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KR20150008378A - 절연 접촉기 천이 극성 제어 - Google Patents

절연 접촉기 천이 극성 제어 Download PDF

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KR20150008378A
KR20150008378A KR1020147025103A KR20147025103A KR20150008378A KR 20150008378 A KR20150008378 A KR 20150008378A KR 1020147025103 A KR1020147025103 A KR 1020147025103A KR 20147025103 A KR20147025103 A KR 20147025103A KR 20150008378 A KR20150008378 A KR 20150008378A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrical power
polarity
generator
power
motor
Prior art date
Application number
KR1020147025103A
Other languages
English (en)
Inventor
제이 이. 비숀츠
Original Assignee
인터내셔널 트럭 인터렉츄얼 프로퍼티 캄파니, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인터내셔널 트럭 인터렉츄얼 프로퍼티 캄파니, 엘엘씨 filed Critical 인터내셔널 트럭 인터렉츄얼 프로퍼티 캄파니, 엘엘씨
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Abstract

전기적 파워 배분 시스템은 듀얼 모드 전동기/발전기, 고전압 트랙션 배터리, 상기 듀얼 모드의 전동기/발전기와 상기 고전압 트랙션 배터리 사이의 접속가능한 양방향 직류 파워 전송선, 자기 블로우-아웃(magnetic blow out)을 갖고 반대 극성이 나타나게 파워 전송선에 접속되는 제1 및 제2절연 접촉기, 및 전기적 시스템 컨트롤러를 포함한다. 전기적 파워 배분 시스템을 전원차단(deenergize)하기 위해서, 양방향 직류 파워 전송선에 전류의 극성을 결정한다. 일단, 극성이 결정되었으면, 대응 극성의 절연 접촉기가 선택되어 개방된다.

Description

절연 접촉기 천이 극성 제어{ISOLATION CONTACTOR TRANSITION POLARITY CONTROL}
본 발명의 기술분야는 차량에 사용되는, 특히, 전기 및 하이브리드-전기 자동차에 사용되는 고전압 절연 접촉기(high voltage isolation contactors)의 상태 변경을 제어하는 것에 관한 것이다.
하이브리드-전기 자동차는 일반적으로 차량의 트랙션 모터 및 그외 고전압 로드(loads)에 공급되는 파워에 대한 하나 이상의 고전압 직류 전기적 파워 배분 서브시스템을 갖추고 있다. 그런 파워 서브시스템의 대표적인 구성은 2개의 350 볼트의 직류(DC) 서브시스템 및 1개의 700 볼트 DC 서브시스템 또는 버스(bus)를 포함할 수 있다. 하이브리드-전기 구동열 전동기/발전기(들), 또는 보다 정확하게 교류-직류 인버터/정류기 및, 이러한 DC 서브시스템 중 적어도 하나에 접속 가능한 고전압 축전지 사이의 전류 흐름(current flow)는 양방향성(bi-directional)이다. 전류는 차량의 고전압 축전지가 전동기/발전기(들)의 전력을 받고 있는지 또는 그곳으로 공급하고 있는지의 여부에 따라 방향을 변경할 수 있다.
고전압 절연 접촉기는 차량에 고전압 DC 파워 배분 서브 시스템의 통전(energization) 및 전원차단(de-energization) 동작을 제어하고, 또한 차량의 전기적 로드에 대한 파워의 흐름을 제어하는데 사용되었다. 임의적인 직류 회로에서의 고전압 절연 접촉기의 개방 동작은 실질적으로 아크 동작(arching)으로 인한 접촉기의 사용수명을 줄일 수 있다는 인식을 오랫동안 가져왔다. 휴렛트의 미국 특허 567,137호에 의해 예시된 바와 같이, "자기 블로우-아웃(magnetic blow-out)" 접촉기 또는 회로 차단기가 오랫동안 있어왔다. 블로우-아웃 자석은 접촉부로부터 멀어지는 방향으로 블로우-아웃 자석의 자속 선(magnetic flux lines)을 따라 장치 접촉부의 개방부에 형성된 전기적 아크를 촉진(urge)하여, 아크를 연장 및 중단(lengthening and disrupting)시킬 수 있다.
고전압 블로우-아웃 타입 절연 접촉기의 작동은 회로의 극성에 대하여 "보정하여(correctly)" 배선된, 즉 직류 흐름으로 배선된 접촉기에 의존한다. 회로의 극성이 고전압 절연 접촉기의 극성과 반대인 경우, 접촉을 개시하여 개방함으로써, 블로우-아웃 자석의 자속 선은 접촉영역으로부터 멀어지는 대신, 접촉영역으로 아크를 촉진하는 경향을 갖는다. 이것은 블로우-아웃 자석이 방지하도록 의도된 상황을 강화한다. 블로우-아웃 자석으로 구성된 고전압 절연 접촉기는 고전압 회로의 극성이 절연 접촉기의 극성과 일치하는 회로에서 접촉기의 수명을 증가시키는데 매우 효과적이다.
