KR20150062999A - 에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 에너지 저장 장치의 작동 방법 - Google Patents

에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 에너지 저장 장치의 작동 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20150062999A
KR20150062999A KR1020140168143A KR20140168143A KR20150062999A KR 20150062999 A KR20150062999 A KR 20150062999A KR 1020140168143 A KR1020140168143 A KR 1020140168143A KR 20140168143 A KR20140168143 A KR 20140168143A KR 20150062999 A KR20150062999 A KR 20150062999A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
energy storage
supply
storage device
voltage
terminals
Prior art date
Application number
KR1020140168143A
Other languages
English (en)
Inventor
홀거 라프
마르틴 브라운
Original Assignee
로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 로베르트 보쉬 게엠베하 filed Critical 로베르트 보쉬 게엠베하
Publication of KR20150062999A publication Critical patent/KR20150062999A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0092—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption with use of redundant elements for safety purposes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/04—Cutting off the power supply under fault conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/11—DC charging controlled by the charging station, e.g. mode 4
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
    • B60L53/14—Conductive energy transfer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/22—Constructional details or arrangements of charging converters specially adapted for charging electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/20—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by converters located in the vehicle
    • B60L53/24—Using the vehicle's propulsion converter for charging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/21—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having the same nominal voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/50—Structural details of electrical machines
    • B60L2220/54—Windings for different functions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/50—Structural details of electrical machines
    • B60L2220/56—Structural details of electrical machines with switched windings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/421—Speed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

본 발명은 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700)에 관한 것이며, 상기 전기 구동 시스템은, n > 1인 조건에서 에너지 저장 장치(1)의 복수 개(n)의 출력 단자(1a, 1b, 1c)에서 교류 전압을 생성하기 위해 복수의 에너지 저장 모듈(3)을 각각 구비한 복수 개(n)의 에너지 공급 분기(Z)를 포함하는 에너지 저장 장치(1)와; 위상 단자들(2a, 2b)이 에너지 저장 장치(1)의 n-1개의 출력 단자(1a, 1b) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되고 성형점(2d)이 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1c) 중 나머지 출력 단자와 연결되는 (n-1)상 전기 기계(2)를; 포함한다.

Description

에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 에너지 저장 장치의 작동 방법{ELECTRICAL DRIVING SYSTEM HAVING CHARGING CIRCUIT FOR AN ENERGY STORAGE DEVICE AND METHOD FOR OPERATING AN ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 특히 직류 전압으로 배터리 직접 인버터를 충전할 때 에너지 저장 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
향후에는 예컨대 풍력 발전 설비 또는 태양광 발전 설비와 같은 고정식 적용 분야에서 뿐 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 회로에 의해 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 적용을 위해 정해진 출력 및 에너지에 대한 요건을 충족할 수 있도록 하기 위해, 보통 트랙션 배터리 내 복수의 배터리 모듈은 직렬 연결된다.
복수의 배터리 모듈의 직렬 연결은, 단 하나의 배터리 모듈이 고장 나면, 전체 스트링이 고장 난다는 문제를 초래한다. 에너지 공급 라인의 상기 고장은 전체 시스템의 고장으로 이어질 수 있다. 그 밖에도, 일시적으로 또는 지속적으로 발생하는 개별 배터리 모듈의 출력 감소는 전체 에너지 공급 라인 내 출력 감소로 이어질 수 있다.
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)의 명칭하에 공지되었다. 상기 시스템들은 전기 기계 또는 전력 공급 계통에 직접 연결될 수 있는 복수의 에너지 저장 모듈 스트링 내 직류원들을 포함한다. 이 경우, 단상 또는 다상 공급 전압들이 생성될 수 있다. 이 경우, 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 각각의 에너지 저장 모듈 스트링 내로 각각 할당된 하나 이상의 배터리 셀을 스위칭하는 것을 허용한다. 이 경우, 커플링 유닛은, 추가로 각각의 에너지 저장 모듈 스트링 내로 역극성으로도 각각 할당된 하나 이상의 배터리 셀을 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, 더 높은 고장 안전성, 및 출력 전압의 훨씬 더 낮은 고조파 함유량(harmonic content)을 나타낸다. 고장 안전성은 특히, 결함이 있거나, 고장이 났거나, 또는 불완전한 성능의 배터리 셀들이 에너지 공급 라인들 내에서 자신들에게 할당된 커플링 유닛들의 적합한 제어를 통해 브리지될 수 있는 것을 통해 보장된다. 에너지 저장 모듈 스트링의 위상 출력 전압은 커플링 유닛들의 상응하는 제어를 통해 변화되고 특히 단계별로 조절될 수 있다. 이 경우, 출력 전압의 단계별 조정은 단일의 에너지 저장 모듈의 전압으로부터 주어지며, 최대로 가능한 위상 출력 전압은 에너지 저장 모듈 스트링의 모든 에너지 저장 모듈의 전압들의 합을 통해 결정된다.
독일 공보 DE 10 2010 027 857 A1 및 DE 10 2010 027 861 A1은 예컨대 전기 기계에 직접 연결될 수 있는 복수의 배터리 모듈 스트링을 포함하는 배터리 직접 인버터를 개시하고 있다.
BDI들의 출력단에는 일정한 직류 전압이 제공되지 않는데, 그 이유는 에너지 저장 셀들이 여러 에너지 저장 모듈로 분할되고 에너지 저장 셀들의 커플링 장치들은 의도대로 전압 레벨을 생성하도록 제어되어야만 하기 때문이다. 이런 분할에 의해, BDI는 원칙적으로 예컨대 전기 자동차의 전기 시스템에 전력 공급을 위한 직류 전압원으로서 제공되지 못한다. 따라서 종래의 직류 전압원을 통해 에너지 저장 셀들을 간단히 충전할 수 없다.
그러므로 직류 전압을 사용하면서 에너지 저장 장치의 에너지 저장 셀들을 충전할 수 있으며, 그리고 전기 기계 및/또는 직류 전압 전기 시스템을 작동시키기 위한 출력 전압을 공급하는 동안 에너지 저장 장치를 충전하기 위해서도 사용될 수 있는, 에너지 저장 장치용 충전 회로 및 에너지 저장 장치의 작동 방법이 필요하다.
본 발명의 과제는, 직류 전압을 사용하면서 에너지 저장 장치의 에너지 저장 셀들을 충전할 수 있으며, 그리고 전기 기계 및/또는 직류 전압 전기 시스템을 작동시키기 위한 출력 전압을 공급하는 동안 에너지 저장 장치를 충전하기 위해서도 사용될 수 있는, 에너지 저장 장치용 충전 회로 및 에너지 저장 장치의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 제 1 양상에 따라서 전기 구동 시스템을 제공하며, 상기 전기 구동 시스템은, n > 1인 조건에서 에너지 저장 장치의 복수 개(n)의 출력 단자에서 교류 전압을 생성하기 위해 복수의 에너지 저장 모듈을 각각 구비한 복수 개(n)의 에너지 공급 분기를 포함하는 에너지 저장 장치와; 위상 단자들이 에너지 저장 장치의 n-1개의 출력 단자 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되고 성형점(star point)이 에너지 저장 장치의 출력 단자들 중 나머지 출력 단자와 연결되는 (n-1)상 전기 기계와; 에너지 저장 장치의 출력 단자들 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되는 복수의 제 1 공급 단자를 구비한 제 1 하프 브리지 회로와; 제 1 하프 브리지 회로와 연결되는 제 1 공급 노드와; 에너지 저장 장치의 기준 전위 레일과 연결되는 제 2 공급 노드와; 제 1 공급 노드와 제 1 하프 브리지 회로 사이에 스위칭되는 컨버터 초크(converter choke)와; 제 1 공급 노드와 제 2 공급 노드 사이에 연결되는 다이오드 하프 브리지와; 제 1 공급 노드와 제 2 공급 노드 사이에서 적어도 일시적으로 충전 직류 전압을 공급하도록 구성된 공급 회로를; 포함한다.
추가 양상에 따라서, 본 발명은 본 발명의 일 양상에 따른 전기 구동 시스템에서 에너지 저장 장치의 작동 방법을 제공한다. 본원의 방법은, 에너지 저장 장치의 n-1개의 출력 단자 중 제 1 출력 단자의 출력 전압과 상기 출력 단자들 중 나머지 출력 단자의 출력 전압 사이의 차로서 (n-1)상 전기 기계의 위상 단자들 중 제 1 위상 단자에 제 1 기계 전압을 설정하는 단계와; 에너지 저장 장치의 n-1개의 출력 단자 중 제 2 출력 단자의 출력 전압과 상기 출력 단자들 중 나머지 출력 단자의 출력 전압 사이의 차로서 (n-1)상 전기 기계의 위상 단자들 중 제 2 위상 단자에 제 2 기계 전압을 설정하는 단계를; 포함하며, 상기 제 1 기계 전압은 벡터 다이어그램에서 제 2 기계 전압에 비해 위상 변위되고, 위상 변위는 바람직하게는 90°이다.
충전 회로는 에너지 저장 장치, 특히 배터리 직접 인버터의 출력단에 연결되며, 그럼으로써 에너지 저장 장치의 에너지 저장 셀들을 충전하기 위한 직류가 에너지 저장 장치의 출력단들 내로 공급될 수 있다. 이를 위해, 공급 장치로서 하프 브리지를 에너지 저장 장치의 출력 단자들에 각각 연결하고, 상기 하프 브리지에 의해서는 충전 회로의 충전 전류가 모든 출력 단자를 통해 에너지 저장 장치 내로 안내될 수 있고 에너지 저장 장치의 기준 전위 레일을 통해 다시 에너지 저장 장치로부터 안내될 수 있다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 충전 회로의 공급 장치로서, 추가 직류 전압 레벨을 공급하기 위해, 예컨대 에너지 저장 장치로부터 전기 시스템의 중간 회로 커패시터에 전력을 공급하기 위해 이미 존재하는 직류 전압 탭 장치(direct voltage tap arrangement)의 2개의 하프 브리지 중 하나가 사용될 수 있다.
본 발명의 사상은, 에너지 저장 장치가 에너지 저장 장치의 기준 전위 레일과, 연결되어 있는 전기 기계의 성형점 사이에 연결되는 추가 보상 분기(compensation branch)를 구비함으로써, 상기 일반적인 토폴러지를 유지하는 것에 있다. 그 결과, 전기 기계 자체의 위상 전압이 변경될 필요 없이, 기준 전위 레일의 전위와 전기 기계의 성형점의 전위가 상호 간에 분리되어 설정될 수 있다. 이는, 한편으로 전기 기계의 작동 전압이 낮은 경우에도 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈들의 충전을 위한 충분한 충전 전압을 생성하기 위해 전위의 성형점 변위를 가능하게 하고, 다른 한편으로는 전기 기계의 실질적인 작동 동안 에너지 저장 장치의 충전 모드를 가능하게 한다.
