KR20180033538A - 재구성 가능한 용량성 에너지 저장 장치, 전력 공급 시스템 및 그 장치가 통합된 전기 차량 - Google Patents

재구성 가능한 용량성 에너지 저장 장치, 전력 공급 시스템 및 그 장치가 통합된 전기 차량 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 자율 전기 또는 하이브리드 차량을 공급하기 위해, 용량성 효과에 의한 전기 에너지 저장 분야 내에 위치한다. 발명은 서로 다른 에너지 저장 모듈 간의 내부 접속을 수정할 수 있는 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 장치 (100)는:M×N저장 모듈들(111-122), 여기서 M 및 N은 엄격히 양의 자연수이며, 저장 모듈 각각은 음극 단자와 양극 단자 사이의 저장성 효과에 의한 전기 에너지를 저장할 수 있으며; 그들의 단자에 의해 서로 다른 조합들에 있는 Mi×Ni 저장 모듈을 접속시킬 수 있도록 배열되어 있는 콘택터들(131-140), 여기서 색인 Ni로 표시되는 각 조합은 병렬로 연결된 Mi 브랜치를 구비하고 각 브랜치는 직렬 연결된 Ni 저장 모듈을 구비하며, Mi×Ni≤M×N이며; 그리고 각 조합에서 병렬 연결된 상기 브랜치의 단부들이 접속될 수 있도록 된 양극 전기 접속 단자(102) 및 음극 전기 접속 단자(101)를 구비한다.

Description

재구성 가능한 용량성 에너지 저장 장치, 전력 공급 시스템 및 그 장치가 통합된 전기 차량
본 발명은 전기 에너지 저장 분야, 구체적으로 용량성 형태(capacitive form)의 에너지 저장 분야에 관련된다. 본 발명은 특히 자율 전기 차량용 전력 공급에 적용된다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 용량성 효과(capacitive effect)에 의한 에너지 저장 장치, 이 장치가 통합된 전력 공급 시스템, 및 이 장치 또는 이 전력 공급 시스템이 통합된 전기 또는 하이브리드 차량에 관련된다.
동작을 위해 전기 에너지를 이용하는 기계 또는 설비는 종종 그에 공급되는 에너지의 특성을 조정해야 한다. 이것은 특히 에너지가 기계적 형태(예를 들면 플라이휠)로 공급되는 경우 또는 전기적 형태이나 부적절한 전압 특성 및 신호 형태만을 가지는 형태(예를 들면 가변 또는 직류 전압)로 공급될 때가 그 경우이다. 자율 전기 차량용 전력 공급 분야에서, 에너지는 일반적으로 전기화학적 전하 전송 장치의 형태로 저장된다. 이는 기본적으로 전지(또는 축전지) 및 연료 전지를 수반한다. 이들 전기화학적 에너지 저장 장치는 직류 전압을 생성하는데, 차량 내 전기 장치는 매우 종종 교류 전압을 필요로 한다. 이런 이유 때문에, 에너지 변환 장치를 이들 전기화학적 에너지 저장 장치에 결합하는 것은 흔하다. 에너지 변환 장치는 또한 전기화학적 에너지 저장 장치에서 생성된 전압 범위를 문제의 전기 장치의 전력 공급 장치의 전압 또는 전압 범위로 조정할 수 있다. 전기화학적 에너지 저장 장치에 의해 저장된 에너지 사용을 최적화하기 위하여, 에너지 변환 장치는 그에 맞추어 고도로 최적화된다. 특히, 에너지 변환 장치의 입력 전압 범위는 줄 효과(Joule effect)에 의한 손실 최소화 및 에너지 효율 증가를 목표로 저장 장치의 출력 전압 범위로 조정된다. 이러한 조정이 실질적으로 에너지 효율을 저해하지 않는다면, 상이한 특성을 갖는 다른 것으로 저장 장치를 대체할 가능성 없이, 에너지 변환 장치를 에너지 저장 장치에 페어링하는 것(짝을 이루는 것)을 포함한다.
최근에는, 용량성 형태의 에너지 저장 장치가 빠르게 발전되었다. 특히, 향후, 수퍼 커패시터는 충분한 무게-대비-용량 비율을 가질 것이어서 그것을 전기 차량 추진용 주요 에너지원으로 사용할 것을 예상할 수 있다. 그러나 전기화학적 에너지 저장 장치를 수퍼 커패시터 또는 복수의 수퍼 커패시터로 단순히 대체는 성능 값의 심각한 저하로 이어질 것이다. 실제로, 전기화학적 에너지 저장 장치는 비교적 좁은 전압 범위에서 작동하고 반면에 수퍼 커패시터는 비교적 넓은 전압 범위에서 작동한다. 전기화학적 에너지 저장 장치는 일반적으로 Uref±15%의 범위에서 동작하는데, Uref는 공칭 전압(nominal voltage) 값으로 정의된다. 실질적으로 전기 화학적 에너지 저장 장치의 유용 에너지의 100%는 [2/3Uref; Uref] 전압 범위에서 이용 가능하다. 대조적으로, 등가 전압 범위 [2/3Un; Un]에서, 여기서 Un은 충전된 상태의 전압의 공칭 값인데, 수퍼 커패시터는 오로지 그의 유용 에너지의 대략 50%만 이용할 수 있다. 따라서 단일의 동일 전압 범위에 걸쳐서 그리고 초기에 저장된 에너지가 동일한 경우에 대해, 수퍼 커패시터는 전기 배터리 또는 연료 전지보다 두 배 적은 에너지를 생성한다.
수퍼 커패시터를 에너지 변환 장치에 연결하면 2/3Un보다 낮은 전압의 경우 저장된 에너지가 효율적으로 회수될 수 없게 된다. 실제로, 전압 범위 [2/3 Umax; Umax]일 때는, 에너지 변환 장치는 일반적으로 약 98%의 효율을 갖는다. 그러나 이 효율은 2/3 Umax 미만의 전압에서는 90% 이하로 크게 떨어질 수 있다.
더욱이, 에너지 변환 장치는 일반적으로 일정한 전력으로 동작한다. 전기화학적 에너지 저장 장치의 경우에는, 상기 장치의 단자에서 전압은 크게 변하지 않고, 그래서 필요 전력(power requirement)과 관련된 줄 효과에 의한 손실은 제한적이다. 수퍼 커패시터의 경우에는, 동작 중에 전압이 크게 달라지고, 그리고 전압이 떨어질 때, 전류가 이 전압 저하를 보충해야 해서, 줄 효과에 의한 손실 증가를 야기한다.
본 발명의 목적은 특히 전술한 결점들의 전부 또는 일부를 극복하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 저장된 에너지의 사용을 최적화할 수 있는 용량성 효과에 의한 전기 에너지 저장 장치를 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기화학적 에너지 저장 장치를 효과적으로 대체할 수 있는 용량성 효과에 의한 에너지 저장 장치를 제안하는 것이다.
용량성 효과에 의한 에너지 저장 장치는, 특히 에너지 변환기(energy converter)에 연결된 전기화학적 에너지 저장 장치를 대체할 때, 일반적으로 95%보다 큰, 비교적 고효율의 전환 범위 내에서 에너지 변환기를 사용하는 것을 가능하게 해야 한다.
본 발명에 따른 용량성 효과에 따른 에너지 저장 장치는 수개의 기본적인 저장 모듈들을 사용하는 것 및 에너지 저장 장치가 그의 단자에서 원하는 전압 범위 내에 포함된 전압을 시간이 지남에 따라 갖게 되도록 이들 모듈들 사이의 접속을 재설정하는 것에 기초를 둔다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 목적은재구성 가능한 에너지 저장 장치이며, 그리고 상기 장치는 M×N 저장 모듈들; 그들의 단자에 의해 서로 다른 조합(combination) 내에 있는 Mi×Ni 저장 모듈을 연결할 수 있도록 하기 위해 배열된 콘택터들(contactors); 및 각 조합 내에서 병렬연결된 브랜치들의 단부들이 접속될 수 있도록 된 양극 전기 접속 단자(102) 및 음극 전기 접속 단자(101)를 구비하며, 여기서 M 및 N은 엄격하게 양의 자연수이며, 각 저장 모듈은 음극 단자와 양극 단자 사이의 용량성 효과에 의해 전기 에너지를 저장할 수 있으며, 색인 i에 의해 표시된 각 조합은 병렬연결된 Mi 브랜치를 포함하며, 각 브랜치는 직렬연결된 Ni 저장 모듈을 포함하며, Mi×Ni≤ M×N이다.
용량성 효과에 의한 에너지 저장 모듈은 전형적으로 수퍼 커패시터 또는 수퍼 커패시터들의 조합이다.
콘택터들은 적어도 두 개의 전기적 포인트 사이의 전기 접촉을 설정하거나 중단할 수 있다면, 어떤 유형 및 어떤 기술로도 이루어질 수 있다. 예를 들면, 이들은 스위치, 특히 제어 가능한 것으로, 제어 가능한 인버터 또는 제어 가능한 정류자일 수 있다. 이들 콘택터들이 저장 모듈로 된 어느 하나의 조합에서 다른 조합으로 전환하게 할 수 있으므로, 이들 콘택터들은 재구성 가능한 콘택터로 서술될 수 있다.
전하 이동에 의한 전기화학적 에너지 저장 장치와 비교하여 용량성 효과에 의한 에너지 저장 모듈의 단자에서의 전압 변화 진폭이 더 큼에도 불구하고, 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 그 전기적 환경, 특히 에너지 변환기를 변경하지 않고 그러한 장치를 대체할 수 있다. 특히, 재구성 가능한 장치는 2 개의 접속 단자들 사이에서 최소 전압(Umin)과 최대 전압(Umax) 사이에서 변할 수 있는 전압을 갖기 위해 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 재구성 가능한 장치는 에너지 저장 장치의 내부 접속부의 설계를 최적화하는 이점을 갖는다. 실제로 에너지 변환기는 일반적으로 고전력에서 작동한다. 에너지 저장 장치가 작동하는 전압이 낮을수록, 에너지 저장 장치를 통과하고 그리고 에너지 변환기를 통과하는 전류의 세기가 커진다. 용량성 효과에 의한 에너지 저장 장치가 재구성될 수 없는 경우, 저전압에서 고전류가 흘러 통과시키기 위해 내부 접속부는 특정 치수로 만들어져야 한다. 이것은 전류 통과를 위한 큰 횡단면을 가지는 비교적 고전력의 커넥터 공학의 사용을 상정하며, 이것은 궁극적으로 무게, 부피 및 비용 측면에서 추가적인 제약을 초래한다. 본 발명에 따른 재구성 가능한 장치의 경우에, 이 문턱값을 초과하는 전류 증가를 피하기 위해서 구성 변화와 관련하여, 최대 허용 전류가 정의될 수 있다. 에너지 변환기는 또한 전류 제한으로부터 이득을 보게 되고, 이는 전류 통과에 더 작은 횡단면을 사용할 수 있게 한다. 저전류에서 작동하므로, 일반적으로 에너지 변환기는 또한 개선된 에너지 효율을 제공하는 이점을 가진다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치가 에너지 변환기와 결합될 때, 주울 효과에 의한 손실도 감소될 수 있다. 사실, 이러한 손실은 총 전류의 제곱의 함수이므로, 이들 손실은 에너지 변환기를 고전압 범위, 따라서 상대적으로 낮은 전류 범위에서 작동시킬 때, 제한된다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 안전 구성, 즉, 양극 전기 접속 단자와 음극 전기 접속 단자가 저장 모듈에 의해 함께 연결되어 있지 않는 구성 내에 있도록 배열될 수 있다. 다시 말하면, 저장 모듈로 된 각 브랜치는 양극 및 음극 접속 단자의 적어도 하나로부터 분리된다. 음극 전기 접속 단자로부터 양극 전기 접속 단자로는 전류가 흐르지 않는다. 상기 안전 구성은, 전기 충격의 위험을 제한하여 작업자가 유지 보수 작업을 수행할 수 있도록 하는 데에 특히 유용하다.
