KR20240075871A - 온보드 ev 충전기 및 재생 제동을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

온보드 ev 충전기 및 재생 제동을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20240075871A
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charging signal
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3세 존 리처드 하울렛
데이비드 케스너
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이온트라 인코포레이티드
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Abstract

온보드 충전 정형(또는 조정) 회로를 통해 전기차의 하나 이상의 배터리를 충전(재충전)하기 위한 시스템, 회로 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 충전 정형 회로는 배터리의 하나 이상의 충전 상태에 기초하여 충전소로부터 수신되는 충전 신호 및/또는 차량 모터로부터의 재생 충전 신호를 변경할 수 있다. 충전 정형 회로에 의해 제어되는 바와 같은 정형된 충전 신호는 차량 배터리의 충전의 하나 이상의 양상을 개선시킬 수 있다. 전기차의 충전 정형 회로 및/또는 모터 컨트롤러/인버터는 위에서 논의된 충전 정형 회로가 있거나 없는, 위와 같은 유사한 방식으로 정형된 전력 신호를 생성하도록 제어 가능한 회로망을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 열 전달 시스템은 배터리 충전 시스템으로부터 생성된 열을 배터리로 전달하도록 포함될 수 있다.

Description

온보드 EV 충전기 및 재생 제동을 위한 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호-참조
본 특허 협력 조약(PCT) 특허 출원은 미국 특허 가출원 제63/249,567호(출원일: 2021년 9월 28일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for On-Board EV Charger and Regenerative Breaking") 및 미국 특허 가출원 제63/249,563호(출원일: 2021년 9월 28일, 발명의 명칭: "Systems and Methods for On-Board EV Charger and Battery Temperature Management")에 관한 것이고 이의 우선권을 주장하며, 이들 둘 다는 전체가 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
기술 분야
본 발명의 실시형태는 일반적으로 하나 이상의 배터리를 충전하기 위한, 더 구체적으로, 전기차의 하나 이상의 배터리 또는 전지를 충전하기 위한 조정 가능한, 고효율 및/또는 고속 충전 신호의 생성을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
재충전 가능한 배터리는 한정된 배터리 용량에 의해 제한되고 고갈 시 재충전되어야 한다. 배터리를 재충전하는 데 필요한 시간 동안 전력공급받는 디바이스가 종종 정지해야 하므로 휴대용 디바이스의 배터리를 재충전하는 것이 불편할 수 있다. 전기차용 차량 배터리 시스템 및 이와 유사한 대용량 시스템의 경우, 재충전하는 데 몇 시간이 걸릴 수 있다. 예를 들어, 많은 전기차 소유자는 차량이 주차된 동안 밤새 차량의 배터리 시스템을 충전하기 위해 소유자의 거주지에 전기차 충전소를 설치한다. 다른 충전소가 더 짧은 시간 동안 차량 배터리를 충전하기 위해 인접한 종래의 주유소, 식료품점, 주차장 등과 같은 다양한 위치에 배치될 수 있지만, 여전히 차량이 정지된 상태에서 충전기에 장기간 연결되어 있어야 한다. 이와 같이, 고용량 차량 배터리를 충전하는 데는 상당한 시간이 소요된다.
배터리를 재충전하는데 필요한 시간을 감소시키는 충전 기술을 개발하는데 상당한 노력이 기울여져 왔다. 그러나, 급속 재충전 시스템은 일반적으로 높은 레벨의 충전 전류를 전달하기 위한 고가의 고전력 전자기기와 함께, 재충전되는 작동 배터리가 손상될 수 있는 과충전을 방지하기 위한 전류 제한 및 과전압 회로망을 필요로 한다. 더욱이 그리고 중요하게도, 더 높은 전류 고속 충전 해결책이 특히 배터리 충전 비율이 증가함에 따라 배터리를 더욱 손상시킬 수 있으므로, 배터리 충전 비율이 약 50%를 초과하면 고전류 고속 충전이 종종 제한되어야 한다. 더 느린 재충전 시스템은 비용이 적게 들지만, 재충전 작동을 연장하여, 전기차의 서비스를 신속하게 재개한다는 기본 목표를 훼손한다.
배터리 시스템은 또한 다른 가능한 요인 중에서, 배터리 시스템의 충전 및 방전 사이클링, 방전 깊이 및 과충전에 기초하여 시간 경과에 따라 저하되는 경향이 있다. 따라서, 충전 속도와 마찬가지로, 배터리 용량을 가능한 한 많이 사용하면서 배터리 수명을 최대화하기 위해 충전을 최적화하려는 노력이 이루어지고 있다. 종종 이러한 목표는 상충되며, 충전 시스템은 다른 속성을 희생하면서 일부 속성을 최적화하도록 설계된다.
특히, 이러한 관찰을 염두에 두고, 본 개시내용의 양상이 고안되고 개발되었다.
본 개시내용의 하나의 양상은 전기차의 전기화학 디바이스를 충전하는 시스템에 관한 것이다. 시스템은 충전소 인터페이스를 통해 충전 신호를 수신하고, 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 획득된 고조파에 기초하여 전기차의 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호의 형상을 제어하는 충전 신호 정형 회로(charge signal shaping circuit)를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양상은 전기차의 전기화학 디바이스를 충전하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 충전소와 전기 통신하는 전기차의 충전소 인터페이스로부터 전기화학 디바이스 충전 신호를 수신하는 작동 및 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 획득된 고조파에 기초하여 전기차의 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호의 형상을 제어하는 작동을 포함할 수 있다.
본 명세서에 제시된 본 개시내용의 전술한 그리고 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면에 예시된 바와 같이, 이러한 본 발명의 개념의 특정한 실시형태의 다음의 설명으로부터 분명해질 것이다. 도면은 본 개시내용의 전형적인 실시형태만을 도시하고, 따라서 범위를 제한한다고 여겨지지 않는다.
도 1a는 제1 전기차 충전 시스템의 제1 개략도.
도 1b는 전기차의 배터리를 재충전하기 위한 직류 전압 또는 전류 신호의 신호 도면.
도 2는 하나의 실시형태에 따른 배터리에 인가되는 충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리의 추정된 실수 임피던스 값의 그래프.
도 3은 하나의 실시형태에 따른 정형된 충전 신호를 활용하는 제2 전기차 충전 시스템의 제2 개략도.
도 4는 하나의 실시형태에 따른 배터리를 충전하기 위한 예시적인 임의로 정형된 충전 파형의 신호 그래프.
도 5는 하나의 실시형태에 따른 정형된 충전 신호를 활용하는 전기차 배터리 시스템을 충전하기 위한 회로를 예시하는 개략도.
도 6은 하나의 실시형태에 따른 정형된 충전 신호를 활용하는 전기차 배터리 시스템의 충전 회로를 제어하기 위한 방법의 흐름도.
도 7은 본 개시내용의 실시형태를 구현할 때 사용될 수 있는 컴퓨팅 시스템의 예를 예시하는 도면.
전기차용 배터리 또는 배터리 시스템 또는 배터리를 가진 다른 유형의 전기 시스템을 충전하기 위한 시스템, 방법 및 디바이스가 본 명세서에 개시된다. 기술에서 그리고 본 명세서에서 용어 "배터리"는 다양한 방식으로 사용될 수 있고 일부 경우에, 전해질에 의해 분리되는 애노드와 캐소드를 가진 개별적인 전지뿐만 아니라 다양한 배열로 연결되는 이러한 전지의 모음을 나타낼 수 있다. 배터리 또는 배터리 전지는 전기화학 디바이스의 형태이다. 배터리는 일반적으로 이온 전도성 배리어, 종종 전해질로 포화된 액체 또는 폴리머 막에 의해 분리되는 상대전하층 및 제1 전극층의 공급원의 반복 유닛을 포함한다. 이 층이 얇게 이루어져서 다수의 유닛이 배터리의 용적을 차지할 수 있으므로, 각각의 적층된 유닛을 가진 배터리의 이용 가능한 전력을 증가시킨다. 많은 예가 배터리에 적용 가능한 것으로 본 명세서에서 논의되지만, 설명된 시스템 및 방법이 개별적인 전지로부터, 병렬로, 직렬로 그리고 병렬과 직렬로 결합된 전지와 같은 전지의 상이한 가능한 상호연결을 수반하는 배터리까지 걸치는 많은 상이한 유형의 배터리에 적용할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 논의되는 시스템 및 방법은 규정된 팩 전압, 출력 전류 및/또는 용량을 제공하도록 배열된 수많은 전지를 포함하는 전기차 또는 다른 전기적으로 전력공급받는 디바이스 또는 시스템의 배터리 팩에 적용될 수 있다. 게다가, 본 명세서에서 논의되는 구현예는, 몇 가지 예를 들면, 리튬-금속 및 리튬-이온 배터리를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 다양한 상이한 유형의 리튬 배터리, 납-산 배터리, 다양한 유형의 니켈 배터리, 및 솔리드-스테이트 배터리와 같은 상이한 유형의 전기화학 디바이스에 적용될 수 있다. 차량 배터리의 맥락에서, 수백 그리고 때때로 수천의 전지가 상호연결되어 일부 명시된 범위 및 전류 전달 능력을 제공하여 임의의 주어진 차량 설계의 성능 목적을 충족시킬 수 있다. 본 명세서에서 논의되는 다양한 구현예는 또한 원통형 전지, 파우치 전지 및 프리즘 전지와 같은 상이한 구조의 배터리 장치에 적용될 수 있다.
도 1a에 도시된 높은 레벨에서, 전기차(102)의 배터리 시스템(108)의 충전은 충전 에너지를 차량의 배터리 시스템(108)에 제공하기 위해 충전 전류를 공급하는 충전소(104)와 전기차를 인터페이싱하는 것을 수반할 수 있다. 많은 충전소(104)는 하나의 경우에, 온보드 충전기(106)를 통해 차량 배터리(108)를 충전하기 위해 교류(alternating current: AC) 충전 신호를 제공할 수 있다. 온보드 충전기(106)는 수신된 AC 충전 신호를 직류(DC) 또는 직접 전압 신호를 변환하고 변환된 충전 신호를 배터리(108)에 제공할 수 있다. 또 다른 경우에, 충전소(104)는 배터리(108)의 급속 충전을 위해 고에너지 DC 고속 충전(130) 신호를 제공할 수 있다. 이러한 고속 충전(130) 신호는 차량 배터리(108)에 직접 제공되어(이에 의해 온보드 충전기(106)를 우회하여) 충전을 위한 시간을 더 감소시킬 수 있다. 재충전 시스템(100)의 여러 개의 컴포넌트가 도 1a에 예시되지만, 전류계, 전압계, 컨트롤러 등과 같은 시스템의 다른 컴포넌트가 예시되지 않고 포함될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일부 경우에, 온보드 충전기(106)는 전기차(102)가 충전소에 연결되거나 다른 방식으로 인터페이싱될 때 충전소(104)로부터 충전 신호를 협상(negotiate)하거나 다른 방식으로 요청할 수 있다. 협상은 DC 고속 충전(130) 신호 또는 일반적인 충전 신호(132)를 온보드 충전기(106)에 제공하도록 충전소(104)에 지시할 수 있다. 일반적으로, 배터리(108)의 전극으로의 전력 신호의 인가는 애노드에서 저장된 전하 운반체(예컨대, 리튬 이온)의 농도를 보충하기 위해 배터리를 통한 전자의 역류를 유발한다.
