KR20170121697A - 차량용 통합 충전기 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

일부 실시예에 따라, 트랙션 시스템이 개시된다. 상기 트랙션 시스템은 DC 버스, 이 DC 버스에 결합되는 에너지 저장 디바이스, 및 이 에너지 저장 디바이스에 결합되는 전압 변환기 조립체를 포함한다. 전압 변환기 조립체는 복수 개의 페이즈 레그(phase lag)를 포함한다. 상기 트랙션 시스템은 전압 변환기 조립체에 결합되는 복수 개의 권선을 포함하는 전자기계적 디바이스를 더 포함한다. 상기 트랙션 시스템은 또한 전압 변환기 조립체와 에너지 저장 디바이스 사이에서 DC 버스에 결합되는 스위치를 포함한다. 상기 트랙션 시스템은, 전자기계적 디바이스의 권선 및 페이즈 레그가 DC/DC 변환기를 형성하도록 하기 위해 스위치 및 전압 변환기 조립체를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함한다.

Description

차량용 통합 충전기 및 이를 제조하는 방법{INTEGRATED CHARGER FOR VEHICLES AND METHOD OF MAKING SAME}
본 발명의 실시예는 대체로 하이브리드 차량 및 전기 차량을 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 천이형 부하 또는 펄스형 부하를 겪게 되는 고정식 구동부에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 차량 또는 구동부의 전기 저장 디바이스와 차량에 대해 외부에 있는 전원 사이의 에너지 전달에 관한 것이다.
하이브리드 전기 차량은 내연 기관 및 에너지 저장 디바이스, 예컨대 트랙션 배터리(traction battery)로부터 동력을 공급받는 전기 모터를 조합하여 차량을 추진할 수 있다. 이러한 조합은, 내연 기관 및 전기 모터가 각각 이들의 높은 효율 범위에서 작동하는 것을 가능하게 함으로써 전반적인 연료 효율을 향상시킬 수 있다. 전기 모터는, 예컨대, 스탠딩 스타트(standing start)로부터의 가속에 효율적일 수 있는 반면, 내연 기관은 일정하게 엔진 작동이 유지되는 구간 동안, 예컨대 고속도로 주행 중에 효율적일 수 있다. 초기 가속도를 부스트(boost)하기 위해 전기 모터를 구비하면, 하이브리드 차량에서의 연소 기관이 더 작아지게 되고 연료 효율이 더 향상될 수 있도록 할 수 있다.
순수한 전기 차량은 저장된 전기 에너지를 이용하여 전기 모터에 동력을 제공하며, 이러한 전기 모터는 차량을 추진하고, 또한 보조 구동부를 작동시킬 수 있다. 순수한 전기 차량은 저장식 전기 에너지의 하나 이상의 소스(source)를 이용할 수 있다. 예를 들면, 저장식 전기 에너지의 제1 소스는 보다 오래 지속되는 에너지를 제공하기 위해 사용될 수 있는 반면, 저장식 전기 에너지의 제2 소스는 보다 큰 동력 에너지를 제공하기 위해, 예컨대 가속도를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
하이브리드 전기 유형이든지 또는 순수 전기 유형이든지 플러그인 전기 차량(plug-in electric vehicles)은 트랙션 배터리를 재충전하기 위해 외부 소스로부터의 전기 에너지를 이용하도록 구성된다. 이러한 차량은 예로서 온 로드 차량(on-road vehicle) 및 오프 로드 차량, 골프용 차, NEV(Neighborhood Electric Vehicles), 포크리프트(porklift), 및 소형 트럭을 포함할 수 있다. 이러한 차량은, 급전망 또는 재생 가능한 에너지원으로부터의 전기 에너지를 차량에 탑재된 트랙션 배터리로 전달하기 위해 오프 보드 고정식 배터리 충전기(off-board stationary battery charger) 또는 온 보드 배터리 충전기를 이용할 수 있다. 플러그인 차량은, 예컨대 급전망 또는 다른 외부 소스로부터의 트랙션 배터리의 재충전을 용이하게 하기 위해 회로 및 접속부를 포함할 수 있다. 그러나, 배터리 충전 회로는, 부스트 컨버터(boost converter), 고주파 필터, 초퍼(chopper), 인덕터, 그리고 오직 온 보드 전기 저장 디바이스와 외부 공급원 사이에서 에너지를 전달하도록 전용되는, 전기 커넥터 및 전기 접점을 비롯한 다른 전기적 구성요소와 같은 전용 구성요소를 포함할 수 있다. 이러한 추가적인 전용 구성요소는 차량에 대해 추가적인 비용 및 추가적인 중량을 추가시킨다.