일부 하이브리드-전기 자동차 DC 파워 버스에 전류 흐름은 방향의 변경이 일어나기 때문에, 적어도 하나의 고전압 배분 서브 시스템에 대한 전위의 극성도 변경이 일어나게 된다. 하이브리드-전기 차량의 작동이 발전기 모드에 있는 동안 - 고전압 배터리의 전기 필요와 차량의 즉각적인 전기 필요 양쪽을 지원하도록 충분한 전위를 생성하는 트랙션 모터/발전기(들)로 정의 - 고전압 배분 서브 시스템의 극성은 트랙션 모터/발전기(들)로부터 고전압 축전지와 나머지 고전압 배분 서브 시스템으로 고전압 절연 접촉기를 통해 흐른다. 이 시나리오는 여기에서는 "포지티브 극성(positive polarity)"으로 언급된다. 네거티브 시스템 극성은 트랙션 모터/발전기(들) 뿐만 아니라 나머지 고전압 차량 아키텍처로 고전압 절연 접촉기를 통해 고전압 배터리에서 나가는 전위의 흐름으로 정의된다.
고전압 파워 배분 서브 시스템 극성의 반전(reversals)은 특정 상황에서 자주 발생할 수 있다. 하나의 그런 시나리오는 트랙션 모터/발전기(들)가 전력을 발전하지만, 발전율은 차량의 다양한 전기적 로드로부터, 예를 들면 전기 부속 모터, DC 대 DC 컨버터, TEM(truck equipment manufacturer) 일체화 바디 장비 등으로부터 소용되는 전력 수요의 경계선상에 있다. 이러한 상황에서, 차량의 고전압 파워 배분 서브 시스템에서의 극성은, 특히 부속품의 로드가 변경하는 경우, 극성이 빈번하게 변경될 수 있다. 이것은 차례로 접촉기의 개방으로부터 초래되는 아크를 중단하기 위한 블로우-아웃 자석의 영향을 감소시킬 수 있다.
하이브리드-전기 자동차의 전기적 파워 배분 시스템을 작동하는 방법에서, 전기적 파워 배분 시스템은 적어도 제1듀얼 모드 전동기/발전기, 고전압 트랙션 배터리, 상기 듀얼 모드 전동기/발전기와 상기 고전압 트랙션 배터리 사이의 접속가능한 양방향 직류 파워 전송선, 자기 블로우-아웃을 갖고 반대 극성이 나타나게 파워 전송선에 접속되는 제1 및 제2절연 접촉기, 및 전기적 시스템 컨트롤러를 포함한다. 상기 방법은 양방향 직류 파워 전송선에 전류의 극성을 결정하는 단계인, 전기적 파워 배분 시스템을 전원차단 하는 요청에 응답하는 단계를 포함한다. 일단 극성이 결정되었으면, 대응 극성의 절연 접촉기가 선택되어 개방된다. 접촉기의 선택 전 또는 후에, 양방향 직류 파워 전송선의 정상상태의 작동을 설정하는 단계가 취해진다. 정상상태의 작동을 하는 동안, 전송선 상의 전력 조류의 극성은 변경없이 유지된다. 다음, 선택된 절연 접촉기가 개방된다. 선택된 절연 접촉기가 개방된 후, 선택되지 않은 절연 접촉기가 개방된다.
도 1은 차량의 하이브리드-전기 구동열에 대한 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 구동열에 대한 고전압 파워 배분 시스템의 개략도이다.
다음의 상세한 설명에서, 유사한 참조 부호 및 문자는 다른 도면에서는 동일하거나, 대응하거나 또는 유사한 구성요소를 지칭하는데 사용되었다.
