력을 공급하기에 충분한 에너지를 제공하도록 배터리, 울트라 커패시터, 플라이휘일, 또는 이들 요소의 조합 중 하나 이상을 포함한다. 순수 전기 차량에서, 하나 이상의 에너지 저장 장치가 전체 구동 시스템에 전력을 공급하고, 이에 의해 엔진의 필요성을 제거한다. 한편, 하이브리드 전기 차량은 엔진에 의해 공급되는 동력을 보충할 전력을 제공하는 에너지 저장 장치를 포함하며, 이는 엔진 및 차량의 연료 효율을 상당히 증가시킨다.
DC/DC 컨버터가 하이브리드 및 전기 차량 시스템에서 배터리와 모터 구동 DC 링크 간의 인터페이스로서 널리 이용되고 있다. 종래에, 울트라 커패시터와 같이 보다 고전력밀도의 에너지 저장 장치를 배터리와 함께 이용하여, 배터리 및 DC/DC 컨버터의 전력 요건을 감소시킴으로써 전체 시스템 비용을 감소시킬 수 있도록 구동 시스템의 과도 전력 능력(transient power capability)을 개선시키는 것이 제안되어 있다. 그러나, 차량 구동 시스템에서의 배터리와 울트라 커패시터에 대한 기존의 배치 양태에 있어서의 한 가지 결점은 울트라 커패시터가 DC 링크와 배터리에 항시 연결되어 있다는 점이다. 울트라 커패시터의 큰 전기 용량으로 인해, DC 링크 커패시터의 전압이 단시간에 변경될 수 없다. 따라서, 울트라 커패시터를 이용하지 않는 보다 일반적인 시스템과 비교해, 부하의 전력 수요가 낮을 때에 DC 링크 전압을 감소시킴으로써 시스템의 효율을 최적화하는 것은 곤란하다.
따라서, 시스템 효율을 개선시키도록 DC 링크 전압의 신속한 변화를 달성할 수 있는 전기 및/또는 하이브리드 추진 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 그러한 DC 링크 전압은 시스템의 전력 능력에 영향을 미치지 않고 제어 가능하고, 또한 울트라 커패시터는 배터리 및 DC/DC 컨버터의 사이즈를 최소화할 수 있게 과도 전력(양방향 모두)을 제공하는 것이 더욱 바람직할 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 구동 시스템은 부하; 이 부하에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크; 직렬로 배치된 제1 에너지 저장 장치 및 제2 에너지 저장 장치를 갖는 에너지 저장 시스템; 및 DC 링크 및 에너지 저장 시스템에 전기적으로 결합된 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 제1 에너지 저장 장치와 제2 에너지 저장 장치 사이에 위치한 노드에, 그리고 제2 에너지 저장 장치를 DC 링크에 연결하는 노드에 연결된다.
본 발명의 하나의 다른 양태에 따르면, 부하에 전력을 제공하는 에너지 시스템은, DC 링크를 통해 부하에 전기적으로 결합 가능한 에너지 저장 시스템을 포함하고, 이 에너지 저장 시스템은 제1 에너지 저장 장치 및 이 제1 에너지 저장 장치와 직렬로 배치된 제2 에너지 저장 장치를 더 포함하며, 제2 에너지 저장 장치는 DC 링크에 직접 결합된다. 에너지 시스템은 또한 DC 링크 및 에너지 저장 시스템에 전기적으로 결합된 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 제1 에너지 저장 장치 내외로의 전력이 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 선택적으로 안내되도록 제1 에너지 저장 장치를 DC 링크에 연결하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 제2 에너지 저장 장치 내외로의 전력이 DC/DC 컨버터를 우회하도록 위치 설정된다.
본 발명의 하나의 또 다른 양태에 따르면, 구동 시스템은 부하; 이 부하에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크; 제1 에너지 저장 장치 및 제2 에너지 저장 장치를 갖는 에너지 저장 시스템; 제1 에너지 저장 장치가 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 DC 링크에 연결되고 제2 에너지 저장 장치가 DC 링크에 직접 결합되도록 위치 설정된 양방향 DC/DC 컨버터; 및 제2 에너지 저장 장치와 DC 링크 사이에 위치 설정된 스위치를 포함하며, 이 스위치는 제2 에너지 저장 장치를 DC 링크에 대해 선택적으로 연결 및 분리하도록 폐쇄 위치와 개방 위치로 작동 가능하다.
본 발명의 하나의 또 다른 양태에 따르면, 구동 시스템은 부하; 이 부하에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크; 구동 시스템의 저전압측에 위치 설정된 제1 에너지 저장 장치; 구동 시스템의 고전압측에 위치 설정된 제2 에너지 저장 장치; 제1 에너지 저장 장치를 DC 링크로부터 분리시키도록 저전압측과 고전압측 사이에 위치 설정된 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 고전압측의 DC 링크에 제공하도록 제1 에너지 저장 장치로부터의 전압을 승압한다. 구동 시스템은 제2 에너지 저장 장치와 DC 링크 사이에 위치 설정된 스위치를 더 포함하며, 이 스위치는 제2 에너지 저장 장치를 DC 링크에 대해 선택적으로 연결 및 분리하도록 폐쇄 위치와 개방 위치로 작동 가능하다.
다양한 기타 특징 및 이점은 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
첨부 도면은 현재 본 발명을 실시하기 위해 고려되는 바람직한 실시예를 도시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구동 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 구동 시스템의 전력 능력을 그래프로 도시한다.
도 3은 도 1의 구동 시스템의 작동의 다양한 상태를 그래프로 도시한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 4의 구동 시스템의 작동의 다양한 상태를 그래프로 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도 4의 구동 시스템의 작동 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구동 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 전력 흐름을 제어하기 위해 전기 스위치를 채용한 구동 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 전력 흐름을 제어하기 위해 전기 스위치를 채용한 구동 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 전력 흐름을 제어하기 위해 전기 스위치를 채용한 구동 시스템을 개략적으로 도시한다.
하이브리드 전력 구동 시스템에서 개선된 과도 전력 능력을 제공하는 고전력밀도 에너지 저장 장치 및 에너지 배터리의 구성을 도시한다. DC 링크 전압의 신속한 변화 및 구동 시스템의 개선된 효율을 제공하는 고전력밀도 에너지 저장 장치를 에너지 배터리를 갖는 구동 시스템에 대해 선택적으로 연결 및 분리시키는 스위칭 장치를 또한 도시한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 차량 추진 시스템과 같은 구동 시스템(10)을 도시하며, 그 구동 시스템(10)은 DC/DC 컨버터(12) 및 에너지 저장 시스템(15)을 포함하는 에너지 시스템(11)을 구비한다. 에너지 저장 시스템(15)은 제1 에너지 저장 장치(14) 및 제2 에너지 저장 장치(20)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 제1 에너지 저장 장치(14)는 고 비에너지(specific energy) 배터리이며, 제2 에너지 저장 장치(20)는 울트라 커패시터이며, 이들 에너지 저장 장치는 이하에서 배터리(14) 및 울트라 커패시터(20)로 각각 지칭한다. 하지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 제2 에너지 저장 장치(20)가 리튬 이온 배터리 또는 기타 고전력밀도 에너지 저장 장치로 이루어지는 등의 에너지 자장 장치가 다른 형태로 마련될 수도 있으며, 이러한 대안적인 실시예도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 인정된다는 점을 이해할 것이다.
