KR101555799B1 - 전기차 주회로 시스템 - Google Patents

전기차 주회로 시스템 Download PDF

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다케오 마츠모토
요시오 나가츠카
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

가선(2)으로부터의 공급 전력의 종별에 따라 전력의 공급처를 전환하는 교직 전환 회로(12), 입력 교류 전압을 강압하는 변압기(14), 변압기(14)의 탭 위치를 전환하는 탭 체인저(15), 탭 체인저(15)의 출력을 직류 전압으로 변환하는 CNV(17), 탭 체인저(15)와 CNV(17) 사이의 전력 공급 경로를 개폐하는 AC 접촉기(16), CNV(17)의 출력 또는 가선(2)의 출력을 축적하는 FC(18), FC(18)의 출력을 승압하는 CH(21), CH(21)의 출력을 축적하는 FC(22), FC(22)의 출력을 원하는 교류 전압으로 변환하는 INV(24), 교직 전환 회로(12), FC(18)와 CH(21)의 사이를 접속하는 직류 모선(20a, 20b)과의 사이에 접속되어, 교직 전환 회로(12)와 CH(21) 사이의 전력 공급 경로를 개폐하는 DC 접촉기(19), 및 가선 전압의 정보와 외부 지령 정보에 기초하여 탭 체인저(15), AC 접촉기(16), DC 접촉기(19), CNV(17) 및 CH(21)를 제어하는 제어부(30)를 구비한다.

Description

전기차 주회로 시스템{MAIN CIRCUIT SYSTEM FOR ELECTRIC ROLLING STOCK}
본 발명은 전기차 주회로 시스템에 관한 것이다.
최근에, 해외(특히 유럽 시장)에 있어서는, 철도 네트워크의 유럽 통합과 환경 의식의 고양으로부터 여러가지 가선 전압(예를 들면, AC 15kV-16.7Hz, AC 25kV-50Hz, DC 1.5kV, DC 3.0kV)에 대응할 수 있는 전기차의 니즈(needs)가 제기되어, 이러한 다전원(多電源)에 대응 가능한 전기차 주회로 시스템을 장비하는 것이 요망되고 있다.
한편, 출원인은, 상기와 같은 교류 및 직류에 의한 복수의 다전원, 보다 상세하게는, 교류 전원 및 직류 전원 중 어느 곳에도 대응하고, 또한 교류 전원 및 직류 전원 중 적어도 한쪽이 복수인 교직(交直) 다전원에 대응 가능한 전기차 주회로 시스템에 관련된 기술의 문헌 조사를 행했지만, 관련 기술을 포함하는 적절한 문헌을 찾아내는 데는 이르지 못했다. 또한, 여기서 말하는 복수란, 직류 전원, 교류 전원과 함께 가선 전압의 이동(異同)에 의해서 구별하는 것을 의미한다.
또한, 상기의 기술에 관련하여, 참고 문헌을 굳이 제시한다고 하면, 하기 특허 문헌 1, 2 등을 들 수 있다. 특허 문헌 1에서는, 작업시간이나 고장시의 복구 시간의 단축화를 도모하기 위해, 제어 장치 내의 기기를 유닛화하는 기술을 개시하고 있다. 특허 문헌 2에서는, 복수의 제조자에 의해 제작되는 경우에 있어서의 유도 장해의 문제를 해결하기 위해서, 제어 장치 내의 유닛 간의 호환성을 확보하는 기술을 개시하고 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개평 5-199601호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2004-187368호 공보
그런데, 종래는, 여러가지 복수의 전원의 조합(組合)에 대해서는, 그때마다 설계를 행하는 것이 일반적이었다. 이 때문에, 개개의 설계로 구축되는 전기차 주회로 시스템에서는, 부품의 공통화가 도모되지 못하여, 메인터넌스에 필요한 부품이 전원의 조합의 수만큼 있어, 메인터넌스성에 있어서 매우 비효율적이었다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 부품의 공통화가 도모되어, 메인터넌스성이 뛰어난 전기차 주회로 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 전기차 구동 시스템의 일부를 이루는 차량용 제어 장치 내에 수용 가능하게 구성되는 전기차 주회로 시스템으로서,
상기 전기차 구동 시스템에는, 가선으로부터의 공급 전력의 종별에 따라 전력의 공급처를 전환하는 교직(交直) 전환 회로와, 2차 권선측에 2개의 탭 위치(tap position)를 가지고, 입력된 교류 전압을 강압하여 2개의 탭 위치로부터 원하는 교류 전압을 출력하는 변압기가 마련되고, 상기 공급 전력의 종별로서, 제1 교류 전원에 의한 교류 전력과, 이 제1 교류 전원보다도 출력 전압이 높은 제2 교류 전원에 의한 교류 전력과, 제1 직류 전원에 의한 직류 전력과, 이 제1 직류 전원보다도 출력 전압이 높은 제2 직류 전원에 의한 직류 전력이 상정되는 경우에, 상기 변압기의 탭 위치를 전환하는 탭 체인저(tap changer)와, 상기 탭 체인저가 출력하는 교류 전압을 원하는 직류 전압으로 변환하는 컨버터와, 상기 탭 체인저와 상기 컨버터 사이의 전력 공급 경로를 개폐하는 교류 접촉기와, 상기 컨버터가 출력하는 직류 전력 또는 상기 가선으로부터 공급되는 직류 전력을 축적하는 제1 필터 캐패시터와, 상기 제1 필터 캐패시터가 출력하는 직류 전압을 원하는 직류 전압으로 승압하는 초퍼 회로와, 상기 초퍼 회로가 출력하는 직류 전력을 축적하는 제2 필터 캐패시터와, 상기 제2 필터 캐패시터가 출력하는 직류 전압을 원하는 교류 전압으로 변환하는 인버터와, 상기 교직 전환 회로로부터의 직류 전력의 공급을 개폐하는 직류 접촉기와, 상기 가선의 전압에 관한 정보와 외부로부터의 지령 정보에 기초하여 상기 탭 체인저, 상기 교류 접촉기, 상기 직류 접촉기, 상기 컨버터 및 상기 초퍼 회로를 제어하는 제어부,를 상기 차량용 제어 장치 내에 수용 가능하게 구성하고, 상기 제1, 제2 교류 전원 및 상기 제1, 제2 직류 전원 중에서, 상기 제1 직류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 초퍼 회로를 제거하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 교류 전원 및 직류 전원 중 적어도 한쪽이 복수 종인 교직 다전원으로부터의 전력 공급을 받아 동작할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 전기차 주회로 시스템을 포함하는 전기차 구동 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 전원(AC 15kV-16.7Hz)이 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 제2 전원(AC 25kV-50Hz)이 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 제3 전원(DC 1.5 kV)이 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 제4 전원(DC 3.0kV)이 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1과 같이 구성된 전기차 주회로 시스템을 차량의 바닥 하부나 지붕 위에 탑재할 때의 차량 상방 또는 하방에서 본 배치예를 나타내는 도면이다.