차량의 하이브리드-전기 구동열(20)에 대한 제어 시스템(22)을 개략적으로 나타낸 도 1을 참조하여 설명한다. 하이브리드-전기 구동열은 일반적으로 2개의 유형, 즉 병렬 및 직렬 중 하나로 되어 있다. 병렬식 하이브리드-전기 시스템에서, 추진 토크(propulsion torque)는 전동기에 의해, 연료 연소 엔진에 의해, 또는 이 둘의 조합에 의해 휠(wheels)을 구동하기 위해 제공될 수 있다. 직렬식 하이브리드 시스템에서는 구동 추진이 전동기에 의해서만 직접적으로 제공된다. 여기에 개시된 절연 접촉기 제어 방법의 예시는 특별한 하이브리드-전기 시스템에 한정되지는 않는다. 하이브리드-전기 구동열(20)은 직렬, 병렬 및 직렬/병렬 혼합 작동을 하기 위한 용도로 구성할 수 있으며, 상기 시스템은 모든 모드에서 작동한다. 하이브리드-전기 구동열(20)과 같은 복합 구조의 구동열은 다수의 가능한 시나리오를 예시할 수 있으며, 그에 의해서 구동열은 고전압 파워 배분 시스템(19) 내에서 극성 반전(polarity reversals)을 생성할 수 있다.
하이브리드-전기 구동열(20)은 내연(IC) 엔진(28)과 발전기 또는 전동기의 어느 하나로 작동될 수 있는 2개의 듀얼 모드 전기기계(전동기/발전기(30, 32))를 포함한다. 전동기/발전기(30) 단독으로 또는 함께 작동하는 전동기/발전기(32)가 차량의 추진력을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 전동기/발전기(30, 32) 중 하나가 또한 구동 휠(26)의 회생 브레이크 동작(regenerative braking)에 의해 또는 IC 엔진(28)에 의한 구동에 의해 전기를 생성할 수도 있다. 하이브리드-전기 구동열(20)에서, IC 엔진(28)은 직접 추진 토크를 제공하거나, 또는 직렬형 하이브리드-전기 구동열 구성으로 작동될 수 있으며, 여기서는 한쪽 또는 양쪽의 전동기/발전기(30, 32)를 구동하는 것을 제한한 것이다. 또한, 하이브리드-전기 구동열(20)도 전기 전동기/발전기(30, 32)로부터의 파워 출력과 IC 엔진(28)으로부터의 파워 출력을 결합하기 위한 유성 기어(60)도 포함한다. 트랜스미션(38)은 구동 휠(26)에 유성 기어(60)를 연결시킨다. 파워는 추진 소스와 구동 휠(26) 사이의 트랜스미션과 유성 기어(60)를 통해 양방향으로 전달될 수 있다. 제동동작을 하는 동안, 유성 기어(60)는 구동 휠(26)로부터 발생된 토크를 전동기/발전기(30, 32)로 전달하거나, 또는 만일 차량이 엔진 브레이크를 위해 장착한 것이면, 엔진(28)으로 전달하여, 전동기/발전기(30, 32)와 IC 엔진(28) 사이에 토크를 배분할 수 있다.
복수의 클러치(52, 54, 56, 58)는 전동기/발전기(30, 32) 및 엔진(28)이 구성하는 다양한 옵션을 제공하여서, 구동 휠(26)에 토크를 인가하여 차량을 추진하고, 엔진으로부터 전동기/발전기(30, 32)로부터의 전기를 생성하고, 그리고 구동 휠(26)로부터 이들을 역구동(back drive)하여 전동기/발전기(30, 32)로부터의 전기를 생성한다. 클러치(56, 58)가 결합된 경우, 전동기/발전기(30, 32)는 트랙션 모터 모드에서 작동하여 구동 휠(26)에 파워를 전달하거나, 구동 휠(26)로부터 역구동되어 전기 발전기로서의 기능을 할 수도 있다. 전동기/발전기(32)는 트랙션 모터 모드 또는 발전기 모드에서 작동되며, 상기 모드에서 클러치(58), 유성기어(60) 및 트랜스미션(38)이 휠(26)을 구동하게 결합되고, 동시에, 클러치(56)는 결합해제되어, 발전기로서 작동하도록 전동기/발전기(30)가 엔진(28)으로부터 클러치(54)를 통해 역구동하게 한다. 역으로, 클러치(56)가 결합해제되고, 클러치(58)가 결합되며, 양측의 전동기/발전기(30, 32)는 모터 모드에서 작동할 수 있다. 이런 구조에서는, 전동기/발전기(32)가 차량을 추진하면서, 전동기/발전기(32)는 엔진(28)이 크랭크를 돌리는데 사용할 수 있다. 클러치(52)가 결합되어, IC 엔진(28)이 차량을 추진하는데 사용되게 하거나, 또는 디젤 엔진이, "제이크(Jake) 브레이크"가 장착된 경우, 차량의 브레이크 동작을 보충하는데 사용되게 할 수 있다. 클러치(52, 54)가 결합되고 그리고 클러치(56)가 결합해제된 경우, 엔진(28)은 동시적으로 차량을 추진하고 전동기/발전기(30)를 구동하여 전기를 생성할 수 있다. 모두 사용되지 않더라도, 추가적인 다른 작동 구조는 여전히 가능하다. 일부 구성부분의 제거는 클러치(58)가 "선택" 요소로 고려될 수 있고, 영구 커플링으로 대체할 수 있게 한다.
