KR102487958B1 - 에너지 저장부의 충전 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 각각 복수의 에너지 저장 모듈을 갖는 적어도 3개의 에너지 저장 스트링을 구비한 에너지 저장부가 사용되는 에너지 저장부를 충전하는 방법에 관한 것으로, 상기 각각의 에너지 저장 모듈들은 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 저장하는 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 2개 이상의 스위칭 소자를 포함하며, 에너지 저장부는 충전 전압을 제공하는 에너지원 및 전기 기계에 전기적으로 연결되고, 에너지 저장 모듈들은 에너지원으로부터 에너지를 공급받으며, 상기 에너지원으로서 DC 전압원 및/또는 AC 전압원이 자유롭게 선택 가능한 방식으로 사용되고, 에너지 저장부는, 에너지 저장 스트링의 각각의 에너지 저장 모듈들이 각각 서로 병렬로 및/또는 직렬로 연결되게 하고, 그리고/또는 적어도 하나의 에너지 저장 스트링의 적어도 하나의 에너지 저장 모듈이 우회되게 하는 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 선택된 에너지원의 특성들에 적응된다. 본 발명은 또한 에너지 저장부를 충전하는 상응하는 장치에 관한 것이다. 나아가 본 발명은, 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행하기 위한 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 구비한 차량에 관한 것이다.

Description

에너지 저장부의 충전
본 발명은 에너지 저장부, 특히 차량의 배터리를 충전하기 위한 방법 및 장치와 해당 차량에 관한 것이다.
화석 연료에 의존하지 않도록 또는 의존성이 덜해지도록, 최근의 차량에서는 차량을 독립적으로 구동하거나 기존의 내연기관을 보조하는 전기 모터가 점차 더 많이 설치되고 있다. 전기 모터는 일반적으로 하나 이상의 배터리에 의해 에너지를 공급받는다. 이들 배터리는 에너지 비축량이 소진된 후에 충전되어야 한다.
DE 10 2013 212 692 A1호로부터 공지된, 에너지 저장 장치 및 DC 전압 공급 회로를 구비한 시스템에서, 에너지 저장 장치는 2개 이상의 에너지 공급 경로를 가지며, 각각의 에너지 공급 경로는 직렬로 연결된 복수의 에너지 저장 모듈을 구비한다. 공급 노드들에 직렬로 연결된 DC 전압 공급 회로의 2개의 충전 회로 연결부를 통해 충전 회로가 연결될 수 있다. 충전 회로의 충전 회로 연결부들에 전류가 인가될 수 있고, 상기 충전 회로는 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈을 위해 소정의 평균값을 갖는 DC 충전 전압 또는 펄스 충전 전압을 제공하도록 설계될 수 있다.
DE 10 2013 212 682 A1호 및 DE 10 2013 212 716 A1호로부터, 배터리 모듈의 충전과 관련된 유사한 시스템이 공지되어 있다.
선행 기술에 공지된 시스템은 에너지 저장부를 위한 충전 전압으로서 DC 전압을 제공한다. 이는 에너지 저장부를 위한 충전 옵션을 제한한다.
따라서, 본 발명의 과제는 선행 기술의 단점들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 특정하게 규정된 에너지원으로부터 에너지 저장부의 독립적인 충전을 가능케 하는 적어도 하나의 옵션을 제시하고자 한다. 적어도 공지된 해결방안들에 대한 대안을 제안하고자 한다.
본 발명에 따라, 상기 과제는 독립항들에 따른 에너지 저장부 충전 방법 및 장치에 의해 해결된다. 그 밖의 각각의 실시예들은 각각의 종속항들과 하기 상세한 설명을 참조한다.
그러므로, 본 발명에 따라, 각각 복수의 에너지 저장 모듈을 구비한 적어도 3개의 에너지 저장 스트링을 포함하는 에너지 저장부가 충전되는, 에너지 저장부 충전 방법이 제안되며, 이 방법에서는, 각각의 에너지 저장 모듈이 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 저장하는 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 2개 이상의 스위칭 소자를 포함하며, 에너지 저장부는 충전 전압을 제공하는 에너지원 및 전기 기계에 전기적으로 연결되고, 에너지 저장 모듈들은 에너지원에 의해 에너지를 공급받으며, 이 경우 DC 전압원 및/또는 AC 전압원이 에너지원으로서 자유롭게 선택 가능하도록 사용되고, 에너지 저장부는, 일 에너지 저장 스트링의 에너지 저장 모듈들 또는 이들 에너지 저장 모듈의 각각의 에너지 저장 소자들이 각각 서로 병렬로 그리고/또는 직렬로 연결되게 하고, 그리고/또는 적어도 하나의 에너지 저장 모듈이 우회되게 하는, 다시 말해 브리징되게 하는, 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 선택된 에너지원의 특성들에 적응된다.
바이패스 회로에서는, 전류가 에너지 저장 모듈의 에너지 저장 소자를 통해 흐르지 않도록, 전류가 각각의 에너지 저장 소자를 우회한다. 그 결과, 에너지 저장 소자가 브리징된다.
에너지 저장부가 각각의 에너지원 또는 에너지 공급 기기에 적응됨으로써, 에너지 저장부는 현재 에너지원으로부터 독립적이다(즉, 특정 유형의 에너지원에 의존하지 않는다). 오히려, 에너지 저장부는 에너지 저장부가 충전되어야 할 순간에 이용 가능한 임의의 에너지원을 통해 충전될 수 있다. 이는, 에너지 저장부가 각각의 충전 회로 내에서 에너지 싱크로서 형성됨으로써 달성된다.
본원에 전체적으로 참고로 인용된 출원인의 독일 특허출원 DE 10 2015 112 512 A1호에는, 본 발명을 가능하게 하는 에너지 저장 모듈이 개시되어 있다. 이러한 복수의 에너지 저장 모듈이 하나의 에너지 저장 스트링을 형성하고, 이러한 복수의 에너지 저장 스트링이 에너지 저장부를 형성한다. 바람직하게는, 에너지 저장부가 3개의 에너지 저장 스트링을 구비한다. 다른 갯수의 에너지 저장 스트링도 가능하다. 3개의 에너지 저장 스트링은, 에너지 저장부가 공지된 3상 전기 회로망에 용이하게 연결되어 충전될 수 있게 한다는 장점이 있다.
에너지 저장부 또는 에너지 저장 모듈들의 특수한 구성을 통해, 하나의 에너지 저장 스트링의 개별 에너지 저장 모듈들 상호 간의 자유로운 접속이 가능해진다. 그 결과, 에너지 저장부는 각각의 선택된 에너지원에 적응될 수 있고, 그에 따라 DC 전압원과 AC 전압원 모두 적절한 에너지원으로 고려된다. 게다가, 결함이 있는 에너지 저장 모듈이 우회될 수 있거나 중간 전압이 실현될 수 있다. 위에 언급된, 본 출원인의 특허 출원에 따른 단일 모듈은, 각각 복수의 접속 옵션을 허용하는 이른바 2사분면 및 4사분면 모듈을 가능하게 하고, 적어도 4사분면 모듈은 상이한 극성 방향들을 허용한다.