배터리 충전을 위해 차량 내로 도입되는 전기는 직류(DC)일 수도 있고 교류(AC)일 수도 있다. DC 충전은 충전을 위한 전용 사회기반시설을 필요로 하며, 신속한 충전을 위해 고려된다. 그러나, AC 충전을 채용하면 기존의 회로를 이용하기가 더욱 용이하다. 기존의 IEC/SAE 표준에 따르면, 충전을 위한 AC 전압은 120 볼트부터 600 볼트까지이며, 단상 또는 3상이다. 정류기의 DC 링크 전압(DC link voltage)은, 동력 인자 요건 및 하모닉 요건(harmonic requirement)을 충족시키기 위해 정류기의 완전한 제어 능력을 보장하도록 AC 전압의 정점보다 더 높게 되어야 할 필요가 있다. 대부분의 기존 하이브리드 전기 차량 및 전기 차량에 있어서, 배터리 전압은 200 볼트부터 400 볼트까지의 범위일 수 있다. 120 볼트 입력을 제외하고는, 전압 스텝 다운 단계(voltage step down stage)가 요구된다.
통상적인 외부 충전기 회로는 부스트(step up) AC/DC 변환기 또는 버크(buck; step down) AC/DC 변환기를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 변환기는, 배터리의 충전을 제어하는 능력을 제한하는 한정된 출력 전압을 갖는다. 예를 들어, 120 볼트 또는 240 볼트의 AC 입력을 이용하면, 부스트 AC/DC 변환기가 사용될 때 DC 출력 전압이 각각 170 볼트 또는 340 볼트보다 낮을 수 없다. 또한, 120 볼트 또는 240 볼트의 AC 입력을 이용하면, 버크 AC/DC 변환기가 사용될 때 DC 출력 전압이 각각 170 볼트 또는 340 볼트보다 높을 수 없다. 충분한 배터리 전압 범위를 매칭(matching)시키도록 DC/DC 변환기가 포함될 수 있지만, 이는 파워 레벨의 증가를 보상하기 위해 점점 더 커지는 충전기로 귀결되며, 이에 따라 궁극적으로 차량 내에 패키징(packaging)하기가 곤란하다.
통상적인 외부 충전기 회로의 예는, 미국 특허 제8,030,884호에 설명되어 있으며, 이 미국 특허는 인용함으로써 본 명세서에 포함된다. 상기 미국 특허의 도 1에서의 구성에 있어서, 다이오드 정류기의 출력은 복수 개의 인덕터를 통해 트랙션 인벤터(traction inventor)의 DC 링크에 결합된다. 이러한 구성은, 단지 외부 AC 전압원에 의해 결정되는 다이오드 정류기의 출력 전압을 부스팅(버킹 아님)할 수 있을 뿐이며, 이에 따라 충전 능력을 제한한다. 또한, 이러한 구성에서 사용되는 접촉기는 충전 전류보다 현저하게 더 클 수도 있는, 전기 모터의 전류를 작동시키도록 크기 설정되어야 할 필요가 있으며, 이는 더욱 무겁고 더욱 비싼 접촉기로 귀결된다.
따라서, 모든 충전 조건에 대해 외부 소스로부터 플러그인 차량의 온 보드형 전기 저장 디바이스로의 전기 에너지의 전달을 촉진시키는 장치를 제공하는 것이 바람직하며, 이러한 장치는, 단지 온 보드형 전기 저장 디바이스와 외부 소스 사이에서 에너지를 전달하는 것에만 전용되는 구성요소의 개수 및 비용을 감소시킨다.
일부 실시예에 따르면, 트랙션 시스템(traction system)이 개시된다. 상기 트랙션 시스템은 DC 버스, 이 DC 버스에 결합되는 에너지 저장 디바이스, 및 이 에너지 저장 디바이스에 결합되는 전압 변환기 조립체를 포함한다. 전압 변환기 조립체는 복수 개의 페이즈 레그(phase lag)를 포함한다. 상기 트랙션 시스템은 전압 변환기 조립체에 결합되는 복수 개의 권선(winding)을 포함하는 전자기계적 디바이스를 더 포함한다. 상기 트랙션 시스템은 또한 전압 변환기 조립체와 에너지 저장 디바이스 사이에서 DC 버스에 결합되는 스위치를 포함한다. 상기 트랙션 시스템은, 전자기계적 디바이스의 권선 및 페이즈 레그가 DC/DC 변환기를 형성하도록 하기 위해 스위치 및 전압 변환기 조립체를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 하이브리드 전기 차량을 충전하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 전자기계적 디바이스와 에너지 저장 디바이스 사이에 결합되는 DC 버스 상에서 제1 스위치를 폐쇄하도록, 전압 변환기 조립체와 에너지 저장 디바이스 사이에 결합되는 DC 버스 상에서 제2 스위치를 개방하도록, 그리고 전자기계적 디바이스의 권선 및 페이즈 레그가 DC/DC 변환기를 형성하도록 전압 변환기 조립체의 페이즈 레그를 턴온(turn on)하도록 제어기를 구성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 트랙션 시스템(traction system)이 개시된다. 상기 트랙션 시스템은 DC 버스, 이 DC 버스에 결합되는 에너지 저장 디바이스, 이 에너지 저장 디바이스에 결합되는 제1 전압 변환기 조립체, 그리고 에너지 저장 디바이스에 결합되는 제2 전압 변환기 조립체를 포함한다. 