KR20200121362A - 전압이 다르게 출력되는 2개의 배터리들을 가진 구동렬, 저전압 로드들을 둘러싸고 있는 고전압 권선들을 가진 전기 구동 시스템, 별도의 고전압 펄스 인버터를 가진 전기 모터 및 전기 모터를 작동시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정상 작동 모드에서 에너지를 공급하기 위해 고전압 배터리(2)에 연결된 적어도 하나의 전기 모터(1)를 갖는 자동차와 같은 차량용 또는 고정 애플리케이션용 구동렬에 관한 것이다. 여기서, 고전압 배터리(2)와 분리된 저전압 배터리(3)는 전기 모터(1)에 대안적으로 및/또는 추가적으로 에너지를 공급하기 위해 제공되며, 상기 저전압 배터리(3)는 60V 미만의 전압을 출력하도록 구성되고, 고전압 배터리(2)는 60V 이상의 전압을 출력하도록 구성된다. 또한, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 구동렬을 갖고 전기 모터(1) 및 에너지 공급 장치를 갖는 자동차용 전기 구동 시스템에 관한 것으로, 상기 에너지 공급 장치는 전기 모터(1)의 외부에 방사상으로 그리고 원주 방향으로 전기 모터(1) 주위에 배치되고, 여기서 고전압 권선들(9)은 저전압 로드들(10)을 둘러싸도록 구성된다. 또한, 본 발명은 저전압 배터리(3)에 의해 제공되고 60V 미만의 전압을 갖는 직류를 교류로 변환하도록 구성된 저전압 펄스 인버터(7)를 갖는 자동차용 전기 모터(1)에 관한 것이다. 여기서, 저전압 펄스 인버터(7)와 분리된 고전압 펄스 인버터(5)가 60V 이상의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하도록 제공되고 구성된다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 구동렬을 갖는 자동차에서 전기 모터 (1)를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

Description

전압이 다르게 출력되는 2개의 배터리들을 가진 구동렬, 저전압 로드들을 둘러싸고 있는 고전압 권선들을 가진 전기 구동 시스템, 별도의 고전압 펄스 인버터를 가진 전기 모터 및 전기 모터를 작동시키는 방법

특히, 본 발명은 정상 작동 시 에너지를 공급하기 위한 고전압 배터리에 연결된 적어도 하나의 전기 모터를 갖는, 승용차 또는 보트와 같은, 자동차와 같은, 차량용 구동렬 또는 발전기 또는 펌프와 같은 고정 애플리케이션용 구동렬(drive train)에 관한 것이다. 여기서, 고전압 배터리와 분리된 저전압 배터리가 전기 모터에 대한 대체적이고/이거나 추가적인 에너지를 공급하기 위해 제공된다.

구동 시스템은 이미 종래 기술로부터 알려져 있다. 예를 들어, DE 10 2016 207 272 A1은 차량 구동을 위한 전력을 제공하기 위한 저장 시스템을 개시한다. 저장 시스템은 전기 에너지를 저장하기 위한 제1 및 제2 저장 모듈을 포함한다. 또한, 저장 시스템은 충전 프로세스를 위해 직렬로 그리고 차량의 구동을 위해 병렬로 제1 저장 모듈 및 제2 저장 모듈을 연결하도록 설계된 스위칭 유닛을 포함한다. 또한, 저장 시스템은 제1 저장 모듈을 제2 저장 모듈과 병렬로 연결하기 위한 준비에서 제1 저장 모듈의 충전 상태와 제2 저장 모듈의 충전 상태의 차이를 줄이기 위한 하나 이상의 조치를 개시하도록 배열된 제어 유닛을 포함한다.

지금까지 저전압 펄스 인버터뿐만 아니라 저전압 배터리까지 내장한 다상 저전압 드라이브가 ED(Electric Drive) 시스템에 사용되었다. 따라서, 저전압으로 인해 시스템을 고도로 통합된(highly integrated) 방식으로 실행/수행할 수 있으며, MOSFET으로 펄스 폭 변조 인버터를 구현할 수 있다. 따라서, 이전 시스템은 하이브리드/PHEV 애플리케이션에 이상적이지만 저전압으로 인해 EV(전기 자동차)에는 적합하지 않다. 이러한 방식으로는 고속 충전 기능을 거의 실현할 수 없기 때문이다. PHEV 애플리케이션은 기본적으로 "하이브리드"로, 더 큰 배터리를 가지며 표준 전원 공급 장치 또는 특수 충전기에서 배터리를 충전할 수 있는 전기 에너지를 사용하는 시스템이다. 본 발명에 따른 고전압 배터리와 저전압 배터리의 조합은 아직 이러한 형태로 알려져 있지 않다. 지금까지 차량의 저전압 배터리와 고전압 배터리의 조합은 저전압 배터리를 사용하여 온보드 전자 장치와 같은 소형 전기 소비자에게 공급했다.

또한, 예를 들어 DE 10 2014 013 195 A1은 차량, 특히 하이브리드 차량을 위한 구동렬을 공개하고 있으며, 이중 클러치 변속기는 2개의 서브 트랜스미션들을 포함하고, 적어도 하나의 전기 기계는 서브 트랜스미션의 측면에 그리고 서브 트랜스미션의 축에 평행하게 배치되며 모터 작동 및 발전기 작동에서 작동할 수 있으며 서브 트랜스미션 중 하나에 연결되고, 상기 전기 기계는 적어도 하나의 제1 단자(이를 통해 상기 전기 기계가 제1 전압으로 작동될 수 있는 상기 차량의 제1 전원 공급 시스템에 전기적으로 연결될 수 있음), 그리고 적어도 하나의 제2 단자(이를 통해 상기 전기 기계가 제1 전압보다 높은 제2 전압으로 작동될 수 있는 상기 차량의 제2 전원 공급 시스템에 전기적으로 연결될 수 있음)를 가진다.

