KR101900252B1 - 에너지 저장 장치의 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

에너지 저장 장치의 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 저장 장치를 제어하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 에너지 저장 장치는, n ≥ 2인 조건에서, 출력 단자들 각각에 공급 전압을 출력하기 위한 n개의 출력 단자와, 출력 단자들 중 하나의 출력 단자와 각각 연결된 n개의 에너지 공급 분기를 포함하고, 이 에너지 공급 분기들 각각은 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 모듈을 포함하고, 이 에너지 저장 모듈들은 각각 하나 이상의 에너지 저장 셀을 구비한 에너지 저장 셀 모듈과, 풀 브리지 회로 내 커플링 부재들을 구비한 커플링 장치를 포함하고, 이 커플링 부재들은 선택적으로 각각의 에너지 공급 분기 내로 에너지 저장 셀 모듈을 스위칭하거나 브리지하도록 설계된다. 본 발명에 따른 방법은 다음 단계들, 즉 하나 이상의 제 1 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서, 인접한 제 1 기준 신호들에 대해 T/2K의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 제 1 주기적 기준 신호와 제 1 설정 값 신호를 비교하는 것을 통해 각각의 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하기 위한 제 1 펄스 폭 변조 제어 신호를 생성하는 단계와, 하나 이상의 제 2 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서, 인접한 제 2 기준 신호들에 대해 T/2K의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 제 2 주기적 기준 신호와 제 2 설정 값 신호를 비교하는 것을 통해 각각의 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하기 위한 제 2 펄스 폭 변조 제어 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 이 경우, 제 2 기준 신호들은 제 1 기준 신호들에 대해 각각 T/4k의 위상 변이를 갖는다.

Description

에너지 저장 장치의 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING AN ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은, 특히 n상 교류 전압을 생성하기 위한 배터리 직접 인버터 회로에서 에너지 저장 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
앞으로는 예컨대 풍력 발전소 또는 태양광 발전소와 같은 고정식 적용 분야에서 뿐만 아니라, 하이브리드 또는 전기 자동차와 같은 차량에서도 점점 더 전기 구동 기술과 새로운 에너지 저장 기술을 조합하는 전자 시스템이 사용될 것이라는 전망이 두드러지고 있다.
전기 기계로 다상 전류의 공급은 통상적으로 펄스 인버터 형태의 인버터를 통해 달성된다. 이를 위해, 직류 전압 중간 회로로부터 공급되는 직류 전압은 다상 교류 전압, 예컨대 3상 교류 전압으로 변환될 수 있다. 이 경우, 직류 전압 중간 회로는 직렬 연결된 배터리 모듈들로 이루어진 스트링으로부터 전력을 공급받는다. 각각의 적용 분야를 위해 정해진 출력 및 에너지에 대한 요건을 충족할 수 있도록 하기 위해, 보통 트랙션 배터리 내 복수의 배터리 모듈이 직렬 연결된다.
미국 공보 US 5,642,275 A1에는, 인버터 기능이 통합된 배터리 시스템이 기술되어 있다. 상기 유형의 시스템들은 멀티레벨 캐스케이드 인버터(Multilevel Cascaded Inverter) 또는 배터리 직접 인버터(BDI, Battery Direct Inverter)라는 이름으로 공지되었다. 상기 시스템들은 전기 기계 또는 전력 공급 계통에 직접 연결될 수 있는 복수의 에너지 저장 모듈 스트링 내 직류 전류원들을 포함한다. 이 경우, 단상 또는 다상 공급 전압들이 생성될 수 있다. 에너지 저장 모듈 스트링들은 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 모듈을 포함하고, 각각의 에너지 저장 모듈은 하나 이상의 배터리 셀과 할당된 제어 가능한 커플링 유닛을 포함하고, 커플링 유닛은 제어 신호들에 따라서 각각 할당된 하나 이상의 배터리 셀을 브리지하거나, 또는 각각 할당된 하나 이상의 배터리 셀을 각각의 에너지 저장 모듈 스트링 내로 스위칭하는 것을 허용한다. 선택적으로, 커플링 유닛은, 추가로 각각 할당된 하나 이상의 배터리 셀을 역극성으로도 각각의 에너지 저장 모듈 스트링 내로 스위칭하거나, 또는 각각의 에너지 저장 모듈 스트링을 차단하는 것을 허용하는 방식으로 형성될 수 있다. 예컨대 펄스 폭 변조를 이용한 커플링 유닛들의 적합한 제어를 통해, 위상 출력 전압을 제어하기 위한 적합한 위상 신호들도 공급될 수 있으며, 그럼으로써 별도의 펄스 인버터가 생략될 수 있다. 그에 따라, 위상 출력 전압의 제어를 위해 필요한 펄스 인버터는 이른바 BDI 내에 통합된다.
BDI들은 통상적으로 종래의 시스템들에 비해 더 높은 효율 및 더 높은 고장 안전성을 갖는다. 고장 안전성은 특히, 결함이 있거나, 고장이 났거나, 완전한 성능을 갖지 않은 배터리 셀들이 커플링 유닛들의 적합한 브리지 제어를 통해 에너지 공급 라인들로부터 분리될 수 있는 것을 통해 보장된다. 에너지 저장 모듈 스트링의 위상 출력 전압은 커플링 유닛들의 상응하는 제어를 통해 변하고 특히 단계별로 조절될 수 있다. 이 경우, 출력 전압의 단계별 조절은 단일의 에너지 저장 모듈의 전압으로부터 제공되며, 최대 가능한 위상 출력 전압은 에너지 저장 모듈 스트링의 모든 에너지 저장 모듈의 전압들의 합에 의해 결정된다.
에너지 저장 모듈의 출력 전압의 조절을 위해, 커플링 유닛들의 펄스 폭 변조(PWM) 제어가 수행될 수 있다. 그 결과로, 스위치 온 또는 오프 시간의 의도된 변동을 통해 에너지 저장 모듈 전압으로서 소정 평균값이 출력될 수 있다.
독일 공보 DE 39 24 398 A1로부터는, 직렬 연결된 복수의 강압형 컨버터를 PWM 제어하기 위한 방법이 공지되었으며, 이 방법의 경우 출력 측에서 직렬 연결된 모든 강압형 컨버터는 균일한 위상 제어 팩터 및 균일한 PWM 주기 기간으로 작동된다. 개별 강압형 컨버터들의 출력 전압 곡선들은 각각 제어 주기의 일부분만큼 서로 변이된다. 그 결과로, 평균값을 중심으로 더욱 적은 변동폭을 나타내는 총 출력 전압이 얻어질 수 있다.
BDI들의 경우, 특히 n상 BDI에서 n상 출력 전압 시스템을 형성할 때, 총 출력 전압의 변동이 최적화될 수 있는 PWM 제어 방법이 필요하다.
