KR20220108759A - 전기 자동차 ｄｃ-ｄｃ 부스트 컨버터 - Google Patents

전기 자동차 ｄｃ-ｄｃ 부스트 컨버터 Download PDF

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KR20220108759A
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boost
charging
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input
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KR1020227001174A
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스테판 스몰렌넬스
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인베르티드파워 피티와이 엘티디
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Abstract

전기차 충전용 장치 및 방법. 전기차를 충전하기 위해 재구성된 제2 상태의 제어부는 선택적으로 차량의 충전 포트 단자들 중 하나 이상을 전기차의 모터의 둘 이상의 구동 회로의 연결 지점들 중 하나 이상에 연결한다. 제어부는 또한 둘 이상의 구동 회로들 중 나머지 하나 이상을 제어하여 전기차의 트랙션 배터리와 같은 DC 에너지 소스로의 충전 전류 또는 충전 전압 중 하나 이상을 조절하여 에네지가 공급되도록 할 수 있다.

Description

전기 자동차 DC-DC 부스트 컨버터
본 발명은 전기차에 사용되는 부스트 컨버터에 관한 것이다.
본 발명은 주로 플러그인 전기차와 함께 사용하기 위해 개발되었으며 그 응용을 참조하여 이하에서 설명될 것이다. 하지만, 본 발명은 그러한 특정 사용 분야에 한정되지 않고 개인용, 상업용 또는 다른 용도이든, 플러그인 하이브리드 전기차와 같은 다른 차량 용도에도 적용 가능하다는 것이 인식될 것이다.
명세서 전반에 걸친 배경 기술에 대한 어떤 논의도 그러한 기술이 널리 알려져 있거나 해당 분야에서 공통적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 것을 인정하는 것으로 간주되어서는 안된다.
전기차를 충전하기 위한 다양한 알려진 방식(arrangements) 및 장치(apparatus)가 있지만 이들 중 어느 것도 충전에 대한 완전히 만족스러운 해결책을 제공할 수 없다.
따라서, 전기차의 향상된 DC-DC 부스트 컨버터가 이 기술 분야에 필요하다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점 중 하나 이상을 극복 또는 개선하거나, 유용한 대안을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면 다음을 포함하는 전기차가 제공된다: 몸체; 상기 몸체에 장착되고 제1 DC 전압인 온보드 DC 에너지 소스; 상기 차량에 견인 에너지를 공급하기 위해 상기 몸체에 장착된 하나 이상의 전기 모터 - 상기 모터는 하나 이상의 유도 권선을 포함함 -; 둘 이상의 하프 브리지 구동 회로 - 각 구동 회로는 하나 이상의 유도 권선에 연결되는 연결 지점을 포함함 -; 제2 DC 전압인 외부 DC 에너지 소스와 연결하기 위해 상기 몸체에 장착된 둘 이상의 포트 단자들을 가지는 포트 - 상기 단자들 중 하나 이상은 상기 차량의 상기 둘 이상의 구동 회로의 상기 연결 지점들 중 하나 이상에 선택적으로 연결됨 -; 및 제1 상태/모드 또는 제2 상태/모드에서 동작하기 위한 상기 차량 내의 제어부; 상기 제1 상태에서 상기 제어부는 상기 모터가 상기 견인 에너지를 제공하도록 상기 유도 권선들 중 하나 이상에 에너지를 공급하기 위해 상기 온보드 DC 에너지 소스로부터 전류가 인출되도록 하고; 상기 제2 상태에서 상기 제어부는 상기 나머지 구동 회로들 중 하나 이상을 제어하여 상기 유도 권선들 중 하나 이상에 에너지가 공급되어 상기 DC 에너지 소스로 충전 전류를 제공하도록 한다.
바람직하게는 상기 제어부는 부스트 컨버터로 동작한다. 바람직하게는 상기 제어부가 상기 제2 상태에서 동작할 때 상기 제1 DC 전압은 상기 제2 DC 전압보다 크다. 바람직하게는, 상기 제어부로의 DC 입력은 제1 상태(트랙션 구동 모드)에서 연결 지점으로부터 선택적으로 분리될 수 있는 커패시터 또는 필터를 포함하고 제2 상태(충전 모드)에서 선택적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면 다음을 포함하는 차량의 전기 배터리용 DC-DC 부스트 컨버터가 제공된다: 고전압 전위 레일 및 저전압 전위 레일, 직렬인 제1 스위치 쌍, 직렬인 제2 스위치 쌍, 직렬인 제3 스위치 쌍, 각 스위치에 걸쳐 연결된 프리휠링(freewheeling) 다이오드, 상기 세 스위치 쌍은 상기 고전압 전위 및 저전압 전위 레일에 걸쳐 연결되어 브리지 배열을 형성하고, 상기 차량의 트랙션 모터의 셋 이상의 유도 권선은 각 스위치 쌍의 스위치들 사이에서 다른 스위치 쌍의 다른 스위치들 사이에 연결되고, 상기 제1 스위치 쌍의 스위치들 사이에 인가된 직류 소스 전압 전위는 상기 배터리를 충전하기 위해 상기 고전위 레일의 보다 높은 전위로 부스팅되고, 및
상기 소스 전위의 상기 더 높은 전위로의 상기 부스팅은 상기 스위치들의 진폭변조(pulse width modulation)에 의해 제어되는, 차량의 전기 배터리용 DC-DC 부스트 컨버터.
본 발명의 제3 측면에 따르면 구동 인버터 및 온보드 DCDC 부스트 충전기를 가지는 전기차용 컨버터가 제공되는데, 상기 컨버터는 다음을 포함한다: 전기 트랙션 모터; 및 외부 DC 전원 또는 외부 DC 충전기 소스와 인터페이싱 하기 위한 DC 인렛 / 입력부; 제1 모드에서 상기 컨버터는 온보드 트랙션 배터리 팩으로부터의 전력을 사용하여 상기 트랙션 모터에 선택적으로 제공하고, 제2 모드에서 상기 컨버터는 상기 외부 DC 소스를 수용하여 상기 온보드 트랙션 배터리 팩을 충전하도록 보다 높은 전압 전위로 부스팅하도록 선택적으로/재구성되고, 제2 모드에서 전류는 상기 모터의 유도 권선 전의 AC 풀-브리지 정류기를 통과하지 않고, 상기 DC 인렛/입력부의 상기 전력 레일들 중 하나는 상기 전기 모터의 유도 권선/들 중 하나 이상에 연결된다.
바람직하게는 상기 전기 모터는 추진 제1 모드에서 AC 전류를 수용하고, 충전 제2 모드에서 DC 전류를 수용한다. 바람직하게는 상기 외부 충전 스테이션은 상기 온보드 트랙션 배터리보다 낮은 전압 전위이다. 바람직하게는 상기 컨버터에 대한 상기 DC 입력부는 상기 입력부에 커패시터 또는 필터를 가지고, 상기 커패시터/필터는 상기 구동 회로 상들 중 하나 이상에, 또는 상기 트랙션 모터의 상기 유도 권선의 상기 상들 중 하나 이상에 연결 또는 분리될 수 있다.
본 명세서 전체에서 "하나의 실시예", "일부 실시예", "한 실시예", "한 장치", "하나의 장치"에 대한 참조는, 실시예 또는 장치와 관련되어 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 하나 이상의 실시예 또는 장치에 포함됨을 의미한다. 따라서, 이 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에서의 "하나의 실시예에서", "일부 실시예에서", "한 실시예에서", "하나의 장치에서", 또는 "한 장치에서"라는 문구의 출현은, 반드시 모두 동일한 실시예 또는 장치를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수도 있다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성들은, 하나 이상의 실시예 또는 장치에서, 본 발명으로부터 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백하듯이, 어떤 적합한 방식으로 결합될 수 있다.
여기 사용되었듯이, 달리 명시되지 않으면, 공통된 대상을 설명하기 위한 서수 형용사 "제1", "제2", "제3", 등의 사용은 단순히 주어진 대상의 클래스에서 다른 대상의 예를 지칭할 수 있고, 단순히 사용한다고 해서 설명되는 대상들이 시간적, 공간적으로, 순위적으로, 중요도 또는 다른 방식으로 주어진 순서에 있어야 한다는 것을 암시하려고 의도된 것은 아니다.
달리 정의되지 않는 한, 여기 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
관사 "한(a)" 및 "한(an)은 문맥이 달리 요구하지 않는 한 관사의 문법적 목적 중 하나 또는 둘 이상(즉, 적어도 하나)를 지칭하기 위해 여기에 사용되었다. 예를 들면, "한 구성요소"는 보통 하나의 구성요소 또는 둘 이상의 구성요소를 지칭한다.