클러치(52, 54, 56)의 선택적 결합 또는 결합해제는 하이브리드-전기 구동열(20)이 "병렬" 모드, "직렬" 모드, 또는 "직렬/병렬" 혼합 모드에서 작동하게 한다. 직렬 모드의 작동에 대한 구동열(20) 구성에서는, 클러치(54, 58)(있는 경우)가 결합되며, 클러치(56)는 결합해제될 수 있다. 이때, 추진력은 전동기/발전기(32)에 의해 제공되며, 전동기/발전기(30)는 발전기로서 작동한다. 병렬 모드의 작동에 대한 구동열(20)의 실행에서는, 적어도 클러치(52, 58)가 결합된다. 클러치(54)는 결합해제된다. 전동기/발전기(32)와 IC 엔진(28)을 사용하여 직접 추진력을 제공할 수 있다. 전동기/발전기(30)를 추진용으로 사용할 수 있다. 병렬/직렬 혼합 모드를 제공하는 구동열(20)의 구성은 결합된 클러치(52, 54, 58)와 결합해제된 클러치(56)를 갖는다. 전동기/발전기(32)는 전동기로 작동하여 추진력을 제공하거나 또는 회생 모드에서 작동하여 브레이크 동작을 보완한다. IC 엔진(28)은 추진력을 제공하고, 발전기로서 전동기/발전기(30)를 구동하도록 작동한다.
하이브리드-전기 구동열(20)은 2개의 에너지 저장부, 하나는 전동기/발전기(30, 32)용이며, 다른 하나는 IC 엔진(28)용 연료 탱크(62)를 이용한다. 전동기/발전기(30, 32)용 전기 에너지는 축전기에 직접 저장될 수 있으며, 일반적으로는 배터리(34)로부터 소스가 된다. 배터리(34)는 충전 및 방전될 수 있다. 전력 저장부로부터의 전력의 가용성은 SOE(state of energization)의 관점에서 또는 통상적으로 배터리를 가진 상태에서는 SOC(state of charge)의 관점에서 측정될 수 있다.
트랙션 배터리(34)는 외부 소스로부터 충전되거나 또는 구동열(20)의 작동에 의해 충전될 수 있다. 상술한 바와 같이, 전동기/발전기(30, 32)는 함께 또는 독립적으로 발전기로서 작동하여, 고전압 파워 배분 시스템(19)의 하이브리드 인버터(36)와 고전압 버스(17)를 통해 에너지를 공급하여, 트랙션 배터리(34)를 재충전할 수 있다. 하이브리드 인버터(36)는 전압의 강하 또는 승압을 제공하며, 만일 전동기/발전기(30, 32)가 교류 장치이면, 3상 동기 전동기/발전기와 배터리(34) 사이에 정류 및 비-정류(de-rectification)를 제공한다. 연료 탱크(62)로부터의 연료는 트랙션 배터리(34)를 충전하는데 사용되는 전기 에너지로 변환될 수 있다. 또한, 트랙션 배터리(34)도 회생 브레이크 동작을 통해 재충전될 수 있다.
구동열(20), 하이브리드 인버터(36), 트랙션 배터리(34)와 파워 시스템(19) 절연 접촉기(64, 68)(도 2 참조)의 제어는 제어 시스템(22)에 의해 실시된다. 제어 시스템(22)은 공용 데이터 링크(18) 및 하이브리드 시스템 데이터 링크(44)에 기초한 CAN(controller area networks)을 사용하여 실시된다. 제어 시스템(22)은 전자 시스템 컨트롤러(ESC)(24)를 통해 수신된 차량의 이동(ACC/TP) 및 정지(BRAKE)에 대한 작동자/운전자 명령에 응답하여 서비스 브레이크(40) 및 구동열(20) 요소의 작동을 조정한다. 제어 시스템(22)은 파워 배분 시스템(19)의 부품을 손상으로부터 보호하면서 파워 배분 시스템(19)의 전원차단(de-energization)을 포함한 작동자 명령에 응답하는 방식을 선택한다.