도 7은 제1 ~ 제4 전원에 대응하는 동작 양태를 표 형식으로 일람한 도면이다.
도 8은 CH 회로부를 분리했을 때의 전기차 주회로 시스템의 배치예를 나타내는 도면이다.
도 9는 CNV 파워 유닛 및 탭 체인저를 분리하고, FC 유닛을 작게 했을 때의 전기차 주회로 시스템의 배치예를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 형태 2에 따른 수냉(水冷) 시스템의 일 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 11은 실시 형태 2에 따른 수냉 시스템의 도 10과는 다른 구성예를 나타내는 모식도이다.
도 12는 실시 형태 2에 따른 분배 블록을 전기차 주회로 시스템측에서 보았을 때의 사시도이다.
도 13은 실시 형태 2에 따른 분배 블록을 수냉 장치측에서 보았을 때의 사시도이다.
도 14는 도 12의 A-A선을 따른 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 15는 도 12와는 다른 구조의 분배 블록을 전기차 주회로 시스템측에서 보았을 때의 사시도이다.
도 16은 도 12와는 다른 구조의 분배 블록을 수냉 장치측에서 보았을 때의 사시도이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 전기차 주회로 시스템에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 전기차 주회로 시스템을 포함하는 전기차 구동 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 실시 형태 1에 따른 전기차구동 시스템은 전기차 주회로 시스템(1)과, 이 전기차 주회로 시스템(1)의 주위에 배치되는 집전 장치(11), 교직 전환 회로(12), 변압기(14), 및 전기차 구동용 전동기(모터)(28)를 구비하여 구성된다.
전기차 주회로 시스템(1)은 변압기(14), 탭 체인저(Tap Changer)(15), AC(교류) 접촉기(16), 컨버터(Converter, 이하 「CNV」라고 표기)(17), 제1 필터 캐패시터(Filter Capacitor, 이하 「FC」라고 표기)로서의 FC(18), DC(직류) 접촉기(19), 승압 초퍼(Boost Chopper, 이하 「CH」라고 표기)(21), 제2 FC로서의 FC(22), 브레이크 초퍼(Brake Chopper, 이하 「BCH」라고 표기)(23), 인버터(Inverter, 이하 「INV」라고 표기)(24), 및 보조 전원 장치(Auxiliary Power Supply, 이하 「APS」라고 표기)와 배터리 차저(Battery Charger, 이하 「BCG」라고 표기)를 탑재한 APS&BCG(25), 및 이들 각 기기 또는 회로부를 제어하는 제어부(30)를 구비하여 구성된다.
집전 장치(11)와 교직 전환 회로(12)의 사이에는, 가선(2)의 전압을 검출하는 전압 검출기(29)가 접속되고, 전기차 주회로 시스템(1)의 출력단에 배치되는 INV(24)에는 모터(28)가 접속되어 있다. 또한, 모터(28)로서는, 유도 전압기나 동기 전동기가 매우 적합하다.
교직 전환 회로(12)는 가선(2)으로부터의 공급 전력(공급 전원)의 종별에 따라 전력의 공급처를 전환한다. 보다 상세하게 설명하면, 가선(2)으로부터 교류 전력(예를 들면, AC 15kV-16.7Hz, AC 25kV-50Hz)이 공급되는 경우에는 출력처를 변압기(14)로 하고, 가선(2)으로부터 직류 전력(예를 들면, DC 1.5 kV, DC 3.0kV)가 공급되는 경우에는 출력처를 DC 접촉기(19)로 한다. 또한, 교직 전환 회로(12)에 있어서의 전력 공급처의 전환은 자동적으로 행해진다.
변압기(14)는 1차 권선과 2차 권선을 가지고, 2차 권선에는 탭 위치로서 2개의 접점 A, B를 가지고 있으며, 입력 전압을 강압하여 2개의 탭 위치로부터 원하는 전압을 출력한다. 탭 체인저(15)는 후술하는 제어부로부터의 제어 신호에 기초하여, 공급 전원의 종별에 따라 2개의 탭 위치를 전환한다. 또한, 탭 위치와 공급 전원의 종별의 관계에 대해서는, 후술한다.
AC 접촉기(16)는 탭 체인저(15)와 CNV(17)의 사이에 배치되어, 이들 구성부간의 전력 공급 경로를 개폐한다. AC 접촉기(16)의 출력측에는 CNV(17)가 마련되고, CNV(17)의 출력측에는 FC(18)가 마련된다. CNV(17)는 교류 전력(교류 전압)을 원하는 직류 전력(직류 전압)으로 변환하는 전력 변환부로서, CNV(17)가 변환한 직류 전력은 전하로서 FC(18)에 축적된다.
