KR20230132641A - 모듈 기반 캐스케이드식 에너지 시스템을 위한 시스템,장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
시스템, 장치 및 방법의 예시적인 실시예들은 전력을 생성 및 저장하기 위해 캐스케이드 방식으로 배열된 다수의 모듈을 갖는 에너지 시스템에 대해 제공된다. 각 모듈에는 전력을 생성하거나 충전원으로부터 전력을 수신하고 저장하기 위해 에너지원을 시스템의 다른 모듈에 선택적으로 결합하는 에너지원 및 스위치 회로부가 포함될 수 있다. 에너지 시스템은 다수의 직렬 또는 상호 연결된 어레이가 있는 단상 또는 다상 토폴로지로 배열될 수 있다. 범용 플랫폼에 기반한 열 관리 시스템, 스위칭 어셈블리, 모듈의 물리적 레이아웃 및 EV 모델에 대해서도 설명된다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 애플리케이션은 2021년 10월13일자로 출원된 미국 임시 출원 일련 번호 제63/255,119호, 2021년 9월 9일자로 출원된 미국 임시 출원 일련 번호 제63/242,459호, 및 2021년 1월 13일자로 출원된 미국 임시 출원 일련 번호 제63/136,786호의 혜택 및 우선권을 주장하며, 그 모두는 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로서 통합된다.
기술분야
본원에 설명된 주제는 일반적으로 모듈 기반 캐스케이드 에너지 시스템을 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.
여러 에너지원 또는 싱크가 있는 에너지 시스템은 많은 산업 분야에서 일반적이다. 일 예가 자동차 산업이다. 지난 세기 동안 발전한 오늘날의 자동차 기술은 무엇보다도 모터, 기계 요소 및 전자 장치의 상호 작용을 특징으로 한다. 이는 차량 성능과 드라이버 경험에 영향을 미치는 핵심 컴포넌트이다. 모터는 연소 또는 전기식이며, 거의 모든 경우에 모터의 회전 에너지는 클러치, 트랜스미션, 차동 장치, 구동 샤프트, 토크 튜브, 커플러 등과 같은 고도로 정교한 기계 요소 세트를 통해 전달된다. 이러한 부품은 바퀴에 대한 대규모 토크 변환 및 동력 분배를 제어하고 차량 및 도로 핸들링의 성능을 정의한다.
전기 차량(EV)에는 그중에서도 배터리 팩, 충전기 및 모터 제어를 포함한 구동계(drivetrain)와 관련된 다양한 전기 시스템이 포함된다. 고전압 배터리 팩은 일반적으로 저전압 배터리 모듈의 직렬 체인으로 구성된다. 이러한 각 모듈에는 직렬 연결 개별 셀 세트와, 충전 상태 및 전압과 같은 기본 셀 관련 특성을 조절하기 위한 간단한 내장형 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS)이 더 포함된다. 보다 정교한 기능이나 일부 형태의 스마트한 상호 연결성을 갖춘 전자 장치는 없다. 결과적으로, 모든 모니터링 또는 제어 기능은 별도의 시스템에 의해 처리되며, 이는 차량 내 다른 곳에 존재하더라도, 개별 셀 상태, 충전 상태, 온도 및 기타 성능에 영향을 미치는 메트릭을 모니터링하는 능력이 부족하다. 또한 어떤 형태로든 개별 셀당 전력 소비량을 의미 있게 조정할 수 있는 능력도 없다. 주요 결과 중 일부는 다음과 같다: (1) 가장 약한 셀이 전체 배터리 팩의 전반적인 성능을 제한하고, (2) 임의의 셀 또는 모듈의 고장으로 인해 전체 팩을 교체해야 하고, (3) 배터리 신뢰성 및 안전성이 상당히 저하되고, (4) 배터리 수명이 제한되고, (5) 열 관리가 어렵고, (6) 배터리 팩은 항상 최대 용량 미만에서 동작하고, (7) 회생 제동 유도 전력의 갑작스러운 돌입은 배터리에 쉽게 저장될 수 없으며 덤프 저항을 통해 소비되어야 한다.
기존 컨트롤에는 배터리 팩 전압 레벨을 EV 전기 시스템의 버스 전압으로 조정하는 DC-DC 변환 단계가 포함된다. 그런 다음 모터는 결국 전기 모터에 필요한 AC 신호(들)를 제공하는 간단한 2단계 다상 독립형 구동 인버터에 의해 구동된다. 각 모터는 전통적으로 3상 설계로 모터를 구동하는 별도의 컨트롤러에 의해 제어된다. 듀얼 모터 EV에는 두 개의 컨트롤러가 필요한 반면, 네 개의 인휠(in-wheel) 모터를 사용하는 EV에는 네 개의 개별 컨트롤러가 필요한다. 기존의 컨트롤러 설계는 더 많은 수의 폴 피스(pole piece)를 특징으로 하는 스위치 릴럭턴스 모터(switch reluctance motor; SRM)와 같은 차세대 모터를 구동하는 능력도 부족하다. 적응에는 더 높은 위상 설계가 필요하므로, 시스템이 더 복잡해지고 궁극적으로 높은 토크 리플 및 음향 소음과 같은 전기 소음 및 주행 성능을 해결하지 못한다.
이러한 결함 중 다수는 자동차뿐만 아니라 다른 모터 구동 차량과 상당한 정도로 고정형 애플리케이션에도 적용된다. 이러한 이유 및 기타 이유로, 모듈 기반 캐스케이드식 에너지 시스템을 위한 개선된 시스템, 장치 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
시스템, 장치 및 방법의 예시적인 실시예들은 전력을 생성 및 저장하기 위해 캐스케이드 방식으로 배열된 다수의 모듈을 갖는 에너지 시스템에 대해 본원에서 제공된다. 각 모듈에는 전력을 생성하거나 충전원으로부터 전력을 수신하고 저장하기 위해 에너지원을 시스템의 다른 모듈에 선택적으로 결합하는 에너지원 및 스위치 회로부가 포함될 수 있다. 에너지 시스템은 다수의 직렬 또는 상호 연결된 어레이가 있는 단상 또는 다상 토폴로지로 배열될 수 있다. 에너지 시스템은 하나 이상의 모터에 전원을 공급하기 위해 다수의 서브시스템으로 배열될 수 있다.
에너지 시스템은 하나 이상의 충전 포트를 통한 양방향 충전 및 방전 기능으로 구성될 수 있다. 라우팅 회로부는 DC, 단상 AC 및 다상 AC와 같이 적용된 충전 신호 유형에 기초하여 충전 포트에서 다양한 모듈 어레이로 전류를 선택적으로 라우팅할 수 있다. 라우팅 회로부는 외부 충전원로부터 에너지 시스템을 분리하는 솔리드 스테이트 릴레이를 포함할 수 있다.
에너지 시스템은 하나 이상의 열 관리 시스템과 연결된 하나 이상의 인클로저에서 구현될 수 있다. 열 관리 시스템은 모듈의 상부 측면에 근접하고 모듈의 하부 측면에 근접하게 열 전달 유체를 순환시킬 수 있다. 열 관리 시스템은 모듈의 에너지원을 냉각 및/또는 가열하도록 재구성할 수 있다. 열 관리 시스템은 외부 온도, 모듈 온도, 모듈의 전자 장치 온도, 모듈의 에너지원 온도 및/또는 공조(air conditioning; AC) 시스템 내의 냉각제 온도와 같은 다양한 요인에 기초하여 서로 다른 열 교환기를 사용하도록 재구성될 수도 있다.
모듈 레이아웃의 예시적인 실시예들도 제공된다. 모듈 레이아웃은 모듈의 히트싱크와 전자 기판의 표면적 접촉을 최대화하기 위해 역방향으로 배치된 모듈 전자 장치의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 일차, 보조 및 제어 포트에 대한 커넥터 배치의 변형에 대해서도 설명된다.
스위칭 어셈블리의 예시적인 실시예들도 제공된다. 일부 실시예들에서 전력 및 제어 분배 어셈블리라고 하는 스위칭 어셈블리는 EV의 전부 또는 일부에 대한 전력 및 제어 연결을 위한 중앙 집중식 허브로서 작용할 수 있다. 스위칭 어셈블리는 충전 네트워크 분배와 관련된 제어 시스템 및 라우팅 회로부의 일부를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들은 또한 EV의 전기 파워트레인을 수용하기 위한 범용 플랫폼에 대해 제공된다. 전기 파워트레인은 확장성이 뛰어나며 서로 다른 EV 모델 유형의 호스트를 위한 범용 플랫폼의 구성을 가능하게 한다. 예시적인 모델 유형과 마찬가지로 범용 플랫폼을 위한 수많은 모듈 레이아웃 구성도 설명된다.
본원에 설명된 주제의 다른 시스템, 장치, 방법, 특징 및 이점은 하기의 도면 및 상세한 설명을 검토할 때 당업자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 이러한 모든 추가 시스템, 방법, 특징 및 이점은 이 설명 내에 포함되고, 본원에 설명된 주제의 범위 내에 있고, 첨부된 청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다. 청구범위에서 이러한 특징이 명시적으로 인용되지 않는 한, 어떠한 방식으로도 예시적인 실시예들의 특징이 첨부된 청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
그 구조 및 동작 모두에 대해 본원에 설명된 주제의 세부 사항은 동일한 참조 번호가 동일한 부분을 나타내는 첨부된 도면을 연구함으로써 명백해질 수 있다. 도면들의 컴포넌트들은 반드시 일정한 비율을 유지해야 하는 것은 아니며, 대신에 본 주제의 원리들을 설명하는 데 중점을 둔다. 게다가, 모든 도면은 개념을 전달하기 위한 것이며, 상대적인 크기, 모양 및 기타 세부 속성은 문자 그대로 또는 정확하게 설명하기보다는 도식적으로 예시될 수 있다.
도 1a 내지 1c는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 1d 내지 1e는 에너지 시스템을 위한 제어 장치의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 1f 내지 1g는 부하 및 충전원과 결합된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 2a 내지 2b는 에너지 시스템 내의 모듈 및 제어 시스템의 예시적인 실시예들을 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 3c는 다양한 전기 구성을 갖는 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 4a 내지 4f는 에너지원의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 5a 내지 5c는 에너지 버퍼의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 6a 내지 6c는 변환기의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 7a 내지 7e는 다양한 토폴로지를 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 8a는 모듈의 예시적인 출력 전압을 도시하는 플롯이다.
도 8b는 모듈 어레이의 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 플롯이다.
도 8c는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 플롯이다.
도 8d는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 플롯이다.
도 8e는 펄스 폭 변조 제어 기술에 따라 생성된 예시적인 스위치 신호들을 도시하는 플롯이다.
도 8f는 펄스 폭 변조 제어 기술 하에서 모듈 어레이로부터의 출력 전압의 중첩에 의해 생성된 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 플롯이다.
도 9a 내지 9b는 모듈식 에너지 시스템을 위한 컨트롤러의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 10a는 상호 연결 모듈을 갖는 다상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10b는 도 10a의 다상 실시예에서 상호 연결 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10c는 상호 연결 모듈에 의해 함께 연결된 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10d는 보조 부하를 공급하는 상호 연결 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10e는 도 10d의 다상 실시예에서 상호 연결 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10f는 보조 부하를 공급하는 상호 연결 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11a 내지 11b는 다상 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 11c는 모듈식 에너지 시스템을 충전하는 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 11d는 3상 충전 신호의 일 예를 도시하는 플롯이다.
도 12a는 DC 및 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 12b는 라우팅 회로부의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 12c 내지 12e는 라우팅 회로부에 사용하기 위한 솔리드 스테이트 릴레이의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 12f는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 12g는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 13a 내지 13b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 13c는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 13d는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 14는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15a는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15b는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 15c는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15d는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 15e는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15f는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 16a 내지 16b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 세 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 17은 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 네 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 18a 내지 18b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 6개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 19a는 병렬로 어레이의 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 19b는 병렬로 어레이의 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 20은 부하를 통한 DC 및/또는 단상 AC 충전, 및 부하를 바이패스하는 다상 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 21a 내지 21b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 델타 및 직렬 배열의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 22는 부하의 DC, 단상 AC 및 다상 충전을 위해 구성된 다수의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 23a는 충전소의 모듈식 에너지 시스템 치 EV의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 23ba는 다수의 EV의 DC, 단상 AC 및 다상 충전을 위해 구성된 충전소의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 24는 EV 섀시의 내부 영역 내의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 25a 내지 25c는 EV 섀시의 내부 영역 내에 있고 두 개의 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 26은 EV 섀시의 내부 영역 내에 있고 세 개의 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 27a 내지 27b는 EV 섀시의 내부 영역 내에 있고 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 28a 내지 28c는 EV의 제1 및 제2 섀시의08 내부 영역 내에 있고 6개의 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 29a는 액티브 서스펜션 또는 액티브 스티어링 메커니즘의 전기 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 29b는 모듈식 에너지 시스템에서 사용하기 위한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 29c 내지 29d는 모듈식 에너지 시스템에서 사용하기 위한 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 30a는 전력 및 제어 분산 어셈블리의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 30b는 EV 내의 전력 및 제어 분산 어셈블리의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 30c는 EV의 인클로저 및 전력 및 제어 분배 어셈블리의 사시도이다.
도 30c 및 30d는 각각 전력 및 제어 분배 어셈블리의 예시적인 실시예의 외부 및 내부의 사시도이다.
도 30f는 전력 및 제어 분산 어셈블리의 예시적인 실시예를 도시하는 분해도이다.
도 30g는 EV 내의 충전 네트워크 분포의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 31a는 전기 차량의 컴포넌트들을 냉각시키기 위한 프로세스 흐름의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 31b는 모듈식 에너지 시스템을 냉각시키기 위해 구성된 인클로저의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 31c는 전기 차량의 컴포넌트들을 냉각시키기 위한 프로세스 흐름의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 31d는 모듈식 에너지 시스템을 냉각시키기 위해 구성된 인클로저의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 31e는 상부 인클로저에 대한 모듈 컴포넌트 배치의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 31f는 열 관리 시스템에 근접한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 32a 내지 32d는 열 관리 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 32e는 에너지 저장 시스템 및 열 관리 시스템을 갖는 EV용 인클로저를 도시하는 분해도이다.
도 32f는 열 관리 시스템에 근접한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 33a는 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 분해도이다.
도 33b 및 33c는 각각 모듈의 예시적인 실시예의 외부 및 내부를 도시하는 사시도이다.
도 33d는 모듈의 전자 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 33e 내지 33f는 어레이 내에 연결된 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 하향식 도면이다.
도 33g 및 33h는 배터리 모듈 내의 셀의 예시적인 실시예들을 도시하는 하향식 도면이다.
도 33i 내지 33l은 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 하향식 도면이다.
도 34a는 EV용 범용 플랫폼의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 34b 및 34c는 외부 차체를 갖는 EV용 범용 플랫폼의 예시적인 실시예들을 도시하는 사시도이다.
도 34d 내지 34g는 EV용 범용 플랫폼 내의 모듈 레이아웃의 예시적인 실시예들을 도시하는 사시도이다.
도 34h 내지 34k는 범용 플랫폼에 기초한 EV 모델의 예시적인 실시예들을 도시하는 사시도이다.
도 1a 내지 1c는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 1d 내지 1e는 에너지 시스템을 위한 제어 장치의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 1f 내지 1g는 부하 및 충전원과 결합된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 2a 내지 2b는 에너지 시스템 내의 모듈 및 제어 시스템의 예시적인 실시예들을 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 3c는 다양한 전기 구성을 갖는 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 4a 내지 4f는 에너지원의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 5a 내지 5c는 에너지 버퍼의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 6a 내지 6c는 변환기의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 7a 내지 7e는 다양한 토폴로지를 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 8a는 모듈의 예시적인 출력 전압을 도시하는 플롯이다.
도 8b는 모듈 어레이의 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 플롯이다.
도 8c는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 플롯이다.
도 8d는 펄스 폭 변조 제어 기술에서 사용 가능한 예시적인 기준 신호 및 반송파 신호를 도시하는 플롯이다.
도 8e는 펄스 폭 변조 제어 기술에 따라 생성된 예시적인 스위치 신호들을 도시하는 플롯이다.
도 8f는 펄스 폭 변조 제어 기술 하에서 모듈 어레이로부터의 출력 전압의 중첩에 의해 생성된 예시적인 다중 레벨 출력 전압을 도시하는 플롯이다.
도 9a 내지 9b는 모듈식 에너지 시스템을 위한 컨트롤러의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 10a는 상호 연결 모듈을 갖는 다상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10b는 도 10a의 다상 실시예에서 상호 연결 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10c는 상호 연결 모듈에 의해 함께 연결된 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10d는 보조 부하를 공급하는 상호 연결 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 10e는 도 10d의 다상 실시예에서 상호 연결 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 10f는 보조 부하를 공급하는 상호 연결 모듈을 갖는 3상 모듈식 에너지 시스템의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 11a 내지 11b는 다상 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 11c는 모듈식 에너지 시스템을 충전하는 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다.
도 11d는 3상 충전 신호의 일 예를 도시하는 플롯이다.
도 12a는 DC 및 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 12b는 라우팅 회로부의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 12c 내지 12e는 라우팅 회로부에 사용하기 위한 솔리드 스테이트 릴레이의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 12f는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 12g는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 13a 내지 13b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 13c는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 13d는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 14는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15a는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15b는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 15c는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15d는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 15e는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성되고 두 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 15f는 라우팅 회로부의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 16a 내지 16b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 세 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 17은 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 네 개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 18a 내지 18b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 6개의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 19a는 병렬로 어레이의 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 19b는 병렬로 어레이의 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 20은 부하를 통한 DC 및/또는 단상 AC 충전, 및 부하를 바이패스하는 다상 충전을 위해 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 21a 내지 21b는 DC, 단상 AC 및 다상 AC 충전을 위해 구성된 델타 및 직렬 배열의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 22는 부하의 DC, 단상 AC 및 다상 충전을 위해 구성된 다수의 서브시스템을 갖는 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 23a는 충전소의 모듈식 에너지 시스템 치 EV의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 23ba는 다수의 EV의 DC, 단상 AC 및 다상 충전을 위해 구성된 충전소의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 24는 EV 섀시의 내부 영역 내의 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 25a 내지 25c는 EV 섀시의 내부 영역 내에 있고 두 개의 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 26은 EV 섀시의 내부 영역 내에 있고 세 개의 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 27a 내지 27b는 EV 섀시의 내부 영역 내에 있고 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 28a 내지 28c는 EV의 제1 및 제2 섀시의08 내부 영역 내에 있고 6개의 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 29a는 액티브 서스펜션 또는 액티브 스티어링 메커니즘의 전기 모터에 전력을 공급하도록 구성된 모듈식 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 29b는 모듈식 에너지 시스템에서 사용하기 위한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 29c 내지 29d는 모듈식 에너지 시스템에서 사용하기 위한 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다.
도 30a는 전력 및 제어 분산 어셈블리의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 30b는 EV 내의 전력 및 제어 분산 어셈블리의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 30c는 EV의 인클로저 및 전력 및 제어 분배 어셈블리의 사시도이다.
도 30c 및 30d는 각각 전력 및 제어 분배 어셈블리의 예시적인 실시예의 외부 및 내부의 사시도이다.
도 30f는 전력 및 제어 분산 어셈블리의 예시적인 실시예를 도시하는 분해도이다.
도 30g는 EV 내의 충전 네트워크 분포의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 31a는 전기 차량의 컴포넌트들을 냉각시키기 위한 프로세스 흐름의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 31b는 모듈식 에너지 시스템을 냉각시키기 위해 구성된 인클로저의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 31c는 전기 차량의 컴포넌트들을 냉각시키기 위한 프로세스 흐름의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 31d는 모듈식 에너지 시스템을 냉각시키기 위해 구성된 인클로저의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 31e는 상부 인클로저에 대한 모듈 컴포넌트 배치의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 31f는 열 관리 시스템에 근접한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 32a 내지 32d는 열 관리 시스템의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다.
도 32e는 에너지 저장 시스템 및 열 관리 시스템을 갖는 EV용 인클로저를 도시하는 분해도이다.
도 32f는 열 관리 시스템에 근접한 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 33a는 모듈의 예시적인 실시예를 도시하는 분해도이다.
도 33b 및 33c는 각각 모듈의 예시적인 실시예의 외부 및 내부를 도시하는 사시도이다.
도 33d는 모듈의 전자 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 33e 내지 33f는 어레이 내에 연결된 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 하향식 도면이다.
도 33g 및 33h는 배터리 모듈 내의 셀의 예시적인 실시예들을 도시하는 하향식 도면이다.
도 33i 내지 33l은 모듈의 예시적인 실시예들을 도시하는 하향식 도면이다.
도 34a는 EV용 범용 플랫폼의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 34b 및 34c는 외부 차체를 갖는 EV용 범용 플랫폼의 예시적인 실시예들을 도시하는 사시도이다.
도 34d 내지 34g는 EV용 범용 플랫폼 내의 모듈 레이아웃의 예시적인 실시예들을 도시하는 사시도이다.
도 34h 내지 34k는 범용 플랫폼에 기초한 EV 모델의 예시적인 실시예들을 도시하는 사시도이다.
본 주제가 더 상세하게 설명되기 전에, 본 개시는 설명된 특정 실시예들로 제한되는 것은 아니며, 물론 변경될 수 있음을 이해해야 한다. 본원에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 개시의 범위가 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한될 것이기 때문에 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.
모듈식 에너지 시스템의 충전 및 방전에 관한 예시적인 실시예들을 설명하기 전에, 먼저 이러한 기본 시스템을 더 자세히 설명하는 것이 유용하다. 도 1a 내지 10f를 참조하면, 다음 섹션에서는 모듈식 에너지 시스템의 실시예들이 구현될 수 있는 다양한 애플리케이션, 모듈식 에너지 시스템용 제어 시스템 또는 장치의 실시예들, 충전원 및 부하에 대한 모듈식 에너지 시스템 실시예들의 구성, 개별 모듈의 실시예들, 시스템 내의 모듈의 배열을 위한 토폴로지의 실시예들, 제어 방법론의 실시예들, 시스템 내의 모듈의 동작 특성을 밸런싱하는 실시예들, 및 상호 연결 모듈의 사용의 실시예들을 설명한다.
애플리케이션의 예
고정형 애플리케이션은 모듈식 에너지 시스템이 사용 중 고정 위치에 있지만, 사용하지 않을 때는 대체 위치로 이동될 수 있는 애플리케이션이다. 모듈 기반 에너지 시스템은 하나 이상의 다른 엔티티가 소비할 전기 에너지를 제공하거나, 나중에 소비하기 위해 에너지를 저장 또는 버퍼링하는 동안 정적 위치에 상주한다. 본원에 설명된 실시예들이 사용될 수 있는 고정형 애플리케이션의 예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 하나 이상의 주거용 구조물 또는 장소에서 또는 그 안에서 사용하기 위한 에너지 시스템, 하나 이상의 산업 구조물 또는 장소에서 또는 그 안에서 사용하기 위한 에너지 시스템, 하나 이상의 상업 구조물 또는 장소에서 또는 그 안에서 사용하기 위한 에너지 시스템, 하나 이상의 정부 구조물 또는 장소(군사적 및 비군사적 용도를 모두 포함함)에서 또는 그 안에서 사용하기 위한 에너지 시스템, 아래에 설명된 모바일 애플리케이션을 충전하기 위한 에너지 시스템(예를 들어, 충전원 또는 충전소), 및 태양열, 풍력, 지열 에너지, 화석 연료 또는 핵 반응을 저장을 위한 전기로 변환하는 시스템을 포함한다. 고정형 애플리케이션은 종종 그리드 및 마이크로그리드, 모터 및 데이터 센터와 같은 부하를 공급한다. 고정식 에너지 시스템은 저장 또는 비저장 역할로 사용될 수 있다.
때때로 견인 애플리케이션이라고도 하는 모바일 애플리케이션은 일반적으로 모듈 기반 에너지 시스템이 엔티티에 있거나 엔티티 내에 위치되고, 해당 엔티티를 이동하거나 이동하는 데 도움이 되도록 모터에 의해 원동력으로 변환하기 위해 전기 에너지를 저장하고 제공하는 애플리케이션이다. 본원에 설명된 실시예들이 사용될 수 있는 이동형 엔티티의 예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 육지 위 또는 아래, 바다 위 또는 아래, 육지나 바다의 위 및 접촉하지 않거나(예를 들어, 공중에서 비행 또는 호버링), 또는 외부 공간을 통해 이동하는 전기 및/또는 하이브리드 엔티티를 포함한다. 본원에 설명된 실시예들이 사용될 수 있는 이동형 엔티티의 예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 차량, 기차, 트램, 배, 선박, 항공기 및 우주선을 포함한다. 본원에 설명된 실시예들이 사용될 수 있는 이동형 차량의 예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 휠 또는 트랙이 1개만 있는 것, 바퀴 또는 트랙이 2개만 있는 것, 바퀴 또는 트랙이 3개만 있는 것, 바퀴 또는 트랙이 4개만 있는 것, 및 바퀴 또는 트랙이 5개 이상 있는 것을 포함한다. 본원에 설명된 실시예들이 사용될 수 있는 이동형 엔티티의 예는, 이에 제한되는 것은 아니나, 자동차, 버스, 트럭, 오토바이, 스쿠터, 산업 차량, 광산 차량, 비행 차량(예를 들어, 비행기, 헬리콥터, 드론 등), 해상 선박(예를 들어, 상업용 선박, 배, 요트, 보트 또는 기타 선박), 잠수함, 기관차 또는 철도 기반 차량(예를 들어, 기차, 트램 등), 군용 차량, 우주선, 인공위성을 포함한다.
본원의 실시예들을 설명 시, 특정 고정형 애플리케이션(예를 들어, 그리드, 마이크로그리드, 데이터 센터, 클라우드 컴퓨팅 환경) 또는 모바일 애플리케이션(예를 들어, 전기 자동차)을 참조할 수 있다. 이러한 참조는 설명을 쉽게 하기 위해 이루어지며 특정 실시예가 특정 모바일 또는 고정형 애플리케이션에만 사용하도록 제한된다는 것을 의미하지는 않는다. 모터에 전력을 공급하는 시스템의 실시예들은 모바일 및 고정형 애플리케이션 모두에서 사용될 수 있다. 특정 구성이 다른 애플리케이션보다 일부 애플리케이션에 더 적합할 수 있지만, 본원에 설명된 모든 예시적인 실시예들은 달리 언급되지 않는 한 모바일 및 고정형 애플리케이션 모두에서 사용할 수 있다.
모듈 기반 에너지 시스템 예
도 1a는 모듈 기반 에너지 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 여기서, 시스템(100)은 각각 통신 경로 또는 링크(106-1 내지 106-N)를 통해 N 변환기-소스 모듈(108-1 내지 108-N)과 통신 가능하게 결합된 제어 시스템(102)을 포함한다. 모듈(108)은 에너지를 저장하고 필요에 따라 부하(101)(또는 다른 모듈(108))에 에너지를 출력하도록 구성된다. 이러한 실시예들에서, 둘 이상의 모듈(108) 중 임의 개수가 사용될 수 있다(예를 들어, N은 2 이상임). 모듈(108)은 도 7a 내지 7e와 관련하여 더 상세히 설명되는 바와 같이 다양한 방식으로 서로 연결될 수 있다. 설명을 쉽게 하기 위해, 도 1a 내지 1c에서, 모듈(108)은 직렬로 또는 1차원 어레이로 연결된 것으로 도시되며, 여기서 N번째 모듈은 부하(101)에 결합된다.
시스템(100)은 전력을 부하(101)에 공급하도록 구성된다. 부하(101)는 모터 또는 그리드와 같은 임의 유형의 부하일 수 있다. 시스템(100)은 또한 충전원으로부터 수신된 전력을 저장하도록 구성된다. 도 1f는 충전원(150)으로부터 전력을 수신하기 위한 전력 입력 인터페이스(151) 및 부하(101)로 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 수신하고 저장할 수 있다. 도 1g는 스위칭 가능한 인터페이스(154)를 갖는 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서, 시스템(100)은 충전원(150)로부터 전력을 수신하는 것과 부하(101)로 전력을 출력하는 것 사이에서 선택하거나 선택하도록 지시받을 수 있다. 시스템(100)은 1차 및 보조 부하를 모두 포함하는 다수의 부하(101)를 공급하고, 및/또는 다수의 충전원(150)(예를 들어, 유틸리티 동작 전력 그리드 및 로컬 재생 에너지원(예를 들어, 태양열))으로부터 전력을 수신하도록 구성될 수 있다.
도 1b는 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서, 제어 시스템(102)은 각각 통신 경로 또는 링크(115-1 내지 115-N)를 통해 N개의 상이한 로컬 제어 장치(local control device; LCD)(114-1 내지 114-N)와 통신가능하게 결합된 마스터 제어 장치(master control device; MCD)(112)로서 구현된다. 각 LCD(114-1 내지 114-N)는 각각 통신 경로 또는 링크(116-1 내지 116-N)를 통해 하나의 모듈(108-1 내지 108-N)과 통신 가능하게 결합되어, LCD(114)와 모듈(108) 사이에 1:1 관계가 있다.
도 1c는 시스템(100)의 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 통신 가능하게 결합된다. 각 LCD(114)는 둘 이상의 모듈(108)과 결합되고 제어할 수 있다. 여기에 도시된 예에서, 각 LCD(114)는 두 개의 모듈(108)과 통신 가능하게 결합되어, M개의 LCD(114-1 내지 114-M)는 각각 통신 경로 또는 링크(116-1 내지 116-2M)를 통해 2M개의 모듈(108-1 내지 108-2M)과 결합된다.
제어 시스템(102)은 전체 시스템(100)에 대한 단일 장치(예를 들어, 도 1a)로 구성될 수 있거나, 다수의 장치(예를 들어, 도 1b 내지 1c)로 구현되거나 이에 걸쳐 분산될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템(102)은 MCD(112)가 필요하지 않고 시스템(100)으로부터 생략될 수 있도록 모듈(108)과 관련된 LCD(114) 사이에 분산될 수 있다.
제어 시스템(102)은 소프트웨어(처리 회로부에 의해 실행 가능한 메모리에 저장된 명령어), 하드웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 제어를 실행하도록 구성될 수 있다. 제어 시스템(102)의 하나 이상의 장치는 여기에 도시된 바와 같이 처리 회로부(120) 및 메모리(122)를 각각 포함할 수 있다. 처리 회로부 및 메모리의 예시적인 구현이 아래에 더 설명된다.
제어 시스템(102)은 통신 링크 또는 경로(105)를 통해 시스템(100) 외부의 장치(104)와 통신하기 위한 통신 인터페이스를 가질 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(102)(예를 들어, MCD(112))은 시스템(100)에 관한 데이터 또는 정보를 다른 제어 장치(104)(예를 들어, 모바일 애플리케이션에서 차량의 전자 제어 유닛(Electronic Control Unit; ECU) 또는 모터 제어 유닛(Motor Control Unit; MCU), 고정형 애플리케이션의 그리드 컨트롤러, 등)에 출력할 수 있다.
통신 경로 또는 링크(105, 106, 115, 116 및 118)(도 2b)는 각각 데이터 또는 정보를 양방향으로, 병렬 또는 직렬 방식으로 통신하는 유선(예를 들어, 전기, 광학) 또는 무선 통신 경로일 수 있다. 데이터는 표준화된(예를 들어, IEEE, ANSI) 또는 맞춤형(예를 들어, 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, 각 LCD(114)에 대한 동작 전력은 LCD(114)가 연결된 하나 이상의 모듈(108)에 의해서만 공급될 수 있고, MCD(112)에 대한 동작 전력은 하나 이상의 모듈(108)로부터 (예를 들어, 자동차의 전력 네트워크를 통해) 간접적으로 공급된다.
제어 시스템(102)은 동일하거나 상이한 하나 이상의 모듈(108)로부터 수신된 상태 정보에 기초하여 하나 이상의 모듈(108)을 제어하도록 구성된다. 제어는 또한 부하(101)의 요구 사항과 같은 하나 이상의 다른 요소를 기반으로 할 수 있다. 제어 가능한 측면은, 이에 제한되는 것은 아니나, 각 모듈(108)의 전압, 전류, 위상 및/또는 출력 전력 중 하나 이상을 포함한다.
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 서브셋)은 그 특정 모듈(108)(또는 서브셋)의 상태 정보에 기초하거나, 그 특정 모듈(108)(또는 서브셋)이 아닌 상이한 모듈(108)의 상태 정보에 기초하거나, 그 특정 모듈(108)(또는 서브셋) 이외의 모든 모듈(108)의 상태 정보에 기초하거나, 그 특정 모듈(108)(또는 서브셋)의 상태 정보 및 그 특정 모듈(108)(또는 서브셋)이 아닌 적어도 하나의 다른 모듈(108)의 상태 정보에 기초하거나, 또는 시스템(100) 내의 모든 모듈(108)의 상태 정보에 기초하여 제어될 수 있다.
상태 정보는 각 모듈(108)의 하나 이상의 측면, 특성 또는 파라미터에 대한 정보일 수 있다. 상태 정보의 유형에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 모듈(108) 또는 그의 하나 이상의 컴포넌트(예를 들어, 에너지원, 에너지 버퍼, 변환기, 모니터 회로부)의 다음의 측면인, 모듈의 하나 이상의 에너지원의 충전 상태(State of Charge; SOC)(예를 들어, 분율 또는 퍼센트와 같은 용량에 대한 에너지원의 전하 레벨), 모듈의 하나 이상의 에너지원의 건강 상태(State of Health; SOH)(예를 들어, 이상적인 조건과 비교하여 에너지원 상태의 성능 지수), 모듈의 하나 이상의 에너지원 또는 기타 컴포넌트의 온도, 모듈의 하나 이상의 에너지원의 용량, 하나 이상의 에너지원 및/또는 모듈의 기타 컴포넌트의 전압, 하나 이상의 에너지원 및/또는 모듈의 기타 컴포넌트의 전류, 전력 상태(State of Power; SOP)(예를 들어, 방전 및/또는 충전 중 에너지원의 가용 전력 제한), 에너지 상태(State of Energy; SOE)(예를 들어, 에너지원의 최대 가용 에너지에 대한 에너지원의 현재 가용 에너지 레벨), 및/또는 모듈의 컴포넌트 중 임의의 하나 이상에 결함이 없음이 포함된다.
LCD(114)는 각 모듈(108)로부터 상태 정보를 수신하거나, 각 모듈(108)로부터 또는 그 내에서 수신된 모니터링된 신호 또는 데이터로부터 상태 정보를 결정하고, 해당 정보를 MCD(112)로 전달하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 LCD(114)는 원시 수집 데이터를 MCD(112)로 전달할 수 있으며, 이는 그 원시 데이터에 기초하여 상태 정보를 알고리즘적으로 결정한다. 그런 다음 MCD(112)는 그에 따라 제어 결정을 내리기 위해 모듈(108)의 상태 정보를 사용할 수 있다. 결정은 각 모듈(108)의 동작을 유지하거나 조정하기 위해 LCD(114)에 의해 이용될 수 있는 명령어, 명령 또는 다른 정보(예컨대 본원에 설명된 변조 인덱스)의 형태를 취할 수 있다.
예를 들어, MCD(112)는 상태 정보를 수신하고 그 정보를 평가하여 적어도 하나의 모듈(108)(예를 들어, 그 컴포넌트)과 적어도 하나 이상의 다른 모듈(108)(예를 들어, 그와 유사한 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 하나인, 상대적으로 낮거나 높은 SOC, 상대적으로 낮거나 높은 SOH, 상대적으로 낮거나 높은 용량, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 전압, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 전류, 상대적으로 더 낮거나 더 높은 온도, 또는 결함이 있거나 없는 조건으로 동작하고 있다고 결정할 수 있다. 이러한 예들에서, MCD(112)는 특정 모듈(108)의 관련 측면(예를 들어, 출력 전압, 전류, 전력, 온도)이 (조건에 따라) 감소되거나 증가되도록 하는 제어 정보를 출력할 수 있다. 이러한 방식으로, 아웃라이어 모듈(108)(예를 들어, 상대적으로 더 낮은 SOC 또는 더 높은 온도로 동작)의 사용률은 그 모듈(108)의 관련 파라미터(예를 들어, SOC 또는 온도)가 하나 이상의 다른 모듈(108)의 관련 파라미터로 수렴되도록 하기 위해 감소될 수 있다.
특정 모듈(108)의 동작을 조정할지 여부에 대한 결정은 상태 정보를 미리 결정된 임계값, 제한 또는 조건과 비교하여 이루어질 수 있으며, 반드시 다른 모듈(108)의 상태와 비교할 필요는 없다. 미리 결정된 임계값, 제한 또는 조건은 예컨대 사용 중에 변경되지 않는 제조업체에 의해 설정된 것과 같은, 정적 임계값, 제한 또는 조건일 수 있다. 미리 결정된 임계값, 제한 또는 조건은 사용 중에 변경이 허용되거나 변경되는 동적 임계값, 제한 또는 조건일 수 있다. 예를 들어, MCD(112)는 모듈(108)에 대한 상태 정보가 모듈(108)이 미리 결정된 임계값 또는 제한을 위반(예를 들어, 초과 또는 미만)하거나, 허용 가능한 동작 조건의 미리 결정된 범위를 벗어나서 동작하고 있음을 나타내는 경우 해당 모듈(108)의 동작을 조정할 수 있다. 마찬가지로, MCD(112)는 모듈(108)에 대한 상태 정보가 실제 또는 잠재적 결함(예를 들어, 알람 또는 경고)의 존재를 나타내거나 실제 또는 잠재적 결함의 부재 또는 제거를 나타내는 경우 해당 모듈(108)의 동작을 조정할 수 있다. 결함의 예에는, 이에 제한되는 것은 아니나, 컴포넌트의 실제 고장, 컴포넌트의 잠재적 고장, 단락 또는 기타 과도한 전류 조건, 개방 회로, 과도한 전압 조건, 통신 수신 실패, 손상된 데이터 수신 등이 포함된다. 결합의 유형 및 심각도에 따라, 모듈 손상을 방지하기 위해 결함이 있는 모듈의 사용률이 감소될 수 있거나, 모듈의 사용률이 완전히 중단될 수 있다. 예를 들어, 주어진 모듈에서 결함이 발생하는 경우, MCD(112) 또는 LCD(114)는 모듈이 본원에 설명된 바와 같이 바이패스 상태에 들어가도록 할 수 있다.
MCD(112)는 시스템(100) 내의 모듈(108)을 제어하여 원하는 타겟을 달성하거나 이를 향해 수렴할 수 있다. 타겟은 예를 들어 서로에 대해 동일하거나 유사한 레벨에서 또는 미리 결정된 임계값 제한 또는 조건 내에서 모든 모듈(108)의 동작일 수 있다. 이 프로세스는 모듈(108)의 동작 또는 동작 특성에서 밸런스를 이루기 위한 밸런싱 또는 모색이라고도 한다. 본원에 사용되는 "밸런스(balance)"라는 용어는 모듈(108) 또는 그 컴포넌트 사이의 절대적인 동등성을 요구하는 것이 아니라, 시스템(100)의 동작이 존재할 모듈(108) 사이의 동작(또는 동작 상태)의 차이를 능동적으로 감소시키는 데 사용될 수 있음을 전달하기 위해 넓은 의미로 사용된다.
MCD(112)는 LCD(114)와 관련된 모듈(108)을 제어하기 위해 LCD(114)에 제어 정보를 전달할 수 있다. 제어 정보는 예를 들어 본원에 설명된 바와 같은 변조 지수 및 참조 신호, 변조된 참조 신호 등일 수 있다. 각 LCD(114)는 제어 정보를 사용(예를 들어, 수신 및 처리)하여 관련 모듈(들)(108) 내의 하나 이상의 컴포넌트(예를 들어, 변환기)의 동작을 제어하는 스위치 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, MCD(112)는 스위치 신호를 직접 생성하고 이를 LCD(114)로 출력하며, 이는 스위치 신호를 의도된 모듈 컴포넌트로 중계한다.
제어 시스템(102)의 전부 또는 일부는 모바일 또는 고정형 애플리케이션의 하나 이상의 다른 측면을 제어하는 시스템 외부 제어 장치(104)와 결합될 수 있다. 이러한 공유 또는 공통 제어 장치(또는 서브시스템)에 통합될 때, 시스템(100)의 제어는 공유 장치의 하드웨어와 함께 공유 장치의 처리 회로부에 의해 실행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 임의의 원하는 방식으로 구현될 수 있다. 외부 제어 장치(104)의 비제한적 예에는, 하나 이상의 다른 차량 기능(예를 들어, 모터 제어, 드라이버 인터페이스 제어, 트랙션 제어 등)에 대한 제어 능력을 갖는 차량 ECU 또는 MCU; 하나 이상의 다른 전력 관리 기능(예를 들어, 부하 인터페이싱, 부하 전력 요구 사항 예측, 전송 및 스위칭, 충전원(예를 들어, 디젤, 태양광, 풍력)과의 인터페이스, 충전원 전력 예측, 백업 소스 모니터링, 자산 디스패치 등); 및 데이터 센터 제어 서브시스템(예를 들어, 환경 제어, 네트워크 제어, 백업 제어 등)이 포함된다.
도 1d 및 1e는 제어 시스템(102)이 구현될 수 있는 공유 또는 공통 제어 장치(또는 시스템)(132)의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다. 도 1d에서, 공통 제어 장치(132)는 마스터 제어 장치(112) 및 외부 제어 장치(104)를 포함한다. 마스터 제어 장치(112)는 경로(115)를 통해 LCD(114)와 통신하기 위한 인터페이스(141), 뿐만 아니라 내부 통신 버스(136)를 통해 외부 제어 장치(104)와 통신하기 위한 인터페이스(142)를 포함한다. 외부 제어 장치(104)는 버스(136)를 통해 마스터 제어 장치(112)와 통신하기 위한 인터페이스(143), 및 통신 경로(136)를 통해 전체 애플리케이션의 다른 엔티티(예를 들어, 차량 또는 그리드의 컴포넌트)와 통신하기 위한 인터페이스(144)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 공통 제어 장치(132)는 개별 집적 회로(IC) 칩 또는 그 안에 포함된 패키지로 구현된 장치(112 및 104)와 함께 공통 하우징 또는 패키지로 통합될 수 있다.
도 1e에서, 외부 제어 장치(104)는 공통 제어 장치(132)의 역할을 하며, 마스터 제어 기능은 장치(104) 내의 컴포넌트로 구현된다. 이 컴포넌트(112)는 장치(104)의 메모리 내에 저장 및/또는 하드코딩되고 그 처리 회로부에 의해 실행되는 소프트웨어 또는 기타 프로그램 명령어이거나 이를 포함할 수 있다. 컴포넌트는 전용 하드웨어도 포함될 수 있다. 컴포넌트는 외부 제어 장치(104)의 동작 소프트웨어와 통신하기 위한 하나 이상의 내부 하드웨어 및/또는 소프트웨어 인터페이스(예를 들어, 애플리케이션 프로그램 인터페이스(application program interface; API))를 갖는 자급식 모듈 또는 코어일 수 있다. 외부 제어 장치(104)는 인터페이스(141)를 통한 LCD(114) 및 인터페이스(144)를 통한 기타 장치와의 통신을 관리할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 장치(104/132)는 단일 IC 칩으로 통합될 수 있고, 단일 패키지의 다중 IC 칩으로 통합되거나, 공통 하우징 내에서 다중 반도체 패키지로 통합될 수 있다.
도 1d 및 1e의 실시예들에서, 시스템(102)의 마스터 제어 기능은 공통 장치(132)에서 공유되지만, 공유 제어의 다른 분할 또는 허용된다. 예를 들어, 마스터 제어 기능의 일부는 공통 장치(132)와 전용 MCD(112) 사이에 분배될 수 있다. 다른 예에서, 마스터 제어 기능 및 로컬 제어 기능의 적어도 일부 모두는 공통 장치(132)에서 구현될 수 있다(예를 들어, 나머지 로컬 제어 기능은 LCD(114)에서 구현됨). 일부 실시예들에서, 모든 제어 시스템(102)은 공통 장치(또는 서브시스템)(132)에서 구현된다. 일부 실시예들에서, 로컬 제어 기능은 배터리 관리 시스템(BMS)과 같은 각 모듈(108)의 다른 컴포넌트와 공유되는 장치 내에서 구현된다.
캐스케이드식 에너지 시스템 내의 모듈 예
모듈(108)은 하나 이상의 에너지원과 전력 전자 변환기 및 원하는 경우 에너지 버퍼를 포함할 수 있다. 도 2a 내지 2b는 전력 변환기(202), 에너지 버퍼(204) 및 에너지원(206)을 갖는 모듈(108)이 있는 시스템(100)의 추가적인 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 변환기(202)는 전압 변환기 또는 전류 변환기일 수 있다. 본원에서는 전압 변환기를 참조하여 실시예들이 설명되어 있지만, 실시예들은 이에 제한되는 것은 아니다. 변환기(202)는 에너지원(204)으로부터의 직류(DC) 신호를 교류(AC) 신호로 변환하고 이를 전력 연결부(110)(예를 들어, 인버터)를 통해 출력하도록 구성될 수 있다. 변환기(202)는 또한 연결부(110)를 통해 AC 또는 DC 신호를 수신하고 이를 연속 또는 펄스 형태의 극성 중 하나로 에너지원(204)에 인가할 수 있다. 변환기(202)는 풀 브리지의 하프 브리지(H-브리지)와 같은 스위치(예를 들어, 전력 트랜지스터)의 배열이거나 이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 변환기(202)는 스위치만을 포함하고 변환기(및 전체적으로 볼 때 모듈)는 변압기를 포함하지 않는다.
변환기(202)는 또한(또는 대안적으로) AC 소스로부터 DC 에너지원을 충전하는 것과 같은 AC-DC 변환(예를 들어, 정류기), DC-DC 변환, 및/또는 AC-AC 변환(예를 들어, AC-DC와 결합하여)을 수행하도록 구성될 수 있다. 예컨대 AC-AC 변환을 수행하기 위한 일부 실시예들에서, 예컨대 변환기(202)는 변압기를 단독으로 또는 하나 이상의 전력 반도체(예를 들어, 스위치, 다이오드, 사이리스터 등)와 조합하여 포함할 수 있다. 중량 및 비용이 중요한 요소인 것과 같은 다른 실시예들에서, 변환기(202)는 전력 스위치, 전력 다이오드 또는 다른 반도체 장치만을 사용하고 변압기 없이 변환을 수행하도록 구성될 수 있다.
에너지원(206)은 바람직하게는 직류를 출력할 수 있고 전기 구동 장치를 위한 에너지 저장 애플리케이션에 적합한 에너지 밀도를 갖는 견고한 에너지 스토리지 장치이다. 에너지원(206)은 배터리 모듈 또는 어레이에서 함께 연결된 단일 배터리 셀 또는 다중 배터리 셀, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 전기화학 배터리일 수 있다. 도 4a-4d는 단일 배터리 셀(402)(도 4a), 다중(예를 들어, 네 개의) 셀(402)이 직렬 연결된 배터리 모듈(도 4b), 단일 셀(402)이 병렬 연결된 배터리 모듈(도 4c), 및 각각 두 개의 셀(402)이 있는 레그가 병렬 연결된 배터리 모듈(도 4d)로 구성된 에너지원(206)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 배터리 유형의 예시에 대한 비포괄적 목록은 본원의 다른 곳에서 설명되어 있다.
에너지원(206)은 또한 울트라커패시터 또는 슈퍼커패시터와 같은 고에너지 밀도(high energy density; HED) 커패시터일 수 있다. HED 커패시터는 이중층 커패시터(정전 전하 스토리지), 유사 커패시터(전기화학 전하 스토리지), 하이브리드 커패시터(정전기 및 전기화학)로 구성되거나, 아니면 일반적인 전해 커패시터의 고체 유전체 유형과 반대로 구성될 수 있다. HED 커패시터는 더 높은 용량 외에도, 전해 커패시터의 10내지 100배(또는 그 이상)의 에너지 밀도를 가질 수 있다. 예를 들어, HED 커패시터는 킬로그램당 1.0와트시(Wh/kg)보다 큰 특정 에너지, 및 10 내지 100패럿(F)보다 큰 커패시턴스를 가질 수 있다. 도 4a 내지 4d와 관련하여 설명된 배터리와 마찬가지로, 에너지원(206)은 단일의 HED 커패시터 또는 어레이(예를 들어, 직렬, 병렬 또는 이들의 조합)로 함께 연결된 다수의 HED 커패시터로서 구성될 수 있다.