제1 전압 변환기 조립체는 제1의 복수의 페이즈 레그를 포함하며, 제2 전압 변환기 조립체는 제2의 복수의 페이즈 레그를 포함한다. 상기 트랙션 시스템은, 복수 개의 권선을 포함하며 제1 전압 변환기 조립체의 각각의 페이즈 레그에 결합되는 제1의 전자기계적 디바이스, 그리고 복수 개의 권선을 포함하며 제2 전압 변환기 조립체의 각각의 페이즈 레그에 결합되는 제2의 전자기계적 디바이스를 더 포함한다. 상기 트랙션 시스템은 또한, 제1의 전자기계적 디바이스와 에너지 저장 디바이스 사이에서 DC 버스에 결합되는 제1 스위치, 그리고 제2의 전자기계적 디바이스와 에너지 저장 디바이스 사이에서 DC 버스에 결합되는 제2 스위치를 포함한다. 상기 트랙션 시스템은, 제1 스위치 및 제2 스위치 그리고 전압 변환기 조립체를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하여, 제1 전압 변환기 조립체의 페이즈 레그 및 제1의 전자기계적 디바이스의 권선이 제1 DC/DC 변환기를 형성하도록 하고, 제2 전압 변환기 조립체의 페이즈 레그 및 제2의 전자기계적 디바이스의 권선이 제2 DC/DC 변환기를 형성하도록 한다.
이상의 실시예는, 임의의 현저한 온 보드형 충전기 구성요소를 추가하지 않으면서 차량의 급속 충전을 가능하게 한다. 또한, 전자기계적 디바이스의 권선은 충전 중에 전압 변환기 조립체에 연결된 상태로 남아있을 수 있어, 비용을 더욱 절감하고 효율을 더욱 향상시키도록 유도한다. 다양한 다른 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 장점이 더욱 용이하게 이해되도록 하기 위해, 앞서 간략하게 설명된 본 발명에 대한 더욱 구체적인 설명이, 첨부 도면에 도시된 특정 실시예를 참고하여 제시된다. 첨부 도면은 단지 본 발명의 전형적인 실시예를 도시할 뿐이며, 이에 따라 본 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니라는 점을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트랙션 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트랙션 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트랙션 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트랙션 시스템의 개략도이다.
본 발명의 원리에 대한 이해를 촉진하려는 목적으로, 이하에서는 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참고할 것이며, 예시적인 실시예를 설명하기 위해 구체적인 기재가 사용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위를 이로써 한정하려는 의도는 전혀 아니라는 것을 이해해야 한다. 본원에 제시된 본 발명의 특징에 대한 임의의 변경 및 추가적인 변형, 그리고 본원에 제시된 바와 같은 본 발명의 원리의 추가적인 적용으로서, 당업자가 착안 가능하며 본 개시내용을 포함하는 것은, 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트랙션 시스템(2)의 개략도를 제시한 것이다. 트랙션 시스템(2)은 에너지 저장 디바이스(4)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 에너지 저장 디바이스(4)는 예컨대 배터리, 플라이휠 시스템, 연료 전지, 울트라커패시터(ultracapacitor), 또는 울트라커패시터와 배터리의 조합일 수 있다. 에너지 저장 디바이스(4)는 DC 버스(8)를 통해 전압 변환기 조립체(6)에 결합된다. 일 실시예에 있어서, 전압 변환기 조립체(6)는 양방향 DC/AC 전압 인버터이다. 전압 변환기 조립체(6)는, 3개의 페이즈 레그(22-26; phase leg)를 형성하도록 짝을 이루는 6개의 반상 모듈(half phase module; 10-20)을 포함한다. 각각의 모듈은 다이오드와 역평행(antiparallel)으로 결합되는 파워 스위치를 포함한다. IGBT(insulated gate bipolar transistors), MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistors), SiC(silicon carbide) MOSFET, GaN(gallium nitride) 디바이스, 양극형 NJT(junction transistors), 및 MCT(metal oxide semiconductor controlled thyristor)와 같은 임의의 적절한 전자 스위치가 사용될 수 있다. 각각의 페이즈 레그(22-26)는 한 쌍의 도선(28 및 30)에 결합된다. DC 링크 커패시터(32)가 DC 버스(8)에 결합되어, DC 버스(8)에 대한 평활 함수(smoothing function) 및 필터 고주파 전류를 제공한다.
