KR102048167B1 - 개별 모듈, 전기 변환기 시스템, 및 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 변환기 시스템(40) 또는 배터리 시스템(50)을 제공하기 위한 동일한 유형의 적어도 하나의 제2 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)에 연결하기 위한 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)에 관한 것으로서, 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)은 적어도 하나의 에너지 저장부(12), 적어도 5개의 내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8), 그리고 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)의 제1 및 제2 측면의 각각 상의 적어도 2개의 연결부(14a, 14b, 18a, 18b)를 포함하고, 적어도 하나의 에너지 저장부(12)는 제1 측면의 적어도 2개의 연결부(14a, 14b) 중 적어도 하나에 직접적으로 연결되고, 내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)는, 동일한 유형의 적어도 하나의 제2 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)의 상응하는 내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)의 스위칭 상태와 관계없이, 내부 스위칭 요소가 적어도 하나의 에너지 저장부(12)와, 적어도 하나의 제2 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)의 상응하는 적어도 하나의 에너지 저장부(12) 사이의 전기 연결을 동적으로 스위칭하기 위한 모든 스위칭 상태를 실현할 수 있는 방식으로, 배열되고 연결된다. 본 발명은 또한 전기 변환기 시스템(40) 및 배터리 시스템(50)에 관한 것이다.

Description

개별 모듈, 전기 변환기 시스템, 및 배터리 시스템
본 발명은 전기 변환기 시스템 또는 배터리 시스템을 제공하기 위한 개별 모듈에 관한 것이고, 또한 상응하는 전기 변환기 시스템 및 상응하는 배터리 시스템에 관한 것이다.
통상적인 배터리는, 예를 들어 개별 셀 또는 부분적 배터리와 같은, 개별 부품을 포함하는 고정 배선된(hardwired) 유닛일 수 있다. 그러한 배터리는 출력부에서 DC 전압을 실질적으로 제공한다. 그러나, 많은 부하(load)는 예를 들어 특정 주파수, 진폭 및/또는 위상을 가지는 AC 전압을 필요로 한다. 또한, DC 전압은 충전 상태에 걸쳐 일정하지 않다. 피크 전압 및 충전-종료 전압 모두에서, 배터리에 연결된 부하를 동작시키기 위해서 그리고 요구되는 전력을 끌어 낼 수 있게 하기 위해서, 부하는 복잡한 공급 회로를 가져야 한다.
만약 부하에 의해서 요구되는 전압이 배터리 전압으로부터 크게 벗어난다면, 소위 낮은 변조 지수의 결과로서, 회로는 부하를 위해서 제공되는 출력 전압에서 큰 손실 및 큰 왜곡을 유발한다. 관심의 대상인 전기 구동부를 가지는 모터 차량에서, 특히 저속에서의 구동은 일반적으로 작은 진폭을 가지는 AC 전압을 필요로 한다. 펄스 폭 변조에 의해서 일반적으로 발생되는 왜곡은 모터의 제공된 절연에 부가적으로 부하를 가하고 그에 따라 모터의 수명에 부정적인 영향을 미친다.
부가적인 요인은, 배터리 셀의 물리적 및 화학적 거동의 변동으로 인해서, 배터리 셀의 균일한 충전 상태를 가능하게 하기 위해서 배터리 셀의 복잡한 모니터링이 제공되어야 한다는 것이다.
만약 예를 들어 배터리의 개별 셀이 결함을 갖는다면, 일반적으로 전체 배터리를 사용할 수 없게 된다. 차량의 경우에, 이는 차량의 완전한 고장으로 생각할 필요가 있다. 결함 배터리 부품이 부하 인가 시에 과열되지 않게 하기 위해서 그리고 추가적으로 심지어 화재가 발생할 수 있기 때문에, 중단이 능동적으로 강제될 필요가 있을 수도 있다.
부하에 의해서 요구되는 출력 전압을 제공하기 위해서, 전력 변환기가 공급 회로로서 이용된다. 다양한 유형의 전력 변환기가 직류를 교류로 변환하는(인버터), 교류를 직류로 변환하는(정류기) 역할을 하거나, AC 전압의 주파수 및 진폭을 적응(adapt)시키는(변환기) 역할을 한다. 따라서, 전력 변환기는 상이한 토폴로지를 가질 수 있다.
대안적으로, 전력 변환기를 이용하는 대신에, 상응하는 배터리의 상호 연결을 동적으로 스위칭하는 것에 의해서, 부하에 의해서 요구되는 AC 전압이 또한 발생될 수 있다. 이러한 경우에, 배터리의 에너지 저장부들이 병렬 연결 및/또는 직렬 연결로 존재하도록, 스위칭 요소가 동적으로 스위칭된다. 그러한 배터리는 스위칭형 배터리로 지칭된다. 이전의 변환기와 대조적으로, 여기에서 제공하고자 하는 변조 지수, 즉 상응하는 주파수 변조의 특성 값은 모든 진폭에 대해서 최대로 유지될 수 있다. 또한, 스위칭형 배터리의 배터리 부품들의 병렬 연결의 결과로서 유효 내부 저항이 감소되기 때문에, 저전압에서 손실이 심지어 감소된다. 또한, 에너지 저장부가 병렬 연결과 직렬 연결 사이에서 전후로 스위칭될 수 있는 스위칭형 배터리는 거의 왜곡이 없는 출력 전압을 생성하는데, 이는 2개의 구성의 전압들 사이의 단차가 매우 작게 유지될 수 있기 때문이다. 또한, 추가적인 평활화를 실행하기 위해서 그러한 전압들 사이의 변조를 스위칭하는 것에 의해서 변조가 실시될 수 있다.
