KR20220150426A - 전기 자동차 - Google Patents

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볼투 모터 인코퍼레이티드
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Abstract

복수의 모드에서 동작 가능한 전기 자동차 용 전기 제어 시스템. 제어 시스템은 복수의 모터 코일을 가지는 전기 모터, 상기 전기 제어 시스템에 에너지를 제공하는 에너지 저장 장치, 상기 전기 모터를 상기 에너지 저장 장치에 선택적으로 커플링하는 트랜지스터 모듈, AC 전원에 선택적으로 연결되는 커넥터, 상기 커넥터를 상기 전기 모터에 선택적으로 결합하도록 구성된 제어 가능한 스위칭 장치, 및 검출된 충전 모드 중에 상기 커넥터를 상기 모터 코일들 중 적어도 하나에 결합하도록 상기 스위칭 장치를 제어하고, 상기 검출된 충전 모드 중에 상기 모터 코일을 상기 에너지 저장 장치에 결합하도록 상기 복수의 트랜지스터 모듈 중 하나 이상을 제어하는 마이크로 컨트롤러;를 포함한다.

Description

전기 자동차{ELECTRIC VEHICLE}
예시적으로 구현되는 측면은 전기로 구동되는 차량과 관련되며, 보다 구체적으로는 모터, 모터 제어기 및 배터리 팩 충전기 및 전기 오토바이와 관련하여 사용되는 관련 방법 및 장치에 관한 것이다.
전기 자동차(예를 들어, 전기 자동차, 전기 트럭, 전기 자전거, 전기 오토바이 또는 통상의 기술자에게 명백한 임의의 다른 전기 운송 수단)(EVs)는 기술이 향상됨에 따라 더욱 유비쿼터스화 되고, 지원 사회 기반 시설(예를 들어, 충전 스테이션, 가정용 충전기)가 구성된다. 도 1 내지 도 3은 종래 전기 자동차의 전기 시스템의 회로도를 도시한다. 도시된 바에 따르면, 종래 기술에서의 전기 자동차는 전기 구동 시스템 및 전기 충전 시스템을 위한 별도의 시스템이 제공된다. 구체적으로, 도 1은 종래 전기자동차의 전기 구동 시스템(100)을 도시하고, 도 2는 종래 전기 자동차의 전기 충전 시스템(200)을 도시한다. 전기 구동 시스템(100) 유닛은 전기 충전 시스템(200)과 통신 가능하게 결합될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전기 구동 시스템(100)은 3개의 모터 코일들(107a-107c)을 포함하는 3상 전기 모터(105), 배터리 팩(130) 및 배터리 팩(130)과 모터(105) 사이의 전기적 흐름을 제어하는 마이크로 컨트롤러(125)를 포함한다. 또한 구동 시스템(100)은 모터(105)의 각각의 상(모터 코일 107a-107c)를 통해 전류를 모니터링 하고 판독치를 마이크로 컨트롤러(125)에 제공하는 3개의 전류 센서(110a-110c)를 포함한다. 추가적으로, 복수의 트랜지스터 모듈(115a-115c)이 구동 시스템(100)에 제공된다. 각각의 트랜지스터 모듈(115a-115c)은 모터(105)의 상(모터 코일 107a-107c)에 접속되고, 마이크로 컨트롤러(125)로부터의 신호에 기초하여 모터의 3상(모터 코일 107a-107c)과 배터리(130) 사이의 전류 흐름을 제어한다. 구동 시스템은 또한 배터리 팩(130)의 단자에 전기적으로 결합된 커패시터(120) 및 배터리 팩(130)으로부터의 전압 및 전류 센서(135, 140)를 포함할 수 있다. 어플리케이션, 모터, 모터 컨트롤러 및 배터리 팩 충전기는 다른 유닛으로 제공된다. 이들의 유닛들은 서로 통신 가능하게 결합될 수 있다. 다음 도면은 이와 관련된 전기 자동차 시스템을 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전기 충전 시스템(200)은 AC 전압을 수신하기 위해 AC 소스에 연결되도록 구성된 커넥터(205), 배터리 팩(130) 및 배터리 팩(130)과 AC 전압을 수신하는 커넥터(205) 사이의 전기적 흐름을 제어하는 충전기 마이크로 컨트롤러(225)를 포함한다. 전기 충전 시스템(200)은 AC 소스로부터 전압 및 전류를 측정하고 충전기 마이크로 컨트롤러(225)에 판독치를 제공하는 전압 및 전류 센서(201, 203)를 포함한다. 충전기 마이크로 컨트롤러(225)는 도시된 바와 같이 브릿지 회로(211) 및 커패시터를 통해 시스템(200)의 충전 회로(214)에 커넥터(205)를 선택적으로 연결하는 릴레이(209)를 제어할 수 있다.
또한 충전 시스템(200)은 충전 회로(214)의 각 위상(인덕터 207a-207c)을 통해 전류를 모니터링 하고 충전기 마이크로 컨트롤러(225)에 판독치를 제공하는 3개의 전류 센서(210a-210c)를 포함한다. 추가적으로, 충전 회로(214)에는 복수의 트랜지스터 모듈(215a-215c)가 제공된다. 트랜지스터 모듈(215a - 215c) 각각은 충전 회로(214)의 위상(인덕터 207a-207c)에 접속되고, 충전기 마이크로 컨트롤러(225)로부터의 신호에 기초하여 충전 회로(214)의 3상(인덕터 207a-207c)과 배터리(130) 사이의 전류 흐름을 제어한다. 충전 시스템(200)은 또한 배터리 팩(130)의 단자에 전기적으로 연결된 커패시터(220) 및 배터리 팩(130)으로부터의 전압 및 전류 센서들(235, 240)을 포함할 수 있다.
그러나, 별도의 전기 구동 시스템(100) 및 전기 충전 시스템(200)을 가지는 도 3에 도시된 시스템은 2개의 시스템(100, 200) 사이의 여분의 구성요소를 초래한다. 예를 들어, 전기 구동 시스템(100) 및 전기 충전 시스템(200) 모두는 AC 전압의 3상에 대응하는 3개의 인덕터 세트(예를 들어, 모터(105)의 모터 코일(107a-107c) 및 충전 회로(214)의 인덕터(207a-207c))를 포함한다. 유사하게, 전기 구동 시스템(100) 및 전기 충전 시스템(200) 모두는 AC 전압의 3상에 대응하는 3개의 전류 센서의 세트(예를 들어, 전류 센서(110a-110c) 및 전류 센서(210a-210c))를 포함한다. 또한, 전기 구동 시스템(100) 및 전기 충전 시스템(200) 모두는 AC 전압의 3상에 대응하는 3개의 트랜지스터 모듈 세트(예를 들어, 트랜지스터 모듈(115a-115c) 및 트랜지스터 모듈(215a-215c))를 포함한다. 이러한 여분의 구성요소들은 중량을 추가시키는 결과가 될 수 있어, 전기 자동차의 주행 범위를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태는 전기자동차 용 전기 제어 시스템을 포함할 수 있다. 전기 제어 시스템은 복수의 모드로 동작하도록 구성될 수 있다. 전기 제어 시스템은 복수의 모터 코일을 갖는 다상 전기 모터, 전기 제어 시스템에 에너지를 제공하도록 구성된 에너지 저장 장치, 전기 모터를 에너지 저장 장치에 선택적으로 연결하는 복수의 트랜지스터 모듈, AC 전원에 선택적으로 결합하도록 구성된 커넥터, 상기 커넥터를 상기 다상 전기 모터에 선택적으로 결합하도록 구성된 제어 가능한 스위칭 장치 및 검출된 충전 모드 중에 상기 커넥터를 상기 모터 코일 중 적어도 하나에 선택적으로 결합하도록 상기 스위칭 장치를 제어하고, 상기 검출된 충전 모드 중에 상기 적어도 하나의 모터 코일을 상기 에너지 저장 장치에 선택적으로 결합하도록 상기 복수의 트랜지스터 모듈 중 하나 이상을 제어하도록 구성되는 마이크로 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 전기자동차를 포함할 수 있다. 전기자동차는 적어도 하나의 휠을 갖는 구동 트레인, 상기 적어도 하나의 휠에 토크를 제공하기 위해 상기 구동 트레인에 연결된 복수의 모터 코일을 가지는 다상 전기 모터, 복수의 모드로 동작하도록 구성된 전기 제어 시스템을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 전기 제어 시스템에 에너지를 제공하도록 구성된 에너지 저장 장치, 전기 모터를 에너지 저장 장치에 선택적으로 연결하는 복수의 트랜지스터 모듈들, AC 전원에 선택적으로 결합하도록 구성된 커넥터, 상기 커넥터를 상기 다상 전기 모터에 선택적으로 결합하도록 구성된 제어 가능한 스위칭 장치, 및 검출된 충전 모드 중에 상기 커넥터를 상기 모터 코일 중 적어도 하나에 선택적으로 결합하도록 상기 스위칭 장치를 제어하고, 상기 검출된 충전 모드 중에 상기 적어도 하나의 모터 코일을 상기 에너지 저장 장치에 선택적으로 결합하도록 상기 복수의 트랜지스터 모듈 중 하나 이상을 제어하도록 구성되는 마이크로 컨트롤러;를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 양태는 전기자동차용 에너지 저장 장치를 포함할 수 있다. 상기 에너지 저장 장치는 내부 부피를 정의하는 하우징, 상기 하우징의 내부 부피 내에 배열된 복수의 전력 셀을 포함하고, 각각의 전력 셀은 일 단부에 제1 단자 및 타 단부에 제2 단자를 가지며, 상기 복수의 전력 셀 각각은 인접한 전력 셀 사이에 제공된 사이 공간을 가지고 실질적으로 평행한 구성으로 연장되며, 상기 복수의 전력 셀 각각의 적어도 하나의 단부를 캡슐화하고, 상기 복수의 전력 셀을 강체 형태로 유지하는 수지 시트 및 상기 복수의 전력 셀들 중 적어도 하나의 외부와 접촉하는 상기 사이 공간(intervening spaces)들을 통해 순환하는 상기 하우징 내의 열 흡수 유체를 포함할 수 있다.
