KR20130036370A

KR20130036370A - 전기 에너지를 출력하기 위한 다상 에너지 변환기

Info

Publication number: KR20130036370A
Application number: KR1020137005398A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 부츠만; 홀거 핑크
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-04-11
Also published as: CN103053107B; DE102010038866A1; EP2601736A1; CN103053107A; JP5698356B2; JP2013541926A; WO2012016734A1; EP2601736B1; US20130293169A1; KR101486896B1

Abstract

본 발명은 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기가 제시된다. 상기 에너지 변환기는 다수의 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)을 구비한다. 각각의 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)은 적어도 하나의 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2) 및 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)을 구비하며, 상기 제1 변환기 셀 모듈 및 제2 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)은 각각 적어도 하나의 변환기 셀(11) 및 커플링 유닛(30, 50)을 포함한다. 상기 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)의 상기 적어도 하나의 변환기 셀(11)은 상기 커플링 유닛(30, 50)의 제1 입력부(31, 51)와 제2 입력부(32, 52) 사이에 접속되어 있으며, 상기 커플링 유닛(30, 50)은 제1 제어 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 변환기 셀(11)을 상기 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)의 제1 단자(41, 61)와 상기 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)의 제2 단자(42, 62) 사이에 접속하고, 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제1 단자(41, 61)를 상기 제2 단자(42, 62)에 접속하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 상기 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)의 상기 적어도 하나의 변환기 셀(11)은 상기 각각의 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)의 상기 커플링 유닛(30, 50)의 제1 입력부(31, 51)와 제2 입력부(32, 52) 사이에 제1 극성으로 접속되고, 상기 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)의 상기 적어도 하나의 변환기 셀(11)은 상기 각각의 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)의 상기 커플링 유닛(30, 50)의 제1 입력부(31, 51)와 제2 입력부(32, 52) 사이에 상기 제1 극성과 반대인 제2 극성으로 접속된다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 에너지 변환기를 구비한 자동차, 및 전기 구동 시스템에 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

전기 에너지를 출력하기 위한 다상 에너지 변환기{Polyphase energy converter for outputting electrical energy}

본 발명은 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기, 상기 에너지 변환기를 구비한 자동차, 및 전기 구동 시스템에 전력을 공급하기 위한 방법에 관한 것이다.

미래에는 고정식 적용 분야들(stationary applications)에서뿐만 아니라 하이브리드 및 전기 자동차와 같은 차량들에서도 배터리 시스템의 사용이 증가할 것이라는 사실은 명백해지고 있다. 특정 적용 분야의 전압 및 이용 가능한 파워에 관한 요구 조건들을 충족시킬 수 있기 위하여, 다수의 배터리 셀이 직렬로 접속된다. 이와 같은 배터리에 의해서 공급되는 전류는 모든 배터리 셀을 통해 흘러가야만 하고, 하나의 배터리 셀은 단지 제한된 전류만을 흘려 보낼 수밖에 없기 때문에, 최대 전류를 높이기 위하여 추가의 배터리 셀이 병렬로 접속되는 경우가 종종 있다. 이것은 하나의 배터리 셀 하우징 내부에 다수의 셀 권선(cell winding)을 제공하거나, 배터리 셀들을 외부에서 상호 접속함으로써 달성될 수 있다.

예를 들어 하이브리드 및 전기 자동차에 사용되거나 또는 예컨대 풍력 설비의 회전자 블레이드(rotor blade)를 조정할 때와 같은 고정식 적용 분야에도 사용되는 것과 같은 통상적인 전기 구동 시스템의 기본 회로도는 도 1에 도시되어 있다. 배터리(110)는 커패시터(111)에 의해서 완충되는 직류 전압 중간 회로에 접속되어 있다. 상기 직류 전압 중간 회로에는 펄스 변환 장치(112)가 접속되어 있으며, 상기 펄스 변환 장치는 각각 두 개의 스위칭 가능한 반도체 밸브 및 두 개의 다이오드를 통하여 전기 구동 모터(113)를 작동시키기 위해 상호 위상 변위된 사인파형의 전압을 세 개의 출력부에 공급한다. 상기 커패시터(111)의 용량은 상기 스위칭 가능한 반도체 밸브들 중에 하나의 반도체 밸브가 도통 접속되는 기간 동안 상기 직류 전압 중간 회로 내부의 전압을 안정화시킬 정도로 커야만 한다. 전기 자동차와 같은 한 가지 실질적인 적용 예에서는 mF 범위 안에 있는 높은 용량이 얻어진다. 통상적으로는 상기 직류 전압 중간 회로의 전압이 상당히 높기 때문에, 상기와 같이 큰 용량은 많은 비용을 들이고 높은 용적에 의해서만 구현될 수 있다.