전기 변환기, 하위 유형(subtype)의 전력 변환기는 DC 전압을 AC 전압으로 변환한다. 전기 변환기의 토폴로지는 예를 들어 DE 10 2010 052 934 A1 및 DE 10 2011 108 920 B4로부터 알려져 있다.
DE 10 2010 052 934 A1은 동일한 유형의 적어도 2개의 직렬-연결된 개별 모듈을 가지는 전기 변환기 시스템을 설명한다. 개별 모듈은 적어도 4개의 내부 스위칭 요소, 적어도 하나의 에너지 저장 요소 및 적어도 4개의 단자를 포함하고, 단자 중 2개는 각각 제1 및 제2 단자 쌍을 형성한다. 각각의 개별 모듈의 내부 스위칭 요소는, 그들이 각각의 단자 쌍의 하나 또는 둘 모두의 단자를 에너지 저장 요소에 선택적으로 연결할 수 있도록, 구현된다. 적어도 2개의 개별 모듈의 직렬 연결에서 각각의 개별 모듈의 스위칭 요소는 그들의 각각의 에너지 저장 요소를 직렬 연결의 단자에 연결하고, 그에 따라 에너지 저장 요소는 직렬 또는 병렬로 선택적으로 연결된다.
DE 10 2011 108 920 B4는 이러한 접근 방식의 계속이고, 유사하게, 동일한 유형의 적어도 2개의 직렬-연결된 모듈을 포함하는 전기 변환기 시스템을 설명하며, 직렬-연결된 모듈은 브릿지 브랜치(bridge branch)를 형성한다. 모듈은 적어도 하나의 모듈 커패시터 및 스위칭 요소를 포함한다. 에너지 저장부를 위한 적어도 하나의 인덕턴스를 가지는 중간 모듈이 적어도, 하나의 모듈과, 직렬-연결된 모듈들 중 하류의 하나의 모듈 사이에 연결된다.
전술한 변환기의 경우에, 2개의 모듈의 내부 스위칭 요소의 스위칭 상태의 조합은 모듈의 상이한 상호 연결을 가능하게 한다. 그러한 목적을 위해서, 단락을 방지하기 위해서, 내부 스위칭 요소들이 정확하게 함께, 즉 동시에 스위칭될 필요가 있다.
다른 회로는, 동일한 전위에서 및/또는 동시에 구동되어야 하는 모든 스위칭 요소를 단일 모듈 내로 통합할 수 없다. 이미 알려진 이러한 다른 회로의 경우에, 대조적으로, 복수의 모듈이 정확히 동시에, 즉 100 나노초[원문대로(sic.)]의 시간 범위 내에서 구동되어야 하고, 이는 많은 전자 회로에서 온도차로 인해서 발생되는 각각의 동작 시간 변동보다 훨씬 더 짧다. 이는 요구되는 동기화를 위한 고비용을 발생시킨다.
본 발명의 목적은 상호 연결하고자 하는 개별 모듈에서 스위칭 요소들의 정확히 동시적인 스위칭의 필요성을 회피하는 것이다.
그러한 목적은, 독립 청구항에서 청구된 바와 같은 개별 모듈, 변환기 시스템 및 배터리 시스템에 의해서, 본 발명에 따라 달성된다. 발명의 구성은 각각의 종속항 및 설명으로부터 수집될 수 있다.
이하에서 그리고 본 설명의 과정에서, "배터리 부품"은 개별적인 셀, 그러나 또한 복수의 셀의 상호 연결, 예를 들어 복수의 셀을 가지는 추가적인 배터리와 상호 연결되는 복수의 셀을 가지는 배터리를 의미하는 것으로 이해된다.
이하에서 그리고 본 설명의 과정에서, DC 전압만을 이용하는 일차적인 셀, 이차적인 셀, 임의 유형의 커패시터 및 에너지 공급원 그리고 에너지 저장부가 "배터리"인 것으로 간주된다.
본 발명에 따른 개별 모듈은 동일한 유형의 적어도 하나의 제2 개별 모듈과의 상호 연결을 위한 역할을 한다. 동일한 유형의 적어도 2개의 개별 모듈의 상호 연결은 본 발명에 따른 전기 변환기 시스템, 또는 각각 본 발명에 따른 배터리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 개별 모듈은 적어도 하나의 에너지 저장부, 적어도 5개의 내부 스위칭 요소, 그리고 개별 모듈의 제1 및 제2 측면 각각 상의 적어도 2개의 단자를 포함한다. 에너지 저장부는 제1 측면의 적어도 2개의 단자 중 적어도 하나에 직접 연결된다. 내부 스위칭 요소들은, 동일한 유형의 적어도 하나의 제2 개별 모듈의 상응하는 내부 스위칭 요소의 스위칭 상태와 독립적으로, 그들이 적어도 하나의 에너지 저장부와, 적어도 하나의 제2 개별 모듈의 상응하는 적어도 하나의 에너지 저장부 사이의 전기 연결을 동적으로 스위칭하기 위한 모든 스위칭 상태를 실현할 수 있도록, 배열되고 상호 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 개별 모듈과, 동일한 유형의 적어도 하나의 제2 개별 모듈의 상호 연결의 경우에, 각각의 개별 모듈의 제어는, 종래 기술로부터 알려진 모듈의 상호 연결에 비해서, 크게 단순화된다. 여기에서, 심지어 각각의 개별 모듈이 완전히 비동기식으로 또는 무작위적으로 스위칭될 수 있다.