본원 방법은, 에너지 저장부로서 AC 배터리가 사용됨으로써 개선된다. AC 배터리는 예를 들어, 본 출원인의 독일 특허출원 DE 10 2015 112 512 A1호, DE 10 2015 112 513 A1호, 및 DE 10 2016 112 250 A1호; 더불어 공보 DE 10 2011 108 920 A1호 및 DE 10 2010 052 934 A1호; 특히 S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh 공저 (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: Topology and control, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no.1, pp. 203-215, doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225;에 각각 개시되어 있는 단일 모듈들의 접속을 통해 가능해진다. 이를 위해, 본원에서 에너지 저장 모듈로 지칭되는 개별 모듈들은, 예를 들어 배터리 또는 커패시터와 같은 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 복수의 스위칭 소자를 구비한다. 이 경우, 스위칭 소자들은 각각의 모듈들 내에서, 인접한 모듈들의 동적 전환을 허용하도록 배치된다. 다시 말해, 복수의 스위칭 소자가 인접한 에너지 저장 소자들을 선택적으로 서로 병렬로 또는 직렬로 연결하거나, 각각의 에너지 저장 소자 또는 각각의 에너지 저장 모듈을 우회하거나 비활성화한다. 이를 위해 필요한 스위칭 소자들이 각각의 모듈 내에 배치됨으로써, 스위칭 소자들은 스위칭 소자들 간의 최소 전위차로 구동될 수 있다. 이는, 스위칭 소자들이 정확히 동시에 구동되거나 활성화될 수 있게 한다. 인접한 모듈들을 서로 직렬 또는 병렬로 연결하는 옵션 및 정확한 스위칭을 통해, 이와 같은 배터리가 작동 중에 동적으로 재구성될 수 있고, 그에 따라 배터리는 DC 전압, AC 전압, 또는 다른 형태의 전압을 제공할 수 있다. 이는 반대로, 배터리가 DC 전압, AC 전압, 또는 다른 형태의 전압으로 충전될 수 있다는 점을 의미하기도 한다.
본원 방법의 일 개선안은 각각의 에너지 저장 모듈들이 각각의 에너지 저장 스트링 내에서 에너지 저장 모듈들의 스위칭 소자들의 상응하는 스위칭을 통해, 서로 각각 직렬로 또는 각각 병렬로, 또는 적어도 일부는 직렬로 그리고 일부는 병렬로 연결되는 것을 제공한다. 그 결과, 사용되는 에너지원에 따라, 일 에너지 저장 스트링의 모든 에너지 저장 모듈들의 모듈 전압들의 합과, 일 에너지 스트링의 개별 에너지 저장 모듈의 모듈 전압 사이의 중간 전압이 설정될 수 있다. 그로 인해 혼합 회로도 가능하고, 그 결과 전류 분배 및 전압 조정이 실현될 수 있다.
본원 방법의 일 실시예는 적어도 2개의 에너지 저장 스트링이 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다. 이는, 결과적으로 전기 기계가 일종의 전류 분배기로 사용될 수 있기 때문에 유리하다.
본원 방법의 또 다른 실시예는, 적어도 3개의 에너지 저장 스트링이 각각 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 각각의 개별 에너지 저장 스트링에서 에너지 저장 모듈들의 회로 배선에 따라 전압이 조정될 수 있다.
본원 방법의 또 다른 실시예는, 에너지 저장 모듈들이 단상 충전 또는 3상 충전되는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 에너지 저장부를 충전하기 위한 추가 옵션들이 제공된다.
본원 방법의 또 다른 실시예는 에너지 저장 모듈들이 에너지 저장부의 공통 중성점(star point)을 통해 충전되는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 충전 전압이 중앙에서, 즉, 중성점을 통해 에너지 저장부 또는 배터리로 공급될 수 있다.
본원 방법의 또 다른 실시예는, 에너지 저장부에서 에너지원으로의 전기 연결부의 회귀선이 전기 기계의 중성점을 통해 연결되는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 충전 과정 중에 에너지 저장부로부터 전기 기계가 전기적으로 분리될 필요가 없다.
본원 방법의 일 실시예는, AC 전압원이 에너지원으로 사용되는 경우, AC 전압원이 에너지 저장부로부터 갈바닉 절연되거나, 그 대안으로 갈바닉 절연되지 않는다. 갈바닉 절연은 더 높은 안전성을 제공한다. 그러나, 경험적으로 볼 때, 그러한 안전 장치가 항상 필요한 것은 아니다.
본원 방법의 일 개선안은, 에너지원의 출력 단자가 에너지 저장부의 입력 단자에 직접 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 그 결과, 추가 전기 부품의 발생 가능한 손실이 방지된다.
본원 방법의 또 다른 개선안은, 에너지원의 출력 단자가 전기 기계의 일 단자에 전기적으로 연결되는 구성을 제공한다. 그 결과, 전기 기계의 구성에 따라 에너지 저장부를 충전하기 위한 또 다른 충전 옵션이 도출된다.
본 발명은 또한 에너지 저장부를 충전하기 위한 장치를 제안하며, 이 장치는, 충전 전압을 제공하는 에너지원, 에너지 저장부, 및 전기 기계를 구비하고, 상기 에너지 저장부는 에너지원 및 전기 기계에 전기적으로 연결되며, 이때 에너지 저장부는 복수의 에너지 저장 모듈을 구비한 복수의, 바람직하게는 적어도 3개의 에너지 저장 스트링을 구비하고, 각각의 에너지 저장 모듈은 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 저장하도록 설계된 하나 이상의 에너지 저장 셀 또는 에너지 저장 소자, 및 2개 이상의 스위칭 소자를 구비하며, 상기 에너지원은 DC 전압원 및/또는 AC 전압원을 포함하고, 에너지 저장부는, 일 에너지 저장 스트링의 각각의 에너지 저장 모듈들 또는 이들 에너지 저장 모듈의 각각의 에너지 저장 셀들이 각각 서로 병렬로 그리고/또는 직렬로 연결될 수 있게 하고, 그리고/또는 일 에너지 저장 스트링의 하나 이상의 에너지 저장 모듈이 우회되게 하거나 브리징될 수 있게 하는 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 각각의 선택된 에너지원에 적응될 수 있다.
본원 장치의 일 개선안은, 에너지원이 에너지 저장부의 단자들 또는 전기 기계의 단자들에 직접 연결되어 충전 전압을 제공하는 것을 특징으로 한다.
본원 장치의 일 개선안은, 각각의 에너지 저장 모듈들이 각각의 에너지 저장 스트링에서 상기 에너지 저장 모듈들의 스위칭 소자들의 상응하는 스위칭을 통해 서로 각각 직렬로 또는 각각 병렬로, 또는 적어도 일부는 직렬로 그리고 일부는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본원 장치의 또 다른 한 구성은, 적어도 2개의 에너지 저장 스트링이 서로 직렬로 연결되거나, 적어도 3개의 에너지 저장 스트링이 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행하기 위한 본 발명에 따른 장치의 실시예를 구비한 차량에 관한 것이다.
본 발명의 추가 장점들 및 구성들은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조한다.