도 1 내지 3은 기존 기술에서의 전기 자동차의 전기 시스템의 회로도를 도시한다.
도 4 내지 도 10은 본 발명에서의 예시적인 실시예에 따른 전체 EV 구동 트레인 시스템의 회로도를 도시한다.
도 11A 내지 도 11E는 본 발명에 따른 배터리 팩의 예시적인 실시예의 외관을 도시한다.
도 11F는 본 발명에 따른 배터리 팩의 예시적인 실시예의 분해도를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 배터리 팩 용 개별 셀의 몇 가지 구현 예를 도시한다.
도 13A 내지 도 13E는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 배터리 팩 내의 셀을 패킹하는 구성을 도시한다.
도 14A 내지 도 14D는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 배터리 팩의 개별 셀을 냉각시키기 위한 구성을 도시한다.
도 15는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 복수의 배터리 팩으로 형성된 에너지 모듈의 예시적인 구현을 도시한다.
도 16A 및 도 16B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 통합된 냉각 시스템을 구비하는 도 15의 에너지 모듈의 사시도를 도시한다.
도 17A 및 도 17B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 배터리 관리 시스템(BMS)의 동작을 개략적으로 도시한다.
도 18A 및 도 18B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터의 단부도를 도시한다.
도 18C 및 도 18D는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터의 측면도를 도시한다.
도 18E 및 도 18F는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터의 사시도를 도시한다.
도 18G는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터의 분해도를 도시한다.
도 18H는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터의 단면도를 도시한다.
도 19A는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 분할된 고정자의 사시도를 도시한다.
도 19B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 고정자 치형 유닛의 사시도를 도시한다.
도 19C는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 고정자의 치형 바디를 도시한다.
도 19D는 본 발명에 따른 고정자의 치형 바디를 형성하는데 사용될 수 있는 고정자 시트를 도시한다.
도 20A는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터 바디의 평면도를 도시한다.
도 20B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터 바디의 측면도를 도시한다.
도 20C는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터 바디의 저면도를 도시한다.
도 20D는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터 바디의 단면도를 도시한다.
도 20E는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 설치된 고정자 어셈블리를 가지는 모터 바디의 사시도이다.
도 20F는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 설치된 고정자 어셈블리를 가지는 모터 바디의 단부도이다.
도 20G는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 설치된 고정자 어셈블리를 가지는 모터 바디의 측면도이다.
도 20H는 고정자 어셈블리가 설치된 모터 바디의 단면도이다.
도 21A는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 단부 실드의 사시도이다.
도 21B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 단부 실드의 정면도이다.
도 21C는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 단부 실드의 배면도이다.
도 21D는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 단부 실드의 단면도이다.
도 22A는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 회전자 시트의 평면도이다.
도 22B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 회전자 시트의 사시도이다.
도 22C는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 복수의 회전자 시트로 형성된 회전자 코어의 사시도이다.
도 23A는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 회전자용 자석의 평면도를 도시한다.
도 23B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 회전자용 자석의 사시도를 도시한다.
도 24A는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 조립된 회전자의 평면도를 도시한다.
도 24B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 조립된 회전자의 사시도를 도시한다.
도 24C는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 설치된 축(axle)을 구비한 조립된 회전자의 평면도를 도시한다.
도 24D는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 설치된 축(axle)을 구비한 조립된 회전자의 사시도를 도시한다.
다음의 상세한 설명은 본 발명의 도면 및 실시예에 대한 더 상세한 설명을 제공한다. 도면들 사이의 중복된 구성 요소들에 대한 참조 번호 및 설명은 명료성을 위해 생략되었다. 설명을 통해 사용된 용어는 예시로써 제공되며, 제한하려는 의도는 아니다. 예를 들어, “자동”이라는 용어의 사용은 완전한 자동 또는 본 발명의 실시를 구현하는 통상의 기술자의 바람직한 구현에 따라, 실시의 특정 측면에 대한 사용자 또는 운영자 제어를 포함하는 반자동 구현이 포함될 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 전기 자동차(EVs)는 탑재된 배터리를 충전하고 배터리로부터 전기 모터를 구동하기 위해 별도의 시스템을 사용한다. 그러나, 완전히 별개의 시스템을 사용하면 두 시스템이 각각 전기 시스템의 무게와 복잡성을 증가시키는 중복 요소(예: 인덕터, 센서 및 트랜지스터 모듈)을 각각 가지는 2개의 시스템이 생길 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 엔진 구동 시스템, 배터리 충전 시스템 및 선택적으로 AC 발전기를 결합하여 동일한 하드웨어로 복수의 동작 모드를 달성하고, 모터가 모터링 용도뿐만 아니라 AC(교류) 충전 및 생성 용도로도 사용될 수 있도록 하고, 모터 코일을 벅 또는 부스트 컨버터 인덕터로 재사용한다. 이를 통해 비용, 무게, 시스템 복잡성을 줄이고 모터링과 동일한 피크 전류로 충전한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 전기 회로도를 도시한다. 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 예시적인 구현은 전기 자동차, 전기 자전거 및 전기 오토바이와 같은 전기 차량에 의한 복수의 작동 모드를 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 여기 설명된 시스템은 300km 범위의 90 마력(HP)의 전기 고성능 오토바이에 사용될 수 있다. 전기 자동차 구동 트레인은 최첨단의 독점적인 전자 기술 및 알고리즘에 비해 고성능, 에너지 효율성 및 감소된 체적이 가능하게 하고, 배터리 에너지를 사용하는 동기식 모터 기술을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)은 3개의 모터 코일(407a-407c)을 포함하는 3상 전기 모터(405), 배터리 팩(430) 및 모터(405)와 배터리 팩(430) 사이의 전기 흐름을 제어하는 마이크로 컨트롤러(425)를 포함한다. 또한 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)은 모터(405)의 각 상(모터 코일 407a-407c)을 통한 전류를 모니터링하고, 마이크로 컨트롤러(425)에 판독 값을 제공하는 3개의 전류 센서(410a-410c)를 포함한다. 또한, 복수의 트랜지스터 모듈(415a 내지 415c)가 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)에 제공된다. 각각의 트랜지스터 모듈(415a-415c)은 모터(405)의 위상(모터 코일 407a-407c)에 접속되고, 마이크로 컨트롤러(425)로부터의 신호에 기초하여 배터리(430)와 모터의 3상(모터 코일 407a-407c) 사이의 전류 흐름을 제어한다. 구동 시스템은 또한 배터리 팩(430)의 단자들에 전기적으로 연결된 커패시터(420) 및 배터리 팩(430)으로부터의 전압 및 전류를 측정할 수 있는 전압 및 전류 센서(435, 440)를 포함할 수 있다.
또한, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400) 전력 입력 회로(414)는 AC 전압에 접속되도록 구성된 커넥터(401)를 포함할 수 있다. 커넥터(401)는 마이크로 컨트롤러(425)에 의해 제어되는 한 쌍의 릴레이 스위치(402a, 402b)에 연결되어 인버터(구동) 모드와 충전 모드 사이에서 및 AC 발전기 모드 사이에서 선택적으로 스위칭 할 수 있다. 제1 위치에서, 릴레이 스위치(402a, 402b)는 브릿지 회로(409) 및 벅 스위치(403)를 통해 모터(405)의 코일(407a, 407b, 407c)에 연결된다. 제2 위치에서, 릴레이 스위치(402a) 중 하나는 (A)에 도시된 바와 같이, 브릿지 회로(409) 및 벅 스위치(403)를 통하지 않고 커넥터(401)를 모터(405)의 코일(407a, 407b, 407c)에 연결할 수 있다. 다른 릴레이 스위치(402b)는 (B)에 도시된 바와 같이 제2 위치에서 커넥터(401)를 배터리 팩(430)의 중간 단자에 연결한다.