상기 안전 구성은 예를 들면 본 발명에 따른 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치에 분리 위치를 조정할 수 있도록 배열된 안전 콘택터를 제공함으로써 획득될 수 있으며, 그것으로 저장 모듈로 된 적어도 하나의 조합에 있어서, 브랜치 각각은 양극 전기 접속 단자 및/또는 음극 전기 접속 단자로부터 분리된다. 안전 콘택터는 예를 들면 병렬 연결된 브랜치의 양극 단부와 양극 전기 접속 단자 사이 또는 병렬 연결된 브랜치의 음극 단부와 음극 전기 접속 단자 사이에 위치된다. 물론, 본 발명에 따른 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치는 수개의 안전 콘택터를 포함할 수 있고, 각 콘택터는 하나 이상의 브랜치의 단부로부터, 양극 전기 접속 단자 또는 음극 전기 접속 단자를 접속하거나 분리할 수 있다.
상기 안전 콘택터는 수동 또는 제어 콘택터일 수 있다. 필요하다면, 안전 콘택터는 상이한 저장 모듈들의 조합을 산출하기 위해 배열된 콘택터들을 구동시키는 것과 동일한 제어 유니트에 의해 제어될 수 있다.
안전 구성은 특정 안전 콘택터를 도입하지 않고도 획득될 수 있다. 다른 조합에 있는 저장 모듈들에 접속할 수 있도록 배열된 재구성 가능한 콘택터는 실제로 양극 전기 접속 단자 및/또는 음극 전기 접속 단자의 브랜치를 분리하는 방식으로 구동될 수 있다.
특정 실시예에 따르면, M ×N 저장 모듈들은 그들 단자들에서 하나의 동일한 크기의 최대 전압(Umod-max)을 가지며 그리고 하나의 동일한 크기의 캐패시턴스를 갖는다. 그러면 다른 조합들에 따르는 저장 모듈들의 재구성이 용이해진다. 특히, 모든 저장 모듈이 이전 조합에서 동일하게 충전되면, 각 브랜치가 동일한 개수의 저장 모듈을 포함하는 임의의 새로운 조합에서는, 브랜치들은 그들 단자에서 하나의 동일한 전압을 가지며 따라서 저장 모듈들 사이의 에너지 전달을 수반하지 않고 병렬로 접속될 수 있다.
서로 다른 저장 모듈을 동일하게 충전하려는 목적으로, 콘택터는, 각 조합에 있어서 브랜치 수와 각 브랜치 내의 저장 모듈의 수의 곱 Mi ×Ni이 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치의 저장 모듈의 수 M ×N와 동일하도록 배열될 수 있다.
이 저장 모듈의 단자에서의 최대 전압(Umod-max)의 2/3에 해당하는 전압 범위에서 용량성 저장 모듈의 에너지의 약 90%가 복원될 수 있는 정도까지, 콘택터는, 다른 조합들 가운데서 각 브랜치 내의 저장 모듈들의 최대 개수(Nmax)가 각 브랜치 내의 저장 모듈들의 최소 개수(Nmin)의 3배 이하가 되도록, 배열될 수 있다.
저장 모듈로 된 하나의 조합을 다른 조합으로 재구성함을 관리하기 위해, 상기 재구성 가능한 장치는 또한 측정 유니트와 제어 유니트를 구비하며, 상기 측정 유니트는 M×N 저장 모듈들 중에서 제 1 저장 모듈의 음극 단자, 그리고 M×N 저장 모듈들 중에서 상기 제 1 저장 모듈과 동일하거나 또는 상이할 수 있는 제 2 저장 모듈의 양극 단자 간의 제어 전압을 측정하기 위해 배열되며, 그리고 상기 제어 유니트는 제어 콘택터들을 상기 제어 전압의 함수로 구동하기 위해 배열된다.
제 1 변형 실시예에 따르면, 상기 제어 유니트는, 상기 제어 전압이 최소 전압 Umin 미만이거나 또는 최대 전압(Umax)초과로 될 때 상기 제어 콘택터가 제어 전압이 최소 전압(Umin)과 최대 전압(Umax)사이에 포함되는 신규 조합 내의 저장 모듈들에 접속하기 위해 구동되도록, 배열된다.
제 2 변형 실시예에 따르면, 상기 제어 유니트는,
상기 제어 전압이 최소 방전 전압(Udech) 미만이 될 때 상기 제어 콘택터가 상기 제어 전압이 최소 동작 전압(Umin)과 최대 동작 전압(Umax)사이에 포함되는 신규 조합(여기서, Udech　<　Umin　<　Umax) 내의 저장 모듈들을 접속시키기 위해 구동되도록, 그리고/또는
상기 제어 전압이 최대 부하 전압 Uch 초과가 될 때 상기 제어 콘택터가 상기 제어 전압이 최소 동작 전압(Umin)과 최대 동작 전압(Umax)사이로 포함되는 신규 조합(Umin　<　Umax　<　Uch) 내의 저장 모듈들에 접속시키기 위해 구동되도록,
배열된다.
상기 측정 유니트는 예를 들면 설정 가능한 장치의 양극 전기 단자 및 음극 단자 사이, 즉 병렬 연결된 브랜치의 단부들 사이의 제어 전압을 측정하기 위해 배열된다.
상기 제어 유니트 및 상기 저장 모듈들은 최대 동작 전압(Umax)과 최소 동작 전압(Umin)간의 전압차(ΔUmax)가 저장 모듈의 단자에서의 최대 전압(Umod-max) 이상이 되도록 배열될 수 있다. 모든 저장 모듈이 그의 단자에서 하나의 동일한 최대 전압 (Umod-max)을 가지며 그리고 하나의 동일한 캐패시턴스를 가질 때, 이 조건은 각 브랜치에서 저장 모듈의 추가 또는 제거가 브랜치의 단부들 사이에서 관찰된 전압이 최소 동작 전압 Umin 과 최대 동작 전압(Umax)사이에 있게 하는 것을 확보할 수 있게 한다.
또한 상기 제어 유니트 및 상기 저장 모듈들은, 어느 하나의 조합에서 다음의 조합으로의 전환 과정 도중 각 브랜치에서 추가 또는 제거될 수 있는 저장 모듈의 수가 아래의 관계식을 만족하도록 결정되는 최대 수(nmax)이하가 되도록, 배열될 수 있다.
nmax Umod-max ≤ ΔUmax ≤ (nmax　+　1) Umod-max
여기서 ΔUmax 는 상기 재구성 가능한 장치의 양극 단자와 음극 단자 간의 최대 동작 전압(Umax)과 최소 동작 전압(Umin)간의 전압차이다.
또한 본 발명의 주제는 전기 또는 하이브리드 차량의 파워 트레인(power train)과 같이, 부하(load)를 위해 전력을 공급할 수 있으며 그리고 재충전 스테이션에 의해 재충전될 수 있는 전력 공급 시스템이다. 상기 시스템은:
전술한 것과 같은 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치,
부하 또는 재충전 스테이션에 연결될 수 있는, 제 3 전기 접속 단자 및 제 4 전기 접속 단자, 및
상기 제 1 및 제 2 전기 접속 단자를 상기 제 3 및 제 4 전기 접속 단자에 연결할 수 있으며 그리고 상기 제 1 및 제 2 전기 접속 단자 사이의 전압의 형태를 상기 제 3 및 제 4 전기 접속 단자 사이의 전압의 형태로 조정하기 위해 배열되는 에너지 변환기를 구비한다.
바람직하게는, 상기 전력 공급 시스템은 재구성 가능한 에너지 저장 장치를 포함하며, 에너지 저장 장치에서는 상기 제어 유니트가 최소 동작 전압(Umin)과 최대 동작 전압(Umax )사이에 포함된 전압 범위 내에서 상기 에너지 변환기가 90% 또는 95% 이상의 효율을 가지도록 배열되어 있다.
제 1 변형예에 따르면, 또한 상기 전력 공급 시스템은,
전기 에너지를 제 5 전기 접속 단자와 제 6 전기 접속 단자 사이에 저장할 수 있는, 전하 전송에 의한 전기화학적 에너지 저장 장치, 및
상기 제 3 및 제 4 전기 접속 단자를 상기 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 제 1 및 제 2 전기 접속 단자에 접속하거나 또는 상기 전하 전송에 의한 전기화학적 에너지 저장 장치의 제 5 및 제 6 전기 접속 단자에 접속하기 위해 배열된 제어 스위치를, 포함한다.
제 2 변형예에 따르면, 상기 전력 공급 시스템은 또한,
제 7 전기 접속 단자와 제 8 전기 접속 단자 사이의 전기 에너지를 생성하는 발전기 유니트, 및
상기 제 3 및 제 4 전기 접속 단자를 상기 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 제 1 및 제 2 전기 접속 단자에 접속하거나 또는 상기 발전기 유니트의 제 7 및 제 8 전기 접속 단자에 접속하기 위해 배열된 제어 스위치를, 포함한다.
상기 제 1 및 제 2 변형예는 재구성 가능한 장치뿐만 아니라 이용 가능한 2 개의 추가 에너지원을 갖기 위해 결합될 수 있다. 따라서 제 3 변형예에 따르면, 상기 제어 스위치는 제 3 및 제 4 전기 접속 단자를 상기 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치의 제 1 및 제 2 전기 접속 단자, 전하 전송에 의한 전기화학적 에너지 저장 장치의 제 5 및 제 6 전기 접속 단자 또는 상기 발전기 유니트의 제 7 및 제 8 전기 접속 유니트에 접속시키기 위해 배열된다.
마지막으로, 본 발명의 주제는, 파워 트레인 그리고 이전에 기술된 바와 같은 재구성 가능한 에너지 저장 장치와 이전에 기술된 바와 같은 전원 공급 시스템 중의 어느 하나를 포함하는 차량이며, 상기 장치 또는 전원 시스템은 파워 트레인에 전기 에너지를 공급하기 위해 배열된다.