에너지원(206)은 또한 연료 셀일 수 있다. 연료 셀은 단일 연료 셀, 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 연료 셀 또는 연료 셀 모듈일 수 있다. 연료 셀 유형의 예에는 양성자 교환막 연료 셀(proton-exchange membrane fuel cell; PEMFC), 인산 연료 셀(phosphoric acid fuel cell; PAFC), 고체 산성 연료 셀, 알칼리성 연료 셀, 고온 연료 셀, 고체 산화물 연료 셀, 용융 전해질 연료 셀 등이 포함된다. 도 4a 내지 4d와 관련하여 설명된 배터리와 마찬가지로, 에너지원(206)은 단일의 연료 셀 또는 어레이(예를 들어, 직렬, 병렬 또는 이들의 조합)로 함께 연결된 다수의 연료 셀로서 구성될 수 있다. 앞서 언급한 소스 등급(예를 들어, 배터리, 커패시터 및 연료 셀) 및 유형(예를 들어, 각 등급 내의 화학 물질 및/또는 구조적 구성)의 예는 포괄적인 목록을 형성하기 위한 것이 아니며, 당업자는 본 주제의 범위 내에 속하는 다른 변형을 인식할 것이다.
에너지 버퍼(204)는 DC 링크 전압의 안정성을 유지하는 것을 돕기 위해, DC 라인 또는 링크(예를 들어, 아래에 설명된 바와 같이 +VDCL 및 -VDCL)에 걸친 전류의 변동을 감쇠시키거나 필터링할 수 있다. 이러한 변동은 상대적으로 낮거나(예를 들어, 킬로헤르츠) 높은(예를 들어, 메가헤르츠) 주파수 변동 또는 변환기(202)의 스위칭 또는 기타 과도 현상으로 인한 고조파일 수 있다. 이러한 변동은 소스(206) 또는 변환기(202)의 포트(IO3 및 IO4)로 전달되는 대신에 버퍼(204)에 의해 흡수될 수 있다.
전력 연결부(110)는 모듈(108)로, 모듈(108)로부터 및 모듈(108)을 통해 에너지 또는 전력을 전달하기 위한 연결부이다. 모듈(108)은 에너지원(206)으로부터 전력 연결부(110)로 에너지를 출력할 수 있으며, 여기서 이는 시스템의 다른 모듈로 또는 부하로 전달될 수 있다. 모듈(108)은 또한 다른 모듈(108) 또는 충전원(DC 충전기, 단상 충전기, 다상 충전기)으로부터 에너지를 받을 수 있다. 신호는 또한 에너지원(206)을 바이패싱하여 모듈(108)을 통과할 수도 있다. 모듈(108) 안팎으로의 에너지 또는 전력의 라우팅은 LCD(114)(또는 시스템(102)의 다른 엔티티)의 제어 하에 변환기(202)에 의해 수행된다.
도 2a의 실시예에서, LCD(114)는 모듈(108)과 별개의 컴포넌트(예를 들어, 공유 모듈 하우징 내에 있지 않음)로서 구현되며, 통신 경로(116)를 통해 변환기(202)에 연결되어 이와 통신할 수 있다. 도 2b의 실시예에서, LCD(114)는 모듈(108)의 컴포넌트로 포함되며, 내부 통신 경로(118)(예를 들어, 공유 버스 또는 개별 연결부)를 통해 변환기(202)에 연결되어 이와 통신할 수 있다. LCD(114)는 또한 경로(116 또는 118)를 통해 에너지 버퍼(204) 및/또는 에너지원(206)와 신호를 송수신할 수 있다.
모듈(108)은 또한 전압, 전류, 온도 또는 상태 정보를 구성하는(또는 예를 들어 LCD(114)에 의해 상태 정보를 결정하는 데 사용될 수 있는) 기타 동작 파라미터와 같은, 모듈(108) 및/또는 그 컴포넌트의 하나 이상의 측면을 모니터링(예를 들어, 수집, 감지, 측정 및/또는 결정)하도록 구성된 모니터 회로부(208)를 포함할 수 있다. 상태 정보의 주요 기능은 모듈(108)의 하나 이상의 에너지원(206)의 상태를 설명하여 시스템(100)의 기타 소스와 비교하여 에너지원을 얼마나 활용할 것인지에 대한 결정을 가능하게 하지만, 기타 컴포넌트의 상태를 설명하는 상태 정보(예를 들어, 전압, 온도 및/또는 버퍼(204)의 결함 존재, 온도 및/또는 변환기(202)의 결함 존재, 모듈(108)의 다른 곳에서의 결함 존재 등)는 사용률 결정에도 사용될 수 있다. 모니터 회로부(208)는 하나 이상의 센서, 션트, 디바이더, 결함 검출기, 쿨롱 카운터, 컨트롤러 또는 이러한 측면을 모니터링하도록 구성된 기타 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 모니터 회로부(208)는 다양한 컴포넌트(202, 204 및 206)로부터 분리될 수 있거나, 각 컴포넌트(202, 204 및 206)(도 2a 내지 2b에 도시된 바와 같음) 또는 이들의 임의의 조합과 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모니터 회로부(208)는 배터리 에너지원(204)용 배터리 관리 시스템(BMS)의 일부이거나 그와 공유될 수 있다. 하나 이상의 유형의 상태 정보가 단일 회로 또는 장치로 모니터링되거나, 아니면 추가 회로에 대한 필요성 없이 알고리즘 방식으로 결정될 수 있으므로, 각 유형의 상태 정보를 모니터링하는 데 별도의 회로부가 필요하지 않다.
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)을 통해 정보를 모듈 컴포넌트에 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 요청하거나, 일부 경우에 변환기(202)를 특정 상태에 두는 스위치 신호와 결합하여 상태 정보가 생성되도록 자극(예를 들어, 전압)을 인가함으로써 상태 정보가 경로(116, 118)를 통해 전송되도록 할 수 있다.
모듈(108)의 물리적 구성 또는 레이아웃은 다양한 형태를 취할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모듈(108)은 일체형 LCD(114)와 같은 기타 선택적 컴포넌트와 함께, 모든 모듈 컴포넌트, 예를 들어 변환기(202), 버퍼(204) 및 소스(206)가 수용되는 공통 하우징을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 다양한 컴포넌트는 함께 고정된 개별 하우징에서 분리될 수 있다. 도 2c는 모듈의 에너지원(206) 및 모니터 회로부와 같은 수반되는 전자 장치를 보유하는 제1 하우징(220), 변환기(202), 변환기(202)와 같은 모듈 전자 장치, 에너지 버퍼(204) 및 모니터 회로부와 같은 기타 수반되는 전자 장치를 보유하는 제2 하우징(222), 및 모듈(108)용 LCD(114)(미도시)를 보유하는 제3 하우징(224)을 갖는 모듈(108)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 대안적인 실시예들에서, 모듈 전자장치 및 LCD(114)는 동일한 단일 하우징 내에 수용될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 모듈 전자장치, LCD(114) 및 에너지원(들)은 모듈(108)용의 동일한 단일 하우징 내에 수용될 수 있다. 다양한 모듈 컴포넌트 사이의 전기 연결부는 하우징(220, 222, 224)을 통해 진행될 수 있고, 다른 모듈(108) 또는 MCD(112)와 같은 기타 장치와의 연결을 위해 임의의 하우징 외부에 노출될 수 있다.
시스템(100)의 모듈(108)은 애플리케이션의 요구 및 부하의 수에 따른 다양한 구성으로 서로에 대해 물리적으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)이 마이크로그리드에 전력을 제공하는 고정형 애플리케이션에서, 모듈(108)은 하나 이상의 랙 또는 기타 프레임워크에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 해상 선박과 같은 더 큰 모바일 애플리케이션에도 적합할 수 있다. 대안으로, 모듈(108)은 함께 고정될 수 있고 팩(pack)이라고 하는 공통 하우징 내에 위치될 수 있다. 랙 또는 팩에는 모든 모듈에 걸쳐 공유되는 자체 전용 냉각 시스템이 있을 수 있다. 팩 구성은 전기 자동차와 같은 소형 모바일 애플리케이션에 유용하다. 시스템(100)은 하나 이상의 랙(예를 들어, 마이크로그리드로의 병렬 공급용) 또는 하나 이상의 팩(예를 들어, 차량의 상이한 모터에 서비스 제공) 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 도 2d는 공통 하우징(230) 내에서 전기적 및 물리적으로 함께 결합된 9개의 모듈(108)을 갖는 팩으로서 구성된 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다.
이러한 구성 및 추가 구성의 예는 2020년 3월 27일 출원되고 Module-Based Energy Systems Capable of Cascaded and Interconnected Configurations, and Methods Related Thereto라는 명칭의 국체 출원 번호 제PCT/US20/25366호에 설명되어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 그 전문이 본원에 참조로 통합된다.
도 3a 내지 3c는 다양한 전기 구성을 갖는 모듈(108)의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다. 이러한 실시예들은 LCD(114)이 관련 모듈 내에 수용된 모듈(108)당 하나의 LCD(114)를 갖는 것으로 설명되어 있지만, 본원에 설명된 바와 같이 달리 구성될 수 있다. 도 3a는 시스템(100) 내의 모듈(108A)의 제1 예시적인 구성을 도시한다. 모듈(108A)은 에너지원(206), 에너지 버퍼(204) 및 변환기(202A)를 포함한다. 각 컴포넌트는 전력이 입력될 수 있고 및/또는 전력이 출력될 수 있는 전력 연결 포트(예를 들어, 단자, 커넥터)를 가지며, 본원에서는 IO 포트라고 한다. 이러한 포트는 컨텍스트에 따라 입력 포트 또는 출력 포트라고도 한다.
에너지원(206)은 본원에 설명된 임의의 에너지원 유형(예를 들어, 도 4a 내지 4d와 관련하여 설명된 바와 같은 배터리, HED 커패시터, 연료 셀 등)으로 구성될 수 있다. 에너지원(206)의 포트(IO1 및 IO2)는 각각 에너지 버퍼(204)의 포트(IO1 및 IO2)에 연결될 수 있다. 에너지 버퍼(204)는 변환기(202)를 통해 버퍼(204)에 도달하는 고주파수 및 저주파 에너지 맥동을 버퍼링하거나 필터링하도록 구성될 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 모듈(108)의 성능을 저하시킬 수 있다. 버퍼(204)의 토폴로지 및 컴포넌트는 이러한 고주파수 전압 맥동의 최대 허용 가능한 진폭을 수용하도록 선택된다. 에너지 버퍼(204)의 몇몇(비포괄적) 예시적인 실시예들이 도 5a 내지 5c의 개략도에 도시되어 있다. 도 5a에서, 버퍼(204)는 전해질 및/또는 필름 커패시터(CEB)이고, 도 5b에서, 버퍼(204)는 두 개의 인덕터(LEB1 및 LEB2)와 두 개의 전해질 및/또는 필름 커패시터(CEB1 및 CEB2)에 의해 형성된 Z-소스 네트워크(710)이고, 도 5c에서, 버퍼(204)는 두 개의 인덕터(LEB1 및 LEB2), 두 개의 전해질 및/또는 필름 커패시터(CEB1 및 CEB2) 및 다이오드(DEB)에 의해 형성되는 유사 Z-소스 네트워크(720)이다.
에너지 버퍼(204)의 포트(IO3 및 IO4)는 본원에 설명된 임의의 전력 변환기 유형으로 구성될 수 있는 변환기(202A)의 포트(IO1 및 IO2)에 각각 연결될 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, 여기서 변환기(202A)는 풀 브리지 구성으로 배열된 네 개의 스위치(S3, S4, S5, S6)를 포함한다. 제어 시스템(102) 또는 LCD(114)는 각 게이트에 대한 제어 입력 라인(118-3)을 통해 각 스위치를 독립적으로 제어할 수 있다.
스위치는 본원에 도시된 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor; MOSFET), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT) 또는 질화갈륨(GaN) 트랜지스터와 같은 전력 반도체와 같은 임의의 적절한 스위치 유형일 수 있다. 반도체 스위치는 상대적으로 높은 스위칭 주파수에서 동작할 수 있으며, 이로써 변환기(202)가 원하는 경우 펄스 폭 변조(pulse-width modulated; PWM) 모드에서 동작되도록 하고, 상대적으로 짧은 시간 간격 내에서 제어 명령에 응답할 수 있다. 이는 과도 모드에서 출력 전압 조정 및 빠른 동적 동작에 대한 높은 공차를 제공할 수 있다.
이 실시예에서, DC 라인 전압(VDCL)은 포트(IO1 및 IO2) 사이의 변환기(202)에 인가될 수 있다. 스위치(S3, S4, S5, S6)의 상이한 조합에 의해 VDCL을 포트(IO3 및 IO4)에 연결함으로써, 변환기(202)는 포트(IO3 및 IO4)에서 세 개의 상이한 전압 출력, 즉 +VDCL, 0 및 -VDCL을 생성할 수 있다. 각 스위치에 제공되는 스위치 신호는 스위치가 켜짐(닫힘) 또는 꺼짐(열림) 여부를 제어한다. +VDCL을 얻으려면, 스위치(S3 및 S6)는 턴 온되고 S4 및 S5는 턴 오프되는 반면, -VDCL은 스위치(S4 및 S5) 턴 온시키고 S3 및 S6을 턴 오프시킴으로써 얻을 수 있다. 출력 전압은 S4 및 S6이 턴 오프된 상태에서 S3 및 S5를 턴 온시키거나, S3 및 S5가 턴 오프된 상태에서 S4 및 S6을 턴 온시킴으로써 0(0에 가까운 전압 포함) 또는 기준 전압으로 설정될 수 있다. 이러한 전압은 전력 연결부(110)를 통해 모듈(108)로부터 출력될 수 있다. 변환기(202)의 포트(IO3 및 IO4)는 다른 모듈(108)로부터의 출력 전압과 함께 사용하기 위한 출력 전압을 생성하기 위해, 전력 연결부(110)의 모듈 IO 포트 1 및 2에 연결(또는 형성)될 수 있다.
본원에 설명된 변환기(202)의 실시예들에 대한 제어 또는 스위치 신호는 변환기(202)의 출력 전압을 생성하기 위해 시스템(100)에 의해 이용되는 제어 기술에 따라 상이한 방식으로 생성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 기술은 공간 벡터 펄스 폭 변조(space vector pulse-width modulation; SVPWM) 또는 정현파 펄스 폭 변조(sinusoidal pulse-width modulation; SPWM) 또는 이들의 변형과 같은 PWM 기술이다. 도 8a는 변환기(202)의 출력 전압 파형(802)의 일 예를 도시하는 전압 대 시간의 그래프이다. 설명의 편의를 위해, 본원의 실시예들은 PWM 제어 기술의 맥락에서 설명될 것이지만, 실시예들은 이에 제한되지는 않는다. 다른 등급의 기술이 사용될 수 있다. 하나의 대체 등급은 히스테리시스를 기반으로 하며, 그 예는 국제 공개 번호 제WO 2018/231810A1호, 제WO 2018/232403A1호, 및 제WO 2019/183553A1호에 설명되어 있으며, 이는 모든 목적을 위해 본원에 참조로 통합된다.
각 모듈(108)은 다수의 에너지원(206)(예를 들어, 2개, 3개, 4개 또는 그 이상)으로 구성될 수 있다. 모듈(108)의 각 에너지원(206)은 모듈의 다른 소스(206)와 독립적으로 연결부(110)에 전력을 공급하도록(또는 충전원으로부터 전력을 수신하도록) 제어 가능(스위칭 가능)할 수 있다. 예를 들어, 모든 소스(206)는 동시에 연결부(110)에 전력을 출력할(또는 충전될) 수 있거나, 소스(206) 중 하나(또는 서브세트)만 한번에 전력을 공급할(또는 충전될) 수 있다. 일부 실시예들에서, 모듈의 소스(206)는 그들 사이에서 에너지를 교환할 수 있으며, 예를 들어 하나의 소스(206)는 다른 소스(206)를 충전할 수 있다. 소스(206) 각각은 본원에 설명된 임의의 에너지원(예를 들어, 배터리, HED 커패시터, 연료 셀)로서 구성될 수 있다. 소스(206) 각각은 동일한 등급(예를 들어, 각각은 배터리일 수 있거나, 각각은 HED 커패시터일 수 있거나, 각각은 연료 셀일 수 있음)이거나, 상이한 등급(예를 들어, 제1 소스는 배터리일 수 있고 제2 소스는 HED 커패시터 또는 연료 셀일 수 있거나, 제1 소스는 HED 커패시터일 수 있고 제2 소스는 연료 셀일 수 있음)일 수 있다.
도 3b는 1차 에너지원(206A) 및 2차 에너지원(206B)을 갖는 이중 에너지원 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 연결될 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 연결될 수 있다. 2차 소스(206B)의 포트(IO1 및 IO2)는 변환기(202B)의 포트(IO5 및 IO2)에 각각 연결(또한 버퍼(204)의 포트(IO4)에 연결)될 수 있다.
모듈(108B)의 이 예시적인 실시예에서, 시스템(100)의 다른 모듈(108)과 함께 1차 에너지원(202A)은 부하에 의해 필요한 평균 전력을 공급한다. 2차 소스(202B)는 부하 전력 피크에서 추가 전력을 제공하거나 초과 전력을 흡수하는 등을 함으로써 에너지원(202)을 보조하는 기능을 할 수 있다.
언급된 바와 같이, 1차 소스(206A) 및 2차 소스(206B) 모두는 변환기(202B)의 스위치 상태에 따라 동시에 또는 별도의 시간에 사용될 수 있다. 동시에, 전해질 및/또는 필름 커패시터(CES)는 도 4e에 도시된 바와 같이 소스(206B)와 병렬로 배치되어 소스(206B)에 대한 에너지 버퍼로서 작용하거나, 에너지원(206B)은 도 4f에 도시된 바와 같이 다른 에너지원(예를 들어, 배터리 또는 연료 셀)와 병렬로 HED 커패시터를 이용하도록 구성될 수 있다.
도 6a 및 6c는 변환기(202B 및 202C)의 예시적인 실시예들을 각각 도시하는 개략도이다. 변환기(202B)는 스위치 회로 부분(601 및 602A)을 포함한다. 부분(601)은 변환기(202A)와 유사한 방식으로 풀 브리지로 구성된 스위치(S3 내지 S6)를 포함하고, IO1 및 IO2를 IO3 및 IO4 중 하나에 선택적으로 결합하도록 구성되어, 모듈(108B)의 출력 전압을 변경한다. 부분(602A)은 하프 브리지로 구성되고 포트(IO1 및 IO2) 사이에 결합된 스위치(S1 및 S2)를 포함한다. 결합 인덕터(LC)는 포트(IO5)와 스위치(S1 및 S2) 사이에 존재하는 노드(1) 사이에 연결되어 스위치 부분(602A)이 전압(또는 역전류)을 조절(부스트 또는 벅)할 수 있는 양방향 변환기이다. 스위치 부분(602A)은 사실상 제로 전위일 수 있는 포트 IO2를 기준으로 +VDCL2 및 0인, 노드(1)에서 두 개의 상이한 전압을 생성할 수 있다. 에너지원(202B)으로부터 소비되거나 이에 입력되는 전류는 예를 들어 스위치(S1 및 S2)를 정류하기 위한 펄스 폭 변조 기술 또는 히스테리시스 제어 방법을 사용하여 결합 인덕터(LC)의 전압을 조절함으로써 제어될 수 있다. 다른 기술도 사용될 수 있다.
변환기(202C)는 스위치 부분(602B)이 하프 브리지로 구성되고 포트(IO5 및 IO2) 사이에 결합된 스위치(S1 및 S2)를 포함하기 때문에 202B의 변환기와 다르다. 결합 인덕터(LC)는 스위치 부분(602B)이 전압을 조절하도록 구성되도록 스위치(S1 및 S2) 사이에 존재하는 노드(1)와 포트(IO1) 사이에 연결된다.
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. 이러한 실시예 및 도 6a 실시예에서, LCD(114)(MCD(112)가 아님)는 변환기 스위치용 스위칭 신호를 생성한다. 대안으로, MCD(112)는 스위치에 직접 전달되거나 LCD(114)에 의해 중계될 수 있는 스위칭 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위칭 신호를 생성하기 위한 드라이버 회로부는 MCD(112) 및/또는 LCD(114)에 존재하거나 관련될 수 있다.
변환기(202)에 대한 전술한 제로 전압 구성(S4 및 S6이 턴 오프된 상태에서 S3 및 S5를 턴 온시키거나, S3 및 S5가 턴 오프된 상태에서 S4 및 S6을 턴 온시키는 것)은 또한 주어진 모듈에 대한 바이패스 상태로 지칭될 수 있다. 이 바이패스 상태는 주어진 모듈에서 결함이 검출되는 경우, 또는 시스템 결함이 검출되어 어레이 또는 시스템에서 둘 이상(또는 모든 모듈)의 셧 오프(shut-off)를 보증하는 경우 입력될 수 있다. 모듈의 결함은 LCD(114)에 의해 검출될 수 있으며 변환기(202)에 대한 제어 스위칭 신호는 MCD(112)에 의한 개입 없이 바이패스 상태를 체결하도록 설정될 수 있다. 대안으로, 주어진 모듈에 대한 결함 정보는 LCD(114)에 의해 MCD(112)로 전달될 수 있고, MCD(112)는 그런 다음 바이패스 상태를 체결할지 여부에 대한 결정을 내릴 수 있고, 그런 경우, 바이패스 상태를 체결하기 위한 명령어를 결합을 갖는 모듈과 연관된 LCD(114)로 전달할 수 있으며, 이 시점에서 LCD(114)는 바이패스 상태의 체결을 야기하는 스위칭 신호를 출력할 수 있다.
모듈(108)이 세 개 이상의 에너지원(206)을 포함하는 실시예들에서, 변환기(202B 및 202C)는 각 추가 에너지원(206B)이 특정 소스의 필요에 따라 추가 스위치 회로 부분(602A 또는 602B)으로 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 에너지원(206)을 갖는 모듈(108)은 소스(206) 사이의 에너지 공유, 애플리케이션 내로부터의 에너지 캡처(예를 들어, 회생 제동), 전체 시스템이 방전 상태에 있는 동안에도 2차 소스에 의한 1차 소스의 충전, 및 모듈 출력의 능동 필터링과 같은 추가 기능을 수행할 수 있다. 능동 필터링 기능은 2차 에너지원 대신에 일반적인 전해 커패시터를 갖는 모듈에 의해서도 수행될 수 있다. 이러한 기능의 예는 2020년 3월 27일자로 출원되고 Module-Based Energy Systems Capable of Cascaded and Interconnected Configurations, and Methods Related Thereto이라는 명칭의 국체 출원 번호 제PCT/US20/25366호, 및 2019년 3월 22일자로 출원되고 Systems and Methods for Power Management and Control이라는 명칭의 국제 공개 번호 제WO 2019/183553호에서 보다 상세하게 설명되어 있으며, 이 둘 모두는 모든 목적을 위해 그들 전문이 본원에 참조로 통합된다.
각 모듈(108)은 하나 이상의 에너지원(206)으로 하나 이상의 보조 부하를 공급하도록 구성될 수 있다. 보조 부하는 1차 부하(101)보다 낮은 전압을 필요로 하는 부하이다. 보조 부하의 예는 예를 들어 전기 자동차의 온보드 전기 네트워크 또는 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 에너지원의 전기적 특성(단자 전압 및 전류)과 부하의 전기적 특성 사이의 완전한 분리를 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 에너지원(206), 에너지 버퍼(204) 및 도 3b의 방식과 유사한 방식으로 함께 결합된 변환기(202B)를 포함한다. 제1 보조 부하(301)는 소스(206)로부터 공급되는 것과 동등한 전압을 필요로 한다. 부하(301)는 모듈(108C)의 IO 포트(3 및 4)에 결합되고, 이들은 차례로 소스(206)의 포트(IO1 및 IO2)에 결합된다. 소스(206)는 전력 연결부(110) 및 부하(301) 둘 모두에 전력을 출력할 수 있다. 제2 보조 부하(302)는 소스(206)의 정전압보다 낮은 정전압을 필요로 한다. 부하(302)는 모듈(108C)의 IO 포트(5 및 6)에 결합되고, 이들은 변환기(202B)의 포트(IO5 및 IO2)에 각각 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 공급되는 에너지는 변환기(202B)의 스위치 부분(602)을 통해 부하(302)에 공급될 수 있다. 부하(302)는 입력 커패시터(그렇지 않은 경우 커패시터가 모듈(108C)에 추가될 수 있음)를 가지고 있다고 가정하며, 따라서 스위치(S1 및 S2)는 커플링 인덕터(LC)를 통해 전류 및 이의 전압을 조절하기 위해 정류될 수 있으므로 부하(302)를 위한 안정적인 정전압을 생성한다. 이 조절은 소스(206)의 전압을 부하(302)에 의해 요구되는 더 낮은 크기의 전압으로 낮출 수 있다.
따라서 모듈(108C)은 하나 이상의 제1 부하가 IO 포트(3 및 4)에 결합된, 부하(301)에 대해 설명된 방식으로 하나 이상의 제1 보조 부하를 공급하도록 구성될 수 있다. 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, 각 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 에너지원(206)은 임의 개수의 보조 부하(예를 들어, 301 및 302), 뿐만 아니라 1차 부하(101)에 필요한 시스템 출력 전력의 해당 부분에 전력을 공급할 수 있다. 소스(206)에서 다양한 부하로의 전력 흐름은 원하는 대로 조정될 수 있다.
모듈(108)은 필요에 따라 둘 이상의 에너지원(206)(도 3b)으로 구성될 수 있고, 각 추가 소스(206B) 또는 제2 보조 부하(302)에 대한 변환기 포트(IO5) 및 스위치 부분(602)의 추가를 통해 제1 및/또는 제2 보조 부하(도 3c)를 공급하도록 구성될 수 있다. 추가 모듈 IO 포트(예를 들어, 3, 4, 5, 6)는 필요에 따라 추가될 수 있다. 모듈(108)은 또한 본원에 추가로 설명되는 바와 같이 둘 이상의 어레이, 둘 이상의 팩, 또는 둘 이상의 시스템(100) 사이에서 (예를 들어, 밸런싱을 위해) 에너지를 교환하기 위한 상호연결 모듈로서 구성될 수 있다. 이 상호연결 기능은 마찬가지로 다중 소스 및/또는 다중 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 기능은 각 에너지원(206)의 사용률(사용량) 관리, 과전류, 과전압 및 고온 조건으로부터의 에너지 버퍼(204) 보호, 및 변환기(202) 제어와 보호를 포함할 수 있다.
예를 들어, 각 에너지원(206)의 사용률을 관리(예를 들어, 증가, 감소 또는 유지함으로써 조정)하기 위해, LCD(114)는 각 에너지원(206)(또는 모니터 회로부)으로부터 하나 이상의 모니터링된 전압, 온도 및 전류를 수신할 수 있다. 모니터링된 전압은 소스(206)의 다른 컴포넌트(예를 들어, 각 개별 배터리 셀, HED 커패시터 및/또는 연료 셀)와 독립적인 각 기본 컴포넌트의 전압 중 적어도 하나, 바람직하게는 모두이가나, 또는 전체적으로 기본 컴포넌트 그룹의 전압(예를 들어, 배터리 어레이, HED 커패시터 어레이 및/또는 연료 셀 어레이의 전압)일 수 있다. 마찬가지로 모니터링된 온도 및 전류는 소스(206)의 다른 컴포넌트와 독립적인 각 기본 컴포넌트의 온도 및 전류 중 적어도 하나, 바람직하게는 전부이거나, 또는 전체적으로 기본 컴포넌트 그룹의 온도 및 전류, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 모니터링된 신호는 LCD(114)가 실제 용량의 계산 또는 결정, 기본 컴포넌트 또는 기본 컴포넌트 그룹의 실제 충전 상태(SOC) 및/또는 건강 상태(SOH); 모니터링된 및/또는 계산된 상태 정보를 기반으로 경고 또는 알람 표시를 설정 또는 출력; 및/또는 상태 정보를 MCD(112)로 전송 중 하나 이상을 수행할 수 있는 상태 정보일 수 있다. LCD(114)는 MCD(112)로부터 제어 정보(예를 들어, 변조 지수, 동기화 신호)를 수신하고 이 제어 정보를 사용하여 소스(206)의 사용률을 관리하는 변환기(202)용 스위치 신호를 생성할 수 있다.
에너지 버퍼(204)를 보호하기 위해, LCD(114)는 에너지 버퍼(204)(또는 모니터 회로부)로부터 하나 이상의 모니터링된 전압, 온도 및 전류를 수신할 수 있다. 모니터링된 전압은 다른 컴포넌트와 독립적인 버퍼(204)(예를 들어, CEB, CEB1, CEB2, LEB1, LEB2, DEB)의 각 기본 컴포넌트의 전압 중 적어도 하나, 바람직하게는 전부일 수 있거나, 전체적으로 기본 컴포넌트 그룹 또는 버퍼(204)의 (예를 들어, IO1과 IO2 사이 또는 IO3와 IO4 사이의) 전압일 수 있다. 마찬가지로 모니터링된 온도 및 전류는 버퍼(204)의 각 기본 컴포넌트의 온도 및 전류 중 적어도 하나, 바람직하게는 전부이거나, 또는 전체적으로 기본 컴포넌트 그룹 또는 버퍼(204)의 온도 및 전류, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 모니터링된 신호는 LCD(114)가 경고 또는 알람 표시를 설정하거나 출력; 상태 정보를 MCD(112)에 전달; 또는 버퍼 보호를 위해 전체적으로 소스(206) 및 모듈(108)의 사용률을 조정(증가 또는 감소)하기 위해 변환기(202) 제어 중 하나 이상을 수행할 수 있는, 상태 정보일 수 있다.
변환기(202)를 제어하고 보호하기 위해, LCD(114)는 MCD(112)로부터 제어 정보(예를 들어, 변조된 기준 신호 또는 기준 신호 및 변조 지수)를 수신할 수 있으며, 이는 각 스위치(예를 들어, S1 내지 S6)에 대한 제어 신호를 생성하기 위해 LCD(114)의 PWM 기술이 사용될 수 있다. LCD(114)는 변환기(202)의 전류 센서로부터 전류 피드백 신호를 수신할 수 있으며, 이는 변환기(202)의 모든 스위치의 결함 상태(예를 들어, 단락 또는 개방 회로 고장 모드)에 대한 정보를 전달할 수 있는 변환기 스위치의 드라이버 회로(미도시)로부터 하나 이상의 결함 상태 신호와 함께 과전류 보호에 사용될 수 있다. 이 데이터에 기초하여, LCD(114)는 모듈(108)의 사용률을 관리하고, 잠재적으로 시스템(100)으로부터 변환기(202)(및 전체 모듈(108))를 바이패스하거나 분리하기 위해 적용될 스위칭 신호의 조합을 결정할 수 있다.
제2 보조 부하(302)를 공급하는 모듈(108C)을 제어하는 경우, LCD(114)는 하나 이상의 모니터링된 전압(예를 들어, IO 포트(5 및 6) 사이의 전압) 및 모듈(108C)의 하나 이상의 모니터링된 전류(예를 들어, 결합 인덕터(LC)의 전류로서, 이는 부하(302)의 전류임)를 수신할 수 있다. 이러한 신호에 기초하여, LCD(114)는 부하(302)에 대한 전압을 제어(및 안정화)하기 위해 (예를 들어, 변조 지수 또는 기준 파형의 조정에 의해) S1 및 S2의 스위칭 사이클을 조정할 수 있다.
캐스케이드식 에너지 시스템 토폴로지 예
둘 이상의 모듈(108)은 어레이 내의 각 모듈(108)에 의해 생성된 이산 전압의 중첩에 의해 형성된 전압 신호를 출력하는 캐스케이드식 어레이로 함께 결합될 수 있다. 도 7a는 시스템(100)에 대한 토폴로지의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도로서, 여기서 N개의 모듈(108-1, 108-2...108-N)은 직렬 어레이(700)를 형성하기 위해 직렬로 함께 결합된다. 본원에 설명된 본 실시예 및 모든 실시예들에서, N은 1보다 큰 임의의 정수일 수 있다. 어레이(700)는 어레이 출력 전압이 생성되는 제1 시스템 IO 포트(SIO1) 및 제2 시스템 IO 포트(SIO2)를 포함한다. 어레이(700)는 어레이(700)의 SIO1 및 SIO2에 연결될 수 있는 DC 또는 AC 단상 부하에 대한 DC 또는 단상 AC 에너지원으로 사용될 수 있다. 도 8a는 48볼트 에너지원을 갖는 단일 모듈(108)에 의해 생성된 예시적인 출력 신호를 도시하는 전압 대 시간의 플롯이다. 도 8b는 직렬로 결합된 6개의 48V 모듈(108)을 갖는 어레이(700)에 의해 생성된 예시적인 단상 AC 출력 신호를 도시하는 전압 대 시간의 플롯이다.
시스템(100)은 애플리케이션의 다양한 요구를 충족시키기 위해 다양한 토폴로지로 배열될 수 있다. 시스템(100)은 다수의 어레이(700)를 사용하여 다상 전력(예를 들어, 2상, 3상, 4상, 5상, 6상 등)을 부하에 제공할 수 있으며, 여기서 각 어레이는 위상각이 다른 AC 출력 신호를 생성할 수 있다.
도 7b는 함께 결합된 두 개의 어레이(700-PA 및 700-PB)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. 각 어레이(700)는 N개의 모듈(108)의 직렬 연결에 의해 형성된 1차원이다. 두 개의 어레이(700-PA 및 700-PB)는 각각 단상 AC 신호를 생성할 수 있으며, 여기서 두 개의 AC 신호는 상이한 위상각(PA 및 PB)(예를 들어, 180도 떨어져 있음)를 갖는다. 각 어레이(700-PA 및 700-PB)의 모듈(108-1)의 IO 포트(1)는 각각 시스템 IO 포트(SIO1 및 SIO2)를 형성하거나 이에 연결될 수 있으며, 이는 차례로 2상 전력을 부하(미도시)에 제공할 수 있는 각 어레이의 제1 출력 역할을 할 수 있다. 또는 대안으로 포트(SIO1 및 SIO2)는 두 개의 병렬 어레이로부터 단상 전력을 제공하도록 연결될 수 있다. 각 어레이(700-PA 및 700-PB)의 모듈(108-N)의 IO 포트(2)는 시스템 IO 포트(SIO1 및 SIO2)로부터 어레이의 반대쪽 끝에 있는 각 어레이(700-PA 및 700-PB)에 대한 제2 출력 역할을 할 수 있으며, 공통 노드에서 함께 연결될 수 있으며 선택적으로는 원하는 경우 중립으로 사용할 수 있는 추가 시스템 IO 포트(SIO3)에 사용될 수 있다. 이 공통 노드는 레일로 지칭될 수 있고, 각 어레이(700)의 모듈(108-N)의 IO 포트(2)는 어레이의 레일 측에 있는 것으로 지칭될 수 있다.
도 7c는 함께 결합된 세 개의 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. 각 어레이(700)는 N개의 모듈(108)의 직렬 연결에 의해 형성된 1차원이다. 세 개의 어레이(700-1 및 700-2)는 각각 단상 AC 신호를 생성할 수 있으며, 여기서 세 개의 AC 신호는 상이한 위상각(PA, PB, PC)(예를 들어, 120도 떨어져 있음)를 갖는다. 각 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)의 모듈(108-1)의 IO 포트(1)는 각각 시스템 IO 포트(SIO1, SIO2 및 SIO3)를 형성하거나 이에 연결될 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(2)는 공통 노드에서 함께 결합될 수 있으며, 선택적으로는 원하는 경우 중립 역할을 할 수 있는 추가 시스템 IO 포트(SIO4)에 사용될 수 있다.
도 7b 및 7c의 2상 및 3상 실시예들과 관련하여 설명된 개념은 더 많은 위상의 전력을 여전히 생성하는 시스템(100)으로 확장될 수 있다. 예를 들어, 비포괄적인 추가 예의 목록에는, 각각이 상이한 위상각(예를 들어, 90도 떨어져 있음)을 갖는 단상 AC 신호를 생성하도록 구성되는 네 개의 어레이(700)를 갖는 시스템(100): 시스템(100)은 그 각각이 상이한 위상각(예를 들어, 72도 떨어져 있음)을 갖는 단상 AC 신호를 생성하도록 구성되는 5개의 어레이(700)를 갖는 시스템(100); 및 각각의 어레이가 상이한 위상각(예를 들어, 60도 떨어져 있음)을 갖는 단상 AC 신호를 생성하도록 구성되는 6개의 어레이(700)를 갖는 시스템(100)이 포함된다.
시스템(100)은 어레이(700)가 각 어레이 내의 모듈(108) 사이의 전기 노드에서 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 도 7d는 조합된 직렬 및 델타 배열로 함께 결합된 세 개의 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. 각 어레이(700)는 N개의 모듈(108)(N은 2 이상임)의 제2 직렬 연결부와 결합된, M개의 모듈(108)(M은 2 이상임)의 제1 직렬 연결부를 포함한다. 델타 구성은 임의의 원하는 위치에 배치될 수 있는 어레이 간의 상호 연결에 의해 형성된다. 이 실시예에서, 어레이(700-PC)의 모듈(108-(M+N))의 IO 포트(2)는 어레이(700-PA)의 모듈(108-M)의 IO 포트(2) 및 모듈(108-(M+1))의 IO 포트(1)와 결합되고, 어레이(700-PB)의 모듈(108-(M+N))의 IO 포트(2)는 어레이(700-PC)의 모듈(108-M)의 IO 포트(2) 및 모듈(108-(M+1))의 IO 포트(1)와 결합되고, 어레이(700-PA)의 모듈(108-(M+N))의 IO 포트(2)는 어레이(700-PB)의 모듈(108-M)의 IO 포트(2) 및 모듈(108-(M+1))의 IO 포트(1)와 결합된다.
도 7e는 조합된 직렬 및 델타 배열로 함께 결합된 세 개의 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)를 갖는 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. 이 실시예는 상이한 교차 연결을 제외하고는 도 7d의 연결과 유사하다. 이 실시예에서, 어레이(700-PC)의 모듈(108-M)의 IO 포트(2)는 어레이(700-PA)의 모듈(108-1)의 IO 포트(1)와 결합되고, 어레이(700-PB)의 모듈(108-M)의 IO 포트(2)는 어레이(700-PC)의 모듈(108-1)의 IO 포트(1)과 결합되고, 어레이(700-PA)의 모듈(108-M)의 IO 포트(2)는 어레이(700-PB)의 모듈(108-1)의 IO 포트(1)와 결합된다. 도 7d 및 7e의 배열은 각 어레이(700)에서 최소 두 개의 모듈로 구현될 수 있다. 조합된 델타 및 직렬 구성은 시스템의 모든 모듈(108)(위상간 밸런싱)과 전력 그리드 또는 부하의 위상 사이에서 에너지의 효과적인 교환을 가능하게 하고, 원하는 출력 전압을 얻기 위해 어레이(700)에서 모듈(108)의 총 수를 줄이는 것을 허용한다.
본원에 설명된 실시예들에서, 시스템(100) 내의 각 어레이(700)에서 모듈(108)의 수가 동일한 것이 유리하지만, 이는 요구되지 않으며 상이한 어레이(700)는 상이한 수의 모듈(108)을 가질 수 있다. 또한, 각 어레이(700)는 모두 동일한 구성(예를 들어, 모든 모듈은 108A이고, 모든 모듈은 108B이고, 모든 모듈은 108C임 등) 또는 다른 구성(예를 들어, 하나 이상의 모듈은 108A이고, 하나 이상은 108B이고, 하나 이상은 108C임 등)인 모듈(108)을 가질 수 있다. 이와 같이, 본원에 포함된 시스템(100)의 토폴로지의 범위는 광범위하다.
제어 방법론 예
언급된 바와 같이, 시스템(100)의 제어는 히스테리시스 또는 PWM과 같은 다양한 방법론에 따라 수행될 수 있다. PWM의 몇 가지 예에는 공간 벡터 변조 및 사인 펄스 폭 변조가 포함되며, 여기서 변환기(202)에 대한 스위칭 신호는 각 모듈(108)의 사용률을 연속적으로 회전시켜 그들 사이에 전력을 균등하게 분배하는 위상 편이 반송파 기술로 생성된다.
도 8c 내지 8f는 점진적으로 시프트된 2-레벨 파형을 사용하여 다중 레벨 출력 PWM 파형을 생성할 수 있는 위상 편이 PWM 제어 방법론의 예시적인 실시예를 도시하는 플롯이다. X-레벨 PWM 파형은 (X-1)/두 개의 2-레벨 PWM 파형을 합산하여 생성될 수 있다. 이러한 2-레벨 파형은 기준 파형(Vref)를 360°/(X-1)씩 점진적으로 시프트된 반송파와 비교하여 생성될 수 있다. 반송파는 삼각형이지만, 실시예들은 이에 제한되지는 않는다. 9-레벨 예가 (네 개의 모듈(108) 사용하여) 도 8c에 도시된다. 반송파는 360°/(9-1) = 45°씩 점진적으로 시프트되고 Vref와 비교된다. 결과적인 2-레벨 PWM 파형이 도 8e에 도시된다. 이들 2-레벨 파형은 변환기(202)의 반도체 스위치(예를 들어, S1 내지 S6)에 대한 스위칭 신호로서 사용될 수 있다. 일 예로서 도 8e를 참조하며, 각각 변환기(202)를 갖는 네 개의 모듈(108)을 포함하는 1차원 어레이(700)의 경우, 0° 신호는 제1 모듈(108-1)의 S3 제어용이고 180° 신호는 S6용이며, 45° 신호는 제2 모듈(108-2)의 S3용이고 225° 신호는 S6용이며, 90 신호는 제3 모듈(108-3)의 S3용이고 270 신호는 S6용이며, 135 신호는 제4 모듈(108-4)의 S3용이고 315 신호는 S6용이다. S3용 신호는 S4에 대해 보완적이며 S5용 신호는 각 하프 브리지의 슛 스루(shoot through)를 방지하기에 충분한 데드 타임을 갖는 S6에 대해 보완적이다. 도 8f는 네 개의 모듈(108)로부터의 출력 전압의 중첩(합산)에 의해 생성된 예시적인 단상 AC 파형을 도시한다.
대안은 제1 (N-1)/2 반송파와 함께 포지티브 및 네거티브 기준 신호 모두를 활용하는 것이다. 9-레벨 예는 도 8d에 도시된다. 이 예에서, 0° 내지 135° 스위칭 신호(도 8e)는 +Vref를 도 8d의 0° 내지 135° 반송파와 비교함으로써 생성되며, 180° 내지 315° 스위칭 신호는 -Vref를 도 8d의 0° 내지 135° 반송파와 비교함으로써 생성된다. 그러나, 후자의 경우 비교 논리는 반대이다. 상태 머신 디코더와 같은 다른 기술은 또한 변환기(202)의 스위치에 대한 게이트 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다.
다상 시스템 실시예들에서, 동일한 반송파가 각 위상에 사용될 수 있거나, 반송파 세트가 각 위상에 대해 전체적으로 시프트될 수 있다. 예를 들어, 단일 기준 전압(Vref)을 갖는 3상 시스템에서, 각 어레이(700)는 도 8c 및 8d에 도시된 바와 같이 동일한 상대 오프셋을 갖는 동일한 수의 반송파를 사용할 수 있지만, 제2 위상의 반송파가 제1 위상의 반송파에 비해 120씩 시프트되고, 제3 위상의 반송파가 제1 위상의 반송파에 비해 240도씩 시프트된다. 각 위상에 대해 서로 다른 기준 전압을 사용할 수 있는 경우, 위상 정보는 기준 전압으로 전달될 수 있으며 각 위상에 대해 동일한 반송파가 사용될 수 있다. 많은 경우에, 반송파 주파수는 고정되지만, 일부 예시적인 실시예들에서는, 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 각 LCD(114)에 Vref 및 적절한 반송파 신호를 제공할 수 있고, 그런 다음 LCD(114)는 스위칭 신호를 생성할 수 있다. 또는 어레이 내의 모든 LCD(114)에 모든 반송파 신호가 제공될 수 있고 LCD는 적절한 반송파 신호를 선택할 수 있다.
각 모듈(108)의 상대적 사용률은 밸런싱을 수행하기 위한 상태 정보 또는 본원에 설명된 하나 이상의 파라미터에 기초하여 조정될 수 있다. 파라미터의 밸런싱에는 개별 모듈 사용률 조정이 수행되지 않는 시스템과 비교하여 시간 경과에 따른 파라미터 차이를 최소화하기 위해 사용률 조정이 포함될 수 있다. 사용률은 시스템(100)이 방전 상태일 때 모듈(108)이 방전하는 상대적인 시간량이거나, 시스템(100)이 충전 상태일 때 모듈(108)이 충전하는 상대적인 시간량일 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, 모듈(108)은 어레이 내 또는 위상 간 밸런싱이라고 할 수 있는 어레이(700)의 다른 모듈에 대해 밸런스를 이룰 수 있으며, 상이한 어레이(700)는 어레이 간 또는 위상 간 밸런싱이라고 할 수 있는 서로에 대한 밸런스를 이룰 수 있다. 상이한 서브시스템의 어레이(700)는 또한 서로에 대해 밸런스를 이룰 수 있다. 제어 시스템(102)은 위상내 밸런싱, 위상간 밸런싱, 모듈 내 다중 에너지원의 사용률, 능동 필터링 및 보조 부하 공급의 임의의 조합을 동시에 수행할 수 있다.
도 9a는 단상 AC 또는 DC 어레이용 제어 시스템(102)의 어레이 컨트롤러(900)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 어레이 컨트롤러(900)는 피크 검출기(902), 디바이더(904) 및 위상내(또는 어레이내) 밸런스 컨트롤러(906)를 포함할 수 있다. 어레이 컨트롤러(900)는 기준 전압 파형(Vr) 및 어레이 내의 N개의 모듈(108) 각각에 대한 상태 정보(예를 들어, 충전 상태(SOCi), 온도(Ti), 용량(Qi) 및 전압(Vi))를 입력으로 수신할 수 있으며, 정규화된 기준 전압 파형(Vrn)과 변조 지수(Mi)를 출력으로 생성할 수 있다. 피크 검출기(902)는 Vr의 피크(Vpk)를 검출하며, 이는 컨트롤러(900)가 동작하고 있고 및/또는 밸런싱을 이루고 있는 위상에 특정될 수 있다. 디바이더(904)는 Vr을 검출된 Vpk로 나눔으로써 Vrn을 생성한다. 위상내 밸런스 컨트롤러(906)는 상태 정보(예를 들어, SOCi, Ti, Qi, Vi 등)와 함께 Vpk를 사용하여 제어되는 어레이(700) 내의 각 모듈(108)에 대한 변조 지수(Mi)를 생성한다.
변조 지수 및 Vrn은 각 변환기(202)에 대한 스위칭 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 변조 지수는 0과 1 사이의 숫자(0과 1 포함)일 수 있다. 특정 모듈(108)의 경우, 정규화된 기준(Vrn)은 Mi에 의해 변조 또는 스케일링될 수 있으며, 이 변조된 기준 신호(Vrnm)는 도 8c 내지 8f와 관련하여 설명된 PWM 기술에 따라 또는 다른 기술에 따라 Vref(또는 -Vref)로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 변조 지수는 변환기 스위칭 회로부(예를 들어, S3 내지 S6 또는 S1 내지 S6)에 제공되는 PWM 스위칭 신호를 제어하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 각 모듈(108)의 동작을 조절한다. 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 MCD(112)가 변조 및 스위치 신호 생성을 위해 Vrn 및 Mi를 적절한 LCD(114)로 출력하거나, MCD(112)가 스위치 신호 생성하기 위해 변조를 수행하고 변조된 Vrnm을 적절한 LCD(114)로 출력하거나, 또는 MCD(112)가 변조 및 스위치 신호 생성을 수행하고 스위치 신호를 각 모듈(108)의 LCD 또는 변환기(202)로 직접 출력하는 것과 같이, 제어 시스템(102)에 의해 다양한 방식으로 수행될 수 있다. Vrn은 Vrn의 모든 기간 동안 한 번 또는 분당 한 번 등과 같이, 일정한 간격으로 보낸 Mi를 계속해서 보낼 수 있다.
컨트롤러(906)는 본원에 설명된 상태 정보(예를 들어, SOC, 온도(T), Q, SOH, 전압, 전류)의 임의의 유형 또는 유형의 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 비교적 높고 온도가 비교적 낮은 경우 비교적 높은 Mi를 가질 수 있다. SOC가 상대적으로 낮거나 T가 상대적으로 높은 경우, 해당 모듈(108)은 상대적으로 낮은 Mi를 가질 수 있으므로, 어레이(700)의 다른 모듈(108)보다 사용률이 낮다. 컨트롤러(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(예를 들어, Vpk = M1V1+M2V2+M3V3...+MNVN 등). 변조 지수의 상이한 조합, 및 이에 따라 모듈에 의한 각각의 전압 기여가 사용될 수 있지만 생성된 총 전압은 동일하게 유지되어야 한다.