구동 시스템(10)에서, DC/DC 컨버터(12)는 시스템의 저전압측의 배터리(14)를 고전압의 DC 링크(16)에 연결하며, DC 링크 커패시터(18)가 필터링을 제공하도록 DC 링크에 선택적으로(DC/DC 컨버터(12)의 구성에 따라) 마련된다. 울트라 커패시터(20)는 또한 배터리(14)와 고전압 DC 링크(16) 사이에 배치되고, 울트라 커패시터(20)의 전압은 DC 링크(16)의 전압과 배터리(14)의 전압 간의 차이다. 울트라 커패시터(20)는 DC 링크(16)로부터 충전 또는 방전될 수 있다. 배터리(14)는 울트라 커패시터(20)와 직렬로 결합되어, 배터리(14)와 울트라 커패시터(20)의 합산 출력 전력이 부하(21)에 전달되도록 DC 링크(16)에 전달될 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, DC/DC 컨버터(12)는 배터리(14)와 울트라 커패시터(20) 사이에 위치한 노드(21)에 연결되어, 울트라 커패시터(20)의 전압 출력을 DC/DC 컨버터(12)를 통과하게 할 필요 없이 배터리(14)의 전압 출력이 DC/DC 컨버터(12)에 제공될 수 있게 한다. DC/DC 컨버터(12)는 또한 울트라 커패시터(20)를 링크(16)에 연결하는 노드(22)에 연결되어, 예를 들면, DC/DC 컨버터(12)의 승압 출력이 DC 링크(16)에 바로 제공되어 DC 링크(16)에 전력을 제공하는 울트라 커패시터(20)의 출력과 조합될 수 있게 한다.
도 1의 에너지 저장 시스템(15)은 울트라 커패시터(20)가 배터리(14) 위에서 노드(22)에 인접하는 것으로 도시되어 있지만, 울트라 커패시터(20)와 배터리(14)의 배치는 반대로 될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 즉, 다른 실시예에 따르면, 배터리(14)가 노드(22)에 인접하도록 울트라 커패시터(20) 위에 위치할 수도 있다.
DC 링크(16)를 이용한 DC/DC 컨버터(12), 배터리(14) 및 울트라 커패시터(20)의 전술한 배치에 의해 제공되는 구동 시스템(10)의 전력 능력(power capability)이 도 2에 도시되어 있다. 거기에서 확인할 수 있는 바와 같이, 배터리 단독인 경우에, 전력 능력은 그래프 상에서 도면 부호 23으로 나타낸 바와 같은 단일 라인으로 단순해진다. 배터리 전압은 단순화를 위해 일정한 것으로 가정하였지만, 실제로는 배터리 전압은 방전 또는 충전 전력이 배터리의 내부 임피던스로 인해 변화함에 따라 감소 또는 증가하며, 배터리의 전압 및 잔존 용량 모두가 변화한다. 충분한 전력을 갖는 DC/DC 컨버터를 추가함으로써, 그 시스템의 작동 공간(operating space)은 도면 부호 24로 나타낸 바와 같이 보다 높은 전압을 커버하도록 확장될 수 있다. 즉, DC/DC 컨버터를 추가함으로써, 시스템 전압의 한계는 DC/DC 컨버터의 전압 한계로 증가된다. DC/DC 컨버터의 전력 능력에 따라, 배터리의 전력 능력이 완전히 이용되지 않을 수도 있다. 도 1에 도시하고 설명한 바와 같이, 울트라 커패시터는 도면 부호 26으로 나타낸 바와 같이 시스템의 전력 능력을 개선시키도록 추가될 수 있다. 이상적으로, 울트라 커패시터의 전력 능력은 특정 정격 전류에 대한 그 단자 전압의 선형 함수이다. 큰 전기 용량으로 인해, 울트라 커패시터는 원하는 전압 수준으로 미리 충전 된 경우에 순간적으로 높은 전력을 급전할 수 있다. 통상, 울트라 커패시터의 충전 또는 방전 전류의 최대 수준은 배터리보다 크다. 전력이 배터리와 울트라 커패시터의 직렬 경로를 통해서만 급전되는 경우, 울트라 커패시터의 출력 전력은 배터리의 최대 전류에 의해 제한된다. 울트라 커패시터 내외로 보다 높은 전력을 급전하기 위해, DC/DC 컨버터는 울트라 커패시터와 배터리 사이의 노드로 도입되는 전류를 제어하여, 배터리가 그 자신의 최대 전류 내에서 충전 또는 방전을 행하고 있는 동안 울트라 커패시터의 전류 수준이 배터리보다 클 수 있게 한다. 이러한 식으로, DC/DC 컨버터는 울트라 커패시터와 배터리 간의 전류차만을 취급한다. 이는 울트라 커패시터의 전류 능력이 배터리보다 낮은 경우에 적용된다.
이하, 도 1을 다시 참조하면서 도 3을 참조하면, 구동 시스템(10)의 예시적인 작동 사이클(30)이 도시되어 있다. 도면 부호 32로 나타낸 바와 같이, 시스템(10)은 처음에는 대기 모드에 있으며, 그 때에는 어떠한 전력 전달도 발생하지 않는다. 도면 부호 34로 나타낸 바와 같이 부하 수요가 없는 기간 동안, DC/DC 컨버터(12)는 DC 링크 전압을 상승시켜 울트라 커패시터(20)를 충전한다. 처음에서는 0V에서 시작하여, 울트라 커패시터(20)로 유입되는 전력은 울트라 커패시터의 최대 전류에 의해 제한된다. 울트라 커패시터(20)로 유입되는 전력은 또한 DC/DC 컨버터(12)의 능력 또는 충전 전력 명령(charging power command)에 의해 제한된다. 이어서, 부하가 전력을 요구하는 경우, 도면 부호 36으로 나타낸 바와 같이 울트라 커패시터(20)는 계속 충전되고 있는 중에 배터리(14)가 DC/DC 컨버터(12)를 통해 부하에 전력을 제공한다. 도면 부호 38에 도시한 바와 같이, 부하 전력이 유지되며, 그러면 울트라 커패시터(20)는 전력을 제공하도록 방전하며, DC/DC 컨버터(12)는 전류를 우회시키고 배터리(14)는 전력을 제공하지 않는 상태로 있다. 도면 부호 40에서, 배터리(14)는 DC/DC 컨버터(12)를 통해 모든 부하 전력을 제공하며, 이 때 울트라 커패시터 전압 및 DC 링크 전압이 일정하게 유지된다. 도면 부호 42로 나타낸 바와 같이 회생 전력이 배터리(14) 및 울트라 커패시터(20) 모두에 공급되는 경우, 울트라 커패시터 전압 및 DC 링크 전압이 증가한다. 도면 부호 44로 나타낸 바와 같이 DC/DC 컨버터(12)가 차단되는 경우, 배터리(14)와 울트라 커패시터(20)가 함께 부하 전력을 제공한다. 이어서, 도면 부호 46으로 나타낸 기간 동안, 회생 전력은 울트라 커패시터(20)에만 공급되는 한편, 배터리의 잔존 용량(state-of-charge: SOC)은 일정하게 유지된다.