DC 접촉기(19)는, FC(18)(혹은 CNV(17))와 CH(21)(혹은 INV(24))의 사이를 전기적으로 접속하는 양측(positive side) 직류 모선(20a)과 음측(negative side) 직류 모선(20b)의 사이에 접속된다. 이 접속에 의해, DC 접촉기(19)는 교직 전환 회로(12)와 CH(21) 사이의 전력 공급 경로를 개폐한다. 또, 이 접속에 의해, DC 접촉기(19)가 폐로(閉路)될 때, 교직 전환 회로(12)가 출력하는 직류 전력(직류 전압)은, CH(21)에 공급(인가)된다.
CH(21)는 DC 접촉기(19)를 통해서 인가되는 직류 전압을 승압하기 위한 회로, 즉, 승압 기능을 가지는 DC/DC 컨버터이다. 또한, CH(21)가 승압 회로로서 동작할 때에는, CH(21)에 구비되는 도시하지 않은 스위칭 소자가 동작한다. 한편, CH(21)를 기능시키지 않을 때는, 단순한 스루(through) 회로(다른 회로 동작에 영향을 주지 않고 전력을 전달하는 회로)로서 동작한다. 또한, CH(21)의 동작과 공급 전원의 종별의 관계에 대해서는, 후술한다.
CH(21)의 출력은, 직류 전력으로서 FC(22)에 축적된다. FC(22)의 출력측에는 BCH(23)가 마련되고, BCH(23)의 출력측에는 INV(24)가 마련된다. INV(24)는 직류 전력(직류 전압)을 소망 전압 및 소망 주파수의 교류 전력(교류 전압)으로 변환하는 전력 변환부이다. INV(24)가 변환한 전력이 모터(28)에 공급되어 모터(28)가 회전해, 전기차에 구동력을 준다. BCH(23)는 모터(28)가 발전기로서 동작할 때에 가선(2)측으로 회생할 수 없는 잉여 전력을 소비하는 회로이다.
APS&BCG(25)는 주전동기인 모터(28) 이외의 기기(예를 들면, 브레이크 장치, 조명 장치, 도어 개폐 장치, 공조 장치 등, 이하 「보기(補機)」라고 칭함)에 전력을 공급하는 전원(배터리) 장치나, 이 전원 장치를 충전하기 위한 충전 장치 등을 포함하는 구성부이며, 도 1에서는, CH(21)의 출력 전력을 이용하여 동작하도록 구성되어 있다.
제어부(30)는 공급 전원의 종별을 판정하기 위해, 전압 검출기(29)의 검출 전압을 가선 전압 정보 VG로서 감시한다. 또, 제어부(30)에는, 운전대 지령 CMD로서 지령자에 의한 운전 지령, 제어 지령 등의 지령 정보가 입력된다. 제어부(30)는, 이들 가선 전압 정보 VG 및 운전대 지령 CMD에 기초하여, 탭 체인저(15)의 탭 위치를 전환하는 탭 체인저 전환 지령 TCG, AC 접촉기(16)를 개폐 제어하는 AC 접촉기 개폐 지령 ACCG, DC 접촉기(19)를 개폐 제어하는 DC 접촉기 개폐 지령 DCCG, CNV(17)에 대한 CNV 동작 지령 GSC, 및 CH(21)에 대한 CH 동작 지령 CHSC를 생성하여 각 부를 제어한다.
다음으로, 실시 형태 1에 따른 전기차 주회로 시스템의 동작에 대해 설명한다. 또한, 공급 전력의 종별로서는, 유럽에 있어서 표준적인 이하의 4 전원을 일례로서 설명한다.
(1) 제1 전원:AC 15kV-16.7Hz
(2) 제2 전원:AC 25kV-50Hz
(3) 제3 전원:DC 1.5kV
(4) 제4 전원:DC 3.0kV
우선, 제1 전원이 공급 전원이 될 때의 동작에 대해 설명한다. 도 2는 제1 전원(AC 15kV-16.7Hz)가 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면으로, 상세하게는, 제1 전원의 공급을 받아 동작하는 부위(유닛)를 도 1의 구성도 상에 나타낸 도면이다. 도 2에 있어서, 실선으로 도시된 부위가 동작에 관계되는 부위이고, 파선으로 도시된 부위가 동작시키지 않는 부위이다.
제1 전원은 교류 전원이기 때문에, 제1 전원으로부터의 교류 전력은 변압기(14)에 공급된다. 탭 체인저(15)의 탭 위치는 A측으로 전환되고, ON으로 제어되고 있는 AC 접촉기(16)를 통해서 CNV(17)에 공급된다. 파선으로 도시되어 있는 DC 접촉기(19) 및 CH(21) 중, DC 접촉기(19)는 OFF로 제어되고, CH(21)의 초퍼 동작은 정지된다. CH(21)가 초퍼 동작을 정지하고 있음으로써 CH(21)는 스루 동작이 되고, CNV(17)의 출력은 FC(18, 22)에 축적됨과 아울러, CNV(17)의 출력 전압은 INV(24)에 인가된다. INV(24)는 FC(18, 22)의 축적 전하를 이용하여 필요한 전력을 모터(28)에 공급해 모터(28)를 구동한다. APS&BCG(25)도 FC(18, 22)의 축적 전하를 이용하여 필요한 전력을 보기에 공급하여 보기를 동작시킨다.
다음으로, 제2 전원이 공급 전원이 될 때의 동작에 대해 설명한다. 도 3은 제2 전원(AC 25kV-50Hz)이 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면으로, 상세하게는, 제2 전원의 공급을 받아 동작하는 부위를 도 1의 구성도 상에 나타낸 도면이다. 도 3에 있어서, 실선으로 도시된 부위가 동작에 관계되는 부위이고, 파선으로 도시된 부위가 동작시키지 않는 부위이다.