여기 사용되었듯이, "예시"라는 용어는 품질을 나타내는 것과는 반대로 예를 제공하는 의미로 사용된다. 즉, "예시 실시예"는 예로서 제공된 실시예이고, 반드시 예시적인 품질의 실시예인 것과는 대조적이다.
본 발명의 추가 형태는 첨부된 청구항에 설명된 것과 같고 상세한 설명으로부터 명백하다.
첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예들이 단지 예시로서 이하 설명될 것인데:
도 1은 전기차의 섀시 구성요소의 단면 평면도의 개략도이다.
도 2는 도 1의 상기 전기차에 적용되거나 구성될 수 있는 새로운 DC-DC 부스트 컨버터(210)에 대한 회로도의 개략도이다.
도 3은 도 2의 그것에 대한 대안적인 DC-DC 부스트 컨버터에 대한 회로도의 개략도이다.
도 4는 도 2의 그것에 대한 다른 대안적인 DC-DC 부스트 컨버터에 대한 회로도의 개략도이다.
도 5는 트랙션 배터리에 DC-DC 벅 모드(buck mode, 또는 '강압 모드'라고도 지칭함) 충전기를 제공하기 위한 도 2에 대한 대안적인 방식의 회로도의 개략도이다.
도 6은 도 5의 그것에 대한 대안적인 DC-DC 벅 모드 충전기에 대한 회로도의 개략도이다.
도 7은 부스트한 다음에 벅(buck, 또는 '강압')하는 DC-DC 컨버터에 대한 회로도의 개략도이다.
도 8은 트랙션 배터리에 듀얼 DC-DC 부스트 컨버터(810)를 제공하기 위한 도 2에 대한 대안적인 방식의 회로도의 개략도이다.
도 9는 DC-DC 부스트 및 벅 컨버터 또는 DC-DC 병렬 부스트 컨버터를 제공하기 위한 도 8에 대한 대안의 회로도의 개략도이다.
도면에서 참조 번호는 도면 번호가 접두사로 붙는다. 예를 들면, 도 1은 "100" 시리즈이고, 도 2는 "200" 시리즈이고, 등등이다.
도 1은 전기차(110)의 섀시 구성요소의 단면 평면도의 개략도이다. 전기차(110)의 일반적인 종래 구성요소는 명확성을 위해 생략되었다. 도 1의 예는 전기 승용차(110)에 대한 것이다. 차량(110)은 몸체(112)를 가지는데, 그 내부에 트랙션 배터리 팩(114)이 있다. 배터리 팩(114)은 트랙션 제어부(130 및 132)에 DC(direct current, 직류) 소스 전압 VB를 공급하는데, 이는 트랙션 모터(116, 118)에 토크를 생성하도록 동작해서, 차례로 드라이브 샤프트(124, 126)를 통해 휠(120, 122)을 구동한다. 구동 휠(120, 122)은 차량을 추진하고 또한 트랙션 모터가 회생 제동(regenerative braking)을 제공하여 온보드 배터리 팩(114)을 충전하기 위해 발전기(116, 118)로 사용될 때 회생 제동을 제공할 수 있다. 배터리 팩 전압 VB는 차종과 제조사에 따라 약 200VDC 부터 800 VDC 또는 그 이상의 고전압일 수 있다.
트랙션 모터(116, 116)는 일반적으로 3상으로 동작할 수 있는 AC(alternating current, 교류) 모터이다. 일반적으로, AC 트랙션 모터(116, 118)는 유도 권선(inductive windings)을 가진다. 따라서, 전기 구동계(drivetran, 128)는 트랙션 모터의 동작을 조절하기 위한 트랙션 제어부를 포함한다. 이 실시예에서 전기 구동계(128)는 두 인버터 트랙션 제어부(130, 132)를 포함하는데, 트랙션 배터리 팩(114)의 DC 전압 전위로부터 트랙션 모터(116, 118)를 동작시키기 위한 AC 전압 전위로의 변환을 제공하기 위해 각각의 트랙션 모터(116, 118)에 하나씩이다. 전기 구동계(128)는 구동계 제어 모듈(134)에 의해 제어될 수 있다.
도 1은 또한 몸체(112)에 장착된 충전 포트(136)를 보여준다. 충전 포트(136)는 트랙션 배터리(114)를 재충전하기 위해 충전 스테이션과 연결된다.
도 1의 차량(110)의 예는 두 개의 독립적으로 구동되는 구동 휠을 가지는 차에 대한 것이지만, 본 발명에 대한 다음 설명에서 구동계는 하나의 트랙션 모터만 가질 수 있거나 차량의 네 개의 휠 각각이 전용의 트랙션 모터에 의해 구동되는 전륜구동(all-wheel drive)일 수 있다. 본 발명은 플러그인 하이브리드 전기차에 또한 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 트럭, 밴, 버스, 세미-트레일러, 4륜 바이크, 지게차, 버기(골프 카트 등과 같은), 모터사이클(및 스쿠터, 전기 자전거 및 다른 개인 운송 장치와 같은 이륜 또는 삼륜 운송수단), 광산 장비, 농업 장비, 레저 차량, 자율주행 차량 등과 같은 다른 지상 차량에도 또한 적용될 수 있음이 또한 쉽게 인식될 것이다. 본 발명은 또한 선박 또는 항공기와 같은 육상 기반이 아닌 차량에도 또한 적용될 수 있는데, 후자는 유인 및 (드론과 같은) 무인 항공기를 포함한다.
도 2는 도 1의 전기차(110)에 적용되거나 구성될 수 있는 새로운 DC-DC 부스트 컨버터(210)에 대한 회로도의 개략도이다. 도 2는 또한 DC 전압 전위 VC를 차량(110)의 충전 포트(136)에 공급할 수 있는 외부 충전 스테이션(212)을 보여준다. DC-DC 부스트 컨버터(210)는 충전 스테이션(212)으로부터의 낮은 VC를 차량(110)의 트랙션 배터리(114)를 충전하기에 적합한 높은 VB로 유리하게 승압시키기 위해 사용된다.
충전 스테이션(212)은 조절되거나 조절되지 않은 전원으로 동작할 수 있다. 도 2의 예에서 보인 3상 전기 그리드 전원(214)은 DC 전압 VC를 제공하기 위해 AC/DC 컨버터(216)로 공급된다. 그리드 전원은 외부 저장 배터리에 대해 단상 또는 태양 패널과 같은 DC 전원일 수 있음이 쉽게 인식될 것이다. 다른 실시예에서, 스테이션(212)은 배터리나 커패시터 뱅크와 같은 에너지 버퍼를 포함하고, Vc는 플로팅 팩 전압에 연결될 수 있다. 충전 스테이션(212)은 유선 또는 무선 통신 인터페이스(220)를 통해 차량의 온보드 충전 통신 모듈(222)과 통신하는 스테이션 통신 모듈(218)을 가질 수 있다. 충전 스테이션(212)과 차량(110) 사이의 통신은 특정 충전 스테이션(212) 유형 및 최대 및 최소 전압 및 전류 수준, 차량(110) 유형 및 트랙션 배터리(114)의 충전 상태 및 최대 및 최소 전압 및 전류에 따라 충전 프로토콜을 설정하는 데 사용될 수 있다. 스테이션 통신 모듈(218)과 차량 충전 통신 모듈(222)에 의해 교환되는 충전 스테이션(212) 데이터 및 차량 데이터는 차량(110)으로부터의 충전 스테이션의 하나 이상의 기능을 제어하는 명령 또는 그 반대를 포함할 수 있다. 이러한 명령은 아날로그 또는 디지털 제어 신호를 포함하는데, 차량(110) 또는 충전 스테이션(212)의 스위치를 열거나 닫는 것과 일부 경우에는 전류 또는 전압 조절 명령(비조절(unregulated) 되지 않을 때)과 같은 것이다.
