KR102443889B1 - 온보드 고속 충전기를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

온보드 고속 충전기를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

전기 모터를 통해 서로 결합된 복수의 견인 인버터 및 복수의 에너지 저장 디바이스; 제1/제2 견인 인버터 및 전력 소스와 인터페이싱하는 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로; 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로의 동작 특성을 제어하도록 구성된 제어기 회로를 사용하여 구동 및 충전 기능을 모두 제공하는 시스템으로서, 상기 제1/제2 견인 인버터에는 상기 전력 소스로부터 제1/제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하기 위해 상기 제1/제2 견인 인버터의 하나 이상의 스위칭 게이트에 게이팅 신호가 제공된다.

Description

온보드 고속 충전기를 위한 시스템 및 방법
상호 참조
본 출원은, 발명의 명칭이 "SYSTEMS AND METHODS FOR AN ON-BOARD FAST CHARGER"인, 2017년 6월 13일자로 출원된 미국 출원 번호 62518949의 정규 출원이고 그 우선권을 포함하여 모든 이익을 주장하며, 이 기초출원의 내용은 본 명세서에 참고로 원용된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 전력 전자 디바이스 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휴대성 및 중량이 고려되는 응용을 위한 개선된 충전 메커니즘에 관한 것이다.
전력 및 충전 기능을 전달하는 데 있어 문제는 구조적 관점에서 구성 요소들이 무겁고 부피가 크며 비쌀 수 있다는 것이다. 예를 들어, 전기 차량과 관련하여, 충전 스테이션은 전력 소스로부터 전기 차량의 온보드 배터리로 전력을 전송하는데 사용될 수 있다.
충전을 위해 다양한 전력 계층(예를 들어, 볼트 및 암페어)이 제공되는 상이한 레벨의 전력 전달이 존재할 수 있다. 예를 들어, 벽면 소켓에 직접 플러그를 사용하여 낮은 레벨의 충전이 제공될 수 있지만 충전 속도가 느리다(예를 들어, 야간 충전). 충전기 레벨이 높을수록 충전 속도가 빠르지만(예를 들어, 45분 만에 완전 충전) 일반적으로 상당한 인프라 투자가 요구된다.
이 고속 충전 스테이션은 일반적으로 전력 전달 특성이 전력 소스 또는 온보드 배터리의 요구조건과 일치하는 것을 보장하는데 도움을 주는데 요구되는 크고 비싼 전기/자기 구성 요소(electrical/magnetic component)를 포함한다.
이 요구조건은 충전 스테이션에 위치된 특수 장비를 요구하여, 잠재적으로 충전의 채택 및 이용을 방해한다. "고속 충전" 옵션의 이용 가능성이 향상되면 더 높은 사용 회전율을 달성할 수 있어서 충전 액세스를 개선하는 데 도움이 되고, 인프라 요구조건이 줄어들 경우 고속 충전기를 더 확산시키는 것이 가능하다.
전기 차량과 같은 다양한 응용에 적합한 혁신적인 전력 전자 제어 시스템이 제공된다. 일부 실시형태에서, 시스템은 객체가 사용되지 않는 상태에 있을 때(예를 들어, 차량이 정지 상태일 때)에는 온보드 AC 고속 충전(예를 들어, 단상 또는 다상)을 위해 구성되고, 움직이는 상태에 있을 때에는 구동기(예를 들어, 차량의 경우 EV 구동 트레인)로 사용된다.
일부 실시형태에서, 차량이 그리드(grid)에 연결될 때, 회로는 양방향 전력 전송을 허용한다. 차량은 전력 전달을 수행하는데 필요한 추가 전자 및 자기 구성 요소 없이 전력을 다시 그리드로 송신할 수 있다. 단상 또는 다상 온보드 EV 고속 충전을 가능하게 하는 토폴로지 및 관련 제어 회로가 개발 및 검증되었다.
일 실시형태에서, 움직이는 상태에 있을 때, 토폴로지에 따른 회로는 구동기로 동작하지만, 정지 상태에 있을 때에는, 회로는 단상 AC 충전기로서 동작한다. 경쟁 기술과 달리 이 시스템은 객체(예를 들어, 차량)가 AC 고속 충전을 위해 정지 상태에 있을 때 모터를 재사용한다. 이러한 역동적인 모터 재배치는 부품 수를 줄여주어 온보드 AC 고속 충전을 달성하는 데 필요한 자기 구성 요소의 중량을 줄인다.
구동기는 모터 구동기 및 충전기의 역할을 모두 수행한다. 충전기로서 작용할 때, 회로는 저주파수 고조파를 감소시켜, 일부 실시형태에 따라 절연이 필요한 경우 변압기를 갖는 케이블 또는 단독 케이블에 인프라 요건을 감소시키도록 구성된다. 충전기로서 작용할 때, 일부 실시형태의 구동 변환기는 구동 하드웨어를 완전히 이용하는 특수 변조 방식을 통해 스위칭 주파수 고조파를 감소시킨다. 토폴로지는 2개의 에너지 저장 소스(예를 들어, 배터리, 수퍼커패시터, 연료 전지 또는 이들의 조합)를 함께 통합하고, 2개의 저장 소스 사이에 에너지를 능동적으로 교환한다.
따라서, 일부 실시형태에서, 에너지는 리플(ripple) 에너지 함량을 완화시키거나 소스들 간에 에너지 균형을 맞추기 위해 하나의 저장 소스로부터 다른 저장 소스로 전송될 수 있다.
일부 예의 토폴로지는 고전압 모터의 사용을 가능하게 하고, 상당한 고전압 에너지 소스를 이용하지 않고 고전압 AC 그리드 전압을 수용한다. 구체적으로, 토폴로지는 충전할 때 208V 상용, 277V/480V 상용(미국), 240/400V(EU) 및 347V/600V 상용(캐나다)을 포함한 일반적인 상용 입력 AC 전압을 수용하도록 구성될 수 있다.
따라서, 다양한 실시형태는 그리드에 미치는 고조파의 영향을 최소화하면서 모든 일반적인 상용 AC 전압에서 온보드 단상 AC 고속 충전을 가능하게 한다. 예를 들어, (1) EV 모터를 이용하여 구성 요소 수 및 중량을 감소/최소화하고, (2) 그리드에 미치는 고조파의 영향을 감소시키고, (3) 그리드 및 모터로의 스위칭 고조파의 영향을 감소시키고, (4) 에너지 저장 시스템을 2개의 개별 제어 가능한 유닛으로 세분화하고 2개의 에너지 저장 시스템 간에 에너지를 공유하고, (5) 다양한 일반적인 상용 입력 전압을 수용하는 고전압 모터 및 고전압 충전을 가능하게 하는 것을 포함하여 다양한 잠재적인 이익이 있을 수 있다.
일 양태에 따르면, 구동 및 충전 기능을 모두 제공하도록 구성된 디바이스로서, 전기 모터 및 전력 소스에 결합된 제1 견인 인버터 및 제1 에너지 저장 디바이스; 상기 전기 모터 및 상기 전력 소스에 결합된 제2 견인 인버터 및 제2 에너지 저장 디바이스로서, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터는 상기 전기 모터를 통해 서로 결합된, 상기 제2 견인 인버터 및 제2 에너지 저장 디바이스; 상기 제1 견인 인버터와 상기 제2 견인 인버터 및 상기 전력 소스와 인터페이싱하는 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로(AC/DC converter front-end circuit); 및 게이팅 신호(gating signal)를 제공하여 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 동작 특성을 제어하도록 구성된 제어기 회로로서, 상기 게이팅 신호는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 하나 이상의 스위칭 게이트(switching gate)에 인가될 때, 상기 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하는, 상기 제어기 회로를 포함하는, 상기 구동 및 충전 기능을 모두 제공하도록 구성된 디바이스가 제공된다.
다른 양태에 따르면, 상기 게이팅 신호는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 상기 하나 이상의 스위칭 게이트의 인터리브 스위칭(interleaved switching)을 야기하고, 상기 인터리브 스위칭은 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스의 연속 전도(continuous conduction)를 가능하게 하도록 구성되고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 기간에서 적어도 하나의 전도 위상을 통해 전류를 전도한다.
다른 양태에 따르면, 상기 인터리브 스위칭은 가장 중요한 고조파(most significant harmonic)를 3fsw로 이동시킨다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터 각각은 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 통합하는 스위칭 네트워크를 포함하고, 상기 스위칭 네트워크는 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스 각각으로 흐르는 개별 전류를 제어한다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크 각각은 내부 스위치 세트 및 외부 스위치 세트를 갖는 적어도 6개의 스위치를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 상기 게이팅 신호는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 양단의 전압이 상기 전력 소스의 입력 전압과 일치하도록 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 사이의 전력의 균형을 맞추도록 상기 스위칭 네트워크를 제어한다.
다른 양태에 따르면, 상기 내부 스위치 세트 및 상기 외부 스위치 세트는 스위칭 기간에서 동일한 온-타임(on-time) 퍼센트를 갖는다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크와 상기 제2 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크 사이의 상기 게이팅 신호는 180도만큼 위상 이동된다.