데이터 링크(18, 44)에 더하여, 제어 시스템(22)은 데이터를 제공 및 수신하고, 데이터 링크(18, 44)를 통해 지시하는 컨트롤러들을 포함한다. 이들 컨트롤러들 중에 ESC(24)가 있다. ESC(24)는 바디 컴퓨터 타입이며, 특별한 차량 시스템에 할당되는 것은 아니다. ESC(24)는 다양한 감독 역할을 수행하고, 브레이크 페달 위치(BRAKE), 점화 스위치 위치(IGN)와 가속 페달/스로틀 위치(ACC/TP)를 포함한 다양한 작동자/운전자 입력/명령을 직접 또는 간접적으로 수신하도록 연결된다. ESC(24), 또는 때때로 엔진 컨트롤러(46)는, 대기 온도(TEMP)와 같은 다른 데이터를 수집하는데 사용될 수도 있다. 이들 신호와 그외 다른 신호에 응답하여, ESC(24)는 도 2에 도시한 바와 같이 절연 접촉기(64, 66, 68)의 개방 및 폐쇄를 제어하도록, ABS(anti-lock brake system) 컨트롤러(50), 게이지 클러스터 컨트롤러(48), 트랜스미션 컨트롤러(42), 엔진제어유닛(ECU)(46), 하이브리드 컨트롤러(48), 1쌍의 부속 모터 컨트롤러(12, 14) 및 RPM(remote power unit)(70)을 통한 데이터 링크(18) 또는 데이터 링크(44)를 통해 제공될 수 있는 메시지/명령을 발생한다.
부속 모터 컨트롤러(12, 14)는 다른 CAN 노드(nodes), 주로 ESC(24)로부터의 지시에 응답하여 고전압 부속 모터(13, 15)를 제어한다. 고전압 부속 모터(13, 15)는 공기조화 압축기(도시되지 않음), 배터리 냉각회로 펌프(도시되지 않음) 또는 파워 스티어링 펌프(도시되지 않음) 등의 구성요소의 작동을 지원하는데 사용되는 직류 모터이다. 많은 하이브리드-전기 자동차에서는 엔진의 간헐적인 가용성으로 인해서 내연기관으로부터 직접적으로 그런 구성요소에 전력을 공급하는 합리적인 선택이 없고, 그리고 발전기 모드에서 작동하거나 또는 트랙션 배터리(34)로 작동하는 경우 부속 부품을 구동하는 모터(12, 14)는 전동기/발전기(30, 32)에 기생 로드(parasitic loads)가 있다. 이런 적용에 의해 생성된 상기 로드는, 예를 들어 차량(102)이 파워 스티어링에서 만들 수 있는 것보다 더 큰 수요(demands)를 만들 수 있는 서행 이동하는 교통(slow moving traffic)에 있는 상황에서는, 매우 가변적일 수 있다. 고온 및 고습도 환경에서는, 더 큰 수요가 공기조화 및 배터리 냉각동작에 위치하기 쉬우며, 따라서 이런 시스템에 사용되는 압축 펌프를 구동하는 모터는 파워 배분 시스템(19)을 대형 로드로서 나타내려는 경향이 있다. 부속 시스템에 의한 전력 드로우(power draw)는 CAN 하이브리드 데이터 링크(44)를 통해 ESC(24)에 보고될 수 있다.
구동열(20)에서 파워에 대한 작동자 수요는 ACC/TP(accelerator/throttle position)의 함수이다. ACC/TP는 하이브리드 관리 제어 모듈(48)에 신호를 보내는 ESC(24)에 대한 입력부이다. 엔진(28)이 추진력과 트랙션 배터리(34)를 충전하기 위해 양쪽으로 전력을 공급하는 경우, 엔진으로부터의 가용 전력의 할당은 하이브리드 관리 제어 모듈(48)에 의해 만들어진다.
도 2를 참조하여, 통전 상태(energization state)에 대한 제어 또는, 특별히 절연 접촉기(64, 68)의 작동을 통한 고전압 전기적 파워 배분 시스템(19)의 전원차단 부분에 대한 제어에 대해 설명한다. 고전압 전기적 파워 배분 시스템(19)은 3개의 서브 시스템(17, 74, 76)을 포함한다. 파워 배분 서브 시스템(17, 74, 76)은 다수의 전기적 도체로 형성된다. 근방에 접지 도체(27)는 인버터(36)의 한쪽 단자에 절연 접촉기(64)를 통해 고전압 트랙션 배터리(34A)의 접지 단자에 접속된다. 트랙션 배터리(34A)의 양극(보통 접지 단자)은 트랙션 배터리(34B)의 음극 단자에 고전압 도체(29)로 접속된다. 트랙션 배터리(34B)의 양극 단자는 절연 접촉기(68)에 저항 선(pre)-충전 회로(63)를 통해 접속되며, 그곳으로부터 고전압 도체(27)에 의해 인버터(36)의 나머지 단자에 접속된다. 도체(25, 27, 29)에 대한 전류 전송은 직류이지만, 양방향성(bi-directional)이다. 흐름 방향은 전류가 트랙션 배터리 팩(34A, 34B)에 의해 소스가 되고 있는지 또는 트랙션 배터리 팩으로 흘러가고 있는지의 여부에 따른다.