차량(102)의 작동 동안, 전기차 배터리(108)는 전기차를 구동하기 위한 전력을 전달한다. 특히, 차량 배터리(108)는 전력 신호를 전기 모터(112)를 구동하는 신호로 변환할 수 있는 모터 컨트롤러/인버터(110)에 전력 신호를 제공할 수 있다. 신호는 모터 유형에 따라 달라진다. 일부 경우에, 모터 컨트롤러/인버터(110)는 전기 모터(112)를 구동하기 위해 전력 신호를 AC 신호로 변환할 수 있다. 다른 경우에, 모터 컨트롤러/인버터(110)는 전기 모터(112)에 전력을 공급하기 위해 3상 AC 전력 신호를 생성할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 전기 모터(112)는 전기차(102)를 추진하기 위해 차량 배터리(108)에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 차량을 추진하기 위해 모터(112)에 전력을 제공하면 배터리(108)가 고갈되어 배터리의 재충전이 필요할 수 있다.
일반적으로 배터리 충전을 위해 펄스 충전이 연구되어 왔다. 도 1b는 배터리를 충전하기 위해 인가될 수 있는 직류 전압 신호(122)의 그래프(109)를 예시한다. 그래프는 입력 전류(111) 대 충전 신호(122)의 시간(114)을 예시한다. 일반적으로, 일부 종래의 펄스 충전의 경우, 전력 신호는 반복되는 구형파(repeating square-wave)(펄스(116) 다음에 펄스(118)로 예시됨) 신호를 배터리에 제공하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, DC 고속 충전(130) 신호는 차량 배터리(108)를 충전하기 위해 도 1b에 예시된 바와 같은 일련의 펄스를 포함할 수 있다. 구형파 펄스(116, 118)의 피크는 충전기, 배터리 시스템(108), 및/또는 전력 신호의 전류 또는 전압 성분의 작동 제약에 대응하는 전류 문턱값(120) 이하일 수 있다. 배터리(108)를 재충전하는 데 사용되는 일반적인 충전 신호는 충전 기간 동안 충전 신호를 인가할 수 있고, 배터리의 애노드로의 충전 신호의 인가 사이에 일정 기간의 휴지 기간이 있다.
그러나, 일부 경우에, 구형파 충전 신호(122)를 적용하여 배터리(108)를 재충전하는 것이 재충전하에서 배터리의 수명을 저하시킬 수 있거나 배터리의 재충전의 비효율을 도입할 수 있어서 더 긴 충전 시간을 초래한다. 예를 들어, 배터리(108)의 전극(일반적으로 애노드)에 대한 충전 전류의 갑작스러운 인가(즉, 구형파 펄스(116)의 날카로운 선두 에지(124))가 배터리 단자에 걸쳐 큰 초기 임피던스를 유발할 수 있다. 특히, 도 2는 하나의 실시형태에 따라 배터리에 인가되는 재충전 신호의 대응하는 주파수에 대한 배터리(108)의 추정된 실수 임피던스 값의 그래프를 예시한다. 특히, 그래프(200)는 배터리(108)에 대한 입력 신호 주파수의 대수 주파수 축(축(202))에 대한 실수 임피던스 값(축(204))의 플롯(206)을 예시한다. 더 구체적으로, 플롯(200)은 배터리를 재충전하는 데 사용되는 재충전 전력 신호의 다양한 주파수에서 배터리(108)의 전극에 걸친 실수 임피던스 값을 예시한다. 플롯(200)의 형상 및 측정된 값은 배터리 유형, 배터리의 충전 상태, 배터리의 작동 제약, 배터리의 열 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 여러 개의 요인에 기초하여 달라질 수 있다. 그러나, 충전하의 배터리의 특성의 일반적인 이해는 플롯(206)으로부터 획득될 수 있다. 특히, 배터리(108)의 전극에서 겪는 실수 임피던스 값은 배터리에 제공되는 전력 충전 신호의 주파수에 기초하여 달라질 수 있고, 고주파수에서 실수 임피던스 값(206)이 일반적으로 급격히 증가한다. 예를 들어, 주파수 fSq(210)에서 배터리(108)에 대한 입력 전력 신호가 배터리(108) 전극에 높은 실수 임피던스(208)를 도입하여, 배터리로의 전력 전달 손실을 초래하고, 충전 과정의 효율성을 감소시키고/감소시키거나 충전하에서 배터리의 부분을 손상시킬 수 있다.
도 1b의 구형파 충전 신호(122)를 다시 참조하면, 큰 주파수의 신호는 구형파 펄스(116)의 코너에서 존재할 수 있다. 특히, 배터리(108)로의 충전 신호의 급격한 변화(예컨대, 펄스(116)의 선두 에지(124))는 예컨대, 구형파 펄스의 선두 에지, 구형파 펄스의 후미 에지에서 그리고 종래의 역 펄스 스킴의 사용 동안, 고주파수 고조파로 이루어진 잡음을 도입할 수 있다. 도 2의 그래프(200)에 도시된 바와 같이, 이러한 높은 고조파는 배터리 전극에서 큰 임피던스를 발생시킨다. 이러한 고 임피던스는 용량 손실, 열 생성, 및 배터리 전반에 걸친 전기-운동 활동, 충전 경계에서 바람직하지 않은 전기-화학적 응답, 및 배터리를 손상시키고 배터리의 수명을 저하시킬 수 있는 배터리(108) 내 물질에 대한 열화를 포함하여, 배터리의 많은 비효율 및 열화를 발생시킬 수 있다. 게다가, 고속 펄스를 가진 배터리를 저온 시동하는 것은 삽입된 용량성 충전 및 확산성 공정으로서 제한된 패러데이 활동을 도입한다. 이 시간 동안, 근위 리튬이 반응하고 빠르게 소비될 것이고, 전지 및 컴포넌트의 건강에 부정적으로 영향을 주는 원치 않는 부작용 및 확산-제한된 조건의 기간을 남긴다. 이 비효율 및 다른 비효율은 상대적으로 더 높은 전류가 종종 수반되는 배터리(108)의 고속 재충전 동안 특히 해롭다.
하나 이상의 배터리를 충전(재충전)하기 위한 시스템, 회로 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 용어 충전과 재충전은 본 명세서에서 동의어로 사용된다. 논의된 시스템, 회로 및 방법을 통해, 이전의 충전 회로를 통한 것보다 배터리를 충전하는 데 더 적은 에너지가 필요할 수 있고, 더 빠른 충전이 달성될 수 있고, 배터리 수명이 개선되고, 수지상 성장이 억제되고, 다른 이점이 달성될 수 있다. 본 개시내용의 양상은 종래의 충전에 비해, 단독으로 또는 조합하여, 여러 개의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 충전 기법은 애노드가 손상되는 속도를 감소시킬 수 있고, 충전 동안 생성되는 열을 감소시킬 수 있고, 이는 애노드 및 전지 손상 감소, 화재 또는 단락 위험 감소 등과 같은 여러 개의 후속 효과를 가질 수 있다. 다른 예에서, 본 명세서에 설명된 충전 기법은 더 높은 충전 속도가 배터리에 적용되게 할 수 있고 따라서 더 빠른 충전을 허용할 수 있다. 또한, 충전 속도와 매개변수는 더 긴 배터리 수명과 더 큰 충전 에너지 효율을 제공하도록 최적화될 수 있다. 또 다른 예에서, 예컨대, 고속 충전(130)의 적용을 통해, 개시된 시스템 및 방법은 더 적은 열을 생성하면서, 충전 속도와 배터리 수명의 개선된 균형을 제공한다.
하나의 예에서 그리고 펄스 충전으로 인해 배터리(108)에 대한 부정적인 영향을 감소시키기 위해, 본 명세서에서 논의되는 다양한 실시형태는 온보드 충전 정형(또는 조정) 회로를 통해 전기차(102)의 배터리를 충전한다. 충전 정형 회로는 배터리의 최소 또는 상대적으로 더 낮은 임피던스와 연관된 고조파 또는 고조파들에 적어도 부분적으로 대응하는 충전 신호와 같은 배터리(108)에서의 하나 이상의 충전 조건에 기초하여 충전소(104) 및/또는 전기차(102)의 온보드 충전기(106)로부터 수신된 충전 신호를 변경할 수 있다. 충전 신호의 하나 이상의 주파수 또는 고조파 속성을 제어함으로써, 신호는 본 명세서에서 논의되는 다양한 이점 중 하나 이상의 이점이 수반될 수 있는, 다양한 종래의 기법에 비해 더 큰 효율성(더 낮은 임피던스)으로, 직접적으로 또는 재생 제동 충전을 통해 배터리를 충전할 수 있다. 충전 정형 회로에 의해 제어되는 바와 같이 정형되거나 또는 다른 방식으로 조정된 충전 신호는 차량 배터리(108)의 충전의 하나 이상의 양상을 개선시킬 수 있다. 하나의 구현예에서, 충전 정형 회로는 충전 신호 알고리즘에 기초하여 제어 신호를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 제어 신호는 다른 기능 중에서, 알고리즘에 의해 결정되는 정형된 충전 신호에 근사하도록 충전 신호를 정형할 수 있다. 일부 경우에, 정형된 충전 신호가 임의로 정형된 충전 신호일 수 있으므로, 충전 신호는 주어진 펄스의 고조파 속성의 특정한 주파수가 제어되지 않는 경우 반복되는 구형파 또는 삼각파 충전 신호와 같은 종래의 반복되는 충전 신호와 일치하지 않는다. 하나의 경우에, 충전 신호는 주파수 속성의 임피던스에 대한 효과를 반영하는 주파수 속성을 갖는 신호의 특정한 속성을 제공하도록 조정된다. 예를 들어, 충전 신호의 형상은 배터리의 실수 및 허수 임피던스 값과 연관된 고조파에 대응할 수 있다. 또 다른 예에서, 충전 신호는 배터리(108)의 어드미턴스의 컨덕턴스 또는 서셉턴스 중 하나 또는 둘 다와 연관된 고조파에 대응할 수 있다. 일반적으로, 충전 신호 정형 알고리즘은 측정되거나 모델링되거나 추정되는 배터리의 임의의 특성에 기초하여 충전 신호의 형상을 만들거나 다른 방식으로 결정할 수 있다.