본 발명의 과제는, 특히 n상 교류 전압을 생성하기 위한 배터리 직접 인버터 회로에서 에너지 저장 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 한 관점에 따라서, 에너지 저장 장치를 제어하기 위한 방법을 제공하며, 상기 에너지 저장 장치는, n ≥ 2인 조건에서, 출력 단자들 각각에 공급 전압을 출력하기 위한 n개의 출력 단자와, 출력 단자들 중 하나의 출력 단자와 각각 연결된 n개의 에너지 공급 분기를 포함하고, 에너지 공급 분기들 각각은 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 모듈을 포함하고, 이들 에너지 저장 모듈은 각각 하나 이상의 에너지 저장 셀을 구비한 에너지 저장 셀 모듈과, 풀 브리지 회로 내 커플링 부재들을 구비한 커플링 장치를 포함하고, 커플링 부재들은 선택적으로 각각의 에너지 공급 분기 내로 에너지 저장 모듈을 스위칭하거나 브리지하도록 설계된다. 본 발명에 따른 방법은 하기 단계들, 즉 하나 이상의 제 1 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서, 인접한 제 1 기준 신호들에 대해 T/2K의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 제 1 주기적 기준 신호와 제 1 설정 값 신호를 비교하는 것을 통해 각각의 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하기 위한 제 1 펄스 폭 변조 제어 신호를 생성하는 단계와, 하나 이상의 제 2 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서, 인접한 제 2 기준 신호들에 대해 T/2K의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 제 2 주기적 기준 신호와 제 2 설정 값 신호를 비교하는 것을 통해 각각의 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하기 위한 제 2 펄스 폭 변조 제어 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 이 경우, 제 2 기준 신호들은 제 1 기준 신호들에 대해 각각 T/4k의 위상 변이를 갖는다.
이 경우, 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈 각각에, 바람직하게는 2k개의 기준 신호 중 2개의 기준 신호가 할당될 수 있다. k개의 에너지 저장 모듈에 대한 할당의 순서에서만 서로 구별되고 그 밖에는 서로 일치하는 2k개의 기준 신호의 집합들은 하기에서 동일한 것으로 고려되고 서로 구별되지 않는다.
하기에서, 기준 신호의 펄스 주기(T)는 계속해서 "펄스 주기"라고 하는 한편, 에너지 공급 분기의 출력 전압의 주기 기간(T/2k)은 "부분 펄스 주기"라고 한다.
다른 관점에 따라서, 본 발명은, n ≥ 2인 조건에서, 출력 단자들 각각에 공급 전압을 출력하기 위한 n개의 출력 단자와, 출력 단자들 중 하나의 출력 단자와 각각 연결된 n개의 에너지 공급 분기를 구비한 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템에 있어서, 에너지 공급 분기들 각각은 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 모듈을 포함하고, 이들 에너지 저장 모듈은 각각 하나 이상의 에너지 저장 셀을 구비한 에너지 저장 셀 모듈과, 풀 브리지 회로 내 커플링 부재들을 구비한 커플링 장치를 포함하고, 커플링 부재들은 선택적으로 각각의 에너지 공급 분기 내로 에너지 저장 셀 모듈을 스위칭하거나 브리지하도록 설계되어 있는, 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 시스템은 또한, 커플링 장치들과 연결되어 있으면서, 에너지 저장 장치를 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 설계된 제어 장치도 포함한다.
본 발명의 사상은, PWM 제어 신호를 통해 제어되는 에너지 저장 모듈들의 시스템에서 항상, 설정 전압 공간 벡터에 가장 가깝게 위치되는 그런 전압 공간 벡터들만이 사용되는 방식으로, PWM 방법을 통해 복수의 에너지 저장 모듈로부터 다상 공급 전압을 생성하기 위해 복수의 위상 단자를 포함한 에너지 저장 장치의 제어 전략을 최적화하는 것이다. 이를 위해, 상이한 에너지 공급 분기들을 위한 PWM 제어 신호들은, 생성을 위해 사용되는 기준 신호들이 에너지 공급 분기마다 서로 상이한 위상 변이들을 갖도록 생성된다. 위상 변이가, 에너지 공급 분기의 내부에서 기준 신호들이 서로 포함하는 위상 변이의 일부분이라면, 설정 전압 공간 벡터에 직접 인접하는 전압 공간 벡터만이 위상 전압들의 생성을 위해 사용되도록, 전압 공간 벡터의 선택이 자동으로 수행된다.
상기 조치의 중요한 장점은, 에너지 저장 장치 내에서, 그리고 연결된 부하 장치 내에서 전류 변동이 감소되며, 이는 에너지 저장 장치의 스위칭 부재들의 부하를 감소시킨다는 것이다. 반대로, 에너지 저장 장치의 커플링 장치들의 스위칭 주파수는 에너지 저장 장치 내 전류 변동의 레벨이 변함이 없을 때 감소될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 따라서, 에너지 공급 분기들 각각에 대해, 에너지 공급 분기의 펄스 폭 변조 제어 신호가 부분 펄스 주기의 개시 시점에 논리적으로 높은 전위, 또는 논리적으로 낮은 전위에 위치하는지의 여부의 결정이 수행될 수 있다.
그 다음, 바람직하게는, 다른 실시예에서, 에너지 공급 분기의 각각의 펄스 폭 변조 제어 신호가 부분 펄스 주기의 개시 시점에 논리적으로 낮은 전위에 위치하는 그런 에너지 공급 분기들이 제 2 에너지 공급 분기들로서 선택될 수 있다. 그 결과로, 각각의 펄스 주기의 개시 시점에, 에너지 공급 모듈들의 커플링 장치들에 대해 어떠한 제어 전략이 최소의 전류 변동과 결부되는지가 검사될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라서, 제 2 기준 신호들의 위상 변이는 제 1 기준 신호들에 대해 포지티브일 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라서, 제 2 기준 신호들의 위상 변이는 제 1 기준 신호들에 대해 네거티브일 수 있다. 그 결과로, 스위칭 과정들의 시퀀스는 바람직하게는 제어 전략에 맞춰질 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라서, 제 1 및 제 2 기준 신호들은 삼각파 신호일 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따라서, 제 1 및 제 2 설정 값 신호들은 적어도 펄스 주기에 걸쳐서 일정한 신호 레벨을 가질 수 있다.
본 발명에 따르는 시스템의 일 실시예에 따라서, 커플링 장치들은 파워-MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면과 관련해서 하기 설명에 제시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 장치를 포함한 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 따르는 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈의 개략도이다.
도 3은 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈의 PWM 제어 전략의 개략도이다.
도 4는 도 3에 따르는 PWM 제어 전략으로 작동되는 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈의 출력 전압의 전위 다이어그램의 개략도이다.
도 5는 복수의 에너지 저장 모듈을 포함하는 에너지 저장 장치의 PWM 제어 전략의 개략도이다.
도 6은 도 5에 따르는 PWM 제어 전략으로 작동되는, 복수의 에너지 모듈을 포함한 에너지 저장 장치의 출력 전압의 전위 다이어그램의 개략도이다.
도 7은 펄스 인버터의 개략도이다.
도 8은 복수의 에너지 공급 분기를 포함하는 에너지 저장 장치의 PWM 제어 전략의 개략도이다.
도 9는 도 8에 따른 PWM 제어 전략으로 작동되는, 복수의 에너지 공급 분기를 포함한 에너지 저장 장치의 전압 공간 벡터 다이어그램의 개략도이다.
도 10은 복수의 에너지 저장 모듈을 각각 포함하는 복수의 에너지 공급 분기를 구비한 에너지 저장 장치의 제어 전략의 개략도이다.
도 11은, 에너지 저장 장치가 도 10에 따르는 PWM 제어 전략으로 작동되는 조건에서, 복수의 에너지 저장 모듈을 각각 포함하는 복수의 에너지 공급 분기를 구비한 에너지 저장 장치의 출력 전압의 전위 다이어그램의 개략도이다.