서브 시스템(17)은 서브 시스템이 통전되었을 때 근방에 접지 도체(25)와 고전압 도체(27)와의 사이에서 700 볼트의 DC 전위를 갖는다. 서브 시스템(74)은 고전압(350 볼트) 도체(29)와 근방에 접지 도체(25)와의 사이에서 350 볼트의 전위를 지지한다. 서브 시스템(76)은 고전압(350 볼트) 도체(29)와 고전압(700 볼트) 도체(27)와의 사이에서 350볼트의 전위를 지지한다.
고전압 파워 배분 시스템(19)은 절연 접촉기(64, 68)의 어느 하나를 개방하여 전원차단될 수 있다. 절연 접촉기(64, 68)는 고정된 극성의 설계로 이루어진다. 시스템은 접촉기가 개방하고 있는 동안 아크 동작(arcing)을 억제하기 위한 자기 블로우-아웃(magnetic blow-outs)을 갖추고 있다. 제1절연 접촉기(64)는 배터리 팩(34A)과 인버터(36) 사이에서 근방에 접지 도체(25)와 물리적으로 직렬관계로 있다. 제2절연 접촉기(68)는 트랙션 배터리(34B)의 양극 단자와 인버터(36)가 도체(27) 내에서 직렬 관계로 있다. 고전압 절연 접촉기(64, 68)는 회로 내에서 반대/반전된 극성 관계(opposing/reversed polarity relationship)(상호 관계)로 지향된다.
배터리(34A, 34B)가 방전하고 있으면, 전력 조류는 인버터(36) 쪽이다. 배터리(34A, 34B)가 충전되고 있으면, 전력은 인버터(36) 밖으로 흐른다. 절연 접촉기(64, 68)를 통한 전류 흐름 방향의 반전은 인버터(36)가 드로잉 전력(drawing power)인지 또는 소싱 전력(sourcing power)인지의 여부의 변경에 따른다. 만일, 하이브리드 인버터(36)가 드로잉 전력인 경우이면, 배터리(34A, 34B)는 소싱 전력이다. 배터리(34A, 34B)와 하이브리드 인버터(36)는 동시적으로, 특히 부드러운 회생 브레이크 동작과 무거운 하중을 받는 기간 동안은 소싱 전력일 수 있다. 그런 기간동안, 전류 흐름의 빈번한 반전이 일어날 수 있다.
배터리 관리 시스템(BMS)(35A, 35B)은 고전압 배터리 팩(34A, 34B)으로 흐르거나 그로부터 나오는 흐름의 전위(electrical potential)를 모니터링 한다. 이 데이터는 컨트롤러 영역 네트워크(CAN) 데이터 링크(44)를 통해 BMS(35A, 35B)에 의해 보고된다. 파워 서브 시스템(74, 76)에 연결된 고전압 부속 로드(accessory loads)는 컨트롤러를 포함하며, 이들은 데이터 링크(44)를 통해 로드 상태 및 전력의 드로잉을 보고 할 수 있다. 이런 시스템 중에는 고전압 배터리 냉각 모터(13)용 모터 컨트롤러(12A), 저전압 파워 배분 시스템(83) 및 저전압 배터리(82A, 82B)용 DC-to-DC 컨버터(80A, 80B), 파워 스티어링 펌프 모터(13B)용 모터 컨트롤러(12B), 공압 압축기 모터(15A)용 모터 컨트롤러(14B) 및 HVAC(heating, ventilation and air conditioning; 가열, 통풍 및 공기조화) 압축기 모터(15B)용 모터 컨트롤러(14B)가 있다. ESC(24)는 BMS(35A, 35B)와 데이터 링크(44)에 로드 상태 데이터를 모니터링 한다.
전류 흐름의 방향은 트랙션 배터리 팩(34A, 34B)용 배터리 관리 시스템(BMS)(35A, 35B)에 의해 생성된 보고서에 따른다. 고전압 파워 배분 시스템(19)의 전원을 차단하기 위해서는, 먼저 개방되는 절연 접촉기(64, 68) 중 하나가 전류의 흐름 방향에 따르게 한다. 전력 강하 작동을 위해서는, 데이터가 ESC(24)에 의해 사용되어, 절연 접촉기(64 또는 68) 중 보정된 하나를 선택하여, 회로 내에서 흐르는 직류의 현재의 극성을 고려한 개방을 한다.