또한, 많은 전기차(102)는 차량이 타력 주행 또는 제동 작동 모드에 있는 동안 충전을 위해 배터리(108)에 피드백될 재생 전력 신호를 제공한다. 특히, 모터 컨트롤러/인버터(110)는 전기차(102)의 타력 주행 또는 제동 동안 전기 모터(112)에 의해 생성된 전력을 배터리(108)에 다시 공급하는 회로망을 포함할 수 있다. 이러한 재생 또는 피드백 전력은 배터리(108)를 재충전하는 데 사용될 수 있다. 관습적으로, 이러한 피드백 충전 신호는 높은 레벨에서 배터리(108)에 대한 DC 전류이다. 전기차(102)의 모터 컨트롤러/인버터(110)는 위에서 논의된 충전 정형 회로가 있거나 없는, 위에서와 같은 유사한 방식으로 정형된 전력 신호를 생성하도록 제어 가능한 회로망을 포함할 수 있다. 전기차(102)의 충전 정형 컨트롤러는 모터 컨트롤러/인버터(110)의 컴포넌트에 하나 이상의 제어 신호를 제공하여 제동 동안 모터(112)로부터 배터리(108)로의 재생 전력 신호를 정형함으로써, 종래의 DC 및 다른 재생 충전 신호와 비교할 때 더 효율적인 재생 충전 신호를 제공할 수 있다. 재생 충전 신호의 정형이 임의로 정형된 충전 신호일 수 있고, 일부 경우에, 배터리로의 에너지 전달 임피던스에 대한 효과와 같은 배터리(108)의 특성에 기초할 수 있지만, 다른 배터리 특성이 고려된다.
도 3은 하나의 실시형태에 따른 차량 배터리를 충전하기 위해 조정된 충전 신호를 활용하는 전기차 충전 시스템(300)의 개략도이다. 충전 시스템(300)의 컴포넌트 중 일부는 도 1a를 참조하여 위에서 설명한 것과 유사하다. 예를 들어, 전기차(302)는 충전 신호(322)를 수신하기 위해 충전소(304)와 통신하는 온보드 충전 회로(306)를 포함할 수 있다. 충전 회로(306)는 고정 충전기로부터의 전력 신호의 전압 및/또는 전류 성분을 요청하기 위해 충전소(304)와 협상할 수 있다. 충전소(304)는 또한 온보드 충전기(306)에 의해 협상된 바와 같이 고속 충전 신호(320)를 제공할 수 있다. 충전소(304)로부터 수신된 전력 신호(322) 또는 고속 충전 신호(320)는 DC 전력 신호 또는 AC 전력 신호일 수 있고 협상된 신호 성분 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 충전소(304)로부터 이용 가능한 전력량은 가정용 충전소 또는 주차장에 위치한 공공 이용 가능한 충전소와 같은, 충전소(304)의 유형에 기초하여 달라질 수 있다. 온보드 충전 회로(306)는 신호 성분의 협상된 값에 따라 충전소에 의해 제공될 수 있는 상이한 전력 신호를 제공하는 인터페이스를 충전소(304)와 전기차(302) 사이에 제공할 수 있다. 하나 이상의 통신 라인은 전기차의 배터리(308)를 충전하기 위해 충전소로부터 하나 이상의 이용 가능한 전력 신호를 전달하기 위해 충전소(304)와 충전 회로(306)를 연결시킬 수 있다.
일반적으로, 충전소(304)는 전기차(302)의 배터리(308)를 충전하기 위해 정형되거나 다른 방식으로 조정되고 사용될 수 있는 충전 전류를 공급한다. 하나의 특정한 구현예에서, 전기차(302)는 배터리(308)를 충전하는 데 사용하기 위해 충전 신호의 하나 이상의 양상을 조정하는 충전 신호 정형 회로(314)를 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 충전 신호 정형 회로(314)는 충전 신호 정형 회로의 컴포넌트에 하나 이상의 입력을 제공하여 온보드 충전기(306)로부터의 충전 신호 또는 고속 충전 신호(320)의 정형을 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 온보드 충전 회로(306) 및/또는 모터 컨트롤러/인버터(310)는 충전 신호 정형 회로에 제어 입력을 제공할 수 있다. 제어 입력은 충전소(304)로부터의 신호를 배터리(308)에 대한 더 효율적인 전력 충전 신호로 변경하는 정형 회로(314)에 의해 사용될 수 있다. 충전 신호 정형 회로(314)의 작동 및 구성은 아래에 더 상세히 설명된다.
일부 경우에, 충전 신호 정형 회로(314)가 충전소(304)로부터의 에너지를 변경하여 배터리의 다른 고조파 또는 다른 특성 값과 비교할 때, 배터리(308)에서의 충전 조건에 기초하여 정형되는 충전 신호, 예컨대, 최소 또는 그렇지 않으면 상대적으로 더 낮은 임피던스와 연관된 고조파에 적어도 부분적으로 대응하는 충전 신호를 생성할 수 있다. 하나의 예에서, 전기차(302)는 배터리 전압 및/또는 충전 전류뿐만 아니라 온도와 같은 다른 배터리 속성을 측정하고/하거나 배터리의 단자에 걸쳐, 예컨대, 전압 및 전류 측정값 및 임의의 위상차를 사용함으로써 임피던스를 계산하도록 배터리(308)에 연결된 배터리 측정 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 배터리 특성은 인가된 충전 신호에 기초하여 측정될 수 있다. 또 다른 예에서, 배터리 특성은 충전 전, 충전 동안, 충전 동안 주기적으로 수행될 수 있고, 룩업 기법 및 다른 기법과 조합하여 사용될 수 있는, 배터리를 특성화하기 위해 상이한 주파수 속성과 연관된 배터리 특성 값의 범위를 생성하도록 가변 주파수 속성을 가진 신호를 인가하는 루틴의 부분으로서 측정될 수 있다. 배터리(308) 특성은 배터리의 충전 상태 및/또는 온도를 포함하는, 배터리의 많은 물리적 또는 화학적 특징에 기초하여 달라질 수 있다. 배터리의 재충전 동안 그리고 다른 시간 중 측정되는 다양한 배터리 특성 값은 차량(302)의 충전 신호 정형 회로(314) 또는 다른 컴포넌트에 제공될 수 있다.
배터리 특성에 기초하여, 충전 신호 정형 회로(314)는 배터리(308)의 효율적인 충전을 위해 의도된 충전 신호를 생성하기 위해 충전소(304)로부터의 충전 신호를 정형하거나 충전 신호를 정형하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 배터리(308)의 측정된 임피던스의 실수 성분은 충전소(304)로부터의 에너지를 배터리의 최소 실수 임피던스 값과 연관된 고조파에 대응하는 하나 이상의 충전 신호로 만들거나 에너지를 공유하도록 충전 신호 정형 회로(314)에 의해 사용될 수 있다. 이와 같이, 충전 신호 정형 회로(314)는 측정된 또는 추정된 배터리(308)의 충전 상태에 기초하여 충전 신호 형상을 출력하는 충전 신호 알고리즘을 실행시킬 수 있다. 그래서 하나의 경우에, 충전 신호 정형 회로(314)의 하나 이상의 컴포넌트는 다른 기능 중에서, 회로의 다른 컴포넌트를 제어하여 충전 신호를 정형해서 알고리즘에 의해 결정되는 정형된 충전 신호에 근사하는 하나 이상의 제어 신호를 생성할 수 있다. 일부 경우에, 정형된 충전 신호가 임의로 정형된 충전 신호일 수 있으므로, 충전 신호는 반복되는 구형파 또는 삼각파 충전 신호와 같은, 전통적으로 반복되는 충전 신호를 따르지 않는다. 예를 들어, 도 4는 배터리를 충전하기 위한 임의로 정형된 배터리 충전 신호(400)의 신호 도면(402)이다. 신호 도면(402)은 입력 전류(404) 대 시간(406)으로 그래프로 표시된 충전 신호(408)를 예시한다. 충전 신호(408)의 형상은 충전 신호 정형 회로(314)에 의해 실행되고/되거나 구현되는 충전 신호 알고리즘 또는 프로그램에 의해 결정될 수 있다. 하나의 경우에, 충전 신호(408)의 형상이 배터리의 최소 임피던스 값과 같은, 배터리(308)의 특성에 기초할 수 있지만, 다른 배터리 특성이 고려된다. 예를 들어, 충전 신호(408)의 형상은 배터리의 실수 및 허수 임피던스 값 둘 다와 연관된 고조파에 대응할 수 있다. 또 다른 예에서, 충전 신호(408)는 배터리(308)의 어드미턴스의 컨덕턴스 또는 서셉턴스 중 하나 또는 둘 다와 연관된 고조파에 대응할 수 있다. 일반적으로, 충전 신호 정형 회로(314)의 충전 신호 정형 알고리즘은 측정되거나 모델링되거나 추정되는 배터리(308)의 임의의 특성에 기초하여 충전 신호(408)의 형상을 만들거나 다른 방식으로 결정할 수 있다. 하나의 예에서, 충전 신호의 선두 에지는 배터리의 상대적으로 낮은 임피던스와 연관된 고조파를 따르도록 정형된다.
게다가, 배터리(308)의 특성이 충전 상태, 온도 및 다른 요인으로 인해 변화될 수 있기 때문에, 충전 신호(408)의 형상이 또한 시간 경과에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 일부 경우에, 충전 신호 정형 회로(314)는 배터리(308)의 특성을 모니터링하거나 또는 결정하는 반복 과정을 수행할 수 있고 따라서 배터리에 인가되는 충전 신호(408)의 형상을 조정할 수 있다. 이 반복 과정은 배터리를 재충전하는 데 사용되는 충전 신호의 효율을 개선시킬 수 있어서, 다른 이점 중, 배터리를 재충전하는 시간을 감소시키고, 배터리의 수명(예를 들어, 배터리가 겪을 수 있는 충전 사이클과 방전 사이클의 수)을 연장시키고, 배터리를 충전하는 전류량을 최적화하고, 다양한 비효율로 손실되는 에너지를 방지한다. 충전 신호 정형 회로(314)의 하나의 특정한 구현예는 공동 계류 중인 미국 특허 정규 출원 제17/232,975호(발명의 명칭: "Systems And Methods For Battery Charging", 출원일: 2021년 4월 16일)에 더 상세히 설명되고, 이의 전문은 본 명세서에 참조에 의해 원용된다. 충전 신호 정형 회로의 또 다른 특정한 구현예 또는 충전 신호를 조정하기 위한 다른 방법은 미국 특허 출원 제17/473,828호(발명의 명칭: "SYSTEMS AND METHODS FOR HARMONIC-BASED BATTERY CHARGING", 출원일: 2021년 9월 13일)에 더 상세히 설명되고, 이는 본 명세서에 참조에 의해 원용된다.
도 5는 하나의 실시형태에 따른 정형된 충전 신호를 활용하는 전기차 배터리 시스템을 충전하기 위한 회로(500)를 예시하는 개략도이다. 회로(500)는 충전소 인터페이스(504), 모터(512) 및 배터리(508)에서 수신된 충전소로부터의 협상된 전력 신호를 포함하여, 도 3의 전기차(302)를 참조하여 위에서 설명된 요소를 포함한다. 충전소 인터페이스(504)는 충전 신호를 요청하고/하거나 충전소로부터 충전 신호를 수신하기 위해 전기차(302)와 별개인 충전소(304)와 통신하는 회로망을 포함할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 충전소(304)는 DC 충전 신호(522)(예컨대, 고속 충전 작동 동안) 및 AC 충전 신호(520) 둘 다를 제공할 수 있다. 이와 같이, 충전소 인터페이스(504)는 두 가지 유형의 충전 신호를 요청하고 수신하기 위한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 충전소 인터페이스(504)는 일부 경우에, 충전소(304)와 연결하기 위한 충전 코드 및 플러그를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 충전소(304)는 충전 전력을 제공하기 위해 인터페이스(504)와 안착하기 위한 충전 코드 및 플러그를 포함할 수 있다. 충전소로부터의 DC 충전 신호(522)는 배터리(508)의 직접 충전을 위해 상부 전력 레일(524) 및 하부 전력 레일(526)에 직접 제공될 수 있다. AC 충전 신호(520)는 상부 전력 레일(524) 및 하부 전력 레일(526)에 제공되기 전에 온보드 충전기(506)에 제공될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 온보드 충전기(506)는 다른 회로 및 기능 중에서, AC-DC 변환기 회로를 포함할 수 있다.