전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명은 실시예들에 기초하여 도면들에 개략적으로 도시되며, 이 도면들을 참조하여 개략적으로 그리고 세부적으로 기술되고, 동일한 요소에는 동일한 도면 부호가 부여된다.
도 1은 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 실시예에 따른 제1 회로도이다.
도 2는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에 따른 추가 회로도이다.
도 3은 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에 따른 추가 회로도이다.
도 4는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에 따른 추가 회로도이다.
도 5는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예에 따른 추가 회로도이다.
도 6a 및 도 6b는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예들에 따른 추가 회로도이다.
도 7a 및 도 7b는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예들에 따른 추가 회로도이다.
도 8a 및 도 8b는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예들에 따른 추가 회로도이다.
도 9a 내지 도 9d는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예들에 따른 추가 회로도이다.
도 10a 내지 도 10f는 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예들에 따른 추가 회로도이다.
도 11은 에너지 저장부를 충전하기 위한 시스템 회로추가 회로도이다.
도 12a 내지 도 12d는 도 11의 시스템 회로도의 작동 기능들을 도시한다.
도 1에 도시된 회로도(10a)는 에너지원(12a)을 도시한다. 에너지원(12a)은 에너지 저장부(14a)를 충전하기 위한 충전 기기(12a)이다. 충전 기기(12a)는 도 1에 도시된 실시예에서 DC 전압원으로서 형성되며, 여기에 도시되지 않은 AC 전압원에 연결된 정류기의 형태로 도시되어 있다. 충전 기기(12a)는 충전 전압을 제공한다.
에너지 저장부(14a)는 AC 배터리의 형태로 형성된다. 이와 관련하여, "에너지 저장부", "배터리", "AC 배터리"라는 용어는 본 출원의 범주에서 동일한 의미로 사용됨을 주지한다.
배터리(14a)는, 각각 파선 레이아웃으로 경계지어진 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w)을 구비한다. 이와 관련하여, 에너지 저장 스트링(u, v, w)은 각각 배터리 스트링 또는 간단히 스트링이라고도 지칭될 수 있다. 이들 스트링(u, v, w)은 배터리(14a)의 위상 스트링이라고도 지칭될 수 있다.
각각의 개별 스트링(u, v, w)은 복수의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)을 구비한다. 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)은 각각 앞서 언급한 본 출원인의 특허 출원에 개시되었던 구조를 갖는다.
여기에 도시된 실시예에서는 각각의 스트링(u, v, w)이 각각 5개의 모듈(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)을 구비하지만, 이 실시예 및 이하에 기술될 실시예에서의 모듈 수는 임의적일 수 있고, 그에 따라 각각의 스트링(u, v, w)은 각각 u-n개, v-n개, w-n개의 모듈(n은 임의의 자연수)을 구비할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
충전 기기(12a)의 양극이 제1 단자(16)를 통해 에너지 저장부 또는 배터리(14a)에 전기적으로 연결되고, 충전 기기(12a)의 음극이 제2 단자(17)를 통해 배터리(14a)에 전기적으로 연결된다. 각각의 단자들(18-u, 18-v, 18-w)을 통해 각각의 스트링(u, v, w)은 각각 전기 기계(20)에 전기적으로 연결된다.
전기 기계(20)는 예를 들어 모터 또는 전기 모터일 수 있다. 모터(20)는 적어도 3개의 권선(21) 또는 권선 단자를 구비한다. 이 경우, 각각의 권선(21)은 개별적으로 배터리(14a)의 단자(18)에 전기적으로 연결된다. 각각 하나의 권선(21)을 구비한 모터(20)의 개별 섹션들을 모터의 권선 스트링 또는 위상 스트링 또는 위상이라고도 지칭한다.
배터리(14a)의 충전 과정을 위해, 여기에 도시된 실시예에서는 하나의 스트링(u, v, w) 내 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)이 각각 모두 병렬로 연결된다. 스트링들(u, v, w)도 역시 병렬로 연결된다.
단락을 방지하기 위해, "T"로 표시된 지점(19)에서 스트링들(u, v, w)의 라인들이 각각 절연된다. 이는 예를 들어 각각의 모듈(u-5, v-5, w-5) 내에 설치된 MOSFET을 통해 달성된다.
여기에 도시된 실시예에서, DC 충전 전압은 모듈(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 모듈 전압에 정확히 상응한다. 이 경우, 개별 모듈 전압은 바람직하게 60V DC 미만이다.
배터리(14a)를 충전하는 상기 방법에서는 충전 전류가 상응하게 높은데, 그 이유는 충전 전압이 비교적 작기 때문이다. 이 회로의 장점은, 이러한 충전 전략에서 모터(20)를 통해 전류가 흐르지 않기 때문에, 모터(20)가 에너지 저장부(14a)로부터 분리되거나 차단될 필요가 없다는 점이다.
도 2에 도시된 회로도(10b)는 에너지원(12a) 또는 충전 기기(12a), 에너지 저장부(14a) 또는 배터리(14a), 그리고 전기 기계(20) 또는 모터(20)를 도시한다. 배터리(14a)는 도 1의 배터리(14a)에 상응하며, 각각의 배터리 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)을 갖는 3개의 배터리 스트링(u, v, w)을 구비한다. 보다 명료함을 위해, 개별 구성요소에는 다시 참조 번호를 부여하지 않았다.
충전 기기(12a)의 양극은, 여기서 배터리(14a)의 공통 중성점에 놓인 배터리(14a)의 단자(16)를 통해 배터리(14a)에 전기적으로 연결된다. 배터리(14a)의 스트링들(u, v, w)은 서로 병렬로 연결된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 각각의 스트링들의 각각의 배터리 모듈들은 서로 직렬로 연결된다. 이 경우, 회로는 "T"로 표시된 지점에서 내부 MOSFET에 의해 절연된다. 각각의 스트링들(u, v, w)은 각각의 단자들(18-u, 18-v, 18-w)을 통해 모터(20)의 각각의 권선 스트링들의 단자들에 연결된다.
충전 기기(12a)로의 회귀선이 이 실시예에서는 모터(20)의 중성점을 통해 제공된다. 그 결과, 추가 라인이 방지되고, 모터(20)는 배터리(14a)로부터 절연될 필요가 없다. 이 실시예에서, DC 충전 전압은 각각의 스트링(u, v, w)의 모듈 전압들의 합보다 크다. 그 결과, 이 실시예에서 충전 과정은 고전압 영역에서 수행될 수 있다.
도 3에 도시된 회로도(10c)는 실질적으로 도 2에 기술된 본 발명에 따른 방법의 실시예를 도시한다. 그러나, 회로도(10c)는 도 2에 기술된 구성요소들 외에도 2개의 추가 파워 스위치(SWK1, SWK2)를 구비한다. 스위치(SWK1)는 스트링(u)과 스트링(v) 사이에 배치된다. 스위치(SWK2)는 스트링(v)과 스트링(w) 사이에 배치된다. 또한, 스위치들(SWK1, SWK2)을 위한 (도시되지 않은) 구동 시스템이 요구된다.