일단 도체(25, 29) 상의 전류 흐름의 극성을 확인했고, 절연 접촉기(64) 중 적당한 하나를 선택했으면, ESC(24)는 타겟 회로와 관련된 모든 고전압 장치에 명령을 하여, 선택된 절연 접촉기가 개방될 수 있을 때까지 회로 및 선택된 절연 접촉기에서 보정 에너지 극성 관계를 유지하도록 "정상상태(steady state)"의 조건을 보장한다. 상기 경우가 항상 그런 것이 아니더라도, 일반적으로 정상상태의 기간은 이미 최소화된 부속 로드(accessory loads)와 함께 발생한다. 정상상태 기간의 지속이 일반적으로 수 마이크로 초(microseconds) 정도로 매우 짧고, 따라서 정상상태의 작동으로 인한 부정적인 결과는 최소가 되어야 한다. 정상 상태 기간 동안, 도체(25, 27, 29)의 전류 흐름의 극성은 유지된다. 이것은 하이브리드 인버터(36)로부터의 소싱 전력 량의 변화 및/또는 전동기/발전기(30, 32)에 의해 발생되는 전력량의 변화를 조정하는 로드 관리(load management)를 필요로 할 수 있다. 또한, 트랙션 배터리 팩(34A, 34B)은 정상상태로 고정되었을 때 최대 충전 상태의 근방에서 충전을 받을 수 있다. 트랙션 배터리(34A, 34B)가 짧은 정상상태로 있는 동안 과충전될 수 있는 정도는 최소가 될 것이다. 나머지, 선택되지 않은 절연 접촉기(64 또는 68)는 선택된 절연 접촉기가 개방된 후에 짧은 기간 동안 개방된다.
정상상태의 조건을 설정하여, 선택된 절연 접촉기(64, 68) 중의 하나를 개방하기에 앞서 도체(25, 27)에서의 극성의 변경을 막는다. 선택된 절연 접촉기가 천이(transitioning)하는 동안 발생하는 극성 변경은 고전압 절연 접촉기 내부에서 발전하는 아크를 억제하지 못할 수 있다. 반복되어 일어나는 아크동작, 특히 지속되는 아크동작은 고전압 절연 접촉기(64, 68)에 손상을 끼치게 한다. 일단 제1절연 접촉기가 개방으로 천이했으면, 제2절연 접촉기(반대 극성)는 순차적으로 개방으로 천이할 것이다. 그 결과, 제2절연 접촉기는 자기 블로우-아웃이 ESC(24)가 그 개방 상태로 천이하도록 제1접촉기에 명령할 때의 시점에서 반대 극성으로 배치되었다는 사실에도 불구하고 회로 내에서 에너지 흐름이 없음으로 인하여 손상을 받지 않을 것이다. 부속 컨트롤러와 모터를 파워 배분 서브 시스템(74, 76)에 각각 접속하는데 사용된 부속 절연 접촉기(43A, 43B)는 정상상태 기간 동안 전류 상태에서 유지된다. 정상상태 기간 동안, 다양한 부속물이 일정한 로드를 나타내도록 일정한 형태로 작동될 수 있다. 예를 들어, 공압 압축기 모터(15A)는 정상상태 기간의 개시 시에 작동하며, 그것은 정상상태 기간이 유효하게 남아있는 동안은 작동을 계속할 것이다. 이것은 차량에 압축공기 저장탱크의 압력보다 약간 높은 결과를 초래할 수 있다.
도체(25, 27)의 전류 극성에 대해 보정 극성의 절연 접촉기를 선택하는데 기대되는 정상 파워 상태의 조건을 유지하는 데 필요한 고전압 배터리(34A, 34B) SOC "동적 마진(dynamic margin)"을 제공한 것을 고려한다. 예: 고전압 배터리 재충전/재발전 사이클의 개시 및 마감을 위한 통상적인 상부 및 하부 SOC(state of charge) 값은 일반적으로 85 % - 25 % SOC 영역에 있을 것이다. 그러나, ESC(24) 선택 공정을 하는 동안은, SOC 범위가 87 % - 23 % SOC 로 증가되어, 정상상태 구간 동안에 발생할 수 있는 추가적인 에너지의 유입흐름 또는 유출흐름을 허용할 것이다.