도 2는 도 1의 배터리(110)를 상세한 블록 회로도로 보여주고 있다. 특정 적용 분야의 바람직한 높은 출력 전압 및 배터리 용량에 도달하기 위하여, 다수의 배터리 셀이 직렬로 그리고 선택적으로는 추가로 병렬로 접속된다. 상기 배터리 셀의 플러스(+) 극과 양의 배터리 단자(114) 사이에는 충전 및 분리 장치(116)가 접속된다. 선택적으로는 상기 배터리 셀의 마이너스(-) 극과 음의 배터리 단자(115) 사이에 분리 장치(117)가 추가로 접속될 수 있다. 상기 충전 및 분리 장치(116) 및 상기 분리 장치(117)는 접촉기(contactor)(118 및 119)를 각각 하나씩 포함하며, 상기 접촉기들은 배터리 단자들을 0 전위(zero potential) 상태에서 스위칭하기 위하여 배터리 셀을 배터리 단자로부터 분리할 목적으로 제공된다. 다른 경우에는 상기 직렬 접속된 배터리 셀의 높은 직류 전압으로 인해 관리자와 같은 사람들이 위험에 처할 수 있는 가능성이 상당히 잠재되어 있다. 상기 충전 및 분리 장치(116) 내부에는 충전 접촉기(120)에 대하여 직렬로 접속된 충전 저항(121)을 갖춘 충전 접촉기(120)가 추가로 제공된다. 상기 충전 저항(121)은 배터리가 직류 전압 중간 회로에 접속되는 경우에 커패시터(111)의 충전 전류를 제한한다. 이 목적을 위해서는 제일 먼저 접촉기(118)가 개방된 상태로 유지되고, 단지 충전 접촉기(120)만 단락된다. 양의 배터리 단자(114)에서 전압이 배터리 셀의 전압에 도달하면, 접촉기(119)가 단락될 수 있고, 경우에 따라서는 상기 충전 접촉기(120)가 개방될 수 있다. 상기 접촉기(118, 119) 및 상기 충전 접촉기(120)는 배터리(110) 비용을 사소하지 않은 정도로 상승시키는데, 그 이유는 상기 배터리의 신뢰성과 상기 접촉기들에 의해서 가이드 될 전류에 대하여 높은 요구 조건들이 제기되기 때문이다.

본 문서에서 통상적인 전기 화학식 에너지 변환기로서 배터리 및 배터리 셀이 언급되고 있는 한, 전기 에너지를 출력할 수 있는 다른 종류의 에너지 변환기 또는 변환기 셀도 동시에 언급될 수 있다. 상기 에너지 변환기는 특히 태양 전지와 같은 태양 광 발전(photovoltaic) 에너지 변환기를 포함한다.

본 발명의 과제는, 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 상기 에너지 변환기가 다수의 변환기 섹션을 구비하고, 각각의 변환기 섹션이 적어도 하나의 제1 변환기 셀 모듈 및 제2 변환기 셀 모듈을 포함함으로써 해결된다. 상기 제1 변환기 셀 모듈 및 상기 제2 변환기 셀 모듈은 각각 적어도 하나의 변환기 셀 및 커플링 유닛을 포함한다. 상기 변환기 셀 모듈의 적어도 하나의 변환기 셀은 상기 커플링 유닛의 제1 입력부와 제2 입력부 사이에 접속되고, 상기 커플링 유닛은 제1 제어 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 변환기 셀이 상기 변환기 셀 모듈의 제1 단자와 상기 변환기 셀 모듈의 제2 단자 사이에 접속되고, 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제1 단자가 상기 제2 단자에 접속되도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 상기 제1 변환기 셀 모듈의 적어도 하나의 변환기 셀은 상기 각각의 제1 변환기 셀 모듈의 커플링 유닛의 제1 입력부와 제2 입력부 사이에 제1 극성으로 접속되고, 상기 제2 변환기 셀 모듈의 적어도 하나의 변환기 셀은 상기 각각의 제2 변환기 셀 모듈의 커플링 유닛의 제1 입력부와 제2 입력부 사이에 상기 제1 극성과 반대인 제2 극성으로 접속된다.

상기 커플링 유닛은 상기 제1 입력부와 상기 제2 입력부 사이에 접속된 적어도 하나의 변환기 셀이 상기 커플링 유닛의 제1 출력부 및 제2 출력부에 결합되어 상기 변환기 셀들의 전압을 외부에서 이용할 수 있도록 하거나, 상기 변환기 셀들이 제2 출력부와 제1 출력부의 결합에 의해 접속됨으로써 결과적으로 외부에서 0 V의 전압을 볼 수 있도록 해준다.

직렬 접속된 변환기 셀 모듈들의 커플링 유닛들을 상기와 같은 방식으로 적합하게 트리거링 하면, 상응하는 개수의 변환기 셀 모듈이 간단히 활성화(상기 커플링 유닛의 출력부에서 상기 변환기 셀의 전압을 볼 수 있게)되거나 또는 비활성화(상기 커플링 유닛의 출력 전압이 0 V가)됨으로써, 상기 에너지 변환기의 가변적인 출력 전압을 설정할 수 있게 된다. 상기 에너지 변환기 내부에 제1 극성을 갖는 변환기 셀 모듈 및 상기 제1 극성과 반대인 제2 극성을 갖는 변환기 셀 모듈이 제공됨으로써, 상기 에너지 변환기가 양극성의 출력 전압을 발생시키는 것이 가능해진다.