제2 전원도 교류 전원이기 때문에, 제2 전원으로부터의 교류 전력은 변압기(14)에 공급된다. 탭 체인저(15)의 탭 위치는 B측으로 전환된다. 탭 위치가 B측으로 전환됨으로써, 제1 전원보다도 출력 전압이 높은 제2 전원이 인가되었을 경우에도, 변압기(14)의 2차 권선으로부터의 출력 전압이 제1 전원이 인가되었을 경우와 동등하게 할 수 있다. 이것에 의해, CNV(17)로의 인가 전압은 제1 전원의 경우와 동등하게 되어, 유닛의 공용화가 가능해진다. 또한, 이후의 동작은, 제1 전원의 경우와 동등하며, 상세한 설명은 생략한다.
또한, 제1 전원과 제2 전원의 전원 주파수의 차는, 예를 들면 변압기(14)의 구조의 차이 등으로 나타내져 오지만, 변압기(14)로서는 전원 주파수가 낮은 제1 전원에 대응시킨 설계를 해 두면 좋고, 이와 같이 설계된 변압기(14)는 제2 전원에 대해서도 사용 가능하다.
다음으로, 제3 전원이 공급 전원이 될 때의 동작에 대해 설명한다. 도 4는 제3 전원(DC 1.5 kV)이 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면으로, 상세하게는, 제3 전원의 공급을 받아 동작하는 부위를 도 1의 구성도 상에 나타낸 도면이다. 도 4에 있어서, 실선으로 도시된 부위가 동작에 관계되는 부위이고, 파선으로 도시된 부위가 동작시키지 않는 부위 혹은 동작에 관계없는 부위이다.
제3 전원은 직류 전원이기 때문에, 제3 전원으로부터의 직류 전력은 ON으로 제어되고 있는 DC 접촉기(19)를 통해서 CH(21)에 공급된다. 파선으로 도시되어 있는 탭 체인저(15), AC 접촉기(16) 및 CNV(17)에 있어서, 탭 체인저(15)의 탭 위치는 임의이며, AC 접촉기(16)는 OFF로 제어되고, CNV(17)는 동작하지 않는다. 한편, CH(21)는 초퍼 동작을 행해서, 입력된 전압을 승압시킨다. CH(21)의 출력은 FC(22)에 축적됨과 아울러, CH(21)의 출력 전압은 INV(24)에 인가된다. INV(24)는 FC(22)의 축적 전하를 이용하여 필요한 전력을 모터(28)에 공급해 모터(28)를 구동한다. APS&BCG(25)도 FC(22)의 축적 전하를 이용하여 필요한 전력을 보기에 공급해 보기를 동작시킨다.
마지막으로, 제4 전원이 공급 전원이 될 때의 동작에 대해 설명한다. 도 5는, 제4 전원(DC 3.0kV)이 공급 전원이 될 때의 동작을 설명하는 도면으로, 상세하게는, 제4 전원의 공급을 받아 동작하는 부위를 도 1의 구성도 상에 나타낸 도면이다. 도 5에 있어서, 실선으로 도시된 부위가 동작에 관계되는 부위이고, 파선으로 도시된 부위가 동작시키지 않는 부위 혹은 동작에 관계없는 부위이다.
제4 전원도 직류 전원이기 때문에, 제4 전원으로부터의 직류 전력도 ON으로 제어되고 있는 DC 접촉기(19)를 통해서 CH(21)에 공급된다. 파선으로 도시되어 있는 탭 체인저(15), AC 접촉기(16) 및 CNV(17)의 상태 또는 동작은, 제3 전원 때와 동일하다. 한편, 제4 전원의 경우, 특히 동작시킬 필요가 있는 경우를 제외하고, CH(21)는 동작시키지 않고 스루 동작시킨다. 이것은, 제4 전원의 전압이 제3 전원의 전압보다도 높기 때문에, CH(21)를 승압 동작시킬 필요가 없기 때문이다. 이러한 CH(21)의 동작에 의해, INV(24)로의 인가 전압은 제3 전원의 경우와 동등하게 되어, 유닛의 공용화가 가능해진다. 또한, 이후의 동작은, 제3 전원의 경우와 동등하며, 상세한 설명은 생략한다.
상기의 동작은, 제1 ~ 제4 전원에 대한 개개의 동작이지만, 운행 노선에 있어서, 이들 제1 ~ 제4 전원 중 2개 이상이 구축되는 가선이더라도, 한 번에 공급되는 전력은, 이들 제1 ~ 제4 전원 중 어느 하나이기 때문에, 모든 전원에 대응하는 것이 가능하다.
도 6은, 도 1과 같이 구성된 전기차 주회로 시스템을 차량의 바닥 하부나 지붕 위에 탑재할 때의 차량 상방 또는 하방에서 본 배치예를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타낸 예에서는, 예를 들면 도 1에 도시된 전기차 주회로 시스템을, 제1 ~ 제9 부위로 구분하여 배치하고 있다. 구체적으로 설명하면, 제1 부위(51)는 수냉 장치(61)에 대응하고, 제2 부위(52)는 APS&BCG 파워 유닛(62)에 대응하고, 제3 부위(53)는 방전 저항(63A) 및 APS 인덕터(63B)에 대응하고, 제4 부위(54)는 INV&BCH 파워 유닛(64A) 및 CNV 파워 유닛(64B)에 대응하고, 제5 부위(55)는 FC 유닛(65)에 대응하고, 제6 부위(56)는 APS&BCG 출력 회로부(66)에 대응하고, 제7 부위(57)는 탭 체인저(67A), AC 접촉기(67B) 및 DC 접촉기(67C)에 대응하고, 제8 부위(58)는 제어 모듈(68)에 대응하고, 제9 부위(59)는 CH 회로부(69)에 대응하고 있다.