회로(500)에 예시된 모터(512)가 3상 전기 모터이지만, 다른 유형의 모터가 회로 및/또는 전기차(302) 내에서 활용될 수 있다. 도 5의 회로(500)는 모터 컨트롤러/인버터 회로(510) 및 충전 신호 정형 회로(514)와 같은, 회로(300)의 컴포넌트 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 게다가 그리고 위에서 설명된 바와 같이, 배터리(508)에 대한 충전 신호는 배터리의 피드백 측정에 기초할 수 있다. 이와 같이, 회로(500)는 배터리(508)와 직렬로 연결된 전류 센서 및/또는 배터리와 병렬로 연결된 전압 센서를 포함할 수 있다. 일반적으로, 회로 성능 측정을 위한 임의의 수의 센서가 배터리(508)에 대한 충전 신호를 정형하는 데 사용하기 위해 회로에 통합될 수 있다.
언급된 바와 같이, 회로(500)는 배터리(508)를 충전하기 위한 충전 신호를 정형하기 위한 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 이러한 컴포넌트는 전기차(302)의 충전 신호 정형 회로(514)에 통합될 수 있다. 도 5에 도시된 특정한 구현예에서, 회로(500)는 한 쌍의 스위칭 요소, 예를 들어, 트랜지스터(528)와 트랜지스터(530), 및 제2 스위칭 요소, 예를 들어, 상부 전력 레일(524)과 하부 전력 레일(526) 사이에 직렬로 연결된 트랜지스터(532)를 포함할 수 있다. 인덕터(534)는 트랜지스터(530)의 드레인 노드와 차량 배터리(508)의 전극 사이에 연결될 수 있다. 일반적으로 그리고 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 정형 회로(514)의 스위칭 요소(528 내지 532)는 배터리에 대한 유해한 영향을 감소시키면서 입력 충전 신호를 정형하여 배터리를 더 효율적으로 충전하도록 제어될 수 있다.
일부 경우에, 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)은 인덕터(534)를 상부 전력 레일(524)에 제어 가능하게 연결시키기 위한 임의의 유형의 트랜지스터, 예를 들어, FET 또는 임의의 다른 유형의 제어 가능한 스위칭 요소일 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터 쌍 중 제1 트랜지스터(528)는 상부 전력 레일(524)에 연결된 드레인 노드, 쌍 중 제2 트랜지스터(530)에 연결된 소스, 및 제어 신호를 수신하는 게이트를 가진 FET일 수 있다. 마찬가지로, 쌍 중 다른 트랜지스터(530)는 인덕터(534)에 연결된 드레인 노드, 쌍 중 제1 트랜지스터(528)의 소스 노드에 연결된 소스, 및 제어 신호를 수신하는 게이트를 포함할 수 있다. 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)은 대응하는 입력 신호(예컨대, 입력 신호)를 수신하여 제1 트랜지스터 쌍을 스위칭 디바이스 또는 컴포넌트로서 작동시킬 수 있다. 회로(500)에서 공통 소스 장치로 예시되어 있지만, 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)은 특히 트랜지스터가 N형 트랜지스터와 대조적으로 P형 트랜지스터인 경우 공통 드레인 구성으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 회로(500)에 예시된 임의의 트랜지스터는 임의의 유형의 스위칭 디바이스일 수 있고, 쌍을 이룬 트랜지스터(예컨대, 트랜지스터 쌍(528, 530) 또는 트랜지스터 쌍(544, 546))는 공통 드레인 또는 공통 소스 양방향 구성으로 배열된다.
하나의 특정한 구현예에서, 입력 신호가 트랜지스터 쌍 중 트랜지스터(528, 530) 둘 다에 대해 동일할 수 있고, 일부 경우에, 펄스 폭 변조(pulse-width modulation: PWM) 제어 신호를 포함할 수 있지만, 다른 제어 신호가 고려된다. 하나의 경우에, 제어 신호는 충전 신호 정형 회로(514)(도 5에서 박스 "B"(536)로 예시됨)의 회로 컨트롤러로부터 생성될 수 있다. 따라서, 트랜지스터 쌍(528, 530)의 각각의 게이트 노드는 대응하는 제어 신호를 수신하기 위해 정형 회로 컨트롤러(536)에 연결될 수 있다. 제어 신호는 폐쇄될 때, 제1 인덕터(534)를 상부 전력 레일(524)에 연결하는 스위치로서 제1 트랜지스터 쌍의 작동을 제어하기 위해 트랜지스터 쌍 중 트랜지스터(528, 530) 둘 다에 제공될 수 있으므로 전력 레일로부터의 충전 신호가 제1 인덕터를 통해 흐른다. 제2 스위칭 요소(532)는 제2 입력 신호를 수신할 수 있고 또한 인덕터(534)에 연결될 수 있다. 일부 경우에, 제2 스위칭 요소(532)에 대한 입력 신호는 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)에 대한 제어 신호와 반대되는 PWM 신호일 수 있다. 따라서, 인덕터(534)를 상부 레일(524)에 연결시키기 위해 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)이 폐쇄될 때, 제2 스위칭 요소(532)가 개방될 수 있다. 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)이 개방될 때, 반대로, 제2 스위칭 요소(532)가 폐쇄되어, 인덕터(534)를 제2 스위칭 요소를 통해 하부 전력 레일(526)에 연결시킬 수 있다. 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)에 대한 제어 신호 및 제2 스위칭 요소에 대한 제어 신호가 본 명세서에서 트랜지스터를 반대 상태로 제어하기 위한 반대 신호로서 설명되지만, 스위칭 요소(528 내지 532)를 제어하기 위한 다른 기법이 또한 회로(500)에 의해 구현될 수 있다. 인덕터 값, 트랜지스터를 작동시키는 시간 및 주파수, 다른 요인은 배터리를 충전하기 위해 배터리(508)에 대한 파형, 특히 제어된 고조파를 갖는 파형을 생성하도록 조정될 수 있다.
입력 신호를 통한 제1 트랜지스터 쌍(528, 530) 및 제2 스위칭 요소(532)의 제어를 통해, 상부 레일(524)의 충전 신호는 임의의 형태로 정형될 수 있다. 예를 들어, 충전소 인터페이스(504)는 차량 배터리(508)를 충전하기 위해 DC 고속 충전 신호(522)를 상부 레일(524)에 제공할 수 있다. 또 다른 예에서, 온보드 충전기(506)는 충전소 인터페이스(504)로부터 변경된 AC 충전 신호(520)를 제공할 수 있다. 게다가, 정형 회로(514)의 요소는 차량 배터리(508)를 충전하기 위해 상부 레일(524)에 존재하는 충전 신호를 정형하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 제2 스위칭 요소(트랜지스터(532))를 활성화시키고 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)을 비활성화시킴으로써, 전류가 인덕터(534)로 흐르지 않아서, 인덕터로부터의 출력 전류를 평탄화하여 배터리(508)를 충전할 수 있다. 대안적으로, 제1 트랜지스터 쌍(528, 530)을 활성화시키고 제2 스위칭 요소(532)를 비활성화시키는 것은 인덕터(534)로부터의 전류가 흐르게 한다. 스위칭 요소(528 내지 532)의 제어는, 충전 신호(538)가 배터리(508)를 충전하는 데 더 효율적이도록 정형될 수 있도록 정형 알고리즘에 기초할 수 있고, 그 결과 충전 시간이 더 단축되고 배터리 수명이 더 길어진다. 하나의 예에서, 충전 신호(538)는 배터리(508)의 충전 조건, 예컨대, 전압 센서 및/또는 전류 센서로부터 획득되는 바와 같은 배터리의 최소 실수 임피던스 또는 다른 특성 값과 연관된 고조파에 적어도 부분적으로 대응하는 충전 신호에 기초하여 정형될 수 있다. 또 다른 예에서, 배터리(508)의 측정된 임피던스의 실수 성분은 충전 신호(538)로부터의 에너지를 배터리의 최소 실수 임피던스 값과 연관된 고조파에 대응하는 하나 이상의 충전 신호로 만들거나 공유하기 위한 제어 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 스위칭 요소의 제어의 하나의 특정한 구현예는 공동 출원된 미국 특허 정규 출원 제17/473,828호(발명의 명칭: "Systems And Methods For Harmonic-Based Battery Cell Charging", 출원일: 2021년 9월 13일)에 더 상세히 설명되고, 이의 전문은 본 명세서에 참조에 의해 원용된다.
더 많거나 더 적은 컴포넌트가 일반적으로 정형 회로(514) 또는 충전 회로(500)에 포함될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 도 5의 회로(500)는 단순한 배터리 충전 회로(500)의 일례일 뿐이며, 충전 신호를 정형하기 위한 충전 신호 정형 회로(514)를 활용하기 위해 본 명세서에 설명된 기법은 임의의 수의 배터리 충전 회로에 적용될 수 있다. 예를 들어, 회로 컨트롤러는 회로(500)의 하나 이상의 컴포넌트와 통신하여 하나 이상의 제어 신호를 제공해서 충전 신호로부터 전류 또는 전압 신호를 정형할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(536)는 스위칭 요소(528 내지 532)에 입력 신호를 제공하여 요소의 작동을 제어하고 차량 배터리(508)에 대한 충전 신호(538)를 정형할 수 있다. 회로 컨트롤러는 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array: FPGA) 디바이스, 마이크로컨트롤러, 응용 주문형 집적 회로(Application-Specific Integrated Circuit: ASIC) 또는 임의의 다른 프로그래밍 가능 처리 디바이스를 통해 구현될 수 있다. 하나의 구현예에서, 회로 컨트롤러는 배터리(508)에 인가될 충전 신호의 형상을 결정하기 위해 충전 신호 정형 생성기를 포함할 수 있다.
충전 신호 정형 회로(514)는 회로(500)를 배터리 충전 모드에서 차량 작동 모드로 전환하기 위한 우회 스위치(540)를 더 포함할 수 있다. 하나의 구현예에서, 우회 스위치(540)는 소스 노드가 상부 레일(524)에 연결되고, 드레인이 차량 배터리(508)의 전극에 연결되며, 게이트 노드가 컨트롤러로부터 우회 신호를 수신하는 FET형 트랜지스터일 수 있다. 다른 유형의 제어 가능한 스위칭 요소가 또한 우회 스위치(540)로서 사용될 수 있다. 차량 배터리 작동의 충전 동안, 우회 스위치(540)가 우회 스위치를 개방하는 신호를 수신하여 배터리(508)에서 수신된 충전 신호(538)가 정형 회로(514)의 스위칭 요소(528 내지 532)의 제어를 통해 정형될 수 있다. 차량 작동 모드 동안 배터리(508)로부터 모터(512)로 전력을 제공하기 위해, 우회 입력 신호가 우회 스위치(540)에 제공되어 스위치를 폐쇄하고 배터리 전력이 정형 회로(514)의 정형 요소를 우회하게 할 수 있다. 따라서, 우회 스위치(540)의 제어를 통해, 정형된 전력 신호가 제공되어 충전 동안 차량 배터리(508)를 충전할 수 있고 배터리는 차량의 모터(512)를 작동시키는 데 필요한 전력을 제공할 수 있다.