본 발명의 목적은 보다 수요 지향적인(more demand-oriented) 에너지 제공을 가능하게 하는 것이다. 또한 비용 효율적이고 기존 차량 구동 개념에 쉽게 통합할 수 있는 모듈 버전을 사용할 수 있게 된다. 또한, 국내 에너지 공급 시스템에서의 사용도 배제해서는 안 된다. 특히, 고장 방지 방식으로 고정식 애플리케이션을 작동할 수 있어야 한다.

일반 장치(generic device)에서, 본 발명의 목적은 저전압 펄스 인버터를 통해 저전압 로드를 저전압 드라이브에 공급하기 위해 60V 미만의 전압을 출력하도록 구성되는 저전압 배터리 및 상기 저전압 로드를 둘러싸는 고전압 권선이 있는 고전압 드라이브에 60V보다 큰 전압을 출력하도록 구성되는 고전압 배터리에 의해 본 발명에 따라 해결된다. 따라서, 상기 고전압 배터리와 상기 저전압 배터리의 이러한 조합에 의해 전기 모터를 작동하는 데 필요한 전력이 상기 저전압 배터리와 상기 고전압 배터리 모두에 분배된다. 이것의 장점은 케이블과 단자가 각각 고전압 배터리 또는 저전압 배터리의 요구 조건에 맞게 조정되어 불필요하게 무겁고 큰 케이블을 피할 수 있다는 것이다.

따라서, 차량의 (예상되는) 완전히 요구되는 성능 범위를 커버하는 방식으로 저전압 배터리가 확장된(extended) 차량용 구동렬이 제공된다. 또한 단일 고전압 배터리와 단일 저전압 배터리의 장점도 활용된다. 이러한 확장된 저전압 배터리를 차량의 구동렬에 사용함으로써 무게를 최소화하고 공간 효율적인 구성 장치를 사용할 수 있으며, 동시에 보편적으로 사용할 수 있다.

유리한 실시 예들은 종속항들에서 청구되고 아래에서 더 자세히 설명된다.

예를 들어, 상기 고전압 배터리가 고전압 펄스 인버터를 통해 고전압 드라이브를 공급/구동하도록 구성된 경우 실용적이다. 본 발명은 상기 고전압 배터리에 고전압 드라이브와 고전압 펄스 인버터를 사용함으로써 특정 충전 용량까지 고속 충전 능력을 포함하는 고전압 충전 능력을 제공할 수 있다. 상기 고전압 충전 기능은 이미 알려진 시스템에서는 사용할 수 없었던 고속 충전 기능의 장점을 가지고 있다. 이러한 고전압 충전 능력은 고전압 인버터의 성능에 상응하는 충전 능력까지 본 발명에서 성능을 제공한다.

상기 저전압 배터리가 저전압 펄스 인버터를 통해 통합된(integrated) 저전압 드라이브에 전원을 공급/구동하도록 구성되면 더욱 유리하며, 이는 MOSFET으로 실현될 수 있다. 상기 저전압 드라이브와 상기 저전압 펄스 인버터를 포함하는 상기 저전압 배터리의 분리된 배치은 피크 전력/피크 부하를 관리할 수 있게 하므로 본 발명에서 피크 부하가 발생하는 상기 고전압 부품에 커버되지 않는 전력 범위가 상기 저전압 부품에 의해 커버될 수 있다.

특히, 상기 고전압 드라이브가 3상 또는 다상(multi-phase)이면 상기 구동렬이 저전류로만 작동할 수 있다. 이것은 크거나 무거운 케이블을 설치할 필요가 없고 콤팩트하고 가벼운 구조를 실현할 수 있다는 장점이 있다. 이는 또한 상기 고전압 펄스 인버터가 Si, SiC 또는 GaN 스위치/트랜지스터로 구현될 수 있으므로 IGBT가 필요하지 않음을 의미한다. IGBT(절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)는 절연된 게이트 전극이 있는 바이폴라 트랜지스터, 즉 우수한 흐름 동작, 높은 차단 전압 및 robustness와 같은 바이폴라 트랜지스터의 장점은 물론 사실상 무전력(power-free) 평가와 같은 전계 효과 트랜지스터의 장점을 결합한 반도체 부품이다. 그러나 IGBT는 스위칭 손실이 높으므로 실제로 최대 주파수는 20kHz로 제한된다. 반대로, 본 발명에서 사용되는 스위치는 높은 스위칭 주파수를 갖는다. 예를 들어 GaN 트랜지스터는 특히 최대 1MHz의 높은 스위칭 주파수에 적합하며 동시에 스위칭 손실이 현저히 낮아져 더 작은 장치와 더 나은 효율성을 제공한다. 또 다른 이점은 고전압 회로에서 낮은 EMC 비용(즉, 전자기 호환성 측면에서 발생해야 하는 비용)입니다. 특히, GaN 트랜지스터를 사용하면 Si 트랜지스터에 비해 비용이 절감되고 재료가 절약된다.

상기 저전압 드라이브가 다상(multi-phase)이면, 즉 3개 이상의 위상들을 포함하면 바람직하다. 이것은 저전압의 장점이 있으며 시스템은 고도로 통합된(integrated) 방식으로 실행/수행될 수 있다.

또한, 상기 고전압 펄스 인버터가 고전압 인버터로 설계된 펄스 폭 변조 인버터이면 실용적이다. 전력 전자장치로서 알려진 인버터는 고전압 배터리의 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하거나 필요한 경우 3상 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 고전압 배터리에 저장하는 작업을 수행하고, 상기 고전압 배터리와 상기 고전압 구동 시스템 사이의 연결 고리이다.