도 6의 구성에 있어서 특징적인 것은, 어느 것은 회로 기능의 일부를 분리하여 배치하고, 어느 것은 복수의 회로 기능을 통합하여 배치하고 있는 것이다. 예를 들면, 도 1에 도시된 APS&BCG(25)는, 도 6에서는, 3개의 회로부인 APS&BCG 파워 유닛(62), APS 인덕터(63B) 및 APS&BCG 출력 회로부(66)로 분리되어, 각각이 서로 다른 부위로서 배치되어 있다. 또, 예를 들면, 도 1에 도시된 탭 체인저(15), AC 접촉기(16) 및 DC 접촉기(19)는, 도 6에서는, 탭 체인저(67A), AC 접촉기(67B) 및 DC 접촉기(67C)로서, 제7 부위(57)에 통합되어 배치되어 있다. CNV(17), INV(24) 및 BCH(23)에 대해서도 마찬가지로, INV&BCH 파워 유닛(64A) 및 CNV 파워 유닛(64B)로서, 제4 부위(54)에 통합해서 배치되어 있다.
이와 같이, 회로 기능의 일부를 분리하여 배치하거나 복수의 회로 기능을 통합하여 배치함으로써, 차량 바닥 하부 또는 지붕 상부라고 하는 한정된 공간을 유효하게 활용하는 것이 가능해진다.
도 7은 제1 ~ 제4 전원에 대응하는 동작 양태를 표 형식으로 일람한 도면이다. 도 7에서는, 제1 전원(전원 1)~ 제4 전원(전원 4) 중 어느 쪽에 대응하고 있는지 여부로, 케이스 1 ~ 케이스 15까지의 15개의 케이스로 구분하고 있다. 도면 중의 검정 동그라미 표시는, 당해 전원에 대응하고 있는 것을 의미하고 있다. 예를 들면, 케이스 1은, 전원 1~4의 모두에 대응하고 있는 것을 의미하고 있다. 또, 케이스 3은 2개의 교류 전원인 전원 1, 2와 직류 전원의 하나인 전원 4에 대응하고 있는 것(역으로, 전원 3에는 대응하고 있지 않은 것)을 의미하고 있다. 다른 케이스에 대해서도 마찬가지로 설명할 수 있다.
또, 도표의 오른쪽 절반에는, AC 접촉기, DC 접촉기의 상태, 탭 체인저의 탭 위치, 및 CNV 동작 지령 CGSC 및 CH 동작 지령의 유무에 대해 나타내고 있다. 도 2 ~ 도 5의 도면을 참조하여 설명한 것처럼, AC 접촉기는, 교류 전원인 전원 1, 2로 동작하는 경우에는 ON으로 제어되고, 직류 전원인 전원 3, 4로 동작하는 경우에는 OFF로 제어된다. 따라서 케이스 6, 12, 13과 같이 직류 전원을 갖지 않는 케이스에서는 ON으로 제어되고, 케이스 11, 14, 15와 같이 교류 전원을 갖지 않는 케이스에서는 OFF로 제어되며, 그 외의 케이스에서는 ON/OFF 중 어느 것으로 전환 제어된다.
또, DC 접촉기는 AC 접촉기와는 반대인 관계에 있어, 케이스 6, 12, 13과 같이 직류 전원을 갖지 않는 케이스에서는 OFF로 제어되고, 케이스 11, 14, 15와 같이 교류 전원을 갖지 않는 케이스에서는 ON으로 제어되며, 그 외의 케이스에서는 ON/OFF 중 어느 것으로 전환 제어된다.
이하, 탭 체인저의 탭 위치, CNV 동작 지령 CGSC 및 CH 동작 지령 CHSC에 대해서도 마찬가지로 설명한다.
도 2 ~ 도 5의 도면을 참조하여 설명한 것처럼, 탭 체인저의 탭 위치는, 전원이 교류 전원(전원 1, 2)인 경우에 의미를 가진다. 그 때문에, 케이스 11, 14, 15와 같이 교류 전원을 갖지 않는 케이스에서는, 어느 위치에 있더라도 상관없다. 또, 교류 전원인 전원 1, 2 중 어느 1개를 가지는 경우에는, 탭 위치는 고정된다. 예를 들면, 케이스 4, 7, 8, 12와 같이 교류 전원으로서 전원 1만인 케이스에서는 A로 고정되고, 케이스 5, 9, 10, 13과 같이 교류 전원으로서 전원 2만인 케이스에서는 B로 고정되며, 그 외의 케이스에서는 A/B 중 어느 것으로 전환 제어된다.
CNV 동작 지령 CGSC는 전원이 교류 전원(전원 1, 2)인 경우에는 적의 출력(ON)되고, 전원이 직류 전원(전원 3, 4)인 경우에는 상시 OFF로 된다. 즉, CNV 동작 지령 CGSC는 케이스 6, 12, 13의 경우에는 출력되고, 케이스 11, 14, 15의 경우에는 상시 OFF로 되며, 그 외의 케이스에서는, 상시 OFF와 적의 출력되는 경우가 전환된다.
CH 동작 지령 CHSC는 전원 3의 경우에는 적의 출력(ON)되고, 전원 3 이외의 경우에는 상시 OFF로 된다. 즉, CH 동작 지령 CHSC는 케이스 14의 경우에만 상시 OFF가 되는 일 없이 적의 출력되고, 케이스 3, 6, 8, 10, 12, 13, 15의 경우에는 상시 OFF로 되며, 그 외의 케이스에서는, 상시 OFF와 적의 출력되는 경우가 전환된다.
또한, 도 7의 각 케이스를 전원의 종별이라고 하는 관점에서 정리하면 이하와 같이 된다.
(1) 케이스 1 :교류 2 전원, 직류 2 전원 대응
(2) 케이스 2, 3 :교류 2 전원, 직류 1 전원 대응
(3) 케이스 4, 5 :교류 1 전원, 직류 2 전원 대응
(4) 케이스 6 :교류 2 전원 대응
(5) 케이스 7~10 :교류 1 전원, 직류 1 전원 대응
(6) 케이스 11 :직류 2 전원 대응
(7) 케이스 12, 13 :교류 1 전원 대응
(8) 케이스 14, 15 :직류 1 전원 대응
다음으로, 전원의 종별과 전기차에 대한 요구(기능)의 관련에 대해 설명한다.
