KR20140053247A - 전기 드라이브의 부품을 사용하여 전기 드라이브의 배터리를 충전하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

전기 드라이브의 부품을 사용하여 전기 드라이브의 배터리를 충전하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배터리로 작동되는 전기 모터의 배터리를 위한 다단계 충전 장치에 관한 것이다. 다단계 충전 장치는 전원 접속부에 의해 제공된 (단상- 또는 3상) 교류로부터 적절한 충전 직류를 발생시키기 위해 벅 컨버터, 중간 회로 및 부스트 컨버터를 포함한다. 부스트 컨버터와 중간 회로에 전기 드라이브의 부품이 사용된다. 즉, 전기 모터는 중간 회로로서 작동하고 드라이브 컨버터는 부스트 컨버터로서 작동한다. 전력 공급망 측 벅 컨버터에 전기 모터의 접속은, 전기 드라이브의 적어도 3개의 코일들 중 적어도 하나의 코일을 통해 적어도 절반의 충전 전류가 흐르도록 이루어진다. 또한, 본 발명은 상응하는 방법 및 드라이브 부품의 상응하는 용도에 관한 것이다.

Description

전기 드라이브의 부품을 사용하여 전기 드라이브의 배터리를 충전하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CHARGING A BATTERY OF AN ELECTRICAL DRIVE USING COMPONENTS OF THE ELECTRICAL DRIVE}
본 발명은 전기 드라이브의 부품을 사용하여 전기 드라이브의 배터리를 충전하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
전기 드라이브는 대개 배터리 또는 축전지를 통해 에너지를 공급받는다. 이러한 배터리는 전형적으로 직류 전압을 제공하고, 상기 직류 전압은 전기 드라이브의 작동을 위해 대개 드라이브 컨버터 또는 DC/AC-컨버터에 의해 교류 전압으로 변환될 수 있다. 전기 드라이브는 전기 에너지를 예를 들어 회전 운동 등으로 변환한다.
이러한 배터리의 충전을 위해 대개 드라이브와 무관하고 전기 부품들에 의해 구현된 충전 장치가 사용된다. 전기 구동식 자동차에서 충전 장치는 흔히 자동차에 통합되므로, 자동차는 전기 커넥터 또는 이와 같은 것에 의해서만 전력 공급망에 접속되어야 한다. 대부분의 충전 전자장치는 예를 들어 자동차에 통합된다.
전력 공급망으로부터 교류 전압이 제공되는 경우에, 이러한 교류 전압은 충전 장치에 의해 배터리의 충전에 적합한 직류 전압으로 변환되어야 한다. 이러한 충전 장치를 구현하기 위해 대개 다단계 스위칭 구조들이 사용되고, 상기 구조는 예를 들어 전력 공급망 필터, 벅 컨버터, 중간 회로 및 부스트 컨버터를 포함할 수 있다.
간행물 WO 2010/103063 A1호에는 이와 관련해서 배터리 충전기의 구현 시 충전 장치를 위해 특별히 제공된 부스트 컨버터 대신 전기 드라이브의 드라이브 컨버터를 사용하고, 충전 장치를 위해 특별히 제공된 중간 저장 장치 대신 전기 모터의 인덕터를 사용하는 것이 개시되어 있다.
본 발명의 과제는 전기 드라이브의 전기 부재들을 사용한 저렴한 충전 장치 및 충전 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 충전 장치 및 청구항 제 6 항에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명은 실시예에 따라 배터리 작동식 전기 드라이브의 배터리를 충전하기 위한 충전 장치를 제공하고, 상기 충전 장치는 단상 또는 3상 교류 회로망에 접속될 수 있고 출력부들이 정류된 전류를 제공하도록 설계된 벅 컨버터; 상기 벅 컨버터의 적어도 하나의 출력부에 전기 접속될 수 있고 전류의 평활화를 위한 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 (전류) 중간 회로; 및 적어도 하나의 입력부가 중간 회로를 통해 벅 컨버터에 전기 접속되도록 설계되고 출력부들이 배터리에 전기 접속되며 벅 컨버터 및/또는 중간 회로에 의해 제공된 전압을 배터리 충전을 위해 동일한 크기의 또는 더 높은 전압으로 변환하는데 적합한 부스트 컨버터를 포함하고, 상기 부스트 컨버터는 전기 드라이브의 드라이브 컨버터에 의해 형성되고, 중간 회로는 전기 드라이브의 전기 모터에 의해 형성된다. 장치는 배터리 충전 시 전기 모터의 코일의 제 1 접속부가 벅 컨버터에 전기 접속되고, 모터로서 전기 모터의 작동 시(모터 작동) 스위치는 코일의 동일한 접속부를 부스트 컨버터에 전기 접속시키는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따라 본 발명은 배터리 작동식 전기 드라이브의 배터리를 위한 충전 장치의 제공 방법으로서, 하기 단계들을 포함하는 방법을 제공한다: 교류 회로망에 접속될 수 있고, 출력부들이 동일하거나 더 낮은 전압의 정류된 전류를 공급할 수 있는 벅 컨버터를 제공하는 단계; 벅 컨버터의 출력부들에 접속될 수 있고, 정류된 전류의 평활화를 위한 코일을 포함하는 중간 회로를 제공하는 단계; 중간 저장 장치의 평활화된 전류를 동일하거나 더 높은 전압의 전류로 변환할 수 있고, 배터리에 접속된 부스트 컨버터를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 중간 저장 장치의 제공을 위해 전기 드라이브의 전기 모터가 사용되고, 부스트 컨버터의 제공을 위해 전기 드라이브의 드라이브 컨버터가 사용되며; 배터리 충전 시 전기 모터의 코일의 제 1 접속부는 벅 컨버터에 전기 접속되고, 모터로서 전기 모터의 작동 시(모터 작동 또는 구동 모드) 스위치는 코일의 동일한 접속부를 부스트 컨버터에 전기 접속시킨다.