고전압을 제공하는 부품이 외부 배터리, 범위 확장기(range extender) 또는 연료 전지 시스템인 것이 바람하다. 범위 확장기는 차량의 범위를 늘리기 위한 추가적인 어그리게이트(aggregate)이므로 '범위 확장기'라고 한다. 이 시스템은 하이브리드 차량뿐만 아니라 순수 BEV(Battery Electric Vehicle)에도 사용할 수 있다. 즉, 다음에서 예를 들어 100kWh와 같은 높은 에너지 함량을 가진 외부 배터리를 사용한 실현이 가정된다.

전체 시스템의 의도된 최대 전력보다 작고 평균 연속 전력 20 ~ 30kW +/- 10kW에 해당하는 정상 작동 시에 요구되는 평균 전력을 공급하도록 구성된 상기 고전압 배터리의 장점은 고전압 경로를 통해 상기 고전압 배터리로 저전류만이 흐른다는 것이다. 이는 상기 고전압 배터리가 평균 구동 전력만 제공하고 피크 전력을 공급할 필요가 없다는 사실에 의해서만 보장된다. 따라서 25kW의 전력을 가정하면 상기 외부 배터리인 고전압 배터리에서 30A(25kW/800V = 30A)의 전류가 흐른다. 이에 비해 오늘날의 인버터는 150kWh의 피크 전력으로 작동하므로 수백 암페어의 전류가 흐른다.

또한, 상기 저전압 배터리가 단독으로 또는 고전압 섹션과 함께 작동 중에 요구되는 피크 전력을 공급하도록 구성되는 것이 유리하다. 이러한 방식으로 전기 모터를 작동하는 데 필요한 전체 전력 범위가 고전압 배터리와 협력하여 커버된다.

일반적으로 상기 고전압 배터리는 고전압 경로를 통해 상기 고전압 펄스 인버터에 연결되며, 여기서 상기 고전압 경로는 상기 저전압 배터리를 상기 저전압 펄스 인버터에 연결하는 것과 분리된다. 이는 서로 다른 전류와 서로 다른 크기와 두께의 케이블을 각 드라이브에 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이것은 전압이 높을 때 전류가 작고, 흐르는 작은 전류에 대해 얇은 케이블로 충분하다는 사실 때문이다. 즉, 한편으로는 상기 고전압 배터리로부터 상기 고전압 경로를 통해 전기 모터를 구동하고 다른 한편으로는 상기 저전압 배터리로부터 상기 저전압 드라이브를 통해 전기 모터를 구동함으로써 추가 리던던시(redundancy)가 달성된다.

또한, 상기 구동렬은 상기 고전압 펄스 인버터를 약 30A의 전류를 사용하도록 구성하면 상기 고전압 배터리를 쉽게 놓을 수 있는 얇은 케이블로 연결한다는 장점이 있다. 이를 통해, 25kW의 가정된 전력과 800V의 전압이 고전압 경로에 적용될 수 있다.

상기 저전압 배터리가 통합되고 회생된 에너지(recuperated energy) 를 저전압 배터리에 저장하도록 구성되어 있으면 실용적이다. 전기 자동차의 회생은 에너지를 회복할 수 있는 시스템이다. 이러한 에너지는 예를 들어 제동 시 회복된다. 회복을 통해 또는 고전압 배터리와 인버터를 통해 저전압 배터리를 충전할 수 있기 때문에 통합된 ED 배터리(전기 구동 배터리)를 위한 저전압 충전 연결이 필요하지 않다. 출력이 25kW 미만인 상기 고전압 펄스 인버터는 25kW의 전력을 계속 공급한다. 여기에 제공된 초과 전력은 회생 에너지의 형태로 하이브리드 배터리에 저장될 수 있다. 상기 고전압 펄스 인버터가 20 ~ 30kW의 출력으로 작동하도록 구성되면 바람직하다. 즉, 상기 고전압 펄스 인버터는 25kW 이상의 출력에서도 20kW의 전력을 제공한다. 필요한 나머지 전력은 상기 저전압 드라이브에서 제공한다. 또는 상기 고전압 펄스 인버터를 저출력으로 작동할 수도 있다(작동 전략).

또한, 상기 고전압 배터리가 통합되고 회생된 에너지를 저장하도록 구성되는 것이 유리하다. 상기 고전압 배터리로의 회생이 제공될 수 있지만 반드시 필요한 것은 아니다.

또한, 상기 저전압 배터리가 평균적으로 미리 정해진 SoC 수준을 유지하도록 구성 및 구동되는 것이 실용적이다. SoC는 충전 상태(State of Charge)로 알려져 있으며 배터리의 충전 상태를 나타낸다. 이는 평균 SoC 수준에서 회생과 에너지 출력이 모두 가능하다는 것을 의미한다. 이는 더 이상 외부에서 하이브리드 배터리를 충전할 필요가 없다는 장점이 있다.

또한, 상기 고전압 펄스 인버터가 작동 중에 한 방향으로 제1 토크를 생성하도록 구성되고, 상기 저전압 펄스 인버터가 그것에 의해 생성된 제2 토크를 상기 제1 토크에 추가되거나 그것에 의해 생성된 제 2 토크가 상기 제1 토크를 상쇄하거나 부분적으로 상쇄하고 차량이 주행 중이거나 정지한 상태에서 에너지가 상기 저전압 배터리에 회복되는 방식으로 작동하도록 구성되는 것이 유리하다. 정지 상태에서 충전을 원하는 경우 가능하다. 이 경우 상기 전기 모터는 이 작동 모드에서 변압기로 작동한다.

또한, 고전압 중간 회로에 고전압 충전기를 연결하는 것이 좋다.