다른 양태에 따르면, 상기 스위칭 네트워크의 상기 스위치의 쌍들 사이의 상기 게이팅 신호는 120도만큼 위상 이동된다.
다른 양태에 따르면, 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로의 스위치는 상기 전력 소스의 그리드 전압에 동기화된다.
다른 양태에 따르면, 상기 제어기 회로는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 중 적어도 하나가 상기 전력 소스로 전력을 전달하는 양방향 동작을 수행하도록 더 구성된다.
다른 양태에 따르면, 상기 게이팅 신호는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 중 적어도 하나와 상기 전력 소스 사이의 전력의 방향을 조절한다.
다른 양태에 따르면, 상기 전기 모터는 차량에 장착되고, 상기 전기 모터는, 상기 전기 모터가 상기 차량을 이동시키는 힘을 부여하는 구동 기능을 제공하는 제1 모드, 및 상기 전기 모터가 상기 전력 소스에 전기적으로 결합될 때 충전 기능을 제공하는 제2 모드를 포함하는 이중 모드 동작을 수행하도록 구성된다.
다른 양태에 따르면, 단방향 전류 전도 가능 스위치는 상기 전력 소스와 단방향 전력 교환을 가능하게 한다.
다른 양태에 따르면, 양방향 전류 전도 가능 스위치는 양방향 전력 교환을 가능하게 한다.
다른 양태에 따르면, 상기 제어기 회로는 그리드 측의 역률(power factor)을 조절하고, 상기 그리드로부터 차량을 충전할 때 발생되는 저주파수 고조파의 크기를 감소시키도록 적응된 제어 신호를 생성하도록 구성된다.
다른 양태에 따르면, 상기 제어기 회로는 상기 역률을 개선하고, 상기 변환기의 AC 단자에서 발생되는 고조파 전류 성분을 감소시켜, AC 측 필터의 요구를 감소시키거나 제거하도록 구성된다.
다른 양태에 따르면, 상기 전력 공급원은 단상 AC 전력을 제공한다.
다른 양태에 따르면, 상기 전력 공급원은 3상 AC 전력을 제공한다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 양단의 순 전압은 상기 전력 공급원으로부터 수신된 피크 전압보다 항상 더 크도록 상기 제어기 회로에 의해 유지된다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 동일한 유형의 에너지 저장 디바이스이다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상이한 유형의 에너지 저장 디바이스이다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 모두 배터리이다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 모두 커패시터이다.
다른 양태에 따르면, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 적어도 하나의 커패시터 및 적어도 하나의 배터리를 포함한다.
다른 양태에 따르면, 상기 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하는 것은 상기 전력 소스에 부과되는 전력의 파형 왜곡을 감소시키도록 적응된다.
다른 양태에 따르면, 상기 차량은 자동차, 비행기 및 선박 중 적어도 하나이다.
대응하는 방법, 차량, 시스템 및 제어기 회로가 고려된다.
다른 양태에서, 게이팅 제어를 위한 방법은 실행될 때 프로세서 또는 펄스 폭 변조기가 본 명세서에 설명된 게이팅 제어 방법을 수행하여 하나 이상의 스위칭 네트워크를 제어하게 하는 기계 해석 가능한 명령을 저장하는 대응하는 컴퓨터 판독 가능 매체의 형태로 제공된다. 다양한 추가 양태에서, 대응하는 시스템 및 디바이스, 및 이러한 시스템, 디바이스 및 방법을 구현하기 위한 기계 실행 가능 코딩된 명령 세트와 같은 논리 구조가 제시된다.
이와 관련하여, 적어도 하나의 실시형태를 상세히 설명하기 전에, 본 실시형태는 응용에서 이하의 설명에서 제시되거나 도면에 도시된 구성 요소의 구성 및 배열의 상세로 제한되지 않는 것으로 이해된다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것일 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 되는 것으로 이해된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시 내용을 읽은 후 본 명세서에 기술된 실시형태에 관한 많은 추가 특징 및 그 조합을 용이하게 인식할 수 있을 것이다.
도면에는 실시형태가 예로서 도시되어 있다. 설명 및 도면은 단지 예시의 목적을 위한 것이고 이해를 돕기 위한 것으로 명백히 이해된다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적인 것으로서 실시형태를 설명할 것이다.
도 1a는 9상 견인 시스템에 기초한 통합 충전기의 일례를 도시한다.
도 1a에서, 기계의 중립 점은 3상 AC 입력에 직접 연결되어 AC 그리드와 견인 시스템 사이에 추가 하드웨어를 요구하지 않는다.
도 1b는 단상 AC 시스템을 통해 통합 충전을 위한 토폴로지를 도시한다.
도 1c는 단상 AC 소스로부터 충전하기 위해 병렬 연결된 견인 인버터 세트 및 2개의 모터를 도시한다.
도 1d는 두 배터리를 충전하는데 이용되는 단일 충전기를 도시하는 회로 토폴로지이다.
도 2a는 일부 실시형태에 따라 단상 충전 구성을 도시하는 회로 토폴로지이다.
도 2b는 일부 실시형태에 따라 3상 충전 구성을 도시하는 회로 토폴로지이다.
도 2c 및 도 2d는 일부 실시형태에 따라 온보드 통합 충전 및 구동 시스템의 회로도이다.
도 2e는 일부 실시형태에 따라 단상 충전 구성을 도시하는 회로 토폴로지이다.
도 2f는 모터의 전기 모델의 회로도이다.
도 3a는 일부 실시형태에 따라 상부 모듈의 회로 모델이다.
도 3b는 일부 실시형태에 따른 평균 모델이다.
도 4는 일부 실시형태에 따라 내부 스위치(Vsa, isa, i1a 및 i2a)에 대한 예시적인 게이팅 신호를 도시한다.
도 5는 일부 실시형태에 따라 인덕터 전류 리플을 나타내는 플롯이다.
도 6은 일부 실시형태에 따라 d = 0.53에서 동작하는 내부 스위치에 대한 상보적이고 인터리브된 스위칭 시퀀스의 플롯이다.
도 7은 일부 실시형태에 따른 위상 전류의 플롯이다.
도 8은 일부 실시형태에 따른 제어도이다.
도 9는 일부 실시형태에 따라 정류된 전류 파형 및 푸리에 분해의 플롯을 포함한다.
도 10은 일부 실시형태에 따라 시뮬레이션 모델의 개략도이다.
도 11a 및 도 11b는 일부 실시형태에 따라 통합 충전 및 구동 시스템을 사용하여 단상 AC 충전 상태를 시뮬레이션한 결과를 포함한다.
도 12a 및 도 12b는 그리드 고조파를 감소시키지 않는 대안적인 전류 제어기가 사용되는 예시적인 경우의 파형도이다.
도 13은 일부 실시형태에 따라 능동 프론트-엔드를 사용하는 시뮬레이션 모델의 개략도이다.
도 14는 일부 실시형태에 따라 능동 프론트-엔드 시스템의 동작을 보여주는 단상 AC 충전 파형이다.
도 15a 및 도 15b는 전력이 그리드로부터 차량으로 전달되고 차량으로부터 그리드로 각각 전달될 때 능동 프론트-엔드를 갖는 통합 충전기 및 구동 시스템을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
방법, 시스템 및 장치의 실시형태는 도면을 참조하여 설명된다. 다음의 논의는 본 발명의 주제의 많은 예시적인 실시형태를 제공한다. 각각의 실시형태는 본 발명의 요소의 단일 조합을 나타내지만, 본 발명의 주제는 개시된 요소의 모든 가능한 조합을 포함하는 것으로 고려된다. 따라서, 일 실시형태가 요소(A, B 및 C)를 포함하고, 제2 실시형태가 요소(B 및 D)를 포함하면, 본 발명의 주제는 또한 명시적으로 개시되지는 않았더라도 A, B, C 또는 D의 다른 나머지 조합을 포함하는 것으로 고려된다. 본 명세서에 기술된 디바이스, 시스템 및 방법의 실시형태는 전자 구성 요소, 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어 및/또는 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있다. 이 실시형태는 프로그래밍 가능 컴퓨터 또는 전자 디바이스에서 구현될 수 있다.
전기 차량은, 예를 들어, 자동차, 트럭, 비행기, 선박, 무인 항공 디바이스 등을 포함한다. 이러한 모든 차량은 구동 특성을 제공할 뿐만 아니라 전력 온보드 전자 구성 요소를 제공하는 전기 모터를 포함할 수 있다. 이러한 전기 모터는 종종 온보드 에너지 저장 매체(예를 들어, 배터리)의 범위에 의해 제한되며 일상적인 충전을 요구한다. 충전 속도는 이용 가능한 인프라에 의해 영향을 받을 수 있으며, 예를 들어, 높은 레벨의 전력 흐름을 전달하기에는 전기 그리드가 적절히 갖춰져 있지 않을 수 있으므로 고속 충전을 얻기 위해서는 인프라 개선이 요구될 수 있다.