전자기계적 디바이스(34)가 전압 변환기 조립체(6)에 결합된다. 일 실시예에 있어서, 전자기계적 디바이스(34)는 비한정적인 예로서, 차량의 하나 이상의 구동 휠 또는 차축(도시되어 있지 않음)에 기계적으로 결합되는 트랙션 모터(traction motor)이거나, 또는 크레인, 엘리베이터, 또는 리프트 등의 다른 전기적 장치이다. 전자기계적 디바이스(34)는 전압 변환기 조립체(6)의 각각의 상(phase; 22-26)에 결합되는 복수 개의 권선(35)을 포함한다. 권선(35)은, Y자형 구성으로 도시되어 있지만, 삼각형 구성으로서 또는 임의의 다른 적절한 구성으로서 구성될 수 있다. 임의의 개수의 권선이 또한 사용될 수 있다.
제1 충전 스위치(36) 및 선택적인 인덕터(38)는 전자기계적 디바이스(34)와 에너지 저장 디바이스(4) 사이에 직접 결합된다. 선택적인 인덕터(38)는, 전자기계적 디바이스(34)에 의해 충분한 인덕턴스가 마련되지 않을 때 포함된다. 제2 충전 스위치(40)는 에너지 저장 디바이스(4)와 변환기 조립체(6) 사이에 결합된다. 충전 스위치(36 및 40)는 비한정적인 예로서, IGBT, MOSFET, SiC MOSFET, GaN 디바이스, NJT, 및 MCT와 같은 전자식 스위치 또는 기계적 접촉기일 수 있다. 이러한 구성은, 외부 충전원으로부터의 전압을 버킹(bucking) 및 부스팅(boosting)할 수 있으며, 이는, 에너지 저장 디바이스(4)가 소정 속도로 충전될 수 있는 한, 모든 충전 조건에서 고정식 충전 설비의 최대 능력을 이용하는 것을 가능하게 한다. 또한, 충전 스위치(36 및 40)는 단지 충전 전류에 맞게 크기 설정될 필요가 있을 뿐이며, 이는 크기 및 비용을 현저하게 줄여준다.
트랙션 시스템(2)은 라인(44)을 통해 충전 스위치(36 및 40) 및 반상 모듈(10-20)에 결합되는 제어기(42)를 포함한다. 반상 모듈(10-20)의 적절한 제어를 통해, 제어기(42)는, DC 버스(8) 상에서의 DC 전압 또는 DC 전류를, 전자기계적 디바이스(34)의 권선(35)에 공급하기 위한 AC 전압 또는 AC 전류로 변환하도록 전압 변환기 조립체(6)을 제어하게 구성된다. 이에 따라, 에너지 저장 디바이스(4)로부터의 DC 전압 또는 DC 전류는 AC 전압 또는 AC 전류로 변환될 수 있으며, 전자기계적 디바이스(34)에 전달될 수 있고, 이후 구동 휠(도시되어 있지 않음)에 전달될 수 있다. 다른 비-차량 추진 시스템에 있어서, 구동 휠(도시되어 있지 않음)은 펌프, 팬, 윈치(winch), 크레인 또는 다른 모터 구동식 로드(load)를 비롯한 다른 유형의 로드일 수 있다. 재생 제동 모드에 있어서, 전자기계적 디바이스(34)는 발전기로서 작동하여 구동 휠(도시되어 있지 않음)을 제동할 수 있고, 에너지 저장 디바이스(4)를 재충전하기에 적절한, DC 버스(8) 상의 DC 전압 또는 DC 전류로의 반전을 위해 AC 전압 또는 AC 전류를 전압 변환기 조립체(6)에 공급할 수 있다.
트랙션 시스템(2)을 포함하는 장치 또는 차량이 주차 중이거나 또는 비사용 중일 때, 에너지 저장 디바이스(4)를 충전하거나 재충전하기 위해 예컨대 급전망 내로 또는 재생 가능한 에너지원에 대해 차량의 플러그를 끼우는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 트랙션 시스템(2)은 외부 AC 전압원(도시되어 있지 않음)과 짝을 이루도록 구성되는 플러그 또는 리셉터클(46; receptacle)을 포함한다. AC 전압원(도시되어 있지 않음)은, 임의의 개수의 상(phase)을 갖춘 고 임피던스 전압원일 수 있다. 플러그(46)는, DC 전압 또는 DC 전류가 DC 버스(8)를 통해 흐를 수 있도록 AC 전압원(도시되어 있지 않음)으로부터의 AC 전압 또는 AC 전류를 DC 전압 또는 DC 전류로 변환하기 위해 정류기(48)에 결합된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 페이즈 레그(22-26) 중 오직 하나만이 DC/DC 변환기로서 사용된다. 비한정적인 예로서, 페이즈 레그(22)가 DC/DC 변환기로서 사용될 것이다. 제어기(42)는 페이즈 레그(22)를 턴온(turn on)시키며 나머지 페이즈 레그(24-26)를 턴오프(turn off)시켜 전류가 전자기계적 디바이스(34)로 흐르지 못하도록 한다. 전자기계적 디바이스(34)는 변환기 조립체(6)에 연결된 상태로 남아있다. 충전 시에, 제1 충전 스위치(36)는 폐쇄되는 반면, 제2 충전 스위치(40)는 제어기(42)의 사용을 통해 개방 상태로 남아있다. 이에 따라, 페이즈 레그(22) 출력 전류가 제1 충전 스위치(36) 및 인덕터(38)를 통해 에너지 저장 디바이스(4)로 안내되도록 하는 것이 허용된다. 페이즈 레그(22)는, 폐쇄된 제1 충전 스위치(36) 및 인덕터(38)와 조합되어, 양방향 버크/부스트 DC/DC 변환기를 형성한다. 이러한 실시예는 페이즈 레그(22)를 이용하고 있지만, 추가적인 DC/DC 변환기, 트랙션 인버터, 또는 부속 인버터로부터의 페이즈 레그를 비롯하여, DC 버스(8)에 결속된 변환기의 임의의 페이즈 레그가 사용될 수 있다.