도 3에 도시된 실시예에서는 스위치들(SWK1, SWK2)이 닫혀 있으며, 그 결과 모터(20)의 개별 위상 스트링들 또는 위상들이 결합됨으로 인해 모터(20)가 단락된다. 이로써, 모터(20)의 결합된 위상 라인들을 통해 충전 기기(12a)로의 회귀선이 제공된다. 그 결과, 모터(20)는 배터리(14a)로부터 절연될 필요가 없다. 게다가, 모터(20)의 권선들(21)에 걸친 전압 강하도 일어나지 않는다. 충전 과정 외에, 그리고 모터(20)를 작동시키기 위해서는, 스위치들(SWK1, SWK2)이 열려 있어야 한다.
도 4에 도시된 회로도(10d)는 실질적으로 도 3에 기술된 회로의 구성요소들을 보여준다. 충전 기기(12a)는 단자(16)를 통해 배터리(14a)에 전기적으로 연결되고, 충전 기기로의 회귀선은 모터(20)의 결합된 위상들을 통해 제공된다. 그러나, 도 4에 도시된 실시예에서는 각각의 스트링들(u, v, w)의 개별 모듈들이 전적으로 서로 직렬로만 또는 병렬로만 연결되는 것이 아니라, 일부 모듈은 직렬로 연결되고 일부 모듈은 병렬로 연결된다.
스트링(u)에서, 모듈(u-1) 및 모듈(u-2)은 직렬로 연결되고, 모듈들(u-3, u-4, u-5)은 병렬로 연결된다. 스트링(v)에서, 모듈들(v-1, v-2, v-3)은 병렬로 연결되고, 모듈들(v-4, v-5)은 직렬로 연결된다. 스트링(w)에서, 모듈들(w-2, w-3, w-4)은 병렬로 연결되고, 모듈(w-1) 및 모듈(w-5)은 병렬로 연결된 모듈들(w-2, w-3, w-4)과 직렬로 연결된다. 따라서, 도 4에 도시된 실시예는 혼합 모드를 보여준다. 이 경우, 각각의 스트링(u, v, w)에서의 전압은 동일하지만, 개별 모듈들에 걸친 전류의 분포는 상이하다. 그 결과, 중간 전압이 스위칭될 수 있고, 개별 스트링들 및/또는 이들 개별 스트링의 각각의 모듈들 간의 밸런싱이 실현될 수 있다.
도 4에 도시된 실시예에서, DC 충전 전압은 모듈 전압들의 합 이하이므로, 이 실시예에서도 고전압 영역에서 충전이 수행될 수 있다.
도 5의 회로도(10e)는 배터리(14a)를 충전하기 위한 또 다른 옵션을 도시한다. 이 실시예에서는, 충전 기기(12a)의 양극이 단자(22)를 통해 모터(20)에 연결된다. "T"로 표시된 지점들은 이 지점에서 라인이 절연됨을 의미한다.
도 5에 도시된 실시예에서, 전류는 단자(22)를 통해 모터(20)의 위상 스트링 내로 유입된다. 모터의 위상 스트링들은 이를 통해 전류를 분배하고, 그 결과 전류가 배터리(14a)의 단자들(18-u, 18-w)을 통해 배터리(14a) 내로 흐른다.
배터리(14a)에서 스트링들(u, v, w)의 개별 모듈들은 각각 직렬로 연결된다. 스트링들(u, v, w)은 서로 병렬로 연결된다. 스트링(v)을 통해 전류가 다시 충전 기기(12a)의 방향으로 다시 흐른다. 이 경우, 스트링들(u, w)에 비해 스트링(v)에는 2배의 전류 세기 및 2배의 스트링 전압이 인가된다. 배터리(14a)는 단자(18-v)를 통해 충전 기기(12a)의 음극에 연결된다. 이 경우, 단자(22)와 충전 기기(12a)로의 귀로용 도체(return conductor) 사이에 스위치(23)가 배치된다. 충전 과정 중에는 스위치(23)를 통해 모터의 위상이 절연된다. 충전 과정이 종료되면, 모터(20)가 작동될 수 있도록, 충전 기기(12a)가 분리되고 스위치(23)가 닫힌다.
이 실시예에서도, 각각의 스트링들(u, v, w) 내에서 혼합 스위칭이 가능하고, 이 경우 도 4에 기술된 실시예에서처럼 스트링(u, v, w)의 모듈들은 서로 병렬 및 직렬로 연결된다. 그 결과, 개선된 전압 분배 및 전압 조정을 위한 조정이 가능하다.
그러므로, 본 발명에 따른 방법은 DC 전압원으로 AC 배터리를 충전할 수 있게 한다. 이 경우, 예컨대 전기 모터와 같은 전기 기계가 충전 과정에 통합될 수도 있고 통합되지 않을 수도 있다.
그러나, 본 발명에 따른 방법은, 후술되는 바와 같이 AC 전압원을 사용하여 AC 배터리를 충전할 수도 있게 한다.
도 6a 및 도 6b는 에너지원(12b)인 AC 전압원으로 에너지 저장부 또는 배터리(14b)를 충전하기 위한 제1 옵션을 나타내는 회로도들(10f, 10g)을 도시한다. AC 전압원(12b)은 단자(16*)를 통해 배터리(14b)에 전기적으로 연결된다.
배터리(14b)는 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w) 또는 배터리 스트링(u, v, w)을 구비한다. 스트링들(u, v, w)은 서로 병렬로 연결된다. 각각의 스트링(u, v, w)은 배터리 모듈로도 지칭되는 복수의 에너지 저장 모듈(u-1, u-2, u-3, u-4, u-5; v-1, v-2, v-3, v-4, v-5; w-1, w-2, w-3, w-4, w-5)을 구비한다. 각각의 스트링(u, v, w)은 이에 더하여 추가로 또 하나의 스위치 모듈(u-S, v-S, w-S)을 구비한다. 이와 같은 각각의 스위치 모듈(u-S, v-S, w-S)은 예를 들어 MOSFET일 수 있다. MOSFET은 모듈들(u-1, v-1, w-1)의 도시된 이중 탭을 하나의 탭으로 감소시킨다. 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5 및 u-S, v-1 내지 v-5 및 v-S, w-1 내지 w-5 및 w-S)은 각각의 스트링 내에서 각각 서로 병렬로 연결된다. 스트링들(u, v, w) 또는 배터리(14b)는 각각의 단자(18-u, 18-v, 18-w)를 통해 모터(20)에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 모터(20)는 전술한 도면에 도시된 모터(20)에 상응하며, 권선(21)을 갖는 3개의 권선 스트링 또는 위상 스트링을 구비한다.
도 6b에 도시된 실시예는 추가로 AC 전압원(12b)의 하류에 연결된 변압기(24)를 구비한다. 이를 통해, AC 전압원(12b)은 에너지 저장부(14b)로부터 갈바닉 절연되어, 회로의 안전 문제에 상응된다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예는 배터리(14b)의 직접 단상 충전을 가능하게 한다. 충전 기기(12b)로의 회귀선이 모터(20)의 중성점을 통해 제공된다. AC 전압 싱크를 형성하기 위해, 배터리(14b)는 충전 기기(12b)의 전류로 조절된다. 이는 배터리(14b)가 충전 기기(12b)에 적응됨을 의미한다.