본 발명은 선행 기술에 따른 펄스 변환 장치의 기능을 에너지 변환기가 담당할 수 있다는 장점과 직류 전압 중간 회로를 완충시키기 위한 완충 커패시터가 필요 없어서 절약이 이루어질 수 있다는 장점을 제공한다. 그렇기 때문에 본 발명에 따른 에너지 변환기는 전기 구동 시스템에 직접 접속될 수 있다.

극단의 경우에, 각각의 변환기 셀 모듈은 단 하나의 변환기 셀만을 구비하거나 또는 오로지 변환기 셀로 구성된 병렬 회로만을 구비한다. 이 경우에 상기 에너지 변환기의 출력 전압은 가장 정밀하게 설정될 수 있다. 이 경우에, 본 발명의 틀 안에서 일반적으로 선호되는 바와 같이, 2.5 내지 4.2 V의 셀 전압을 갖는 리튬-이온-배터리 셀이 변환기 셀로서 사용되면, 상기 배터리의 출력 전압은 상응하게 정확하게 설정될 수 있다. 배터리의 출력 전압이 더 정확하게 설정될 수 있을수록, 전자기적인 양립성(compatibility)의 문제점은 그만큼 더 작아지는데, 그 이유는 배터리 전류에 의해서 야기되는 송출이 상기 배터리 전류의 고주파 성분에 의해서 저하되기 때문이다. 하지만, 상기와 같은 상황은 사용된 다수의 스위치로 인해 커플링 유닛의 스위치 내부에서의 파워 손실까지도 증가시키는 회로 비용의 상응이라는 문제점과 마주치게 된다.

바람직하게 상기 에너지 변환기는, 제1 기간 동안에 제1 제어 신호가 적어도 하나의 제1 변환기 셀 모듈로 출력되고 제2 제어 신호가 적어도 하나의 제2 변환기 셀 모듈로 출력되도록 구성되는 제어 유닛을 구비한다. 상기 제어 유닛은 또한, 상기 제1 기간에 후속하는 제2 기간에는 제2 제어 신호가 적어도 하나의 제1 변환기 셀 모듈로 출력되고 제1 제어 신호가 적어도 하나의 제2 변환기 셀 모듈로 출력되고, 상기 에너지 변환기의 출력 전압이 제1 기간 동안에는 제1 극성 부호로 설정되고 제2 기간 동안에는 상기 제1 극성 부호와 반대인 제2 극성 부호로 설정되도록 구성된다.

상기 제어 유닛이 에너지 변환기 내부에 집적되면, 상기 에너지 변환기는 자율적으로 기능을 할 수 있고, 극성 부호가 교체되는 출력 전압을 발생할 수 있다.

상기 에너지 변환기의 각각의 변환기 섹션은 특히 바람직하게 다수의 제1 변환기 셀 모듈 및 다수의 제2 변환기 셀 모듈을 구비한다. 이 경우, 상기 제어 유닛은 사인파형의 출력 전압을 설정하도록 구성될 수 있다. 사인파형의 출력 전압은 교류 전압 망에서의 작동을 위해 설계된 소자들이 직접 접속될 수 있도록 해준다. 이와 관련해서 "사인파형의"라는 표현은 가급적 적은 에러를 갖는 사인파형에 근사시키는 계단 모양의 신호로도 이해될 수 있다. 이 경우에는 에너지 변환기 내부에 있는 제1 및 제2 변환기 셀 모듈의 개수가 증가하면 증가할수록, 출력 전압의 진폭과 관련된 계단들은 그만큼 더 작게 발생하게 된다.

바람직하게 상기 제어 유닛은 미리 결정된 주파수를 갖는 사인파형의 출력 전압을 설정하도록 구성된다. 그럼으로써, 공급 전압 주파수에 의존하는 상기 에너지 변환기에 접속된 시스템의 파라미터들은 사전에 결정될 수 있다. 또한, 상기 에너지 변환기의 출력 전압을 에너지 공급 망의 전압과 동기화시키는 조절 시스템 내부에 상기와 같은 에너지 변환기를 편입시키는 것도 간단하게 가능해진다.

특히 바람직하게 상기 제어 유닛은 상기 각각의 변환기 섹션을 위해서 사인파형의 출력 전압을 설정하도록 구성되며, 상기 사인파형의 출력 전압은 각각 다른 변환기 섹션의 사인파형의 출력 전압에 대하여 위상 변위된 것이다. 상기 위상 변위된 출력 전압으로 인해, 에너지 변환기는 전기 구동 시스템 또는 소위 3상 전류를 기대하는 그와 같은 장치에 직접적으로 접속될 수 있다. 그렇기 때문에 정확하게 세 개의 변환기 섹션을 구비하는 에너지 변환기의 한 가지 실시 예도 특히 바람직하다.