페이즈 레그(22)를 사용할 때, DC/DC 변환기로서의 제1 충전 스위치(36) 및 인덕터(38)는, 기판 충전기 구성요소의 현저한 추가 없이도 에너지 저장 디바이스(4)의 급속 충전을 가능하게 하며, 이에 따라 DC 버스(8)를 위해 요구되는 공간 및 비용을 줄여준다. 더욱이, 전자기계적 디바이스를 위한 접촉기가 고가일 수 있기 때문에, 충전 중에 변환기 조립체(6)에 연결된 상태로 남아있는 전자기계적 디바이스(34)는 비용을 추가로 절감시켜준다. 변환기 조립체(6)의 단지 일부만이 작동하기 때문에, 변환기 조립체(6)의 나머지 부분은 턴오프되어 불필요한 손실을 없애고 (120 V의 교류 또는 240 V의 교류와 같은) 저전력 충전에 대한 효율을 개선시킨다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랙션 시스템(50)의 개략도이다. 이러한 실시예에 있어서, 하나를 제외한 모든 페이즈 레그가 DC/DC 변환을 위해 사용될 수 있다. 비한정적인 예로서, 전자기계적 디바이스(34)로부터의 권선(35)과 함께 페이즈 레그(24 및 26)가 DC/DC 변환을 위해 이용될 것이다. 전자기계적 디바이스(34)로부터의 권선(35)이 충분한 인덕턴스를 제공하지 못하면, 인덕터(38)가 포함될 수 있다. 비활성인 페이즈 레그(22)가 여전히 제1 충전 스위치(36) 및 선택적인 인덕터(38)를 통해 에너지 저장 디바이스(4)에 연결되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 제어기(42)는 페이즈 레그(22)를 턴온시키고 페이즈 레그(26 및 28)을 턴오프시킨다. 충전 시에, 제1 충전 스위치(36)는 폐쇄되는 반면, 제2 충전 스위치(40)는 제어기(42)에 의해 개방 상태로 남아있다. 이에 따라, 페이즈 레그(24 및 26)로부터의 출력 전류가 제1 충전 스위치(36) 및 인덕터(38)를 통해 에너지 저장 디바이스(4)로 안내되도록 하는 것이 허용된다. 2개의 활성인 페이즈 레그(24 및 26)는, 제1 충전 스위치(36) 및 전자기계적 디바이스(34)와 조합되어, 한 쌍의 양방향 버크/부스트(buck/boost) DC/DC 변환기를 형성한다. 이러한 실시예는 페이즈 레그(24 및 26)를 이용하는 반면, 추가적인 DC/DC 변환기, 트랙션 인버터, 또는 부속 인버터로부터의 페이즈 레그를 비롯하여, DC 버스(8)에 결속되는 변환기의 임의의 페이즈 레그가 사용될 수 있다.