또한, 본 발명은 전기 드라이브의 배터리의 충전을 위한 충전 장치에서 전기 드라이브의 드라이브 컨버터 및 전기 모터의 용도에 관한 것으로, 상기 드라이브 컨버터는 부스트 컨버터로서 사용되고, 상기 전기 모터는 중간 회로로서 사용되고, 배터리의 충전 시 전기 모터의 코일의 제 1 접속부는 벅 컨버터에 전기 접속되고, 스위치는 코일의 동일한 접속부를 부스트 컨버터에 전기 접속시키는데 적합하다.
충전 장치의 드라이브 컨버터 또는 부스트 컨버터는 충전 작동 시 부스트 컨버터로서 작동하지만, 모터 작동 시에는 벅 컨버터로서 작동한다.
본 발명의 장점은, 전기 드라이브의 전기 부재들을 사용해서 선행기술에 비해 저렴한 충전기 및 충전 방법이 제공될 수 있는 것이다.
바람직한 실시예에서 충전될 배터리는 배터리 작동식 전기 드라이브의 구동 배터리이다.
다른 바람직한 실시예들은 관련 종속 청구항의 대상이다.
본 발명의 출발점은 부스트 컨버터, 벅 컨버터 및 중간 회로를 포함하는 다단계 충전 장치의 구현을 위해 배터리 작동식 전기 드라이브의 부품들의 사용, 특히 전기 모터와 드라이브 컨버터의 사용에 있다. 그러나 선행기술에 공개된 실시예와 달리, 본 발명은 전기 모터 및 드라이브 컨버터에 대한 전력 공급망측 벅 컨버터의 특별한 결합을 제시한다. 특히, 전기 모터에 대한 전력 공급망측 벅 컨버터의 전기 접속은, 전기 모터의 적어도 3개의 코일들 중 적어도 하나의 코일을 통해 전체 또는 적어도 절반의 충전 전류가 흐르도록, 형성되는 것이 제안된다. 이러한 전류 공급은 적어도 짧은 시간 동안 전기 드라이브의 구동 모드에서 전기 모터에 인가되는 전류 공급에 해당한다.
본 발명에 따른 구성은 선행기술과 달리 성형점이 외부로 접촉될 필요가 없는 일반적인 전기 모터의 사용을 가능하게 하고, 또한 더 큰 인덕턴스와 평활한 충전 전류의 달성을 가능하게 한다. 더 평활한 충전 전류는 배터리의 더욱 양호한 충전을 가능하게 하고, 충전 장치의 양호한 조절 가능성을 보장한다.
본 발명의 실시예의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 하기 설명에 제시된다.
도 1은 다단계 충전기의 개략도.
도 2a는 성형으로 배치된 코일을 가진 배터리 작동식 전기 드라이브의 개략도.
도 2b는 성형으로 배치된 코일에서 전류 경로의 개략도.
도 2c는 삼각형으로 배치된 코일을 가진 배터리 작동식 전기 드라이브의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 충전 장치의 제 1 실시예의 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 충전 장치의 제 2 실시예의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 충전 장치의 제 3 실시예의 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 충전 장치의 제 4 실시예의 개략도.
도 7은 충전 장치의 제공 방법의 개략도.
도면에서 동일한 및 기능상 동일한 부재들, 특징들 및 부품들은 - 달리 설명되지 않는 한 - 동일한 도면부호를 갖는다. 또한, 도면들의 부품들 및 부재들은 편의상 반드시 서로 정확한 척도로 도시되지 않는다.
도 1은 배터리 또는 축전지(1)의 충전을 위한 다단계 충전 장치(100)의 개략도를 도시한다. 배터리(1)는 전기 회로망, 예를 들어 공공 전력 공급망에 전기 접속된다. 전기 회로망을 통해 예를 들어 3상 교류가 제공될 수 있다. 도 1은 충전 장치(100)의 실시예를 도시하고, 상기 충전 장치에서 접속부(2)는 3상 교류-접속부로서 형성되고, 상기 접속부에서 3개의 라인에 각각 120°서로 위상 변이된 거의 사인 형태의 교류가 제공된다. 그러나 단상 교류 회로망에 접속도 가능하다.