예를 들면 전원 1을 사용하는 노선 a와, 전원 2를 사용하는 노선 b와, 전원 3을 사용하는 노선 c와, 전원 4를 사용하는 노선 d의 사이를 1개 사양의 전기차로 운행하고 싶다는 요구가 있는 경우에, 도 1에 도시된 전기차 주회로 시스템은, 이 요구를 만족하는 것으로 된다.
또, 도 1에 도시된 전기차 주회로 시스템과 같이 4종의 전원으로 동작하도록 설계된 전기차는, 여러 가지의 요구에도 대응하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 전원 1을 사용하는 노선 a와, 전원 2를 사용하는 노선 b와, 전원 4를 사용하는 노선 d의 사이를 주행하는 전기차에 적용하고 싶다는 요구가 있는 경우를 상정한다. 이 경우, 도 1에 도시된 전기차 주회로 시스템을 그대로 사용할 수도 있지만, 도 1의 구성으로부터 CH(21)를 제거할 수 있다. 이 경우, CH(21)를 제거하더라도, FC(18)와 FC(22) 사이의 직류 모선을 전기적으로 접속하기만 해도 되어, 구조적인 설계 변경도 경미하다.
또한, 이러한 전원 1, 전원 2 및 전원 4의 공급 전력을 받아 동작하는 전기차 주회로 시스템을 기본 사양으로서 구축하고, 이 기본 사양으로부터의 발전계(發展系)로서 도 7에 도시된 각 케이스를 파악해도 좋다. 본 케이스는, 도 7의 케이스 3에 대응하므로, 예를 들면, 케이스 3에서부터 케이스 1로의 확장은, CH(21)를 FC(18)와 FC(22)의 사이에 추가하여, 제어부(30)에 CH(21)를 제어하는 기능을 부가한다고 하는 아이디어로 시스템을 발전시켜서 가면 된다.
또, 예를 들면, 전원 1을 사용하는 노선 a와, 전원 2를 사용하는 노선 b의 사이를 주행하는 전기차에 적용하고 싶다는 요구가 있는 경우도 상정된다. 이 경우, 상기의 아이디어와는 반대로, 도 1의 구성으로부터 교직 전환 회로(12), DC 접촉기(19) 및 CH(21)를 제거할 수 있다. 이 경우, 도 6에 도시된 전기차 주회로 시스템의 배치예는 도 8과 같이 변경할 수 있다. 이 도 8에서는, 파선부로 도시된 것처럼, DC 접촉기(67C) 및 CH 회로부(69)를 제거하는 것이 가능해진다.
또한, 이들 구성부를 제거하는 경우더라도, 구조적인 설계 변경은 경미해서 좋다. 또, 교직 전환 회로(12), DC 접촉기(19) 및 CH(21)를 제거하는 것은, 유닛의 수를 감소시키는 것이기 때문에, 시스템의 신뢰성이 저하된다고 하는 염려도 생기지 않는다.
추가로, 예를 들면, 전원 3을 사용하는 노선 c와, 전원 4를 사용하는 노선 d의 사이를 주행하는 전기차에 적용하고 싶다는 요구가 있는 경우에는, 도 1의 구성으로부터 교직 전환 회로(12), 탭 체인저(15), AC 접촉기(16), CNV(17) 및 FC(18)를 제거할 수 있다. 이 경우, 도 6에 도시된 전기차 주회로 시스템의 배치예는 도 9와 같이 변경할 수 있다. 이 도 9에서는, 파선부로 도시된 것처럼, CNV 파워 유닛(64B) 및 탭 체인저(67A)를 제거하는 것이 가능하게 됨과 아울러, FC 유닛(65)을 작게 하는 것이 가능해진다.
또한, 실시 형태 1에서는, 제1 및 제2 전원(전원 1, 2)이라고 하는 2종의 교류 전원과, 제3 및 제4 전원(전원 3, 4)이라고 하는 2종의 직류 전원에 대응 가능한 전기차 주회로 시스템에 대해 설명했지만, 실시 형태 1의 기술 사상을 적용함으로써, 한층 더 다종의 교류 전원이나 직류 전원에 대응시키는 것도 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
이상 설명한 것처럼, 실시 형태 1에 따른 전기차 주회로 시스템은, 여러가지 전원의 조합(케이스 1~케이스 15)에 대응할 수 있는 시스템 구성을 제공할 수 있으므로, 모든 케이스에 대해 부품의 공통화가 도모되어, 예비품의 관리, 메인터넌스의 작업성이 향상되고, 신뢰성도 증가시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다. 또, 그때마다 설계할 필요가 없기 때문에 제품 공사 기간도 단축되고, 다른 전원으로의 변경도 용이하게 대응할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
실시 형태 2.
실시 형태 2에서는, 실시 형태 1에 따른 전기차 주회로 시스템에 이용하기 매우 적합한 수냉 시스템에 대해 설명한다. 도 10은 실시 형태 2에 따른 수냉 시스템의 일 구성예를 나타내는 모식도로서, 도 1에 도시된 전기차 주회로 시스템에 이용하기 매우 적합한 수냉 시스템의 구성을 나타내고 있다. 도 10에 있어서, 수냉 시스템(100A)은 펌프(102), 블로어(103), 열교환기(104)를 가지는 수냉 장치(101), 이 수냉 장치(101)로부터 전기차 주회로 시스템을 수납하는 케이스(110) 내로 끌어 당겨져 통과되어 수냉 장치(101)로 되돌아가는 메인 수관(106), 케이스(110)측에 마련되어, 피냉각체인 반도체 소자(105)(105a~d)를 탑재하는 수냉 플레이트(108)(108a~d), 수냉 플레이트(108)와 메인 수관(106)을 접속시키기 위한 커넥터(109)를 각 단부(端部)에 가지는 플렉서블 튜브(flexible tube)(107) 등을 구비하여 구성된다.