대부분의 전기 스위칭 요소, 특히 트랜지스터는 그들 고유의 전기 전위, 예를 들어 소위 소스(source) 전위에 대해서 전기적으로 구동되어야 한다. 이는, 별도의 전압 공급부, 예를 들어 절연된 전압 공급부 또는 부스트랩 공급부를 통해서, 복수의 구동 배열에, 예를 들어 다양한 트랜지스터의 게이트 구동부에 공급이 되어야 하는 효과를 갖는다. 동일한 개별 모듈 상에 위치된 스위칭 요소의 경우에, 본 발명에 따른 개별 모듈의 경우에서와 같이, 구동은 최소의 상이한 전위로 이루어질 수 있다.
동일한 개별 모듈 상에 위치된 스위칭 요소는 정확한 타이밍으로, 즉 충분한 동시성으로 구동될 수 있다. 대조적으로, 스위칭 요소들이 시간 지연을 가지고 활성화 또는 비활성화되는 경우에, 예를 들어 종래 기술로부터 알려진 다른 해결책의 경우에서 필수적인 것과 같이, 분류 전류(shunt currents)로 인해서 또는 스위칭의 의도적인 감속으로 인해서도 큰 손실이 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 개별 모듈의 일 실시예에서, 내부 스위칭 요소는 저전압 반도체 스위칭 요소이다. 다시 말해서, 스위칭 요소가 설계되는 최대 전압은, 예를 들어, 개별 모듈의 에너지 저장부에 의해서 규정되는, 스위칭 요소가 연관되는, 개별 모듈의 최대 전압에서, 복수의 개별 모듈로 구성된 시스템의 총 전압보다 훨씬 낮다.
이는, 본 발명에 따라, 적어도 하나의 에너지 저장부와, 적어도 하나의 제2 개별 모듈의 상응하는 적어도 하나의 에너지 저장부 사이의 전기 연결을 동적으로 스위칭하기 위한 모든 스위칭 요소가 동일한 개별 모듈 상에 위치되기 때문에, 가능하다. 그에 따라, 스위칭 요소는 저전압을 위해서만 설계되면 되고, 소비자 전자기기로부터 알려진 저렴한 저전압 구성요소가 이용될 수 있다. 저전압 구성요소와 대조적으로, 현재 일반적인 고전압 반도체 스위칭 요소는 매우 적은 수로만 생산되고 결과적으로 그에 비례하여 더 고가이다. 현대의 MOSFET 구성요소(금속-산화물-반도체 전계-효과 트랜지스터의 약어)는 본 발명에 따른 개별 모듈의 실시예에서 이용하는데 있어서 특히 이상적인데, 이는 그러한 트랜지스터의 동작 곡선은 전류-전압 도표의 영점을 통해서 선형적으로 진행되고, 그에 따라, 그러한 트랜지스터는 전압 오프셋을 가지지 않으며, 결과적으로 MOSFET이 병렬로 매우 잘 연결될 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 적어도 하나의 개별 모듈을 이용하는 본 발명에 따른 전기 변환기 시스템 그리고 본 발명에 따른 적어도 하나의 개별 모듈을 이용하는 본 발명에 따른 배터리 시스템이 제공된다.
본 발명의 추가적인 장점 및 구성이 설명 및 첨부 도면으로부터 명확해진다.
전술한 그리고 이하에서 설명될 특징이 제시된 각각의 조합으로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 다른 조합으로 또는 그들 자체적으로 이용될 수 있는 것이 당연하다.
본 발명은 도면의 실시예를 기초로 개략적으로 설명되고 도면을 참조하여 개략적으로 그리고 전체적으로 설명된다.
도 1은 2-사분체 모듈(two-quadrant module)을 나타내는, 본 발명에 따른 개별 모듈의 하나의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 2는 4-사분체 모듈을 나타내는, 본 발명에 따른 개별 모듈의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 3은 여분 부하 경로(redundant load path)를 가지는, 본 발명에 따른 개별 모듈의 하나의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 복수의 개별 모듈의 하나의 예시적인 상호 연결을 도시한다.
도 5, 도 6 및 도 7은 2-사분체 모듈을 나타내는, 본 발명에 따른 개별 모듈의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 8 내지 도 11은 여분 부하 경로를 가지는 2-사분체 모듈을 나타내는, 본 발명에 따른 개별 모듈의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도 12, 도 13 및 도 14는 4-사분체 모듈을 나타내는, 본 발명에 따른 개별 모듈의 추가적인 예시적 실시예를 도시한다.
도면들은 상호 관련된 그리고 중복되는 방식으로 설명될 것이다. 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 개별 모듈(10)의 일 실시예가 설명된다. 도시된 개별 모듈(10)은 제1 측면(도 1에서 좌측) 상에서 2개의 단자(14a, 14b)를 포함한다. 개별 모듈(10)은 제2 측면(도 1의 우측) 상에서 2개의 추가적인 단자(18a, 18b)를 포함하고, 그에 따라 개별 모듈(10)은 총 4개의 단자(14a, 14b, 18a, 18b)를 포함한다. 측면의 단자(14a, 14b, 18a, 18b)는 단자 쌍을 형성하도록 각각 구성된다. 단자 쌍 또는 단자(14a, 14b, 18a, 18b)는, 개별 모듈을 병렬로 연결하고 측면 스트링(side string)(도 4)을 형성하기 위해서, 개별 모듈(10)을 인접한 개별 모듈(10)에 또는 노드에 전기적으로 연결하기 위한 역할을 한다.