한 쌍의 릴레이 스위치가 제1 위치(정류기 브릿지(409)에 연결된)에 있으면, 회로는 인버터(구동) 및 배터리 충전기로써 동작할 수 있다. 스위치가 제2 위치에 있으면, 회로는 그리드에 주입하기 위한 교류 전류를 생성할 수 있다.
전체 EV 구동 트레인 시스템(400)은 또한 벅 스위치(403)에서 전류 및 전압을 측정하고 마이크로 컨트롤러(425)에 판독치를 제공하는 전류 및 전압 센서(419, 421)를 포함할 수 있다. 또한, 제어 시스템은 코일(407a-407c)에서의 전압을 측정하고 마이크로 컨트롤러(425)에 판독 값을 제공하는 전압 센서(422)를 포함할 수 있다.
이러한 구성의 실시예는 전체 EV 구동 트레인 시스템(400) 내의 스위칭을 선택적으로 제어하는 것을 통해 충전용 인덕터로써 모터 코일을 재사용하여 배터리를 충전하고 모터를 구동하기 위해 동일한 하드웨어를 사용할 수 있다. 이는 시스템의 비용, 중량 및 복잡성을 줄이고, 모터링과 동일한 피크 전류를 충전하도록 할 수 있다.
이 시스템의 실시 예는 전체 속도/토크 곡선에서 배터리 상에서 이용 가능한 모든 전력을 효율적으로 사용하도록 설계될 수 있다. 일반적으로 다른 시스템은 모터 최대 전력 기능에 적응한다.
이 시스템의 실시 예는 동일한 하드웨어 상에 주요 차량 제어 유닛(VCU)을 구현할 수 있다.
부가적으로 후술되는 바와 같이, 이 시스템의 예시적인 구현은 배터리 뱅크(430) 및 동일한 EV 구동 트레인 시스템(400) 하드웨어를 사용하여 교류 전류의 생성을 통해 커뮤니티 전력 그리드에 에너지를 공급할 수 있다. 이러한 추가 기능으로 가정이나, 이러한 것이 요구되는 다른 응용 프로그램에 AC의 안정적인 소스의 공급이 가능하다.
이러한 선택적인 기능성은 모터 제어기, 충전기 및 인버터를 단일 하드웨어 구성으로 결합함으로써 일부 어플리케이션에서 달성될 수 있으며, 전기 모터가 모터링 용도뿐만 아니라 벅 및 부스트 컨버터 인덕터로서 모터 코일을 재사용함으로써 충전 및 반전 용도로 사용될 수 있도록 한다. 일부 실시 예에서, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)은 모터(405)를 3상 동기 모터 제어기 또는 필드 벡터 제어, 자속 약화 제어, 재생 제동, 충전기 및 차량 제어 유닛(VCU, 차량 종합 관리)를 갖는 BLDC 모터로서 사용할 수 있다.
후술되는 바와 같이, 모터(405)가 작동하지 않을 때, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)은 입력 전압을 상승시켜 배터리를 충전하기 위해 모터 코일(407a-407c) 및 동일한 트랜지스터 모듈(415a-415c)을 사용함으로써 충전기로써 작동할 수 있다. 즉, 배터리 팩(430) 및 벅 스위치(403)에 통합된 배터리 관리 시스템(BMS)(432)로부터의 정보와 결합하여, 전압이 입력보다 낮을 때 배터리를 충전하고, 동일한 시스템 상에 구현된 PFC 마이크로 컨트롤러(425)는 배터리를 모터링하고 충전하기 위한 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)을 초래한다.
전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 예시적인 구현의 또 다른 선택적인 기능은 모터가 작동하지 않을 때 AC 전압/전류 소스로써 행동할 수 있는 능력을 포함할 수 있다. 이 기능은 AC 입력 커넥터(401)에 연결된 한 쌍의 릴레이 스위치(402a, 402b)를 제어함으로써 달성될 수 있다. 이러한 구성은 모터(405)를 구동하는데 사용될 수 있는 구성과 배터리 팩(430)을 충전하는데 사용될 수 있는 구성 사이에서 공유 트랜지스터 모듈(415a-415c)을 스위칭 함으로써 얻어지는 정현파의 전달을 허용할 수 있다.
일부 예시적인 구현 예에서, 전체 EV 구동 트레인 시스템은 시스템의 다른 부분과 통신하기 위해 CAN(Controller Area Network) 통신 프로토콜을 설정할 수 있으며, 인포테인먼트(intorainment) 시스템으로부터 정보를 송수신하기 위한 USB 통신 채널을 통합할 수 있다.
도 5 내지 도 10은 도 4에 도시된 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 상이한 모드를 나타내는 단순화된 회로 구성을 도시한다. 도 5 내지 도 10에 도시된 회로 구성은 도 4에 도시된 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 릴레이 및 스위치 위치를 선택적으로 변경함으로써 달성되는 기능적 회로를 나타낸다.
모터 구동 모드
도 5는 배터리 팩(430)으로부터의 에너지에 기초하여 모터(405)를 구동하는데 사용되는 기능 회로(500)를 도시한다. 이 구성에서, 기능 회로(500)는 도 4에 도시된 전력 입력 회로(414)로부터 분리된 형태이다. 도시된 바와 같이, 구동할 때, 전류는 배터리 팩(430)으로부터 모터(405)로 흐르고, 3개의 트랜지스터 모듈(415a-415c)은 3개의 하프 브릿지로써 기능하여, 모터(405)가 영구 자석 동기 모터(PSPM)일 경우 DC 배터리 전류를 3상 평형 정현파 전류로 변조하도록 하고, 모터(405)가 브러시리스 DC 전기 모터(BLDC 모터)인 경우 DC 배터리 전류를 사다리꼴 전류로 변조하도록 할 수 있다. 또한, 기능적 회로는 각 트랜지스터 모듈(415a-415c)의 스위치를 사용하여 전압을 상승시키고 배터리로 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 3개의 트랜지스터 모듈(415a-415c)은 플럭스 벡터 제어, 플럭스 약화, 재생 제동, 전류 제어 및 속도 제어를 구현하는 데 사용될 수도 있다.
예를 들어, 전기 자동차가 감속할 때, 회생 제어 모드는 자동차의 운동 에너지를 사용하여 발전기로서 모터(405)를 회전시키는 데 사용될 수 있고, 3개의 트랜지스터 모듈(415a-415c)은 배터리 팩(430)을 부분적으로 충전하기 위해 모터(405)에 의해 생성된 전류를 전달하도록 동작할 수 있다.
충전 모드
도 6 및 도 7에는 비구동 모터 구동 모드에서의 배터리 팩(430)을 충전하는데 사용되는 기능적 회로(600, 700)가 도시된다. 이들 구성에 있어서, 기능적 회로(600, 700)는 도 4에 도시된 전원 입력 회로(414)에 접속되어 있다.
충전 모드에서, 모터(405)는 정지되고 메인 AC 소스는 커넥터(401)에 연결된다. 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 마이크로 컨트롤러(425)가 주된 AC 소스가 연결되어 정상 동작 상태에 있음을 감지하면, 충전 프로세스가 시작될 수 있다. 이러한 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)은 두 개의 메인 충전 스테이지, 즉 도 7에 도시된 벅 토폴로지 스테이지와 도 6에 도시된 부스트 토폴로지 스테이지를 포함할 수 있다. 배터리의 전압이 AC 소스의 정류된 피크 전압(전형적인 경우)보다 높으면, 제어기(425)는 트랜지스터 모듈(415a) 중 하나의 하부를 스위칭함으로써 전류 제어 승압 컨버터를 구현한다. 각각의 트랜지스터 모듈(415a-415c)의 하나의 레그를 사용하는 것 만으로도 충전 사이클을 완전히 완료하기에 충분하다. 일부 실시 예에서, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 마이크로 컨트롤러(425)는 각각의 트랜지스터 모듈들(415a-415c)의 상이한 레그를 사용하도록 구성될 수 있으며, 충전 모드가 활성화 될 때마다 트랜지스터 모듈들(415a-415c)의 일부인 구성 요소들의 수명을 연장시킬 수 있다.