이 수냉 시스템(100A)에서는, 수냉 플레이트(108)가 수열(受熱)한 반도체 소자(105)의 발생열을, 펌프(102)에 의해서 메인 수관(106) 내를 순환시켜, 열교환기(104)에 의해서 외부로 방열(放熱)함으로써 반도체 소자(105)를 냉각시킨다. 도시의 일례를 설명하면, 수냉 플레이트(108a)는 APS&BCG 파워 유닛(62)에 탑재되는 반도체 소자(105a)를 냉각시키고, 수냉 플레이트(108b)는, INV&BCH 파워 유닛(64A)에 탑재되는 반도체 소자(105b)를 냉각시키고, 수냉 플레이트(108c)는 CNV 파워 유닛(64B)에 탑재되는 반도체 소자(105c)를 냉각시키고, 수냉 플레이트(108d)는 CH 회로부(69)에 탑재되는 반도체 소자(105d)를 냉각시킨다.
도 10의 구성에 있어서, 메인 수관(106)은 수냉 플레이트(108)에 냉각수를 분배하기 위해 비교적 굵고, 또한, 강고(强固)한 수관으로 할 필요가 있다. 이 때문에, 메인 수관(106)은, 케이스(110) 내에 있어서, 많은 스페이스를 점유함과 아울러, 배치의 자유도도 높지는 않다. 그렇지만, 도 1에 도시된 전기차 주회로 시스템과 같이 사양이 명확하게 되어 있는 장치에 적용하는 것과 같은 경우이면, 큰 문제가 될 것은 없다.
한편, 도 11은 실시 형태 2에 따른 수냉 시스템의 도 10과는 다른 구성예를 나타내는 모식도이다. 도 11에 도시된 수냉 시스템(100B)에서는, 도 10의 구성에서는 마련하고 있던 메인 수관(106)을 분리하고, 대신에 분배 블록(121)을 수냉 장치(101)와 케이스(110)의 사이에 배치하고 있다. 또한, 분배 블록(121)의 구성예를 도 12 ~ 도 14에 나타낸다.
분배 블록(121)에 있어서의 한쪽 면측에는, 수냉 플레이트(108)에 냉각수를 공급하기 위한 4개의 출수공(出水孔)(123)과, 수냉 플레이트(108)의 열을 수열한 냉각수를 수냉 장치(101)측으로 되돌리기 위한 4개의 입수공(124)이 마련되어 있다(도 12, 14 참조). 또, 분배 블록(121)에 있어서의 다른 쪽 면측에는, 냉각수를 분배 블록(121)으로 안내하기 위한 입수공(125)과, 분배 블록(121)으로부터의 냉각수를 수냉 장치(101)로 안내하는 출수공(126)이 마련되어 있다(도 12, 13 참조).
출수공(123) 및 입수공(124)에는, 도 10에 도시된 것보다도 긴 플렉서블 튜브(117)가 커넥터(109)를 이용하여 끼워 넣어져 있다. 플렉서블 튜브(117)는, 도 11에 도시된 바와 같이 꺾어 구부려 배치할 수 있으므로, 자유도가 높고, 또한, 유연성이 높은 배치가 가능해진다.
또한, CH(21)가 불필요한 경우, 제9 부위의 CH 회로부(69)는 불필요하고, 수냉 시스템(100B)의 분배 블록(121)으로부터, 수냉 플레이트(108d)와, 이 수냉 플레이트(108d)와 분배 블록(121)의 사이를 연결하는 플렉서블 튜브(117)를 분리(대응하는 출수공(123), 입수공(124)은 볼트 등으로 막음)함으로써, 케이스(110) 내의 스페이스가 넓어져, 메인터넌스성도 향상된다.
또, 도 11에 도시된 수냉 시스템(100B)은, 실시 형태 1에서 설명한 것처럼, 시스템에 대한 요구의 일부가 변경되는 경우에 유효하다. 실시 형태 1에서도 설명했지만, 예를 들면, 제1 ~ 제4까지의 4종의 교직 전원에 의해 동작하도록 설계된 전기차에 있어서, 제3 및 제4 전원에 의한 2종의 직류 전원만으로 동작하는 전기차를 구성하는 경우에는, 탭 체인저(15), AC 접촉기(16), CNV(17) 및 FC(18)를 제거할 수 있으므로, 빈 스페이스에 수냉 장치(101)를 배치할 수 있다.
도 10에 도시된 수냉 시스템(100A)에서는, 메인 수관(106)을 이용하고 있기 때문에, 대폭적인 설계 변경하는 일 없이 수냉 장치(101)를 이동하는 것은 곤란하다. 이것에 반해, 도 11에 도시된 수냉 시스템(100B)에서는, 분배 블록(121)과 플렉서블 튜브(117)를 이용하고 있기 때문에, 상기와 같은 사양 변경에 대해서도 유연하게 대응할 수 있고, 차량의 바닥 하부나 지붕 위에 설치되는 차량용 제어 장치 내라고 하는 한정된 공간의 유효 활용이 가능해진다. 또, 메인 수관(106)보다도 염가의 플렉서블 튜브(117)를 이용하므로, 코스트 삭감에도 기여할 수 있다.
또한, 도 11에 도시된 분배 블록(121)에서는, 4개의 출수공(123)과 4개의 입수공(124)이 직선 모양으로 세로 1열로 배설되는 구성을 예시했지만, 도 15, 16에 도시된 분배 블록(121A)처럼 4개의 출수공(123)과 4개의 입수공(124)을 세로 2열로 배설하도록 해도 좋다. 또한, 도 12, 14, 15 등에 도시된 출수공(123) 및 입수공(124)의 수는 일례이며, 이들 수가 임의인 것은 말할 필요도 없다.
또, 이상의 실시 형태 1, 2에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일례이며, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 일부를 생략하는 등, 변경하여 구성하는 것도 가능한 것은 말할 필요도 없다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명은 복수 종의 교직 다전원에 대응 가능한 전기차 주회로 시스템으로서 유용하다.
1: 전기차 주회로 시스템
2: 가선
11: 집전 장치
12: 교직 전환 회로
14: 변압기
15, 67A: 탭 체인저
16, 67B: AC 접촉기
17: CNV(컨버터)
18: 제1 FC(제1 필터 캐패시터)
19, 67C: DC 접촉기
20a: 양측 직류 모선
20b: 음측 직류 모선
21: CH(승압 초퍼)
22: 제2 FC(제2 필터 캐패시터)
23: BCH(브레이크 초퍼)
24: INV(인버터)
25: APS&BCG(보조 전원 장치&배터리 차저)
28: 모터
29: 전압 검출기
30: 제어부
51~59: 제1 ~ 제9 부위
61, 101: 수냉 장치
62: APS&BCG 파워 유닛
63A: 방전 저항
63B: APS 인덕터
64A: INV&BCH 파워 유닛
64B: CNV 파워 유닛
65: FC 유닛
66: APS&BCG 출력 회로부
68: 제어 모듈
69: CH 회로부
100A, 100B: 수냉 시스템
102: 펌프
103: 블로어
104: 열교환기
105(105a~d): 반도체 소자
106: 메인 수관
107, 117: 플렉서블 튜브
108(108a~d): 수냉 플레이트
109: 커넥터
110: 케이스
121, 121A: 분배 블록
123, 126: 출수공
124, 125: 입수공

Claims (20)

  1. 전기차 구동 시스템의 일부를 이루는 차량용 제어 장치 내에 수용 가능하게 구성되는 전기차 주회로 시스템으로서,
    상기 전기차 구동 시스템에는, 가선으로부터의 공급 전력의 종별에 따라 전력의 공급처를 전환하는 교직(交直) 전환 회로와, 2차 권선측에 2개의 탭 위치(tap position)를 가지고, 입력된 교류 전압을 강압하여 2개의 탭 위치로부터 원하는 교류 전압을 출력하는 변압기가 마련되고,
    상기 공급 전력의 종별로서, 제1 교류 전원에 의한 교류 전력과, 이 제1 교류 전원보다도 출력 전압이 높은 제2 교류 전원에 의한 교류 전력과, 제1 직류 전원에 의한 직류 전력과, 이 제1 직류 전원보다도 출력 전압이 높은 제2 직류 전원에 의한 직류 전력이 상정되는 경우에,
    상기 변압기의 탭 위치를 전환하는 탭 체인저(tap changer)와,
    상기 탭 체인저가 출력하는 교류 전압을 원하는 직류 전압으로 변환하는 컨버터와,
    상기 탭 체인저와 상기 컨버터 사이의 전력 공급 경로를 개폐하는 교류 접촉기와,
    상기 컨버터가 출력하는 직류 전력 또는 상기 가선으로부터 공급되는 직류 전력을 축적하는 제1 필터 캐패시터와,
    상기 제1 필터 캐패시터가 출력하는 직류 전압을 원하는 직류 전압으로 승압하는 초퍼 회로와,
    상기 초퍼 회로가 출력하는 직류 전력을 축적하는 제2 필터 캐패시터와,
    상기 제2 필터 캐패시터가 출력하는 직류 전압을 원하는 교류 전압으로 변환하는 인버터와,
    상기 교직 전환 회로로부터의 직류 전력의 공급을 개폐하는 직류 접촉기와,
    상기 가선의 전압에 관한 정보와 외부로부터의 지령 정보에 기초하여 상기 탭 체인저, 상기 교류 접촉기, 상기 직류 접촉기, 상기 컨버터 및 상기 초퍼 회로를 제어하는 제어부,를 상기 차량용 제어 장치 내에 수용 가능하게 구성하고,
    상기 제1, 제2 교류 전원 및 상기 제1, 제2 직류 전원 중에서, 상기 제1 직류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 초퍼 회로를 제거하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    추가로, 상기 제2 직류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 교직 전환 회로 및 상기 직류 접촉기를 제거하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    추가로, 상기 제2 교류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 탭 체인저의 탭 위치를 소정의 탭 위치로 고정하여 구성하거나, 또는 당해 탭 체인저를 제거하여 구성하는 것 중 어느 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    추가로, 상기 제1 교류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 탭 체인저의 탭 위치를 소정의 탭 위치로 고정하여 구성하거나, 또는 당해 탭 체인저를 제거하여 구성하는 것 중 어느 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    추가로, 상기 제2 교류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 탭 체인저의 탭 위치를 소정의 탭 위치로 고정하여 구성하거나, 또는 당해 탭 체인저를 제거하여 구성하는 것 중 어느 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    추가로, 상기 제2 직류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 교직 전환 회로 및 상기 직류 접촉기를 제거하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    추가로, 상기 제1 교류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 교직 전환 회로 및 상기 교류 접촉기를 제거하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    추가로, 상기 제1 교류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 탭 체인저의 탭 위치를 소정의 탭 위치로 고정하여 구성하거나, 또는 당해 탭 체인저를 제거하여 구성하는 것 중 어느 구성으로 하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    추가로, 상기 제2 교류 전원을 사용하지 않는 경우에는, 상기 교직 전환 회로 및 상기 교류 접촉기를 제거하여 구성하는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기차 주회로 시스템은, 수냉(水冷) 장치로부터의 냉각수를 순환시켜 피냉각체를 냉각시키는 수냉 시스템으로서 구성됨과 아울러, 상기 수냉 장치는 상기 차량용 제어 장치 내에 수용 가능하게 구성되고,
    상기 수냉 장치와 상기 전기차 주회로 시스템을 탑재하는 케이스의 사이에는 상기 수냉 장치로부터의 냉각수를 피냉각체를 탑재하는 수냉 플레이트로 인도하고, 또한 냉각 후의 냉각수를 상기 수냉 장치로 돌려 보내기 위한 분배 블록이 마련됨과 아울러, 상기 분배 블록과 상기 수냉 플레이트의 사이가 플렉서블 튜브에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 전기차 주회로 시스템.
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