도 2의 부스트 컨버터 회로(210)는 트랙션 배터리(114)의 대응하는 측면에 선택적으로 연결될 수 있는 고전압 전력 레일(224)을 가진다. 음극(negative) 또는 공통(common) 레일(226)은 트랙션 배터리(114)의 대응하는 및 반대 측면 뿐 아니라 보이듯이 충전 스테이션(212)의 음극 DC 전압 단자를 통해 선택적으로 연결된다. 부스트 컨버터 회로(210)는 도 2에 보이듯이 6개의, 바람직하게는 반도체인, 스위치(228-238)의 브리지 배열을 가진다. 즉, 직렬 스위치 쌍이 셋이고, 세 쌍은 병렬이다. 적절한 고전력 스위치(228-238)의 예는: MOSFET, HEMT, HFET, MODFET, IGBT, SiC, GaN, 등이다. 각 스위치(228-238)에 걸쳐 6개의 프리-휠링(free-wheeling) 다이오드(FWD)(240-250)가 각각 있다. 유리하게는 트랙션 모터(116, 118)의 삼상 각각은 도 2에 보이듯이 각 스위치 쌍(228-238)의 스위치들 사이에 연결된다. AC 트랙션 모터의 고전력 용량(capacity) 유도(inductive) 권선을 사용하기 위한 차량(110)의 구동계의 이러한 재구성은 유리하게 온보드 부스트 컨버터(210)가 차량의 트랙션 배터리 팩(114)을 충전하기에 충분한 전류로 충전 스테이션(212)의 저전압 전위를 충분히 높은 전위로 상승시키도록 한다. 스타(star), 와이(wye), 메쉬(mesh) 또는 델타(delta) 터미놀로지(terminologies)와 같은 상이한 권선 구성의 3상 트랙션 모터가 여기 및 아래에서 추가로 설명되는 부스트 컨버터 회로에 사용될 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다. 6상 트랙션 모터 예시 응용이 아래에서 추가로 설명된다. 단상 AC 및 DC 모터가 여기 설명된 본 발명에 적용될 수 있다는 것이 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 또한 인식될 것이다.
고전압 레일(224)과 비교하여 더 낮은 DC 전위 전압 양극 레일(252)이 브리지 배열의 입력부에 연결되고, 추가로 입력 섹션(256) 및 스위치(258)를 통해 충전 스테이션(212)의 양극 또는 상부 레일(254)에 선택적으로 연결된다. 브리지 배열 입력부는 제1 직렬 스위치 쌍(228, 230) 사이에 있다. 더 낮은 전위 전압 양극 레일(252)의 온보드 측면 및 충전 포트(136)를 향한 공통 음극 또는 하부 레일(226)은 입력 스테이지(256)에서 필터, 퓨즈 또는 다른 그러한 안전/보호 분리 장치(258, 260)를 각각 포함할 수 있다.
부스트 컨버터 회로(210)는 부스트 제어 모듈(262)에 의해 스위칭 아니면 제어된다. 부스트 제어 모듈(262)은 브리지 배열에서 스위치(228-238) 각각에 대한 각각의 제어 선(264) 세트를 가진다. 도 2에서 스위치(228-238) 각각에 대한 각 제어 선(264)은 명확성을 위해 도시되지 않았다. 부스트 제어부(262)는 또한 전압 전위 부스트 변환을 위한 효율적인 스위칭을 위해 브리지 배열을 통해 전압, 전류 및 위상을 센싱할 수 있다는 것이 쉽게 이해될 것이다.
이하에서 부스트 컨버터(210)의 동작이 설명된다. 스위치의 브리지 배열에 대한 DC 입력부(252)는 제1 직렬 스위치 쌍(228, 230)의 중간 지점을 통해, 트랙션 모터(116, 118)의 유도 권선 중 하나에 연결된다. 부스트 컨버터(210)는 스위치의 브리지 배열의 다른 H-브리지 중 하나 이상에서 하부 스위치(234, 238)를 사용하여, 트랙션 모터 위상 권선(116, 118)을 통해, 충전 스테이션(212)의 외부 DC 소스에 의해 공급되는, 저전압 공급 레일(252)로부터 부스트 전류를 끌어당긴다. 다른 H-브리지(들)의 하부 스위치가 해제(released)되거나 펄스(pulsed)되면, 부스트 전류는 그 다음 오프 펄스 동안(즉, 하부 스위치가 OFF일 때) 상부 H-브리지 스위치(232, 236, 244, 248)의 상부 프리-휠링 다이오드 FWD(역병렬(anti-parallel) 다이오드)를 통해 전도되어, 고전압 레일(224)을 통해 트랙션 배터리(114)에 충전 전류를 제공한다. 전압 전위의 승압(step-up) 또는 부스트, 및/또는 고전압 레일(224)로의 권선의 전류 흐름은 브리지 배열의 적절한 스위치를 부스트 제어 모듈(262)에 의해 펄스 스위칭 함으로써 조절되거나 제어되어, 트랙션 모터 권선을 통한 전압 부스트를 획득한다. 부스트 제어 모듈(262)로부터의 제어 신호(264)는 적절하게 진폭변조(pulse width modulated, PWM)될 수 있다.
한 예에서 전압의 부스트는 대략 400V DC에서 800V DC로 이루어질 수 있다. DC 전압 부스트는 다음의 조정 및/또는 재구성에 의해 변할 수 있다: 브리지 배열의 하부 스위치(234, 238)에 적용된 PWM 주파수, 듀티 사이클 또는 인터리빙 및 트랙션 모터(116, 118) 내의 권선의 선택. 도 2의 예에서 브리지 배열은 다중 H 브리지 형태이다.
다른 실시예에서, 입력 레일(252)은 다른 하브 프리지 또는 모터 위상 권선에 연결된다. 예를 들면, 스위치(232 및 234)를 포함하는 하프 브리지이거나, 스위치(236 및 238)의 하프 브리지이다.
저전압 레일(256)에 걸친 입력 커패시터(266) 및 브리지 배열 입력부에 대한 입력 스테이지(256)의 공통 레일(226)은 부스트 컨버터의 입력에 대한 에너지 버퍼를 제공함으로써 충전 스테이션(212)으로부터 끌어온 전류를 스무딩(smoothing)하고, 필터링을 제공하고, 전자기 간섭(electromagnetic interference, EMI)을 줄이고, 부스트 컨버터 동작 동안 오버슈팅을 방지하는 데 유리하게 사용된다. 입력 커패시터(266)의 "사진 충전(Pre-charging)"은 양방향 벅 모드에서 사용될 수 있도록 부스트 컨버터(210)를 재구성하는 부스트 제어 모듈(262)에 의해 이루어질 수 있다. 즉, DC 입력부(252)에 연결되지 않은 H-브리지의 상단 스위치(도 2의 MOSFET 232 및 236으로 예시되었듯이)의 스위칭에 의해 및 상단 스위치(232, 236)가 오프 상태에 있을 때 벅 전류를 계속해서 제공하기 위한 하단 다이오드(232, 236)에 의해서이다. 입력 커패시터(266)는 트랙션 팩보다 낮은 전압으로만 사전 충전될 수 있지만, 이는 놀랍게도 유익하다. 예를 들면, 800VDC 배터리 팩(114) 차량에 대해, 입력 커패시터(266)의 사전 충전은 400VDC로 이루어질 수 있어서 400V의 종래 기술의 충전 스테이션(212)에 연결될 준비가 된다. 모듈(262)은 먼저 스위칭 메커니즘(258)을 닫아서 커패시터(266)를 컨버터(210)에 연결하여 커패시터(266)가 양방향 벅 모드로 사전 충전되도록 할 수 있다. 원하는 전압에 도달하면, 모듈(262)은 스위칭 메커니즘(260)을 닫아서 커패시터(266)와 배터리(114)를 컨버터(210)를 통해 충전 스테이션(212)에 연결할 수 있다. 부스트 제어 모듈(262)은 일단 충전 스테이션(212)에 연결되면, 부스트 컨버터(210)를 다시 부스팅 전압으로 재구성할 수 있다. 그 다음 부스트 컨버터(210)는 충전 스테이션(212)으로부터의 400VCD를 800VDC로 부스트하여 온보드 트랙션 배터리(114)를 충전하도록 동작한다. 일부 실시예에서, 필요한 사전 충전 전압 값은 충전 스테이션과의 통신을 통해 결정된다. 일부 실시예에서, 커패시터(266) 상의 전압 센서가 피드백 루프를 위해 사용된다. 대안적인 사전 충전이 필요하다면, 저항 배열과 같은 전용의 사전 충전 시스템이 사용될 수 있다. 일부 경우에, 충전 스테이션(212)이 커패시터(266)를 사전 충전할 수 있다.
트랙션 모드 적용 동안, 입력 커패시터(266)는 스위치(258)를 개방함으로써 공통 연결 지점(242)/모터(116, 118)의 모터 위상 권선으로부터 분리된다. 이는 트랙션 모드 동안 커패시터(266)가 컨버터(210)의 동작에 부정적인 영향을 미치지 않게 보장하기 위함이다. 또한, 트랙션 모드 적용 동안 커패시터(266)는 또한 포트(136)의 입력 단자로부터 분리됨으로써 커패시터(266)상에 저장된 어떤 전압도 포트(4)에 위험한 전압으로 접근하거나 나타나지 않는다.