전기 회로망에 접속을 위해 충전 장치는 또한 (도 1에 도시되지 않은) 전력 공급망 필터를 포함할 수 있다. 이러한 전력 공급망 필터의 사용은 선택적이고, 충전 장치의 작동에 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나 이것은, 전류 인출이 시간에 따라 변하는 경우에 전기 회로망 내로 바람직하지 않은 피드백(전압 피크 등)을 방지하기 위해 바람직할 수 있다. 이러한 가변적인 전류 인출은 예를 들어 하기에 설명된 펄스식 정류기의 사용시 나타날 수 있는데, 그 이유는 상기 정류기가 일시적으로만 전력 공급망으로부터 전력을 빼내기 때문이다. 전력 공급망 필터는 이 경우 특히, 전력 공급망의 장애에 대해 전력 공급망의 조작자에 의해 설정된 한계값을 준수하기 위해 사용된다. 선행 기술에 공개된 임의의 전력 공급망 필터가 사용될 수 있고, 예를 들어 전력 공급망 접속부의 3개의 라인들은 커패시터에 의해 서로 접속될 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 충전 장치(100)는 벅 컨버터(3), 중간 회로(4) 및 부스트 컨버터(5)를 포함하므로, 전기 회로망에 의해 제공된 (3상) 교류 전압을 배터리(1)의 충전에 적합한 거의 일정한 충전 전압으로 변환할 수 있다. 충전 전압은 배터리에 따라 100V - 1000V, 특히 250V - 450V 일 수 있다. 도 1에 도시된 충전 장치의 다단계 구성은 충전 장치에 의해 이러한 전압 범위를 커버할 수 있게 한다. 물론, 충전 장치는 다른 단계로 보충될 수도 있다.
벅 컨버터(3)는 흔히 스탭 다운 컨버터(step down converter)라고도 하고, 단상 또는 3상 정류기를 형성하며, 상기 정류기는 입력측에 전기 회로망을 통해 인가된 교류를 선택적으로 충전 장치에 연결하여 교류를 부분들로 커팅하므로, 출력측에 정류된 전류가 제공될 수 있고, 이러한 전류는 정류기의 디자인 및 품질에 따라 어느 정도 평활한 직류에 가깝다. 벅 컨버터(3)는 예를 들어 전류 중간 회로에 기반한 임의의 정류기일 수 있다. 벅 컨버터는 바람직하게 시간 평균적으로 입력 전압보다 작거나 같은 전압을 갖는 출력 전류를 제공하는데 적합할 수 있다.
중간 회로(4)는 벅 컨버터(3)와 부스트 컨버터(5)의 접속에 사용된다. 상기 중간 회로는 벅 컨버터로부터 출력된 대략적인 직류를 더욱 평활화하는데 사용되고 (직류 중간 회로), 예를 들어 하나 또는 다수의 코일 또는 인덕터 또는 하나 또는 다수의 저장 초크를 포함한다. 바람직한 경우에 중간 회로의 출력측에 이상적인 직류가 제공된다. 실제 사용 시 평활화된 전류가 제공되고, 이 경우 더 큰 인덕턴스 값은 더 강력한 평활화를 일으킨다. 도 1의 중간 회로(4)는 벅 컨버터(3)의 출력부와 부스트 컨버터(5)의 입력부 사이에 접속된다. 대안으로서 중간 회로는 벅 컨버터(3)의 2개의 출력부 및 부스트 컨버터의 2개의 입력부에 접속될 수도 있다. 중간 회로는 바람직하게 전류 중간 회로 또는 직류 중간 회로이다.
도 1에 도시된 부스트 컨버터(5)는 벅 컨버터(3) 또는 중간 회로(4)와 배터리(1) 사이에 접속되고, 배터리에 소정의 충전-직류 전압을 제공한다. 부스트 컨버터(5)는 입력측에 제공된 평활화되고 정류된 전류로부터 동일한 크기의 또는 더 큰 직류 전압을 배터리에 제공하는데 사용된다. 부스트 컨버터는 흔히 스탭 업 컨버터(step up converter)라고도 한다.
벅 컨버터(3)와 부스트 컨버터(5)를 갖는 충전 장치(100)의 도 1에 도시된 다단계 구성은 벅 컨버터(3) 내의 전력 공급망 측에서 제공된 입력 전압의 감소 및/또는 부스트 컨버터(5)에 의한 전압의 상승을 통해 배터리(1)의 충전에 바람직한 충전 전압을 제공하기 위해 사용된다.
충전 장치(100)를 가능한 한 간단하게, 공간 절약 방식으로 저렴하게 제공할 수 있기 위해, 본 발명에 따라 부스트 컨버터(5)와 중간 회로(4)를 위해 전기 드라이브의 부품들이 사용된다. 특히 부스트 컨버터(5)를 위해 전기 드라이브의 드라이브 컨버터가 사용되고, 중간 회로를 위해 전기 드라이브의 전기 모터 또는 전기 기계가 사용된다.