Claims (13)

  1. 전기적 파워 시스템에 있어서, 상기 전기적 파워 시스템은:
    재충전 가능한 에너지 저장 시스템;
    재충전 가능한 에너지 저장 시스템을 충전하기 위한 수단;
    충전 수단과 재충전 가능한 에너지 저장 시스템 사이에서 양방향 직류 전기적 파워의 전송을 제공하기 위한 수단;
    양방향 전기적 파워 버스에 전력 조류(power flow)의 극성을 결정하기 위한 전기적 파워 배분 시스템의 상태의 변경에 대한 요청에 응답하는 제어 시스템; 및
    상기 전송을 제공하기 위한 수단에 자기 블로우-아웃 아크 장애를 제공하는 제1 및 제2절연 접촉기를 포함하며;
    상기 제1 및 제2절연 접촉기는 반대 극성이 나타나도록 상기 전송을 제공하기 위한 수단에 연결되며;
    상기 제어 시스템은 부가로, 온(on)에서 오프(off)로 전기적 파워 배분 시스템의 상태의 변경에 대한 요청에 응답하며, 제1 및 제2절연 접촉기 중 하나를 먼저 개방하도록 선택하기 위한 전력 조류의 극성의 결정에 응답하는 것을 특징으로 하는 전기적 파워 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기적 파워 시스템은 부가로:
    전기적 파워 배분 시스템에 연결된 로드가 전력 조류의 극성을 유지하도록 관리되는 동안 제한된 지속기간의 정상상태 기간을 개시하기 위한 프로그래밍 수단을 가진 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 파워 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    재충전 가능한 에너지 저장 시스템은 전기저장 배터리를 포함하고;
    충전 수단은 적어도 제1듀얼 모드 전동기/발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 파워 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전기적 파워 시스템은 부가로:
    미리 결정된 최대 지속기간을 가진 정상상태 기간도 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전기적 파워 시스템은 부가로:
    듀얼 모드 전동기/발전기의 관리기간을 가진 정상상태 기간을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 장치.
  6. 하이브리드-전기 자동차의 전기적 파워 시스템을 작동하는 방법에서,
    전기적 파워 배분 시스템은 적어도 제1듀얼 모드 전동기/발전기, 고전압 트랙션 배터리, 상기 듀얼 모드의 전동기/발전기와 상기 고전압 트랙션 배터리 사이의 접속가능한 양방향 직류 파워 전송선, 자기 블로우-아웃을 갖고 반대 극성이 나타나게 파워 전송선에 접속되는 제1 및 제2절연 접촉기, 및 전기적 시스템 컨트롤러를 포함하며,
    상기 방법은:
    양방향 직류 파워 전송선에 전류의 극성을 결정하는 전기적 파워 배분 시스템을 전원차단 하는 요청에 응답하는 단계;
    제1 및 제2절연 접촉기 중 하나를 선택하여 개방하는 단계;
    극성이 변경되지 않고 유지되는 동안 양방향 직류 파워 전송선에 대한 정상 상태를 설정하는 단계;
    선택한 절연 접촉기를 개방하는 단계; 및
    그 후, 선택되지 않은 절연 접촉기를 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방법은 부가로:
    미리 결정된 최대 지속기간을 갖는 정상상태를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방법은 부가로:
    정상 상태를 유지하도록 파워 배분 시스템에 연결된 로드를 관리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 하이브리드 자동차에 있어서, 상기 하이브리드 자동차는:
    재충전 가능한 에너지 저장 시스템;
    재충전 가능한 에너지 저장 시스템을 충전하기 위한 전기 전동기/발전기;
    전동기/발전기 및 재충전 가능한 에너지 저장 시스템 사이에 양방향 직류 전기적 파워의 전송을 제공하기 위한 수단;
    양방향 전기적 파워 버스에 전력 조류의 극성을 결정하기 위한 전기적 파워 배분 시스템의 상태의 변경에 대한 요청에 응답하는 제어 시스템; 및
    상기 전송을 제공하기 위한 수단에 자기 블로우-아웃 아크 장애를 제공하는 제1 및 제2절연 접촉기를 포함하며;
    상기 제1 및 제2절연 접촉기는 반대 극성이 나타나도록 제공하기 위한 수단에 연결되며;
    상기 제어 시스템은 부가로, 온으로부터 오프로 전기적 파워 배분 시스템의 상태의 변경에 대한 요청에 응답하며, 제1 및 제2절연 접촉기 중 하나를 먼저 개방하도록 선택하기 위한 전력 조류의 극성의 결정에 응답하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하이브리드 자동차는 부가로:
    전기적 파워 배분 시스템에 접속된 로드가 전력 조류의 극성을 유지하도록 관리되는 동안 제한된 지속기간의 정상 상태 기간을 개시하기 위한 프로그래밍 수단을 가진 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  11. 제10항에 있어서,
    재충전 가능한 에너지 저장 시스템은 전기저장 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하이브리드 자동차는 부가로:
    미리 결정된 최대 지속기간을 갖는 정상상태 기간을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하이브리드 자동차는 부가로:
    전동기/발전기의 관리를 가진 정상상태 기간을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자동차.
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