DC 링크(16)를 이용한 DC/DC 컨버터(12), 배터리(14), 및 울트라 커패시터(20)의 배치가 구동 시스템(10)에서의 개선된 과도 전력 능력을 제공하지만, 울트라 커패시터(20)는 구동 시스템(10)의 DC 링크(16) 및 배터리(14)에 항시 연결되어 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 도 4에는 배터리 효율을 위해 필요에 따라 DC 링크 전압이 보다 신속하게 변화하게 제어될 수 있도록 울트라 커패시터(20)가 DC 링크(16) 및 배터리(14)로부터 분리될 수 있는 대안적인 구동 시스템(100)이 도시되어 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 구동 시스템(100)은 에너지 저장 시스템(106) 및 양방향 부스트 컨버터(108)로 이루어진 에너지 시스템(102)을 포함하며, 그 에너지 저장 시스템(106)은 배터리(110)(예를 들면, 고 비에너지 배터리) 및 울트라 커패시터(112)를 포함한다. 하지만, 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 예를 들면 울트라 커패시터를 고전력 리튬 이온 배터리로 교체하는 등의 기타 적절한 에너지 저장 장치가 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)를 대체할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 에너지 저장 시스템(106)은 직류(DC) 링크(114)를 통해 DC-AC 인버터(116) 및 부하(118)에 결합되며, 이 부하는 바람직하게는 AC 모터 등의 전기 구동 장치이며 이에 한정되진 않는다. 하나의 실시예에서, DC 링크 커패시터(104)가 DC 링크(114)에 마련되어 전력에 대한 필터링을 제공하지만, 몇몇 실시예에서는 DC 링크 커패시터가 필요하지 않다는 점을 이해할 것이다.
양방향 부스트 컨버터(108)는 고 비에너지 배터리(110) 및 울트라(112)로부터 DC 링크(114)로 수전되는 전압을 승압하거나, 및/또는 DC 링크(114)로부터 고 비에너지 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)로의 전압을 강압하도록 작동할 수 있다. 승압 작동 모드에서, 고 비에너지 배터리(110)와 울트라 커패시터(112)의 조합이 전기 에너지를 양방향 부스트 컨버터(108)로 전달하며, 이 컨버터는 또한 승압 전압을 DC 링크(114)에 제공한다. 즉, 에너지 시스템(102)의 저전압측(배터리(110)에 의해)에서 제공된 전압은 양방향 부스트 컨버터(108)에 의해 승압되어, 고전압측의 DC 링크(114)에 제공되는 전압을 증가시킨다. 양방향 부스트 컨버터(108)를 통해 제공되는 전기 에너지는 다이나믹하게 제어되며, 배터리(110) 및/또는 울트라 커패시터(112)의 충전 용량 및 요건에 좌우된다.
또한, DC 링크(114)에는 다이나믹 리타더(dynamic retarder)(120)가 결합된다. 다이나믹 리타더(120)는, 회생 제동 이벤트 중에 전기 에너지를 DC-AC 인버터(116)를 통해 DC 링크(114)로 돌려보내는 회생 모드로 전기 구동 장치(118)가 작동되는 경우에 DC 링크(114)에 발달되는 전압을 제한하도록 기능한다. 추가로, 전기 구동 장치(118)가 회생 제동 모드로 작동하는 경우, 구동 시스템(100)은 회생 전기 에너지를 DC 링크(114)를 매개로 다채널 양방향 부스트 컨버터(118)를 통해 급전하도록 구성되며, 그러면 전기 에너지는 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112) 중 적어도 하나에서 다시 포집되어 저장된다. 통상적으로, 단지 고 비에너지 배터리(110)만이 양방향 부스트 컨버터(108)에 결합되어 있는 시스템에서, 회생 에너지의 상당 부분은 증가된 전류를 통해 고 비에너지 배터리(110)에 포집되어야 할 것이다. 따라서, 배터리(110)의 충전 수입성(charge acceptance)의 크기의 한계 및 전압 한계로 인해 고 비에너지 배터리의 내부 저항과 양방향 부스트 컨버터(108) 모두에서 큰 손실을 경험할 것이다. 하지만, 도 4에 도시한 구성 하에서, 양방향 부스트 컨버터(108) 및 고 비에너지 배터리(110)에서의 손실은 상당히 감소된다. 즉, 울트라 커패시터(112) 및 고 비에너지 배터리(110)의 구성은 회생 에너지를 포집하는 데에 고 비에너지 배터리(110)에만 의존하기 보다는 회생 에너지의 대부분이 울트라 커패시터(112)에서 포집될 수 있게 한다. 고 비에너지 배터리(110)와 달리, 울트라 커패시터(112)는 낮은 잔존 용량(SOC)으로 작동 가능하고, 급속도의 전기 충전 수입성을 가능하게 한다. 따라서, 울트라 커패시터(112)는 차량의 감속 중에 전기 구동 장치(118)에 의해 생성된 고전압의 회생 에너지로부터 대부분의 회생 전력을 수전할 수 있어, 양방향 부스트 컨버터(108) 및 고 비에너지 배터리(110) 내에서 보다 낮은 전기 손실 및 열 사이클 손실을 달성하고, 이에 의해 구동 시스템(100)의 전체 효율을 개선시킨다.
울트라 커패시터(112)의 포함이 양방향 부스트 컨버터(108) 및 고 비에너지 배터리(110)에서 겪는 손실의 감소(울트라 커패시터를 포함하지 않는 시스템에 비교해)에 도움을 주지만, 울트라 커패시터의 큰 전기 용량으로 인해, DC 링크(114)의 전압은 단시간에 변경되지 않을 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 즉, 울트라 커패시터(112)가 DC 링크(114) 및 배터리(110)에 항시 연결된다면, DC 링크(114)의 전압은 단시간에 변경될 수 없다. 따라서, 부하의 전력 수요가 낮은 경우에 DC 링크 전압을 감소시킴으로써 구동 시스템의 효율을 최적화하기 위해, 에너지 시스템(102)에는 도 4에 도시한 바와 같이 울트라 커패시터(112)와 고전압 DC 링크(114) 사이에 위치하는 스위치(122)가 마련된다. 스위치는 울트라 커패시터(112)를 DC 링크(114)에 대해 선택적으로 연결 및 분리시키도록 작동할 수 있고, 따라서, 스위치(122)는 울트라 커패시터(112)를 선택적으로 분리시켜 DC 링크 전압이 보다 신속하게 보다 효율적으로 변화하게 할 수 있다. 스위치(122)는 도 4에서 단순한 컨택터 타입의 기계식 스위치로서 도시되어 있지만, 본 발명의 추가적 실시예와 관련하여 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 스위치(122)가 일방향 또는 양방향으로의 그를 통한 전류의 흐름을 제어할 수 있다면 임의의 적절한 스위치가 이용될 수도 있다는 점을 이해할 것이다.