상기 커플링 유닛은 제1 출력부를 구비할 수 있고, 제1 제어 신호에 응답하여 제1 입력부 또는 제2 입력부를 상기 출력부에 접속하도록 형성될 수 있다. 이때 상기 출력부는 변환기 셀 모듈의 단자들 중에 하나의 단자에 접속되고, 제1 입력부와 제2 입력부 중에 하나의 입력부는 상기 변환기 셀 모듈의 단자들 중에 다른 단자에 접속된다. 이와 같은 커플링 유닛은 단 두 개의 스위치만을 삽입해서, 바람직하게는 MOSFET 또는 IGBT와 같은 반도체 스위치를 삽입해서 구현될 수 있다.

대안적으로 상기 커플링 유닛은 제1 출력부 및 제2 출력부를 구비할 수 있고, 제1 제어 신호에 응답하여 제1 입력부를 제1 출력부에 접속하고 제2 입력부를 제2 출력부에 접속하도록 구성될 수 있다. 이 경우에 상기 커플링 유닛은 제2 제어 신호에 응답하여 제1 입력부를 제1 출력부로부터 분리하고 제2 입력부를 제2 출력부로부터 분리하고 제1 출력부를 제2 출력부에 접속하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 실시 예는 약간 더 높은 회로 비용(통상적으로 세 개의 스위치)을 필요로 하지만, 상기 변환기 셀 모듈의 변환기 셀들을 상기 변환기 셀 모듈의 두 개의 극으로부터 분리시킨다. 이와 같은 사실은, 한 변환기 셀 모듈이 손상되는 경우에 상기 변환기 셀 모듈의 변환기 셀들이 0 전위 상태에서 접속되어 전체 장치의 작동이 지속적으로 이루어지는 동안에 아무런 위험 없이 교체될 수 있다는 장점을 제공해준다.

본 발명의 제2 양상은 자동차를 구동시키기 위한 전기식 구동 모터 그리고 상기 전기식 구동 모터에 접속된 본 발명의 제1 양상에 따른 에너지 변환기를 구비한 자동차와 관련이 있다.

본 발명의 제3 양상은 전기식 구동 시스템에 전력을 공급하기 위한 방법을 제시한다. 상기 방법은 적어도 다음과 같은 단계들을 포함한다:

a) 본 발명의 제1 양상에 따른 에너지 변환기를 제공하는 단계;

b) 상기 에너지 변환기를 전기식 구동 시스템에 접속하는 단계; 그리고

c) 상기 에너지 변환기의 출력 전압을 제1 기간 동안에는 제1 극성 부호로 설정하고, 제2 기간 동안에는 상기 제1 극성 부호와 반대인 제2 극성 부호로 설정하는 단계.

본 발명은 선행 기술에 따른 펄스 변환 장치의 기능을 에너지 변환기가 담당할 수 있다는 장점과 직류 전압 중간 회로를 완충시키기 위한 완충 커패시터가 필요 없어서 절약이 이루어질 수 있다는 장점을 제공한다.

본 발명의 실시 예들은 도면들 그리고 그 이하에 기술된 도면들에 대한 설명을 참조하여 상세하게 설명되며, 이 경우 동일한 도면 부호들은 동일하거나 또는 기능적으로 동일한 유형의 소자들을 나타낸다.
도 1은 종래 기술에 따른 전기식 구동 시스템에 대한 개략도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 배터리의 블록 회로도이며,
도 3은 본 발명에 따른 에너지 변환기에 사용하기 위한 커플링 유닛의 제1 실시 예이고,
도 4는 상기 커플링 유닛의 제1 실시 예에 대한 회로 기술적으로 가능한 한 가지 변형 예이며,
도 5 및 도 6은 상기 커플링 유닛의 제1 실시 예를 갖는 변환기 셀 모듈의 두 가지 실시 예이고,
도 7은 본 발명에 따른 에너지 변환기에 사용하기 위한 커플링 유닛의 제2 실시 예이며,
도 8은 상기 커플링 유닛의 제2 실시 예에 대한 회로 기술적으로 가능한 한 가지 변형 예이고,
도 9는 상기 커플링 유닛의 제2 실시 예를 갖는 변환기 셀 모듈의 한 가지 실시 예이며,
도 10 내지 도 13은 본 발명에 따른 에너지 변환기의 한 변환기 섹션의 실시 예들이고,
도 14는 본 발명에 따른 에너지 변환기의 한 가지 실시 예이며,
도 15는 본 발명에 따른 에너지 변환기의 출력 전압을 시간에 따라 도시한 파형도이다.