도 12는, 에너지 저장 장치가 도 10에 따르는 PWM 제어 전략으로 작동되는 조건에서, 복수의 에너지 저장 모듈을 각각 포함하는 복수의 에너지 공급 분기를 구비한 에너지 저장 장치의 전압 공간 벡터 다이어그램의 개략도이다.
도 13은, 본 발명의 일 실시예에 따라 에너지 저장 장치를 제어하기 위한 방법의 개략도이다.
도 1에는, 에너지 저장 모듈들(3)에 의해 공급되는 직류 전압을 n상 교류 전압으로 변환하기 위한 시스템(100)이 도시되어 있다. 시스템(100)은 에너지 공급 분기들 내에서 직렬 연결된 에너지 저장 모듈들(3)을 구비한 에너지 저장 장치(1)를 포함한다. 예시로서, 도 1에는, 예컨대 3상 기계(2)용 3상 교류 전압을 생성하기에 적합한 3개의 에너지 공급 분기가 도시되어 있다. 그러나 분명한 점은, 다른 개수의 에너지 공급 분기도 가능하다는 것이다. 에너지 저장 장치(1)는 각각의 에너지 공급 분기 상에, 위상 라인들(2a, 2b 및 2c)에 각각 연결되는 제 1 출력 단자(1a, 1b, 1c)를 포함한다. 예시로서, 도 1 내 시스템(100)은 3상 전기 기계(2)의 전력 공급을 위해 사용된다. 그러나 에너지 저장 장치(1)는 전력 계통(2)을 위한 전류를 생성하기 위해 사용될 수도 있다.
시스템(100)은 또한, 에너지 저장 장치(1)와 연결되어 있으면서, 각각의 제 1 출력 단자들(1a, 1b, 1c)에 소정 출력 전압들을 공급하기 위해 에너지 저장 장치(1)를 제어할 수 있는 제어 장치(9)를 포함할 수 있다. 또한, 제어 장치(9)는, 에너지 저장 장치(1)의 에너지 저장 셀들을 충전하는 동안 에너지 저장 장치(1)의 각각의 능동 스위칭 부재들 제어하도록 설계될 수 있다.
에너지 공급 분기들 각각의 하나 단부는 공통 성형점(4)(star point)에 접속될 수 있다. 상기 성형점(4)의 전위는 정의를 통해 전위 0으로서 선택될 수 있다. 또한, 성형점(4)은 차량의 접지 전위와도 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다.
에너지 공급 분기들 각각은 직렬 연결된 2개 이상의 에너지 저장 모듈(3)을 포함한다. 예시로서, 도 1에서 에너지 공급 분기당 에너지 저장 모듈(3)의 개수는 4개이지만, 다른 개수의 에너지 저장 모듈(3)도 가능하다. 바람직하게는, 에너지 공급 분기들 각각은 동일한 개수의 에너지 저장 모듈(3)을 포함하지만, 각각의 에너지 공급 분기에 대해 상이한 개수의 에너지 저장 모듈(3)이 제공될 수도 있다. 도 5 내지 도 12에서는, 각각 에너지 저장 장치(1)의 에너지 공급 분기의 4개의 에너지 저장 모듈(3)의 예시적 개수가 관련된다. 거기의 설명은 에너지 저장 모듈(3)의 다른 개수에 대해서도 상응하게 적용된다.
에너지 저장 모듈들(3)은 각각 2개의 출력 단자(3a 및 3b)를 포함하며, 이들 출력 단자를 통해 에너지 저장 모듈들(3)의 출력 전압이 공급될 수 있다. 에너지 저장 모듈들(3)은 주로 직렬로 연결되어 있기 때문에, 에너지 저장 모듈들(3)의 출력 전압들은 합산되어 총 출력 전압을 형성하며, 총 출력 전압은 에너지 저장 장치(1)의 제 1 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 각각의 제 1 출력 단자에 공급될 수 있다.
에너지 저장 모듈(3)의 예시적 구성 형태는 도 2에 비교적 더 상세하게 도시되어 있다. 이 경우, 에너지 저장 모듈들(3)은 각각 복수의 커플링 부재(7a, 7c 및 7b와 7d)를 구비한 커플링 장치(7)를 포함한다. 에너지 저장 모듈들(3)은 또한 각각 직렬 연결된 하나 이상의 에너지 저장 셀(5.1 내지 5.i)을 구비한 에너지 저장 셀 모듈(5)을 포함하며, i는 직렬 연결된 에너지 저장 셀의 개수이다.
이 경우, 에너지 저장 셀 모듈(5)은 예컨대 직렬 연결된 셀들(5a 내지 5i), 예컨대 리튬 이온 셀들을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 에너지 저장 모듈들(3) 내에서 에너지 저장 셀(5a 내지 5i)의 개수는 예시로서 2개이지만, 다른 개수의 에너지 저장 셀(5a 내지 5i)도 가능하다.
에너지 저장 셀 모듈들(5)은 UM의 단자 전압을 보유하고, 연결 라인들을 통해 대응하는 커플링 장치(7)의 입력 단자들과 연결된다. 다시 말해, 대응하는 커플링 장치(7)의 입력 단자들에 전압(UM)이 인가된다. 이 경우, 중심 탭(central tap)이 출력 단자들(3a)과 연결되는, 직렬 연결된 커플링 부재들(7a 및 7c)은 풀 브리지의 이른바 좌측 분기를 형성하고, 중심 탭이 출력 단자(3b)와 연결되는, 직렬 연결된 커플링 부재들(7b 및 7d)은 풀 브리지의 이른바 우측 분기를 형성한다. 커플링 장치(7)는 도 2에서 각각 2개의 커플링 부재(7a, 7c) 및 2개의 커플링 부재(7b, 7d)를 포함한 풀 브리지 회로로서 형성된다. 이 경우, 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은 각각 능동 스위칭 부재, 예컨대 반도체 스위치와 이에 병렬 연결된 프리휠링 다이오드를 포함할 수 있다. 이 경우, 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, d)은 이미 진성 다이오드를 포함하고 있는 MOSFET 스위치로서 형성될 수 있다.
커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은, 각각의 에너지 저장 셀 모듈(5)이 선택적으로 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에서 연결되는 방식으로, 또는 에너지 저장 셀 모듈(5)이 브리지되는 방식으로, 예컨대 도 1에 도시된 제어 장치(9)에 의해 제어될 수 있다. 도 2를 참조하면, 에너지 저장 셀 모듈(5)은, 커플링 부재(7d)의 능동 스위칭 부재와 커플링 부재(7a)의 능동 스위칭 부재가 폐쇄된 상태로 되는 한편 커플링 부재들(7b 및 7c)의 나머지 두 능동 스위칭 부재는 개방된 상태로 됨으로써, 예컨대 순방향으로 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에 스위칭될 수 있다. 이 경우, 커플링 장치(7)의 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에는 전압 UM이 인가된다. 하나의 브리지 상태는, 예컨대 커플링 부재들(7a 및 7b)의 두 능동 스위칭 부재가 폐쇄된 상태로 되는 한편, 커플링 부재들(7c 및 7d)의 두 능동 스위칭 부재는 개방된 상태로 유지됨으로써 설정될 수 있다. 제 2 브리지 상태는, 예컨대 커플링 부재들(7c 및 7d)의 두 능동 스위치가 폐쇄된 상태로 되는 한편, 커플링 부재들(7a 및 7b)의 능동 스위칭 부재들은 개방된 상태로 유지됨으로써 설정될 수 있다. 두 브리지 상태에서, 커플링 장치(7)의 두 출력 단자(3a 및 3b) 사이에는 전압 0이 인가된다. 또한, 에너지 저장 셀 모듈(5)은, 커플링 부재들(7b 및 7c)의 능동 스위칭 부재들이 폐쇄된 상태로 되는 한편, 커플링 부재들(7a 및 7d)의 능동 스위칭 부재들은 개방된 상태로 됨으로써, 역방향으로 커플링 장치(7)의 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에 스위칭될 수 있다. 이 경우, 커플링 장치(7)의 두 출력 단자(3a 및 3b) 사이에는 전압 -UM이 인가된다.