컨트롤러(900)는 시스템의 전력 출력 요구 사항을 한 번에(예를 들어, EV의 최대 가속 동안과 같이) 달성하는 것을 방해하지 않는 한, 각 모듈(108)의 에너지원(들)의 SOC가 밸런스를 유지하거나 언밸런스 조건일 경우 밸런스 조건으로 수렴하도록 및/또는 각 모듈의 에너지원(들) 또는 기타 컴포넌트(예를 들어, 에너지 버퍼)의 온도가 밸런스를 유지하거나 언밸런스 조건인 경우 밸런스 조건으로 수렴하도록 동작을 제어할 수 있다. 모듈 안팎의 전력 흐름은 소스 간의 용량 차이로 인해 SOC 편차가 발생하지 않도록 조절될 수 있다. SOC와 온도의 밸런싱은 SOH의 일부 밸런싱을 간접적으로 유발할 수 있다. 전압과 전류는 원하는 경우 직접적으로 밸런스를 이룰 수 있지만, 많은 실시예들에서, 시스템의 주요 목표는 SOC와 온도의 밸런스를 맞추는 것이며, SOC의 밸런싱은 모듈의 용량 및 임피던스가 유사한 매우 대칭적인 시스템에서 전압과 전류의 구현으로 이어질 수 있다.
모든 파라미터의 밸런싱이 동시에 가능하지 않을 수 있으므로(예를 들어, 한 파라미터의 밸런싱이 다른 파라미터를 더욱 언밸런스하게 할 수 있으므로), 임의의 두 개 이상의 파라미터(SOC, T, Q, SOH, V, I)의 밸런싱의 조합은 애플리케이션의 요구 사항에 따라 어느 하나에 우선 순위가 부여되어 적용될 수 있다. 밸런싱의 우선 순위는 다른 파라미터(T, Q, SOH, V, I) 중 하나가 임계값을 벗어나는 언밸런스 조건에 도달하는 경우를 제외하고는, 다른 파라미터(T, Q, SOH, V, I)보다는 SOC에 부여될 수 있다.
서로 다른 위상의 어레이(700)(또는 예를 들어 병렬 어레이가 사용되는 경우 동일한 위상의 어레이) 간의 밸런싱은 위상 내 밸런싱과 동시에 수행될 수 있다. 도 9b는 적어도 Ω 어레이(700)를 갖는 Ω 위상 시스템(100)에서 동작하도록 구성된 Ω 위상(또는 Ω 어레이) 컨트롤러(950)의 예시적인 실시예를 도시하며, 여기서 Ω은 1보다 큰 임의의 정수이다. 컨트롤러(950)는 하나의 위상간(또는 어레이간) 컨트롤러(910) 및 위상(PA 내지 PΩ)용 Ω 위상간 밸런스 컨트롤러(906-PA...906-PΩ), 뿐만 아니라 각 위상별 기준(VrPA 내지 VrPΩ)으로부터 정규화된 기준(VrnPA 내지 VrnPΩ)를 생성하기 위한 피크 검출기(902) 및 디바이더(904)(도 9a)를 포함할 수 있다. 위상 내 컨트롤러(906)는 도 9a와 관련하여 설명된 바와 같이 각 어레이(700)의 각 모듈(108)에 대해 Mi를 생성할 수 있다. 위상 간 밸런스 컨트롤러(910)는 모듈(108)의 측면을 전체 다차원 시스템에 걸쳐, 예를 들어 상이한 위상의 어레이 사이에서 밸런스를 이루도록 구성되거나 프로그래밍된다. 이는 위상에 공통 모드를 주입(예를 들어, 중립점 시프팅)하거나 상호연결 모듈(본원에 설명됨)을 사용하거나 둘 모두를 통해 달성될 수 있다. 공통 모드 주입은 하나 이상의 어레이에서 언밸런스를 보상하기 위해 정규화된 파형(VrnPA 내지 VrnPΩ)을 생성하기 위해 기준 신호(VrPA 내지 VrPΩ)에 위상 및 진폭 편이를 도입하는 것을 포함하며, 본원에 통합된 국제 출원 번호 제PCT/US20/25366호에 더 설명된다.
컨트롤러(900 및 950)(및 밸런스 컨트롤러(906 및 910))는 제어 시스템(102) 내에서 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 컨트롤러(900 및 950)는 MCD(112) 내에서 구현되거나, LCD(114) 사이에 부분적으로 또는 전체적으로 분배되거나, 또는 MCD(112) 및 LCD(114)와 독립적인 이산 컨트롤러로서 구현될 수 있다.
상호 연결(IC) 모듈 예
모듈(108)은 어레이 사이의 에너지 교환, 보조 부하에 대한 소스 역할 또는 둘 다를 위해 서로 다른 어레이(700)의 모듈 사이에 연결될 수 있다. 이러한 모듈은 본원에서 상호연결(IC) 모듈(108IC)이라고 한다. IC 모듈(108IC)은 이미 설명된 모듈 구성(108A, 108B, 108C) 및 본원에서 설명될 기타 구성 중 어느 하나로 구현될 수 있다. IC 모듈(108IC)은 하나 이상의 에너지원, 선택적 에너지 버퍼, 하나 이상의 어레이에 에너지를 공급 및/또는 하나 이상의 부하에 전력을 공급하기 위한 스위치 회로부, 제어 회로부(예를 들어, 로컬 제어 장치), 및 IC 모듈 자체 또는 다양한 부하에 대한 상태 정보를 수집하기 위한 모니터 회로부(예를 들어, 에너지원의 SOC, 에너지원 또는 에너지 버퍼의 온도, 에너지원의 용량, 에너지원의 SOH, IC 모듈과 관련된 전압 및/또는 전류 측정, 보조 부하(들)과 관련된 전압 및/또는 전류, 등)를 포함할 수 있다.
도 10a는 Ω 어레이(700-PA 내지 700-PΩ)로 Ω 위상 전력을 생성할 수 있는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이며, 여기서 Ω은 1보다 큰 임의의 정수일 수 있다. 이 실시예 및 기타 실시예들에서, IC 모듈(108IC)은 모듈(108IC)이 연결된 어레이(700)(이 실시예에서는 어레이(700-PA 내지 700-PΩ))가 모듈(108IC)과 부하에 대한 출력(예를 들어, SIO1 내지 SIOΩ) 사이에 전기적으로 연결되도록 어레이(700)의 레일 측에 위치될 수 있다. 여기서, 모듈(108IC)은 어레이(700-PA 내지 700-PΩ)의 각 모듈(108-N)의 IO 포트(2)에 연결하기 위한 Ω IO 포트를 갖는다. 여기에 도시된 구성에서, 모듈(108IC)은 모듈(108IC)의 하나 이상의 에너지원을 어레이(700-PA 내지 700-PΩ) 중 하나 이상에 선택적으로 연결(또는 위상간 밸런싱이 필요하지 않은 경우 출력이 없거나 모든 출력에 동등하게 연결)함으로써 위상간 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 에너지 버퍼(204)와 연결된 에너지원(206)을 포함하고, 이는 스위치 회로부(603)와 연결된다. 스위치 회로부(603)는 에너지원(206)을 어레이(700-PA 내지 700-PΩ) 각각에 독립적으로 연결하기 위한 스위치 회로 유닛(604-PA 내지 604-PΩ)을 포함할 수 있다. 다양한 스위치 구성이 각 유닛(604)에 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 두 개의 반도체 스위치(S7 및 S8)를 갖는 하프 브리지로 구성된다. 각 하프 브리지는 LCD(114)로부터 제어 라인(118-3)에 의해 제어된다. 이 구성은 도 3a를 참조하여 설명된 모듈(108A)과 유사하다. 변환기(202)와 관련하여 설명된 바와 같이, 스위치 회로부(603)는 애플리케이션의 요구 사항에 적합한 임의의 스위치 유형(예를 들어, MOSFET, IGBT, 실리콘, GaN 등) 및 임의의 배열로 구성될 수 있다.
스위치 회로 유닛(604)은 에너지원(206)의 양극 단자와 음극 단자 사이에 결합되고, 모듈(108IC)의 IO 포트에 연결된 출력을 갖는다. 유닛(604-PA 내지 604-PΩ)은 전압(+VIC 또는 -VIC)를 각각의 모듈 I/O 포트(1 내지 Ω)에 선택적으로 결합하기 위해 제어 시스템(102)에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템(102)은 본원에서 언급된 PWM 및 히스테리시스 기술을 포함하는 임의의 원하는 제어 기술에 따라 스위치 회로부(603)를 제어할 수 있다. 여기서, 제어 회로부(102)는 LCD(114) 및 MCD(112)(미도시)로서 구현된다. LCD(114)는 모듈(108IC)의 모니터 회로부로부터 모니터링 데이터 또는 상태 정보를 수신할 수 있다. 이 모니터링 데이터 및/또는 이 모니터링 데이터로부터 도출된 기타 상태 정보는 본원에 설명된 바와 같이 시스템 제어에 사용하기 위해 MCD(112)로 출력될 수 있다. LCD(114)는 또한 시스템(100)의 모듈(108)과 PWM(도 8c-8d)에서 사용되는 톱니파 신호와 같은 하나 이상의 반송파 신호(미도시)의 동기화를 위해 타이밍 정보(미도시)를 수신할 수 있다.
위상 간 밸런싱을 위해, 소스(206)로부터 비례적으로 더 많은 에너지가 다른 어레이(700)에 비해 상대적으로 충전량이 낮은 어레이(700-PA 내지 700-PΩ) 중 임의의 하나 이상에 공급될 수 있다. 특정 어레이(700)에 대한 이러한 보충 에너지의 공급은 해당 어레이(700)에서 캐스케이드식 모듈(108-1 내지 108-N)의 에너지 출력이 공급되지 않은 위상 어레이(들)에 비해 감소되도록 한다.
예를 들어, PWM을 적용하는 일부 예시적인 실시예들에서, LCD(114)는 모듈(108IC)이 예를 들어 VrnPΩ 내지 VrnPA를 통해 결합되는 하나 이상의 어레이(700) 각각에 대해 (MCD(112)로부터) 정규화된 전압 기준 신호(Vrn)를 수신하도록 구성될 수 있다. LCD(114)는 또한 MCD(112)로부터 각 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 각각의 Vrn을 해당 어레이에 직접 결합된 스위치 섹션에 대한 변조 지수(예를 들어, MiA에 의해 곱해진 VrnA)로 각각 변조(예를 들어, 곱셈)할 수 있고, 그런 다음 반송파 신호를 이용하여 각 스위치 유닛(604)에 대한 제어 신호(들)를 생성할 수 있다. 다른 실시예들에서, MCD(112)는 모듈(108IC)의 LCD(114)에 직접 각 유닛(604)에 대한 변조 및 출력 변조된 전압 기준 파형을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 모든 처리 및 변조는 제어 신호를 각 유닛(604)에 직접 출력할 수 있는 단일 제어 엔티티에 의해 발생할 수 있다.
이 스위칭은 에너지원(206)으로부터의 전력이 적절한 간격 및 기간으로 어레이(들)(700)에 공급되도록 변조될 수 있다. 이러한 방법론은 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
각 어레이의 각 에너지원의 현재 용량(Q) 및 SOC와 같은 시스템(100)에 대한 수집된 상태 정보에 기초하여, MCD(112)는 각 어레이(700)에 대한 총 충전을 결정할 수 있다(예를 들어, 어레이에 대한 총 충전은 해당 어레이의 각 모듈에 대한 용량 x SOC의 합으로 결정될 수 있음). MCD(112)는 밸런스 또는 언밸런스 조건이 존재하는지 여부를 (예를 들어, 상대 차이 임계값 및 본원에 설명된 다른 메트릭의 사용을 통해) 결정할 수 있고, 각 스위치 유닛(604-PA 내지 604-PΩ)에 대해 그에 따라 변조 지수(MiPA 내지 MiPΩ)를 생성할 수 있다.
밸런스 동작 동안, 각 스위치 유닛(604)에 대한 Mi는 에너지원(206) 및/또는 에너지 버퍼(204)에 의해 각 어레이(700)에 시간에 따라 동일하거나 유사한 양의 순 에너지가 공급되도록 하는 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 각 스위치 유닛(604)에 대한 Mi는 동일하거나 유사할 수 있고, 시스템(100)의 다른 모듈(108)과 동일한 속도로 모듈(108IC)을 배출하기 위해 밸런스 동작 동안 모듈(108IC)이 하나 이상의 어레이(700-PA 내지 700-PΩ)에 에너지의 순 또는 시간 평균 방전을 수행하도록 하는 레벨 또는 값으로 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 유닛(604)에 대한 Mi는 밸런스 동작 동안 순 에너지 또는 시간 평균 에너지 방전을 일으키지(0의 순 에너지 방전을 일으키지) 않는 레벨 또는 값으로 설정될 수 있다. 이는 모듈(108IC)이 시스템의 다른 모듈보다 총 전하가 낮은 경우에 유용할 수 있다.
언밸런스 조건이 어레이(700) 사이에 발생할 때, 시스템(100)의 변조 지수는 밸런스 조건으로의 수렴을 야기하거나 추가적인 발산을 최소화하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(102)은 모듈(108IC)이 다른 것보다 낮은 전하로 어레이(700)에 더 많이 방전하도록 할 수 있고, 또한 그 낮은 어레이(700)의 모듈(108-1 내지 108-N)이 상대적으로 (예를 들어, 시간 평균 기준으로) 덜 방전하도록 할 수 있다. 모듈(108IC)에 의해 기여되는 상대적 순 에너지는 지원되는 어레이(700)의 모듈(108-1 내지 108-N)과 비교하여 증가하고, 또한 다른 어레이에 기여하는 순 에너지 모듈(108IC)의 양과 비교하여 증가한다. 이는 그 낮은 어레이(700)에 공급하는 스위치 유닛(604)에 대한 Mi를 증가시키고, 그 로우 어레이에 대한 Vout을 적절하거나 요구되는 레벨로 유지하는 방식으로 낮은 어레이(700)의 모듈(108-1 내지 108-N)의 변조 지수를 감소시키고, 상대적으로 변경되지 않은 다른 상위 어레이에 공급하는(또는 이들을 감소시키는) 다른 스위치 유닛(604)에 대한 변조 지수를 유지시킴으로써 달성될 수 있다.
도 10a 내지 10b의 모듈(108IC)의 구성은 단일 시스템에 대한 위상 간 또는 어레이 간 밸런싱을 제공하기 위해 단독으로 사용될 수 있거나, 각각 에너지원 및 하나 이상의 어레이에 결합된 하나 이상의 스위치 부분(604)을 갖는 하나 이상의 다른 모듈(108IC)과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, Ω 상이한 어레이(700)와 결합된 Ω 스위치 부분(604)을 갖는 모듈(108IC)은 하나의 어레이(700)와 결합된 하나의 스위치 부분(604)을 갖는 제2 모듈(108IC)과 결합되어 두 개의 모듈이 결합하여 Ω+1 어레이(700)를 갖는 시스템(100)에 서비스를 제공할 수 있다. 임의 개수의 모듈(108IC)은 이러한 방식으로 결합될 수 있으며, 각각은 시스템(100)의 하나 이상의 어레이(700)와 결합된다.
또한, IC 모듈은 시스템(100)의 둘 이상의 서브시스템 사이에 에너지를 교환하도록 구성될 수 있다. 도 10c는 IC 모듈에 의해 상호 연결된 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(미도시)에 3상 전력(PA, PB 및 PC)를 공급하도록 구성되는 반면, 서브시스템(1000-2)은 각각 시스템 I/O 포트(SIO4, SIO5 및 SIO06)를 통해 제2 부하(미도시)에 3상 전력(PD, PE 및 PF)을 공급하도록 구성된다. 예를 들어, 서브시스템(1000-1 및 1000-2)은 EV의 상이한 모터에 전력을 공급하는 상이한 팩 또는 상이한 마이크로그리드에 전력을 공급하는 상이한 랙으로서 구성될 수 있다.
이 실시예에서, 각 모듈(108IC)은 (IO 포트(1)을 통해) 제1 서브시스템 어레이(1000-1) 및 (IO 포트(2)를 통해) 제2 서브시스템 어레이(1000-2)와 결합되고, 각 모듈(108IC)은 I/O 포트(3 및 4)를 통해 서로 모듈(108IC)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이는 도 3c의 모듈(108C)와 관련하여 설명된 바와 같이 각 모듈(108IC)의 에너지원(206)과 결합된다. 이 연결부는 모듈(108IC-1, 108IC-2 및 108IC-3)의 소스(206)를 병렬로 배치하고, 따라서 모듈(108IC)에 의해 저장되고 공급되는 에너지는 이러한 병렬 배열에 의해 함께 풀링된다. 심각한 연결부와 같은 다른 배열도 사용될 수 있다. 모듈(108IC)은 서브시스템(1000-1)의 공통 인클로저 내에 수용되지만, 상호연결 모듈은 공통 인클로저 외부에 있을 수 있고 두 서브시스템(1000)의 공통 인클로저 사이에 독립적인 엔티티로서 물리적으로 위치될 수 있다.
각 모듈(108IC)은 도 10b와 관련하여 설명된 바와 같이, IO 포트(1)와 결합된 스위치 유닛(604-1) 및 I/O 포트(2)와 결합된 스위치 유닛(604-2)을 갖는다. 따라서, 서브시스템(1000) 사이의 밸런싱(예를 들어, 팩 간 또는 랙 간 밸런싱)의 경우, 특정 모듈(108IC)은 연결된 두 개의 어레이 중 어느 하나 또는 둘 모두에 비교적 더 많은 에너지를 공급할 수 있다(예를 들어, 모듈(108IC-1)은 어레이(700-PA) 및/또는 어레이(700-PD)에 공급할 수 있음). 제어 회로부는 동일한 랙 또는 팩의 두 개의 어레이 사이의 언밸런스를 보상하는 것과 같이 본원에 설명된 동일한 방식으로 상이한 서브시스템의 어레이 또는 위상 사이의 언밸런스를 보상하기 위해 상이한 서브시스템의 어레이의 상대적 파라미터(예를 들어, SOC 및 온도)를 모니터링하고 IC 모듈의 에너지 출력을 조정할 수 있다. 세 개의 모든 모듈(108IC)이 병렬이기 때문에, 에너지는 시스템(100)의 임의의 및 모든 어레이 사이에서 효율적으로 교환될 수 있다. 이 실시예에서, 각 모듈(108IC)은 두 개의 어레이(700)를 공급하지만, 시스템(100)의 모든 어레이를 위한 단일 IC 모듈 및 각 어레이(700)를 위한 하나의 전용 IC 모듈을 갖는 구성(예를 들어, 6개의 어레이를 위한 6개의 IC 모듈로서, 여기서 각 IC 모듈은 하나의 스위치 유닛(604)을 가짐)을 포함하는 다른 구성이 사용될 수 있다. 다수의 IC 모듈이 있는 모든 경우에, 에너지원은 본원에 설명된 바와 같이 에너지를 공유하기 위해 함께 병렬로 결합될 수 있다.
위상 사이에 IC 모듈이 있는 시스템에서는, 위에서 설명된 바와 같이 중립점 시프팅(또는 공통 모드 주입)에 의해 위상 간 밸런싱이 수행될 수도 있다. 이러한 조합을 통해 더 넓은 범위의 동작 조건에서 보다 강력하고 유연한 밸런싱이 가능하다. 시스템(100)은 중립점 시프트 단독, 위상 간 에너지 주입 단독 또는 동시에 둘의 조합으로 위상 간 밸런싱을 수행하기 위한 적절한 환경을 결정할 수 있다.
IC 모듈은 또한 하나 이상의 보조 부하(301)(소스(206)와 동일한 전압에서) 및/또는 하나 이상의 보조 부하(302)(소스(302)로부터 강압된 전압에서)에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 도 10d는 위상 간 밸런싱을 수행하고 보조 부하(301 및 302)를 공급하기 위해 연결된 두 개의 모듈(108IC)을 갖는 3상 시스템(100 A)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 회로부(102)는 LCD(114) 및 MCD(112)(미도시)로서 다시 구현된다. LCD(114)는 모듈(108IC)로부터 모니터링 데이터(예를 들어, ES1의 SOC, ES1의 온도, ES1의 Q, 보조 부하(301 및 302)의 전압 등)를 수신할 수 있고, 이 및/또는 다른 모니터링 데이터를 본원에 설명된 바와 같이 시스템 제어에 사용하기 위해 MCD(112)로 출력할 수 있다. 각 모듈(108IC)은 해당 모듈에 의해 공급되는 각 부하(302)에 대한 스위치 부분(602A)(또는 도 6c와 관련하여 설명된 602B)을 포함할 수 있고, 각 스위치 부분(602)은 독립적으로 또는 MCD(112)로부터의 제어 입력에 기초하여 LCD(114)에 의해 부하(302)에 필요한 전압 레벨을 유지하도록 제어될 수 있다. 이 실시예에서, 각 모듈(108IC)은 하나의 부하(302)를 공급하기 위해 함께 연결된 스위치 부분(602A)을 포함하지만, 이것이 요구되는 것은 아니다.
도 10f는 모듈(108IC-1, 108IC-2 및 108IC-3)로 하나 이상의 보조 부하(301 및 302)에 전력을 공급하도록 구성된 3상 시스템의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서, 모듈(108IC-1 및 108IC-2)은 도 10d 내지 10e와 관련하여 설명된 것과 동일한 방식으로 구성된다. 모듈(108IC-3)은 순전히 보조 역할로 구성되며 임의의 시스템(100)의 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 내지 6c)를 갖지만 스위치 부분(601)은 생략한, 도 3b의 모듈(108C)과 같이 구성될 수 있다. 이와 같이, 모듈(108IC-3)의 하나 이상의 에너지원(206)은 모듈(108IC-1 및 108IC-2)의 에너지원과 병렬로 상호연결되며, 따라서 시스템(100)의 이 실시예는 보조 부하(301 및 302)를 공급하고, 모듈(108IC-3)의 소스(206)와의 병렬 연결을 통해 모듈(108IC-1 및 108IC-2)의 소스(206A)에 전하를 유지하기 위한 추가 에너지로 구성된다.
각 IC 모듈의 에너지원(206)은 시스템의 다른 모듈(108-1 내지 108-N)의 소스(206)와 동일한 전압 및 용량일 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 상대적으로 더 높은 용량은 하나의 모듈(108IC)이 다수의 어레이(700)(도 10a)에 에너지를 인가하여 IC 모듈이 위상 어레이 자체의 모듈과 동일한 속도로 방전하도록 하는 실시예에서는 바람직할 수 있다. 모듈(108IC)이 또한 보조 부하를 공급하는 경우, IC 모듈이 보조 부하를 공급하고 다른 모듈과 상대적으로 동일한 속도로 방전할 수 있도록 훨씬 더 큰 용량이 필요할 수 있다.
충전 및 방전의 예시적인 실시예
모듈식 에너지 시스템(100)의 충전에 관한 예시적인 실시예들은 이제 도 11a 내지 23b를 참조하여 설명될 것이다. 이들 실시예들은 달리 명시되지 않았거나 논리적으로 타당하지 않은 한, 도 1a 내지 10f와 관련하여 설명된 시스템(100)의 모든 측면으로 구현될 수 있다. 이와 같이, 본원에서 고려되는 많은 변형은 다음의 충전 실시예 각각에 대해 반복되지 않을 것이다.
충전 실시예들은 시스템(100)의 다양한 모듈에 전하를 공급하기 위해 충전원으로부터 이용 가능한 신호의 유형 및 양을 참조하여 설명될 것이다. 이들 실시예들은 3가지 주요 유형인, 충전원이 고전압 DC 충전 신호를 공급하는 DC 충전; 충전원이 단일 고전압 AC 충전 신호를 공급하는 단상 AC 충전; 및 충전원이 상이한 위상각을 갖는 둘 이상의 고전압 AC 충전 신호를 공급하는 다상 AC 충전으로 나뉜다. 간략화를 위해, 다상 충전 실시예들은 3상 및 일부 경우에는 6상을 갖는 시스템(100)에 대해 설명될 것이지만, 본 주제는 둘 이상의 상이한 위상으로 충전 및 방전하는 둘 이상의 어레이를 갖는 임의의 시스템(100)에 적용 가능하다. 충전원은 특정 애플리케이션에 따라 다양한 구성을 가질 수 있다. 고정형 애플리케이션의 경우, 충전원은 에너지원 유형에 관계없이 유틸리티 또는 기타 전력 제공자가 공급하는 전력망일 수 있다. 충전원은 또한 태양광 패널 어레이, 풍력 터빈 등과 같은 재생 에너지원일 수 있다. 모바일 애플리케이션의 경우, 충전원은 또한 그리드 또는 재생 가능 에너지원일 수 있으며, 이는 많은 경우에 DC, 단상 AC 또는 다상 AC 전력을 공급하는 충전소를 통해 전기 자동차에 공급된다.
도 11a 및 11b는 모터(1100)에 3상 전력을 공급하기 위해 모바일 애플리케이션에서 사용하도록 구성되고, 보조 부하(301 및 302)에 전력을 공급하도록 구성된 상호연결 모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 갖는 3상 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 시스템(100)은 어레이(700-PA)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)와 SIO1 사이에 위치된 스위치(1108-PA), 어레이(700-PB)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)와 SIO2 사이에 위치된 스위치(1108-PB), 및 어레이(700-PC)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)와 SIO3 사이에 위치된 스위치(1108-PC)를 포함한다. 스위치(1108) 각각은 제어 시스템(102)(예를 들어, MCD(112))(예를 들어, 도 1a 내지 1c) 또는 외부 제어 장치(104)(예를 들어, 도 1a, 1b, 1d, 1e)에 의해 제어 라인을 통해 인가되는 제어 신호에 의해 독립적으로 제어 가능하다.
본원에 설명된 이 실시예 및 다른 실시예에서, 모터(1100)는 영구 자석(PM), 유도 또는 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor; SRM)와 같은 전기 모터일 수 있다. 여기서 및 다음의 많은 실시예들에서의 시스템(100)은 IC 모듈 및 보조 부하를 갖는 3상 시스템이지만, 충전 주제는 마찬가지로 IC 모듈 및 보조 부하를 포함하거나 포함하지 않는 하나 이상의 위상을 갖는 실시예들에 적용될 수 있다.
스위치(1108-PA, 1108-PB 및 1108-PC)는 라인(1111)을 통해 3상 충전 커넥터(1102)의 포트로부터의 3상 충전 신호를 각각의 위상 모듈 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)에 스위칭 가능하게 연결한다. 충전 커넥터(1102)는 충전원의 충전 커넥터(1104) 및 케이블(1106)을 통해 충전원(150)에 결합될 수 있다. 3상 충전에는 중립 연결부가 필요하지 않다. 스위치(1108)는 바람직하게는 전기-기계식 스위치 또는 릴레이이지만, 솔리드 스테이트 릴레이(solid state relay; SSR)도 사용될 수 있다. 전자 기계식 스위치는 전력이 상실된 경우 모터 코일 또는 권선을 모듈식 에너지원에 연결된 상태로 유지하는 데 있어 높은 신뢰성을 보여준다.
시스템(100)은 또한 스위치(1108-PA, 1108-PB 및 1108-PC)와 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC) 사이에 각각 연결된 모니터 회로(1110-PA, 1110-PB 및 1110-PC)를 포함한다. 모니터 회로(1110-PA, 1110-PB 및 1110-PC)는 각각 노드(NPA, NPB 및 NPC)를 통과하는 신호의 전류, 전압 및 위상 중 임의의 하나 이상을 측정할 수 있고, 충전 및 방전 동안 모듈(108)을 제어하는 데 사용하기 위해 데이터 라인(미도시)을 통해 이러한 측정치를 제어 시스템(102)으로 출력할 수 있다.
도 11a에서, 스위치(1108)는 각각 2-전도성 위치 스위치(예를 들어, 단극 쌍투형(single pole double throw; SPDT))이다. 스위치(1108)가 위치(1)에 있을 때, 어레이(700)는 모터(1100)에 연결되고 커넥터(1102)는 분리되고 통전되지 않는다. 스위치(1108)는 정상 위치로서 위치(1)로 기본 설정되고, 제어 신호가 적용되지 않을 때 이 위치를 가정한다. 전력 손실 또는 스위치(1108)가 제어 신호로부터 분리되는 발생의 경우, 스위치는 모터 코일이 연결되지 않은 상태로 두지 않도록 위치(1)로 되돌릴 수 있다. 제어 신호(예를 들어, 공통 신호)가 인가되는 경우, 스위치(1108)는 위치(2)로 이동하고 커넥터(1102)를 어레이(700)에 결합한다. 위치(2)에 있을 때, 시스템(100)은 커넥터(1102)를 통해 충전될 수 있다. 제어 신호의 적용은 시스템(100)이 시스템 커넥터(1102)에 대한 충전원 커넥터(1104)의 물리적 결합을 검출하거나, 커넥터(1102)에서 다상 전압의 존재를 검출할 때 자동으로 일어날 수 있다. 제어 신호의 적용은 모터가 꺼져 있는 상태에서도 조절될 수 있다. 커넥터(1104)의 결합 해제 또는 커넥터(1102)에서의 다상 충전 전압의 부재의 검출 후와 같은 제어 신호의 제거는 스위치(1108)가 위치(1)로 돌아가도록 한다.
도 11b의 실시예에서, 스위치(1108)는 제어 신호(미도시)의 적용에 의해 다시 제어 가능한 온/오프 스위치(예를 들어, 단극 단투형(single pole single throw; SPST) 스위치와 같이 개방 상태 및 폐쇄 상태를 갖는 스위치)이다. 어레이(700)는 커넥터(1102)에 지속적으로 연결되고, 따라서 항상 통전되므로, 커넥터(1102)는 그 내부 컨덕터가 사용자 접촉으로부터 절연되도록 구성된다. 예를 들어, 컨덕터는 커넥터(1102)의 충전 리셉터클 내 깊숙이 수용될 수 있다. 커넥터(1102)의 설계는 바람직하게는 모터(1100)가 동작 중일 때에도 커넥터(1102)에 전원이 공급될 수 있도록 사용자 접촉(예를 들어, 감전 또는 단락)을 방지하기에 충분하다. 모터(1100)의 동작 중에 스위치(1108)가 열리면 모터 및/또는 변환기(202)에 대한 손상이 발생할 수 있기 때문에, 이 실시예에서는 모터(1102)에 연결된 시스템(100)을 유지하기 위한 폐쇄 위치가 스위치(1108)의 기본 위치이다. 제어 신호의 인가는 스위치(1108)가 열리도록 하하며, 이는 모터(1100)로부터 모듈(108)을 분리하고 커넥터(1102)를 통한 충전을 허용한다. 세 개의 SPST 스위치(1108)가 본원에 도시되어 있지만, 폐쇄 코일 모터(1100)를 갖는 실시예들에서, SPST 스위치(1108) 중 하나는 생략될 수 있다. 예를 들어, 세 개의 SPST 스위치(1108) 중 두 개만 존재할 수 있는데, 세 개의 코일 중 두개가 전기적으로 분리될 때 전류가 모터(1100)를 통과하지 않기 때문이다. 제3 코일은 충전 동안 시스템(100)에 전기적으로 연결된 상태로 둘 수 있다.
도 11c는 도 11a 내지 11b의 실시예들 뿐만 아니라 본원에 설명된 다른 실시예들에 적용 가능한 충전 방법(1150)의 예시적인 실시예를 도시하는 흐름도이다. 1152에서, 시스템(100)은 커넥터(1102)에 대한 충전원(150)의 연결을 검출한다. 본원에 언급된 바와 같이, 이는 제어 시스템(102)이 시스템 커넥터(1102)에 대한 충전원 커넥터(1104)의 물리적 접촉을 감지하거나, 시스템(100)이 커넥터(1102)의 센서로 충전 신호 전압을 감지함으로써 발생할 수 있다. 1154에서, 충전원(150)의 연결을 검출한 후, 스위치(1108)는 방전 위치에서 충전 위치(예를 들어, 도 11a와 관련하여 위치(2), 또는 도 11b와 관련하여 개방 상태)로 스위칭될 수 있다.
1156에서, 충전원(150)에 의해 공급된 충전 신호는 모니터 회로부(1110)에 의해 모니터링되고 이 정보는 제어 시스템(102)으로 출력된다. 도 11d는 3상 충전 신호(1112-PA, 1112-PB, 및 1112-PC)를 도시하는 플롯이다. 1158에서, 제어 시스템(102)은 각 모듈(108)의 변환기(202)가 적절하게 충전하도록 스위칭하도록 하는 제어 신호를 시스템(100)의 각 모듈(108)에 출력한다. 단계(1156 및 1158)는 제어 시스템(102)에 충전 신호의 전압, 전류 및/또는 위상의 연속적인 평가를 제공하면서 그에 따라 각 모듈(108)에 대한 스위칭 방식을 조정하기 위해 동시에 수행된다.
단계(1158)에서 모듈(108)을 스위칭할 때, 제어 시스템(102)(예를 들어, MCD(112), LCD(114))은 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 각 모듈(108)의 각 변환기(202)에 대한 스위칭 신호를 생성한다. 각 변환기(202)는 모듈 I/O 포트(1 및 2)에서 +VDCL을 나타내는 제1 상태, 포트(1 및 2)에서 -VDCL을 나타내는 제2 상태, 및 모듈이 바이패스(단락)되고 포트(1 및 2)에서 제로 전압을 나타내는 제3 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 스위칭은 각 모듈(108)의 각 에너지원(206)이 각 어레이(700)를 통과하는 전류의 방향에 기초하여 충전될 수 있도록 제어될 수 있다.
제어 시스템(102)은 각 위상의 어레이(들)(700) 내의 왜곡 및 변위를 최소화하기 위해 각 모듈(108)의 스위칭을 제어하도록 프로그래밍될 수 있다. 이는 (1)에 따라 역률(power factor; PF)을 일(1)로 또는 그에 가깝게 목표로 설정함으로써 달성될 수 있다:
여기서 I1rms는 특정 위상의 어레이(700)(예를 들어, 어레이(700-PA)) 내의 전류의 기본 성분의 제곱 평균 제곱근(root mean square) 값이고, Irms는 특정 위상의 전류의 모든 중요한 고조파 총계(I1+I2+I3...)의 제곱 평균 제곱근 값이고, θ는 특정 위상의 전압과 전류 사이의 위상각이다. 1 또는 그에 가까운 PF를 달성하기 위해, 제어 시스템(102)은 (예를 들어, NPA, NPB, NPC에서 측정된) 각 위상의 전류의 합이 항상 0이거나 그에 가깝고(예를 들어, 임계값 내에서), 각 위상의 전류와 전압 사이의 변위(θ)가 항상 0 또는 그에 가깝도록(예를 들어, 임계값 내에서) 스위칭을 제어할 수 있다.
각 모듈(108)은 해당 개별 모듈(108)에 대한 제한 또는 임계값에 도달할 때까지 동일하게 충전될 수 있다. 예를 들어, 모든 모듈(108)은 개별 모듈(108)이 충전 임계값(예를 들어, 용량의 80% 또는 90%)에 도달할 때까지 동일하게 충전(예를 들어, 시간에 따라 동일한 총 전류를 수신)될 수 있으며, 이때 해당 모듈(108)의 충전은 모든 모듈(108)이 밸런스된 또는 실질적으로 밸런스된 SOC 상태에 도달할 때까지 느려지며, 이때 모듈(108)은 완전히 또는 적절하게 충전될 때까지 동일하게 충전된다.
대안으로, 상대적으로 더 낮은 SOC 레벨을 갖는 모듈(108)은 시스템(100)이 상대적으로 밸런스된 SOC 상태에 도달할 때까지 초기에 상대적으로 더 많은 충전을 받을 수 있으며, 이때 모든 모듈(108)은 시스템이 항상 상대적으로 밸런스된 SOC 상태를 갖도록 하는 방식으로 충전될 수 있다(예를 들어, 모든 완전 기능 모듈(108)은 SOC 측면에서 다른 모듈의 1% 이내임). 이 접근 방식은 시스템(100)이 용량에 도달하기 전에 충전이 중지되면, 시스템(100)이 상대적으로 밸런스된 상태에서 충전 프로세스를 종료한다는 장점이 있다.
도 11c를 다시 참조하면, 충전 프로세스(1150)는 모듈(108)이 완전히(또는 충분히) 충전되었거나 시스템(100)이 충전원(150)의 분리를 검출할 때까지(1160) 계속될 수 있으며, 이 시점에서 스위치(1108)는 충전 위치에서 방전 상태의 기본 위치(예를 들어, 도 11a와 관련하여 위치 1 및 도 11b과 관련하여 폐쇄 위치)로 다시 전환될 수 있다.
본원에 설명된 실시예들에서, 제어 시스템(102)은 각각의 어레이(700)에 대한 기준 파형 또는 DC 충전의 경우 서로 다른 기준으로서 각 위상에 대한 유입 AC 전하 신호(또는 그 표현)를 활용하여, 본원에 설명된 것과 같은 PWM 기술에 따라 각 모듈(108)에 대한 스위칭 신호를 생성함으로써 스위칭을 제어할 수 있다. 각 모듈(108)의 스위칭 회로부에 대한 변조 지수는 다양한 시간 길이 동안 각 모듈을 선택적으로 충전 및 방전함으로써 역률을 1 또는 그에 가깝게 유지하도록 조정될 수 있다. 충전은 또한 앞서 설명된 바와 같이 시스템(100)의 하나 이상의 동작 특성에서 밸런스 조건을 유지하거나 타겟으로 하면서 수행될 수 있다. 변조 지수(Mi)는 또한 모든 모듈에 걸쳐 상대적으로 밸런스된 온도를 타겟으로 하고, 상대적으로 가장 높은 변조 지수를 해당 모듈(108)에 할당함으로써 상대적으로 가장 낮은 SOC를 갖는 에너지원(206)에 대한 충전을 강조하면서 충전을 수행하도록 조정될 수 있다.
게다가, 전기화학적 배터리원(206)의 경우, 변환기(202)에 의해 소스(206)에 인가되는 전하 펄스의 길이는 열화로 이어질 수 있는 상당한 부반응의 발생 없이 셀에서 전기화학적 저장 반응의 발생을 촉진하기 위해 특정 길이, 예를 들어 5밀리초 미만을 갖도록 유지될 수 있다. 이러한 펄스는 소스(206)의 고속 충전을 가능하게 하기 위해 높은 C 레이트(예를 들어, 5C- 내지 15C 이상)로 인가될 수 있다. 본원에 설명된 모든 실시예들과 함께 사용될 수 있는 이러한 기술의 예는 Advanced Battery Charging on Modular Levels of Energy Storage Systems이라는 명칭의 국제 출원 번호 제PCT/US20/35437호에 설명되며, 이는 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
도 11a 내지 11b의 예에서, 모듈(108IC-1 및 108IC-2)은 서로 연결되고 또한 서로 다른 위상의 어레이(700) 간에 상호 연결된다. 충전 동안, 모듈(108IC)의 스위치 부분(604)(예를 들어, 도 10e 참조)은 전류가 50-50 듀티 사이클에서 S7 또는 S8을 통해 흐르도록 연속적으로 스위칭될 수 있다. 모듈(108IC)의 에너지원(206)은 각 스위치 부분(604)의 듀티 사이클을 각 부분(604)을 통한 시간 경과에 따른 총 전류가 이러한 모듈(108IC)의 소스(206)를 충전시키는 상태로 조정함으로써 충전될 수 있다. 대안으로, 모듈(108IC)의 스위치 부분(604)은 예를 들어 모듈(108IC)의 소스(206)를 충전하는 동안 전류를 조정하거나 충전원(206) 없이 전류를 조정하기 위해 모듈(108IC)을 통해 전류를 보내기 위해 필요에 따라 스위칭될 수 있다. 모듈(108IC)의 스위칭은 또한 각 어레이(700) 내의 왜곡 및 변위를 최소화하는 데 사용될 수 있다. 보조 부하를 갖는 모든 실시예들의 경우, 충전 중에 제어 시스템(102)은 스위치 부분(602A)(도 10e)을 통해 보조 부하(302)에 대한 전압을 계속 조절할 수 있고, 따라서 필요한 경우 보조 시스템에 대해 전력이 유지될 수 있다. 전기 자동차의 맥락에서, 이는 온보드 네트워크, 디스플레이 및 HVAC 등에 대한 전력을 유지할 수 있다.
충전은 PWM 제어 기술을 참조하여 설명되어 있지만, 대체 실시예들에서는 히스테리시스 기술이 사용될 수 있다. PWM 또는 히스테리시스를 기반으로 하는 다른 맞춤형 기술도 사용될 수 있다.
모터 바이패스를 사용한 DC 및 단상 충전의 예시적인 실시예
시스템(100)의 다상 구성은 또한 DC 또는 단상 AC 충전원으로 충전될 수 있다. 도 12a는 도 11a의 실시예와 유사하게 구성되지만 다상 AC 충전 기능에 더하여 DC 및/또는 단상 AC 충전 기능을 허용하는 라우팅 회로부(1200)를 갖는 3상 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이며, 여기서 모든 충전은 모터(1100)를 바이패스하는 방식으로 발생할 수 있다. 라우팅 회로부(1200)는 다상 충전 커넥터(1102)와 3상 충전 라인(1111) 사이에 결합될 수 있다. 라우팅 회로부(1200)는 라인(1211)을 통해 DC 충전 신호(DC+ 및 DC-) 및/또는 AC 충전 신호(AC 라인(L) 및 중립(N))를 수신할 수 있는 적어도 하나의 커넥터(1202)와 결합될 수 있다. 이들 연결은 도 12a에 도시된 바와 같이 공유될 수 있거나, 또는 라인(1211)의 서로 다른 컨덕터가 DC 및 단상 AC에 이용되도록 분리될 수 있다. 본원에 설명된 실시예들에서, 커넥터(1202)는 DC 전용, 단상 AC 전용 또는 둘 다용으로 구성되든 간에, 3상 충전 커넥터(1102)의 커넥터와 별개의 및 개별 커넥터일 수 있거나, 커넥터(1102 및 1202)는 도 12f와 관련하여 설명된 바와 같이 EV의 단일 위치에 결합될 수 있다. 단일 위치에서 결합되는 경우, 다상 AC 충전, 단상 AC 충전 및 DC 충전을 위한 컨덕터는 본원에 설명된 바와 같이 공유될 수 있다. 라우팅되는 충전 신호의 유형(DC 또는 AC)에 따라 및 실시예가 시스템(100)으로부터 충전 커넥터(1102 및 1202)의 선택적인 분리를 제공하는지 여부에 따라 라우팅 회로부(1200)에는 다양한 서로 다른 구성 및 유형의 회로부가 사용될 수 있다. 라우팅 회로부(1200)의 다양한 예시적인 실시예들이 본원에서 더 상세히 설명된다.
스위치(1108)는 충전 및 방전 단계 동안 필요한 고전류를 전도하도록 구성되는 단일 스위칭 어셈블리(1250)의 일부일 수 있다. 어셈블리(1250)는 별개의 단일 장치 또는 하우징으로 구성될 수 있다. 어셈블리(1250)는 제어 시스템(102)으로부터 스위칭 제어 신호를 수신하기 위한 하나 이상의 입력을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 모니터 회로(1110)는 어셈블리(1250)에 통합될 수 있고, 회로(1110)로의 제어 신호는 물론 회로(1110)로부터의 데이터 출력이 어셈블리(1250)의 IO 포트를 통해 제어 시스템(102)으로 라우팅될 수 있다. 어셈블리(1250)의 예시적인 실시예들은 전력 및 제어 분배 어셈블리(PCDA)(1250) 및 도 30a 내지 30f와 관련하여 본원에서 추가로 설명된다.
도 12b는 솔리드 스테이트(또는 반도체) 릴레이(SSR) 회로로 구성되고 3상 라인(1111) 및 커넥터(1102)를 통한 3상 AC 충전에 더하여 커넥터(1202)를 통해 DC 및 단상 AC 충전 기능을 제공하도록 구성된 라우팅 회로부(1200)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 커넥터(1202)는 단상 충전 케이블에 차례로 연결되어 단상 충전원에 연결되거나, DC 충전 케이블에 차례로 연결되어 DC 충전원에 연결될 수 있다. 라우팅 회로부(1200)는 커넥터(1202)에 연결된 I/O 포트(1201-1 및 1201-2), 및 각 위상(PA, PB, PC)에 대한 충전 라인(1111)에 연결될 수 있는 I/O 포트(1204-PA, 1204-PB 및 1204-PC)를 갖는다. DC 충전 및 단상 AC 충전의 경우, 라우팅 회로부(1200)는 입력(1201) 상의 신호 각각(DC+ 및 DC- 신호 또는 AC(L) 및 AC(N) 신호)를 세 개의 서로 다른 출력(1204) 중 하나 이상으로 선택적으로 출력하도록 제어될 수 있다. 회로부(1200)는 또한 각 입력(1201)을 각 출력(1204)으로 라우팅하는 것을 제어하는, 제어 신호(CS1 내지 CS4)에 대한 하나 이상의 I/O 포트(1206-1 내지 1206-4)를 각각 포함한다. 제어 신호(CS1-CS4)는 제어 시스템(102)(미도시)에 의해 생성 및 제공될 수 있다.
SSR의 사용은 DC 또는 AC 충전기로부터 시스템(100) 및 EV를 분리하며, 이는 충전기에서 추가 절연 회로부(예를 들어, 고주파 변압기 및 인버터)가 모두 제거되거나 생략되도록 한다. 이를 통해 충전기 구현을 단순화하고 비용을 크게 줄일 수 있다. 이 실시예에서, 1221-1, 1221-2, 1221-3 및 1221-4로 표시된 네 개의 SSR 회로가 있으며, 각각은 제어 포트(1206-1, 1206-2, 1206-3 및 1206-4)를 각각 갖는다. 각 SSR 회로(1221)는 제어 시스템(102)으로부터 제어 포트(1206-1, 1206-2, 1206-3 및 1206-4)로의 제어 신호(각각 CS1, CS2, CS3, CS4)의 인가에 의해 양방향 전류 전도(폐쇄) 상태 또는 비전도(개방) 상태로 선택적으로 배치될 수 있다. 단상 AC 충전의 경우, 라우팅 회로부(1200)는 I/O 포트(1201-1 및 1201-2)에서 AC(L) 및 AC(N) 신호 각각을 3상 충전 커넥터(1102)로부터 서로 다른 라인(1111)에 연결된 세 개의 서로 다른 I/O 포트(1204-PA, 1204-PB 및 1204-PC) 중 하나 이상으로 선택적으로 각각 출력할 수 있으며, 차례로 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)에 연결된다. DC 충전의 경우, 라우팅 회로부(1200)는 어레이(700)에 프로비저닝하기 위해 입력(1201)에서 DC+ 및 DC- 신호 각각을 세 개의 I/O 포트(1204) 중 하나 이상으로 유사하게 선택적으로 출력할 수 있다. 선택적 라우팅은 제어 시스템(102)에 의해 공급되고 하나 이상의 제어 입력(1206-1 내지 1206-4)에 인가되는 제어 신호(CS1 내지 CS4)에 의해 제어된다.
SSR 회로(1221)의 예시적인 실시예들은 도 12c, 12d 및 12e의 개략도와 관련하여 설명된다. 도 12c에서, SSR 회로(1221)는 제어 포트(1206)에 입력되는 제어 신호에 의해 제어 가능한 트라이액(triac)이다. 트라이액이 제어 신호로 활성화되면, 닫힌 상태로 두고 전류는 트라이액을 통해 양방향으로 통과할 수 있다. 비활성화되면, 전류는 트라이액을 통과하지 않는다.
도 12d에서, SSR 회로(1221)는 함께 연결된 에미터 노드 및 회로에 대한 입력/출력 포트를 형성하는 콜렉터 노드와 직렬로 연결된 두 개의 절연 게이트 바이폴라(insulated gate bipolar; IGBT) 트랜지스터(Q1 및 Q2)를 포함한다. 각 IGBT에는 Q1 및 Q2가 비활성화될 때 흐르는 전류를 차단하기 위해 반대 방향의 전류 전달 방향으로 향하는 바디 다이오드(D1, D2)가 있다. 포트(1206)에 대한 제어 신호의 인가는 트랜지스터(Q1 및 Q2)의 게이트 노드를 바이어싱하여 IGBT를 활성화하여 전류가 폐쇄 상태에서 회로(1221)를 통해 흐르도록 하거나, IGBT를 비활성화하여 전류가 개방 상태에서 회로(1221)를 통해 흐르는 것을 차단하도록 할 것이다. MOSFET 또는 GaN 장치와 같은 IGBT 대신 다른 SSR가 사용될 수 있다.