본 발명의 다른 이점 및 특징들은 발명을 제한하지 않는 구현예 및 실시예의 상세한 설명의 검토로 명백해질 것이며, 그리고 하기에 첨부된 도면에서,
도 1a는, 12개의 저장 모듈들을 포함하는 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 제 1 실시예를 개략적으로 도시하고;
도 1b는 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 제 1 실시예의 변형을 개략적으로 도시하고;
도 2는 측정 유니트 및 제어 유니트가 통합되어 있는, 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 제 2 실시예를 개략적으로 도시하고;
도 3a 내지 3e 는 도 1a의 재구성 가능한 장치의 저장 모듈의 서로 다른 가능 조합을 도시하고;
도 4는, 에너지 변환기 뿐만 아니라 도 2의 재구성 가능한 장치를 포함하는 전력 공급 시스템의 일 예를 도시하고;
도 5a 및 5b 는 두 조합 사이의 재구성 동안에 도 1a에 있는 재구성 가능한 장치의 제어 인버터의 전환 순서의 일 예를 도시하고;
도 6은 단자에서의 전압의 함수로서 용량성 소자의 방전 동안에 얻을 수 있는 유용한 에너지 간의 전형적인 관계를 도시하고;
도 7a 내지 7e는 16개의 저장 모듈들을 가지는 재구성 가능한 저장 장치를 위한 서로 다른 가능 조합을 도시하며;
도 8은 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치 그리고 전기 배터리를 포함하는 전력 공급 시스템을 도시한다.
여기서 도시된 실시예 및 변형예들은 한정되는 것이 아니므로, (이 선택이 다른 특징을 포함하고 있는 문장 내에서 분리되더라도) 선택된 어떤 특징이 기술적인 이점을 부여하거나 종래 기술에 대하여 본 발명을 구별하기에 충분한 경우라면 설명되는 다른 특징들과는 분리되어 아래에서 설명되는 이러한 특징만을 선택하여 구성하는 본 발명의 변형예를 상상하는 것은 가능하다. 바람직하게는 이 선택은, 바람직하게 기능적인 상세 구성 없거나 또는 일부가 그 자체로 기술적 이점을 부여하거나 종래기술에 대해 본 발명을 차별화시키기에 충분한 경우에는 그 구조적 세부 사항의 일부만을 가지는 적어도 하나의 바람직한 기능적 특징을 포함한다.
본 발명에서, "용량 효과에 의한 에너지 저장 모듈" 또는 더욱 간단하게 "저장 모듈"이라는 것은, 하나는 음극 단자 그리고 다른 하나는 양극 단자로 기술되는 2개의 접속 단자를 가지는 방식으로 함께 연결된 하나 이상의 전기 캐패시터로 된 어셈블리를 의미한다. 커패시터는 유전체에 의해 이격된 두개의 도전성 평판을 가지며 그리고 그 평판 상에 대향하는 전하를 저장할 수 있는 전기 또는 전자 요소로 정의된다. 상기 평판은 2개의 접속 단자를 통해서 전기 회로의 요소들에 연결될 수 있다. 저장 모듈에서, 상기 커패시터는 임의 형태의 조합으로 함께 접속될 수 있다. 바람직하게는, 저장 모듈의 모든 커패시터는 동일 형태이다(예를 들면 전해질이거나 또는 절연체를 가짐). 유리하게는, 그들은 커패시턴스, 최대 전압 및 내부 저항의 관점에서 동일한 특성을 갖는다. 저장 모듈은 상대적으로 많은 양의 전기 에너지를 저장하기 위한 것이다. 예시로서, 각 저장 모듈은 1 킬로와트-아워(hour) 정도의 전기 에너지의 양, 예를 들어 0.1 kWh와 10 kWh 사이의 전기 에너지를 저장할 수 있다. 에너지 저장 장치에 적용될 경우, 커패시터는 통상 "수퍼 커패시터 (supercapacitor)"라고 불린다. 현존하는 수퍼 커패시터의 대부분은 "전기화학적 이중층"이라 불리는 기술에 기반한다. 이 기술에 따르면, 상기 수퍼 커패시터는 예를 들어 활성탄을 함유하고 이온성 용액에 담궈지는 2 개의 다공성 전극을 포함한다.
커패시터는 주로 그 커패시턴스 (C)에 의해 특징지어지며 그리고 커패시터에 의해 저장되는 에너지 (E)는 다음의 관계에 의해 한정됨이 알려져 있다:
Figure pct00001
여기서 U는 이상적인 것으로 간주되는 커패시터, 즉 내부 저항이 특히 없는 커패시터의 단자에서의 전압이다. 커패시터는 0 전압(
Figure pct00002
) 과 최대전압(
Figure pct00003
)사이로 한정된 전압 범위에 걸쳐서 동작한다. 따라서 커패시터는 잠재적으로
Figure pct00004
와 동등한 양의 에너지를 저장하고 생성한다.
본 발명에 대한 설명에 따르면, 콘택터는 적어도 2곳의 위치, 즉 접촉 위치라 불리며 접속 단자와 같은 2개의 지점 사이의 전기 접촉을 설정하는 제 1 위치와, 이 2개의 위치를 서로로 부터 전기적으로 절연시키는 분리 위치로 불리는 제 2 위치를 조정할 수 있는 모든 전기 장치로 정의된다. 상기 콘택터는 많은 수의 위치를 조정할 수 있다. 또한 콘택터는 3 개의 포인트 사이의 연결을 관리할 수 있는데, 이들 포인트 중의 어느 하나는 두 개의 다른 포인트 중 어느 하나에 선택적으로 연결할 수 있다. 일반적으로 이것은 인버터로 일컬어진다. 콘택터는 수동으로 작동되거나 또는 제어될 수 있다. 후자의 경우에는 "제어 콘택터"로 설명된다. 제어 콘택터는 상이한 다양한 기술에 따라 생산될 수 있다. 특히, 이는 트랜지스터 또는 적어도 하나의 트랜지스터를 포함하는 전기 회로의 형태로 제조될 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 일례를 개략적으로 도시한다. 본 실시예에서, 상기 장치(100)는 음극 접속 단자(101), 양극 접속 단자(102), 12개의 저장 모듈들(111-122) 및 10 개의 제어 인버터들(131-140)을 포함한다. 단순화를 위해, 저장 모듈들은 개별적으로 또는 집합적으로 참조번호 (110)으로 표시되고, 제어 인버터는 개별적으로 또는 집합적으로 참조번호(130)으로 표시된다.
상기 저장 모듈들(110) 모두는 전기 부품의 설계 변동 및 노화에 의한 몇 퍼센트 포인트 안팎의 오차의 동일한 전기 특성을 가진다. 특히, 상기 저장 모듈들(110)은 하나의 동일한 공칭 전압(Umod-max)을 가지며 그리고 하나의 동일한 커패시턴스(C)를 가진다. 따라서 그들 각각은 하나의 동일한 양의 전기 에너지를 저장할 수 있다. 상기 저장 모듈들(111, 112 및 113)은 제 1 브랜치(151)를 형성하기 위해 직렬 연결된다. 상기 저장 모듈들(114, 115 및 116)은 제 2 브랜치(152)를 형성하기 위해 직렬 연결된다. 상기 저장 모듈들(117, 118 및 119)은 제 3 브랜치(153)를 형성하기 위해 직렬 연결된다. 저장 모듈들(111-119)은 각 브랜치 (151-153) 내에서 지속적으로 연결된다. 다시 말하면, 상기 장치(100)는 직렬로 3개를 조합한 것 외에 상기 저장 모듈(111-119)을 연결할 수 있게 만드는 수단을 가지지 않는다. 한편 남아 있는 3개의 저장 모듈(120-122)은 함께 지속적으로 연결되지 않는다. 저장 모듈들(110)은 4개의 열과 3개의 열의 배열로 도 1a에 도시되어 있음을 주목해야한다. 따라서 저장 모듈의 수는 4의 합 또는 더 일반적으로 M×N의 합, 여기서 M이 4이고 N이 3인 것으로 정의될 수 있다. 그러나 저장 모듈 간의 원하는 연결 (지속적이든 아니든 간에)이 가능하다면, 저장 모듈의 총 개수만이 본 발명의 맥락에서 중요하며, 그 배열은 중요하지 않다는 것을 강조하는 것이 중요하다.
상기 장치(100)은 5개의 내부 접속 포인트(161, 162, 163, 164, 165)를 가진다. 이들 접속 포인트들은, 저장 모듈(110) 내에서 저장된 에너지를 전달하거나 또는 이들 저장 모듈 내에서 저장된 에너지를 수신하는 관점에서 보면 그들이 재구성 가능한 에너지 저장 장치(100) 외부에서 연결되도록 되어 있지 않으므로, 내부에 있는 것으로 설명된다. 그럼에도 불구하고, 접속 포인트(161-165)은 예를 들어 전압을 모니터하기 위해 측정 포인트로서 기능하도록 장치(100)의 외부로부터 액세스 가능하게 될 수 있다. 접속 포인트(161-165)은 특히 장치(100)의 몇몇 요소들(저장 모듈들 및 제어 콘택터들)에 연결될 수 있는 포인트들을 형성함으로써 재구성 가능한 에너지 저장 장치(100)의 생산을 단순화하는 기능을 갖는다. 접속 포인트(161-163)은 또한 (장치(100) 및/또는 저장 모듈(110)의) 특정 접속 단자들을 물리적으로 서로 더 가깝게 하는 기능을 갖는다. 따라서 접속 포인트들은 예를 들어 전기 케이블의 형태를 갖는다. 문제의 경우에 있어서, 접속 포인트(161)는 저장 모듈 (113)의 음극 단자를 저장 모듈(114)의 양극 단자 그리고 저장 모듈(122)의 양극 단자에 더 가깝게 한다.; 접속 포인트(162)는 저장 모듈(116)의 음극 단자를 저장 모듈(117)의 양극 단자 그리고 저장 모듈(121)의 양극 단자에 더 가깝게 한다; 그리고 접속 포인트(163)는 저장 모듈(119)의 음극 단자를 저장 모듈(120)의 양극 단자에 더 가깝게 한다. 특정 접속 단자를 서로 근접시키면 간단한 제어 스위치 대신 제어 인버터를 사용할 수 있게 된다. 따라서 제어 콘택터의 수가 감소될 수 있는데, 이는 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치의 생산을 용이하게 하고, 신뢰성을 증가시킨다.
상기 제어 인버터(131)는 상기 저장 모듈(114)의 양극 단자를 접속 포인트(161)와 장치(100)의 양극 접속 단자(102)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 상기 제어 인버터(132)는 저장 모듈(117)의 양극 단자를 접속 포인트(162)와 장치(100)의 양극 접속 단자(102)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(133)는 저장 모듈(120)의 양극 단자를 접속 포인트(163)와 장치(100)의 양극 접속 단자(102)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(134)는 저장 모듈(113)의 음극 단자를 접속 포인트(161)와 장치(100)의 양극 접속 단자(101) 중의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(135)는 저장 모듈(116)의 음극 단자를 접속 포인트(162)와 장치(100)의 음극 단자(101)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(136)는 저장 모듈(119)의 음극 단자를 접속 포인트(163)와 장치(100)의 음극 단자(101)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(137)는 저장 모듈(120)의 음극 단자를 접속 포인트(164)와 장치(100)의 음극 접속 단자(101)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(138)는 저장 모듈(121)의 양극 단자를 접속 포인트(162)와 접속 포인트(164)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(139)는 저장 모듈(121)의 음극 단자를 접속 포인트(165)와 장치(100)의 음극 접속 단자(101)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(140)는 저장 모듈(122)의 양극 단자를 접속 포인트(161)와 접속 포인트(165)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다.