일부 구현예에서, 커패시터(542)는 상부 전력 레일(524)과 하부 전력 레일(526) 사이에 연결될 수 있다. 커패시터(542)는 일부 경우에, 충전 전력이 충전소 인터페이스(504)를 통해 제공되지 않는 기간 동안 차량 배터리(508)를 충전하는 데 사용하기 위해 상부 레일(524)로부터 전력을 저장할 수 있다. 대신에 커패시터(542)는 온보드 충전기(506) 및/또는 충전소 인터페이스(504)에 의해 제공되는 전력과 유사하게 정형 회로(514)에 의한 정형을 위해 상부 전력 레일(524) 및 하부 전력 레일(526)에 전력을 제공할 수 있다.
충전소(304)로부터 충전소 인터페이스(504)를 통해 수신된 충전 신호를 정형하는 것 이외에, 회로(500)는 또한 모터(512)로부터 배터리(508)로의 재생 또는 피드백 충전 신호를 정형하는 데 도움을 주는 하나 이상의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 많은 전기차는 차량이 제동 중이거나, 공회전 중이거나, 다른 방식으로 차량 배터리(508)로부터 전력을 공급받지 못하는 동안 간헐적인 충전을 위해 배터리(508)로 피드백되는 재생 전력 신호를 제공한다. 일반적으로, 이러한 피드백 충전 신호는 재생 전력 신호가 위에서 설명된 바와 같이 충전 신호 정형 회로(514)에 의해 정형될 수 있도록 모터(512)로부터 상부 전력 레일(524)로 제공되는 DC 전력 신호이다. 특히, 제동 또는 다른 차량 작동 모드 동안, 우회 스위치(540)는 상부 레일(524)의 전력이 정형 회로(514)의 인덕터(534) 및 스위칭 요소(528 내지 532)를 통해 전도되도록 개방되게 제어될 수 있다. 스위칭 요소(528 내지 532)는 모터(512)에 의해 제공되는 DC 재생 충전 신호를 정형하도록 제어될 수 있다. 배터리(508)로부터의 전력이 모터(512)를 작동시키도록 요청될 때, 우회 스위치(540)는 배터리로부터의 전력이 모터(512)에 제공될 수 있도록 폐쇄될 수 있다. 이러한 방식으로, 재생 충전 신호는 컨트롤러(536)에 의해 구현되는 바와 같은 정형 알고리즘에 대응하는 제동 동안 정형 회로(514)에 의해 유사하게 정형될 수 있다.
많은 전기차는 모터(512)의 회전 속도를 제어하기 위해 모터 컨트롤러/인버터 회로(510)를 포함한다. 특히, 상부 스위칭 요소, 예컨대, 트랜지스터(544), 및 하부 스위칭 요소, 예컨대, 트랜지스터(548)는, 트랜지스터(544, 548)의 게이트에 인가되는 PWM 제어 신호를 통해 모터(512)로, 차량 배터리(508)로부터 수신되는 DC 신호를 AC 전력 신호로 변환하도록 제어될 수 있다. 모터를 제어하는 것 이외에, 인버터 회로(510)는 또한 위와 유사한 방식으로 모터(512)로부터의 재생 충전 신호를 정형하는 데 사용될 수 있다. 특히, 인버터 회로(510)는 배터리(508)에 대한 충전 신호의 정형이 인버터 회로(510), 정형 회로(514) 및/또는 인버터 회로와 정형 회로의 조합의 컴포넌트를 활용할 수 있도록 정형 회로(514)의 것과 유사하게 배열된 스위칭 요소를 포함할 수 있다.
도 5에 예시된 하나의 예에서, 한 쌍의 인버터 스위칭 요소, 예를 들어, 트랜지스터(544) 및 트랜지스터(546)는 모터(512)의 제1 위상에 대응하는 제1 모터 인덕터(554)에 직렬로 연결될 수 있다. 예시되지 않지만, 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 인버터 스위칭 요소의 각각이 바디 다이오드 특성을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 인버터 스위칭 요소(544, 546)는 대응하는 제2 인버터 트랜지스터(548)와 직렬로 연결될 수 있다. 인버터 스위칭 쌍(544, 546) 및 대응하는 제2 인버터 트랜지스터(548)의 제어는 배터리(508)로부터의 DC 신호를 AC 모터 제어 신호로 변환할 수 있다. 더 구체적으로, 인버터 트랜지스터 쌍 중 제1 트랜지스터(544)는 쌍 중 제2 트랜지스터(546)의 드레인 노드에 연결된 드레인 노드, 상부 전력 레일(524)에 연결된 소스, 및 예컨대, 인버터 컨트롤러(박스 "A"(552)로 도 5에 예시됨)로부터 제어 신호를 수신하는 게이트를 포함할 수 있다. 인버터 쌍 중 다른 트랜지스터(546)는 인버터 쌍 중 제1 트랜지스터(544)의 드레인에 연결된 드레인, 모터(512)의 제1 위상과 연관된 제1 모터 인덕터(554)에 연결된 소스, 및 제어 신호를 수신하는 게이트를 포함할 수 있다. 대응하는 제2 인버터 트랜지스터(548)는 제1 모터 인덕터(554)에 연결된 드레인, 하부 전력 레일(526)에 연결된 소스, 및 입력 제어 신호를 수신하는 게이트를 포함할 수 있다.
인버터 컨트롤러(552)에 의해 제공되는 제어 신호를 통해, 배터리(508)로부터 모터(512)로의 전력 신호가 제어될 수 있다. 예를 들어, 인버터 스위칭 요소(544 내지 548)는 예컨대, 트랜지스터(544 내지 548)의 게이트에 인가되는 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호를 통해, DC 배터리 신호(522)를 계단식 AC 모터 컨트롤러 신호로 변환하기 위해 인버터 컨트롤러(552)에 의해 제어될 수 있다. 하나의 구현예에서, 트랜지스터(544 내지 548)에 대한 제어 신호는 로직 또는 게이트(556 및 558)와 같은, 인버터 컨트롤러(552)와 트랜지스터 사이에 연결된 로직 컴포넌트로부터 나올 수 있다. 트랜지스터(544 내지 548)는 또한 차량의 작동 조건에 따라, 모터(512)에서 배터리(508)로 그리고 배터리에서 모터로의 전류 흐름을 제어하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 인버터 컨트롤러(552)로부터의 제어 신호는 전류가 요소를 통해 제1 방향으로(예를 들어, 상부 레일(524)로부터 모터(512)로) 흐르게 하여 모터에 전력을 공급하거나 요소를 통해 제2 방향으로(예를 들어, 상부 레일(524)로부터 모터(512)로) 흐르게 하여 배터리(508)에 재생 전력을 제공하게 할 수 있다.
모터(512)에 대한 전력 및 배터리(508)에 대한 재생 충전 신호를 제어하는 것 이외에, 인버터 컴포넌트는 또한 충전 정형 회로(514)와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로 재생 충전 신호를 정형하는 데 활용될 수 있다. 예를 들어, 인버터 스위칭 쌍(544, 546)이 정형 회로(514)의 스위칭 요소의 쌍(528, 530)과 유사한 방식으로 제어될 수 있어서 인버터 스위칭 쌍이 모터(512)로부터 재생 충전 신호를 정형하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 유사하게 제어될 수 있다. 게다가, 인버터 회로(510)의 제2 인버터 트랜지스터(548)는 모터(512)로부터 재생 충전 신호를 정형하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 정형 회로(514)의 제2 트랜지스터(532)와 유사한 방식으로 제어될 수 있다. 인버터 회로(510)의 트랜지스터(544 내지 548)를 사용하여 재생 충전 신호를 정형하기 위해, 트랜지스터의 게이트 입력은 OR 게이트(556) 및 OR 게이트(558)를 통해 정형 회로 컨트롤러(536)에 연결될 수 있다. 입력 신호가 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호를 포함할 수 있지만, 다른 제어 신호가 고려된다. 그러나, 일반적으로 제어 신호는 정형 회로 컨트롤러(536), 모터 컨트롤러/인버터 회로(510)의 컨트롤러(552), 또는 전기차(302)의 임의의 다른 컴포넌트로부터 생성될 수 있다. 제어 신호가 인버터 트랜지스터 쌍(544, 546) 중 트랜지스터 둘 다에 제공되어 폐쇄될 때 모터 인덕터(560)로부터의 충전 신호가 배터리로 흐르도록 제1 모터 인덕터(554)를 상부 전력 레일(524)에 연결하는 스위치로서 인버터 트랜지스터 쌍의 작동을 제어할 수 있다. 제2 인버터 트랜지스터(548)는 인버터 트랜지스터 쌍(544, 546)이 폐쇄될 때, 제2 인버터 트랜지스터(548)가 개방되도록 (인버터 컨트롤러 및/또는 정형 회로 컨트롤러로부터) 제2 입력 신호를 수신할 수 있다. 위에서 설명된 것과 유사한 방식으로, 인버터 회로(510)의 트랜지스터(544 내지 548)의 제어는 재생 충전 동안 모터(512)로부터 배터리(508)로의 재생 충전 신호를 정형하도록 작동할 수 있다.
모터(512)로부터의 재생 충전 신호를 정형하기 위해 인버터 트랜지스터(544 내지 548)를 사용할 때, 정형 회로(514)의 스위칭 요소는 인덕터(534) 및 차량 배터리(508)에 대한 직접적인 경로를 제공하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터 쌍(528, 530)은 상부 레일(524)의 충전 신호가 인덕터(534)의 입력에 제공되어 차량 배터리(508)를 충전하는 데 사용하기 위한 정형된 충전 신호(538)를 생성할 수 있도록 폐쇄 작동으로 제어될 수 있다. 게다가, 정형 회로(514)의 트랜지스터(532)는 인덕터(534)가 상부 레일(524)에 직렬로 연결되도록 개방될 수 있다. 우회 스위치(540)는 또한 재생 충전 동안 개방될 수 있다. 정형 회로(514)의 스위칭 요소의 제어는 정형 회로 컨트롤러(536), 인버터 컨트롤러(552), 또는 전기차의 임의의 다른 컨트롤러 컴포넌트에 의해 제공될 수 있다. 컴포넌트 충전 회로(500)의 사용을 통해, 정형된 충전 신호는 정형 회로(514), 인버터 회로(510), 또는 둘 다의 컴포넌트에 의해 제어될 수 있다. 게다가, 충전소로부터의 하나 이상의 충전 신호 및/또는 재생 충전 신호는 충전 회로(500)에 의해 정형될 수 있다.