종래 기술의 장치 및 배열에 대한 그러한 입력 커패시터(266)의 사용은 유익하게 사용되지 않았는데 종래 기술에 대한 그러한 입력 커패시터의 사용은 그 종래 기술에 대한 전력 보정 계수(power correction factor)에 불리한 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
또한, 종래 기술의 장치 및 배열에 대한 그러한 입력 커패시터(266)의 사용은 유익하게 사용되지 않았는데 종래 기술에 대한 그러한 입력 커패시터의 사용은 트랙션 모드 동안 컨버터의 동작에 불리한 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
또한, 종래 기술의 장치 및 배열에 대한 그러한 입력 커패시터(266)의 사용은 유익하게 사용되지 않았는데 종래 기술에 대한 그러한 입력 커패시터의 사용은 차량이 실질적으로 충전되지 않는 모드 동안 포트(4)에 해로운 전압이 나타나도록 할 수 있기 때문이다.
도 2의 부스트 컨버터(210)는 도 1과 관련된 예를 들어 설명되었듯이 전기차에 대한 재구성으로 개조(retro-fitted) 및/또는 실현될 수 있다. 위에서 설명되었듯이, 기존의 트랙션 모터(116, 118)가 이용되고 인버터(130, 132)의 일부도 본 발명을 수행하기 위해 필요한 대로 이용 또는 재구성될 수 있다. 비슷하게, 부스트 제어 모듈은 도 1의 구동계 제어 모듈(134)을 재구성하여 개조 및/또는 이루어질 수 있다.
충전 스테이션(212)이 처음 전기차(110)에 연결될 때, 통신 모듈(222)은 통신 데이터 수신을 통해 유효한 연결이 이루어졌음을 확인한다. 그러한 통신 데이터는, 차량(110)이 스테이션(212)과 성공적으로 인터페이싱 했는지를 결정하기 위해, 단자(136)에 인가된 전압, 고전압 인터록 루프(high voltage interlock loop, HVIL) 또는 이와 비슷한 것을 가능하게 하는 상보적 커플러(예를 들면, 플러그)에 의해 완성되는 대응 회로, 근접 센서 또는 파일럿 라인, 저항 값 또는 PWM 또는 파일럿 전압, 또는 파일럿 라인, 전력 라인, 또는 다른 전용 통신 라인(예를 들어, 차동 쌍)을 통한 스테이션 모듈(218)로부터의 직렬 또는 병렬 통신 데이터를 포함할 수 있다. 유효한 연결이 통신 모듈(222)에 설립된 후에, 제어부(262) 및 팩(114)의 배터리 관리 시스템과 통신하여 스테이션(212)과의 호환성을 판단하고, 따라서 충전 이벤트가 발생하는 것을 허용하거나 허용하지 않는다. 충전 이벤트가 허용되지 않으면, 입력 섹션(256)이 활성화되지 않고 스테이션(212)은 브리지 배열에 연결되지 않는다.
모듈(262)이 컨버터(210)가 스테이션(212)으로부터 팩(114)을 충전하도록 허용하는 것을 결정하는 응용 또는 모드에서, 모듈(20)은 다양한 패턴의 PWM 또는 다른 펄스 제어를 부스트 스위치(246 및/또는 238)에 적용함으로써 팩(114)을 충전하기 위해 스테이션(212)으로부터 부하 전류를 끌어오도록 컨버터(210)를 활성화하기 위해 입력 보호 스위치(258 및 260)를 닫을 수 있어서(일부 경우에, 커패시터(266)를 선택적으로 사전 충전한 후에), 부스트 충전 전류가 역병렬 다이오드(244 및/또는 248)(및/또는 모듈(262)에 의해 동기 동작으로 스위칭되는 경우 MOSFET(232 및 236))를 통해 흘러서 전력 레일(224) 및 스위치(268)를 통해 팩(114)에 충전 전류 또는 전압 중 하나 이상을 전달한다.
통신 데이터가 전압이 호환 가능하다고 결정하는 어떤 모드에서, 통신 모듈(222)은 바이패스 모드에서 충전 스테이션(212)이 팩(114)을 직접 충전하도록 스테이션 모듈(218)과 협상함으로써, 입력 보호 스위치(258 및 260)를 닫아서(일부 경우에, 커패시터(266)를 선택적으로 사전 충전한 후에), 스테이션(212)이 전력 레일(252) 및, 역병렬 FWD(240)(또는 모듈(262)에 의해 선택적으로 유지되는 경우 MOSFET(228))를 통과하고, 파워 레일(224) 및 스위치(268)를 통해 팩(114)에 충전 전류 또는 전압 중 하나 이상을 전달한다.
차량(112)은 입력 회로(256)에 장착된 듀얼 폴 분리 또는 보호 스위치(258 및 260)를 포함함으로써, 컨버터(210)의 인버터 회로, 및 전기차 고전압 회로의 다른 구성요소들이 포트(136)에 존재하는 스테이션(212)의 전압 소스로부터 연결이 끊기고 완전히 분리될 수 있다.
충전 스테이션(212)과 통신 중인 차량 충전 통신 모듈(222)에 추가로: 차량 충전 통신 모듈(222)은 부스트 컨버터(210)의 효율적인 동작을 위해 부스트 제어 모듈(262)과 또한 상호작용할 수 있다. 또한, 충전 스테이션(212)과의 연결 전에 입력 커패시터(266)의 사전 충전은 연결 전에 충전 스테이션(212)과 또한 통신하는 부스트 제어 모듈(262)에 의해 촉진될 수 있다.
도 2의 부스트 컨버터(210)는 또한 추가 안전 및 보호 장치(268)를 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들면, 전류 및/또는 전압 제한기뿐 아니라 퓨즈와 같은 차단 장치이다.
도 2의 부스트 컨버터(210)는 또한 보이듯이 트랙션 배터리 및 스위치(228-238)로 이루어진 브리지 배열과 병렬인 커패시터(270)를 포함한다. 커패시터(270)는 트랙션 구동 또는 충전 모드일 때 최선의 실시예에 따라 오버슈트 및 구동 실패를 피하기 위해 사용된다.
추가 모듈이 또한 부스트 컨버터(210)에 더해져서 AC(alternating current) 외부 충전기와 함께 사용 가능하게 될 수 있다. 예를 들면, 부스트 컨버터(210)의 입력부에 추가되는 모듈은 벅 정류기 또는 부스트 정류기를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 커패시터는 DCDC 부스트 컨버터(210)의 입력부에 포함되고, 따라서 임의의 정류기는 필요에 따라 전력 보정 계수 구성요소를 포함해야 한다.
도 2의 부스트 컨버터에 대한 및 다음 도면에 적용 가능한 본 발명은 다음과 같이 다르게 표현될 수 있다.
전기차용 컨버터는 구동 인버터(130, 132) 및 온보드 DCDC 부스트 충전 컨버터(210)를 또한 포함할 수 있다. 하나의 동작 및 구성 모드의 컨버터는 트랙션 배터리 팩(114)으로부터의 전력을 사용하여 긍정적 또는 부정적 견인력(traction effort)(예를 들면, 가속, 또는 회생제동)을 포함하는 견인력을 트랙션 모터(116, 118)에 선택적으로 제공하는 데 사용될 수 있다. 제2 모드의 컨버터는 또한 외부 충전 스테이션(212)으로부터와 같은 외부 DC 소스를 선택적으로 받아들이고 전압/전위를 부스팅하여 온보드 트랙션 배터리 팩(114)을 충전(온보드 DCDC 충전)하는 데 사용될 수 있다. 유리하게는 전류는 트랙션 모터 권선 전에 AC 풀-브리지 정류기를 통과하지 않는다. DC 인렛 또는 차량 충전 포트(136)의 전력 레일(154, 226) 중 하나는 트랙션 모터(116, 118)의 하나 이상의 위상 또는 유도 권선에 연결된다. 추가로, AC 트랙션 모터는 제1 모드에서 차량을 추진 또는 구동하기 위해 AC 전류를 받아들이거나 공급받고 제2 충전 모드에서 트랙션 모터를 통과하는 DC 전류를 받아들이거나 공급받도록 구성된다. 일반적으로, 외부 충전 스테이션(212)은 온보드 트랙션 배터리(114)보다 낮은 전압 전위에 있는데, 예를 들면 충전 스테이션은 500VDC 미만이고, 온보드 트랙션 배터리는 500VDC 초과일 수 있다. 컨버터에 대한 DC 입력부는 그 입력부에 커패시터, 또는 필터를 가질 수 있다. 커패시터/필터는 트랙션 모터(116, 118)의 유도 권선에 연결되거나 분리될 수 있다.