에너지 저장부(12)는 제1 측면 상의 단자들(14a, 14b) 사이에 연결된다. 에너지 저장부(12)는 2개의 단자(14a, 14b) 중 적어도 하나에 직접 연결된다. 전기 휴즈 및/또는 스위칭 요소 등이 에너지 저장부(12)의 상류 및/또는 하류에 직접 연결될 수 있다는 것을 생각할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 개별 모듈(10)은 적어도 5개의 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8)를 포함한다. 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8)는, 제1 측면의 단자(14a, 14b)를 제2 측면의 단자(18a, 18b)에 연결하도록 배열되고, 그리고 본 발명에 따른 개별 모듈(10)의 에너지 저장부(12)를 동일한 유형의 이웃하는 개별 모듈의 상응하는 에너지 저장부(미도시)와 병렬 또는 직렬로 상호 연결할 수 있도록 또는 에너지 저장부(12)를 브릿징(bridge)할 수 있도록 상호 연결될 수 있다. 다시 말해서, 인접한 개별 모듈들의 2개의 에너지 저장부들 사이의 상이한 스위칭 상태(병렬 연결, 직렬 연결, 브릿징, 비활성화)를 위해서 요구되는 모든 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8)가 개별 모듈(10) 상에 존재한다. 결과적으로, 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8)는 스위칭 요소들(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8) 사이의 최소 전위차로 구동될 수 있다. 이는, 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8)가 저전압 스위칭 요소로서 설계될 수 있게 하고, 그에 따라, 예를 들어 소비자 전자기기로부터 알려진 저렴한 MOSFET 반도체 스위칭 요소가 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8)를 위해서 사용될 수 있다. 또한, 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-7, 16-8)는 정확한 방식으로 동시에 활성화될 수 있다.
도 1에서, 제1 측면의 단자(14a)는 스위칭 요소(16-1 및 16-2)를 통해서 제2 측면의 단자(18a)에 연결될 수 있다. 단자(14a)는 스위칭 요소(16-3)를 통해서 제2 측면의 단자(18b)에 연결될 수 있다. 제1 측면의 단자(14b)는 스위칭 요소(16-7 및 16-8)를 통해서 제2 측면의 단자(18b)에 연결될 수 있다. 따라서, 에너지 저장부(12)와, 인접한 개인 모듈의 상응하는 에너지 저장부 사이의 전기 연결을 동적으로 스위칭하기 위한 설명된 스위칭 상태 모두를 실현할 수 있다.
개별 모듈(10)의 에너지 저장부(12)를 동일한 유형의 이웃하는 개별 모듈의 상응하는 에너지 저장부와 병렬로 연결하기 위해서, 예를 들어 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-7, 16-8)는 폐쇄되어야 한다. 따라서, 단자(14a)는 단자(18a)에 전기적으로 연결되고, 단자(14b)는 단자(18b)에 전기적으로 연결된다. 이러한 예에서, 스위칭 요소(16-3)는 이러한 경우에 개방 스위칭 상태에 있다.
개별 모듈(10)의 에너지 저장부(12)를 동일한 유형의 이웃하는 개별 모듈의 상응하는 에너지 저장부와 직렬 연결하기 위해서, 예를 들어 스위칭 요소(16-3)만이 폐쇄되어야 한다. 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-7, 16-8)는 개방 스위칭 상태에 있어야 한다.
개별 모듈(10)의 에너지 저장부(12)의 브릿징을 스위칭하기 위해서, 다시 말해서 우회 상호 연결을 생성하기 위해서, 예를 들어 스위칭 요소(16-1 및 16-2)만이 폐쇄되어야 한다. 이러한 경우에, 스위칭 요소(16-3, 16-7, 16-8)는 개방 스위칭 상태에 있어야 한다. 우회 상호 연결을 생성하기 위한 제2 가능성은 스위칭 요소(16-1 내지 16-3)가 개방되어 있는 동안 스위칭 요소(16-7 및 16-8)만이 폐쇄되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 개별 모듈(20)의 추가적인 실시예를 도시한다. 하나의 에너지 저장부(12), 4개의 단자(14a, 14b, 18a, 18b)를 포함하는 도 2의 개별 모듈(20)의 기본적인 구성은 도 1의 개별 모듈(10)의 구성과 동일하다. 그러나, 개별 모듈(20)은 6개의 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-5, 16-6, 16-7)를 포함한다. 또한, 단자(14a, 14b)는 단자(18a, 18b)에 연결될 수 있고, 모든 요구되는 스위칭 상태(병렬, 직렬, 우회 상호 연결, 비활성화)가 구축될 수 있다. 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-5, 16-6, 16-7)의 상이한 배열에 의해서, 특정 스위칭 상태는, 다른 스위칭 상태에 비해서, 그 손실과 관련하여 최적화될 수 있고 그에 따라 상응하는 적용예를 위한 개별 모듈(20)의 개별적인 적응을 가능하게 할 수 있다.
개별 모듈(20)의 에너지 저장부(12)를 인접한 개별 모듈과 병렬로 연결하기 위해서, 예를 들어 스위칭 요소(16-1, 16-2 및 16-5, 16-6)가 폐쇄된다. 이어서, 스위칭 요소(16-3 및 16-7)는 개방 스위칭 상태이다.
에너지 저장부(12)와, 인접한 개별 모듈의 상응하는 에너지 저장부의 직렬 상호 연결을 실현하기 위해서, 예를 들어 스위칭 요소(16-3 및 16-6)가 폐쇄될 것이고 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-5, 16-7)가 개방될 것이다. 에너지 저장부(12)와, 인접한 개별 모듈의 상응하는 에너지 저장부의 직렬 상호 연결을 위한 추가적인 가능성은 스위칭 요소(16-2 및 16-7)가 폐쇄 스위칭 상태가 되게 하고 스위칭 요소(16-1, 16-3, 16-5, 16-6)가 개방 스위칭 상태가 되게 하는 것일 수 있다. 이는 에너지 저장부(12)의 직렬 상호 연결을 위한 2가지 가능성을 제공하고, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 각각의 가능성은 상이한 극성(polarity)을 가지나, 4-사분체 모듈의 특성을 구성한다.