도 3은 본 발명에 따른 에너지 변환기에 사용하기 위한 커플링 유닛(30)의 제1 실시 예를 보여주고 있다. 상기 커플링 유닛(30)은 두 개의 입력부(31 및 32) 및 하나의 출력부(33)를 구비하고, 상기 입력부들 중에 하나의 입력부(31 또는 32)를 상기 출력부(33)에 접속하고 다른 입력부를 분리하도록 구성된다.

도 4는 커플링 유닛(30)의 제1 실시 예에 대한 회로 기술적으로 가능한 한 가지 변형 예를 보여주고 있으며, 이와 같은 변형 예에서는 제1 및 제2 스위치(35 및 36)가 제공된다. 각각의 스위치(35, 36)는 입력부들 중에 하나의 입력부(31 또는 32)와 출력부(33) 사이에 접속된다. 본 실시 예는 두 개의 입력부(31, 32)가 상기 출력부(33)로부터 분리될 수도 있으며, 결과적으로 상기 출력부(33)가 하이-임피던스(high-impedance) 상태로 된다는 장점을 제공하며, 이와 같은 장점은 예를 들어 수선 또는 관리의 경우에 유용할 수 있다. 또한, 상기 스위치(35, 36)는 간단하게 예컨대 MOSFET 또는 IGBT와 같은 반도체 스위치로서 실현될 수도 있다. 반도체 스위치들이 유리한 가격 및 높은 스위칭 속도라는 장점을 가짐으로써, 결과적으로 상기 커플링 유닛(30)은 짧은 시간 안에 제어 신호에 대하여 또는 상기 제어 신호의 변동에 대하여 반응을 할 수 있게 되고, 높은 전환율(switching rates)에 도달할 수 있게 된다. 하지만, 최대 직류 전압과 최소 직류 전압 사이에서 마크-스페이스 비율을 상응하게 선택(펄스 폭 변조)함으로써 원하는 전압 파형을 발생시키는 통상적인 펄스 변환 장치에 대하여, 본 발명은 커플링 유닛 내부에 삽입된 스위치의 스위칭 주파수가 훨씬 더 낮음으로써 결과적으로 전자기적인 양립성(EMV)은 개선되고 스위치에 대해서는 상대적으로 더 적은 요구 조건들이 제시될 수 있다는 장점을 갖는다.

도 5 및 도 6은 커플링 유닛(30)의 제1 실시 예를 갖는 변환기 셀 모듈(40)의 두 가지 실시 예를 보여주고 있다. 본 실시 예에서 전기 화학적인 배터리 셀로서 구현된 다수의 변환 셀(11)은 상기 커플링 유닛(30)의 입력부들 사이에 직렬로 접속된다. 배터리 셀 대신에 예를 들어 태양 전지도 변환기 셀로서 사용될 수 있다.

하지만, 본 발명은 각 도면들에 도시된 바와 같은 변환기 셀(11)의 직렬 접속에 한정되지 않으며, 오히려 그와 달리 단 하나의 변환기 셀(11)만 제공될 수도 있거나, 또는 변환기 셀(11)의 병렬 접속 혹은 직렬-병렬-혼합 접속도 가능하다. 도 5의 예에서 상기 커플링 유닛(30)의 출력부는 제1 단자(41)에 접속되고, 상기 변환기 셀(11)의 음극은 제2 단자(42)에 접속되어 있다. 하지만, 도 6에 도시된 바와 같은 거의 반사 대칭의 배열 상태도 가능한데, 이와 같은 반사 대칭의 배열 상태에서는 상기 변환기 셀(11)의 양극이 제1 단자(41)에 접속되고, 커플링 유닛(30)의 출력부가 제2 단자(42)에 접속된다.

도 7은 본 발명에 따른 에너지 변환기에 사용하기 위한 커플링 유닛(50)의 제2 실시 예를 보여주고 있다. 상기 커플링 유닛(50)은 두 개의 입력부(51 및 52) 그리고 두 개의 출력부(53 및 54)를 구비한다. 상기 커플링 유닛은, 제1 입력부(51)를 제1 출력부(53)에 접속하고 제2 입력부(52)를 제2 출력부(54)에 접속하도록 (그리고 제1 출력부(53)를 제2 출력부(54)로부터 분리하도록) 또는 제1 출력부(53)를 제2 출력부(54)에 접속하도록 (그리고 그와 동시에 입력부(51 및 52)를 분리하도록) 구성된다. 커플링 유닛의 특정 실시 예들에서 상기 커플링 유닛은 또한, 두 개의 입력부(51, 52)를 출력부(53, 54)로부터 분리하고 제1 출력부(53)를 제2 출력부(54)로부터 분리하고 제1 출력부(53)를 제2 출력부(54)로부터 분리하도록 구성될 수 있다. 하지만, 제1 입력부(51)를 제2 입력부(52)에 접속하는 상황은 제시되지 않았다.