전기차는 다음을 포함한다: 몸체에 장착되고 제1 DC 전압인 트랙션 배터리(114) 같은 온보드 DC 에너지 소스, 차량을 추친하기 위한 견인 에너지를 몸체에 장착된 하나 이상의 모터에 제공하기 위한 전력을 공급하는 배터리. 일반적으로, 모터는 하나 이상의 유도 권선을 가진다. 전기차용 컨버터(210) 또는 제어부(134, 262)는 브리지 배열 단(228-238)에서 적어도 두 개의 하프 브리지 구동 회로를 가지는데, 각 구동 회로는 트랙션 모터/들(116, 118)의 하나 이상의 유도 권선에 연결된 연결 지점을 포함한다. 충전 포트(136)는 제2 DC 전압인 외부 DC 에너지 소스 또는 충전 스테이션(212)과 연결되는 둘 이상의 단자를 가지는데, 단자 중 하나 이상은 차량의 브리지 배열의 둘 이상의 구동 회로의 연결 지점 중 하나 이상에 연결된다. 차량의 제어부/부스트 제어 모듈/구동 제어 모듈(134, 262, 210)은 제1 상태/모드 또는 제2 상태/모드에서 동작할 수 있다. 제1 상태 또는 모드에서 제어부(134, 262, 210)는 모터가 견인 에너지를 제공하도록 유도 권선 중 하나 이상에 에너지를 공급하기 위해 온보드 DC 에너지 소스로부터 전류가 인출되도록 한다. 제2 상태 또는 동작/재구성 모드에서 제어부(134, 262, 210)는 나머지 구동 회로 중 하나 이상을 제어하여 DC 에너지 소스로부터 충전 전류를 제공하기 위해 유도 권선 중 하나 이상에 에너지가 공급되도록 할 수 있다. 제2 모드에서 제어부는 부스트 컨버터(210)로 동작한다. 제1 DC 전압은 일반적으로 제어부가 차량 충전을 위해 제2 상태 또는 모드에서 동작할 때 제2 DC 전압보다 크다. 제어부로의 DC 입력부는 제1 상태(트랙션 구동 모드)에서 연결 지점으로부터 선택적으로 분리될 수 있는 커패시터 또는 필터를 포함할 수 있고 제2 상태(충전 모드)에서 선택적으로 연결될 수 있다.
컨버터(210)는 온보드 배터리 팩(114)에 적용하기 위한 조절된 충전 전류 또는 조절된 충전 전압 중 하나 이상을 생성하기 위해 제2 상태에서 유리하게 동작할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 3은 도 2의 그것에 대한 대안적인 DC-DC 부스트 컨버터(310)에 대한 회로도의 개략도이다. CLC 입력부 필터(312) 또는 PI 입력부 필터는 스위치로 구성된 브리지 배열에 대한 입력 단(256)에 포함된다. 이 필터는 충전 스테이션으로부터의 입력 전류를 필터링하고, EMI 또는 EMC를 줄이고, 변환을 향상시키고, 오버슈트 및 다른 원치 않는 영향을 줄이는 데 유리하게 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 실시예는 EMI/EMC/RF 컴플라이언스, 또는 임피던스 매칭을 위해 최적화된 입력부 상의 다른 필터를 포함한다. 예를 들면, LC, LCL, CLC, 공통 모드 또는 차동 모드 초크(chokes), 임피던스 매칭 회로, 스타 커패시터 네트워크 등이 포함된다. 적용 가능하다면, 도 2와 관련하여 설명된 특징 및 동작은 도 3의 부스트 컨버터(310)에 또한 적용될 수 있다.
도 4는 도 2의 그것에 대한 다른 대안적인 DC-DC 부스트 컨버터(410)에 대한 회로도의 개략도이다. 부스트 컨버터(410)는 도 2와 비교하여 음극 레일이 분리된 스위치(228-239)로 구성된 브리지 배열의 하프 브리지에 대한 대체 입력부(412)를 가짐으로써, 입력 단부(412)는 제1 직렬 스위치 쌍(228, 230) 사이에 연결된다. 따라서, 음극 레일(414)의 스위치로 구성된 브리지 배열 섹션은 다른 고전압 전위에서 동작할 것이다. 적용 가능하다면, 도 2와 관련하여 설명된 특징 및 동작은 도 4의 부스트 컨버터(410)에 또한 적용될 수 있다.
따라서, 일반적으로, 본 발명의 실시예는 다음 기능 중 하나 또는 전부와 함께 이용 가능하다:
제1 상태 동안 제1 전원으로부터 모터를 구동.
제1 상태 동안 제2 전원으로부터 모터를 구동.
제1 상태 동안 제1 전원 및 제2 전원 중 하나 또는 모두로부터 모터를 구동.
모터에 의해 생성되는 전류로 제1 전원 및 제2 전원 중 하나 또는 모두를 충전, 이러한 전원은 재충전 가능한 전원.
제2 상태 동안 제1 전원으로 제2 전원을 충전, 제2 전원은 재충전 가능한 전원.
제2 상태 동안 제2 전원으로 제1 전원을 충전, 제1 전원은 재충전 가능한 전원.
즉, 두 개의 재충전 가능한 에너지 소스와 모터를 이용하고, 위의 모든 기능을 제공하는 그러한 실시예의 경우, 모터용 제어부는 모터와 에너지 소스 사이에 완전한 양방향 에너지 흐름을 제공한다. 시스템은 양방향이고, 예를 들면, 한 방향으로 부스트 동작을 조절하기 위한 회로는, 역방향으로 벅 동작을 조절하기 위해서 동일하게 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 예를 들면, 컨버터(210, 310 및 410)는 외부 DC 충전 스테이션(212)으로부터 배터리 팩(114)을 충전할 때 부스트 컨버터로, 또는 배터리 팩(114)으로부터 외부 DC 충전 스테이션(212)(또는 V2V 모드에서 다른 전기차와 같은 다른 외부 소스(212))을 충전할 때 벅 컨버터로 구성된다는 것이 인식될 것이다. 동일한 방식으로, 컨버터의 제1 및 제2 입력부는 입력 및 출력에 완전히 무관하며, 배터리 팩(114) 또는 충전 스테이션(212)은 VB 또는 VC로 나타날 수 있다. 예를 들면, 도 2에 나타난 충전 구조(210)는 기반시설(infrastructure)에서 EV로 충전할 때 부스트 모드로, EV에서 기반시설로 충전할 때 벅 모드로 동작할 수 있고, 충전기(210)와 동일한 실시예지만 상이한 구성의 DC 입력부 연결에서, 충전기(210)는 기반시설에서 EV로 벅으로 및 EV에서 기반시설로 부스트로 동작할 수 있다. 다른 말로, 제어부(130 또는 132)는 2개의 에너지 소스(온보드 배터리, 및 외부 소스) 사이에 전기적으로 배치된 완전한 양방향 DC-DC 컨버터와, 소스와 모터(116, 118) 사이의 DC-DC, DC-AC 또는 AC-DC 컨버터를 제공한다.
도 5는 트랙션 배터리(114)에 DC-DC 벅 모드 충전기(510)를 제공하기 위한 도 2에 대한 대안적인 방식의 회로도의 개략도이다. 부스트 컨버터(210)의 입력 및 출력 부분은 반전됨으로써 더 높은 전압 전위로부터 더 낮은 전압 전위로의 벅 모드 충전이 트랙션 배터리(114)로 제공될 수 있다. 유리하게는, 이는 커플러(136)에 나타나는 전압이 배터리 팩(114)의 더 높은 전압이 되도록 함으로써, 충전 스테이션(212)과 차량(112) 사이(이는 길고 단면적이 제한적일 수 있어서 높은 임피던스를 가짐)의 인터페이스에서 전도 손실이 최소화될 수 있다. 더욱 유리하게는 DC-DC 벅 모드 충전(510)은 차량으로부터 외부 DC 소스 또는 싱크로 전력을 내보낼 때 부스트 변환을 제공한다. 즉, 트랙션 배터리(114) 전압 전위는 외부 전력을 공급할 때 상승된다. 적용 가능하다면, 도 2와 관련하여 설명된 특징 및 동작은 도 5의 벅 모드 충전기 및 송출 부스트 컨버터(510)에 또한 적용된다.