이 충전 방법의 중요한 양태는, 충전 기기(12b)에 의해 제공되는 AC 전압의 주파수 및 전압이다. 각각의 배터리 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)은, 각각의 스트링들(u, v, w)이 충전 기기(12b)의 주파수 및 전압에 상응하도록 연결된다. 충전 기기(12b)는 특정 주파수를 가진 충전 전압을 제공한다. 서두에 기술된 바와 같이, 각각의 배터리 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)은 복수의 스위칭 소자를 구비하는데, 이들은 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5) 또는 각각의 모듈들 내에 배치된 에너지 저장 소자들이 병렬 회로 및/또는 직렬 회로 간에 동적으로 전환될 수 있게 한다. 그 결과, 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5) 또는 배터리 스트링들(u, v, w)의 각각의 주파수 및 전압이 조정될 수 있고, 그로 인해 배터리(14b)가 충전 기기(12b)의 제공된 주파수 및 전압에 적응될 수 있다. 이를 위해 스위치 모듈들(u-S, v-S, w-S)도 필요하다. 각각의 스트링들(u, v, w)에는 각각 부분 전압만 인가되기 때문에, 스위치 모듈들(u-S, v-S, w-S)은 스트링들(u, v, w)을 배터리(14b)의 공통 중성점으로 병합한다. 배터리(14b)의 중성점을 통해, 충전 기기(12b)로부터 제공되는 AC 전압의 중앙 공급이 가능하다.
모터(20)의 중성점을 경유하는 회귀선에 의해, 충전 과정 중에 모터(20)가 배터리(14b)로부터 분리될 필요가 없다. 그러나, 제1 전압단의 각각의 모듈들이 디커플링되고, 다시 말해 이들이 개별적으로 구동될 수 있게 되고, 그럼으로써 상기 모듈들도 각각의 인접한 모듈들에 대해 병렬로, 직렬로, 또는 바이패스 형태로 연결될 수 있게 된다. 그렇지 않으면, 병렬 연결만이 가능할 것이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 회로도들(10h, 10i)은 도 6a 및 도 6b에 도시된 회로도들(10f, 10g)에 실질적으로 상응하고, 도 7a 및 도 7b의 회로도들(10h, 10i)은 단자들(18-u, 18-v, 18-w) 사이에 배치된 2개의 스위치(SWK1, SWK2)를 구비하며, 상기 단자들을 통해 배터리(14b)는 모터(20)의 각각의 권선 스트링들을 거쳐 각각의 권선들(21)에 연결된다. 스위치(SWK1)는 단자들(18-u와 18-v) 사이에 배치된다. 스위치(SWK2)는 단자들(18-v와 18-w) 사이에 배치된다. 도 7b에 도시된 실시예는 배터리(14b)로부터 AC 전압원(12b)을 갈바닉 절연시키는 변압기(24)를 구비한다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예들에서, 배터리(14b)는 직접 단상 충전되며, 이때 모터(20) 또는 모터(20)의 권선들(21)을 갖는 스트링들(권선 스트링들)이 스위치들(SWK1, SWK2)을 통해 단락된다. 그 결과, 모터(20)는 충전 과정 중에 배터리(14b)로부터 분리될 필요가 없고, 모터(20)의 권선들(21)에 걸친 전압 강하가 일어나지 않는다. 각각 폐쇄되는 스위치들(SWK1, SWK2)에 의해 스트링들이 단락된다. 이를 위해, 필요 시 도시되지 않은 스위치들(SWK1, SWK2)의 구동이 요구될 수 있다. 이 경우, 충전 기기(12b)는 갈바닉 절연 방식 또는 갈바닉 비절연 방식으로 배터리(14b)에 연결될 수 있다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 회로도들(10j, 10k)은 에너지 저장부(14c)를 충전하기 위한 또 다른 옵션들을 도시하고, 여기에 도시된 실시예에서 배터리(14c)는 3상 방식으로 충전된다.
이를 가능하게 만들기 위해, 배터리(14c)는 배터리들(14a, 14b)과 관련하여 이미 기술한 구성요소들 외에 2개의 추가 스위치(SSP1, SSP2)를 구비한다. 스위치(SSP1)는 스트링(u)과 스트링(v) 사이에 배치된다. 스위치(SSP2)는 스트링(v)과 스트링(w) 사이에 배치된다.
회로도들(10j, 10k)은 모터(20)의 스트링들을 결합하기 위해 모터(20)의 스트링들 사이의 이미 기술한 지점들에 스위치들(SWK1, SWK2)을 구비한다.
배터리(14c) 또는 스트링들(u, v, w)은 각각 충전 기기(12c)의 각각의 위상(L1, L2, L3)에 연결된다. 따라서, AC 전압원(12c)은 3상 전원공급 시스템일 수 있다. 도 8b에 도시된 실시예는 충전 기기(12c)의 하류에 연결된 변압기(25)에 의한 갈바닉 절연을 갖는다.
배터리(14c)는 도 8a 및 도 8b에 도시된 실시예들을 통해 3상 방식으로 직접 충전된다. 이를 위해, 스위치들(SSP1, SSP2)은 배터리(14c)의 중성점을 분리한다. 이는, 스트링들(u, v, w)에 각각 바람직하게 120°만큼 이동한 충전 기기(12c)의 위상이 적용되기 때문에, 각각의 스트링(u, v, w)을 개별적으로 다루기 위해 필요하다. 여기서, 위상 편이는 임의의 원하는 값을 가질 수 있음을 주지한다. 스위치들(SWK1, SWK2)은 모터(20)의 스트링들을 결합하며, 다시 말해, 모터(20)는 단락된다. 각각의 위상들(L1, L2, L3)의 120°만큼의 위상 편이로 인해, 모터(20)에 인가되는 전압들의 벡터 합의 값은 결국 0V이다. 그러므로, 모터(20)가 충전 과정 중에 반드시 배터리(14c)로부터 분리될 필요는 없지만, 스위치들(SWK1, SWK2)을 통해 단락되어야 한다. 그 결과, 모터(20)의 권선들의 전압 강하가 일어나지 않는다. 각각 파워 스위치일 수 있는 스위치들(SSP1, SSP2, SWK1, SWK2)을 구동하기 위해, (도시되지 않은) 구동 시스템이 필요할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d에 도시된 회로도들(10l, 10m, 10n, 10o)은 에너지 저장부(14a 또는 14b)를 충전하기 위한 또 다른 옵션들을 도시하고, 에너지 저장부들(14a, 14b)은 각각 이전 도면들에서 이미 기술하였다. 도시된 실시예들에서, 배터리(14a, 14b)는 직접 3상 방식으로 충전되고, 이 경우 충전 기기(12c)는 각각 모터 측에서 배터리(14a, 14b)에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 각각의 배터리 모듈들은 서로 병렬로 연결된다.