구동 시스템(100)의 작동 시에, 개방 위치와 폐쇄 위치 간의 스위치(122)의 조작은 전기 구동 장치(118)의 전력 요건은 물론, 에너지 저장 시스템(106)의 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)의 전력 및 전압 요건/수준에 기초하여 제어된다. 스위치(122)의 조작을 통해 울트라 커패시터(112)를 선택적으로 이용함으로써 울트라 커패시터(112)가 전력을 제공 및 흡수할 능력을 가질 수 있게 하는 경우, 그 전압은 공칭값 Vnom으로 제어된다. 본 명세서에서 정의하는 바와 같은 울트라 커패시터(112)의 공칭 전압 Vnom은 울트라 커패시터의 최저 작동 전압 V1과 울트라 커패시터의 최대 전압 V4 사이의 전압 값이다. 공칭 전압 Vnom은 또한 과도 전력을 제공하기 위해 요구되는 저장 에너지의 최소량에 의존하는 울트라 커패시터의 수요 충전 한계(demand charge threshold) V2와, 요구되는 에너지 흡수를 허용하도록 최대 저장 에너지에 상응하는 울트라 커패시터의 수요 방전 한계(demand discharge threshold) V3 사이인 것으로서 정의된다. 구동 시스템(100)의 작동 시에, 울트라 커패시터의 전압이 V2보다 높은 경우에, 구동 시스템은 그 전압이 가능한 한 언제든지 V3에서부터 Vnom으로 감소되게 울트라 커패시터를 방전시키도록 작동할 것이다. 마찬가지로, 울트라 커패시터의 전압이 V2보다 낮은 경우에, 구동 시스템은 그 전압이 가능한 한 경우에 V2에서부터 Vnom으로 증가되게 울트라 커패시터를 충전하도록 작동할 것이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 차량 시스템 제어기(125)가 구동 시스템(100)에 포함되며, 에너지 시스템(102)(DC/DC 컨버터(108), 배터리(110), 울트라 커패시터(112) 및 스위치(122)를 포함), 인버터(116) 및 전기 구동 장치(118)와 작동적으로 연통하여, 그로부터 입력을 수신하고 그 작동을 제어한다. 제어기(125)는 전기 구동 장치(118)의 전력 요건에 기초하고 또한 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)의 전압 수준에 기초하여 에너지 시스템(102)의 구성 요소들의 작동을 제어하도록 작동한다. 보다 구체적으로, 제어기(125)는, 전기 구동 장치(118)의 전력 요건과 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)의 전압 수준에 기초하여, DC/DC 컨버터(108)의 작동을 제어하고(전압의 승압/강압), 개방 위치와 폐쇄 위치 간의 스위치(122)의 조작을 제어하며, 그리고, 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)의 충전 및 방전을 제어한다.
도 4의 에너지 저장 시스템(106)은 울트라 커패시터(112)가 배터리(110) 위에서 스위치(122)에 인접하는 것으로 도시되어 있지만, 울트라 커패시터(112), 배터리(114) 및 스위치(122)의 배치는 반대로 될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 즉, 다른 실시예에 따르면, 배터리(110)가 울트라 커패시터(112) 위에 위치할 수 있고(배터리(110)가 노드(124) 위에 그리고 울트라 커패시터(112)가 노드(124) 아래에 위치하도록), 스위치(122)의 위치는 DC 링크(114)에 대한 울트라 커패시터(112)의 연결을 제어하도록 울트라 커패시터(112)에 인접하게 유지되도록 이동될 수 있다.
이하, 도 4를 계속 참조하면서 도 5를 참조하면, 그 작동에 대한 보다 양호한 예시 및 설명을 위해 구동 시스템(100)의 예시적인 작동 사이클(126)이 도시되어 있다(차량 시스템 제어기(125)에 제어될 수 있음). 작동 사이클(126)은 도면 부호 128로 나타낸 바와 같이 시스템(100)이 처음에 대기 모드에 있는 것으로 시작하며, 그 때에는 어떠한 전력 전달도 발생하지 않는다. 스위치(122)는 대기 모드 중에 개방 상태로 있다. 대기 모드 후에, 하지만 도면 부호 130으로 나타낸 바와 같이 부하 수요가 없는 기간 동안, 스위치(122)가 폐쇄되고 양방향 부스트 컨버터(108)는 울트라 커패시터(112)를 공칭 전압 Vnom까지 충전하도록 DC 링크 전압을 상승시킨다. 도면 부호 132로 나타낸 바와 같이 배터리(110)에서 이용 가능한 전력을 초과하지 않는 부하 전력 요건이 도입된 기간 동안, 스위치(122)가 개방되어, 울트라 커패시터의 전압이 공칭 전압으로 유지되게 한다. 이 기간 동안, 양방향 부스트 컨버터(108)는 DC 링크 전압을 감소시키는 한편, 배터리(110)가 부하 전력을 제공하며, 이는 DC 링크(114)에 부착된 모터 구동 장치 컨버터(116)의 스위칭 손실을 감소시킨다. 부하 전압 요건이 증가하지만 배터리 전압보다는 여전히 낮은 그 다음 기간(134) 동안, 스위치(122)의 위치는 동일(즉, 개방 상태)하게 유지되며, 배터리는 계속 부하 전력을 제공한다.
작동 사이클(126)의 그 다음 단계에서, 도면 부호 136으로 나타낸 바와 같이 부하 전압 요건이 배터리 전압보다 높은 수준으로 증가한다. 이 기간 동안, 양방향 부스트 컨버터(108)는 배터리(110)에 의해 제공된 전압을 승압하고 DC 링크 전압을 상승시켜, 스위치(122)를 여전히 개방 상태로 유지한 채 전압 요건을 충족시키도록 기능한다. 그 다음 기간(138) 동안, DC 링크 전압은 공칭값에 도달하는 한편, 배터리(110)는 계속해서 모든 부하 전력을 제공하고 양방향 부스트 컨버터(108)는 계속해서 배터리(110)에 의해 제공되는 전압을 승압한다. 또한, 그 기간(138) 동안, 스위치(122)는 울트라 커패시터(122)를 DC 링크(114)에 연결하도록 폐쇄된다. 울트라 커패시터(112)가 DC 링크(114)에 연결됨에 따라, 그 기간(140) 동안 전기 구동 장치(118)에 의해 부여되는 큰 과도 부하(transient load)가 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)의 조합에 의해 취급될 수 있는데, 울트라 커패시터(112)는 배터리(110)에 의해 제공된 전력을 보충하도록 방전하여, 함께 그 부하를 충족시키도록 증가된 전력을 제공한다. 또한, 그 기간(140) 동안, 울트라 커패시터(112)의 방전으로 인해 DC 링크 전압은 감소한다.
도면 부호 142로 나타낸 바와 같은 전기 구동 장치(118)에 의해 부여되는 부하가 감소되는 작동 사이클(126)의 기간 동안(또한, 울트라 커패시터(112)의 방전 후), 배터리(110)는 부하 전력을 제공함은 물론 울트라 커패시터(112)를 공칭 전압까지 충전하도록 전력을 제공하는 기능을 한다. 보다 구체적으로, 울트라 커패시터(112)가 수요 충전 한계 V2에 근접하고 있는 전압에 있는 경우, 배터리(110)로부터의 전력을 통해 울트라 커패시터(112)의 재충전이 행해진다. 예를 들면 모터 구동 장치의 회생 제동 중에 발생할 수 있는 것과 같은 구동 시스템(100)에 큰 회생 과도 전력이 존재하는 기간(144) 동안, DC 링크 전압은 공칭값보다 높을 것이며, 이에 따라 재충전 전력이 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112) 모두에 제공된다. 그 기간(144)의 종료시에, 울트라 커패시터(112)는 수요 방전 한계 V3의 전압 또는 최대 전압 V4에 근접하는 전압 등의 높은 전압으로 재충전된다. 따라서, 부하 전력 요건이 작은 부하 전압 요건을 가진 채 전기 구동 장치(118)에 의해 다시 도입되는 그 다른 기간(146)에, 울트라 커패시터(112)는 부하 전력을 제공할 뿐만 아니라, 배터리(110)를 충전하도록 소량의 전력을 제공하도록 방전된다. 또한, 그 기간(146) 동안, DC 링크 전압은 공칭 전압으로 감소한다.