제1 상태(즉, 추진 모드)에서, 스위칭 메커니즘(268)은 배터리 팩(114)을 제1 입력부(224)에 연결하고, 스위칭 메커니즘(256)은 제2 입력부의 연결을 끊어서, 컨버터(510)는 모터(116 및/또는 118)를 사용하여 차량(112)에 추진력을 제공하도록 동작할 수 있다. 제2 상태(즉, 충전 모드)에서 스위칭 메커니즘(268)은 배터리 팩(114)을 스위치(236 및 238) 사이의 중간 지점 전력 레일에서 대체 제1 입력부(및 따라서 모터(116 및/또는 118)의 대응하는 위상 연결)에 연결하고, 스위칭 메커니즘(256)은 제2 입력부를 연결함으로써 컨버터(510)는 벅 충전 모드로 동작하여 외부 소스(212)로부터 배터리 팩(114)을 충전할 수 있다.
도 5는 또한 전력 레일(224 및 226)에 걸쳐 배터리(114)와 스테이션(212)의 단자를 연결함으로써 스테이션(212)이 충전 배터리(114)를 직접 충전할 수 있는 바이패스 기능(통신 데이터 및 절차가 그러한 동작을 보증해야 함)을 가능하게 한다. 결과적인 바이패스 전류는 충전기(510)의 인버터 구조 내의 구동 회로의 DC 버스바를 통해 흐를 필요가 없는데, 스테이션(212) 및 배터리(114)는 동일한 입력부에서 인버터 구조에 인터페이스 할 수 있기 때문인 것이 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다.
도 6은 도 5의 그것에 대한 대안적인 DC-DC 벅 모드 충전기(610)에 대한 회로도의 개략도이다. 전력을 내보내기 위한 부스트 변환 모드에서 추가 커패시터(612)가 추가되어 EMI와 전압 리플을 줄이는 이점을 제공한다. 적용 가능하다면, 도 2 및 5와 관련하여 설명된 특징 및 동작은 도 6의 벅 모드 충전기 및 송출 부스트 컨버터(610)에 또한 적용된다.
도 7은 부스트한 다음에 벅하는 DC-DC 컨버터(710)에 대한 회로도의 개략도이다. 컨버터(710)는 두 개의 컨버터(130 및 132)를 포함하는데, 각각은 제1 및 제2 입력부를 가지고, 직렬로 부스트 및 벅 동작을 수행하도록 구성된다. 이 실시예에서, 두 컨버터는 도 2의 모듈(262), 또는 도 1의 모듈(134)과 같은 감독 제어부(762)에 의한 제어부이다. 이 예에서, 제2 모드에서, 감독 제어부(762)는 제2 입력부가 스위칭 메커니즘(256)에 의해 포트(136)에 선택적으로 연결되면서 도 2의 부스트 컨버터(210)와 유사하게 좌측 컨버터(130)를 동작시키는 반면, 제어부(762)는 배터리 팩(114)이 스위치(236 및 238) 사이의 중간 지점에 위치한 대체 제1 입력부에 연결되면서 도 5의 벅 컨버터(510)와 유사하게 우측 컨버터(132)를 동작시키고, 반면 제어부(130)의 제1 입력부는 컨버터(132)의 제2 입력부에 영구적으로 연결된다. 이러한 방식으로 제어부(762)는 일련의 부스트 다음 벅(여기에서 부스트-벅으로 지칭됨) 동작을 수행하도록 컨버터(710)를 사용할 수 있다. 유리하게는, 컨버터(710)는 예를 들면 도 1에 보이고 도 2와 관련하여 설명된 각 트랙션 모터(116, 118)로부터와 같이 두 세트의 트랙션 모터 유도 권선을 이용할 수 있다. 이 실시예에서 모터(116 및 118)는 공통 고정자에 권선되고 공통 로터와 상호작용하는 분리된 3-상 권선이지만, 다른 실시예에서는, 두 개의 별도의 분리된 모터이다. 또한, 유리하게는, DCDC 부스트-벅 컨버터(710)는 불연속 입력 또는 출력 전류를 최소화 또는 없애고, 감소된 또는 향상된 전자기 간섭(EMI) 또는 호환성(EMC)에 대한 우수한 성능을 제공할 수 있다. 또한, 그러한 컨버터는 입력 및 출력 필터링에 대한 요건을 줄일 수 있다. 부스트 및 벅 단 사이에 도시된 추가 커패시터(712)는 변환의 중간 불연속 전류를 버퍼링 하기 위해 적절한 고용량으로 선택될 수 있다. 더욱 유리하게는, 컨버터(710) 내부의 중간 펄스 전류의 어떤 스위칭 노이즈는 일반적으로 제어부 하우징에 캡슐화 되어, 그에 의해 패러데이 케이지(faraday cage)를 제공하여 방사선 방출을 감소시킬 수 있다. 사전 충전 회로는 268에 통합되어 중간 커패시터(712)가 배터리(114)에 의해 사전 충전되도록 한다. 다른 실시예에서, 컨버터(710)는 벅 모드 동작으로 배터리(114)로부터 712를 충전하거나, 부스트 모드로 DC 입력(136)으로부터 712를 충전하도록 동작한다. 적용 가능하다면, 도 2, 5 및 6과 관련하여 설명된 특징 및 동작은 도 7의 DCDC 부스트 다음 벅 컨버터(710)에 또한 적용될 수 있다.
부스트-벅 컨버터(710)는 스위치를 닫음으로써 제1 상태(즉, 추친)에서 동작하여 제어부(130 및 132) 모두에 공급할 수 있다. 현재 실시예에서 제어부(130)의 제1 입력부 및 제2 입력부와 함께 제어부(132)의 제1 입력부는 공통이고 등가라는 것이 이해될 것이다. 따라서, 팩(114)으로부터 제어부(130)에 의해 끌어내진 전류는 제어부(132)를 통해 공급될 필요가 없다.
제1 충전 데이터가 충전 모듈(710)(도 2를 참조하여 설명된 충전 모듈(222)과 같은)에 의해 수신된 후에, 모듈(720)은 부스트-벅 충전기(710)(및 따라서, 제어부(130 및/또는 132))가 제2 상태로 진입하여 외부 소스(212)로부터 충전 팩(114)을 충전하도록 할 수 있다. 부스트-벅 충전기(710)는 전력을 포트(136)로부터 충전 팩(114)으로 가져오거나(즉, DC 충전 모드), 전력을 팩(114)으로부터 포트(136)(따라서 외부 소스(212))로 내보낼 수 있다(즉, 양방향 모드). 제어부(130 또는 132) 중 하나 또는 둘 다는 이 시간 동안 제2 모드에서 동작할 수 있고, 실제로, 일부 실시예에서, 하나의 제어부는 제1 상태로 동작하는 반면, 나머지는 제2 상태로 동작할 수 있다. 다른 모드 또한 가능한데, 예를 들면, 제어부(130)는 바이패스 모드로 작동하는 반면, 제어부(132)는 가져오기 벅/내보내기 부스트 모드로 동작함으로써 제어부(710)의 전체적인 일련의 변환은 가져오기 벅 또는 내보내기 부스트 모드일 수 있다. 또한, 제어부(130)는 가져오기 부스트/내보내기 벅 모드로 작동하고, 제어부(132)는 바이패스 모드로 동작함으로써, 제어부(710)의 전체적인 일련의 변환은 가져오기 부스트 내보내기 벅 모드일 수 있다. 추가 모드에서, 제어부(130) 및 제어부(132) 모두는 바이패스 모드로 작동할 수 있다. 모듈(720)은 제1 충전 데이터 및 최적화 알고리즘을 사용하여 부스트-벅 충전기(810)가 가져오기 벅 모드, 가져오기 부스트 모드, 내보내기 벅 모드, 내보내기 부스트 모드, 가져오기 부스트-벅 모드, 내보내기 부스트-벅 모드, 또는 바이패스 모드로 동작해야 하는지 여부를 결정한다.
적용 가능하다면, 이전 도면들과 관련하여 설명된 특징과 동작은 또한 도 7의 부스트-벅 컨버터(710)에 적용된다.