정상 운전 중 및 정지 상태일 때 상기 전기 모터 내의 유도 결합을 통해 상기 저전압 배터리의 에너지를 전달하기 위해 고전압 배터리를 구성하고 연결하여 것이 실용적이다. 즉, 이러한 시스템에 필요한 노력은 기존 케이지 고정자(cage stator) 외에 모터에 통합되는 추가 3상 또는 다상 고전압 모터 권선이다.

본 발명은 또한, 특히 본 발명에 따라, 즉 전술한 측면들(aspects) 중 하나에 따라 설계된 구동렬을 갖는 승용차, 트럭 또는 다른 상업용 차량과 같은 자동차용 전기 구동 시스템에 관한 것이고, 전기 모터와 에너지 공급 장치를 포함하고, 예를 들어 상기 에너지 공급 장치는 전기 모터에서 반경 방향으로 바깥쪽으로 그리고 전기 모터 주위에서 원주 방향으로 인접하여 배치되며, 여기서 고전압 권선들은 저전압 로드들을 둘러싸도록 구성된다.

또한, 본 발명은 60V 미만의 전압을 가진 저전압 배터리에 의해 공급되는 직류를 교류로 변환하도록 구성된 저전압 펄스 인버터가 있는 승용차, 트럭 또는 다른 상용차와 같은 자동차용 전기 모터에 관한 것이기도 하다. 여기서, 저전압 드라이브에 연결된 상기 저전압 펄스 인버터와 분리된 고전압 펄스 인버터는 직류 60V보다 큰 전압을 교류로 변환하도록 구성되며, 상기 고전압 드라이브의 고전압 권선들은 상기 저전압 드라이브의 저전압 로드들을 둘러싸도록 구성된다. 이 전기 모터가 본 발명에 따른 구동렬에 유리하게 제공되면 실용적이다.

더욱이, 본 발명은 특히 차량용 전기 구동 시스템이 전기 모터와 에너지 공급 장치를 포함한다는 점에서 더욱 발전될 수 있다. 여기서 상기 에너지 공급 장치는 상기 전기 모터의 반경 방향 외측에, 특히 360도의 각도 연장으로 전기 모터 주위에 원주 방향으로 배치된다.

상기 에너지 공급 장치가 상기 전기 모터가 위치한 내부 중공 영역(inner hollow area), 특히 실린더 축과 모터 축이 동일 선상에 있는 중공 원통형 하우징(hollow cylindrical housing)에 수용되면 또한 실용적이다.

상기 중공 원통형 하우징이 바람직하게는 축 방향으로 연장되는 복수의 리세스들, 특히 원통형 리세스들을 가지면 유리하며, 여기에 전력 저장 셀(power storage cell)이 수용되거나 적어도 수용될 수 있다.

상기 중공 원통형 하우징을 축 방향으로 여러 개의 링 요소들로 분할하는 것이 실용적이다. 특히 이들의 축 방향 길이는 각각의 원통형 리세스에 축 방향으로 놓인 정확히 하나의 전력 저장 셀을 수용하도록 조정된다.

상기 중공 원통형 하우징, 특히 각각의 링 요소가 원주 방향으로 적어도 2개의 세그먼트들(segments)로 분할되는 것이 더욱 유리하다.

더욱이, 커넥터 보드, 특히 원형 세그먼트 형태의 커넥터 보드가 링 요소들의 2개의 인접한 세그먼트들 사이에 배치되면 바람직하다.

유리하게는, 상기 커넥터 보드는 축 방향으로 줄지어(one behind the other) 배치된 모든 세그먼트들의 적어도 일부, 특히 그룹의 상기 전력 저장 셀들을 직렬로 전기적으로 연결하는 데 사용된다.

더욱이, 각각의 원주 방향으로 인접한 세그먼트 사이의 영역에서 축에 평행하게 연장되는 보드가 공통 원주 위치의 모든 축 방향으로 연속적인 세그먼트들에 대해 배치된다면 실용적이다. 특히, 상기 보드는 상기 에너지 공급 장치의 중공 원통형 하우징의 전체 축 방향 길이에 걸쳐 실질적으로 연장되고, 여기서 상기 보드는 축 방향으로 줄지어 놓인 두 개의 인접한 세그먼트들 사이의 각 커넥터 보드에 전기적으로 연결된다.

전력 저장 셀 관리, 특히 각 세그먼트에서 또는 공통 원주 위치의 모든 세그먼트들에서 셀 전압을 테스트하기 위한 전력 저장 셀 관리를 위한 전자 장치를 상기 보드에 포함하면 바람직하다.

적어도 하나의 제어 보드가 상기 에너지 공급 유닛과 전기 모터의 축 단부면(axial end faces)과 적어도 부분적으로 겹치도록 배치되는 것이 실용적이며, 상기 제어 보드는 상기 에너지 공급 유닛의 에너지를 상기 전기 모터의 고정자 전류 시스템에 특히 제어 또는 규제 방식으로 분배하도록 배치된다.

원주 방향으로 연장되는 상기 에너지 공급 장치의 상기 중공 원통형 하우징의 각 세그먼트에 또는 특히 공통 원주 위치에 배치된 축 방향으로 놓여있는 링 요소들의 모든 세그먼트들에 별도의 제어 보드가 할당되면 유리하다. 특히, 상기 제어 보드는 상기 고정자 전류 시스템의 일부에 연결되는 원형 링 세그먼트 모양의 디자인을 가지는 경우, 특히 관련 세그먼트와 동일한 각도 범위에 걸쳐 확장되는 경우에 유리하다.