전기 그리드는 높은 레벨의 전력 흐름을 제공할 때 종종 전력 왜곡을 야기하며, 이 전력 왜곡은 온보드 에너지 저장 매체에 제공되기 전에 해결될 필요가 있다. 따라서, 소스로부터의 전력은 (예를 들어, 전력 성형(power shaping)을 통해) 왜곡을 제거할 필요가 있고, 왜곡을 제거하는 것은 상당한 자기 구성 요소를 요구하는 어려운 과제이다. 충전 인프라는 충전 스테이션에 제공되거나 또는 일부 경우에 온보드 충전기 형태로 차량에 제공될 수 있다.
전형적인 온보드 충전기는 일반적으로 갈바닉 절연(galvanic isolation)과 함께 AC 그리드에 연결된 DC/AC 스테이지 및 DC/DC 스테이지로 구성된다. DC/DC 스테이지는 배터리 전압의 변화를 수용할 수 있다.
이 온보드 충전기는 자동차에 추가된 구성 요소이고, 이는 자동차에 비용과 중량을 추가하고 차량이 움직일 때에는 사용되지 않는다. 특히, 온보드 충전기는 비싸고 부피가 있는 매우 무거운 자기 구성 요소를 포함할 수 있다. 차량 중량은 특히 차량 수명 동안 차량의 효율적인 동작을 방해하고, 부피의 증가는 차량에서 이용 가능한 전체 저장 공간을 줄인다.
AC 레벨 충전의 요약이 표 1에 도시되어 있다. AC 레벨 1 충전의 경우, 정류기 및 DC/DC 변환기는 일반적으로 간단한 "플러그인 및 충전" 기능을 제공하기 위해 차량에 설치된다. 이 전력 레벨의 충전기는 배터리에 최대 1.4kW를 전달하고, 이용 가능한 120V 단상 주거용 전력 콘센트에 플러그될 수 있다. AC 레벨 2 충전기는 240V 단상 또는 3상 사설 또는 공중 콘센트로부터 4kW 내지 19.2kW의 EV 충전을 제공한다. AC 레벨 3 충전은 상용 고속 충전 스테이션에서 이용 가능할 수 있지만 50kW 초과의 전력 레벨을 공급하기 위해서는 전용 오프-보드 하드웨어를 요구한다.
충전기의 복잡성을 해결하기 위해, 결합된 견인 및 충전 시스템이 연구되었다. 다양한 실시형태에서, 제안된 접근법은 충전을 위해 온보드 견인 구성 요소를 구성하여 배터리 충전기의 복잡성을 제거하거나 크게 줄이는 것이다.
수보틱(Subotic) 등은 9상 견인 시스템에 기반한 통합 충전기를 제안했다[2]. 도 1a에 도시된 바와 같이, 기계의 중립 점은 3상 AC 입력에 직접 연결되어, AC 그리드와 견인 시스템 사이에 추가 하드웨어를 요구하지 않을 수 있다. 이 토폴로지는 또한 충전 과정에서 차량 추진을 위한 순 토크를 생성하지 않는다.
통합 충전을 위한 다른 다상 기계는 [3]에 요약되어 있다. 단상 AC 시스템을 통한 통합 충전 면에서, 도 1b는 펠레그리노(Pellegrino) 등에 의해 제안된 토폴로지를 도시한다. 이것은 정류기를 통해 단상 AC 소스와 인터페이싱하는 PFC 부스트 변환기로서 견인 시스템을 사용한다[4]. 도 1c에서, 탱(Tang) 등은 단상 AC 소스로부터 충전하기 위해 병렬 연결된 견인 인버터와 2개의 모터 세트를 사용하여 정류기를 요구하지 않는다[5].
어느 토폴로지든지 간에, 충전기는 추가적인 DC/DC 변환기를 요구하지 않아서, 전기 차량 공급 장비(EVSE)의 중량, 부피 및 비용상의 고려를 해결한다. 그러나 두 경우 모두, 최소 허용 배터리 전압은 AC 전력망(mains)의 피크 전압을 항상 초과해야 한다.
Figure 112020003794177-pct00001
구동 응용을 위해, 이중 인버터 견인 시스템은 DC/DC 전력 변환기 또는 추가의 자성 재료를 사용하지 않고 2개의 견인 인버터를 사용하여 속도 범위 및 배터리 통합을 증가시켜, 전기 차량에 매력적인 효율적이고 경량의 솔루션을 제공한다([6]-[11]).
이중 인버터 구동기와 관련된 문제는 2개의 독립적인 배터리를 충전할 필요성이 있다는 것이다. 홍(Hong) 등은 하나의 충전기를 이용하여 2개의 배터리를 모두 충전할 수 있다는 것을 보여주었다[12]. 도 1d에 도시된 바와 같이, 1차 배터리는 독립형 충전기를 사용하여 충전되는 반면, 2차 배터리는 견인 시스템을 통해 1차 배터리로부터 충전된다.
결합된 구동기 및 고속 충전기
일부 실시형태에서 임의의 AC 전력 콘센트로부터 비용 효율적이고 편리한 EV 충전을 제공하는 새로운 통합 충전기를 도입하는 제안된 변환기 토폴로지가 제공된다.
제안된 토폴로지에서, 충전을 위해 전기 모터에서 이용 가능한 기존의 자기 구성 요소를 재사용하는 것과 관련하여 혁신적인 제어 메커니즘을 사용하는 것을 통해 기존의 온보드 충전기 설계의 많은 또는 모든 추가 자기 구성 요소를 제거할 수 있다. 대응하는 시스템, 회로, 메커니즘, 방법 및 컴퓨터 판독 가능 매체가 또한 제공된다.
일부 실시형태에서, 제어기는 특별히 구성된 변환기 토폴로지와 함께 사용하기 위해 제공되며, 이 제어기는 특별히 구성된 변환기 토폴로지의 스위치에 인가될 때 회로 구성 요소를 통해 전력을 전송하도록 구성된 변환기를 제어하는 제어 명령을 제공한다. 일부 실시형태에서, 제어기는 제안된 변환기 토폴로지와 별도로 제공될 수 있다.
제안된 변환기는 구동기로도 동작하고 AC 고속 충전기로도 동작할 수 있다. 일부 실시형태에서, AC 고속 충전기 기능은 모터가 두 시나리오에서 사용될 때 추가적인 자기 요소 없이 추가되어서, 차량의 설치된 구성 요소를 이용하는 비용 효율적인 솔루션을 제시한다(즉, 회로 제어에 대한 혁신적인 접근 방식과 함께 기존 구성 요소를 재사용할 수 있다). 이들 설치된 구성 요소(즉, 기존 구성 요소)는, 예를 들어, 고속 충전에 사용될 수 있는 실질적인 전기 및 자기 구성 요소를 포함한다. 따라서 중량 및 부피를 절감하는 것이 가능하다.
따라서 발생하는 사소하지 않은 기술적 문제는 (전기 모터의 전기-기계 구성 요소를 이용하여) 이 구성 요소의 동작 특성을 제어하여 구동 기능과 고속 충전 기능을 모두 제공하는 것이다. 특정 제어 기술 및 방법(예를 들어, 아날로그/디지털 신호 제어, 상보적 스위칭, 게이팅)과 함께 하나 이상의 토폴로지를 사용하여 구성 요소들 사이에 에너지를 전송하는 다양한 실시형태가 설명된다. 이들 토폴로지는 다른 특징들 중에서도 특히 전력/전류/전압 성형 개선, 전력 처리 개선, 및 왜곡 감소를 제공하도록 설계될 수 있다. 다른 접근법은 다른 것들 중에서도 특히 인터리브 스위칭, 인덕터 전류 제어, 에너지 균형 맞춤의 적용을 포함한다.
구동기로서, 토폴로지는 고전압 모터의 사용을 가능하게 하도록 구성되고, 충전기로서, 토폴로지는 이중 스테이지 역률 보정 변환기와 유사하게 동작하는 것에 의해 저주파수 고조파를 최소화하도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태의 토폴로지는 충전할 때 208V 상용, 277V/480V 상용(미국), 240/400V(EU) 및 347V/600V 상용(캐나다)을 포함하는 일반적인 상용 입력 AC 전압을 수용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 예시적인 구현은 기존 인프라와의 호환성을 개선하거나 보장하는데 장점을 제공할 수 있다.
예시적인 제안된 온보드 통합 충전 및 구동 시스템이 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있고, 여기서 정류기는 2개의 견인 인버터의 차동 연결을 통해 연결되어 독립형 충전기 없이 이중 저장 매체의 고속 충전을 가능하게 한다.
이 도면에서 2개의 에너지 저장 소스는 배터리이지만, 임의의 에너지 저장 소스(즉, 배터리, 수퍼커패시터, 연료 전지 또는 이들의 임의의 조합)가 사용될 수 있다. 다양한 에너지 저장 소스를 가질 때 개선이 있을 수 있다. 예를 들어, 회로를 통해 전력 흐름을 제어할 때 특성의 차이가 (예를 들어, 배터리와 함께 커패시터) 이용될 수 있다. 설명을 위해 배터리가 사용되지만 설명된 대로 배터리를 갖는 예로 제한되는 것은 아니며 에너지 저장 소스의 다른 유형 또는 조합도 가능하다.