또한, 추가 보상 분기를 통해, 추가 보상 분기의 각각의 출력 전압이 전기 기계의 각각의 작동 모드에 매칭됨으로써, 나머지 에너지 공급 분기들의 전력 출력 또는 전력 소비가 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 일 실시예에 따라서, 제 1 하프 브리지 회로는 복수의 반도체 스위치를 포함할 수 있으며, 이들 반도체 스위치는 제 1 공급 노드와 복수의 제 1 공급 단자들 중 하나의 제 1 공급 단자 사이에 각각 연결된다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 제 1 하프 브리지 회로는 그 밖에도 복수의 다이오드를 포함할 수 있으며, 이들 다이오드는 제 1 공급 노드와 복수의 제 1 공급 단자 중 하나의 제 1 공급 단자 사이에 각각 연결된다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 제 1 하프 브리지 회로는 그 밖에도 복수의 정류 인덕터를 포함할 수 있으며, 이들 정류 인덕터는 복수의 다이오드 또는 반도체 스위치와 제 1 공급 노드 사이에 각각 연결된다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 전기 구동 시스템은 그 외에, 에너지 저장 장치의 출력 단자들 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되는 복수의 제 2 공급 단자를 구비한 제 2 하프 브리지 회로도 포함할 수 있으며, 제 2 하프 브리지 회로는 제 2 공급 노드와 연결된다. 그 외에, 일 실시예에 따라서, 제 2 하프 브리지 회로는 복수의 반도체 스위치를 포함할 수 있으며, 이들 반도체 스위치는 제 2 공급 노드와 복수의 제 2 공급 단자 중 하나의 제 2 공급 단자 사이에 각각 연결된다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 제 2 하프 브리지 회로는 그 밖에도 복수의 다이오드를 포함할 수 있으며, 이들 다이오드는 제 2 공급 노드와 복수의 제 2 공급 단자 중 하나의 제 2 공급 단자 사이에 각각 연결된다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 제 2 하프 브리지 회로는 그 밖에도 복수의 정류 인덕터를 포함할 수 있으며, 이들 정류 인덕터는 복수의 다이오드 또는 반도체 스위치와 제 2 공급 노드 사이에 각각 연결된다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 전기 구동 시스템은 그 외에, 제 1 공급 노드와 에너지 저장 장치의 기준 전위 레일 사이에 연결되는 제 1 기준 전위 스위치와, 제 2 공급 노드와 에너지 저장 장치의 기준 전위 레일 사이에 연결되는 제 2 기준 전위 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 제 1 기준 전위 스위치에 대해 직렬로 제 1 기준 전위 다이오드가 연결될 수 있고 제 2 기준 전위 스위치에 대해서는 직렬로 제 2 기준 전위 다이오드가 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 제 1 기준 전위 스위치에 대해 직렬로 제 1 정류 인덕터가 연결될 수 있고 제 2 기준 전위 스위치에 대해 직렬로 제 2 정류 인덕터가 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 공급 회로는 공급 커패시터를 포함할 수 있으며, 이 공급 커패시터는 충전 회로의 2개의 입력 단자 사이에 연결되어 에너지 저장 모듈들을 충전하기 위한 충전 직류 전압을 공급하도록 구성된다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 공급 회로는, 일차 권선이 충전 회로의 2개의 입력 단자 사이에 연결되는 변압기와, 이 변압기의 이차 권선에 연결되어 에너지 저장 모듈들을 충전하기 위한 맥동 충전 직류 전압을 공급하도록 구성되는 풀 브리지 정류기를 포함한다.
본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 추가 실시예에 따라서, 전기 기계는 2상 기계, 특히 횡자속 기계일 수 있다.
본 발명의 실시예들의 추가 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들과 관련된 하기 설명에 제시된다.
도 1은 에너지 저장 장치를 포함한 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈을 도시한 개략도이다.
도 3은 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 에너지 저장 장치, 충전 회로, 및 직류 전압 탭 장치를 포함하는 시스템을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따른, 에너지 저장 장치, 충전 회로, 및 직류 전압 탭 장치를 포함하는 시스템을 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따른, 에너지 저장 장치, 충전 회로, 및 직류 전압 탭 장치를 포함하는 시스템을 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 추가 실시예에 따른, 에너지 저장 장치, 충전 회로, 및 직류 전압 탭 장치를 포함하는 시스템을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 추가 실시예에 따른, 에너지 저장 장치, 충전 회로, 및 직류 전압 탭 장치를 포함하는 시스템을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 추가 실시예에 따른, 에너지 저장 장치, 충전 회로, 및 직류 전압 탭 장치를 포함하는 시스템을 도시한 개략도이다.
도 10은 본 발명의 추가 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 작동 방법을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 추가 실시예에 따른 에너지 저장 장치의 제어를 위한 예시의 벡터 다이어그램을 나타낸 개략도이다.
도 1에는, 에너지 저장 모듈들(3) 내에 공급된 직류 전압을 n-상 교류 전압으로 전압 변환하기 위한 에너지 저장 장치(1)를 포함하는 시스템(100)이 개략도로 도시되어 있다. 에너지 저장 장치(1)는, 도 1에 예시로서 2개만 도시되어 있는 복수 개(n)의 에너지 공급 분기(Z)를 포함하며, 이들 에너지 공급 분기는 예컨대 2상 전기 기계(2)를 위한 2상 교류 전압을 생성하기에 적합하다. 그러나 분명한 점은, 다른 개수의 에너지 공급 분기(Z)도 가능할 수 있다는 점이다. 에너지 공급 분기들(Z)은 복수의 에너지 저장 모듈(3)을 포함할 수 있으며, 이들 에너지 저장 모듈은 에너지 공급 분기들(Z) 내에서 직렬 연결된다. 도 1에는, 예시로서, 에너지 공급 분기(Z)당 각각 3개의 에너지 저장 모듈(3)이 도시되어 있지만, 그러나 다른 개수의 에너지 저장 모듈(3)도 가능할 수 있다. 에너지 저장 장치(1)는 에너지 공급 분기들(Z) 각각에 출력 단자(1a, 1b)를 포함한다. 이 경우, 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b)은 전기 기계(2)의 위상 라인들(2a 또는 2b)에 연결된다. 전기 기계(2)는 예컨대 횡자속 기계(2)일 수 있으며, 이 횡자속 기계는 성형점(2d)에 연결되는 인덕터들(La 및 Lb)을 포함한다. 출력 단자들(1a, 1b)과 연결되지 않은 에너지 공급 분기들(Z)의 출력 단자들은 상호 간에 성형점에 갈바닉 연결되면서 함께 에너지 공급 장치(1)의 기준 전위 레일(4)을 형성한다. 이런 기준 전위 레일(4)의 기준 전위는 예컨대 접지 전위일 수 있다. 또한, 에너지 공급 장치(1)의 외부에 위치하는 기준 전위와 추가 연결 없이, 에너지 공급 분기들(Z)의 말단들이면서 성형점에 연결되는 상기 말단들의 전위는 정의에 의해 기준 전위(4)로서 결정될 수 있다.
기계(2)의 성형점(2d)은 추가 라인(2c), 즉 이른바 성형점 라인을 통해 에너지 공급 장치의 기준 전위 레일(4)과 연결된다.
시스템(100)은 그 밖에도 에너지 저장 장치(1)와 연결되는 제어 장치(6)를 포함할 수 있으며, 이 제어 장치에 의해 에너지 저장 장치(1)는 각각의 출력 단자들(1a, 1b, 1c)에 소정 출력 전압을 공급하기 위해 제어될 수 있다.
에너지 저장 모듈들(3)은 각각 2개의 출력 단자(3a 및 3b)를 포함하고, 이들 출력 단자를 통해 에너지 저장 모듈들(3)의 출력 전압이 공급될 수 있다. 에너지 저장 모듈들(3)은 일차로 직렬 연결되기 때문에, 에너지 저장 모듈들(3)의 출력 전압들은 합산되어 총 출력 전압을 형성하고, 이 총 출력 전압은 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b, 및 1c) 중 각각의 출력 단자로 공급될 수 있다.
에너지 저장 모듈들(3)의 예시에 따른 구성 형태들은 도 2 및 도 3에 더 상세하게 도시되어 있다. 이 경우, 에너지 저장 모듈들(3)은 각각 복수의 커플링 부재(7a, 7c 및 경우에 따라 7b 및 7d)를 구비한 커플링 장치(7)를 포함한다. 에너지 저장 모듈들(3)은 그 밖에도 각각 직렬 연결된 하나 이상의 에너지 저장 셀(5a 내지 5k)을 구비한 에너지 저장 셀 모듈(5)을 포함한다.
이 경우, 에너지 저장 셀 모듈(5)은 예컨대 직렬 연결된 에너지 저장 셀들(5a 내지 5k), 예컨대 리튬 이온 셀들을 포함할 수 있다. 이 경우, 도 2 및 도 3에 도시된 에너지 저장 모듈들(3)에서 에너지 저장 셀들(5a 내지 5k)의 개수는 예시로 2개이지만, 그러나 다른 수의 에너지 저장 셀(5a 내지 5k)도 가능하다.
에너지 저장 셀 모듈들(5)은 연결 라인들을 통해 대응하는 커플링 장치(7)의 입력 단자들과 연결된다. 커플링 장치(7)는 도 2에서 예시적으로 2개의 커플링 부재(7a, 7c) 및 2개의 커플링 부재(7b, 7d)를 각각 포함한 풀 브리지 회로로서 형성된다. 이 경우, 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은 각각 능동 스위칭 부재, 예컨대 반도체 스위치와 이에 대해 병렬 연결된 프리휠링 다이오드를 포함할 수 있다. 이 경우, 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은 이미 진성 다이오드를 포함하는 MOSFET 스위치로서, 또는 IGBT 스위치로서 형성될 수 있다. 대안으로서, 능동 스위칭 부재를 포함한 2개의 커플링 부재(7a, 7d)만을 각각 형성할 수 있으며, 그럼으로써 (도 3에 예시로 도시되어 있는 것처럼) 비대칭 하프 브리지 회로가 실현된다.