장치(100) 내에서 효과적으로 설정된 접속에 관한 다음의 설명을 읽게 되면, 당업자는 도 1a를 참조하여 기술된 것 이외의 다른 구성도 가능하다는 것을 알게 될 것이다. 특히 접속 포인트(164 및 165)는 생략될 수 있다. 그러면 상기 제어 인버터(137)는 저장 모듈(120)의 음극 단자를 저장 모듈(121)의 양극 단자와 장치(100)의 음극 접속 단자(101)의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(138)는 저장 모듈(121)의 양극 단자를 접속 포인트(162)에 접속 또는 접속하지 않도록 배열된 제어 스위치로 대체될 수 있다. 유사하게, 그리고 제어 인버터(139)는 저장 모듈(121)의 음극 단자를 저장 모듈(122)의 양극 단자와 장치(100)의 음극 접속 단자(101) 중의 어느 하나에 접속시키기 위해 배열된다. 제어 인버터(140)는 저장 모듈(122)의 양극 단자를 접속 포인트(161)에 접속 또는 접속하지 않도록 배열된 제어 스위치로 대체될 수 있다.
도 1b는 도 1a를 참조하여 기술된 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 변형 일예를 도시한다. 이 변형예에서, 장치(1000)는 접촉 상태(연결 상태:closed position)와 분리 상태(개방 상태:open position) 중의 어느 하나에 맞추어 조정하기 위해 배열된, 안전 스위치로 불리는 스위치(1001)를 포함하는 점에서 장치(100)와는 차이가 있다. 접촉 상태에서, 상기 안전 스위치(1001)는 음극 전기 접속 단자(101)를 저장 모듈(120, 121, 122)의 음극 단자에 접속시킨다. 분리 상태에서는, 안전 스위치는 음극 전기 접속 단자(101)를 저장 모듈(120, 121, 122)의 음극 단자로부터 분리시킨다. 안전 스위치(1001)는 전형적으로 수동 스위치일 수 있다. 따라서 이러한 스위치는 장치(1000)에 대한 유지 보수 작업 이전에 작업자에 의해 수동 개방될 수 있고, 유지 보수 작업의 종료시에 연결될 수 있다. 상기 스위치(1001)는 또한 제어 스위치일수 있다. 이 경우에 있어서, 스위치는 저장 모듈(111-122)와 같은 하나의 동일한 제어 유니트에 의해서 구동되거나 또는 분리된 제어 유니트에 의해 구동될 수 있다. 상기 장치(1000)는 음극 접속 단자(101) 및/또는 양극 접속 단자(102)의 저장 모듈들(111-122)를 분리시키기 위해 제어 인버터(131-140)를 구동하고 그리고 안전 스위치(1001)를 조작(수동 또는 자동)함으로써 안전 구성을 조정할 수 있다. 첫번째 해결책에 따르면, 상기 제어 인버터들(131-140)은 도 3b를 참조하여 이하에 설명되는 구성에 따라, 저장 모듈(111, 112, 113 및 122)로 형성된 제 1 브랜치를 형성하기 위해, 저장 모듈(114, 115, 116 및 121)로 형성된 제 2 브랜치를 형성하기 위해, 그리고 저장 모듈(117, 118, 119 및 120)로 형성된 제 3 브랜치를 형성하기 위해 구동된다. 두번째 해결책에 따르면, 상기 제어 인버터들(131-140)은 도 3d를 참조하여 이하에 설명되는 구성에 따라, 직렬 연결되는 저장 모듈(111-122)로 된 어셈블리를 구비하는 하나의 브랜치를 형성하기 위해 구동된다. 각 해결책에서, 상기 안전 스위치(1001)는 분리 상태로 이동하여, 음극 전기 접속 단자(101)와 양극 전기 접속 단자 (102) 사이의 전기 접속을 차단한다.
재구성 가능한 에너지 저장 장치(100 또는 1000)는 매 순간 접속 단자(101 및 102) 사이에서, 최소 전압(Umin)및 최대 전압(Umax) 사이에서 변할 수 있는 전압을 갖기 위해서 전형적으로 배열되며, 이 기능적 범위는 완전 방전 상태(Umod=0)와 완전 충전 상태 (Umod=Umod-max) 사이에서 하나의 저장 모듈(110)의 단자에서의 전압 변동 진폭보다 작은 진폭을 가진다. 또한 상기 장치(100 또는 1000)는 제어 인버터들을 제어하는 수단을 구비하여 접속 단자(101 및 102) 사이의 전압은 이 기능적 범위[Umax; Umin] 내에 있다.
도 2는 이런 수단을 구비하는 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 일예를 도시한다. 특히, 장치(200)는, 장치(100)의 요소들에 추가하여, 2개의 단자들 사이의 제어 전압을 측정하기 위해 배열된 측정 유니트(201)와 제어 인버터들(130)을 구동시키기 위해 배열된 제어 유니트(202)를 포함한다. 상기 측정 유니트(201)는 예를 들면 장치(100)의 접속 단자(101 및 102) 사이의 전압을 측정한다. 그러나, 이 전압이 장치 (200)의 단자에서의 전압을 나타내는 것이기 때문에, 제어 전압은 장치(200)의 다른 포인트들 사이, 특히 저장 모듈들(110)중 하나의 저장 모듈의 단자들 사이에서 측정될 수 있다. 이러한 것은 특히 모든 저장 모듈이 동일하고, 매 순간 동일하게 충전되고 재충전될 때, 그리고 저장 모듈의 조합이 알려져 있을 때이다. 상기 제어 유니트는 순수한 하드웨어 아키텍처 또는 소프트웨어 프로그램을 실행할 수 있는 소프트웨어 아키텍처를 가질 수 있다. 그것은 예를 들면 프로그래머블 로직 컨트롤러(programmable logic controller), 필드-프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array　; FPGA), 프로세서, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컨트롤러일 수 있다. 물론 상기 재구성 가능한 에너지 저장 장치(200)는 도 1b와 유사하게, 수동 또는 제어형 안전 스위치를 포함할 수 있다.
조합의 변경은 재구성 가능한 장치의 서로 다른 브랜치에서 직렬 연결된 적어도 하나의 저장 모듈을 추가 또는 제거하는 것을 포함한다는 것을 주목해야 한다. 따라서 각각의 재구성 단계에서, 장치의 단자에서의 전압은 재구성 변경 순간에 저장 모듈들 중의 어느 하나의 저장 모듈의 단자에 존재하는 전압의 적어도 1배 만큼 증가되거나 또는 감소된다. 재구성 전 및 후에서 재구성 가능한 장치가 원하는 작용 범위 [Umax; Umin]내에 포함되는 전압을 가지는 것을 확실히 하도록, 전압 범위[Umax;Umin]의 진폭(ΔUmax)이 하나의 동일한 저장 모듈의 단자에서의 최대 전압 Umod-max 과 적어도 동일하도록 배열되어야한다. 유사하게, 재구성 도중에 하나의 브랜치에서 추가 또는 제거될 수 있는 저장 모듈의 최대 수가 있다. 이 최대 수는 하나의 동일한 저장 모듈의 단자에서의 최대 전압(Umod-max)이 원하는 작용 범위 [Umax; Umin]의 진폭(ΔUmax)내에 포함될 수 있는 횟수에 해당한다. 따라서 주어진 조합에 대해 추가 또는 제거할 수 있는 저장 모듈의 수 n은 다음 관계를 만족해야한다.
Figure pct00005
도 3a 내지 3e는 장치(100 내의 저장 모듈들(110)에 대한 서로 다른 가능한 조합을 보여준다. 도 3a에서, 제어 인버터들(130)은 3개가 직렬 연결된(N=3) 저장 모듈(110)로 된 4개의 병렬 상태(M=4)의 브랜치를 형성하기 위해 배열된다. 따라서 제어 인버터들(131, 132, 133)은 저장 모듈(114, 117 및 120)의 양극 단자 각각을 장치(100)의 양극 접속 단자(102)에 접속시킨다. 제어 인버터들(134, 135, 136)은 저장 모듈(113, 116 및 119)의 음극 단자 각각을 장치(100)의 음극 접속 단자(101)에 접속시킨다. 제어 인버터들(137 및 138)는 각각 저장 모듈(120)의 음극 단자 및 저장 모듈(121)의 양극 단자를 접속 포인트(164)에 접속시킨다. 제어 인버터들(139 및 140)는 각각 저장 모듈(121)의 음극 단자와 저장 모듈(122)의 양극 단자를 접속 포인트(165)에 접속시킨다. 도 3b에서, 모든 제어 인버터들(130)은 제어 인버터 (131, 132)를 제외하고는 도 3a와 관련하여 그들의 접속이 변경되었다. 즉 장치(100)는 4개가 직렬 연결된(N=4) 저장 모듈(110)로 된 3개의 병렬 상태(M=3)의 브랜치를 형성한다. 제 1 브랜치는 저장 모듈(111, 112, 113 및 122)을 포함하며, 제 2 브랜치는 저장 모듈(114, 115, 116 및 121)을 포함하고, 그리고 제 3 브랜치는 저장 모듈(117, 118, 119 및 120)을 포함한다. 도 3c에서는, 제어 인버터들(131, 135, 137, 138, 139 및 140)은 도 3b와 관련하여 그들의 접속이 변경되었다. 장치(100)는 6개가 직렬 연결된(N=6) 저장 모듈(110)로 된 2개의 병렬 상태(M=2)의 브랜치를 형성한다. 제 1 브랜치는 저장 모듈들(111-116)을 포함하고 그리고 제 2 브랜치는 저장 모듈들(117-122)을 포함한다. 도 3d에서, 도 3c와 관련하여, 오직 제어 인버터들(132 및 135)만이 그들의 접속이 변경되었다. 따라서 장치(100)는 12개가 직렬 연결된(N=12) 저장 모듈(110)로 된 하나의 브랜치(M=1)를 형성한다. 도 3a 내지 도 3d의 조합 각각에 있어서, 모든 저장 모듈들(110)은 브랜치들 중 어느 하나에 통합된다. 따라서 그들은 모두 동시에 충전 또는 방전된다. 이들이 하나의 동일한 수의 저장 모듈을 포함하는 브랜치에 통합되는 결과로, 저장 모듈(110)은 매 순간 동일하게 부하된다. 도 3e는 모든 저장 모듈, 즉 저장 모듈(120-122)이 사용되는 것은 아닌 조합을 보여준다. 장치(100)는 9개의 저장 모듈(N=9)로 된 하나의 브랜치(M=1)를 형성한다. 이 조합에서, 제어 인버터들(131, 132, 133)은 저장 모듈(114, 117 및 120)의 양극 단자를 접속 포인트(161, 162 및 163)에 각각 접속시킨다. 제어 인버터들(134 및 135)은 각각 저장 모듈(113 및 116)의 음극 단자를 접속 포인트(161 및 162)에 각각 접속시킨다. 제어 인버터(136)는 저장 모듈(119)의 음극 단자를 장치(100)의 음극 접속 포인트(101)에 접속시킨다. 저장 모듈(120-122)이 장치의 (100)의 나머지에 연결되지 않으므로 제어 인버터(137, 138, 139 및 140)의 위치는 중요하지 않다.