적어도 하나의 제어 보드가 상기 전기 모터를 제어하기 위한 전력 전자 장치를 형성하면, 특히 상기 세그먼트들에 할당된 모든 제어 보드들이 상기 전기 모터를 제어하기 위한 각각의 전력 전자 장치를 형성하면 바람직하며, 각각의 전압, 특히 공통 원주 위치에서 축방향으로 줄지어 놓인 일련의 총 전압이 전기적으로 연결되어, 특히 상기 전기 모터가 단일 원주 위치의 세그먼트들의 에너지 및 전력 전자 장치로만 작동할 수 있다.

상기 전기 모터의 고정자를 통해 축 방향으로 연장되고 한쪽 끝에서 공통 단락 링에 연결되고 다른 쪽 끝에서 제어 보드, 특히 위에서 설명한 제어 보드에 연결되는 복수의 전압 인가 가능한(energizable) 로드들에 의해 상기 고정자 전류 시스템이 형성되는 것이 더욱 유리하다.

더욱이, 상기 고정자 전류 시스템이 3개 이상의 위상들, 바람직하게는 적어도 6개의 위상들에 할당된 복수의 전류 유닛들, 특히 권선들 또는 바람직하게는 로드들을 갖는 경우에 실용적이며, 여기서, 특히 2개의 위상들 사이의 전압 차이는 또는 한 위상과 접지 사이의 전압 차이는 60V 이하이다.

상기 에너지 공급 장치의 상기 중공 원통형 하우징, 특히 각 세그먼트가, 특히 적어도 단부에서 축(axial) 안내 홈에 활주식으로 맞물리는 방사상 웹들(webs)에 의해, 축 방향으로 상기 전기 모터의 외부 쉘 표면에 꽂히거나 밀어 넣어질 수 있는 경우에 유리하다.

또한, 상기 에너지 공급 장치와 상기 전기 모터는 특히 방사상 거리에 의해 서로 열적으로 절연되며, 바람직하게는 상기 에너지 공급 장치의 하우징과 상기 전기 모터의 하우징이 웹으로만 연결된다.

특히 상기 전기 모터 및/또는 상기 에너지 공급 장치를 통해 축 방향으로 연장되는 히트 파이프를 통해 상기 전기 모터 및 상기 에너지 공급 장치가 각각 고유하고 독립적인 방열 시스템을 갖는 것이 바람직하다.

상기 전기 모터의 판금(sheet metal)에서, 적어도 하나의 홈이 고정자의 내경으로 연장되고, 여기에 제어 보드의 전력 전자 장치로부터 홈으로 돌출하는 자기장 센서가 배치되는 것이 유리하다.

또한, 회전 각을 감지하기 위해 상기 전기 모터의 축에 적어도 하나의 영구 자석을 배치하는 경우에 실용적이고, 그 위에 위치한 보드, 특히 전면(front-side) 제어 보드에 장착된 회전 각 센서, 특히 180도 센서에 의해 자기장이 감지될 수 있다.

또한, 본 발명은 앞의 측면들 중 하나에 따른 구동렬을 사용하여 승용차, 트럭 또는 다른 상업용 차량과 같은 자동차에서 전기 모터를 작동시키는 방법에 관한 것으로, 고전압 배터리는 고전압 경로를 통해 전압을 고전압 드라이브에 공급하고, 저전압 배터리는 저전압 경로를 통해 저전압 드라이브에 전압을 공급하고, 여기서 상기 고전압 경로의 전압은 상기 저전압 경로의 전압보다 4배 이상 높다.

본 발명은 또한 저전압 배터리가 승용차, 트럭, 기차, 선박 또는 항공기와 같은 육상, 수상 또는 항공 차량과 같은 차량에서 예를 들어 발전기로도 사용될 수 있는 전기 모터의 에너지 공급 또는 한편으로는 펌프나 발전기와 같은 어그리게이트(aggregate)의 에너지 공급을 위한 차량 구동 시스템용 전력 저장 모듈로 사용되도록 구성된다는 점에서 더욱 발전될 수 있다. 여기서, 복수의 전력 저장 셀들이 결합/요약되어 배터리, 예를 들어 패키지를 형성하고, 전력 저장 셀들의 적어도 일부, 바람직하게는 모든 전력 저장 셀들이 전기 전도성 방식으로 여러 커넥터 보드들에 연결되고, 커넥터 보드들은 통합된 배터리 관리 시스템(BMS)이 있는 적어도 하나의 전자 보드가 과 접촉하도록 준비/구성된다.

적어도 하나의, 바람직하게는 완전하게, 절연되지 않은 전도체 조각을 통해 전력 저장 셀과 커넥터 보드들 사이에 전기적 연결을 설정하는 것이 실용적이다. 절연이 필요하지 않으며 연결 위치를 현명하게 선택하면 "작은 단면의" 커넥터들(즉, 단면이 작은 커넥터들)을 사용할 수 있다. 이러한 방식으로, 절연된 케이블들의 무게 집중적인(weight-intensive) 사용을 피할 수 있으며 상대적으로 값 비싼 플러그 및 커넥터 리셉터클 사용이 더 이상 필요하지 않는다.

상기 전력 저장 모듈에 사용되는 커넥터 보드들은 상기 전력 저장 셀들의 위와 아래에 편리하게 위치해 있어 상기 전력 저장 모듈이 여러 전력 저장 셀들을 서로 전기적으로 연결할 수 있도록 한다. 한편, 전력 저장 셀들을 콤팩트하게 결합하여 패키지와 같은 배터리를 형성하는 것도 가능하다. 이는 상기 배터리가 차량이나 이와 유사한 물체에 쉽게 설치할 수 있는 소형 축전 모듈이라는 장점을 가진다.