도 8은 커플링 유닛(50)의 제2 실시 예에 대한 회로 기술적으로 가능한 한 가지 변형 예를 보여주고 있으며, 이와 같은 변형 예에서는 제1, 제2 및 제3 스위치(55, 56 및 57)가 제공된다. 상기 제1 스위치(55)는 제1 입력부(51)와 제1 출력부(53) 사이에 접속되고, 상기 제2 스위치(56)는 제2 입력부(52)와 제2 출력부(54) 사이에 접속되며, 상기 제3 스위치(57)는 제1 출력부(53)와 제2 출력부(54) 사이에 접속된다. 본 실시 예도 마찬가지로 상기 스위치(55, 56 및 57)가 간단하게 예컨대 MOSFET 또는 IGBT와 같은 반도체 스위치로서 실현될 수 있다는 장점을 제공해준다. 반도체 스위치들이 유리한 가격 및 높은 스위칭 속도라는 장점을 가짐으로써, 결과적으로 상기 커플링 유닛(50)은 짧은 시간 안에 제어 신호에 대하여 또는 상기 제어 신호의 변동에 대하여 반응을 할 수 있게 되고, 높은 전환율에 도달할 수 있게 된다.

도 9는 커플링 유닛(50)의 제2 실시 예를 갖는 변환기 셀 모듈(60)의 한 가지 실시 예를 보여주고 있다. 재차 일반성의 제한 없이 배터리 셀로서 구현된 다수의 변환기 셀(11)이 커플링 유닛(50)의 입력부들 사이에 직렬로 접속된다. 이와 같은 변환기 셀 모듈(60)의 실시 예도 변환기 셀(11)의 직렬 접속에 한정되지 않으며, 재차 단 하나의 변환기 셀(11)만 제공될 수도 있거나, 또는 변환기 셀(11)의 병렬 접속 혹은 직렬-병렬-혼합 접속도 가능하다. 상기 커플링 유닛(50)의 제1 출력부는 제1 단자(61)에 접속되고, 상기 커플링 유닛(50)의 제2 출력부는 제2 단자(62)에 접속된다. 상기 변환기 셀 모듈(60)은 도 5 및 도 6에 따른 변환기 셀 모듈(40)에 대하여, 상기 변환기 셀(11)이 커플링 유닛(50)에 의하여 나머지 에너지 변환기로부터 양측에서 분리될 수 있다는 장점을 제공해주며, 이와 같은 장점에 의해서는 작동이 진행되는 도중에 아무런 위험 없이 교체가 이루어질 수 있는데, 그 이유는 상기 변환기 셀(11)의 어떤 극에도 상기 에너지 변환기의 나머지 변환기 셀 모듈의 위험할 정도로 높은 총 전압이 인가되지 않기 때문이다.

도 10 내지 도 13은 본 발명에 따른 에너지 변환기의 한 변환기 섹션의 실시 예들을 보여주고 있다. 상기 실시 예들의 공통점은, 각각의 변환기 섹션이 각각 제1 극성을 갖는 두 개의 변환기 셀 모듈(70-1 및 70-2), 및 상기 제1 극성과 반대인 제2 극성을 갖는 두 개의 변환기 셀 모듈(80-1 및 80-2)을 구비한다는 것이다. 한 편으로 상기 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2) 그리고 다른 한 편으로 상기 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)은 내부에서는 동일하게 구성될 수 있지만, 외부에서는 반대 방향으로 접속되어 있다. 본 발명에 따른 에너지 변환기의 변환기 섹션은 당연히 상기 두 가지 극성 중에 각각의 극성을 갖는 단 하나의 변환기 셀 모듈로 구성되거나, 각각 두 개보다 많은 개수의 변환기 셀 모듈로 구성될 수도 있다. 하지만, 각각의 극성마다 동일하게 네 개의 변환기 셀 모듈이 제공되는 경우가 바람직하다.

도 10에서는 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2, 80-1 및 80-2)이 상기 변환기 섹션의 출력 단자(81)와 기준 전위(통상적으로는 접지) 사이에 직렬로 접속되어 있으며, 이 경우 상기 변환기 셀 모듈들은 제1 극성의 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)을 갖춘 하나의 서브-브랜치(sub-branch)와 제2 극성의 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)을 갖춘 하나의 서브-브랜치가 재차 직렬로 접속되도록 접속된다. 하지만, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 극성의 각각 하나의 변환기 셀 모듈(70-1 또는 70-2)과 제2 극성의 각각 하나의 변환기 셀 모듈(80-1 또는 80-2)이 하나의 서브-브랜치로 상호 접속되고, 이와 같은 방식으로 혼합된 다수의 서브-브랜치를 직렬로 접속하는 것도 가능하다. 하지만, 기본적으로는 도 12에 예로 도시된 바와 같이 변환기 셀 모듈들이 자체 극성과 무관하게 임의의 순서로 배열되는 것도 가능하다. 하지만, 모든 변환기 셀 모듈을 변환기 섹션 내부에서 반드시 직렬로 접속할 필요는 없다. 도 13은 제1 극성의 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)이 하나의 제1 서브-브랜치로 상호 접속되고, 제2 극성의 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)이 하나의 제2 서브-브랜치로 상호 접속되며, 상기 두 개의 서브-브랜치가 출력 단자(81)와 기준 전위 사이에 병렬로 접속되는 한 가지 실시 예를 보여주고 있다. 본 경우에 비-활성적인 서브-브랜치의 적어도 하나의 변환기 셀 모듈은, 상기 비-활성적인 서브-브랜치를 통해 다른 서브-브랜치의 활성적인 변환기 셀 모듈을 단락시키지 않기 위하여 하이-임피던스 상태로 전환된다. 이와 같은 상황이 의미하는 바는, 도 13의 실시 예를 위해서는 도 8 또는 도 9에 따른 커플링 유닛(50)의 제2 실시 예를 갖는 적어도 하나의 변환기 셀 모듈(60)이 각각의 서브-브랜치 내부에 제공될 수 있다는 것이다.