하나 이상의 저장 모듈(110)이 소정 조합에서 사용되지 않을 때, 조합의 각 브랜치가 사용되지 않는 저장 모듈을 하나로 동일한 수를 포함하는 조건으로, 이들 저장 모듈이 후속하는 조합에서 사용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 더욱 일반적으로는, 상기 장치(100)가 조합에서 병렬 상태의 수 개의 브랜치(M≥2)를 포함할 때, 각 브랜치가 그의 단자들에서 하나의 동일한 전압을 가진다는 것이 중요하다. 실제로, 이것은 각 브랜치가 집합적으로 동일하게 충전되는 저장 모듈의 어셈블리를 포함한다는 것을 의미한다.
에너지 변환기와의 결합
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 전형적으로 에너지 변환기를 포함하는 전력 공급 시스템에 통합될 수 있다. 에너지 변환기는 직류 변환기일 수 있다. 이것은 또한 재구성 가능한 에너지 저장 장치가 부하 상태에서 전기 에너지를 공급할 때는 전력 변환기일 수 있으며, 또한 재구성 가능한 장치가 외부 소스로부터 전기 에너지를 수신 받을 때는 정류기일 수 있다.
도 4는 도 2의 재구성 가능한 에너지 저장 장치(200)(측정 유니트는 도시되지 않음)와 에너지 변환기(410)를 구비하는 전력 공급 시스템(400)의 일예를 도시한다. 상기 에너지 변환기(410)는 재구성 가능한 장치(200)가 에너지를 공급하는지 또는 에너지를 수신하는지에 따라서 각각 에너지 변환기 및 정류기로서 선택적으로 동작한다. 그것은 교류 측면에서는 2개의 접속 단자(411 및 412)를 포함하고, 그리고 직류 측면에서는 2개의 접속 단자(413 및 414)를 포함한다. 접속 단자(411 및 412)는 재구성 가능한 장치(200)에 의해 공급되야만 하는 부하(load)에 접속하도록 된 것이며; 상기 접속 단자(413 및 414)는 장치(200)의 음극 접속 단자(101) 및 양극 접속 단자(102) 각각에 접속하도록 된 것이다.
에너지 변환기 효율은 그의 단자의 2개에서 입력으로 받는 전압 그리고 두개의 다른 단자에서 출력으로 생성하는 전압에 의존하므로, 그것을 소정의 전압 범위에서 동작시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 상세한 설명에서, 접속 단자들(411 및 412) 간의 전압은 일정한 것으로 간주된다. 접속 단자(413 및 414) 사이의 전압 만이 고려된다. 효율이 최적인 전압 범위는 최소 전압(Umin)과 최대 전압(Umax)사이에서 변화하며, 이는 최적 동작 범위[Umax; Umin]로 불린다. 이 범위는 예를 들어 에너지 변환기가 90 %보다 큰 효율 또는 95 %보다 큰 효율η를 갖도록 결정된다. 전형적으로, 에너지 변환기는 Umin의 하단 경계가 최대 전압(Umax)의 대략 2/3, 즉 최대 전압(Umax)의 1/3과 동일한 진폭인 동작 범위에 걸쳐 95% 보다 큰 효율η를 갖는다.
제어 인버터 또는 보다 일반적으로는 제어 콘택터의 전환(switch-over)은 이러한 제어 콘택터의 성능 저하를 방지하기 위해 저전류 흐름 조건에서 우선적으로 수행되어야 한다. 따라서 제어 콘택터의 전환은 저전류 또는 전류가 없는 상태에서 수행되는 것이 유리하다. 그 결과로서, 저장 모듈들 (110)의 조합을 변경하는데 필요한 기간에 해당하는 상대적으로 짧은 주기 동안(수십분의 일초 정도), 장치 (200)와 에너지 변환기(410) 사이에는 제한된 양의 에너지만 전달되거나 또는 어떤 에너지도 전달될 수 없다. 따라서 바람직하게 에너지 변환기(410)에 에너지 변환 요구를 제한하기 위해 저장 모듈(110)의 조합의 변화가 통지된다. 전기 에너지 공급의 이런 임시 제한은 정의상 일정한 에너지 공급을 필요로 하는 "무정전(uninterruptible) 전원 공급 장치" 유형의 적용에 어려움을 초래할 수 있다. 상기 무정전 전원 공급 시스템은 예를 들면 백업(back-up) 전원으로서 이용되어, 주 전력망이 다운되었을 때 에너지 공급 서비스의 연속성을 보장할 수 있게 한다. 해결책은 재설정 가능한 에너지 저장 장치(200)를 전하 전송 전기화학적 에너지 저장 장치와 같은 다른 전기 전력원에 연결하는 것이다. 다른 어플리케이션의 경우, 전기 에너지 공급의 일시적인 제한은 아무런 어려움을 제공하지 않는다. 예로써, 재구성 가능한 장치(200) 및 전력 공급 시스템(400)은 "전기 또는 하이브리드 차량" 및 "네트워크 필터링"유형의 애플리케이션에 특히 잘 적용된다. "전기 또는 하이브리드 차량"이라는 표현은 사람 및/또는 물품을 운송하기 위한 차량 그룹을 말하며, 차량을 이동시키기 위한 전동 모터의 적어도 부분적 및/또는 간헐적인 사용을 기반으로 한다. 차량은 예를 들어 지하철, 전차, 버스, 보트, 자동차, 이륜차, 대형 트럭, 주행 플랫폼, 리프트 또는 크레인이다. 전기 또는 하이브리드 차량은 에너지 공급 제한을 극복할 수 있는 기계적 관성으로부터 이득을 본다. 용어 "네트워크 필터링"은 전력망에 의해 공급되는 에너지의 품질을 향상시킬 수 있는 전기 장치 세트를 나타낸니다. 현재, 일부 장치는 주로 교류 전기망의 역률("cos phi")을 최적화하기 위해 배열된 커패시터를 기반으로 한다. 다른 장치는 전하 이동 전기 화학적 에너지 저장 장치를 포함하는데, 이는 예를 들어 풍력 터빈 또는 광전지 패널에 의해 생성되는 간헐적인 에너지 흐름을 원활하게 하는 것을 가능하게 한다. 전기 화학적 에너지 저장 장치는 예를 들어 돌풍이 불거나 또는 태양이 구름 뒤에서 돌아와서 그 결과로 갑작스럽게 전력이 증가할 때 에너지를 축적하고, 그리고 예를 들어 바람이 잦아들거나 또는 구름이 태양을 지나가서 그 결과로 갑작스럽게 전력이 감소할 때 에너지를 방출한다. 따라서 이들 장치의 커패시터 및 전기 화학적 에너지 저장 장치는 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치로 대체될 수 있다.
제어 콘택터의 전환 중에 다른 예방 조치가 취해져야 한다. 특히, 서로 다른 수의 직렬 상태의 저장 모듈을 포함하는 브랜치를 순간적으로 병렬 배치하는 것을 피하는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면 일부 저장 모듈이 다른 저장 모듈로 방출되는데, 이것은 충전 상태의 불균형을 초래한다. 따라서 선험적으로, 초기 조합 및 최종 조합의 관점에서, 서로 브랜치를 순간적으로 분리하기 위해서 움직일 필요가 없는 제어 콘택터를 특정 순서로 조작하거나 또는 심지어 제어 콘택터를 조작하는 것이 바람직하다.
제어 콘택터의 전환 동안 취해야 할 추가 예방책은 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 단자에서 각 순간에 존재하는 전압과 관련된다. 이 전압은 일반적으로 미리 정해진 전압 범위, 예를 들어 최적 작동 범위 [Umax; Umin] 내에 포함되어야 한다. 이를 위해, 제어 유니트는, 임의의 조합의 변경 동안 장치(100)의 음극 접속 단자(101) 및 양극 접속 단자(102)에 접속된 임의의 브랜치가 재구성 전 조합의 브랜치의 것 또는 재구성 후의 조합의 브랜치의 것 중 어느 하나의 것과 동일한 수의 직렬 연결된 저장 모듈을 가지도록, 배열될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 직렬 연결된 3개의 저장 모듈(110)로 된 병렬 상태의 4개의 브랜치를 가지는 조합(M×N=4×3) (도 5a)으로부터 직렬 연결된 4개의 저장 모듈(110)로 된 병렬 상태의 3개의 브랜치를 가지는 조합(M×N=3×4) (도 5b)으로 전환될 때의 제어 인버터(130)의 전환 순서의 일예를 보여준다. ①로 표시된 제 1단계에서, 제어 인버터들(133, 134 및 135)이 활성화되며, 이는 저장 모듈(120, 113 및 116)을 각각 음극 접속 단자(101) 및 양극 접속 단자(102)로부터 접속을 해제시키는 효과를 가진다. ②로 표시된 제 2단계에서, 제어 인버터들(137 및 139)은 활성화된다. ③로 표시된 제 3 단계에서, 제어 인버터(136)가 활성화된다. ④로 표시된 제 4 단계에서, 제어 인버터들(138 및 140)이 활성화된다. 각 단계에서, 제어 인버터들은 연속적으로 또는 동시에 활성화될 수 있다.
제어 콘택터의 전환이 원하는 순서대로 수행되도록 하기 위해, 상이한 제어 콘택터의 위치를 검증하기 위한 메커니즘이 제공될 수 있다. 예를 들어, 이 검증 메커니즘은 데이터 피드백을 제어 유니트로 보내 제어 콘택터의 연속적 전환을 활성화할 수 있도록 한다.
일반화
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 임의의 수 M×N의 저장 모듈을 포함할 수 있음이 주목되며, 여기서 M 및 N은 1보다 크거나 같은 자연수이다. 사용 가능한 에너지, 에너지 변환기의 효율성 및/또는 구성의 수의 관점에서 조합의 상이한 최적화가 가능하다.