예를 들어, 상기 전도체 조각이 와이어 또는 밴드로 설계되거나 상기 전도체 조각이 탄력적이거나 수축 특성을 갖는 경우에 실용적이다. 와이어 또는 밴드 형태의 전도체 조각을 사용하면 상기 전력 저장 셀 극들을 선으로 서로 배선하는 상당한 노력을 없앨 수 있다. 각 전력 저장 셀의 양쪽에 있는 상기 전도체 조각의 탄성 또는 수축 특성을 활용함으로써, 충격에 따른 반동이 또한 스프링 장착(spring-loaded)되고, 상기 전력 저장 셀은 이동할 때마다 원래 위치로 돌아가기 때문에, 외부 충격 시 관성력으로 인해 접촉이 손실되지 않는다. 상기 전도체 조각이 와이어 또는 밴드로 설계된 경우 상기 전력 저장 셀과 상기 커넥터 보드들 사이를 이동할 공간이 없다. 상기 전력 저장 모듈의 외부로부터의 타격은 이 경우에도 접촉 손실로 이어지지 않는다. 타격으로 인한 전력 저장 셀의 변위가 초기 위치에서 끝나기 때문이다.

상기 전도체 조각이 상기 커넥터 보드를 통해 또는 상기 커넥터 보드를 지나서 상기 전력 저장 셀을 향하는 일 측으로부터 상기 전력 저장 셀에서 먼 쪽을 향하는 상기 커넥터 보드의 일측으로 연장되거나, 상기 전도체 조각이 상기 전력 저장 셀로부터 먼 곳에서 상기 전력 저장 셀을 향하는 상기 커넥터 보드의 일 측까지만 연장되면 더 유익하다.

즉, 상기 전도체 조각의 한쪽 끝은 항상 각 전력 저장 셀의 한쪽 끝에 고정되고 상기 전도체 조각의 다른 쪽 끝은 상기 전력 저장 셀에서 먼 쪽을 향하는 상기 커넥터 보드의 표면에 고정되거나 상기 전력 저장 셀을 향하는 상기 커넥터 보드의 표면에 고정된다.

이러한 방식으로, 다른 실시 예가 가능하게 된다. 각각의 실시예들은 소형 전력 저장 모듈을 생성하고 적절한 전기 접촉이 가능하게 하지만 다양한 애플리케이션에 최적화된다. 두 경우 모두 상기 전도체 조각을 교차할 필요가 없고, 그렇지 않으면 더 많은 공간과 전도체 조각들의 필요한 절연이 요구된다.

특히 두 커넥터 보드들 모두가 각 커넥터 보드에 각 축전 셀 중앙에 관통 구멍을 가지는 경우 (예: 상기 전도체 조각을 통과시키기 위해 구멍, 특히 드릴 구멍의 형태로), 전력 저장 모듈을 형성하기 위한 상기 전력 저장 셀들의 간단하고 공간 절약적인 조립이 달성될 수 있다.

이러한 유형의 처리에서 상기 전도체 조각의 길이가 상기 전력 저장 셀의 직경보다 작을 때, 예를 들어 상기 전력 저장 셀 직경의 1/20 미만일 때 또 다른 이점이 달성된다. 이를 통해 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 상기 전력 저장 모듈의 총 중량을 줄여 관리할 수 있다. 상기 커넥터 보드 상에 전도체 트랙들을 사용함으로써 각 전도체 조각의 짧은 길이와 작은 직경이 또한 가능하다.

상기 전도체 조각이 스폿 용접 및 레이저 용접 또는 초음파 본딩을 통해 상기 전력 저장 셀에 고정되고 상기 전도체 조각이 납땜 또는 본딩을 통해 상기 커넥터 보드에 고정되는 경우가 바람직하다. 이러한 방식으로 각 전력 저장 셀 극들 사이에 전기적 연결을 설정하는 데 필요한 노력이 제한치 이내로 유지되며 요구 사항에 맞는 접촉을 위한 연결 방법을 사용할 수 있다.

더욱이, 상기 전도체 조각(들)이 주로 수평으로 배치되고/거나 상기 전력 저장 셀의 한 쪽에 배치되도록 배향되어있는 경우, 특히 (불필요하게) 긴 전도체 조각을 사용하지 않아도 되기 때문에 실용적이다.

상기 전도체 조각이 상기 전력 저장 모듈의 전력 저장 셀을 고정하는 데 사용되는 스프링으로 설계되면 실용적이다. 여기서 각각의 스프링은 상기 전력 저장 셀의 종축 방향으로 퉁겨지는 방식으로 배향된다. 이러한 설계는 상기 전력 저장 셀에 외부 영향을 보상하기 위해 이동할 공간을 제공한다.

상기 스프링이 상기 커넥터 보드 및/또는 상기 전력 저장 셀 자체에 부착된 경우에 바람직하다. 각 전력 저장 셀 극에는 상기 전력 저장 셀의 중앙에 있는 하나의 스프링만이 사용된다. 이렇게 하면 거리가 동일하게 유지되어 조립이 용이하고 설치가 간단 해진다. 연결들 간의 간섭도 방지된다.

상기 전도체 조각으로서 스프링을 통해 접촉하는 이점은 단일 커넥터 보드가 양쪽에서 전력 저장 셀들과 전기적으로 연결될 때, 특히 한쪽이 제1 전력 저장 모듈의 전력 저장 셀과 연결되고 다른 쪽이 제2 전력 저장 모듈의 전력 저장 셀과 연결될 때이다. 이것은 개별 전력 저장 셀을 위한 (불필요한) 연결 재료가 없고 상기 커넥터 보드를 통과해야 하고 상기 커넥터 보드의 서로 다른 두 표면에 배치되는 전도체 조각들이 없다는 것을 의미한다.