도 2a는 일반적인 배터리 작동식 전기 드라이브(200)의 구성을 개략적으로 도시한다. 전기 드라이브(200)는 (구동) 배터리(1), 전기 모터(11) 및 드라이브 컨버터(12)를 포함한다. 배터리(1)는 모터로서 전기 모터(11)의 작동 시(소위 모터 작동) 전류원 또는 전압원으로서 사용되고, 거의 (배터리의 방전 과정 중에 시간적으로 천천히 감소하는) 직류 전압을 제공한다. 드라이브 컨버터(12)는 배터리에 의해 제공된 직류를 교류로 변환하는데 사용되고, 전류 인버터 또는 DC/AC-컨버터라고도 할 수 있다. 모터로서 전기 모터의 작동 시(모터 작동) 상기 드라이브 컨버터는 특히 벅 컨버터로서 작동할 수 있고, 전기 모터(11)에 배터리 전압보다 작거나 같은 전압을 제공할 수 있다. 도 2에 도시된 드라이브 컨버터(12)는 배터리에 의해 제공된 직류 전압을 각각 120°위상 변이된 교류 전압 펄스에서 3개의 분기(U, V, W)로 분배하고 이를 전기 모터(11)에 공급하는 펄스식 3상 전류 인버터 또는 펄스 전류 인버터이다. 또한, 도 2a에 예시적으로 선택적인 커패시터(13)가 도시되고, 상기 커패시터는 배터리(1)에 대해 평행하게 접속될 수 있고, 모터 작동 시 전류 펄스를 제공하는데 사용된다. 물론, 커패시터(13)에 추가하여 또는 대신하여 구동 전류를 형성하기 위해 다른 전기 부재들이 제공될 수 있다.
도 2a에 도시된 드라이브 컨버터(12)는 각각 2개의 스위칭 트랜지스터와 2개의 다이오드를 포함하는 총 3개의 분기(U, V, W)로 이루어진다. 교류로 변환은 스위칭 트랜지스터에 의해 공지된 방식으로 제어될 수 있다. 펄스식 전류 인버터의 작동은 선행기술에 공지되어 있으므로, 편의상 제어에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 2a에 도시된 드라이브 컨버터(12)에 대한 대안으로 물론 임의의 다른 DC/AC-컨버터가 사용될 수 있다.
도 2a에 도시된 전기 모터(11)는 3개의 구동 코일 또는 인덕터(11a, 11b, 11c)를 가진 3상 전기 모터이다. 3개의 구동 코일 대신 더 많은 코일이 사용될 수도 있고, 바람직하게 3개의 코일의 정수배, 즉 3개의 코일 대신 예를 들어 3개의 코일 쌍이 사용될 수 있다. 하기에서 간단히 3개의 코일이라고만 하는 경우에, 상응하는 코일 쌍, 3배 등으로 이루어진 실시예도 포함된다.
도 2a에 도시된 코일들(11a, 11b, 11c)은 성형으로 배치되어 접속되고, 즉 3개의 코일들(11a, 11b, 11c)의 하나의 단부는 각각 드라이브 컨버터(12)의 분기(U, V, W)에 연결되는 한편, 3개의 코일들(11a, 11b, 11c)의 다른 단부들은 하나의 성형점에서 각각 성형으로 서로 연결된다. 전기 모터(11)의 작동 시, 즉 전기 모터가 구동 모터로서 작동되고 구동될 대상을 구동하는 경우에, 전류는 일시적으로 전류 전체가 3개의 분기들(U, V, W) 중 하나의 분기 및 3개의 코일들(11a, 11b, 11c) 중 하나의 코일을 통해 흐르고, 절반은 2개의 다른 분기 및 코일을 통해 리턴되도록 흐른다. 이는 도 2b에 개략적으로 도시된다.
도 2c는 전기 모터(14)의 코일들(14a, 14b, 14c)이 삼각형으로 배치되어 접속된 전기 드라이브(201)의 실시예를 도시한다. 도 2a의 전기 모터(11)에 대한 실시예가 이에 유사하게 적용될 수 있다. 전기 모터(14)의 작동 모드에서 일시적으로 전류 전체가 분기(U)를 통해 흐르고, 절반은 2개의 다른 분기들(V, W) 및 코일(14a, 14b)을 통해 리턴된다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 배터리(1)의 충전을 위한 본 발명에 따른 충전 장치(300)의 개략도이다. 배터리(1)의 충전을 위한 충전 장치(300)는 도 1에 도시된 2단계 충전 장치에 상응하고, (선택적인) 전력 공급망 필터(16), 벅 컨버터(15), 중간 회로(11) 및 부스트 컨버터(12)로 이루어진다. 벅 컨버터(15)는 3상 정류기이고, 상기 정류기는 전기 회로망에 의해 접속부(17)에 인가되는 단상 또는 3상 교류를 정류하고, 정류 품질에 따라 거의 직류로 변환한다. 벅 컨버터(15)의 적절한 제어에 의해 벅 컨버터는 전력 공급망 측에서 제공된 전압에 비해 더 낮거나 동일한 전압의 전류를 제공할 수 있다. 인덕터와 커패시터를 포함하는 전력 공급망 필터(16)는 전기 회로망 내로 바람직하지 않은 피드백을 방지하거나 감소시키는데 사용된다. 중간 회로(11)는 다수의 인덕터를 포함하고, 벅 컨버터(15)에 의해 제공된 정류된 전류를 평활화하는데 사용된다. 부스트 컨버터(12)는 3상 펄스 전류 인버터이고, 배터리(1)에 연결된 그 출력부들은 전압을 제공할 수 있고, 상기 전압은 시간 평균적으로 벅 컨버터(15) 또는 중간 회로(11)에 의해 제공된 전압보다 크거나 같다. 벅 컨버터(15)와 부스트 컨버터(12) 내의 트랜지스터들의 적절한 제어에 의해 배터리(1)에 인가되는 전압은 100V - 1000V, 특히 250V - 450V의 필수 충전 전압에 맞게 조정될 수 있다.