개별 모듈(20)의 에너지 저장부(12)의 우회 상호 연결은, 스위칭 요소(16-3 및 16-5 내지 16-7)가 개방될 때, 스위칭 요소(16-1 및 16-2)를 폐쇄하는 것에 의해서 달성될 수 있다. 추가적인 우회 상호 연결은, 스위칭 요소(16-5, 16-6)가 폐쇄되고 스위칭 요소(16-1 내지 16-3 및 16-7)가 개방될 때에만 성취된다.
도 3은 본 발명에 따른 개별 모듈(30)의 또 다른 실시예를 도시한다. 4개의 단자(14a, 14b, 18a, 18b) 및 하나의 에너지 저장부(12)를 포함하는 구성은 도 1 및 도 2에서 이미 설명된 토폴로지에 실질적으로 상응한다. 도시된 실시예에서, 본 발명에 따른 개별 모듈(30)은 이제 8개의 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)를 포함한다. 따라서, 단자(14a, 14b)의 단자(18a, 18b)에의 전기 연결을 위해서, 각각의 경우에, 각각의 연결을 위해서 2개의 부하 경로가 이용될 수 있고, 다시 말해서 14a-18a, 14a-18b, 14b-18a 및 14b-18b가 이용될 수 있다. 이는 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)가 저전류-전달 용량을 위해서 설계될 수 있게 한다.
도 3에 도시된 스위칭 요소는 (예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이) 에너지 저장부(12)와, 동일한 유형의 인접한 개별 모듈의 상응하는 에너지 저장부 사이의 거의 모든 연결을 위한 2개의 병렬 경로를 허용한다. 스위칭 요소는 상응하게 병렬로 이용된다. 그러나, 전술한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 스위칭 요소는 복잡성 감소를 위해서 제거될 수 있다. 그러나, 동일한 전류-전달 용량을 가능하게 하기 위해서, 이어서, 나머지 스위칭 요소는 그에 상응하게 더 큰 반도체로 구현되어야 한다. 상응하는 반도체의 선택에 의해서, 그 손실과 관련하여 특정 스위칭 상태를, 다른 스위칭 상태에 비해서, 최적화할 수 있다.
이와 관련하여, 스위칭 요소(16-1 및 16-2)는, 스위칭 요소(16-3 및 16-4)에 의해서 형성된 경로와 병렬이고 동일한 표적에 즉, 방향에 따라 단자(14a) 또는 단자(18a)에 이어지는 경로를 형성한다. 스위칭 요소(16-5 및 16-4)는 스위칭 요소(16-7 및 16-2)에 의해서 형성된 경로와 동일한 표적에, 즉 방향에 따라 단자(14b)에 또는 단자(18a)에 이어지는 경로를 형성한다. 스위칭 요소(16-1 및 16-8)는 스위칭 요소(16-3 및 16-6)에 의해서 형성된 경로와 동일한 표적에 이어지는 경로를 형성한다. 또한, 스위칭 요소(16-7 및 16-8)는, 스위칭 요소(16-5 및 16-6)에 의해서 형성된 경로와 병렬이고 동일한 표적에 즉, 방향에 따라 단자(14b) 또는 단자(18b)에 이어지는 경로를 형성한다.
제거(elimination)의 경우에, 임의의 스위칭 요소가 이제 제거될 수 있다. 그러나, 연결이 나머지 스위칭 요소를 통해서 각각의 단자로부터 각각의 다른 단자까지 여전히 생성될 수 있도록, 제거하고자 하는 제2 스위칭 요소가 선택되어야 한다. 이는 감소된 직렬 회로를 초래하고, 예를 들어 그러한 회로 중 둘은 전술한 도 1 및 도 2에 그리고 이하에서 설명되는 도 5 내지 도 14에 도시되어 있다. 감소된 회로는 2가지 유형의 모듈: 2-사분체 모듈 및 4-사분체 모듈을 실질적으로 가능하게 한다.
2-사분체 모듈은 2개의 인접한 개별 모듈의 저장부의 임의 유형의 상호 연결, 다시 말해서 저장부의 병렬 상호 연결, 저장부의 우회 상호 연결 및 저장부의 직렬 상호 연결을 허용한다. 그러나, 저장부의 직렬 상호 연결의 경우에, 2-사분체 모듈은 단지 하나의 극성 방향을 가능하게 한다. 결과적으로, 양의 전압 및 0 V만이 모듈 스트링 내에서 생성될 수 있다. 2-사분체 모듈에서, 역병렬(antiparallel) 스위치가 없는 그러한 스위치의 프리휠링 다이오드(freewheeling diode)는 적어도 하나의 방향으로 제어될 수 없는 전류 흐름을 허용한다. 장점으로서, 반도체 수요(demand) 및 저항 손실(전도 손실)은 4-사분체 모듈의 경우에서보다 상당히 낮다. 이는 또한, 부하를 통해서 반대 전류가 유발되는 경우에(예를 들어, 유도 부하의 경우에), 또는 [예를 들어, 마르쿠아르트 매크로토폴로지(Marquardt macrotopology)를 가지는] 시스템이 복수의 단자들(예를 들어, 직류, 교류 또는 3-상 전류를 가지는 상이한 에너지 그리드들) 사이의 변환기로서 작용하고 그러한 단자 중 하나가 단락되고, 그 결과로서 상응하는 다이오드를 통한 단락이 추가적인 단자 내의 단락을 수반하는 경우에, 제어할 수 없는 단락을 유발할 수 있다.