그러므로 커플링 장치들(7)의 적합한 제어를 통해, 에너지 저장 모듈들(3)의 개별 에너지 저장 셀 모듈들(5)은 의도적으로 에너지 공급 분기의 직렬 회로 내에 통합될 수 있다. 그 결과로, 에너지 공급 분기들 내로 에너지 저장 모듈들(3)의 에너지 저장 셀 모듈들(5)을 선택적으로 스위칭하기 위한 커플링 장치들(7)의 의도적 제어를 통해, 에너지 저장 모듈들(3)의 에너지 저장 셀 모듈들(5)의 개별 출력 전압들에 따라 결정되는 총 출력 전압이 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 각각에 공급될 수 있다. 이 경우, 총 출력 전압은 각각 단계별로 설정될 수 있고, 단계의 개수는 에너지 공급 분기당 에너지 저장 모듈(3)의 개수에 따라 조정된다. 에너지 공급 분기 내 에너지 저장 모듈(3)의 개수가 k개인 경우, 2k + 1 단계에서 에너지 공급 분기의 총 출력 전압은 -k· U M , ...,0,...,+k· U M 사이에서 설정될 수 있다.
펄스 폭 변조(PWM) 제어를 통해, 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 각각에, 전압 곡선이 사인파 교류 전압과 근사한 일련의 출력 전압들의 시퀀스가 설정될 수 있다. 이를 위해, 에너지 저장 모듈들(3)의 각각의 하프 브리지의 커플링 부재들(7a, 7c 또는 7b, 7d)에, PWM 제어 신호의 펄스 폭들의 적합한 변동을 통해, 스위칭 과정들의 소정 사이클이 사전 설정될 수 있다. 에너지 저장 모듈들(3) 중 하나의 에너지 저장 모듈용 PWM 제어 신호를 생성할 수 있는 가능성은 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.
이를 위해, 설정 값 신호(xS)는 기준 신호(xR)와 비교된다. 이 경우, 기준 신호(xR)는 -1과 +1의 정규화 값들 사이에서 연장되는 삼각파 신호일 수 있다. 이 경우, 설정 값 신호(xS)는 -1과 +1 사이의 정규화 값도 보유할 수 있다. 풀 브리지의 좌측 분기를 위한 PWM 제어 신호의 펄스 폭과 그에 따라 풀 브리지의 좌측 분기의 능동 스위칭 부재들의 스위칭 시점들이 설정 값 신호(xS)와 기준 신호(xR) 사이의 비교를 통해 결정되는 기간(T)의 펄스 주기가 도시되어 있다. 설정 값 신호(xS)가 기준 신호(xR)보다 더 큰 값을 보유한다면, 풀 브리지의 좌측 분기를 위한 PWM 제어 신호는 논리적으로 높은 레벨로 설정된다. 그 결과로, 커플링 부재(7a)는 전기 전도 상태로 되는 한편, 커플링 부재(7c)는 전기 차단 상태로 된다. 설정 값 신호(xS)가 기준 신호(xR)보다 더 작은 값을 가지면, 좌측 분기를 위한 PWM 제어 신호는 논리적으로 낮은 레벨로 설정된다. 그 결과로, 커플링 부재(7a)는 전기 차단상태로 되는 한편 커플링 부재(7c)는 전기 전도 상태로 설정된다. 이 경우, 설정 값 신호(xS)의 레벨이 더욱 높아질수록, 펄스 주기(T) 동안 좌측 분기를 위한 PWM 제어 신호의 펄스 폭은 더욱더 길어진다. 기준 신호(xR)는 펄스 주기(T)에 따라서 반복된다.
상응하는 방식으로, 풀 브리지의 우측 분기를 위한 PWM 제어 신호의 펄스 폭과 그에 따라 풀 브리지의 우측 분기의 능동 스위칭 부재들의 스위칭 시점들은 설정 값 신호(xS)와 기준 신호(-xR) 사이의 비교를 통해 결정된다. 설정 값 신호(xS)가 기준 신호(-xR)보다 더 큰 값을 가지면, 풀 브리지의 우측 분기를 위한 PWM 제어 신호는 논리적으로 낮은 레벨로 설정된다. 그 결과로, 커플링 부재(7d)는 전기 전도 상태로 되는 한편 커플링 부재(7b)는 전기 차단 상태로 된다. 설정 값 신호(xS)가 기준 신호(-xR)보다 더 작은 값을 가지면, 우측 분기를 위한 PWM 제어 신호는 논리적으로 높은 레벨로 설정된다. 이 결과로, 커플링 부재(7d)는 전기 차단 상태로 되는 한편, 커플링 부재(7b)는 전기 전도 상태로 된다. 이 경우, 설정 값 신호(xS)의 레벨이 더 높아질수록, 펄스 주기(T) 동안 우측 분기를 위한 PWM 제어 신호의 펄스 폭은 더 짧아진다.
설정 값 신호(xS)가 펄스 주기 동안 일정하거나, 또는 적어도 상기 설정 값 신호의 시간 곡선을 미리 알고 있다면, 커플링 장치(7)의 커플링 부재들(7a 내지 7d)의 능동 스위칭 부재들을 위한 스위칭 시점들은, 기준 신호들(xR 및 -xR)의 순간 값들의 부단한 계산 없이도, 앞서 기술한 방법을 적용할 때 xS가 xR과 동일하고 xS가 -xR과 동일한 시점들만이 커플링 장치(7)의 펄스 주기(T)의 개시 시점에 대해 직접 계산됨으로써 설정 값 신호(xS)로부터 직접 결정될 수 있다. 이런 시점들은, 커플링 부재들(7a 내지 7d)을 위한 스위칭 시점들이다. 도 3에 도시된 예시와 관련하여서는, 예컨대 하기에서, +2/3과 동일한 xS의 상수 값이 가정된다. 이 경우, 펄스 주기(T)의 개시 시점에서 우선, 커플링 부재들(7b 및 7d)이 전기 전도성인 한편 커플링 부재들(7a 및 7c)은 차단되는 스위칭 상태가 주어진다. 그 다음, 시점 T/12에서 xS는 xR과 동일하며, xR은 펄스 주기(T)의 상기 제 1 반주기에서 연속해서 감소한다. 그 결과, 상기 시점에서, 풀 브리지의 좌측 분기를 위한 제어 신호는 논리적으로 낮은 레벨에서 논리적으로 높은 레벨로 전환되어야 한다. 이는, 상기 시점에 커플링 부재(7b)가 차단되고 커플링 부재(7a)는 전기 전도 상태로 되는 것을 의미한다. 상응하는 방식으로, 시점 5T/12에서 커플링 부재(7d)는 차단되고 커플링 부재(7c)는 전도 상태로 된다. 그 다음, 시점 7T/12에서는 커플링 부재((7c)는 다시 차단되고 커플링 부재(7d)는 다시 전도 상태로 된다. 마지막으로, 시점 11T/12에서 커플링 부재(7a)는 다시 차단되고 커플링 부재(7b)는 다시 전도 상태로 된다. 상기 스위칭 시점들과 이런 스위칭 시점들에서 실행될 스위칭 과정들 모두는, 기준 신호들(xR 및 -xR)이 분명하게 계산되지 않으면서, 설정 값 신호(xS)의 값으로부터 간단한 방식으로 계산될 수 있다.