사용 가능한 에너지 관점에서의 최적화
사용 가능한 에너지 관점에서의 최적화는, 언제든지 M×N 저장 모듈 어셈블리가 사용됨을 가정한다. 다시 말하면, 조합 i에 무관하게, 하기의 관계식을 만족한다:
Mi×Ni　=　M×N
한쌍 Mi×Ni 로 정의되는 다음 조합이 특히 가능하다.:
Figure pct00006
이러한 조합에서 k는 엄밀히 양의 자연수이며 그리고 정수 Ni 가 지정된 정수의 배수임을 표시할 수 있게 한다. 또한, 조합을 그 전체로 사용하는 것이 바람직하지 않다면 M은 문제가 되는 정수의 배수일 수 있다. 예를 들면, 6×2k로 시작하는 조합 시리즈는 단지 3×2k로 시작하는 시리즈의 첫 번째 용어의 연속이며, 브랜치를 2개씩 그룹화한다. 동일한 사항이 8×3k 및 4×3k로 시작하는 시리즈에도 적용된다.
에너지 변환기의 효율면에서의 최적화
본 발명에 따른 재구성 가능한 장치가 에너지 변환기에 결합될 때, 장치의 접속 단자에서의 전압이 이 에너지 변환기의 최적 동작 범위[Umax; Umin] 내에서 매 순간 위치될 수 있도록 조합을 사용하는 것이 유리하다. 이 조건은 하기의 관계식으로 표현된다.:
Figure pct00007
, 여기서
Figure pct00008
은
Figure pct00009
로 정의 된다.
각각의 연속적인 조합 사이에서, Ni 대 Ni+1 의 비율은 항상 2/3보다 크므로, 예를 들면 9×4k 로 시작하는 조합 시리즈는 양호한 최적화를 제공한다.
하기의 테이블은
Figure pct00010
인 경우에 에너지 변환기의 효율을 최적화할 수 있는 상이한 조합을 표시한다. Udevice-max 및 Udevice-min 는 각각 재구성 가능한 장치의 단자에서의 최대 전압 및 최소 전압을 나타낸다.
Figure pct00011
하기의 테이블은
Figure pct00012
인 경우에 에너지 변환기의 효율을 최적화할 수 있는 상이한 조합을 표시한다.
Figure pct00013
이 조합 시리즈는 조건
Figure pct00014
을 지키는 유일한 것임을 주목해야 한다:
정수 k가 위의 조건을 지키는 중간 조합을 통과할 수 없게 된다면, 다른 초기 조합은 후술하는 조합 중의 하나에서 사용하지 않은 저장 모듈들을 남겨 둘 것을 필요로 한다. 예를 들면, 초기 조합 M×N=8×15의 재구성 가능한 장치의 경우에 있어서, 후술하는 조합 시리즈가 가능하다.
Figure pct00015
아래의 실시예는, 여전히
Figure pct00016
인 경우에서도, 다음에 오는 조합에 이들을 재통합시키기 위해서 소정 조합에서 저장 모듈을 배제하면서 어떻게 일련의 재구성가능을 관리할 수 있는지를 보여준다.
Figure pct00017
후자의 실시예에 있어서, 조합 2는 2개의 저장 모듈을 배제한다. 전류가 이들 모듈을 통과하지 않으므로, 이들은 조합 기간에 걸쳐서 동일한 전하 상태에 있게 된다. 조합 3은 조합에서 분리된 2개의 모듈을 브랜치 당 하나의 비율로 재도입하고 그리고 그로부터 6개의 다른 모듈을 분리한다. 조합 4는 브랜치 당 3개의 저장 모듈의 비율로 분리된 6개의 모듈을 재도입한다.
재구성 가능한 장치의 수 관점에서 본 최적화
도 6은 용량성 효과에 의한 에너지 저장 모듈의 특징을 보여준다. 그것은 저장 모듈을 방전하는 동안 방전 종료시 단자에서의 전압의 함수로서 접근할 수 있는 유용한 에너지를 나타낸다. x-축은 최대 전압 Umod-max 에 대한 백분율로서 방전 종료시의 전압에 상응하고, y-축은 저장 모듈에서의 이용 가능한 총 에너지에 대한 백분율로서 접근 가능한 유용한 에너지에 상응한다. 본 도면은 저장 모듈의 공칭 에너지의 90%가 전압[Umod-max; Umod-min] 에 걸쳐 확보 가능하며, 여기서 Umod-min은 Umod-max 의 1/3과 거의 같다. 따라서 본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 에너지의 90%를 사용하기 위해서는 브랜치 당 저장 모듈의 최대 개수가 브랜치 당 저장 모듈의 최소 개수의 3 배 미만이어야한다. 이렇게 엄격한 열등 관계(inferiority relationship)는 저장 모듈의 단자에서의 전압 변동 때문이다. 따라서 조합들은 다음과 같을 수 있다.:
Figure pct00018
앞서 지적한 바와 같이, 제어 유니트는, 본 발명에 따른 재구성 가능한 장치의 단자에서의 전압(Udevice)이 예를 들면 에너지 변환기의 최적 동작 범위에 해당하는 전압 범위 [Umax; Umin] 내에 위치되도록, 제어 콘택터를 구동시킬 수 있다. 따라서 제어 유니트는, 전압(Udevice)이 최소 전압(Umin)미만으로 되거나 또는 최대 전압( Umax)초과로 될 때 제어 콘택터가 전압(Udevice)이 전압 범위 [Umax; Umin]에서 복귀하는 신규 조합의 저장 모듈을 접속하기 위해 구동되도록, 배열될 수 있다.
에너지 변환기가 수 볼트의 전압 진동을 이끌어 내기 때문에, 재구성 가능한 장치의 충전 및 방전 시의 양 경우에 조합의 변경이 모두 하나의 동일한 전압에서 수행된다면, 두 조합 사이에서 불규칙한 진동 현상이 관찰될 수 있다. 이러한 현상을 막기 위해서, 조합의 각 전압 변동 근방에 수 볼트(예를 들면 1 내지 5볼트)의 히스테리시스(hysteresis)를 도입하는 것이 가능하다. 예시로서, 각각이 N1 저장 모듈을 가지는 병렬 상태의 M1 브랜치로 된 제 1 조합과 각각이 N2 저장 모듈을 가지는 병렬 상태의 M2 브랜치로 된 제 2 조합이 고려되며, 여기서 N2> N1 그리고 M1×N1= M2×N2이다. 방전 중, 제 1 조합으로부터 제 2 조합으로의 전환은 전압(Udevice)이 전압(Umin)미만의 수 볼트인 전압(Udech)에 도달할 때 이루어진다. 다른 한편, 충전 중, 제 2조합으로부터 제 1조합으로의 전환은 전압(Udevice)이 전압(Umin)에 도달할 때 이루어질 수 있다.
히스테리시스를 도입하기 위한 다른 해결책은 최적 동작 범위 [Umax; Umin]의 단자에서 재구성 문턱값을 유지하면서 최대 전압(Umax)에 대한 최소 전압(Umin)의 지수
Figure pct00019
보다 약간 높은 비율
Figure pct00020
로 작업하는 것이다. 방전 중, 전압(Udevice)은
Figure pct00021
에서
Figure pct00022
로 변하는데, 이는 Umax보다 매우 약간 작다. 충전 중, 전압(Udevice)은 전압(Umax)에서
Figure pct00023
로 변하는데, 이는
Figure pct00024
보다 약간 작다. 이전 것과 관련하여 이 두번째 해결책은 에너지 변환기의 최적 작동 범위에서 전압(Udevice)를 유지한다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 특히 대중 전기 교통 차량, 특히 그들이 버스 정류장에서의 예정된 정지를 포함하는 여정을 수행할 때 특별히 적합하다. 특히 버스와 트램의 경우가 그렇다. 상기 차량의 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 실제로 정류장에서 정지하는 동안 규칙적으로 충전될 수 있고, 정류장 사이를 자율적으로 이동하기에 충분한 에너지를 축적할 수 있게 한다. 그래서 상기 정류장은　"충전 스테이션"으로 기술된다. 특히 수퍼 커패시터를 포함하는 용량성 효과에 의한 에너지 저장 기술은, 차량이 정류장에 정차되는 기간, 일반적으로 약 10 초 또는 최대 약 30 초 정도의 기간에 병립하는 재충전을 위한 상대적으로 짧은 지속 시간을 허용한다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 사용에 대한 일예에 따르면, 이 장치는 300V와 450V 사이로 구성된 입력 전압 범위에 걸쳐 동작하는 (무한 변속기 + 모터) 구동 트레인(drive train)을 포함하는 차량에 330V와 430V 사이로 이루어진 최적 에너지 효율을 제공한다. 본 발명에 따른 재구성 가능한 장치의 사용의 이점을 보다 잘 이해하기 위해서, 비교로서, 용량성 효과에 의한 에너지 저장 장치로서 재구성 가능하지 않은 것, 즉 저장 모듈의 조합이 고정된 것을 고려했다. 이 재구성 가능하지 않은 장치는 예를 들면 직렬 연결된 8개 저장 모듈로 된 4개의 병렬 상태의 브랜치를 포함하여, 여기서 각 저장 모듈은 50 V 의 단자들 사이의 최대 전압(Umod-max)을 갖는다. 따라서 장치의 단자들에서의 최대 전압은 400V이며, 이는 구동 트레인의 최적 작동 범위(430V)의 상한선에 가깝다. 다른 한편, 전압이 최적 동작 범위(330V)의 하한선에 도달할 때까지 재구성 가능하지 않는 장치를 방전하는 것은 오직 장치 내에 저장된 에너지의 적은 부분, 대략 33%만이 사용될 수 있게 한다. 이 부분은 방전이 300V의 전압으로 허용되면 약 50%에 도달할 수 있지만, 아직도 상대적으로 작다. 주어진 전기 자동차의 자율성을 위해, 이런 저장 에너지 사용 비율은 재구성 가능하지 않는 저장 장치의 과잉 치수(over-dimensioning)를 요구한다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 하나의 동일한 수의 저장 모듈을 기반으로 하여 얻을 수 있는 자율성을 증가시키거나, 병렬 상태의 브랜치의 수를 최적화하거나 또는이 두 가지 옵션간의 절충안에 도달하는 것을 가능하게 한다. 자율성 증가의 경우에 있어서, 아래에 제시된 각각이 8 개의 저장 모듈을 갖는 병렬 상태의4 개의 브랜치로 이루어진 초기 조합을 가지는 테이블에 따르면, 저장 에너지의 86%까지 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 브랜치 수의 최적화를 추구하는 경우, 재구성 가능한 장치는 각각이 8 개의 저장 모듈을 갖는 병렬 상태의 2 개의 브랜치(M×N = 2×8)만을 구비할 수 있음을 알 수 있다. 하기의 조합들이 사용될 수 있다.
