KR20220164600A - 냉각 장치를 구비한, 교체 가능한 에너지 소스 기능을 갖는 모듈식 캐스케이디드 에너지 시스템 - Google Patents
냉각 장치를 구비한, 교체 가능한 에너지 소스 기능을 갖는 모듈식 캐스케이디드 에너지 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
모듈식 에너지 시스템을 냉각하기 위한 시스템, 디바이스, 및 방법의 예시적인 실시예가 여기에 제공된다. 실시예는 모듈식 에너지 시스템을 둘러싸는 인클로저(enclosure)를 활용하여 모듈식 에너지 시스템의 모듈의 컴포넌트에 근접하게 통과하는 방식으로 냉각제를 라우팅할 수 있다. 실시예는 냉각제가 가장 낮은 원하는 동작 온도를 갖는 전기 자동차의 컴포넌트를 먼저 냉각시키고, 이어서 비교적 더 높은 원하는 동작 온도를 갖는 컴포넌트를 냉각시키도록 냉각제를 펌핑하는 시퀀스를 제공할 수 있다. 시스템, 디바이스 및 방법의 예시적인 실시예는 또한 착탈 가능하고 교체 가능한 에너지 소스를 갖는 모듈식 에너지 시스템에 대해 여기에 제공된다. 시스템은 상대적으로 낮은 충전 상태를 갖는 에너지 소스를 신속하게 제거하고 이들 에너지 소스를 상대적으로 더 높은 충전 상태를 갖는 상이한 에너지 소스와 교체하는 방식으로 전기 자동차 내에 배치될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2020년 4월 14일에 출원된 미국 가출원 제63/009,996호 및 2020년 9월 28일에 출원된 미국 가출원 제63/086,003호의 이익을 주장하고 이들 가출원에 대한 우선권을 주장하며, 이들 모두는 모든 목적을 위해, 여기에 그 전체가 참조로 포함된다.
여기에 설명된 요지(subject matter)는 일반적으로 모듈식 캐스케이디드(cascaded) 에너지 시스템에 냉각을 제공하고 에너지 소스를 착탈 및 교체할 수 있는 기능을 제공하기 위한 시스템, 디바이스, 및 방법에 관한 것이다.
다수의 에너지 소스 또는 싱크(sinks)를 갖는 에너지 시스템은 많은 산업에서 일반적이다. 하나의 예가 자동차 산업이다. 지난 세기에 걸쳐 진화된 바와 같은 오늘날의 자동차 기술은, 많은 것들 중에서도, 모터, 기계적 요소, 및 전자 장치의 상호 작용(interplay)에 의해 특징화된다. 이들은 차량 성능 및 운전자 경험에 영향을 끼치는 핵심 컴포넌트이다. 모터는 연소 유형 또는 전기 유형이며, 거의 모든 경우에, 모터로부터의 회전 에너지는, 예를 들어, 클러치, 트랜스미션, 차동 장치(differential), 구동 샤프트, 토크 튜브, 커플러, 등등과 같은 고도로 정교한 기계 요소의 세트를 통해 전달된다. 이들 부품은 토크 변환 및 휠로의 전력 분배를 크게 제어하며 자동차 및 도로 핸들링의 성능을 정의한다.
전기 자동차(electric vehicle; EV)은, 특히, 배터리 팩, 충전기 및 모터 제어를 포함하는 구동계에 관련되는 다양한 전기 시스템을 포함한다. 고전압 배터리 팩은 통상적으로 더 낮은 전압 배터리 모듈의 직렬 체인으로 구성된다. 각각의 그러한 모듈은, 직렬 접속된 개개의 셀의 세트와, 예를 들어, 전압 및 충전의 상태와 같은 기본 셀 관련 특성을 조절하기 위한 간단한 임베딩된 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS)을 더 포함한다. 더욱 정교한 기능 또는 스마트 상호접속성(interconnectedness)의 어떤 형태를 가진 전자 장치는 존재하지 않는다. 결과적으로, 임의의 모니터링 또는 제어 기능이 별개의 시스템에 의해 핸들링되는데, 그 별개의 시스템에는, 자동차의 다른 곳에 존재한다고 하더라도, 개개의 셀 건전성(health), 충전의 상태, 온도 및 성능에 영향을 끼치는 다른 메트릭을 모니터링하는 기능이 없다. 어떤 형태로든 개개의 셀 당 전력 인출을 의미 있게 조정하는 기능도 또한 없다. 주요 결과 중 일부는 다음의 것이다: (1) 가장 약한 셀이 전체 배터리 팩의 전체 성능을 제한한다, (2) 임의의 셀 또는 모듈의 고장(failure)은 전체 팩의 교체에 대한 필요성으로 이어진다, (3) 배터리 신뢰성 및 안전성이 현저하게 감소된다, (4) 배터리 수명이 제한된다, (5) 열 관리가 어렵다, (6) 배터리 팩이 항상 최대 성능 미만에서 동작한다, (7) 회생 제동 유도 전력의 갑작스러운 유입(inrush)은 배터리에 쉽게 저장되지 않을 수 있고 덤프 저항기를 통한 소산을 필요로 한다.
EV용 충전 회로는 별개의 온보드 시스템에서 통상적으로 실현된다. 이들은 AC 신호 또는 DC 신호의 형태로 EV 외부에서 유입하는 전력을 감독(stage)하고, 그것을 DC로 변환하고 그것을 배터리 팩에 공급한다. 충전 시스템은 전압 및 전류를 모니터링하고 안정적이고 일정한 피드를 통상적으로 공급한다. 배터리 팩의 설계 및 통상적인 충전 회로를 고려하면, 셀 건전성, 성능 특성, 온도, 등등에 기초하여 개개의 배터리 모듈로의 충전 흐름을 조정(tailor)하는 기능이 거의 없다. 충전 시스템 및 배터리 팩에는, 전하 전달 또는 달성 가능한 총 전하를 최적화할 펄스식 충전 또는 다른 기술을 허용할 회로가 없기 때문에, 충전 사이클도 또한 통상적으로 길다.
종래의 제어는 배터리 팩 전압 레벨을 EV의 전기 시스템의 버스 전압으로 조정하기 위한 DC 대 DC 변환 스테이지를 포함한다. 전기 모터는, 결과적으로, 필요한 AC 신호(들)를 전기 모터에 제공하는 간단한 2-레벨 다상 변환기에 의해 구동된다. 각각의 모터는, 전통적으로는, 3상 설계로 모터를 구동하는 별개의 제어기에 의해 제어된다. 이중 모터 EV는 2개의 제어기를 필요로 할 것이고, 한편 4개의 인휠 모터(in-wheel motor)를 사용하는 EV는 4개의 개개의 제어기를 필요로 할 것이다. 종래의 제어기 설계에는 또한, 더 많은 수의 극편(pole piece)에 의해 특징화되는 스위치 릴럭턴스 모터(switch reluctance motor; SRM)와 같은 차세대 모터를 구동하는 기능이 없다. 적응은 더 높은 위상 설계를 필요로 하여, 시스템을 더욱 복잡하게 만들 것이고, 궁극적으로는, 예를 들어, 높은 토크 리플 및 음향 노이즈와 같은 전기 노이즈 및 주행 성능을 해결하지 못할 것이다.
이들 결함 중 많은 것은 자동차뿐만 아니라 다른 모터 구동식 차량에도 적용되고, 그리고 또한 고정식 디바이스에도 상당한 정도까지 적용된다. 이들 및 다른 이유 때문에, 이동식 애플리케이션 및 고정식 애플리케이션을 위한 개선된 시스템, 디바이스, 및 방법에 대한 필요가 존재한다.
모듈식 에너지 시스템을 냉각하기 위한 시스템, 디바이스 및 방법의 예시적인 실시예가 여기에 제공된다. 실시예는 모듈식 에너지 시스템을 둘러싸는 인클로저(enclosure)를 활용하여 모듈식 에너지 시스템의 모듈의 컴포넌트에 근접하게 통과하는 방식으로 냉각제를 라우팅할 수 있다. 실시예는 냉각제가 가장 낮은 원하는 동작 온도를 갖는 전기 자동차의 컴포넌트를 먼저 냉각시키고, 이어서 비교적 더 높은 원하는 동작 온도를 갖는 컴포넌트를 냉각시키도록 냉각제를 펌핑하는 시퀀스를 제공할 수 있다.
시스템, 디바이스 및 방법의 예시적인 실시예는 또한 착탈 가능하고 교체 가능한 에너지 소스를 갖는 모듈식 에너지 시스템에 대해 여기에 제공된다. 시스템은 매우 다양한 상이한 전기적 구성으로 구성될 수 있고, 상대적으로 낮은 충전 상태를 갖는 에너지 소스를 신속하게 제거하고 이들 에너지 소스를 상대적으로 더 높은 충전 상태를 갖는 상이한 에너지 소스와 교체할 수 있는 방식으로 전기 자동차 내에 배치된다. 에너지 소스는, 각각의 에너지 소스가 그와 연관된 변환기 전자 장치와의 전기적 접속로부터 착탈 가능하도록 전기 자동차 내의 제자리에(in place) 분리 가능하게 래칭될 수 있다.
본원에서 설명되는 요지의 다른 시스템, 디바이스, 방법, 피처(features) 및 이점은, 다음의 도면 및 상세한 설명의 검토시, 기술 분야의 숙련된 자에게 명백할 것이거나 또는 명백하게 될 것이다. 모든 그러한 추가적인 시스템, 방법, 피처 및 이점은 이 설명 내에서 포함되어야 하고, 본원에서 설명되는 요지의 범위 내에 있어야 하며, 첨부된 청구범위에 의해 보호되어야 한다는 것이 의도된다. 예시적인 실시예의 피처는, 청구범위에서 그 피처의 명시적 기재가 없는 한, 첨부된 청구범위를 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
그 구조 및 동작 둘 모두에 관한, 본원에서 기술되는 요지의 세부 사항은, 같은 참조 번호가 같은 부분을 가리키는 첨부의 도면의 연구에 의해 명백할 수도 있다. 도면에서의 컴포넌트는 반드시 일정한 비율은 아니며, 대신, 요지의 원리를 예시하는 데 강조가 이루어진다. 또한, 모든 예시는 개념을 전달하도록 의도되는데, 모든 예시에서, 상대적인 크기, 형상 및 다른 세부적인 속성은 문자 그대로 또는 정확하게 예시되기 보다는 도식적으로 예시될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1c는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 1d 내지 도 1e는 에너지 시스템을 위한 제어 디바이스의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 1f 내지 도 1g는 부하 및 충전 소스와 결합된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 2a 내지 도 2b는 에너지 시스템 내의 모듈 및 제어 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 2c는 모듈의 물리적 구성의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 2d는 모듈식 에너지 시스템의 물리적 구성의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 다양한 전기적 구성을 갖는 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 4a 내지 도 4f는 에너지 소스의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 5a 내지 도 5c는 에너지 버퍼의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 6a 내지 도 6c는 변환기의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 7a 내지 도 7e는 다양한 토폴로지를 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 8a는 모듈의 예시적인 출력 전압을 도시하는 도표이다.
도 8b는 모듈 어레이의 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 도표이다.
도 8c는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 도표이다.
도 8d는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 도표이다.
도 8e는 펄스 폭 변조 제어 기술에 따라 생성된 예시적인 스위치 신호를 도시하는 도표이다.
도 8f는 펄스 폭 변조 제어 기술하에 모듈 어레이로부터 출력 전압의 중첩에 의해 생성된 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 도표이다.
도 9a 내지 도 9b는 모듈식 에너지 시스템을 위한 제어기의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10a는 상호접속 모듈을 갖는 다상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10b는 도 10a의 다상 실시예에서 상호접속 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10c는 상호접속 모듈에 의해 함께 접속된 2개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10d는 보조 부하를 공급하는 상호접속 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10e는 도 10d의 다상 실시예에서 상호접속 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10f는 보조 부하를 공급하는 상호접속 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11a는 전기 자동차의 컴포넌트를 냉각하기 위한 프로세스 흐름의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11b는 모듈식 에너지 시스템을 냉각하도록 구성된 인클로저의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 11c는 전기 자동차의 컴포넌트를 냉각하기 위한 프로세스 흐름의 또 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11d는 모듈식 에너지 시스템을 냉각하도록 구성된 인클로저의 또 다른 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 11e는 상단 인클로저에 대한 모듈 컴포넌트 배치의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 11f는 냉각 장치에 근접한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 12a 내지 도 12b는 교체 가능한 배터리 모듈로 동작하도록 구성된 전기 자동차의 예시적인 실시예를 도시하는 측면도이다.
도 13a는 전기 자동차 내의 교체 가능한 배터리 모듈을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 13b는 도 13a의 모듈식 에너지 시스템을 위한 전기 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 14a, 14d, 14e 및 14f는 다양한 결합 및 분리 상태에서 교체 가능한 배터리 모듈을 갖는 변환기 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 14b 내지 도 14c는 모듈 전자 장치용 하우징의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 1a 내지 도 1c는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 1d 내지 도 1e는 에너지 시스템을 위한 제어 디바이스의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 1f 내지 도 1g는 부하 및 충전 소스와 결합된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 2a 내지 도 2b는 에너지 시스템 내의 모듈 및 제어 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 2c는 모듈의 물리적 구성의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 2d는 모듈식 에너지 시스템의 물리적 구성의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 다양한 전기적 구성을 갖는 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 4a 내지 도 4f는 에너지 소스의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 5a 내지 도 5c는 에너지 버퍼의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 6a 내지 도 6c는 변환기의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 7a 내지 도 7e는 다양한 토폴로지를 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 8a는 모듈의 예시적인 출력 전압을 도시하는 도표이다.
도 8b는 모듈 어레이의 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 도표이다.
도 8c는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 도표이다.
도 8d는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 도표이다.
도 8e는 펄스 폭 변조 제어 기술에 따라 생성된 예시적인 스위치 신호를 도시하는 도표이다.
도 8f는 펄스 폭 변조 제어 기술하에 모듈 어레이로부터 출력 전압의 중첩에 의해 생성된 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 도표이다.
도 9a 내지 도 9b는 모듈식 에너지 시스템을 위한 제어기의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10a는 상호접속 모듈을 갖는 다상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10b는 도 10a의 다상 실시예에서 상호접속 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10c는 상호접속 모듈에 의해 함께 접속된 2개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10d는 보조 부하를 공급하는 상호접속 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10e는 도 10d의 다상 실시예에서 상호접속 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10f는 보조 부하를 공급하는 상호접속 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11a는 전기 자동차의 컴포넌트를 냉각하기 위한 프로세스 흐름의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11b는 모듈식 에너지 시스템을 냉각하도록 구성된 인클로저의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 11c는 전기 자동차의 컴포넌트를 냉각하기 위한 프로세스 흐름의 또 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11d는 모듈식 에너지 시스템을 냉각하도록 구성된 인클로저의 또 다른 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 11e는 상단 인클로저에 대한 모듈 컴포넌트 배치의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 11f는 냉각 장치에 근접한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 12a 내지 도 12b는 교체 가능한 배터리 모듈로 동작하도록 구성된 전기 자동차의 예시적인 실시예를 도시하는 측면도이다.
도 13a는 전기 자동차 내의 교체 가능한 배터리 모듈을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 13b는 도 13a의 모듈식 에너지 시스템을 위한 전기 레이아웃의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 14a, 14d, 14e 및 14f는 다양한 결합 및 분리 상태에서 교체 가능한 배터리 모듈을 갖는 변환기 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 14b 내지 도 14c는 모듈 전자 장치용 하우징의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
본 요지가 상세하게 설명되기 이전에, 본 개시는 설명되는 특정한 실시예로 제한되지 않으며, 그러한 만큼, 물론, 변경될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 본원에서 사용되는 전문 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하는 목적을 위한 것이며, 본 개시의 범위가 첨부된 청구범위에 의해서만 제한될 것이기 때문에, 제한하도록 의도되지는 않는다.
냉각 시스템 및 교체 가능한 에너지 소스에 관한 예시적인 실시예를 설명하기 전에, 먼저 이러한 기본 모듈식 에너지 시스템을 더 자세히 설명하는 것이 유용하다. 도 1a 내지 도 10f를 참조하여, 다음 섹션은 모듈식 에너지 시스템의 실시예, 즉, 모듈식 에너지 시스템을 위한 제어 시스템 또는 디바이스의 실시예, 충전 소스 및 부하에 대한 모듈식 에너지 시스템 실시예의 구성, 개별 모듈의 실시예, 시스템 내 모듈의 배열을 위한 토폴로지의 실시예, 제어 방법론의 실시예, 시스템 내 모듈의 동작 특성 밸런싱(balancing)의 실시예, 및 상호접속 모듈의 사용의 실시예가 구현될 수 있는 다양한 애플리케이션을 설명한다.
애플리케이션의 예
고정식 애플리케이션은, 모듈식 에너지 시스템이 사용 중 고정된 위치에 위치하지만 사용되지 않을 때는 대체 위치로 이동될 수 있는 애플리케이션이다. 모듈 기반 에너지 시스템은 하나 이상의 다른 엔티티가 소비하기 위해 전기 에너지를 제공하거나 나중에 소비하기 위해 에너지를 저장하거나 버퍼링하는 동안 정적 위치에 있다. 본원에서 개시되는 실시예가 사용될 수 있는 고정식 애플리케이션의 예는 다음의 것을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다: 하나 이상의 주거용 구조물 또는 현장에서 사용하거나 이곳에 있는 에너지 시스템, 하나 이상의 산업용 구조물 또는 현장에서 사용하거나 이곳에 있는 에너지 시스템, 하나 이상의 상업용 구조물 또는 현장에서 사용하거나 이곳에 있는 에너지 시스템, 하나 이상의 정부 구조물 또는 현장(군사적 및 비군사적 용도 둘 모두를 포함함)에서 사용하거나 이곳에 있는 에너지 시스템, 이하에서 설명되는 이동식 애플리케이션을 충전하기 위한 에너지 시스템(예컨대, 충전 소스 또는 충전소), 및 태양력 발전, 풍력, 지열 에너지, 화석 연료, 또는 핵 반응을, 저장을 위한 전기로 변환하는 시스템. 고정식 애플리케이션은 종종 예를 들어, 그리드 및 마이크로그리드, 모터 및 데이터 센터와 같은 부하를 공급한다. 고정식 에너지 시스템은 저장 역할 또는 비저장 역할 중 어느 하나에서 사용될 수 있다.
때때로 트랙션 애플리케이션(traction applications)이라고 언급되는 이동식 애플리케이션은, 일반적으로, 모듈 기반의 에너지 시스템이 엔티티 상에 또는 내에 위치하고, 그 엔티티를 이동시키거나 또는 이동시키는 것을 지원하기 위해, 모터에 의해 원동력(motive force)으로 변환하기 위한 전기 에너지를 저장 및 제공하는 애플리케이션이다. 본원에서 개시되는 실시예가 함께 사용될 수 있는 이동식 엔티티의 예는, 육지 위 또는 아래에서, 바다 위 또는 아래에서, 육지 또는 바다 위에서 그들과 떨어져(예컨대, 공중에서 날고 있거나 또는 호버링함), 또는 우주 공간(outer space)을 통해 이동하는 전기 및/또는 하이브리드 엔티티를 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 본원에서 개시되는 실시예가 함께 사용될 수 있는 이동식 엔티티의 예는, 차량, 기차, 전차, 배(ship), 선박(vessel), 항공기, 및 우주선을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 본원에서 개시되는 실시예가 함께 사용될 수 있는 이동식 차량의 예는, 단지 하나의 휠 또는 트랙을 갖는 것들, 단지 두 개의 휠 또는 트랙을 갖는 것들, 단지 세 개의 휠 또는 트랙을 갖는 것들, 단지 네 개의 휠 또는 트랙을 갖는 것들, 그리고 다섯 개 이상의 휠 또는 트랙을 갖는 것들을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 본원에서 개시되는 실시예가 함께 사용될 수 있는 이동식 엔티티의 예는, 자동차, 버스, 트럭, 오토바이, 스쿠터, 산업용 차량, 광산 차량, 비행 차량(flying vehicle)(예컨대, 비행기, 헬리콥터, 드론, 등등), 해상 선박(예컨대, 상업용 수송 선박, 배, 요트, 보트 또는 다른 선박(watercraft)), 잠수함, 기관차 또는 레일 기반의 차량(예컨대, 기차, 전차 등), 군용 차량, 우주선, 및 위성을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.
본 명세서의 실시예를 설명함에 있어서, 특정한 고정식 애플리케이션(예컨대, 그리드, 마이크로 그리드, 데이터 센터, 클라우드 컴퓨팅 환경) 또는 이동식 애플리케이션(예컨대, 전기 자동차)에 대한 참조가 이루어질 수 있다. 그러한 참조는 설명의 용이성을 위해 만들어지며, 특정한 실시예가 그 특정한 이동식 또는 고정식 애플리케이션으로만 사용되도록 제한된다는 것을 의미하지는 않는다. 모터에 전력을 제공하는 시스템의 실시예는 이동식 및 고정식 애플리케이션 둘 모두에서 사용될 수 있다. 소정의 구성이 다른 것에 비해 몇몇 애플리케이션에 더 적합할 수도 있지만, 본원에서 개시되는 모든 예시적인 실시예는, 달리 언급되지 않는 한, 이동식 및 고정식 애플리케이션 둘 모두에서 사용될 수 있다.
모듈 기반 에너지 시스템의 예
도 1a는 모듈 기반의 에너지 시스템(100)의 예시적인 실시예의 블록도이다. 여기서, 시스템(100)은, 통신 경로 또는 링크(106-1 내지 106-N)를 통해, 각각, N 개의 변환기-소스 모듈(108-1 내지 108-N)과 통신 가능하게 결합되는 제어 시스템(102)을 포함한다. 모듈(108)은 에너지를 저장하고 필요에 따라 부하(101)(또는 다른 모듈(108))에 에너지를 출력하도록 구성된다. 이들 실시예에서, 임의의 수의 두 개 이상의 모듈(108)이 사용될 수 있다(예컨대, N은 2 이상임). 모듈(108)은 도 7a 내지 도 7e와 관련하여 더 상세히 설명될 다양한 방식으로 서로 접속될 수 있다. 예시의 용이성을 위해, 도 1a 내지 도 1c에서, 모듈(108)은 직렬로, 또는 일차원 어레이로서 접속되어 도시되는데, 여기서 N번째 모듈은 부하(101)에 결합된다.
시스템(100)은 부하(101)에 전력을 공급하도록 구성된다. 부하(101)는 예를 들어, 모터 또는 그리드와 같은 임의의 유형의 부하일 수 있다. 시스템(100)은 또한 충전 소스로부터 수신된 전력을 저장하도록 구성된다. 도 1f는 충전 소스(150)로부터 전력을 수신하기 위한 전력 입력 인터페이스(151) 및 부하(101)에 전력을 출력하기 위한 전력 출력 인터페이스를 갖는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서 시스템(100)은 인터페이스(152)를 통해 전력을 출력함과 동시에 인터페이스(151)를 통해 전력을 수신 및 저장할 수 있다. 도 1g는 전환 가능한 인터페이스(154)를 갖는 시스템(100)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서, 시스템(100)은 충전 소스(150)로부터 전력을 수신하는 것과 부하(101)에 전력을 출력하는 것 사이에서 선택하거나 선택하도록 지시받을 수 있다. 시스템(100)은 기본 부하(primary loads) 및 보조 부하(auxiliary loads) 모두를 포함하는 다수의 부하(101)를 공급하고 그리고/또는 다수의 충전 소스(150)(예컨대, 유틸리티 운영 전력망 및 로컬 재생 에너지 소스(예컨대, 태양열))로부터 전력을 수신하도록 구성될 수 있다.
도 1b는 시스템(100)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서, 제어 시스템(102)은 통신 경로 또는 링크(115-1 내지 115-N)를 통해, 각각, N개의 상이한 로컬 제어 디바이스(local control device; LCD)(114-1 내지 114-N)와 통신 가능하게 결합되는 마스터 제어 디바이스(master control device; MCD)(112)로서 구현된다. 각각의 LCD(114-1 내지 114-N)는 통신 경로 또는 링크(116-1 내지 116-N)를 통해, 각각, 하나의 모듈(108-1 내지 108-N)과 통신 가능하게 결합되고, 그 결과, LCD(114)와 모듈(108) 사이에 1:1 관계가 존재한다.
도 1c는 시스템(100)의 또 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서, MCD(112)는 각각 통신 경로 또는 링크(115-1 내지 115-M)를 통해 M개의 상이한 LCD(114-1 내지 114-M)와 통신적으로 결합된다. 각각의 LCD(114)는 2개 이상의 모듈(108)과 결합되어 이를 제어할 수 있다. 여기에서 도시되는 예에서, 각각의 LCD(114)는 두 개의 모듈(108)과 통신 가능하게 결합되고, 그 결과, M개의 LCD(114-1 내지 114-M)는 통신 경로 또는 링크(116-1 내지 116-2M)를 통해 각각 2M개의 모듈(108-1 내지 108-2M)과 결합된다.
제어 시스템(102)은 전체 시스템(100)에 대한 단일 디바이스(예컨대, 도 1a)로서 구성될 수 있거나, 다수의 디바이스(예컨대, 도 1b-1c) 전체에 걸쳐 분산되거나 이들 다수의 디바이스로서 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 시스템(102)은 MCD(112)가 필요하지 않고 시스템(100)에서 생략될 수 있도록 모듈(108)과 연관된 LCD들(114) 사이에 분산될 수 있다.
제어 시스템(102)은 소프트웨어(프로세싱 회로에 의해 실행 가능한 메모리에 저장되는 명령어), 하드웨어, 또는 이들의 조합을 사용하여 제어를 실행하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템(102)의 하나 이상의 디바이스는 여기에 도시된 바와 같이 프로세싱 회로(120) 및 메모리(122)를 각각 포함할 수 있다. 프로세싱 회로 및 메모리의 예시적인 구현예가 하기에서 추가로 설명된다.
제어 시스템(102)은 통신 링크 또는 경로(105)를 통해 시스템(100) 외부의 디바이스(104)와 통신하기 위한 통신 인터페이스를 가질 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(102)(예컨대, MCD(112))은 시스템(100)에 대한 데이터 또는 정보를 또 다른 제어 디바이스(104)(예컨대, 이동식 애플리케이션에서 차량의 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit; ECU) 또는 모터 제어 유닛(Motor Control Unit; MCU), 고정식 애플리케이션에서의 그리드 제어기 등)에 출력할 수 있다.
통신 경로 또는 링크(105, 106, 115, 116, 및 118)(도 2b)는 각각 데이터 또는 정보를 병렬 또는 직렬 방식으로 양방향으로 통신하는 유선(예컨대, 전기, 광학) 또는 무선 통신 경로일 수 있다. 데이터는 표준화된(예컨대, IEEE, ANSI) 또는 사용자 지정(예컨대, 독점) 형식으로 전달될 수 있다. 자동차 애플리케이션에서, 통신 경로(115)는 FlexRay 또는 CAN 프로토콜에 따라 통신하도록 구성될 수 있다. 통신 경로(106, 115, 116, 및 118)는 또한 하나 이상의 모듈(108)로부터 시스템(102)에 대한 동작 전력을 직접 공급하기 위해 유선 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 각각의 LCD(114)에 대한 동작 전력은, LCD(114)가 접속되는 하나 이상의 모듈(108)에 의해서만 공급될 수 있고, MCD(112)에 대한 동작 전력은 (예컨대, 자동차의 전력 네트워크를 통해) 모듈(108) 중 하나 이상으로부터 간접적으로 공급될 수 있다.
제어 시스템(102)은 동일하거나 상이한 하나 이상의 모듈(108)로부터 수신된 상태 정보에 기초하여 하나 이상의 모듈(108)을 제어하도록 구성된다. 제어는 예를 들어, 부하(101)의 요건과 같은 하나 이상의 다른 요인에 또한 기초할 수 있다. 제어 가능한 양상은 각 모듈(108)의 전압, 전류, 위상 및/또는 출력 전력 중 하나 이상을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
시스템(100)의 모든 모듈(108)의 상태 정보는 모든 모듈(108-1…108-N)을 독립적으로 제어할 수 있는 제어 시스템(102)으로 전달될 수 있다. 다른 변형도 가능하다. 예를 들어, 특정 모듈(108)(또는 모듈(108)의 서브세트)은, 해당 특정 모듈(108)(또는 서브세트)의 상태 정보에 기초해, 해당 특정 모듈(108)(또는 서브세트)이 아닌 다른 모듈(108)의 상태 정보에 기초해, 해당 특정 모듈(108)(또는 서브세트) 이외의 모든 모듈(108)의 상태 정보에 기초해, 해당 특정 모듈(108)(또는 서브세트)의 상태 정보 및 해당 특정 모듈(또는 서브세트)이 아닌 적어도 하나의 다른 모듈(108)의 상태 정보에 기초해, 또는 시스템(100)의 모든 모듈(108)의 상태 정보에 기초해 제어될 수 있다.
상태 정보는 각 모듈(108)의 하나 이상의 양상, 특성, 또는 파라미터에 대한 정보일 수 있다. 상태 정보의 유형은 모듈(108) 또는 그 하나 이상의 컴포넌트(예컨대, 에너지 소스, 에너지 버퍼, 변환기, 모니터 회로)의 다음 양상을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다: 모듈의 하나 이상의 에너지 소스의 충전 상태(State of Charge; SOC)(예컨대, 용량에 대한 에너지 소스의 충전 레벨, 예컨대, 분수 또는 백분율), 모듈의 하나 이상의 에너지 소스의 건전성 상태(State of Health; SOH)(예컨대, 이상적인 조건과 비교된 에너지 소스의 조건의 성능 지수), 모듈의 하나 이상의 에너지 소스 또는 다른 컴포넌트의 온도, 모듈의 하나 이상의 에너지 소스의 용량, 모듈의 하나 이상의 에너지 소스 및/또는 다른 컴포넌트의 전압, 모듈의 하나 이상의 에너지 소스 및/또는 다른 컴포넌트의 전류, 및/또는 모듈의 컴포넌트 중 하나 이상에서의 결함(fault)의 유무.
LCD(114)는 각 모듈(108)로부터 상태 정보를 수신하거나 각 모듈(108)로부터 또는 각 모듈(108) 내에서 수신된 모니터링된 신호 또는 데이터로부터 상태 정보를 결정하고 그 정보를 MCD(112)에 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 각 LCD(114)는 원시(raw) 수집 데이터를 MCD(112)에 전달할 수 있고, MCD는 그 후 원시 데이터에 기초하여 상태 정보를 알고리즘적으로 결정한다. 그런 다음, MCD(112)는 모듈(108)의 상태 정보를 사용하여 상응하게 제어 결정을 내릴 수 있다. 이 결정은 각 모듈(108)의 동작을 유지하거나 조정하기 위해, LCD(114)에 의해 활용될 수 있는 명령어, 커맨드, 또는 다른 정보(예컨대, 하기에서 설명되는 변조 지수)의 형태를 취할 수 있다.
예를 들어, MCD(112)는 상태 정보를 수신하고 그 정보를 평가하여 적어도 하나의 모듈(108)(예컨대, 그 컴포넌트)과 적어도 하나 이상의 다른 모듈(108)(예컨대, 그것의 필적하는 컴포넌트) 사이의 차이를 결정할 수 있다. 예를 들어, MCD(112)는 특정 모듈(108)이 하나 이상의 다른 모듈(108)과 비교하여 다음 조건 중 하나로 동작하고 있다고 결정할 수 있다: 상대적으로 더 낮거나 더 높은 SOC로, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 SOH로, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 용량으로, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 전압으로, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 전류로, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 온도로, 또는 결함이 있거나 없이. 그러한 예들에서, MCD(112)는 (조건에 따라) 해당 특정 모듈(108)의 관련 양상(예컨대, 출력 전압, 전류, 전력, 온도)이 감소 또는 증가되게 하는 제어 정보를 출력할 수 있다. 이러한 방식으로, (예컨대, 상대적으로 더 낮은 SOC 또는 더 높은 온도로 동작하는) 이상치 모듈(108)의 활용은 해당 모듈(108)의 관련 파라미터(예컨대, SOC 또는 온도)가 하나 이상의 다른 모듈(108)의 관련 파라미터로 수렴되도록 감소될 수 있다.
특정한 모듈(108)의 동작을 조정할지의 여부의 결정은, 사전 결정된 문턱값, 한계, 또는 조건에 대한 상태 정보의 비교에 의해 이루어질 수 있으며, 반드시 다른 모듈(108)의 상태에 대한 비교에 의하지는 않는다. 사전 결정된 문턱값, 한계, 또는 조건은 사용 동안 변경되지 않는, 제조사에 의해 설정한 것들과 같은 정적인 문턱값, 한계, 또는 조건일 수 있다. 사전 결정된 문턱값, 한계, 또는 조건은 사용 중에 변경이 허용되는 또는 변경되는 동적 문턱값, 한계, 또는 조건일 수 있다. 예를 들어, MCD(112)는, 모듈(108)이 사전 결정된 문턱값 또는 한계를 위반하여(예컨대, 그 사전 결정된 문턱값 또는 한계 위에서 또는 아래에서), 또는 허용 가능한 동작 조건의 사전 결정된 범위를 벗어나 동작하고 있다는 것을 해당 모듈(108)에 대한 상태 정보가 나타내는 경우, 해당 모듈(108)의 동작을 조정할 수 있다. 유사하게, MCD(112)는, 모듈에 대한 상태 정보가 실제의 또는 잠재적인 결함의 존재를 나타내거나(예컨대, 경보, 또는 경고) 또는 실제의 또는 잠재적인 결함의 부재 또는 제거를 나타내는 경우, 해당 모듈(108)의 동작을 조정할 수 있다. 결함의 예는, 컴포넌트의 실제 고장, 컴포넌트의 잠재적 고장, 단락 또는 다른 과도한 전류 조건, 개방 회로, 과도한 전압 조건, 통신 수신의 실패, 손상된 데이터의 수신, 및 등등을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 결함의 유형과 심각도에 따라, 결함이 있는 모듈의 활용을 줄여 모듈의 손상을 방지하거나 모듈의 활용을 완전히 중단할 수 있다.
MCD(112)는 시스템(100) 내의 모듈(108)을 제어하여 원하는 목표를 달성하거나 이를 향해 수렴할 수 있다. 목표는, 예를 들어, 서로에 대해 동일한 또는 유사한 레벨에서의, 또는 사전 결정된 문턱값, 한계, 또는 조건 내에서의 모든 모듈(108)의 동작일 수 있다. 이 프로세스는 또한, 모듈(108)의 동작 또는 동작 특성에서의 밸런싱 또는 밸런스를 달성하기 위한 추구로서 지칭된다. 본원에서 사용되는 바와 같이 용어 "밸런스"는 모듈(108) 또는 그 컴포넌트 사이의 절대적인 동등성을 요구하는 것이 아니라, 오히려, 불일치를 적극적으로 감소시키지 않으면 존재할 모듈들(108) 사이의 동작에서의 불일치를 적극적으로 감소시키기 위해 시스템(100)의 동작이 사용될 수 있다는 것을 전달하도록 광의적인 의미에서 사용된다.
MCD(112)는 LCD(114)와 연관된 모듈(108)을 제어할 목적으로 LCD(114)에 제어 정보를 전달할 수 있다. 제어 정보는 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같은 변조 지수 및 기준 신호, 변조된 기준 신호, 또는 기타일 수 있다. 각각의 LCD(114)는 연관된 모듈(들)(108) 내의 하나 이상의 컴포넌트(예컨대, 변환기)의 동작을 제어하는 스위치 신호를 생성하기 위해 제어 정보를 사용(예컨대, 수신 및 프로세싱)할 수 있다. 일부 실시예에서, MCD(112)는 스위치 신호를 직접 생성하고 이를 LCD(114)에 출력하고, LCD(114)는 스위치 신호를 의도된 모듈 컴포넌트에 중계한다.
제어 시스템(102)의 전부 또는 일부는 이동식 또는 고정식 애플리케이션의 하나 이상의 다른 양상을 제어하는 시스템 외부 제어 디바이스(104)와 결합될 수 있다. 이 공유 또는 공통 제어 디바이스(또는 서브시스템)에 통합될 때, 시스템(100)의 제어는 공유된 디바이스의 하드웨어와 함께 공유된 디바이스의 프로세싱 회로에 의해 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션, 또는 이들의 조합과 같은 임의의 원하는 방식으로 구현될 수 있다. 외부 제어 디바이스(104)의 비제한적인 예는, 하나 이상의 다른 차량 기능(예컨대, 모터 제어, 운전자 인터페이스 제어, 트랙션 제어 등)에 대한 제어 기능을 갖는 차량 ECU 또는 MCU; 하나 이상의 다른 전력 관리 기능(예컨대, 부하 인터페이싱, 부하 전력 요건 예측, 전송 및 스위칭, 충전 소스(예컨대, 디젤, 태양열, 풍력)와의 인터페이스)을 담당하는 그리드 또는 마이크로 그리드 제어기, 충전 소스 전력 예측, 백업 소스 모니터링, 자산 디스패치(asset dispatch) 등); 및 데이터 센터 제어 서브시스템(예컨대, 환경 제어, 네트워크 제어, 백업 제어 등)을 포함한다.
도 1d 및 도 1e는, 제어 시스템(102)이 구현될 수 있는 공유 또는 공통 제어 디바이스(또는 시스템)(132)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 도 1d에서, 공통 제어 디바이스(132)는 마스터 제어 디바이스(112) 및 외부 제어 디바이스(104)를 포함한다. 마스터 제어 디바이스(112)는 경로(115)를 통해 LCD(114)와 통신하기 위한 인터페이스(141)뿐만 아니라 내부 통신 버스(136)를 통해 외부 제어 디바이스(104)와 통신하기 위한 인터페이스(142)를 포함한다. 외부 제어 디바이스(104)는 버스(136)를 통해 마스터 제어 디바이스(112)와 통신하기 위한 인터페이스(143), 및 통신 경로(136)를 통해 전체 애플리케이션의 다른 엔티티(예컨대, 차량 또는 그리드의 컴포넌트)와 통신하기 위한 인터페이스(144)를 포함한다. 일부 실시예에서, 공통 제어 디바이스(132)는 내부에 포함된 개별 집적 회로(integrated circuit; IC) 칩 또는 패키지로서 구현되는 디바이스(112 및 104)를 갖는 공통 하우징 또는 패키지로서 통합될 수 있다.
도 1e에서, 외부 제어 디바이스(104)는 공통 제어 디바이스(132)로서 작용하며, 마스터 제어 기능성은 디바이스(104) 내의 컴포넌트(112)로서 구현된다. 이 컴포넌트(112)는 디바이스(104)의 메모리 내에 저장 및/또는 하드코딩되고 디바이스의 프로세싱 회로에 의해 실행되는 소프트웨어 또는 다른 프로그램 명령어이거나 이를 포함할 수 있다. 컴포넌트는 전용 하드웨어도 포함할 수 있다. 컴포넌트는 외부 제어 디바이스(104)의 운영 소프트웨어와 통신하기 위한 하나 이상의 내부 하드웨어 및/또는 소프트웨어 인터페이스(예컨대, 애플리케이션 프로그램 인터페이스(application program interface; API))가 있는 독립형 모듈 또는 코어일 수 있다. 외부 제어 디바이스(104)는 인터페이스(141)를 통한 LCD(114) 및 인터페이스(144)를 통한 다른 디바이스와의 통신을 관리할 수 있다. 다양한 실시예에서, 디바이스(104/132)는 단일 IC 칩으로서 통합될 수 있고, 단일 패키지에서 다수의 IC 칩으로 통합될 수 있거나, 공통 하우징 내에 다수의 반도체 패키지로서 통합될 수 있다.
도 1d 및 도 1e의 실시예에서, 시스템(102)의 마스터 제어 기능성은 공통 디바이스(132)에서 공유되지만, 공유 제어의 다른 분할이 허용된다. 예를 들어, 마스터 제어 기능성의 일부는 공통 디바이스(132)와 전용 MCD(112) 사이에 분산될 수 있다. 또 다른 예에서, 마스터 제어 기능성 및 로컬 제어 기능성의 적어도 일부는 공통 디바이스(132)에서 구현될 수 있다(예컨대, 잔여 로컬 제어 기능성은 LCD(114)에서 구현됨). 일부 실시예에서, 모든 제어 시스템(102)은 공통 디바이스(또는 서브시스템)(132)에서 구현된다. 일부 실시예에서, 로컬 제어 기능성은 예를 들어, 배터리 관리 시스템(Battery Management System; BMS)과 같은, 각 모듈(108)의 또 다른 컴포넌트와 공유되는 디바이스 내에서 구현된다.
캐스케이디드 에너지 시스템 내 모듈의 예
모듈(108)은 하나 이상의 에너지 소스 및 전력 전자 변환기, 및 원하는 경우 에너지 버퍼를 포함할 수 있다. 도 2a 내지 2b는 전력 변환기(202), 에너지 버퍼(204), 및 에너지 소스(206)를 가진 모듈(108)을 갖는 시스템(100)의 추가적인 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 변환기(202)는 전압 변환기 또는 전류 변환기일 수도 있다. 실시예는 전압 변환기를 참조하여 본 명세서에서 설명되지만, 실시예는 이에 제한되지 않는다. 변환기(202)는 에너지 소스(206)로부터의 직류(direct current; DC) 신호를 교류(alternating current; AC) 신호로 변환하고 이를 전력 접속부(110)(예컨대, 인버터)를 통해 출력하도록 구성될 수 있다. 변환기(202)는 또한 접속부(110)를 통해 AC 신호 또는 DC 신호를 수신하고 이를 연속 형태 또는 펄스 형태의 극성을 갖는 에너지 소스(206)에 인가할 수 있다. 변환기(202)는 예를 들어, 풀 브리지의 하프 브리지(H-브리지)와 같은 스위치(예컨대, 전력 트랜지스터)의 배열이거나 이를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서 변환기(202)는 스위치만을 포함하고 변환기(및 모듈 전체)는 변압기를 포함하지 않는다.
변환기(202)는 또한(또는 대안적으로) 예를 들어, AC 소스로부터 DC 에너지 소스를 충전하는 것과 같이 AC에서 DC로의 변환(예컨대, 정류기), DC에서 DC로의 변환, 및/또는 AC에서 AC로의 변환(예컨대, AC-DC 변환기와 함께 사용)을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, AC-AC 변환을 수행하기 위한 일부 실시예에서, 변환기(202)는 단독으로 또는 하나 이상의 전력 반도체(예컨대, 스위치, 다이오드, 사이리스터 등)와 조합하여 변압기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중량 및 비용이 중요한 요소인 것과 같은 다른 실시예에서, 변환기(202)는 변압기 없이 전력 스위치, 전력 다이오드, 또는 다른 반도체 디바이스만으로 변환을 수행하도록 구성될 수 있다.
에너지 소스(206)는 바람직하게는 직류를 출력할 수 있고 전기 구동 디바이스용 에너지 저장 애플리케이션에 적합한 에너지 밀도를 갖는 견고한 에너지 저장 디바이스이다. 연료 전지는 단일 연료 전지, 직렬 또는 병렬로 접속된 다수의 연료 전지, 또는 연료 전지 모듈일 수 있다. 두 개 이상의 에너지 소스는 각 모듈에 포함될 수 있으며, 두 개 이상의 소스는 동일하거나 상이한 유형의 두 개의 배터리, 동일하거나 상이한 유형의 두 개의 커패시터, 동일하거나 상이한 유형의 두 개의 연료 전지, 하나 이상의 커패시터 및/또는 연료 전지와 결합된 하나 이상의 배터리, 및 하나 이상의 연료 전지와 결합된 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.
에너지 소스(206)는 예를 들어, 단일 배터리 셀, 또는 배터리 모듈 또는 어레이에서 함께 접속된 다수의 배터리 셀, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 전기화학 배터리일 수 있다. 도 4a 내지 4d는 단일 배터리 셀(402)(도 4a), 다수의(예컨대, 4개의) 셀(402)의 직렬 접속을 갖는 배터리 모듈(도 4b), 단일 셀(402)의 병렬 접속을 갖는 배터리 모듈(도 4c), 및 각각 다수의(예컨대, 2개의) 셀(402)을 갖는 레그(legs)와의 병렬 접속을 갖는 배터리 모듈(도 4d)로서 구성된 에너지 소스(206)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 배터리 유형의 예는 여기 다른 곳에서 설명된다.
에너지 소스(206)는 또한 예를 들어, 울트라커패시터 또는 슈퍼커패시터와 같은 고에너지 밀도(high energy density; HED) 커패시터일 수 있다. HED 커패시터는 일반적인 전해 커패시터의 고체 유전체 유형과는 달리, 이중층 커패시터(정전 전하 저장), 의사 커패시터(전기화학적 전하 저장), 하이브리드 커패시터(정전 및 전기화학) 등으로서 구성될 수 있다. HED 커패시터는 더 높은 용량과 더불어 전해 커패시터의 에너지 밀도의 10배 내지 100배(또는 그 이상)의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 예를 들어, HED 커패시터는 킬로그램당 1.0 와트시(Wh/kg)보다 큰 비에너지(specific energy)와 10 패럿(F) 내지 100 패럿(F)보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다. 도 4a 내지 도 4d와 관련하여 설명된 배터리와 같이, 에너지 소스(206)는 어레이(예컨대, 직렬, 병렬 또는 이들의 조합)로 함께 접속된 단일 HED 커패시터 또는 다수의 HED 커패시터로서 구성될 수 있다.
에너지 소스(206)는 또한 연료 전지일 수 있다. 연료 전지의 예로는 양성자 교환막 연료 전지(proton-exchange membrane fuel cell; PEMFC), 인산 연료 전지(phosphoric acid fuel cell; PAFC), 고체산 연료 전지, 알칼리성 연료 전지, 고온 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지, 용융 전해질 연료 전지 등을 포함한다. 도 4a 내지 도 4d와 관련하여 설명된 배터리와 같이, 에너지 소스(206)는 어레이(예컨대, 직렬, 병렬 또는 이들의 조합)로 함께 접속된 단일 연료 전지 또는 다수의 연료 전지로서 구성될 수 있다. 배터리, 커패시터 및 연료 전지의 전술한 예는 완전한 목록을 형성하도록 의도되지 않았으며, 당업자는 본 요지의 범위 내에 속하는 다른 변형을 인식할 것이다.
에너지 버퍼(204)는 DC 라인 또는 링크(예컨대, 아래에서 설명되는 +VDCL 및 -VDCL) 전체에 걸쳐 전류의 변동을 감쇠시키거나 필터링하여 DC 링크 전압의 안정성을 유지하는 데 도움을 줄 수 있다. 이들 변동은 변환기(202)의 스위칭, 또는 다른 과도에 의해 야기되는 상대적으로 낮거나(예컨대, 킬로헤르츠) 높은(예컨대, 메가헤르츠) 주파수 변동 또는 고조파일 수 있다. 이들 변동은 소스(206)로 또는 변환기(202)의 포트(IO3 및 IO4)로 전달되는 대신 버퍼(204)에 의해 흡수될 수 있다.
전력 접속부(110)는 모듈(108)로, 모듈(108)로부터, 모듈(108)을 통해 에너지 또는 전력을 전달하기 위한 접속부이다. 모듈(108)은 에너지 소스(206)로부터 전력 접속부(110)로 에너지를 출력할 수 있으며, 여기서 에너지는 시스템의 다른 모듈로 또는 부하로 전달될 수 있다. 모듈(108)은 또한 다른 모듈(108) 또는 충전 소스(DC 충전기, 단상 충전기, 다상 충전기)로부터 에너지를 수신할 수 있다. 신호는 또한 에너지 소스(206)를 우회하는 모듈(108)을 통해 전달될 수 있다. 모듈(108) 안팎으로 에너지 또는 전력의 라우팅은 LCD(114)(또는 시스템(102)의 또 다른 엔티티)의 제어 하에 변환기(202)에 의해 수행된다.
도 2a의 실시예에서, LCD(114)는 모듈(108)로부터 분리된 컴포넌트로서 구현되고(예컨대, 공유 모듈 하우징 내에 있지 않음) 통신 경로(116)를 통해 변환기(202)에 접속되고 그것과 통신할 수 있다. 도 2b의 실시예에서, LCD(114)는 모듈(108)의 컴포넌트로서 포함되고 내부 통신 경로(118)(예컨대, 공유 버스 또는 개별 접속)를 통해 변환기(202)에 접속되고 그것과 통신할 수 있다. LCD(114)는 또한 경로(116 또는 118)를 통해 에너지 버퍼(204) 및/또는 에너지 소스(206)로부터 신호를 수신하고 신호를 송신할 수 있다.
모듈(108)은 또한 예를 들어, 전압, 전류, 온도 또는 상태 정보를 구성하는 다른 동작 파라미터와 같은 모듈(108)의 하나 이상의 양상 및/또는 그 컴포넌트를 모니터링(예컨대, 수집, 감지, 측정, 및/또는 결정)하도록 구성된 모니터 회로(208)를 포함할 수 있다(또는 예를 들어, LCD(114)에 의해 상태 정보를 결정하는 데 사용될 수 있다). 상태 정보의 주요 기능은 모듈(108)의 하나 이상의 에너지 소스(206)의 상태를 기술하여 시스템(100)의 다른 소스와 비교하여 에너지 소스를 얼마나 활용할 것인지에 대한 결정을 가능하게 하는 것이지만, 다른 컴포넌트의 상태를 기술하는 상태 정보(예컨대, 전압, 온도 및/또는 버퍼(204)의 결함 존재, 온도 및/또는 변환기(202) 결함의 존재, 모듈(108)의 다른 곳에 결함의 존재 등)가 활용 결정에도 사용될 수 있다. 모니터 회로(208)는 하나 이상의 센서, 션트, 분할기, 결함 검출기, 쿨롱 카운터, 제어기 또는 이러한 양상을 모니터링하도록 구성된 다른 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 모니터 회로(208)는 다양한 컴포넌트(202, 204, 및 206)로부터 분리될 수 있거나, 각각의 컴포넌트(202, 204, 및 206)(도 2a 내지 도 2b에 도시됨) 또는 이들의 임의의 조합과 통합될 수 있다. 일부 실시예에서, 모니터 회로(208)는 배터리 에너지 소스(206)에 대한 배터리 관리 시스템(BMS)의 일부이거나 이와 공유될 수 있다. 하나보다 많은 유형의 상태 정보가 단일 회로 또는 디바이스로 모니터링되거나, 그렇지 않으면 추가 회로에 대한 필요 없이 알고리즘적으로 결정될 수 있으므로, 각 유형의 상태 정보를 모니터링하기 위해 개별 회로가 필요하지 않는다.
LCD(114)는 통신 경로(116, 118)를 통해 모듈 컴포넌트에 대한 상태 정보(또는 원시 데이터)를 수신할 수 있다. LCD(114)는 또한 경로(116, 118)를 통해 모듈 컴포넌트에 정보를 전송할 수 있다. 경로(116 및 118)는 진단, 측정, 보호 및 제어 신호 라인을 포함할 수 있다. 전송된 정보는 하나 이상의 모듈 컴포넌트에 대한 제어 신호일 수 있다. 제어 신호는 변환기(202)에 대한 스위치 신호 및/또는 모듈 컴포넌트로부터 상태 정보를 요청하는 하나 이상의 신호일 수 있다. 예를 들어, LCD(114)는 상태 정보를 직접 요청함으로써, 또는 상태 정보가 생성되도록 자극(예컨대, 전압)을 인가함으로써, 어떤 경우에는 변환기(202)를 특정 상태로 배치하는 스위치 신호와 조합하여 상태 정보가 경로(116, 118)를 통해 전송되도록 할 수 있다.
모듈(108)의 물리적 구성 또는 레이아웃은 다양한 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈(108)은 모든 모듈 컴포넌트, 예를 들어, 변환기(202), 버퍼(204), 및 소스(206)가 예를 들어, 통합된 LCD(114)와 같은 다른 선택적인 컴포넌트와 함께 수용되는 공통 하우징을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 다양한 컴포넌트는 함께 고정되는 개별 하우징에서 분리될 수 있다. 도 2c는, 모듈의 에너지 소스(206) 및 예를 들어, 모니터 회로(208)(미도시)와 같은 동반되는 전자 장치를 홀딩하는 제1 하우징(220), 예를 들어, 변환기(202), 에너지 버퍼(204), 및 예를 들어, 모니터 회로(미도시)와 같은 다른 동반되는 전자 장치와 같은 모듈 전자 장치를 홀딩하는 제2 하우징(222), 및 모듈(108)을 위한 LCD(114)(도시되지 않음)를 홀딩하는 제3 하우징(224)을 갖는 모듈(108)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 다양한 모듈 컴포넌트들 사이의 전기 접속은 하우징(220, 222, 224)을 통해 진행될 수 있고 예를 들어, 다른 모듈(108) 또는 MCD(112)와 같은 다른 디바이스와의 접속을 위해 하우징 외부 중 임의의 것에서 노출될 수 있다.
시스템(100)의 모듈(108)은 애플리케이션의 필요 및 부하의 수에 의존하는 다양한 구성으로 서로에 대해 물리적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)이 마이크로그리드에 전력을 제공하는 고정식 애플리케이션에서 모듈(108)은 하나 이상의 랙 또는 다른 프레임워크에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어, 해상 선박과 같은 더 큰 이동식 애플리케이션에도 적합할 수 있다. 대안적으로, 모듈(108)은 함께 고정되고 팩이라고 하는 공통 하우징 내에 위치할 수 있다. 랙 또는 팩은 모든 모듈 전체에 걸쳐 공유되는 자체 전용 냉각 시스템을 가질 수 있다. 팩 구성은 예를 들어, 전기 자동차와 같은 소형 이동식 애플리케이션에 유용하다. 시스템(100)은 (예컨대, 마이크로그리드에 병렬 공급을 위해) 하나 이상의 랙 또는 (예컨대, 차량의 상이한 모터에 서비스를 제공하는) 하나 이상의 팩, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 도 2d는 공통 하우징(230) 내에서 전기적으로 그리고 물리적으로 함께 결합된 9개의 모듈(108)을 갖는 팩으로서 구성된 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
이러한 및 추가 구성의 예는 2020년 3월 27일에 출원되고 발명의 명칭이 "캐스케이디드 및 상호접속된 구성이 가능한 모듈 기반 에너지 시스템 및 관련 방법(Module-Based Energy Systems Capable of Cascaded and Interconnected Configurations, and Methods Related Thereto)"인 국제 출원 제PCT/US20/25366호에 설명되어 있으며, 이 출원은 모든 목적을 위해 여기에 전체적으로 통합되어 있다.
도 3a 내지 도 3c는 다양한 전기적 구성을 갖는 모듈(108)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이들 실시예는 모듈(108)당 하나의 LCD(114)를 갖는 것으로 설명되고, LCD(114)는 연관된 모듈 내에 수용되지만, 본 명세서에 설명된 바와 같이 다르게 구성될 수 있다. 도 3a는 시스템(100) 내의 모듈(108A)의 제1 예시적인 구성을 도시한다. 모듈(108A)은 에너지 소스(206), 에너지 버퍼(204), 및 변환기(202A)를 포함한다. 각 컴포넌트는, 전력이 입력될 수 있고 그리고/또는 전력이 출력될 수 있는 전력 접속 포트(예컨대, 단자, 커넥터)를 가지고 있으며, 여기서 IO 포트라고 지칭된다. 이러한 포트는 상황에 따라 입력 포트 또는 출력 포트라고도 지칭될 수 있다.
에너지 소스(206)는 여기에 설명된 에너지 소스 유형 중 임의의 것(예컨대, 도 4a 내지 도 4d에 대해 설명된 바와 같은 배터리, HED 커패시터, 연료 전지, 또는 기타)으로서 구성될 수 있다. 에너지 소스(206)의 포트(IO1 및 IO2)는 에너지 버퍼(204)의 포트(IO1 및 IO2)에 각각 접속될 수 있다. 에너지 버퍼(204)는 변환기(202)를 통해 버퍼(204)에 도달하는 고주파수 에너지 맥동 및 저주파수 에너지 맥동을 버퍼링하거나 필터링하도록 구성될 수 있으며, 그렇지 않으면 모듈(108)의 성능을 저하시킬 수 있다. 버퍼(204)에 대한 토폴로지 및 컴포넌트는 이러한 고주파수 전압 맥동의 최대 허용 진폭을 수용하도록 선택된다. 에너지 버퍼(204)의 몇몇(비제한적) 예시적인 실시예가 도 5a 내지 도 5c의 개략도에 도시되어 있다. 도 5a에서, 버퍼(204)는 전해 및/또는 막 커패시터(CEB)이고, 도 5b에서 버퍼(204)는 2개의 인덕터(LEB1 및 LEB2)와 2개의 전해 및/또는 막 커패시터(CEB1 and CEB2)에 의해 형성된 Z-소스 네트워크(710)이고, 도 5c에서 버퍼(204)는 2개의 인덕터(LEB1 및 LEB2), 2개의 전해 및/또는 막 커패시터(CEB1 및 CEB2) 및 다이오드(DEB)에 의해 형성된 준(quasi) Z-소스 네트워크(720)이다.
에너지 버퍼(204)의 포트(IO3 및 IO4)는 변환기(202A)의 포트(IO1 및 IO2)에 각각 접속될 수 있으며, 이는 본 명세서에 설명된 임의의 전력 변환기 유형으로서 구성될 수 있다. 도 6a는 포트(IO1 및 IO2)에서 DC 전압을 수신하고 포트(IO3 및 IO4)에서 펄스를 생성하도록 스위치할 수 있는 DC-AC 변환기로서 구성된 변환기(202A)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 변환기(202A)는 다수의 스위치를 포함할 수 있고, 여기에서 변환기(202A)는 풀 브리지 구성으로 배열된 4개의 스위치(S3, S4, S5, S6)를 포함한다. 제어 시스템(102) 또는 LCD(114)는 제어 입력 라인(118-3)을 통해 각 게이트에 대한 각 스위치를 독립적으로 제어할 수 있다.
스위치는 예를 들어, 여기에 도시된 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor; MOSFET), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT), 또는 갈륨 질화물(GaN) 트랜지스터와 같은 전력 반도체와 같은 임의의 적합한 스위치 유형일 수 있다. 반도체 스위치는 상대적으로 높은 스위칭 주파수에서 동작될 수 있고, 그에 의해, 소망되는 경우, 변환기(202)가 펄스 폭 변조(pulse-width modulated; PWM) 모드에서 동작되는 것, 및 상대적으로 짧은 시간 간격 내에서 제어 커맨드에 응답하는 것을 허용할 수 있다. 이것은 과도 모드(transient mode)에서 빠른 동적 거동 및 출력 전압 조절의 높은 공차를 제공할 수 있다.
이 실시예에서, DC 라인 전압(VDCL)은 포트(IO1)와 포트(IO2) 사이의 변환기(202)에 인가될 수 있다. 스위치(S3, S4, S5, S6)의 상이한 조합에 의해 포트(IO3 및 IO4)에 VDCL을 접속함으로써, 변환기(202)는 포트(IO3 및 IO4)에서 세 가지 상이한 전압 출력을 생성할 수 있다: +VDCL, 0 및 -VDCL. 각 스위치에 제공되는 스위치 신호는 스위치가 켜져 있는지(닫힘) 꺼져 있는지(열림)를 제어한다. +VDCL을 얻기 위해 스위치 S4와 S5가 턴오프된 동안에 스위치 S3과 S6이 턴온되는 반면에, -VDCL은 스위치 S4와 S5를 턴온하고 스위치 S3과 S6을 턴오프해서 얻어질 수 있다. 출력 전압은 S4와 S6이 턴오프된 상태에서 S3과 S5를 턴온하거나 S3과 S5가 턴오프된 상태에서 S4와 S6을 턴온해서 0(영에 가까운 것을 포함) 또는 기준 전압으로 설정될 수 있다. 이들 전압은 전력 접속부(110)를 통해 모듈(108)로부터 출력될 수 있다. 변환기(202)의 포트(IO3 및 IO4)는, 다른 모듈(108)의 출력 전압과 함께 사용하기 위한 출력 전압을 생성하기 위해 전력 접속부(110)의 모듈 IO 포트 1 및 2에 접속될(또는 이를 형성할) 수 있다.
여기에 설명된 변환기(202)의 실시예에 대한 제어 신호 또는 스위치 신호는 변환기(202)의 출력 전압을 생성하기 위해 시스템(100)에 의해 활용되는 제어 기술에 따라 상이한 방식으로 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 기술은 예를 들어, 공간 벡터 펄스 폭 변조(space vector pulse-width modulation; SVPWM) 또는 사인파 펄스 폭 변조(sinusoidal pulse-width modulation; SPWM), 또는 이들의 변형과 같은 PWM 기술이다. 도 8a는 변환기(202)의 출력 전압 파형(802)의 예를 도시하는 전압 대 시간의 그래프이다. 설명의 편의를 위해, 본 명세서의 실시예는 PWM 제어 기술의 상황에서 설명될 것이지만, 실시예는 이에 제한되지 않는다. 다른 종류의 기술이 사용될 수 있다. 한 가지 대체 종류는 히스테리시스를 기반으로 하며 그 예는 국제 특허 공보 제WO 2018/231810A1호, 제WO 2018/232403A1호 및 제WO 2019/183553A1호에 기술되어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 본원에 참고로 포함된다.
각각의 모듈(108)은 다수의 에너지 소스(206)(예컨대, 2개, 3개, 4개 또는 그 이상)로 구성될 수 있다. 모듈(108)의 각 에너지 소스(206)는 모듈의 다른 소스(206)와 독립적으로 접속부(110)에 전력을 공급(또는 충전 소스로부터 전력을 수신)하도록 제어 가능(전환 가능)할 수 있다. 예를 들어, 모든 소스(206)는 동시에 접속부(110)에 전력을 출력할 수 있거나(또는 충전될 수 있거나), 소스(206) 중 단지 하나(또는 서브세트)가 임의의 시간에 전력을 공급할(또는 충전될) 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈의 소스들(206)은 그들 사이에서 에너지를 교환할 수 있는데, 예를 들어, 하나의 소스(206)가 또 다른 소스(206)를 충전할 수 있다. 소스들(206) 각각은 여기에 설명된 임의의 에너지 소스(예컨대, 배터리, HED 커패시터, 연료 전지)로서 구성될 수 있다. 소스들(206) 각각은 동일한 유형(예컨대, 각각이 배터리일 수 있음) 또는 상이한 유형일 수 있다(예컨대, 제1 소스는 배터리일 수 있고, 제2 소스는 HED 커패시터일 수 있거나, 제1 소스는 제1 유형(예컨대, NMC)을 갖는 배터리일 수 있고, 제2 소스는 제2 유형(예컨대, LFP)을 갖는 배터리일 수 있다).
도 3b는 1차 에너지 소스(206A) 및 2차 에너지 소스(206B)를 갖는 이중 에너지 소스 구성의 모듈(108B)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 1차 소스(202A)의 포트(IO1 및 IO2)는 에너지 버퍼(204)의 포트(IO1 및 IO2)에 접속될 수 있다. 모듈(108B)은 추가 IO 포트를 갖는 변환기(202B)를 포함한다. 버퍼(204)의 포트(IO3 및 IO4)는 변환기(202B)의 포트(IO1 및 IO2)에 각각 접속될 수 있다. 2차 소스(206B)의 포트(IO1 및 IO2)는 변환기(202B)의 포트(IO5 및 IO2)에 각각 접속될 수 있다(또한 버퍼(204)의 포트(IO4)에도 접속됨).
이 예시적인 모듈(108B)의 실시예에서, 1차 에너지 소스(202A)는 시스템(100)의 다른 모듈(108)과 함께 부하에 의해 필요한 평균 전력을 공급한다. 2차 소스(202B)는 부하 전력 피크에서 추가 전력을 제공하거나, 초과 전력을 흡수하거나, 또는 다른 방식으로 에너지 소스(202)를 보조하는 기능을 수행할 수 있다.
언급된 바와 같이, 1차 소스(206A) 및 2차 소스(206B) 모두는 변환기(202B)의 스위치 상태에 따라 동시에 또는 별개의 시간에 활용될 수 있다. 만약 동시에라면, 전해 및/또는 막 커패시터(CES)는 소스(206B)에 대한 에너지 버퍼로서 작용하기 위해 도 4e에 도시된 바와 같이 소스(206B)와 병렬로 배치될 수 있거나, 에너지 소스(206B)는 도 4f에 도시된 바와 같이 또 다른 에너지 소스(예컨대, 배터리 또는 연료 전지)와 병렬로 HED 커패시터를 활용하도록 구성될 수 있다.
도 6b 및 도 6c는 각각 변환기(202B 및 202C)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 변환기(202B)는 스위치 회로 부분(601 및 602A)을 포함한다. 부분(601)은 변환기(202A)와 유사한 방식으로 풀 브리지로서 구성된 스위치(S3 내지 S6)를 포함하고, IO1 및 IO2를 IO3 및 IO4 중 하나에 선택적으로 결합하여 모듈(108B)의 출력 전압을 변경하도록 구성된다. 부분(602A)은 하프 브리지로서 구성되고 포트(IO1)와 포트(IO2) 사이에 결합된 스위치(S1 및 S2)를 포함한다. 결합 인덕터(LC)는 스위치(S1)와 스위치(S2) 사이에 존재하는 노드 1과 포트(IO5) 사이에 접속되어 스위치 부분(602A)이 전압(또는 역전류)을 조절할 수 있는 양방향 변환기가 되도록 한다. 스위치 부분(602A)은 가상 제로 전위에 있을 수 있는 포트(IO2)에서 참조되는, +VDCL2 및 0인 노드 1에서의 2개의 상이한 전압을 생성할 수 있다. 에너지 소스(202B)로부터 인출되거나 에너지 소스(202B)로 입력되는 전류는, 예를 들어, 펄스 폭 변조 기술 또는 스위치(S1 및 S2)를 정류하기 위한 히스테리시스 제어 방법을 사용하여, 결합 인덕터(LC) 상의 전압을 조절하는 것에 의해 제어될 수 있다. 다른 기술도 사용될 수 있다.
변환기(202C)는 스위치 부분(602B)이 하프 브리지로서 구성되고 포트(IO5)와 포트(IO2) 사이에 결합된 스위치(S1 및 S2)를 포함하기 때문에 202B와는 상이하다. 결합 인덕터(LC)는, 스위치 부분(602B)이 전압을 조절하게 구성되도록 스위치(S1)와 스위치(S2) 사이에 존재하는 노드1과 포트(IO1) 사이에 접속된다.
제어 시스템(102) 또는 LCD(114)는 각 게이트에 대한 제어 입력 라인(118-3)을 통해 변환기(202B 및 202C)의 각 스위치를 독립적으로 제어할 수 있다. 이들 실시예 및 도 6a의 실시예에서, LCD(114)(MCD(112)가 아님)는 변환기 스위치에 대한 스위칭 신호를 생성한다. 대안적으로, MCD(112)는 스위치에 직접 전달되거나 LCD(114)에 의해 중계될 수 있는 스위칭 신호를 생성할 수 있다.
모듈(108)이 3개 이상의 에너지 소스(206)를 포함하는 실시예에서, 변환기(202B 및 202C)는, 각각의 추가 에너지 소스(206B)가 특정 소스의 필요에 따라 추가 스위치 회로(602A 또는 602B)로 이어지는 추가 IO 포트에 결합되도록 그에 따라 스케일링될 수 있다. 예를 들어, 이중 소스 변환기(202)는 스위치 부분(202A 및 202B) 모두를 포함할 수 있다.
다수의 에너지 소스들(206)을 갖는 모듈(108)은 예를 들어, 소스들(206) 사이의 에너지 공유, 애플리케이션 내로부터의 에너지 포획(예컨대, 회생 제동), 전체 시스템이 방전 상태에 있는 동안에도 2차 소스에 의한 1차 소스의 충전, 및 모듈 출력의 능동적인 필터링과 같은 추가적인 기능들을 수행할 수 있다. 능동 필터링 기능은 2차 에너지 소스 대신 일반적인 전해 커패시터를 갖는 모듈에 의해서도 수행될 수 있다. 이러한 기능의 예는 2020년 3월 27일에 출원되고 발명의 명칭이 "캐스케이드 및 상호접속 구성이 가능한 모듈 기반 에너지 시스템 및 관련 방법(Module-Based Energy Systems Capable of Cascaded and Interconnected Configurations, and Methods Related Thereto)"인 국제 출원 제PCT/US20/25366호와, 2019년 3월 22일에 출원되고 발명의 명칭이 "전력 관리 및 제어를 위한 시스템 및 방법(Systems and Methods for Power Management and Control)"인 국제 출원 공개공보 제WO 2019/183553호에 설명되어 있으며, 이들 둘 모두는 모든 목적을 위해 그 전체가 본 명세서에 참조에 의해 통합된다.
각 모듈(108)은 하나 이상의 에너지 소스(206)로 하나 이상의 보조 부하를 공급하도록 구성될 수 있다. 보조 부하는 1차 부하(101)보다 낮은 전압을 요구하는 부하이다. 보조 부하의 예는, 예를 들어, 전기 자동차의 온보드 전기 네트워크, 전기 자동차의 HVAC 시스템일 수 있다. 시스템(100)의 부하는, 예를 들어, 전기 자동차 모터 또는 전기 그리드의 위상 중 하나일 수 있다. 이 실시예는, 에너지 소스의 전기적 특성(단자 전압 및 전류)과 부하의 전기적 특성 사이의 완전한 디커플링을 허용할 수 있다.
도 3c는 제1 보조 부하(301) 및 제2 보조 부하(302)에 전력을 공급하도록 구성된 모듈(108C)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이며, 여기서 모듈(108C)은 도 3b의 것과 유사한 방식으로 함께 결합된 에너지 소스(206), 에너지 버퍼(204), 및 변환기(202B)를 포함한다. 제1 보조 부하(301)는 소스(206)로부터 공급되는 것과 동일한 전압을 필요로 한다. 부하(301)는 모듈(108C)의 IO 포트 3 및 4에 결합되고, 이는 차례로 소스(206)의 포트 IO1 및 IO2에 결합된다. 소스(206)는 전력 접속부(110)와 부하(301) 모두에 전력을 출력할 수 있다. 제2 보조 부하(302)는 소스(206)보다 낮은 정전압을 필요로 한다. 부하(302)는 변환기(202B)의 포트 IO5 및 IO2에 각각 결합되는 모듈(108C)의 IO 포트 5 및 6에 결합된다. 변환기(202B)는 포트(IO5)(도 6b)에 결합된 결합 인덕터(LC)를 갖는 스위치 부분(602)을 포함할 수 있다. 소스(206)에 의해 공급된 에너지는 변환기(202B)의 스위치 부분(602)을 통해 부하(302)에 공급될 수 있다. 부하(302)가 입력 커패시터를 가지며(그렇지 않으면, 커패시터가 모듈(108C)에 추가될 수 있음), 따라서 스위치(S1 및 S2)는 결합 인덕터(LC)를 통해 전압 온 및 전류를 조절하도록 정류되어 부하(302)에 대해 안정적인 정전압을 생성할 수 있다고 가정된다. 이 조절은 소스(206)의 전압을 부하(302)에 의해 요구되는 더 낮은 크기의 전압으로 강압(step down)할 수 있다.
따라서 모듈(108C)은 부하(301)와 관련하여 설명된 방식으로 하나 이상의 제1 보조 부하를 공급하도록 구성될 수 있으며, 하나 이상의 제1 부하가 IO 포트 3 및 4에 결합된다. 모듈(108C)은 또한 부하(302)와 관련하여 설명된 방식으로 하나 이상의 제2 보조 부하를 공급하도록 구성될 수 있다. 다수의 제2 보조 부하(302)가 존재하는 경우, 각각의 추가 부하(302)에 대해 모듈(108C)은 추가 전용 모듈 출력 포트(예컨대, 5 및 6), 추가 전용 스위치 부분(602), 및 추가 부분(602)에 결합된 추가 변환기 IO 포트로 스케일링될 수 있다.
따라서 에너지 소스(206)는 1차 부하(101)에 필요한 시스템 출력 전력의 대응 부분뿐만 아니라 임의의 수의 보조 부하(예컨대, 301 및 302)에 대한 전력을 공급할 수 있다. 소스(206)로부터 다양한 부하로의 전력 흐름은 원하는 대로 조정될 수 있다.
모듈(108)은 2개 이상의 에너지 소스(206)(도 3b)로 필요에 따라 그리고 각각의 추가 소스(206B) 또는 제2 보조 부하(302)에 대한 스위치 부분(602) 및 변환기 포트(IO5)의 추가를 통해 제1 및/또는 제2 보조 부하(도 3c)를 공급하도록 구성될 수 있다. 필요에 따라 추가 모듈 IO 포트(예컨대, 3, 4, 5, 6)가 추가될 수 있다. 모듈(108)은 또한, 본 명세서에 추가로 설명되는 바와 같이 2개 이상의 어레이, 2개 이상의 팩, 또는 2개 이상의 시스템(100) 사이에서 에너지를 교환하기 위해(예컨대, 밸런싱을 위해) 상호접속 모듈로서 구성될 수 있다. 이 상호접속 기능성은 마찬가지로 다수의 소스 및/또는 다수의 보조 부하 공급 기능과 결합될 수 있다.
제어 시스템(102)은 모듈(108A, 108B, 및 108C)의 컴포넌트와 관련하여 다양한 기능을 수행할 수 있다. 이러한 기능에는 각 에너지 소스(206)의 활용(사용량) 관리, 과전류, 과전압 및 고온 조건으로부터 에너지 버퍼(204)의 보호, 변환기(202)의 제어 및 보호가 포함될 수 있다.
예를 들어, 각 에너지 소스(206)의 활용을 관리(예컨대, 증가, 감소 또는 유지함으로써 조정)하기 위해, LCD(114)는 각 에너지 소스(206)(또는 모니터 회로)로부터 하나 이상의 모니터링된 전압, 온도 및 전류를 수신할 수 있다. 모니터링된 전압은 소스(206)의 다른 컴포넌트(예컨대, 각 개별 배터리 셀, HED 커패시터 및/또는 연료 전지)에 독립적인 각 기본 컴포넌트의 전압 중 적어도 하나, 바람직하게는 모두, 또는 전체로서 기본 컴포넌트 그룹의 전압(예컨대, 배터리 어레이, HED 커패시터 어레이 및/또는 연료 전지 어레이의 전압)일 수 있다. 유사하게, 모니터링된 온도 및 전류는 소스(206)의 다른 컴포넌트와 무관한 각 기본 컴포넌트의 온도 및 전류 중 적어도 하나, 바람직하게는 모두, 또는 전체로서 기본 컴포넌트 그룹의 온도 및 전류, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 모니터링된 신호는 LCD(114)가 다음 중 하나 이상을 수행할 수 있는 상태 정보일 수 있다: 기본 컴포넌트 또는 기본 컴포넌트 그룹의 실제 용량, 실제 충전 상태(SOC) 및/또는 건전성 상태(SOH)의 계산 또는 결정; 모니터링된 그리고/또는 계산된 상태 정보에 기초하여 경고 또는 경보 표시를 설정 또는 출력; 및/또는 상태 정보의 MCD(112)로의 전송. LCD(114)는 MCD(112)로부터 제어 정보(예컨대, 변조 지수, 동기화 신호)를 수신하고 이 제어 정보를 사용하여 소스(206)의 활용을 관리하는 변환기(202)에 대한 스위치 신호를 생성할 수 있다.
에너지 버퍼(204)를 보호하기 위해, LCD(114)는 에너지 버퍼(204)(또는 모니터 회로)로부터 하나 이상의 모니터링된 전압, 온도, 및 전류를 수신할 수 있다. 모니터링된 전압은 다른 컴포넌트들과는 독립적으로 버퍼(204)의 각 기본 컴포넌트의(예컨대, CEB, CEB1, CEB2, LEB1, LEB2, DEB의) 전압 중 적어도 하나, 바람직하게는 모두, 또는 전체로서 기본 컴포넌트 또는 버퍼(204)의 그룹의 전압(예컨대, IO1과 IO2 사이, 또는 IO3과 IO4 사이)일 수 있다. 유사하게, 모니터링된 온도 및 전류는 다른 컴포넌트와 무관한 버퍼(204)의 각 기본 컴포넌트의 온도 및 전류 중 적어도 하나, 바람직하게는 모두, 또는 전체로서 기본 컴포넌트 그룹 또는 버퍼(204)의 온도 및 전류, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 모니터링된 신호는 LCD(114)가 다음 중 하나 이상을 수행할 수 있는 상태 정보일 수 있다: 경고 또는 경보 표시를 설정하거나 출력하는 것; MCD(112)에 상태 정보를 전달하고; 또는 버퍼 보호를 위해 전체로서 소스(206) 및 모듈(108)의 활용을 조정(증가 또는 감소)하도록 변환기(202)를 제어하는 것.
변환기(202)를 제어 및 보호하기 위해, LCD(114)는 MCD(112)(예컨대, 변조된 기준 신호, 또는 기준 신호 및 변조 지수)로부터 제어 정보를 수신할 수 있으며, 이는 LCD(114)에서 PWM 기술과 함께 사용되어 각 스위치(예컨대, S1 내지 S6)에 대한 제어 신호를 생성할 수 있다. LCD(114)는 변환기(202)의 전류 센서로부터 전류 피드백 신호를 수신할 수 있으며, 이는 변환기(202)의 모든 스위치의 결함 상태(예컨대, 단락 또는 개방 회로 고장 모드)에 대한 정보를 전달할 수 있는 변환기 스위치의 구동 회로(미도시)로부터의 하나 이상의 결함 상태 신호와 함께 과전류 보호에 사용될 수 있다. 이 데이터에 기초하여, LCD(114)는 모듈(108)의 활용을 관리하고 시스템(100)으로부터 변환기(202)(및 전체 모듈(108))를 잠재적으로 우회하거나 접속 해제하기 위해 적용될 스위칭 신호의 조합을 결정할 수 있다.
제2 보조 부하(302)를 공급하는 모듈(108C)을 제어하는 경우, LCD(114)는 모듈(108C)에서 하나 이상의 모니터링된 전압(예컨대, IO 포트 5와 6 사이의 전압) 및 하나 이상의 모니터링된 전류(예컨대, 부하(302)의 전류인 결합 인덕터(LC)의 전류)를 수신할 수 있다. 이들 신호에 기초하여, LCD(114)는 부하(302)에 대한 전압을 제어(및 안정화)하기 위해(예컨대, 변조 지수 또는 기준 파형의 조정에 의해) S1 및 S2의 스위칭 사이클을 조정할 수 있다.
캐스케이디드 에너지 시스템 토폴로지의 예
2개 이상의 모듈(108)은 어레이 내의 각 모듈(108)에 의해 생성된 이산 전압의 중첩에 의해 형성된 전압 신호를 출력하는 캐스케이디드 어레이에서 함께 결합될 수 있다. 도 7a는 N개의 모듈들(108-1, 108-2.., 108-N)이 직렬로 함께 결합되어 직렬 어레이(700)를 형성하는 시스템(100)에 대한 토폴로지의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 본 명세서에 기재된 이 실시예 및 모든 실시예에서, N은 1보다 큰 임의의 정수일 수 있다. 어레이(700)는 어레이 출력 전압이 전체에 걸쳐 생성되는 제1 시스템 IO 포트(SIO1) 및 제2 시스템 IO 포트(SIO2)를 포함한다. 어레이(700)는 어레이(700)의 SIO1 및 SIO2에 접속할 수 있는 DC 또는 AC 단상 부하용 DC 또는 단상 AC 에너지 소스로서 사용될 수 있다. 도 8a는 48 볼트 에너지 소스를 갖는 단일 모듈(108)에 의해 생성된 예시적인 출력 신호를 도시하는 전압 대 시간의 도표이다. 도 8b는 직렬로 결합된 6개의 48V 모듈(108)을 갖는 어레이(700)에 의해 생성된 예시적인 단상 AC 출력 신호를 도시하는 전압 대 시간의 도표이다.
시스템(100)은 애플리케이션의 다양한 필요를 충족시키기 위해 매우 다양한 상이한 토폴로지로 배열될 수 있다. 시스템(100)은 다수의 어레이(700)를 사용하여 부하에 다상 전력(예컨대, 2상, 3상, 4상, 5상, 6상 등)을 제공할 수 있으며, 여기서 각 어레이는 상이한 위상각을 갖는 AC 출력 신호를 생성할 수 있다.
도 7b는 함께 결합된 2개의 어레이(700-PA 및 700-PB)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. N개의 모듈(108)의 직렬 접속에 의해 형성되는 각 어레이(700)는 1차원적이다. 2개의 어레이(700-PA 및 700-PB)는 각각 단상 AC 신호를 생성할 수 있으며, 여기서 2개의 AC 신호는 상이한 위상각(PA 및 PB)(예컨대, 위상차 180도)을 갖는다. 각 어레이(700-PA 및 700-PB)의 모듈(108-1)의 IO 포트 1은 각각 시스템 IO 포트(SIO1 및 SIO2)를 형성하거나 이에 접속될 수 있으며, 이는 차례로 부하(미도시)에 2상 전력을 제공할 수 있는 각 어레이의 첫 번째 출력으로서 사용될 수 있다. 또는 대안적으로 포트(SIO1 및 SIO2)를 접속하여 두 개의 병렬 어레이로부터 단상 전력을 제공할 수 있다. 각 어레이(700-PA 및 700-PB)의 모듈(108-N)의 IO 포트 2는 시스템 IO 포트(SIO1 및 SIO2)로부터 어레이의 반대쪽 끝에 있는 각 어레이(700-PA 및 700-PB)에 대한 두 번째 출력으로 사용될 수 있으며, 공통 노드에서 함께 결합될 수 있고, 원하는 경우 추가 시스템 IO 포트(SIO3)에 선택적으로 사용될 수 있으며 이는 중립(neutral) 역할을 할 수 있다. 이 공통 노드는 레일이라고 지칭될 수 있고, 각 어레이(700)의 모듈(108-N)의 IO 포트 2는 어레이의 레일 측에 있는 것으로 지칭될 수 있다.
도 7c는 함께 결합된 3개의 어레이(700-PA, 700-PB, 및 700-PC)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. N개의 모듈(108)의 직렬 접속에 의해 형성되는 각 어레이(700)는 1차원적이다. 3개의 어레이(700-1 및 700-2)는 각각 단상 AC 신호를 생성할 수 있고, 여기서 3개의 AC 신호는 상이한 위상각(PA, PB, PC)(예컨대, 위상차 120도)을 갖는다. 각 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)의 모듈(108-1)의 IO 포트 1은 각각 시스템 IO 포트(SIO1, SIO2 및 SIO3)를 형성하거나 이에 접속될 수 있으며, 이는 차례로 3상 전력을 부하(미도시)에 제공할 수 있다. 각 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)의 모듈(108-N)의 IO 포트 2는 공통 노드에서 함께 결합되고, 원하는 경우, 추가 시스템 IO 포트(SIO4)에 선택적으로 사용될 수 있으며, 이는 중립 역할을 할 수 있다.
도 7b 및 7c의 2상 및 3상 실시예와 관련하여 설명된 개념은 훨씬 더 많은 위상의 전력을 생성하는 시스템(100)으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 추가 예의 비제한적인 목록은 다음을 포함한다: 상이한 위상각(예컨대, 위상차 90도)을 갖는 단상 AC 신호를 생성하도록 각각 구성된 4개의 어레이(700)를 갖는 시스템(100); 상이한 위상각(예컨대, 위상차 72도)을 갖는 단일 위상 AC 신호를 생성하도록 각각 구성된, 5개의 어레이(700)를 갖는 시스템(100); 및 상이한 위상각(예컨대, 위상차 60도)을 갖는 단일 위상 AC 신호를 생성하도록 각각 구성된, 6개의 어레이(700)를 갖는 시스템(100).
시스템(100)은, 어레이(700)가 각 어레이 내의 모듈들(108) 사이의 전기적 노드에서 상호접속되도록 구성될 수 있다. 도 7d는 결합된 직렬 및 델타 배열로 함께 결합된 3개의 어레이(700-PA, 700-PB, 및 700-PC)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. 각각의 어레이(700)는 N개의 모듈(108)의 제2 직렬 접속과 결합된 M 모듈(108)의 제1 직렬 접속을 포함하며, 여기서 M은 2 이상이고 N은 2 이상이다. 델타 구성은 임의의 원하는 위치에 배치될 수 있는 어레이들 간의 상호접속에 의해 형성된다. 이 실시예에서, 어레이(700-PC)의 모듈(108-(M+N))의 IO 포트 2는 어레이(700-PA)의 모듈(108-M)의 IO 포트 2 및 모듈(108-(M+1))의 IO 포트 1과 결합되고, 어레이(700-PB)의 모듈(108-(M+N))의 IO 포트 2는 어레이(700-PC)의 모듈(108-M)의 IO 포트 2 및 모듈(108-(M+1))의 IO 포트 1과 결합되며, 어레이(700-PA)의 모듈(108-(M+N))의 IO 포트 2는 어레이(700-PB)의 모듈(108-M)의 IO 포트 2 및 모듈(108-(M+1))의 IO 포트 1과 결합된다.
도 7e는 결합된 직렬 및 델타 배열로 함께 결합된 3개의 어레이(700-PA, 700-PB, 및 700-PC)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. 이 실시예는 상이한 교차 접속을 갖는 것을 제외하고 도 7d의 실시예와 유사하다. 이 실시예에서, 어레이(700-PC)의 모듈(108-M)의 IO 포트 2는 어레이(700-PA)의 모듈(108-1)의 IO 포트 1과 결합되고, 어레이(700-PB)의 모듈(108-M)의 IO 포트 2는 어레이(700-PC)의 모듈(108-1)의 IO 포트 1과 결합되며, 어레이(700-PA)의 모듈(108-M)의 IO 포트 2는 어레이(700-PB)의 모듈(108-1)의 IO 포트 1과 결합된다. 도 7d 및 7e의 배열은 각 어레이(700)에서 2개만큼 적은 모듈로 구현될 수 있다. 결합된 델타 및 직렬 구성은 시스템의 모든 모듈(108)(상간(interphase) 밸런싱)과 전력망 또는 부하의 위상들 간의 효과적인 에너지 교환을 가능하게 하며, 또한 원하는 출력 전압을 얻기 위해 어레이(700)에서 모듈(108)의 총 수를 줄이는 것을 허용한다.
여기에 설명된 실시예에서, 모듈(108)의 수가 시스템(100) 내의 각 어레이(700)에서 동일한 것이 유리하지만, 그러한 것은 요구되지 않으며 상이한 어레이(700)는 상이한 수의 모듈(108)을 가질 수 있다. 또한, 각 어레이(700)는 모두 동일한 구성(예컨대, 모든 모듈은 108A이거나, 모든 모듈은 108B이거나, 모든 모듈은 108C이거나 기타 등등임) 또는 상이한 구성(예컨대, 하나 이상의 모듈은 108A이거나, 하나 이상은 108B이거나, 하나 이상은 108C이거나 기타 등등임)인 모듈(108)을 가질 수 있다. 이와 같이, 여기에서 다루어지는 시스템(100)의 토폴로지의 범위는 광범위하다.
제어 방법론의 예시적인 실시예
언급된 바와 같이, 시스템(100)의 제어는 예를 들어, 히스테리시스 또는 PWM과 같은 다양한 방법론에 따라 수행될 수 있다. PWM의 몇 가지 예는 공간 벡터 변조 및 사인 펄스 폭 변조를 포함하며, 여기서 변환기(202)에 대한 스위칭 신호는 각 모듈(108)의 활용을 연속적으로 회전시켜 그들 사이에 전력을 균등하게 분배하는 위상 변이 반송파 기술로 생성된다.
도 8c 내지 도 8f는 증분 변이된 2-레벨 파형을 사용하여 다중 레벨 출력 PWM 파형을 생성할 수 있는 위상 변이 PWM 제어 방법론의 예시적인 실시예를 나타내는 도표이다. X-레벨 PWM 파형은 (X-1)/2 2-레벨 PWM 파형의 합산에 의해 생성될 수 있다. 이러한 2-레벨 파형은 기준 파형(Vref)을 360°/(X-1)만큼 증분 변이된 반송파와 비교하여 생성될 수 있다. 반송파는 삼각형이지만, 실시예는 삼각형으로 제한되지 않는다. 9-레벨 예시가 도 8c에 도시되어 있다(4개의 모듈(108)을 사용함). 반송파는 360°/(9-1) = 45°만큼 증분 변이되고 Vref와 비교된다. 결과적인 2-레벨 PWM 파형이 도 8e에 도시되어 있다. 이러한 2-레벨 파형은 변환기(202)의 반도체 스위치(예컨대, S1 내지 S6)에 대한 스위칭 신호로서 사용될 수 있다. 도 8e를 참조한 예로서, 변환기(202)를 각각 갖는 4개의 모듈(108)을 포함하는 1차원 어레이(700)에 대해, 0° 신호는 S3의 제어를 위한 것이고, 180° 신호는 제1 모듈(108-1)의 S6을 위한 것이며, 45° 신호는 S3을 위한 것이고, 225° 신호는 제2 모듈(108-2)의 S6을 위한 것이며, 90° 신호는 S3을 위한 것이고, 270° 신호는 제3 모듈(108-3)의 S6을 위한 것이며, 135° 신호는 S3을 위한 것이고, 315° 신호는 제4 모듈(108-4)의 S6을 위한 것이다. 각 하프 브리지의 슛 스루(shoot through)를 회피하기 위해 충분한 데드 타임으로 S3에 대한 신호는 S4에 대해 상보적이며 S5에 대한 신호는 S6에 대해 상보적이다. 도 8f는 4개의 모듈(108)로부터의 출력 전압의 중첩(합산)에 의해 생성된 예시적인 단상 AC 파형을 도시한다.
대안은 첫 번째 (N-1)/2개의 반송파와 함께 포지티브 기준 신호 및 네거티브 기준 신호를 모두 활용하는 것이다. 9-레벨 예시가 도 8d에 도시되어 있다. 이 예에서, 0° 내지 135° 스위칭 신호(도 8e)는 +Vref를 도 8d의 0° 내지 135° 반송파와 비교하여 생성되고 180° 내지 315° 스위칭 신호는 -Vref를 도 8d의 0° 내지 135° 반송파와 비교하여 생성된다. 그러나 후자의 경우 비교 논리가 반전된다. 예를 들어, 상태 머신 디코더와 같은 다른 기술은 또한 변환기(202)의 스위치에 대한 게이트 신호를 생성하는 데 사용될 수도 있다.
다중 위상 시스템 실시예에서, 동일한 반송파가 각 위상에 대해 사용될 수 있거나, 반송파 세트가 각 위상에 대해 전체적으로 변이될 수 있다. 예를 들어, 단일 기준 전압(Vref)을 갖는 3상 시스템에서, 각각의 어레이(700)는 도 8c 및 8d에 도시된 바와 같이 동일한 상대 오프셋을 갖는 동일한 수의 반송파를 사용할 수 있지만, 제2 위상의 반송파는 제1 위상의 반송파에 비해 120도만큼 변이되고, 제3 위상의 반송파는 제1 위상의 반송파에 비해 240도만큼 변이된다. 각 위상에 대해 다른 기준 전압을 사용할 수 있는 경우 위상 정보가 기준 전압에서 전달될 수 있고 각 위상에 대해 동일한 반송파가 사용될 수 있다. 많은 경우에 반송파 주파수는 고정될 것이지만, 일부 예시적인 실시예에서는 반송파 주파수가 조정될 수 있으며, 이는 고전류 조건에서 EV 모터의 손실을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
적절한 스위칭 신호는 제어 시스템(102)에 의해 각 모듈에 제공될 수 있다. 예를 들어, MCD(112)는, LCD(114)가 제어하는 모듈 또는 모듈들(108)에 따라 각각의 LCD(114)에 Vref 및 적절한 반송파 신호를 제공할 수 있고, 그러면, LCD(114)는 스위칭 신호를 생성할 수 있다. 또는 어레이의 모든 LCD(114)에 모든 반송파 신호가 제공될 수 있고 LCD는 적절한 반송파 신호를 선택할 수 있다.
각 모듈(108)의 상대적 활용은 밸런싱을 수행하기 위한 상태 정보 또는 본 명세서에 설명된 하나 이상의 파라미터에 기초하여 조정될 수 있다. 파라미터의 밸런싱에는 개별 모듈 활용 조정이 수행되지 않는 시스템과 비교하여 시간 경과에 따른 파라미터 발산을 최소화하기 위해 활용 조정이 포함될 수 있다. 활용은 시스템(100)이 방전 상태에 있을 때 모듈(108)이 방전하는 상대적인 시간량 또는 시스템(100)이 충전 상태에 있을 때 모듈(108)이 충전하는 상대적인 시간량일 수 있다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 모듈(108)은 어레이(700)의 다른 모듈에 대해 밸런싱될 수 있으며, 이는 어레이내(intra array) 또는 상내(intraphase) 밸런싱으로 지칭될 수 있고, 상이한 어레이(700)는 서로에 대해 밸런싱될 수 있으며, 이는 어레이간 또는 상간 밸런싱으로 지칭될 수 있다. 상이한 서브시스템의 어레이(700)는 또한 서로에 대해 밸런싱될 수 있다. 제어 시스템(102)은 상내 밸런싱, 상간 밸런싱, 모듈 내의 다수의 에너지 소스의 활용, 능동 필터링 및 보조 부하 공급의 임의의 조합을 동시에 수행할 수 있다.
도 9a는 단상 AC 또는 DC 어레사용 제어 시스템(102)의 어레이 제어기(900)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 어레이 제어기(900)는 피크 검출기(902), 분할기(904), 및 상내(또는 어레이 내) 밸런스 제어기(906)를 포함할 수 있다. 어레이 제어기(900)는 입력으로서 기준 전압 파형(Vr) 및 어레이 내의 N개의 모듈들(108) 각각에 대한 상태 정보를 수신하고, 출력으로서 정규화된 기준 전압 파형(Vrn) 및 변조 지수(Mi)를 생성할 수 있다. 피크 검출기(902)는 Vr의 피크(Vpk)를 검출하며, 이는 제어기(900)가 동작하고 그리고/또는 밸런싱하는 위상에 고유할 수 있다. 분할기(904)는 Vr을 검출된 Vpk로 나눔으로써 Vrn을 생성한다. 상내 밸런스 제어기(906)는 제어되는 어레이(700) 내의 각 모듈(108)에 대한 변조 지수 Mi를 생성하기 위해 상태 정보(예컨대, SOCi, Ti, Qi, Vi 등)와 함께 Vpk를 사용한다.
변조 지수 및 Vrn은 각 변환기(202)에 대한 스위칭 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 변조 지수는 제로와 1 사이의 수일 수 있다(제로 및 1을 포함함). 특정 모듈(108)에 대해, 정규화된 기준(Vrn)은 Mi에 의해 변조되거나 스케일링될 수 있고, 이 변조된 기준 신호(Vrnm)는 도 8c 내지 8f와 관련하여 설명된 PWM 기술에 따라 또는 다른 기술에 따라 Vref(또는 -Vref)로서 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 변조 지수는 변환기 스위칭 회로(예컨대, S3-S6 또는 S1-S6)에 제공되는 PWM 스위칭 신호를 제어하고, 따라서 각 모듈(108)의 동작을 조절하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 정상 또는 전체 동작을 유지하도록 제어되는 모듈(108)은 1의 Mi를 수신할 수 있는 반면, 정상 또는 전체 동작 미만으로 제어되는 모듈(108)은 1 미만의 Mi를 수신할 수 있고, 전력 출력을 중단하도록 제어되는 모듈(108)은 0의 Mi를 수신할 수 있다. 이 동작은 예를 들어, MCD(112)가 변조 및 스위치 신호 생성을 위해 Vrn 및 Mi를 적절한 LCD(114)로 출력함으로써, MCD(112)가 스위치 신호 생성을 위해 변조를 수행하고 변조된 Vrnm을 적절한 LCD(114)로 출력함으로써, 또는 MCD(112)가 변조 및 스위치 신호 생성을 수행하고 스위치 신호를 각 모듈(108)의 LCD 또는 변환기(202)에 직접 출력함으로써, 제어 시스템(102)에 의해 다양한 방식으로 수행될 수 있다. Vrn은 예를 들어, Vrn의 모든 기간에 대해 한 번 또는 분당 한 번 등과 같이 일정한 간격으로 전송된 Mi와 함께 계속 전송될 수 있다.
제어기(906)는 여기에 설명된 상태 정보(예컨대, SOC, 온도(T), Q, SOH, 전압, 전류)의 임의의 유형 또는 유형들의 조합을 사용하여 각 모듈(108)에 대한 Mi를 생성할 수 있다. 예를 들어, SOC 및 T를 사용할 때 모듈(108)은, 어레이(700)의 다른 모듈(108)에 비해 SOC가 상대적으로 더 높고 온도가 상대적으로 낮으면 상대적으로 더 높은 Mi를 가질 수 있다. SOC가 상대적으로 낮거나 T가 상대적으로 더 높으면, 그 모듈(108)은 상대적으로 낮은 Mi를 가질 수 있고, 결과적으로 어레이(700)의 다른 모듈(108)보다 덜 활용된다. 제어기(906)는 모듈 전압의 합이 Vpk를 초과하지 않도록 Mi를 결정할 수 있다. 예를 들어, Vpk는 각 모듈의 소스(206)의 전압과 해당 모듈에 대한 Mi의 곱의 합일 수 있다(예컨대, Vpk = M1V1+M2V2+M3V3 ... +MNVN 등). 변조 지수의 다른 조합, 그리고 따라서 모듈에 의한 각각의 전압 기여가 사용될 수 있지만 총 생성 전압은 동일하게 유지되어야 한다.
제어기(900)는, 각 모듈(108) 내의 에너지 소스(들)의 SOC가 밸런스를 유지하거나, 언밸런싱된 경우 밸런싱된 조건으로 수렴하도록, 그리고/또는 각 모듈 내의 에너지 소스(들) 또는 다른 컴포넌트(예컨대, 에너지 버퍼)의 온도가 밸런스를 유지하거나, 언밸런싱된 경우 밸런싱된 조건으로 수렴하도록, 시스템의 전력 출력 요건을 어느 한 시점에 달성하는 것을 방지하지 않는 범위 내에서 동작을 제어할 수 있다. 소스들 간 용량 차이로 인해 SOC 편차가 발생하지 않도록 모듈 안팎의 전력 흐름이 조절될 수 있다. SOC와 온도의 밸런싱은 간접적으로 SOH의 어떤 밸런싱을 야기할 수 있다. 전압과 전류는 원하는 경우 직접 밸런싱될 수 있지만 다수의 실시예에서 시스템의 주요 목표는 SOC와 온도를 밸런싱하는 것이며, SOC의 밸런싱은 모듈의 용량과 임피던스가 유사한 고도로 대칭적인 시스템에서 전압과 전류의 밸런싱으로 이어질 수 있다.
동시에 모든 파라미터를 밸런싱하는 것이 불가능할 수 있으므로(예컨대, 한 파라미터의 밸런싱은 또 다른 파라미터를 더 언밸런싱할 수 있음), 임의의 둘 이상의 파라미터(SOC, T, Q, SOH, V, I)의 밸런싱의 조합은 애플리케이션의 요건에 따라 어느 하나에 우선순위가 부여되어 적용될 수 있다. 다른 매개 변수(T, Q, SOH, V, I) 중 하나가 문턱값을 벗어난 심각한 언밸런싱된 조건에 도달하는 경우를 제외하고는 밸런싱에서 다른 파라미터(T, Q, SOH, V, I)보다 SOC에 우선순위가 부여될 수 있다.
상이한 위상의 어레이들(700)(또는 예를 들어, 병렬 어레이들이 사용되는 경우 동일한 위상의 어레이들) 간의 밸런싱은 상내 밸런싱과 동시에 수행될 수 있다. 도 9b는 적어도 Ω개의 어레이(700)를 갖는 Ω-위상 시스템(100)에서의 동작을 위해 구성된 Ω-위상(또는 Ω-어레이) 제어기(950)의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 Ω은 1보다 큰 임의의 정수이다. 제어기(950)는 위상 PA 내지 PΩ에 대한 하나의 상간(또는 어레이간) 제어기(910) 및 Ω개의 상내 밸런스 제어기(906-PA . . 906-PΩ)뿐만 아니라, 각각의 위상-특유 기준(VrPA 내지 VrPΩ)으로부터 정규화된 기준(VrnPA 내지 VrnPΩ)을 생성하기 위한 피크 검출기(902) 및 분할기(904)(도 9a)를 포함할 수 있다. 상내 제어기(906)는 도 9a와 관련하여 설명된 바와 같이 각 어레이(700)의 각 모듈(108)에 대해 Mi를 생성할 수 있다. 상간 밸런스 제어기(910)는 전체 다차원 시스템 전체에 걸쳐, 예를 들어, 상이한 위상의 어레이들 사이에서 모듈(108)의 양상을 밸런싱하도록 구성되거나 프로그래밍된다. 이것은 위상에 공통 모드를 도입(예컨대, 중성점 변이(neutral point shifting))하거나 상호접속 모듈(본 명세서에 설명됨)을 사용하거나 둘 다를 통해 달성될 수 있다. 공통 모드 도입은 하나 이상의 어레이에서 언밸런스를 보상하도록 정규화된 파형(VrnPA 내지 VrnPΩ)을 생성하기 위해 기준 신호(VrPA 내지 VrPΩ)에 위상 및 진폭 변이를 도입하는 것을 수반하며, 국제 특허 출원 제PCT/US20/25366호에서 더 설명된다.
제어기(900 및 950)(또한, 밸런스 제어기(906 및 910))는 제어 시스템(102) 내에서 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 제어기(900 및 950)는 MCD(112) 내에서 구현될 수 있고, LCD들(114) 사이에 부분적으로 또는 완전히 분산되거나, MCD(112) 및 LCD(114)와 독립적인 개별 제어기로서 구현될 수 있다.
상호접속(Interconnection; IC) 모듈의 예시적인 실시예
모듈(108)은 어레이들 사이에서 에너지를 교환하거나, 보조 부하에 대한 소스로서 작용하거나, 또는 둘 다를 목적으로 상이한 어레이들(700)의 모듈들 사이에 접속될 수 있다. 이러한 모듈은 본 명세서에서 상호접속(IC) 모듈(108IC)로서 지칭된다. IC 모듈(108IC)은 이미 설명된 모듈 구성(108A, 108B, 108C) 및 본 명세서에서 설명될 다른 것들 중 임의의 것으로 구현될 수 있다. IC 모듈(108IC)은 임의의 수의 하나 이상의 에너지 소스, 선택적 에너지 버퍼, 하나 이상의 어레이에 에너지를 공급하기 위한 그리고/또는 하나 이상의 보조 부하에 전력을 공급하기 위한 스위치 회로, 제어 회로(예컨대, 로컬 제어 디바이스), 및 IC 모듈 자체 또는 그것의 다양한 부하에 대한 상태 정보(예컨대, 에너지 소스의 SOC, 에너지 소스 또는 에너지 버퍼의 온도, 에너지 소스의 용량, 에너지 소스의 SOH, IC 모듈에 관한 전압 및/또는 전류 측정, 보조 부하(들)에 관한 전압 및/또는 전류 측정 등)를 수집하기 위한 모니터 회로를 포함할 수 있다.
도 10a는 Ω개의 어레이(700-PA 내지 700-PΩ)로 Ω-위상 전력을 생성할 수 있는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이며, 여기서 Ω는 1보다 큰 임의의 정수일 수 있다. 이 실시예 및 다른 실시예에서, IC 모듈(108IC)은, 모듈(108IC)이 접속되는 어레이(700)(이 실시예에서 어레이(700-PA 내지 700-PΩ))가 모듈(108IC)과 출력(예컨대, SIO1 내지 SIOΩ) 사이에 전기적으로 접속되도록 어레이(700)의 레일 측에 위치할 수 있다. 여기에서 모듈(108IC)은 어레이(700-PA 내지 700-PΩ)의 각 모듈(108-N)의 IO 포트 2에 접속하기 위한 Ω개의 IO 포트를 갖는다. 여기에 도시된 구성에서, 모듈(108IC)은 모듈(108IC)의 하나 이상의 에너지 소스를 어레이(700-PA 내지 700-PΩ) 중 하나 이상에 선택적으로 접속함으로써(또는, 상간 밸런싱이 요구되지 않는다면, 어느 출력에도 접속하지 않거나, 모든 출력에 동일하게 접속함으로써) 상간 밸런싱을 수행할 수 있다. 시스템(100)은 제어 시스템(102)(미도시, 도 1a 참조)에 의해 제어될 수 있다.
도 10b는 모듈(108IC)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 이 실시예에서 모듈(108IC)은 차례로 스위치 회로(603)와 접속되는 에너지 버퍼(204)와 접속된 에너지 소스(206)를 포함한다. 스위치 회로(603)는 에너지 소스(206)를 어레이(700-PA 내지 700-PΩ) 각각에 독립적으로 접속하기 위한 스위치 회로 유닛(604-PA 내지 604-PΩ)을 포함할 수 있다. 다양한 스위치 구성이 각 유닛(604)에 대해 사용될 수 있으며, 이 실시예에서는 2개의 반도체 스위치(S7 및 S8)를 갖는 하프 브리지로서 구성된다. 각 하프 브리지는 LCD(114)로부터의 제어 라인(118-3)에 의해 제어된다. 이 구성은 도 3a와 관련하여 설명된 모듈(108A)과 유사하다. 변환기(202)와 관련하여 설명된 바와 같이, 스위치 회로(603)는 애플리케이션의 요건에 적합한 임의의 배열 및 임의의 스위치 유형(예컨대, MOSFET, IGBT, 실리콘, GaN 등)으로 구성될 수 있다.
스위치 회로 유닛(604)은 에너지 소스(206)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 결합되고 모듈(108IC)의 IO 포트에 접속된 출력을 갖는다. 유닛(604-PA 내지 604-PΩ)은 전압 +VIC 또는 -VIC를 각각의 모듈 I/O 포트 1 내지 Ω에 선택적으로 결합하도록 제어 시스템(102)에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템(102)은 여기에 언급된 PWM 및 히스테리시스 기술을 포함하는 임의의 원하는 제어 기술에 따라 스위치 회로(603)를 제어할 수 있다. 여기서, 제어 회로(102)는 LCD(114) 및 MCD(112)(미도시)로서 구현된다. LCD(114)는 모듈(108IC)의 모니터 회로로부터 모니터링 데이터 또는 상태 정보를 수신할 수 있다. 이 모니터링 데이터 및/또는 이 모니터링 데이터로부터 도출된 다른 상태 정보는 여기에 설명된 시스템 제어에 사용하기 위해 MCD(112)로 출력될 수 있다. LCD(114)는 또한 시스템(100)의 모듈(108)과 예를 들어, PWM(도 8c-8d)에서 사용되는 톱니 신호와 같은 하나 이상의 반송파 신호(미도시)의 동기화를 위한 타이밍 정보(미도시)를 수신할 수 있다.
상간 밸런싱을 위해, 소스(206)로부터 비례적으로 더 많은 에너지가, 다른 어레이(700)에 비해 상대적으로 낮은 충전 상태인 어레이(700-PA 내지 700-PΩ) 중 임의의 하나 이상에 공급될 수 있다. 특정 어레이(700)에 대한 이러한 보충 에너지의 공급은, 그 어레이(700)에서 그러한 캐스케이디드 모듈(108-1 내지 108-N)의 에너지 출력이, 공급되지 않은 위상 어레이(들)에 비해 감소되게 한다.
예를 들어, PWM을 적용하는 일부 예시적인 실시예에서, LCD(114)는 모듈(108IC)이 예를 들어, VrnPA 내지 VrnPΩ에 결합되는 하나 이상의 어레이(700) 각각에 대한 정규화된 전압 기준 신호(Vrn)를 (MCD(112)로부터) 수신하도록 구성될 수 있다. LCD(114)는 또한 MCD(112)로부터 각각의 어레이(700)에 대한 스위치 유닛(604-PA 내지 604-PΩ)에 대한 변조 지수(MiPA 내지 MiPΩ)를 각각 수신할 수 있다. LCD(114)는 해당 어레이에 직접 결합된 스위치 섹션에 대한 변조 지수를 갖는 각각의 개별 Vrn을 변조(예컨대, 곱하기)할 수 있고(예컨대, VrnA에 MiA를 곱하기), 그런 다음, 반송파 신호를 활용하여 각각의 스위치 유닛(604)에 대한 제어 신호(들)를 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, MCD(112)는 변조를 수행하고 모듈(108IC)의 LCD(114)에 직접 각 유닛(604)에 대한 변조된 전압 기준 파형을 출력할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 모든 프로세싱 및 변조는 제어 신호를 각 유닛(604)에 직접 출력할 수 있는 단일 제어 엔티티에 의해 발생할 수 있다.
이 스위칭은, 에너지 소스(206)로부터의 전력이 적절한 간격 및 기간으로 어레이(들)(700)에 공급되도록 변조될 수 있다. 이러한 방법론은 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 각 어레이에 있는 각 에너지 소스의 현재 용량(Q) 및 SOC와 같은 시스템(100)에 대한 수집된 상태 정보에 기초하여, MCD(112)는 각 어레이(700)에 대한 총 전하를 결정할 수 있다(예컨대, 어레이에 대한 총 전하는 해당 어레이의 각 모듈에 대한 용량 곱하기 SOC의 합계로 결정할 수 있음). MCD(112)는 (예컨대, 여기에 설명된 상대적 차이 문턱값 및 다른 메트릭의 사용을 통해) 밸런싱된 조건 또는 언밸런싱된 조건이 존재하는지 여부를 결정할 수 있고, 각각의 스위치 유닛(604-PA 내지 604-PΩ)에 대해 그에 따라 변조 지수(MiPA 내지 MiPΩ)를 생성할 수 있다.
밸런싱된 동작 동안, 각각의 스위치 유닛(604)에 대한 Mi는 시간에 따라 동일하거나 유사한 양의 순 에너지가 에너지 소스(206) 및/또는 에너지 버퍼(204)에 의해 각 어레이(700)에 공급되게 하는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 각각의 스위치 유닛(604)에 대한 Mi는 동일하거나 유사할 수 있고, 모듈(108IC)이 시스템(100)에서 다른 모듈(108)과 동일한 비율로 모듈(108IC)을 드레인(drain)하도록, 모듈(108IC)이 밸런싱된 동작 동안 하나 이상의 어레이(700-PA 내지 700-PΩ)에 에너지의 순 방전 또는 시간 평균 방전을 수행하게 하는 레벨 또는 값으로 설정될 수 있다. 일부 실시예에서, 각 유닛(604)에 대한 Mi는 밸런싱된 동작 동안 에너지의 순 방전 또는 시간 평균 방전을 야기하지 않는 레벨 또는 값으로 설정될 수 있다(0의 순 에너지 방전을 야기함). 이것은 모듈(108IC)이 시스템의 다른 모듈보다 낮은 총 전하를 갖는 경우에 유용할 수 있다.
어레이들(700) 사이에 언밸런싱된 조건이 발생할 때, 시스템(100)의 변조 지수는 밸런싱된 조건을 향한 수렴을 야기하거나 추가 발산을 최소화하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(102)은, 모듈(108IC)이 다른 것들보다 낮은 전하로 어레이(700)로 더 많이 방전하게 할 수 있고, 또한 해당 낮은 어레이(700)의 모듈(108-1 내지 108-N)이 (예컨대, 시간 평균 기준으로) 상대적으로 더 적게 방전하게 할 수 있다. 모듈(108IC)에 의해 기여되는 상대적 순 에너지는 지원되는 어레이(700)의 모듈(108-1 내지 108-N)에 비해 증가하고, 또한 순 에너지 모듈(108IC)의 양과 비교하여 다른 어레이에 기여한다. 이는, 적절한 또는 필요한 레벨에서 해당 낮은 어레이에 대한 Vout을 유지하는 방식으로, 해당 낮은 어레이(700)를 공급하는 스위치 유닛(604)에 대한 Mi를 증가시키고, 낮은 어레이(700)의 모듈(108-1 내지 108-N)의 변조 지수를 감소시킴으로써, 그리고 다른 상위 어레이를 상대적으로 변경하지 않고 공급하는(또는 이를 감소시키는) 다른 스위치 유닛(604)에 대한 변조 지수를 유지함으로써 달성될 수 있다.
도 10a 내지 도 10b의 모듈(108IC)의 구성은 단일 시스템에 대한 상간 또는 어레이간 밸런싱을 제공하기 위해 단독으로 사용될 수 있거나, 하나 이상의 어레이에 결합된 하나 이상의 스위치 부분(604) 및 에너지 소스를 각각 갖는 하나 이상의 다른 모듈(108IC)과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, Ω개의 상이한 어레이(700)와 결합된 Ω개의 스위치 부분(604)을 갖는 모듈(108IC)은 하나의 어레이(700)와 결합된 하나의 스위치 부분(604)을 갖는 제2 모듈(108IC)과 결합될 수 있어서, 두 모듈은 Ω+1개의 어레이(700)를 갖는 시스템(100)을 서비스하기 위해 결합된다. 임의의 수의 모듈(108IC)이 이러한 방식으로 결합될 수 있으며, 각각은 시스템(100)의 하나 이상의 어레이(700)와 결합된다.
더욱이, IC 모듈은 시스템(100)의 둘 이상의 서브시스템 사이에서 에너지를 교환하도록 구성될 수 있다. 도 10c는 IC 모듈에 의해 상호접속된 제1 서브시스템(1000-1) 및 제2 서브시스템(1000-2)을 갖는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 구체적으로, 서브시스템(1000-1)은 시스템 I/O 포트(SIO1, SIO2 및 SIO3)를 통해 제1 부하(도시되지 않음)에 3상 전력(PA, PB 및 PC)을 공급하도록 구성되는 반면, 서브시스템(1000-2)은 시스템 I/O 포트(SIO4, SIO5 및 SIO06)를 통해 각각 3상 전력(PD, PE 및 PF)을 제2 부하(도시되지 않음)에 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 서브시스템(1000-1 및 1000-2)은 EV의 상이한 모터에 전력을 공급하는 상이한 팩으로서 구성되거나 상이한 마이크로그리드에 전력을 공급하는 상이한 랙으로서 구성될 수 있다.
이 실시예에서, 각각의 모듈(108IC)은 (IO 포트 1을 통해) 서브시스템(1000-1)의 제1 어레이 및 (IO 포트 2를 통해) 서브시스템(1000-2)의 제1 어레이와 결합되고, 각 모듈(108IC)은, 도 3c의 모듈(108C)과 관련하여 설명된 바와 같이 각 모듈(108IC)의 에너지 소스(206)와 결합되는 I/O 포트 3 및 4를 통해 서로 전기적으로 접속될 수 있다. 이 접속은 모듈(108IC-1, 108IC-2, 및 108IC-3)의 소스(206)를 병렬로 배치하고, 따라서 모듈(108IC)에 의해 저장 및 공급되는 에너지는 이 병렬 배열에 의해 함께 풀링된다. 예를 들어, 중대한(serious) 접속과 같은 다른 배열도 사용될 수 있다. 모듈(108IC)은 서브시스템(1000-1)의 공통 인클로저 내에 수용되지만, 상호접속 모듈은 공통 인클로저 외부에 있을 수 있고 두 서브시스템(1000)의 공통 인클로저 사이에 독립적인 엔티티로서 물리적으로 위치할 수 있다.
각각의 모듈(108IC)은 도 10b와 관련하여 설명된 바와 같이, IO 포트 1과 결합된 스위치 유닛(604-1) 및 I/O 포트 2와 결합된 스위치 유닛(604-2)을 갖는다. 따라서, 서브시스템들(1000) 간의 밸런싱(예컨대, 팩 간 또는 랙 간 밸런싱)을 위해 특정 모듈(108IC)은 자신이 접속된 두 어레이 중 하나 또는 둘 모두에 상대적으로 더 많은 에너지를 공급할 수 있다(예컨대, 모듈(108IC-1)은 어레이(700-PA) 및/또는 어레이(700-PD)에 공급할 수 있음). 제어 회로는 상이한 서브시스템의 어레이의 상대적인 파라미터(예컨대, SOC와 온도)를 모니터링할 수 있고, 본 명세서에서 설명된, IC 모듈의 에너지 출력을 조정하여 동일한 랙 또는 팩의 두 어레이 사이의 불균형(imbalances)을 보상하는 것과 동일한 방식으로 상이한 서브시스템의 어레이들 또는 위상들 간의 불균형을 보상한다. 세 개의 모듈(108IC) 모두가 병렬이기 때문에, 시스템(100)의 임의의 그리고 모든 어레이 사이에서 에너지가 효율적으로 교환될 수 있다. 이 실시예에서, 각 모듈(108IC)은 2개의 어레이(700)를 공급하지만, 시스템(100)의 모든 어레이에 대한 단일 IC 모듈 및 각 어레이(700)에 대한 하나의 전용 IC 모듈을 갖는 구성(예컨대, 6개의 어레이를 위한 6개의 IC 모듈, 여기서 각 IC 모듈은 하나의 스위치 유닛(604)을 가짐)을 포함하는 다른 구성이 사용될 수 있다. 다수의 IC 모듈을 갖는 모든 경우에, 에너지 소스는 여기에 설명된 바와 같이 에너지를 공유하기 위해 병렬로 함께 결합될 수 있다.
위상들 사이에 IC 모듈을 갖는 시스템에서 상간 밸런싱은 위에서 설명한 대로 중성점 변이(또는 공통 모드 도입)에 의해서도 수행될 수 있다. 이러한 조합은 더 넓은 범위의 동작 조건에서 보다 견고하고 유연한 밸런싱을 가능하게 한다. 시스템(100)은 중성점 변이 단독, 상간 에너지 주입 단독, 또는 이 둘의 조합을 동시에 사용하여 상간 밸런싱을 수행하는 적절한 상황을 결정할 수 있다.
IC 모듈은 또한 (소스(206)와 동일한 전압에서) 하나 이상의 보조 부하(301)에 그리고/또는 (소스(302)로부터 강압된 전압에서) 하나 이상의 보조 부하(302)에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 도 10d는 상간 밸런싱을 수행하고 보조 부하(301 및 302)를 공급하기 위해 접속된 2개의 모듈(108IC)을 갖는 3상 시스템(100A)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 도 10e는 모듈(108IC-1 및 108IC-2)에 중점을 둔 시스템(100)의 이 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 여기서, 제어 회로(102)는 LCD(114) 및 MCD(112)(미도시)로서 다시 구현된다. LCD(114)는 모듈(108IC)로부터 모니터링 데이터(예컨대, ES1의 SOC, ES1의 온도, ES1의 Q, 보조 부하(301 및 302)의 전압 등)를 수신할 수 있고, 본 명세서에 기술된 바와 같이 시스템 제어에 사용하기 위해 MCD(112)에 이것 및/또는 다른 모니터링 데이터를 출력할 수 있다. 각각의 모듈(108IC)은 해당 모듈에 의해 공급되는 각각의 부하(302)에 대한 스위치 부분(602A)(또는 도 6c에 대해 설명된 602B)을 포함할 수 있고, 각각의 스위치 부분(602)은 독립적으로 또는 MCD(112)로부터의 제어 입력에 기초하여 LCD(114)에 의해 부하(302)에 대한 필수 전압 레벨을 유지하도록 제어될 수 있다. 이 실시예에서, 각각의 모듈(108IC)은 하나의 부하(302)를 공급하기 위해 함께 접속된 스위치 부분(602A)을 포함하지만, 이것이 요구되는 것은 아니다.
도 10f는 모듈(108IC-1, 108IC-2, 및 108IC-3)을 갖는 하나 이상의 보조 부하(301 및 302)에 전력을 공급하도록 구성된 3상 시스템의 또 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서, 모듈(108IC-1 및 108IC-2)은 도 10d 내지 도 10e와 관련하여 설명된 것과 동일한 방식으로 구성된다. 모듈(108IC-3)은 순전히 보조 역할로 구성되며 시스템(100)의 임의의 어레이(700)에 전압이나 전류를 능동적으로 주입하지 않는다. 이 실시예에서, 모듈(108IC-3)은 하나 이상의 보조 스위치 부분(602A)을 갖는 변환기(202B,C)(도 6b-6c)를 갖지만 스위치 부분(601)을 생략하는, 도 3b의 모듈(108C)과 같이 구성될 수 있다. 이와 같이, 모듈(108IC-3)의 하나 이상의 에너지 소스(206)는 모듈(108IC-1 및 108IC-2)의 에너지 소스와 병렬로 상호접속되며, 따라서 시스템(100)의 이 실시예는 보조 부하(301 및 302)를 공급하기 위해 그리고 모듈(108IC-3)의 소스(206)와의 병렬 접속을 통해 모듈(108IC-1 및 108IC-2)의 소스(206A) 상의 전하를 유지하기 위한 추가 에너지로 구성된다.
각 IC 모듈의 에너지 소스(206)는 시스템의 다른 모듈(108-1 내지 108-N)의 소스(206)와 동일한 전압 및 용량에 있을 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 모듈(108IC)이 다수의 어레이(700)(도 10a)에 에너지를 인가하여 IC 모듈이 위상 어레이의 모듈 자체와 동일한 속도로 방전되도록 하는 실시예에서 비교적 더 높은 용량이 바람직할 수 있다. 모듈(108IC)이 또한 보조 부하를 공급하는 경우, IC 모듈이 보조 부하를 공급하고 다른 모듈과 비교적 동일한 속도로 방전할 수 있도록 훨씬 더 큰 용량이 요구될 수 있다.
도 1a 내지 도 10f와 관련하여 설명된 전술한 실시예는 시스템(100)을 위한 냉각 시스템 및 착탈 가능하고 교체 가능한 모듈을 갖는 애플리케이션 내에서 시스템(100)의 구현에 관한 다음 실시예 모두와 함께 사용될 수 있다.
냉각 시스템의 예시적인 실시예
동작 동안 시스템(100)에 의해 생성된 열의 양이 상당할 수 있기 때문에, 시스템(100)의 다양한 요소 및/또는 모터 및 냉각을 필요로 하는 EV의 임의의 다른 요소와 근접하게 냉각수를 순환시키는 기능을 갖는 냉각 시스템을 제공하는 것이 종종 필요하다. 도 11a는, 냉각제가 냉각 배열(1100)의 다양한 요소를 통해 펌프(1101)에 의해 펌핑되는 냉각 배열(1100)의 예를 도시한다. 냉각제는, 최대 냉각 요건을 갖는 컴포넌트가 먼저 냉각되고 더 완화된 열 요건을 갖는 컴포넌트가 마지막으로 냉각되도록 순환할 수 있다. 예를 들어, 이 실시예에서, 펌프(1101)는 먼저 20℃와 30℃ 사이의 비교적 낮은 온도에서 냉각제를 필요로 할 수 있는 배터리 모듈(206)로, 그런 다음, 최대 40℃ 또는 50℃의 비교적 더 높은 온도에서 냉각제를 필요로 할 수 있는 전력 변환기(202) 및 모듈(108)의 제어(예컨대, LCD(114)) 전자 장치(1104)로, 그리고 마지막으로 60℃ 미만의 더 높은 온도에서 냉각제를 필요로 할 수 있는 하나 이상의 모터(1106)에 냉각제를 순환할 수 있다. 이들 컴포넌트를 냉각하기 위해 이들 컴포넌트에 매우 근접하게 냉각제를 순환한 후, 냉각제는 열교환기(1108)를 통해 진행할 수 있으며, 여기서 냉각제의 온도는 배터리 모듈(206)의 요건에 가까운 온도로 다시 낮아지고, 이 지점에서 냉각제는 펌프(1101)를 통해 순환되고 루프가 반복된다.
여기에 설명된 서브시스템(1000) 중 하나 이상은 공통 인클로저 내에서 구현될 수 있다. 공통 인클로저 내에 포함된 에너지 저장 시스템은 종종 예를 들어, 배터리 팩과 같은 팩이라고 지칭된다. 도 11b는 시스템(100)의 하나 이상의 서브시스템을 위한 공통 인클로저(1110)의 예를 도시한다. 공통 인클로저(1110)는 하나 이상의 서브시스템의 모듈(108) 각각을 포함할 것이고 또한 존재하는 임의의 상호접속 모듈을 포함할 수 있다. 에너지 소스, 에너지 버퍼, 변환기의 전력 전자 장치(스위칭 회로), 제어 전자 장치 및 모듈의 임의의 다른 컴포넌트는 공통 인클로저(1110) 내에 포함될 것이다. 예를 들어, 배터리 모듈(206)이 하단에 위치하고 연관된 전력 변환기 및 제어 전자 장치(1104)가 인클로저 내의 배터리 위에 위치하는 도 11e를 참조한다. 공통 인클로저(1110)는 예를 들어, 베이스와 같은 하단 인클로저(1112) 및 예를 들어, 덮개(lid)와 같은, 반대편의 상단 인클로저(1111)를 포함할 수 있으며, 상단 인클로저와 하단 인클로저 모두는 모듈(108)을 냉각시키기 위해 인클로저(1111 및 1112)의 이러한 양상을 통해 냉각제를 순환시키기 위한 하나 이상의 도관을 포함할 수 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 펌프(301)로부터의 냉각제는 상단 인클로저(1111)에 대해 도시된 것과 같은 도관 네트워크(1114)를 통과하는 하단 인클로저(1112)로 순환될 수 있고, 따라서 배터리에 근접하게 통과하여 배터리에 냉각을 제공한다. 냉각제는 하단 인클로저(1112)를 빠져나와 상단 인클로저(1111)(인클로저(1110) 외부의 도관을 통해 또는 인클로저(1110)의 측면 또는 내부에 있는 도관을 통해)를 통과하고, 도관 네트워크(1114)를 통해 순환할 수 있으며, 여기서 냉각제는 모듈의 전자 장치에 근접하게 통과하고 이 전자 장치를 냉각시킨다. 그런 다음, 냉각제는 예를 들어, 모터(들)(1106)와 같은, 시스템의 다음 컴포넌트로 진행할 수 있는 경우 상단 인클로저(1111)로부터 나올 수 있다.
일부 실시예에서 인클로저(1111)의 상단만을 통해 냉각제를 제공하고 배터리를 먼저 냉각시킨 다음 후속적으로 전자 장치를 냉각시키지 않고 모듈(108)의 모든 양상을 냉각시키는 것이 가능하다. 도 11c는 냉각제가 펌프(301)로부터 모듈(320)로 순환되어 배터리 및 연관된 전자 장치 둘 다를 동시에 냉각시킨 다음, 모터(들)(1106) 및 열 교환기(1108)로 전달되는 예시적인 배열(320)을 도시한다. 도 11d는 도 11b와 유사한 예시적인 실시예를 도시하지만, 여기서 냉각제는 상단 인클로저 내에서만 도관 네트워크(1114)를 통과한다.
도 11e는 인클로저(1110) 내의 모듈에 대한 예시적인 레이아웃을 보여주는 사시도이다. 여기에서 각 모듈은 변환기에 인접한 배터리로서 도시된다(예컨대, 제1 모듈은 배터리-1과 변환기-1 등의 조합임). 여기에는 상단 인클로저(1111)만 도시되어 있으며 인클로저(1110)의 측면과 하단은 물론 상단 인클로저 내의 도관 네트워크는 명확성을 위해 생략되었다. 이 예에서, 변환기는 배터리 위에 배치되고 냉각제는 변환기 위의 상단 인클로저(1111)를 통과하여, 배터리로부터의 열이 순환 냉각제를 통해 제거되는 상단 인클로저(1111)로 변환기를 통해 위쪽으로 전달된다. 변환기가 하단에 배치되고 배터리가 변환기 위에 배치되고 도 11e의 경우 상단 인클로저를 통해 또는 도 11b의 경우 하단 및 상단 모두를 통해 열이 다시 추출되는 역 구성도 구현될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 변환기 및 배터리는 도 11e에 도시된 바와 같이 또는 역 구성으로 배열될 수 있지만 냉각제는 하단 인클로저를 통해서만 통과될 수 있다. 또 다른 실시예에서 변환기와 배터리는 나란히 배치될 수 있고 냉각제는 상단 인클로저 및/또는 하단 인클로저를 통해 순환될 수 있다. 전술된 모든 변형은 인클로저의 상단, 하단 및/또는 측벽에서 도관 네트워크를 또한 통과하는 냉각제로 구현될 수 있다.
도 11f는, 변환기 및 제어 전자 장치(1108)가 배터리(206) 위에 배치된 예시적인 실시예의 단면도이다. 이 실시예는 상단 인클로저(1111) 내의 도관(1114)과 관련하여 설명될 것이지만, 이 실시예의 피처는 기술된 바와 같이 인클로저의 하단 또는 인클로저의 측면 내를 통과하는 도관(1114)에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 도 11f에서, 변환기 및 제어 시스템의 전자 장치(1108)는 전자 장치 하우징(1122) 내에 포함된다. 전자 장치(1108)는 예를 들어, 다양한 컴포넌트들 사이를 통과하는 전기 접속부를 제공하는 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB) 또는 절연 금속 기판(insulated metal substrate; IMS) 기판과 같은 하나 이상의 기판(1124) 상에 장착된다. PCB 또는 IMS는 전자 장치가 거꾸로 장착되도록 전자 장치(1108) 위에 배향된다. 배터리(206)는 하우징(1122) 아래에 위치하며 하단 인클로저일 수 있는 베이스(1126) 상에 놓이다. 배터리(206)는 배터리의 상단 상에 위치한 양극 단자 및 음극 단자(1128)를 갖는다. 전기 접속부(1130)는 단자(1128)로부터 하우징(1122)을 통해(또는 대안적으로 그 외부에서) PCB 또는 IMS로 그리고/또는 스위칭을 위한 변환기 전자 장치로 연장된다. PCB 또는 IMS는 예를 들어, 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 또는 강철과 같은 높은 열 전도성 재료로 구성된 히트싱크 플레이트(1132)에 바로 인접하게 위치한다.
상단 인클로저(1111)는 도 11b 및 11d와 관련하여 설명된 냉각제(1136)용 도관(1114)을 포함한다. 도관(1114)은 열전도율이 높은 재료, 예를 들어, 알루미늄, 구리 또는 강철로 구성될 수 있고 여기에 도시된 바와 같이 다각형 단면으로 성형될 수 있지만, 예를 들어, 타원형 형상 또는 원형 형상 또는 원형 형상 및 다각형 형상의 조합과 같은 다른 형상이 사용될 수 있다. 도관(1114)은 도관에 대응하는 형상을 갖는 상단 인클로저(1111) 내의 채널(1120) 내에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도관(1114)이 다각형 단면을 가진다면 채널(1120)은 또한 도관(1114)이 그 안에 위치할 수 있도록 하는 다각형 단면을 가질 수 있다. 상단 인클로저(1111)는 또한 높은 열 전도성 재료, 예를 들어, 알루미늄, 구리 또는 강철로 구성될 수 있다. 채널(1120)은 상단 인클로저(1111) 내로 기계가공되거나 에칭될 수 있고 도관(1114)은 내부에 압입될 수 있다.
여기에 도시된 바와 같이, 도관(1114)의 두 섹션은 시스템(100)의 특정 모듈(108) 위로 통과한다. 원한다면, 인터페이스 층(1134)은 도관(1114)의 하단 표면과 히트싱크(1132)의 상단 표면 사이에 존재할 수 있다. 인터페이스 층(1134)은 히트싱크(1132)와 도관(1114)의 하단 표면(또한 상단 인클로저(1111)의 하단 표면) 사이에 연속적이고 내구성 있는 접촉을 형성하기 위해 높은 열 전도성 및 변형성 또는 탄성 정도를 갖는 재료일 수 있다. 인터페이스 층(1134)은 상단 인클로저(1111)보다 상대적으로 얇을 수 있고 히트싱크(1132) 및 인터페이스 층(1134)은 예를 들어, 열 전도성 중합체로 구성될 수 있다.
이 실시예에서, 도관(1114)은 하나의 모듈 위로 통과하는 것으로 도시되어 있지만, 도관(1114) 레이아웃의 밀도는 애플리케이션의 열 요건에 기초하여 변할 것이다. 바람직하게는 적어도 하나의 도관(1114)이 각 모듈 위로 통과하지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 하나의 도관(1114)은 2개 이상의 모듈에 의해 공유될 수 있다. 도관(1114)은 모듈의 중심 위로 라우팅될 수 있거나 도 11f에 도시된 바와 같이 모듈의 측면으로부터 거리의 대략 1/3의 위치에 있을 수 있거나 달리 위치할 수 있다.
도 11f와 관련하여 설명된 구성은 인클로저(1110)의 상단 인클로저만을 사용하여 여기에 설명된 실시예에 대해 안정적인 냉각을 달성할 수 있다. 언급된 바와 같이, 유사한 배열은, 도관(1114)이 배터리의 하단에 인접하거나 제2 인터페이스 층에 의해 배터리의 하단으로부터 분리되도록 인클로저(1110)의 측면을 따라 그리고/또는 인클로저(1110)의 하단을 따라 배치될 수 있다.
착탈 가능한 모듈 및 교체 가능한 모듈의 예시적인 실시예
여기에 설명된 예시적인 토폴로지는 각 모듈(108)의 에너지 소스(206)가 EV 내의 그 위치로부터 제거되고 교체되는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 이 착탈 가능 및 교체 가능 기능을 사용하여 상대적으로 충전량이 적은 배터리(또는 다른 에너지 소스)를 상대적으로 더 높은 충전량으로 빠르고 편리하게 교체할 수 있으므로 잠재적으로 EV를 충전하는 데 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다. 이러한 기능은 예를 들어, 차량 운영(예컨대, 승차 공유, 배달 또는 자동차 대여)과 같이 EV가 하루종일 장기간 활용되는 환경에 유리하다.
도 12a 및 12b는 교체 가능한 배터리(또는 다른 소스) 기능을 갖는 EV(1200)의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서 EV의 각 측면(좌측 및 우측)은 EV의 동작 중에 폐쇄되고 시스템(100)의 다양한 배터리를 홀딩하는 공간(1202)에 대한 액세스를 허용하도록 개방되는 배터리 액세스 패널 또는 도어 전체 하나(total one)를 갖는다. 배터리는, 본 명세서에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 배터리가 상대적으로 긴 길이 및 상대적으로 짧은 높이를 갖도록 슬림한 폼 팩터를 가질 수 있다. 높이가 짧기 때문에 EV(1200)의 전체 높이를 크게 늘리지 않고도 임의의 승객이나 운전자가 배터리와 해당 모듈 위에 놓여지도록 섀시 하단을 따라 배터리가 배치될 수 있다. 도 12a는 배터리 액세스 도어 전체 하나가 폐쇄된 EV(1200)를 도시하고 도 12b는 배터리 액세스 도어(1201)가 개방된 EV(1200)을 도시하며, 이 경우에는 상승된 위치에 있다. 배터리 액세스 도어 전체 하나를 개방하면, 각 배터리가 제거되고 또 다른 배터리(또는 특정 경우에 충전 또는 수리 후 동일한 배터리)로 교체될 수 있는 배터리 액세스 공간(1202)이 노출된다.
도 12a 내지 도 12b 및 또한 후술되는 도 13a의 실시예에서, 각각의 배터리는 다수의 셀을 갖는 배터리 모듈(battery module; BM)로서 구성된다. 모듈식 에너지 시스템은 EV(1200)의 상이한 전기 모터에 전력을 공급하기 위한 다수의 서브시스템을 포함한다. 각 배터리 모듈은 해당 모듈이 있는 서브시스템, 해당 모듈이 있는 어레이의 위상, 및 배터리 모듈을 수용하는 모듈이 있는 어레이의 레벨과 관련하여 참조된다. 예를 들어, 제1 서브시스템, 제1 서브시스템의 위상 A에 대한 어레이, 어레이의 레벨 2(예컨대, 모듈(108-2))에 있는 모듈과 연관된 배터리 모듈은 BM1A2(Battery Module, Subsystem 1, Phase A, Level 2)로서 참조된다. 본 명세서에 설명된 임의의 실시예에 따라 구성된 상호접속 모듈(108IC)과 연관된 배터리 모듈은 상호접속 모듈(IC)로서의 상태, 액세스 가능한 배터리 액세스 도어(1201)(좌측의 경우 L, 우측의 경우 R), 및 상호접속 모듈의 수(예컨대, 1, 2, 3)에 의해 참조된다. 예를 들어, 차량의 좌측에서 액세스 가능한 제3 상호접속 모듈의 일부인 배터리 모듈은 BMICL3으로서 참조된다. 도 13a의 변환기(C)는 유사한 방식으로 참조된다.
도 13a는 내부에 시스템(100)을 갖는 EV(1200)의 예시적인 실시예의 단면도의 평면도이다. 이 실시예에서, EV(1200)는 4개의 인휠 모터(1-4)를 포함한다. 배터리 액세스 도어(1201)는 좌우에 도시되어 있다. 시스템(100)은 도 13b와 관련하여 설명된 것과 유사한 전기적 배열로 구성된다. 이 실시예에서, 각 모터는 각각 내부에 3개의 모듈(108)을 각각 갖는 3개의 어레이에 의해 전력이 공급된다. 시스템(100)은 각 어레이에서 임의의 수(N)의 모듈에 대해 구성될 수 있으며, N은 2 이상이다. 여기서, 각 모듈은 변환기와 결합된 배터리 모듈로 표현되며, 다른 컴포넌트에서는 도시되지 않는다. 변환기는 모듈과 연관된 모든 전자 장치(해당 모듈에 대한 로컬 제어 디바이스(114)를 포함함)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS)과 같은 배터리에 특유한 전자 장치는 배터리 모듈과 함께 위치될 수 있다. 모듈들 간의 전력 접속은 EV(1200)의 중앙 영역에 도시된다. 이러한 접속은 절연 버스 바(insulated bus bars)를 사용하여 구현될 수 있다. 절연 버스 바는 전력을 효율적으로 전달하기 위해 여기에 도시된 것처럼 변환기의 내부 측면을 따라, 변환기의 하단을 따라, 변환기의 상단을 따라, 또는 이들의 임의의 조합을 따라 배열될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 모듈들 간의 그리고 마스터 제어 디바이스(112)와의 데이터 통신도 존재한다.
또한, 6개의 IC 모듈(108IC)이 도시되어 있다. 상호접속 모듈(ICL1, ICL2 및 ICL3)은 모터 1 및 2에 전력을 공급하는 서브시스템을 상호접속하는 반면, 상호접속 모듈(ICR1, ICR2 및 ICR3)은 모터 3 및 4에 전력을 공급하는 서브시스템을 상호접속한다. 상호접속 모듈은 보조 부하(미도시)를 공급하고 상간 밸런싱을 수행하는 데 사용될 수 있다.
도 14a는 배터리 모듈(206) 및 모듈 전자 장치용 하우징(1402)의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다. 배터리 모듈(206)은 임의의 표준 동작 전압(예컨대, 24V, 48V, 60V 등)으로 구성될 수 있고 슬림한 폼 팩터를 갖는다. 여기에 도시된 긴 치수(길이)는 18인치보다 클 수 있는 반면, 폭과 높이는 6인치 이하일 수 있다. 다른 실시예에서, 길이는 폭의 적어도 2배, 폭의 적어도 3배, 폭의 적어도 4배, 또는 폭의 적어도 5배일 수 있다. 이 실시예에서 폭은 높이의 대략 1/2이다. 하우징(1402)은 배터리 모듈(206)의 슬라이딩 모션을 변환기 및 다른 전자 장치(예컨대, 에너지 버퍼(204), LCD(114))와의 전기적 접속 내로 안내할 수 있는 가이드 레일(1404)에 부착된다. 배터리 모듈(206)은 여기에 도시된 바와 같이 양극 단자(1411) 및 반대쪽에 음극 단자(미도시)를 갖는다. 방향은 실시예에 따라 반전될 수 있다. 양극 단자 및 음극 단자 모두가 동일한 측면(하우징(1402)을 향함)에 위치하는 또 다른 구성은 도 14f에 도시된 바와 같이 구현될 수도 있다. 배터리 모듈(206)은 또한 예를 들어, 충전 및 온도 정보와 같은 배터리에 대한 정보를 전달하기 위한 데이터 접속부(미도시)를 가지며, 이 데이터 접속부에서 하우징(1402) 상에서 BMS로서 레이블링된 전기 커넥터와 짝을 이룰 수 있다. 배터리 모듈(206)은 하우징(1402) 내의 전자 장치와 잠금 및 접속된 위치에 래치되거나 잠길 수 있다. 도 14a는 가드 레일(1404)에 대해 회전할 수 있는 패널 형태의 래치 메커니즘(1406)의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 패널은 배터리의 양극 단자(1411)와 접속할 수 있는 전력 커넥터(1408(+))를 포함한다. 또 다른 전력 커넥터(1409(-))는 BMS 포트 아래에 도시되며 이 커넥터는 배터리 모듈(206)의 음극 단자와 짝을 이룰 수 있다.
도 14d는 하우징(1402) 내에서 전자 장치와의 전기적 접촉 내로(또는 밖으로) 슬라이딩되는 프로세스에서 배터리 모듈(206)을 도시한다. 도 14e는 전자 장치와 접촉하도록 완전히 전진된 후 그리고 래치 메커니즘(1406)이 배터리 모듈(206)의 양극 단자와 전기 접속을 형성하는 잠금 위치로 올려진 후의 배터리 모듈(206)을 도시한다. 이 접속로부터의 전력은 가드 레일(1404)의 하단면을 따라 반대쪽 끝에 있는 전자 장치로 라우팅될 수 있다. 도 14e의 위치에서, 배터리 모듈(206)은 하우징(1402)에 대해 고정된 위치에 있고 배터리(206)와 하우징(1402) 내의 전자 장치 사이의 모든 전기적 접속이 이루어졌다. 배터리 모듈(206)은 EV의 동작 동안 도 14e에 도시된 위치에 있을 것이다.
완전히 또는 부분적으로 방전된 배터리 모듈(206)을 제거하기 위해, EV의 배터리 액세스 도어(1201)가 개방될 수 있고, 해당 배터리 모듈(206)에 대한 래치 메커니즘(1406)이 개방될 수 있으며, 배터리 모듈(206)은 전자 장치와의 전기적 접촉부로부터 가드 레일(1404)을 따라 슬라이딩될 수 있고, 개방된 배터리 액세스 도어(1201)를 통해 EV(1200)로부터 제거될 수 있다. 이러한 방식으로 모든 모듈의 모든 배터리 모듈(206)은 충전이 낮은 EV(1200)를 충전이 높거나 또는 대략 몇 분(예컨대, 5분 이하) 이내에 완전히 충전되는 EV(1200)로 변환하기 위해 빠르게 연속적으로 제거되고 교체될 수 있다.
도 14b는 BMS 및 전력 커넥터(1409(-)) 포트를 갖는 반대편에 있는 하우징(1402)의 단부(end)를 도시하는 정면도(end on view)이다. 하우징(1402) 내에서 로컬 제어 디바이스(114)(미도시)와 정보를 교환하기 위한 제어 및 데이터 포트가 여기에 도시되어 있다. 이 제어 및 데이터 포트로부터의 정보는 시스템(100)의 다른 모듈로 그리고 마스터 제어 디바이스(112)(미도시)로 라우팅될 수 있다. 또한 시스템(100) 내의 모듈의 위치에 따라 시스템(100)의 다른 컴포넌트에 접속하기 위한 전력 접속 포트 1 및 2가 도시되어 있다(예컨대, 다른 모듈로의 또는 모터로의 접속). 예를 들어, 도 3a 내지 3c의 모듈(108A-108C)의 IO 포트 1 및 2를 참조한다.
도 14c는 상호접속 모듈 하우징(1402)의 단부를 도시하는 정면도이다. 상호접속 모듈(108IC)은 도 14a, 14b, 14d, 14e 및 14f로 설명된 것과 실질적으로 동일하게, 하지만 다른 상호접속 모듈(108IC)에 그리고 보조 부하(301 및 302)(예컨대, 도 13b)에 전력을 공급하기 위한 추가 전력 접속 포트(3, 4, 5, 및/또는 6)(예컨대, 도 3c의 모듈(108C)의 IO 포트(3-6))를 갖게 구성될 수 있다.
도 14a 내지 도 14f와 관련하여 설명된 다양한 데이터 및 전력 접속 포트는 임의의 원하는 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 모듈(206) 상의 포트는 하우징(1402) 및 래치 메커니즘(1406) 상의 대응하는 암 포트(female ports)와 결합하도록 설계된 수 포트(male ports)로서 구성될 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 도 14b 및 도 14c에 도시된 IO 포트는 하우징(1402)으로 및/또는 하우징(1402)으로부터 데이터 및/또는 전력을 운반하기 위한 버스 바(bus bars) 또는 다른 커넥터와 결합하도록 설계된 수 포트 또는 암 포트로서 각각 구현될 수 있다.
이에 제한되지는 않지만, 본 실시예는 에너지 저장 시스템 및 이에 부착된 하나 이상의 모터를 갖는 전기 파워트레인, 드라이브트레인이 없는 인휠 모터, 또는 이들의 조합을 포함하는, 범용 EV 플랫폼을 갖는 전기 자동차와 함께 사용될 수 있다. 범용 EV 플랫폼은, 예를 들어, 자동화된 무운전자 및 무승객 본체(예컨대, 자동화된 배달 서비스를 위한 저전압 애플리케이션), 무거운 하중의 운송을 필요로 하지 않는 적어도 하나의 승객 또는 운전자를 운반하는 애플리케이션에 사용하기 위한(그리고 따라서 보통 또는 중간 전압 요건을 갖는) 중간 크기의 본체(예컨대, 세단 또는 쿠페 또는 스포츠카), 및 운전자 및/또는 큰 하중으로(그리고 따라서 상대적으로 더 높은 전압 전력 요건을 필요로 하는) 다수의 승객을 이동시키기 위한 큰 크기의 본체(예컨대, 여객 버스, 화물 운송 등)와 같은, 특정 애플리케이션에 따라 임의의 수의 EV 본체와 부착, 결합 또는 그렇지 않으면 통합될 수 있는 EV의 베이스 프레임 또는 섀시일 수 있다.
다음의 실시예의 상호 관계 및 상호 교환성에 중점을 두고 지금까지 설명된 실시예의 관점에서, 그리고/또는 지금까지 설명된 실시예에 대한 보충으로서, 본 요지의 다양한 양상이 하기에서 기술된다. 다른 말로 하면, 명시적으로 언급되거나 달리 가르쳐지지 않는 한, 실시예들의 각각의 피처가 각각의 피처 및 모든 다른 피처와 결합될 수 있다는 사실에 중점을 둔다.
다수의 실시예에서, 부하에 전력을 공급하도록 제어 가능한 모듈식 에너지 시스템이 제공되며, 시스템은 각각의 모듈로부터 제1 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하도록 함께 접속된 복수의 모듈 - 각각의 모듈은 에너지 소스 및 에너지 소스에 접속되고 에너지 소스로부터 제1 출력 전압을 생성하도록 구성된 변환기 전자 장치를 포함함 -; 및 복수의 모듈을 위한 인클로저를 포함하고, 인클로저는 복수의 모듈을 냉각시키기 위해 냉각제를 통과시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 인클로저는 냉각제를 통과시키도록 구성된 도관 섹션을 포함한다. 인클로저는 도관 섹션의 형상에 대응하는 형상을 갖는 채널을 포함할 수 있으며, 여기서 도관 섹션은 채널 내에 위치한다. 도관 섹션은 채널 내에 압입될 수 있다. 복수의 모듈 중 제1 모듈은 기판 상에 장착된 변환기 전자 장치를 가질 수 있고, 기판은 도관 섹션과 제1 모듈의 변환기 전자 장치 사이에 배치될 수 있다. 기판 및 변환기 전자 장치는 제1 모듈의 에너지 소스와 도관 섹션 사이에 배치될 수 있다. 시스템은 도관 섹션과 기판 사이에 배치된 히트싱크를 더 포함할 수 있다. 시스템은 도관 섹션과 히트싱크 사이에 배치된 인터페이스 층을 더 포함할 수 있다. 인터페이스 층은 변형 가능하다. 도관 섹션은 인터페이스 층과 접촉할 수 있고, 인터페이스 층은 히트싱크와 접촉할 수 있고, 히트싱크는 기판과 접촉할 수 있다. 복수의 모듈 각각은 기판 상에 장착된 변환기 전자 장치를 가질 수 있고, 기판은 도관 섹션과 각 모듈의 변환기 전자 장치 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예에서, 인클로저는 제1 베이스 섹션, 베이스 섹션 반대편의 제2 섹션, 및 측벽 섹션을 포함한다. 도관 섹션은 제1 베이스 섹션, 제2 섹션, 및 측벽 섹션 중 적어도 하나 내에 있을 수 있다. 제2 섹션은 인클로저의 덮개일 수 있고 도관 섹션은 덮개 내에 있다.
다수의 실시예에서, 전기 자동차의 모듈식 에너지 시스템을 냉각시키는 방법이 제공되며, 이 방법은, 모듈식 에너지 시스템에 근접하게 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하여 냉각제가 모듈식 에너지 시스템의 모듈을 냉각시키는 단계; 그 후, EV의 모터에 근접하게 냉각제를 펌핑하여 모터를 냉각시키는 단계; 및 열교환기를 통해 냉각제를 펌핑하여 냉각제를 냉각시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은, 모듈식 에너지 시스템의 모듈의 적어도 하나의 배터리에 근접하게 냉각제를 펌핑하여 적어도 하나의 배터리를 냉각시키는 단계; 및 그 후, 모듈의 전자 장치에 근접하게 냉각제를 펌핑하여 전자 장치를 냉각시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은 모듈식 에너지 시스템의 인클로저의 섹션을 통해 냉각제를 펌핑하는 단계를 포함한다. 섹션은 베이스 섹션, 베이스 섹션 반대편의 제2 섹션, 및 측벽 섹션 중 적어도 하나일 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은 모듈식 에너지 시스템의 인클로저의 베이스 섹션을 통해 그런 다음, 베이스 섹션 반대편의, 인클로저의 제2 섹션을 통해 냉각제를 펌핑하는 단계를 포함한다. 모듈식 에너지 시스템의 모듈의 배터리는 베이스 섹션에 인접하게 위치할 수 있고, 모듈식 에너지 시스템의 모듈의 전자 장치는 제2 섹션에 인접하게 위치할 수 있다. 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은 베이스 섹션, 제2 섹션, 및 측벽 섹션 중 하나만을 통해 냉각제를 펌핑하는 단계를 포함한다.
다수의 실시예에서, 전기 자동차의 모터에 전력을 공급하도록 제어 가능한 모듈식 에너지 시스템이 제공되며, 시스템은 적어도 3개의 어레이를 포함하고, 각각의 어레이는 각 모듈로부터의 제1 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하기 위해 함께 접속된 복수의 모듈을 포함하고, 각 모듈은 에너지 소스, 및 에너지 소스로부터 제1 출력 전압을 생성하도록 구성된 변환기 전자 장치를 포함하고, 3개의 어레이에 의해 출력되는 AC 전압 신호는 모터에 3상 전력을 공급하며, 에너지 소스는 변환기 전자 장치에 분리 가능하게(releasably) 접속될 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 에너지 소스를 변환기 전자 장치에 분리 가능하게 접속하도록 구성된 래치 메커니즘을 더 포함한다. 각 모듈은 변환기 전자 장치를 홀딩하기 위한 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은 에너지 소스용 가이드 레일에 결합될 수 있다. 에너지 소스는 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능할 수 있다.
일부 실시예에서, 에너지 소스는 폭, 길이 및 높이를 가지며, 여기서 길이는 폭의 적어도 2배이다. 길이는 폭의 적어도 3배일 수 있다. 길이는 폭의 적어도 4배일 수 있다.
일부 실시예에서, 래치 메커니즘은 에너지 소스를 변환기 전자 장치에 접속하기 위한 전력 커넥터를 포함한다.
일부 실시예에서, 시스템은 에너지 소스 및 변환기를 포함하는 적어도 하나의 상호접속 모듈을 포함하고, 상호접속 모듈의 변환기는 어레이들 중 적어도 2개에 결합된다. 상호접속 모듈은 상호접속 모듈의 변환기를 홀딩하는 하우징을 포함할 수 있고, 하우징은 제어 포트, 변환기를 어레이들 중 적어도 2개에 결합하기 위한 적어도 2개의 커넥터, 및 적어도 하나의 보조 부하에 상호접속 모듈의 변환기 또는 에너지 소스를 결합하기 위한 적어도 2개의 커넥터를 포함한다.
일부 실시예에서, 에너지 소스는 배터리 모듈이다. 각 모듈의 하우징은 배터리 모듈의 배터리 관리 시스템을 하우징 내에 수용된 로컬 제어 디바이스에 접속하기 위한 커넥터를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 시스템은 모듈의 변환기를 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함한다. 제어 시스템은 각 어레이 내에서 상내 밸런싱을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템은 어레이 전체에 걸쳐 상간 밸런싱을 제어하도록 구성될 수 있다.
다수의 실시예에서, 전기 자동차가 제공되며, 전기 자동차는: 전기 모터; 전기 모터에 전력을 공급하기 위해 본 명세서에 기술된 실시예 중 임의의 것에 따라 구성된 모듈식 에너지 시스템; 및 모듈식 에너지 시스템의 에너지 소스를 덮는 제1 위치와 제거를 위해 에너지 소스를 노출시키는 제2 위치 사이에서 이동하도록 구성된 적어도 하나의 액세스 패널을 포함한다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 액세스 패널은 회전하도록 구성된 도어이다.
다수의 실시예에서, 전기 자동차에 대한 전력을 관리하는 방법이 제공되며, 여기서 전기 자동차는 적어도 3개의 어레이를 갖는 모듈식 에너지 시스템을 포함하고, 각 어레이는 전기 자동차의 모터에 대한 AC 전압 신호를 생성하기 위해 캐스케이디드 방식으로 함께 접속된 복수의 모듈을 포함하고, 각각의 모듈은 배터리 모듈 및 변환기 전자 장치를 포함하며, 방법은, 전기 자동차 내의 제1 위치로부터 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계; 및 제2 배터리 모듈을 전기 자동차 내의 제1 위치에 삽입하는 단계를 포함하고, 제2 배터리 모듈은 제1 배터리 모듈보다 상대적으로 더 높은 충전 상태를 갖는다.
일부 실시예에서, 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계는 전기 자동차 내의 잠금 상태로부터 제1 배터리 모듈을 잠금 해제하는 단계를 포함한다. 방법은 제2 배터리 모듈을 제1 위치에 잠그는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 방법은 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계 전에 제1 배터리 모듈을 덮는 폐쇄 위치로부터 제1 배터리 모듈을 노출시키는 개방 위치로 전기 자동차의 액세스 패널을 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 액세스 패널은 승객 도어 아래에 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 방법은 전기 자동차로부터 모든 배터리 모듈을 제거하는 단계 및 제거된 배터리 모듈보다 상대적으로 더 높은 충전 상태를 갖는 상이한 배터리 모듈을 삽입하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 전기 자동차 내의 제1 위치로부터 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계는 제1 배터리 모듈과 연관된 제1 변환기 전자 장치와의 전기적 접촉부로부터 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계를 포함한다. 전기 자동차 내의 제1 위치에 제2 배터리 모듈을 삽입하는 단계는 제2 배터리 모듈을 제1 변환기 전자 장치와의 전기적 접촉부 내로 삽입하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 자동차 내의 제1 위치로부터 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계는 가이드 레일을 따라 제1 배터리 모듈을 슬라이딩하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 자동차 내의 제1 위치에 제2 배터리 모듈을 삽입하는 단계는 가이드 레일을 따라 제2 배터리 모듈을 슬라이딩시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기에서 사용된 용어 "모듈"은 더 큰 시스템 내의 둘 이상의 디바이스 또는 서브시스템 중 하나를 지칭한다. 모듈은 유사한 크기, 기능, 및 물리적 배열(예컨대, 전기 단자, 커넥터 등의 위치)의 다른 모듈과 함께 동작하도록 구성될 수 있다. 동일한 기능 및 에너지 소스(들)를 갖는 모듈은 동일한 시스템(예컨대, 랙 또는 팩) 내의 모든 다른 모듈과 동일하게 구성(예컨대, 크기 및 물리적 배열)될 수 있지만, 상이한 기능 또는 에너지 소스(들)를 갖는 모듈은 크기와 물리적 배열이 다를 수 있다. 각 모듈은 물리적으로 착탈 가능하고 시스템의 다른 모듈(예컨대, 자동차의 바퀴 또는 정보 기술(information technology; IT) 블레이드 서버(blade server)의 블레이드)과 관련하여 교체할 수 있지만 필수는 아니다. 예를 들어, 시스템은, 시스템의 전체적인 분해 없이는 어떠한 하나의 모듈의 착탈 및 교체도 허용하지 않는 공통 하우징에서 패키징될 수 있다. 그러나, 본원에서의 임의의 그리고 모든 실시예는, 각각의 모듈이, 종래의 방식으로, 예컨대 시스템의 분해 없이, 다른 모듈과 관련하여 착탈 가능하고 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
용어 "마스터 제어 디바이스"는 본원에서 광의의 의미로 사용되며, 예를 들어, 로컬 제어 디바이스와 같은 임의의 다른 디바이스와의 마스터 및 슬레이브 관계와 같은 임의의 특정한 프로토콜의 구현을 요구하지 않는다.
용어 "출력"은 본원에서 광의의 의미로 사용되며, 출력 및 입력 둘 모두로서 양방향 방식으로 기능하는 것을 배제하지는 않는다. 유사하게, 용어 "입력"은 본원에서 광의의 의미로 사용되며, 입력 및 출력 둘 모두로서 양방향 방식으로 기능하는 것을 배제하지는 않는다.
용어 "단자" 및 "포트"는 본원에서 광의의 의미로 사용되며, 단방향성 또는 양방향성 중 어느 하나일 수 있고, 입력 또는 출력일 수 있으며, 예를 들어, 암(female) 구성 또는 수(mal) 구성과 같은 특정한 물리적 또는 기계적 구조물을 필요로 하지 않는다.
상이한 참조 번호 표기법이 여기에서 사용된다. 이러한 표기법은 본 요지의 설명을 용이하게 하기 위해 사용되며 해당 요지의 범위를 제한하지 않는다. 일반적으로, 요소의 속(genus)은 예를 들어, "123"과 같이 숫자로 지칭되고, 그 하위 속은 예를 들어, 123A 또는 123B과 같이 숫자에 문자가 추가되어 지칭된다. 문자 부가물(letter appendix) 없는 속에 대한 지칭(예컨대, 123)은 모든 하위 속을 포함하여 속 전체를 지칭한다. 일부 도면은 동일한 요소의 다수의 인스턴스를 도시한다. 이러한 요소에는 예를 들어, 123-1, 123-2, 또는 123-PA와 같이 "-X" 형식의 숫자나 문자가 추가될 수 있다. 이 -X 형식은 요소가 각 인스턴스에서 동일하게 구성되어야 함을 의미하는 것이 아니라 도면에서 요소를 참조할 때 구별을 용이하게 하기 위해 사용된다. -X 부가물이 없는 속 123에 대한 지칭은 속 내 요소의 모든 인스턴스를 광범위하게 지칭한다.
다음의 실시예의 상호 관계 및 상호 교환성에 중점을 두고 지금까지 설명된 실시예의 관점에서, 그리고/또는 지금까지 설명된 실시예에 대한 보충으로서, 본 요지의 다양한 양상이 하기에서 기술된다. 다시 말하면, 달리 명시적으로 언급되거나 또는 논리적으로 타당하지 않은 경우가 아니면, 실시예의 각 피처는 각각의 그리고 모든 다른 피처와 결합될 수 있다는 사실에 중점을 둔다.
프로세싱 회로는 하나 이상의 프로세서, 마이크로프로세서, 제어기, 및/또는 마이크로제어기를 포함할 수 있는데, 이들의 각각은 별개의 또는 독립형 칩일 수 있거나 또는 다수의 상이한 칩(및 그 일부) 사이에서 분산될 수 있다. (예컨대, 데스크톱 PC, 랩톱, 태블릿 등등에서 사용되는 것과 같은) 개인 컴퓨팅 아키텍처, 프로그래머블 게이트 어레이 아키텍처, 독점적(proprietary) 아키텍처, 맞춤형 아키텍처, 및 다른 것들과 같은 그러나 이들로 제한되지는 않는 임의의 유형의 프로세싱 회로가 구현될 수 있다. 프로세싱 회로는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세싱 회로는, 프로세싱 회로로 하여금 많은 상이한 액션을 취하게 하고 다른 컴포넌트를 제어하게 하는 메모리 상에 저장되는 소프트웨어 명령어를 실행할 수 있다.
프로세싱 회로는 다른 소프트웨어 및/또는 하드웨어 루틴을 또한 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로는 통신 회로와 인터페이싱할 수 있고 아날로그-디지털 변환, 인코딩 및 디코딩, 다른 디지털 신호 프로세싱, 멀티미디어 기능, 통신 회로로의 제공에 적합한 포맷(예컨대, 동위상 및 직교)으로의 데이터의 변환을 수행할 수 있고, 그리고/또는 통신 회로로 하여금 데이터를 송신하게 할 수 있다(유선 또는 무선).
본원에서 설명되는 임의의 그리고 모든 통신 신호는, 언급되거나 또는 논리적으로 타당하지 않은 경우를 제외하면, 무선으로 전달될 수 있다. 통신 회로는 무선 통신을 위해 포함될 수 있다. 통신 회로는, 적절한 프로토콜(예컨대, 와이파이, 블루투스, 블루투스 저에너지, 근접장 통신(Near Field Communication; NFC), 무선 주파수 식별(Radio Frequency Identification; RFID), 독점적 프로토콜, 및 기타) 하에서 링크를 통해 무선 통신을 수행하는 하나 이상의 칩 및/또는 컴포넌트(예컨대, 송신기, 수신기, 트랜시버, 및/또는 다른 통신 회로)로서 구현될 수 있다. 다양한 프로토콜 및 회로와 함께 동작하기 위해, 필요에 따라, 통신 회로와 함께 하나 이상의 다른 안테나가 포함될 수 있다. 일부 실시예에서, 통신 회로는 링크를 통한 송신을 위해 안테나를 공유할 수 있다. RF 통신 회로는 송신기 및 수신기(예컨대, 트랜스시버로서 통합됨) 및 연관된 인코더 로직을 포함할 수 있다.
프로세싱 회로는 운영체제 및 임의의 소프트웨어 애플리케이션을 실행하도록, 그리고 송신되는 그리고 수신되는 통신의 프로세싱에 관련되지 않은 다른 기능을 수행하도록 또한 적응될 수 있다.
설명된 요지에 따라 동작을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 명령어는 자바(Java), 자바스크립트(JavaScript), 스몰토크(Smalltalk), C++, C#, Transact-SQL, XML, PHP 또는 등등과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어 및 종래의 절차적 프로그래밍 언어, 예컨대 "C" 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어를 비롯한, 하나 이상의 프로그래밍 언어의 임의의 조합으로 작성될 수 있다.
메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 존재하는 다양한 기능 유닛 중 하나 이상에 의해 공유될 수 있거나, 또는 (예컨대, 상이한 칩 내에서 존재하는 별개의 메모리로서) 그것들 중 두 개 이상 사이에서 분산될 수 있다. 메모리는 또한 그 자체로 별개의 칩에 상주할 수 있다.
본원에서 개시되는 실시예가 메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하거나 또는 이들과 관련하여 동작하는 경우, 그러면 그 메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 비일시적이다. 따라서, 메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체가 하나 이상의 청구항에 의해 포괄되는 경우, 그러면, 그 메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 오로지 비일시적이다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "비일시적" 및 "유형의(tangible)"는, 전파되는 전자기 신호를 제외한 메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체를 설명하도록 의도되지만, 그러나 저장의 지속성 또는 그 밖의 것의 관점에서 메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체의 유형을 제한하도록 의도되지는 않는다. 예를 들어, "비일시적" 및/또는 "유형의" 메모리, 스토리지, 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는, 예를 들어, 랜덤 액세스 매체(예컨대, RAM, SRAM, DRAM, FRAM, 등등), 판독 전용 매체(예컨대, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, 플래시, 등등) 및 이들의 조합(예컨대, 하이브리드 RAM 및 ROM, NVRAM, 등등) 및 이들의 변형과 같은 휘발성 및 비휘발성 매체를 포괄한다.
본원에서 제공되는 임의의 실시예와 관련하여 설명되는 모든 피처, 요소, 컴포넌트, 기능, 및 단계는, 임의의 다른 실시예의 것들과 자유롭게 결합 가능하도록 그리고 대체 가능하도록 의도된다는 것을 유의해야 한다. 특정 피처, 요소, 컴포넌트, 기능, 또는 단계가 오로지 하나의 실시예와 관련하여 설명되는 경우, 그러면, 그 피처, 요소, 컴포넌트, 기능, 또는 단계는, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본원에서 설명되는 모든 다른 실시예와 함께 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 이 단락은, 임의의 시간에, 상이한 실시예의 피처, 요소, 컴포넌트, 기능, 및 단계를 조합하는, 또는 하나의 실시예로부터의 피처, 요소, 컴포넌트, 기능, 및 단계를 또 다른 실시예의 것들과 대체하는 청구항을, 비록 특별한 경우에, 그러한 조합 또는 교체가 가능하다는 것을 후속하는 설명이 명시적으로 언급하지 않더라도, 도입하기 위한 선행하는 기반 및 성문의(written) 지원으로서 기능한다. 특히 각각의 그리고 모든 그러한 조합 및 대체의 허용 가능성이 기술 분야의 숙련된 자에 의해 용이하게 인식될 것임을 고려하면, 모든 가능한 조합 및 대체의 명시적 언급은 과도하게 부담스럽다는 것이 명시적으로 인정된다.
본원에서 그리고 첨부된 청구범위에서 사용될 때, 단수 형태 "a(한)", "an(한)" 및 "the(그)"는, 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 복수의 지시 대상을 포함한다.
본 실시예가 다양한 수정 및 대안적 형태를 허용하지만, 그 특정한 예가 도면에서 도시되었고 본원에서 상세하게 설명된다. 그러나, 이들 실시예는 개시되는 특정한 형태로 제한되는 것이 아니라, 오히려 반대로, 이들 실시예는 본 개시의 취지 내에 속하는 모든 수정예, 등가예, 및 대안예를 포괄할 것이 이해되어야 한다. 더구나, 실시예의 임의의 피처, 기능, 단계, 또는 요소는 청구항뿐만 아니라, 청구항의 발명적 범위를, 그 범위 내에 있지 않은 피처, 기능, 단계, 또는 요소에 의해 정의하는 부정적인 한정(negative limitation)에서 기재되거나 또는 그것들에 추가될 수 있다.
Claims (50)
- 부하에 전력을 공급하도록 제어 가능한 모듈식 에너지 시스템에 있어서,
각각의 모듈로부터의 제1 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하기 위해 함께 접속된 복수의 모듈 - 각 모듈은 에너지 소스, 및 상기 에너지 소스에 접속되고 상기 에너지 소스로부터 상기 제1 출력 전압을 생성하도록 구성된 변환기 전자 장치를 포함함 -; 및
상기 복수의 모듈을 위한 인클로저(enclosure)
를 포함하고, 상기 인클로저는 상기 복수의 모듈을 냉각시키기 위해 냉각제를 통과시키도록 구성되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 인클로저는 상기 냉각제를 통과시키도록 구성된 도관 섹션을 포함하는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 인클로저는 상기 도관 섹션의 형상에 대응하는 형상을 갖는 채널을 포함하고, 상기 도관 섹션은 상기 채널 내에 위치하는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 도관 섹션은 상기 채널 내에 압입(press fit)되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 모듈 중 제1 모듈은 기판 상에 장착된 상기 변환기 전자 장치를 갖고, 상기 기판은 상기 도관 섹션과 상기 제1 모듈의 상기 변환기 전자 장치 사이에 배치되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 기판 및 상기 변환기 전자 장치는 상기 제1 모듈의 상기 에너지 소스와 상기 도관 섹션 사이에 배치되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 도관 섹션과 상기 기판 사이에 배치된 히트싱크를 더 포함하는, 모듈식 에너지 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 도관 섹션과 상기 히트싱크 사이에 배치된 인터페이스 층을 더 포함하는, 모듈식 에너지 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 인터페이스 층은 변형 가능한 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 도관 섹션은 상기 인터페이스 층과 접촉하고, 상기 인터페이스 층은 상기 히트싱크와 접촉하며, 상기 히트싱크는 상기 기판과 접촉하는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 복수의 모듈 각각은 상기 기판 상에 장착된 상기 변환기 전자 장치를 갖고, 상기 기판은 상기 도관 섹션과 각 모듈의 상기 변환기 전자 장치 사이에 배치되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인클로저는 제1 베이스 섹션, 상기 베이스 섹션 반대편의 제2 섹션, 및 측벽 섹션을 포함하는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제12항에 있어서,
상기 도관 섹션은 상기 제1 베이스 섹션, 상기 제2 섹션, 및 상기 측벽 섹션 중 적어도 하나 내에 있는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제2 섹션은 상기 인클로저의 덮개이고 상기 도관 섹션은 상기 덮개 내에 있는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 전기 자동차(electric vehicle; EV)의 모듈식 에너지 시스템을 냉각시키는 방법에 있어서,
상기 모듈식 에너지 시스템에 근접하게 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하여 상기 냉각제가 상기 모듈식 에너지 시스템의 모듈을 냉각시키는 단계;
그 후, 상기 EV의 모터에 근접하게 상기 냉각제를 펌핑하여 상기 모터를 냉각시키는 단계; 및
그 후, 열교환기를 통해 상기 냉각제를 펌핑하여 상기 냉각제를 냉각시키는 단계
를 포함하는, 방법. - 제15항에 있어서, 상기 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은,
상기 모듈식 에너지 시스템의 모듈의 적어도 하나의 배터리에 근접하게 냉각제를 펌핑하여 상기 적어도 하나의 배터리를 냉각시키는 단계;
그 후, 상기 모듈의 전자 장치에 근접하게 냉각제를 펌핑하여 상기 전자 장치를 냉각시키는 단계
를 포함하는 것인, 방법. - 제15항에 있어서,
상기 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은 상기 모듈식 에너지 시스템의 인클로저의 섹션을 통해 냉각제를 펌핑하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 섹션은 베이스 섹션, 상기 베이스 섹션 반대편의 제2 섹션, 및 측벽 섹션 중 적어도 하나인 것인, 방법. - 제15항에 있어서,
상기 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은 상기 모듈식 에너지 시스템의 인클로저의 베이스 섹션을 통해 그런 다음, 상기 인클로저의 상기 베이스 섹션 반대편의 제2 섹션을 통해 냉각제를 펌핑하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 모듈식 에너지 시스템의 모듈의 배터리는 상기 베이스 섹션에 인접하게 위치하고, 상기 모듈식 에너지 시스템의 상기 모듈의 전자 장치는 상기 제2 섹션에 인접하게 위치하는 것인, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 냉각 장치를 통해 냉각제를 펌핑하는 것은 상기 베이스 섹션, 상기 제2 섹션, 및 상기 측벽 섹션 중 하나만을 통해 냉각제를 펌핑하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 전기 자동차의 모터에 전력을 공급하도록 제어 가능한 모듈식 에너지 시스템에 있어서,
적어도 3개의 어레이를 포함하고, 각 어레이는 각 모듈로부터의 제1 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하기 위해 함께 접속된 복수의 모듈을 포함하고, 각 모듈은 에너지 소스, 및 상기 에너지 소스로부터 상기 제1 출력 전압을 생성하도록 구성된 변환기 전자 장치를 포함하고, 상기 3개의 어레이에 의해 출력되는 상기 AC 전압 신호는 상기 모터에 3상 전력을 공급하며, 상기 에너지 소스는 상기 변환기 전자 장치에 분리 가능하게(releasably) 접속될 수 있는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제22항에 있어서,
상기 에너지 소스를 상기 변환기 전자 장치에 분리 가능하게 접속하도록 구성된 래치 메커니즘(latch mechanism)을 더 포함하는, 모듈식 에너지 시스템. - 제23항에 있어서,
각 모듈은 상기 변환기 전자 장치를 홀딩(holding)하기 위한 하우징을 포함하는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제24항에 있어서,
상기 하우징은 상기 에너지 소스용 가이드 레일에 결합되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제25항에 있어서,
상기 에너지 소스는 상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩 가능한 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스는 폭, 길이, 및 높이를 갖고, 상기 길이는 상기 폭의 적어도 2배인 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제27항에 있어서,
상기 길이는 상기 폭의 적어도 3배인 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제27항에 있어서,
상기 길이는 상기 폭의 적어도 4배인 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제23항에 있어서,
상기 래치 메커니즘은 상기 에너지 소스를 상기 변환기 전자 장치에 접속하기 위한 전력 커넥터를 포함하는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제22항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 에너지 소스 및 변환기를 포함하는 적어도 하나의 상호접속 모듈을 포함하고, 상기 상호접속 모듈의 상기 변환기는 상기 어레이 중 적어도 2개에 결합되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제31항에 있어서, 상기 상호접속 모듈은 상기 상호접속 모듈의 변환기를 홀딩하는 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 제어 포트, 상기 변환기를 상기 어레이 중 상기 적어도 2개에 결합하기 위한 적어도 2개의 커넥터, 및 적어도 하나의 보조 부하에 상기 상호접속 모듈의 상기 에너지 소스 또는 상기 변환기를 결합하기 위한 적어도 2개의 커넥터를 포함하는 것인, 모듈식 에너지 시스템.
- 제24항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에너지 소스는 배터리 모듈인 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제33항에 있어서,
각 모듈의 상기 하우징은 상기 배터리 모듈의 배터리 관리 시스템을 상기 하우징 내에 수용된 로컬 제어 디바이스에 접속하기 위한 커넥터를 포함하는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제22항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈의 상기 변환기를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하는, 모듈식 에너지 시스템. - 제35항에 있어서,
상기 제어 시스템은 각 어레이 내에서 상내 밸런싱(intraphase balancing)을 제어하도록 구성되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 제36항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 어레이 전체에 걸쳐 상간 밸런싱(interphase balancing)을 제어하도록 구성되는 것인, 모듈식 에너지 시스템. - 전기 자동차에 있어서,
전기 모터;
상기 전기 모터에 전력을 공급하기 위해 제22항 내지 제37항 중 어느 한 항에 따라 구성된 모듈식 에너지 시스템; 및
상기 모듈식 에너지 시스템의 에너지 소스를 덮는 제1 위치와 제거를 위해 상기 에너지 소스를 노출시키는 제2 위치 사이에서 이동하도록 구성된 적어도 하나의 액세스 패널
을 포함하는, 전기 자동차. - 제38항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액세스 패널은 회전하도록 구성된 도어(door)인 것인, 전기 자동차. - 적어도 3개의 어레이를 갖는 모듈식 에너지 시스템을 포함하는 전기 자동차를 위한 전력을 관리하는 방법에 있어서,
각 어레이는 상기 전기 자동차의 모터를 위한 AC 전압 신호를 생성하기 위해 캐스케이디드 방식(cascaded fashion)으로 함께 접속된 복수의 모듈을 포함하고, 각각의 모듈은 배터리 모듈과 변환기 전자 장치를 포함하며, 상기 방법은,
상기 전기 자동차 내의 제1 위치로부터 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계; 및
상기 전기 자동차 내의 상기 제1 위치에 제2 배터리 모듈을 삽입하는 단계
를 포함하고, 상기 제2 배터리 모듈은 상기 제1 배터리 모듈보다 상대적으로 더 높은 충전 상태를 갖는 것인, 방법. - 제40항에 있어서,
상기 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계는 상기 전기 자동차 내의 잠금 상태로부터 상기 제1 배터리 모듈을 잠금 해제하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제41항에 있어서,
상기 제2 배터리 모듈을 상기 제1 위치에 잠그는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계 전에 상기 제1 배터리 모듈을 덮는 폐쇄 위치로부터 상기 제1 배터리 모듈을 노출시키는 개방 위치로 상기 전기 자동차의 액세스 패널을 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제43항에 있어서,
상기 액세스 패널은 승객 도어 아래에 있는 것인, 방법. - 제40항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 자동차로부터 모든 배터리 모듈을 제거하는 단계 및 상기 제거된 배터리 모듈보다 상대적으로 더 높은 충전 상태를 갖는 상이한 배터리 모듈을 삽입하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제40항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 자동차 내의 상기 제1 위치로부터 상기 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계는, 상기 제1 배터리 모듈과 연관된 제1 변환기 전자 장치와의 전기적 접촉부로부터 상기 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제46항에 있어서,
상기 전기 자동차 내의 상기 제1 위치에 상기 제2 배터리 모듈을 삽입하는 단계는, 상기 제2 배터리 모듈을 상기 제1 변환기 전자 장치와의 전기적 접촉부에 삽입하는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제40항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 자동차 내의 상기 제1 위치로부터 상기 제1 배터리 모듈을 제거하는 단계는, 가이드 레일을 따라 상기 제1 배터리 모듈을 슬라이딩시키는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제40항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 배터리 모듈을 상기 전기 자동차 내의 상기 제1 위치에 삽입하는 단계는, 가이드 레일을 따라 상기 제2 배터리 모듈을 슬라이딩시키는 단계를 포함하는 것인, 방법. - 제40항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모듈식 에너지 시스템은 제22항 내지 제37항 중 어느 한 항에 따라 구성되는 것인, 방법.
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