도 4에 개략적으로 도시된 것처럼, 상기 방식으로, 출력 전압은 논리적으로 높은 전압 값과 논리적으로 낮은 전압 값 사이에서 변동하는 곡선(uP)을 갖고, 논리적으로 낮은 전압 값은 논리적으로 높은 전압 값보다 UM만큼 더 낮은 것이 달성된다. xS가 포지티브이면, 논리적으로 높은 전압 값은 +UM과 같고, xS가 네거티브이면, 논리적으로 높은 전압 값은 0과 같다. 이 경우, 출력 전압(uP)은 펄스 주기(T)의 진행 중에 논리적으로 높은 전압 값과 논리적으로 낮은 전압 값 사이에서 2회 변동한다. 따라서 출력 전압(uP)의 주기 기간은 T/2와 같고, 그에 따라 기준 신호들(xR 및 -xR)의 주기 기간(T)에 대해 이미 반분된다. 이 경우, 평균적으로, 각각의 에너지 저장 모듈(3)의 출력 전압으로서 출력 직류 전압(uP)이 주어지며, 값(uP)은 설정 값 신호(xS)의 값에 따라 조정된다.
상기 제어 전략은 (도 5에 예시적으로 도시된 것처럼) 에너지 공급 분기당 복수의 에너지 저장 모듈(3)로 확장된다. 이를 위해, 에너지 공급 분기의 설정 출력 전압에 따라 조정되는, 에너지 공급 분기용 설정 값 신호(xS)가 결정된다. 에너지 저장 모듈들(3) 중 각각의 개별 에너지 저장 모듈을 위해, 각각의 에너지 공급 분기의 인접한 기준 신호들(xR)에 대한 위상 변이를 각각 갖는 고유의 기준 신호(xR)가 생성된다. 도 5에는, 예시로서, 에너지 공급 분기당 k = 4개의 에너지 저장 모듈(3)에 대한 경우가 도시되어 있으며, 제어 전략은 k에 대한 또 다른 값에 대해서도 일반화될 수 있다. 이 경우, k개의 에너지 저장 모듈(3)의 기준 신호들(xR)은 각각 T/2k만큼 서로 변위된다. 그 결과로, 2k개의 기준 신호(xR1 내지 xRk 및 -xR1 내지 -xRk)의 시스템이 생긴다. 이 경우, k개의 에너지 저장 모듈(3)에 대한 각각의 기준 신호 쌍(xR 및 -xR)의 할당은 임의로 변경될 수 있다.
이제, 에너지 공급 분기의 각각의 에너지 저장 모듈들(3)을 위해, 각각 대응하는 기준 신호들(xR 및 -xR)과 설정 값 신호(xS)의 비교를 통해 펄스 폭 변조 제어 신호들을 생성한다면, 도 6에 개략적으로 도시된 에너지 공급 분기의 출력단에서 전압 곡선(u)을 생성하는 개별 제어 신호들에 대한 등급 설정(grading)이 주어진다. 그에 따라, 기준 신호들(xR)의 시스템은 에너지 공급 분기의 출력단에서, 변동 폭이 에너지 저장 셀 모듈(5)의 출력 전압(UM)과 동일한 출력 전압을 전제로 한다. 이 경우, 출력 전압은 상대적으로 더 높은 전압 값과 UM만큼 더 낮은 전압 값 사이에서 변동하며, 상기 전압 값들은 UM의 정수 배이고 x S ·k· U M 의 평균 출력 전압이 생성된다. 기준 신호들(xR)의 등급 설정을 통해, 출력 전압 곡선의 변동 성분의 주기 기간에 대해 T/2k의 주기 기간이 주어진다. 그 대신, 에너지 공급 분기의 출력 전압이 종래의 펄스 인버터의 분기를 통해 생성될 수도 있다면, (출력 전압 조정 범위가 동일한 경우) 상기 분기는 2k· U M 의 입력 전압을 공급받아야 할 수도 있다. 기간(T)의 펄스 주기 동안 출력 전압의 변동 폭은 2k· U M 이고, 상기 출력 전압의 변동 성분의 주기 기간은 T가 된다.
도 7에는, 입력 전압(2k· U M )을 갖는 종래의 펄스 인버터의 개략도가 도시되어 있으며, 전위 0에 비해 네거티브 입력 단자는 전위(-kUM)를 갖고 포지티브 입력 단자는 전위(+kUM)를 갖는다.
따라서 기술한 PWM 방법과 결부하여 앞서 기술한 배터리 직접 인버터의 전류 변동은, 동일한 출력 조정 범위를 가지면서 동일한 PWM 주기 기간(T)으로 작동되는 종래의 펄스 인버터에 비해서 1/2k*1/2k = (1/2k)2의 팩터만큼 감소하고, 그럼으로써 전류 변동이 사전 설정된 임계값을 초과하지 않으면서, 스위칭 주파수는 종래의 제어 전략에 비해 강하된다.
커플링 장치(7)를 위한 PWM 방법의 기술에서 이미 설명한 것처럼, 여기서도 기간(T/2k)의 다음 부분 펄스 주기 동안 각각 실행할 스위칭 과정들은 유형 및 시점에 따라서 결정되며, 이를 위해 기준 신호들(xR)의 시간 곡선들은 지속적으로 함께 계산되지 않아도 된다. 이를 위해, 기간(T/2k)의 다음 부분 펄스 주기 동안 설정 값 신호(xS)의 시간 곡선만을 알고 있으면 된다. 바람직하게는, 상기 시간 곡선은 기간(T/2k)의 부분 펄스 주기 동안 일정하다. 기간(T/2k)의 새로운 부분 펄스 주기의 개시 시점에 설정 값 신호(xS)가 변동하면, 상기 시점에 추가 스위칭 과정들이 야기될 수 있다. 상기 스위칭 과정들의 유형은, 설정 값 신호(xS)의 값이 선행하는 부분 펄스 주기 및 새로 개시되는 부분 펄스 주기 동안 각각 알고 있는 사항이라면, 기준 신호들(xR)의 분명하고 부단한 계산 없이 결정된다.
도 8에는, 도 7에 따르는, 입력 전압(2k· U M )을 공급받는 펄스 인버터의 3개의 상이한 에너지 공급 분기를 위한 제어 전략의 개략도가 도시되어 있다. 이 경우, 상기 개수는 예시의 특성일 뿐이며, 다른 개수의 에너지 공급 분기도 도 8에 도시된 제어 전략으로 제어될 수 있다. n개의 에너지 공급 분기의 출력단들에서 n상 공급 전압 시스템을 얻기 위해, 에너지 공급 분기들 각각은 상이한 설정 값 신호로 작동될 수 있다. 예컨대 제 1 에너지 공급 분기는 설정 값 신호(xSU)로 작동될 수 있고, 제 2 에너지 공급 분기는 설정 값 신호(xSV)로 작동될 수 있으며, 제 3 에너지 공급 분기는 설정 값 신호(xSW)로 작동될 수 있다. 각각의 에너지 공급 분기는 중심 탭을 포함한 하프 브리지로 구성되기 때문에, 기준 신호(-xR)와 각각의 설정 값 신호(xS)의 비교는 생략된다. 그 결과, 기간(T)의 펄스 주기 동안 도 8에도 도시되어 있는 시간 곡선들을 갖는 출력 전압들(uU, uV 및 uW)의 시스템이 주어진다. 이 경우 발생하는 출력 전압 값들(uU, uV 및 uW)의 조합은 도 9의 공간 벡터 다이어그램에 의해 도시된다. 이 경우, 출력 전압들(uU, uV 및 uW)은 예컨대 3상 전기 기계(2)에 에너지 공급을 위해 전기 기계(2)의 고정자 단자들에 인가될 수 있는 성형 전압 시스템(star voltage system)을 실현한다. 상기 고정자 단자들에서, 도 9에 개략적으로 도시된 전압 공간 벡터가 설정된다.