기간(138, 140, 142, 144, 146) 각각에서, 스위치(122)는 울트라 커패시터(122)가 DC 링크(114)에 연결되도록 폐쇄 위치에 있다. 하지만, DC 링크 전압이 공칭값까지 감소하였고 부하 전력 수요가 배터리(110)의 능력보다 낮은 시간에 도달할 시에, 울트라 커패시터(112)를 DC 링크(114)로부터 분리시키도록 스위치(122)를 개방함으로써 기간(148)이 시작된다. 그 기간(148) 동안, 양방향 부스트 컨버터(108)는 DC 링크 전압을 배터리 전압으로 감소시켜, 배터리(110)만이 부하 전력을 제공하게 된다. 이와 동시에, 모터 구동 장치 컨버터(116)의 스위칭 손실이 감소된 DC 버스 전압으로 인해 감소된다. DC 링크 전압이 배터리 전압으로 유지되고 있는 그 후속 기간(150) 동안, 배터리(110)는 계속 부하 전력을 제공하며, 이어서 작동 사이클(126)은 회생 전력이 다시 존재하는 기간(152)에 종료된다. 기간(152)에, 스위치(122)는 개방 상태로 유지되며, DC 링크 전압은 배터리 전압과 동일하고, 전기 구동 장치(118)로부터의 회생 전력은 저전압으로 배터리(110)에 공급된다.
이하, 도 4를 다시 계속 참조하면서 도 6을 참조하여, 구동 시스템(100)에서 에너지 시스템(102)을 작동시키는 방법(156)에 대해 설명하며, 그 방법(156)은 예를 들면 차량 시스템 제어기(125)의해 구현될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 방법(156)의 시작시에, 시스템 부하(즉, 전기 구동 장치(118))의 부하 요건이 먼저 단계(158)에서 측정 또는 결정된다. 이어서, 단계(160)에서 부하 전력 요건이 배터리의 전력 능력과 비교되며, 여기서, 부하 전력에 대한 명령 또는 요건이 배터리의 전력 능력보다 큰지의 여부(Pload>Pbatt), 또는 배터리의 전력이 회생 제동 중의 전력과 같은 부하에 의해 생성된 전력을 수전할 수 있을 정도인지의 여부(Pload>P-batt)에 대해 결정이 이루어진다.
단계(160)에서 부하 전력 요건이 배터리의 전력보다 크거나 부하가 배터리에 회생 전력을 제공할 수 있는 것으로 결정되면, 도면 부호 162로 나타낸 바와 같이, 그 방법은 단계(164)로 이어지며, 여기서 스위치(122)가 현재 폐쇄 위치에 있는 지의 여부(즉, SW=1)에 대해 결정이 이루어진다. 도면 부호 166으로 나타낸 바와 같이 단계(164)에서 스위치가 폐쇄되어 있는 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(168)로 이어져, 울트라 커패시터(112)의 전압이 울트라 커패시터의 최저 작동 전압 V1보다 작은지의 여부 또는 울트라 커패시터(112)의 전압이 울트라 커패시터의 최대 전압 V4보다 큰지의 여부를 결정한다. 도면 부호 170으로 나타낸 바와 같이 단계(168)에서 울트라 커패시터(112)의 전압이 V1보다 작거나 V4보다 큰 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(172)로 이어지며, 여기서 울트라 커패시터(112)의 충전 또는 방전이 방지된다. 또한, 단계(172)에서, 전력을 전기 구동 장치(118)에 제공하기 위한 전력 명령이 감소된다.
이와 달리, 도면 부호 174로 나타낸 바와 같이 단계(168)에서 울트라 커패시터(112)의 전압이 전압 V1과 V4 사이인 것(즉, V1보다 작지 않거나 V4보다 크지 않는 것)으로 결정되면, 그 방법은 단계(176)로 이어지며, 여기서 울트라 커패시터(112)의 미리 정해진 한계 내에서 전력이 배터리(110) 및 울트라 커패시터(112)로부터 전기 구동 장치(118)로 급전되거나 그 전기 구동 장치(118)로부터 수전된다. 즉, 단계(176)에서 울트라 커패시터(112)의 전압이 울트라 커패시터의 수요 충전 한계 V2보다 높게 유지되는 한, 전력이 울트라 커패시터(112) 및 배터리(110)에 의해 전기 구동 장치(118)로 급전되거나, 그 구동 장치로부터 수전된다.
단계(164)를 다시 참조하면, 도면 부호 178로 나타낸 바와 같이 단계(164)에서 스위치(122)가 개방되어 있는 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(180)로 이어져, 울트라 커패시터(112)의 전압이 울트라 커패시터의 최저 작동 전압 V1보다 작은지의 여부 또는 울트라 커패시터(112)의 전압이 울트라 커패시터의 최대 전압 V4보다 큰지의 여부를 결정한다. 도면 부호 182로 나타낸 바와 같이 단계(180)에서 울트라 커패시터(112)의 전압이 V1보다 작거나 V4보다 큰 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(184)로 이어지며, 여기서 스위치(122)는 개방 상태로 유지되고, 부하를 위한 전력 명령이 감소하여 전력 명령이 배터리(110)로부터 이용 가능한 전력 아래로 되게 한다.
이와 달리, 도면 부호 186으로 나타낸 바와 같이 단계(180)에서 울트라 커패시터(112)의 전압이 전압 V1과 V4 사이인 것(즉, V1보다 작지 않거나 V4보다 크지 않는 것)으로 결정되면, 그 방법은 단계(188)로 이어지며, 여기서 DC 링크 전압이 배터리(110)와 울트라 커패시터(112)의 전압의 합에 상응하는 수준으로 제어되고, 이어서 스위치(122)는 폐쇄된다. 스위치(122)가 폐쇄된 후, 전력은 배터리(110)와 울트라 커패시터(112)의 조합에 의해 제공 또는 흡수될 수 있다. 따라서, 울트라 커패시터(112)는 충전 또는 방전될 준비 상태로 된다.
단계(160)를 다시 참조하면, 도면 부호 190으로 나타낸 바와 같이, 단계(160)에서 부하 전력 요건이 배터리의 전력보다 작거나 부하가 배터리에 회생 전력을 제공할 수 있는 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(192)로 이어지며, 여기서 스위치(122)가 현재 폐쇄 위치에 있는 지의 여부(즉, SW=1)에 대해 결정이 이루어진다. 도면 부호 194로 나타낸 바와 같이 단계(192)에서 스위치가 폐쇄되어 있는 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(196)로 이어지며, 여기서 DC 링크 전압은 공칭 배터리 전압 Vbattnom과 공칭 울트라 커패시터 전압 Vnom의 합에 상응하는 공칭 DC 링크 전압값 VDCnom으로 제어/수정된다. DC 링크 전압을 공칭 DC 링크 전압값 VDCnom으로 수정 시에, 그 방법은 단계(198)로 이어지며, 여기서 부하(118)의 전압 요건이 배터리(110)의 전압보다 작은 지의 여부에 대해 결정이 이루어진다. 도면 부호 200으로 나타낸 바와 같이 단계(198)에서 부하(118)의 전압이 배터리의 전압보다 작은 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(202)로 이어지며, 여기서 울트라 커패시터를 DC 링크(114)로부터 분리시키도록 스위치(122)가 개방된다.