회로도들(10l 내지 10o)은 또한 배터리(14a 또는 14b)의 2개의 스트링에서 모터(20)를 절연시키는 2개의 스위치(S1, S2)를 구비한다. 이 경우, 스위치(S1)는 단자(18-u)와 모터(20)의 상응하는 권선 스트링(21) 사이에 배치된다. 스위치(S2)는 모터(20)의 상응하는 권선 스트링(21)과 위상(L2)에 대한 단자(18-v)의 전기 연결부 사이에 배치된다. 스위치들(S1, S2)이 개방되면, 모터의 각각의 스트링들은 배터리(14a, 14b) 또는 각각의 스트링들(u, v)로부터 절연된다. 그 결과, 권선들에서 전압 강하가 발생하지 않고, 모터에 전류가 흐르지 않는다.
도 9a의 회로도(10l)는 도 6 및 도 7에서 이미 기술한 배터리(14b)를 도시한다. 충전 기기(12c) 또는 위상들(L1, L2, L3)은 단자들(18-w, 18-v, 18-u)을 통해 배터리(14b)에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 위상(L1)은 단자(18-u)에 전기적으로 연결되고, 위상(L2)은 단자(18-v)에 전기적으로 연결되며, 위상(L3)은 단자(18-w)에 전기적으로 연결된다.
도 9b의 회로도(10m)는 실질적으로 도 9a로부터 확인된 구성요소들을 도시한다. 회로도(10m)에서, 충전 기기(12c)는 갈바닉 절연의 목적으로 위상들(L1, L2, L3)의 하류에 연결된 변압기(25)를 구비한다.
도 9a 및 도 9b의 실시예들에서 스위치 모듈들(u-S, v-S, w-S)은, 배터리(14b)가 배터리(14b)의 공통 중성점을 통해 충전되도록 연결된다.
도 9c에 도시된 회로도(10n)는 도 9a의 회로도(10l)를 도시하며 이에 실질적으로 상응하고, 배터리(14b)는 임의의 스위치 모듈(u-S, v-S, w-S)을 구비하지 않는, 이미 기술한 배터리(14a)로 대체된다. 이와 관련하여, 본 실시예에서는 배터리(14a)가 병렬로 연결된 스트링들(u, v, w)을 통해 충전된다.
도 9d에 도시된 회로도는, 갈바닉 절연을 위한 변압기(25)가 충전 기기(12c)의 하류에 연결된다는 점에서만 도 9c의 회로도(10n)와 상이하다.
도 10a 내지 도 10f는 에너지 저장부(14c)를 충전하기 위한 또 다른 옵션들을 도시한다. 이를 위해, 도 10a 내지 도 10f는 배터리(14c)가 2개의 전압원(12a, 12b, 12c)에 전기적으로 연결되어 있는 실시예들이 도시되어 있는 회로도들(10p 내지 10u)을 보여준다. 후술하는 도 10a 내지 도 10f의 실시예들은 직류 및 교류 모두에 의해 그리고 단상 방식 및 3상 방식 모두로 에너지 저장부(14c)를 충전할 수 있게 한다. 어떤 경우든지, 도 10a 내지 도 10f의 실시예들에는, 복수의 위상을 갖는 각각 하나의 3상 전압원(12c) 및 단 하나의 위상만을 갖는 각각 하나의 전압원(12a, 12b)이 제공된다. 이와 관련하여, 도 10a 내지 도 10f의 실시예들은 도 8a, 도 8b, 및 도 3에서 기술한 회로들의 혼합 형태를 도시한다. 에너지 저장 스트링들(u, v, w)의 각각의 에너지 저장 모듈들은 각각 서로 병렬로 연결된다. 전술한 바와 같이, 스위치들(SSP1, SSP2)은 배터리(14c)의 중성점을 절연시킨다. 3상 전압원(12c)을 이용하여 배터리(14c)를 충전하기 위해, 스위치들(SSP1, SSP2)이 개방된다. 단상 전압원(12a 또는 12b)을 이용하여 배터리(14c)를 충전하기 위해, 스위치들(SSP1, SSP2)이 닫혀야 한다.
회로도들(10p 내지 10u)에 도시된 실시예들은 각각의 회로도들(10p 내지 10u)의 앞서 이미 기술한 지점들에, 요컨대 모터(20)의 스트링들을 결합하기 위해 모터(20)의 스트링들 사이에 배치되는 스위치들(SWK1, SWK2)을 구비한다.
회로도들(10p 내지 10u)은 또한 3개의 코일(30)을 구비한다. 각각의 코일(30)은 위상(L1, L2, L3) 및 배터리(14c)의 각각의 단자에 전기적으로 연결된다.
도 10a의 회로도(10p)에 도시된 실시예에서는 이미 기술한 배터리(14c)가 충전 기기(12a)인 DC 전압원 및 충전 기기(12c)인 3상 전압원에 전기적으로 연결된다.
충전 기기(12a)는 자신의 양극으로써 단자(26)를 통해, 그리고 자신의 음극으로써 단자(28)를 통해 배터리(14c)에 연결된다.
충전 기기(12c)의 위상들(L1, L2, L3)은 각각 하나의 코일(30)에 전기적으로 연결된다.
도 10b에 도시된 회로도(10q)에서, 갈바닉 절연을 위한 변압기(25)가 충전 기기(12c)의 하류에 연결된다.
도 10c에 도시된 회로도(10r)는 도 10a에 도시된 회로도(10p)에 실질적으로 상응한다. 그러나, 회로도(10r)에서는 DC 전압원(12a)이 단상 AC 전압원(12b)으로 대체된다.
도 10d 및 도 10f에 도시된 회로도들(10s 및 10u)에서는, 갈바닉 절연의 목적으로 충전 기기(12c)의 하류에 변압기(25)가 연결된다.
도 10e 및 도 10f에 도시된 회로도들(10t 및 10u)에서는, 단상 AC 전압원(12b)의 하류에 갈바닉 절연을 위한 변압기(24)가 연결된다.
도 11에는 시스템 회로도(10v)가 도시되어 있다. 차량 전기 시스템(12d)에 에너지 저장부(14d)가 전기적으로 연결되어 있다. 차량 전기 시스템(12d)은 각각의 부하를 위한 부하 전압으로서의 복수의 전압 레벨, 예를 들어 12V 및 48V를 사용하도록 구성된다.
에너지 저장부(14d)는 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w)을 구비한다. 각각의 에너지 저장 스트링(u, v, w)은 각각 5개의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)을 구비한다. 이 경우에도, 에너지 저장 모듈의 수는 원하는 대로 가능하므로, 5개 초과의 에너지 저장 모듈도 존재할 수 있음을 주지한다. 차량 전기 시스템(12d)의 양극은 각각 전기 연결부(32)를 통해 각각의 에너지 저장 모듈(u-1 또는 v-1 또는 w-1)의 양의 단자에 연결된다. 차량 전기 시스템(12d)의 음극은 각각 전기 연결부(33)를 통해 각각의 에너지 저장 모듈(u-1 또는 v-1 또는 w-1)의 음의 단자에 연결된다. 차량 전기 시스템(12d)의 양극으로부터 배터리(14d)까지의 순방향 라인(32) 내에는 접촉기(34)와 스위치(S9)가 직렬로 배치된다. 나머지는, 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)이 각각 병렬로 연결된다. 스트링들(u, v, w)의 모터측 단부에는, "A"로 표시된 각각의 전류계가 배치된다. 상기 전류계의 하류에 각각 하나의 접촉기(36)가 연결된다.
스트링들(u, v, w)은 모터(20)의 각각 하나의 스트링에 전기적으로 연결된다. 스트링(u)과 모터(20) 사이의 전기 연결부에는 스위치(S1)가 배치되고, 스트링(v)과 모터(20) 사이의 전기 연결부에는 스위치(S2)가 배치되어, 필요한 경우 작동 기능에 따라 상기 모터를 절연하거나 연결한다. 모터(20)에는 충전 장치(38)가 전기적으로 연결된다. 충전 장치(38)는 배터리(14d)를 충전하기 위해 충전 전압을 제공하는 각각의 에너지원들에 연결되며, 이때 가능한 에너지원은 DC 전압원 및/또는 AC 전압원이다.
충전 장치(38)는 3상 전원공급 시스템의 각각의 위상들에 연결하기 위한 복수의 단자(L1, L2, L3)를 구비한다. 또한, 충전 장치(38)는 하나의 중립 단자(N)를 구비한다. 마지막으로, 충전 장치(38)는 DC 회로망에 연결하기 위한 단자들("+" 및 "-")을 구비한다. 각각의 단자(L1, L2, L3, N, "+", "-")를 각각 연결하거나 절연시키기 위해, 이들의 하류에 각각 하나의 스위치(S3 내지 S7)가 연결된다. 스위치(S4)는 단자("-")와 단자(N) 간에 스위칭하도록 구성된다. 스위치들(S5, S6, S7)은 각각의 위상 단자(L1, L2, L3) 또는 커플링 라인(39) 간에 스위칭하도록 구성된다. 스위치(S3)는 위상 단자(L1) 또는 단자("+")를 커플링 라인(39)에 연결하도록 구성된다. 아울러, 단자들(L1, L2, L3)은 각각 하나의 코일(40)을 구비한다. 단자(N)와 각각의 단자들(L1, L2, L3) 사이에는, "U"로 표시된 각각 하나의 전압계가 병렬로 배치된다. 또한, 단자("+")와 단자("-") 사이에 "U"로 표시된 전압계가 배치된다.
단자(N) 또는 단자("-")는 스위치(S4)의 각각의 위치에 따라 전기 연결부(33)에 대한 내지는 차량 전기 시스템(12d)의 음극에 대한 전기 연결부(42)를 구비한다. 전기 연결부(42)는 접촉기(44)를 구비한다. 전기 연결부(42)와 각각의 스트링들(u, v, w) 사이에 각각 "U"로 표시된 전압계들이 병렬 연결 방식으로 배치되고, 그에 따라 각각의 스트링(u, v, w)과 전기 연결부(42) 사이의 전압이 측정될 수 있다.
각각의 전압계("U") 및 전류계("A"), 모터(20) 또는 모터(20)의 리졸버 및 배터리(14d)로부터, 배터리(14d)의 중앙 제어기(46)에 예컨대 개별 에너지 저장 모듈들의 개별 셀 전압 또는 온도와 같은 측정 데이터가 전송된다. 중앙 제어기(46)는 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 각각의 스위치들을 제어하기 위해 고속 버스(45)를 구비한다. 중앙 제어기(46)에는 스위치들(S1 내지 S9)을 제어하기 위해한 스위치 제어기(48)도 연결된다.
도 12a는 모터 작동 중에, 즉, 배터리(14d)가 모터(20)에 전력을 공급할 때의 시스템 회로도(10v)의 스위칭 상태를 보여준다. 명료함을 위해, 도 11의 시스템 회로도(10v)에서 불필요한 요소들은 배재하였다.
모터 작동을 위해 스위치(S9)가 폐쇄된다. 그 결과, 차량 전기 시스템(12d)의 각각의 양극 및 각각의 음극이 배터리(14d)에 전기적으로 연결된다. 스위치들(S1, S2)도 폐쇄되고, 그 결과 배터리(14d)와 모터(20)가 서로 전기적으로 연결된다. 스위치들(S3 내지 S7)이 기능을 수행하지 않도록 스위칭되거나, 충전 장치(38)가 분리된다. 이를 위해, 스위치들(S3 내지 S7)이 개방되거나, 각각의 가능한 단부 위치들 사이의 중간 위치로 스위칭되고, 그에 따라 단부 위치들 중 어느 것도 전기적으로 연결되지 않는다. 대안적으로, 복수의 다른 기능적 위치 외에 개방 위치를 허용하는, 도시된 것들 외의 스위칭 소자들이 가능하다.
도 12b는 배터리(14d)가 3상 방식으로 교류로 충전되는 동안, 도 11의 회로도(10v)의 스위칭 상태를 보여준다. 이 기능은 도 9a 내지 도 9d에서 기술한 특징들에 실질적으로 상응한다. 스위치 제어기(48)는 스위치(S9)를 폐쇄하였고, 그 결과 차량 전기 시스템(12d)은 배터리(14d)에 연결되며, 모터(20)의 각각의 스트링들이 배터리(14d)로부터 절연되도록 스위치들(S1, S2)이 개방된다. 스위치들(S5, S6, S7)은 위상 단자들(L1, L2, L3)이 배터리(14d)의 각각의 스트링들(u, v, w)에 연결되도록 스위칭된다. 스위치(S5)는 배터리(14d)의 스트링(u)에 위상 단자(L1)를 연결하고, 스위치(S6)는 배터리(14d)의 스트링(v)에 위상 단자(L2)를 연결하며, 스위치(S7)는 배터리(14d)의 스트링(w)에 위상 단자(L3)를 연결한다. 스위치(S4)는, 단자(N)가 차량 전기 시스템(12d)의 음극에 연결되도록 스위칭되고, 그 결과 회로는 폐쇄된다. 따라서, 전류가 위상들(L1, L2, L3) 및 중성선(neutral conductor)을 통해 인출된다. 이 구성에서, 배터리(14d)는 이제 3상 방식으로 충전될 수 있다.
도 12c는 배터리(14d)가 단상 방식으로 교류로 충전될 때의 회로도(10v)의 스위칭 상태를 도시한다. 이를 위해, 스위치 제어기(48)는 스위치(S9)를 폐쇄하였고, 그 결과 차량 전기 시스템(12d)은 배터리(14d)에 연결되고, 모터(20)의 각각의 스트링들이 배터리(14d)로부터 절연되도록 스위치들(S1, S2)이 개방된다. 스위치들(S3, S5, S6, S7)은 위상 단자(L1)가 배터리(14d)의 스트링들(u, v, w)에 전기적으로 연결되도록 스위칭된다. 스위치(S3)는 위상 단자(L1)가 커플링 라인에 연결되도록 스위칭된다. 스위치들(S5, S6, S7)은 배터리(14d)의 각각의 스트링들(u, v, w)이 마찬가지로 커플링 라인(39)에 연결되도록 스위칭된다(도 11 참조). 이로써, 전류는 위상 단자(L1)로부터 스위치(S3), 커플링 라인(39), 스위치들(S5, S6, S7)을 통해 배터리(14d)의 각각의 스트링들(u, v, w)로 흘러서 배터리(14d)를 충전할 수 있다. 스위치(S4)는, 단자(N)가 차량 전기 시스템(12d)의 음극에 연결되도록 스위칭되고, 그 결과 회로는 폐쇄된다. 따라서, 전류는 위상(L1) 및 중성선을 통해 인출된다. 이 구성에서, 이제 배터리(14d)는 위상(L1)으로부터 단상 방식으로 충전될 수 있다.