예시적인 토폴로지의 구조는 2개의 견인 인버터를 통해 간접적으로 직렬로 연결되는 2개의 저전압 배터리를 제공한다. 이 예시적인 구성은 전압 범위가 확장되어 부스트 유형 변환기 없이도 정류기의 입력에 더 높은 입력 AC 전압을 수용할 수 있다는 것을 의미한다.
A. 단상 AC 충전
단상 충전 구성이 도 2a에 도시되어 있다. 이 예의 AC 전력 콘센트는 제안된 온보드 통합 충전 및 구동 시스템에 직접 연결된다. 절연 변압기는 요구 조건에 따라 필요하지 않을 수 있으며, 일부 실시형태에서는 포함될 수도 있다. 필요한 경우 변압기 자체를 충전 스테이션에 설치할 수도 있다.
일 실시형태의 견인 구성 요소는 개선된 전압 범위를 갖는 DC/DC 변환기로서 동작하고, 충전 과정 동안 발생하는 고조파가 AC 그리드로 전파되는 것을 최소화하기 위해 혁신적인 변조 및 제어 방법이 적용된다.
일부 실시형태에서, 이중 견인 인버터의 차동 단자에서 최대 예상 입력 전압(V in )은 AC 소스의 피크 전압이고, 이에 따라 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리) 전압의 합은 모든 충전 상태 조건 하에서의 피크 전압보다 더 높아야 하는 것이 요구된다. 이러한 설계는 전용 배터리 충전기를 사용하지 않고 AC 전기 차량을 충전할 수 있게 하여, 비용, 중량, 공간, 효율성 절감 및 고객/사용자의 편의성을 위한 상당한 잠재력을 가질 수 있게 한다.
B. 3상 AC 충전
예시적인 3상 충전 구성이 도 2b에 도시되어 있다. 충전 인터페이스는 단상 구성과 거의 동일하다. 3상 구성에 비해 단상의 이익은 견인 인버터가 정류된 단상 AC 파형을 추적하고 그리드에 미치는 고조파의 영향을 최소화하도록 동작될 수 있다는 것이며, 이는 3상 AC 정류기에서는 가능하지 않은 것이다.
그럼에도 불구하고, 3상 연결이 가능하지만, 유도된 고조파를 필터링하기 위해 추가적인 충전 인프라가 설치되는 것이 필요할 수 있다.
C. 대안적인 구성
제안된 온보드 통합 충전 및 구동 시스템의 상세한 회로도가 도 2c 및 도 2d에 도시되어 있다. 이 시스템에 고유한 대칭성이 있는 것으로 인해, AC/DC 스테이지(예를 들어, AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로)의 출력을 위한 2개의 가능한 연결 점이 있다. 두 구성 모두에서 배터리 팩은 각각의 상부 및 하부 인버터에 연결된다.
입력은 견인 시스템의 외부 또는 내부 차동 레일에 연결될 수 있다. 비록 도 2d에 제시된 구성에 대한 입력이 반전되어 있지만, 두 구성은 모두 제어 방법에 약간의 차이만 있고 동일한 충전 기능을 제공한다. 도 2c에 도시된 구성에서 다양한 실시형태가 가능하다.
일부 실시형태의 동작 원리
도 2e에 도시된 바와 같이 온보드 충전기로도 동작하고 구동기로도 동작하는 예시적인 토폴로지가 제공된다. 구동기로서, 토폴로지는 일반적으로 EV가 움직이는 상태에 있을 때 이중 인버터 구동기로 동작한다. 혁신적인 단계는 온보드 충전기와 구동 시스템을 통합하는 것이고, 구동 시스템은 충전 모드에서 DC/DC 변환기로 동작한다. 이러한 통합을 제공하기 위해 다양한 기능과 구조적 특징이 제안된다.
구체적으로, 잠재적인 동작 원리는 도 3b에 도시된 평균 모델을 통해 분석된다. 일부 실시형태에 따라, 스위칭 고조파 성능을 개선하고 설치된 구성 요소를 이용하기 위한 변조 방식이 또한 제공된다. 상부 모듈의 회로 모델이 도 3a에 도시되어 있다.
도 3b의 평균 모델에 내장된 것은 모터를 인덕턴스로 나타낸 것이다. 일부 실시형태에서, 영구 자석 동기 모터(PMSM)가 사용된다. 모터의 전기 모델에 관하여 일례는 도 2f에 도시되어 있고(Fitzgerald, A. E., Kingsley, C., & Kusko, A. (1971). 전기 기계: 전기 기계 에너지 변환의 공정, 디바이스 및 시스템. New York: McGraw-Hill), 여기서 Efa로 표시된 역 EMF는 모터의 회전 속도에 의존한다. 모터가 회전하지 않으면 Efa는 0이 되고 모터 모델은 인덕턴스로 감소한다. 이 시스템은 PMSM을 사용하는 것으로 제한되는 것은 아니며, 실시형태는 다른 모터 유형을 사용하는 것을 포함하는 것으로 이해된다.
A. 평균 모델
스플릿(split)형 배터리 팩의 경우와 같이 동일한 에너지 저장 매체를 통합하기 위해 이중 인버터의 평균 모델이 개발되었다. 배터리 팩을 균형 맞추는 것은 이 설명에서 더 제시된다. 다중 레벨 변환기를 위한 하프-브리지 네트워크의 동적 모델은 [13]에서 개발되었지만 또한 모델을 사용하여 평균 스위치 모델을 나타낼 수도 있다.
6개의 하프-브리지 변환기 각각은 이상적인 제어된 전압 소스로서 모델링될 수 있다. 전압은 저장 유닛이 삽입되는 지속 시간에 의존한다. 배터리 전류(i1 및 i2)는 전력 균형으로부터 도출된다. 전력 흐름은 양방향일 수 있지만, Vin은 이 예에서 입력으로 제공되고 V1 및 V2는 출력으로 제공된다.
도 3b에서, 각각의 하프-브리지는 다음과 같이 모델링된다:
V1i = d1iV1 (1)
V2i = d2iV2 (2)
여기서 3개의 인터리브된 DC/DC 스테이지에 대해 i = {a, b, c}이다.
V2i가 상부 스위치 세트 대신 하부 스위치 세트에 걸쳐 측정된 평균 전압이라는 것을 제외하고는, 이 예의 2개의 인버터는 동일한 것으로 인해 상부 모듈에 스위치 네트워크만이 도시되어 있다. (1) 및 (2)에 도시된 바와 같이, 듀티 사이클은 각각의 에너지 저장 매체(예를 들어, 배터리)의 전압(V1 및 V2)이 삽입되는 지속 시간을 조절한다. 따라서, 각각의 스위치 세트에 걸친 평균 전압은 관련된 에너지 저장 매체(예를 들어, 배터리)의 전압의 분율(fraction)이다. 단일 하프-브리지에 대한 스위치 평균은 또한 [14]에서 논의되었다.
다음 관계, 즉,
d1 = d1i (3)
d2 = d2i (4)
는 이 분석을 위해 상부 및 하부에서 동일한 하프-브리지 스위치 네트워크를 가정하는데 유효하다는 것이 주목된다.
KVL을 (손실을 무시하고) 임의의 위상에 적용하면 전압 변환 비율은 다음과 같다:
Vin = V1d1i + V2d2i (5)
이상적인 대칭 시스템에서 d1i = d2i = d라고 가정하면 다음과 같이 된다:
Vin=(V 1 +V 2 )d (6a)
Figure 112020003794177-pct00002
변환 비율은 부스트 변환기의 변환 비율과 유사하여, 부스트 동작을 가능하게 하기 위해
Figure 112020003794177-pct00003
을 제안한다는 것이 주목된다. 이것은 충전 스테이션의 DC 출력 전압이 60V 내지 500V이고[15] EV 배터리 셀의 각각의 스트링이 300V 내지 500V에 이르기[16] 때문에 EV 충전하는데 제한 요소가 되는 것은 아니다.
각 모듈에 하나의 배터리 스트링을 할당하는 것에 의해 최소 출력 전압이 입력 전압을 항상 초과한다. 또한 배터리 관리 시스템은 제조업체가 지정한 최소 전압 이하로 배터리가 방전되지 않도록 한다.
도 3b는 DC 입력 전류가 인덕터 전류의 합이라는 것을 도시한다:
idc = isa + isb + isc (7)
출력 전류(i1 및 i2)는 전력 균형으로부터 도출될 수 있다:
V1i1 = V1d1(isa + isb + isc) (8a)
i1 = idcd1 (8b)
i2 = idcd2 (8c)
여기서 i1 및 i2는 각 모듈에서 듀티 사이클에 의해 설정된 DC 입력 전류의 분율이다.
표 2는 스위치와 관련된 스위칭 상태와, 스위치의 상보적인 동작에 기초한 상부 모듈과 하부 모듈의 상태를 나타내는 표이다.