단계(192)를 다시 참조하면, 도면 부호 204로 나타낸 바와 같이, 단계(192)에서 스위치(122)가 개방되어 있는 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(206)로 이어져, 울트라 커패시터(112)의 전압이 울트라 커패시터(112)의 수요 방전 전압 한계 V3보다 큰지 또는 그 수요 충전 전압 한계 V2보다 작은 지의 여부(즉, 울트라 커패시터의 전압이 V2와 V3 사이에 있는지의 여부)를 결정한다. 도면 부호 208로 나타낸 바와 같이 단계(206)에서 울트라 커패시터(112)의 전압이 전압 V2와 V4 사이에 있지 않은 것(즉, V3보다 크거나 V2보다 작은 것)으로 결정되면, 그 방법은 단계(210)로 이어지며, 여기서 스위치(122)가 폐쇄되고, 에너지 시스템(102)은 DC 링크 전압을 울트라 커패시터(112)의 전압에 상응하는 수준으로 수정하도록 제어된다.
도면 부호 212로 나타낸 바와 같이 단계(206)에서 울트라 커패시터(112)의 전압이 전압 한계 V2와 V3 사이인 것으로 결정되면, 그 방법은 단계(214)로 이어지며, 여기서 전기 구동 장치(118)의 전압 요건이 배터리(110)의 전압보다 작은지의 여부를 결정한다. 도면 부호 216으로 나타낸 바와 같이 단계(214)에서 부하(118)의 전압이 배터리의 전압보다 작은 것으로 결정되면, 양방향 부스트 컨버터(108)를 통한 전압의 안내가 전기 구동 장치(118)의 전압 요건을 충족하는 데에 필요하지 않기 때문에, 양방향 부스트 컨버터(108)가 차단된다. 반대로, 도면 부호 220으로 나타낸 바와 같이 단계(214)에서 전기 구동 장치(118)의 전압 요건이 배터리(110)의 전압보다 큰 것으로 결정되면, DC 링크 전압은 전기 구동 장치(118)의 전압 수요를 충족시키도록 제어/수정되어, 양방향 부스트 컨버터(108)가 DC 버스에 전압을 제공하기 전에 배터리(110)에 의한 전압 출력을 수정(즉, 승압)하게 된다. 단계(222)에서 DC 링크 전압을 수정하는 중에, 스위치(122)는 개방 상태로 유지되어, 울트라 커패시터(112)가 DC 링크(114)로 분리된 채로 유지되게 하고, 이에 의해 울트라 커패시터(112)가 DC 링크에 연결된 경우보다 DC 링크 전압이 신속하게 변화하게 한다.
상기한 방법(156)을 수행하는 데에 있어서, 양방향 부스트 컨버터(108)는 가능한 한 언제든지 울트라 커패시터를 공칭값 Vnom으로 유지하도록 작동한다. 울트라 커패시터를 공칭 전압 Vnom으로 유지함으로써, 울트라 커패시터는 임의의 주어진 시간에 에너지를 제공하거나 흡수하도록 이용될 수 있다. 게다가, 부하가 공칭 DC 링크 전압(Vbattnom + Vnom)보다 큰 전압을 요구하지 않는 경우라면, 울트라 커패시터는 DC 링크로부터 분리되어, 시스템 효율이 최적화될 수 있다.
이하, 도 7을 참조하면, 스위치(122)는 도 4의 구동 장치(100)와는 상이한 에너지 저장 장치의 구성과 함께 이용될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 도 7에서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동 시스템에 이용되는 에너지 시스템(226)이 도시되어 있다. 에너지 시스템(226)은 에너지 저장 시스템(230) 및 양방향 부스트 컨버터(232)로 이루어지며, 그 에너지 저장 시스템(230)은 배터리(234) 및 울트라 커패시터(236)를 포함한다. 도 7에 도시한 바와 같이, 배터리(234)는 에너지 시스템(226)의 저전압측(247)에 위치하고 울트라 커패시터(234)는 에너지 시스템(226)의 고전압측(239)에 위치하며, 울트라 커패시터(234)는 스위치(122)에 의해 DC 링크(238)에 선택적으로 연결된다. 스위치(122)는 배터리 효율을 위해 필요에 따라 DC 링크 전압이 보다 신속하게 변화하게 제어될 수 있도록 울트라 커패시터(234)가 DC 링크에 선택적으로 연결 및 분리될 수 있게 한다. 작동 시에, 스위치(122)의 전환은 도 6의 방법(156)에 상세하게 기재한 바와 같이 수행될 수 있다.
도 4 및 도 7에 도시한 에너지 시스템(100, 226)은 개방 위치와 폐쇄 위치 간에 이동 가능한 기계식 스위치 또는 접점의 형태의 스위치를 포함하는 것으로 도시하고 있지만, 에너지 시스템(100, 226)은 임의의 타입의 스위치, 즉 기계식 스위치 또는 전자 스위치를 이용할 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 시스템에 이용될 수 있는 다른 스위칭 장치의 예를 도시하고 있다. 에너지 시스템에 마련되는 스위칭 장치의 타입은 단일 방향 또는 양방향에서 차단 또는 도통시킬 스위칭 장치의 필요성/요구에 기초하여 선택될 수 있다.
도 8을 참조하면, 양방향으로 전류를 차단 및 도통시키도록 제어 가능한 스위칭 장치(240)를 도시하고 있으며, 이 한 쌍의 스위치의 배열 형태의 스위칭 장치(240)는 각각 역병렬 접속 다이오드(244)를 갖는 단일 IGBT(243)를 포함한다. DC 링크(114)와 울트라 커패시터(112)의 전압은 완전히 디커플링될 수 있다. 실현 가능 작동 DC 링크 전압은 배터리 전압과 최대 DC 링크 전압 사이이다. 이러한 구성은 부분 부하 조건 동안 컨버터 효율 최적화의 최대한의 능력을 가능하게 한다. 울트라 커패시터의 최대 전압은 최대 DC 링크 전압과 배터리 전압 간의 차와 동일하거나 그 보다 낮도록 선택될 수 있다. 높은 과도 전력을 급전 또는 수전하기 위해, DC 링크(114)는 울트라 커패시터(112)에 연결되어야 한다. 따라서, 높은 과도 전력을 급전하는 작동 DC 링크 전압은 배터리 전압과 울트라 커패시터 전압의 합이다. 부하의 부분은 DC/DC 컨버터(118)에 의해 자유롭게 제어될 수 있다. 전압 능력 및 시스템 효율을 비롯하여 구동 시스템(100) 및 에너지 시스템(102)의 전체 성능을 최적화하도록 충전과 방전의 임의의 조합이 허용된다. 부분 부하 조건에서, DC 링크 전압은 시스템 효율을 최적화하도록 제어된다. 부분 부하 작동 중에, 부하 전력 전부가 배터리(110)에 의해 급전 또는 수전된다.