도 12e에서, SSR 회로(1221)는 IGBT 트랜지스터(Q3) 및 네 개의 다이오드(D3, D4, D5, D6)를 갖는 브리지 다이오드 회로를 포함한다. Q3는 포트(1206)에 대한 제어 신호의 인가에 의해 Q3이 활성화될 때 SSR 회로(1221)를 통해 전류가 흐르도록 브리지 다이오드 회로 내에 위치된다. 예를 들어, Q3가 비활성화될 때, 회로(1221)는 개방 상태에 있고 전류가 흐를 수 없다. Q3가 활성화되면 회로(1221)는 폐쇄 상태에 있고 전류는 D3, Q3 및 D6을 통해 왼쪽에서 오른쪽으로, 그리고 D5, Q3 및 D4를 통해 오른쪽에서 왼쪽으로 흐를 수 있다. SSR 회로(1221)의 실시예들의 임의의 조합은 본원에 설명된 라우팅 회로부(1200) 실시예들에서 사용될 수 있다. 다른 SSR 회로 설계도 사용될 수 있다.
충전 단계 동안, 스위치(1108) 각각은 충전 위치(2)로 전환될 수 있거나, 또는 대안적으로, 충전되는 어레이(700)의 스위치(1108)만이 위치(2)로 스위칭될 수 있고, 임의의 어레이(700)의 스위치(1108)는 위치(1)에 충전되지 않은 상태로 둘 수 있다. 따라서 충전 단계 동안 스위치(1108)의 일부 정류(commutation)가 필요할 수 있다.
어레이(700-PA 및 700-PB)의 모듈(108)(병렬로 연결된 모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 포함)을 DC 충전하기 위해, 제어 시스템(102)은 각각 제어 신호(CS1 및 CS3)의 인가에 의해 회로(1221-1 및 1221-3)를 전도 상태로 두고 각각 제어 신호(CS2 및 CS4)의 인가에 의해 회로(1221-2 및 1221-4)를 비전도 상태로 둘 수 있다. 전류는 포트(1201-1)로부터 회로(1221-1)를 통해 3상 충전 커넥터(1102)로부터 PA 라인(1111)에 연결된 I/O 포트(1204-PA)로 통과한다. 전류는 모터(1100)를 바이패스하고, 스위치(1108-PA)와 어레이(700-PA)를 통과한다. 어레이(700-PA)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 바와 같이 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 모듈(108IC-1)(예를 들어, 도 10e와 관련하여 설명된, 부분(604-PA 및 604-PB)의 스위치(S7) 또는 부분(604-PA 및 604-PB)의 스위치(S8)) 및 어레이(700-PB)를 통과하고, 어레이(700-PB)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 반대 전류 방향을 고려하여 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 스위치(1108-PB)를 통과하고, I/O 포트(1204-PB)를 통해 라우팅 회로부(1200)로 들어간 다음, 회로(1221-3)를 통과하고, DC 포트(1201-2)를 통해 출력된다.
어레이(700-PA 및 700-PB)의 모듈(108)(모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 포함)을 DC 충전하기 위해, 제어 시스템(102)은 각각 제어 신호(CS2 및 CS4)의 인가에 의해 회로(1221-2 및 1221-4)를 전도 상태로 두고, 각각 제어 신호(CS1 및 CS3)의 인가에 의해 회로(1221-1 및 1221-3)를 비전도 상태로 둘 수 있다. 전류는 DC+ 포트(1201-1)로부터 회로(1221-2)를 통해 3상 충전 커넥터(1102)로부터 PB 라인(1111)에 연결된 I/O 포트(1204-PB)로 통과한다. 전류는 모터(1100)를 바이패스하고, 스위치(1108-PB)와 어레이(700-PB)를 통과한다. 어레이(700-PB)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 바와 같이 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 모듈(108IC-1)을 통과한 다음 모듈(108IC-2)(예를 들어, 도 10e의 부분(604-PB 및 604-PC)의 스위치(S7)와 함께 또는 이의 스위치(S8)와 함께 사용)을 통과하고, 및 어레이(700-PC)를 통과하며, 어레이(700-PC)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 또한 반대 전류 방향을 고려하여 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 스위치(1108-PC)를 통과하고, I/O 포트(1204-PC)를 통해 라우팅 회로부(1200)로 들어간 다음, 회로(1221-4)를 통과하고, DC 포트(1201-2)를 빠져나온다.
어레이(700-PA 및 700-PC)의 모듈(108)(모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 포함)을 DC 충전하기 위해, 제어 시스템(102)은 각각 제어 신호(CS1 및 CS4)에 의해 회로(1221-1 및 1221-4)를 전도 상태로 두고, 각각 제어 신호(CS2 및 CS3)에 의해 회로(1221-2 및 1221-3)를 비전도 상태로 둘 수 있다. 전류는 DC+ 포트(1201-1)로부터 회로(1221-1)를 통해 I/O 포트(1204-PA)로 통과한다. 전류는 모터(1100)를 바이패스하고, 스위치(1108-PA)와 어레이(700-PA)를 통과한다. 어레이(700-PA)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 바와 같이 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 모듈(108IC-1)을 통과한 다음 모듈(108IC-2)(예를 들어, 도 10e의 부분(604-PA 및 604-PC)의 스위치(S7)와 함께 또는 이의 스위치(S8)와 함께 사용)을 통과하고, 및 어레이(700-PC)를 통과하며, 어레이(700-PC)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 또한 반대 전류 방향을 고려하여 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 스위치(1108-PC)를 통과하고, I/O 포트(1204-PC)를 통해 라우팅 회로부(1200)로 들어간 다음, 회로(1221-4)를 통과하고, DC 포트(1201-2)를 통해 빠져나온다.
상술한 예 각각에서, 모듈(108IC-1) 및 상호연결 모듈(108IC-2)은 모듈(108IC)로부터 전류를 출력하기 전에 부분(604-PA, 604-PB 및 604-PC)의 적절한 스위치 조합에 의해 소스(들)(206)를 통해 유입 전류를 라우팅함으로써 그들의 에너지 소스(들)(206)를 충전할 수 있다.
AC 신호가 양일 때 단상 AC 충전은 DC 충전에 대해 전술한 바와 같이 동일한 상태에 있는 SSR 회로(1221)를 사용하여 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 전류 흐름은 단상 AC 충전 신호가 다음과 같이 수행될 수 있는 음의 절반 주기에 있을 때 반대 방향에 있다.
AC 신호가 음일 때 어레이(700-PA 및 700-PB)의 모듈(108)(모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 포함)을 충전하기 위해, 제어 시스템(102)은 각각 제어 신호(CS1 및 CS3)의 인가에 의해 회로(1221-1) 및 회로(1221-3))를 전도 상태로 두고 각각 제어 신호(CS2 및 CS4)의 인가에 의해 회로(1221-2) 및 회로(1221-4)를 비전도 상태로 둘 수 있다. 전류는 AC 중립(N) 포트(1201-2)로부터 회로(1221-3)를 통해 I/O 포트(1204-PB)로 통과하고, 거기로부터 모터(1100)를 바이패스하고, 스위치(1108-PB)와 어레이(700-PB)를 통과한다. 어레이(700-PB)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 바와 같이 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 모듈(108IC-1)(예를 들어, 도 10e의 부분(604-PA 및 604-PB)의 스위치(S7)와 함께 또는 이의 스위치(S8)와 함께 사용)을 통과하고, 및 어레이(700-PA)를 통과하며, 어레이(700-PA)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 반대 전류 방향을 고려하여 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 스위치(1108-PA)를 통과하고, I/O 포트(1204-PA)를 통해 라우팅 회로부(1200)로 들어간 다음, 회로(1221-1)를 통과하고, AC 라인(L) 포트(1201-1)를 통해 출력된다.
AC 신호가 음일 때 어레이(700-PB 및 700-PC)의 모듈(108)(모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 포함)을 충전하기 위해, 제어 시스템(102)은 각각 제어 신호(CS2 및 CS4)에 의해 회로(1221-2) 및 회로(1221-4)를 전도 상태로 두고, 각각 제어 신호(CS1 및 CS3)에 의해 회로(1221-1) 및 회로(1221-3)를 비전도 상태로 둘 수 있다. 전류는 AC(N) 포트(1201-2)로부터 회로(1221-4)를 통해 I/O 포트(1204-PC)로 통과하고, 모터(1100)를 바이패스하고, 스위치(1108-PC)와 어레이(700-PC)를 통과한다. 어레이(700-PC)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 바와 같이 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 모듈(108IC-2)을 통과한 다음 모듈(108IC-2)(예를 들어, 도 10e의 부분(604-PB 및 604-PC)의 스위치(S7)와 함께 또는 이의 스위치(S8)와 함께 사용)을 통과하고, 및 어레이(700-PB)를 통과하며, 어레이(700-PB)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 또한 반대 전류 방향을 고려하여 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 스위치(1108-PB)를 통과하고, I/O 포트(1204-PB)를 통해 라우팅 회로부(1200)로 들어간 다음, 회로(1221-2)를 통과하고, AC(L) 포트(1201-1)를 통해 빠져나온다.
AC 신호가 음일 때 어레이(700-PA 및 700-PC)의 모듈(108)(모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 포함)을 충전하기 위해, 제어 시스템(102)은 각각 제어 신호(CS1 및 CS4)에 의해 회로(1221-1) 및 회로(1221-4)를 전도 상태로 두고 제어 신호(CS2 및 CS3)에 의해 회로(1221-2) 및 회로(1221-3)를 비전도 상태로 둘 수 있다. 전류는 AC(N) 포트(1201-2)로부터 회로(1221-4)를 통해 I/O 포트(1204-PC)로 통과한다. 전류는 모터(1100)를 바이패스하고, 스위치(1108-PC)와 어레이(700-PA)를 통과한다. 어레이(700-PC)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 바와 같이 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 모듈(108IC-2)을 통과한 다음 모듈(108IC-1)(예를 들어, 도 10e의 부분(604-PB 및 604-PC)의 스위치(S7)와 함께 또는 이의 스위치(S8)와 함께 사용)을 통과하고, 및 어레이(700-PA)를 통과하며, 어레이(700-PA)의 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 또한 반대 전류 방향을 고려하여 선택적으로 충전될 수 있다. 전류는 스위치(1108-PB)를 통과하고, I/O 포트(1204-PA)를 통해 라우팅 회로부(1200)로 들어간 다음, 회로(1221-1)를 통과하고, AC(L) 포트(1201-1)를 통해 빠져나온다.
도 12f는 DC, 단상 AC 및 3상 AC 충전에 사용하기 위한 세 개의 전도성 IO가 있는 공유 충전 포트(1102/1202)를 제외하면 도 12a의 실시예와 유사한 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 도 12g는 도 12f에 도시된 공유 충전 포트(1102/1202)와 함께 사용하도록 구성된 라우팅 회로부(1200)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 여기서, SSR 회로(1221-4)는 회로(1221-1 및 1221-2)의 충전 측 사이에 결합되고, SSR 회로(1221-5)는 회로(1221-2 및 1221-3)의 충전 측 사이에 결합된다. 3상 충전을 수행하기 위해, SSR 회로(1221-1, 1221-2, 및 1221-3)는 폐쇄되고, SSR 회로(1221-4 및 1221-5)는 개방된다. 어레이(700-PA 및 PB)의 DC 및 단상 AC 충전을 수행하기 위해, 회로(1221-1, 1221-3 및 1221-5)는 폐쇄되고 회로(1221-2 및 1221-4)는 개방된다. 어레이(700-PB 및 PC)의 DC 및 단상 AC 충전을 수행하기 위해, 회로(1221-1, 1221-3 및 1221-4)는 폐쇄되고 회로(1221-2 및 1221-5)는 개방된다. 어레이(700-PA 및 PC)의 DC 및 단상 AC 충전을 수행하기 위해, 회로(1221-1 및 1221-3)는 폐쇄되고 회로(1221-2, 1221-4 및 1221-5)는 개방된다.
도 11a, 12a 및 12f의 SPDT 스위치 구성의 사용은 스위치(1108)가 방전 위치(1)에 있을 때 충전 커넥터(1102 및 1202)의 자동 분리 및 절연을 초래한다. 마찬가지로, 모터(1100)는 스위치(1108)가 충전 위치(2)에 있을 때 자동으로 분리되고 절연된다. 도 11b의 실시예에서와 같이 SPST 스위치(1108)를 사용할 때, 모터(1100)는 스위치(1108)가 충전 상태에서 개방될 때 분리된다. 충전 커넥터(들)(1102, 1202)는 스위치(1108)가 폐쇄되고 모터(1100)가 방전 상태를 위해 연결될 때 연결된 상태를 유지한다. 도 13a 내지 13d는 SPST 스위치(1108)를 사용하고 모터(1100)가 연결되고 시스템(100)이 방전 상태에 있는 동안 충전 커넥터(1102, 1202)를 선택적으로 분리하는 능력을 갖는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 13a는 도 11b의 시스템과 유사한 SPST 스위치(1108)로 구성되지만, 모터(1100)를 바이패스하면서 다상 AC 충전에 더하여 DC 및/또는 단상 AC 충전을 허용하는 라우팅 회로부(1200)로 구성된 시스템(100)을 도시하는 블록도이다. 커넥터(1102 및 1202)의 컨덕터는 공유 구성(1102/1202)에 있다. 도 12a 및 12f의 실시예들과 같이, 이 실시예에서 스위치(1108)는 통합 스위치 어셈블리 장치(1250)에 배치될 수 있다. 도 13a의 실시예는 도 12g에 도시된 바와 같이 구성된 라우팅 회로부(1200)와 함께 사용될 수 있다.
도 13b는 별도의 충전 커넥터(1102 및 1202)를 제외하면 도 13a와 유사한 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 도 13b의 실시예는 도 13c와 관련하여 설명된 바와 같이 구성된 라우팅 회로부(1200)와 함께 사용될 수 있으며, 이는 도 12b의 실시예와 유사하지만 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)와 커넥터(1102) 사이에 연결된 라인(1111-PA, 1111-PB 및 1111-PC)을 선택적으로 분리하도록 구성된 추가 SSR 회로(1221-5, 1221-6 및 1221-7)(집합적으로 스위치(1331)라고 함)를 갖는 라우팅 회로부(1200)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 스위치(1331)는 대안으로 전기 기계식 릴레이일 수 있다. 스위치(1331) 각각은 I/O 포트(1206)에서 수신된 제어 신호로 제어될 수 있다. (제어 연결은 도시되지 않음) 제어 시스템(102)은 제어 신호를 생성하고 스위치(1331)로 출력할 수 있다. SPST 스위치(1108)는 모터(1100)가 시스템(100)에 연결된 상태를 유지하도록 폐쇄 위치로 기본 설정되도록 구성되는 반면, 스위치(1331)는 시스템(100)으로부터 분리된 충전 커넥터(1102 및 1202)를 유지하기 위해 개방 상태로 기본 설정되도록 구성된다. 3상 AC 충전을 위해, 스위치(1331)는 폐쇄 상태로 놓이는 반면, SSR 회로(1221-1, 1221-2, 1221-3 및 1221-4)는 개방 상태로 놓이게 된다. DC 및 단상 AC 충전을 위해, 스위치(1331)는 개방 상태에 놓이고 SSR 회로(1221-1 내지 1221-4)는 도 12b와 관련하여 설명된 실시예와 유사하게 동작될 수 있다.
도 13d는 도 13b의 실시예와 유사하지만, 스위치(1331)가 라우팅 회로부(1200)(도 13c에 도시된 바와 같음)로부터 스위치 어셈블리(1250)로 이동되는 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 스위치 어셈블리(1250) 내에서, 스위치(1331)는 SSR 회로(1221), 전기 기계식 릴레이 등일 수 있다.
서로 다른 접근 방법은 어레이(700)의 각 쌍을 충전하는 데 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 어레이(700-PA 및 PB)를 충전할 때, 어레이(700) 모두가 원하는 레벨 또는 임계값(예를 들어, 50%)에 도달할 때까지 충전이 수행될 수 있다. 그런 다음 어레이(700-PB 및 PC)를 충전할 때, 어레이(700-PB)가 100%에 도달하고 어레이(700-PC)가 50%에 도달할 때까지 충전이 수행될 수 있다. 그런 다음 어레이(700-PA 및 PC)를 충전할 때, 두 어레이(700)가 모두 100%에 도달할 때까지 충전이 수행될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 라우팅 회로부(1200), 스위치(1108) 및 각 어레이(700)의 모듈(108)은 모든 어레이(700)를 상대적으로 일제히 충전하도록 제어 및 순환될 수 있다(예를 들어, 어레이(700-PA) 모듈이 1 또는 몇 퍼센트 충전된 다음, 어레이(700-PB) 모듈이 1 또는 몇 퍼센트 충전된 다음, 어레이(700-PC) 모듈이 1 또는 몇 퍼센트 충전되고, 프로세스는 모든 모듈이 완전히 충전될 때까지 반복될 수 있음). 단상 AC 충전에서, 각 어레이(700-PA 내지 700-PC)가 양의 절반 주기 동안 1회 이상 충전되고 음의 절반 주기 동안 다시 1회 이상 충전되도록 스위칭이 빠르게 일어날 수 있다.
모터 바이패스와 병렬로 연결된 충전 어레이의 예시적인 실시예
일부 실시예들에서, 예를 들어 더 높은 전류를 생성하기 위해 병렬 어레이가 사용되는 실시예들 또는 AC 충전 신호보다 더 많은 위상 어레이(700)를 갖는 실시예들에서 어레이(700)를 병렬로 충전하는 것이 바람직할 수 있다. 도 14는 도 10c의 실시예와 유사한 방식으로 배열된 두 개의 서브시스템(1000-1 및 1000-2)을 갖는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 스위치(1108)는 SPDT 스위치로 구성된다. 여기서, 각 서브시스템(1000-1 및 1000-2)은 서로 다른 모터(1100-1 및 1100-2)에 전력을 공급한다. 시스템(100)은 본원에 설명된 실시예들에 따라 DC, 단상 AC 및/또는 다상 AC 충전 신호로 충전되도록 구성될 수 있다. 충전 커넥터(1102 및 1202)가 공유 구성(1102/1201)에 있는 이 예에서, 라우팅 회로부(1200)는 도 12g의 라우팅 회로부와 같이 구성될 수 있다. 라우팅 회로부(1200)는 서브시스템(1000-1 및 1000-2)이 병렬로 충전되도록 스위치 어셈블리(1250-1 및 1250-2)와 연결되도록 분할되는 다상 라인(1111)에 결합된다. 예를 들어, 어레이(700-PA 및 700-PD)에 입력되는 전류는 모듈(108IC-1)에 결합되는 전류와 병렬로 이들 모듈을 충전할 수 있다. 전류가 모듈(108IC-2)에 결합되는 어레이(700-PB 및 700-PE)뿐만 아니라 전류가 모듈(108IC-3)에 결합되는 어레이(700-PC 및 700-PF)에 대해서도 동일한 현상이 발생할 수 있다.
도 14의 실시예는 별도의 충전 커넥터(1102 및 1202)(도 12a, 13b 및 13d와 같음)로 구성될 수 있으며, 이 경우 라우팅 회로부(1200)는 도 12b 또는 13c의 실시예 등에 따라 구성될 수 있다.
도 15a는 두 개의 모터(1100)를 공급하기 위한 두 개의 서브시스템(1000)을 갖는 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 여기서, 스위치(1108)는 스위치 어셈블리(1250-1 및 1250-2) 내의 SPST 스위치로서 구성되며, 이는 또한 스위치(1331-1 및 1331-2)를 각각 포함한다. 스위치(1331-1 및 1331-2)는 전기 기계식 릴레이로 구성되며 충전 중에는 닫히고 동작 중에는 다시 열린다. 이 예에서 충전 커넥터(1102 및 1202)는 공유 구성(1102/1202)에 있다. 라우팅 회로부(1200)는 도 12g의 실시예와 같이 구성될 수 있다. 대안으로, 서브시스템 연결이 라우팅 회로부(1200) 내부에 배치되는 경우, 회로부(1200)는 도 12b의 실시예와 동작이 유사하지만 추가 라인(1111-PD, 1111-PE 및 1111-PF)이 각각 라인(1111-PA, 1111-PB 및 1111-PC)에 차례로 연결되는 도 15b의 실시예와 같이 구성될 수 있다. 모든 제어 포트(1206)는 도시되지 않았지만 회로(1200)로부터 외부적으로 액세스 가능하다. 도 15a 및 15b와 관련하여 설명된 실시예들은 도 13c의 실시예에 기초한 라우팅 회로부를 사용하여 별도의 및 개별 충전 커넥터(1102 및 1202)와 함께 사용하기 위해 유사하게 구성될 수 있다.
도 15c는 도 15a의 실시예와 같이 구성되지만 스위치(1331)가 라우팅 회로부(1200) 내부로 이동되는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 회로부(1200)는 도 15d의 예시적인 실시예와 같이 구성될 수 있으며, 이는 라인(1111-PD, 1111-PE 및 1111-PF)의 선택적 분리를 위한 추가 SSR 회로(1221-6, 1221-7 및 1221-8)를 갖는 도 12g와 같은 구성을 도시하는 개략도이다. SSR 회로(1221-6, 1221-7 및 1221-8)는 3상 충전, 단상 충전 및 DC 충전(SSR 회로(1221-1 내지 1221-5)는 단상 및 DC 충전 동안 전류 라우팅을 수행함)에 대해 폐쇄 상태에 놓일 수 있고 시스템(100)이 방전 상태에 있을 때 개방 상태에 놓일 수 있다.
도 15e는 충전 커넥터(1102 및 1202)가 분리 및 이산되어 있는 것을 제외하면 도 15c와 유사한 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 라우팅 회로부(1200)는 도 13c의 실시예와 유사하지만 라인(1111-PA, 1111-PB 및 1111-PC)에 차례로 연결된 라인(1111-PD, 1111-PE 및 1111-PF)에 배치된 추가 SSR 회로(1221-8, 1221-9, 및 1221-10)를 갖는 도 15f의 예시적인 실시예에 따라 구성될 수 있다. SSR 회로(1221-8, 1221-9 및 1221-10)는 AC 및 DC 충전을 위해 폐쇄 상태에 놓일 수 있고, 시스템(100)이 모터(1100)에 전력을 공급하기 위해 사용될 때 개방 상태에 놓일 수 있다. 모든 제어 포트(1206)는 도시되지 않았지만 회로(1200)로부터 외부적으로 액세스 가능하다.
시스템(100)은 광범위한 전압 요구 사항 및 부하량을 갖는 전력 애플리케이션에 대한 수많은 서로 다른 구현을 허용하는 고도로 확장 가능하고 적응 가능한 구성을 갖는다. 전압 요구 사항은 수백 와트 정도의 저전압 애플리케이션(예를 들어, 전기 스쿠터 등)으로부터 메가와트 이상 정도의 고전압 산업 애플리케이션(예를 들어, 전력망, 핵융합 연구 등)에 이르기까지 다양할 수 있다. 부하의 수는 변할 수 있고 이러한 부하는 하나 이상의 모듈(108IC)에 의해 상호 연결되고 공통 제어 시스템(102)의 제어 하에 있는 서브시스템(1000)에 의해 공급될 수 있다. 대안으로, 각 서브시스템(1000)은 개별 제어 시스템(102)의 제어 하에 있을 수 있으며, 여기서 각 제어 시스템(102)은 모터용 컨트롤러와 직접 인터페이스한다. 시스템(100)의 확장성 및 적응성은 고정형 및 모바일 애플리케이션 모두에 적용된다. 예시를 용이하게 하기 위해, 모바일 애플리케이션, 특히 자동차 EV의 다양한 실시예에 대해 다음의 많은 실시예들이 다시 설명되어 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
예시적인 실시예들은 단일 모터 및 하나 이상의 관련 서브시스템(1000)(예를 들어, 배터리 팩)을 갖는 종래의 자동차 EV와 함께 사용될 수 있다. 예시적인 실시예들은 또한 단일 서브시스템(1000)과 연관된 둘 이상의 모터, 또는 각각이 그와 연관된 하나 이상의 서브시스템(1000)을 갖는 두 개 이상의 모터를 갖는 자동차 EV와 함께 사용될 수 있다. 모터는 파워트레인 또는 구동계를 통해 휠에 전력을 전달하는 차체 내부에 장착된 기존의 모터일 수 있다. 모터는 대안적으로 파워트레인(또는 구동계) 없이 휠 동작에 직접 전력을 공급하는 인휠 모터일 수 있다. EV는 차량의 모든 휠(예를 들어, 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 이상)에 인휠 모터를 갖거나, 차량의 일부 휠에만 인휠 모터를 가질 수 있다. 다수의 모터가 있는 경우, 예를 들어 EV의 전륜용 휠 모터와 후륜용 바디 모터 및 파워트레인의 기존 방식 또는 그 반대의 경우와 같이 접근 방식의 조합이 사용될 수 있다.
본 주제는 서로 다른 전압 요구 사항을 갖는 모터에 전력을 제공하기 위해 서로 다른 서브시스템(1000)에 대한 능력을 제공한다. 예를 들어, 단일 4륜 EV는 전륜에 전력을 공급하는 제1 모터와 후륜에 전력을 공급하는 제2 모터를 가질 수 있다. 제1 모터는 후방 모터와 다른 전압에서 동작할 수 있다. 대안으로, EV에는 각 전륜용 모터 하나와 양쪽 후륜용 모터 하나가 있을 수 있으며, 여기서 전륜용 모터는 후륜용 모터와 다른 전압 요구 사항을 갖는다. 또는 EV에는 전륜용 모터 하나와 후륜용 모터 두 개가 있을 수 있으며, 후륜 모터는 전륜 모터와 서로 다른 전압 요구 사항을 갖는다. 더욱이, 각 휠은 자체 모터를 가질 수 있으며, 전륜 모터는 후륜 모터의 전압 요구 사항과 다른 전압 요구 사항을 갖는다. 이러한 가변 조합은 2개, 3개, 5개, 6개 또는 그 이상의 바퀴를 가진 다중 모터 EV에도 적용된다.
상대적으로 낮은 전압 요구 사항, 예를 들어 300 내지 400V 공칭 라인 간 피크 전압을 갖는 모터는 고전압 애플리케이션보다 상대적으로 적은 모듈을 갖는 서브시스템(1000)을 가질 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 각 모듈은 높은 전압 애플리케이션의 공칭 전압보다 낮은 공칭 전압을 가질 수 있다. 예를 들어 400 내지 700 V 공칭 라인 간 피크 전압과 같이 저전압 요구 사항보다 높은 상대적으로 중간의 전압 요구 사항을 갖는 모터는 저전압 서브시스템(1000)보다 어레이당 상대적으로 더 많은 모듈을 갖는 서브시스템(1000)을 가질 수 있고/있거나 이러한 모듈은 저전압 애플리케이션의 공칭 전압과 동일하거나 더 높은 공칭 전압을 가질 수 있다. 추가 예로서, 저전압 및/또는 중간의 전압 요구 사항보다 높은 상대적으로 높은 전압 요구 사항, 예를 들어 700 내지 800 V 공칭 라인 간 피크 전압을 갖는 모터는 저전압 및 중간 전압 서브시스템(1000)보다 어레이당 상대적으로 더 많은 모듈을 갖는 서브시스템(1000)을 가질 수 있고, 및/또는 이러한 모듈의 공칭 전압은 저전압 또는 중간 전압 서브시스템(1000)의 공칭 전압보다 상대적으로 높을 수 있다. 물론, 모든 서브시스템(1000)은 동일한 수의 모듈로 구성될 수 있으며 모듈의 공칭 전압만 다를 수 있거나, 또는 모든 서브시스템(1000)은 동일한 공칭 전압을 갖지만 어레이당 다른 수의 모듈을 갖는 모듈로 구성될 수 있다.
본 주제는 또한 동일한 등급이지만 서로 다른 유형(예를 들어, 서로 다른 전기화학, 서로 다른 물리적 구조 등)의 에너지원을 사용하는 능력을 제공한다. 예를 들어, 다중 모터 EV의 하나 이상의 제1 서브시스템(1000)은 제1 유형의 배터리를 갖는 모듈(108)을 가질 수 있고, 다중 모터 EV의 하나 이상의 제2 서브시스템(1000)은 제2 유형의 배터리를 갖는 모듈(108)을 가질 수 있다. 상호연결 모듈(108IC)이 존재하는 경우, 이러한 모듈(108IC)은 제1 및 제2 유형과는 다른 제3 유형의 배터리를 가질 수 있다. 하나 이상의 서브시스템에 모듈당 여러 에너지원이 있는 모듈(108B)이 있는 경우, 다음의 조합과 같은 추가 조합이 실행될 수 있는데, (a) 하나 이상의 제1 서브시스템은 모듈당 다수의 에너지원을 갖고, 하나 이상의 제2 서브시스템은 모듈당 하나의 에너지원만을 갖거나, (b) 하나 이상의 제1 서브시스템은 제1 유형의 1차 에너지원 및 제2 유형의 2차 에너지원을 포함하는 모듈당 다수의 에너지원을 갖고, 하나 이상의 제2 서브시스템은 동일한 제1 유형의 1차 에너지원 및 제1 및 제2 유형과 상이한 제3 유형의 2차 에너지원을 포함하는 모듈당 다수의 에너지원을 갖거나, (c) 하나 이상의 제1 서브시스템은 제1 유형의 1차 에너지원 및 제2 유형의 2차 에너지원을 포함하는 모듈당 다수의 에너지원을 갖고, 하나 이상의 제2 서브시스템은 제1 및 제2 유형과 다른 제3 유형의 1차 에너지원 및 동일한 제2 유형의 2차 에너지원을 포함하는 모듈당 다수의 에너지원을 갖거나, 또는 (d) 하나 이상의 제1 서브시스템은 모듈당 다수의 에너지원을 갖고 하나 이상의 제2 서브시스템은 모듈당 다수의 에너지원을 가지며, 하나 이상의 제1 서브시스템의 에너지원 유형은 하나 이상의 제2 서브시스템의 에너지원 유형과 상이하다.
에너지원 간의 유형 차이는 해당 에너지원의 동작 특성 측면에서 나타날 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 유형의 배터리 에너지원은 서로 다른 공칭 전압, 서로 다른 C 레이트, 서로 다른 에너지 밀도, 서로 다른 용량을 가질 수 있으며, 이들 각각은 온도, 충전 상태 또는 사용량(예를 들어, 사이클 수)에 따라 달라질 수 있다. 배터리 유형의 예에는 솔리드 스테이트 배터리, 액체 전해질 기반 배터리, 액상 배터리 뿐만 아니라 리튬(Li) 금속 배터리, Li 이온 배터리, Li 공기 배터리, 나트륨 이온 배터리, 칼륨 이온 배터리, 마그네슘 이온 배터리, 알카리성 배터리, 니켈 금속 수소화물 배터리, 황산니켈 배터리, 납산 배터리, 아연-공기 배터리 등과 같은 흐름 배터리가 포함된다. Li 이온 배터리 유형의 몇 가지 예로는 Li 코발트 산화물(LCO), Li 망간 산화물(LMO), Li 니켈 망간 코발트 산화물(NMC), Li 철 인산염(LFP), 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA) 및 Li 티탄산염(LTO)가 있다.
본 주제는 서로 다른 유형의 에너지원, 특히 서로 다른 유형의 배터리를 갖는 서로 다른 모듈(108), 서브시스템(1000) 및 시스템(100)에 대한 능력을 제공한다. EV의 하나 이상의 제1 서브시스템은 각각 제1 유형의 에너지원을 갖는 모듈을 포함할 수 있고, EV의 하나 이상의 제2 서브시스템은 제1 유형과 상이한 제2 유형의 에너지원을 각각 갖는 모듈을 포함할 수 있으며, 여기서 두 유형은 적어도 두 개의 동작 특성에 대해 상이하다. 제1 유형의 배터리는 서로 다른 제2 유형의 배터리의 동일한 제1 동작 특성보다 상대적으로 더 큰 제1 동작 특성(예를 들어, 공칭 전압, C 레이트, 에너지 밀도 또는 용량)을 가질 수 있고, 제2 유형의 배터리는 제1 유형의 배터리의 동일한 제2 동작 특성보다 상대적으로 더 큰 서로 다른 제2 동작 특성(예를 들어, 공칭 전압, C 레이트, 에너지 밀도 또는 용량)을 가질 수 있다. 예를 들어, EV는 제1 유형의 에너지원과 제2 유형의 에너지원을 가질 수 있는데, 제1 유형(예를 들어, LFP)은 상대적으로 높은 C 레이트와 상대적으로 낮은 에너지 밀도(또는 용량)를 제공하여, 가속 성능에 더 적합한 반면, 제2 유형(예를 들어, NMC)은 상대적으로 낮은 C 레이트와 상대적으로 높은 에너지 밀도(또는 용량)를 제공하여, 고속도로 주행에 더 적합하다.
따라서, 서로 다른 동작 특성에 비해 우수한 성능을 달성하기 위해 배터리 유형이 혼합될 수 있다. 서로 다른 유형의 사용률은 단일 모듈(예를 들어, 제1 유형의 1차 소스(206A) 및 제2 유형의 2차 소스(206B)) 내에서, 동일한 단일 서브시스템(1000) 또는 시스템(100)의 서로 다른 모듈들(예를 들어, 제1 유형의 에너지원(206)을 갖는 하나 이상의 모듈(108) 및 제2 유형의 에너지원(206)을 갖는 하나 이상의 모듈(108)) 사이, 및/또는 서브시스템들(1000) 또는 시스템(100)(예를 들어, 각각이 제1 유형의 에너지원을 갖는 모듈을 갖는 제1 서브시스템 및 각각이 제2 유형의 에너지원을 갖는 모듈을 갖는 제2 서브시스템) 사이에서 구현될 수 있다.
전압 성능(예를 들어, 낮음, 중간, 높음) 및 에너지원 유형의 이러한 변화는 본원에 설명된 모든 실시예들에 적용될 수 있다. 이러한 변형은 특히 도 10c, 14, 15a, 15c, 15e, 및 16a 내지 18b와 관련하여 설명된 것과 같이, 다수의 모터(1100)에 전력을 공급하기 위해 둘 이상의 개별 서브시스템(1000)을 갖는 실시예들에 적용 가능하다. 서로 다른 전압 용량을 갖는 서브시스템을 충전할 때, 각 서브시스템은 전용 충전 포트 및 충전 케이블(전용 충전원 또는 공유 충전원으로부터)에 의해 독립적으로 충전될 수 있거나, 서브시스템은 도 14, 15a, 15c 및 15e(및 기타)에 대해 설명된 병렬 구성과 같이 동일한 충전 케이블 및 커넥터로부터 동시에 충전될 수 있다. 본원에 설명된 실시예들 중 어느 하나를 충전할 때, 충전 프로세스 동안 밸런싱을 수행하기에 충분한 마진을 보존하기를 원한다면, 이용 가능한 충전원 전압(예를 들어, AC 충전을 위한 피크 라인 간 전압)이 임의의 시간에 충전되는 소스(206)의 현재 전압의 총합보다 작은 것이 바람직하다.
도 16a는 세 개의 모터(1100-1, 1100-2 및 1100-3)에 각각 전력을 공급하기 위한 세 개의 서브시스템(1000-1, 1000-2, 1000-3)을 갖는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 예에서, 모터(1100-1 및 1100-2)는 각각 4륜 EV의 서로 다른 전륜과 연관되고 적당한 전압 요구 사항을 갖는 반면, 모터(1100-3)는 EV의 두 개의 후륜과 연관되며 모터(1100-1 및 1100-2)보다 상대적으로 더 높은 전압 요구 사항을 갖는다. 서브시스템(1000-1 및 1000-2)의 어레이(700)는 도시된 바와 같이 각각 N개의 모듈(108)을 가질 수 있고, 두 개의 서브시스템에 대한 N의 값은 바람직하게는 동일하다. 서브시스템(1000-3)의 어레이(700)는 각각 둘 이상의 임의의 정수일 수 있는 M개의 모듈(108)을 가질 수 있다. 서브시스템(1000-3)의 어레이(700)는 서브시스템(1000-1 및 1000-2)의 어레이(700)보다 상대적으로 더 큰 전압을 생성하도록 구성되며, 따라서 서브시스템(1000-3)은 많은 경우에 서브시스템(1000-1 및 1000-2)보다 더 많은 모듈(108)을 가질 것이다. 특정한 다른 실시예들에서, 모듈의 수는 서브시스템 사이에서, 예를 들어, 서브시스템(1000-3)의 각 모듈(108)이 서브시스템(1000-1 및 1000-2)의 모듈(108)보다 더 큰 전압을 생성할 수 있는 경우, 예컨대 더 큰 공칭 전압을 갖는 배터리 유형을 사용하거나 서브시스템(1000-3)의 각 모듈(108) 내에 다수의 에너지원(206)을 포함함으로써 일치할 수 있다.
세 개의 상호연결 모듈(108IC-1, 108IC-2 및 108IC-3)이 존재하고 각각은 세 개의 서로 다른 어레이(700)에 연결하기 위한 세 개의 스위치 부분(604)을 포함한다. 각 모듈(108IC)은 단일 서브시스템의 세 개의 어레이(700)에 결합되며, 모듈(108IC-1)은 서브시스템(1000-1)의 어레이(700-PA, PB, PC)에 결합되고, 모듈(108IC-2)은 서브시스템(1000-2)의 어레이(700-PD, PE, PF)에 결합되고, 모듈(108IC-3)은 서브시스템(1000-3)의 어레이(700-PG, PH, PI)에 결합된다. 이 실시예에서, 각 서브시스템(1000)은 해당 서브시스템의 관련 모터(1100)와 인터페이스하는 별도의 제어 시스템(102)의 제어 하에 있을 수 있다. 모듈(108IC)은 상호 연결되어 보조 부하(301 및 302)에 전력을 제공한다.
대안적인 실시예에서, 각 모듈(108IC)은 적어도 두 개의 서로 다른 서브시스템(1000)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 모듈(108IC-1)은 서브시스템(1000-1)의 어레이(700-PA 및 700-PB) 및 서브시스템(1000-3)의 어레이(700-PG)에 결합될 수 있다. 모듈(108IC-2)은 서브시스템(1000-1)의 어레이(700-PC), 서브시스템(1000-2)의 어레이(700-PD) 및 서브시스템(1000-3)의 어레이(700-PH)에 결합될 수 있다. 모듈(108IC-3)은 서브시스템(1000-2)의 어레이(700-PE 및 700-PF) 및 서브시스템(1000-3)의 어레이(700-PI)에 결합될 수 있다. 이 대안적인 실시예에서, 서브시스템(1000)은 세 개의 모터(1100) 모두에 대한 컨트롤러와 인터페이스하고 또한 각 서브시스템(1000)의 상태 정보를 수집하는 공통 제어 시스템(102)의 제어 하에 있을 수 있으며, 서브시스템(1000) 사이에서 어레이 간 밸런싱을 수행하도록 구성된다.
도 16a에서, 라인(1111-1)은 스위치 어셈블리(1250-1) 내의 스위치(1108)와 연결된다. 추가 스위치 세트(1602)는 서브시스템(1000-1 및 1000-2) 사이의 라인(1111-1)에 포함된다. 이러한 스위치(1602)는 모터(1100-1 및 1100-2)가 동작 중에 분리되도록 개방 상태로 기본 설정되는 SPST 스위치(전기 기계식 릴레이 또는 SSR)일 수 있다. 스위치(1602)는 관련 시스템(102)의 제어 하에 충전을 위해 닫힐 수 있다. 제러 라인은 도시되지 않는다. 커넥터(1102/1202)는 도시된 바와 같이 공유될 수 있고 라우팅 회로부(1200)는 도 12g, 15b 또는 15d에 따라 구성될 수 있다. 대안으로, 커넥터(1102/1202)는 적어도 5개의 충전 컨덕터를 갖는 별개의 및 개별 커넥터(1102 및 1202)일 수 있고 라우팅 회로부(1200)는 도 12b, 13c 또는 15f에 따라 구성될 수 있다.
도 16b는 모터(1100-1 및 1100-2)가 제1 충전 커넥터(1102-1)로부터 다상 충전을 위해 구성되고 모터(1100-3)가 제2 충전 커넥터(1102-2)로부터 다상 충전을 위해 구성되는 세 개의 모터 토폴로지의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서, 상대적으로 높은 전압의 서브시스템(1000-3)이 상대적으로 낮은 전압의 서브시스템(1000-1 및 1000-2)보다 높은 전압의 충전 신호로 충전될 수 있도록 서로 다른 다상 충전 전압이 각 커넥터에 인가될 수 있다. 커넥터(1102/1202)는 도시된 바와 같이 공유될 수 있고 라우팅 회로부(1200)는 도 12g에 따라 구성될 수 있다. 대안으로, 커넥터(1102/1202)는 적어도 5개의 단자를 갖는 별개의 및 개별 커넥터(1102 및 1202)일 수 있고 라우팅 회로부(1200)는 도 12b에 따라 구성될 수 있다.
도 16c는 단일 충전 커넥터(1102)가 사용될 수 있고 고전압 다상 충전 신호가 라인(1604)을 통해 서브시스템(1000-3)으로 직접 전달될 수 있고 저전압 AC 충전 신호가 3상 변압기(1610)에 의해 생성되어 라인(1606)을 통해 서브시스템(1000-1 및 1000-2)에 공급될 수 있는 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 스위치(1108)는 도 16a 내지 16c의 실시예들의 SPDT 스위치이다.
도 16a 내지 16c의 실시예들 각각은 네 개(또는 그 이상) 모터 시스템(100)으로 구성될 수 있다. 도 17은 각각이 관련 서브시스템(1000-1 내지 1000-4)을 각각 갖는 네 개의 모터(1100-1 내지 1100-4)를 갖는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예에서, 서브시스템(1000-1)은 세 개의 IC 모듈(108IC-1 내지 108IC-3)을 갖고 서브시스템(1000-2)은 세 개의 IC 모듈(108IC-4 내지 108IC-6)을 갖는다. 각 모듈(108IC-1 내지 108IC-3)은 서브시스템(1000-1)의 어레이(700) 및 서브시스템(1000-3)의 어레이(700)에 연결하기 위한 두 개의 스위치 부분(604)(미도시)를 갖고, 각 모듈(108IC-4 내지 108IC-6)은 서브시스템(1000-2)의 어레이(700) 및 서브시스템(1000-4)의 어레이(700)에 연결하기 위한 두 개의 스위치 부분(604)(미도시)를 갖는다. 이 실시예는 서브시스템(1000) 사이에서 그리고 그 내에서 밸런싱을 수행하도록 구성된 단일 제어 시스템(102)(미도시)의 제어 하에 구현될 수 있다. 대안으로, 이 네 개의 모터 실시예는 각 서브시스템 내에서 위상간 밸런싱을 수행하기 위해 서브시스템(1000)당 1개(도 16a의 실시예와 같이), 2개 또는 3개의 IC 모듈(108 IC)로 구현될 수 있다. 서브시스템(1000)은 각각 N개의 모듈을 갖는 것으로 도시되지만 서브시스템당 모듈의 수는 다를 수 있다. 모터(1100)당 두 개의 스위치(1108)가 사용된다.
이 실시예에 대한 충전 구성은 세 개의 모터 실시예의 구성과 유사하지만 서브시스템(1000-3 및 1000-4) 사이에 스위치(1602-2)의 추가 세트가 위치된다. 이러한 스위치(1602-2)는 마찬가지로 개방 위치로 기본 설정되고 제어 시스템(102)의 제어 하에 충전 동안 폐쇄되는 SPST 스위치(예를 들어, 전기 기계식 릴레이 또는 SSR)일 수 있다. 커넥터(1102/1202)는 도시된 바와 같이 공유될 수 있고 라우팅 회로부(1200)는 도 12g, 15b 또는 15d에 따라 구성될 수 있다. 대안으로, 커넥터(1102/1202)는 적어도 5개의 컨덕터를 갖는 별개의 및 개별 커넥터(1102 및 1202)일 수 있고 라우팅 회로부(1200)는 도 12b, 13c 또는 15f에 따라 구성될 수 있다.
도 18a 내지 18b는 6개의 모터를 갖는 EV에 3상 전력을 공급하도록 구성된 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 6개의 모터 구성은 단일 섀시 또는 함께 이동 가능하게 연결된 다수의 섀시가 있는 EV와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 전면 섀시에 두 개의 모터가 있고 후면 섀시에 네 개의 모터가 있거나, 전면 섀시에 네 개의 모터가 있고 후면 섀시에 두 개의 모터가 있을 수 있다. 본원에 도시된 전기적 구성으로, 모터(1100-1 및 1100-2)는 전륜 모터일 수 있고 모터(1100-3 및 1100-4)는 중륜 모터이고 모터(1100-5 및 1100-6)는 후륜 모터일 수 있다. 대안으로, 모터(1100-1 및 1100-3)는 전륜 모터일 수 있고, 모터(1100-2 및 1100-4)는 중륜 모터일 수 있으며, 모터(1100-5 및 1100-6)는 후륜 모터일 수 있다.
이 실시예에 대한 충전 구성은 네 개의 모터 실시예의 구성과 유사하지만 제3 라인 세트(1111-3)가 다상 충전 신호를 모터(1100-5 및 1100-6)로 전달하도록 라인(1111)에서 추가로 분할된다. 추가 스위치 어셈블리(1250-3)는 서브시스템(1000-5 및 1000-6) 사이에 위치된 두개의 추가 스위치 세트(1602-3 및 1602-4)를 가질 수 있다. 이러한 스위치(1602-3 및 1602-4)는 개방 위치로 기본 설정되고 제어 시스템(102)의 제어 하에 충전 동안 폐쇄되는 SPST 스위치(예를 들어, 전기 기계식 릴레이 또는 SSR)일 수 있다. 스위치(1602-3 및 1602-4)는 시스템(1000-5)을 시스템(1000-6)으로부터 분리할 수 있고, 또한 충전 커넥터(1102 및 1202)로부터 절연을 제공할 수 있다. 라우팅 회로부(1200)에 충전 커넥터 절연이 제공되면, 스위치(1602-3 및 1602-4)는 하나의 스위치 세트로 통합될 수 있다.
도 16a 내지 16c, 17 및 18a 내지 18b의 실시예들에서, 도 14 내지 15f와 관련하여 설명된 병렬 충전 접근 방법은 충전에 사용될 수 있다. 라인(1111)에서의 분할은 도시된 바와 같이 라우팅 회로부(1200)의 외부에서 또는 도 15c 내지 15f의 실시예에서와 같이 라우팅 회로부(1200) 내에서 발생할 수 있다. 도 14 내지 15f의 실시예에서와 같이, 도 16a 내지 16b, 17 및 18의 실시예들은 다상 충전만, 단상 충전만, DC 충전만, 3가지 유형의 충전 모두 또는 이들의 임의의 조합을 위해 구성될 수 있다. 어레이(700)는 3가지 충전 유형 모두 동안 병렬로 충전될 수 있다.
시스템(100)은 또한 하나의 모터에만 전력을 공급하는 구성에서 어레이(700)를 병렬로 충전하도록 구성될 수 있다. 도 19a 내지 19b는 6상 모터(1900)에 전력을 공급하도록 구성된 6상 시스템(100)의 예시적인 실시예들을 도시하는 블록도이다. 시스템(100)은 6상(PA, PB, PC, PA', PB' 및 PC') 각각에 대응하는 어레이(700)를 포함한다. 3상 충전 커넥터(1102)는 어레이(700-PA 및 700-PA')가 병렬로 충전될 수 있고, 어레이(700-PB 및 700-PB')가 병렬로 충전될 수 있으며, 어레이(700-PC 및 700-PC')가 병렬로 충전될 수 있도록 시스템(100)에 연결된다. 커넥터(1102)로부터의 라인은 제1 라인 세트(1911) 및 제2 라인 세트(1912)로 분기된다. 커넥터(1102)의 PA 라인은 라인(1911) 중 하나를 통해 모터(1900)의 PA 포트 및 어레이(700-PA)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 연결되고, 커넥터(1102)의 PA 라인은 라인(1912) 중 하나를 통해 모터(1900)의 PA' 포트 및 어레이(700-PA')의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 연결된다. 커넥터(1102)의 PB 라인은 다른 라인(1911)을 통해 모터(1900)의 PB 포트 및 어레이(700-PB)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 연결되고, 커넥터(1102)의 PB 라인은 다른 라인(1912)을 통해 모터(1900)의 PB' 포트 및 어레이(700-PB')의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 연결된다. 커넥터(1102)의 PC 라인은 다른 라인(1911)을 통해 모터(1900)의 PC 포트 및 어레이(700-PC)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 연결되고, 커넥터(1102)의 PC 라인은 최종 라인(1912)을 통해 모터(1900)의 PC' 포트 및 어레이(700-PC')의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 연결된다.
