KR20190137900A

KR20190137900A - 전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치 및 충전 방법

Info

Publication number: KR20190137900A
Application number: KR1020197034064A
Authority: KR
Inventors: 베렌가르 크릭; 마르코 프리드리히
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2018-04-11
Publication date: 2019-12-11
Also published as: CN110521080B; DE102017206834A1; US11289920B2; WO2018197206A1; US20200055412A1; CN110521080A; EP3616295B1; EP3616295A1

Abstract

본 발명은 제1 및 제2 극단자(P1, P4, P3, P2)를 각각 구비한 2개의 에너지 저장 유닛(R1, R2)을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템(100)을 위한 회로 장치에 관한 것으로, 상기 회로 장치는 적어도 하나의 제1 및 제2 입력단(E1, E2)과, 적어도 하나의 제1 및 제2 출력단(A1, A2)과, 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)와 제1 출력단(A1) 사이의 제1 스위칭 요소(S1)와, 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)와 제2 출력단(A2) 사이의 제2 스위칭 요소(S2)를 포함하며, 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4) 사이에 제3 스위칭 요소(S3)가 배치되며, 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2) 사이에 제4 스위칭 요소(S4)가 배치되며, 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4) 사이에 제5 스위칭 요소(S5)가 배치되며, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)은 제3, 제4 및 제5 스위칭 요소(S3, S4, S5)의 스위치 위치에 따라 병렬로 또는 직렬로 연결된다.

Description

전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치 및 충전 방법

본 발명은 특허 독립 청구항들의 전제부에 따른 전기 에너지 저장 시스템을 위한 회로 장치 및 충전 방법에 관한 것이다.

오늘날 전기 구동식 차량, 특히 전기차(EV) 또는 하이브리드 차량(HEV)에서, 배터리 모듈들은, 차량 내에서 바깥쪽을 향해 배터리 팩으로서 작용하는 개별 배터리 셀들의 병렬 및 직렬 연결을 통해 구성된다. 배터리 팩은, 배터리팩의 충전 상태 및 부하에 따라 충전 및 방전 과정을 위한 전압 범위를 정의하는 정격 전압을 갖는다.

전기 구동식 차량, 특히 주 에너지원으로서 배터리를 구비한 차량의 충전은 오늘날 집중적인 연구 및 개발의 대상이다. 그 이유는, 한편으로는 완전한 배터리 충전을 위한 현재의 충전 시간이 여전히 너무 오래 걸리고, 다른 한편으로는 미래형 저장 장치들의 용량은 훨씬 더 증가할 것이며, 그러므로 가까운 미래에는 50kWh보다 더 높은 용량으로 차량에 장착되는 전기 에너지 저장 시스템들이 사용될 것이기 때문이다. 이와 동시에, 상기 차량의 더 폭넓은 수용을 위해, 연소 엔진을 장착한 차량의 주유 과정 동안의 체류 시간과 최대한 필적하는, 상대적으로 더 짧은 충전 시간이 요구된다.

기술 표준, 가용 부품 및 기술, 그리고 효율 요건들에 기인하여, 차량 파워트레인의 표준 작동 전압이, 현재 순수 전기 구동식 차량의 경우에는 전형적으로 300V 내지 450V의 값들로 제한되고 있다. 표준과 일치하는 충전 플러그는 전형적으로 200A까지의 정격 전류에 대해 인증된 상태이며, 직류 전압 충전을 위한 충전 전압은 전형적으로 200V와 850V 사이일 수 있다. 에너지 저장 시스템과 충전 장치 간의 통신을 통해, 충전 장치 측에서 소정의 한계의 범위 내에서 충전 전압 및 충전 전류의 연속 제어가 수행될 수 있다.

그러나 오늘날 가용한 전기 에너지 저장 시스템들, 특히 배터리 시스템들은 충전 시 전압을 조정할 수 있는 가능성을 제공하지 않는데, 그 이유는 그들의 배선 회로가 예컨대 직렬 또는 병렬 연결로 고정 배선되고, 이와 동시에 구동측에 제공되어 있는 컴포넌트, 예컨대 인버터를 표준 작동 전압 레벨에서 계속 작동시키기 때문이다.