유사하게, 4-사분체 모듈은 2-사분체 모듈과 같은 임의 유형의 저장부의 상호 연결을 허용한다. 그러나, 4-사분체 모듈은 저장부의 직렬 상호 연결의 경우에 양 극성을 허용한다. 결과적으로, 이웃하는 개별 모듈과 관련하여 개별 모듈의 극성을 반전시킬 수 있다. 또한, 4-사분체 모듈은, 특히 스트링의 부하 또는 위상 모듈이 단락되는 경우에, 그들이 단락을 방지하는 장점을 가지는데, 이는 각각의 전류 경로가 반병렬 스위치로 인해서 원칙적으로 양 방향으로 전류의 흐름을 제어할 수 있게 하기 때문이다.
도 5는 도 1의 모듈(10)의 구성을 실질적으로 가지는 모듈(60)을 도시한다. 스위칭 요소(16-3)만이 스위칭 요소(16-6)에 의해서 대체되었지만, 스위칭 요소(16-6)는 동일한 전류 경로 상에 놓인다. 그에 따라, 모듈(60)은 또한 2-사분체 토폴로지를 가지고, 도 1의 모듈(10)과 동일한 기능을 가능하게 한다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 추가적인 개별 모듈을 도시한다. 모듈(70)은 5개의 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-5, 16-7 및 16-8)를 포함한다. 모듈(80)은 5개의 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-4, 16-7 및 16-8)를 포함한다. 모듈(10)(도 1)과 모듈(60)(도 5)을 비교하면, 에너지 저장부들의 직렬 상호 연결의 경우에, 반대 극성이 가능해진다. 나머지에 대해서, 모듈(70) 및 모듈(80)의 구성은 이미 설명한 실시예와 동일하다.
도 6 및 도 7에서, 병렬 상호 연결 및 우회 상호 연결은 모듈(10) 및 모듈(60)의 스위칭 상태에 상응한다. 도 6에서, 에너지 저장부(12)의 직렬 상호 연결은, 스위칭 요소(16-1, 16-2 및 16-7, 16-8)가 개방될 때, 스위칭 요소(16-5)의 폐쇄에 의해서 성취될 수 있다. 도 7에서, 직렬 상호 연결은 상응하게 스위칭 요소(16-4)를 폐쇄하는 것에 의해서 성취된다.
도 8은 본 발명에 따른 추가적인 2-사분체 모듈(90)을 도시한다. 모듈(90)은 6개의 스위칭 요소(16-2 내지 16-5 및 16-7, 16-8)를 포함한다. 이러한 개별 모듈(90)은 또한 인접 에너지 저장부들의 모든 유형의 상호 연결을 가능하게 할 수 있다. 인접 에너지 저장부들의 병렬 상호 연결의 경우에, 예를 들어, 스위칭 요소(16-3, 16-4 및 16-7, 16-8)가 폐쇄된다. 스위칭 요소(16-2 및 16-5)는 병렬 상호 연결을 위해서 개방된다. 인접 에너지 저장부들(12)의 직렬 상호 연결의 경우에, 예를 들어, 스위칭 요소(16-4, 16-5)가 폐쇄된다. 스위칭 요소(16-2, 16-3, 16-7, 16-8)는 개방된다. 추가적인 직렬 상호 연결은, 스위칭 요소(16-3 내지 16-5 및 16-8)가 개방될 때, 스위칭 요소(16-2, 16-7)의 폐쇄에 의해서 성취될 수 있다. 직렬 상호 연결을 위한 제3 가능성은, 2개의 대안적인 전술한 조합에 의해서, 다시 말해서 스위칭 요소(16-3, 16-8)가 개방될 때 스위칭 요소(16-2, 16-7 및 16-4, 16-5)를 폐쇄하는 것에 의해서 제공된다. 우회 상호 연결을 위해서, 복수의 스위칭 상태가 이러한 상호 연결을 위해서 가능하도록, 모듈(90)의 일 측면으로부터 모듈(90)의 타 측면까지의 경로를 가능하게 하기만 하면 된다. 예로서, 나머지 스위칭 요소(16-2, 16-5, 16-7, 16-8)가 개방되는 동안, 스위칭 요소(16-3 및 16-4)가 폐쇄될 수 있다. 그러나, 나머지 스위칭 요소(16-2 내지 16-5)가 개방된 동안, 스위칭 요소(16-7 및 16-8)가 또한 폐쇄될 수 있다.
도 9 내지 도 11은, 각각의 스위칭 요소의 상응하는 스위칭 상태에 의해서, 예상되는 에너지 저장부들(12)의 상호 연결을 가능하게 하는, 다양한 배열의 6개의 스위칭 요소를 포함하는 또 다른 추가적인 2-사분체 모듈(100, 110, 120)을 도시한다.
도 9에서, 직렬 상호 연결은, 나머지 상응하는 스위칭 요소가 개방될 때, 스위칭 요소(16-1, 16-8) 및/또는 스위칭 요소(16-3, 16-6)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다. 병렬 상호 연결은 예를 들어, 스위칭 요소(16-1, 16-6)가 개방되는 동안, 스위칭 요소(16-3, 16-4, 16-7, 16-8)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다. 우회 상호 연결은 예를 들어, 나머지 상응하는 스위칭 요소가 개방되는 동안, 스위칭 요소(16-3, 16-4 또는 16-7, 16-8)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다.