스위치(1908-1, 1908-2 및 1908-3)는 라인(1912) 내에서 직렬로 연결되어 라인(1912)에 의해 이루어진 연결을 선택적으로 연결 및 분리한다. 스위치(1908)는 바람직하게는 시스템(100)이 방전 상태에 있는 동안 모터(1900)의 동작을 위해 개방 위치로 기본 설정된다. 시스템(100)이 충전 상태에 들어갈 때, 스위치(1908)는 모터(1900)를 바이패스하도록 닫히고 다양한 어레이(700)를 병렬로 충전하도록 한다. 스위치(1908)는 본원의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 전기 기계식 또는 솔리드 스테이트 스위치로 구성될 수 있다. 대안으로, 충전 동안 모터(1900)를 바이패스하기 위해 모터(1900)의 6개 포트(PA-PC') 각각에 6개의 스위치가 배치될 수 있다.
도 19a의 실시예는 도 11a 내지 11b와 관련하여 설명되지만 각 어레이 쌍은 병렬로 충전되는 방식과 유사한 방식으로 3상 커넥터(1902)를 통해 3상 충전 신호로 충전될 수 있다. 전류는 모듈(108IC)을 통해 라우팅될 수 있고, 본원에 설명된 바와 같이 모듈(108IC)의 소스를 충전하는 데 사용될 수 있다. 충전 프로세스는 보조 부하(301 및 302)에 전압이 여전히 공급되는 동안 발생할 수 있다. 전압, 전류 및/또는 위상은 모니터 장치(1310)에 의해 측정될 수 있고 다양한 모듈(108)은 본원에 설명된 바와 같이 1의 역률을 타겟으로 하거나 1의 임계값(예를 들어, 1%, 2%, 5%) 내에서 스위칭될 수 있다.
도 19b의 실시예는 공유 충전 커넥터(1102/1202)를 갖고 도 12g와 관련하여 설명된 라우팅 회로부(1200)를 포함하며, DC, 단상 AC 또는 3상 AC의 세 가지 충전 유형으로 충전할 수 있다. 예를 들어 도 14 내지 15f와 관련하여 설명된 바와 같이 병렬 충전을 위해 충전 커넥터 절연을 적용하는 커넥터(1102, 1202) 및 라우팅 회로부(1200)의 구성은 마찬가지로 6상 모터를 갖는 이 실시예에서 사용하기 위해 채택될 수 있다. 스위치(1908)는 모든 3가지 충전 유형 동안 닫히고 모터(1900)에 전력을 공급하기 위해 방전 상태에서 시스템(100)의 정상 동작 동안 열린다. 어레이(700)는 3가지 충전 유형 모두 동안 병렬로 다시 충전될 수 있다.
모터를 통한 충전 어레이의 예시적인 실시예
시스템(100)은 또한 적응형 라우팅 회로부(1200)가 필요하지 않도록 모터를 통해 어레이(700)를 충전하도록 구성될 수 있다. 도 20은 도 11a의 실시예와 유사하지만 단일 사용자 액세스 가능 위치에서 3상 충전 커넥터(1102)와 통합될 수 있거나 그로부터 분리되어 EV의 서로 다른 위치에 있을 수 있는 이중 DC 및 단상 AC 충전 커넥터(2002)가 있는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이중 커넥터(2002)는 모터(1100)의 위상 포트에 차례로 연결되는 제1 라인(2004-1)에 연결되며, 이 실시예에서 모터는 PC 및 스위치(1108-PC)이다. 커넥터(2002)는 시스템(100)의 시스템 출력 포트(SIO4)에 연결될 수 있는 제2 라인(2004-2)에 연결된다. 시스템 출력 포트(SIO4)는 어레이(700-PC)에 연결된 상호연결 모듈(108IC-2)의 모듈 출력 포트(2) 또는 IC 모듈이 존재하지 않는 경우 어레이(700-PC)의 모듈(108-N)의 출력 포트(2)일 수 있다. 커넥터(2002)는 DC 충전을 위한 양극 및 음극 DC 리드, 또는 단상 AC 충전을 위한 AC 라인 및 AC 중립 리드에 연결될 수 있으며, 이 예에서는 각각 라인(2004-1 및 2004-2)에 연결된다. 다른 연결이 구현될 수 있다.
DC 충전은 1개, 2개 또는 3개의 어레이(700) 모두가 동시에 충전되도록 수행될 수 있다. 또한, 단상 AC 충전은 1개, 2개 또는 3개의 어레이(700) 모두가 동시에 충전되도록 수행될 수 있다. DC 및 AC 충전은 본원에 설명된 바와 같이 모듈(108) 사이의 온도 차이의 밸런스를 이루고 본원에 설명된 바와 같이 모든 모듈(108)에 걸쳐 밸런스된 SOC에 도달하는 방식으로 수행될 수 있다. AC 충전은 역률을 1 또는 그에 가깝게 유지하도록 수행된다. 모든 경우에, 측정 가능한 전류가 모터 코일을 통과하거나 권선 및 플럭스가 생성되는 경우, 시스템(100)의 센서는 이 전류를 검출하고, 제어 시스템(102)은 모든 권선을 통과하는 모든 플럭스의 크기 및 위상이 서로 상쇄 또는 중화되도록 각 모듈(108)의 스위칭을 제어하거나, 플럭스의 변동이 임계값 미만이고 모터를 회전시키기에 불충분하도록 실질적으로 서로 상쇄 또는 중화시킨다.
각 어레이를 순차적으로 DC 충전
어레이(700-PA)를 충전하기 위해, 스위치(1108-PA)는 어레이(700-PA)를 모터(1100)에 연결하기 위해 위치(1)에 배치된다. 스위치(1108-PB 및 1108-PC)는 위치(2)에 배치되거나 유지된다. DC 충전 전압의 인가 시, 전류는 커넥터(2002)의 DC+ 포트로 들어가고, 라인(2004-1)을 통해 모터(1100)로 전달되고, 여기서 모터의 PC 및 PA 권선을 통과한다. 전류는 모터(1100)를 빠져나가고, 스위치(1108-PA) 및 모니터 회로부(1110-PA) 및 어레이(700-PA)를 통과하며, 여기서 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 기술에 따라 각각의 변환기(202)를 스위칭함으로써 개별적으로 충전될 수 있다. 모듈(108IC-1 및 108IC-2)에 대한 충전 전류는 스위치 부분(604-PA)의 S7, 모듈(108IC-1 및 108IC-2)의 충전원(206)(도 10e에 도시된 바와 같이 병렬로)을 통과하고, 모듈 I/O 포트(2)를 통해 모듈(108IC-2)을 빠져나갈 수 있으며, 이는 도 10e에 도시된 바와 같이 레일(IO 포트(6)의 노드)을 따라 또는 추가 스위치 부분(604)의 S7과 S8 사이에 배치될 수 있다. 그런 다음 전류는 커넥터(2002)의 DC 포트를 통해 시스템(100)을 빠져나간다.
어레이(700-PB)를 충전하기 위해, 스위치(1108-PB)는 어레이(700-PB)를 모터(1100)에 연결하기 위해 위치(1)에 배치된다. 스위치(1108-PA 및 1108-PC)는 위치(2)에 배치되거나 유지된다. 전류는 커넥터(2002)의 DC+ 포트로부터 라인(2004-1)을 통해 모터(1100)로 흐른 다음, 모터의 PC 및 PB 권선을 통해 흐른다. 그런 다음 전류는 스위치(1108-PB) 및 모니터 회로부(1110-PB) 및 어레이(700-PB)를 통과하며, 여기서 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 기술에 따라 각각의 변환기(202)를 스위칭함으로써 개별적으로 충전될 수 있다. 모듈(108IC-1 및 108IC-2)에 대한 충전 전류는 스위치 부분(604-PA)의 S7, 모듈(108IC-1 및 108IC-2)의 충전원(206)(도 10e에 도시된 바와 같이 병렬로)을 통과하고, 커넥터(2002)의 DC-포트를 통해 시스템(100)을 빠져나갈 수 있다.
어레이(700-PC)를 충전하기 위해, 스위치(1108-PC)는 어레이(700-PC)를 라인(2004-1)에 연결하기 위해 위치(1)에 배치된다. 스위치(1108-PA 및 1108-PB)는 위치(2)에 배치되거나 유지된다. 전류는 커넥터(2002)의 DC+ 포트로부터 라인(2004-1)을 통과하고, 모터(1100)를 바이패스하고, 스위치(1108-PC) 및 모니터 회로부(1110-PA) 및 어레이(700-PC)를 통과하며, 여기서 각 모듈(108-1 내지 108-N)은 본원에 설명된 기술에 따라 각각의 변환기(202)를 스위칭함으로써 개별적으로 충전될 수 있다. 모듈(108IC-1 및 108IC-2)에 대한 충전 전류는 스위치 부분(604-PC)의 S7, 모듈(108IC-1 및 108IC-2)의 충전원(206)(도 10e에 도시된 바와 같이 병렬로)을 통과하고, 커넥터(2002)의 DC-포트를 통해 시스템(100)을 빠져나갈 수 있다. 모듈(108IC)의 충전원(206)을 중지하기 위해, 관련 스위치 부분(604)의 S8이 활성화되어 전류를 모듈(108IC-2)의 포트(2)로 직접 보낼 수 있다.
두 개 이상의 어레이를 동시에 충전하는 DC
커넥터(2002)에서 제공되는 DC 충전 신호와 동시에 둘 이상의 어레이(700)를 충전하기 위해, 충전될 어레이(700)에 연결된 스위치(1108)는 위치(1)에 배치되거나 유지되고 충전되지 않는 임의의 어레이(700)에 연결된 스위치(1108)는 위치(2)에 배치되거나 유지된다. 모듈(108IC)의 충전원(206)을 중지하기 위해, 충전된 어레이(700)의 각 스위치 부분(604)의 S8이 활성화될 수 있거나 충전되는 어레이(700)의 스위치 부분(604)이 50-50 듀티 사이클에서 변조될 수 있다. 충전되는 어레이(700)를 통과하는 전류는 모듈(108)에 의해 조절되어 모터(1100)를 통과하는 상쇄 플럭스를 유지하고, 또한 모듈(예를 들어, 온도 및 SOC)의 밸런싱을 맞추면서 모듈의 에너지원(206)을 충전한다.
모든 어레이를 동시에 충전하는 단상 AC
커넥터(2002)에서 제공되는 단상 AC 신호와 동시에 모든 어레이(700)를 충전하기 위해, 스위치(1108)는 위치(1)에 배치되거나 유지된다. 라인(2004-1)으로부터의 전류는 모터(1100)의 PC 및 PA 권선을 통해 어레이(700-PA)에 공급되고, 모터(1100)의 PC 및 PB 권선을 통해 어레이(700-PB)에 공급되며, 라인(2004-1)(모터(1100)를 바이패스)로부터 직접 어레이(700-PC)에 공급된다. 그런 다음 전류는 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC) 및 모듈(108IC-1 및 108-IC2) 각각을 통과하여, 모듈(108IC-2)의 I/O 포트(2)를 통해 빠져나간다. 어레이(700)를 통과하는 전류는 모터(1100)를 통과하는 상쇄 플럭스를 유지하기 위해 모듈(108)에 의해 조절되는데, 예를 들어 권선(PA 및 PB)을 통과하는 전류가 권선(PC)을 통과하는 전류와 같게 하여 모든 전류가 동일한 위상에 있게 함으로써 플럭스를 중화시킨다. 모듈(108)의 에너지원(206)은 본원에 설명된 기술에 따라 모듈(108)의 하나 이상의 동작 특성(예를 들어, 온도 및 SOC)의 밸런싱을 맞추면서 충전될 수 있다.
각 어레이 또는 어레이 서브셋을 동시에 충전하는 단상 AC
커넥터(2002)에서 제공되는 단상 AC 신호와 동시에 어레이(700)의 하나 또는 서브셋에 대해, 충전되는 어레이(700)에 대응하는 스위치(1108)는 위치(1)에 배치되거나 유지되고 다른 스위치는 위치(2)에 배치되거나 유지된다. 라인(2004-1)으로부터의 전류는 모터(1100)의 권선을 통해 또는 어레이(700-PC)가 충전된 경우 모터(1100)를 우회하여, 충전되는 어레이(들)(700)에 공급된다. 그런 다음 전류는 충전되는 어레이(들)(700)와 모듈(108IC-1 및 108-IC2)을 통과하여, 모듈(108IC-2)의 I/O 포트(2)를 통해 빠져나간다. 충전되는 어레이(들)(700)를 통과하는 전류는 모터(1100)를 통과하는 상쇄 플럭스를 유지하기 위해 모듈(108)에 의해 조절되며, 이는 단지 두 개의 권선(PC 및 PA, 또는 PC 및 PB)이 사용되는 경우 상대적으로 간단하다. 모듈(108)의 에너지원(206)은 본원에 설명된 기술에 따라 모듈(108)의 하나 이상의 동작 특성(예를 들어, 온도 및 SOC)의 밸런싱을 맞추면서 충전될 수 있다.
전술한 충전 시스템(100)의 실시예들에서, 모터(1100)를 바이패스할 때와 모터(1100)를 통해 충전할 때 모두, 스위치(1108)는 충전되는 하나 이상의 어레이를 통한 전류 흐름을 허용하고 충전되지 않는 임의의 어레이를 통한 전류 흐름을 방지하는 위치로 스위칭된다. 대안으로, 모든 스위치(1108)는 충전을 허용하는 위치에 배치될 수 있고 충전되지 않는 어레이를 통한 전류 흐름은 해당 어레이(700)의 모듈(108) 및 해당 어레이(700)에 결합된 임의의 모듈(108IC)을 사용하여 조절되거나 방지될 수 있다. 충전되지 않는 어레이(700)를 통한 일부 전류 흐름은 모터 내의 플럭스를 중화시키는 것을 돕는 것이 요구될 수 있다.
충전 델타 및 직렬 토폴로지
본원에 설명된 충전 주제는 도 7d 및 7e와 관련하여 설명된 것과 유사한 모듈(108)의 델타 및 직렬 배열을 갖는 토폴로지와 함께 사용될 수 있다. 도 21a는 도 7e의 것과 유사한 델타 및 직렬 배열을 갖지만, 보조 부하(301 및 302)를 공급하는 상호연결 모듈(108IC-1 및 108IC-2)이 추가된 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 실시예는 커넥터(1102)를 통한 3상 충전 또는 커넥터(1202)를 통한 DC 또는 단상 AC 충전을 위해 구성된다. 3상 충전은 3상 충전 커넥터(1102)로부터 직접 일어날 수 있다. DC 및 단상 AC 충전의 경우, 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)가 라인(1211)에 의해 상호연결되기 때문에, 라인(1211-1)으로부터의 DC+ 및 AC(L) 전류는 어레이(700-PC)의 모듈(108-1) 및 어레이(700-PB)의 모듈(108-(M))로 직접 입력될 수 있고 거기로부터 시스템(100)의 나머지 모듈(108)로 순환될 수 있다. DC 및 단상 AC 충전의 전류는 모듈(108IC-2) 및 라인(1211-2)을 통해 빠져나갈 수 있다.
도 21b는 도 21a의 것과 유사한 배열을 갖지만, 이중 충전 커넥터(1202)와 3상 충전 라인(1111) 사이에 결합된 라우팅 회로(1200)가 있는 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 이 델타 및 직렬 토폴로지는 본원의 다른 곳에 설명된 바와 같이 3상, 단상 또는 DC 충전원을 사용하여 충전될 수 있다.
개방형 권선 부하 충전
본원에 설명된 충전 주제는 하나 이상의 개방 권선(또는 코일) 부하에 대한 전력을 제공하는 다수의 서브시스템(1000)을 갖는 토폴로지와 함께 사용될 수 있다. 도 22는 개방형 권선 모터(2200)를 공급하기 위한 서브시스템(1000-1 및 1000-2)을 갖는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 서브시스템(1000-1)은 모터(2200)의 제1 포트에 각각 위상(PA, PB 및 PC)를 갖는 전력을 먼저 공급하는 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)를 포함한다. 서브시스템(1000-2)은 모터(2200)의 제2 포트에 각각 위상(PA', PB' 및 PC')을 갖는 전력을 먼저 공급하는 어레이(700-PA', 700-PB' 및 700-PC')를 포함한다. 서브시스템(1000-2)은 또한 부하(301 및 302)의 위상 간 밸런싱 및 공급을 위한 모듈(108IC-1 및 108IC-2)을 포함한다.
3상 충전 커넥터(1102)는 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 결합된다. 스위치(2208-1)는 어레이(700-PA)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)와 어레이(700-PB)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1) 사이에 연결된다. 스위치(2208-2)는 어레이(700-PB)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)과 어레이(700-PC)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1) 사이에 연결된다. 3상 충전 커넥터(1102)는 스위치(2208-1 및 2208-2)가 개방 위치에 있을 때 서브시스템(1000-1 및 1000-2) 모두를 충전하기 위한 3상 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
이중 DC 및 단상 AC 충전 커넥터(2202)는 어레이(700-PC)의 모듈(108-1)의 I/O 포트(1)에 연결된 DC+ 또는 AC(L) 라인(2204-1) 및 모듈(108IC-2)의 I/O 포트(2)에 연결된 DC- 또는 AC(N) 라인(2204-2)을 갖는다. 이중 충전 커넥터(2202)는 3상 충전원이 연결되지 않고 스위치(2208-1 및 2208-2)가 폐쇄 위치에 있을 때 DC 또는 단상 AC 충전에 사용될 수 있다.
본원에 설명된 다른 실시예들에서와 같이, 모니터 회로부(1110)를 사용하여, 제어 시스템(102)의 제어 하에 충전이 수행되어 모터가 회전하는 것을 방지하기 위해 서로 상쇄되는 모터(2200) 내의 플럭스를 유지한다. 충전은 또한 시스템(100)의 각 모듈(108)의 하나 이상의 동작 특성(예를 들어, SOC 또는 온도)의 밸런스 조건을 타겟으로 하는 방식으로 수행된다. 3상 충전의 경우, 전류는 양수인 충전원의 하나 또는 두 개의 신호로부터 충전원의 나머지 음수 신호로 전달된다. 예를 들어, 위상(PA)이 양이고 위상(PB 및 PC)이 음인 경우, 전류는 어레이(700-PA)를 통과한 다음, 모터(2200)의 PA-PA' 권선을 통과한 다음, 어레이(700-PA') 및 모듈(108IC-1)을 통과한다. 거기에서 전류는 어레이(700-PB'), 권선(PB-PB') 및 어레이(700-PB)를 통하거나 모듈(108IC-2), 어레이(700-PC'), 권선(PC-PC') 및 어레이(700-PC)를 통해 두 경로 중 하나를 다시 통과한 다음, 커넥터(1102)를 통해 출력된다. 전류가 전류의 방향에 관계없이 서브시스템(1000)의 각 어레이(700)를 통과할 때, 각 모듈(108)은 본원에 설명된 기술에 따라 선택적으로 충전될 수 있다. 단상 AC 및 DC 충전은 세 개의 전류 경로 각각을 따라 병렬로 수행될 수 있으며, 각 모듈(108)은 밸런스된 방식으로 충전하기 위해 필요에 따라 스위칭하고, 세 개의 전류 경로는, (1) 어레이(700-PA), 권선(PA-PA'), 어레이(700-PA') 및 모듈(108IC-1); (2) 어레이(700-PB), 권선(PB-PB'), 어레이(700-PB') 및 모듈(108IC-1); 및 (3) 어레이(700-PC), 권선(PC-PC'), 어레이(700-PC') 및 모듈(108IC-2)이다.
충전기의 예시적인 실시예
시스템(100)은 또한 전기 자동차 또는 다른 부하를 충전하기 위한 충전원(150)으로서 사용될 수 있다. 도 23a는 충전소(150) 내의 버퍼로서 구성된 시스템(100)(여기서는 시스템(100-1)이라고 함)의 제1 인스턴스의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 시스템(100-1)은 외부 전력 제공자로부터의 에너지로 로컬 유틸리티 그리드를 충전한 다음 충전 케이블(2302)을 사용하여 급속 충전 및 EV(2300)를 충전할 수 있다. EV는 종래의 배터리 팩을 가질 수 있거나 시스템(100)의 제2 인스턴스(여기서는 시스템(100-2)이라고 함)로 구성된 배터리 팩을 가질 수 있다. EV(2300)의 급속 충전은 시스템(100-1 및 100-2)의 구성에 따라, DC 충전 신호, 단상 AC 충전 신호 또는 다상 AC 충전 신호로 수행될 수 있다. 그리드로부터의 충전은 케이블(2302)을 통해 수행되는 상대적으로 높은 전압 및 고속 충전 속도보다 상대적으로 낮은 전압 및 느린 속도로 발생할 수 있다. 또한, 버퍼 시스템(100-1)은 하나 이상의 EV(2300)를 고속 충전하면서 계속해서 충전할 수 있다. 버퍼 시스템(100-1) 내의 소스(206)의 크기에 따라, 시스템(100-1)은 그리드로부터 재충전을 요구하기 전에 수많은 EV를 충전할 수 있는 용량을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 충전소(150)는 유틸리티 그리드 연결이 생략될 수 있도록 태양광 패널 어레이, 바람 형태, 또는 다른 재생 가능한 소스와 같은 재생 가능한 에너지원에 결합될 수 있다.
도 23b는 도 23a와 유사한 예시적인 실시예를 도시하는 개략도로서, 시스템(100-1)의 3상 구성은 충전원(150) 내의 에너지 저장 버퍼로서 사용된다. 이 실시예에서, 충전원(150)은 시스템(100-2)을 갖는 배터리 팩으로 구성된 제1 EV(2300)에 고전압 3상 충전 신호를 제공하고, 또한 모듈식 스위치 기능이 없는 종래의 배터리 팩을 갖는 제2 EV(2350)에 고전압 DC 충전 신호를 제공하도록 구성된다. 시스템(100-1)은 변압기(2362) 및 유도성 인터페이스 회로부(2364)를 통해 3상 그리드(2360)에 연결된 어레이(700-PA, 700-PB 및 700-PC)를 갖는 3상 시스템이다. 시스템(100-1)은 또한 AC-DC 변환기 및 충전 회로(2366)를 포함한다. 시스템(100-1)은 인터페이스 회로부(2364) 및 유도성 인터페이스 회로부(2365) 및 충전 케이블(2370)을 통해 EV(2300)에 3상 전력을 출력할 수 있고, 3상 전력을 DC 충전 케이블(2372)을 통해 출력되는 DC 신호로 변환하는 충전 회로(2366)의 인터페이스 회로부(2364) 및 유도성 인터페이스 회로부(2367) 및 AC-DC 변환기를 통해 EV(2350)에 3상 전력을 출력할 수 있다.
이 실시예에서, 시스템(100-1)은 그리드(2360)로부터 느리게 충전할 수 있고 다상 AC 또는 DC 접근 방법을 사용하여 고속 충전 EV(2300 및 2350)에 사용하기 위해 다양한 모듈(108)의 소스 내에 에너지를 저장할 수 있다. 충전원(150)은 본원에 설명된 PWM 및 다른 제어 기술에 따라, 시스템(100-1)의 어레이(700)에 의해 생성된 출력 전압을 조절함으로써 서로 다른 차량(예를 들어, 저전압 및 고전압 차량)에 대한 출력 전압을 조절할 수 있다. 고전압 충전은 시스템 및 EV 구성에 기초하여 예를 들어 2C 내지 12C 이상에서 EV가 수신할 수 있는 정격만큼 높은 고 C 레이트로 수행될 수 있다. 충전소(150)는 또한 예를 들어 EV(2300) 또는 충전소(150)에 라우팅 회로부(1200)를 배치함으로써, 또는 대안적으로 변압기를 사용함으로써 고전압 단상 또는 DC 충전을 위해 구성될 수 있다.
충전원(150)은 AC-DC 변환기 및 충전 회로(2366)에 의해 생성된 고조파 성분을 상쇄하기 위해 전류를 주입하도록 구성될 수 있다. 회로(2366) 또는 충전 EV(2300 및 2350)의 다른 측면에 의해 생성된 고조파는 모니터 회로부(2380)에 의해 검출될 수 있으며, 이는 그리드(2360)로부터 통과하는 신호의 전류, 전압 및/또는 위상을 측정하도록 구성될 수 있다. 시스템(100-1)의 제어 시스템(102)(미도시)은 고조파를 검출하고 시스템(100-1)의 모듈(108)이 고조파와 반대 극성이지만 고조파와 위상이 같은 보상 전류를 생성하여 그리드(2360)로의 고조파 방향 전환을 상쇄하도록 할 수 있다. 시스템(100-1)의 이러한 능동 필터링 기능은 회로(2366)가 다이오드와 같은 고조파 성분으로 구현되도록 할 수 있으며, 이는 IGBT와 같은 저조파 성분으로 구현된 유사한 회로와 비교할 때 회로(2366)의 비용을 크게 줄인다.
물리적 및 전기적 시스템 레이아웃의 예시적인 실시예
시스템(100)의 모듈식 특성은 EV 섀시 내에서 물리적 레이아웃 및 방향에서 더 큰 유연성을 허용한다. 수평면에서의 모듈 치수 및 종횡비는 그 안에 포함된 하나 이상의 에너지원(206)의 체적에 의해 크게 구동되며, 지원 회로부는 훨씬 더 작고 하나 이상의 에너지원(206)을 위한 하우징(220) 위 또는 아래에 위치될 수 있다(예를 들어, 도 2c 참조). 도 24 내지 28c는 시스템(100)의 다양한 구성에 대한 레이아웃의 예시적인 실시예들을 도시하는 개략도이다. 이들 도면들에 대한 전기적 연결은 본원의 다른 곳에서 철저하게 설명되어 있기 때문에 상세하게 도시되지 않으며, 대신 물리적 배열에 중점을 둔다.
도 24는 EV 섀시의 베이스에서 내부 영역(180) 내의 시스템(100)의 배열(2400)을 도시하며, 여기서 시스템(100)은 모터(1100)에 3상 전력을 공급하기 위해 세 개의 어레이로 구성된다. 여기서, 각 어레이 내에는 10개 레벨의 모듈(108)이 있다. 위상(PA) 어레이 내의 모듈(108)은 모듈(1A 내지 10A)이고, 위상(PB) 어레이 내의 모듈(108)은 모듈(1B 내지 10B)이며, 위상(PC) 어레이 내의 모듈(108)은 모듈(1C 내지 10C)이다. 시스템(100)은 또한 도 10f의 것과 유사한 배열로 구성된 모듈(IC1, IC2 및 ICAUX)을 포함하며, 모듈(ICAUX)은 보조 역할(예를 들어, 모듈(108IC-3))로 구성된다. EV의 수평면에서, 각 모듈(108)은 축(2401)(EV 길이)을 따라 배향된 더 짧은 치수 및 축(2402)(EV 폭)을 따라 배향된 더 긴 치수를 갖는 실질적으로 직사각형 프로파일을 갖는다. 각 어레이의 모듈(108-2 내지 108-10)은 열로 정렬되며, 각 열은 축(2401)에 평행하다. 각 레벨 2 내지 10의 모듈(108)은 행으로 정렬되며, 각 행은 축(2402)에 평행하다. 모듈(108-1A, 1B, 1C)은 모듈(108-1A 및 108-1C)이 서로 인접하고, 모듈(108-1A)이 PA 및 PB 어레이용 열과 중첩하고 모듈(108-1C)이 PB 및 PC 어레이용 열과 중첩하는 두 행을 차지하는 스태거형 구성(staggered configuration)으로 배열된다. 모듈(108-1B)은 일반적으로 위상(PB)에 대한 열로 정렬되지만, 모듈(108-1B)과 모듈(108-2B) 사이에 삽입된 모듈(108-1A 및 108-1C)을 갖는다. 유사한 구성이 모듈(108IC)에 대한 영역(180)의 반대쪽 끝에 존재한다. 스태거형 행을 갖는 이 구성은 전압 전달 용량의 최대량이 영역(180) 내에 콤팩트하게 분배되도록 허용하며, 이 예에서는 각 단부(181 및 182)에서 테이퍼진 8면 구성을 가지며, 에너지 시스템(100)의 배치에 사용 가능한 EV 섀시 내의 공간을 나타낸다. 시스템(100)을 위한 배터리 팩 인클로저는 수평면에서 영역(180)과 동일한 형상 및 치수를 가질 수 있다. 배열(2400)은 본원에 설명된 단일 모터 실시예들 중 어느 하나에 따라 충전을 수행하도록 구성될 수 있으며, 스위치(1108), 스위치 어셈블리(1250), 충전 커넥터 및 라우팅 회로부(1200)를 포함할 수 있다.
도 25a는 각각 모터(1100-1 및 1100-2)에 3상 전력(PA-PC 및 PD-PF)을 공급하도록 구성된 두 개의 서브시스템(1000-1 및 1000-2)으로 구성된 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예의 배열(2500)을 도시한다. 이 예에서, 각 서브시스템(1000)은 모듈(108)의 5개 레벨(행)을 포함한다. 모듈(108)은 다시 동일한 방식으로 배향되며, 각 모듈의 더 긴 치수는 축(2402)을 따라 배향되고 더 짧은 치수는 축(2401)을 따라 정렬된다. IC 모듈(108IC)의 행은 대칭적으로 반대 방식으로 배열된 두 개의 서브시스템(1000) 사이에 위치된다. 이 실시예의 전기적 연결은 본원에 설명된 실시예들에 따라 달라질 수 있다. 여기서, IC 모듈은 도 15a, 15b 및 15e의 방식과 유사한 방식으로 연결된 것으로 도시된다. 각 서브시스템(1000)은 두 개의 모터(1100)의 요구 사항에 기초하여 서로 다른 전압을 공급하도록 구성될 수 있다. 모터(1100-1)는 EV의 전방 2륜 구동계에 전력을 제공할 수 있는 반면, 모터(1100-2)는 후방 2륜 구동계에 전력을 제공할 수 있으므로, 서브시스템(1000)은 전방 및 후방 배열로 배향된다. 배열(2500)은 본원에 설명된 두 개의 모터 실시예들 중 어느 하나에 따라 충전을 수행하도록 구성될 수 있으며, 스위치(1108), 하나 이상의 스위치 어셈블리(1250), 충전 커넥터 및 라우팅 회로부(1200)를 포함할 수 있다.
도 25b는 모터(1100-1)에 3상 전력 및 모터(1100-2)에 3상 전력을 공급하도록 구성된 두 개의 서브시스템(1000-1 및 1000-2)으로 구성된 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예의 배열(2550)을 도시한다. 이 예에서, 각 서브시스템(1000)은 다시 모듈(108)의 5개 레벨(행)을 포함하지만, 서브시스템(1000)은 축(2401)을 따라 더 긴 치수로, 축(2402)을 따라 더 짧은 치수로 배향되는 대신 모듈(108)과 함께 왼쪽 및 오른쪽 배열로 배향된다. 모듈(108IC)의 더 긴 치수가 축(2402)을 따르고 모듈(108)의 더 짧은 치수가 축(2401)을 따르도록 방향이 역전된 상태로 스태거형 IC 모듈(108IC)의 열이 단부(181)에 존재한다. 이 실시예의 모든 모듈(108) 사이의 전기적 연결은 본원에 설명된 실시예들에 따라 달라질 수 있다. 이 실시예에서, 서브시스템(1000)이 축(2402)을 따라 나란히 위치되기 때문에, 서브시스템은 동일하거나 유사한 전압 구성을 갖는 것이 바람직하다. 각 휠이 전용 모터(1100)를 갖기 때문에, 이들 모터(1100)에 공급되는 전압은 배열(2500)의 전압보다 상대적으로 더 클 수 있다. 모터(1100-1 및 1100-2)는 전륜 또는 후륜에 전력을 공급할 수 있다. 스위치 어셈블리(1250)는 단부(182)에 위치되고 서브시스템(1000)과 모터(1100) 사이에 전기적으로 연결된다. 어셈블리(1250)는 도 14, 15a, 15b, 및 15e와 관련하여 설명된 바와 같이 두 모터(1100)(어셈블리(1250-1 및 1250-2)의 조합) 모두에 대한 스위치(1108)를 포함할 수 있다. 배열(2550)은 본원에 설명된 두 개의 모터 실시예들 중 어느 하나에 따라 충전을 수행하도록 구성될 수 있으며, 충전 커넥터 및 라우팅 회로부(1200)를 포함할 수 있다.
도 25c는 모터(1100-1)에 3상 전력을 공급하고 모터(1100-2)에 개별 3상 전력을 공급하도록 구성된 두 개의 서브시스템(1000-1 및 1000-2)으로 구성된 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예의 배열(2570)을 도시한다. 이 실시예는 각 모듈(108)이 상이한 등급 또는 유형의 에너지원을 갖는 하이브리드 구성이라는 점을 제외하고 배열(2550)과 유사하다. 예를 들어, 각 모듈(108)은 HED 커패시터, 또는 제1 유형의 배터리 모듈(예를 들어, NMC) 및 제2 유형의 배터리 모듈(예를 들어, LTO)과 조합된 배터리 모듈을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 유형 또는 등급의 에너지원은 모듈 내에서 단색 사각형으로 표시되고 제2 유형 또는 등급의 에너지원은 패턴이 있는 사각형으로 표시된다. 제1 유형의 에너지원은 축(2401)에 평행한 열로 정렬되고 제2 유형의 에너지원은 축(2401)에 평행한 열로 정렬된다. 각각 5개의 레벨(1-5)이 있는 6개의 모듈 어레이(A-F) 배열에는 에너지원의 한 열에서 다음 열로 등급 또는 유형이 번갈아 나타나는 에너지원이 있다. 이러한 소스 등급/유형의 분포는 이러한 모듈(108)을 보유하는 하나 이상의 인클로저의 효율적인 냉각을 허용한다. 대안적인 실시예에서, 배열은 모듈, 및 제1 및 제2 유형의 에너지원이 축(2402)에 평행한 열에 각각 정렬되도록 90°로 회전될 수 있다.
도 26은 각각 모터(1100-1, 1100-2 및 1100-3)에 3상 전력을 공급하도록 구성된 세 개의 서브시스템(1000-1, 1000-2 및 1000-3)으로 구성된 시스템(100)의 다른 예시적인 실시예의 배열(2600)을 도시한다. 모터(1100-1 및 1100-2)는 각각 EV의 별도의 휠 전용이고, 모터(1100-3)는 2륜용 구동계 전용이다. 모터(1100-1 및 1100-2)는 전륜에 전력을 공급할 수 있고 모터(1100-3)는 후륜에 전력을 공급할 수 있으며 그 반대도 가능하다. 이 예에서, 서브시스템(1000-1 및 1000-2)은 각각 세 개의 레벨을 포함하고 나란히(좌우) 관계로 배열되며, 각 어레이는 축(2402)을 따라 행으로 정렬되고 각 레벨은 축(2401)을 따라 열로 정렬된다. 축(2401)을 따라 정렬되고 서브시스템(1000-1 및 1000-2) 사이에 위치된 열은 세 개의 모든 서브시스템(1000)을 상호연결하는 세 개의 IC 모듈(108IC)을 포함한다. 모듈(108IC) 외에 서브시스템(1000-1 및 1000-2)의 모듈(108)은 축(2401)을 따라 정렬된 각 모듈의 더 긴 치수와 축(2402)을 따라 정렬된 더 짧은 치수로 배향된다. 서브시스템(1000-3)은 8개 레벨의 모듈(108)을 포함하며, 각 어레이는 열로 정렬되고 레벨 2 내지 8은 행으로 정렬되며, 각 모듈의 더 긴 치수는 축(2402)을 따라 배향되고 더 짧은 치수는 축(2401)을 따라 정렬되며, 서브시스템(1000-1 및 1000-2)의 방향과 반대이다. 서브시스템(1000-3)의 제1 레벨의 모듈(108)은 단부(182)에서 스태거형 방식으로 배열된다. 이 실시예에서, 서브시스템(1000-3)에 의해 제공되는 전력은 서브시스템(1000-1) 또는 서브시스템(1000-2)에 의해 제공되는 전력보다 클 수 있다. 이 실시예의 모든 모듈(108) 사이의 전기적 연결은 본원에 설명된 실시예들에 따라 달라질 수 있다. 배열(2600)은 본원에 설명된 세 개의 모터 실시예들 중 어느 하나에 따라 충전을 수행하도록 구성될 수 있으며, 스위치(1108), 스위치 어셈블리(1250), 충전 커넥터 및 라우팅 회로부(1200)를 포함할 수 있다.
도 27a 내지 27b는 각각 모터(1100-1, 1100-2, 1100-3 및 1100-4)에 3상 전력을 공급하도록 구성된 네 개의 서브시스템(1000-1, 1000-2, 1000-3 및 1000-4)으로 구성된 시스템(100)의 예시적인 실시예들의 배열(2700 및 2750)을 도시한다. 모터(1100)는 각각 EV의 개별 휠 전용이다. 각 서브시스템(1000)은 세 개 레벨의 모듈(108)을 포함하며, 여기서 모든 레벨 또는 대부분의 레벨은 축(2401)을 따라 열로 정렬되고 각 어레이는 축(2402)을 따라 행으로 정렬된다. 모든 모듈(108)은 축(2401)을 따라 정렬된 각 모듈의 더 긴 치수와 축(2402)을 따라 정렬된 더 짧은 치수로 배향된다. 이 실시예에서, 각 서브시스템(1000)은 그 각각의 모터(1100)에 대해 동일한 전압을 생성하도록 구성되지만, 다른 실시예들에서는 다양한 서브시스템(1000)에 의해 생성된 전압이 다를 수 있다. 이 실시예의 모든 모듈(108) 사이의 전기적 연결은 본원에 설명된 실시예들에 따라 달라질 수 있다. 모듈(108IC)은 예를 들어 도 17에 대해 설명된 바와 같이 네 개의 서브시스템(1000)을 상호연결한다. 어셈블리(1250-1 및 1250-2)는 도 17의 실시예 및 본원에 설명된 병렬 충전 주제와 유사하게 구성될 수 있다. 배열(2700)은 본원에 설명된 세 개의 모터 실시예들 중 어느 하나에 따라 충전하도록 구성될 수 있으며, 충전 커넥터 및 라우팅 회로부(1200)를 포함할 수 있다.
배열(2700) 시, IC 모듈의 열은 축(2401)을 따라 배향되고 좌측상의 서브시스템(1000-1 및 1000-3)과 우측상의 서브시스템(1000-2 및 1000-4)이 있는 중앙에 위치한다. 배열(2750) 시, 영역(180)은 양쪽 단부(181 및 182)에서 원주형으로 테이퍼된다. 서브시스템(1000-2)의 PC 어레이는 단부(181)의 이 원주형 영역에 위치되고, 서브시스템(1000-3)의 PA 어레이(대각선 반대편 서브시스템)는 모듈(108IC-6)과 함께 단부(182)의 원주형 영역에 위치된다. 도 27a 내지 27b의 실시예에 대한 대안으로, 대부분의 또는 모든 레벨은 축(2402)을 따라 행으로 정렬될 수 있고, 대부분 또는 모든 어레이는 축(2401)을 따라 열로 정렬될 수 있으며, 모듈(108IC)은 본원에 도시된 바와 같이 또는 축(2403)을 따라 행으로 정렬될 수 있다.
도 28a 내지 28c는 각각 모터(1100-1 내지 1100-6)에 3상 전력을 공급하도록 구성된 6개의 서브시스템(1000-1 내지 1000-6)으로 구성된 시스템(100)의 예시적인 실시예의 배열(2800, 2820 및 2850)을 각각 도시한다. 모터(1100)는 각각 EV의 개별 휠 전용이다. 이러한 실시예들에서, EV는 제1 에너지 시스템 영역(180)을 갖는 제1 섀시 및 제2 에너지 시스템 영역(280)을 갖는 제2 섀시를 포함한다. 두 개의 섀시는 기계식 및 전기식 연결부(2801)에서 서로에 대해 움직일 수 있다. EV는 제1 섀시가 앞쪽에 있고 제2 섀시가 뒤쪽에 있거나, 그 반대가 되도록 구성될 수 있다. 이러한 6개의 휠 구성은 대규모 그룹의 사람, 화물 또는 큰 화물 등을 운반하도록 설계된 대형 EV에 적합하다. 도 28a 내지 28c와 관련하여 설명된 주제는 섀시가 두 개 이상이고 모터가 7개 이상인 더 큰 차량으로 확장될 수 있다. 모든 모듈(108) 사이의 전기적 연결은 본원에 설명된 실시예들에 따라 달라질 수 있다. 다양한 어셈블리(1250)는 도 18a 내지 18b의 실시예 및 본원에 설명된 병렬 충전 주제와 유사하게 구성될 수 있다. 모듈(108IC)은 보조 부하 연결부에 의해 모든 서브시스템(1000)을 상호연결할 수 있고, 동일하거나 서로 다른 서브시스템의 2개 또는 어레이 사이에서 어레이 간 밸런싱을 수행할 수 있다. 도 18a 내지 18b의 전기 배열을 참조하면, 다상 라인(1111-3) 및 보조 부하 라인(1802)은 전기 연결부(2801)에 의해 영역(180)에서 영역(280)으로 통과할 수 있다. 배열(2800, 2820 및 2850)은 본원에 설명된 세 개의 모터 실시예들 중 어느 하나에 따라 충전하도록 구성될 수 있으며, 충전 커넥터 및 라우팅 회로부(1200)를 포함할 수 있다.
배열(2800 및 2820)은 영역(280)이 배열(2820)에서 2800보다 크고, 원하는 경우 추가 모듈을 위한 공간을 갖는다는 점을 제외하면 유사하다. 이러한 두 개의 실시예들에서, 각 서브시스템(1000)은 세 개 이사의 레벨의 모듈(108)을 포함하며, 모든 모듈(108)은 축(2401)을 따라 정렬된 각 모듈의 더 긴 치수와 축(2402)을 따라 정렬된 더 짧은 치수로 배향된다. 영역(180)은 (본원에 도시된 바와 같은) 2750의 배열과 유사한 배열 또는 배열(2700) 또는 본원에 고려되는 다른 것들로 구성될 수 있다. 서브시스템(1000-5 및 1000-6)은 전방 및 후방 방식(도 25a) 또는 여기에 도시된 바와 같이 좌우 방식으로 배열될 수 있으며, 여기서 각 어레이는 축(2402)을 따라 행으로 정렬되고 각 레벨은 축(2401)을 따라 열로 정렬된다.
배열(2850)의 영역(180)의 구성은 배열(2800 및 2820)의 구성과 유사하다. 배열(2850)의 영역(280)은 배열(2550)(도 25b)의 영역과 유사하게 구성되며, 여기서 어레이는 각각 축(2401)을 따라 정렬된 열에 있고 레벨은 축(2402)을 따라 각각 정렬된 행에 있다. 배열(2850)에는 2800 및 2820의 섀시보다 여전히 큰 제2 섀시가 있으며, 훨씬 더 큰 전력을 생성할 수 있는 서브시스템을 수용할 수 있다.
전기 서스펜션 및/또는 스티어링에 전력을 공급하도록 구성된 예시적인 실시예
전기 자동차는 각 휠에 대한 전기(액티브) 서스펜션 메커니즘 및/또는 전기 스티어링(예를 들어, 스티어 바이 와이어)으로 구성될 수 있다. 전동식 서스펜션은 전기 액추에이터 또는 모터와 함께 동작하여 차량 또는 휠의 움직임을 예상하여 서스펜션을 능동적으로(휠 또는 자동차에 적용된 자극에만 기계적으로 반응하는 기존의 수동 서스펜션과는 반대로) 음직인다. 전동식 스티어링 메커니즘은 또한 스티어링 컨트롤러에 의해 전달된 전기 신호에 응답하여(예를 들어, 스티어링 휠에 대한 드라이버의 입력 또는 자동 운전 제어 시스템으로부터의 입력에 기초하여) 휠을 이동시키기 위해 전기 액추에이터 또는 모터와 함께 동작시킨다.
본원에 설명된 실시예들은 전기식 서스펜션 및/또는 스티어링 또는 기타 부하를 위해 액추에이터 또는 모터에 전력을 공급하는 데 이용될 수 있다. 실시예들은 임의의 및 모든 휠에서 전기식 서스펜션에 전력을 공급할 수 있고, 각 휠에서 전기식 서스펜션과 전기식 스티어링 모두를 포함하여 전륜(및 또한 원하는 경우 후륜) 모두에서 전기식 스티어링에 전력을 공급할 수 있다. 실시예들은 서브시스템이 없는 단일 3상 시스템(100) 또는 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 서브시스템(1000)을 갖는 시스템(100)을 사용하여 전기식 스티어링 및 서스펜션에 전력을 공급할 수 있다.
도 29a는 네 개의 서브시스템(1000-1 내지 1000-4)을 갖는 시스템(100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이며, 여기서 각 서브시스템(1000)은 EV의 휠과 연관된 3상 모터(1100), 뿐만 아니라 EV의 휠과 연관된 DC 액추에이터(또는 모터)(2900)에 전력을 공급하도록 구성되며, 여기서 DC 액추에이터(2900)는 전기식 서스펜션 또는 전기식 스티어링에 사용될 수 있다. 도 29a에서, 각 액추에이터(2900)는 하나 이상의 상호연결 모듈(108IC)에 의해 소싱될 수 있는 보조 부하 라인(2902)에 의해 전력을 공급받는다. 라인(2902)의 전압은 예를 들어 도 3c의 모듈(108C)과 관련하여 설명된 바와 같이 포트(3 및 4)로부터 취해진, 상호연결 모듈(108IC)의 소스(206)와 동일한 전압일 수 있다. 대안적으로, 라인(2902)의 전압은 예를 들어 포트(5 및 6)로부터 취해지는, 모듈(108IC)의 소스(206)의 전압으로부터 하향 조절될 수 있다. 대안으로, 라인(2902)에 대한 연결부는 생략될 수 있고, 각 액추에이터(2900)는 모듈(108)로부터 직접 전력을 공급받을 수 있다. 전력을 제공하는 모듈(108)은 각 액추에이터(2900)에 가장 근접하게 또는 위치에 위치되는 모듈일 수 있다.
도 29a는 라인(2904)이 액추에이터(2900-1)를 서브시스템(1000-1)의 PA1 어레이의 모듈(108-1)에 연결하는 대안적인 연결부를 도시한다. 여기서 모듈(108-1)은 액추에이터(2900-1)에 가장 근접하게 위치된 코너 모듈이다. 이러한 연결부가 사용된 경우, 액추에이터(2900-2)는 서브시스템(1000-2)의 어레이(PC2)의 모듈(108-1)에 의해 전력이 공급될 수 있고, 액추에이터(2900-3)는 서브시스템(1000-3)의 어레이(PA3)의 모듈(108-1)에 의해 전력이 공급될 수 있으며, 액추에이터(2900-4)는 추가 라인(2904)(미도시)에 의해 서브시스템(1000-4)의 어레이(PC4)의 모듈(108-1)에 의해 전력이 공급될 수 있다.
액추에이터(2900)는 코너 모듈에 의해 직접 전력을 공급받을 필요가 없으며, 액추에이터(2900)에 가장 가까운 어레이의 임의의 다른 모듈에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 도 29a는 라인(2906)이 액추에이터(2900-3)를 서브시스템(1000-3)의 PA3 어레이의 모듈(108-N)에 연결하는 또 다른 대안적인 연결부를 도시하며, 이는 액추에이터(2900-3)에 가장 근접하게 위치된 어레이이다. 이러한 연결부는 마찬가지로 다른 액추에이터(2900) 각각에 대한 대안으로서 사용될 수 있다.
각 액추에이터(2900)가 접지된 경우, 액추에이터(2900)와 시스템(100) 사이에 절연을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 도 29a는 DC-DC 변환기 또는 DC-AC 변환기일 수 있는 절연 변환기(2910)가 서브시스템(1000-4)의 어레이(PC4)의 모듈(108-1)에서 액추에이터(2900-4)로 연장되는 라인(2908) 상에 위치되는 또 다른 대안적인 연결부를 도시한다. 이러한 연결부(2908)는 마찬가지로 다른 액추에이터(2900) 각각에 대한 대안으로서 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 절연 변환기(2910)는 라인(2902 또는 2906)에 개재되어 다른 소스로부터 절연 전력을 제공할 수 있다. 연결부(2904, 2906 및 2908) 각각이 단일 모듈에서 오는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 연결부는 병렬 에너지원을 활용하기 위해 다수의 모듈(108)에서 올 수 있다.