모터(512)의 하나의 위상과 관련하여 위에서 논의되었지만, 회로(500)는 모터(512)의 다른 위상에 대한 유사한 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 충전 신호 정형 컴포넌트에는 모터(512)의 제2 위상 및 모터의 제3 위상을 위한 별개의 컴포넌트(562)가 통합될 수 있다. 일반적으로, 임의의 수의 컴포넌트에는 임의의 수의 위상의 모터(512)가 포함될 수 있다. 위상의 수에 관계없이, 컴포넌트의 각각의 세트는 전기차의 재생 제동 동안 배터리(508)로 피드백되는 모터(512)로부터의 충전 신호를 만들거나 정형하여 재생 충전 신호의 효율성을 개선시키고 배터리(508)의 수명을 연장하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 인버터 회로(510)의 스위칭 요소(즉, 트랜지스터)는 차량 배터리(508)의 재생 충전 동안 제어되어 모터(512)로부터의 충전 신호를 미리 정형하여 충전 신호의 큰 변동을 제거할 수 있다. 특히, 인버터 회로(510)의 트랜지스터(544 내지 548)는 인버터 컨트롤러(552) 및/또는 정형 회로 컨트롤러(536)에 의해 제어되어 충전 신호가 상부 전력 레일(524)로 전송되기 전에 모터(512)로부터의 충전 신호에서 빠르게 발생하는 변화를 필터링할 수 있다. 이어서 정형 회로(514)는 차량의 정형 회로 컨트롤러(536) 또는 다른 디바이스에 의해 실행되는 알고리즘에 기초하여 상부 전력 레일(524)의 충전 신호를 더 정형하도록 제어될 수 있다. 모터(512)로부터의 재생 충전 신호로부터의 큰 변동의 필터링은 컨트롤러(536)에 의해 실행되는 알고리즘에 기초하여 충전 신호를 더 정형하기 위해 정형 회로(514)의 효율성을 개선시킬 수 있다.
도 6은 하나의 실시형태에 따른 정형된 충전 신호를 활용하여 전기차 배터리 시스템의 충전 회로를 제어하기 위한 방법의 흐름도를 예시한다. 작동(602)에서, 충전 회로는 예컨대, 충전소 인터페이스(504)를 통해, 충전소(304)로부터 수신된 충전 신호의 표시를 검출하거나 수신할 수 있다. 충전 신호는 DC 고속 충전 신호, AC 충전 신호, 온보드 충전기(506)로부터의 충전 신호, 또는 충전소에 의해 생성되는 임의의 다른 유형의 충전 신호일 수 있다. 작동(604)에서, 충전 정형 회로(514)의 하나 이상의 요소는 차량 배터리(508)를 충전하는데 사용하기 위한 충전 신호를 정형하도록 제어될 수 있다. 예를 들어 그리고 위에서 설명된 바와 같이, 하나 이상의 스위칭 요소(예컨대, 트랜지스터(528 내지 532)))는 충전 신호의 적어도 일부를 정형하기 위해 정형 회로 컨트롤러(536)로부터 제어 신호를 수신할 수 있다. 정형 회로(514)는 또한 충전 신호의 정형을 위한 인덕터를 포함할 수 있다. 스위칭 요소(528 내지 532)의 제어는 컨트롤러, 예컨대, 정형 회로 컨트롤러(536)에 의해 실행되는 정형 알고리즘에 기초할 수 있다. 알고리즘은 차량 배터리(508)의 하나 이상의 특성, 예컨대, 배터리의 실수 및 허수 임피던스 값 둘 다와 연관된 고조파, 배터리(108)의 어드미턴스의 컨덕턴스 또는 서셉턴스 중 하나 또는 둘 다와 연관된 고조파, 또는 측정되거나 모델링되거나 추정되는 배터리의 임의의 다른 특성에 기초하여 충전 신호를 정형하기 위한 명령어를 포함할 수 있다.
작동(606)에서, 충전 회로(500)의 우회 스위치(540)는 충전된 차량 배터리(508)로부터 모터 컨트롤러/인버터 회로(510)를 통해 모터(512)에 전력을 허용하도록 폐쇄될 수 있다. 우회 스위치(540)는 차량의 주행 작동 동안 폐쇄될 수 있다. 작동(608)에서, 충전 회로는 모터(512)로부터 배터리(508)로의 재생 충전 신호의 표시를 검출하거나 수신할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 전기차의 제동 또는 다른 주행 작동 동안, 모터에 저장되는 에너지가 차량 배터리(508)를 충전하기 위해 사용될 수 있다. 재생 충전 신호에 응답하여, 인버터 회로(510) 및/또는 정형 회로(514)의 요소는 재생 충전 신호를 정형하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 우회 스위치(540)가 개방될 수 있다. 또한, 인버터 회로(510)의 트랜지스터(544 내지 548) 및/또는 정형 회로(528 내지 532)의 트랜지스터는 재생 충전 신호를 정형하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 (예컨대, 정형 회로 컨트롤러(536) 또는 인버터 컨트롤러(552)에 의해) 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 충전소로부터의 충전 신호와 모터(512)로부터의 재생 충전 신호 둘 다는 인버터 회로(510), 정형 회로(514), 또는 회로 둘 다에 의해 정형될 수 있다.
하나의 구현예에서, 동일하거나 유사한 정형 알고리즘이 전기차(302)의 배터리(308)를 방전하는 데 적용될 수 있다. 특히, 차량(302)의 모터(312)에 전력을 제공하기 위한 배터리(308)의 방전은 배터리(308)의 특성에 기초하여 제어될 수 있다. 충전 신호의 정형은 벅 회로 또는 부스트 회로 단독으로 또는 충전 기능과는 별도로 다양한 가능한 조합으로 수행될 수 있다. 하나의 예에서, 전기화학 디바이스에 대한 입력 충전 신호를 고조파로 정형함으로써 실현되는 유사한 이점은 전기화학 디바이스로부터 부하로의 출력 신호를 정형함으로써 실현될 수 있다. 하나의 예에서, 출력 고조파는 배터리(308)로부터 전력을 전달하는 낮거나 가장 낮은 임피던스와 연관될 수 있다. 일부 경우에, 출력 임피던스는 전기화학 디바이스의 동일한 조건하에서-예를 들어, 배터리의 일부 충전 상태, 온도, 수명 주기 등하에서- 입력 임피던스와 동일하거나 실질적으로 동일한 것으로 가정될 수 있다. 다른 경우에, 출력 임피던스는 상이한 조건하에서 입력 임피던스와 별도로 측정되거나 특성화될 수 있고, 이어서 별도의 측정 또는 특성화를 사용하여 최적의 출력 고조파를 선택한다. 임피던스 측정 회로는 배터리에 대한 입력 임피던스를 측정하는 것과 동일한 방식으로 상이한 주파수에서 부하로부터의 출력 임피던스를 측정하는 데 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 다양한 예에서, 배터리(308)로부터의 출력 신호가 정형될 수 있고, 특정한 예에서, 출력 신호의 선두 에지가 고조파로 정형될 수 있다. 최적의 고조파는 충전 또는 방전(전기화학 디바이스로부터 전력을 전달)을 논의하는지 여부에 따라, 전기화학 디바이스로 또는 전기화학 디바이스로부터의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된다.
또한, 최적의 배터리 충전/방전은 배터리 온도가 10℃ 내지 40℃일 때 발생하는 것으로 관찰되었다. 따라서, 일부 경우에, 전기차는 배터리 또는 배터리 환경의 측정된 온도에 기초하여 배터리 충전 시스템(100)으로부터 생성되는 열을 배터리(108)로 전달하는 하나 이상의 열 전달 시스템 또는 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 온보드 충전 정형 회로는 배터리 충전이 발생할 때 열을 생성하는 컴포넌트를 포함할 수 있다. 열 전달 시스템은 배터리(108)에 열을 전달하여 배터리의 온도를 이상적인 온도 범위 내로 상승시키고 배터리 충전 효율을 개선시키며 배터리 수명을 연장할 수 있다.
도 3을 참조하면, 배터리(308)의 온도를 충전을 위한 이상적인 온도 범위 내로 상승시키기 위해 전기차(302) 내에 하나 이상의 열 전달 시스템이 포함될 수 있다. 하나의 예에서, 충전 신호 정형 회로(314)는 배터리의 충전이 발생할 때 열을 생성하는 컴포넌트를 포함할 수 있다. 열 전달 시스템은 배터리의 온도를 이상적인 온도 범위 내로 상승시키기 위해 해당 열을 배터리(308)로 전달하도록 작동할 수 있다. 이러한 열 전달 시스템은 충전 신호 정형 회로의 컴포넌트(또는 전기차(302)의 다른 컴포넌트)에 의해 가열되고 배터리(308) 근처로 전달되는 순환 공기 또는 액체를 포함할 수 있다. 공기 전달을 위해, 하나 이상의 팬은 차량 배터리(308)가 위치되는 챔버에 가열된 공기를 송풍할 수 있다. 액체 전달의 경우, 물 또는 다른 유체가 온보드 충전 정형 회로의 근처 환경에서 배터리(308) 근처로 펌핑될 수 있다. 배터리로의 열 전달은 배터리 자체 또는 배터리의 환경의 온도 측정에 기초할 수 있다. 예를 들어, 전기차(302)의 열 전달 시스템은 배터리 또는 배터리 주위의 환경의 측정된 온도가 문턱값 미만으로 떨어지면 배터리(308)에 열을 전달하도록 작동될 수 있다. 유사하게, 배터리(308) 또는 환경의 측정된 온도가 상한 문턱값을 초과하면 열 전달 시스템이 열 전달을 중단하도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 열 전달 시스템은 배터리(308) 온도를 개선된 배터리 충전을 위한 온도 범위 내로 유지하도록 제어될 수 있다.
게다가, 충전 신호 정형 회로(314)의 컴포넌트(또는 전기차(302)의 임의의 다른 컴포넌트) 중 하나 이상은 열 전달이 배터리 충전을 위해 원하는 대로 검출되면 열을 생성하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 충전 신호 정형 회로(314)의 하나 이상의 트랜지스터는 하나 이상의 제어 신호를 통해 포화 레벨에서 또는 그 부근에서 작동하여 열을 생성하여 이어서 열이 차량 배터리(308)로 전달될 수 있도록 제어될 수 있다. 배터리 온도가 목표 온도 범위 내에 있을 때까지 발열 수준에서 이 컴포넌트를 작동시키는 것이 계속될 수 있다. 이러한 방식으로, 충전 신호 정형 회로(314)의 컴포넌트는 다수의 작동 상태를 포함할 수 있고, 그 중 적어도 하나는 발열 작동 상태이다.