바람직하게 배터리(1)는 전기 모터(2)의 구동 배터리이다. 예를 들어 배터리(1)는 전기 구동 자동차, 예를 들어 승용차의 트랙션 배터리일 수 있다. 전기 드라이브의 구성은 도 2a - 도 2c에 제시된 전기 드라이브에 상응할 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명에 따른 충전 장치(300) 및 후속하는 충전 장치(400-600)의 주요 양상은, 충전 장치의 부스트 컨버터(12)와 중간 회로(11)가 배터리(1)에 연결된 전기 드라이브의 부재들에 의해 구현되는 것이다. 특히 부스트 컨버터(12)는 전기 드라이브의 드라이브 컨버터에 의해 형성되고, 중간 회로는 전기 드라이브의 전기 모터 또는 거기에 제공된 코일/인덕터에 의해 형성된다. 드라이브 컨버터는, 도 2와 관련해서 전술한 바와 같이, 구동 또는 주행 모드에서 배터리에 의해 제공된 직류 전압을 전기 모터를 위한 교류 전압으로 변환하는데 사용되고, 충전 모드에서는 부스트 컨버터로서 사용된다. 전기 모터는, 도 2와 관련해서 전술한 바와 같이, 구동 또는 주행 모드에서 구동될 장치, 예를 들어 전기 자동차의 휠들을 구동하는데 사용되고, 충전 모드에서는 정류된 전류를 평활화하기 위해 중간 회로로서 사용된다.
구동 배터리용 충전 장치에서 드라이브 컨버터 및 전기 모터와 같은 드라이브 부품들의 사용은 상기 간행물 WO 2010/103063 호에 기술된다. 그러나 상기 간행물에서는 전기 모터의 코일들이 성형으로 접속되고, 전기 모터의 성형점을 벅 컨버터의 접속을 위해 외부로 액세스 가능하게 만드는 것이 제안된다. 그와 달리 본 발명은 도 3에 도시된 실시예에 따라 전기 모터(11)의 코일들(11a, 11b, 11c)이 성형으로 접속되지만 성형점을 외부로 액세스 가능하게 만들지 않는 것을 제안하고, 즉 코일들은 제 1 단부에서 직접 서로 연결되지만, 성형점(11d)은 벅 컨버터(15) 또는 부스트 컨버터(12) 또는 다른 부재들과 직접 접촉하지 않는다. 코일들(11a, 11b, 11c)의 제 2 코일 단부들과 관련해서 제 1 코일(11a)은 부스트 컨버터(12)의 제 1 분기(U)에 스위칭 가능하게 접속되는 한편, 다른 코일들(11b, 11c)은 바람직하게 부스트 컨버터(12)의 제 2 또는 제 3 분기(V 또는 W)에 고정 접속된다. 구동 모드에서 스위치(19)가 폐쇄되므로, 코일(11a)의 제 2 단부는 충전 장치의 드라이브 컨버터(12) 또는 부스트 컨버터(12)의 제 1 분기(U)에 접속지만, 벅 컨버터(15)에 접속되지 않는다. 이러한 스위치 위치에 따른 배치는 실질적으로 도 2a에 도시된 전기 드라이브에 상응하고, 동일한 기능을 갖는다. 분기(15b)를 통해 접촉되는 벅 컨버터(15)의 스위칭 부재들은 기생 작용과 관련해서 기능을 떨어뜨리므로, 도 2a에 관한 전술한 실시예가 참조될 수 있다. 특히 구동 모드에서 일시적으로 도 2b에 도시된 전류 흐름이 주어진다.
스위치로서 선행기술에 공개된 임의의 스위치가 사용될 수 있다. 특히 각각의 전류 흐름 및 전압에 맞게 조정된 파워 반도체가 사용될 수 있다.
구동 배터리(1)의 충전을 위해 스위치(19)는, 부스트 컨버터(12)의 제 1 분기(U)에 대한 코일(11a)의 제 2 단부의 접속이 분리되고, 그대신 공급 라인(15a)을 통해 벅 컨버터(15)에 접속되도록 스위칭된다. 중간 회로(11)와 벅 컨버터(15)의 상호 접속은 바람직하게 직류 전압원으로서 간주될 수 있기 때문에, 이러한 배치에서 충전 작동 시 마찬가지로 도 2b에 도시된 전류 경로가 나타난다. 이로써 코일들(11a, 11b, 11c)의 성형 접속은 해제되지 않는다.