페이즈 레그(24 및 26)를 사용할 때, DC/DC 변환기로서의 제1 충전 스위치(36) 및 전자기계적 디바이스(34)는, 기판 충전기 구성요소의 현저한 추가 없이도 에너지 저장 디바이스(4)의 급속 충전을 가능하게 하며, 이에 따라 DC 버스(8)를 위해 요구되는 공간 및 비용을 줄여준다. 더욱이, 전자기계적 디바이스를 위한 접촉기가 고가일 수 있기 때문에, 충전 중에 변환기 조립체(6)에 연결된 상태로 남아있는 전자기계적 디바이스(34)는 비용을 추가로 절감시켜준다. 추가적으로, 단 하나의 페이즈 레그 대신에 2개의 활성인 페이즈 레그를 이용함으로 인해 파워 레벨(power level)은 한정되지 않는다. 전자기계적 디바이스(34)가 영구 자석 또는 자기저항 모터(reluctance motor)인 경우, 토크가 생성될 수 있으며, 이는 약간의 움직임을 유발하는 특정 위치로 로터를 유인할 수 있다. 그러나, 클러치(도시되어 있지 않음)가 모터 샤프트와 트랜스미션 사이에 포함되어 모터를 디커플링(decoupling)시킬 수 있어서, 잠재적인 샤프트 운동을 없애준다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 트랙션 시스템(52)의 개략도이다. 이러한 실시예에 있어서, 전자기계적 디바이스(34)로부터의 권선(35)과 함께 모든 페이즈 레그(22-26)가 DC/DC 변환을 위해 사용된다. 전자기계적 디바이스(34)로부터의 권선(35)이 충분한 인덕턴스를 제공하지 못하면, 인덕터(38)가 포함될 수 있다. 전자기계적 디바이스(34)가 제1 충전 스위치(36) 및 선택적인 인덕터(38)를 통해 에너지 저장 디바이스(4)에 연결되어 있다. 전자기계적 디바이스(34)는 성형 접속(star connection) 또는 Y자형 접속(wye connection)의 권선(35)을 포함한다. 중립부 또는 중앙부(도시되어 있지 않음)가 제1 충전 스위치(36) 및 선택적인 인덕터(38)를 통해 에너지 저장 디바이스(4)에 연결되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 3개의 페이즈 레그(22-26)가 모두 사용된다. 충전 시에, 제1 충전 스위치(36)는 폐쇄되는 반면, 제2 충전 스위치(40)는 제어기(42)에 의해 개방 상태로 남아있다. 이에 따라, 페이즈 레그(22-26)로부터의 출력 전류가 전자기계적 디바이스(34), 제1 충전 스위치(36) 및 선택적인 인덕터(38)를 통해 에너지 저장 디바이스(4)로 안내되도록 하는 것이 허용된다. 활성인 페이즈 레그(22-26)는, 제1 충전 스위치(36) 및 전자기계적 디바이스(34)와 조합되어, 3개의 양방향 버크/부스트 DC/DC 변환기를 형성한다. 이러한 실시예는 페이즈 레그(22-26)를 이용하는 반면, 추가적인 DC/DC 변환기, 트랙션 인버터, 또는 부속 인버터로부터의 페이즈 레그를 비롯하여, DC 버스(8)에 결속되는 변환기의 임의의 페이즈 레그가 사용될 수 있다.
페이즈 레그(22-26)를 사용할 때, DC/DC 변환기로서의 전자기계적 디바이스(34) 및 제1 충전 스위치(36)는, 기판 충전기 구성요소의 현저한 추가 없이도 에너지 저장 디바이스(4)의 급속 충전을 가능하게 하며, 이에 따라 DC 버스(8)를 위해 요구되는 공간 및 비용을 줄여준다. 더욱이, 전자기계적 디바이스를 위한 접촉기가 고가일 수 있기 때문에, 충전 중에 변환기 조립체(6)에 연결된 상태로 남아있는 전자기계적 디바이스(34)는 비용을 추가로 절감시켜준다. 추가적으로, 3개의 페이즈 레그 모두를 사용함으로써 최대 파워 능력이 인가된다. 이러한 실시예에 있어서, 전자기계적 디바이스(34)는 토크를 생성하지 않으므로 결과적인 약간의 움직임은 나타나지 않는다. 3개의 DC/DC 변환기로부터의 전류는 회전장(rotating field)을 생성하지 않기 때문에, 충전 중에 샤프트 상에 토크가 생성되지 않는다. 본 실시예는 중립점에 대한 연결을 요구할 수 있으며, 전자기계적 디바이스(34)는 성형 접속 또는 Y자형 접속의 권선(35)을 갖게 된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 2개의 변환기 조립체 및 2개의 전자기계적 디바이스를 갖춘 트랙션 시스템(54)의 개략도이다. 이러한 실시예에 있어서, DC 버스(56)에 결속되는 모든 변환기를 버크 DC/DC 변환기로서 구성함으로써, 파워 능력은 극대화된다. 트랙션 시스템(54)은, DC 버스(56)를 통해 제1 전압 변환기 조립체(60)에 결합되는 에너지 저장 디바이스(58)를 포함한다. 제1 전압 변환기 조립체(60)는, 단일 페이즈 레그(66)를 형성하도록 짝을 이루는 2개의 반상 모듈(62-64)을 포함한다. DC 링크 커패시터(68)가 DC 버스(56)에 결합되어 DC 버스(56)에 대한 평활 함수 및 필터 고주파 전류를 제공한다. 