도 7을 참조하면, 본 명세서에서 논의되는 다양한 시스템 및 방법을 구현할 수 있는 하나 이상의 컴퓨팅 장치를 가진 예시적인 컴퓨팅 시스템(700)의 상세한 설명이 제공된다. 컴퓨팅 시스템(700)이 컨트롤러의 부분일 수 있고, 본 명세서에서 논의되는 다양한 구현예와 작동 가능하게 통신할 수 있고, 본 명세서에서 논의되는 방법과 관련된 다양한 작동을 실행시킬 수 있고, 배터리를 특성화하기 위한 다양한 데이터를 처리하기 위해 오프라인에서 실행될 수 있고, 본 명세서에서 논의되는 전체 시스템의 부분일 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(700)은 위에서 논의된 정형 회로 컨트롤러(536) 및/또는 인버터 컨트롤러(552)의 부분일 수 있다. 컴퓨팅 시스템(700)은 본 명세서에서 논의되는 다양한 신호를 처리할 수 있고/있거나 본 명세서에서 논의되는 다양한 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 배터리 측정 정보가 이러한 컴퓨팅 시스템(700)에 제공될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(700)이 또한 예를 들어, 다양한 도면에 대해 논의되는 컨트롤러 및/또는 조정/정형 회로에 적용 가능할 수 있고 본 명세서에 설명된 다양한 방법을 구현하도록 사용될 수 있다. 이 디바이스의 특정한 구현예가 상이한 가능한 특정한 컴퓨팅 아키텍처의 구현예일 수 있고, 이들 중 전부가 본 명세서에서 구체적으로 논의되지 않지만 당업자라면 이해할 것임을 이해할 것이다. 컴퓨터 시스템이 ASIC, FPGA, 마이크로컨트롤러 또는 다른 컴퓨팅 장치로 여겨지고/지거나 이들을 포함할 수 있다는 것을 또한 이해할 것이다. 이러한 다양한 가능한 구현예에서, 아래에서 논의되는 더 많거나 또는 더 적은 컴포넌트가 당업자라면 이해할 바와 같이, 포함될 수 있고, 상호연결 및 다른 변화가 이루어질 수 있다.
컴퓨터 시스템(700)은 컴퓨터 과정을 실행시키기 위해 컴퓨터 프로그램 제품을 실행시킬 수 있는 컴퓨팅 시스템일 수 있다. 데이터 및 프로그램 파일은 파일을 판독하고 파일 내 프로그램을 실행시키는 컴퓨터 시스템(700)에 입력될 수 있다. 하나 이상의 하드웨어 프로세서(702), 하나 이상의 데이터 저장 디바이스(704), 하나 이상의 메모리 디바이스(706) 및/또는 하나 이상의 포트(708 내지 712)를 포함하는, 컴퓨터 시스템(700)의 요소 중 일부가 도 7에 도시된다. 부가적으로, 당업자라면 인지할 다른 요소가 컴퓨팅 시스템(700)에 포함될 수 있지만 도 7에 분명하게 도시되거나 또는 본 명세서에서 더 논의되지 않는다. 컴퓨터 시스템(700)의 다양한 요소는 하나 이상의 통신 버스, 지점 간 통신 경로, 또는 도 7에 분명하게 도시되지 않은 다른 통신 수단을 통해 서로 통신할 수 있다. 유사하게, 다양한 구현예에서, 시스템에 개시된 다양한 요소는 임의의 주어진 구현예에 포함되거나 또는 포함되지 않을 수 있다.
프로세서(702)는 예를 들어, 중앙 처리 장치(central processing unit: CPU), 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서(digital signal processor: DSP) 및/또는 캐시의 하나 이상의 내부 레벨을 포함할 수 있다. 하나 이상의 프로세서(702)가 있을 수 있어서, 프로세서(702)가 단일의 중앙 처리 장치, 또는 흔히 병렬 처리 환경으로서 지칭되는, 서로 동시에 명령어를 실행시키고 작동을 수행할 수 있는 복수의 처리 장치를 포함한다.
다양한 가능한 조합으로 현재 설명된 기술은 적어도 부분적으로, 데이터 저장된 디바이스(들)(704)에 저장되고, 메모리 디바이스(들)(706)에 저장되고/되거나 포트(708 내지 712) 중 하나 이상을 통해 전달되는 소프트웨어에서 구현될 수 있어서, 도 7의 컴퓨터 시스템(700)을 본 명세서에 설명된 작동을 구현하기 위한 특수 목적 기계로 변형시킨다.
하나 이상의 데이터 저장 디바이스(704)는 컴퓨팅 시스템(700)의 다양한 컴포넌트를 관리하는 운영 체제(operating system: OS)와 애플리케이션 프로그램 둘 다의 명령어를 포함할 수 있는, 컴퓨터 과정을 수행하기 위한 컴퓨터 실행 가능한 명령어와 같은, 컴퓨팅 시스템(700) 내에서 생성되거나 또는 사용되는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 비휘발성 데이터 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 데이터 저장 디바이스(704)는 제한 없이, 자기 디스크 드라이브, 광디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive: SSD), 플래시 드라이브 등을 포함할 수 있다. 데이터 저장 디바이스(704)는 하나 이상의 데이터베이스 관리 제품, 웹 서버 제품, 애플리케이션 서버 제품 및/또는 다른 부가적인 소프트웨어 컴포넌트를 포함하는, 이러한 컴퓨터 프로그램 제품을 가진 유선 또는 무선 네트워크 아키텍처를 통해 이용 가능하게 되는 이동식 데이터 저장 매체, 비이동식 데이터 저장 매체 및/또는 외부 저장 디바이스를 포함할 수 있다. 이동식 데이터 저장 매체의 예는 콤팩트 디스크 판독-전용 메모리(Compact Disc Read-Only Memory: CD-ROM), 디지털 범용 디스크 판독-전용 메모리(Digital Versatile Disc Read-Only Memory: DVD-ROM), 광자기 디스크, 플래시 드라이브 등을 포함한다. 비이동식 데이터 저장 매체의 예는 내부 자기 하드 디스크, SSD 등을 포함한다. 하나 이상의 메모리 디바이스(706)는 휘발성 메모리(예를 들어, 동적 임의-접근 메모리(dynamic random-access memory: DRAM), 정적 임의 접근 메모리(static random access memory: SRAM) 등) 및/또는 비휘발성 메모리(예를 들어, 판독-전용 메모리(read-only memory: ROM), 플래시 메모리 등)를 포함할 수 있다.
현재 설명된 기술에 따른 시스템 및 방법을 실시하는 메커니즘을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 데이터 저장 디바이스(704) 및/또는 메모리 디바이스(706)에 있을 수 있고, 이는 기계-판독 가능한 매체로서 지칭될 수 있다. 기계-판독 가능한 매체가 기계에 의한 실행을 위해 본 개시내용의 작동 중 임의의 하나 이상의 작동을 수행하는 명령어를 저장하거나 또는 인코딩할 수 있거나 또는 이러한 명령어에 의해 활용되거나 또는 이러한 명령어와 연관된 데이터 구조 및/또는 모듈을 저장하거나 또는 인코딩할 수 있는 임의의 유형(tangible) 비일시적인 매체를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 기계-판독 가능한 매체는 하나 이상의 실행 가능한 명령어 또는 데이터 구조를 저장하는 단일의 매체 또는 다수의 매체(예를 들어, 중앙집중식 또는 분산 데이터베이스 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 컴퓨터 시스템(700)은 다른 컴퓨팅, 네트워크 또는 차량 디바이스와 통신하기 위한, 하나 이상의 포트, 예컨대, 입력/출력(input/output: I/O) 포트(708), 통신 포트(710) 및 서브-시스템 포트(712)을 포함하다. 포트(708 내지 712)가 결합되거나 또는 분리될 수 있고 더 많거나 또는 더 적은 포트가 컴퓨터 시스템(700)에 포함될 수 있다는 것을 이해할 것이다. I/O 포트(708)는 정보가 컴퓨팅 시스템(700)에 입력되거나 또는 그로부터 출력되게 하는 I/O 디바이스 또는 다른 디바이스에 연결될 수 있다. 이러한 I/O 디바이스는 제한 없이, 하나 이상의 입력 디바이스, 출력 디바이스 및/또는 환경 변환기 디바이스를 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 입력 디바이스는 인간이 생성한 신호, 예컨대, 인간 음성, 물리적 움직임, 물리적 터치 또는 압력 등을 I/O 포트(708)를 통한 컴퓨팅 시스템(700)으로의 입력 데이터로서 전기 신호로 변환시킨다. 일부 예에서, 이러한 입력은 이전의 도면에 대해 논의된 다양한 시스템 및 방법과는 완전히 다를 수 있다. 유사하게, 출력 디바이스는 컴퓨팅 시스템(700)으로부터 I/O 포트(708)를 통해 수신된 전기 신호를 본 명세서에서 논의된 다양한 방법 및 시스템에 의해 감지되거나 또는 사용될 수 있는 신호로 변환시킬 수 있다. 입력 디바이스는 정보 및/또는 명령 선택을 I/O 포트(708)를 통해 프로세서(702)로 전달하기 위한 알파벳-숫자 및 다른 키를 포함하는, 알파벳-숫자 입력 디바이스일 수 있다.
환경 변환기 디바이스는 하나의 형태의 에너지 또는 신호를 I/O 포트(708)를 통해 컴퓨팅 시스템(700)으로의 입력 또는 컴퓨팅 시스템으로부터의 출력을 위한 또 다른 형태의 에너지 또는 신호로 변환시킨다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(700) 내에서 생성되는 전기 신호는 또 다른 유형의 신호로 변환되고/되거나 그 역도 가능할 수 있다. 하나의 구현예에서, 환경 변환기 디바이스는, 배터리 전압, 개회로 배터리 전압, 충전 전류, 배터리 온도, 광, 소리, 온도, 압력, 자기장, 전기장, 화학적 특성 등과 같은, 컴퓨팅 디바이스(700)에 국부적이거나 또는 그로부터 원격인 환경의 특성 또는 양상을 감지한다.
하나의 구현예에서, 통신 포트(710)가 네트워크에 연결될 수 있고 이를 통해 컴퓨터 시스템(700)이 본 명세서에 제시된 방법 및 시스템을 실행시킬 뿐만 아니라 이에 의해 결정된 정보 및 네트워크 구성 변화를 전송할 때 유용한 네트워크 데이터를 수신할 수 있다. 예를 들어, 충전 프로토콜은 외부 시스템과 공유된 업데이트된 배터리 측정 또는 계산 데이터 등일 수 있다. 통신 포트(710)는 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 네트워크 또는 연결을 통해 컴퓨팅 시스템(700)과 다른 디바이스 간에 정보를 전송하고/하거나 수신하도록 구성된 하나 이상의 통신 인터페이스 디바이스에 컴퓨터 시스템(700)을 연결시킨다. 이러한 네트워크 또는 연결의 예는 제한 없이, 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus: USB), 이더넷, 와이파이, 블루투스®, 근거리 통신(Near Field Communication: NFC), 롱-텀 에볼루션(Long-Term Evolution: LTE) 등을 포함한다. 하나 이상의 이러한 통신 인터페이스 디바이스는 통신 포트(710)를 통해 활용되어 직접적으로 지점 간 통신 경로를 통해, 광역 네트워크(wide area network: WAN)(예를 들어, 인터넷)를 통해, 근거리 네트워크(local area network: LAN)를 통해, 셀룰러(예를 들어, 3세대(3G), 4세대(4G), 5세대(5G)) 네트워크를 통해 또는 다른 통신 수단을 통해 하나 이상의 다른 기계와 통신할 수 있다.