따라서 도 3에 도시된 본 발명의 실시예는 기본적으로 충전 작동 시 전류가 균일하게 전기 모터의 3개의 코일들을 통해 분배되는 간행물 WO 2010/103063 호에 기술된 회로와 다르다. 충전 장치(300)는 그에 비해 더 많은 장점들을 갖는다: 충전 장치(300)에서 전기 모터의 성형점은 외부로 접촉될 필요가 없으므로, 이러한 회로에는 일반적인 전기 모터들이 사용될 수 있다. 특히 접촉되는 성형점을 갖는 특수하게 제조된 전기 모터들이 사용될 필요가 없으므로, 전기 모터 또는 공급 장치의 선택과 관련한 제한도 없다. 또한, 본 발명에 따른 배치에서 더 높은 인덕턴스가 주어지는데, 그 이유는 I 또는 0.5*I를 가진 개별 코일을 통한 충전 전류가 1/3*I에 불과한 WO 2010/103063 호의 배치에서의 전류보다 크고, 자기장도 더 세기 때문이다. 충전 전류는 일반적으로 모터로서 전기 모터의 작동 시 전류보다 작기 때문에, 본 발명에 따른 충전 장치(300)를 위해 설계를 조정할 필요가 없다. 그러나 0.5로 충전 전류의 전술한 분배는 부스트 컨버터의 제어에 의해 영향을 받을 수 있고, 이러한 상황은 부스트 컨버터/드라이브 컨버터의 분기들의 대칭적 제어에도 적용된다. 대칭적 제어에서 단지 일시적으로 벗어나는 경우에, 전술한 상황은 적어도 시간 평균적으로 조절될 수 있다. 본 발명에 따른 배치에서 발생된 전류 흐름은 각각 전기 모터의 구동 모드에서 전류 흐름에 상응하고, 즉 전기 모터는 충전 작동 시에도 최적의 큰 인덕턴스로 작동한다. 선행기술에 비해 더 큰 인덕턴스는, 전술한 바와 같이 더욱 평활한 충전 전류 경로의 형성과 배터리(1)의 양호한 충전 및 양호한 조절을 가능하게 한다.
바람직하게 충전 장치(300)는 충전 과정 동안 전기 모터(11)의 차단을 위한 차단 장치에 의해 보완될 수 있으므로, 충전 과정 동안 전기 모터(11)의 회전이 방지될 수 있다. 전기 작동 자동차에서 차단 장치로는 예를 들어 래칫 기어, 파킹 브레이크 또는 이와 유사한 것이 적합하다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 본 발명에 따른 충전 장치(400)의 개략도이다. 이 실시예의 경우 충전 장치(300)와는 달리 전기 모터/중간 회로(14)의 코일들이 성형이 아니라 삼각형으로 접속된다. 충전 작동 시 벅 컨버터(15)는 스위치(19)에 의해 전기 모터의 2개의 코일(14a, 14b)에 접속되는 한편, 구동 모드에서 스위치(19)는 2개의 코일(14a, 14b)을 충전 장치의 드라이브 컨버터(12) 또는 부스트 컨버터(12)의 제 1 분기에 접속한다. 성형 접속과는 달리, 삼각형 접속 시 부스트 컨버터/드라이브 컨버터(12)가 대칭으로 제어되는 경우에 3개의 코일들 중 2개의 코일, 즉 코일(14a, 14b)에만 전류가 흐르고, 부스트 컨버터(12)가 대칭으로 제어되는 경우에 전류는 2개의 코일에 균일하게 분배된다.
도 5는 바람직한 제 3 실시예에 따른 본 발명에 따른 충전 장치(500)의 개략도이다. 이 실시예는 대부분 도 3에 도시된 실시예에 상응하지만 추가 인덕터(18)를 포함한다. 추가 인덕터(18)는, 전기 모터(11)에 의해 제공된 인덕턴스가 충전 작동 시 충분히 일정한 직류를 형성하기에 충분하지 않은 경우에 바람직할 수 있다. 추가 인덕터(18)는, 벅 컨버터(15) 및 중간 회로(11)에 의해 정류된 전류의 잔류 리플을 더욱 감소시키고 정류된 전류를 벅 컨버터(15)에 의해 더 양호하게 평활화하는데 사용될 수 있다. 이는, 충전시 발생하는 잔류 전류 리플이 배터리의 수명을 단축할 수 있는 경우에, 특히 배터리(1)의 보전에 바람직할 수 있다. 물론, 도 5에 도시된 추가 인덕터는 본 발명의 다른 모든 실시예에서도, 특히 도 4의 삼각형 접속과 관련해서 적용될 수 있다.