안전과 관련된 규정들이 요구하는 경우에, 상기 변환기 섹션은 도 2에 제공된 바와 같은 충전 및 분리 장치 또는 분리 장치를 추가로 구비할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 이와 같은 분리 장치들이 반드시 필요치 않은데, 그 이유는 변환기 셀(11)을 상기 에너지 변환기의 단자들로부터 분리시키는 과정이 상기 변환기 셀 모듈 내부에 포함된 커플링 유닛들에 의해서 이루어질 수 있기 때문이다.

도 14는 본 발명에 따른 에너지 변환기의 한 가지 실시 예에 따른 구동 시스템을 보여주고 있다. 도시된 실시 예에서 상기 에너지 변환기는 세 개의 변환기 섹션(90-1, 90-2 및 90-3)을 구비하고, 상기 변환기들 각각은 구동 모터(13)의 한 입력부에 직접 접속된다. 이용 가능한 대부분의 전동기들이 세 가지 위상 신호로 실행되는 작동에 맞추어 설계되었기 때문에, 본 발명에 따른 에너지 변환기는 바람직하게 정확하게 세 개의 변환기 섹션을 구비한다. 본 발명에 따른 에너지 변환기는 펄스 변환 장치의 기능이 에너지 변환기 내부에 이미 통합되어 있다는 추가의 장점을 갖는다. 상기 에너지 변환기의 제어 유닛이 한 변환기 섹션의 가변적인 개수의 변환기 셀 모듈(40 또는 60)을 활성화(또는 비-활성화)함으로써, 상기 변환기 섹션의 출력부에서는 상기 활성화된 변환기 셀 모듈(40 또는 60)의 개수에 비례하는 전압, 즉 0 V와 상기 변환기 섹션의 완전한 출력 전압 사이의 범위에 속할 수 있는 전압을 이용할 수 있다.

도 15는 본 발명에 따른 에너지 변환기의 한 가지 변형 실시 예에 따른, 출력 전압을 시간에 따라 예로 도시한 파형도를 보여주고 있다. 이때 상기 에너지 변환기의 출력 전압(V)은 시간(t) 위에 도시되어 있다. 도면 부호 (100-b, 101-b 및 102-b)에 의해서는 양의 절반 위상 및 음의 절반 위상을 갖고 상호 120 °만큼 위상 변위된 원하는(이상적인) 세 가지 사인파형이 하나의 예로서 적용할 목적으로 기재되어 있다. 상기 이상적인 사인파형(100-b, 101-b 및 102-b)은 본 발명에 따른 에너지 변환기의 각각 하나의 변환기 섹션에 의하여 불연속적인 값을 갖는 각각 하나의 전압 곡선(100-a, 101-a 및 102-a)으로 근사하게 발생된다. 상기 불연속적인 값을 갖는 전압 곡선(100-a, 101-a 및 102-a)과 상기 이상적인 곡선(100-b, 101-b 및 102-b) 간의 편차 크기는 배터리 모듈(40 또는 60) 내부에 직렬로 접속된 변환기 셀(11)의 개수와 상기 변환기 셀의 개별 셀 전압에 의존한다. 하나의 변환기 셀 내부에서 직렬로 접속된 변환기 셀(11)의 개수가 적을수록, 상기 불연속적인 값을 갖는 전압 곡선(100-a, 101-a 및 102-a)은 상기 이상적으로 형성된 곡선(100-b, 101-b 및 102-b)을 그만큼 더 정확하게 따를 수 있게 된다. 하지만, 통상적인 적용 예들에서는 상기와 같은 비교적 적은 편차가 전체 시스템의 기능에 악영향을 미치지 않는다. 추후에 후속하는 회로 소자들에 의해서 필터링 되어야만 하는 단지 2진법의 출력 전압만이 제공될 수 있는 종래의 펄스 변환 장치에 비해 상기 편차는 현저하게 줄어들었다. 상기 세 개의 변환기 섹션이 바람직하게는 각각 120°만큼 위상 변위된 출력 전압을 발생함으로써, 결과적으로 전기식 구동 시스템 등을 위해서는 3상 공급 전압이 제공된다.