또한, 상기 배터리 내의 상기 전력 저장 모듈의 전력 저장 셀이 직렬 및 병렬로 연결되는 것이 유리하다. 그러면 상기 커넥터 보드들은 짧은 전도체 조각으로 상기 커넥터 보드들에 사용된 전도 경로의 도움으로 상기 전력 저장 셀들을 직렬로 연결할 수 있는 가능성을 제공한다.

또한, 상기 전력 저장 셀들을 체스 판과 같은 패턴으로 배치하거나 설치 공간을 절약하기 위해 고밀도 패키지 방식으로 배치하는 것이 실용적이다.

또한, 상기 전력 저장 모듈은 전자 부품들이 상기 배터리의 말단에 부착된 전자 보드에 배터리 관리 시스템(BMS)과 함께 배치될 때 상기 전력 저장 모듈은 이점이 있다. 이러한 배치를 통해 전자 부품들과 결합된 배터리 관리 시스템을 상기 커넥터 보드에 일체형으로 부착할 수 있다. 여러 전자 보드들은 공통 전자 보드로 결합될 수도 있다는 점에 유의해야 한다.

보다 콤팩트한 시스템을 확보하고 배터리 관리 시스템과 전자 보드에 설치된 전자 부품 사이의 문제없는 접촉 및 전기적 연결을 가능하게 하기 위해 상기 전자 보드가 플러그 연결로 상기 커넥터 보드들에 연결되는 것이 좋다. 이러한 방식으로 상기 전력 저장 모듈은 추가 배선 없이 서로 접촉하는 개별 보드들을 포함하며 특정 구성 요소의 교체도 용이하다.

특정 전자 부품들이 상기 전자 보드에서 상기 커넥터 보드로 아웃소싱되고 온도 센서들이 상기 배터리에 직접 삽입되고, 한편으로는 전자 부품을 아웃소싱될 수 없는 전자 부품을 위한 전자 보드에 공간을 만들고 다른 한편으로는 전자 부품의 특정 분류를 허용하면 실용적이다. 즉, 온도 센서를 배터리에 직접 배치하는 것이 편리하다. 따라서, 전력 전자의 요구 사항을 충족해야 하고 아웃소싱되지 않은 전자 부품이 상기 전자 보드에 설치되는 것이 유리하다. 전력 전자(power electronics)는 스위칭 전자 부품들로 전기 에너지의 변환을 다루는 전기 공학의 한 분야로 이해된다.

상기 배터리 관리 시스템 신호들이 상기 커넥터 보드들을 통해 라우팅되고 상기 배터리 관리 시스템의 에너지 공급이 상기 플러그 연결들을 통해 이루어 지도록 상기 플러그 연결을 구성하면 실용적이다.

추가 실시 예는 냉각수-유체 안내 수단이 존재할 때 실현되며, 이는 냉각 및 방열에 사용되는 유체, 예를 들어 공기를, 특히 상기 전력 저장 셀의 길이 방향으로 안내하며, 여기서 상기 전력 저장 셀에서 상기 유체로의 열 전달이 보장된다. 이는 개별 전력 저장 셀이 과열되는 것을 방지하고, 따라서 모든 전력 저장 셀들이 동일한 온도를 가질 수 있다.

이를 위해 상기 전력 저장 모듈 및/또는 전력 저장 모듈들이 공통의/균일한 하우징에 배치되어 상기 전력 저장 셀들의 균일한 냉각을 보장하고 상기 냉각 유체가 빠져 나갈 수 없는 경우에 실용적이다.

궁극적으로, 적어도 하나의 전력 저장 모듈을 냉각하는 방법이 유리하며, 여기서 냉각 유체 안내 수단은 냉각 및 방열을 실현하기 위해 특히 전력 저장 셀을 지나 종축 방향으로 안내되는 공기와 같은, 유체와 같은, 냉각 유체를 안내하는 데 사용되고, 전력 저장 셀로부터 유체로의 열 전달이 보장된다.

도 1은 구동렬의 개략적인 구조를 보여준다.
도 2는 상기 고전압 부품들의 개략적인 구조를 보여준다.
도 3은 상기 저전압 부품들의 개략적인 구조를 보여준다.

도면들은 본질적으로 개략적이며 본 발명을 이해하는 데만 사용된다. 동일한 요소들은 동일한 참조 기호로 표시된다.

도 1은 구동렬의 개략적인 구조를 보여준다. 상기 구동렬은 고전압 배터리(2)와 저전압 배터리(3) 모두에 연결된 전기 모터(1)를 포함한다. 고전압 배터리(2)는 고전압 경로(4)를 통해 고전압 펄스 인버터(5)에 연결된다. 고전압 펄스 인버터(5)는 고전압 드라이브(6)를 구동한다. 고전압 드라이브(6)는 3개의 고전압 위상들을 포함한다. 저전압 배터리(3)는 저전압 드라이브(8)를 구동하는 저전압 펄스 인버터(7)에 연결된다. 저전압 드라이브(8)는 예를 들어 32개의 위상들로 구별된다.

도 2는 상기 고전압 부품들의 개략적인 구조를 보여준다. 고전압 배터리(2)는 고전압 드라이브(6)의 에너지 공급을 나타낸다. 고전압 드라이브(6)는 고전압 펄스 인버터(5)를 통해 고전압 배터리(2)에 전기적으로 연결된다. 고전압 드라이브(6)는 전술한 3개 위상들에 대응하는 3개의 고전압 권선들(9)로 도 2에서 표시된다. 고전압 드라이브(6)의 예시는 단지 예시적인 구성일 뿐이며 이를 3개의 고전압 권선들(9)로 제한하지 않지만, 그 중 몇 개를 포함할 수도 있다.