도 6은 바람직한 제 4 실시예에 따른 본 발명에 따른 충전 장치(600)의 개략도이다. 도 3에 도시된 실시예와 달리 스위치(19')는, 부스트 컨버터(12)의 상응하는 분기에 대한 전기 모터의 코일(11a)의 접속의 인터럽터로서만 작동하도록 구현된다. 또한, 추가 스위치들(20, 21)이 제공되므로, 바람직하게 전기 모터의 작동 시(구동 모드) 충전 장치의 벅 컨버터(15) 및 이와 관련한 전기 모터의 기생 커패시턴스와 인덕턴스를 분리할 수 있다. 이는 효율을 높이고 전자기 호환성을 개선할 수 있다. 물론 이 경우에도, 2개의 스위치들(20 또는 21) 중 하나의 스위치만이 제공될 수 있다. 스위치들(19', 20, 21)은 임의의 조합으로 전술한 실시예에서도 사용될 수 있다.
도 7은 배터리 작동식 전기 드라이브의 배터리(1)를 위한 충전 장치의 제공 방법을 도시한다. 이 경우 단계(71)에서 전술한 실시예에 따른 벅 컨버터(15)가 제공된다. 벅 컨버터는 교류 회로망에 접속될 수 있고, 그 출력부들은 같거나 또는 더 작은 전압의 정류된 전류를 제공할 수 있다. 단계(72)에서 중간 회로(11;14)는 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따라 제공되고, 상기 중간 회로는 벅 컨버터(15)의 출력부들에 접속될 수 있고, 정류된 전류의 평활화를 위한 코일(11a; 11b, 11c; 14a, 14b, 14c)을 포함한다. 단계(73)에서 부스트 컨버터(12)는 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따라 제공되고, 상기 부스트 컨버터는 중간 저장장치(11;14)의 평활화된 전류를 같거나 더 큰 전압의 전류로 변환할 수 있고, 배터리(1)에 연결되고, 이 경우 중간 저장장치(11;14)의 제공을 위해 전기 드라이브의 전기 모터가 사용되고, 부스트 컨버터(12)의 제공을 위해 전기 드라이브의 드라이브 컨버터가 사용되고, 배터리(1)의 충전 시 전기 모터(11;14)의 코일(11a;14a)의 제 1 접속부는 벅 컨버터(15)에 접속되고, 전기 모터의 작동 시 스위치(19;19')는 코일(11a;14a)의 동일한 접속부를 부스트 컨버터(12)에 전기 접속한다. 개별 방법 단계들은 반드시 전술한 순서로 구현되지 않아도 된다.
본 발명에 따른 충전 장치는 바람직하게, 3상 교류의 사용 및 단상 교류의 사용에 적합하도록 형성된다. 단상 작동을 위해 벅 컨버터의 3개의 입력 브리지 분기들 중 2개의 분기들만이 사용될 수 있다. 이러한 작동 상태에서 제어는 입력측 전류 중간 회로 컨버터가 제어되어 작동되도록 그리고 출력측 부스트 컨버터가 PFC(Power Factor Corrector) 기능을 하도록 이루어져야 한다. 벅 컨버터의 평균 출력 전압이 배터리 전압보다 작고 따라서 출력측 부스트 컨버터가 작동할 수 있는 것은 입력단에 의해서만 보장될 수 있다.
1 배터리
11, 14 중간 회로
11a, 14a 코일
12 부스트 컨버터
15 벅 컨버터
19, 19' 스위치
100, 300, 400, 500, 600 충전 장치

Claims (10)

  1. 배터리 작동식 전기 드라이브의 배터리(1)를 충전하기 위한 충전 장치(100;300;400;500;600)로서,
    - 단상 또는 3상 교류 회로망에 접속될 수 있고, 출력부들은 정류된 전류를 제공하도록 설계된 벅 컨버터(15);
    - 상기 벅 컨버터(15)의 적어도 하나의 출력부에 전기 접속될 수 있고, 전류의 평활화를 위해 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 중간 회로(11;14);
    - 적어도 하나의 입력부는 상기 중간 회로(11;14)를 통해 상기 벅 컨버터(15)에 전기 접속되도록 설계되고, 출력부들은 상기 배터리(1)에 전기 접속되고, 상기 벅 컨버터(15) 및/또는 상기 중간 회로(11;14)에 의해 제공된 전압을 상기 배터리(1)의 충전을 위해 동일한 크기의 또는 더 높은 전압으로 변환하기에 적합한 부스트 컨버터(12)를 포함하고,
    - 상기 부스트 컨버터(12)는 상기 전기 드라이브의 드라이브 컨버터에 의해 형성되고, 상기 중간 회로(11;14)는 상기 전기 드라이브의 전기 모터에 의해 형성되는 충전 장치에 있어서,
    - 상기 배터리(1)의 충전 시 상기 전기 모터(11;14)의 코일(11a;14a)의 제 1 접속부는 상기 벅 컨버터(15)에 전기 접속되고, 전기 모터의 작동 시 스위치(19;19')는 상기 코일(11a;14a)의 동일한 접속부를 상기 부스트 컨버터(12)에 전기 접속하는 것을 특징으로 하는 충전 장치(100;300;400;500;600).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전기 모터는 성형으로 또는 삼각형으로 서로 접속된 적어도 3개의 코일들(11a; 11b, 11c; 14a, 14b, 14c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 장치(100;300;400;500;600).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 스위치(19; 19')는 상기 배터리(1)의 충전 시 상기 전기 모터(11)의 코일들 중 하나의 코일(11a)을 통해 전체 충전 전류가 흐르는 것을 보장하는 것을 특징으로 하는 충전 장치(100;300;500;600).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 모터(11)의 적어도 3개의 코일들(11a; 11b, 11c)은 성형으로 서로 접속되고, 성형점으로부터 상기 전기 모터(11)의 상기 적어도 3개의 코일들(11a; 11b, 11c)에 대한 접속부들로만 이루어지는 것을 특징으로 하는 충전 장치(100;300;500;600).