이어서 도 9 및 도 10을 참조하면, 역병렬 접속 다이오드(244)를 갖는 단일 IGBT(243) 형태의 스위칭 장치(246, 248)가 마련되며, 다이오드는 스위칭 장치(246)와 스위칭 장치(248)에서 반대 방향으로 배치된다. 스위칭 장치(246)는 그 내에서 다이오드의 방향에 기초하여 하나의 방향에서의 전압만을 차단할 수 있다. 도 9의 스위칭 장치(246)의 경우, DC 링크(114)는 DC 링크 전압이 배터리와 울트라 커패시터의 전압의 합보다 높은 경우에 울트라 커패시터(112)를 자동적으로 충전한다. DC 링크 전기 용량이 울트라 커패시터(112)보다 훨씬 작기 때문에, DC 링크 전압은 신속하게 변화될 수 있다. 하지만, 울트라 커패시터(112)는 원하는 전압에 도달하도록 충전 또는 방전되는 데에 더 많은 에너지 및 시간을 필요로 한다. 즉, DC 링크 전압은 단지 배터리와 울트라 커패시터의 전압의 합보다 낮을 수 있고, 최대 DC 링크 전압은 배터리 전압과 울트라 커패시터의 최대 전압의 합이다. 스위칭 장치(246)에 있어서, 울트라 커패시터(112)의 방전은 자유롭게 제어될 수 있다. 따라서, 스위칭 장치(246)는 DC 링크 전압을 감소시킴으로써 스위칭 손실의 감소를 여전히 제공하면서도 스위칭 장치(240)(도 8)에 대한 저렴한 대안을 제공한다. 스위칭 장치(240)와 마찬가지로, 스위칭 장치(246)는 울트라 커패시터(112) 및 배터리(110)에 의해 높은 과도 전력이 급전 및 수전될 수 있게 하고, 또한 부분 부하는 배터리(110)에 의해서만 급전되게 한다.
도 10에서, 스위칭 장치(248)는 DC 링크 전압이 배터리와 울트라 커패시터의 전압의 합보다 낮은 경우에는 언제든지 울트라 커패시터(112)를 자동적으로 방전시킨다. DC 링크 전압은 배터리와 울트라 커패시터의 전압의 합과 최대 DC 링크 전압 사이로 제어될 수 있다. 스위칭 장치(240에서와 같이, 울트라 커패시터의 최대 전압은 최대 DC 링크 전압과 배터리 전압 간의 차와 동일하거나 그 보다 낮도록 선택될 수 있다. 따라서, 스위칭 장치(248)에 있어서, DC 링크 전압은 부하 전류를 감소시키도록 상승된다. 감소된 전류로부터 효율에 있어서 이점을 가질 시스템에 스위칭 장치(240)(도 8)와 비교해 감소된 비용으로 스위칭 장치(248)가 이용될 수 있다. 스위칭 장치(240)와 마찬가지로, 스위칭 장치(248)는 울트라 커패시터(112) 및 배터리(110)에 의해 높은 과도 전력이 급전 및 수전될 수 있게 하고, 또한 부분 부하는 배터리(110)에 의해서만 급전된다.
따라서, 유익하게는 본 발명의 실시예들은 울트라 커패시터가 구동 시스템에서 개선된 과도 전력 능력을 허용하여 배터리 및 DC/DC 컨버터의 사이즈를 최소화할 수 있도록 한 DC/DC 컨버터, 배터리 및 울트라 커패시터의 배치를 제공한다. 기계식 또는 전기식 스위치가 DC 링크에 대해 울트라 커패시터를 선택적으로 결합 및 분리시켜 울트라 커패시터를 위한 스위치가 없는 시스템에 비해 효율의 개선을 가능하게 하도록 구현될 수도 있다. 그러한 스위치는 단일 방향 또는 양방향에서 차단 또는 도통시킬 스위칭 장치의 필요성/요구에 기초하여 선택될 수 있다.
따라서, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 구동 시스템은 부하; 이 부하에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크; 직렬로 배치된 제1 에너지 저장 장치 및 제2 에너지 저장 장치를 갖는 에너지 저장 시스템; 및 DC 링크 및 에너지 저장 시스템에 전기적으로 결합된 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 제1 에너지 저장 장치와 제2 에너지 저장 장치 사이에 위치한 노드에, 그리고 제2 에너지 저장 장치를 DC 링크에 연결하는 노드에 연결된다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 부하에 전력을 제공하는 에너지 시스템은, DC 링크를 통해 부하에 전기적으로 결합 가능한 에너지 저장 시스템을 포함하고, 이 에너지 저장 시스템은 제1 에너지 저장 장치 및 이 제1 에너지 저장 장치와 직렬로 배치된 제2 에너지 저장 장치를 더 포함하며, 제2 에너지 저장 장치는 DC 링크에 직접 결합된다. 에너지 시스템은 또한 DC 링크 및 에너지 저장 시스템에 전기적으로 결합된 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 제1 에너지 저장 장치 내외로의 전력이 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 선택적으로 안내되도록 제1 에너지 저장 장치를 DC 링크에 연결하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 제2 에너지 저장 장치 내외로의 전력이 DC/DC 컨버터를 우회하도록 위치 설정된다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 구동 시스템은 부하; 이 부하에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크; 제1 에너지 저장 장치 및 제2 에너지 저장 장치를 갖는 에너지 저장 시스템; 제1 에너지 저장 장치가 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 DC 링크에 연결되고 제2 에너지 저장 장치가 DC 링크에 직접 결합되도록 위치 설정된 양방향 DC/DC 컨버터; 및 제2 에너지 저장 장치와 DC 링크 사이에 위치 설정된 스위치를 포함하며, 이 스위치는 제2 에너지 저장 장치를 DC 링크에 대해 선택적으로 연결 및 분리하도록 폐쇄 위치와 개방 위치로 작동 가능하다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 구동 시스템은 부하; 이 부하에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크; 구동 시스템의 저전압측에 위치 설정된 제1 에너지 저장 장치; 구동 시스템의 고전압측에 위치 설정된 제2 에너지 저장 장치; 제1 에너지 저장 장치를 DC 링크로부터 분리시키도록 저전압측과 고전압측 사이에 위치 설정된 양방향 DC/DC 컨버터를 포함하며, 양방향 DC/DC 컨버터는 고전압측의 DC 링크에 제공하도록 제1 에너지 저장 장치로부터의 전압을 승압한다. 구동 시스템은 제2 에너지 저장 장치와 DC 링크 사이에 위치 설정된 스위치를 더 포함하며, 이 스위치는 제2 에너지 저장 장치를 DC 링크에 대해 선택적으로 연결 및 분리하도록 폐쇄 위치와 개방 위치로 작동 가능하다.
본 명세서에서 기술한 설명은 최상의 모드를 비롯한 발명을 개시함과 아울러, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 어떠한 당업자라도 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 일례들을 이용하고 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구 범위에 의해서 정해지고, 당업자에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 그러한 다른 예들은 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적인 요소를 갖는 경우, 또는 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 별 차이가 없는 등가의 구조적인 요소를 포함하는 경우 청구항들의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
본 발명을 한정된 수의 실시예들과 관련하여서만 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 그러한 개시된 실시예에 한정되지 않는다는 점을 용이하게 이해할 것이다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위에 상응하는 이상에서 설명하지 않은 임의의 수의 변형, 수정, 대체 또는 그 등가 구성을 포함하도록 수정될 수도 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 본 발명의 양태들이 전술한 실시예들 중 일부만을 포함할 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구의 범위에 의해서만 제한된다.