Figure 112020003794177-pct00004
수식 (8)을 사용하면 각 배터리 팩에 공급되는 평균 전력은 다음과 같다:
P1 = V1idcd1 (9a)
P2 = V2idcd2 (9b)
배터리로의 평균 전류는 결합된 고정자 전류 및 듀티 사이클의 함수이다. 하프-브리지 스위치 네트워크의 적절한 스위칭 동작(및 대응하는 제어)을 통해, 일부 실시형태의 충전기는 개별 배터리 팩 전류를 효과적으로 제어할 수 있다.
스위칭 시퀀스
예시적인 예에서, d1i 및 d2i는 내부 스위치(S1i' 및 S2i)에 각각 매핑된다. 예를 들어,
Figure 112020003794177-pct00005
상보적인 스위칭: 상보적인 전략이 상부 모듈과 하부 모듈 사이의 스위치에 적용된다. 따라서, 다음 분석은 상(phase) "a"에 미치는 상보적 스위칭의 영향을 조사한다. 내부 스위치에 대한 게이팅 신호(Vsa, isa, i1a 및 i2a)가 도 4에 도시되어 있다.
균형 잡힌 부하 조건 하에서 "내부" 및 "외부" 스위치의 각각의 쌍은 하나의 스위칭 기간에서 동일한 온-타임(on-time) 퍼센트를 갖는다. 그러나 두 모듈 사이의 게이팅 펄스는 [17]에 설명된 대로 180° 위상 이동될 수 있다. 게이팅 펄스의 이러한 전략적 오버랩은 인덕터의 에너지 변동을 잠재적으로 감소시켜 예를 들어 스위칭 주파수의 2배의 리플 전류를 절반으로 할 수 있다.
V1 = V2 = Vo(이상적인 대칭 시스템)의 피크 대 피크 인덕터 전류 리플은 다음과 같다:
Figure 112020003794177-pct00006
여기서 두 번째 수식은 수식 (6b)과 수식 (11a)을 결합시키는 것에 의해 도출된다.
도 5에서 수식 (11b)을 나타내면, 이 수식은 하나 이상의 바람직한 실시형태의 회로 토폴로지의 특징 중 하나를 강조하는데, 즉, 인덕터 에너지 변동 또는 전류 리플은 전압 차이(Vin - Vo)에 의존한다는 것이 드러난다. 배터리 팩이 균형을 이루고 V1=V2=Vin인 경우에는 인덕터 전류 리플이 0이 된다는 것이 주목된다. 공급 라인의 왜곡을 최소화하기 위해 이상적인 동작 범위는
Figure 112020003794177-pct00007
에 중심을 둔다.
i1i로 표시된 임의의 위상으로부터 i1 및 i2의 분기 전류는 스위치 네트워크가 불연속적으로 전도하는 것으로 인해 맥동한다:
Figure 112020003794177-pct00008
인덕터 리플은 또한 배터리로 전파된다는 것이 주목된다. 인덕터 리플은 분기 전류를 합산하는 것에 의해 생성된 맥동 전류에 비해 무시될 수 있으므로, 상보적인 스위칭은 배터리 전류에 미치는 영향을 최소화한다. 따라서 배터리에서 전류 고조파를 최소화하기 위해 병렬 위상들 간 인터리브된 스위칭이 사용될 수 있다. 제안된 스위칭 방법은 또한 DC 입력에서 스위칭 리플을 줄인다.
2) 인터리브 스위칭: 이 스위칭 전략은 이중 인버터 기반의 통합 충전기에서 이전에 연구되지 않았다. 도 6에 도시된 바와 같이, 위상 a(602), b(604) 및 c(606) 사이의 게이팅 펄스는 120°만큼 위상 이동될 수 있다. 이것은 idc에서 관찰된 피크 리플을 추가로 감소시킨다. i1 및 i2는 전류 흐름(608 및 610)에서 도시되어 있다.
고정자 전류의 위상 이동으로 인해, 피크 대 피크 idc는 동위상 스위칭을 사용하여 생성된 리플의 약
Figure 112021066806025-pct00009
이며, 가장 중요한 스위칭 성분(most significant switching component)은 6차 고조파로 이동된다.
도 7은 위상 인터리빙이 출력 전류(i1 및 i2)에 미치는 영향을 도시한다. 이전에 논의한 바와 같이, 모든 스위치의 전류는 스위칭 패턴에 관계없이 "절단(chopped)"된다. 인터리빙이 적용되지 않으면 상부 플롯(702)의 위상 전류들이 오버랩된다. 인터리브 스위칭(전류(704, 706, 708)가 도시되고 서로 인터리브됨)은 리플 주파수를 증가시키고 피크 대 피크 리플을 감소시킨다.
필터링되지 않은 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)의 전류는 내부 스위치의 맥동 전류의 합이다:
Figure 112020003794177-pct00010
불연속 전도로 인한 스위칭 리플을 줄이거나 최소화하기 위해 인터리브 스위칭은
Figure 112020003794177-pct00011
의 경우 i1 및 i2를 연속적으로 전도할 수 있게 한다. 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)의 전류는 (예를 들어, 기간에서) 3상 중 적어도 하나의 위상을 통해 전도된다. 도 7의 세 번째 플롯은 d = 0.53에서, 인터리빙이 리플 성분의 대략
Figure 112020003794177-pct00012
을 초래하고, 가장 중요한 고조파가 3fsw로 이동된 것을 도시한다. i1 및 i2의 총 고조파 왜곡에 인덕터 전류 리플이 기여하는 것은 이 동작 점에서는 무시될 수 있다.
요약하면, 제안된 스위칭 시퀀스 생성은 2fsw, 6fsw, 3fsw에서 각각 Δis,abc, Δidc, 및 Δi1 ,2이다. 이는 효과적으로 THD 및 반도체 손실을 줄인다. 피크 대 피크 출력 전류 리플을 감소시키면 또한 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)의 용량의 쇠퇴(fade) 및 임피던스의 저하를 방지하는 데 도움을 준다[18].
제어 전략
토폴로지는 저주파수 고조파 성분을 줄이고 두 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리) 간에 에너지를 전송하기 위해 적절한 제어를 적용할 때 이용된다.
균형 잡힌 에너지 소스를 가진 이상적인 대칭 시스템은 이전의 절에서 연구되었다는 것을 상기하자. 이를 통해 제어기는 상부 모듈과 하부 모듈에 모두 동일한 듀티 사이클을 설정할 수 있다. 절연된 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리) 팩이 충전 과정 동안 다른 충전 상태를 갖는 시나리오를 해결하기 위해 듀티 사이클은 다음과 같이 정의된 합계 및 차이 항으로 분해된다:
Figure 112020003794177-pct00013
DC 충전기의 목적은 1) 합계 성분을 사용하여 DC 인덕터 전류를 조절하는 것, 및 2) 차이 성분을 사용하여 스플릿형 에너지 소스에 저장된 에너지를 균일화하는 것이다. 두 항 사이에 결합이 존재할 수 있다는 것이 주목된다.
A. 인덕터 전류 제어
도 8에서, 3개의 병렬 위상을 전류 제어하기 위한 예시적인 구현이 제공된다. 이 전류 제어에서 인덕터 전류는 입력 전류 기준의 1/3을 추적한다. 또한 역률 보정을 구현하기 위해, 각 고정자 권선의 전류 기준(isre f ,abc)은 정규화된 정류된 AC 전압의 스케일링된 버전이다.
시스템의 동역학에 대한 수식은 KVL을 평균 모델에 적용하는 것에 의해 생성된다:
Figure 112020003794177-pct00014
Figure 112020003794177-pct00015
여기서 d1i와 d2i는 (16)에 따라 ∑d와 Δd로 대체되었다. 이상적으로, 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)의 전압이 균형 맞춰지면, 합계 항만이 입력 전류를 유도한다. 그러나, 차이 항은 전류 제어기에 결합된다. 안정성 문제를 피하기 위해 전압 균형 맞춤 제어기는 전압의 동역학에 상당히 느린 응답을 갖도록 설계된다. 따라서, (V1-V2)Δdi는 전류 제어기의 시간 스케일에서 DC 오프셋으로 고려될 수 있다.
B. 전력 성형
단상 시스템에서, 프론트-엔드는 사용되는 전력 스위치의 유형에 따라 수동 정류기 또는 능동 정류기일 수 있다. 수동 정류기는 단방향 전력 흐름을 가능하게 하는 다이오드 풀-브리지로 구성되고, 본 출원에서 이것은 AC 그리드로부터 차량을 충전하는 데 사용된다. 능동 정류는 차량으로부터 그리드로 전력을 전송할 수 있기 위해 IGBT와 같은 양방향 스위치를 사용할 수 있다.
어느 구성이든지 간에 인덕터 전류는 AC 그리드에서 저주파수 고조파를 제거하도록 제어될 수 있다. 이것은 인덕터 전류 기준을 성형하여 인덕터 전류 기준이 그리드로부터 차량을 충전할 때 정류된 그리드 전압과 동위상이 되도록 하고 전력을 다시 그리드로 송신할 때 평균 전류가 음이 되도록 반전시킴으로써 달성된다. 제어 구현에는 그리드 전압을 측정하기 위해 전압 센서가 필요하다.