이러한 구성은 충전 회로에서 AC 소스에 연결된 입력 커패시터에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 일부 구현 예시에서, 이 구성은 충전기에서 사용되는 개선된 역률 개선(PFC) 알고리즘의 구현을 허용할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(BMS)(432)는 배터리 팩(430)(에너지 팩으로도 지칭됨)에 직렬 연결된 각각의 셀(또는 병렬 셀들의 그룹)을 개별적으로 모니터 할 수 있고, 특정 셀(또는 병렬 셀들의 그룹)의 전압이 사전 설정된 한계에 도달할 때 밸런싱 프로토콜을 구현한다. 사용자의 선택 구성에 따라 모든 셀이 최대 사전 설정된 충전 전압에 도달하면, 마이크로 컨트롤러(425)는 전류가 최소가 될 때까지 전압 제어 루프를 구현하여 충전이 완료될 수 있다.
도 6은 본 발명의 예시적 구현에 따라 구현된 PFC 부스트 컨버터의 간략화된 회로도(600)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 3개의 원(601-603)은 부스트 컨버터 회로의 구성 요소를 강조한다. 원 601에는, 벅 스위치(403)이 도시되어 있다. 벅 스위치(403)는 배터리 전압 값이 입력 피크 전압 값보다 높은 경우 충전 모드 중에 역률 보정을 위해 구성될 수 있다. 원 602에는 트랜지스터 모듈(415a)의 상부 스위치(604)가 도시되어 있다. 부스트 컨버터의 구성에서, 상부 스위치(604)는 완전히 오프될 것이다.(예를 들어, 트랜지스터 모듈(415a)의 병렬 쇼트키 다이오드는 부스트 회로의 프리 런 다이오드로써 동작할 것이다.) 최종적으로, 원(603) 내의 트랜지스터 모듈(415a)의 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)(605)는 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 부스트 구성의 주된 스위치가 될 것이다. 일부 구현 예에서, 역률 보정 알고리즘은 개선된 효율(예를 들어, 보다 작은 부품들이 사용될 수 있게 함) 및 피할 수 있는 입력 필터 커패시터의 요건을 달성하기 위해 마이크로 컨트롤러(425)에 의해 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예의 구현에 따라 구현된 벅 충전 구성의 단순화된 회로도(700)를 나타낸다. 배터리 팩(430)의 배터리 전압이 커넥터(401)로부터의 정류된 입력 전압보다 낮다면, 벅 충전 스위치(403)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 구동되고, 3개의 트랜지스터 모듈(415a-415c)은 오프로 유지된다.(예를 들어, 트랜지스터 모듈(415a-415c)의 병렬 쇼트키 다이오드만이 도시되어 있고, 그 이유는 하부 트랜지스터는 오프되고 단순화 된 등가 회로에 영향을 미치지 않기 때문이다.) 이 구성에서, 역률 보정 알고리즘은 마이크로 컨트롤러(425)에 의해 구현되어 개선된 효율을 허용하고 입력 커패시터의 요구사항을 피할 수 있다. 마이크로 컨트롤러(425)는 배터리의 전압이 입력과 같아질 때까지 유입 전류를 제어할 수 있다. 그런 다음, 벅 충전 스위치는 PFC 상태로 유지되고, 상기의 충전 단계(부스트 컨버터 단계)가 시작된다.
추가적인 기능 : 전력 그리드에 대한 에너지 주입
구동 모드 및 충전 모드에 추가하여, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 예시적인 구현은 또한 전기를 저장하고 전력 그리드에 에너지를 주입하기 위한 하나 이상의 모드를 포함할 수 있다. 도 8 내지 도 10은 전력을 저장하고 전력 그리드에 에너지를 주입하는 실시 예에 대한 간략화 된 회로를 도시한다.
도 8의 간략화 된 회로(800)에 도시된 바와 같이, 일 실시 구현 예는 인버터로서 각 트랜지스터 모듈(415a-415c)의 레그들 중 하나의 사용 및 도 4의 전용 릴레이(402a, 402b)의 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 릴레이(402b)의 스위치는 배터리 팩(430)의 중간 지점으로 연결부(B)를 따라 접속하고, AC 입력 커넥터(401)를 AC 출력 커넥터(401)로 변환할 뿐만 아니라 커넥터의 핀을 정류기 다이오드 브릿지(409)로부터 분리하고 이들을 배터리 팩(430)의 중간 지점에 연결하며, 인버터의 출력(모터 인덕터(407a)의 우측 핀)에 각각 연결한다.
몇몇 예시적인 구현에서, 이러한 특징은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 입력 상에 정현파 펄스 폭 변조(SPWM)를 구현함으로써 달성될 수 있으며, 따라서 도 8에 도시된 회로의 출력에서 정현파를 발생시킨다.
도시된 바와 같이, 트랜지스터 모듈(415a)의 레그들 중 하나는 중간지점 구성에서 배터리 팩(430)에 연결된다. 즉, 하부 트랜지스터(802)가 배터리 팩(430)(이미터)의 접지 단자(804) 및 인덕터 모터 코일(407a)(컬렉터)의 사이에 연결되는 반면, 상부 트랜지스터(801)는 양의 배터리 팩 단자(803)(컬렉터) 및 모터(405)(이미터)의 인덕터(모터 코일 407a)에 연결된다. 회로(800) 및 양호하게 구현된 정현파 펄스 폭 변조로 인해, 배터리 팩(430)의 중간 핀(805)과 모터 코일(407a)의 우측 사이드 핀 사이에서 거의 순수한 정현파가 얻어질 수 있으며, 모두 AC 커넥터(401)에 접속되며, 회로 출력의 최대 피크 진폭은 배터리 팩(430)의 절대 전압의 절반이다. 사인파의 제1 하프-사이클에서, 상부 트랜지스터(801)는 게이트되며(출력에서 양의 전압에 도달함), 사인파의 제2 하프-사이클에서, 하부 트랜지스터(802)는 게이트된다(음의 전압 출력을 생성). 트랜지스터 모듈의 다른 2개의 레그들을 게이팅하여 각각 120도 및 240도의 위상차 정현파를 생성함으로써 3상 AC 출력이 생성될 수 있다.
도 9는 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 하드웨어를 재사용하는 AC 전류를 생성하기 위한 회로(900)의 다른 구현 예를 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)은 각각의 트랜지스터 모듈(415a-415c)의 중점(902a-902c)과 각 인덕터 (모터 코일 407a-407c) 사이에 스위치(901a-901c)의 추가와, 커넥터(401)를 각각의 트랜지스터 모듈(415a-415c)의 중점(902a-902c)에 선택적으로 접속하는 스위치(901d-901f)의 추가로 수정되었다. 몇몇 예시적인 구현 예에서, 스위치(901a 및 901d)는 원하는 동작을 달성하기 위해 함께 쌍으로 될 수 있다. 또한, 일부 실시 예에서, 스위치(901b, 901e)는 원하는 동작을 달성하기 위해 함께 쌍으로 될 수 있다. 또한, 일부 예시적인 구현 예에서, 스위치(901c, 901f)는 원하는 동작을 달성하기 위해 함께 쌍을 이룰 수 있다.
도 9의 구성에서는, H-브릿지 인버터 구현이 사용되기 때문에, 배터리 팩(430)에 중간점을 추가할 필요성이 없다. 또한, 마이크로 컨트롤러(425)는 교번(alternate)할 수 있으며, 트랜지스터 모듈(415a-415c) 중 어느 것이 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 작업 수명을 증가시키기 위해 발전기로써 사용된다.
도 10은 도 9의 인버터의 간략화된 회로도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 도 9에 도시된 3개의 릴레이(901a-901c)(각각은 듀얼 폴 듀얼 스로우(DPDT) 릴레이일 수 있음) 중 하나만을 스위칭 하면, 도 10의 간략화된 회로 1000이 생산된다. 간략화된 회로(1000)는 트랜지스터 모듈(415a, 415b)의 트랜지스터의 게이트에서 정현파 펄스 폭 변조를 사용하여 그 출력에서 AC 전류를 생성할 수 있는 인버터이다. 상부 좌측 트랜지스터(1001) 및 하부 우측 트랜지스터(1002)가 게이트 되고, 다른 두 개의 트랜지스터(1003, 1004)가 오프상태에 있을 때, 양의 반-주기 사인파가 부하(load) 상에 생성되고, 상부 우측 트랜지스터(1004) 및 하부 좌측 트랜지스터(1003)가 게이트 되고, 다른 두개의 트랜지스터(1001, 1002)가 오프 상태에 있을 때, 부하(load) 상에 음의 반-주기 사인파가 생성된다. 몇몇의 예시적인 구현 예에서, 출력 커패시터는 AC 커넥터의 핀들 사이에 배치되어, 출력 상에 정현파를 생성하기 위해 모터 코일(407a-407c)의 인덕턴스와 결합하여 저역 통과 필터를 형성할 수 있다.