Figure pct00025
도 7a 내지 7e는 서로 다른 조합을 도식적으로 보여준다. 제 1조합을 보여주는 도 7a에서, 장치(700)는 각각이 직렬의 8개의 저장 모듈로 된 2개의 병렬 상태의 브랜치를 포함한다. 제 1브랜치(710)는 1에서부터 8까지로 연속적으로 번호 매김된 저장 모듈을 구비하고 그리고 제 2브랜치(720)는 9에서부터 16까지로 연속적으로 번호 매김된 저장 모듈을 구비한다. 제 2조합을 보여주는 도 7b에서, 장치(700)는 1에서부터 10까지의 저장 모듈로 구성된 하나의 브랜치를 구비하며, 저장 모듈 11 내지 16은 분리되어 있다. 제 3조합을 보여주는 도 7c에서, 장치(700)은 여전히 하나의 브랜치를 구비하는데, 이번에는 브랜치는 저장 모듈 1 내지 3 그리고 9 내지 16으로 구성되고, 저장 모듈 4 내지 8은 분리되어 있다. 제 4조합을 보여주는 도 7d에서, 장치(700)는 저장 모듈 4 내지 16으로 구성된 하나의 브랜치를 구비하여, 저장 모듈 1 내지 3은 분리되어 있다. 도 7e에 도시된 바와 같은 마지막 조합에서, 장치는 직렬 연결된 16개의 저장 모듈의 어셈블리로 구성된 하나의 단일 브랜치를 구비한다. 이들 상이한 조합을 허용하기 위해서, 장치(700)는 저장 모듈 3 및 4 사이, 저장 모듈 10 및 11 사이, 저장 모듈 8과 장치(700)의 음극 접속 단자 사이 그리고 저장 모듈 9와 장치(700)의 양극 접속 단자 사이에 있는 제어 콘택터를 구비한다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 장치의 제 2실시예에 따르면, 이 장치는 구동 트레인이 300V와 750V 사이에 포함된 입력 전압 범위에 걸쳐 동작하는 전기 차량에 350V와 730V 사이에 포함된 최적 에너지 효율을 제공한다. 동작 범위가 상대적으로 넓기 때문에(Umax > 2Umin로서), 용량성 효과에 의한 재구성 가능하지 않는 에너지 저장 장치를 사용하는 것이 고려될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 재구성 가능한 장치는 특히 정류장에서 전기 차량을 재충전하는데 유리하다. 실제로, 정류장에 도착하자 마자, 상기 재구성 가능한 장치는 그의 단자에서 350V 전압을 가질 수 있으며 그리고 그의 단자에서 700V의 전압을 생성하는 에너지 변환기를 통해서 재충전할 것을 요구할 수 있다. 상기 에너지 변환기는 주로 2개의 유형, 즉 스텝-업(step-up) 및 스텝-다운(step-down)으로 이루어진다. 스텝-업 변환기에 있어서, 입력 전압 범위는 출력 전압 범위보다 작다. 재충전 기간이 짧아야하기 때문에, 높은 전류가 스테이션과 전기 차량 사이를 통과해야 하며, 이는 특정 커넥터를 필요로 하며 그리고 상당한 설계 및 유지 보수 비용을 수반한다. 더구나, 줄 효과에 의한 손실이 상당하다. 스텝-다운 변환기에 있어서, 입력 전압 범위는 출력 전압 범위보다 크다. 이 에너지 변환기의 단점은 안전 위험이다. 재충전 스테이션이 일반적으로 도시 환경에 위치해 있어서 승객 또는 통행인과의 전기 접촉 위험이 있다. 이 고전압과 상당한 양의 전달된 전력의 존재는 기계적 통합, 재료 및 비용면에서 매우 엄격한 안전 조치를 필요로 한다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 2단계의 재충전을 허용함으로써 이러한 결점을 제한한다. 예를 들면 재구성 가능한 장치는 직렬 상태의 14개의 모듈로 된 2개의 브랜치(또는 2개 브랜치의 배수)를 포함하며, 각 저장 모듈은 그의 단자에서 50V의 최대 전압을 가진다. 예를 들면 225V와 450V 사이에 포함된 전압 범위 그리고 500V 와 1000V 사이에 포함된 출력 전압 범위에서 동작하는 스텝-업 에너지 변환 장치의 경우에, 제 1단계에서 2개의 브랜치는 28개의 모듈로 된 하나의 브랜치를 형성하기 위해 직렬로 배치된다 (또는 브랜치들은 2개씩 직렬로 배치된다). 이 브랜치의 단자에서의 전압은 700V로부터 1000V로 변화할 것이다. 제 2단계에서, 재구성 가능한 장치는 저장 모듈의 재충전을 완료하기 위해 그의 초기 조합(M×N=2k×14)으로 복귀하며, 그의 단자에서의 전압은 500V에서 700V로 변한다. 예를 들면 500V와 1000V 사이에 포함된 입력 전압 범위 그리고 225V 와 450V 사이에 포함된 출력 전압 범위에서 동작하는 스텝-다운 에너지 변환 장치에 있어서, 제 1단계에서 재구성 가능한 장치는 그의 초기 조합 상태(M×N=2k×14)로 남아 있으며, 각 브랜치의 단자에서의 전압이 350V에서부터 450V로 변화한다. 제 2단계에서, 14개의 저장 모듈로 된 브랜치 각각은 각각이 7개의 저장 모듈로 된 2개의 병렬 브랜치로 분할된다. 재충전시, 브랜치의 단자에서의 전압은 225V에서부터 350V로 변화한다. 그리고 이 장치는 초기 조합으로 재구성되며, 각 브랜치는 그의 단자에서 700V의 전압을 가진다. 개인 안전면에서 보면, 선험적으로 가장 높은 전압이 재충전 스테이션 내에 설치되어 사람들이 쉽게 접근 할 수 없는 에너지 컨버터의 상류에 위치하기 때문에, 스텝-다운 컨버터의 사용이 스텝-업 컨버터를 사용 보다 더 선호된다. 한편 스텝-업 컨버터를 사용하면 가장 높은 전압이 에너지 컨버터의 하류에, 특히 재충전 스테이션과 차량 사이의 전력 연결 장치에 배치되며 그리고 일반적으로 사람이 차량에 더 쉽게 접근할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 장치는 전기 차량의 전력 공급원으로서의 이점을 가진다. 그것은 또한, 정류장에서 차량에 탑재된 재구성 가능한 장치를 재충전하는 동안 에너지 전달을 용이하게 하기 위해, 재충전 스테이션에서 유용할 수 있다. "지상의 재구성 가능한 장치(ground reconfigurable device)" 로 불리는 재충전 스테이션에 배치된 재충전 가능한 장치는 재충전 스테이션에서 두 개의 차량 정류장 사이의 시간 간격에 해당하는 수분 정도의 비교적 긴 재충전 시간을 갖는다. 따라서 전력 전송값은 상당히 낮아지고, 이는 전기 전력망으로부터 직접적으로 재충전을 가능하게 한다. 따라서 전기 또는 하이브리드 차량을 위한 전력 공급 시스템은 그것을 두 개의 정류장 사이에 자율적으로 공급하기 위해 차량에 탑재된 본 발명에 따른 제 1 재구성 가능한 에너지 저장 장치, 각 재충전 스테이션에 위치된 본 발명에 따른 제 2 재구성 가능한 장치 그리고 2개의 재구성 가능한 장치를 연결시키기 위해 배열된 에너지 변환기를 포함한다. 차량의 구동 트레인의 전기적 특성은 탑재된 재구성 가능한 장치의 전압 범위를 부과하고 그리고 결과적으로 각 브랜치에서 직렬 상태의 저장 모듈의 수를 부과한다. 그 부분을 위해 2개의 재충전 스테이션 사이에 요구되는 자율성은 탑재된 재구성 가능한 장치에서 병렬 상태의 브랜치 수를 설정한다.
예로서, 초기 조합 시 각각이 직렬 상태의 8개의 저장 모듈로 된 병렬 상태의 4개의 브랜치, 즉 총 32개의 저장 모듈을 구비하는 탑재된 재구성 가능한 장치가 고려된다. 지상에 있는 재구성 가능한 장치로부터 탑재된 재구성 가능한 장치로 전송된 에너지는, 특히 에너지 변환기에서의 에너지 전달로 인한 손실은 무시하면서, 차량이 두 개의 재충전 스테이션 사이를 이동하는데 유용한 에너지에 해당한다. 따라서 지상에 있는 재구성 가능한 장치는 하나의 동일한 수의 저장 모듈을 구비한다. 지상에 있는 재구성 가능한 장치가 동작해야만 하는 전압 범위는 에너지 변환기의 변환율에 의해 결정된다. 1/2의 비율을 가지는 스텝-다운 에너지 변환기의 경우에 있어서 지상에 있는 재구성 가능한 장치는 탑재된 재구성 가능한 장치의 것의 2배의 전압에서 작동한다. 따라서 32개의 저장 모듈은 각각이 16개 저장 모듈로 된 2개의 브랜치가 병렬로 된 조합(M×N= 2×16)에서 연결된다. 탑재된 저장 모듈 및 지상에 있는 저장 모듈은, 직렬 상태의 8개의 저장 모듈로 된 4개의 브랜치, 그리고 4개 브랜치의 병렬 조합과 16개 저장 모듈로 된 병렬 상태의 2개 브랜치로 된 조합 중 어느 하나를 선택하는 것을 가능하게 하는 접속 시스템을 구비하는 하나의 동일한 기본적인 재구성 가능한 장치로부터 생산될 수 있다. 2의 비율을 가지는 스텝-업 에너지 변환기의 경우에 있어서 지상에 있는 재구성 가능한 장치는 탑재된 재구성 가능한 장치의 것의 1/2배의 전압에서 작동한다. 따라서 이 재구성 가능한 장치의 32개의 저장 모듈은 각각이 직렬 연결된 4개 저장 모듈로 된 8개의 브랜치가 병렬로 된 조합에서 연결된다. 탑재된 저장 모듈 및 지상에 있는 저장 모듈은, 직렬 상태의 4개의 저장 모듈로 된 8개의 브랜치, 그리고 8개 브랜치의 병렬 조합과 8개 저장 모듈로 된 병렬 상태의 4개 브랜치로 된 조합 중 어느 하나를 선택하는 것을 가능하게 하는 접속 시스템을 구비하는 하나의 동일한 기본적인 재구성 가능한 장치로부터 생산될 수 있다. 접속 시스템은 재구성 가능한 장치, 즉 차량 또는 재충전 스테이션의 목적지에 따라 필요한 위치에 생산 종료 시 볼트로 고정된 버스-바(bus-bar)를 포함할 수 있다. 또한 접속 시스템은, 재구성 가능 장치의 목적지의 함수로서 그 위치가 결정되는 수동 전원 차단기와 같은, 수동으로 제어되는 스위치를 포함할 수 있다. 재구성 가능 장치의 목적지는 선험적으로 결졍된다. 따라서, 사용된 접속 시스템이 제어될 필요는 없다. 그러나 재구성 가능한 장치의 충전 또는 방전 중에 사용되는 것과 같은 제어 콘택터는 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 재구성 가능한 에너지 저장 장치는 다른 전력 공급원, 특히 전하 이동 전기 화학적 에너지 저장 장치 (전기 배터리 또는 연료 전지), 또는 발전기 유니트와 결합될 수 있다. 이러한 추가 전원 공급원은 갑작스런 전원 요구의 경우 또는 재구성 가능 장치가 방전될 때 뿐만 아니라 짧은 시간 동안의 전원 감소의 경우, 예를 들면 조합의 변경 중에 재구성 가능한 장치를 백업할 수 있다.　