도 8은 트랙션 배터리(114)에 듀얼 DC-DC 부스트 컨버터(810)를 제공하기 위한 도 2에 대한 대안적인 방식의 회로도의 개략도이다. 도 8에 도시되었듯이 두 부스트 변환 단(812, 814)(각각 제어부(130 및 132)와 유사한)은 두 트랙션 모터(116, 118)의 유도 권선과 함께 사용된다. 이 실시예에서 모터(116 및 118)는 공통 고정자에 권선되고 공통 회전자와 상호작용하는 절연된 3상 권선이다. 유리하게는 듀얼 DCDC 부스트 컨버터(810)는 병렬로 동작하는 두 개의 부스트 컨버터 단(812 및 814)에 의해 더 높은 전력을 제공할 수 있다. 즉, 제어부(812 및 814) 각각은 도 2의 부스트 충전기(210)에 의해 설명된 것과 유사하거나 동일하게 단독으로 또는 함께 작동할 수 있다. 또한, 유리하게는 제어부(812 및 814)의 부스트 스위치는 트랙션 배터리(114)에 대한 부스트된 전압 전위의 EMI와 AC 리플을 감소시키기 위해 부스트 제어 모듈(262)에 의해 삽입될 수 있다. 다른 이점은 단일 DCDC 변환은 스위칭 손실을 제한하고 변환 효율을 높이기 위해 보다 낮은 전력에서 수행될 수 있다는 것이다. 컨버터(810)는 컨버터(812 및 814)의 제2 입력부(컨버터(210)에 설명되었듯이 스위치(228 및 230) 사이의 중간 지점 전력 레일의 제2 입력과 같은)를 병렬로 배치하는 데 사용된 스위칭 메커니즘(257)을 포함할 수 있어서, 컨버터(810)는 제2 상태에서 동작할 때 병렬 부스트 모드를 수행할 수 있다. 적용 가능하다면, 도 2와 관련하여 설명된 특징 및 동작은 도 8의 듀얼 부스트 컨버터(810)에 또한 적용된다. 사전 충전 회로는 268에 통합되어 커패시터(812 및 814)가 배터리(114)에 의해 사전 충전되도록 한다. 입력 회로(256)의 커패시턴스는 양방향 벅 사전 충전 모드와 관련하여 이전에 설명되었듯이 제어부(17 및 18) 중 하나 또는 둘 모두에 의해 사전 충전될 수 있다.
도 9는 DC-DC 부스트 및 벅 컨버터 또는 DC-DC 병렬 부스트 컨버터(910)를 제공하기 위한 도 8에 대한 대안의 회로도의 개략도이다. 유리하게는 DCDC 병렬 부스트 변환(910)의 선택성을 가지는 DCDC 부스트 및 벅 컨버터는 변환을 위한 셋 이상의 전력 세팅 기능을 제공한다: 고전력을 위한 듀얼 부스트 / 중간 전력을 위한 고전압 전위, 부스트-벅 컨버터 저전력을 위한 중간 부스트된 전압 전위 및 단일 부스트 또는 벅 컨버터. 적용 가능하다면 도 2 및 8과 관련하여 설명된 특징 및 동작은 DCDC 병렬 부스트 변환(910)의 선택성을 가지는 도 9의 DCDC 부스트 및 벅 컨버터에 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 더 많은 스위치가 사용되어 DC 인렛 포트의 커패시터(266)의 영향을 줄이거나 제거하고, 섀시에 대한 커패시턴스에 의한 잠재적인 위험한 전압 축적의 위험을 제거한다. 다른 실시예에서, 커패시터(266)는 구현되지 않는다. 컨버터는 이전에 설명된 어떤 컨버터의 어떤 구성요소를 포함하거나 결합할 수 있다는 것이 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다. 예를 들면, 컨버터 구조는 예를 들면 도 2에 설명된 컨버터(210)의 그것과 유사한 부스트 충전기 구조, 또는 도 5에 설명된 컨버터(510)의 그것과 유사한 부스트 충전기 구조를 사용하여, 어떤 두 서브-컨버터 구조(제어부(130 및 132)와 같은)를 직렬 또는 병렬로 결합할 수 있다. 부스트-벅, 부스트-부스트, 벅-벅, 및 벅-부스트에 대한 실시예는 따라서 직렬 및 병렬의 상이한 구성으로 가능하다.
또한, 컨버터는 제1 입력부 및 대체 제1 입력부, 및 제2 입력부 및 대체 제2 입력부 둘 다를 포함할 수 있다는 것이 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 입력부는 DC 소스를 구동 회로의 양극 전력 레일(도 2의 전력 레일(224)과 같은)에 선택적으로 연결하는 데 사용되고, 대체 제1 입력부 및 대체 제2 입력부는 외부 DC 소스를 하프 브리지 구동 회로의 둘 이상의 스위치들 사이의 중간 지점 전력 레일(스위치(228 및 230) 사이의 중간 지점 전력 레일(252)와 같은)에 연결하는 데 사용된다. 이런 방식으로, 제어부의 실시예는 벅 충전 모드를 선택적으로 가능하게 하거나(즉, 보다 높은 전압 전위의 외부 소스로부터 배터리(114)를 충전), 부스트 충전 모드로 선택적으로 진입(즉, 보다 낮은 전압 전위의 외부 소스로부터 배터리(114)를 충전)할 수 있도록 설명될 수 있다.
본 발명에는 전기차에 견인력을 제공할 수 있는 유도성 부하용 제어부와, 재구성된 상태에서, 시스템에 많은 비용을 추가하지 않으면서 DC 소스로부터의 온보드 충전기에 대한 다양한 토폴로지가 설명되었다.
여기 설명된 DCDC 부스트 컨버터는 다음과 같은 이점을 가진다:
다른 통합 충전 변환 장치 및 방법을 사용하여 AC 소스로부터 충전하는 것에 비해, 일반적으로 DC 입력 소스에 의해 제공되는 충전 동안 갈바닉 절연.
비용 효율적이고 고효율의 차량 내 통합 충전.
변화가 없거나 최소인 차량 인버터.
고전력 및 고전압 전위 온보드 DC 충전. AC 충전 표준은 전력과 고전압 전위에서 제한될 수 있다.
더 높은 트랙션 모터 전압 전위를 가지는 차량에 대한 이전 버전과의 호환성, 예를 들면 새로운 세대의 800VDC에 대해 400VDC에 대한 호환성.
모든 차량과 DC 에너지 소스 사이의 충전 스테이션의 상호 운용성. 예를 들면, 본 발명은 조절되지 않은 DC 소스를 포함하는 대부분의 또는 어느 DC 충전 소스로부터 차량의 충전을 가능하게 한다.
충전 스테이션과 전기차 사이에 고전압 케이블링을 사용 가능하게 함으로써 전도 전력 손실을 최소화.
입력(즉, 충전 스테이션) 및 출력(즉, 온보드 배터리)에 나타나는 스위칭 노이즈를 최소화하기 위한 부스트 다음 벅 구성 제공 가능.
온보드 필터링에 대한 요건을 줄일 수 있음.
재충전 시간이 트랙션 배터리 용량과 무관하게 20분 미만으로 실질적으로 단축될 수 있음. 제어 신호에 대한 위의 실시예에서 참조는 제1 구성요소에 의해 생성되고, 제2 구성요소가 미리 정해진 동작을 수행하거나 미리 정해진 상태로 변경하거나, 달리 제어되도록 응답하는 모든 신호를 지칭한다. 제어 신호는 일반적으로 전기 신호이지만 일부 실시예에서는 광학 신호, 열 신호, 가청 신호 등과 같은 다른 신호를 포함한다. 제어 신호는 일부 예에서 디지털 신호이고, 다른 경우 아날로그 신호이다. 제어 신호는 모두 같은 특성일 필요는 없고, 제1 구성요소는 다른 제2 구성요소, 또는 같은 제2 구성 요소와는 다른 포맷의 다른 제어 신호를 발생시킬 수 있다. 게다가, 제어 신호는 제2 구성요소에 간접적으로 전송되거나, 제2 구성요소에 의해 수신되기 전에 다양한 변환을 통해 진행될 수 있다.
"제어부(controller)", "컨버터(converter)", "모듈(module)" 등과 같은 용어는 명확하게 달리 요구되지 않는 한, 본 명세서에서 일반적인 의미로 사용된다. 일반적인 의미로 사용될 때, 이들 용어는 일반적으로 상호 교환 가능하다.
위의 본 발명은 하나 이상의 유도 권선을 가지는 전기 트랙션 모터에 대한 제어부 / 구동 제어 모듈(134) / 부스트 제어 모듈(262)에서 다양한 중요한 개선을 제공한다.
본 발명의 예시적 실시예에 대한 위의 설명에서, 본 발명의 다양한 특징은 때때로 본 발명을 간소화하고 다양한 발명적 측면의 하나 이상의 이해를 돕기 위해 그에 대한 하나의 실시예, 도면, 또는 설명으로 함께 그룹화됨이 이해되어야 한다. 이러한 개시 방법은, 하지만, 청구된 발명이 각 청구항에서 명시적으로 인용된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안된다. 그보다는, 다음의 청구항이 반영하듯이, 발명적 측면은 단일의 앞서 개시된 실시예의 모든 특징들보다는 적다. 따라서, 상세한 설명 다음의 청구항은 이 상세한 설명에 여기에 명시적으로 통합되며, 각 청구항은 본 발명의 별도의 실시예로서 그 자체로 존재한다. 비슷하게, 발명의 요약은 또한 본 발명을 설명하는 것으로 상세한 설명에 포함된다.