도 9의 전압 공간 벡터 다이어그램에는, 각각 하나의 에너지 저장 모듈(3)을 포함한 에너지 공급 분기들에 대한 상이한 전압 값들(uxyz)이 도시되어 있으며, 지수들(x, y 및 z)은, 각각의 에너지 공급 분기가 바로 논리적으로 높은 레벨을 갖는 PWM 제어 신호로 제어되는지, 또는 논리적으로 낮은 레벨을 갖는 PWM 제어 신호로 제어되는지에 따라서 0 또는 1의 값을 가질 수 있다. 예컨대, 전압 공간 벡터(u100)는, 에너지 공급 분기들 중 하나의 에너지 공급 분기가 출력 전압(uU = +kUM)을 출력하는 한편 다른 두 에너지 공급 분기는 출력 전압(-kUM)을 출력하는 상태이다. 설정 값 전압 공간 벡터(uS)에 따를 수 있도록 하기 위해, 바람직하게는 설정 값 전압 공간 벡터(uS)에 직접 인접하게 위치하는 전압 공간 벡터를 각각 사용한다. 도 9에 도시된 예시에서, 설정 값 전압 공간 벡터(uS)는, 전압 공간 벡터들(u100, u110 및 u000)에 의해 정해지고 빗금 표시된 면으로 표시된 영역 내에 위치한다. 상기 전압 공간 벡터들(u100, u110 및 u000)만이 설정 값 전압 공간 벡터(uS)의 생성을 위해 사용된다면, 에너지 공급 분기들의 출력 전압들의 전류 또는 전압 변동 폭은 최소가 된다.
도 10에는, 각각 k = 4개의 에너지 공급 모듈을 구비한 3개의 에너지 공급 분기를 포함하는 배터리 직접 인버터를 위해 확장된 제어 전략의 개략도가 도시되어 있다. 여기서도, PWM 제어 신호들을 생성하기 위해, 에너지 저장 모듈을 위한 기준 신호들(xR)의 시스템이면서 위상 변이되는 방식으로 등급 설정된 상기 시스템과 비교되는 3개의 설정 값 신호(xSU, xSV 및 xSW)가 상이한 에너지 공급 분기들을 위해 사용된다. 에너지 공급 분기들의 출력단들에서의 전압 곡선들은 도 11에 개략적으로 도시되어 있다. 제 1 에너지 공급 분기에, 전압 곡선(uU)이 생성되고, 제 2 에너지 공급 분기에서는 전압 곡선(uV)이 생성되며, 제 3 에너지 공급 분기에서는 전압 곡선(uW)이 생성된다.
도 12에는, 도 9의 전압 공간 벡터 다이어그램이면서, 각각 k = 4개의 에너지 공급 모듈(3)을 구비한 3개의 에너지 공급 분기를 포함하는 배터리 직접 인버터로 확장된 상기 전압 공간 벡터 다이어그램이 도시되어 있다. 이 경우, 각각 k = 4개의 에너지 저장 모듈(3)을 포함하는 에너지 공급 분기들을 위한 상이한 전압 값들(uxyz)이 도시되어 있으며, 지수들(x, y 및 z)은, 포지티브 또는 네거티브 개별 모듈 전압을 갖는 각각의 에너지 공급 분기의 각각의 에너지 공급 모듈들(3) 중에서 몇 개가 바로 출력 전압에 기여하는지에 따라서, -4와 +4 사이의 정수 값을 가질 수 있다. 예컨대 전압 공간 벡터(u+4-2-2)는, 에너지 공급 분기들 중 하나의 에너지 공급 분기가 k = 4개의 에너지 저장 모듈(3) 모두를 포함하여 바로 출력 전압(uU = 4UM)을 출력하는 한편, 다른 두 에너지 공급 분기는 각각 2개의 에너지 저장 모듈(3)을 포함하여 출력 전압(uV = -2UM) 및 출력 전압(uW = -2UM)을 각각 출력하는 상태이다.
이번에도 바람직하게는, 설정 값 전압 공간 벡터(uS)에 가장 가깝게 위치하는 전압 공간 벡터들로 설정 값 전압 공간 벡터(uS)를 나타낸다. 이제 에너지 공급 분기들 각각을 위한 도 10에서의 기준 신호들(xR)에 대해 동일한 집합의 기준 신호들(xR), 다시 말하면 다른 에너지 공급 분기들과 관련하여 동일한 위상 변이를 갖는 기준 신호들(xR)을 이용한다면, 특정한 설정 값 전압 공간 벡터(uS)에 대해, 설정 값 전압 공간 벡터(uS)에 가장 가깝게 위치하지 않는 전압 공간 벡터가 사용되는 것이 나타날 수 있다. 예컨대 전압 공간 벡터들(u+3-1+2, u+2-1+2 및 u+2-1-3) 사이의 삼각 영역 내에 위치하는 설정 값 전압 공간 벡터(uS)를 나타내기 위해, 전압 공간 벡터(u+2-1+2) 대신, 실질적으로 바람직한 전압 공간 벡터(u+2-1+2)보다 설정 값 전압 공간 벡터(uS)로부터 훨씬 더 멀리 떨어진 전압 공간 벡터들(u+3-1+3 및 u+20-2)이 사용된다. 그 결과, 에너지 공급 분기들의 출력 전압들에서 전압 변동도 증가한다.
상기 문제의 원인은, 도 1에 개략적으로 도시된 것과 같은 3상 BDI의 경우, 부분 펄스 주기(T/2k) 동안 특정한 시간 간격에 3개의 에너지 공급 분기의 출력 전압들은 2개의 상이한 값 사이에서 왕복 스위칭된다는 점을 근거로 한다. 각각의 설정 값 신호에 따라서, 부분 펄스 주기(T/2k)의 개시 시점에 우선, 부분 펄스 주기(T/2k)의 제 2 반주기의 진행 중에 다시, 이용되는 두 출력 전압 중에서 상대적으로 더 높은 출력 전압으로 상승될 수 있도록 하기 위해, 이용되는 두 출력 전압 중에서, 부분 펄스 주기 기간의 제 1 반주기의 진행 중에 출력 전압들 중 상대적으로 더 낮은 출력 전압으로 강하되는 상대적으로 더 높은 출력 전압이 주어지는 것이 나타날 수 있다. 동일한 방식으로, 특정한 다른 부분 펄스 주기들에서, 출력 전압들 중에서 상대적으로 더 낮은 출력 전압에서 상대적으로 더 높은 출력 전압으로, 그리고 다시 거꾸로 전환되는 정확히 반대의 경우가 발생할 수 있다. 상이한 에너지 공급 분기들을 위한 설정 값 신호들(xSU, xSV 및 xSW)의 조합에 따라서, 몇몇 에너지 공급 분기에서 부분 펄스 주기의 제 1 반주기 동안 상대적으로 더 낮은 출력 전압에서 상대적으로 더 높은 출력 전압으로의 전환이 이루어지는 한편, 각각 다른 에너지 공급 분기들에서는 상대적으로 더 높은 출력 전압에서 상대적으로 더 낮은 출력 전압으로의 반대의 스위칭 과정이 이루어지는 것이 나타날 수 있다.