커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은, 각각의 에너지 저장 셀 모듈(5)이 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에 선택적으로 스위칭되는 방식으로, 또는 에너지 저장 셀 모듈(5)이 브리지되는 방식으로, 예컨대 도 1에 도시된 제어 장치(6)에 의해 제어될 수 있다. 도 2를 참조하면, 에너지 저장 셀 모듈(5)은, 커플링 부재(7d)의 능동 스위칭 부재 및 커플링 부재(7a)의 능동 스위칭 부재가 폐쇄된 상태로 되는 반면, 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. 하나의 브리지 상태(bridging state)는, 예컨대 커플링 부재들(7a 및 7b)의 두 능동 스위칭 부재가 폐쇄된 상태로 되는 반면, 커플링 부재들(7c 및 7d)의 두 능동 스위칭 부재는 개방된 상태로 유지되는 것을 통해 설정될 수 있다. 제 2 브리지 상태는, 커플링 부재들(7a 및 7b)의 두 능동 스위칭 부재가 개방된 상태로 유지되는 반면, 커플링 부재들(7c 및 7d)의 두 능동 스위칭 부재는 폐쇄된 상태로 되는 것을 통해 설정될 수 있다. 마지막으로, 에너지 저장 셀 모듈(5)은, 커플링 부재(7b)의 능동 스위칭 부재 및 커플링 부재(7c)의 능동 스위칭 부재가 폐쇄된 상태로 되는 반면, 커플링 부재들(7a 및 7d)의 나머지 두 능동 스위칭 부재는 개방된 상태로 됨으로써, 예컨대 역방향으로 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에 스위칭될 수 있다. 유사한 고려가 도 3의 비대칭 하프 브리지 회로에 대해서도 각각 이루어질 수 있다. 그러므로 커플링 장치들(7)의 적합한 제어를 통해, 에너지 저장 모듈들(3)의 개별 에너지 저장 셀 모듈들(5)은 의도대로 그리고 임의의 극성으로 에너지 공급 분기의 직렬 회로 내에 집적화될 수 있다.
예시로서, 도 1 내 시스템(100)은 예컨대 전기 구동 차량용 전기 구동 시스템에서 2상 전기 기계(2)의 전력 공급을 위해 사용된다. 그러나 에너지 저장 장치(1)는 전력망(2)을 위한 전류를 생성하기 위해 사용될 수도 있다.
한편으로 출력 단자들(1a, 1b)과 다른 한편으로는 기준 전위 레일(4) 사이에서 위상 전압의 생성을 위해, 통상적으로 에너지 저장 모듈들(3)의 에너지 저장 셀 모듈들(5) 중 일부분만이 필요하다. 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들(7)은, 에너지 공급 분기(Z)의 총 출력 전압이 한편으로 에너지 저장 모듈(3)의 개수와 곱해지는 개별 에너지 저장 셀 모듈(5)의 음의 전압 및 에너지 저장 모듈(3)의 개수와 곱해지는 개별 에너지 저장 셀 모듈(5)의 양의 전압과, 다른 한편으로는 개별 에너지 저장 모듈(3)을 통한 음의 정격 전류 및 양의 정격 전류 사이의 장방형 전압/전류 조정 범위에서 단계별로 설정될 수 있는 방식으로, 제어될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 상기 유형의 에너지 저장 장치(1)는 출력 단자들(1a, 1b)에 작동 중 상이한 시점들에서 여러 전위를 나타내며, 그로 인해 간단히 직류 전압원으로서 사용될 수 없다. 특히 전기 작동되는 차량의 전기 구동 시스템에서, 보통은, 에너지 저장 장치(1)에서부터 차량의 전기 시스템에, 예컨대 고전압 전기 시스템 또는 저전압 전기 시스템에 전력 공급하는 것이 바람직하다. 그러므로 에너지 저장 장치(1)에 연결되어, 이 에너지 저장 장치로부터 전력 공급받으면서, 예컨대 전기 작동되는 차량의 전기 시스템을 위한 직류 전압을 공급하도록 구성되는 직류 전압 탭 장치가 제공된다. 대안으로서 또는 추가로, 상기 직류 전압 탭 장치는, 적합한 실시예에서, 충전 회로를 이용하여, 에너지 공급 분기들(Z) 중 하나 또는 그 이상의 에너지 공급 분기의 에너지 저장 모듈들(3)에 충전 회로로부터 전기 에너지가 공급되는 방식으로, 상기 하나 또는 그 이상의 에너지 공급 분기에 충전 전류를 공급하기 위해 사용될 수 있다.
그러나 도 1에 도시된 에너지 공급 장치(1)의 실시예의 경우, 전기 기계의 필요한 위상 전압이 낮은 경우, 다시 말하면 상기 기계의 회전속도가 낮은 경우, 또는 전기 기계가 정지한 상태에서 출력 단자들(1a, 1b)과 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위(4) 사이에 낮은 전위차만이 주어진다는 제한 사항이 존재한다. 이런 경우에, 어떠한 유형이더라도 직류 전압 탭 장치의 출력단에서도, 이 직류 전압 탭 장치로부터 예컨대 전기 작동되는 차량의 전기 시스템에 전력 공급하기 위해 너무 낮을 뿐 아니라, 충전 전류의 공급을 통해 에너지 공급 장치에 충전 회로로부터 상당한 정도로 전기 에너지를 공급하기 위해서도 너무 낮은 직류 전압만이 공급될 수 있다. 성형점 라인(2c)을 통한, 전기 기계(2)의 성형점(2d)과 에너지 공급 장치의 기준 전위(4) 사이의 연결을 포함하지 않는 시스템들의 경우, 필요한 모터 전압이 낮을 때, 모든 에너지 공급 분기(Z)의 출력 전압들은 균일한 절댓값만큼 상승하거나 감소할 수 있다. 이는 출력 단자들(1a, 1b) 사이의 전위차에 어떠한 영향도 미치지 않지만, 출력 단자들(1a, 1b)과 기준 전위 레일(4) 사이에 직류 전압 탭 장치에 전력 공급하기에 충분한 전위차가 존재하게 하며, 그럼으로써 상기 직류 전압 탭 장치를 통해 예컨대 전기 작동되는 차량의 전기 시스템은 전기 에너지를 공급받을 수 있게 된다. 이런 가능성은, 특히 에너지 공급 장치(1)에 대한 전기 기계(2)의 성형점(2d)의 연결이 필요하지 않은, 3개 이상의 위상을 포함하는 시스템들에 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 시스템(100)의 경우, 상기 가능성은 생략된다. 상기 시스템의 경우, 에너지 공급 분기들(Z)의 출력 전압들의 균일한 상승 또는 감소는 직접 출력 단자들(1a, 1b) 및 전기 기계(2)의 권선을 통해 전기 기계의 성형점(2d)으로, 그리고 성형점 라인(2c)을 통해 다시 기준 전위 레일(4)로 매우 높은 단락 전류를 야기한다. 이런 단락 전류들은 전기 기계의 권선의 매우 낮은 옴 저항을 통해서만 제한되고, 짧은 시간 내에 전기 기계(2) 또는 에너지 공급 장치(1)의 파괴를 일으킬 수 있다. 그러나 특히 2개의 위상을 포함하는 시스템의 경우, 에너지 공급 장치(1)에 대한, 그리고 특히 에너지 공급 장치의 기준 전위 레일에 대한 전기 기계의 성형점(2d)의 연결이 필요하다. 그러나 그 결과, 도 1에 도시된 것과 같은 시스템(100)의 경우, 전기 기계(2)가 복잡하면서도 고가인 회로 장치를 통해 에너지 공급 장치(1)로부터 분리되지 않고서는, 기계의 정지 상태에서 차량의 전기 시스템을 위한 에너지가 제공될 수 없을뿐더러, 에너지 공급 장치(1)의 에너지 공급 모듈들(3)의 충전도 수행될 수 없다.
본 발명의 과제는, 전기 기계(2)의 모든 작동 상태에서 전기 시스템 전압의 공급뿐 아니라 에너지 공급 장치(1)의 에너지 공급 모듈들(3)을 충전도 가능하게 하는 것이며, 더 정확하게 말하면, 특히 전기 기계(2)의 성형점(2d)이 에너지 공급 장치(1)와 갈바닉 연결되는 시스템들의 경우에 상기 사항을 가능하게 하는 것이다.
도 4에는, 에너지 저장 장치(1)와 직류 전압 탭 장치(8)를 포함한 본 발명에 따른 시스템(200)이 개략도로 도시되어 있다. 에너지 공급 장치(1)는 본 발명에 따라 추가 에너지 공급 분기(Zs)를 포함한다. 이 추가 에너지 공급 분기는 자신의 일측 출력 단자를 통해 에너지 공급 장치(1)의 추가 출력 단자(1c)를 제공한다. 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 타측 출력 단자는 기준 전위 레일(4)과 연결된다. 그 밖에도, 본 발명에 따라, 전기 기계의 성형점(2d)은 성형점 라인을 통해 기준 전위 레일(4) 대신 추가 에너지 공급 분기(Zs)를 통해 제공되는 에너지 공급 장치의 출력 단자(1c)와 연결된다. 그 결과, 전기 기계(2)의 성형점(2d)의 전위는 더 이상 기준 전위(4)로 결정되는 것이 아니라, 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 출력 전압을 통해 변화될 수 있다.
직류 전압 탭 장치(8)는 한편으로 제 1 집전 단자들(8a, 8b, 및 8c)을 통해, 다른 한편으로는 기준 전위 단자(8d)를 통해 에너지 저장 장치(1)와 연결된다. 탭 단자들(8e 및 8f)에서는 직류 전압 탭 장치(8)의 직류 전압(UZK)이 탭될 수 있다. 탭 단자들(8e 및 8f)에는, 예컨대 전기 작동되는 차량의 전기 시스템을 위한 (미도시된) 직류 전압 컨버터가 연결될 수 있거나, 또는 [탭 단자들(8e 및 8f) 사이의 전압(UZK)과 전기 시스템 전압 사이의 조정이 적합한 경우] 상기 전기 시스템이 직접 연결될 수 있다.
직류 전압 탭 장치(8)는 제 1 하프 브리지 회로(9)를 포함하며, 이 하프 브리지 회로는 제 1 집전 단자들(8a, 8b, 8c)을 통해 각각 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자와 연결된다. 이 경우, 제 1 집전 단자들(8a, 8b, 8c)은 예컨대 시스템(200)의 위상 라인들(2a 내지 2b)에, 그리고 성형점 라인(2c)에 연결될 수 있다. 제 1 하프 브리지 회로(9)는 복수의 제 1 다이오드(9a)를 포함할 수 있고, 이들 제 1 다이오드는 집전 단자들(8a, 8b, 8c) 중 하나의 집전 단자에 각각 연결되며, 그럼으로써 다이오드들(9a)의 각각의 애노드들은 위상 라인들(2a, 2b) 또는 성형점 라인(2c)과 연결된다. 다이오드들(9a)의 캐소드들은 제 1 하프 브리지 회로(9)의 공통 집전점(collection point)에서 함께 연결된다.
제 1 하프 브리지 회로(9)는 그 밖에도 복수의 제 1 반도체 스위치(9c)를 포함할 수 있으며, 이들 반도체 스위치는 각각 복수의 제 1 다이오드(9a) 중 하나의 제 1 다이오드에 대해 직렬로 집전 단자들(8a, 8b, 8c) 중 하나의 집전 단자에 연결된다. 또한, 대안으로서, 반도체 스위치들(9c)이 역방향으로 차단 가능한 트랜지스터들로서 형성된다면, 제 1 다이오드들(9a)은 생략될 수 있다.