도 3은 상기 저전압 부품들의 개략적인 구조를 보여준다. 도 3에서, 3개의 저전압 배터리(2)가 도시되어 있으며, 각각은 저전압 펄스 인버터(7)를 통해 저전압 드라이브(8)에 전기적으로 연결된다. 저전압 펄스 인버터(7)는 각각 8개의 저전압 로드들(10)에 전기적으로 연결된다. 이 예시적인 실시 예에서, 저전압 드라이브(8)는 총 24개의 저전압 로드들(10)로 구성된다. 저전압 드라이브(8)의 이러한 예시는 단지 예시적인 구성일 뿐이며 이를 24개의 저전압 로드들(10)로 제한하지 않고 32개의 저전압 로드들(10) 또는 임의의 다른 개수를 포함할 수도 있다.

본 발명의 추가 실시 예(미도시)는 고전압 권선들(9)은 InED 드라이브(Integrated Electric Drive)의 저전압 로드들 옆에 배치되고, 고전압 권선들(9)은 두 개의 독립 고정자가 동일한 로터로 작동하는 저전압 드라이브(8)에 직렬로 (아래에) 배치되거나, 하나의 InED(Integrated Electric Drive) 세그먼트가 고전압 권선(9)으로 교체된 것, 예를 들어, 32개 대신 24개의 저전압 로드들(10) 및 3개의 고전압 권선들(9)을 특징으로 한다.

1 전기 모터
2 고전압 배터리
3 저전압 배터리
4 고전압 경로
5 고전압 펄스 인버터
6 고전압 드라이브
7 저전압 펄스 인버터
8 저전압 드라이브
9 고전압 권선
10 저전압 로드

Claims (10)

1. 정상 작동 모드에서 에너지를 공급하기 위해 고전압 배터리(2)에 연결된 적어도 하나의 전기 모터(1)를 갖는 자동차와 같은 차량용 또는 고정 애플리케이션용 구동렬로서,
   여기서, 고전압 배터리(2)와 분리된 저전압 배터리(3)는 전기 모터(1)에 대안적으로 및/또는 추가적으로 에너지를 공급하기 위해 제공되며, 상기 저전압 배터리(3)는 저전압 펄스 인버터(7)를 통해 저전압 로드들(10)이 있는 저전압 드라이브(8)에 공급하기 위해60V 미만의 전압을 출력하도록 구성되고, 고전압 배터리(2)는 고전압 펄스 인버터(5)를 통해 고전압 권선들(9)이 있는 고전압 드라이브(6)에 공급하기 위해 60V 이상의 전압을 출력하도록 구성되고, 고전압 권선들(9)은 저전압 로드들(10)를 둘러싸도록 구성되는, 구동렬.
2. 제1항에 있어서, 상기 고전압 배터리(2)는 외부 배터리인 것을 특징으로 하는 구동렬.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고전압 배터리(2)는 정상 작동 중에 요구되는 평균 전력을 제공하도록 구성되며, 이는 전체 시스템의 의도된 피크 전력보다 작고 평균 연속 전력에 해당하는 것을 특징으로 하는, 구동렬.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저전압 배터리(3)는 정상 작동 중에 요구되는 피크 전력을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 구동렬.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 중에 한 방향으로 제1 토크를 생성하도록 구성된 고전압 펄스 인버터(5)가 있고, 그에 의해 생성된 제2 토크를 상기 제1 토크에 추가하거나, 상기 제1 토크를 상쇄하거나 부분적으로 상쇄하고 상기 차량이 주행 중이거나 정지 상태일 때 에너지가 상기 저전압 배터리(3)에서 회복되는 방식으로 작동하도록 구성된 저전압 펄스 인버터(7)가 있는 것을 특징으로 하는, 구동렬.
6. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고전압 배터리(2)가 있으며, 여기서 상기 고전압 배터리(2)는 주행 중 또는 정지 상태에서 정상 작동 중에 전기 모터(1) 내의 유도 결합에 의해 상기 저전압 배터리(3)로 에너지를 전달하도록 구성되고 통합되는 것을 특징으로 하는, 구동렬.
7. 특히 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 구동렬과 전기 모터(1) 및 에너지 공급 장치를 구비하고, 여기서 상기 에너지 공급 장치는 상기 전기 모터(1) 주변의 원주 방향으로 배치된 자동차용 전기 구동 시스템으로서, 고전압 권선들(9)이 저전압 로드들(10)을 둘러싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 구동 시스템.
8. 60V 미만의 전압을 가진 저전압 배터리(3)에서 공급하는 직류를 교류로 변환하도록 구성된 저전압 펄스 인버터(7)를 포함하는 자동차용 전기 모터(1)로서, 저전압 드라이브(8)에 연결된 저전압 펄스 인버터(7)와 분리된, 고전압 드라이브(6)에 연결된 고전압 펄스 인버터(5)가 있으며, 여기서 상기 고전압 펄스 인버터(5)는 60V 이상의 직류 전압을 교류로 변환하도록 구성되며, 상기 고전압 드라이브(6)의 고전압 권선들(9)은 상기 저전압 드라이브(8)의 저전압 로드들(10)을 둘러싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 전기 모터(1).
9. 제9항에 있어서, 제8항에 따른 전기 구동 시스템에 내장되거나 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 구동렬에 사용되는 것을 특징으로 하는, 전기 모터(1).
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 구동렬을 갖는 자동차에서 전기 모터(1)를 작동시키는 방법으로서, 고전압 배터리(2)는 고전압 경로(4)를 통해 고전압 드라이브(6)에 전압을 공급하고 저전압 배터리(3)는 저전압 드라이브(8)에 전압을 공급하고, 여기서 상기 고전압 경로(4)의 전압은 상기 저전압 드라이브(8)의 공급 전압의 적어도 4배인 것을 특징으로 하는 방법.

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