기준 신호들(xR)의 시스템에서는, 기준 신호들 중에서 설정 값 신호(xS)와 교차하는 제 1 기준 신호가 상승한다면, 다시 말해 포지티브 기울기를 갖는다면, 항상 펄스 주기의 제 1 스위칭 과정은 높은 출력 전압에서 낮은 출력 전압으로 이루어지는 것이 확인된다. 이와 반대로, 기준 신호들 중에서 설정 값 신호(xS)와 교차하는 제 1 기준 신호가 강하한다면, 다시 말해 네거티브 기울기를 갖는다면, 항상 펄스 주기의 제 1 스위칭 과정은 낮은 출력 전압에서 높은 출력 전압으로 이루어진다. 따라서 각각의 펄스 주기의 개시 시점에 에너지 공급 분기들 각각에 대해, 높은 출력 전압에서 낮은 출력 전압으로, 또는 낮은 출력 전압에서 높은 출력 전압으로 제 1 스위칭 과정이 이루어지는지의 여부가 결정된다면, 두 경우 중에서 더 바람직하지 못한 경우에 대해 상이한 에너지 공급 분기들의 각각의 기준 신호 시스템들의 위상 변이들의 매칭이 수행될 수 있다. 높은 출력 전압에서 낮은 출력 전압으로 제 1 스위칭 과정이 이루어지는 경우, 상응하는 에너지 공급 분기의 기준 신호 시스템은 변함없이 그대로 유지될 수 있다. 그러나 낮은 출력 전압에서 높은 출력 전압으로 제 1 스위칭 과정이 수행되는 경우, 상응하는 에너지 공급 분기의 기준 신호들(xR)의 기준 신호 시스템은 다른 에너지 공급 분기들의 변함없이 그대로 유지되는 기준 신호 시스템들에 비해서 T/4k의 시간 변이만큼 변위될 수 있다. 달리 말하면, 상응하는 에너지 공급 분기의 기준 신호들(xR)은 시간 축 상에서 네거티브 또는 포지티브 방향으로 T/4k만큼 변위된다. 그 결과, 기간(T/4k)의 시간 간격은 건너 뛰어지거나, 또는 1회 반복된다.
상기 조치에 의해, 모든 에너지 공급 분기에서 제 1 스위칭 과정이 균일하게 높은 출력 전압에서 낮은 출력 전압으로 수행됨으로써, 여전히 설정 값 전압 공간 벡터(uS)에 가장 가깝게 위치하는 전압 공간 벡터만이 사용되는 것이 달성될 수 있다. 이는, 개별 에너지 공급 분기들의 출력 전압들에서 전압 또는 전류 변동들이 최소화될 수 있음을 의미한다.
또한, 자명한 사실로서, 제 1 스위칭 과정이 높은 출력 전압에서 낮은 출력 전압으로 수행되는 경우, 상응하는 에너지 공급 분기의 기준 신호들(xR)의 기준 신호 시스템은 다른 에너지 공급 분기들의 변함없이 그대로 유지되는 기준 신호 시스템들에 비해 T/4k만큼 변위될 수 있다. 이 경우, 모든 에너지 공급 분기에서 제 1 스위칭 과정은 균일하게 낮은 출력 전압에서 높은 출력 전압으로 수행된다. 시간 축을 따라서 T/4k만큼 시간 변위의 방향은 상이하게 선택될 수도 있으며, 그럼으로써 기준 신호 시스템의 변위 시점에 다른 스위칭 과정들만이 주어지지만, 설정 값 전압 공간 벡터(uS)에 가장 가깝게 위치하는 전압 공간 벡터의 사용은 그대로 유지된다. 일반적으로 말하면, 기준 신호 시스템의 변위를 위해, T/4k + i*T/2k의 각각의 위상 변이가 가능하며, i는 정수 값이다.
도 13에는, 에너지 저장 장치, 예컨대 도 1의 에너지 저장 장치(1)를 제어하기 위한 방법(10)의 개략도가 도시되어 있다. 상기 방법(10)은 예컨대 도 1의 제어 장치(9)에 의해 구현될 수 있다. 방법(10)은 에너지 공급 분기들 각각에 대해 제 1 선택적인 단계 11로서, 에너지 공급 분기의 펄스 폭 변조 제어 신호가 부분 펄스 주기의 개시 시점에 논리적으로 높은 전위에 또는 논리적으로 낮은 전위에 위치하는지의 여부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 그 다음, 결정된 정황에 따라서, 단계 12에서 에너지 공급 분기의 각각의 펄스 폭 변조 제어 신호가 부분 펄스 주기의 개시 시점에 논리적으로 낮은 전위에 위치하는 경우에 해당하는 에너지 공급 분기들의 선택이 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 에너지 공급 분기들은 제 2 에너지 공급 분기들로서 그리고 선택되지 않은 에너지 공급 분기들은 제 1 에너지 공급 분기들로서 표현될 수 있다.
단계 13에서는, 하나 이상의 제 1 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서, 인접한 제 1 기준 신호들에 대해 T/2k의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 제 1 주기적 기준 신호와 제 1 설정 값 신호를 비교하는 것을 통해, 각각의 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하기 위한 제 1 펄스 폭 변조 제어 신호의 생성이 수행된다. 이와 동시에, 단계 13에서, 하나 이상의 제 2 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서, 인접한 제 2 기준 신호들에 대해 T/2k의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 제 2 주기적 기준 신호와 제 2 설정 값 신호를 비교하는 것을 통해 각각의 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하기 위한 제 2 펄스 폭 변조 제어 신호의 생성도 수행된다. 이 경우, 제 2 기준 신호들은 제 1 기준 신호들에 대해 각각 T/4k의 위상 변이를 갖는다.
상기 조치에 의해, 항상, 설정 값 전압 공간 벡터에 가장 가깝게 위치하는 전압 공간 벡터들이 설정 값 전압 공간 벡터를 나타내기 위해 사용되는 것이 보장될 수 있다. 그 결과, 도 1에 도시된 것과 같은 에너지 저장 장치 내 전류 및 전압 변동은 최소값으로 감소될 수 있다.
이미 기술한 것처럼, 특히 바람직하게는, 에너지 공급 분기의 기준 신호 시스템이 시간 축 상에서 변위되어야 하는지 여부의 선택을 실행할 뿐 아니라, 그로부터 경우에 따라 발생하는 변위이면서 시간 축 상에서 T/4k만큼 이루어지는 상기 기준 신호 시스템의 상기 변위를 각각의 부분 펄스 주기의 개시 시점에서 각각 실행한다. 또한, 바람직하게는, 각각 기간(T/2k)의 부분 펄스 주기 이내에 에너지 공급 분기들의 설정 값 신호들(xS)을 일정하게 유지한다.