제 1 반도체 스위치들(9c)은 공통 집전점을 출력 단자들(1a 1b, 1c) 중 선택된 출력 단자와 선택적으로 연결할 수 있다. 그 결과, 예컨대 하프 브리지 회로(9)의 집전점에서, 접속된 위상 라인들(2a, 2b) 또는 성형점 라인(2c)의 순간 최고 전위가 각각 발생하는 것이 달성될 수 있다. 추가로 선택에 따라 복수의 제 1 정류 인덕터(9b)가 제공될 수 있으며, 이들 정류 인덕터는 제 1 반도체 스위치들(9c)과 제 1 하프 브리지 회로(9)의 집전점 사이에 각각 연결된다. 이 경우, 제 1 정류 인덕터들(9b)은, 제어로 인한 단계별 전위 변화로 인해 각각의 위상 라인들(2a 내지 2b) 또는 성형점 라인(2c)에서 일시적으로 발생할 수 있는 전위 변동을 완충할 수 있으며, 그럼으로써 제 1 다이오드들(9a) 및/또는 제 1 반도체 스위치들(9c)은 빈번한 정류 과정들을 통해 좀 더 약한 부하를 받게 된다.
하프 브리지 회로(9)는 자신의 집전점을 통해 승압형 컨버터(14)의 2개의 입력 단자 중 하나의 입력 단자와 각각 연결된다. 집전점과 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4) 사이에는 승압형 컨버터(14)를 통해 상승될 수 있는 전위차가 존재한다. 이 경우, 승압형 컨버터(14)는, 하프 브리지 회로(9)와 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4) 사이의 전위차에 따라서 직류 전압 탭 장치(8)의 탭 단자들(8e, 8f)에 직류 전압(UZK)을 공급하도록 구성된다. 승압형 컨버터(14)는 예컨대 컨버터 초크(10)와 출력 다이오드(11)를 직렬 회로로 포함할 수 있으며, 이 직렬 회로의 중심 탭(center tap)은 컨버터 스위칭 부재(12)를 기준 전위 레일(4)과 연결한다. 대안으로서, 컨버터 초크(10)는 기준 전위 레일(4)과 컨버터 스위칭 부재(12) 사이에 제공될 수 있거나, 또는 2개의 컨버터 초크(10)가 승압형 컨버터(14)의 두 입력 단자에 제공될 수 있다. 이와 유사한 사항은, 대안으로서 탭 단자(8f)와 컨버터 스위칭 부재(12) 사이에도 제공될 수 있는 출력 다이오드(11)에도 적용된다.
컨버터 스위칭 부재(12)는 예컨대 MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치와 같은 파워 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 예컨대 컨버터 스위칭 부재(12)를 위해, 정상 상태(normal condition)에서 차단되어 있는 n-채널 IGBT가 사용될 수 있다. 그러나 이 경우 명확한 점은, 모든 다른 파워 반도체 스위치가 컨버터 스위칭 부재(12)에도 사용될 수 있다는 점이다.
직류 전압 탭 장치(18)는 그 밖에도, 직류 전압 탭 장치(8)의 탭 단자들(8e, 8f) 사이에 스위칭되며, 승압형 컨버터(14)에 의해 출력되는 전류 펄스를 감쇠하고 그에 따라 승압형 컨버터의 출력단에 평활화된 직류 전압(UZK)을 생성하도록 구성되는 중간 회로 커패시터(13)를 포함할 수 있다. 그 다음, 중간 회로 커패시터(13)를 통해, 예컨대 전기로 작동되는 차량의 전기 시스템의 직류 전압 컨버터가 전력을 공급받을 수 있거나, 또는 상기 전기 시스템이 특정 경우들에 중간 회로 커패시터(13)에 직접 연결될 수 있다. 직류 전압 탭 장치(8)는 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4)과 연결되는 기준 단자(8d)를 추가로 포함한다.
도 4의 시스템(200)은 그 외에도, 충전 직류 전압(UN)이 공급될 수 있는 입력 단자들(36a, 36b)을 구비한 충전 회로(30)도 포함한다. 이 경우, 충전 직류 전압(UN)은 (미도시된) 회로 장치를 통해, 예컨대 직류 전압 컨버터, 또는 전력 계수 보정(PFC: "power factor correction") 기능을 갖는 제어식 또는 조절식 정류기 등을 통해 생성될 수 있다. 충전 직류 전압(UN)은 예컨대 입력 측에 연결되는 전력망을 통해 공급될 수 있다. 충전 회로(30)는 그 밖에도 중간 회로 커패시터(35)를 포함할 수 있으며, 이 중간 회로 커패시터를 통해 직류 전압이 탭될 수 있고, 이 중간 회로 커패시터는, 충전 직류 전압(UN)에 대한 충전 회로(30)의 입력 측뿐 아니라 출력 측 상에서의 맥동 전류의 반작용, 또는 충전 회로(30) 자체 내에서의 스위칭 과정들의 반작용을 대폭 감소시킨다. 충전 회로(30)의 공급 노드들(37a 및 37b) 상에서, 직류 성분(UL)을 갖는 충전 회로(30)의 출력 전압(uL)이 탭될 수 있다. UL은 하기에서 충전 직류 전압이라고도 한다.
이 경우, 공급 노드들(37a 및 37b)은, 한편으로 승압형 컨버터(14)와 연결되고 다른 한편으로는 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4)과 연결된다. 이 경우, 충전 회로(30)는 공급 노드들(37a 및 37b)에 연결된 에너지 저장 장치(1)를 충전하기 위해 사용된다. 특히 반도체 스위치들(9c)의 선택적인 스위칭을 통해 충전 직류(IL)는 에너지 공급 분기들(Z) 중 하나 이상의 에너지 공급 분기 내로, 그에 따라 대응하는 에너지 저장 모듈들(3) 내로 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼 공급될 수 있다.
충전 회로(30)는 반도체 스위치(33)와 프리휠링 다이오드(32)를 포함하며, 이들 두 부재는 컨버터 초크(10)와 함께 하나의 감압형 컨버터를 구현한다. 이 경우, 자명한 사실로서, 충전 회로(30)의 각각의 전류 경로들에 반도체 스위치(33)의 배치는 변경될 수 있으며, 그럼으로써 예컨대 반도체 스위치(33)는 공급 노드(37b)와 입력 단자(36b) 사이에 배치될 수 있다. 컨버터 초크(10)를 통해 흐르는 충전 전류(IL)에 대한 제어 변수로서, 예컨대 충전될 에너지 저장 모듈(3)의 출력 전압이 사용될 수 있거나, 또는 대안으로서 반도체 스위치(33)를 통해 구현되는, 감압형 컨버터의 듀티 사이클이 사용될 수 있다. 또한, 중간 회로 커패시터(35)에서 발생하는 입력 전압(UN)을 충전 전류(IL)에 대한 제어 변수로서 사용할 수도 있다.
감압형 컨버터는 예컨대 1의 일정한 듀티 사이클을 갖는 작동 상태에서도 작동될 수 있으며, 그럼으로써 반도체 스위치(33)는 지속적으로 폐쇄된 상태로 유지될 수 있다. 이 경우, 반도체 스위치(33)와 프리휠링 다이오드(32)를 포함한 프리휠링 경로가 생략될 수도 있다.
충전 회로(30)는 공급 노드들(37a 및 37b)을 통해 에너지 저장 장치(1)에 연결될 수 있다. 전압 생성 모드 동안 에너지 저장 장치(1)를 충전하기 위해, 공급 노드들(37a 및 37b) 사이의 충전 직류 전압(UL)은 전압(uDC)의 평균값(UDC)보다 평균적으로 더 높아야 한다. 반도체 스위치들(9c)이 각각 지속적으로 전도 상태로 스위칭되어 있다면, 충전 전류(IL)는, 일시적으로 바로 최고 전위가 발생하는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)를 통해 각각 흐른다. 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서, 다시 말하면 예컨대 구동 시스템(200)을 이용하여 전기 작동되는 차량의 주행 모드에서, 상기 최고 전위는 기준 전위 레일(4) 상에서 발생하는 전위에 비해 양의 값이다. 그 결과, 각각의 에너지 공급 분기(Z)에서 추가 에너지가 인출되고 주행 모드 동안 충전은 불가능하다.
그러므로 양의 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(30)를 연결할 수도 있는 반도체 스위치(9c)를 일시적으로 차단하는 것이 제공된다. 특히 순간 최소의 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(30)를 연결하는 반도체 스위치(9c)만이 폐쇄될 수 있다. 상기 최소 출력 전위는 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서 일반적으로 기준 전위 레일(4)의 기준 전위에 비해 음의 값이다. 그 결과, 충전 전류(IL)는 에너지 저장 장치(1)의 에너지 저장 분기(Z 내지 Zs)이면서 음의 출력 전압으로 인해 바로 충전 대기 상태에 있는 상기 에너지 저장 분기의 에너지 저장 모듈들(3) 내로 선택적으로 공급될 수 있다.
하프 브리지 회로(9)의 반도체 스위치들(9c)의 제어는 예컨대 에너지 저장 장치(1)의 제어 장치(6)를 통해 수행될 수 있다.
도 5에는, 에너지 저장 장치(1) 및 직류 전압 탭 장치(8)를 포함하는 시스템(300)이 개략도로 도시되어 있다. 시스템(300)은, 실질적으로 직류 전압 탭 장치(8) 및 충전 회로(30)가 기준 전위 레일(4) 또는 하프 브리지 회로(9)와 역극성으로 연결되어 있다는 점에서, 도 4에 도시된 시스템(200)과 다르다. 특히 제 1 공급 노드(37a)는 하프 브리지 회로(9)의 집전점과 연결되고, 제 2 공급 노드(37b)는 승압형 컨버터(14)와 연결된다. 컨버터 초크(10)는 기준 단자(8d)를 통해 기준 전위 레일(4)과 연결된다.
하프 브리지 회로(9)의 집전점은 반도체 스위치들(9c) 및/또는 다이오드들(9a)의 역접속을 통해 도 4에서처럼 캐소드 집전점으로서가 아니라, 애노드 집전점으로서 형성된다. 도 5에서 반도체 스위치들(9c)의 기능에 대해서는 도 4에 대해 설명된 것과 같은 상응하는 사항이 적용된다.
전압 생성 모드 동안 에너지 저장 장치(1)를 충전하기 위해, 공급 노드들(37a 및 37b) 사이의 충전 직류 전압(UL)은 직류 전압(uDC)의 평균값(UDC)보다 평균적으로 더 높아야 한다. 반도체 스위치들(9c)이 각각 지속적으로 전도 상태로 스위칭되어 있다면, 충전 전류(IL)는 각각 일시적으로 바로 최소 전위가 발생하는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)를 통해 흐른다. 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서, 다시 말하면, 구동 시스템(300)을 이용하여 전기 작동되는 차량의 주행 모드에서, 상기 최소 전위는 기준 전위 레일(4)에서 발생하는 전위에 비해 음의 값이다. 그 결과 각각의 에너지 공급 분기(Z)에서 추가 에너지가 인출되고 주행 모드 동안 충전은 불가능하다.