도 12d는, 배터리(14d)가 직류로 충전될 때의 회로도(10v)의 스위칭 상태를 도시한다. 이를 위해, 스위치 제어기(48)는 스위치(S9)를 폐쇄하였고, 그 결과 차량 전기 시스템(12d)은 배터리(14d)에 연결되고, 모터(20)의 각각의 스트링들이 배터리(14d)로부터 절연되도록 스위치들(S1, S2)이 개방된다. 스위치들(S3, S5, S6, S7)은 단자("+")가 배터리(14d)의 스트링들(u, v, w)에 전기적으로 연결되도록 스위칭된다. 이를 위해, 스위치(S3)는 단자("+")가 커플링 라인에 연결되도록 스위칭된다. 스위치들(S5, S6, S7)은 배터리(14d)의 각각의 스트링들(u, v, w)도 마찬가지로 커플링 라인(39)에 연결되도록 스위칭된다(도 11 참조). 이로써, 전류는 단자("+")로부터 스위치(S3), 커플링 라인(39), 및 스위치들(S5, S6, S7)을 통해 배터리(14d)의 각각의 스트링들(u, v, w)로 흘러서 배터리(14d)를 충전할 수 있다. 스위치(S4)는, 단자("-")가 차량 전기 시스템(12d)의 음극에 연결되도록 스위칭되고, 그 결과 회로는 폐쇄된다. 이 구성에서, 이제 배터리(14d)는 직류를 통해 충전될 수 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 3개의 에너지 저장 스트링들을 구비한 에너지 저장부를 충전하는 방법으로서 - 상기 에너지 저장 스트링들의 각각은 복수의 에너지 저장 모듈들을 갖고, 상기 에너지 저장 모듈들의 각각은 에너지를 공급받아 저장할 수 있는 적어도 하나의 에너지 저장 소자를 갖고, 상기 에너지 저장 스트링들은 적어도 하나의 중성점에 연결되고, 상기 에너지 저장부는 적어도 2개의 스위칭 소자들을 추가적으로 갖고, 상기 에너지 저장부는 전기 기계에 전기적으로 연결됨 -,
    충전 전압을 제공하는 에너지원에 상기 에너지 저장부의 상기 중성점을 연결시키는 단계;
    상기 에너지 저장 스트링들 중 적어도 하나의 상기 각각의 에너지 저장 모듈들이 각각 서로 병렬로 또는 직렬로 연결되도록 그리고/또는 상기 에너지 저장 스트링들 중 적어도 하나의 상기 에너지 저장 모듈들 중 적어도 하나가 바이패스되도록, 상기 에너지원이 DC 전압원 또는 AC 전압원인지에 따라 상기 적어도 2개의 스위칭 소자들을 작동시키는 단계;
    상기 에너지원의 출력 단자를 상기 에너지 저장부의 상기 중성점에서의 입력 단자에 직접 전기적으로 연결하는 단계; 및
    상기 에너지 저장부의 상기 중성점을 통해 상기 에너지원으로부터 상기 에너지 저장부로 제공되는 상기 충전 전압으로 상기 에너지 저장 모듈들을 충전하는 단계
    를 포함하는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장부는 AC 배터리인, 에너지 저장부의 충전 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 각각의 에너지 저장 모듈들은, 각각의 에너지 저장 스트링 내에서 상기 에너지 저장 모듈들의 스위칭 소자들의 상응하는 스위칭을 통해 서로 각각 직렬로 또는 각각 병렬로, 또는 적어도 일부는 서로 직렬로 그리고 일부는 병렬로 연결되는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 2개의 에너지 저장 스트링들이 서로 직렬로 연결되는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  5. 제3항에 있어서, 적어도 3개의 에너지 저장 스트링들이 서로 병렬로 연결되는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 에너지 저장 모듈들은 단상 또는 3상 방식으로 충전되는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장부로부터 상기 에너지원까지의 전기 연결부의 회귀선이 상기 에너지 저장부의 중성점을 통해 연결되는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 에너지원은 AC 전압원이고,
    상기 방법은, 상기 에너지원이 상기 에너지 저장부로부터 갈바닉 절연되거나, 대안적으로 갈바닉 절연되지 않도록 상기 적어도 2개의 스위칭 소자들을 선택적으로 작동시키는 단계를 더 포함하는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 에너지원의 출력 단자가 상기 전기 기계의 연결부에 전기적으로 연결되는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  11. 충전 전압을 제공하는 에너지원에 연결 가능한 장치로서 - 상기 장치는 전기 기계에 전기적으로 연결됨 -,
    적어도 3개의 에너지 저장 스트링들을 구비하는 에너지 저장부 - 상기 에너지 저장 스트링들의 각각은 복수의 에너지 저장 모듈들을 가지며, 상기 에너지 저장 모듈들의 각각은 상기 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 저장하도록 설계된 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 가짐 - ;
    적어도 2개의 스위칭 소자들 - 상기 적어도 2개의 스위칭 소자들은 상기 에너지원이 DC 전압원 및/또는 AC 전압원을 포함하는지에 따라 작동가능하고, 상기 에너지 저장 스트링들의 상기 각각의 에너지 저장 모듈들이 각각 서로 병렬로 및/또는 직렬로 연결되게 하고, 그리고/또는 적어도 하나의 에너지 저장 스트링의 적어도 하나의 에너지 저장 모듈이 바이패스되게 하도록, 상기 스위칭 소자들의 스위칭을 통해 상기 에너지 저장부가 상기 에너지원에 적응됨 - ; 및
    중성점을 포함하고,
    상기 에너지 저장 모듈들이 상기 에너지 저장부의 상기 중성점을 통해 충전되도록, 상기 중성점은 상기 에너지 저장 스트링들의 각각에 연결되고 상기 에너지원에 연결 가능하고, 상기 에너지원의 출력 단자는 상기 에너지 저장부의 상기 중성점에서의 입력 단자에 직접 전기적으로 연결되는, 충전 전압을 제공하는 에너지원에 연결 가능한 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 에너지원은 상기 충전 전압을 제공하기 위해 상기 중성점의 단자에 직접 연결되는, 충전 전압을 제공하는 에너지원에 연결 가능한 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 각각의 에너지 저장 모듈들은, 각각의 에너지 저장 스트링 내에서 상기 에너지 저장 모듈들의 스위칭 소자들의 상응하는 스위칭을 통해 서로 각각 직렬로 또는 각각 병렬로, 또는 적어도 일부는 서로 직렬로 그리고 일부는 병렬로 연결되는, 충전 전압을 제공하는 에너지원에 연결 가능한 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 에너지 저장 스트링들 중 적어도 2개가 서로 직렬로 연결되는, 충전 전압을 제공하는 에너지원에 연결 가능한 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 적어도 3개의 에너지 저장 스트링들은 서로 병렬로 연결되는, 충전 전압을 제공하는 에너지원에 연결 가능한 장치.
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