Claims

전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기로서,
상기 에너지 변환기는 다수의 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)을 구비하고,
각각의 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)은 적어도 하나의 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2) 및 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)을 구비하며,
상기 제1 변환기 셀 모듈 및 제2 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)은 각각 적어도 하나의 변환기 셀(11) 및 커플링 유닛(30, 50)을 포함하며,
상기 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)의 적어도 하나의 변환기 셀(11)은 상기 커플링 유닛(30, 50)의 제1 입력부(31, 51)와 제2 입력부(32, 52) 사이에 접속되며,
상기 커플링 유닛(30, 50)은 제1 제어 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 변환기 셀(11)을 상기 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)의 제1 단자(41, 61)와 상기 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2; 80-1, 80-2)의 제2 단자(42, 62) 사이에 접속하고, 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제1 단자(41, 61)를 상기 제2 단자(42, 62)에 접속하도록 구성되고,
상기 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)의 적어도 하나의 변환기 셀(11)은 상기 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)의 커플링 유닛(30, 50)의 제1 입력부(31, 51)와 제2 입력부(32, 52) 사이에 제1 극성으로 접속되고,
상기 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)의 적어도 하나의 변환기 셀(11)은 상기 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)의 커플링 유닛(30, 50)의 제1 입력부(31, 51)와 제2 입력부(32, 52) 사이에 상기 제1 극성과 반대인 제2 극성으로 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
제1 항에 있어서,
제어 유닛을 더 포함하고,
상기 제어 유닛은, 제1 기간 동안에는 제1 제어 신호가 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)의 적어도 하나의 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)로 출력되고 제2 제어 신호가 상기 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)의 적어도 하나의 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)로 출력되도록 구성되고,
상기 제1 기간에 후속하는 제2 기간에는 상기 제2 제어 신호가 상기 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)의 적어도 하나의 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2)로 출력되고 상기 제1 제어 신호가 상기 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)의 적어도 하나의 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)로 출력되도록 구성되어,
상기 변환기 섹션의 출력 전압이 상기 제1 기간 동안에는 제1 극성 부호로 설정되고 상기 제2 기간 동안에는 상기 제1 극성 부호와 반대인 제2 극성 부호로 설정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
제2 항에 있어서,
각각의 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)은 다수의 제1 변환기 셀 모듈(70-1, 70-2) 및 다수의 제2 변환기 셀 모듈(80-1, 80-2)을 구비하고,
상기 제어 유닛은 각각의 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)에 대하여 사인파형의 출력 전압(100-a, 101-a, 102-a)을 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
제3 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 미리 결정된 주파수를 갖는 사인파형의 출력 전압을 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
제3 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 제어 유닛은 각각의 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)에 대하여 사인파형의 출력 전압(100-a, 101-a, 102-a)을 설정하도록 구성되고,
상기 출력 전압은 각각 다른 변환기 섹션(90-1, 90-2, 90-3)의 사인파형의 출력 전압에 대하여 위상 변위된 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커플링 유닛(30)은 제1 출력부(33)를 구비하고, 제1 제어 신호에 응답하여 상기 제1 입력부(31) 또는 상기 제2 입력부(32)를 상기 제1 출력부(33)에 접속하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커플링 유닛(50)은 제1 출력부(53) 및 제2 출력부(54)를 구비하고, 제1 제어 신호에 응답하여 상기 제1 입력부(51)를 상기 제1 출력부(53)에 접속하고 상기 제2 입력부(52)를 상기 제2 출력부(54)에 접속하도록 구성되고, 제2 제어 신호에 응답하여 상기 제1 입력부(51)를 상기 제1 출력부(53)로부터 분리하고 상기 제2 입력부(52)를 상기 제2 출력부(54)로부터 분리하고 상기 제1 출력부(53)를 상기 제2 출력부(54)에 접속하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변환기 셀(11)은 배터리 셀 또는 태양 전지인 것을 특징으로 하는 전기 에너지를 출력하기 위한 에너지 변환기.
자동차를 구동시키기 위한 전기식 구동 모터(113) 및 상기 전기식 구동 모터에 연결된 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 변환기를 구비하는 자동차.
전기 구동 시스템에 전력을 공급하기 위한 방법으로서,
상기 방법이
a) 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 변환기를 제공하는 단계;
b) 상기 에너지 변환기를 전기식 구동 시스템에 접속하는 단계; 및
c) 상기 에너지 변환기의 출력 전압을 제1 기간 동안에는 제1 극성 부호로 설정하고, 제2 기간 동안에는 상기 제1 극성 부호와 반대인 제2 극성 부호로 설정하는 단계를 포함하는 전기 구동 시스템에 전력을 공급하기 위한 방법.