도 10에서, 직렬 상호 연결은, 나머지 상응하는 스위칭 요소가 개방될 때, 스위칭 요소(16-1, 16-8) 및/또는 스위칭 요소(16-3, 16-6)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다. 병렬 상호 연결은 예를 들어, 스위칭 요소(16-3, 16-8)가 개방되는 동안, 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-5, 16-6)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다. 우회 상호 연결은 예를 들어, 나머지 상응하는 스위칭 요소가 개방되는 동안, 스위칭 요소(16-1, 16-2 또는 16-5, 16-6)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다.
도 11에서, 직렬 상호 연결은, 나머지 상응하는 스위칭 요소가 개방될 때, 스위칭 요소(16-4, 16-5) 및/또는 스위칭 요소(16-2, 16-7)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다. 병렬 상호 연결은 예를 들어, 스위칭 요소(16-4, 16-7)가 개방되는 동안, 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-5, 16-6)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다. 우회 상호 연결은 예를 들어, 나머지 상응하는 스위칭 요소가 개방되는 동안, 스위칭 요소(16-1, 16-2 또는 16-5, 16-6)를 폐쇄하는 것에 의해서 실현될 수 있다.
도 2의 4-사분체 모듈(20)에 더하여, 도 12 내지 도 14는 6개의 스위칭 요소를 포함하는 추가적인 4-사분체 모듈(130, 140, 150)을 도시한다. 인접 저장 요소들의 병렬 상호 연결을 위해서, 도 12에서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-1, 16-2 및 16-5, 16-6)가 폐쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-4 및 16-8)가 개방될 수 있다. 제1 직렬 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-4, 16-5)가 폐쇄되고 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-6, 16-8)가 개방된다. 추가적인 제2 직렬 상호 연결은, 스위칭 요소(16-1, 16-8)가 폐쇄되고 스위칭 요소(16-2, 16-4 내지 16-6)가 개방되는 경우에 성취되고, 그러한 제2 직렬 상호 연결은 전술한 제1 직렬 상호 연결과 관련하여 반대 극성을 갖는다. 우회 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-1, 16-2)는 폐쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-4 내지 16-6 및 16-8)는 개방 유지될 수 있거나, 스위칭 요소(16-5, 16-6)만이 페쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-4, 16-8)는 개방될 수 있다.
도 13에서, 병렬 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-3, 16-4 및 16-7, 16-8)는 폐쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-2 및 16-6)는 개방될 수 있다. 제1 직렬 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-2, 16-7)는 폐쇄되고 스위칭 요소(16-3, 16-4, 16-6, 16-8)는 개방된다. 추가적인 제2 직렬 상호 연결은, 스위칭 요소(16-3, 16-6)가 폐쇄되고 스위칭 요소(16-2, 16-4, 16-7, 16-8)가 개방되는 경우에 성취되고, 그러한 제2 직렬 상호 연결은 전술한 제1 직렬 상호 연결과 관련하여 반대 극성을 갖는다. 우회 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-3, 16-4)는 폐쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-2, 16-6 내지 16-8)는 개방 유지될 수 있거나, 스위칭 요소(16-7, 16-8)만이 페쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-2, 16-3, 16-4, 16-6)는 개방될 수 있다.
도 14에서, 병렬 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-3, 16-4 및 16-7, 16-8)는 폐쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-1 및 16-5)는 개방될 수 있다. 제1 직렬 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-4, 16-5)가 폐쇄되고 스위칭 요소(16-1, 16-3, 16-7, 16-8)가 개방된다. 추가적인 제2 직렬 상호 연결은, 스위칭 요소(16-1, 16-8)가 폐쇄되고 스위칭 요소(16-3, 16-4, 16-5, 16-7)가 개방되는 경우에 성취되고, 그러한 제2 직렬 상호 연결은 전술한 제1 직렬 상호 연결과 관련하여 반대 극성을 갖는다. 우회 상호 연결을 위해서, 예를 들어, 스위칭 요소(16-3, 16-4)는 폐쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-1, 16-5, 16-7, 16-8)는 개방 유지될 수 있거나, 스위칭 요소(16-7, 16-8)만이 페쇄될 수 있고 스위칭 요소(16-1, 16-3, 16-4, 16-5)는 개방될 수 있다.
각각의 스위칭 요소(16-1 내지 16-8) 중 어느 것도 활성화되지 않는 경우에, 다시 말해서 각각의 스위칭 요소(16-1 내지 16-8) 모두가 개방되고, 각각의 스위칭 요소(16-1 내지 16-8)가 역병렬 다이오드를 가지는 경우에, 도시된 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150)은 복수의 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150)을 포함하는 시스템에서 부동태화(passivated)될 수 있다. 만약 모든 스위칭 요소가 개방된다면, 전류는 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150) 내로 흐를 수 있고, 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150)은 자체적으로 서로 균형을 이룬다. 따라서, 절대 값이, 에너지 저장부(12)에 의해서 제공될 수 있는 전압의 합보다 큰 전압이 개별 모듈의 시스템에 존재하는 경우에, 에너지 저장부(12)가 충전되고, 시스템에 존재하는 전압의 극성은 에너지 저장부(12)의 충전에 있어서 중요하지 않다.
만약 도 1, 도 2 및 도 5 내지 도 14에 도시된 것보다 많은 스위칭 요소가 제거된다면, 예를 들어, 직렬 연결과 같은, 일부 스위칭 상태가 생략되고, 이는 특정 적용예의 경우에 장점이 될 수 있다.
도 4는 복수의 개별 모듈(30)의 하나의 예시적인 상호 연결을 도시한다. 복수의 측면 스트링이 형성될 수 있도록, 복수의 개별 모듈(30)의 직렬 연결이 스트링을 형성한다. 이러한 경우에, 상이한 측면 스트링들이 또한 서로 병렬로 상호 연결될 수 있다. 에너지 저장부(12)의 상응하는 선택에 의해서, 예를 들어, 에너지 저장부(12)로서 적어도 하나의 커패시터를 이용하는 본 발명에 따른 전기 변환기 시스템(40), 또는 에너지 저장부(12)로서 부분적인 배터리 또는 배터리 셀들을 이용하는 본 발명에 따른 상호 연결 가능 배터리 시스템(50)과 같은 전력 변환기 시스템을 실현할 수 있다.
다시 말해서, 상호 연결 가능 배터리 시스템(50)의 경우에, 본 발명에 따른 복수의 개별 모듈(30)이 서로 상호 연결된다. 이러한 경우에, 개별 모듈(30)은 부분적인 배터리의 기능을 갖는다. 서로 상호 연결되고 상호 연결에서 동적인 복수의 부분적인 배터리(30)를 제공하는 것은, 지금까지의 고정 배선된 배터리를 그 상호 연결에서 동적으로 재구성할 수 있게 한다. 부분적인 배터리(30)의 적어도 하나의 에너지 저장부(12)는 이웃하는 부분적인 배터리의 적어도 하나의 에너지 저장부(12)와 병렬 및/또는 직렬로 연결될 수 있고, 그 결과로서 배터리(50)는 동작 중에 동적으로 재구성될 수 있다. 결과적으로, 배터리(50)는 DC 전압, AC 전압 또는 다른 형태의 전압을 직접적으로 제공할 수 있다. 또한, 배터리(50) 및/또는 개별 모듈 또는 부분적인 배터리(30)는 또한, 예를 들어 그들이 결함을 가지는 경우에, 브릿징될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 적어도 2개의 서로 간에 상호 연결된 부분적인 배터리(30)의 에너지 저장부(12)는 적어도 2개의 부분적인 배터리(30)의 에너지 저장부(12)의 병렬 연결, 적어도 2개의 부분적인 배터리(30)의 직렬 연결, 적어도 2개의 부분적인 배터리(30)의 개별적인 에너지 저장부의 브릿징 및 스위칭-오프 사이에서 스위칭될 수 있다.
부분적인 배터리(30)의 상호 연결의 동적 재구성은 이하의 기능, 특히, 말하자면 통상적인 배터리 관리를 실시할 수 있게 하기 위한 부분적인 배터리들(30) 사이의 충전 교환, 예를 들어, 부가적인 전력 전자 변환기를 필요로 하지 않고, 배터리의 전체 기능을 상실하지 않고 결함을 가진 부분적인 배터리를 브릿징하는 것 및 배터리에 의해서 직접적으로 임의의 출력 전압 및 일시적인 전류 및/또는 전압 프로파일을 발생시키는 것을 조합할 수 있게 한다.

Claims (6)

  1. 전기 변환기 시스템(40) 또는 배터리 시스템(50)을 제공하기 위한 동일한 유형의 적어도 하나의 제2 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)과의 상호 연결을 위한 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)로서, 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)은 적어도 하나의 에너지 저장부(12), 적어도 5개의 내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8), 그리고 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)의 제1 및 제2 측면 각각 상의 적어도 2개의 단자(14a, 14b, 18a, 18b)를 포함하고, 적어도 하나의 에너지 저장부(12)는 제1 측면의 적어도 2개의 단자(14a, 14b) 중 적어도 하나에 직접적으로 연결되고, 내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)는, 동일한 유형의 적어도 하나의 제2 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)의 상응하는 내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)의 스위칭 상태와 관계없이, 그들이 상기 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)의 적어도 하나의 에너지 저장부(12)와, 적어도 하나의 제2 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150)의 상응하는 적어도 하나의 에너지 저장부(12) 사이의 전기 연결을 스위칭하기 위한 모든 스위칭 상태를 실현할 수 있도록, 배열되고 상호 연결될 수 있는, 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150).
  2. 제1항에 있어서,
    내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)는 저전압 반도체 스위칭 요소인, 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전기 휴즈 또는 스위칭 요소가 적어도 하나의 에너지 저장부(12)의 상류 또는 하류에 직접적으로 연결되는, 개별 모듈(10, 20, 30, 60, 70, ..., 150).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 개별 모듈(30)의 적어도 하나의 에너지 저장부(12)와, 적어도 하나의 제2 개별 모듈(10)의 상응하는 적어도 하나의 에너지 저장부(12) 사이의 전기 연결을 스위칭하기 위하여 요구되는 모든 전류 경로와 관련하여, 적어도 하나의 제2 전류 경로가 제공되도록, 적어도 8개의 내부 스위칭 요소(16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5, 16-6, 16-7, 16-8)를 포함하는, 개별 모듈(30).
  5. 제1항 또는 제2항에서 청구된 바와 같은 동일한 유형의 적어도 2개의 상호 연결된 개별 모듈(10, 20, 30)을 포함하는, 전력 공급을 위한 전기 변환기 시스템(40)으로서, 개별 모듈(10, 20, 30)의 적어도 하나의 에너지 저장부(12)가 커패시터인, 전기 변환기 시스템(40).
  6. 제1항 또는 제2항에서 청구된 바와 같은 동일한 유형의 적어도 2개의 상호 연결된 개별 모듈(10, 20, 30)을 포함하는, 전력 공급을 위한 배터리 시스템(50)으로서, 개별 모듈(10, 20, 30)의 적어도 하나의 에너지 저장부(12)가 배터리인, 배터리 시스템(50).
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