배터리 팩 / 에너지 모듈 구성
도 11A 내지 도 11E는 도 4 내지 도 10 상에 도시된 배터리 팩(430)의 예시적인 구현의 외관의 상이한 도면을 도시한다. 일부 예시적인 구현에서, 단일 배터리 팩(430)이 사용될 수 있다. 그러나, 일부 예시적인 구현 예에서, 더 큰 에너지 팩을 형성하기 위해 복수의 배터리 팩(430)이 적층될 수 있다.
도 11A는 배터리 팩(430)의 예시적인 구현 예의 사시도를 도시한다. 도 11B는 배터리 팩(430)의 예시적인 구현의 평면도를 도시한다. 도 11C는 배터리 팩(430)의 예시적인 구현의 측면도를 도시한다. 도 11D는 배터리 팩(430)의 예시적인 구현의 단부도를 도시한다. 도 11E는 배터리 팩(430)의 예시적인 구현의 저면도를 도시한다. 도 11F는 배터리 팩(430)의 예시적인 구현의 분해도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 배터리 팩(430)은 상부 벽(1110), 하부 벽(1115) 및 한 쌍의 측벽(1120)에 의해 형성된 배터리 하우징(1105)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 배터리 팩(430)의 단부(1125)는 배터리 하우징(1105)의 내부의 가시화(visualization)를 허용하도록 개방한 것으로 도시되어 있다. 상부 벽(1110), 하부 벽(1115) 및 한 쌍의 측벽(1120)은 통상의 기술자에게 명백할 수 있는 임의의 메커니즘에 의해 함께 결합될 수 있다. 예를 들어, 상부 벽(1110), 하부 벽(1115) 및 한 쌍의 측벽(1120)은 본원의 일 실시 예에서 함께 볼트(bolted) 결합되거나, 함께 나사(screwed) 결합되거나, 함께 리벳팅(riveted) 되거나, 또는 함께 용접(welded) 될 수 있다.
배터리 하우징(1105) 내에는, 복수의 셀(1200)이 셀(1200)의 단자를 연결하는 복수의 도전성 시트(1140)와 함께 제공될 수 있다. 후술할 바와 같이, 한 쌍의 수지(resin) 시트(1305, 1310)는 셀(1200)을 둘러싸기 위해 배터리 하우징(430)의 측면(1125) 상의 벽으로 사용될 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 배터리 팩(430)은 그 내부에 위치한 복수개의 개별 셀들로 조립된 특정 배터리 모듈의 구현일 수 있다. 또한, 개별 셀들을 냉각시키기 위해 냉각 유체가 배터리 팩(430)을 통해 순환될 수 있다. 도 11A-도11F에 도시된 바와 같이, 상부 벽(1110) 및 하부 벽(1115)은 배터리 팩(430)을 다른 배터리 팩(430) 또는 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 다른 구성요소와 연결하는 전기 접속 포트(1130)를 각각 가질 수 있다. 상부 벽(1110) 및 하부 벽(1115)은 또한 냉각 유체가 배터리 팩(430)의 내외로 펌핑될 수 있도록 하는 교환 포트(1135)를 가질 수 있다.
도 11F의 분해도에서, 측벽(1120), 상부 벽(1110) 및 하부 벽(1115)에 의해 형성된 배터리 하우징(1105)이 도시되어 있다. 교환 포트(1135)는 배터리 하우징(1105)을 관통하여 이를 통한 유체 연통을 제공한다. 몇몇의 예시적인 구현에서, 밀봉 링(1137)은 누출 방지를 위해 각각의 유체 포트 주위에 제공될 수 있다. 일부 실시 예에서, 수지 시트(1144)로 덮인 지지 블록(1155) 및 BMS 보드(432)는 임의의 측벽(1120) 상에 제공될 수 있다.
배터리 하우징(1105) 내에는, 양단에 복수의 도전성 시트(1140)가 배치된 복수의 원통형 셀(1200)이 배치되어 있다. 도전성 시트(1140)는 각각의 개별 셀(1200)의 단자 사이에 전기적인 상호 접속을 제공할 수 있다. 금속 시트는 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 수 있는 임의의 도전성 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 금, 은, 구리 또는 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 수 있는 임의의 다른 전기적 접촉 물질을 포함할 수 있다. 개별 셀들(1200)의 구조는 아래에서 보다 상세히 논의된다.
수지 시트(1305, 1310)는 도전성 시트(1140)의 외부에 제공되어 셀(1200)의 단부에 구조적 지지 및 전기적 절연을 제공할 수 있다. 또한, 도전성 시트 블록(1142)은 다른 배터리 팩(430) 또는 전술한 전기 시스템(400)에 전기 접속을 허용하기 위해 전기 포트(1130)에 삽입된 상부 및 하부 단자(1315, 1320)를 연결하는 도전성 시트(1140)의 상부 및 하부 단부에 제공될 수 있다. 또한, 일련의 배터리 관리 시스템(BMS) 보드(432)가 배터리의 충전 상태(SOC)를 제어하여 더 긴 수명을 보장하도록 돕기 위해 측벽(1120) 중 하나에 제공될 수 있다. BMS 보드(432)는 또한 지지 및 전기적 절연을 제공하기 위해 수지 시트(1144)로 덮일 수 있다.
도 12는 개별 셀(1200)의 몇 가지 구현 예들을 도시한다. 일부 실시 예에서, 각각의 개별 셀(1200)은 복수로 미리 조립될 수 있는 전력 셀 산업 표준(18650)을 따를 수 있다. 이를 통해 비용 절감, 제조업체의 독립성, 셀 화학적 독립성, 지속적인 제공, 셀 화학의 지속적인 개선 및 시장에서 사용 가능한 상이한 옵션 중에서 선택하여 원하는 성능 요구사항에 따라 셀 모델을 변경하여 다른 응용 프로그램을 허용할 수 있다.
도시된 바와 같이, 각각의 개별 셀(1200)은 각 단부에 위치한 단자(1205)를 갖는 일반적으로 원통형 구조를 가질 수 있다. 또한, 플라스틱, 세라믹 또는 다른 비전도성 재료로 형성된 비전도성 코팅(1210)이 각 셀의 측면에 적용될 수 있다.
도 13A 내지 도 13E는 배터리 팩(430) 내의 셀들의 구성의 예시적인 구현을 도시한다. 도 13A는 배터리 팩(430) 내의 셀들의 예시적인 구현의 사시도를 도시한다. 도 13B는 배터리 팩(430) 내의 셀들의 예시적인 구현 예의 정면도를 도시한다. 도 13C는 배터리 팩(430) 내의 셀들의 예시적인 구현 예의 측면도를 도시한다. 도 13D는 배터리 팩(430) 내의 셀들의 예시적인 구현 예의 단부도를 도시한다. 도 13E는 하우징(1105) 내의 개별 셀(1200)의 구성을 보여주는 라인 XIII-XIII' 를 따라 배터리 팩(430)의 단면도를 도시한다. 배터리 팩(430) 내에서, 셀의 구성은 특별하게 제한되지 아니하며, 상이한 레벨의 전류를 제공하도록 상이한 특정 유형이 선택될 수 있고, 따라서 상이한 레벨의 전원은 필요한 응용 프로그램을 기반으로 한다.
도 13A - 도 13E에 도시된 바와 같이, 셀들(1200)은 다른 배터리 팩(430) 또는 전술한 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 다른 구성요소들에 접속할 수 있도록 상부 단자(1315) 및 하부 단자(1320)가 제공되는 행 및 열의 단단히 패킹된 구성일 수 있다. 상부 단자(1315) 및 하부 단자(1320)는 전술한 전기 접속 포트(1130) 내에 위치할 수 있다. 각 열의 셀(1200)은 동일한 단자들 모두가 동일한 방향(예를 들어, 도 13B의 최하부 열은 전방을 향한 양의 (+) 단자를 갖는다.)으로 배향되도록 배열될 수 있다. 또한, 수직 방향으로 인접한 열의 셀(1200)은 반대되는(opposing) 방향(예를 들어, 도 13B의 하부의 두 번째 열은 음의 (-) 단자가 전방을 향한 방향)의 단자를 갖도록 배열될 수 있다. 개별 셀들(1200)의 단자들(1205) 중 일부는 충전 및 방전 동작 동안 모니터링 및 제어를 제공하기 위해 배터리 팩(430)의 전압 및 전류 레벨을 모니터링 하기 위해 배터리 관리 시스템(432)에 접속될 수 있다.
또한, 도시된 바와 같이, 한 쌍의 수지 시트(1305, 1310)가 개별 셀(1200)의 각 단자(1205)에 제공되어 있다. 이들 수지 시트(1305, 1310)는 개개의 셀(1200)의 단자(1205)와 개별 셀들(1200) 사이의 상호 접속을 제공하는 금속 시트(도 11F의 1140)를 격리시키는 데 사용되는 특수 수지 화합물로 형성될 수 있다. 수지 시트(1305, 1310)는 배터리 팩 하우징(1105) 구조 내의 셀(1200)에 밀봉 및 기계적 지지를 제공할 수 있다. 또한, 수지 시트(1305, 1310)는 전술한 배터리 팩(430)의 전기 접속 포트(1130)(도 11A-도 11F에 도시) 내에 상부 및 하부 단자(1315, 1320)에 의해 형성된 전기 커넥터(EC) 부분을 고정하고 밀봉할 수 있다. 상기 수지의 재질은 특별히 제한되지 아니하며, 내수성을 가지며 특성의 열화 없이 배터리 팩(430)의 오도 작동 범위를 견딜 수 있는 임의의 수지(resin)를 포함할 수 있다. 이러한 수지 시트는 내부 지지 프레임의 벽을 형성할 수 있다.
일부 실시 예에서, 수지 시트(1305)는 개별 셀(1200)의 후방 측 단자(1205)를 캡슐화하는 후방 측 수지 시트로 간주될 수 있다. 수지 시트(1310)는 도전성 시트(1140) 및 단자 블록(1142)뿐만 아니라 개별 셀(1200)의 전방 측 단자(1205)를 캡슐화하는 전방 측 수지 시트로 간주될 수 있다. 예시적인 구현 예에서, 수지 시트는 EC부분(예를 들어, 배터리 팩(430)의 전기 접속 포트(1130)(도 11A-11F에 도시된) 내의 상부 단자(1315) 및 하부 단자(1320))을 캡슐화할 수 있다.
수지 시트(1305, 1310)는 수지가 의도되는 개별 셀(1200) 사이의 공간을 채우기 위해 배터리 팩(430)의 공간을 채우는 주조(casting) 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 이 방법에서는 피스톤이 배터리 팩(430) 내부의 액상 수지를 압착하기 위해 사용될 수 있고, 개별 셀(1200)을 전기적으로 상호 접속하도록 사용되는 도전성 시트(1140), 전기 단자(1315, 1320) 및 셀 단자(1205)에 수지를 분배할 수 있다.
예시적인 구현에 따르면, 수지 시트(1305)와 수지 시트(1310) 사이에 갭(1325)이 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 교환 포트(1135)는 갭(1325)과 정렬되도록 배향되어, 냉각 유체가 갭의 안팎으로 펌핑되어 개별 셀(1200)의 외부를 잠수시켜 배터리 팩(430)의 작동 중에 개별 셀을 냉각하도록 하며, 이는 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
도 14A 내지 도 14D에 따르면, 본 발명의 예시적인 구현에 따른 배터리 팩(430)의 개개의 셀(430)의 냉각 구성을 도시한다. 도 14A 및 도 14B는 냉각 구성의 전방 및 후방 사시도를 도시한다. 도 14C는 도 13E에 도시된 단면을 도시한다. 도 14D는 배터리 팩(430)의 내부를 통한 유체 유동의개략도를 도시한다.
전술한 바와 같이, 수지 시트(1305, 1310)는 개개의 셀(1200)의 단자(1205) 및 EC 부분(예를 들어, 전기 접속 포트(1130) 내의 상부 및 하부 단자(1315, 1320))을 캡슐화함으로써 배터리 팩 하우징(1105) 내의 셀(1200)에 밀봉 및 기계적 지지를 제공할 수 있다. 또한, 수지 시트(1305) 및 수지 시트(1310) 사이에는 갭(1325)이 형성될 수 있다. 교환 포트(1135)는 갭(1325)과 정렬되도록 배향되어, 냉각 유체가 갭(1325)의 안팎으로 펌핑되어 개별 셀(1200)의 외부를 잠수시켜, 배터리 팩(430)의 작동 중에 개별 셀을 냉각시키도록 하며, 이하에서 상세하게 설명된다.
도 14C에 도시된 바와 같이, 냉각 유체(1405)는 시트(1305, 1310) 사이의 갭(1325) 내로 펌핑되어 개별 셀(1200) 사이의 어느 공간을 채울 수 있다. 이러한 구성에서, 셀(1200)은 셀(1200)의 측면을 덮는 비전도성 코팅(1210)에 의해 격리된 비전도성 냉동 유체(예 : 냉각 유체(1405))로 둘러 쌓일 수 있다. 셀(1200)의 단부에 있는 단자(1205)는 캡슐화된 수지(resin)에 의해 격리될 수 있다.
냉각 유체(1405)는 셀에 의해 발생된 열을 흡수하고 작은 부피에서 높은 열 용량을 허용하기 위해 높은 비열을 가지는 재료로 선택될 수 있으며, 충전 및 방전 및 주변 환경 모두로부터 배터리 팩(430) 내의 온도를 일정하게 유지하도록 돕는다. 몇몇 예시적인 구현에서, 냉각 유체(1405)는 글리콜, 초정밀수용액(ultra-purified-water solution), 비전도성 오일 또는 이들의 조합일 수 있고, 또는 통상의 기술자에게 명백할 수 있는 임의의 다른 냉각 유체일 수 있다.
일부 예시적인 구현 예에서, 냉각 유체는 배터리 팩(430)을 통해 순환될 수 있다. 예를 들면, 도 14D에 도시된 바와 같이, 유체(1405)는 배터리 팩의 상부 표면상의 교환 포트(1135)를 통해 배터리 팩(430) 내로 주입될 수 있고, 배터리 팩의 하부 표면에 위치한 교환 포트(1135)를 통해 배출될 수 있다. 배터리 팩 내에는 셀(1200) 사이의 라우팅 또는 유체 가이드 구조가 제공되지 않는다. 유체(1405)는 배터리 팩(1405)의 상부 면의 교환 포트(1135)에서 유체(1405)의 양의 유체 압력, 배터리 팩(430)의 하부 면의 교환 포트(1135)에서 유체(1405)의 음의 유체 압력 및 흐름 화살표(1410)에 의해 도시된 바와 같이 중력에 의해 배터리를 통과하여 움직이며 셀(1200) 사이에서 자유롭게 유동할 수 있다. 배터리 팩(430)의 외부에서, 유체(1405)는 아래에서 논의되는 바와 같이, 강제 공기(forced air), 물 또는 오일 기반 냉각을 갖는 라디에이터와 같은 냉각 장치에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 아래에서 보다 상세하게 설명되는 일부 실시 예들에서, 유체(1405)가 하나의 배터리 팩(430)으로부터 직렬로 다른 배터리 팩(430)으로 펌핑 되거나, 또는 유체(1405)는 다수의 배터리 팩을 통해 병렬로 펌핑 될 수 있도록 복수의 배터리 팩(430)은 함께 연결될 수 있다.
일부 예시적인 구현 예에서, 복수의 배터리 팩(430)은 함께 연결되어 에너지 팩 또는 전력 모듈을 형성할 수 있다. 도 15는 4개의 배터리 팩(430A-430D)으로부터 형성된 에너지 모듈(1500)의 예시적인 구현 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 각각의 배터리 팩(430A-430D)의 직사각형 하우징(1105)은 함께 적층 될 수 있고, 전기 커넥터를 갖는 브릿지 연결 전력 라인에 의해 상호 연결될 수 있다. 전기 커넥터는 특별히 제한되지 않으며, 통상의 기술자에게 명백할 수 있는 임의의 유형의 커넥터일 수 있다. 또한, 조인트 BMS는 모든 배터리 팩(430A-430D)에 걸쳐 공유될 수 있다. 셀의 화학적 성질과 그 내부 구성은 에너지 팩(1500)의 원하는 총 전압, 에너지 및 전력이 달성되도록 하기 위해 각각의 어플리케이션에 대해 조정될 수 있다.
도 16A 및 도 16B는 통합된 냉각 시스템(1600)을 갖는 에너지 모듈(1500)의 사시도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 에너지 모듈(1500)은 통합 전력 블록으로서 함께 연결된 복수의 배터리 팩(430A-430D)을 포함한다. 브릿지 연결 전력 라인(1610A-1610C)은 인접한 배터리 팩(430A-430D)을 전기적으로 연결하기 위해 제공된다. 예를 들어, 브릿지 연결 전력선(1610A)은 배터리 팩(430A)의 하부 단자(1320A)을 배터리 팩(430B)의 하부 단자(1320B)에 전기적으로 연결한다. 또한, 브릿지 연결 전력선(1610B)은 배터리 팩(430B)의 상부 단자(1320B)와 배터리 팩(430C)의 상부 단자(1320C)를 전기적으로 연결한다. 또한, 브릿지 연결 전력선(1610C)은 배터리 팩(430C)의 하부 단자(1320C)를 배터리 팩(430D)의 하부 단자(1320D)에 전기적으로 연결한다.
통합 냉각 시스템(1600)은 인접한 배터리 팩(430A-430D)의 유체 교환 포트(1135A-1135D)를 연결하는 일련의 배관 상호접속부(1605A-1605C)를 포함한다. 예를 들어, 배관 상호접속부(1605A)는 배터리 팩(430A)의 하부 교환 포트(1135A)를 배터리 팩(430B)의 하부 교환 포트(1135B)에 유체 연결한다. 또한, 배관 상호접속부(1605B)는 배터리 팩(430B)의 하부 교환 포트(1135B)를 배터리 팩(430C)의 하부 교환 포트(1135C)에 유체 연결한다. 또한, 배관 상호접속부(1605C)는 배터리 팩(430C)의 하부 교환 포트(1135C)를 배터리 팩(430D)의 하부 교환 포트(1135D)에 유체 연결한다.
또한, 통합 냉각 시스템(1600)은 입력 파이프(1620)에 의해 배터리 팩(430A)의 상부 교환 포트(1135A)와, 출력 파이프(1625)에 의해 배터리 팩(430D)의 상부 교환 포트(1135D)에 유체 연결되는 라디에이터(1615)를 포함한다. 냉각 유체는 라디에이터(1615)로부터 입력 파이프(1620)를 통해 배터리 팩(430B-430D)을 통해 배터리 팩(430A)으로 흐르고, 출력 파이프(1625)를 통해 라디에이터(1615)로 다시 흐른다. 펌프(1630)는 통합된 냉각 시스템을 통해 유체를 펌핑하도록 제공될 수 있다.
배터리 관리 시스템(BMS)
도 17A 및 도 17B는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 관리 시스템(BMS)(432)의 동작의 개략도를 도시한다. 전술한 바와 같이, BMS(432)는 전압 및 충전 상태(SoC) 모니터링 뿐 만 아니라, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)의 자율성 및 각 셀(1200)의 수명주기를 최대화하기 위한 충전 동작 동안 배터리 팩(430) 내의 각 셀(1200)의 충전 밸런싱을 담당할 수 있는 각각의 배터리 팩(430)에 통합될 수 있다. 밸런싱 및 모니터링 알고리즘은 마이크로 컨트롤러(425) 또는 BMS에 통합된 마이크로 컨트롤러를 사용하여 수행될 수 있다. 추가적으로, BMS는 또한 여러 지점에서 각각의 배터리 팩(430)의 온도를 모니터링 할 수 있다.
BMS(432)는 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)과의 통신의 여러 모드 및/ 또는 프로토콜을 지원할 수 있다. 도 17A는 제어기 영역 네트워크(CAN) 통신 프로토콜을 사용하여 마스터-슬레이브 분산 시스템(Master-Slave Distributed System)에서 통신하는 BMS(432)의 예시적인 구현을 도시한다. 도 17B는 모든 BMS 보드 간의 캐스케이드 통신(Cascade Communication)이 통신하는 BMS(432)의 예시적인 구현을 도시한다.
도 17A의 마스터-슬레이브 분산 통신(Master-Slave Distributed communication)(MSDC)에서, 각각의 BMS(432)는 제어기 영역 네트워크(CAN 버스) 프로토콜을 사용하여 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)과 통신한다. 이러한 구성에서, 각각의 BMS(432)는 다른 BMS(432)와는 통신하지 않지만, 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)과 통신한다.
반대로, 도 17B의 예시적인 구현에 도시된 바와 같이, 캐스케이드 통신(Cascade Communication) 구성에서, 상이한 BMS 보드들(432A-432n) 간의 통신은 직렬 모드(1705) 및 단일 BMS(432) 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)에서 수행된다.
일부 예시적인 구현 예에서, BMS(432)는 또한 개별적인 BMS(432) 유닛 간의 통신 및 복수의 BMS(432) 유닛에 의한 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)과의 직접 접속을 허용하는 하이브리드 모드를 가질 수 있다.
부가적으로, BMS(432A-432n)는 배터리 팩(430A-430n)의 모듈 온도 또는 충전 상태(SoC)와 같은 관련 정보를 공유할 수 있도록 전체 EV 구동 트레인 시스템(400)과의 양방향 통신을 지원할 수 있다.
일부 실시 예에서, BMS(432A-432n)는 각 셀(1200)을 보호하기 위해 과전류 보호를 제공할 수 있다. BMS(432A-432n)는 또한 다음의 기능을 수행할 수도 있다. 각각의 셀(1200)의 전압 모니터링; 사용자의 구성에 따라 미리 설정된 전압으로 각 셀(1200)의 균형 잡기; 배터리(430A-430n)의 충전 레벨을 나타내는 충전 상태; 각 셀(1200)에 대해 충전(charge)[Ah] 전달 또는 저장(쿨롱 카운터); 과전압(충전 중) 및 부족 전압(방전 중) 보호; 에너지 모듈(1500)의 평균 온도; 및 과온 및 저온 보호;
일부 예시적인 구현 예에서, 배터리 스트링(string)을 형성하기 위해 구리 스트립을 사용하여 배터리 팩(430A-430n)의 셀(1200)이 서로 병렬로 연결될 수 있다. 일부 예시적인 구현에서, 와이어는 구리 스트립에 용접될 수 있고, 각각의 BMS(432A-432n)에 연결될 수 있다. 방전 저항은 에너지 모듈(1500)의 측면들 중 하나와 접촉하여 필름에 의해 절연될 수 있다. 이는 에너지 모듈 냉각 시스템(1600)을 사용함으로써 방전 저항의 열 소산(heat dissipation을 허용할 수 있다. 일부 실시 예에서, BMS(432A-432n)는 그를 보호하고 환경으로부터 격리시키기 위해 수지로 덮일 수 있다.
모터
도 18A 및 도 18B는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터(405)의 단부도를 도시한다. 도 18C 및 도 18D는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터(405)의 측면도를 도시한다. 도 18E 및 도 18F는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터(405)의 사시도를 도시한다. 도 18G는 본 발명의 예시적인 구현에 따른 모터(405)의 분해도를 도시한다. 도 18H는 본원의 예시적인 구현에 따른 모터(405)의 단면도를 도시한다. 모터(405)는 방사상(radial) 영구 자석 동기 모터(PMSM)일 수 있다. 일부 예시적인 구현 예에서, 모터(405)는 한 쌍의 단부 실드(1805)(예를 들어, 우측 및 좌측 커버), 모터 바디(1810), 고정자 어셈블리(1900), 회전자 어셈블리(2400), 회전자 어셈블리(2400)를 지지하는 한 쌍의 베어링(2150) 및 단부 실드(1805)에 부착되고 베어링(2150)을 지지하는 한 쌍의 베어링 홀더(2175)를 포함한다. 모터는 3상 및 모터 상의 스타 연결(star connection)의 중심에 전기적으로 접속할 수 있는 4개의 전원 커넥터(1815)를 포함할 수 있다. 모터 바디(1810)는 또한 냉각제가 냉매 포트(1825)를 통해 순환될 수 있는 유체 공동(1830)과, 유체 공통(1830)을 덮는 커버(1820)를 포함할 수 있다. 모터(405)는 또한 온도 센서(1835) 및 모터(405)의 각 회전을 측정하는 인코더(1840)를 포함할 수 있다.
고정자
고정자는 특별히 제한되지 아니하며, 통상의 기술자에게 명백할 수 있는 임의의 구조를 가질 수 있다. 일부 예시적인 구현 예에서, 고정자 어셈블리(1900)는 분할된 고정자일 수 있다. 도 19A는 본원 발명의 일 실시예의 구현에 따른 분할된 고정자(1900)의 사시도를 도시한다. 도 19B는 본원 발명의 일 실시예의 구현에 따른 고정자 치형 유닛(1920)의 사시도를 도시한다. 도 19C는 본원의 예시적인 구현에 따른 고정자 치형 바디(1910)를 도시한다. 도 19D는 본원에 따른 고정자 치형 바디(1910)를 형성하는데 사용될 수 있는 고정자 시트(1905)를 도시한다. 분할된 고정자 어셈블리(1900)는 표준화 된 제조방법에 따라 슬롯 내에서 보다 쉽고 조밀한 권취(winding)를 직접적으로 허용할 수 있다.
도 19A의 사시도에 도시된 바와 같이, 분할된 고정자 어셈블리(1900)는 복수의 고정자 치형 유닛(1920)에 의해 형성될 수 있다. 도 19B 및 도 19C에 도시된 바와 같이, 각각의 고정자 치형 유닛(1920)은 중심 영역(1925)의 둘레에 권선 코일(1915)을 갖는 고정자 치형 바디(1910)에 의해 형성된다. 각각의 고정자 치형 바디(1910)는 일반적으로 T-선적 구조를 갖는 복수의 고정자 시트들(1905)을 적층 함으로써 형성될 수 있다.
모터 바디
모터 바디는 고정자(1900)를 덮을 수 있고, 치형 유닛(1920)에 기계적 지지를 제공할 수 있다. 도 20A는 본 발명의 구현 예에 따른 모터 바디(1810)의 평면도를 도시한다. 도 20B는 본 발명의 예시적인 구현 예에 따른 모터 바디(1810)의 측면도를 도시한다. 도 20C는 본 발명의 예시적인 구현 예에 다른 모터 바디(1810)의 저면도를 도시한다. 도 20D는 본 발명의 예시적인 구현 예에 따른 모터 바디(1810)의 단면도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 모터 바디는 고정자(1900)를 수용하도록 구성된 중공 내부(1814)를 갖는 대체로 환형의 측벽(1812)을 갖는다. 일부 구현 예시에서, 모터 바디(1810)는 알루미늄으로 제조될 수 있다.
도 20E는 고정자 어셈블리(1900)가 설치된 모터 바디(1810)의 사시도이다. 도 20F는 고정자 어셈블리(1900)가 설치된 모터 바디(1810)의 단부도이다. 도 20G는 고정자 어셈블리(1900)가 설치된 모터 바디(1810)의 측면도이다. 도 20H는 고정자 어셈블리(1900)가 설치된 모터 바디(1810)의 단면도이다. 일부 예시적인 구현 예에서, 모터 바디(1810)는 모터 바디(1810)의 측벽(1812)과 모터 바디(1810)를 감싸는 커버(1820) 사이에 형성된 냉각 유체 캐비티(1830)를 가질 수 있다. 냉각 유체는 커버(1820)를 통해 형성된 한 쌍의 냉매 포트(1825)를 통해 유체 캐비티 내외로 펌핑될 수 있다.
단부 실드
도 21A는 본 발명의 실시 예의 구현에 따른 단부 실드(1805)의 사시도이다. 도 21B는 본 발명의 실시 예의 구현에 따른 단부 실드(1805)의 정면도이다. 도 21C는 본 발명의 실시 예의 구현에 따른 단부 실드(1805)의 배면도이다. 도 21D는 본 발명의 실시 예의 구현에 따른 단부 실드(1805)의 단면도이다. 실시 예에서, 단부 실드(1805)는 알루미늄으로 제조될 수 있으며, 모터 바디(1810)의 단부와, 회전자 축이 회전하는 볼 베어링(2150)을 지지하는 리세스(2105)를 둘러쌀 수 있다.
회전자
도 22A는 본 발명의 실시 예의 구현에 따른 회전자 시트(2205)의 평면도이다. 도 22B는 본 발명의 실시 예의 구현에 따른 회전자 시트(2205)의 사시도이다. 도 22C는 본 발명의 실시 예의 구현에 따른 복수의 회전자 시트(2205)로부터 형성된 회전자 코어(2200)의 사시도이다. 일부 예시적인 구현 예에서, 회전자 시트(2205)는 그 사이에 형성된 자석 수용 갭(2210)을 형성하는 복수의 탭(2215)을 가지는 강판(steel sheets)일 수 있다. 또한, 회전자 시트(2205)는 그곳을 통해 형성된 복수의 가로지르는 구멍(2220)을 가질 수 있다. 회전자 시트(2205)는 또한 축이 삽입될 수 있는 축 방향 구멍(2225)을 가질 수 있다. 일부 예시적인 구현 예에서, 각각의 회전자 시트(2205)는 특정 요구 조건에 대한 자기 효율을 최대화하고, 구동 트레인에 적절한 기계적 부착을 허용하도록 선택된 특정 형상으로 형성될 수 있다. 회전자 코어(2200)는 시트를 적층하여 형성된 강철 코어일 수 있다.
도 23A는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 회전자 어셈블리(2400)를 형성하기 위해 회전자 코어(2200) 내로 삽입하기 위한 자석(2300)의 평면도를 도시한다. 도 23B는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 회전자 어셈블리(2400)를 형성하기 위해 회전자 코어(2200) 내로 삽입하기 위한 자석(2300)의 사시도를 도시한다. 자석들(2300)은 회전자 코어(2200)에 견고한 기계적 부착으로 최적의 성능을 허용하는 특정 크기 및 형상을 가지도록 크기 및 형상이 정해질 수 있다. 일부 예시적인 구현 예에서, 자석들(2300)은 회전자 시트(2210)의 자석 수용 갭(2210)과 긴밀한 압입 결합(tight press-fit engagement)을 형성하도록 크기가 정해질 수 있다.
도 24A는 본 발명의 예시적인 구현 예에 따라 회전자 코어(2200)에 설치된 자석(2300)을 가지는조립된 회전자(2400)의 평면도를 도시한다. 도 24B는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 회전자 코어(2200)에 설치된 자석(2300)을 가지는 조립된 회전자(2400)의 사시도를 도시한다. 도 24C는 본 발명의 예시적인 구현에 따라 설치된 축(2410)을 갖는 조립된 회전자(2400)의 평면도를 도시한다. 도 24D는 축(2410)이 설치된 조립된 회전자(2400)의 사시도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 자석(2300)은 회전자 코어(2200)의 갭(2210)에 삽입되어 있다.
센서
일부 예시적인 구현에서, 모터(405)는 회전자(2400)가 고정자(1900)와 관련되는 정확한 위치를 알기 위해 각도 위치 센서(예를 들어, 인코더(1840))를 구비할 수 있으며, 필요한 정확한 위상의 전력 신호를 제공할 수 있다. 또한, 모터 보호를 보장하고 필요한 경우 온도 제어를 구현하기 위해 온도 센서(1835)가 제공될 수 있다.
인포테인먼트 시스템
일부 예시적인 구현에서, 전기 자동차는 또한 연결성 및 디지털 상호작용 능력을 제공하는 인포테인먼트 시스템(infotainment system)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에는 대시보드 구성, 차량의 차량 설정 변경, 내장 GPS 사용, 블루투스 또는 와이파이 연결을 통한 음악 청취, 컴퓨터에 기록된 트랙 데이터 다운로드 하거나 또는 소셜 미디어에 게시하고, 비디오를 녹화하거나 전방 및 후방 카메라로 운전 시 트랙의 순간을 포착하고, 통상의 기술자에게 명백할 수 있는 임의의 다른 구현이 가능한 7인지 터치 스크린 장치가 장착될 수 있다.
전술한 상세한 설명은 블록도, 개략도 및 예시를 통해 장치 및 / 또는 프로세스의 다양한 실시 예들을 설명하였다. 그러한 블록도, 개략도 및 예시가 하나 이상의 기능 및 / 또는 동작을 포함하는 한, 그러한 블록도, 플로우 차트 또는 예시 내의 각각의 기능 및/또는 동작은 넓은 범위의 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 사실상의 임의의 조합에 의해 개별적으로 및 / 또는 집합적으로 구현될 수 있다. 일 실시 예에서, 본 발명은 주문형 집적 회로(ASICs)를 통해 구현될 수 있다. 그러나 본 명세서에서 개시되는 실시 예는, 전체적으로 또는 부분적으로 표준 집적 회로, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 프로그램, 하나 이상의 제어기(예를 들어, 마이크로 컨트롤러)에 의해 실행되는 하나 이상의 프로그램, 펌웨어, 또는 사실상 이들의 임의의 조합으로서 에서 등가적으로 구현될 수 있다.
특정한 실시 예가 설명되었지만, 이들 실시 예는 단지 예시로써 제시되었으며, 보호의 범위를 한정하려는 의도는 아니다. 실제로, 여기에 기술된 신규한 방법 및 장치는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 설명된 방법 및 시스템의 형태에서 다양한 생략, 대체 및 변경이 보호의 정신에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 첨부된 청구범위 및 그 등가물들은 보호의 범위 및 정신에 속하는 그러한 형태 및 수정을 포함하도록 의도된다.

Claims (1)

  1. 복수의 모드로 동작하도록 구성된 전기 자동차용 전기 제어 시스템에 있어서,
    복수의 모터 코일을 가지는 다상 전기 모터;
    상기 전기 제어 시스템에 에너지를 제공하도록 구성된 에너지 저장 장치;
    상기 전기 모터를 상기 에너지 저장 장치에 선택적으로 결합하는 복수의 트랜지스터 모듈;
    AC 전원에 선택적으로 결합하도록 구성된 커넥터;
    상기 커넥터를 상기 다상 전기 모터에 선택적으로 결합하도록 구성된 제어 가능한 스위칭 장치; 및
    검출된 충전 모드 중에 상기 커넥터를 상기 모터 코일들 중 적어도 하나에 선택적으로 결합하도록 상기 스위칭 장치를 제어하고, 상기 검출된 충전 모드 중에 상기 적어도 하나의 모터 코일을 상기 에너지 저장 장치에 선택적으로 결합하도록 상기 복수의 트랜지스터 모듈 중 하나 이상을 제어하도록 구성된 마이크로 컨트롤러;를 포함하는 전기 제어 시스템.
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