절연 변환기는 모듈(108)로 직접 통합될 수 있다. 도 29b는 DC-DC 절연 변환기(2910)로 구성된 모듈(108D)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이며, 소스(206)(또는 전력 연결부(110))로부터 라인(2904 또는 2906)에 연결된 포트(7 및 8)에 전력을 제공할 수 있다. 변환기(2910)는 I/O 포트(7 및 8)와 버퍼(204) 사이에 연결되며, AC-DC 변환기(2958)에 연결된 변압기(2956)에 연결된 DC-AC 변환기(2952)를 포함한다. 변환기(2958)는 소스(206)의 DC 전압을 고주파수 AC 전압으로 변환할 수 있으며, 변압기(2956)는 필요한 경우 서로 다른 전압으로 수정할 수 있고, 수정된 AC 전압을 AC-DC 변환기(2952)로 출력하며, 이는 AC 신호를 액추에이터(2900)에 프로비저닝하기 위한 DC 형태로 다시 변환할 수 있다. 변압기(2956)는 또한 모듈 컴포넌트(202, 204, 206, 2958 및 114)를 접지로부터 절연시킬 수 있다. 모듈(108D)의 다른 컴포넌트와 마찬가지로, 변환기(2952), 변압기(2956) 및 변환기(2958)용 모니터 회로부는 전류, 전압, 온도, 결함 등을 측정하기 위해 포함될 수 있다. LCD(114)는 각각 데이터 연결부(118-5, 118-7 및 118-8)를 통해 변환기(2910), 특히 변환기(2952), 변압기(2956)(예를 들어, 모니터 회로부 또는 이와 관련된 능동 컴포넌트) 및 변환기(2958)의 상태를 모니터링할 수 있다. 이러한 연결부(118-5 및 118-6)는 또한 변환기(2952)의 스위칭을 제어하고 변압기(2956)와 관련된 임의의 제어 가능한 요소를 제어하기 위해 제어 신호를 공급할 수 있다. LCD(114)의 절연은 라인(118-5 및 118-6)에 존재하는 절연 회로부(예를 들어, 절연 게이트 드라이버 및 절연 센서)에 의해 유지될 수 있다.
도 29c는 모듈(108D)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 변환기(202A)는 커패시터로 구성된 버퍼(204)와 결합된다. I/O 포트(7 및 8)는 선택적인 LC 필터(2902)에 결합되고, 이는 차례로 변환기(2910), 구체적으로 스위치(S10, S11, S12 및 S13)를 갖는 풀 브리지 변환기로서 구성되는 DC-AC 변환기(2952)에 결합된다. 노드(N1 및 N2)의 풀 브리지 출력은 변압기(2956)의 1차 권선에 연결된다. 변압기(2956)의 2차 권선은 스위치(S14, S15, S16 및 S17)를 갖는 AC-DC 변환기(2958)로 구성된 제2 풀 브리지 회로의 노드(N3 및 N4)와 결합된다. 변환기(2958)의 스위치는 본원에 설명된 바와 같은 MOSFET, IGBT's, GaN 장치 등으로 구성된 반도체 스위치일 수 있다. LCD(114) 또는 제어 시스템(102)의 다른 요소는 스위치(S1 내지 S6 및 S10 내지 S17)의 제어를 위한 스위칭 신호를 제공할 수 있다.
도 29d는 모듈(108D)의 다른 예시적인 실시예를 도시하는 개략도로서, 여기서 AC-DC 변환기(2958)는 소스(206)의 제1 단자가 인덕터(L2)를 통해 변압기(2956)의 이중 2차 권선의 일측에 연결되고, 스위치(S18 및 S19)가 이중 2차 권선의 반대측과 소스(206)의 대향 단자와 결합된 공통 노드(예를 들어, 노드(4)) 사이에 연결되는 푸시-풀 변환기로 구성된다. 푸시-풀 구성은 스위치에 더 큰 전압이 적용되지만, 두 개의 스위치만 필요하므로 풀 브리지 변환기다 비용 효율적이다.
전력 및 제어 분배 어셈블리의 예시적인 실시예
시스템(100)과 모터, 충전 포트, EV의 다른 제어 및 서브시스템 시스템 사이의 인터페이스는 복잡할 수 있다. 이러한 인터페이스에는 제어 장치, 구동 유닛, 전력 변환기, 릴레이, 라우팅 회로부, 센서, 관련 전력 및 제어 상호연결부가 포함될 수 있다. 이러한 인터페이스 중 어느 하나 및 전부는 전력 및 제어 분배 어셈블리(PCDA)(1250) 내에 수용될 수 있다. EV는 시스템(100)과의 인터페이스를 처리하는 PCDA(1250)의 하나의 인스턴스를 포함할 수 있거나, 각 인스턴스가 EV의 특정 위치, 예컨대 전방 차축(PCDA) 및 후방 차축(PCDA)에서 인터페이스와 연관되는 PCDA(1250) 중 둘 이상의 인스턴스를 포함할 수 있다.
도 30a는 PCDA(1250)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 여기서, PCDA는 제어 섹션(3002), 및 보조 전력 섹션(3004) 및 1차 전력 섹션(3006)을 포함한다. 제어 섹션(3002)은 MCD(112) 및 하나 이상의 보조 제어 장치(ACD)(3008-1 내지 3008-N)와 같은 다양한 제어 장치를 포함할 수 있다. 여기에 도시되지는 않았지만, 섹션(3002)은 또한 개별 장치로서 또는 공통 제어 장치(132)로서 MCD(112)와 통합된 차량용 ECU(104)를 포함할 수 있다. ACD(3008)는 액티브 서스펜션, 전자식 스티어링(예를 들어, SbW(steer-by-wire)), 헤드램프 및 조명, 및/또는 자율 주행 센서(예를 들어, 레이더 장치, 밀리미터파 레이더 장치, 카메라, 원적외선(FIR) 카메라 및 광 검출 및 레인징(light detection and ranging; LIDAR) 장치)와 같은, EV의 하나 이상의 보조 서브시스템을 제어하는 제어 장치일 수 있다. PCDA(1250) 내의 제어 장치 각각은 필요에 따라 서로, PCDA(1250)의 다른 섹션에 있는 장치 및 외부 장치(예를 들어, 차량용 ECU(104))와 통신할 수 있다. 여기서, 양방향 통신 인터페이스(105)는 제어 섹션(3002)의 장치와 차량용 ECU(104) 사이에서 제어 신호 및 정보를 통신할 수 있다. 양방향 통신 인터페이스(3009-1 내지 3009-N)는 섹션(3002)과 임의의 외부 ACD(3008), 또는 MCD(112)로부터의 제어 입력 또는 정보를 필요로 하는 다른 시스템(예를 들어, PCDA(1250) 외부에 위치될 때 라우팅 회로부(1200)) 사이에서 제어 신호 및 정보를 통신할 수 있다. 양방향 통신 인터페이스(115)는 본원에 설명된 바와 같이 MCD(112)와 시스템(100)의 LCD(114) 사이에서 정보를 통신할 수 있다.
보조 전력 입력 연결부(3010)는 시스템(100)으로부터의 다양한 보조 전력 신호(예를 들어, IC 모듈(들)의 포트(3, 4, 5, 6)로부터의 전력)를 섹션(3004)으로 라우팅할 수 있다. 보조 전력 섹션(3004)은 보조 전력 출력 인터페이스(3012)를 통해 시스템(100)으로부터 EV의 임의의 보조 부하(예를 들어, HVAC, 온보드 네트워크, 내부 조명)로 이들 보조 전력 신호를 라우팅하기 위한 케이블링을 포함할 수 있다. 섹션(3004)은 또한 하나 이상의 보조 전력 변환기(3011)(예를 들어, 변환기(2910)와 같은)를 포함할 수 있다. 변환기(3011)는 예를 들어 연결부(3010)로부터의 제1 저전압 신호(예를 들어, 48V)를 보조 출력 인터페이스(3014)를 통해 보조 부하에 의해 사용하기 위해 출력될 저전압(예를 들어, 14V)으로 변환하기 위한 DC-DC일 수 있다. 섹션(3004)은 또한 구동 출력 인터페이스(3016)를 통해 시스템(100)으로부터의 보조 전력을 액티브 서스펜션 및 전자식 스티어링과 같은 관련 전기 기계식 보조 서브시스템용 구동 신호로 변환하기 위한 하나 이상의 보조 구동 유닛(3015-1 내지 3015-N)을 포함할 수 있다. 구동 유닛(3015)은 ACD(3008)에 의해 제어될 수 있다. 섹션(3004)은 내부 전력 연결부(3018)를 통해 제어 섹션(3002)에 전력을 공급할 수 있다. 보조 섹션(3004)과 제어 섹션(3002) 사이의 제어 신호는 내부 통신 인터페이스(3020)를 통해 교환될 수 있다.
1차 전력 분배 섹션(3006)은 시스템(100)과 하나 이상의 모터(1100) 사이, 시스템(100)과 충전 포트(들)(1102 및/또는 1202)(충전용) 사이, 그리고 시스템(100)과 임의의 재생 가능 제동 에너지 회수 장치 사이에 전력을 측정 및 라우팅하기 위한 스위치(예를 들어, 릴레이), 라우팅 회로부, 변압기 및/또는 센서를 포함할 수 있다. 본원에 설명된 실시예들 모두에서, 라우팅 회로부(1200)는 본원에 도시된 바와 같이 PCDA(1250) 내에 포함될 수 있거나, 도 12a, 13a, 13d, 14, 15a, 15b, 15e 및 16a 내지 18b의 예에 도시된 바와 같이 PCDA(120) 외부에 있을 수 있다. PCDA(1250) 외부에 있을 때, 라우팅 회로부(1200)는 도 30g에 도시된 것과 같은 충전 네트워크 분배 하우징(3248) 내에 위치될 수 있다. 도 30g는 조합된 3상, 단상 및 DC 충전 포트(1102/1202)를 갖는 EV(3000)의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다. 3상 케이블링(1111)은 포트(1102/1202)로부터 하우징(3248) 내의 라우팅 회로부(1200)로 3상 AC 전력을 전도한다. 이중 단상/DC 케이블링(1211)은 포트(1102/1202)로부터 하우징(3248) 내의 라우팅 회로부(1200)로 단상 또는 DC 전력을 전도한다. 섹션(3006)은 스위치(3022)를 포함할 수 있으며, 이는 스위치 또는 릴레이(1108, 1331, 1602, 1908 및/또는 2208)와 같은 도 11a 내지 22의 다양한 구성(EV 및 충전 구성에 따름)과 관련하여 설명된 이러한 릴레이를 포함한다. 섹션(3006)은 시스템(100)으로 및 그로부터 전송되는 전력 신호의 다양한 특성(예를 들어, 전류, 전압 등)을 모니터링하기 위한 모니터 회로(1110)를 포함할 수 있다. 섹션(3006)은 또한 시스템(100), 모터(들)(1100), 및/또는 충전 포트(들)(1102 및/또는 1202)로 및 그들로부터 전류 흐름을 차단하기 위한 안전 차단 장치(3024)(예를 들어, 퓨즈 및/또는 차단기)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 AC 변압기(3026)를 사용하여 시스템(100)과 충전 포트(들)(1102 및/또는 1202)(예를 들어, 도 16c와 관련하여 설명된 변압기(1610)) 사이에 절연을 제공하는 실시예들에서, 이러한 AC 변압기는 적절한 공간이 있는 경우 PCDA(1250) 내에 위치될 수 있다.
시스템(100)의 모듈(108)과의 전력은 양방향 전력 인터페이스(3030)를 통해 교환될 수 있고, 모터(1100)와의 전력은 양방향 전력 인터페이스(3032)를 통해 교환될 수 있으며, 충전 포트(들)(1102 및/또는 1202)와 전력은 양방향 전력 인터페이스(3034)(예를 들어, 연결부(1111) 포함)를 통해 교환될 수 있고, 에너지 회수 장치와의 전력은 양방향 전력 인터페이스(3036)를 통해 교환될 수 있다. 제어 섹션(3002)과 1차 전력 분배 섹션(3006) 사이의 제어 신호는 내부 통신 인터페이스(3040)를 통해 교환될 수 있다. 이러한 제어 신호는 라우팅 회로부(1200)(예를 들어, CS1-CS4), 모니터 회로(1110) 및 릴레이(3022)로 출력되는 제어 신호를 전달할 수 있고, 예를 들어 모니터 회로(1110)로부터의 모니터링된 정보 및 장치(3024)로부터의 분리 상태 정보를 반환할 수 있다. 도 30a에는 도시되어 있지 않지만, PCDA(1250)는 EV의 다른 PCDA와의 전력 및 제어 연결부도 포함할 수 있다. PCDA(1250)의 각 통신 인터페이스는 전기적 또는 광학적일 수 있으며, 해당하는 경우 외부 및/또는 내부 커넥터(예를 들어, 플러그, 리셉터클)뿐만 아니라 하나 이상의 전기 또는 광학 와이어를 포함할 수 있다.
도 30b는 도 18a 내지 18b의 것과 같이 각각 세 개의 차축 EV의 서로 다른 차축과 관련된, 세 개의 PCDA 유닛(1250-1, 1250-2 및 1250-3)을 갖는 EV(3000)의 예시적인 실시예에 대한 특정 제어 연결부를 도시하는 블록도이다. MCD(112)와 LCD(114)(PCDA 외부에 위치하며 다른 곳에서 광범위하게 설명됨) 사이의 것과 같은 일부 제어 연결부는 명확성을 위해 생략된다. 본원에 설명된 기능 및 특성은 1개, 2개, 4개 또는 그 이상의 차축 및 관련 PCDA가 있는 EV에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 이 실시예에서, 차량용 ECU(104)는 PCDA(1250-1) 내에 통합되고 라우팅 회로부(1200)는 세 개의 PCDA 외부에 있다. MCD(112)는 차량용 ECU(104)와 통신하고, 각각이 서로 다른 PCDA(1250) 및 서로 다른 차축과 관련된, 세 개의 ACD(3008-1, 3008-2 및 3008-3)와도 통신한다. MCD(112)와 ACD(3008-2 및 3008-3) 사이의 제어 연결부는 PCDA(1250-1) 외부로 연장된다. 이 예에서, 단 하나의 ACD(3008)가 각 PCDA(1250) 내에 포함되며, ACD(3008)는 해당 차축과 관련된 서브시스템의 제어를 담당하며, 이 예에서는 액티브 서스펜션 및 스티어 바이 와이어(steer-by-wire)를 포함한다. 각 ACD(3008)는 액티브 서스펜션을 위한 드라이브(3015) 및 스티어 바이 와이어를 위한 드라이브(3015)에 대한 제어 연결부를 갖는다. 각 ACD(3008)는 또한 차량용 ECU(104)에 대한 제어 연결부를 갖는다. MCD(112)는 또한 라우팅 회로부(1200), 릴레이(3022) 및 변환기(3011)에 대한 제어 연결부를 갖는다.
도 30c는 EV(3000)용 공통 인클로저 또는 팩(3250) 내에 수용된 모듈(108)(미도시)의 예시적인 실시예의 사시도이다. 이 실시예에서 팩(3250)과 전기적 및 기계적으로 결합된 두 개의 PCDA 유닛(1250-1 및 1250-2)이 있다. PDCA(1250-1)는 EV의 전방부와 연관되고 PDCA(1250-2)는 EV의 후방부와 연관된다.
이들 PCDA 중 하나의 일 예는 도 30d, 30e 및 30f와 관련하여 설명된다. 도 30d는 PCDA(1250)의 외부를 도시한 사시도이고, 도 30e는 PCDA(1250)의 내부를 도시한 사시도이며, 도 30f는 PCDA(1250)의 컴포넌트의 분해도이다.
PCDA(1250)는 상부 부분(3051) 및 하부 부분(3052)을 갖는 하우징(3050)을 포함한다. 도 30d에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, 하우징(3050)에는 다양한 커넥터가 있고, 각 커넥터는 해당 커넥터를 통해 인터페이싱하는 장치에 의해 요구되는 다양한 전력, 데이터 및/또는 제어 케이블, 와이어 또는 섬유 연결부에 연결하기 위한 것이다. 제1 커넥터(3054)는 충전용이고, 충전 포트(들)(1102 및/또는 1202)(또는 구성에 따라 라우팅 회로부(1200))에 전력을 제공한다. 커넥터(3055 및 3058)는 제1 보조 서브시스템(예를 들어, 좌측 전륜 및 우측 전륜용 액티브 서스펜션)에 구동 신호를 제공하기 위한 것일 수 있다. 커넥터(3056 및 3057)는 제2 보조 서브시스템(예를 들어, 좌측 전륜 및 우측 전륜용 스티어 바이 와이어)에 구동 신호를 프로비저닝하기 위한 것일 수 있다. 커넥터(3060)는 EV의 다른 보조 서브시스템(예를 들어, HVAC, 온보드 네트워크, 객실 조명 등)에 의해 사용하기 위한 보조 전력(예를 들어, 12V, 24V, 48V, 60V)의 프로비전을 위한 것일 수 있다. 본원에는 하나가 도시되어 있지만, 다수의 커넥터(3060)가 다양한 서로 다른 전압을 제공하는 데 사용될 수 있다. 커넥터(3061)는 차량용 ECU와의 제어 신호 및 데이터 교환을 위한 것일 수 있다. 커넥터(3062)는 제어 신호 및 데이터를 ACD(3008)와 교환하기 위한 것일 수 있다.
도 30e 및 30f에서 가장 잘 보이는 바와 같이, PCDA(1250)는 PCDA(1250)가 EV 내에서 전력 및 정보의 라우팅을 위한 중앙 집중식 허브 역할을 할 수 있도록 서로 근접하게 위치된 다양한 장치 및 케이블을 포함한다. 이 실시예에서, PCDA(1250)는 MCD(112), ACD(3008)(예를 들어, 차축 ECU), 보조 드라이브(3015-1)(예를 들어, 액티브 서스펜션), 보조 드라이브(3015-2)(예를 들어, 스티어 바이 와이어) 및 변환기(3011)(예를 들어, 상호연결 모듈에서 보조 전압을 낮추기 위한 DC-DC 변환기)를 포함한다. PCDA(1250)는 또한 SSR 릴레이(3022-1 및 3022-2)(예를 들어, 도 17의 릴레이(1602-1 및 1602-2)와 유사함) 및 전기 기계식 릴레이(3022-3 및 3022-4)(예를 들어, 두 개의 개별 모터용 스위치(1108)와 유사함)를 포함할 수 있다.
충전 포트를 통한 양방향 기능
라우팅 회로부(1200)에 의해 제공되는 양방향 능력은 AC 및/또는 DC 충전 포트(들)(1102, 1202)를 통한 시스템(100)의 충전 및 방전을 허용한다. 시스템(100)에 의한 전력 출력은 DC 형태, 단상 AC 형태 또는 다상 AC 형태일 수 있다. 결과적으로, 시스템(100)으로 인에이블된 EV는 EV로부터 외부에 위치된 부하 또는 그리드(전력 소비 엔티티)로 전력을 공급하거나 전송하는 데 사용될 수 있다. 그런 다음 EV 사용자는 공급된 전력에 대한 대가로 보상을 받거나 에너지 비용이 가장 많이 드는 시간대에 사용자의 집으로 전력을 오프로드하여 유틸리티 비용을 줄이는 등의 다른 이점을 얻을 수 있다. 이러한 애플리케이션은 일반적으로 소비 엔티티 유형에 따라 서로 다른 이름으로 참조된다. 예를 들어, V2G(Vehicle-to-Grid)는 EV가 전력망에 전력을 다시 공급하는 경우를 말하고, V2H(Vehicle-to-Home)는 EV가 거주지의 에너지 네트워크에 다시 전력을 공급하는 경우를 말하며, V2B(Vehicle-to-Building)는 EV가 건물의 에너지 네트워크 또는 그 안에 있는 큰 부하에 다시 전력을 공급하는 경우를 말하고, V2C(Vehicle-to-Community)는 EV가 도시와 같은 커뮤니티에서 더 큰 잉여 에너지 저장 네트워크의 일부로 에너지의 소스 및 싱크 역할을 하는 경우를 말하며, V2V(Vehicle-to-Vehicle) 애플리케이션은 EV가 충전 환경에서 에너지 분배를 위해 다른 차량에 전력을 공급하는 경우를 말한다. 이러한 애플리케이션 중 두 개 이상을 실행할 수 있는 실시예들은 V2A(Vehicle-to-Anything) 및 V2X(Vehicle-to-Everything)와 같은 더 넓은 표제로 참조될 수 있다.
이러한 애플리케이션에서 사용하도록 구성된 시스템(100)의 실시예들은 몇 가지 공통적인 특징을 갖는다. 예를 들어, 제어 시스템(102)은 제어 시스템(102)이 외부 에너지 컨트롤러와 연결될 때, 제어 시스템(102)이 충전 포트(1102 및/또는 1202)를 통해 외부 전력 소비 엔티티로의 전력 출력을 제어할 수 있도록, 외부 에너지 컨트롤러(이는 EV에 로컬이거나 원격일 수 있음)와 통신할 수 있는 능력을 갖는다. 이는 시스템(100)으로부터 모터(들)(1100)를 (예를 들어, 스위치(1108)를 사용하여) 분리하고, 모듈(108)이 전력 소비 엔티티의 요구 사항과 일치하는 형식(예를 들어, 전압, 전류, 주파수 및/또는 위상)으로 전력을 출력하도록 지시하면서, 동시에 모듈(108)의 소스(206) 간에 밸런스(예를 들어, SOC 및/또는 온도)를 유지하는 것을 수반할 수 있다.
외부 컨트롤러는 (예를 들어, 전압, 전류, 주파수 및/또는 위상과 같은 시스템(100)에 의해 사용 가능한 형식으로, 이용 가능한 전력 및 가격 신호에 기초하여) 시스템(100)에 에너지 요구 사항을 전달하고 시스템(100)의 에너지 수신을 관리하는 책임이 있다. 애플리케이션이 하나 이상을 포함하는 경우 외부 컨트롤러는 다른 EV의 에너지 입력 조정을 담당할 수도 있다. 전력에 대한 대가로 EV 운영자에게 금전적 지불 또는 이익을 목적으로 EV에 의해 주입된 전력의 양을 기록하는 책임은 외부 컨트롤러 및/또는 제어 시스템(102)에 있을 수 있다. 비제한적 예로서, 외부 컨트롤러는 V2H의 경우 홈 에너지 관리 시스템(HEMS) 또는 스마트 홈, V2B의 경우 스마트 빌딩 또는 스마트 차고, V2G 및 V2C의 경우 송전 또는 배전 그리드 컨트롤러(로컬 또는 원격 중앙 집중식) 또는 에너지 집계 장치, 또는 V2V의 경우 충전소일 수 있다.
전력 소스로서 시스템(100)을 갖는 EV를 사용하는 예시적인 실시예에서, 전력 소비 엔티티는 EV로부터 전력을 수신하기 위한 관련 전력 케이블을 갖는다. 전력 케이블은 충전 케이블과 동일할 수 있으며, 외부 충전원(150)은 EV로부터 전력을 수신하기 위한 로컬 소비 엔티티 인터페이스로도 작용한다. 대안으로, 로컬 소비 엔티티 인터페이스는 외부 충전원(150)과 다를 수 있다. 사용자는 전력 케이블을 통해 해당 로컬 인터페이스를 EV에 연결한다. 전력 케이블은 전력이 전달될 충전 포트(1102, 1202)용 컨덕터(예를 들어, DC, 단상 AC 또는 다상 AC)를 갖는 해당 충전 커넥터에 결합된다. 전력 케이블은 또한 제어 시스템(102)과 로컬 인터페이스에 위치되거나 원격일 수 있는 외부 컨트롤러 사이에 디지털 정보를 전송하기 위한 통신 케이블을 포함할 수 있다. 제어 시스템(102)은 통신 케이블의 연결을 검출하고, 전력 신호의 전압, 전류, 주파수 및/또는 위상을 포함하는 전력 전송을 위한 파라미터를 식별하기 위해 외부 컨트롤러와 협상한다. 다른 파라미터는 일정에 따라 전력 전송을 수행하는 시간, 시스템(100) 내의 가용 전력(또는 SOC), 전력 수신 요구 및 전력 공급 확인 요구(애플리케이션이 일정에 따른 것과는 달리 온디맨드인 경우), 전력 공급 중단 요구 등을 포함할 수 있다. 그런 다음 협상된 파라미터에 따라 전력 전송이 발생할 수 있다. 로컬 인터페이스는 또한 사용자에게 전력 전송 상태(예를 들어, 진행 중 또는 정지, 전력 전송 이력(예를 들어, 전송된 킬로와트 수), 경고 등)를 알리기 위한 사용자 인터페이스(예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스, 디스플레이, 사용자 입력, 터치스크린 등)를 포함할 수 있다.
열 관리 시스템의 예시적인 실시예
동작 중에 시스템(100)에 의해 생성되는 열의 양은 상당할 수 있다. 하나 이상의 열 관리 시스템은 시스템(100)의 다양한 요소 및/또는 냉각(또는 일부 경우에 가열)이 필요한 EV(또는 고정형 시스템)의 모터 및 임의의 다른 요소에 근접하게 열 전달 유체(예를 들어, 냉각제, 부동액, 물 또는 이들의 혼합물)를 순환시키는 데 이용될 수 있다. 도 31a는 냉각제가 시스템(3100)의 다양한 요소를 통해 펌프(3101)에 의해 펌핑되는 열 관리 시스템(3100)의 일 예를 도시한다. 냉각제는 가장 큰 냉각 요구 사항이 있는 컴포넌트가 먼저 냉각되고, 더 완화된 열 요구 사항이 있는 컴포넌트가 마지막으로 냉각되도록 순환할 수 있다. 예를 들어 이 실시예에서, 펌프(3101)는 먼저 20 내지 30℃사이의 상대적으로 낮은 온도에서 냉각제를 필요로 할 수 있는 배터리 모듈(206)로 순환시킨 다음, 최대 40 또는 50°C의 상대적으로 높은 온도에서 냉각제를 필요로 할 수 있는 모듈 전자 장치(3104)로 순환시키고, 마지막으로 60°C 미만의 더 높은 온도에서 냉각제를 필요로 할 수 있는 하나 이상의 모터(3106)로 순환시킨다. 전자 장치(3104)는 변환기(202)의 스위칭 회로부(예를 들어, S3-S6 또는 S1-S6), 에너지 버퍼(204), LCD(114), 모듈(108)용 모니터 회로부(208), 뿐만 아니라 배터리 모듈(206)용 배터리 관리 시스템(BMS)을 포함할 수 있다. 이들 컴포넌트를 냉각시키기 위해 이들 컴포넌트에 근접하게 순환시킨 후, 냉각제는 열교환기(3108)를 통해 진행할 수 있으며, 여기에서 그 온도가 배터리 모듈(206)의 요구 사항에 가까운 온도로 내려가고, 이 시점에서 냉각제는 다시 펌프(3101)를 통해 순환되고 루프가 반복된다.
본원에 설명된 서브시스템(1000) 중 하나 이상은 공통 인클로저 또는 팩 내에서 구현될 수 있다. 도 31b는 시스템(100)의 하나 이상의 서브시스템에 대한 공통 인클로저(3110)의 일 예를 도시한다. 인클로저(3110)는 하나 이상의 서브시스템의 모듈(108) 각각을 포함하고, 또한 존재하는 임의의 상호연결 모듈(108IC)을 포함할 수 있다. 에너지원, 에너지 버퍼, 변환기의 전력 전자 장치(스위칭 회로부), 제어 전자 장치 및 모듈(108)의 임의의 기타 컴포넌트는 인클로저(3110) 내에 포함된다. 인클로저(3110)는 베이스와 같은 하부 인클로저(3112) 및 뚜껑과 같은 대향하는 상부 인클로저(3111)를 포함할 수 있고, 상부 및 하부 인클로저 모두는 모듈(108)을 냉각시키기 위해 인클로저(3111 및 3112)의 이러한 측면을 통해 냉각제를 순환시시키기 위한 하나 이상의 도관을 포함할 수 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 펌프(3301)로부터의 냉각제는 상부 인클로저(3111)에 대해 도시된 것과 같은 도관 네트워크(3114)를 통과하는 하부 인클로저(3112)로 순환될 수 있고, 따라서 배터리에 근접하게 통과하고 이들을 냉각시킨다. 냉각제는 하부 인클로저(3112)를 빠져나와 (인클로저(3110) 외부의 도관을 통해 또는 인클로저(3110)의 측면 또는 내부의 도관을 통해) 상부 인클로저(3111)로 전달될 수 있고, 도관 네트워크(3114)를 통해 순환시킬 수 있으며, 여기에서 냉각제는 모듈의 전자 장치에 근접하게 전달하여 이들을 냉각시킬 수 있다. 그런 다음 냉각제는 모터(들)(3106)와 같은 시스템의 다음 컴포넌트로 진행할 수 있는 상부 인클로저(3111)로부터 빠져나갈 수 있다.
일부 실시예들에서, 인클로저(3111)의 상부를 통해서만 냉각제를 제공하고 먼저 배터리를 냉각한 다음 이후 전자 장치를 냉각시키기 않고 모듈(108)의 모든 측면을 냉각시키는 것이 가능하다. 도 31c는 냉각제가 펌프(3301)로부터 모듈(108)로 순환되어 배터리와 관련 전자 장치 모두를 동시에 냉각시킨 다음, 모터(들)(3106) 및 열 교환기(3108)로 전달되는 시스템(3100)의 다른 실시예를 도시한다. 도 31d는 도 31b의 실시예와 유사하지만, 냉각제는 상부 인클로저 내에서만 도관 네트워크(3114)를 통과하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 31e는 인클로저(3110) 내의 모듈에 대한 예시적인 레이아웃을 도시하는 사시도이다. 여기서 각 모듈은 변환기에 인접한 배터리로 표시된다(예를 들어, 제1 모듈은 배터리-1과 변환기-1의 조합 등임). 여기에는 상부 인클로저(3111)만 도시되어 있고 인클로저(3110)의 측면과 하부, 뿐만 아니라 상부 인클로저 내의 도관 네트워크는 명확성을 위해 생략된다. 이 예에서, 변환기는 배터리 위에 배치되고 냉각제는 변환기 위의 상부 인클로저(3111)를 통과하여 배터리로부터의 열이 변환기를 통해 위쪽으로 상부 인클로저(3111)로 전달되며, 여기서 순환하는 냉각제를 통해 제거된다. 변환기가 하부에 배치되고 배터리가 변환기 위에 배치되고 열이 도 31e에 따라 상부 인클로저를 통해 또는 도 31b에 따라 하부 및 상부 모두를 통해 다시 추출되는, 역방향 구성도 구현될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 변환기 및 배터리는 도 31e에 또는 역방향 구성에 도시된 바와 같이 배열될 수 있지만, 냉각제는 하부 인클로저를 통해서만 전달될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 변환기 및 배터리는 나란히 배치될 수 있고 냉각제는 상부 및/또는 하부 인클로저를 통해 순환될 수 있다. 앞서 언급된 모든 변형은 인클로저의 상부, 하부 및/또는 측벽에 있는 도관 네트워크를 또한 통과하는 냉각제로 구현될 수 있다.
도 31f는 모듈 전자 장치(3104)가 배터리(206) 위에 위치되는 예시적인 실시예의 단면도이다. 이 실시예는 상부 인클로저(3111) 내의 도관(3114)에 대해 설명될 것이지만, 이 실시예의 특징은 설명된 바와 같이 인클로저의 하부 또는 인클로저의 측면 내를 통과하는 도관(3114)에 마찬가지로 적용될 수 있다. 도 31f에서, 변환기 및 제어 시스템의 전자장치(3104)는 전자장치 하우징(3122) 내에 포함된다. 전자 장치(3104)는 다양한 컴포넌트 사이를 통과하는 전기 연결부를 제공하는 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB) 및/또는 절연 금속 기판(insulated metal substrate; IMS) 보드와 같은 하나 이상의 기판(3124)에 장착된다. 기판(3124)은 예를 들어 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 또는 강철과 같은 높은 열전도성 재료로 구성된 히트싱크 플레이트(3132)에 바로 인접하여 위치된다.
상위 또는 상부 방향은 일반적으로 EV의 승객실에 더 가까운 위치(예를 들어, 조수석 측)를 나타내고 하위 또는 하부 방향은 일반적으로 도로에 더 가까운 위치(예를 들어, 도로 측)를 나타내는 EV 구현에서, 기판(3124)은 전자 장치(3104) 위에 배향되어 전자 장치가 거꾸로 또는 뒤집힌 방식으로 장착된다(예를 들어, 반도체 전력 트랜지스터가 솔더링되는 PCB 또는 IMS 아래에 위치됨). 이는 기판(3124)과 히트 싱크(3132) 사이에 넓은 표면적 접촉을 제공하고, 전자 장치(3104)로부터 기판(3124)을 통해 히트 싱크(3132)로 열을 효율적으로 분산시킬 수 있도록 한다. 배터리(206)는 하우징(3122) 아래에 위치되며 하부 인클로저일 수 있는 베이스(3126)에 안착된다. 배터리(206)는 배터리 상부에 위치된 양극 및 음극 단자(3128)를 갖는다. 전기 연결부(3130)는 단자(3128)로부터 하우징(3122)을 통해(또는 그 외부에서) 기판(3124)으로 및/또는 스위칭을 위한 변환기 전자 장치로 연장된다.
상부 인클로저(3111)는 도 31b 및 31d와 관련하여 설명된 냉각제(3136)용 도관(3114)을 포함한다. 도관(3114)은 높은 열전도성 재료, 예를 들어 알루미늄, 구리 또는 강철로 구성될 수 있고, 여기에 도시된 바와 같이 다각형 단면을 갖는 형상일 수 있지만, 타원형 또는 원형 또는 원형과 다각형 형상의 조합과 같은 다른 형상이 사용될 수 있다. 도관(3114)은 도관에 대응하는 형상을 갖는 상부 인클로저(3111) 내의 채널(3120) 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 도관(3114)이 다각형 단면을 갖는 경우, 채널(3120)도 도관(3114)이 그 안에 위치되도록 하는 다각형 단면을 가질 수 있다. 상부 인클로저(3111)는 또한 예를 들어 알루미늄, 구리 또는 강철과 같은 높은 열전도성 재료로 구성될 수 있다. 채널(3120)은 상부 인클로저(3111)로 가공 또는 에칭될 수 있고 도관(3114)은 그 안에 압입될 수 있다.
여기에 도시된 바와 같이, 도관(3114)의 두 개 섹션은 시스템(100)의 특정 모듈(108)을 통과한다. 원하는 경우, 도관(3114)의 하부 표면과 히트싱크(3132)의 상부 표면 사이에 인터페이스 층(3134)이 존재할 수 있다. 인터페이스 층(3134)은 히트싱크(3132)와 도관(3114)의 하부 표면(뿐만 아니라 상부 인클로저(3111)의 하부 표면) 사이에 연속적이고 내구성 있는 접촉을 형성하기 위해 높은 열 전도율 및 어느 정도의 변형성 또는 탄성을 갖는 재료일 수 있다. 인터페이스 층(3134)은 상부 인클로저(3111)보다 상대적으로 얇을 수 있고, 히트싱크(3132) 및 인터페이스 층(3134)은 예를 들어 열 전도성 폴리머로 구성될 수 있다.
이 실시예에서, 도관(3114)은 하나의 모듈을 통과하는 것으로 도시되어 있지만, 도관(3114)의 레이아웃 밀도는 애플리케이션의 열 요구 사항에 따라 달라질 것이다. 바람직하게는 적어도 하나의 도관(3114)이 각 모듈을 통과하지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 하나의 도관(3114)은 두 개 이상의 모듈에 의해 공유될 수 있다. 도관(3114)은 모듈의 중심 위로 라우팅될 수 있거나 도 31f 등에 도시된 바와 같이 모듈의 측면으로부터 거리의 약 1/3 위치에 있을 수 있다.
도 31f에 대해 설명된 구성은 인클로저(3110)의 상부 인클로저만을 사용하여 본원에 설명된 실시예에 대해 신뢰할 수 있는 냉각을 달성할 수 있다. 언급된 바와 같이, 도관(3114)이 배터리의 하부에 인접하거나 제2 인터페이스 층에 의해 배터리의 하부로부터 분리되도록 유사한 배열이 인클로저(3110)의 측면을 따라 및/또는 인클로저(3110)의 하부를 따라 배치될 수 있다.
열 관리 시스템(3100)은 또한 다양한 컴포넌트의 열 출력, 외부 온도 및 습도, 및/또는 공조(AC) 시스템의 사용률에 기초하여 최적화된 냉각을 제공할 뿐만 아니라, 배터리 또는 기타 소스(206)에 가열을 제공하도록 재구성될 수 있다. 도 32a 및 32b는 직렬 또는 병렬 방식으로 다양한 컴포넌트를 냉각 또는 가열하는 능력을 갖는 재구성 가능한 열 관리 시스템(3100)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 시스템(3100)의 재구성성은 다양한 서로 다른 경로를 통해 액체 냉각제를 선택적으로 라우팅할 수 있는 하나 이상의 밸브에 의해 제공된다. 밸브의 제어는 제어 시스템(102) 또는 차량용 ECU(104)와 같은 서로 다른 제어 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 32a는 두 개의 독립적인 열 관리 루프(3201 및 3202)를 갖는 제1 상태로 구성된 시스템(3100)을 도시한다. 루프(3201)는 시스템(100)의 하나 이상의 배터리 모듈(206)의 가열 또는 냉각을 위해 구성되고, 루프(3202)는 하나 이상의 모듈(108)의 모듈 전자 장치(3104)의 냉각을 위해 구성된다. 예를 들어, 시스템(3100)은 EV 내의 단일 공통 인클로저 또는 팩 전용 열 관리 시스템일 수 있다. 여기에 도시된 독립적인 루프 구성은 모듈(206)과 전자 장치(3104)의 온도를 독립적으로 관리하도록 하는데, 각각은 서로 다른 동작 온도 범위를 가질 수 있기 때문이다.
루프(3201) 및 루프(3202)는 열전달 유체(예를 들어, 냉각제) 통신 네트워크(3205)의 도관에 의해 상호연결된 다양한 컴포넌트를 각각 포함한다. 루프(3201)는 배터리 모듈(206)에 근접한 도관을 통해, 그런 다음 히터 유닛(3206) 및 열교환기(3208)를 통해 냉각제를 이동시키기 위한 펌프(3204)를 포함한다. 히터 유닛(3206)은 EV가 추운 환경에서 처음 시동될 때와 같이, 배터리 모듈(206)이 원하는 동작 온도 미만인 경우에 배터리 모듈(206)에 가열 기능을 수행하도록 냉각제의 온도를 올리도록 동작될 수 있다. (냉각제는 냉각과 가열이 모두 가능한 열 전달 유체이므로, "냉각제"라는 용어가 편의상 사용된다.) 가열에 사용될 때, 루프(3201)는 히터 유닛(3206)이 활성화되고 열 교환기(3208)가 비활성화된 상태에서 동작할 수 있고, 및/또는 열 교환기(3208)는 바이패스 라인(3207)을 통해 바이패스될 수 있다. 대안으로, 루프(3201)는 배터리 모듈(206)을 냉각하기 위해 사용될 수 있으며, 이 경우 히터(3206)는 비활성화될 수 있고(및/또는 바이패스 라인(3209)으로 바이패스될 수 있고), 열교환기(3208)는 펌프(3204)에 의해 루프(3201)를 통해 펌핑될 때 냉각제를 냉각시키기 위해 활성화될 수 있다. 루프(3202)는 모듈 전자 장치(3104)에 근접한 도관을 통해 냉각제를 이동시킨 다음, 루프(3202)의 냉각제를 냉각시키기 위한 열 교환기(3212)를 통해 냉각제를 이동시키는 펌프(3210)를 포함한다. 선택적 바이패스 라인(3215)은 열 교환기(3212)가 필요하지 않은 시간 동안 사용될 수 있다. 열 교환기(3208 및 3212)는 EV의 라디에이터 또는 EV의 AC 시스템과 관련된 칠러(chiller)와 같은 서로 다른 장치일 수 있다. 여기에 도시되지는 않았지만, PCDA(1250) 및 충전 네트워크 분배기(3248)와 같은 시스템(100)의 다른 컴포넌트는 루프(3201) 또는 루프(3202)로 열적으로 관리될 수 있다.
도 32b는 배터리 모듈(206)과 전자 장치(3104) 모두를 냉각시키는 직렬 냉각제 루프(3203)를 갖는 제2 상태로의 밸브 재구성 후의 시스템(3100)을 도시하는 블록도이다. 여기서, 펌프(3204 및 3210)는 배터리 모듈(206) 및 전자 장치(3104)를 지나 도관을 통해 냉각제를 이동시키도록 동작하며, 이 위치로부터 냉각제는 여러 서로 다른 경로 중 하나를 택할 수 있다. 냉각제는 상대적으로 더 높은 정도의 온도 감소를 냉각제에 제공하기 위해 제1 열 교환기(3208) 및 제2 열 교환기(3212)를 통해 안내될 수 있다. 대안으로, 냉각제는 각각 바이패스 라인(3211 및 3214)에 의해 표시된 바와 같이 열 교환기(3208 및 3212) 중 어느 하나(또는 둘 모두)를 바이패스할 수 있다. 열 교환기 중 하나를 바이패스하기로 한 결정은 예를 들어 냉각제의 온도를 낮추기 위해 하나의 열 교환기만 필요한지 여부 또는 다양한 열교환기의 현재 냉각 능력, 외부 온도가 주어진 경우 라디에이터가 적절한 냉각을 제공할 수 있는지 여부, 또는 AC 유닛 칠러가 AC 시스템에 대한 현재 요구 사항이 주어진 냉각제를 적절하게 냉각할 수 있을 만큼 충분히 차가운지 여부에 기초할 수 있다. 제1 상태와 제2 상태 사이에서 재구성될 시스템(3100)의 능력(도 32a 및 32b)은 다양한 동작 조건 하에서 냉각 또는 가열 시스템(100)에 대해 고도의 유연성을 제공한다.
도 32c는 도 32a 및 31b와 관련하여 설명된 바와 같은 열 관리 시스템(3100)의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 이 실시예에서, 제1 냉각 채널 세트(3221)는 배터리 모듈(206)과 같은 시스템(100)의 제1 부분에 매우 근접하게 위치되고, 제2 냉각 채널 세트(3222)는 전자 장치(3104)와 같은 시스템(100)의 제2 부분에 근접하게 위치된다. 4-방향 밸브(3231), 3방향 밸브(3232), 3방향 밸브(3233) 및 게이트 밸브(3234)를 포함하여, 시스템(3100)의 재구성 가능성을 허용하는 다양한 밸브가 도시된다. 4-방향 밸브(3231)는 냉각 채널(3221) 및 펌프(3204) 사이에 존재한다. 밸브(3231)는 냉각제를 채널(3221)에서 펌프(3204)로 보내거나 라우팅하는 동시에 냉각제를 열 교환기(3212) 또는 3방향 밸브(3232)에서 펌프(3210)로 보내는 제1 구성으로 배치될 수 있다. 밸브(3231)는 냉각제를 채널(3221)에서 펌프(3210)로 안내하고 동시에 냉각제를 열 교환기(3212) 또는 밸브(3232)에서 펌프(3204)로 안내하는 제2 구성으로 배치될 수 있다. 3방향 밸브(3232)는 열 교환기(3212)로 냉각제를 보내거나 바이패스 경로(3211)를 통해 열 교환기(3212)를 바이패스하는 데 사용될 수 있다. 3방향 밸브(3233)는 냉각제를 열 교환기(3208)로 보내거나 바이패스 경로(3214)를 통해 열 교환기(3208)를 바이패스하는 데 사용될 수 있다. 밸브(3234)는 열 교환기(3208)에서 히터 유닛(3206)으로의 냉각제의 흐름을 방지하거나 허용하는 데 사용될 수 있다. 원하는 경우, 밸브 및 바이패스 라인은 히터 유닛(3206)을 선택적으로 바이패스하도록 배치될 수 있다.
독립적인 냉각제 루프(3201 및 3202)(레이블 없음)를 갖는 제1 상태에서 이 실시예를 구성하기 위해, 밸브(3231)는 채널(3221)로부터 펌프(3204)로 냉각제를 보내고 열 교환기(3212) 또는 밸브(3232)로부터 펌프(3210)로 냉각제를 보내는 제1 구성으로 배치된다. 이는 냉각제가 펌프(3204)에서 밸브(3233)로, 거기에서 열 교환기(3208) 또는 히터 유닛(3206)으로, 거기에서 예를 들어 배터리 모듈(206)이 냉각될 수 있는 냉각 채널(3221)로, 그리고 마지막으로 냉각제 경로가 반복될 수 있는 밸브(3231)로 흐르는 제1 루프를 형성한다. 냉각제가 열 교환기(3208)로 라우팅되면, 밸브(3234)가 개방되어 냉각제 유동이 허용되고, 그렇지 않으면 밸브(3234)가 폐쇄된다. 제2 루프는 펌프(3210)에서 예를 들어 전자 장치(3104)의 냉각을 위한 냉각 채널(3222)로 연장된 다음, 냉각제가 열 교환기(3212) 또는 바이패스 라인(3211)으로 라우팅될 수 있는 밸브(3232)로 연장되고, 최종적으로 냉각제 경로가 반복될 수 있는 밸브(3231)로 연장된다.
이 실시예 및 직렬 루프를 갖는 제2 상태를 재구성하기 위해, 밸브(3231)는 채널(3221)로부터 펌프(3210)로 냉각제를 보내는 제2 구성으로 배치되고, 여기에서 이는 냉각 채널(3222)로 흐른 다음 밸브(3232)로 흐르며, 여기서 냉각제는 열 교환기(3212) 또는 바이패스 라인(3211)으로 보낸 다음 다시 밸브(3231)로 보낸다. 이 시점에서 냉각제는 펌프(3204)로 보내고 거기에서 열 교환기(3208) 또는 바이패스 라인(3214)으로 진행할 수 있는 밸브(3233)로 보내고, 거기에서 히터 유닛(3206)(또는 그 주변)으로 그리고 다시 냉각제 경로가 반복될 수 있는 냉각 채널(3221)로 보낸다.
이 실시예에서, 열 교환기(3208)는 EV의 AC 시스템과 관련된 칠러일 수 있다. 칠러는 독립적인 유체 네트워크(3241)를 통해 순환되는 AC 시스템의 개별 냉각제와 근접하게 냉각제를 실행시킬 수 있다. AC 시스템은 도 32c의 상부에 도시되며, 압축기(3242)를 포함하며, 여기서 AC 시스템 냉각제가 응축기(3244)로 흐르고, 거기에서 내부 증발기(3246), 충전 네트워크 분배기(3248) 및 열 교환기(3208)로 각각 흐르는 것을 허용하거나 방지하는 다수의 게이트 밸브(3245, 3247 및 3249)로 흐른다. 게이트 밸브(3245, 3247 및 3249) 각각은 시스템의 열 요구 사항, 예를 들어 AC 유닛이 승객실을 냉각하기 위해 사용되는지 여부, 충전 네트워크 분배기(3248)가 냉각을 요구하는지 여부, 및 밸브(3233)가 열 교환기(3208)를 이용하도록 배치되는지 여부에 기초하여 독립적으로 작동될 수 있다.
하나 이상의 EV 모터(들)의 냉각은 또한 시스템(3100)으로, 예를 들어 모터를 도 32c의 냉각 개략도에 통합함으로써 수행될 수 있지만, 하나 이상의 EV 모터는 또한 독립적인 냉각 시스템으로 냉각될 수도 있다. 도 32d는 EV의 두 개의 개별 모터를 냉각하도록 구성된 열 관리 시스템(3200)을 도시한다. 여기서, 시스템(3200)은 냉각제를 PCDA(1250)로 펌핑하고 여기에서 모터(3106-1 및 3106-2)로 펌핑하는 펌프(3249)를 포함한다. 시스템(3200)은 임의 개수의 하나 이상의 모터(3106)를 냉각하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 시스템(3200)의 여러 인스턴스가 구현될 수 있으며, 각각은 EV의 하나 이상의 모터를 냉각한다. 또한, 시스템(3200)은 여기에 도시된 바와 같이 예를 들어 PCDA(1250)와 같은 모터와 관련된 시스템(100)의 특정 부분을 냉각시키거나, 대안적으로 네트워크 분배기(3248) 또는 다른 컴포넌트를 충전하도록 구성될 수 있다. 대안으로, 도 32a 내지 32c와 관련하여 설명된 시스템(3100)은 PCDA(1250)를 냉각하도록 구성될 수 있다.
도 32e는 시스템(100) 및 재구성 가능한 열 관리 시스템(3100)이 내부에 수용된 EV 팩(3250)(예를 들어, 도 30c 참조)의 예시적인 실시예를 도시하는 분해 사시도이다. 도 32f는 EV 팩(3250)의 이 실시예의 일부의 단면도이며, 여기서 모듈(108)은 도 31f와 관련하여 설명된 바와 같이 반전된 전자 장치(3104)를 갖는다. 시스템(100 및 3100)의 모든 측면이 서로에 대한 컴포넌트의 계층 관계에 배치되는 대신 강조 표시되지는 않는다. 이 실시예에서, 팩(3250)은 각각 모듈(108)의 위와 아래에 위치된 독립적인 냉각 채널 섹션(3222 및 3221)으로 구성된다. 채널 섹션(3221 및 3222)은 냉각제가 각 섹션의 입구측에서 각 섹션의 출구측으로 병렬로 동시에 흐르도록 하는 다수의 병렬 도관(3114)을 포함한다. 도 32f에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 섹션(3222)의 도관(3114)은 비교적 더 균일한 열 제거를 제공하기 위해 섹션(3221)의 도관(3114)으로부터 수직으로 오프셋될 수 있다(이와 수직으로 정렬되지 않음).