10, 100: 구동 시스템
11, 102: 에너지 시스템
12, 108: 양방향 DC/DC 컨버터(양방향 부스트 컨버터)
14, 110: 제1 에너지 저장 장치(배터리)
15, 108: 에너지 저장 시스템
16, 114: DC 링크
20, 112: 제2 에너지 저장 장치(울트라 커패시터)
21: 노드
22: 노드
122: 스위치
124: 노드
125: 제어기

Claims (15)

  1. 구동 시스템(10, 100)으로서:
    부하(118);
    상기 부하(118)에 전기적으로 결합된 직류(DC) 링크(16, 114);
    제1 에너지 저장 장치(14, 110) 및 제2 에너지 저장 장치(20, 112)를 포함하고, 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)와 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)는 직렬로 배치되는, 에너지 저장 시스템(15, 106); 및
    상기 DC 링크(16, 114) 및 상기 에너지 저장 시스템(15, 106)에 전기적으로 결합된 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)
    를 포함하며, 상기 양방향 DC/DC 컨버터는 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)와 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112) 사이에 위치한 노드(21)에, 그리고 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)를 상기 DC 링크(16, 114)에 연결하는 노드(22)에 연결되는 것인 구동 시스템(10, 100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)와 상기 DC 링크(16, 114) 사이에 위치 설정된 스위치(122)를 더 포함하며, 상기 스위치(122)는 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)를 상기 DC 링크(16, 114)에 대해 선택적으로 연결 및 분리하도록 폐쇄 위치와 개방 위치로 작동 가능한 것인 구동 시스템(10, 100).
  3. 제2항에 있어서, 상기 부하(118)의 전력 요건에 기초하고 또한 상기 제1 및 제2 에너지 저장 장치(15, 20)의 전압 수준에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터(12, 108) 및 상기 스위치(122)의 작동을 제어하도록 구성된 제어기(125)를 더 포함하는 것인 구동 시스템(10, 100).
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)는 울트라 커패시터를 포함하며,
    상기 제어기(125)는 상기 울트라 커패시터(20, 112)를 공칭 전압 수준으로 유지하도록 상기 울트라 커패시터(20, 112)의 충전 및 방전을 제어하도록 구성되며, 상기 공칭 전압 수준은 상기 울트라 커패시터(20, 112)로부터 과도 전력(transient power)을 제공하기 위해 요구되는 저장 에너지의 최소량을 포함한 울트라 커패시터(20, 112)의 수요 충전 한계(demand charge threshold)와, 에너지 흡수를 허용하는 울트라 커패시터(20, 112)의 최대 저장 에너지를 포함하는 울트라 커패시터(20, 112)의 수요 방전 한계(demand discharge threshold) 사이의 전압 수준인 것인 구동 시스템(10, 100).
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어기(125)는,
    상기 울트라 커패시터(20, 112)의 전압이 상기 수요 방전 한계보다 높은 경우에 상기 울트라 커패시터(20, 112)가 방전하게 하여, 울트라 커패시터(20, 112)의 전압을 상기 공칭 전압 수준으로 떨어뜨리며,
    상기 울트라 커패시터(20, 112)의 전압이 상기 수요 충전 한계보다 낮은 경우에 상기 울트라 커패시터(20, 112)가 충전되게 하여, 울트라 커패시터(20, 112)의 전압을 상기 공칭 전압 수준으로 상승시키도록
    구성되는 것인 구동 시스템(10, 100).
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어기(125)는 상기 DC/DC 컨버터(12, 108)의 작동과, 상기 폐쇄 위치와 개방 위치 간의 상기 스위치(122)의 조작을 제어하여, 상기 울트라 커패시터(20, 112)를 상기 공칭 전압 수준으로 유지하는 것인 구동 시스템(10, 100).
  7. 제4항에 있어서, 상기 제어기(125)는,
    상기 부하(118)의 부하 전압 요건(load voltage requirement)을 결정하고;
    상기 울트라 커패시터의 공칭 전압 수준과 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)의 공칭 전압 수준의 합과 동일한 공칭 DC 링크 전압값에 상기 부하 전압 요건을 비교하고;
    상기 부하 전압 요건이 상기 공칭 DC 링크 전압값보다 작은 경우에 상기 스위치(122)를 개방 위치로 작동시키고;
    상기 부하 전압 요건이 상기 공칭 DC 링크 전압값보다 큰 경우에 상기 스위치(122)를 폐쇄 위치로 작동시키도록
    구성되는 것인 구동 시스템(10, 100).
  8. 제7항에 있어서, 상기 울트라 커패시터(20, 112)의 전압이 상기 수요 방전 한계보다 큰 경우에, 상기 제어기(125)는 부하 전력과 제1 에너지 저장 장치 재충전 전력 중 적어도 하나를 제공하도록 상기 울트라 커패시터(20, 112)를 방전시키며, 상기 부하 전력과 제1 에너지 저장 장치 재충전 전력 중 적어도 하나의 제공은 공칭 DC 링크 전압값에 대한 부하 전압 요건의 비교에 기초하는 것인 구동 시스템(10, 100).
  9. 제2항에 있어서, 상기 스위치(122)는 컨택터 타입 기계식 스위치 및 전기식 스위치 중 하나를 포함하며, 상기 스위치(122)는 하나의 방향 및 양방향으로의 전류의 흐름을 제어하는 것인 구동 시스템(10, 100).
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)는 배터리를 포함하는 것인 구동 시스템(10, 100).
  11. 부하(118)에 전력을 제공하는 에너지 시스템(11, 102)으로서:
    DC 링크(16, 114)를 통해 상기 부하(118)에 전기적으로 결합 가능한 에너지 저장 시스템(15, 106)을 포함하며, 이 에너지 저장 시스템(15, 106)은,
    제1 에너지 저장 장치(14, 110); 및
    상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)와 직렬로 배치된 제2 에너지 저장 장치(20, 112)
    를 포함하며, 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)는 상기 DC 링크(16, 114)에 직접 결합되는 것인 에너지 저장 시스템(15, 106); 및
    상기 DC 링크(16, 114) 및 상기 에너지 저장 시스템(15, 106)에 전기적으로 결합된 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)
    를 포함하며, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)는 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110) 내외로의 전력이 상기 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)를 통해 선택적으로 안내되도록 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)를 상기 DC 링크(16, 114)에 연결하며, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)는 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112) 내외로의 전력이 상기 DC/DC 컨버터(12, 108)를 우회하도록 위치 설정되는 것인 에너지 시스템(11, 102).
  12. 제11항에 있어서, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)는 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)와 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112) 사이에 위치한 노드(21)에, 그리고 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)를 상기 DC 링크(16, 114)에 연결하는 노드(22)에 연결되는 것인 에너지 시스템(11, 102).
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)와 상기 DC 링크(16, 114) 사이에 위치 설정된 스위치(122)를 더 포함하며, 상기 스위치(122)는 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)를 상기 DC 링크(16, 114)에 대해 선택적으로 연결 및 분리하도록 폐쇄 위치와 개방 위치로 작동 가능한 것인 에너지 시스템(11, 102).
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)는 상기 에너지 시스템(11, 102)의 저전압측에 위치 설정되며, 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)는 상기 에너지 시스템(11, 102)의 고전압측에 위치 설정되며, 상기 양방향 DC/DC 컨버터(12, 108)는 상기 DC 링크(16, 114)에 제공하도록 상기 제1 에너지 저장 장치(14, 110)로부터의 전압을 승압하며, 상기 제2 에너지 저장 장치(20, 112)는 스위치(122)를 통해 선택적으로 상기 DC 링크(16, 114)에 직접 결합되는 것인 에너지 시스템(11, 102).
  15. 제11항에 있어서, 상기 스위치(122)는 컨택터 타입 기계식 스위치 및 전기식 스위치 중 하나를 포함하며, 상기 스위치(122)는 하나의 방향 및 양방향으로의 전류의 흐름을 제어하는 것인 에너지 시스템(11, 102).
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