그러므로 음의 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(30)를 연결할 수도 있는 반도체 스위치(9c)를 일시적으로 차단하는 것이 제공된다. 특히 순간 최고 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(30)를 연결하는 반도체 스위치(9c)만이 폐쇄될 수 있다. 이런 최고 출력 전위는 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서 일반적으로 기준 전위 레일(4)의 기준 전위에 비해 양의 값이다. 그 결과, 충전 전류(IL)는 에너지 저장 장치(1)의 에너지 저장 분기(Z 내지 Zs)이면서 양의 출력 전압으로 인해 바로 충전 대기 상태에 있는 상기 에너지 저장 분기의 에너지 저장 모듈들(3) 내로 선택적으로 공급될 수 있다.
하프 브리지 회로(9)의 반도체 스위치(9c)의 제어는 예컨대 에너지 저장 장치(1)의 제어 장치(6)를 통해 수행될 수 있다.
도 6에는, 에너지 저장 장치(1) 및 상기 직류 전압 탭 장치(8)를 포함하는 시스템(400)이 개략도로 도시되어 있다. 직류 전압 탭 장치(8)는 한편으로 제 1 집전 단자들(8a, 8b 및 8c)을 통해, 다른 한편으로는 기준 전위 단자(8d)를 통해 에너지 저장 장치(1)와 연결된다. 탭 단자들(8e 및 8f)에서 직류 전압 탭 장치(8)의 직류 전압(UZK)이 탭될 수 있다. 탭 단자들(8e 및 8f)에는, 예컨대 전기 작동되는 차량의 전기 시스템을 위한 (미도시된) 직류 전압 컨버터가 연결될 수 있거나, 또는 [탭 단자들(8e 및 8f) 사이의 전압(UZK)과 전기 시스템 전압 간의 조정이 적합한 경우] 상기 전기 시스템이 직접 연결될 수 있다.
직류 전압 탭 장치(8)는 제 1 하프 브리지 회로(9)를 포함하며, 이 하프 브리지 회로는 제 1 집전 단자들(8a, 8b, 8c)을 통해 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결된다. 이 경우, 제 1 집전 단자들(8a, 8b, 8c)은 예컨대 시스템(400)의 위상 라인들(2a 내지 2b)에, 또는 성형점 라인(2c)에 연결될 수 있다. 제 1 하프 브리지 회로(9)는 복수의 제 1 다이오드(9a)를 포함할 수 있고, 이들 제 1 다이오드는 집전 단자들(8a, 8b, 8c) 중 하나의 집전 단자에 각각 연결되며, 그럼으로써 다이오드들(9a)의 애노드들은 각각 위상 라인들(2a, 2b) 또는 성형점 라인(2c)과 연결된다. 다이오드들(9a)의 캐소드들은 제 1 하프 브리지 회로(9)의 공통 집전점에서 함께 연결된다.
제 1 하프 브리지 회로(9)는 그 밖에도 복수의 제 1 반도체 스위치(9c)를 포함할 수 있으며, 이들 반도체 스위치는 각각 복수의 제 1 다이오드(9a) 중 하나의 제 1 다이오드에 대해 직렬로 집전 단자들(8a, 8b, 8c) 중 하나의 집전 단자에 연결된다. 또한, 대안으로서, 반도체 스위치들(9c)이 역방향으로 차단 가능한 트랜지스터들로서 형성된다면, 제 1 다이오드들(9a)은 생략될 수 있다.
제 1 반도체 스위치들(9c)은 공통 집전점을 출력 단자들(1a 1b, 1c) 또는 위상 라인들(2a, 2b), 또는 성형 라인(2c) 중에서 선택된 대상과 선택적으로 연결할 수 있다. 그 결과, 예컨대 하프 브리지 회로(9)의 집전점에서, 접속된 위상 라인들(2a, 2b) 또는 성형점 라인(2c)의 순간 최고 전위가 각각 발생하는 것이 달성될 수 있다. 추가로 선택에 따라 복수의 제 1 정류 인덕터(9b)가 제공될 수 있으며, 이들 정류 인덕터는 제 1 반도체 스위치들(9c)과 제 1 하프 브리지 회로(9)의 집전점 사이에 각각 연결된다. 이 경우, 제 1 정류 인덕터들(9b)은, 제어로 인한 단계별 전위 변화로 인해 각각의 위상 라인들(2a 내지 2b) 또는 성형점 라인(2c)에서 일시적으로 발생할 수 있는 전위 변동을 완충할 수 있으며, 그럼으로써 제 1 다이오드들(9a) 및/또는 제 1 반도체 스위치들(9c)은 빈번한 정류 과정들을 통해 좀 더 약한 부하를 받게 된다.
하프 브리지 회로(9)는 집전점을 통해 승압형 컨버터(14)의 2개의 입력 단자 중 하나의 입력 단자와 각각 연결된다. 집전점과 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4) 사이에는 승압형 컨버터(14)를 통해 상승될 수 있는 전위차가 존재한다. 이 경우, 승압형 컨버터(14)는, 하프 브리지 회로(9)와 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4) 사이의 전위차에 따라서 직류 전압 탭 장치(8)의 탭 단자들(8e, 8f)에 직류 전압(UZK)을 공급하도록 구성된다. 승압형 컨버터(14)는 예컨대 컨버터 초크(10)와 출력 다이오드(11)를 직렬 회로로 포함할 수 있으며, 이 직렬 회로의 중심 탭(center tap)은 컨버터 스위칭 부재(12)를 기준 전위 레일(4)과 연결한다. 대안으로서, 컨버터 초크(10)는 기준 전위 레일(4)과 컨버터 스위칭 부재(12) 사이에 제공될 수 있거나, 또는 2개의 컨버터 초크(10)가 승압형 컨버터(14)의 두 입력 단자에 제공될 수 있다. 이와 유사한 사항은, 대안으로서 탭 단자(8f)와 컨버터 스위칭 부재(12) 사이에도 제공될 수 있는 출력 다이오드(11)에도 적용된다.
컨버터 스위칭 부재(12)는 예컨대 MOSFET 스위치 또는 IGBT 스위치와 같은 예컨대 파워 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 예컨대 컨버터 스위칭 부재(12)를 위해, 정상 상태(normal condition)에서 차단되어 있는 n-채널 IGBT가 사용될 수 있다. 그러나 이 경우 명확한 점은, 다른 파워 반도체 스위치가 컨버터 스위칭 부재(12)를 위해 사용될 수 있다는 것이다.
직류 전압 탭 장치(18)는 그 밖에도, 직류 전압 탭 장치(8)의 탭 단자들(8e, 8f) 사이에 스위칭되며, 승압형 컨버터(14)에서 출력되는 전류 펄스를 감쇠하고 그에 따라 승압형 컨버터의 출력단에서 평활화된 직류 전압(UZK)을 생성하도록 구성되는 중간 회로 커패시터(13)를 포함할 수 있다. 그 다음, 중간 회로 커패시터(13)를 통해, 예컨대 전기 작동되는 차량의 전기 시스템의 직류 전압 컨버터가 전력을 공급받을 수 있거나, 또는 상기 전기 시스템이 특정 경우들에 중간 회로 커패시터(13)에 직접 연결될 수 있다. 직류 전압 탭 장치(8)는 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4)과 연결되는 기준 단자(8d)를 추가로 포함한다.
도 6의 시스템(400)은 그 외에도, 충전 교류 전압(uch)이 공급될 수 있는 입력 단자들(46a, 46b)을 구비한 충전 회로(40)도 포함한다. 이 경우, 충전 교류 전압(uch)은 (미도시된) 회로 장치를 통해, 예컨대 인버터 풀 브리지 등을 통해 생성될 수 있다. 충전 교류 전압(uch)은 바람직하게는 구형파의 불연속 또는 연속 파형과 높은 기본 주파수를 갖는다. 충전 교류 전압(uch)은 예컨대 입력 측에 연결된 전력망을 통해, 또는 각각 하류에 연결된 교류 또는 컨버터 회로를 포함한 이른바 범위 확장기의 제너레이터를 통해 공급될 수 있다. 충전 회로(40)는 그 밖에도 변압기(45)를 포함할 수 있으며, 이 변압기의 일차 권선은 입력 단자들(46a, 46b)과 연결된다. 변압기(45)의 이차 권선은 4개의 다이오드로 이루어진 풀 브리지 정류기 회로(44)와 연결될 수 있으며, 이 풀 브리지 정류기 회로의 출력단에서는 맥동 직류 전압이 탭될 수 있다. 맥동 직류 전압의 간격 길이의 변동은, 변압기(45')의 일차 권선에 인가된 충전 교류 전압(uch)과 그에 따라 변압기(45)의 이차 권선 상의 상응하는 이차 전압이 0의 값을 갖는 시간 간격의 변동을 통해 수행될 수 있다. 이 경우, 충전 회로(40)는 공급 노드들(47a 및 47b)에 연결된 에너지 저장 장치(1)를 충전하기 위해 사용된다. 특히 반도체 스위치(9c)의 선택적 스위칭을 통해, 충전 직류(IL)는 에너지 저장 분기들(Z) 중 하나 이상의 에너지 저장 분기 내로, 그에 따라 대응하는 에너지 저장 모듈들(3) 내로 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼 공급될 수 있다.
충전 회로(40)는 프리휠링 다이오드(42)를 포함하며, 승압형 컨버터(14)의 컨버터 초크(10)는 풀 브리지 정류기 회로(44)에 의해 공급되는 맥동 직류 전압을 평활화하기 위해 사용된다. 컨버터 초크(10)를 통해 흐르는 충전 전류(IL)에 대한 제어 변수로서는 예컨대 충전할 에너지 저장 장치의 출력 전압, 예컨대 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼 에너지 저장 모듈들(3)의 열 또는 에너지 저장 장치(1)의 분기의 출력 전압이 사용될 수 있거나, 또는 대안으로서 맥동 직류 전압(uL)의 직류 성분(UL)이 사용될 수 있다.
추가 실시예에서, 프리휠링 다이오드(42)가 대체 없이 생략될 수 있다. 이런 경우에, 풀 브리지 정류기 회로(44)의 다이오드들이 프리휠링 다이오드(42)의 기능을 추가로 담당한다. 그 결과, 부품은 절약되지만, 그러나 그 대가로 충전 회로(40)의 효율성은 떨어진다.
충전 회로(40)는 공급 노드들(47a 및 47b)을 통해 에너지 저장 장치(1)에 연결된다. 전압 생성 모드 동안 에너지 저장 장치(1)를 충전하기 위해, 공급 노드들(47a 및 47b) 사이의 전압(uL)의 직류 성분, 다시 말해 충전 직류 전압(UL)은 전압(uDC)의 평균값(UDC)보다 평균적으로 더 높아야 한다. 반도체 스위치들(9c)이 각각 지속적으로 전도 상태로 스위칭되어 있다면, 충전 전류(IL)는 각각 일시적으로 바로 최고 전위가 발생하는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)를 통해 흐른다. 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서, 다시 말하면, 구동 시스템(400)을 이용하여 전기로 작동되는 차량의 주행 모드에서, 상기 최고 전위는 기준 전위 레일(4)에서 발생하는 전위에 비해 양의 값이다. 그 결과 각각의 에너지 공급 분기(Z)에서 추가 에너지가 인출되고 주행 모드 동안 충전은 불가능하다.