컴퓨터 시스템(700)은 디바이스의 하나 이상의 서브-시스템과 컴퓨터 시스템(700) 간의 동일한 그리고/또는 교환 정보의 작동을 제어하도록 본 명세서에 설명된 방법 및 시스템에 따라 충전되는 디바이스와 관련된 하나 이상의 시스템과 통신하기 위한 서브-시스템 포트(712)를 포함할 수 있다. 차량의 이러한 서브-시스템의 예는 제한 없이, 모터 컨트롤러 및 시스템, 배터리 제어 시스템 및 다른 것을 포함한다.
도 7에 제시된 시스템은 본 개시내용의 양상에 따라 구성되거나 또는 사용할 수 있는 컴퓨터 시스템의 하나의 가능한 예이다. 컴퓨팅 시스템에서 현재 개시된 기술을 구현하기 위해 컴퓨터-실행 가능한 명령어를 저장하는 다른 비일시적인 유형 컴퓨터-판독 가능한 저장 매체가 활용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 개시내용의 실시형태는 이 명세서에서 설명되는 다양한 단계를 포함한다. 단계는 하드웨어 컴포넌트에 의해 수행될 수 있거나 또는 명령어로 프로그래밍된 범용 또는 특수 목적 프로세서가 단계를 수행하게 하도록 사용될 수 있는 기계-실행 가능한 명령어로 구현될 수 있다. 대안적으로, 단계는 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어의 조합에 의해 수행될 수 있다.
다양한 변경 및 추가는 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 논의되는 예시적인 실시형태에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 위에서 설명된 구현예 또는 예로서 또한 지칭되는 실시형태가 특정한 특징을 나타내지만, 본 발명의 범위는 또한 상이한 특징의 조합을 가진 실시형태 및 모든 설명된 특징을 포함하지 않는 실시형태를 포함한다. 따라서, 본 발명의 범위는 이의 모든 등가물과 함께 모든 이러한 대안, 변경 및 변형을 포괄하는 것으로 의도된다.
특정한 구현예가 논의되지만, 이것이 예시 목적만을 위해 수행된다는 것을 이해해야 한다. 당업자라면 다른 컴포넌트 및 구성이 본 개시내용의 정신 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 다음의 설명 및 도면이 예시적이고 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 수많은 구체적인 상세사항은 본 개시내용의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 특정한 경우에, 잘 알려져 있거나 또는 종래의 상세사항은 설명을 모호하게 하는 것을 방지하기 위해 설명되지 않는다. 본 개시내용의 하나의 실시형태 또는 실시형태의 참조는 동일한 실시형태 또는 임의의 실시형태에 대한 참조일 수 있고; 이러한 참조는 실시형태 중 적어도 하나를 의미한다.
"하나의 실시형태" 또는 "실시형태"에 대한 참조는, 실시형태와 관련되어 설명된 특정한 특징, 구조 또는 특성이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 명세서의 다양한 곳에서, 어구 "하나의 실시형태에서", 또는 유사하게 "하나의 예에서" 또는 "하나의 경우에"의 출현은 동일한 실시형태를 반드시 전부 나타내지 않거나 또는 다른 실시형태와 상호 배타적인 별개의 또는 대안적인 실시형태가 아니다. 게다가, 다른 실시형태에 의해서가 아닌 실시형태에 의해 나타날 수 있는 다양한 특징이 설명된다.
이 명세서에서 사용되는 용어는 일반적으로 본 개시내용의 문맥 내에서 그리고 각각의 용어가 사용되는 특정한 문맥에서, 기술의 원래의 의미를 갖는다. 대안적인 언어 및 동의어가 본 명세서에서 논의되는 용어 중 임의의 하나 이상의 용어를 위해 사용될 수 있고, 용어가 본 명세서에서 상세히 설명되거나 또는 논의되든 아니든 특별한 의미를 갖지 않아도 된다. 일부 경우에, 특정한 용어를 위한 동의어가 제공된다. 하나 이상의 동의어의 설명은 다른 동의어의 사용을 배제하지 않는다. 본 명세서에서 논의된 임의의 용어의 예를 포함하는 본 명세서의 어딘가의 예의 사용은 단지 예시적이고 본 개시내용 또는 임의의 예시적인 용어의 범위 및 의미를 더 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 마찬가지로, 본 개시내용은 이 명세서에 제공된 다양한 실시형태로 제한되지 않는다.
본 개시내용의 범위를 제한하려는 의도 없이, 본 개시내용의 실시형태에 따른 기구, 장치, 방법 및 이들의 관련된 결과가 아래에 제공된다. 제목 또는 부제목이 독자의 편의를 위해 예에서 사용될 수 있고, 이는 본 개시내용의 범위를 결코 제한하지 않아야 한다는 것에 유의한다. 달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 및 과학적 용어는 본 개시내용이 속하는 당업자에 의해 흔히 이해되는 바와 같은 의미를 갖는다. 충돌의 경우에, 정의를 포함하는 본 문서는 제어할 것이다.
본 개시내용의 부가적인 특징 및 이점은 후속하는 설명에 제시될 것이고, 부분적으로 설명으로부터 분명해질 것이고 또는 본 명세서에서 개시된 원리의 실행에 의해 학습될 수 있다. 본 개시내용의 특징 및 이점은 첨부된 청구범위에서 특히 주목하는 기구 및 조합에 의해 실현되고 획득될 수 있다. 본 개시내용의 이 특징 및 다른 특징은 다음의 설명 및 첨부된 청구범위로부터 더 완전히 분명해질 것이고 또는 본 명세서에 제시된 원리의 실행에 의해 학습될 수 있다.

Claims (21)

  1. 전기차의 전기화학 디바이스를 충전하기 위한 시스템으로서,
    충전소 인터페이스를 통해 충전 신호를 수신하고, 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 획득된 고조파에 기초하여 상기 전기차의 상기 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호의 형상을 제어하는 충전 신호 정형 회로(charge signal shaping circuit)를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기차의 모터로부터 피드백 충전 신호를 수신하고 획득된 고조파에 기초하여 상기 전기화학 디바이스에 대한 피드백 충전 신호의 형상을 제어하는 재생 충전 신호 정형 회로(regenerative charge signal shaping circuit)를 더 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 충전 신호 정형 회로는 상기 전기차의 모터로부터 재생 충전 신호를 수신하고, 상기 충전 신호 정형 회로는 상기 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 획득된 고조파에 기초하여 상기 재생 충전 신호의 형상을 제어하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 충전소 인터페이스를 통해 수신되는 상기 충전 신호는 상기 충전소 인터페이스로부터 수신되는 직류(direct current: DC) 충전 신호를 포함하는 협상된 충전 신호(negotiated charge signal)인, 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 충전소 인터페이스를 통해 수신되는 상기 충전 신호는 온보드 충전기 회로에 의해 교류(alternate current: AC) 충전 신호로부터 변환되는 직류(DC) 충전 신호를 포함하는 협상된 충전 신호인, 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 충전 신호 정형 회로는,
    전력 레일과 하나 이상의 정형 인덕터(shaping inductor) 사이에 직렬로 연결되는 쌍을 이룬 스위칭 디바이스를 포함하고, 상기 하나 이상의 정형 인덕터는 상기 전기차의 상기 전기화학 디바이스의 전극과 전기 통신하는, 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 충전 신호 정형 회로는,
    상기 하나 이상의 정형 인덕터와 상기 전기차의 상기 전기화학 디바이스의 제2 전극 간에서 전기 통신하는 제2 스위칭 디바이스를 더 포함하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 충전 신호 정형 회로는,
    상기 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 획득된 고조파에 기초하여 제1 제어 신호를 상기 쌍을 이룬 스위칭 디바이스로 그리고 제2 제어 신호를 상기 제2 스위칭 디바이스로 전송하여 상기 전기차의 상기 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호를 정형하는 컨트롤러를 더 포함하는, 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 충전 신호 정형 회로는,
    상기 전기차의 상기 전기화학 디바이스의 충전 동안 개방되고 상기 전기차의 주행 작동 동안 폐쇄되도록 구성 가능한 우회 스위칭 디바이스를 포함하는, 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학 디바이스의 측정된 온도 및 상기 전기화학 디바이스의 작동 온도의 목표 범위에 기초하여 상기 충전 신호 정형 회로로부터 생성된 열을 상기 전기화학 디바이스로 전도하는 열 전달 시스템을 더 포함하는, 시스템.
  11. 전기차의 전기화학 디바이스를 충전하기 위한 방법으로서,
    충전소와 전기 통신하는 전기차의 충전소 인터페이스로부터, 전기화학 디바이스 충전 신호를 수신하는 단계; 및
    전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 획득된 고조파에 기초하여 상기 전기차의 상기 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호의 형상을 제어하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 충전 신호의 형상을 제어하는 것은,
    제1 제어 신호를 충전 정형 회로의 쌍을 이룬 스위칭 디바이스로 전송하는 것; 및
    제2 제어 신호를 상기 충전 정형 회로의 제2 스위칭 디바이스로 전송하는 것
    을 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 제어 신호와 상기 제2 제어 신호는 상기 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 알고리즘에 기초한 펄스 폭 변조 신호인, 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전기차의 충전 작동 상태 동안 우회 스위치를 통한 전류 흐름을 방지하고 상기 전기차의 주행 작동 상태 동안 상기 우회 스위치를 통한 전류 흐름을 허용하도록 상기 우회 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 충전 신호는 온보드 충전 회로를 통해 수신되는, 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 전기차의 모터로부터 재생 충전 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 전기화학 디바이스로의 전류 흐름을 나타내는 값과 연관된 획득된 고조파에 기초하여 상기 재생 충전 신호의 형상을 제어하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 재생 충전 신호의 형상을 제어하는 것은,
    제1 제어 신호를 충전 정형 회로의 쌍을 이룬 스위칭 디바이스로 전송하는 것; 및
    제2 제어 신호를 상기 충전 정형 회로의 제2 스위칭 디바이스로 전송하는 것
    을 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 재생 충전 신호의 형상을 제어하는 것은,
    제1 제어 신호를 인버터 회로의 쌍을 이룬 스위칭 디바이스로 전송하는 것; 및
    제2 제어 신호를 상기 인버터 회로의 제2 스위칭 디바이스로 전송하는 것
    을 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 재생 충전 신호의 형상을 제어하는 것은,
    인버터 회로의 요소를 제어하여 상기 재생 충전 신호를 미리 정형하는 것; 및
    충전 정형 회로의 요소를 제어하여 상기 재생 충전 신호를 더 정형하는 것
    을 포함하는, 방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 전기차의 상기 전기화학 디바이스에 대한 충전 신호의 형상을 제어하는 것은 정형 회로 컨트롤러 회로 또는 모터 컨트롤러 회로에 의해 실행되는, 방법.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 전기화학 디바이스의 측정된 온도 및 상기 전기화학 디바이스의 작동 온도의 목표 범위에 기초하여 상기 충전 신호의 형상을 제어하는 것으로부터 생성된 열을 상기 전기화학 디바이스로 전도하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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