능동 구성에서 프론트-엔드 스위치는 그리드 전압에 동기화된다. 이중 인버터의 입력에서 정류된 정현파를 얻기 위해, 도 14에 도시된 바와 같이, 사이클의 하나의 절반 동안 스위치의 절반이 켜지고 이후 사이클의 다른 절반 동안 다른 스위치 세트가 켜지도록 프론트-엔드를 제어한다. 또한 AC 측의 단락을 방지하기 위해 스위치 켜기와 끄기 사이의 데드-타임(dead-time)이 구현된다. 수동 구성에는 제어 입력이 필요하지 않지만 제어 입력은 그리드로부터 차량을 충전하기 위해서만 이용될 수 있다.
B.1 대역폭 요구 사항
전류 제어 루프에서, 제어기는 고정자 전류가 정류된 전류 기준을 따르도록 구성된다. 따라서, 위상마다 측정된 전류는 도 9에 도시된 바와 같이, 주로 120Hz 기본 주파수 성분의 배수의 저주파수 고조파로 구성된다. 2fsw의 스위칭 리플이 또한 정류된 고정자 전류에 중첩된다. 이와 같이, 제어기의 대역폭은 지배적인 고조파 주파수를 포함하고 스위칭 주파수의 2배의 스위칭 리플을 필터링하도록 결정(또는 선택)된다.
정류된 전류의 푸리에 분석은 표 3에 요약되어 있다. 6차 고조파 성분은 기본 성분의 대략 2%로 감소하는 것으로 결정된다. 따라서 이것은 정류된 파형을 재현하기에 충분한 차단 주파수(720Hz)로 선택된다. 스위칭 리플이 제어기 대역폭 밖에 있는 것을 보장하기 위해, 이 예에서 최소 스위칭 주파수는 7.2kHz로 설정된다. 이중 인버터 구동기에서, 개선된 스위칭 방법으로 인해 실제 최소 스위칭 주파수는 3.6kHz이다.
C. 에너지 균형 맞춤
도 8에서 전압 균형 맞춤 제어기는 전압 차이를 취하고 Δd를 출력하며, 이 출력은 d1i로부터 감산되고 d2i에 가산된다. 따라서 상부 모듈의 DC 소스가 하부 모듈에 비해 과충전되면 하부 모듈이 보다 자주 삽입된다. 두 소스는 동시에 충전되지만 전력 분배를 이동시키기 위해 오프셋을 갖고 충전된다. 이 오프셋이 변환기의 동작 한계를 초과하지 않는 것을 보장하기 위해 전압 균형 맞춤 제어기의 출력에 제한기(limiter)가 구현될 수 있다.
모듈들 간에 다른 주파수의 에너지가 전송될 수 있으므로, 상부 모듈과 하부 모듈 사이의 에너지를 제어하는 것은 DC 성분으로 제한되지 않는다. 배터리를 포함하는 상부 모듈 및 커패시터를 포함하는 하부 모듈의 예시적인 경우에, 고조파 에너지가 배터리로부터 커패시터로 전달될 수 있다. 고조파 에너지를 전달하는 것은 리플 에너지 함량에 배터리가 원치 않게 노출되는 것을 완화하는 데 사용된다. 따라서, 일부 실시형태에서, 상부 모델은 배터리를 포함할 수 있고, 하부 모듈은 커패시터를 포함할 수 있으며, 그 역도 가능하다.
Figure 112020003794177-pct00016
균형 맞춤 제어기는 DC 소스에 총 저장된 에너지를 추정하는데 전압을 사용한다는 것이 주목된다. 스플릿형 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리) 팩의 충전 상태(쿨롱 수)를 비교하는 것과 같은 다른 파라미터가 에너지를 관리하는데 사용될 수 있다.
결과
통합 충전 토폴로지의 자세한 모델은 PLECS 툴박스를 사용하여 MATLAB에서 시뮬레이션된다. 일부 실시형태에 따라 시스템의 개략도가 도 10에 도시되어 있다. 이 예에서 2개의 동일한 배터리 팩이 온보드 단상 AC 고속 충전기 및 구동 시스템을 통해 120V 단상 AC 소스로부터 충전된다. 이 시뮬레이션에서 배터리 팩은 시뮬레이션 런타임을 줄이기 위해 1kWh 수퍼커패시터 뱅크 세트로 교체된다. 그리드에서 공급하는 평균 전력은 AC 레벨 1 충전에 따라 1.4kW이다. 시스템 파라미터는 표 4에 나열되어 있다.
도 11a 및 도 11b는 모터의 누설 인덕턴스가 인터페이스 인덕터로 사용되고 제안된 변조 및 전류 제어기가 사용될 때 충전기의 전압 및 전류량을 도시한다:
Figure 112020003794177-pct00017
Vg/5는 참조 부호(1102)로 지시되고, ig는 참조 부호(1104)로 지시되고, Vin/5는 참조 부호(1106)로 지시되고, iin은 참조 부호(1108)로 지시된다.
그리드 측에서, 전압 및 전류는 차동 입력에서 정류된 파형뿐만 아니라 동위상이다. 이 결과는 제안된 전류 제어기의 기능을 검증하여 역률을 조절하고 원하는 전류 기준을 추적한다.
DC/DC 변환기 측에서, Vin은 참조 부호(1110)로 지시되고, V1, V2는 참조 부호(1112)로 지시된다. Iin은 참조 부호(1114)로 지시되고, isa , isb , isc는 참조 부호(1118)로 지시되고, iout1 , iout2는 참고 부호(1116)로 지시된다.
비교하면, 그리드 고조파를 감소시키지 않는 대안적인 전류 제어기가 사용된다. 이것은 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있고, 여기서 두 에너지 소스로 전송되는 평균 전력은 동일하지만 입력 전류는 정류된 정현파 대신 dc이다. Vin은 참조 부호(1202)로 지시되고, V1, V2는 참조 부호(1204)로 지시된다.
그리드 측에 반영될 때, 이것은 원치 않는 저주파수 고조파를 도입하고, 이는 필터링을 필요로 한다. 따라서, 추가적인 정지해 있는 (차량 밖) 구성 요소들이 필요할 수 있다(예를 들어, 부피, 비용 및 재료에 투자를 증가시킨다). 도 12a에서, iin은 참조 부호(1206)로 지시되고, isa, isb, isc는 참조 부호(1208)로 지시되고, ibatt1, ibatt2는 참조 부호(1210)로 지시된다. 도 12b에서, Vg/5는 참조 부호(1212)로 지시되고, ig는 참조 부호(1214)로 지시된다. Vin/5는 참조 부호(1216)로 지시되고, iin은 참조 부호(1218)로 지시된다.
능동 프론트-엔드를 사용한 통합 충전이 또한 시뮬레이션된다. 시뮬레이션 모델은 도 13의 시뮬레이션 모델과 일치하고, 프론트-엔드 스위치의 동기 제어가 도 14에 도시되어 있다.
도 15a의 시뮬레이션 결과는 능동 프론트-엔드를 사용하여 AC 그리드로부터 차량을 충전하는 것을 도시하며, 이에 따라 평균 전력은 양이다. 도 10의 수동 구성과 유사하게, 입력 전류는 그리드 전압과 일치하여 그리드 측에서 최소 저주파수 고조파를 생성하도록 성형된다. 도 15b에서 전류 기준은 x 축에 걸쳐 반전되도록 설정된다. 그리드 전류는 그리드 전압과 정확히 180° 위상이 어긋난다. 이를 통해 시스템은 음의 평균 전력으로 표시된 바와 같이 전력을 다시 그리드로 송신할 수 있다.
위상마다 인덕터 전류는 입력 전류의 대략 1/3을 추적한다. 그리하여 정지 상태에서 충전하는 동안 순 토크의 생성을 최소화하는 것을 보장하기 위해 모터 권선에 제로 시퀀스 전류만이 주입된다. PWM 변조 방식에 상보적 및 인터리브 위상 이동을 적용함으로써 그리드에 주입되는 고조파 왜곡이 크게 줄어든다. 또한 입력에 정류된 전압이 있는 것으로 인해 출력(배터리) 전류가 지배적인 120Hz 성분을 보게 된다.
저주파수 고조파가 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)의 건전성에 미치는 영향에 대한 연구는 충분하지 않지만, 일반적으로, 이 시스템은 온보드 구동 구성 요소를 활용하여 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)를 직접 충전하는 비용 효율적인 방법이다.
이 동작 시나리오에서, 출력 전압은 정류된 입력 전압의 피크 값보다 더 작은 120V로 설정된다. 다른 연구에서 단일 견인 구동기를 사용하는 통합 충전기에서 시스템은 부스트 PFC로만 동작될 수 있다[4]. 이것은 모든 충전 상태 조건 하에서 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리)의 전압이 그리드 전압을 초과할 것을 요구한다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 이중 인버터 유형의 제안된 실시형태에서, 각각의 배터리 전압이 그리드 전압보다 더 낮다 하더라도 충전하는 것이 가능하다.
임의의 AC 전력 콘센트로부터 비용 효율적이고 편리한 EV 충전을 제공하는 혁신적인 온보드 통합 충전 및 구동 시스템이 제공된다. 다양한 예에서 제공된 바와 같이, 변환기는 구동기로도 동작하고 AC 고속 충전기로도 동작하도록 구성된다.
AC 고속 충전기 기능은 모터가 두 시나리오에서 모두 사용될 때 추가 자기 구성 요소 없이 추가되어서, 차량의 설치된 구성 요소를 보다 쉽게 이용하는 비용 효율적인 솔루션을 제시한다. 전력 전송을 수행하는데 추가적인 제어 구성 요소가 제공될 수 있다.
구동기로서, 회로 토폴로지는 고전압 모터 및 충전기로 사용하는 것을 가능하게 하고, 회로 토폴로지는 설치된 전자 디바이스를 이용하여 저주파수 고조파 및 스위칭 주파수 고조파를 감소시키거나 최소화하도록 구성된다. 토폴로지는 일부 실시형태에서 충전할 때 208V 상용, 277V/480V 상용(미국), 240/400V(EU) 및 347V/600V 상용(캐나다)을 포함하는 다양한 일반적인 상용 입력 AC 전압을 수용할 수 있다.
통합 충전을 위한 다른 접근법에 비해, 이 시스템은 광범위한 EV 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 배터리) 크기와 호환 가능하고, 그리드의 전력 품질에 미치는 영향을 최소화한다. 일부 실시형태의 제안된 토폴로지는 모터 및 견인 전력 전자 디바이스의 열적 제약에 의해 제한된 충전 속도를 가져서, 기존 그리드 인프라로부터 직접 차량을 충전하는 능력을 강조한다.
제어 특징과 관련하여, 프로그램 코드는 입력 데이터에 적용되어 본 명세서에 기술된 기능을 수행하고 출력 제어 신호 파형 또는 메시지를 포함하는 출력 정보를 생성할 수 있다.
전술한 설명을 통해, 제어기 또는 다른 제어기 디바이스와 관련하여 다수의 참조가 이루어질 수 있다. 이러한 용어의 사용은 하나 이상의 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어 또는 컴퓨팅 디바이스를 나타내는 것으로 고려되는 것으로 이해된다.
이 디바이스는 무엇보다도 특히 게이팅 타이밍, 기계 판독 가능 명령을 나타내는 명령 세트를 실행하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 유선 또는 무선 인터페이스 등을 통해 다른 디바이스와 상호 동작하도록 구성될 수 있다. 무엇보다도 특히 고주파수 스위치와 같은 다운스트림 구성 요소를 제어하는 신호가 전파될 수 있다.
본 실시형태가 상세히 설명되었지만, 본 명세서에 다양한 변경, 대체 및 변경이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다.
또한, 본 출원의 범위는 본 명세서에 기술된 공정, 기계, 제조, 조성물, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시형태로 제한되지 않는 것으로 의도된다.
이해될 수 있는 바와 같이, 전술되고 도시된 예는 단지 예시를 위한 것으로 의도된다.
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Claims (57)

  1. 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스로서,
    전기 모터 및 AC 전력 소스(AC power source)에 결합된 제1 견인 인버터 및 제1 에너지 저장 디바이스;
    상기 전기 모터 및 상기 AC 전력 소스에 결합된 제2 견인 인버터 및 제2 에너지 저장 디바이스로서, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터는 상기 전기 모터를 통해 서로 결합된, 상기 제2 견인 인버터 및 제2 에너지 저장 디바이스;
    상기 제1 견인 인버터와 상기 제2 견인 인버터 및 상기 AC 전력 소스와 인터페이싱하는 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로(AC/DC converter front-end circuit); 및
    전기 펄스를 제공하여 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 동작 특성을 제어하도록 구성된 제어기 회로로서, 상기 전기 펄스는, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 하나 이상의 스위칭 게이트(switching gate)에 인가될 때, 상기 AC 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하는, 상기 제어기 회로를 포함하되,
    상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 차동 연결을 가로질러 연결된 온보드 정류기이고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 견인 인버터, 상기 제2 견인 인버터 및 상기 전기 모터를 통해 간접적으로 직렬 연결되고,
    상기 전기 펄스는 상기 AC 전력 소스와 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로 사이의 AC 전류를 조절하기 위해 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 제어하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 펄스는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 상기 하나 이상의 스위칭 게이트의 인터리브 스위칭(interleaved switching)을 야기하고, 상기 인터리브 스위칭은 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스의 연속 전도를 가능하게 하도록 구성되고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 기간에서 적어도 하나의 전도 위상을 통해 전류를 전도하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전기 펄스는, 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로에 인가될 때, (i) AC 소스와 상기 제1 및 제2 견인 인버터 사이의 전력 흐름 방향 및 (ii) 상기 AC 소스로부터 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로로 흐르는 전력의 역률을 제어하고;
    상기 전력 흐름 방향 및 상기 역률의 제어는, 각 인덕터 전류가 입력 전류 기준의 1/3을 추적하도록 각 병렬 위상에 대한 전류 제어 회로를 사용하여 수행되며, 각 고정자 권선에서의 상기 입력 전류 기준은 정규화된 정류된 AC 전압의 스케일링된 버전인, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터 각각은 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 통합하는 스위칭 네트워크를 포함하되, 상기 스위칭 네트워크는 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스 각각으로 흐르는 개별 전류를 제어하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크 각각은 적어도 제1 스위치 쌍 및 제2 스위치 쌍을 갖는 적어도 6개의 스위치를 포함하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전기 펄스는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 양단의 전압이 상기 AC 전력 소스의 입력 전압과 일치하도록 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 사이의 전력의 균형을 맞추도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 스위치 쌍 및 상기 제2 스위치 쌍은 스위칭 기간에서 동일한 온-타임(on-time) 퍼센트를 갖는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크와 상기 제2 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크 사이의 상기 전기 펄스는 180도만큼 위상 이동되는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  9. 제6항에 있어서, 상기 스위칭 네트워크의 상기 제1 스위치 쌍 및 상기 제2 스위치 쌍 사이의 상기 전기 펄스는 120도만큼 위상 이동되는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로의 스위치는 상기 AC 전력 소스의 그리드 전압에 동기화되는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어기 회로는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 중 적어도 하나가 상기 AC 전력 소스로 전력을 전달하는 양방향 동작을 수행하도록 더 구성된, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전기 펄스는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 중 적어도 하나와 상기 AC 전력 소스 사이의 전력의 방향을 조절하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 전기 모터는 차량에 장착되고, 상기 전기 모터는, 상기 전기 모터가 상기 차량을 이동시키는 힘을 부여하는 구동 기능을 제공하는 제1 모드, 및 상기 전기 모터가 상기 AC 전력 소스에 전기적으로 결합될 때 충전 기능을 제공하는 제2 모드를 포함하는 이중 모드 동작을 수행하도록 구성된, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 단방향 전류 전도 가능 스위치는 상기 AC 전력 소스와 단방향 전력 교환을 가능하게 하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 양방향 전류 전도 가능 스위치는 양방향 전력 교환을 가능하게 하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제어기 회로는 그리드 측의 역률(power factor)을 조절하고, 상기 그리드로부터 차량을 충전할 때 발생되는 저주파수 고조파의 크기를 감소시키도록 적응된 제어 신호를 생성하도록 구성된, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어기 회로는 상기 역률을 개선하고 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로의 AC 단자에서 발생되는 고조파 전류 성분을 감소시키도록 구성된, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  18. 제1항에 있어서, 상기 AC 전력 소스는 단상 AC 전력을 제공하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  19. 제1항에 있어서, 상기 AC 전력 소스는 3상 AC 전력을 제공하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  20. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 양단의 순 전압은 상기 AC 전력 소스로부터 수신된 피크 전압보다 항상 더 크도록 상기 제어기 회로에 의해 유지되는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  21. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 동일한 유형의 에너지 저장 디바이스인, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상이한 유형의 에너지 저장 디바이스인, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  23. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 모두 배터리인, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  24. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 모두 커패시터인, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  25. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 적어도 하나의 커패시터 및 적어도 하나의 배터리를 포함하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  26. 제1항에 있어서, 상기 AC 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하는 것은 상기 AC 전력 소스에 부과되는 전력의 파형 왜곡을 감소시키도록 적응된, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  27. 제1항에 있어서, 상기 전기 모터는 자동차, 비행기 및 선박 중 적어도 하나인 차량에 구동 기능과 고속 충전 기능을 둘 다 제공하독 구성된 전기 구동트레인의 일부로서 결합되는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 AC 고속 충전기 디바이스.