제1 전압 변환기 조립체(60)는 DC 버스(56)를 통해 제2 전압 변환기 조립체(70)에 결합된다. 제2 전압 변환기 조립체(70)는, 3개의 페이즈 레그(84-88)를 형성하도록 짝을 이루는 6개의 반상 모듈(72-82)을 포함한다. 제1의 전자기계적 디바이스(90)는 제2 전압 변환기 조립체(70)의 각각의 페이즈 레그(84-88)를 통해 제2 전압 변환기 조립체(70)에 결합된다. 제1의 전자기계적 디바이스(90)는 복수 개의 권선(91)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제1의 전자기계적 디바이스(90)는 트랙션 모터(traction motor)이다. 제2 전압 변환기 조립체(70)는 DC 버스(56)를 통해 제3 전압 변환기 조립체(92)에 결합된다. 제3 전압 변환기 조립체(92)는, 2개의 페이즈 레그(102-104)를 형성하도록 짝을 이루는 4개의 반상 모듈(94-100)을 포함한다. 제2의 전자기계적 디바이스(106)는 각각의 페이즈 레그(102-104)를 통해 제3 전압 변환기 조립체(92)에 결합된다. 제2의 전자기계적 디바이스는 복수 개의 권선(107)을 포함한다. 제2의 전자기계적 디바이스(106)는 비한정적인 예로서 교류발전기 또는 제2 트랙션 모터일 수 있다. 트랙션 시스템(54)은 AC 전압원(도시되어 있지 않음)과 짝을 이루도록 구성되는 플러그 또는 리셉터클(108)을 포함한다. 플러그(108)는, AC 전압원(도시되어 있지 않음)으로부터의 AC 전압 또는 AC 전류를, DC 버스(56)를 위한 DC 전압 또는 DC 전류로 변환하기 위해 정류기(110)에 결합된다. 제1 충전 스위치(112)는 제1의 전자기계적 디바이스(90)와 에너지 저장 디바이스(58) 사이에서 선택적인 인덕터(114)와 직렬로 결합된다. 제2 충전 스위치(116)는 제2의 전자기계적 디바이스(106)와 에너지 저장 디바이스(58) 사이에서 선택적인 인덕터(118)와 직렬로 결합된다. 제1 충전 스위치(112) 및 제2 충전 스위치(116)와 에너지 저장 디바이스(58) 사이에 추가적이며 선택적인 인덕터(120)가 포함될 수 있다. 다른 인덕터(122)가 제1 전압 변환기 조립체(60)와 에너지 저장 디바이스(58) 사이에 결합된다. 트랙션 시스템(54)은 라인(126)을 통해 충전 스위치(112 및 116) 및 반상 모듈(62-64, 72-82 및 94-100)에 결합되는 제어기(124)를 포함한다.
도 1에서의 실시예와 유사한 방식으로, 페이즈 레그(66)는 인덕터(122)와 조합되어 양방향 버크/부스트 DC/DC 컨버터를 형성한다. 도 2에서의 실시예와 유사한 방식으로, 페이즈 레그(102-104)는, 제2 충전 스위치(116) 및 제2의 전자기계적 디바이스(106)와 조합되어, 한 쌍의 양방향 버크/부스트 DC/DC 변환기를 형성한다. 도 3에서의 실시예와 유사한 방식으로, 페이즈 레그(84-88)는, 제1 충전 스위치(112) 및 제1의 전자기계적 디바이스(90)와 조합되어, 3개의 양방향 버크/부스트 DC/DC 변환기를 형성한다.
복수 개의 양방향 버크/부스트 DC/DC 변환기가 모두 사용되어 파워 능력을 극대화할 수 있는 반면, 기판 충전기 구성요소의 현저한 추가 없이도 에너지 저장 디바이스(58)의 급속 충전을 가능하게 하고, 이에 따라 DC 버스(56)를 위해 요구되는 공간 및 비용을 줄여준다. 더욱이, 전자기계적 디바이스를 위한 접촉기가 고가일 수 있기 때문에, 충전 중에 변환기 조립체에 연결된 상태로 남아있는 전자기계적 디바이스(90 및 106)는 비용을 추가로 절감시켜준다. 이러한 실시예에 있어서, 전자기계적 디바이스는 토크를 생성하지 않으므로 결과적인 약간의 움직임은 나타나지 않는다. 중립부는 역시 이러한 실시예에서는 요구되지 않지만 바람직한 경우 포함될 수 있다.
앞서 설명한 실시예는 단지 본 발명의 원리의 적용에 관한 예시일 뿐이라는 것을 이해해야 한다. 따라서, 현재로서 본 발명의 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 간주되는 바와 관련하여 본 발명이 구체적으로 상세하게 앞서 충분히 설명되었지만, 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 원리 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서, 한정하는 것은 아니지만 크기, 재료, 형상, 형태 및 작동 기능과 방식, 조립체 및 용도에 있어서의 변경을 비롯한 다수의 변형이 행해질 수 있다는 것은 당업자에게 명확할 것이다.