그러므로 양의 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(40)를 연결할 수도 있는 반도체 스위치(9c)를 일시적으로 차단하는 것이 제공된다. 특히 순간 최소 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(40)를 연결하는 반도체 스위치(9c)만이 폐쇄될 수 있다. 이런 최소 출력 전위는 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서 일반적으로 기준 전위 레일(4)의 기준 전위에 비해 음의 값이다. 그 결과, 충전 전류(IL)는 에너지 저장 장치(1)의 에너지 공급 분기(Z 내지 Zs)이면서 음의 출력 전압으로 인해 바로 충전 대기 상태에 있는 상기 에너지 공급 분기의 에너지 저장 모듈들(3) 내로 선택적으로 공급될 수 있다.
하프 브리지 회로(9)의 반도체 스위치들(9c)의 제어는 예컨대 에너지 저장 장치(1)의 제어 장치(6)를 통해 수행될 수 있다.
도 7에는, 에너지 저장 장치(1)와 직류 전압 탭 장치(8)를 포함하는 시스템(500)이 개략도로 도시되어 있다. 시스템(500)은, 실질적으로 직류 전압 탭 장치(8) 및 충전 회로(40)가 기준 전위 레일(4) 또는 하프 브리지 회로(9)와 역극성으로 연결되어 있다는 점에서 도 6에 도시된 시스템(400)과 구별된다. 특히 제 1 공급 노드(47a)는 하프 브리지 회로(9)의 집전점과 연결되고 제 2 공급 노드(47b)는 감압형 컨버터(14)와 연결된다. 컨버터 초크(10)는 기준 단자(8d)를 통해 기준 전위 레일(4)과 연결된다.
하프 브리지 회로(9)의 집전점은 반도체 스위치들(9c) 및/또는 다이오드들(9a)의 역접속을 통해 도 6에서처럼 캐소드 집전점으로서가 아니라, 애노드 집전점으로서 형성된다. 도 7에서 반도체 스위치들(9c)의 기능성에 대해서는 도 6에 대해 설명된 것과 같은 상응하는 사항이 적용된다.
전압 생성 모드 동안 에너지 저장 장치(1)를 충전하기 위해, 공급 노드들(47a 및 47b) 사이의 충전 직류 전압(UL)은 전압(uDC)의 평균값(UDC)보다 더 높아야 한다. 반도체 스위치들(9c)이 각각 지속적으로 전도 상태로 스위칭되어 있다면, 충전 전류(IL)는 각각 일시적으로 바로 최소 전위가 발생하는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)를 통해 흐른다. 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서, 다시 말하면, 구동 시스템(500)을 이용하여 전기 작동되는 차량의 주행 모드에서, 상기 최소 전위는 기준 전위 레일(4)에서 발생하는 전위에 비해 음의 값이다. 그 결과 각각의 에너지 공급 분기(Z)에서 추가 에너지가 인출되고 주행 모드 동안 충전은 불가능하다.
그러므로 음의 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(30)를 연결할 수도 있는 반도체 스위치(9c)를 일시적으로 차단하는 것이 제공된다. 특히 순간 최고 출력 전위를 갖는 출력 단자(1a, 1b 또는 1c)와 충전 회로(40)를 연결하는 반도체 스위치(9c)만이 폐쇄될 수 있다. 이런 최고 출력 전위는 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서 일반적으로 기준 전위 레일(4)의 기준 전위에 비해 양의 값이다. 그 결과, 충전 전류(IL)는 에너지 저장 장치(1)의 에너지 저장 분기(Z 내지 Zs)이면서 양의 출력 전압으로 인해 바로 충전 대기 상태에 있는 상기 에너지 저장 분기의 에너지 저장 모듈들(3) 내로 선택적으로 공급될 수 있다.
하프 브리지 회로(9)의 반도체 스위치들(9c)의 제어는 예컨대 에너지 저장 장치(1)의 제어 장치(6)를 통해 수행될 수 있다.
도 8에는, 에너지 저장 장치(1)와 직류 전압 탭 장치(8)뿐 아니라 충전 회로(30)도 포함하는 시스템(600)이 개략도로 도시되어 있다. 시스템(600)은, 직류 전압 탭 장치(8)가, 제 2 집전 단자들(8g, 8h, 8i)을 통해 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되는 제 2 하프 브리지 회로(15)를 포함한다는 점에서 실질적으로 도 4의 시스템(200)과 다르다. 이 경우, 제 2 집전 단자들(8g, 8h, 8i)은 예컨대 시스템(600)의 위상 라인들(2a, 2b)에, 또는 성형점 라인(2c)에 연결될 수 있다. 제 2 하프 브리지 회로(15)는 복수의 제 2 다이오드(15a)를 포함하며, 이들 제 2 다이오드는 제 2 집전 단자들(8g, 8h, 8i) 중 하나의 제 2 집전 단자에 연결되며, 그럼으로써 다이오드들(15a)의 캐소드들은 각각 위상 라인들(2a, 2b) 또는 성형점 라인(2c)과 연결된다. 다이오드들(15a)의 애노드들은 제 2 하프 브리지 회로(15)의 공통 집전점에서 함께 연결된다.
제 2 하프 브리지 회로(15)는 그 밖에도 복수의 제 2 반도체 스위치(15c)를 포함할 수 있으며, 이들 반도체 스위치는 각각 복수의 제 2 다이오드(15a) 중 하나의 제 2 다이오드에 대해 직렬로 집전 단자들(8a, 8b, 8c) 중 하나의 집전 단자에 연결된다. 또한, 대안으로서, 반도체 스위치들(15c)이 역방향으로 차단 가능한 트랜지스터들로서 형성된다면, 제 2 다이오드들(15a)이 생략될 수 있다.
제 2 반도체 스위치들(15c)은 공통 집전점을 출력 단자들(1a 1b, 1c) 또는 위상 라인들(2a, 2b), 또는 성형 라인(2c) 중에서 선택된 대상과 선택적으로 연결할 수 있다. 그 결과, 예컨대 하프 브리지 회로(15)의 집전점에서, 접속된 위상 라인들(2a, 2b) 내지 성형점 라인(2c)의 순간 최고 전위가 각각 발생하는 것이 달성될 수 있다. 이 경우, 제 2 정류 인덕터들(15b)은, 제어로 인한 단계별 전위 변화로 인해 각각의 위상 라인들(2a 내지 2b) 및 성형점 라인(2c)에서 일시적으로 발생할 수 있는 전위 변동을 완충할 수 있으며, 그럼으로써 제 2 다이오드들(15a)은 빈번한 정류 과정들을 통해 좀 더 약한 부하를 받게 된다.
제 1 및 제 2 하프 브리지 회로(9 및 15)는 함께 풀 브리지 정류기를 형성하며, 이 풀 브리지 정류기는 최고 순간 전위차로 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 또는 위상 라인들(2, 2b) 및 성형점 라인(2c) 중 2개의 대상을 상호 간에 스위칭할 수 있게 한다. 그 밖에도, 차단하거나 폐쇄된 반도체 스위치들(9c 및 15c)의 상응하는 선택을 통해, 에너지 저장 장치(1)의 전압 생성 모드에서도, 제 1 및 제 2 하프 브리지 회로(9 및 15)를 통해 상호 간에 연결된 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 또는 위상 라인들(2a, 2b) 및 성형점 라인(2c) 간의 전위차가, 대응하는 에너지 저장 분기들(Z 내지 Zs)의 에너지 저장 모듈들(3)에 충전 직류(IL)의 공급을 통해 전기 에너지가 공급되는 방식으로 편극되는 것이 보장될 수 있다.
또한, 시스템(600)은 선택에 따라 기준 전위 스위치들(53 내지 63)로서 반도체 스위치들을 구비한 보상 분기들(50 내지 60)을 포함하며, 이들 보상 분기는 제 1 및 제 2 하프 브리지 회로(9 및 15)의 두 집전점을 각각 선택적으로 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4) 쪽에 연결할 수 있다. 기준 전위 스위치들(53 내지 63)에 대해 직렬로는 각각 선택에 따라 기준 전위 다이오드들(51 내지 61)이 연결될 수 있다.
기준 전위 스위치들(53 내지 63)을 통해, 하프 브리지 회로들(9 및 15)의 집전점들 중 하나의 집전점에서 발생하는 전위로서는, 기준 전위 레일(4)에서 발생하는 기준 전위가 선택될 수 있다. 이는, 위상 라인들(2a, 2b)과 성형점 라인(2c) 사이에서 전기 기계의 스테이터 전압이 낮을 경우에도, 예컨대 전기 기계(2)의 회전 속도가 낮거나, 또는 정지한 경우에도, 전기 기계(2)의 성형점 전위가 기준 전위와는 다르게 선택됨으로써, 하프 브리지 회로들(9 및 15)의 집전점들 사이에 충분히 높은 전위차를 보장하는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 전기 기계(2)의 성형점(2d)에서의 성형점 전위는 기준 전위에 대해 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 출력 전압만큼 직접적으로 변위된다.
전기 기계(2)의 스테이터 전압에 대한 영향을 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 출력 전압을 통해 보상하기 위해, 다른 에너지 공급 분기들(Z)의 출력 전압들도 동일한 방식으로 추가 에너지 저장 분기(Zs)의 출력 전압만큼 가산적으로 보정된다. 정류 과정들을 통한 변동을 보상하기 위해, 각각의 기준 전위 다이오드들(51 내지 61) 및 기준 전위 스위치들(53 내지 63)에 대해 직렬로 각각 추가 정류 인덕터들(52 내지 62)이 연결될 수 있다. 이 경우, 기준 전위 스위치(53)는, 기준 전위 레일(4)로부터 충전 회로(30)로 충전 직류(IL)의 역류를 허용하여 상기 충전 직류(IL)가 하프 브리지(15)의 애노드 집전점 및 하프 브리지의 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자를 통해 에너지 공급 장치로 공급되게 함으로써, 에너지 공급 장치(1)의 에너지 저장 모듈들(3)을 충전하기 위한 양의 값으로까지 전기 기계(2)의 성형점 전위의 변위를 이용할 수 있게 한다. 이에 상응하는 방식으로, 기준 전위 스위치(63)는, 에너지 공급 장치(1)의 기준 전위 레일(4) 내로 충전 직류(IL)의 공급을 허용하여 상기 충전 직류(IL)가 에너지 공급 장치의 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자 및 하프 브리지(9)의 캐소드 집전점을 통해 충전 회로(30) 쪽으로 역류하게 함으로써, 에너지 공급 장치(1)의 에너지 저장 모듈들(3)을 충전하기 위한 음의 값으로까지 전기 기계(2)의 성형점 전위의 변위를 이용할 수 있게 한다. 또한, 두 보상 분기 중 하나의 보상 분기(50 또는 60)만을 포함하는 직류 전압 탭 장치(8)를 형성할 수도 있다. 이런 경우에, 기준 전위에 대해 전기 기계(2)의 성형점 전위의 변위는 한 방향으로만 가능하다.