또한, 여기에 설명된 일부 실시예가 다른 실시예에 포함된 다른 특징이 아닌 일부 실시예를 포함하지만, 상이한 실시예의 특징의 조합은 본 발명의 범위 내임을 의미하고, 상이한 실시예를 형성하는데, 이는 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 이해될 것이다. 예를 들면, 다음 청구항에서, 청구된 실시예 중 어는 것도 어떤 조합으로든 사용될 수 있다.
여기 제공된 설명에서 다양한 특정 세부사항이 설명된다. 하지만, 본 발명의 실시예는 이러한 특정 세부사항 없이 실행될 수 있다는 것이 이해된다. 다른 경우에, 잘 알려진 방법, 구조 및 기술은 본 설명의 이해를 모호하게 하지 않기 위해 자세히 설명되지 않았다.
비슷하게, "연결된(coupled)" 또는 "연결된(connected)"이라는 용어는, 설명 및 청구항에 사용될 때, 직접적인 연결로만 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것을 유의해야 한다. "연결된(coupled)" 또는 "연결된(connected)"이라는 용어는 그들의 파생어와 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, "연결된(coupled)" 및 "직접 연결된(directly coupled)"이라는 용어는 서로 동의어로 의도되지 않았음이 이해되어야 한다. 따라서, "장치 B에 연결된 장치 A"라는 표현의 범위는 장치 A의 출력이 장치 B의 입력부로 직접 연결된 장치 또는 시스템으로 제한되어서는 안된다. 그보다는, A의 출력과 B의 입력부 사이에 경로가 존재하는데 다른 장치나 수단을 포함하는 경로가 있을 수 있음을 의미한다. "연결된(Connected)"은 둘 이상의 구성요소가 직접 물리적 또는 전기적으로 접촉하거나, 둘 이상의 구성요소가 서로 직접 접촉하진 않지만 여전히 서로 협동하거나 상호작용함을 의미할 수 있다. 비슷한 용어들은 또한 비슷하게 해석된다. 예로서, "장착된(mounted to)" 또는 "고정된(fixed to)"이라는 용어는 제1 구성요소가 제2 구성요소에 직접 장착되거나 직접 고정된 장치로 제한되어서는 안된다. 그보다는, 포함할 수 있지만 반드시 포함해야 하는 것은 아닌 중간 구성요소를 포함하는 고정 장치가 둘 사이에 존재함을 의미한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예로 믿어지는 것이 설명되었지만, 이 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 다른 또는 추가 수정이 이루어질 수 있음을 인식할 것이며, 이는 그러한 변경과 수정이 본 발명의 범위내에 속하는 것으로 청구하고자 의도된다. 예를 들면, 제공된 어느 공식 또는 순서도도 사용될 수 있는 절차를 단순히 나타낼 뿐이다. 기능이 블록도에서 추가되거나 제거될 수 있고 동작은 기능 블록들 사이에서 상호 교환될 수 있다. 단계는 본 발명의 범위 내에서 설명된 방법에 추가되거나 제거될 수 있다.

Claims (10)

  1. 전기차로서:
    몸체;
    상기 몸체에 장착되고 제1 DC 전압인 온보드 DC 에너지 소스;
    상기 차량에 운동 에너지를 공급하기 위해 상기 몸체에 장착된 하나 이상의 전기 모터 - 상기 모터는 하나 이상의 유도 권선을 포함함 -;
    둘 이상의 하프 브리지 구동 회로 - 각 구동 회로는 하나 이상의 유도 권선에 연결되는 연결 지점을 포함함 -;
    제2 DC 전압인 외부 DC 에너지 소스와 연결하기 위해 상기 몸체에 장착된 둘 이상의 포트 단자들을 가지는 포트 - 상기 단자들 중 하나 이상은 상기 차량의 상기 둘 이상의 구동 회로의 상기 연결 지점들 중 하나 이상에 선택적으로 연결됨 -; 및
    제1 상태 또는 제2 재구성된 상태에서 동작하기 위한 상기 차량 내의 제어부;
    를 포함하되,
    상기 제1 상태에서 상기 제어부는, 상기 모터가 상기 운동 에너지를 제공하도록, 상기 유도 권선들 중 하나 이상에 에너지를 공급하기 위해 상기 온보드 DC 에너지 소스로부터 전류가 인출되도록 하고, 및
    상기 재구성된 제2 상태에서 상기 제어부는 선택적으로 상기 포트 단자들 중 하나 이상을 상기 둘 이상의 구동 회로들의 상기 연결 지점들 중 하나 이상에 연결하고, 상기 둘 이상의 구동 회로들 중 나머지의 하나 이상을 제어하여 상기 유도 권선들 중 하나 이상에 에너지가 공급되어 상기 DC 에너지 소스로의 충전 전류 또는 충전 전압 중 하나 이상을 조절하도록 하는, 전기차.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 부스트 컨버터로 동작하는, 전기차.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부가 상기 제2 상태에서 동작할 때 상기 제1 DC 전압은 상기 제2 DC 전압보다 큰, 전기차.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부에 대한 DC 입력부는 상기 제1 상태(트랙션 구동 모드)에서 상기 둘 이상의 구동 회로 중 하나 이상의 상기 중간 지점 연결로부터 선택적으로 분리되고 제2 상태(충전 모드)에서 선택적으로 연결되는 커패시터 또는 필터를 포함하는, 전기차.
  5. 차량의 전기 배터리용 DC-DC 부스트 컨버터로서,
    고전압 전위 레일 및 저전압 전위 레일,
    직렬인 제1 스위치 쌍,
    직렬인 제2 스위치 쌍,
    직렬인 제3 스위치 쌍,
    각 스위치에 걸쳐 연결된 프리휠링(freewheeling) 다이오드,
    를 포함하되
    상기 세 스위치 쌍은 상기 고전압 전위 및 저전압 전위 레일에 걸쳐 연결되어 브리지 배열을 형성하고,
    상기 차량의 트랙션 모터의 셋 이상의 유도 권선은 각 스위치 쌍의 스위치들 사이에서 다른 스위치 쌍의 다른 스위치들 사이에 연결되고,
    상기 제1 스위치 쌍의 스위치들 사이에 인가된 직류 소스 전압 전위는 상기 배터리를 충전하기 위해 상기 고전위 레일의 더 높은 전위로 부스팅되고,
    상기 더 높은 전위로의 상기 소스 전위의 상기 부스팅은 상기 스위치들의 진폭변조(pulse width modulation)에 의해 제어되는, 차량의 전기 배터리용 DC-DC 부스트 컨버터.
  6. 구동 인버터 및 온보드 DC-DC 부스트 충전기를 가지는 전기차용 컨버터로서,
    상기 컨버터는:
    전기 트랙션 모터; 및
    외부 DC 전원 또는 외부 DC 충전기 소스와 인터페이싱 하기 위한 DC 인렛 / 입력부;
    를 포함하되,
    제1 모드에서 상기 컨버터는 온보드 트랙션 배터리 팩으로부터의 전력을 사용하여 상기 트랙션 모터에 견인력(tractive effort)을 선택적으로 제공하고,
    제2 모드에서 상기 컨버터는 상기 외부 DC 소스를 수용하여 상기 온보드 트랙션 배터리 팩을 충전하도록 더 높은 전압 전위로 부스팅하도록 선택적으로/재구성되고,
    제2 모드에서 전류는 상기 모터의 유도 권선 전의 AC 풀-브리지 정류기를 통과하지 않고,
    상기 DC 인렛/입력부의 상기 전력 레일들 중 하나는 상기 전기 모터의 유도 권선/들 중 하나 이상에 연결되는, 컨버터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기 모터는 추진 제1 모드에서 AC 전류를 수용하고, 충전 제2 모드에서 DC 전류를 수용하는, 컨버터.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 외부 충전 스테이션은 상기 온보드 트랙션 배터리보다 낮은 전압 전위인, 컨버터.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨버터에 대한 상기 DC 입력부는 상기 입력부에 커패시터 또는 필터를 가지고, 상기 커패시터/필터는 상기 트랙션 모터의 스타-지점(star-point) 유도 권선으로부터 연결 또는 분리될 수 있는, 컨버터.
  10. 첨부 도면을 참조하여 여기에 실질적으로 설명된 DC-DC 부스트 컨버터.
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