본원의 방법은 간단한 방식으로, 커플링 장치들(7)이 풀 브리지로서가 아니라, 하프 브리지로서만 구현되어 있는, 배터리 인버터 장치들에도 매칭될 수 있다. 이 경우, 도 2에 비해, 커플링 부재들(7b 및 7d)이 생략되며, 출력 단자(3b)는, 풀 브리지의 우측 분기의 이제 생략된 중심 탭 대신, 이제 에너지 저장 셀 모듈(5)의 마이너스 극 또는 플러스 극과 연결된다. 이제 자연히 풀 브리지의 우측 분기를 위한 스위칭 과정들도 생략되기 때문에, 모든 k개의 기준 신호는 -xR이다. 이 경우, 나머지 k개의 기준 신호(xR)는, 각각 인접한 기준 신호들에 대해, 더 이상 T/2k만큼이 아니라, T/k만큼만 변이된다. 이 경우, 부분 펄스 주기의 기간은 T/k로 배가된다. 그에 상응하게, 기준 신호들의 제 1 시스템과 기준 신호들의 제 2 시스템 사이의 변위는 T/2k만큼 수행된다.
1 에너지 저장 장치
1a, 1b, 1c 제 1 출력 단자
2 3상 기계, 3상 전기 기계, 전력 계통
2a, 2b, 2c 위상 라인
3 에너지 저장 모듈
3a, 3b 출력 단자
4 성형점
5 에너지 저장 셀 모듈
5a, 5k 에너지 저장 셀
5.1 ~ 5.i 에너지 저장 셀
7 커플링 장치
7a, 7b, 7c, 7d 커플링 부재
9 제어 장치
10 제어 방법
11 결정 단계
12 선택 단계
13 생성 단계
14 생성 단계
100 시스템
T/2k 부분 펄스 주기
T/4k 반의 부분 펄스 주기
xR 기준 신호
xSU, xSV, xSW 설정 값 신호

Claims (12)

  1. 에너지 저장 장치(1)를 제어하기 위한 방법(10)으로서, 상기 에너지 저장 장치는,
    n ≥ 2인 조건에서, 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 각각에 공급 전압을 출력하기 위한 n개의 출력 단자(1a, 1b, 1c)와,
    상기 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되는 n개의 에너지 공급 분기를 포함하며, 상기 에너지 공급 분기들 각각은 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 모듈(3)을 포함하며, 상기 에너지 저장 모듈들은 각각
    적어도 하나의 에너지 저장 셀(5a, 5k)을 구비한 에너지 저장 셀 모듈(5)과,
    풀 브리지 회로 내 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)을 구비한 커플링 장치(7)를 포함하며, 커플링 부재들은 선택적으로 각각의 에너지 공급 분기 내로 상기 에너지 저장 셀 모듈(5)을 스위칭하거나 브리지하도록 설계되어 있는, 상기 방법에 있어서,
    상기 방법(10)은,
    적어도 하나의 제 1 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈(3)에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서, 인접한 제 1 기준 신호들에 대해 T/2k의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 주기적인 제 1 기준 신호와, 제 1 설정 값 신호(xSU)를 비교하는 것을 통해 각각의 에너지 저장 모듈들(3)의 상기 커플링 장치들(7)을 제어하기 위한 제 1 펄스 폭 변조 제어 신호를 생성하는 단계(13)와,
    적어도 하나의 제 2 에너지 공급 분기의 k개의 에너지 저장 모듈(3)에 대해, 펄스 주기(T)를 보유하면서 인접한 제 2 기준 신호들에 대해 T/2k의 위상 변이를 각각 갖는 2k개의 주기적인 제 2 기준 신호와, 제 2 설정 값 신호(xSV; xSW)를 비교하는 것을 통해 각각의 에너지 저장 모듈들(3)의 상기 커플링 장치들(7)을 제어하기 위한 제 2 펄스 폭 변조 제어 신호를 생성하는 단계(14)를 포함하며,
    상기 제 2 기준 신호들은 상기 제 1 기준 신호들에 대해 각각 T/4k의 위상 변이를 갖는, 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 공급 분기들 각각에 대해, 상기 에너지 공급 분기의 펄스 폭 변조 제어 신호가 부분 펄스 주기(T/2k)의 개시 시점에 논리적으로 높은 전위에 또는 논리적으로 낮은 전위에 위치되는지의 여부를 결정하는 단계(11)를 추가로 포함하는 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 2 에너지 공급 분기들로서, 상기 에너지 공급 분기의 상기 각각의 펄스 폭 변조 제어 신호가 부분 펄스 주기(T/2k)의 개시 시점에 논리적으로 낮은 전위에 위치되는 경우에 해당하는 에너지 공급 분기들을 선택하는 단계(12)를 추가로 포함하는 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  4. 제 2 항에 있어서,
    제 2 에너지 공급 분기들로서, 상기 에너지 공급 분기의 상기 각각의 펄스 폭 변조 제어 신호가 부분 펄스 주기(T/2k)의 개시 시점에 논리적으로 높은 전위에 위치되는 경우에 해당하는 에너지 공급 분기들을 선택하는 단계(12)를 추가로 포함하는 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 기준 신호들의 위상 변이는 상기 제 1 기준 신호들에 대해 포지티브인, 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 기준 신호들의 위상 변이는 상기 제 1 기준 신호들에 대해 네거티브인, 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    항상 이전에 사용된 기준 신호들의 시스템을 시간 축 상에서 반의 부분 펄스주기(T/4k)만큼 네거티브 방향으로 변위시키거나, 항상 이전에 사용된 기준 신호들의 시스템을 시간 축 상에서 반의 부분 펄스 주기만큼 포지티브 방향으로 변위시키는 것에 의해, 제 1 기준 신호들의 시스템에서 제 2 기준 신호들의 시스템으로의 전환 및 그 반대로의 전환을 수행하는, 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 기준 신호들은 삼각파 신호인, 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 설정 값 신호들(xSU; xSV; xSW)은 적어도 부분 펄스 주기(T/2k)에 걸쳐서 일정한 신호 레벨을 갖는, 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서 상기 에너지 저장 셀 모듈을 스위칭하거나 브리지하는 유형들 및 시점들은 상기 기준 신호들의 지속적인 계산 없이 직접 계산되는, 에너지 저장 장치의 제어 방법(10).
  11. 시스템(100)으로서,
    n ≥ 2인 조건에서, 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 각각에 공급 전압을 출력하기 위한 n개의 출력 단자(1a, 1b, 1c)와, 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결된 n개의 에너지 공급 분기를 포함하는 에너지 저장 장치(1)로서, 상기 에너지 공급 분기들 각각은 직렬 연결된 복수의 에너지 저장 모듈(3)을 포함하고, 상기 에너지 저장 모듈들의 각각은 적어도 하나의 에너지 저장 셀(5a, 5k)을 구비한 에너지 저장 셀 모듈(5)과, 풀 브리지 회로 내 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)을 구비한 커플링 장치(7)를 포함하며, 상기 커플링 부재들은 선택적으로 각각의 에너지 공급 분기 내로 상기 에너지 저장 셀 모듈(5)을 스위칭하거나 브리지하도록 설계되어 있는, 상기 에너지 저장 장치(1)와,
    상기 커플링 장치들(7)과 연결되어 있으면서, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따라 상기 에너지 저장 장치(1)를 제어하기 위한 방법(10)을 실시하도록 설계되는 제어 장치(9)를 포함하는, 시스템(100).
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 커플링 장치들(7)은 파워-MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치를 포함하는, 시스템(100).
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