도 9에는, 에너지 저장 장치(1) 및 직류 전압 탭 장치(8)를 포함하는 추가 시스템(700)이 도시되어 있다. 도 9의 시스템(700)은, 도 4 및 도 5와 관련하여 기술한 충전 회로(30) 대신, 도 6 및 도 7과 관련하여 기술한 충전 회로(40)가 사용된다는 점에서, 도 8 내 시스템(600)과 구별된다.
제시한 회로 장치들의 모든 스위칭 부재는 파워 반도체 스위치들, 예컨대 평상시 차단하거나, 또는 평상시 전도하는 n 또는 p-채널 IGBT 스위치들 또는 상응하는 MOSFET 스위치들을 포함할 수 있다. 역방향 차단성을 갖는 파워 반도체 스위치들을 사용할 경우, 다이오드들을 포함하는 상응하는 직렬 회로들은 생략될 수 있다.
도 4 내지 도 9의 전기 구동 시스템들(200, 300, 400, 500, 600 및 700)에 추가 에너지 공급 분기(Zs)를 사용하는 것을 통해, 기준 전위 레일(4)과 성형점 라인(2c) 사이에 각각 전위차가 형성될 수 있으며, 그럼으로써 전기 기계(2)의 성형점(2d)에서 성형점 변위가 가능해지며, 다시 말하면, 전기 기계(2)의 위상들(La 및 Lb)에서 상대 전압들이 변동되지 않으면서 모든 에너지 공급 분기(Z 내지 Zs)의 출력 전압들이 동일한 절댓값만큼 기준 전위에 비해 상승될 수 있다. 따라서 전기 기계(2)의 작동 전압이 낮을 경우에도, 기준 전위에 비해 위상 라인들(2a 및 2b) 또는 성형점 라인(2c)의 충분히 큰 전위 강하가 보장될 수 있다. 이는 주행 모드 동안뿐만 아니라 정지 시에도 각각의 충전 회로를 통한 에너지 저장 장치(1)의 충전을 가능하게 한다. 이 경우, 특히 3상 전기 기계를 포함하는 전기 구동 시스템에서도 사용될 수 있는 동일한 충전 회로들 및 직류 전압 탭 장치들이 사용될 수 있다. 에너지 저장 장치(1)의 충전이 정지 시에만 수행될 수 있도록 한다면, 반도체 스위치들(9c, 15c, 53 내지 63)이 생략될 수 있고 하프 브리지들(9 내지 15) 및 보상 분기들(50 내지 60)은 다이오드들(9a, 15a, 51 내지 61)만으로 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 9의 전기 구동 시스템들(200, 300, 400, 500, 600 및 700)에는, 각각 2상 전기 기계들(2)은 횡자속 기계로서 도시되어 있다. 그러나 이 경우 분명한 점은, 전기 기계(2)의 위상의 개수는 2개보다 많을 수 있으며, 에너지 공급 분기(Z)의 개수도 그에 따라 조정될 수 있다는 점이다. 이 경우, 추가 출력 단자와 전기 기계(2)의 성형점(2d)을 연결하는 추가 에너지 공급 분기(Zs)가 항상 제공된다.
도 10에는, 도 4 내지 도 9의 전기 구동 시스템(200, 300, 400, 500, 600 및 700)을 포함하는 전기로 작동되는 차량의 에너지 저장 장치(1)를 작동시키기 위한 방법(80)이 개략도로 도시되어 있다.
제 1 단계 81에서, 에너지 저장 장치(1)의 n-1개의 출력 단자들 중 제 1 출력 단자(1a)의 출력 전압과 출력 단자들 중 나머지 출력 단자(1c)의 출력 전압의 차로서 n-1상 전기 기계(2)의 위상 단자들 중 제 1 위상 단자(2a)에서 제 1 기계 전압을 설정하는 것이 수행된다. 이와 동일하게, 단계 82에서는, 에너지 저장 장치(1)의 n-1개의 출력 단자들 중 제 2 출력 단자(1b)의 출력 전압과 출력 단자들 중 나머지 출력 단자(1c)의 출력 전압 사이의 차로서 n-1상 전기 기계(2)의 위상 단자들 중 제 2 위상 단자(2b)에서 제 2 기계 전압을 설정하는 것이 수행된다. 이 경우, 제 1 기계 전압은 벡터 다이어그램에서 제 2 기계 전압에 비해 90°만큼 위상 변위된다.
도 11에는, 예시로서, 전기 구동 시스템, 특히 도 4 내지 도 9의 전기 구동 시스템들(200, 300, 400, 500, 600 및 700) 중 하나의 전기 구동 시스템의 작동 방법을 실시하기 위한 벡터 다이어그램이 도시되어 있다.
전기 기계(2)의 작동을 위해 필요한 위상 전압들은, 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 사용을 통해, 각각 연결된 에너지 공급 분기들(Z)과 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 출력 전압들의 차로서 주어진다. 예컨대 제 1 인덕터(La)에서 위상 전압(uUW)은 uUW = UU - UW이다. 이와 동일하게, 제 2 인덕터(Lb)에서 위상 전압(uVW)은 uVW = UV - UW이며, UU 및 UV는 에너지 공급 분기들(Z)의 각각의 출력 전압이고 UW는 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 출력 전압이다. 이 경우, 위상 전압들(uUW 및 uVW)의 두 복합 벡터는 동일한 절댓값을 갖고 90°만큼 상호 간에 위상 변위된다.
에너지 저장 장치(1)의 작동 모드에서, 바람직하게는, 에너지 공급 분기들(Z) 각각 및 추가 에너지 공급 분기(Zs)는 동일한 정도로 전기 기계(2)의 전력에 기여할 수 있다. 무효 전력 없는 기계 작동을 위해, 다시 말하면 기계(2)의 위상 전압들과 각각의 기계 전류들 사이의 위상 각도가 φ = 0°인 경우, 위상 전압들(uUW 및 uVW)의 전압 벡터들은 출력 단자들(1a, 1b 및 1c)에서 출력 전압들의 상응하는 설정에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, UW = (i-1)/3*U, UU = (2+i)/3*U, 및 UW = (-1-2i)/3*U이며, 여기서 U는 위상 전압들(uUW 및 uVW)의 전압 벡터들의 정규화된 벡터 진폭이다.
그러나 위상 각도(φ)가 0°에서 점점더 멀어질수록, 다시 말하면 추가 무효 전력이 소비될 때, 추가 에너지 공급 분기(Zs)는 변함없이 1/3만큼만 전력 소모량에 기여할 수도 있긴 하지만, 그러나 다른 에너지 공급 분기들(Z)의 상호 간 전력 분배는 비대칭이 될 수도 있다. 한편, 위상 각도(φ)와 무관하게, 에너지 공급 분기들(Z 및 Zs) 간에 대칭의 전력 분배를 보장하기 위해, 위상 각도(φ)의 의존성이 고려되어야 한다. 이 경우, 출력 전압들은 U'W = (i-1)/6*U*(1+e-2iφ), U'U = (5+i+(i-1)*e-2iφ)/6*U, 및 U'W = (-1-5i+(i-1)*e-2iφ)/6*U으로서 선택될 수 있다.
이처럼 생성되는 위치 곡선들[OU(φ), OV(φ), 및 OW(φ)]은 도 11에 파선으로 도시되어 있다. 그 외에도, 30°(모터 작동 모드) 및 160°(제널레이터 작동 모드)의 위상 각도(φ)에 대한 2개의 예시적인 값이 특히 강조되어 표시되어 있다.
설정될 전압이 위치 곡선들[OU(φ), OV(φ), 및 OW(φ)]을 따른다면, 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 최대 공급될 전류는 에너지 공급 분기들(Z)의 최대 공급될 전류보다 약 절반만큼 더 높다는 것이 확인된다. 그와 반대로, 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 최대 전압 진폭은 기계(2)의 설정된 위상 전압들의 약 절반일 뿐이다. 그러므로 예컨대 추가 에너지 공급 분기(Zs)에서 2개 이상의 에너지 공급 모듈(3)의 병렬 회로뿐 아니라 에너지 공급 분기들(Z)에 비해 직렬 연결된 에너지 공급 모듈들(3)의 감소를 통해서도, 증가된 전류 인출량 및 감소된 출력 전압에 대해 추가 에너지 공급 분기(Zs)의 구성을 매칭시킬 수 있다.
또한, 대안으로서, 분기들 중 어느 분기도 전기 기계(2)의 위상 전압들의 진폭(U)보다 더 높은 출력 전압을 생성하지 않아도 되는 방식으로, 에너지 공급 분기들(Z 및 Zs) 내에서 에너지 공급 모듈들(3)의 제어를 형성할 수도 있다. 이는 예컨대, 기계 전압(U)이 감소되고 그와 동시에 무효 전력 소비량이 변동되는 것을 통해, 또는 에너지 공급 분기들(Z 및 Zs)의 상호 간 대칭 또는 균일한 전력 분배와는 의도적으로 다르게 하는 것을 통해 수행될 수 있다. 예컨대 에너지 공급 분기(Zs)는 나머지 에너지 공급 분기들(Z)에 비해 총 전력에 1/3 미만으로 기여할 수 있다. 이 경우, 바람직하게 에너지 공급 분기(Zs)는 매우 단순하게 단 하나의 에너지 공급 모듈(3)로만 구현될 수 있는데, 그 이유는 에너지 공급 분기(Zs)의 출력 전압도 그에 상응하게 감소될 수 있기 때문이다.