팩(3250)은 상부 인클로저(3261), 하부 인클로저(3268) 및 측면 인클로저(3264)를 포함한다. 인클로저(3261, 3264 및 3268)는 함께 다양한 입력 및 출력을 제외하고 시스템(100)을 완전히 또는 실질적으로 둘러쌀 수 있다. 프레임(3265)은 모듈(108)과 PDU(3002) 사이에서 연장되거나 인터레이스(interlace)되는 레이아웃으로 배열된 상대적으로 강성인 스트러트(strut)를 가지며, 팩(3250) 내에서 이러한 컴포넌트를 제 위치에 유지한다. 프레임(3265)는 팩(3250)을 위한 상당한 양의 구조적 지원을 제공한다. 하부 히트싱크(3266)는 프레임(3265)의 측면과 하부를 둘러싸는 대야 형상(basin shape)을 가지며 그 위치에서 열을 전도하도록 동작하는 반면, 뚜껑 형상의 상부 히트싱크(3262)는 하부 히트싱크(3266)의 상부와 결합하여 모듈(108) 및 PDU(3002)로부터 상승하는 열을 전도할 수 있다.
상부 인클로저(3261) 및 하부 인클로저(3268)는 각각 채널 섹션(3222 및 3221)의 도관 형상에 대해 형상이 상보적인 리세스 또는 홈(3271 및 3274)을 포함할 수 있다. 채널(3222)은 상부 인클로저(3261)의 리세스(3271)뿐만 아니라 상부 히트싱크(3262)의 유사한 대향 리세스(3272)에 존재할 수 있다. 상부 인클로저(3261) 및 상부 히트싱크(3262)는 함께 냉각 채널(3222)을 둘러싸며 그들 사이에서 최적의 열 전달을 허용한다. 상부 히트싱크(3262)는 모듈 전자 장치(3104)를 갖는 모듈(108)의 상부 부분과 접촉하거나 근접하게 배치될 수 있다. 마찬가지로, 채널(3221)은 하부 히트싱크(3266)의 대향 리세스(3273)뿐만 아니라 하부 인클로저(3268)의 리세스(3274)에 배치될 수 있다. 하부 인클로저(3268) 및 하부 히트싱크(3266)는 함께 냉각 채널(3221)을 둘러싸며 그들 사이에서 최적의 열 전달을 허용한다. 하부 히트싱크(3266)는 배터리 모듈(206)을 갖는 모듈(108)의 하부 부분과 접촉하거나 근접하게 배치될 수 있다. 도 32c와 관련하여 설명된 바와 같이, 전자 장치(3104)의 열은 채널 섹션(3222)을 통해 흐르는 냉각제에 의해 효율적으로 흡수될 수 있는 반면, 배터리 모듈(206)의 열은 채널 섹션(3221)을 통해 흐르는 냉각제에 의해 효율적으로 흡수될 수 있다. 대안으로, 가열은 채널 섹션(3221)에 의해 배터리 모듈(206)에 선택적으로 적용될 수 있다.
도 32f에 도시되지는 않았지만, 하나 이상의 인터페이스 층(3134)(도 31f와 관련하여 설명된 것과 유사)이 팩(3250)에서 이용될 수 있다. 또한, 도 32a 내지 32f와 관련하여 설명된 실시예들은 전자 장치(3104)가 각 모듈(108)의 하부 부분에 위치되고 채널 섹션(3221)에 의해 냉각되는 반면, 배터리 모듈(206)이 각 모듈(108)의 상부 부분에 위치되고 채널 섹션(3222)에 의해 냉각되도록 반전될 수 있다.
모듈 레이아웃의 추가적인 예시적인 실시예
이미 설명된 모듈 레이아웃에 외에도, 모듈(108)에 대한 물리적 및 전기적 레이아웃의 추가적인 예시적인 실시예가 도 33a 내지 33l에 도시된다. 도 33a는 모듈(108)의 예시적인 실시예를 도시하는 분해도이고, 도 33b는 완전히 조립된 형태의 이 실시예의 사시도이며, 도 33c는 외부 하우징이 제거된 이 실시예의 사시도이다.
모듈(108)은 상부 커버(3132), 단부 커버(3307-1 및 3307-2), 연결부 커버(3303-1 및 3303-2) 및 하부 커버(또는 베이스)(3304)에 의해 형성된 외부 하우징을 포함한다. 다양한 커버는 용접이나 접착제에 의해 또는 다양한 패스너(3303)로 서로 고정될 수 있다. 상부 커버(3132)는 열전도율이 높은 재료로 구성되며 변환기 전자 장치(3104)용 히트싱크 기능을 한다. 마찬가지로, 하부 커버(3304)는 또한 열전도율이 높은 재료로 구성되며 배터리 모듈(206)을 형성하는 배터리 셀(3306)용 히트싱크로서 기능한다.
배터리 셀(3306)은 셀 간 커넥터(3308)(예를 들어, 셀 탭)에 의해 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다. 배터리 셀(3306)은 이 실시예에서 각기둥형이지만, 다른 셀 유형이 사용될 수 있다. 배터리 모듈(206)의 DC 전압은 DC 커넥터(3130)에 의해 전자 장치(3104)의 전력 트랜지스터에 연결될 수 있으며, 여기에는 높이 연장을 위한 상부 및 하부 섹션이 도시된다. 배터리 모듈(206)은 측벽(3311), 단부벽(3312) 및 커버(3314)를 포함하는 배터리 모듈 하우징 내에 수용될 수 있다. 모듈(108)의 베이스(3304)는 또한 셀(3306)로부터 도로변 냉각 채널(미도시)로의 최대 열 전달을 허용하기 위해 배터리 모듈(206)용 하부 하우징 커버의 역할을 할 수 있다.
전자 장치(3104)는 도 31f 및 32f와 관련하여 설명된 바와 같이 반전된 방향으로 여기에 도시된다. 전자 장치(3104)는 상위 기판(3124)의 밑면에 연결된 변환기(202)의 전력 트랜지스터(예를 들어, S3 내지 S6, 미도시)를 포함하고, 이는 차례로 상부 커버(3132)의 밑면과 접촉하도록 배치된 상면(3315)를 갖는다. 여기에서 버스 바(bus bar)로 구성된 DC 커넥터(3130)는 상위 기판(3124)과 전기적으로 결합되어 변환기(202)의 전력 트랜지스터에 직접 DC 전원을 제공한다. 변환기(202)의 AC 입력/출력은 모듈 IO 포트(3302)(예를 들어, 도 3a 내지 3c와 관련하여 설명된 전력 연결부(110)의 모듈 IO 포트(1 및 2))에 연결될 수 있으며, 이들은 외부에서 액세스 가능하고 여기에서 패스너(3305)로 커버(3132)에 장착된 버스 바로서 구성된다. 추가 전자 장치(3104)는 기판(3124 및 3316) 사이의 하나 이상의 스탠드오프(미도시)를 통해 상위 기판(3124)으로부터 전력 및/또는 신호를 수신할 수 있는 하위 기판(3316)과 전기적으로 결합된다. 여기에서 보이는 바와 같이, 다수의 원통형 커패시터(3320)(예를 들어, 에너지 버퍼(204)용)는 기판(3124 및 3316)과 나란히(또는 사이에) 물리적으로 위치될 수 있고 전기적으로 결합될 수 있다. LCD(114)(미도시)는 하위 기판(3316), 뿐만 아니라 배터리 모듈(206)용 BMS에 전기적으로 결합될 수 있다. 전력 트랜지스터에 특정된 모니터 회로부(208)는 상위 기판(3124)에 결합될 수 있다. 전자 장치(3104)와의 제어 신호는 플렉스 커넥터(3317) 및 제어 포트(3318)를 통해 전달될 수 있으며, 이는 외부에서 액세스 가능하고 (예를 들어, 패스너(3305)로) 커버(3132)에 장착된다.
기판(3124 및 3316) 각각에 연결된 전자 장치(3104)는 애플리케이션의 열 요구 사항에 기초하여 각각 반전되거나 우측 위로 향할 수 있다. 도 33d는 상위 기판(3124)이 하위 기판(3316) 위에 위치된 예시적인 실시예를 도시하는 단면도이다. 조수석 측(3330)과 도로측(3332)는 참고용으로 표기되어 있다. 상위 기판(3124)은 기판(3124)의 밑면에 물리적 및 전기적으로 결합된 전자 장치(3104-1)를 갖는다. 하위 기판(3316)은 기판(3316)의 상면에 물리적 및 전기적으로 결합된 전자 장치(3104-2)를 갖는다. 따라서, 이 실시예에서 전자 장치(3104-1)는 반전되고 전자 장치(3104-2)는 반전되지 않는다. 이 구성은 기판(3124) 위에 위치된 상위 전자 장치(3104-12) 냉각 채널(미도시)로부터의 효율적인 열 전달을 허용하고, 또한 하위 기판(3316)이 전자 장치(3104-1 및 3104-2) 사이에 개재되지 않기 때문에 하위 전자 장치(3104-2)로부터의 효율적인 열 전달을 허용한다. 커패시터(3320)는 기판(3124 및 3316)이 함께 더 가깝게 위치될 수 있도록 기판(3124 및 3316) 사이에 직접 위치되지 않고 나란히 위치된다. 전자 장치(3104) 및 커패시터(3320)와의 다양한 전기적 연결부는 도시되지 않았다.
모듈(108)에서 외부적으로 액세스 가능한 연결부의 위치는 시스템(100) 내의 어레이(700)의 수, 모듈(108)의 치수, EV의 치수 및/또는 사용되는 배터리 셀의 치수와 유형을 포함하는 다양한 요인에 의해 결정될 수 있다. 도 33e는 어레이(700)의 여러 모듈의 모듈 커버(3132)의 하향식 도면이며, 여기서 각 모듈은 도 33a 내지 33c의 실시예와 같이 구성된다. 여기서, 각 모듈은 상대적으로 장변(long side)(x축에 정렬됨)과 상대적으로 단변(short side)(y축에 정렬됨)을 갖는다. 각 모듈(108)은 반대편의 장변에 위치되고 데이지 체인 또는 직렬 방식으로 인접한 모듈(108)과 상호연결된, AC1 및 AC2로 약칭되는 AC 연결부(3302-1 및 3302-2)를 각각 갖는다. 각각 DC1 및 DC2로 약칭되는 DC 커넥터(3130-1 및 3130-2)는 동일한 단변 또는 그 근처에 위치되며, 모듈 하우징 내의 위치를 나타내기 위해 파선으로 표시된다. 각 모듈은 또한 DC1 및 DC2 반대편의 단변에 위치되고, 또한 데이지 체인 또는 직렬 방식으로 인접 모듈(108)과 케이블로 상호연결된, 제어 포트(3318)(약칭 CP)를 갖는다.
도 33f는 DC 커넥터(DC1 및 DC2)가 반대편의 단변에 위치되는 모듈(108)의 다른 실시예의 하향식 도면이다. 셀 유형 및 치수는 DC1 및 DC2의 배치에 영향을 미칠 수 있으며, y-축을 따라 적층된 상대적으로 더 긴 각기둥형 셀(도 33g)은 도 33e 또는 도 33f의 구성 중 하나로 연결될 수 있고, x-축을 따라 적층된 상대적으로 더 짧은 각기둥형 셀(도 33h)은 도 33f의 구성으로 보다 쉽게 연결될 수 있다.
도 33i 및 33j는 AC 커넥터(AC1 및 AC2)가 반대편 단변에 위치되는 모듈(108)의 추가 실시예들을 도시하는 하향식 도면이다. DC 커넥터(DC1 및 DC2)는 반대편 단변(도 33I) 또는 동일한 단변(도 33J)에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 제어 포트(CP)는 모듈의 장변을 따라 중간 지점과 같은 임의의 편리한 위치에 배치될 수 있다.
상호연결 모듈(108IC)은 해당 상호연결 모듈에 필요한 추가 포트가 또한 액세스 가능하게 된다면, 도 33a 내지 33i와 관련하여 설명된 실시예 중 어느 하나에 따라 구성될 수 있다. 도 33k 및 33l은 반대편 장변(도 33k) 및 반대편 단변(도 33l)에 AC 커넥터(AC1 및 AC2)가 위치된 IC 모듈의 두 개의 예시적인 실시예의 커버(3132)를 도시하는 하향식 도면이다. 각각의 경우에, DC 커넥터(DC1 및 DC2)는 내부 에너지원을 배치하고 시스템(100)의 임의의 다른 상호연결 모듈과의 병렬 연결부를 배치하기 위해 외부에서 액세스 가능하도록 만들 수 있다. 또한 각각의 경우에, DC 커넥터(DC1 및 DC2)는 동일한 또는 반대편의 장변 또는 단변(도 33k에 도시된 반대편 단변 및 도 33l에 도시된 동일한 단변을 가짐)에 위치될 수 있다. 구성에 따라 하나, 이상의 보조 포트가 외부에서 액세스 가능해야 할 수도 있다. 보조 포트는 각각의 부하나 PDU에 연결하고 적용하기에 편리한 임의의 위치에 배치될 수 있다. 여기서, 보조 포트(3, 4, 5 및 6)는 AC 커넥터(도 33k)와 동일한 측 또는 AC 커넥터(도 33l)와 다른 측에서 외부적으로 액세스할 수 있다.
범용 EV 플랫폼 및 이를 포함하는 EV의 추가적인 예시적인 실시예
이에 제한되는 것은 아니나, 본 실시예는 범용 전기 파워트레인 플랫폼에 기초하여 전기 자동차를 설계, 제조 및 동작하는 데 사용될 수 있다. 전기 자동차는 상대적으로 작은 쿠페에서 대형 EV 버스 또는 화물 운반 EV 트럭에 이르기까지 다양한 서로 다른 모델 중 하나가 될 수 있다. 범용 플랫폼을 사용하면 다양한 모델과 유형의 EV를 기반으로 설계, 제조, 운영 및 서비스하는 데 필요한 비용과 노력이 크게 줄어들어 공급망을 따라 설계자, 제조업체 및 고객에게 영향을 미친다.
도 34a는 EV(3000)용 범용 플랫폼(3400)의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다. 플랫폼(3400)은 팩(3250), 보조 서브시스템(3403) 또는 그 일부(예를 들어, AC 시스템, 스티어-바이-와이어, 브레이크-바이-와이어, 액티브 서스펜션 등), 하나 이상의 모터(1100), PCDA(1250-1 및 1250-2), 휠 및 EV의 다른 컴포넌트를 유지하거나 그에 이르도록 구성된 구조적 EV 프레임 또는 섀시(3402)를 포함한다. 하나 이상의 모터(1100)는 구동계가 없는 온축(on-axle) 모터 또는 인휠 모터(여기에 도시됨)일 수 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 플랫폼(3400)은 네 개의 바퀴로 구성되지만, 두 개 이상의 휠 중 임의 개수를 갖는 서로 다른 구성으로 구현될 수 있다.
도 34b는 외부 차체(3404)가 추가된 도 34a의 실시예를 도시한 사시도이다. 많은 유형의 외부 차체(3404)가 동일한 플랫폼(3400)에 추가되어 다양한 서로 다른 EV 모델을 구성할 수 있다.
도 34c는 6륜 EV 모델을 위해 구성된 차체(3404)를 갖는 플랫폼(3400)의 예시적인 실시예를 도시하는 사시도이다. 여기서, 플랫폼(3400)은 또한 프레임(미도시), 팩(미도시) 및 추가 2륜을 갖는 연장 섹션(3408)과 결합되는, 도 34a 내지 34b와 관련하여 설명된 것과 유사한 베이스 4륜 섹션(3406)을 포함한다. 이 6륜 플랫폼은 도 18a 내지 18b 및 28a 내지 28c와 관련하여 설명된 6륜 실시예에 따라 구성된 시스템(100)을 포함할 수 있으며, 여기서 베이스 섹션(3406)은 전방 영역(180)에 해당하고 연장 섹션(3408)은 후방 영역(280)에 해당한다. 섹션(3406 및 3408) 각각은 서로 다른 에너지 서브시스템(1000), 열 관리 시스템(3100) 및 PCDA(1250)를 갖는 서로 다른 팩(3250)을 포함할 수 있다.
시스템(100)의 모듈식 특성은 다양한 전력 요구 사항을 충족하도록 쉽게 스케일링할 수 있다. 시스템(100) 내의 모듈(108)의 수는 시스템(100)의 최대 출력 전력 능력을 상대적으로 증가시키거나 감소시키도록 변경될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 모듈(108)의 유형은 예컨대 더 높거나 더 낮은 전압 에너지원(206)을 활용하거나, 각 모듈이 동일하거나 서로 다른 등급 및/또는 유형의 다수의 에너지원(206)을 갖는 하이브리드 소스 배열을 사용하는 것과 같이, 최대 출력 전력 능력을 조정하도록 변경될 수 있다.
도 34d 내지 34g는 시스템(100)의 서로 다른 구성(3411 내지 3414)을 도시하는 플랫폼(3400)의 사시도이다. 설명을 쉽게 하기 위해, 각 모듈(108)은 동일한 구성(예를 들어, 단일 48V 에너지원(206))을 갖지만, 구성(3411 내지 3414) 각각에서 모듈의 수는 서로 다른 최대 출력 전력을 제공하기 위해 변경된다. 도 34d는 도 28a의 모터(1100-5 및 1100-6)에 대한 전력을 제공하는 서브시스템(1000-5 및 1000-6)의 구성과 유사한, 두 개의 후방 인휠 모터(1100)에 대한 전력을 제공하기 위해 두 개의 서브시스템(1000)에 배열된 21개의 모듈(108)을 갖는 구성(3411)을 도시한다. EV(3000)의 성능은 EV의 전체 중량과 치수 및 시스템(100)의 전력 출력에 기초하여 달라지지만, 구성(3411)은 일반적으로 소형 차체 콤팩트 모델, 소형 차체 스포츠 모델, 자동 무인 및 승객 없는 배송 차량 등과 같은 상대적으로 낮은 전압 EV 모델을 갖는 애플리케이션에 적합하다.
도 34e는 구성(3411)과 동일하지만 총 28개의 모듈에 대해 7개의 모듈(108)이 추가된 구성(3412)을 도시한다. 따라서 구성(3412)은 구성(3411)의 것보다 최대 전력 출력이 33% 더 크다. 구성(3412)은 구성(3411)과 동일한 애플리케이션에 사용될 수 있지만, 구성(3412)은 일반적으로 스포츠 모델, 중형 쿠페 또는 세단, 소형 스포츠 유틸리티 차량(SUV) 등과 같은 상대적으로 적당한 전압의 EV 모델에 적합하다.
도 34f는 구성(3411)과 동일하지만 총 35개의 모듈에 대해 14개의 모듈(108)이 추가된 구성(3413)을 도시한다. 따라서 구성(3413)은 구성(3411)의 것보다 최대 전력 출력이 66% 더 크다. 구성(3413)은 구성(3411 및 3412)과 동일한 애플리케이션에 사용될 수 있지만, 구성(3413)은 일반적으로 대형 차체 크기 쿠페 또는 세단, 고성능 스포츠카, 중형-대형 SUV, 미니밴, 소형 픽업 트럭 등과 같은 상대적으로 중간-고전압 EV 모델에 적합하다.
도 34g는 네 개의 모터(1100)에 전력을 제공하는 네 개의 서브시스템(1000)을 갖는, 도 27a의 구성과 유사한 구성(3414)을 도시한다. 구성(3414)은 총 42개의 모듈에 대해 구성(3411)보다 많은 21개의 모듈을 갖는다. 따라서 구성(3414)은 구성(3411)의 것보다 최대 전력 출력이 66% 더 크다. 구성(3414)은 구성(3411, 3412 및 3413)과 동일한 애플리케이션에 사용될 수 있지만, 구성(3414)은 일반적으로 중장비 트럭, 대형 SUV, 승객용 버스, 화물 운송 애플리케이션 등과 같은 상대적으로 고전압 EV 모델에 적합하다.
시스템(100)은 플랫폼(3400)이 구축하는 데 사용될 거의 무한한 수의 EV 모델의 전력 요구 사항을 충족하도록 구성될 수 있다. 도 34d 내지 34g의 실시예는 예시이며, 본원에 설명된 바와 같은 에너지 시스템(100) 중 임의의 및 모든 실시예는 이에 제한되는 것은 아니나 도 24 내지 28c와 관련하여 설명된 이러한 레이아웃을 포함하는, 플랫폼(3400) 내에서 구현될 수 있다.
도 34h 내지 34k는 서로 다른 차체 상부(3420)와 부착, 정합 또는 통합된 범용 플랫폼(3400)으로 구성된 EV(3000)의 예시적인 실시예의 사시도이다. 차체 상부는 길이, 폭, 높이, 외부의 미적 외관, 승객실, 내부 치수, 내부의 미적 외관, 내부 기능(예를 들어, 터치스크린, 대시보드, 보조 기능), 트렁크 공간 등이 다를 수 있다. 도 34h는 4륜 플랫폼(3400)을 갖는 콤팩트 모델로 구성된 EV(3000-1)를 도시한다. EV(3000-1)는 예를 들어 도 34d와 관련하여 설명된 구성(3411)으로 배열된 시스템(100)을 가질 수 있다. 도 34i는 스포츠 쿠페 모델로 구성된 EV(3000-2)를 도시한다. EV(3000-2)는 예를 들어 도 34e와 관련하여 설명된 구성(3412)으로 배열된 시스템(100)을 가질 수 있다. 도 34j는 승합차 모델로 구성된 EV(3000-3)를 도시한다. EV(3000-3)는 예를 들어 도 34e 및 34f와 관련하여 설명된 구성(3413 또는 3414)으로 배열된 시스템(100)을 각각 가질 수 있다. 도 34k는 6륜 플랫폼(3400)(도 34c)을 갖는 대형 배달 밴 또는 승객 버스 모델로 구성된 EV(3000-4)를 도시한다. EV(3000-4)는 예를 들어 도 28a 내지 28c와 관련하여 설명된 것과 같은 구성으로 배열된 시스템(100)을 가질 수 있다.
플랫폼(3400)은 보편적인 것으로 설명되어 있지만, 플랫폼(3400)의 동일한 구현이 모든 서로 다른 EV 모델에 사용되는 것은 아니다. 오히려, 플랫폼(3400)은 모듈식 시스템(100)의 사용률이 배터리 팩 및/또는 배터리 팩 공간의 동일한 폼 팩터(예를 들어, 길이, 폭, 높이) 내에서 시스템(100)의 전압 성능을 쉽게 스케일링하도록 한다는 점에서 보편적이다. 시스템(100)은 종래의 구동 인버터에 대한 필요성을 제거하기 때문에, 플랫폼(3400)은 또한 또는 대안으로 전기 파워트레인이 팩(3250) 내에 자급자족되며, 따라서 한 EV 모델에서 다른 EV 모델로의 EV 기계식 및 파워트레인 재설계에 큰 영향을 미치지 않는다는 점에서 보편적인 것으로 간주될 수 있다.
중량 및 차체 치수 변화, 뿐만 아니라 애플리케이션 또는 고급 컴포넌트의 변화로 인해, 동일한 범용 플랫폼을 기반으로 하는 서로 다른 EV 모델은 서로 다른 서스펜션, HVAC 시스템의 성능 변화, 보조 부하 수의 변화, 견인력 제어 등과 같은 범용 플랫폼에 대한 서로 다른 설계를 요구할 가능성이 높다.
본 주제의 다양한 측면은 지금까지 설명된 실시예들을 검토 및/또는 보완하여 아래에 설명되며, 여기에서는 하기의 실시예의 상호관계 및 상호 교환성에 중점을 둔다. 즉, 명시적으로 언급되거나 달리 지시되지 않는 한, 실시예의 각 특징은 각각 및 다른 모든 특징과 결합될 수 있다는 사실에 중점을 둔다.
제1 실시예 그룹에서, 전기 차량(EV)용 모듈 기반 에너지 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 캐스케이드 방식으로 함께 결합된 복수의 변환기 모듈로서, 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원과 전기적으로 결합된 변환기 전자 장치 및 변환기 전자 장치와 에너지원을 보관하기 위한 하우징을 포함하며, 복수의 변환기 모듈은 EV의 하나 이상의 모터에 다상 전력을 공급하도록 구성되는, 상기 복수의 변환기 모듈; 냉각제를 전도하도록 구성된 제1 복수의 채널; 및 냉각제를 전도하도록 구성된 제2 복수의 채널을 포함하며, 제1 복수의 채널은 복수의 변환기 모듈의 조수석 측 상부에 걸쳐 배열되고, 제2 복수의 채널은 복수의 변환기 모듈의 도로측 하부에 걸쳐 배열된다.
제1 그룹의 일부 실시예들에서, 변환기 전자 장치는 각 모듈의 상위 부분에 위치되고 에너지원은 각 모듈의 하위 부분에 위치된다. 각 모듈의 변환기 전자 장치는 복수의 전력 트랜지스터를 포함할 수 있고, 각 모듈은 복수의 전력 트랜지스터와 전기적 연결부를 갖는 기판을 포함하며, 변환기 전자 장치는 복수의 전력 트랜지스터 위에 기판이 위치되도록 반전된다.
제1 그룹의 일부 실시예들에서, 상기 시스템은 제1 복수의 채널 위에 배치하도록 구성된 상부 인클로저 부분; 제2 복수의 채널 밑에 배치하도록 구성된 하부 인클로저 부분; 및 상부 인클로저 부분과 하부 인클로저 부분 사이에 배치하도록 구성된 측면 인클로저 부분을 더 포함한다.
제1 그룹의 일부 실시예들에서, 상기 시스템은 제1 복수의 채널과 복수의 변환기 모듈의 상위 표면 사이에 배치하도록 구성된 상위 히트싱크; 및 제2 복수의 채널과 복수의 변환기 모듈의 하위 표면 사이에 배치하도록 구성된 하위 히트싱크를 더 포함한다. 상부 인클로저 부분 및 상위 히트싱크는 제1 복수의 채널을 보관하도록 구성된 리세스를 각각 포함하며, 하부 인클로저 부분 및 하위 히트싱크는 제2 복수의 채널을 보관하도록 구성된 리세스를 각각 포함한다. 하위 히트싱크는 복수의 모듈을 유지하도록 구성된 대야(basin)로서 구성될 수 있고, 상위 히트싱크는 대야와 결합하도록 구성된 뚜껑(lid)으로서 구성된다.
제1 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 복수의 채널은 제2 복수의 채널로부터 수직으로 오프셋된다.
제1 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 복수의 변환기 모듈 사이에 연장되도록 구성된 복수의 스트러트(strut)를 갖는 프레임을 더 포함한다.
제1 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 복수의 채널 및 제2 복수의 채널은 제1 복수의 채널만, 제2 복수의 채널만, 및 동시에 제1 복수의 채널과 제2 복수의 채널 둘 다 중 적어도 둘을 통해 냉각제를 선택적으로 보내도록 구성된 열 관리 시스템과 결합하도록 구성된다.
제2 실시예 그룹에서, 전기 차량(EV)의 복수의 변환기 모듈용 열 관리 시스템이 제공되며, 복수의 변환기 모듈은 에너지원과 전기적으로 결합된 변환기 전자 장치 및 변환기 전자 장치와 에너지원을 보관하기 위한 하우징을 각각 포함하며, 복수의 변환기 모듈은 EV의 하나 이상의 모터에 다상 전력을 공급하도록 구성되며, 열 관리 시스템은 유체 네트워크와 결합된 복수의 펌프; 및 유체 네트워크와 결합된 복수의 열 교환기를 포함하며, 열 관리 시스템은 복수의 변환기 모듈의 에너지원과 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키고 복수의 변환기 모듈의 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키도록 제어 가능하다.
제2 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 복수의 펌프 중 제1 펌프, 복수의 열 교환기 중 제1 열 교환기, 및 히터 유닛으로 제1 열 관리 루프를 형성하도록 구성되며, 제1 열 관리 루프는 에너지원을 가열하거나 냉각시키기 위해 복수의 변환기 모듈의 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키도록 구성된다. 시스템은 히터 유닛이 활성화되고 제1 열 교환기가 비활성화되거나 바이패스된 상태에서 제1 열 관리 루프를 통한 냉각제의 이동에 의해 복수의 변환기 모듈의 에너지원을 가열하도록 구성될 수 있다. 시스템은 히터 유닛이 비활성화되거나 바이패스된 상태에서 제1 열 교환기를 포함하는 제1 열 관리 루프를 통한 냉각제의 이동에 의해 복수의 변환기 모듈의 에너지원을 냉각시키도록 구성될 수 있다. 시스템은 복수의 펌프 중 제2 펌프 및 복수의 열 교환기 중 제2 열 교환기로 제2 열 관리 루프를 형성하도록 구성될 수 있고, 제2 열 관리 루프는 변환기 전자 장치를 냉각시키기 위해 복수의 변환기 모듈의 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키도록 구성된다.
제2 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 제1 펌프 및 제2 펌프로 제3 열 관리 루프를 형성하도록 구성되며, 제3 열 관리 루프는 복수의 변환기 모듈의 변환기 전자 장치 및 복수의 변환기 모듈의 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키도록 구성된다. 제3 열 관리 루프는 제1 열 교환기 및 제2 열 교환기 중 하나 또는 모두를 통해 냉각제를 순환시키도록 재구성 가능할 수 있다.
제2 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 복수의 변환기 모듈의 에너지원과 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키고 복수의 변환기 모듈의 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키도록 선택적으로 제어 가능한 복수의 밸브를 더 포함한다.
제2 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 제1 및 제2 열 관리 루프를 형성하는 제1 상태로 제어 가능하고, 제3 열 관리 루프를 형성하는 제2 상태로 제어 가능한 하나 이상의 제1 밸브를 더 포함한다. 시스템은 제1 열 교환기를 통해 냉각제를 보내거나 제1 열 교환기를 바이패스하도록 제어 가능한 제2 밸브를 더 포함할 수 있다. 시스템은 제2 열 교환기를 통해 냉각제를 보내거나 제2 열 교환기를 바이패스하도록 제어 가능한 제3 밸브를 더 포함할 수 있다.
제2 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 열 교환기는 EV의 공조 냉각 시스템과 결합된 칠러이다. 공조 냉각 시스템은 칠러를 통해 흐르도록 냉각제를 선택적으로 허용하도록 구성된 제1 밸브를 포함할 수 있다. 공조 냉각 시스템은 냉각제가 EV의 충전 네트워크 분배기 또는 전력 분배 유닛을 통해 선택적으로 흐르도록 구성된 제2 밸브를 포함하는, 열 관리 시스템.
제2 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 EV의 하나 이상의 모터를 냉각시키도록 더 구성된다. 시스템은 하나 이상의 모터를 냉각시키도록 구성된 제4 열 관리 루프를 더 포함할 수 있다.
제3 실시예 그룹에서, 제2 그룹의 임의의 실시예에 따라 구성된 열 관리 시스템을 제어하도록 구성된 제어 시스템이 제공된다.
제3 그룹의 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 처리 회로부 및 처리 회로부에 의해 실행 시, 제어 시스템이 열 관리 시스템을 제어하도록 하는 복수의 명령어가 저장된 비일시적 메모리를 포함한다. 제어 시스템은 열 관리 시스템의 펌프 및 밸브와 통신 가능하게 결합되도록 구성될 수 있다.
제4 실시예 그룹에서, 전기 차량(EV)의 복수의 변환기 모듈의 냉각 방법이 제공되며, 복수의 변환기 모듈은 에너지원과 전기적으로 결합된 변환기 전자 장치 및 변환기 전자 장치와 에너지원을 보관하기 위한 하우징을 각각 포함하며, 복수의 변환기 모듈은 EV의 하나 이상의 모터에 다상 전력을 공급하도록 구성되며, 상기 방법은 에너지원을 가열하거나 냉각시키기 위해 제1 채널 세트를 통해 복수의 변환기 모듈의 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키는 단계; 및 복수의 모듈의 변환기 전자 장치를 냉각시키기 위해 제2 채널 세트를 통해 복수의 변환기 모듈의 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키는 단계를 포함한다.
제4 그룹의 일부 실시예들에서, 방법은 제1 채널 세트를 통해 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키기 위한 제1 열 관리 루프; 및 제2 채널 세트를 통해 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키기 위한 제2 열 관리 루프를 형성하기 위해 열 관리 시스템의 밸브 상태를 구성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 순환된 냉각제로 에너지원을 가열하기 위해 제1 관리 루프에서 히터 유닛을 활성화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 제1 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키는 반면 제2 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키지 않는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 제2 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키는 반면 제1 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키지 않는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 제1 및 제2 열 관리 루프에서 동시에 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 비활성화되거나 바이패스된 히터 유닛으로 제1 열 교환기를 통해 제1 열 관리 루프에서 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
제4 그룹의 일부 실시예들에서, 방법은 제1 채널 세트를 통해 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키고 제2 채널 세트를 통해 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키기 위한 제3 열 관리 루프를 형성하기 위해 열 관리 시스템의 밸브 상태를 구성하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제1 열 교환기 및 제2 열 교환기를 포함하는 제3 열 관리 루프를 통해 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 제1 열 교환기를 포함하는 제3 열 관리 루프를 통해 냉각제를 순환시키는 반면, 제3 열 관리 루프의 제2 열 교환기는 바이패스되는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 제2 열 교환기를 포함하는 제3 열 관리 루프를 통해 냉각제를 순환시키는 반면, 제3 열 관리 루프의 제1 열 교환기는 바이패스되는 단계를 더 포함할 수 있다.
제5 실시예 그룹에서, 캐스케이드 방식으로 연결된 복수의 변환기 모듈 및 하나 이상의 어레이를 포함하는 에너지 시스템이 제공되며, 각 변환기 모듈은, 상위 커버 및 상위 커버 밑에 위치되도록 구성된 베이스; 상위 표면 및 하위 표면을 갖는 상위 기판으로서, 상위 표면은 상위 커버에 인접한, 상기 상위 기판; 상위 표면에 전기적으로 연결된 하위 기판; 상위 기판의 하위 기판에 물리적으로 연결된 복수의 전력 트랜지스터; 하위 기판에 물리적으로 연결된 제어 장치; 및 복수의 전력 트랜지스터 및 제어 장치와 전기적으로 연결된 에너지원을 포함한다.
제5 그룹의 일부 실시예들에서, 하위 기판은 상위 표면 및 하위 표면을 갖고, 제어 장치는 하위 기판의 상위 표면에 물리적 및 전기적으로 연결된다.
제5 기판의 일부 실시예들에서, 하위 기판은 하나 이상의 스탠드오프에 의해 상위 기판에 전기적으로 연결된다.
제5 그룹의 일부 실시예들에서, 제어 장치는 로컬 제어 장치이다.
제5 그룹의 일부 실시예들에서, 각 변환기 모듈은 복수의 커패시터를 포함하며, 복수의 커패시터는 상위 기판 및 하위 기판 중 적어도 하나에 전기적으로 연결되고, 복수의 커패시터는 상위 기판과 하위 기판 사이에 직접적으로 위치되지 않고 나란히 위치된다.
제6 실시예 그룹에서, 적어도 하나의 모터 및 세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 복수의 변환기 모듈을 갖는 전기 차량(EV)용 전력 및 제어 분배 어셈블리(PCDA)가 제공되며, 각각은 적어도 하나의 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원, 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기, 및 변환기를 위한 스위칭 신호를 생성하도록 구성된 로컬 제어 장치를 포함하며, PCDA는, 복수의 변환기 모듈의 각 로컬 제어 장치로 제어 정보를 전달하도록 구성되고 EV의 차량 제어 장치와 통신하도록 구성된 마스터 제어 장치; EV의 제1 서브시스템용 구동 유닛; 마스터 제어 장치 및 구동 유닛과 통신 가능하게 결합된 보조 제어 장치로서, 보조 제어 장치는 구동 유닛을 제어하도록 구성되고 차량 제어 장치와 통신하도록 구성되는, 상기 보조 제어 장치; 및 마스터 제어 장치, 구동 유닛 및 보조 제어 장치를 보관하도록 구성된 하우징을 포함한다.
제6 그룹의 일부 실시예들에서, PCDA는 복수의 변환기 모듈 중 적어도 하나로부터 EV의 제2 서브시스템으로 보조 전력을 출력하기 위한 보조 전력 인터페이스를 더 포함한다.
제6 그룹의 일부 실시예들에서, 복수의 변환기 모듈은 세 개의 어레이로 배열되고, 각 어레이는 직렬로 연결된 두 개 이상의 변환기 모듈을 포함하고, 각 어레이는 세 개의 AC 신호 중 다른 하나를 생성하도록 구성되고, PCDA는 마스터 제어 장치와 통신 가능하게 결합된 라우팅 회로부를 더 포함하고, 라우팅 회로부는 DC 또는 단상 AC 충전 포트로부터 세 개의 어레이로 전력을 선택적으로 연결하도록 마스터 제어 장치에 의해 제어 가능하다. 라우팅 회로부는 복수의 솔리드 스테이트 릴레이를 포함할 수 있다.
제6 그룹의 일부 실시예들에서, PCDA는 적어도 하나의 모터와 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 복수의 전기 기계식 릴레이를 더 포함한다. PCDA는 복수의 모듈 중 적어도 하나의 모듈로부터 제2 DC 전압으로부터 제1 DC 전압을 생성하도록 구성된 DC-DC 변환기를 더 포함할 수 있다.
제6 그룹의 일부 실시예들에서, PCDA는 세 개의 AC 신호 각각의 전압, 전류 또는 위상 중 적어도 하나를 모니터링하도록 구성된 모니터 회로부를 더 포함한다.
제6 그룹의 일부 실시예들에서, PCDA는 PCDA와 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 안전 차단 장치를 더 포함한다.
제6 그룹의 일부 실시예들에서, 구동 유닛은 제1 구동 유닛이고, PCDA는 EV의 제2 서브시스템을 위한 제2 구동 유닛을 더 포함하며, 보조 제어 장치는 제2 구동 유닛을 제어하도록 구성된다.
제7 실시예 그룹에서, 적어도 하나의 모터 및 세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 복수의 변환기 모듈을 갖는 전기 차량(EV)용 전력 및 제어 분배 어셈블리(PCDA)가 제공되며, 각각은 적어도 하나의 모터를 공급하기 위한 서로 다른 위상각을 가지며, 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원, 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기, 및 변환기를 위한 스위칭 신호를 생성하도록 구성된 로컬 제어 장치를 포함하며, PCDA는, 제어 정보를 복수의 변환기 모듈의 각 로컬 제어 장치로 전달하도록 구성되고 EV의 차량 제어 장치와 통신하도록 구성된 마스터 제어 장치; EV의 제1 서브시스템을 위한 제1 구동 유닛; EV의 제2 서브시스템용 제2 구동 유닛; 마스터 제어 장치 및 제1 및 제2 구동 유닛과 통신 가능하게 결합된 보조 제어 장치로서, 보조 제어 장치는 제1 및 제2 구동 유닛을 제어하도록 구성되고 차량 제어 장치와 통신하도록 구성되는, 상기 보조 제어 장치; 복수의 변환기 모듈 중 적어도 하나로부터 EV의 제2 서브시스템으로 보조 전력을 출력하기 위한 보조 전력 인터페이스; 적어도 하나의 모터와 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 복수의 전기 기계식 릴레이; 복수의 모듈 중 적어도 하나의 모듈로부터 제2 DC 전압으로부터 제1 DC 전압을 생성하도록 구성된 DC-DC 변환기; 세 개의 AC 신호 각각의 전압, 전류 또는 위상 중 적어도 하나를 모니터링하도록 구성된 모니터 회로부; PCDA와 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 안전 차단 장치; 및 마스터 제어 장치, 제1 구동 유닛, 제2 구동 유닛, 보조 제어 장치, 보조 전력 인터페이스, 복수의 전기 기계식 릴레이, DC-DC 변환기, 모니터 회로부 및 안전 차단 장치를 보관하도록 구성된 하우징을 포함한다.
제8 실시예 그룹에서, 프레임, 에너지원 인클로저; 적어도 하나의 전기 모터; 및 세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 복수의 변환기 모듈로서, 각각은 적어도 하나의 전기 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원 및 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기를 포함하는, 상기 복수의 변환기 모듈을 포함하는 범용 플랫폼이 제공되며, 범용 플랫폼은 서로 다른 EV 모델을 형성하기 위해 서로 다른 차체 상부에 부착되도록 적응된다.
제8 그룹의 일부 실시예들에서, 범용 플랫폼은 제6 및 제7 그룹의 실시예들 중 어느 하나에 따른 전력 및 제어 분배 어셈블리를 더 포함한다.
제8 그룹의 일부 실시예들에서, 범용 플랫폼은 제1 및 제2 그룹의 실시예들 중 어느 하나에 따라 구성된 열 관리 시스템을 더 포함한다.
제9 실시예 그룹에서, 제1 차체 상부 및 제1 전기 파워트레인 플랫폼을 포함하는 제1 전기 차량으로서, 제1 전기 파워트레인 플랫폼은, 적어도 하나의 제1 모터; 세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 제1 복수의 변환기 모듈로서, 각각은 적어도 하나의 제1 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원 및 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기를 포함하는, 상기 제1 복수의 변환기 모듈; 및 제1 복수의 변환기 모듈을 보관하기 위한 제1 에너지 시스템 인클로저를 포함하는, 상기 제1 전기 차량; 및 제2 차체 상부 및 제2 전기 파워트레인 플랫폼을 포함하는 제2 전기 차량으로서, 제2 전기 파워트레인 플랫폼은, 적어도 하나의 제2 모터; 세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 제2 복수의 변환기 모듈로서, 각각은 적어도 하나의 제2 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 제2 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원 및 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기를 포함하는, 상기 제2 복수의 변환기 모듈; 및 제2 복수의 변환기 모듈을 보관하기 위한 제2 에너지 시스템 인클로저를 포함하며, 제1 차체 상부는 제2 차체 상부와 다르고, 제1 및 제2 복수의 변환기 모듈은 서로 다른 최대 출력 전력을 생성하도록 각각 구성되고, 제1 및 제2 에너지 시스템인클로저는 동일한 폼 팩터를 각각 갖는, 복수의 전기 차량이 제공된다.
제9 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 전기 차량은 적어도 하나의 제1 모터를 위한 독립형 구동 인버터를 갖지 않으며, 제2 전기 차량은 적어도 하나의 제2 모터를 위한 독립형 구동 인버터를 갖지 않는다.
제9 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 복수의 변환기 모듈의 변환기 모듈의 수량은 제2의 복수의 변환기 모듈의 변환기 모듈의 수량과 다르다.
제9 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 차체 유형 및 제2 차체 유형은 쿠페, 세단, 스포츠카, 트럭, 밴, 버스 및 스포츠 유틸리티 차량을 포함하는 그룹으로부터 선택된 서로 다른 차체 유형이다.
제10 실시예 그룹에서, 세 개의 어레이로서, 각 어레이는 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하도록 함께 전기적으로 연결된 적어도 두 개의 레벨의 모듈을 포함하며, 모듈 각각은 제1 에너지원, 제2 에너지원 및 변환기를 포함하는, 제1 에너지원 및 제2 에너지원은 서로 다른 등급 또는 유형이고, EV의 섀시는 EV의 평면에 걸쳐 각각 횡으로 연장되는 길이 축 및 수직 폭 축을 가지며, 길이 축을 따라 섀시의 제1 치수가 폭 축을 따라 섀시의 제2 치수보다 상대적으로 더 길고, 세 개의 어레이는 섀시 내에 맞도록 구성된 팩으로 배열되고, 제1 에너지원 및 제2 에너지원은 각 모듈의 서로 다른 측면에 안착되고, 세 개의 어레이는 길이 축에 평행한 열로 정렬되고, 각 어레이의 모듈의 제1 에너지원은 길이 축에 평행한 열로 정렬되고 각 어레이의 모듈의 제2 에너지원은 길이 축에 평행한 열로 정렬되는, 전기 차량(EV)의 모듈식 에너지 시스템이 제공된다.
제10 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 에너지원 열은 제2 에너지원 열과 교번된다.
제10 그룹의 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 상호연결 모듈은 세 개의 어레이 중 적어도 하나의 어레이에 연결된다.
제11 실시예 그룹에서, 세 개의 어레이로서, 각 어레이는 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하도록 함께 전기적으로 연결된 적어도 두 개의 레벨의 모듈을 포함하며, 모듈 각각은 제1 에너지원, 제2 에너지원 및 변환기를 포함하고, 모듈 각각은 제1 에너지원, 제2 에너지원 및 변환기를 포함하고, 제1 에너지원 및 제2 에너지원을 서로 다른 등급 또는 유형이고, EV의 섀시는 EV의 평면에 걸쳐 횡으로 각각 연장되는 길이 축 및 수직 폭 축을 가지며, 길이 축에 따른 섀시의 제1 치수는 폭 축에 따른 섀시의 제2 치수보다 상대적으로 더 길고, 세 개의 어레이는 섀시 내에 맞도록 구성된 팩으로 배열되고, 제1 에너지원 및 제2 에너지원은 각 모듈의 서로 다른 측면에 안착되고, 세 개의 어레이는 폭 축에 평행한 열로 정렬되고, 각 어레이의 모듈의 제1 에너지원은 폭 축에 평행한 열로 정렬되고 각 어레이의 모듈의 제2 에너지원은 폭 축에 평행한 열로 정렬되는, 상기 세 개의 어레이를 포함하는 전기 차량(EV)의 모듈식 에너지 시스템이 제공된다.
제11 그룹의 일부 실시예들에서, 제1 에너지원 열은 제2 에너지원 열과 교번된다.
제11 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 세 개의 어레이 중 적어도 하나의 어레이에 연결된 적어도 하나의 상호연결 모듈을 더 포함한다.