도 8은 본 발명에 따른 재구성 가능한 장치에 추가하여 전기전력 공급원을 포함하는 전력 공급 시스템의 예를 도시한다. 전기 전력 공급 시스템(800)은 재구성 가능한 장치(810), 에너지 변환기(820), 전기 배터리(830) 및 제어 스위치(840)를 구비한다. 재구성 가능한 장치(810)는 음극 접속 단자(811), 양극 접속 단자(812), 저장 모듈 어셈블리(813) 및 제어 인버터 어셈블리(814)를 포함한다. 전기 배터리(830)는 음극 접속 단자(831) 및 양극 접속 단자(832)를 포함한다. 에너지 변환기(820)는 2개의 입력 단자(821, 822) 그리고 2개의 출력 단자(823, 824)를 포함한다. 물론 상기 에너지 변환기(820)는 연결 단자가 단지 설명 목적으로 "입력"또는 "출력"으로 설명되어 있음에도 불구하고 양방향으로 작동할 수 있다. 상기 제어 스위치(840)는 예를 들면 재구성 가능한 장치(810)의 제어 유니트 또는 전력 공급 시스템의 임의의 제어 수단에 의해 구동될 수 있다. 에너지 변환기의 입력 단자(821, 822)를 재구성 가능한 장치(810)의 접속 단자(811, 812)와 전기 배터리의 접속 단자(831, 832) 중의 어느 하나에 접속하게 하는 것이 가능하다.
물론, 본 발명은 지금까지 설명한 예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 이러한 예들에 대해 많은 변경이 이루어질 수 있다. 설명된 상이한 특성, 형태, 변형 및 실시예는 이들이 호환되지 않거나 상호 배타적이지 않기 때문에 다양한 조합으로 함께 결합될 수 있다.

Claims (19)

  1. M×N 저장 모듈들 (111-122), 여기서 M 및 N은 엄격히 양의 자연수이며, 상기 저장 모듈 각각은 음극 단자와 양극 단자 사이의 용량성 효과에 의한 전기 에너지를 저장할 수 있으며;
    그들의 단자에 의해 서로 다른 조합들에 있는 Mi×Ni 저장 모듈들을 접속시킬 수 있도록 배열되어 있는 콘택터들(131-140), 여기서 색인 i로 표시되는 각 조합은 병렬로 연결된 Mi 브랜치를 구비하고 각 브랜치는 직렬 연결된 Ni 저장 모듈을 구비하며, Mi×Ni ≤ M×N이며; 그리고
    각 조합에서, 병렬 연결된 상기 브랜치의 단부들이 접속될 수 있도록 된 양극 전기 접속 단자(102) 및 음극 전기 접속 단자(101)를 구비하는 것인,
    재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 콘택터들(131-140)은 제어 콘택터들인, 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치.
  3. 청구항 1 및 청구항 2의 어느 하나에 있어서, 상기 저장 모듈들(111-122)로 된 적어도 하나의 조합에 있어서 각 브랜치(151-153)가 상기 양극 전기 접속 단자(102) 및/또는 상기 음극 전기 접속 단자(101)로부터 분리되는 분리 위치를 조정할 수 있도록 배열된 안전 콘택터를 더욱 구비하는 것인, 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 안전 콘택터(1001)은 제어 콘택터인, 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, M×N 저장 모듈들(111-122)은 그의 단자들에서 하나의 동일한 최대 전압(Umod-max)과 동일한 커패시턴스를 가지는 것인, 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콘택터(131-140)가, 각 조합에 있어서 각 브랜치의 수와 저장 모듈의 수의 곱 Mi×Ni 이 상기 재구성 가능한 에너지 저장 장치(100, 200, 810) 내의 저장 모듈의 수 M×N와 같도록, 배열되는 것인 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 콘택터(131-140)가, 상이한 조합 중에서 각 브랜치의 저장 모듈의 최대 수(Nmax)가 각 브랜치의 저장 모듈의 최소 수(Nmin)의 3배 이하가 되도록, 배열되는 것인 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 청구항 2와 함께,
    상기 M×N 저장 모듈들 중에서 제 1 저장 모듈의 음극 단자와 상기 M×N 저장 모듈들 중에서 상기 제 1저장 모듈과 동일하거나 또는 상이한 제 2저장 모듈의 양극 단자와의 사이의 제어 전압을 측정하기 위해 배열된 측정 유니트(201), 및
    상기 제어 전압의 함수로서 상기 제어 콘택터를 구동하기 위해 배열된 제어 유니트(202)를 더욱 구비하는 것인, 재구성 가능한 에너지 저장 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제어 유니트(202)는, 상기 제어 전압이 최소 전압( Umin)미만이거나 또는 최대 전압(Umax)초과일 때, 상기 제어 콘택터(131-140)가, 상기 제어 전압이 상기 최소 전압(Umin)과 상기 최대 전압(Umax)사이에 포함되는 신규 조합 내의 저장 모듈(111-122)를 접속시키기 위해 구동되도록, 배열된 것인 재구성 가능한 에너지 저장 장치.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 제어 유니트(202)는,
    상기 제어 전압이 최소 방전 전압(Udech)미만이 될 때, 상기 제어 콘택터들(131-140)이 상기 제어 전압이 최소 동작 전압(Umin)과 최대 동작 전압(Umax) (여기서 Udech　<　Umin　<　Umax)사이에 포함된 신규 조합 내의 저장 모듈들(111-122)을 접속시키기 위해 구동되도록, 그리고/또는
    상기 제어 전압이 최대 방전 전압(Uch)을 초과할 때, 상기 제어 콘택터들(131-140)이 상기 제어 전압이 최소 동작 전압(Umin)과 최대 동작 전압(Umax)(여기서 Umin　<　Umax　<　Uch)사이로 포함된 신규 조합 내의 저장 모듈들(111-122)을 접속시키기 위해 구동되도록, 배열되는 것인 재구성 가능한 에너지 저장 장치.
  11. 청구항 8 내지 10 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 유니트(202)는 상기 재구성 가능한 장치(100, 200, 801)의 상기 양극 접기 접속 단자(102)와 상기 음극 전기 접속 단자(101) 사이의 제어 전압을 측정하기 위해 배열된 것인, 재구성 가능한 에너지 저장 장치.
  12. 청구항 5 및 청구항 11에 있어서, 상기 제어 유니트(202) 및 상기 저장 모듈들(111-122)은, 상기 최대 동작 전압(Umax)과 상기 최소 동작 전압(Umin )간의 상기 전압 차이(ΔUmax)가 하나의 저장 모듈의 단자들에서의 최대 전압(Umod-max)이상이 되도록 배열되는 것인, 재구성 가능한 에너지 저장 장치.
  13. 청구항 5와 청구항 11 및 청구항 12 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 유니트(202) 및 상기 저장 모듈들(111-122)은, 하나의 조합에서 후속의 조합으로 전환하는 동안에 각 브랜치에서 추가 또는 제거될 수 있는 저장 모듈의 수가 하기 관계식을 만족하도록 결정되는 최대 수(nmax)이하가 되도록 배열된느 것인, 재구성 가능한 에너지 저장 장치,
    관계식: nmax Umod-max ≤ ΔUmax ≤ (nmax　+　1) Umod-max, 여기서 ΔUmax 는 상기 재구성 가능한 장치의 상기 양극 전기 접속 단자(102)와 상기 음극 전기 접속 단자(101) 사이의 상기 최대 동작 전압(Umax)과 상기 최소 동작 전압(Umin)간의 전압 차이임.
  14. 부하를 위한 전력을 공급할 수 있고 그리고 재충전 스테이션에 의해 재충전할 수 있는 전력 공급 시스템으로서,
    선행하는 청구항들 중 어느 하나에 따른 재구성 가능한 전기 에너지 저장 장치(100, 200, 810),
    상기 부하 또는 상기 재충천 스테이션에 접속할 수 있는 제 3 전기 접속 단자(411, 823) 및 제 4 전기 접속 단자(412, 824), 및
    상기 제 1 및 제 2전기 접속 단자를 상기 제 3및 제 4전기 접속 단자에 연결시킬 수 있으며, 그리고 상기 제 1 및 제 2전기 접속 단자 사이의 전압 형태를 상기 제 3 및 제 4전기 접속 단자 사이의 전압 형태로 조정할 수 있도록 배열된, 에너지 변환기(410, 820)를 구비하는 전력 공급 시스템(800).
  15. 청구항 14에 있어서, 청구항 9 내지 13항 중의 어느 한 항에 따른 장치(200, 810)를 구비하며, 상기 제어 유니트(202)는, 상기 최소 동작 전압(Umin)과 최대 동작 전압(Umax)으로 이루어진 전압 범위 내에서 상기 에너지 변환기(410, 820)가 95% 이상의 효율을 갖도록, 배열된 것인, 전력 공급 시스템.
  16. 청구항 14 및 15항 중의 어느 한 항에 있어서, 제 5전기 접속 단자(831)와 제 6전기 접속 단자(832) 사이에 전기 에너지를 저장할 수 있는, 전하 전송(830)에 의한 전기화학적 에너지 저장 장치, 그리고 상기 제 3 및 제 4전기 접속 단자를 상기 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 제 1 및 제 2전기 접속 단자 또는 전하 전송에 의한 상기 전기화학적 에너지 저장 장치의 제 5 및 제 6전기 접속 단자에 접속하도록 배열된 제어 스위치(840)를 더욱 구비하는, 전력 공급 시스템.
  17. 청구항 14 내지 16 중의 어느 한 항에 있어서, 제 7전기 접속 단자와 제 8전기 접속 단자 사이의 전기 에너지를 생성할 수 있는 발전기 유니트, 그리고 상기 제 3 및 제 4전기 접속 단자를 상기 재구성 가능한 에너지 저장 장치의 제 1 및 제 2전기 접속 단자 또는 상기 발전기 유니트의 제 7 및 제 8전기 접속 단자에 접속하도록 배열된 제어 스위치를 더욱 구비하는, 전력 공급 시스템.
  18. 청구항 16 및 17에 있어서, 상기 제어 스위치(840)는 상기 제 3 및 제 4전기 접속 단자를 상기 재구성 가능한 에너지 저장 장치(100,200,810)의 제 1 및 제 2전기 접속 단자, 전하 전송에 의한 상기 전기화학적 에너지 저장 장치(830)의 제 5 및 제 6전기 접속 단자 또는 상기 발전기 유니트의 제 7 및 제 8전기 접속 단자에 접속하도록 배열된 것인, 전력 공급 시스템.
  19. 전기 에너지를 상기 구동 트레인에 공급하기 위해 배열된 청구항 1 내지 13 중의 어느 한 항에 따른 장치와 전기 에너지를 상기 구동 트레인에 공급하기 위해 배열된 청구항 14 내지 18중의 어느 한 항에 따른 전력 공급 시스템 중의 어느 하나를 구비하는 차량.
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