1 에너지 저장 장치
1a, 1b, 1c 출력 단자
2 전기 기계
2a, 2b 위상 단자
2d 성형점
3 에너지 저장 모듈
4 기준 전위 레일
5 에너지 저장 셀 모듈
6 제어 장치
7 커플링 장치
7a, 7b, 7c, 7d 커플링 부재
8a, 8b, 8c 제 1 공급 단자
8g, 8h, 8i 제 2 공급 단자
9 제 1 하프 브리지 회로
9a 다이오드
9b 정류 인덕터
9c 반도체 스위치
10 컨버터 초크
15 제 2 하프 브리지 회로
15a 다이오드
15b 정류 인덕터
15c 반도체 스위치
32 프리휠링 다이오드
35 공급 커패시터, 공급 회로
36a, 36b 입력 단자
37a, 37b 제 1 또는 제 2 공급 노드
44 풀 브리지 정류기, 공급 회로
45 변압기, 공급 회로
46a, 46b 입력 단자
47a, 47b 제 1 또는 제 2 공급 노드
50 제 1 보상 분기
51 기준 전위 다이오드
53 기준 전위 스위치
60 제 2 보상 분기
61 기준 전위 다이오드
63 기준 전위 스위치
200, 300, 400, 500, 600, 700 전기 구동 시스템
IL 충전 직류
UL 충전 직류 전압
Z, Zs 에너지 공급 분기

Claims (14)

  1. 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700)으로서,
    n > 1인 조건에서 에너지 저장 장치(1)의 복수 개(n)의 출력 단자(1a, 1b, 1c)에서 교류 전압을 생성하기 위해 복수의 에너지 저장 모듈(3)을 각각 구비한 복수 개(n)의 에너지 공급 분기(Z; Zs)를 포함하는 에너지 저장 장치(1)와;
    위상 단자들(2a, 2b)이 상기 에너지 저장 장치(1)의 n-1개의 출력 단자(1a, 1b) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되며 성형점(2d)은 상기 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들 중 나머지 출력 단자(1c)와 연결되는, (n-1)상 전기 기계(2)를 포함하는, 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되는 복수의 제 1 공급 단자(8a, 8b, 8c)를 구비한 제 1 하프 브리지 회로(9)와;
    상기 제 1 하프 브리지 회로(9)와 연결되는 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와;
    상기 에너지 저장 장치(1)의 기준 전위 레일(4)과 연결되는 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와;
    상기 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 제 1 하프 브리지 회로(9) 사이에 스위칭되는 컨버터 초크(10)와;
    상기 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a)와 상기 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47b) 사이에 연결되는 프리휠링 다이오드(32)와;
    상기 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b) 사이에서 적어도 일시적으로 충전 직류 전압(UL)을 공급하도록 구성된 공급 회로(35; 44, 45)를;
    포함하는, 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 하프 브리지 회로(9)는 복수의 반도체 스위치(9c)를 포함하며, 이들 반도체 스위치는 상기 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 복수의 제 1 공급 단자(8a, 8b, 8c) 중 하나의 제 1 공급 단자 사이에 각각 연결되는, 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700).
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 하프 브리지 회로(9)는 복수의 다이오드(9a)를 포함하며, 이들 다이오드는 상기 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 복수의 제 1 공급 단자(8a, 8b, 8c) 중 하나의 제 1 공급 단자 사이에 각각 연결되는, 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700).
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 하프 브리지 회로(9)는 그 밖에도 복수의 정류 인덕터(9b)를 포함하며, 이들 정류 인덕터는 상기 복수의 다이오드(9a) 또는 반도체 스위치(9c)와 상기 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b) 사이에 각각 연결되는, 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700).
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 그 밖에도
    상기 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b, 1c) 중 하나의 출력 단자와 각각 연결되는 복수의 제 2 공급 단자(8g, 8h, 8i)를 구비한 제 2 하프 브리지 회로(15)를 포함하며,
    상기 제 2 하프 브리지 회로(15)는 상기 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 연결되는, 전기 구동 시스템(600; 700).
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 하프 브리지 회로(15)는 복수의 반도체 스위치(15c)를 포함하며, 이들 반도체 스위치는 상기 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 복수의 제 2 공급 단자(8g, 8h, 8i) 중 하나의 제 2 공급 단자 사이에 각각 연결되는, 전기 구동 시스템(600; 700).
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 제 2 하프 브리지 회로(15)는 복수의 다이오드(15a)를 포함하며, 이들 다이오드는 상기 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 복수의 제 2 공급 단자(8g, 8h, 8i) 중 하나의 제 2 공급 단자 사이에 각각 연결되는, 전기 구동 시스템(600; 700).
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 하프 브리지 회로(15)는 그 밖에도 복수의 정류 인덕터(15b)를 포함하며, 이들 정류 인덕터는 상기 복수의 다이오드(15a) 또는 반도체 스위치(15c)와 상기 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b) 사이에 각각 연결되는, 전기 구동 시스템(600; 700).
  10. 제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 그 밖에도,
    상기 제 1 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 에너지 저장 장치(1)의 상기 기준 전위 레일(4) 사이에 연결되는 제 1 보상 분기(50); 및/또는
    상기 제 2 공급 노드(37a; 37b; 47a; 47b)와 상기 에너지 저장 장치(1)의 상기 기준 전위 레일(4) 사이에 연결되는 제 2 보상 분기(60)를 포함하며,
    상기 보상 분기들(50; 60) 각각은 기준 전위 스위치(53; 63) 및/또는 기준 전위 다이오드(51; 61)를 포함하는, 전기 구동 시스템(600; 700).
  11. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 회로는, 상기 공급 회로의 2개의 입력 단자(36a; 36b) 사이에 연결되는 공급 커패시터(35)를 포함하는, 전기 구동 시스템(200; 300; 600).
  12. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 회로는, 일차 권선이 상기 공급 회로의 2개의 입력 단자(46a; 46b) 사이에 연결되는 변압기(45)와, 상기 변압기(45)의 이차 권선에 연결되어 상기 에너지 저장 모듈들(3)을 충전하기 위한 맥동 충전 직류 전압을 공급하도록 구성되는 풀 브리지 정류기(44)를 포함하는, 전기 구동 시스템(400; 500; 700).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 기계(2)는 횡자속 기계인, 전기 구동 시스템(400; 500; 700).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 전기 구동 시스템(200; 300; 400; 500; 600; 700)에서 에너지 저장 장치(1)의 작동 방법(80)으로서,
    에너지 저장 장치(1)의 n-1개의 출력 단자 중 제 1 출력 단자(1a)의 출력 전압과 그 출력 단자들 중 나머지 출력 단자(1c)의 출력 전압 사이의 차로서 (n-1)상 전기 기계(2)의 위상 단자들 중 제 1 위상 단자(2a)에서 제 1 기계 전압(UU)을 설정하는 단계(81)와;
    에너지 저장 장치(1)의 n-1개의 출력 단자 중 제 2 출력 단자(1b)의 출력 전압과 그 출력 단자들 중 나머지 출력 단자(1c)의 출력 전압 사이의 차로서 (n-1)상 전기 기계(2)의 위상 단자들 중 제 2 위상 단자(2b)에서 제 2 기계 전압(UV)을 설정하는 단계(82)를; 포함하는 에너지 저장 장치의 작동 방법.
KR1020140168143A 2013-11-29 2014-11-28 에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 에너지 저장 장치의 작동 방법 KR20150062999A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013224511.4 2013-11-29
DE102013224511.4A DE102013224511A1 (de) 2013-11-29 2013-11-29 Elektrisches Antriebssystem mit Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Energiespeichereinrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20150062999A true KR20150062999A (ko) 2015-06-08

Family

ID=53058456

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140168143A KR20150062999A (ko) 2013-11-29 2014-11-28 에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 에너지 저장 장치의 작동 방법

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR20150062999A (ko)
CN (1) CN104682823B (ko)
DE (1) DE102013224511A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016209898A1 (de) 2016-06-06 2017-12-07 Continental Automotive Gmbh Fahrzeugbordnetz mit Wechselrichter, Energiespeicher, elektrischer Maschine und Gleichstrom-Übertragungsanschluss
DE102019125380A1 (de) * 2019-09-20 2021-03-25 Audi Ag Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug mit AC-Lademodus sowie Kraftfahrzeug und Betriebsverfahren für das Batteriesystem

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5642275A (en) 1995-09-14 1997-06-24 Lockheed Martin Energy System, Inc. Multilevel cascade voltage source inverter with seperate DC sources
JP3451480B2 (ja) * 2000-02-22 2003-09-29 住友重機械工業株式会社 射出成形機
DE102010027857A1 (de) 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Koppeleinheit und Batteriemodul mit integriertem Pulswechselrichter und erhöhter Zuverlässigkeit
DE102010027861A1 (de) 2010-04-16 2011-10-20 Sb Limotive Company Ltd. Koppeleinheit und Batteriemodul mit integriertem Pulswechselrichter und im Betrieb austauschbaren Zellmodulen
DE102010064317A1 (de) * 2010-12-29 2012-07-05 Robert Bosch Gmbh System zur Ankopplung mindestens einer Gleichstromquelle an einen steuerbaren Energiespeicher und zugehöriges Betriebsverfahren
DE102012202867A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 Robert Bosch Gmbh Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
DE102012202853A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 Robert Bosch Gmbh Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung
DE102012202868A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 Robert Bosch Gmbh Gleichspannungsabgriffsanordnung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
DE102012202855A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 Robert Bosch Gmbh Gleichspannungsabgriffsanordnung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Energiespeichereinrichtung
DE102012202856A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 Robert Bosch Gmbh Ladeschaltung für eine Energiespeichereinrichtung und Verfahren zum Laden einer Energiespeichereinrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
CN104682823A (zh) 2015-06-03
DE102013224511A1 (de) 2015-06-03
CN104682823B (zh) 2019-08-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9840159B2 (en) Energy storage device having a DC voltage supply circuit and method for providing a DC voltage from an energy storage device
US9041251B2 (en) Boost converter with multiple inputs and inverter circuit
US9673732B2 (en) Power converter circuit
US10998830B2 (en) Power conversion device and three-phase power conversion device
US11056982B2 (en) Power converter for energy transmission
US10186861B2 (en) Energy storage device comprising a DC voltage supply circuit and method for providing a DC voltage from an energy storage device
CN108702105B (zh) 用于模块化多电平换流器的双子模块和包括该双子模块的模块化多电平换流器
US7026783B2 (en) Drive system
US9203323B2 (en) Very high efficiency uninterruptible power supply
EP2816718B1 (en) Multilevel power converter
CN103296712B (zh) 用于储能装置的充电电路和为储能装置充电的方法
Abdelhakim et al. Split-source inverter
US20160261123A1 (en) Charging circuit for an energy storage device and method for charging an energy storage device
KR20130133801A (ko) 제어 가능한 에너지 저장 장치에 하나 이상의 직류원을 연결하기 위한 연결 시스템 및 관련 작동 방법
JP5539337B2 (ja) 可変速駆動装置のエネルギー回収装置
CN113474986B (zh) 用于mmc的换流器单元、mmc及其控制方法
CN103296714B (zh) 用于储能装置的充电电路以及给储能装置充电的方法
JP2012010532A (ja) 電力変換装置
JP2010119239A (ja) Ｓｍｅｓ装置、ｓｍｅｓ用インターフェース装置及びその駆動方法
US20230070123A1 (en) 3-phase pv inverter with 2-phase isolated operation in the event of a network fault
KR20150062999A (ko) 에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 에너지 저장 장치의 작동 방법
CN103296910A (zh) 储能装置的直流电压截取装置和由储能装置生成直流电压的方法
US9325273B2 (en) Method and system for driving electric machines
CN103296900B (zh) 储能装置的直流电压截取装置和由储能装置生成直流电压的方法
CN111512532A (zh) 三个电桥支路的至少一个转换器模块的变换器，用于运行这种变换器的方法和这种变换器的应用

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid