KR20080003905A - 고속 에너지 저장 장치를 포함하는 플러그인 하이브리드차량 - Google Patents

고속 에너지 저장 장치를 포함하는 플러그인 하이브리드차량 Download PDF

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KR20080003905A
KR20080003905A KR1020077026937A KR20077026937A KR20080003905A KR 20080003905 A KR20080003905 A KR 20080003905A KR 1020077026937 A KR1020077026937 A KR 1020077026937A KR 20077026937 A KR20077026937 A KR 20077026937A KR 20080003905 A KR20080003905 A KR 20080003905A
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KR
South Korea
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energy storage
motor
generator
storage device
power
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KR1020077026937A
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English (en)
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도날드 아서 벤더
아툴 데쉬만
앤드류 엘돈 민스
Original Assignee
에이에프에스 트리니티 파워 코포레이션
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Abstract

본 발명은 플러그인 하이브리드 추진 시스템에 관한 것으로, 이 시스템에서, 하이브리드 동력 전달 계통의 에너지 저장 장치가 외부 공급된 전기와, 엔진이나 회생 제동으로부터 공급된 에너지로 충전될 수 있다. 본 발명은 고속 에너지 저장 장치와 전달 시스템을 포함하는 플러그인 하이브리드 시스템이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명이 연료 전력 엔진, 배터리, 고속 에너지 저장 시스템, 전력 변환기, 제어기, 드라이브 모터, 전기 분배 시스템 및 드라이브 트레인(동력 전달 계통)을 포함한다. 추가로, 본 발명은 차량이 유틸리티 그리드에 접속될 때, 서비스를 전기 유틸리티에 공급하는 플러그인 하이브리드에 관한 것이다.

Description

고속 에너지 저장 장치를 포함하는 플러그인 하이브리드 차량{Plug-in Hybrid Vehicle With Fast Energy Storage}
본 발명은, 하이브리드 동력 전달 계통(drive train)의 에너지 저장 장치가 외부에서 공급된 전기 그리고 엔진이나 회생 제동(regerative breaking)으로부터 에너지로 충전되는, 자동차, 트럭 및 버스를 위한 플러그인 하이브리드 추진 시스템에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 차량이 유틸리티 그리드에 연결될 때, 전기 유틸리티로 서비스를 제공하는 플러그인 하이브리드에 관한 것이다.
시장에서 발견되는 기성 제품은 도요타 프리우스, 혼다 인사이트 및 포드 이스케이프 하이브리드와 같은 일반적인 하이브리드(hybrid) 차량이다. 본 발명에 더 가까운 것으로는 기본형 다임러 크라이슬러 스프린터 플러그인 하이브리드 밴이 있다.
현존하는 일반적인 하이브리드의 주요 문제점은 제한된 전체 전기 이동 범위에 의해, 통상적인 하이브리드 추진(propulsion) 수단의 전체 퍼텐셜(potential)이 현실화되지 않는다는 것이다. 이러한 문제는, 더 큰 전체-전기 범위에 허용하기 위한 차량의 에너지 저장 용량 증가에 의해 제기된다. 에너지 저장 시스템이 외부 공 급에서 오프셋으로 변경되고 연료 소비를 줄일 수 있다. 이러한 유형의 추진 시스템이 플러그인 하이브리드로 알려져 있다.
현재의 플러그인 하이브리드 차량의 주요 문제점은 배터리의 비용 및 제한된 배터리 수명이다. 자동차에 크기가 맞추어진 일반적인 하이브리드 추진 수단이 약 1kWh의 용량을 가지는 에너지 저장 수단을 쓸 수 있으며, 합리적인 물리적 중량 및 부피 내에서 유용한 전체-전기 범위를 획득하기 위해, 플러그인 하이브리드 배터리 시스템이 강하게 사이클링(cycling) 하여야 한다. 강한 사이클링이 배터리 수명을 감소시킨다. 플러그인 배터리가 일반적인 하이브리드 차량의 배터리보다 훨씬 더 크고, 비례적으로 더 비싸다. 따라서, 플러그인 하이브리드에 관한 비용 부담이 일반적인 하이브리드 보다 더 심각하다.
하이브리드 차량에 사용되는 배터리에 관한 추가적인 문제는, 가용 에너지를 최대화하는 것이 온도와 같은 배터리의 환경 조건에 대한 제약을 요한다는 것이다. 배터리의 환경을 조절하는 것이 허용가능한 내구력을 얻는데 필요하다.
미국에서의 일부 전기 전력 그리드(grid)가 유틸리티에 의해 동작하지 않고, 인디펜던트 시스템 오퍼레이터(ISO: Independent System Operator)라 불리는 개별적인 지역 엔터티(entity)에 의해 동작된다. 예를 들어, 캘리포니아 인디펜던트 시스템 오퍼레이터(CAISO:California Independent System Operator)가 전체 캘리포니아 주에 대한 그리드를 제어한다. ISO가 그리드에 대한 전력 흐름, 전압 안정성 및 주파수를 조절하는 데 사용되는 다양한 보조 서비스를 구매한다. 이는 다음을 포함한다
* 피크 전력
* 기저부하(baseload) 전력
* 순동 예비력(Spinning Reserve)
* 조절 서비스(regulation service)
* 백업 전력
* 재생 에너지 시간 이동(renewable energy time shifting)
사람들이 응용기기, 모터 및 기계를 켜거나 끔에 따라 그리드에 대한 전기 부하가 지속적으로 변하고 있으므로 조절 서비스가 필요하다. 이러한 지속으로 변화하는 부하가 그리드에 대한 다양한 위치에서 작은 전압 불균형으로 이어진다. 변화하는 부하가 60 Hz 위아래의 주파수 변화로 이어지는 발전기 속도에 작은 변화를 일으킨다. 모터와, 시계, 컴퓨터 및 대부분의 다른 장치가 정확히 동작하기 위해 일정한 전기 주파수를 필요로 하기 때문에, 유틸리티가 특정된 허용 오차 내에서, 60 Hz 주파수를 유지한다. 60 Hz 주파수로부터의 이탈(deviation)을 영역 제어 에러(ACE:Area Control Error)라 한다.
오늘날, 조절 서비스가 각 전력 플랜트(plant)의 출력에 대해 작은 그리고 빈번한 조절로 제공된다. 컴퓨터 모델은, 어느 전력 플랜트가 더 많이 전력을 생성해야 하는지 그리고 그리드에 대한 모든 포인트에서 ACE를 최소화하도록 더 적게 전력을 생성해야 하는지를 결정하기 위해 그리드를 통한 주파수 측정을 이용한다. 종종, 하나의 전력 플랜트가 조절 업 서비스(Regulation Up service)를 제공하는 동시에, 다른 플랜트가 조절 다운 서비스(Regulation Down server)를 제공할 것이다.
캘리포니아에서, 조절 서비스가 부분적으로 전기 유틸리티(자동-제공 조절)에 의해 제공되며, 부분적으로는 ISO에 의해 서비스에 필요한 전력 플랜트를 구매하여 제공된다. 전력 플랜트가 조절 업 서비스를 제공해야 하는 경우에, 전력 플랜트는 최대 출력 레벨에서 동작할 수 없다. 즉, 요청시, 전압을 상승시키는 발전을 위해 추가 상승 조절을 하도록 준비해야 하기 때문이다. 캘리포니아에서, 조절 서비스 제공자가 요청시, 10분 내에 출력을 변경할 수 있어야 하고, 적어도 두 시간 동안 요청된 출력 레벨을 유지할 수 있어야 한다.
본 발명은 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치이다. 이 장치는 내부 연소 엔진과; 상기 엔진에 연결되며, 상기 엔진을 시동하는 데 사용되거나 제 2 모터-발전기에 전기를 공급하는 제 1 전기 모터-발전기와, 정지 마찰 전력을 차량 휠과, 제 1 전기 에너지 저장 장치와, 제 2 전기 에너지 저장 장치와, 전력 전자 시스템과, 제어 시스템과 그리고 충전 시스템에 공급하는 상기 제 2 전기 모터 발전기를 포함한다.
상기 제 1 전기 에너지 저장 장치가, 차량이 하이브리드로 동작하거나, 저장된 전기 에너지만을 사용하여 차량이 동작할 때, 전기 에너지를 전달하거나 흡수하는 배터리이다.
상기 제 2 전기 저장 장치가, 플라이휠, 커패시터, 또는 울트라 커패시터, 슈퍼커패시터 또는 배터리이고, 상기 제 2 에너지 저장 장치가, 상기 제 1 에너지 저장 장치에 대한 손상 임계값 이상의 전류로부터 제 1 에너지 저장 장치를 보호하는 데 필요한 만큼, 전류를 흡수하거나 전달한다.
상기 전력 전자 시스템이 상기 제어 시스템에 응답하여, 각각의 전기 에너지 저장 장치 그리고 전기 모터-발전기로부터의 전기 에너지를, 각각의 전기 에너지 저장 장치 그리고 전기 모터-발전기에 서로 전달한다.
상기 제어 시스템이 상기 전력 전자 시스템을 통해 에너지 흐름 경로를 결정 및 제어하는 수단을 포함한다. 상기 충전 시스템이 외부에서 공급된 전기를 사용하여, 상기 제 1 에너지 저장 장치 및 상기 제 2 에너지 저장 장치 중 어느 하나 또는 양쪽을 충전한다.
본 발명에 따른 장치가, 연료 전달 엔진이나, 연료 전지, 배터리, 고속 에너지 저장 시스템, 전력 변환기, 제어기, 드라이브 모터, 전기 분배 시스템 및 드라이브 트레인 중 하나 이상을 포함한다.
다음의 세 개의 장치 중 하나가 고속 에너지 장치를 위해 사용될 수 있다. (1) 로터, 모터-발전기, 베어링, 하우징, 전력 변환기 및 제어기, 그리고 보조 서브시스템을 포함하는 플라이휠(flywheel) 장치 (2) 높은 사이클 수명에 최적화된 작은 배터리. (3) 여러 개의 정적 에너지 저장 컴포넌트를 포함하는 슈퍼-커패시터 뱅크.
넓은 의미로, 장치의 바람직한 실시예가 배터리 팩, 고속 에너지 저장 장치, 엔진, 변속기, 전력 전자 장치 및 제어기를 포함한다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예가 짧고, 빈번한, 고 강도 충전 및 방전 기능을 수행하는 고속 에너지 저장 장치를 사용하여, 전기 모드를 구동을 위해 평균 전력을 제공하도록 배터리를 보존한다.
전력 전자 패키지가, 다양한 서브 시스템 사이의 전력 흐름을 관리하는 여러 전력 변환 장치를 포함한다. 하나의 변환 장치가 그리드 인터페이스로 사용된다. 그리드 인터페이스 전력 전자장치에 관련 장치가, 차량과 그리드(유틸리티, 독립 시스템 오퍼레이터, 서비스 어그리게이터, 또는 다른 관련 엔터티와 통신하는 장치를 포함함) 사이의 2-방향 흐름 전력을 관리하는 제어기이다.
그리드 인터페이스 시스템이 다음의 구성요소 중 일부 또는 전부를 포함한다.
* GPS 기반 차량 위치 감지 장치
* 2-방향 데이터 통신
* 충전/방전 제어 유닛
* 쌍방향 전력 흐름이 가능한 "플러그" 또는 훅업(hookup) 장치
* 쌍방향 전력 흐름을 위한 외부(차고-장착) 충전기
* 작업장 주차장 및 차고에 위치한 충전기
본 발명의 목적은, 일반적인 사용시, 승객 차량을 위해 150,000 마일 이상의 내구성을 보장하는 플러그인 하이브리드 차량 동력 전달 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 2 목적은, 차량이 그리드(V2G(Vehicle to Grid) 시스템이 불규칙적으로 그리고 분산된 위치에서 연결된 전기 전력 그리드로부터 이득을 얻도록 함)에 연결될 때, 전기 분배 그리드로 서비스를 제공하도록, 배터리와 플러그인 하이브리드의 별개의 고속 에너지 저장 장치를 결합하는 것을 목적으로 한다. 분배 서비스가 그리드에 값을 부가하는 차량-기반 에너지 저장 시스템을 기능을 사용하는 최적의 퍼텐셜(potential)을 가지나, 다른 보조 서비스가 비교적 이익이 될 수 있다. 차량의 분산된 자동차대(fleet)에 의해 제공되는 보조 서비스가, 현재의 전력 플랜트에 의해 제공되는 조절 서비스보다 더 저렴하고 더 효과적일 수 있다. 많은 수의 V2G 차량이 에너지 펄스의 소스이거나 싱크(sink)가 됨으로써 빈번한 안정화를 수행할 수 있으며, 이에 따라 전력 플랜트 출력의 잦은 조정에 대한 필요성이 완화된다. V2G 응용기기에 관하여, 현재 일반적인 하이브리드의 주요 문제점은, 전기 분배 시스템에 보조 서비스를 제공하는 것이 배터리의 성능을 감소시키고 배터리의 수명을 줄이는 충분한 횟수와 깊이의 충전-방전 사이클을 수반하기 쉽다는 것이다. 사이클링이 낮은 상태의 충전시 높은 전류 동작을 요할 때, 이러한 문제가 가속화된다.
본 발명의 제 3 목적은 바람과 같은 고정되지 않은 전기 소스를 위해 분배된 저장장치를 제공하는 것이다. 세계의 일부 지역(예를 들면, 미국 중서부 및 서부 텍사스)에서의 바람의 패턴은 낮 시간보다 밤에 더 많은 바람이 분다. 에너지의 가격이 저렴한 오프-피크 시간대에, 많은 수의 V2G 차량이 배터리를 충전하도록 처리할 수 없고, 오프-피크 상태인 풍력 발전을 흡수할 수 있도록 한다.
본 발명의 하나의 이점은 대응하여 증가하는 배터리 수명을 가지도록, 배터리의 충전-방전 사이클의 수를 줄이는 것이다. 10 배 이상, 배터리 사이클 수명을 초과하는 사이클 수명을 가지는 고속 에너지 저장 시스템을 사용하며, 짧고 빈번한 펄스의 소스나 싱크가 되고 V2G 보조 서비스의 대부분 또는 전부를 제공하는 고속 에너지 저장 시스템의 크기를 정함으로써, 이러한 목적이 달성된다.
본 발명의 제 2 이점은, 고속 에너지 저장 장치가 배터리의 수명-사이클을 감소시키는 것이다. 고속 에너지 저장 장치 없는 경우에, 배터리가 낮은 충전상태에 있는 경우에, 배터리가 많은 수의 얕은(shallow) 충전 사이클과 임시적인 고 전류 펄스를 겪는다. 본 발명은, 90%-100% 정도까지 배터리가 경험하는 얕은 충전 사이클의 수를 감소시키고, 배터리를 고 전류 펄스로부터 보호한다. 특히, 저 충전상태에서, 고속 에너지 저장 장치가 배터리를 고속 방전의 유해한 효과로부터 배터리를 보호한다. 이를 위해, 본 발명이 배터리의 수명을 확장하고, 차량 수명 중에 교체가 필요 없도록 한다.
본 발명의 제 3 이점은 에너지 저장 시스템의 전체 중량이 감소하는 것이다. 배터리와 고속 에너지 저장 장치의 조합 중량이 주파수 사이클링 및 고속 전류 펄스를 처리하도록 크기가 정해진 배터리의 중량보다 작다.
본 발명의 제 4 이점은 에너지 저장 시스템의 내구성이 증가한다는 것이다.
본 발명의 제 5 이점은 일반적인 차량에 대한 연료 경제성이 향상된다는 것이다. 본 발명은 연료 효율 면에서 2배의 만큼의 향상이 가능하며 드라이브 사이클에 따라, 일반적인 드라이버에 대해 5 배 정도의 연료 경제성 면의 개선이 가능하다. 전류 하이브리드가 연료 경제성 면에서 30-50%의 개선을 제공한다.
본 발영은 전기화학적, 정전기적 및 전기 역학적 저장 기술의 집약을 필요로 한다. 장치 및 이의 기능이 배분된 에너지 시스템과 같은 애플리케이션을 가진다.
본 발명의 추가적인 측면이 이하 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 플러그인 하이브리드 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 클러치를 포함하는 플러그인 하이브리드 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 플러그인 병렬 하이브리드 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 플러그인 직렬 하이브리드 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 네 개의 휠 드라이브를 가지는 플러그인 직렬 하이브리드 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 전지 셀을 가지는 플러그인 직렬 하이브리드 시스템을 나타내는 도면이다.
도 7은 전자 스위치 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 8은 세 개의 모터/발전기를 사용하는 시스템과 커패시터 고속 에너지 저장 시스템에 대한 전력 변환기와 제어기 및 부속 장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 세 개의 모터/발전기를 사용하는 시스템과 플라이휠 고속 에너지 저장 시스템에 대한 전력 변환기와 제어기 및 부속 장치를 나타내는 도면이다.
다음의 도면 부호는 도면에서 본 발명의 구성요소 및 환경을 나타내는 데 사 용된다.
1 엔진
2 제 1 모터/발전기
3 제 2 모터/발전기
4 변속기
5 클러치
6 전력 변화기 및 제어기
7 배터리
8 고속 에너지 저장장치(플라이휠, 고 사이클링 배터리, 또는 커패시터)
9 차동 장치(Differential)
10 차축(Axel)
11 휠
12 플러그/디스커넥트
13 정적 V2G 인터페이스
14 그리드
15 드라이브축(driveshaft)
16 전지 셀
17 스위치 모듈
18 DC 버스
19 DC 버스 공통
20 DC 버스 커패시터
21 인덕터
22 변압기
23 AC 링크
24 충전 입/출력
25 DC 공급
26 플라이휠 고속 에너지 저장장치
27 게이트 드라이브
28 제어기
29 다이오드
30 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)
31 후방 모터/발전기(MGR)
이하에서, 첨부된 도면 및 실시예와 함께 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 장치의 바람직한 실시예가 게시된다. 본 발명은 변속기(4)에 연결된 엔진(1)을 포함한다. 엔진(1)이 클러치를 통해 연결되거나 고정된 기어 또는 샤프트를 통해 연결될 수 있다. 제 1 모터/발전기(2)가, 엔진/변속기 인터페이스의 엔진(1) 또는 변속기(4) 측 상의 샤프트에 연결된다. 변속기(4)가 엔진(1) 및 제 1 모터/발전기(2)로부터의 전력을, 변속기(4)를 통해 드라이브축(15)과, 차동 장치(9)로 그리고 차축(10)과 휠(11)로 전달한다. 제 2 모터/발전기(3)가 출력 에 더 가까운 변속기(4) 내의 포인트에서 변속기(4)에 연결된다. 동력 전달 계통(드라이브 트레인: drive train)이 0, 1, 2, 또는 3개의 클러치를 사용하여, 엔지(1)이나 개별적인 모터/발전기(2, 3)를 선택적으로 분리한다.
동력 전달 계통(드라이브 트레인)이 드라이브축(15)과 차동 장치(19)를 포함하고, 이들 양쪽은 변속기(4)의 일부이거나 변속기로부터 분리될 수 있으며, 차축(10)의 일부이거나 샤프트로부터 분리될 수 있다.
모터/발전기(2, 3)가 드라이브 트레인이 직렬(in-line)로 장착되거나, 기어, 벨트, 또는 체인을 통해 드라이브 트레인에 연결되거나 유압식 기계에 연결될 수 있다.
배터리(7)가 리튬 화합물을 사용하나, NiMH, NiCAD 또는 Pb:acid를 사용할 수도 있다. 고속 에너지 저장 장치(8)가 플라이휠, 커패시터, 또는 고 전력 배터리를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 플라이휠이 고속 회전자(rotor)를 사용한다. 고속 회전자는 플라이 휠을 구동하기 위해 배출 챔버 및 통합 전자장치에 삽입된다. 선택적으로, 플라이 휠이 회전자를 포함하는 어느 형태의 장치도 가능하며, 에너지가 저장되고 전기적으로 복구되도록 모터/발전기 내에 장착될 수 있다. 커패시터가 슈퍼 커패시터, 울트라 커패시터, 및 전해질 커패시터를 포함하는 어느 형태의 장도 가능하다. 고속 에너지 저장 장치(8)가 배터리(7)의 용량보다 상당히 작은 에너지 저장 용량을 가질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 엔진(1)이 가솔린으로 연료 공급되는 작은 피스톤 엔진(1)이다. 선택적으로, 엔진(1)이 가솔린, 에탄올, 플렉스(flex)-연료, 디젤 연 료, 바이오-디젤, 천연 가스, 프로판 또는 수소로 연료 공급되는 내부 연소 엔진(1)일 수 있다.
고속 에너지 저장 장치(8)와 배터리(7)가 전력 변환기와 제어기(6)에 연결된다. 전력 변환기와 제어기(6)가 플라이휠이나 커패시터(8), 배터리(7), 제 1 모터/발전기(2) 및 제 2 모터/발전기(3) 사이의 에너지 흐름을 지시한다. 전기를 사용하거나 저장하는 모든 소자들(2, 3, 7, 8)이 전기 소스이거나 싱크(sink)이다. 전력 변환기와 제어기(6)가 단일 어셈블리나 서브 어셈블리를 포함할 수 있다. 서브 어셈블리가 하나의 모듈 내에 배치되거나 분리된 모듈로 하우징 될 수 있다. 서브 어셈블리는 함께 배치되거나 차량 전체에 분산될 수도 있다.
차량과 그리드 사이의 인터페이스가 플러그와 콘센트(12)를 포함할 수 있으며, 여기에서 차량으로의 AC 전력이 보드 상의 DC 전력으로 변환된다. AC 공급은 110V, 220V, 480V 단상 또는 삼상이거나 다른 상업적으로 공급되는 AC 전기일 수 있다. 선택적으로, 쌍방향 전력 조절 능력을 가지는 정적 V2G 인터페이스(13)가 V2G 서비스를 제공한다. 유틸리티에 의해 V2G 자원(resource)을 연결하거나 분리하기 위해 정적 V2G 인터페이스(13)가 유틸리티와 통신한다. 정적 V2G 인터페이스(13)가 DC 또는 AC 링크와, 플러그/콘센트(12)를 통해 차량에 연결할 수 있다.
본 발명의 동작은 여러 서로 다른 동작 모드에서 구동하는 방법을 포함한다.
제 1 드라이브 모드에서, 엔진(1)이 휠(11)에 원동력(motive power)을 공급하고, 제 1 모터/발전기(2)와 제 2 모터/발전기(3)가 자유로이 회전하나 에너지를 공급받지는 않는다.
제 2 드라이브 모드에서, 엔진(1)이 꺼지고, 모든 원동력이 제 1 모터/발전기(2)나 제 2 모터/발전기(3) 또는 이들 모두를 이용하여 제공된다. 이러한 모드를 EV 모드라 한다. 이러한 모드에서, 전력 변환기 및 제어기(6)에 의해 결정된 조합에서, 고속 에너지 저장 장치(8)와 배터리(7) 중 어느 하나에 의해 전기 에너지가 공급된다.
제 3 드라이브 모드에서, 원동력이 엔진(1) 그리고, 제 1 모터/발전기(2), 제 2 모터/발전기(3) 중 어느 하나 또는 이들 모두에 의해 제공된다. 이 모드에서, 전력 변환기와 제어기(6)에 의해 결정된 조합에서, 전기 에너지가 고속 에너지 저장 장치(8) 및/또는 배터리(7) 중 어느 하나에 의해 공급된다.
제 4 드라이브 모드에서, 차량이 감속하거나, 그레이드(grade)를 내리고, 에너지가 재생하여 회복된다. 이러한 동작 모드에서, 제1 모터/발전기(2), 제 2 모터/발전기(3) 또는 이들 모두에 의해 감속 토크(retarding torque)가 변속기(4)에 인가된다. 이 동작 모드에서, 하나 또는 두 개의 모터/발전기가 차량의 회복된 역학적 에너지를 전기로 변환하는 발전기 및 변환기 역할을 한다. 전기가 고속 에너지 저장 장치(8)나 배터리(7)로 전달된다. 에너지 저장 장치로의 전기의 흐름이 전력 변환기 및 제어기(6)에 의해 지시된다. 이 동작 모드에서, 엔진(1)이 회전하거나 회전하지 않을 수 있다.
제 5 드라이브 모드에서, 엔진(1)이 제 1 모터/발전기(2)를 구동하며, 이는 전력 변환기 및 제어기(6)에 의해 결정된 조합에서, 배터리(7)나 고속 에너지 저장 장치(8) 또는 양쪽을 충전하는 전기를 생성한다. 이 모드에서 차량이 멈추거나 이 동한다.
V2G 서비스를 수행하는 것은 많은 수의 서로 다른 V2G 동작 모드를 포함한다.
제 1 V2G 동작 모드에서, 그리드가 에너지를 정적 V2G 인터페이스(13)를 통해 플러그/콘센트(12)로 제공하고, 이어서 전력 변환기와 제어기(6)로 제공한다. 제어기(6)가 이러한 에너지를 이용하여 고속 에너지 저장 장치(8)나 배터리(7) 또는 양쪽을 충전한다.
제 2 V2G 동작 모드에서, 고속 에너지 저장 장치(8)로부터의 에너지가 전력 변환기 및 제어기(6)에 의해 추출되고, 플러그/콘센트(12)와 정적 V2G 인터페이스(13)를 거쳐 그리드(14)로 공급된다.
제 3 V2G 동작 모드에서, 엔진(1)으로부터의 에너지가, 모터/발전기(2, 3) 중 어느 하나 또는 양쪽에 의해 전기로 변환되고, 전력 변환기 및 제어기(6)에 의해 추출되며, 플러그/콘센트(12) 및 정적 V2G 인터페이스(13)를 거쳐 그리드(14)로 공급된다. V2G 동작 모드 중 어느 것이나, 차량 내의 소프트웨어에 의해 자동으로 명령되거나, 유틸리티, 독립적인 시스템 오퍼레이터, 서비스 어그리게이터(aggregator), 또는 다른 최종 사용자와 같은 외부 엔터티(entity)에 의해 명령될 수 있다.
배터리(7)가 없는 경우에, 고속 에너지 저장 장치(8)가 주파수 사이클링 및 고 전력 동작을 견뎌낸다. 모든 동작 모드에서, 전력 변환기 및 제어기(6)가 일반적으로 에너지의 흐름을 지시하여, 배터리(7)에 의해 수행되는 많은 수의 충전 및 방전 동작이 최소화되도록 한다. 추가로, 고속 에너지 저장 장치(8)가 배터리(7)의 고 전력 동작의 양 및 정도를 최소화하도록 동작 된다. 배터리(7)를 과도한 사이클링 및 과도한 고 전력 동작으로부터 보호함으로써, 여러 이점이 발생한다. 고 에너지 저장 장치(8) 없이, 배터리(7)를 사용하는 것에 비하여, 결합 된 에너지 저장 시스템의 견고성이 향상된다. 배터리(7)가 고속 에너지 저장 장치(8)의 보호 없이, 가능한 것보다 더 깊은 깊이의 방전에 대해 동작할 수 있다. 따라서, 고속 에너지 저장 장치(8)의 보호 없이 가능한 것보다 훨씬 적은 배터리(7)로 주어진 이동의 전체 전기 범위가 획득될 수 있다.
5 개의 정의된 모드의 기능이 조합되어 사용되는 경우에 다른 다양한 모드가 가능하다.
본 발명이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 다른 변형 예를 생각할 수 있다.
도 2를 참고하면, 제 1 변형 예가 하나 이상의 클러치(5)를 사용하여 엔진(1)과, 제 1 모터/발전기(2) 또는 제 2 모터/발전기(3)를 선택적으로 분리할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제 2 변형 예가 하나의 모터/발전기(제 1 모터/발전기)만이 사용되는 병렬 구성일 수 있다. 변속기(4)가 0, 1, 또는 2개의 클러치(5)를 포함하는 자동 또는 수동 변속기일 수 있다.
제 1 또는 제 2 변형 예에서, 도시된 바와 같이, 변속기(4)가 두 개의 휠 드라이브를 지지한다. 선택적으로, 변속기(4)가 풀 타임 또는 파트 타임의 4개의 휠 드라이브일 수 있다.
도 4를 참조하면, 제 3 변형 예가 변속기(4)를 완전히 제거할 수 있다. 이 경우에, 제 1 모터/발전기(2)가 엔진(1)에 바로 연결된다. 제 1 모터/발전기(2)가 초기에 발전기로서 기능을 하나, 엔진(1)을 시동하는데 사용될 수 있는 모터로 기능할 수도 있다. 제 2 모터/발전기(3)가 휠(11)에 직접적으로 또는 간접적으로 동력을 공급한다. 제 2 모터/발전기(3)가 차동 장치(9), 드라이브 샤프트, 또는 휠(11)에 직접적으로 연결된다. 제 2 모터/발전기(3)가 고정된 기어나 다른 콤팩트 및 제한된 동력전달계통 구성요소 또는 서브 어셈블리를 통해 연결도리 수 있다. 모든 원동력이 발전 또는 저장 포인트로부터 드라이브 모터로 전기적으로 전달된다. 이러한 구성이 직렬 플러그인 하이브리드 또는 직렬 하이브리드이다.
도 5를 참조하면, 제 4 변형 예가, 하나의 제 2 모터/발전기(3) 대신에 다수의 드라이브 모터를 사용한다.
도 6을 참조하면, 제 5 변형 예가 위에 설명된 직렬 하이브리드 구성을 사용하고, 연료 전지를 사용하여 전기를 발전한다. 연료 전지는 엔진(1)과 제 1 모터/발전기(2)를 대신한다. 이러한 변형 예에서, 고속 에너지 저장 장치(8)와 배터리(7)가 전력 변환기와 제어기(6)에 연결된다. 전력 변환기와 제어기(6)가, 고속 에너지 저장 장치(8), 배터리(7)와 제 2 모터/발전기(3) 사이의 전력 흐름을 지시한다. 전기(3, 7, 8)를 저장하거나 사용하는 모든 소자가 전기 소스 또는 싱크이다. 이러한 변형예에서, 제 1 고속 에너지 저장 장치(8)가 심각한 또는 빈번한 충전 및 방전 이벤트로부터 배터리(7)를 보호한다. 추가로 이러한 구성에서, 연료 전 지가 약한 조절판 응답을 가지며, 이러한 이벤트에 의해 손상될 수 있는 가속에 대해, 즉각적으로 전력을 공급함으로서, 고속 에너지 저장 장치(8)가 연료 전지(16)를 보호한다.
도 7, 8 및 9는 전력 변환기 및 제어기(7)의 상세한 내용을 게시한다. 도 7은, 다이오드(29)와 고체 스위치 장치(30)를 포함하는 스위치(17)에 대한 명칭을 나타낸다. 바람직하게는, 고체 스위치 장치(30)가 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)이나, 다른 스위치 장치가 사용될 수 있다. 스위치(29)가 제어기로부터 게이트 드라이브(27)로의 신호를 통해 닫히거나 열리도록 명령한다.
도 8 및 9는 시스템 내의 각 스위치(29)에 명령을 내리는 제어기(28)를 나타낸다. 명확하게, 몇몇 대표적인 연결만이 도시된다. 실제로, 모든 스위치(29)가 제어기(28)로부터 입력을 수신한다. 추가로, 제어기(28)가 온도, 상태(개방 또는 닫힘), 및 고장 조건(클리어, 경고, 고장)을 포함하는 각 스위치(29)로부터 정보를 수신할 수 있다.
각 스위치(29)가 제어기(28)로부터의 명령에 응답하여 개방되거나 닫힌다. 통신, 쵸핑(chopping)을 위해 또는 AC 파형을 통합하기 위해, 컴포넌트나 서브 시스템을 충전하거나 비활성화하도록 스위칭이 수행된다. 부속 장치의 전력 등급이 변화한다. 전력 변환기 및 제어기(6)의 전체 크기, 중량 및 비용을 최소화하도록 관련된 스위치(15)의 전력 등급이 변경될 수 있다.
전력 변환기 및 제어기(6)가 증가 된 퍼텐셜(potential)에서의 하나의 버스 바(18)와 공통 퍼텐셜에서의 제 2 버스(19)를 가지는 DC 버스를 포함한다. H-브리 지 레그(leg)가 직렬로 연결된 두 개의 스위치(29)를 포함하고, 여기서 한 쌍의 스위치(29)가 DC 버스(18, 19)의 두 개의 버스 바를 연결하고, 그리고 스위치 사이의 포인트가 연결된 AC 장치의 하나의 위상 레그를 연결한다.
DC 버스 커패시터(20)가 개별적으로 그리고 동시에 여러 목적을 달성할 수 있다. 주요하게, 버스 커패시터(20)가 모터 구동 및 인버터 레그에 의해 수행되는 버크-부스트 기능에 필요한 동적 에너지 저장 장치를 제공한다. 하나의 DC 버스 커패시터(20)가 전력 변환기와 제어기(6) 내의 전체 위상 레그에 전기를 공급한다.
전력 변환기 및 제어기(6)가 모터/발전기(2, 3, 31) 플라이휠 고속 에너지 저장 장치(26) 및 AC 포맷의 충전 포트로부터 전력의 소스 또는 싱크이다. 전력 변환기 및 제어기의 H-브리지 레그가 정류기, 활성 정류기, 모터 드라이브 또는 AC 인버터로 동작하여 이러한 장치들과 인터페이스로 접속한다.
H-브리지 레그가 쵸퍼(chopper)로 기능할 수도 있으며, 또는 DC-DC 변환을 위해 사용되는 바와 같이, 스위칭에 의해 성취되는 다른 전력 프로세스를 수행할 수 있다. 이러한 구성이 배터리(7) 및 고속 에너지 저장 커패시터(8)를 위해 사용된다.
인덕터(inductor)가 벅-부스트(buck/boost) 기능 및 모터 드라이브 회로의 일부로 필요하다. 모터가 이러한 목적을 위해 충분하며, 무시할 수 없는 인덕턴스(inductance)를 가진다. 배터리(7)나 에너지 저장 커패시터(8)와 같은 낮은 고유의 인덕턴스를 가지는 장치에 대해, 인덕터(21)가 회로 내에 포함될 수 있다.
플라이휠(26) 내의 모터 MG1(2), MG2(3), MGR(31) 및 모터/발전기에 대해, 전력 변환기와 제어기(6)의 일부가 쌍방향 모터 드라이브의 역할을 한다. 삼상 드라이브가 일반적이나, 다른 여러 위상이 마찬가지로 이용될 수 있다. 도 3 및 4는 삼상 드라이브 구성을 나타낸다. 토크를 발생하기 위해, 많은 제어 방법이 구현되며, 펄스 폭 변조(PWM:pulse width modulation), 스페이스 벡터 제어 및 심플 통신이다.
인덕턴스 내의 동적 응답을 일으키는 고 주파수 스위칭을 사용하여, 벅/부스트 변환기가 DC-DC 전압 변환을 수행한다. 커패시터(20)가 변환기의 스위칭 주파수와 관련된 과도 전류(trensient)를 완화한다. 인덕터(21)나 고유 인덕턴스, 커패시터(20) 및 스위치(15)가 벅(buck) 또는 부스트 기능을 수행하는 데 필요하다. 도 8 및 9는 배터리(7)에 대한 벅/부스트 회로를 나타낸다. 도 8은 고속 에너지 커패시터(8)에 대한 벅/부스트(buck/boost) 회로를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 각각의 버크/부스트 단계에 대한 두 개의 스위치(17)의 사용이, 구조 변경(reconfiguration) 없이 인덕터(21) 벅 또는 부스트 동작에 사용되도록 한다.
벅/부스트 변환기가 고 전력 부속 장치를 위한 DC-DC 변환기를 위해 사용된다. AC 링크(23) 및 트랜스포머(22)가 충전 포트(24)에 대한 AC 전압 변환을 위해 사용된다. 더 낮은 전압으로 변환하도록 내부 AC 링크(23)가 사용되어, 개별적인 인버터 서브 어셈블리가 DC 공급 포트(25)에서 더 낮은 전압 출력(12V, 42V)을 제공한다.
충전 포트(24)가 단일-위상 시스템으로 도시되나, 3 상 시스템이 마찬가지로 사용될 수 있다. 차량이 휴지 상태이고 유틸리티 그리드에 연결될 때, 충전 회로가 에너지를 DC 버스(18, 19)로 전달하고, 그로부터 어느 부속회로든 에너지를 전달한다. V2G 동작 중에, MG1(2)을 거쳐, 배터리(7), 고속 에너지 시스템(8, 26) 또는 엔진(1)으로부터의 에너지가 그리드로 전달될 수 있다.
DC 출력 포트(25)가, 주요 DC 버스(18, 19)의 전압과 다른 전압에서 동작하는 작은 활성 정류기에 의해 에너지를 공급받는다. 이러한 활성 정류기 전력 변환기 및 제어기(6)를 통해 사용되는 유형의 스위치(17)를 사용하고, 제어기(28)와 통신한다. 도 8 및 9에 도시된 구성이 저 전력 DC를 두 개의 전압(바람직하게는 12V, 42V)에서 공급한다.
본 발명의 범위와 목적 내에서 다양한 변경을 할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내부 연소 엔진과;
    상기 엔진에 연결되며, 상기 엔진을 시동하는 데 사용되거나 제 2 모터-발전기에 전기를 공급하는 제 1 전기 모터-발전기와;
    정지 마찰 전력을 차량 휠과, 제 1 전기 에너지 저장 장치와, 제 2 전기 에너지 저장 장치와, 전력 전자 시스템과, 제어 시스템과 그리고 충전 시스템에 공급하는 상기 제 2 전기 모터 발전기와;
    차량이 하이브리드로 동작하거나, 저장된 전기 에너지를 사용하여 차량이 동작할 때, 전기 에너지를 전달하거나 흡수하는 배터리인 상기 제 1 전기 에너지 저장 장치와;
    플라이휠, 커패시터, 또는 울트라커패시터, 슈퍼커패시터 또는 배터리인 상기 제 2 전기 에너지 저장 장치로서, 상기 제 2 에너지 저장 장치가, 상기 제 1 에너지 저장 장치에 대한 손상 임계값 이상의 전류로부터 제 1 전기 에너지 저장 장치를 보호하는 데 필요한 만큼 전류를 흡수하거나 전달하고;
    상기 전력 전자 시스템이 상기 제어 시스템에 응답하고, 각각의 제 1 및 제 2 전기 에너지 저장 장치 그리고 제 1 및 제 2 전기 모터-발전기로부터의 전기 에너지를 상기 제 1 및 제 2 전기 에너지 저장 장치 그리고 제 1 및 제 2 전기 모터-발전기에 서로 전달하며;
    상기 전력 전자 시스템을 통해 에너지 흐름 경로를 결정 및 제어하는 수단을 포함하는 상기 제어 시스템을 포함하되,
    상기 충전 시스템이 외부에서 공급된 전기를 사용하여 상기 제 1 에너지 저장 장치 및 상기 제 2 에너지 저장 장치 중 어느 하나 또는 양쪽을 충전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량이 그리드에 연결될 때, 전기 공급 그리드로 서비스를 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량 동력 전달 장치가 병렬 하이브리드로 구성되고,
    하나의 모터/발전기가 사용되며, 이 모터/발전기가 엔진과 변속기 사이의 차량 동력 전달 장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량 동력 전달 장치가 병렬 하이브리드로 구성되고,
    하나의 모터/발전기가 사용되며, 이 모터/발전기가 변속기와 드라이브 휠 사이의 차량 동력 전달 장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량 동력 전달 장치가 직렬 하이브리드로 구성되고,
    하나의 모터/발전기가 사용되며, 이 모터/발전기가 엔진에 연결되고, 하나 이상의 제 2 모터/발전기가 휠에 구동되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진이 가솔린, 알콜, 플렉스-연료, 디젤 연료, 바이오-디젤, 천연 가스, 프로판 또는 수소를 이용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량 동력 전달 장치가 직렬 하이브리드로 구성되고, 연료 전지가 엔진 및 발전기 대신에 전기를 생산하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    추가 모터-발전기가 상기 정지 마찰 휠을 구동하여, 전방 휠과 후방 휠이 서로 다른 모터에 의해 구동되게 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동 력 전달 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 휠이 휠 모터에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 차량 동력 전달 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 그리드에 공급되는 서비스가 주파수 조절, 에너지 중재, 분배 저장, 오퍼튜너티 충전, 백업 전력 및 전압 안정화를 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
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