  5. 제 1 항에 있어서, 전기 모터는 삼각형으로 서로 접속된 적어도 3개의 코일(14a; 14b, 14c)을 포함하고, 상기 스위치(19')는 상기 배터리(1)의 충전 시 상기 전기 모터(11)의 코일들 중 하나의 코일(11a)을 통해 시간 평균적으로 각각 절반의 충전 전류가 흐르는 것을 보장하는 특징으로 하는 충전 장치(100, 400).
  6. 배터리 작동식 전기 드라이브의 배터리(1)를 위한 충전 장치(100;300;400;500;600)의 제공 방법으로서,
    - 교류 회로망에 접속될 수 있고, 출력부들은 같거나 더 작은 전압의 정류된 전류를 제공할 수 있는 벅 컨버터(15)를 제공하는 단계;
    - 상기 벅 컨버터(15)의 출력부들에 접속될 수 있고, 정류된 전류의 평활화를 위해 코일(11a; 11b, 11c; 14a, 14b, 14c)을 포함하는 중간 회로(11;14)를 제공하는 단계;
    - 중간 저장 장치(11; 14)의 평활화된 전류를 동일하거나 더 큰 전압의 전류로 변환할 수 있고, 배터리(1)에 접속된 부스트 컨버터(12)를 제공하는 단계를 포함하고,
    - 상기 중간 저장 장치(11;14)의 제공을 위해 상기 전기 드라이브의 전기 모터가 사용되고, 상기 부스트 컨버터(12)의 제공을 위해 상기 전기 드라이브의 드라이브 컨버터가 사용되고,
    - 상기 배터리(1)의 충전 시 전기 모터(11;14)의 코일(11a;14a)의 제 1 접속부는 상기 벅 컨버터(15)에 전기 접속되고, 상기 전기 모터의 작동 시 스위치(19;19')는 상기 코일(11a;14a)의 동일한 접속부를 상기 부스트 컨버터(12)에 전기 접속하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 배터리(1)의 충전 시 상기 전기 모터(11)의 코일들 중 하나의 코일(11a)을 통해 전체 충전 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 전기 모터(11)의 적어도 3개의 코일 또는 인덕터(11a; 11b, 11c)는 성형으로 서로 접속되고, 성형점으로부터 상기 전기 모터(11)의 상기 적어도 3개의 코일들(11a; 11b, 11c)에 대한 접속부들로만 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 드라이브 컨버터(12)는 부스트 컨버터로서 사용되고, 전기 모터(11;14)는 중간 회로로서 사용되고;
    배터리(1)의 충전 시 상기 전기 모터(11;14)의 코일(11a;14a)의 제 1 접속부는 벅 컨버터(15)에 전기 접속되고, 스위치(19;19')는 상기 코일(11a;14a)의 동일한 접속부를 상기 부스트 컨버터(12)에 전기 접속하는데 적합한,
    전기 드라이브의 배터리(1)를 충전하기 위한 충전 장치(100;300;400;500;600)에 전기 드라이브의 드라이브 컨버터(12)와 전기 모터(11;14)의 용도.
  10. 제 9 항에 있어서,
    - 상기 벅 컨버터(15)는 단상 또는 3상 교류 회로망에 접속될 수 있고, 상기 벅 컨버터(15)의 출력부들은 정류된 전류를 제공하도록 설계되고;
    - 상기 중간 회로(11;14)는 상기 벅 컨버터(15)의 적어도 하나의 출력부에 전기 접속될 수 있고, 전류의 평활화를 위해 적어도 하나의 인덕터를 포함하고;
    - 상기 부스트 컨버터(12)는 적어도 하나의 입력부가 상기 중간 회로(11;14)를 통해 상기 벅 컨버터(15)에 전기 접속되도록 설계되고, 상기 부스터 컨버터(12)의 출력부들은 상기 배터리(1)에 전기 접속되고, 상기 부스터 컨버터(12)는 상기 벅 컨버터(15) 및/또는 전류 중간 회로(11;14)에 의해 제공된 전압을 상기 배터리(1)의 충전을 위해 동일한 크기이나 더 높은 전압으로 변환하기에 적합한, 충전 장치에 전기 드라이브의 드라이브 컨버터와 전기 모터의 용도.
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