Claims (20)

  1. 트랙션 시스템(traction system)으로서,
    DC 버스;
    상기 DC 버스에 결합되는 에너지 저장 디바이스;
    상기 에너지 저장 디바이스에 결합되는 전압 변환기 조립체로서, 복수 개의 페이즈 레그(phase leg)를 포함하는 전압 변환기 조립체;
    상기 전압 변환기 조립체에 결합되는 전자기계적 디바이스로서, 복수 개의 권선(winding)을 포함하는 것인 전자기계적 디바이스;
    상기 전압 변환기 조립체와 에너지 저장 디바이스 사이에서 DC 버스에 결합되는 스위치;
    상기 전자기계적 디바이스의 권선 및 페이즈 레그가 DC/DC 변환기를 형성하도록 하기 위해 스위치 및 전압 변환기 조립체를 제어하도록 구성되는 제어기
    를 포함하는 트랙션 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치와 상기 전압 변환기 조립체의 페이즈 레그 사이에서 DC 버스에 결합되는 인덕터
    를 더 포함하는 트랙션 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어기는, 페이즈 레그 및 인덕터가 DC/DC 컨버터를 형성하게 하도록 구성되는 것인 트랙션 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 2개의 페이즈 레그 및 상기 전자기계적 디바이스의 2개의 권선이 한 쌍의 DC/DC 컨버터를 형성하게 하도록 구성되는 것인 트랙션 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 모든 페이즈 레그 및 상기 전자기계적 디바이스의 모든 권선이 복수 개의 DC/DC 컨버터를 형성하게 하도록 구성되는 것인 트랙션 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 권선은 Y자형 접속으로 구성되는 것인 트랙션 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전자기계적 디바이스는 트랙션 모터(traction motor)인 것인 트랙션 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 DC 버스에 결합되는 리셉터클(receptacle)
    을 더 포함하며, 상기 리셉터클은 AC 전압원과 짝을 이루도록 구성되는 것인 트랙션 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전압 변환기 조립체는 DC/AC 인터버인 것인 트랙션 시스템.
  10. 하이브리드 전기 차량을 충전하기 위한 방법으로서,
    전자기계적 디바이스와 에너지 저장 디바이스 사이에 결합되는 DC 버스 상의 제1 스위치를 폐쇄하도록,
    상기 전압 변환기 조립체와 에너지 저장 디바이스 사이에 결합되는 DC 버스 상의 제2 스위치를 개방하도록, 그리고
    상기 전자기계적 디바이스의 권선 및 페이즈 레그가 DC/DC 변환기를 형성하게 하기 위해 전압 변환기 조립체의 페이즈 레그를 턴온(turn on) 시키도록
    제어기를 구성하는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 페이즈 레그 및 인덕터가 DC/DC 컨버터를 형성하는 것인 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전자기계적 디바이스의 2개의 권선 및 2개의 페이즈 레그가 한 쌍의 DC/DC 변환기를 형성하도록 하기 위해 전압 변환기 조립체의 제2 페이즈 레그를 턴온시키도록 제어기를 구성하는 것
    을 더 포함하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 전자기계적 디바이스의 모든 권선 및 모든 페이즈 레그가 복수 개의 DC/DC 변환기를 형성하도록 하기 위해 전압 변환기 조립체의 모든 페이즈 레그를 턴온시키도록 제어기를 구성하는 것
    을 더 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전자기계적 디바이스의 권선은 Y자형 접속으로 구성되는 것인 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 전자기계적 디바이스는 트랙션 모터(traction motor)인 것인 방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 전압 변환기 조립체는 DC/AC 인터버인 것인 방법.
  17. 제10항에 있어서, 형성된 DC/DC 컨버터는 양방향 버크/부스트 컨버터(buck/boost converter)인 것인 방법.
  18. 트랙션 시스템(traction system)으로서,
    DC 버스;
    상기 DC 버스에 결합되는 에너지 저장 디바이스;
    상기 에너지 저장 디바이스에 결합되는 제1의 복수 개의 페이즈 레그를 포함하는 제1 전압 변환기 조립체;
    상기 에너지 저장 디바이스에 결합되는 제2의 복수 개의 페이즈 레그를 포함하는 제2 전압 변환기 조립체;
    제1 전압 변환기 조립체의 각각의 페이즈 레그에 결합된 복수 개의 권선을 포함하는 제1의 전자기계적 디바이스;
    제2 전압 변환기 조립체의 각각의 페이즈 레그에 결합된 복수 개의 권선을 포함하는 제2의 전자기계적 디바이스;
    상기 제1의 전자기계적 디바이스와 에너지 저장 디바이스 사이에서 DC 버스에 결합되는 제1 스위치;
    상기 제2의 전자기계적 디바이스와 에너지 저장 디바이스 사이에서 DC 버스에 결합되는 제2 스위치;
    제1의 전자기계적 디바이스의 권선 및 제1 전압 변환기 조립체의 페이즈 레그가 제1 DC/DC 변환기를 형성하도록, 그리고 제2의 전자기계적 디바이스의 권선 및 제2 전압 변환기 조립체의 페이즈 레그는 제2의 DC/DC 변환기를 형성하도록, 제1 스위치, 제2 스위치, 제1 전압 변환기 조립체 및 제2 전압 변환기 조립체를 제어하도록 구성되는 제어기
    를 포함하는 트랙션 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 DC 버스에 결합되는 리셉터클(receptacle)
    을 더 포함하며, 상기 리셉터클은 AC 전압원과 짝을 이루도록 구성되는 것인 트랙션 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 제1의 전자기계적 디바이스는 트랙션 모터이며 제2의 전자기계적 디바이스는 교류발전기인 것인 트랙션 시스템.
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