제12 실시예 그룹에서, 세 개의 어레이로서, 각 어레이는 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터의 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하기 위해 함께 전기적으로 연결된 적어도 두 개의 모듈을 포함하며, 모듈 각각은 에너지원 및 변환기; DC 또는 단상 AC 충전 신호를 전도하도록 구성된 충전 포트; 및 충전 포트와 세 개의 어레이 사이에 연결된 라우팅 회로부를 포함하고, 라우팅 회로부는 세 개의 어레이 각각에 DC 또는 단상 AC 충전 신호를 선택적으로 라우팅하도록 제어 가능하며, 라우팅 회로부는 적어도 하나의 트랜지스터를 각각 포함하는 복수의 솔리드 스테이트 릴레이(SSR) 회로를 포함하는, 상기 세 개의 어레이를 포함하는, 부하에 전력을 공급하도록 제어 가능한 모듈식 에너지 지스템이 제공된다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 라우팅 회로부와 통신 가능하게 결합된 제어 시스템을 더 포함하며, 제어 시스템은 세 개의 어레이 각각에 DC 또는 단상 AC 충전 신호를 선택적으로 라우팅하기 위해 라우팅 회로부를 제어하도록 구성된다. 제어 시스템은 세 개의 어레이의 각 모듈과 통신 가능하게 결합될 수 있고, 각 모듈을 충전하기 위해 각 모듈의 변환기를 제어하도록 구성된다. 제어 시스템은 펄스 폭 변조 또는 히스테리시스 기술에 따라 각 모듈의 변환기를 제공하도록 구성될 수 있다. 각 모듈은 모듈의 상태 정보를 모니터링하도록 구성된 모니터 회로부를 포함할 수 있으며, 각 모듈은 제어 시스템에 상태 정보를 출력하도록 구성되며, 제어 시스템은 상태 정보에 기초하여 각 모듈의 변환기를 제어하도록 구성된다. 상태 정보는 모듈의 충전 상태 및 온도와 관련이 있으며, 제어 시스템은 어레이의 모든 모듈의 충전 상태 및 온도의 밸런스를 맞추기 위해 각 모듈의 변환기를 제어하도록 구성된다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 라우팅 회로부는 양방향이다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 트랜지스터는 제1 트랜지스터이고, 적어도 하나의 SSR 회로는 제1 트랜지스터와 직렬로 결합된 제2 트랜지스터를 포함하고, 제1 및 제2 트랜지스터는 각각 제어 입력과 결합된 게이트 노드를 갖는다. 제1 및 제2 트랜지스터는 각각 반대편 전류 운반 방향으로 배향된 바디 다이오드를 가질 수 있다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 SSR 회로는 적어도 네 개의 다이오드와 결합된 트랜지스터를 포함하며, 트랜지스터는 적어도 하나의 SSR 회로의 제어 입력과 결합된 게이트 노드를 갖는다. 적어도 하나의 SSR 회로는 입력 및 출력을 포함할 수 있으며, 트랜지스터의 활성화로 인해 전류가 입력으로부터 트랜지스터 및 다이오드 중 적어도 두 개를 통해 출력으로 흐르도록 구성되고, 트랜지스터의 비활성화로 인해 전류가 입력으로부터 출력으로 흐르는 것을 차단하도록 구성된다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 라우팅 회로부는 DC+ 충전 신호 또는 단상 AC 라인 충전 신호와 결합하도록 구성된 제1 포트, DC- 충전 신호 또는 단상 AC 중립 신호와 결합하도록 구성된 제2 포트, 제1 어레이와 결합된 제3 포트, 제2 어레이와 결합된 제4 포트, 및 제3 어레이와 결합된 제5 포트를 포함하며, 제1 포트와 제3 포트 사이에 결합된 제1 SSR 회로; 제1 포트와 제4 포트 사이에 결합된 제2 SSR 회로; 제4 포트와 제2 포트 사이에 결합된 제3 SSR 회로; 및 제5 포트와 제2 포트 사이에 결합된 제4 SSR 회로를 포함한다. SSR 회로는 제어 시스템에 의해 DC 충전 상태에서 동작 시, 제1 포트의 DC 충전 신호를 제3 또는 제4 포트로 선택적으로 라우팅하고, 제4 또는 제5 포트의 신호를 제2 포트로 선택적으로 라우팅하도록 제어 가능할 수 있으며, SSR 회로는 제어 시스템에 의해, 양의 단상 AC 충전 상태에서 동작 시, 제1 포트의 AC 라인 충전 신호를 제3 또는 제4 포트로 선택적으로 라우팅하고, 제 4 또는 제5 포트의 신호를 제2 포트로 선택적으로 라우팅하고, 음의 단상 AC 충전 상태에서 동작 시, 제2 포트의 신호를 제4 또는 제5 포트로 선택적으로 라우팅하고, 제3 또는 제4 포트의 신호를 제1 포트로 선택적으로 라우팅하도록 제어 가능할 수 있다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 라우팅 회로부는 세 개의 어레이 각각에 3상 AC 충전 신호를 라우팅하도록 추가로 제어 가능하다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 충전 포트는 3상 AC 충전 신호를 전도하도록 더 구성되고, 라우팅 회로부는 3상 AC 충전 신호를 세 개의 어레이 각각에 라우팅하도록 추가로 제어 가능하고, 라우팅 회로부는 DC 또는 AC 충전 신호를 수신하도록 구성된 제1 포트, AC 충전 신호를 수신하도록 구성된 제2 포트, 및 DC 또는 AC 충전 신호를 수신하도록 구성된 제3 포트를 포함하고, 세 개의 어레이 중 제1 어레이에 연결 가능한 제1 포트와 제1 라인 사이에 결합된 제1 SSR 회로; 세 개의 어레이 중 제2 어레이에 연결 가능한 제2 포트와 제2 라인 사이에 결합된 제2 SSR 회로; 세 개의 어레이 중 제3 어레이 연결 가능한 제3 포트와 제3 라인 사이에 결합된 제3 SSR 회로; 제1 포트와 제2 포트 사이에 결합된 제4 SSR 회로; 및 제2 포트와 제3 포트 사이에 결합된 제5 SSR 회로를 더 포함한다. 트랜지스터는 제1 트랜지스터일 수 있고, SSR 회로 각각은 제1 트랜지스터와 직렬로 결합된 제2 트랜지스터를 포함하고, 제1 및 제2 트랜지스터는 각각 제어 입력과 결합된 게이트 노드를 가지며, 제1 및 제2 트랜지스터는 각각 반대편 전류 운반 방향으로 배향된 바디 다이오드를 갖는다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, SSR 회로 각각은 적어도 네 개의 다이오드와 결합된 트랜지스터를 포함하고, 트랜지스터는 적어도 하나의 SSR 회로의 제어 입력과 결합된 게이트 노드를 가지며, 각 SSR 회로는 입력 및 출력을 포함하고, 트랜지스터의 활성화로 인해 전류가 입력으로부터 트랜지스터 및 다이오드 중 적어도 두 개를 통해 출력으로 흐르도록 구성되고, 트랜지스터의 비활성화로 인해 전류가 입력으로부터 출력으로 흐르는 것을 차단하도록 구성된다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 충전원으로부터 모든 모듈 및 모터를 선택적으로 분리하도록 더 구성된다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 세 개의 어레이는 적어도 하나의 상호연결 모듈에 의해 상호연결된다. 제어 시스템은 시스템이 충전 상태에 있을 때 적어도 하나의 보조 부하에 대한 전압을 공급하기 위해 적어도 하나의 상호연결 모듈을 제어하도록 구성될 수 있다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 세 개의 어레이는 델타 직렬 구성으로 상호연결된다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 부하는 6상 부하이고, 세 개의 어레이는 제1 어레이 세트이고, 시스템은 모듈의 추가적인 세 개 어레이를 포함하는 제2 어레이 세트를 더 포함하며, 시스템은 제1 및 제2 어레이 세트를 병렬로 충전하도록 구성된다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 충전 포트는 제1 충전 포트이고, 시스템은 3상 충전 신호를 수신하도록 구성된 제2 충전 포트를 더 포함한다. 제1 및 제2 충전 포트는 동일한 사용자 액세스 가능 위치에 통합될 수 있다. 라우팅 회로부는 제2 충전 포트의 라인에 연결될 수 있다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 시스템은 각 어레이의 제1 모듈과 부하 사이에 결합된 복수의 스위치를 포함하고, 복수의 스위치는 세 개의 어레이로부터 부하를 분리하도록 제어 가능할 수 있다.
제12 그룹의 일부 실시예들에서, 세 개의 어레이는 제1 부하에 3상 전력을 제공하도록 구성된 시스템의 제1 서브시스템이고, 시스템은 3상 전력을 제2 부하에 제공하도록 구성된 제2 서브시스템을 더 포함하며, 제2 서브시스템은 세 개의 어레이를 포함하고, 각각은 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하기 위해 함께 전기적으로 연결된 적어도 두 개의 모듈을 포함하고, 제2 서브시스템의 모듈 각각은 에너지원 및 변환기를 포함하며, 제1 및 제2 서브시스템은 제1 및 제2 서브시스템이 충전을 위해 병렬로 전기적으로 연결될 수 있도록 제1 복수의 스위치에 의해 함께 결합된다. 시스템은 3상 전력을 제3 부하에 제공하도록 구성된 제3 서브시스템을 더 포함할 수 있고, 제3 서브시스템은 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터의 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하기 위해 함께 전기적으로 연결된 적어도 두 개의 모듈을 각각 포함하며, 제3 서브시스템의 모듈 각각은 에너지원 및 변환기를 포함하고, 제1 및 제2 서브시스템은 제1 및 제3 서브시스템이 충전을 위해 병렬로 전기적으로 연결 가능하도록 제2 복수의 스위치에 의해 함께 결합된다.
제13 실시예 그룹에서, 시스템이 제12 그룹의 실시예들 중 어느 하나에 따라 구성되는 모듈식 에너지 시스템의 충전 방법이 제공되며, 상기 방법은 모듈식 에너지 시스템을 충전하고 시스템의 적어도 하나의 동작 특성의 밸런스를 맞추기 위해 충전 신호가 인가되는 동안 모듈식 에너지 시스템을 제어하는 단계를 포함한다.
제13 그룹의 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 동작 특성은 온도이다.
제13 그룹의 일부 실시예들에서, 충전 신호는 3상 충전 신호, 단상 충전 신호 또는 직류(DC) 충전 신호이다.
제13 그룹의 일부 실시예들에서, 모듈식 에너지 시스템은 임계값 1 내에서 시스템의 역률을 유지하도록 제어된다.
제13 그룹의 일부 실시예들에서, 모듈식 에너지 시스템을 제어하는 것은 에너지 시스템의 모듈의 변환기를 제어하는 것을 포함한다.
제14 실시예 그룹에서, 제12 그룹의 실시예들 중 어느 하나에 따라 구성된 모듈식 에너지 시스템을 위한 제어 시스템이 제공된다.
제15 실시예 그룹에서, 처리 회로부에 의해 실행 시, 처리 회로부가 제12 그룹의 실시예들 중 어느 하나에 따라 구성된 모듈식 에너지 시스템에 대한 충전을 제어하도록 하는 복수의 명령어를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체가 제공된다.
제16 실시예 그룹에서, 전기 차량의 모터에 전기 전력을 공급하도록 구성된 에너지 저장 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 세 개의 어레이로서, 각 어레이는 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터 모터로의 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하기 위해 함께 전기적으로 연결된 적어도 두 개의 모듈을 포함하며, 모듈 각각은 에너지원 및 DC-AC 변환기; DC 또는 AC 신호를 전도하도록 구성된 충전 포트; 충전 포트와 세 개의 어레이 사이에 연결된 양방향 라우팅 회로부로서, 라우팅 회로부는 세 개의 어레이 각각에 DC 또는 AC 신호를 선택적으로 라우팅하도록 제어 가능한, 상기 양방향 라우팅 회로부; 및 DC 및 AC 전력을 수신하고 DC 또는 AC 전력을 생성하기 위해 각 모듈의 변환기를 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하며, 제어 시스템은 에너지 저장 시스템에서 전력 소비 엔티티로 전력 전송을 수행하기 위해 전력 소비 엔티티의 외부 컨트롤러와 통신하도록 추가로 구성된다.
제16 그룹의 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 외부 컨트롤러와 통신하여 V2G(vehicle-to-grid), V2H(vehicle-to-home), V2B(vehicle-to-building), V2C(vehicle-to-community), 또는 V2V(vehicle-to-vehicle) 애플리케이션의 일부로서 전력 전송을 수행하도록 구성된다.
제16 그룹의 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 외부 컨트롤러와 통신하여 V2A(vehicle-to-anything) 또는 V2X(vehicle-to-everything) 애플리케이션의 일부로서 전력 전송을 수행하도록 구성된다.
제16 그룹의 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 외부 컨트롤러와 에너지 저장 시스템의 연결을 검출하도록 구성된다.
제16 그룹의 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 어레이로부터, 라우팅 회로부를 통해, 및 충전 포트를 통해 전력 소비 엔티티로의 전력 출력을 제어하도록 구성되며, 어레이로부터의 전력 출력은 외부 컨트롤러에 의해 요청된 포맷이다. 제어 시스템은 모듈의 에너지원 사이에서 충전 상태 및/또는 온도의 밸런스의 유지와 동시에 전력 출력을 제어하도록 구성될 수 있다.
제16 그룹의 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 외부 컨트롤러와 통신하여 전력 소비 엔티티와 전력 전송을 수행할 시기를 식별하도록 구성된다.
본원에 사용된 "모듈"이라는 용어는 대규모 시스템 내의 둘 이상의 장치 또는 서브시스템 중 하나를 말한다. 모듈은 유사한 크기, 기능 및 물리적 배열(예를 들어, 전기 단자, 커넥터 등의 위치)의 다른 모듈과 함께 작동하도록 구성될 수 있다. 동일한 기능 및 에너지원(들)을 갖는 모듈은 동일한 시스템(예를 들, 랙 또는 팩) 내의 다른 모든 모듈과 동일하게(예를 들어, 크기 및 물리적 배열) 구성될 수 있는 반면, 다른 기능 또는 에너지원(들)을 갖는 모듈은 크기와 물리적 배열이 다를 수 있다. 각 모듈은 시스템의 다른 모듈(예를 들어, 자동차의 휠 또는 정보 기술(IT) 블레이드 서버의 블레이드)과 관련하여 물리적으로 탈착 가능 및 교체 가능할 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 시스템은 전체적으로 시스템을 분해하지 않고, 한 모듈의 제거 및 교체를 허용하지 않는 공통 하우징에 패키징될 수 있다. 그러나, 본원의 임의의 및 모든 실시예들은 각 모듈이 시스템의 분해 없이 편리한 방식으로 다른 모듈에 대해 탈착 가능하고 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
"마스터 제어 장치"라는 용어는 본원에서 넓은 의미로 사용되며, 로컬 제어 장치와 같은 임의의 다른 장치와의 마스터 및 슬레이브 관계와 같은 임의의 특정 프로토콜의 구현을 필요로 하지는 않는다.
"출력"이라는 용어는 본원에서 넓은 의미로 사용되며, 출력 및 입력 모두로서 양방향 방식으로 기능하는 것을 배제하지는 않는다. 마찬가지로, "입력"이라는 용어는 본원에서 넓은 의미로 사용되며, 입력 및 출력 모두로서 양방향 방식으로 기능하는 것을 배제하지는 않는다.
"단자" 및 "포트"라는 용어는 본원에서 넓은 의미로 사용되며, 단방향 또는 양방향일 수 있고, 입력 또는 출력일 수 있다.
"공칭 전압"이라는 용어는 배터리 셀을 설명하기 위해 일반적으로 사용되는 메트릭이며, 제조업체에 의해(예를 들어, 셀 또는 데이터시트에 표시하여) 제공된다. 공칭 전압은 종종 충전 시, 배터리 셀이 출력하는 평균 전압을 말하며, 본 주제의 배터리 모듈 및 서브시스템 및 시스템과 같은 배터리 셀을 포함하는 엔티티의 전압을 설명하는 데 사용될 수 있다.
"C 레이트"라는 용어는 방전 전류를 배터리가 1시간 내에 공칭 정격 용량을 제공할 수 있는 이론적 전류 인출로 나눈 값을 설명하기 위해 일반적으로 사용되는 메트릭이다.
본 주제의 다양한 측면은 지금까지 설명된 실시예들을 검토 및/또는 보완하여 아래에 설명되며, 여기에서는 하기의 실시예의 상호관계 및 상호 교환성에 중점을 둔다. 즉, 명시적으로 언급되거나 논리적으로 타당하지 않는 한, 실시예의 각 특징은 각각 및 다른 모든 특징과 결합될 수 있다는 사실에 중점을 둔다.
처리 회로부는 하나 이상의 프로세서, 마이크로프로세서, 컨트롤러 및/또는 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 개별 또는 독립형 칩이거나 다수의 서로 다른 칩 사이(및 일부)에 분산될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예컨대 개인용 컴퓨팅 아키텍처(예를 들어, 데스크탑 PC, 랩탑, 태블릿 등에 사용되는 것과 같은), 프로그래밍 가능 게이트 어레이 아키텍처, 독점 아키텍처, 맞춤형 아키텍처 등과 같은 임의 유형의 처리 회로부가 구현될 수 있다. 처리 회로부는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 처리 회로부는 처리 회로부가 다양한 동작을 수행하도록 하고 다른 컴포넌트를 제어하도록 하는 메모리에 저장된 소프트웨어 명령어를 실행할 수 있다.
처리 회로부는 또한 다른 소프트웨어 및/또는 하드웨어 루틴을 수행할 수 있다. 예를 들어, 처리 회로부는 통신 회로부와 인터페이스하고 아날로그-디지털 변환, 인코딩 및 디코딩, 기타 디지털 신호 처리, 멀티미디어 기능, 통신 회로부에 프로비저닝하기에 적합한 형식(예를 들어, 동위상 및 데이터를 통신 회로에 제공하기에 적합한 형식(예: 동상 및 직교)으로의 데이터의 변환을 수행하고, 및/또는 통신 회로부가 데이터를 (유선 또는 무선으로) 전송하도록 할 수 있다.
본원에 설명된 임의의 및 모든 통신 신호는 언급되거나 논리적으로 타당하지 않은 경우를 제외하고는 무선으로 통신될 수 있다. 무선 통신을 위한 통신 회로부가 포함될 수 있다. 통신 회로부는 적절한 프로토콜(예를 들어, Wi-Fi, 블루투스, 블루투스 저에너지, 근거리 통신(Near Field Communication; NFC), 무선 주파수 식별(Radio Frequency Identification; RFID), 독점 프로토콜 등) 하에서 링크를 통해 무선 통신을 수행하는 하나 이상의 칩 및/또는 컴포넌트(예를 들어, 송신기, 수신기, 트랜시버, 및/또는 기타 통신 회로부)로 구현될 수 있다. 다양한 프로토콜 및 회로와 함께 동작하기 위해 필요에 따라 하나 이상의 기타 안테나가 통신 회로부에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, 통신 회로부는 링크를 통한 전송을 위해 안테나를 공유할 수 있다. RF 통신 회로부는 송신기와 수신기(예를 들어, 트랜시버로 통합됨) 및 관련 인코더 로직을 포함할 수 있다.
처리 회로부는 또한 운영 체제 및 임의의 소프트웨어 애플리케이션을 실행하고, 전송 및 수신된 통신 처리와 관련되지 않은 이러한 기타 기능을 수행하도록 적응될 수 있다.
설명된 주제에 따라 동작을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 명령어는 Java, JavaScript, Smalltalk, C++, C#, Transact-SQL, XML, PHP 등 및 "C" 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어와 같은 종래의 절차적 프로그래밍 언어와 같은 객체 지향 프로그래밍 언어를 포함하는, 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, (예를 들어, 서로 다른 칩 내에 존재하는 별도의 메모리로서) 이들 중 둘 이상 사이에 분산될 수 있다. 메모리는 또한 별도의 자체 칩에 상주할 수 있다.
본원에 설명된 실시예들이 메모리, 스토리지 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하거나 그와 관련하여 동작하는 한, 메모리, 스토리지 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 비일시적이다. 따라서, 메모리, 스토리지 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체가 하나 이상의 청구 범위에 포함되는 한, 해당 메모리, 스토리지 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 일시적이지 않을 뿐이다. 본원에 사용된 "비일시적(non-transitory)" 및 "유형(tangible)"이라는 용어는 전자기 신호를 전파하는 것을 제외한 메모리, 스토리지 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체를 설명하기 위한 것이지만, 메모리, 스토리지 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체의 유형을 스토리지의 지속성 등의 측면에서 제한하려는 것은 아니다. 예를 들어, "비일시적" 및/또는 "유형" 메모리, 스토리지 및/또는 컴퓨터 판독 가능 매체는 랜덤 액세스 매체(예를 들어, RAM, SRAM, DRAM, FRAM 등), 읽기 전용 매체(예를 들어, ROM, PROM, EPROM, EEPROM, 플래시 등) 및 이들의 조합(예를 들어, 하이브리드 RAM 및 ROM, NVRAM 등) 및 그 변형과 같은 휘발성 및 비휘발성 매체를 포함한다.
본원에 제공된 임의의 실시예와 관련하여 설명된 모든 특징, 요소, 컴포넌트, 기능 및 단계는 임의의 다른 실시예로부터의 것과 자유롭게 결합 가능 및 대체 가능하도록 의도된다는 점에 유의해야 한다. 특정 특징, 요소, 컴포넌트, 기능 또는 단계가 하나의 실시예와 관련하여서만 설명되는 경우, 그 특징, 요소, 컴포넌트, 기능 또는 단계는 명시적으로 명시되지 않는 한 본원에 설명된 다른 모든 실시예와 함께 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서 이 단락은 다른 실시예들의 특징, 요소, 컴포넌트, 기능 및 단계를 결합하거나, 다음의 설명이 특정한 경우에 이러한 조합 또는 대체가 가능하다고 명시적으로 언급하지 않더라도, 일 실시예의 특징, 요소, 컴포넌트, 기능 및 단계를 다른 실시예로 대체하는 청구범위의 도입에 대한 선례 기반 및 서면 지원의 역할을 한다. 모든 가능한 조합 및 대체에 대한 명시적인 언급은 특히 이러한 각각의 및 모든 조합 및 대체의 허용 가능성이 당업자에 의해 쉽게 인식될 것이라는 점을 고려할 때 지나치게 부담스럽다는 것이 명시적으로 인정된다.
본원에 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시 대상을 포함한다.
본 실시예는 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하지만, 그 특정 예들이 도면에 예시되고 본원에서 상세하게 설명된다. 그러나, 이들 실시예들은 개시된 특정한 형태에 한정되지 않으며, 오히려 반대로 이들 실시예들은 개시의 사상 내에 있는 모든 변경, 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 실시예들의 임의의 특징, 기능, 단계 또는 요소는 청구범위에 인용되거나 청구범위에 추가될 수 있을 뿐만 아니라, 청구범위에 포함되지 않는 특징, 기능, 단계 또는 요소에 의해 청구범위의 발명적 범위를 정의하는 부정적인 제한도 포함된다.
Claims (80)
- 전기 차량(electric vehicle; EV)용 모듈 기반 에너지 시스템에 있어서,
캐스케이드 방식으로 함께 결합된 복수의 변환기 모듈로서, 상기 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원과 전기적으로 결합된 변환기 전자 장치 및 상기 변환기 전자 장치와 상기 에너지원을 보관하기 위한 하우징을 포함하며, 상기 복수의 변환기 모듈은 상기 EV의 하나 이상의 모터에 다상 전력을 공급하도록 구성되는, 상기 복수의 변환기 모듈;
냉각제를 전도하도록 구성된 제1 복수의 채널; 및
냉각제를 전도하도록 구성된 제2 복수의 채널을 포함하며,
상기 제1 복수의 채널은 상기 복수의 변환기 모듈의 조수석 측 상부에 걸쳐 배열되고, 상기 제2 복수의 채널은 상기 복수의 변환기 모듈의 도로측 하부에 걸쳐 배열되는, 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 변환기 전자 장치는 각 모듈의 상위 부분에 위치되고 상기 에너지원은 각 모듈의 하위 부분에 위치되는, 시스템.
- 제2항에 있어서, 각 모듈의 상기 변환기 전자 장치는 복수의 전력 트랜지스터를 포함하고, 각 모듈은 상기 복수의 전력 트랜지스터와 전기적 연결부를 갖는 기판을 포함하며, 상기 변환기 전자 장치는 상기 복수의 전력 트랜지스터 위에 상기 기판이 위치되도록 반전되는, 시스템.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 복수의 채널 위에 배치하도록 구성된 상부 인클로저 부분;
상기 제2 복수의 채널 밑에 배치하도록 구성된 하부 인클로저 부분; 및
상기 상부 인클로저 부분과 상기 하부 인클로저 부분 사이에 배치하도록 구성된 측면 인클로저 부분을 더 포함하는, 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 제1 복수의 채널과 상기 복수의 변환기 모듈의 상위 표면 사이에 배치하도록 구성된 상위 히트싱크; 및
상기 제2 복수의 채널과 상기 복수의 변환기 모듈의 하위 표면 사이에 배치하도록 구성된 하위 히트싱크를 더 포함하는, 시스템. - 제5항에 있어서, 상기 상부 인클로저 부분 및 상기 상위 히트싱크는 상기 제1 복수의 채널을 보관하도록 구성된 리세스를 각각 포함하며, 상기 하부 인클로저 부분 및 상기 하위 히트싱크는 상기 제2 복수의 채널을 보관하도록 구성된 리세스를 각각 포함하는, 시스템.
- 제5항 또는 제6항의 시스템에 있어서, 상기 하위 히트싱크는 상기 복수의 모듈을 보관하도록 구성된 대야(basin)로서 구성되고, 상기 상위 히트싱크는 상기 대야와 결합하도록 구성된 뚜껑(lid)으로서 구성되는, 시스템.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복수의 채널은 상기 제2 복수의 채널로부터 수직으로 오프셋되는, 시스템.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 변환기 모듈 사이에 연장되도록 구성된 복수의 스트러트(strut)를 갖는 프레임을 더 포함하는, 시스템.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복수의 채널 및 상기 제2 복수의 채널은, 상기 제1 복수의 채널만, 상기 제2 복수의 채널만, 및 동시에 상기 제1 복수의 채널과 상기 제2 복수의 채널 둘 다 중 적어도 둘을 통해 냉각제를 선택적으로 보내도록 구성된 열 관리 시스템과 결합하도록 구성되는, 시스템.
- 전기 차량(EV)의 복수의 변환기 모듈용 열 관리 시스템에 있어서, 상기 복수의 변환기 모듈은 에너지원과 전기적으로 결합된 변환기 전자 장치 및 상기 변환기 전자 장치와 상기 에너지원을 보관하기 위한 하우징을 각각 포함하며, 상기 복수의 변환기 모듈은 상기 EV의 하나 이상의 모터에 다상 전력을 공급하도록 구성되며, 상기 열 관리 시스템은,
유체 네트워크와 결합된 복수의 펌프; 및
상기 유체 네트워크와 결합된 복수의 열 교환기를 포함하며,
상기 열 관리 시스템은 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 에너지원과 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키고 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키도록 제어 가능한, 열 관리 시스템. - 제11항에 있어서, 상기 시스템은 상기 복수의 펌프 중 제1 펌프, 상기 복수의 열 교환기 중 제1 열 교환기, 및 히터 유닛으로 제1 열 관리 루프를 형성하도록 구성되며, 상기 제1 열 관리 루프는 상기 에너지원을 가열하거나 냉각시키기 위해 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키도록 구성되는, 열 관리 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 시스템은 상기 히터 유닛이 활성화되고 상기 제1 열 교환기가 비활성화되거나 바이패스된 상태에서 상기 제1 열 관리 루프를 통한 냉각제의 이동에 의해 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 에너지원을 가열하도록 구성되는, 열 관리 시스템.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 시스템은 상기 히터 유닛이 비활성화되거나 바이패스된 상태에서 상기 제1 열 교환기를 포함하는 상기 제1 열 관리 루프를 통한 냉각제의 이동에 의해 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 에너지원을 냉각시키도록 구성되는, 열 관리 시스템.
- 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 복수의 펌프 중 제2 펌프 및 상기 복수의 열 교환기 중 제2 열 교환기로 제2 열 관리 루프를 형성하도록 구성되고, 상기 제2 열 관리 루프는 상기 변환기 전자 장치를 냉각시키기 위해 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키도록 구성되는, 열 관리 시스템.
- 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제1 펌프 및 상기 제2 펌프로 제3 열 관리 루프를 형성하도록 구성되며, 상기 제3 열 관리 루프는 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 변환기 전자 장치 및 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키도록 구성되는, 열 관리 시스템.
- 제16항에 있어서, 상기 제3 열 관리 루프는 상기 제1 열 교환기 및 상기 제2 열 교환기 중 하나 또는 모두를 통해 냉각제를 순환시키도록 재구성 가능한, 열 관리 시스템.
- 제11항에 있어서, 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 에너지원과 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키고 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 독립적으로 순환시키도록 선택적으로 제어 가능한 복수의 밸브를 더 포함하는, 열 관리 시스템.
- 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열 관리 루프를 형성하는 제1 상태로 제어 가능하고, 상기 제3 열 관리 루프를 형성하는 제2 상태로 제어 가능한 하나 이상의 제1 밸브를 더 포함하는, 열 관리 시스템.
- 제19항에 있어서, 상기 제1 열 교환기를 통해 냉각제를 보내거나 상기 제1 열 교환기를 바이패스하도록 제어 가능한 제2 밸브를 더 포함하는, 열 관리 시스템.
- 제20항에 있어서, 상기 제2 열 교환기를 통해 냉각제를 보내거나 상기 제2 열 교환기를 바이패스하도록 제어 가능한 제3 밸브를 더 포함하는, 열 관리 시스템.
- 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 열 교환기는 상기 EV의 공조 냉각 시스템과 결합된 칠러(chiller)인, 열 관리 시스템.
- 제22항에 있어서, 상기 공조 냉각 시스템은 상기 칠러를 통해 흐르도록 냉각제를 선택적으로 허용하도록 구성된 제1 밸브를 포함하는, 열 관리 시스템.
- 제23항에 있어서, 상기 공조 냉각 시스템은 냉각제가 상기 EV의 충전 네트워크 분배기 또는 전력 분배 유닛을 통해 선택적으로 흐르도록 구성된 제2 밸브를 포함하는, 열 관리 시스템.
- 제11항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 EV의 상기 하나 이상의 모터를 냉각시키도록 더 구성되는, 열 관리 시스템.
- 제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 모터를 냉각시키도록 구성된 제4 열 관리 루프를 더 포함하는, 열 관리 시스템.
- (삭제)
- (삭제)
- (삭제)
- 전기 차량(EV)의 복수의 변환기 모듈의 냉각 방법에 있어서, 상기 복수의 변환기 모듈은 에너지원과 전기적으로 결합된 변환기 전자 장치 및 상기 변환기 전자 장치와 상기 에너지원을 보관하기 위한 하우징을 각각 포함하며, 상기 복수의 변환기 모듈은 상기 EV의 하나 이상의 모터에 다상 전력을 공급하도록 구성되며, 상기 방법은,
상기 에너지원을 가열하거나 냉각시키기 위해 제1 채널 세트를 통해 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키는 단계; 및
상기 복수의 모듈의 상기 변환기 전자 장치를 냉각시키기 위해 제2 채널 세트를 통해 상기 복수의 변환기 모듈의 상기 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제30항에 있어서,
상기 제1 채널 세트를 통해 상기 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키기 위한 제1 열 관리 루프; 및
상기 제2 채널 세트를 통해 상기 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키기 위한 제2 열 관리 루프를 형성하기 위해 상기 열 관리 시스템의 밸브 상태를 구성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제31항에 있어서, 상기 순환된 냉각제로 상기 에너지원을 가열하기 위해 상기 제1 관리 루프에서 히터 유닛을 활성화시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제32항에 있어서, 상기 제1 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키는 반면 상기 제2 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키지 않는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제32항 또는 제33항에 있어서, 상기 제2 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키는 반면 상기 제1 열 관리 루프에서는 냉각제를 순환시키지 않는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제32항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 열 관리 루프에서 동시에 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제32항에 있어서, 비활성화되거나 바이패스된 상기 히터 유닛으로 제1 열 교환기를 통해 상기 제1 열 관리 루프에서 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제31항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 채널 세트를 통해 상기 에너지원과 근접하게 냉각제를 순환시키고 상기 제2 채널 세트를 통해 상기 변환기 전자 장치와 근접하게 냉각제를 순환시키기 위한 제3 열 관리 루프를 형성하도록 상기 열 관리 시스템의 밸브 상태를 구성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제37항에 있어서, 제1 열 교환기 및 제2 열 교환기를 포함하는 상기 제3 열 관리 루프를 통해 냉각제를 순환시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제37항에 있어서, 제1 열 교환기를 포함하는 상기 제3 열 관리 루프를 통해 냉각제를 순환시키는 반면, 상기 제3 열 관리 루프의 제2 열 교환기는 바이패스되는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제37항에 있어서, 제2 열 교환기를 포함하는 상기 제3 열 관리 루프를 통해 냉각제를 순환시키는 반면, 상기 제3 열 교환기 루프의 제1 열 교환기는 바이패스되는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 에너지 시스템에 있어서,
캐스케이드 방식으로 연결된 복수의 변환기 모듈 및 하나 이상의 어레이를 포함하며, 각 변환기 모듈은,
상위 커버 및 상기 상위 커버 밑에 위치되도록 구성된 베이스;
상위 표면 및 하위 표면을 갖는 상위 기판으로서, 상기 상위 표면은 상기 상위 커버에 인접한, 상기 상위 기판;
상기 상위 기판에 전기적으로 연결된 하위 기판;
상기 상위 기판의 상기 하위 기판에 물리적으로 연결된 복수의 전력 트랜지스터;
상기 하위 기판에 물리적으로 연결된 제어 장치; 및
상기 복수의 전력 트랜지스터 및 상기 제어 장치와 전기적으로 결합된 에너지원을 포함하는, 에너지 시스템. - 적어도 하나의 모터 및 세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 복수의 변환기 모듈을 갖는 전기 차량(EV)용 전력 및 제어 분배 어셈블리(power and control distribution assembly; PCDA)로서, 각각은 상기 적어도 하나의 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 상기 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원, 상기 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기, 및 상기 변환기를 위한 스위칭 신호를 생성하도록 구성된 로컬 제어 장치를 포함하며, 상기 PCDA는,
상기 복수의 변환기 모듈의 각 로컬 제어 장치로 제어 정보를 전달하도록 구성되고 상기 EV의 차량 제어 장치와 통신하도록 구성된 마스터 제어 장치;
상기 EV의 제1 서브시스템용 구동 유닛;
상기 마스터 제어 장치 및 상기 구동 유닛과 통신 가능하게 결합된 보조 제어 장치로서, 상기 보조 제어 장치는 상기 구동 유닛을 제어하도록 구성되고 상기 차량 제어 장치와 통신하도록 구성되는, 상기 보조 제어 장치; 및
상기 마스터 제어 장치, 구동 유닛 및 보조 제어 장치를 보관하도록 구성된 하우징을 포함하는, PCDA. - 제42항에 있어서, 상기 복수의 변환기 모듈 중 적어도 하나로부터 상기 EV의 제2 서브시스템으로 보조 전력을 출력하기 위한 보조 전력 인터페이스를 더 포함하는, PCDA.
- 제42항에 있어서, 상기 복수의 변환기 모듈은 세 개의 어레이로 배열되고, 각 어레이는 직렬로 연결된 두 개 이상의 변환기 모듈을 포함하고, 각 어레이는 상기 세 개의 AC 신호 중 다른 하나를 생성하도록 구성되고, 상기 PCDA는 상기 마스터 제어 장치와 통신 가능하게 결합된 라우팅 회로부를 더 포함하고, 상기 라우팅 회로부는 DC 또는 단상 AC 충전 포트로부터 상기 세 개의 어레이로 전력을 선택적으로 연결하도록 상기 마스터 제어 장치에 의해 제어 가능한, PCDA.
- 제44항에 있어서, 상기 라우팅 회로부는 복수의 솔리드 스테이트 릴레이를 포함하는, PCDA.
- 제42항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모터와 상기 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 복수의 전기 기계식 릴레이를 더 포함하는, PCDA.
- 제42항에 있어서, 상기 복수의 모듈 중 적어도 하나의 모듈로부터 제2 DC 전압으로부터 제1 DC 전압을 생성하도록 구성된 DC-DC 변환기를 더 포함하는, PCDA.
- 제42항에 있어서, 상기 세 개의 AC 신호 각각의 전압, 전류 또는 위상 중 적어도 하나를 모니터링하도록 구성된 모니터 회로부를 더 포함하는, PCDA.
- 제42항에 있어서, 상기 PCDA와 상기 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 안전 차단 장치를 더 포함하는, PCDA.
- 제42항에 있어서, 상기 구동 유닛은 제1 구동 유닛이고, 상기 PCDA는 상기 EV의 제2 서브시스템을 위한 제2 구동 유닛을 더 포함하며, 상기 보조 제어 장치는 상기 제2 구동 유닛을 제어하도록 구성되는, PCDA.
- 세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 복수의 변환기 모듈 및 적어도 하나의 모터를 갖는 전기 차량(EV)용 전력 및 제어 분배 어셈블리(PCDA)로서, 각각은 상기 적어도 하나의 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 상기 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원, 상기 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기, 및 상기 변환기를 위한 스위칭 신호를 생성하도록 구성된 로컬 제어 장치를 포함하며, 상기 PCDA는,
상기 복수의 변환기 모듈의 각 로컬 제어 장치로 제어 정보를 전달하도록 구성되고 상기 EV의 차량 제어 장치와 통신하도록 구성된 마스터 제어 장치;
상기 EV의 제1 서브시스템용 제1 구동 유닛;
상기 EV의 제2 서브시스템용 제2 구동 유닛;
상기 마스터 제어 장치 및 상기 제1 및 제2 구동 유닛과 통신 가능하게 결합된 보조 제어 장치로서, 상기 보조 제어 장치는 상기 제1 및 제2 구동 유닛을 제어하도록 구성되고 상기 차량 제어 장치와 통신하도록 구성되는, 상기 보조 제어 장치;
상기 복수의 변환기 모듈 중 적어도 하나로부터 상기 EV의 제2 서브시스템으로 보조 전력을 출력하기 위한 보조 전력 인터페이스;
상기 적어도 하나의 모터와 상기 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 복수의 전기 기계식 릴레이;
상기 복수의 모듈 중 적어도 하나의 모듈로부터 제2 DC 전압으로부터 제1 DC 전압을 생성하도록 구성된 DC-DC 변환기;
상기 세 개의 AC 신호 각각의 전압, 전류 또는 위상 중 적어도 하나를 모니터링하도록 구성된 모니터 회로부;
상기 PCDA와 상기 복수의 변환기 모듈 사이의 전류 흐름을 차단하기 위한 안전 차단 장치; 및
상기 마스터 제어 장치, 상기 제1 구동 유닛, 상기 제2 구동 유닛, 상기 보조 제어 장치, 상기 보조 전력 인터페이스, 상기 복수의 전기 기계식 릴레이, 상기 DC-DC 변환기, 상기 모니터 회로부 및 상기 안전 차단 장치를 보관하도록 구성된 하우징을 포함하는, PCDA. - 전기 차량용 범용 플랫폼에 있어서,
프레임;
에너지원 인클로저;
적어도 하나의 전기 모터; 및
세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 복수의 변환기 모듈로서, 각각은 상기 적어도 하나의 전기 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 상기 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원 및 상기 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기를 포함하는, 상기 복수의 변환기 모듈을 포함하며,
상기 범용 플랫폼은 서로 다른 EV 모델을 형성하기 위해 서로 다른 차체 상부에 부착되도록 적응되는, 범용 플랫폼. - 제52항에 있어서, 상기 범용 플랫은 제42항 내지 제51항 중 어느 한 항에 따른 전력 및 제어 분배 어셈블리를 더 포함하는, 범용 플랫폼.
- 제52항 또는 제53항에 있어서, 상기 범용 플랫폼은 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따라 구성된 열 관리 시스템을 더 포함하는, 범용 플랫폼.
- 복수의 전기 차량에 있어서,
제1 차체 상부 및 제1 전기 파워트레인 플랫폼을 포함하는 제1 전기 차량으로서, 상기 제1 전기 파워트레인 플랫폼은,
적어도 하나의 제1 모터;
세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 제1 복수의 변환기 모듈로서, 각각은 상기 적어도 하나의 제1 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 상기 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원 및 상기 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기를 포함하는, 상기 제1 복수의 변환기 모듈; 및
상기 제1 복수의 변환기 모듈을 보관하기 위한 제1 에너지 시스템 인클로저를 포함하는, 상기 제1 전기 차량; 및
제2 차체 상부 및 제2 전기 파워트레인 플랫폼을 포함하는 제2 전기 차량으로서, 상기 제2 전기 파워트레인 플랫폼은,
적어도 하나의 제2 모터;
세 개 이상의 AC 신호를 생성하도록 구성된 제2 복수의 변환기 모듈로서, 각각은 상기 적어도 하나의 제2 모터를 공급하기 위해 서로 다른 위상각을 가지며, 상기 제2 복수의 변환기 모듈 각각은 에너지원 및 상기 에너지원에 전기적으로 연결된 전력 변환기를 포함하는, 상기 제2 복수의 변환기 모듈; 및
상기 제2 복수의 변환기 모듈을 보관하기 위한 제2 에너지 시스템 인클로저를 포함하는, 상기 제2 전기 차량을 포함하며,
상기 제1 차체 상부는 상기 제2 차체 상부와 다르고,
상기 제1 및 제2 복수의 변환기 모듈은 서로 다른 최대 출력 전력을 생성하도록 각각 구성되고,
상기 제1 및 제2 에너지 시스템 인클로저는 상기 동일한 폼 팩터를 각각 갖는, 복수의 전기 차량. - 제55항에 있어서, 상기 제1 전기 차량은 상기 적어도 하나의 제1 모터를 위한 독립형 구동 인버터를 갖지 않으며, 상기 제2 전기 차량은 상기 적어도 하나의 제2 모터를 위한 독립형 구동 인버터를 갖지 않는, 복수의 전기 차량.
- 제55항에 있어서, 상기 제1 복수의 변환기 모듈의 변환기 모듈의 수량은 상기 제2의 복수의 변환기 모듈의 변환기 모듈의 수량과 다른, 복수의 전기 차량.
- 제55항에 있어서, 상기 제1 차체 유형 및 제2 차체 유형은 쿠페, 세단, 스포츠카, 트럭, 밴, 버스 및 스포츠 유틸리티 차량을 포함하는 그룹으로부터 선택된 서로 다른 차체 유형인, 복수의 전기 차량.
- 전기 차량(EV)의 모듈식 에너지 시스템에 있어서,
세 개의 어레이로서, 각 어레이는 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하도록 함께 전기적으로 연결된 적어도 두 개의 레벨의 모듈을 포함하며, 상기 모듈 각각은 제1 에너지원, 제2 에너지원 및 변환기를 포함하는, 상기 세 개의 어레이를 포함하며,
상기 제1 에너지원 및 상기 제2 에너지원은 서로 다른 등급 또는 유형이고,
상기 EV의 섀시는 상기 EV의 평면에 걸쳐 횡으로 각각 연장되는 길이 축 및 수직 폭 축을 가지며, 상기 길이 축을 따라 상기 섀시의 제1 치수가 상기 폭 축을 따라 상기 섀시의 제2 치수보다 상대적으로 더 길고,
상기 세 개의 어레이는 상기 섀시 내에 맞도록 구성된 팩에 배열되고,
상기 제1 에너지원 및 상기 제2 에너지원은 각 모듈의 서로 다른 측면에 안착되고,
상기 세 개의 어레이는 상기 길이 축에 평행한 열로 정렬되고,
각 어레이의 상기 모듈의 상기 제1 에너지원은 상기 길이 축에 평행한 열로 정렬되고 각 어레이의 상기 모듈의 상기 제2 에너지원은 상기 길이 축에 평행한 열로 정렬되는, 모듈식 에너지 시스템. - 제59항에 있어서, 상기 제1 에너지원 열은 상기 제2 에너지원 열과 교번되는, 시스템.
- 제59항에 있어서, 상기 세 개의 어레이 중 적어도 하나의 어레이에 연결된 적어도 하나의 상호연결 모듈을 더 포함하는, 시스템.
- 부하에 전력을 공급하도록 제어 가능한 모듈식 에너지 시스템에 있어서,
세 개의 어레이로서, 각 어레이는 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하도록 함께 전기적으로 연결된 상기 적어도 두 개의 모듈을 포함하고, 상기 모듈 각각은 에너지원 및 변환기를 포함하는, 상기 세 개의 어레이,
DC 또는 단상 AC 충전 신호를 전도하도록 구성된 충전 포트; 및
상기 충전 포트와 상기 세 개의 어레이 사이에 연결된 라우팅 회로부로서, 상기 라우팅 회로부는 상기 DC 또는 단상 AC 충전 신호를 상기 세 개의 어레이 각각에 선택적으로 라우팅하도록 제어 가능하고, 상기 라우팅 회로부는 적어도 하나의 트랜지스터를 각각 포함하는 복수의 솔리드 스테이트 릴레이(SSR) 회로를 포함하는, 상기 라우팅 회로부를 포함하는, 시스템. - 제62항에 있어서, 상기 라우팅 회로부와 통신 가능하게 결합된 제어 시스템을 더 포함하며, 상기 제어 시스템은 상기 세 개의 어레이 각각에 상기 DC 또는 단상 AC 충전 신호를 선택적으로 라우팅하기 위해 상기 라우팅 회로부를 제어하도록 구성되는, 시스템.
- 제63항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 세 개의 어레이의 각 모듈과 통신 가능하게 결합되고, 각 모듈을 충전하기 위해 각 모듈의 상기 변환기를 제어하도록 구성되는, 시스템.
- 제64항에 있어서, 상기 제어 시스템은 펄스 폭 변조 또는 히스테리시스 기술에 따라 각 모듈의 상기 변환기를 제공하도록 구성되는, 시스템.
- 제65항에 있어서, 각 모듈은 상기 모듈의 상태 정보를 모니터링하도록 구성된 모니터 회로부를 포함하고, 각 모듈은 상기 제어 시스템에 상기 상태 정보를 출력하도록 구성되며, 상기 제어 시스템은 상기 상태 정보에 기초하여 각 모듈의 상기 변환기를 제어하도록 구성되는, 시스템.
- 제66항에 있어서, 상기 상태 정보는 상기 모듈의 충전 상태 및 온도와 관련이 있으며, 상기 제어 시스템은 상기 어레이의 모든 모듈의 충전 상태 및 온도의 밸런스를 맞추기 위해 각 모듈의 상기 변환기를 제어하도록 구성되는, 시스템.
- 제63항에 있어서, 상기 라우팅 회로부는 양방향인, 시스템.
- 제63항에 있어서, 상기 트랜지스터는 제1 트랜지스터이고, 적어도 하나의 SSR 회로는 상기 제1 트랜지스터와 직렬로 결합된 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 및 제2 트랜지스터는 각각 제어 입력과 결합된 게이트 노드를 갖는, 시스템.
- 제69항에 있어서, 상기 제1 및 제2 트랜지스터는 각각 반대편 전류 운반 방향으로 배향된 바디 다이오드를 갖는, 시스템.
- 제63항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SSR 회로는 적어도 네 개의 다이오드와 결합된 상기 트랜지스터를 포함하며, 상기 트랜지스터는 상기 적어도 하나의 SSR 회로의 제어 입력과 결합된 게이트 노드를 갖는, 시스템.
- 제71항에 있어서, 상기 적어도 하나의 SSR 회로는 입력 및 출력을 포함하며, 상기 트랜지스터의 활성화는 전류가 상기 입력으로부터 상기 트랜지스터 및 상기 다이오드 중 적어도 두 개를 통해 상기 출력으로 흐르도록 구성되고, 상기 트랜지스터의 비활성화는 전류가 상기 입력으로부터 상기 출력으로 흐르는 것을 차단하도록 구성되는, 시스템.
- 제63항에 있어서, 상기 라우팅 회로부는 DC+ 충전 신호 또는 단상 AC 라인 충전 신호와 결합하도록 구성된 제1 포트, DC- 충전 신호 또는 단상 AC 중립 신호와 결합하도록 구성된 제2 포트, 제1 어레이와 결합된 제3 포트, 제2 어레이와 결합된 제4 포트, 및 제3 어레이와 결합된 제5 포트를 포함하며,
상기 제1 포트와 상기 제3 포트 사이에 결합된 제1 SSR 회로;
상기 제1 포트와 상기 제4 포트 사이에 결합된 제2 SSR 회로;
상기 제4 포트와 상기 제2 포트 사이에 결합된 제3 SSR 회로; 및
상기 제5 포트와 상기 제2 포트 사이에 결합된 제4 SSR 회로를 포함하는, 시스템. - 전기 전력을 전기 차량의 모터에 공급하도록 구성된 에너지 저장 시스템에 있어서, 상기 시스템은,
세 개의 어레이로서, 각 어레이는 적어도 두 개의 모듈 각각으로부터 상기 모터로의 출력 전압의 중첩을 포함하는 AC 전압 신호를 출력하도록 함께 전기적으로 연결된 상기 적어도 두 개의 모듈을 포함하며, 상기 모듈 각각은 에너지원 및 DC-AC 변환기를 포함하는, 상기 세 개의 어레이;
DC 또는 AC 신호를 전도하도록 구성된 충전 포트;
상기 충전 포트와 상기 세 개의 어레이 사이에 연결된 양방향 라우팅 회로부로서, 상기 라우팅 회로부는 상기 세 개의 어레이 각각에 상기 DC 또는 AC 신호를 선택적으로 라우팅하도록 제어 가능한, 상기 양방향 라우팅 회로부; 및
각 모듈의 상기 변환기를 제어하여 DC 또는 AC 전력을 수신하고 DC 또는 AC 전력을 생성하도록 구성된 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 전력 소비 엔티티의 외부 컨트롤러와 통신하여 상기 에너지 저장 시스템으로부터 상기 전력 소비 엔티티로의 전력 전송을 수행하도록 더 구성되는, 상기 제어 시스템을 포함하는, 시스템. - 제74항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 외부 컨트롤러와 통신하여 V2G(vehicle-to-grid), V2H(vehicle-to-home), V2B(vehicle-to-building), V2C(vehicle-to-community), 또는 V2V(vehicle-to-vehicle) 애플리케이션의 일부로서 전력 전송을 수행하도록 구성되는, 시스템.
- 제74항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 외부 컨트롤러와 통신하여 V2A(vehicle-to-anything) 또는 V2X(vehicle-to-everything) 애플리케이션의 일부로서 전력 전송을 수행하도록 구성되는, 시스템.
- 제74항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 외부 컨트롤러와 상기 에너지 저장 시스템의 연결을 검출하도록 구성되는, 시스템.
- 제74항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 어레이로부터, 상기 라우팅 회로부를 통해, 및 상기 충전 포트를 통해 상기 전력 소비 엔티티로의 상기 전력 출력을 제어하도록 구성되며, 상기 어레이로부터의 상기 전력 출력은 상기 외부 컨트롤러에 의해 요청된 포맷인, 시스템.
- 제78항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 모듈의 상기 에너지원 사이에서 충전 상태 및/또는 온도의 밸런스의 유지와 동시에 상기 전력 출력을 제어하도록 구성되는, 시스템.
- 제74항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 외부 컨트롤러와 통신하여 상기 전력 소비 엔티티와 전력 전송을 수행할 시기를 식별하도록 구성되는, 시스템.
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