  28. 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 시스템으로서,
    전기 모터;
    AC 전력 소스;
    상기 전기 모터 및 상기 AC 전력 소스에 결합된 제1 견인 인버터 및 제1 에너지 저장 디바이스;
    상기 전기 모터 및 상기 AC 전력 소스에 결합된 제2 견인 인버터 및 제2 에너지 저장 디바이스로서, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터는 상기 전기 모터를 통해 서로 결합된, 상기 제2 견인 인버터 및 제2 에너지 저장 디바이스;
    상기 제1 견인 인버터와 상기 제2 견인 인버터 및 상기 AC 전력 소스와 인터페이싱하는 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로; 및
    전기 펄스를 제공하여 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 동작 특성을 제어하도록 구성된 제어기 회로로서, 상기 전기 펄스는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 하나 이상의 스위칭 게이트에 인가될 때, 상기 AC 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하는 상기 제어기 회로를 포함하되,
    상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 차동 연결을 가로질러 연결된 온보드 정류기이고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 견인 인버터, 상기 제2 견인 인버터 및 상기 전기 모터를 통해 간접적으로 직렬 연결되고,
    상기 전기 펄스는 상기 AC 전력 소스와 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로 사이의 AC 전류를 조절하기 위해 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 제어하는, 구동 및 충전 기능을 둘 다 제공하도록 구성된 시스템.
  29. 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터, 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 제어기 회로로서,
    상기 제1 견인 인버터와 상기 제2 견인 인버터는 전기 모터를 통해 서로 결합되고, 상기 제1 견인 인버터는 제1 에너지 저장 디바이스에 결합되고, 상기 제2 견인 인버터는 제2 에너지 저장 디바이스에 결합되고, 상기 제어기 회로는,
    전기 펄스를 제공하도록 구성된 하나 이상의 신호 발생기를 포함하되, 상기 전기 펄스는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 하나 이상의 스위칭 게이트에 인가될 때, AC 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하고,
    상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 차동 연결을 가로질러 연결된 온보드 정류기이고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 견인 인버터, 상기 제2 견인 인버터 및 상기 전기 모터를 통해 간접적으로 직렬 연결되고,
    상기 전기 펄스는 상기 AC 전력 소스와 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로 사이의 AC 전류를 조절하기 위해 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 제어하는, 제어기 회로.
  30. 기계 해석 가능한 명령들을 저장하는 비일시적 기계 판독 가능 매체로서,
    상기 명령들은, 제어기 회로의 프로세서에 의해 수행될 때, 상기 제어기 회로의 프로세서로 하여금, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터, 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하는 방법을 수행하게 하고, 상기 제1 견인 인버터와 상기 제2 견인 인버터는 전기 모터를 통해 서로 결합되고, 상기 제1 견인 인버터는 제1 에너지 저장 디바이스에 결합되고, 상기 제2 견인 인버터는 제2 에너지 저장 디바이스에 결합되고, 상기 방법은,
    전기 펄스를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 전기 펄스는, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 하나 이상의 스위칭 게이트에 인가될 때, AC 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하고,
    상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 차동 연결을 가로질러 연결된 온보드 정류기이고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 견인 인버터, 상기 제2 견인 인버터 및 상기 전기 모터를 통해 간접적으로 직렬 연결되고,
    상기 전기 펄스는 상기 AC 전력 소스와 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로 사이의 AC 전류를 조절하기 위해 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 제어하는, 비일시적 기계 판독 가능 매체.
  31. 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법으로서,
    상기 제1 견인 인버터와 상기 제2 견인 인버터는 전기 모터를 통해 서로 결합되고, 상기 제1 견인 인버터는 제1 에너지 저장 디바이스에 결합되고, 상기 제2 견인 인버터는 제2 에너지 저장 디바이스에 결합되고, 상기 방법은,
    전기 펄스를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 전기 펄스는, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 하나 이상의 스위칭 게이트에 인가될 때, AC 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하고,
    상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 차동 연결을 가로질러 연결된 온보드 정류기이고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상기 제1 견인 인버터, 상기 제2 견인 인버터 및 상기 전기 모터를 통해 간접적으로 직렬 연결되고,
    상기 전기 펄스는 상기 AC 전력 소스와 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로 사이의 AC 전류를 조절하기 위해 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 제어하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 전기 펄스는 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 상기 하나 이상의 스위칭 게이트의 인터리브 스위칭을 야기하고, 상기 인터리브 스위칭은 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스의 연속 전도를 가능하게 하도록 구성되고, 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 기간에서 적어도 하나의 전도 위상을 통해 전류를 전도하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 전기 펄스는, 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로에 인가될 때, (i) AC 소스와 상기 제1 및 제2 견인 인버터 사이의 전력 흐름 방향 및 (ii) 상기 AC 소스로부터 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로로 흐르는 전력의 역률을 제어하고;
    상기 전력 흐름 방향 및 상기 역률의 제어는, 각 인덕터 전류가 입력 전류 기준의 1/3을 추적하도록 각 병렬 위상에 대한 전류 제어 회로를 사용하여 수행되며, 각 고정자 권선에서의 상기 입력 전류 기준은 정규화된 정류된 AC 전압의 스케일링된 버전인, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  34. 제31항에 있어서, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터 각각은 상기 하나 이상의 스위칭 게이트를 통합하는 스위칭 네트워크를 포함하되, 상기 스위칭 네트워크는 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스 각각으로 흐르는 개별 전류를 제어하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제1 견인 인버터 및 상기 제2 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크 각각은 제1 스위치 쌍 및 제2 스위치 쌍을 갖는 적어도 6개의 스위치를 포함하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 전기 펄스는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 양단의 전압이 상기 AC 전력 소스의 입력 전압과 일치하도록 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 사이의 전력의 균형을 맞추도록 상기 스위칭 네트워크를 제어하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  37. 제35항에 있어서, 상기 제1 스위치 쌍 및 상기 제2 스위치 쌍은 스위칭 기간에서 동일한 온-타임(on-time) 퍼센트를 갖는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  38. 제36항에 있어서, 상기 제1 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크와 상기 제2 견인 인버터의 상기 스위칭 네트워크 사이의 상기 전기 펄스는 180도만큼 위상 이동되는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  39. 제36항에 있어서, 상기 스위칭 네트워크의 상기 제1 및 제2 스위치 쌍 사이의 상기 전기 펄스는 120도만큼 위상 이동되는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  40. 제31항에 있어서, 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로의 스위치는 상기 AC 전력 소스의 그리드 전압에 동기화되는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  41. 제31항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스 및 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상기 AC 전력 소스로 전력을 전달하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  42. 제31항에 있어서, 상기 전기 펄스는 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 중 적어도 하나와 상기 AC 전력 소스 사이의 전력의 방향을 조절하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  43. 제31항에 있어서, 상기 전기 모터는 차량에 장착되고, 상기 전기 모터는, 상기 전기 모터가 상기 차량을 이동시키는 힘을 부여하는 구동 기능을 제공하는 제1 모드, 및 상기 전기 모터가 상기 AC 전력 소스에 전기적으로 결합될 때 충전 기능을 제공하는 제2 모드를 포함하는 이중 모드 동작을 수행하도록 구성된, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  44. 제31항에 있어서, 단방향 전류 전도 가능 스위치는 상기 AC 전력 소스와 단방향 전력 교환을 가능하게 하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  45. 제31항에 있어서, 양방향 전류 전도 가능 스위치는 양방향 전력 교환을 가능하게 하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  46. 제31항에 있어서, 그리드 측의 역률을 조절하고, 상기 그리드로부터 차량을 충전할 때 발생되는 저주파수 고조파의 크기를 감소시키도록 적응된 제2 세트의 전기 펄스를 생성하는 단계를 더 포함하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 전기펄스는 상기 역률을 개선하고 상기 AC/DC 변환기 프론트-엔드 회로의 AC 단자에서 발생되는 고조파 전류 성분을 감소시키도록 구성된, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  48. 제31항에 있어서, 상기 AC 전력 소스는 단상 AC 전력을 제공하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  49. 제31항에 있어서, 상기 AC 전력 소스는 3상 AC 전력을 제공하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  50. 제31항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스 양단의 순 전압은 상기 AC 전력 소스로부터 수신된 피크 전압보다 더 크도록 유지되는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  51. 제31항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 동일한 유형의 에너지 저장 디바이스인, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  52. 제31항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 상이한 유형의 에너지 저장 디바이스인, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  53. 제31항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 모두 배터리인, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  54. 제31항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 모두 커패시터인, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  55. 제31항에 있어서, 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스는 적어도 하나의 커패시터 및 적어도 하나의 배터리를 포함하는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  56. 제31항에 있어서, 상기 AC 전력 소스로부터 상기 제1 에너지 저장 디바이스와 상기 제2 에너지 저장 디바이스로 전달되는 전력의 전력 특성을 성형하는 것은 상기 AC 전력 소스에 부과되는 전력의 파형 왜곡을 감소시키도록 적응된, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
  57. 제31항에 있어서, 상기 전기 모터는 자동차, 비행기 및 선박 중 적어도 하나인 차량에 결합되는, 제1 견인 인버터, 제2 견인 인버터 및 AC/DC 변환기 프론트 엔드 회로의 동작 특성을 제어하기 위한 방법.
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