종래 기술에 따른 회로 장치에 대한 일례가 도 1에 도시되어 있다. 직류 전압 충전 장치는 스위칭 요소들(switching element)에 의해 배터리 시스템과 분리 가능하게 전기 전도 방식으로 연결된다. 배터리 시스템과 하나 이상의 부하 장치(load device) 사이에 추가 스위칭 요소들이 배치되며, 그럼으로써 배터리 시스템은 추가 스위칭 요소들에 의해 부하 장치와 전기 전도 방식으로 연결될 수 있게 된다. 부하 장치의 비사용 시, 배터리 시스템과 부하 장치는 추가 스위칭 요소들에 의해 전기적으로 분리될 수 있다.

종래 기술에 따른 회로 장치에 대한 또 다른 일례가 도 2에 도시되어 있다. 직류 전압 충전 장치의 충전 전압의 조정은 직류 전압 충전 장치와 배터리 시스템 사이의 변압기에 의해 가능하다. 상기 변압기는 배터리 시스템에 의해 전기를 공급받는 전기 구동식 차량 내에 배치된다.

DE 103 30 834 A1호는 전원 고장 시 하나 이상의 부하로의 전원 공급을 위한 방법 및 그 장치를 개시하고 있다.

WO 2011/105794호는, 직렬로도 그리고 병렬로도 연결될 수 있는 이차 셀들을 포함하는, 직렬 회로를 구비한 하이브리드 셀 시스템을 개시하고 있다.

DE 10 2012 219 488 A1호는 용량성 부품을 사전 충전하기 위한 회로 장치 및 그 방법을 개시하고 있다.

본 발명은, 제1 극단자(pole terminal) 및 제2 극단자를 각각 구비한 제1 에너지 저장 유닛 및 제2 에너지 저장 유닛을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템을 위한 회로 장치에 관한 것이며, 상기 회로 장치는

- 직류 전압원과의 전기 전도성 연결을 위한 적어도 하나의 제1 입력단(input) 및 제2 입력단과;

- 하나 이상의 전기 컴포넌트와의 전기 전도성 연결을 위한 적어도 하나의 제1 출력단(output) 및 제2 출력단과;

- 제1 에너지 저장 유닛의 제1 극단자와 제1 출력단 사이에 배치된 제1 스위칭 요소로서, 제1 에너지 저장 유닛의 제1 극단자는 제1 스위칭 요소의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제1 출력단은 제1 스위칭 요소의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되는, 제1 스위칭 요소와;

- 제2 에너지 저장 유닛의 제2 극단자와 제2 출력단 사이에 배치된 제2 스위칭 요소로서, 제2 에너지 저장 유닛의 제2 극단자는 제2 스위칭 요소의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제2 출력단은 제2 스위칭 요소의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되는, 제2 스위칭 요소;를 포함하며,

제1 에너지 저장 유닛의 제1 극단자는 제7 스위칭 요소에 의해 제1 입력단과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있고, 제2 에너지 저장 유닛의 제2 극단자는 추가의 제7 스위칭 요소에 의해 제2 입력단과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다.

본 발명의 핵심은, 제1 에너지 저장 유닛의 제2 극단자와 제2 에너지 저장 유닛의 제1 극단자 사이에 제3 스위칭 요소가 배치되며, 제1 에너지 저장 유닛의 제2 극단자는 제3 스위칭 요소의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제2 에너지 저장 유닛의 제1 극단자는 제3 스위칭 요소의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되며,

제1 에너지 저장 유닛의 제2 극단자와 제2 에너지 저장 유닛의 제2 극단자 사이에 제4 스위칭 요소가 배치되며, 제1 에너지 저장 유닛의 제2 극단자는 제4 스위칭 요소의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제2 에너지 저장 유닛의 제2 극단자는 제4 스위칭 요소의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되며,

제1 에너지 저장 유닛의 제1 극단자와 제2 에너지 저장 유닛의 제1 극단자 사이에 제5 스위칭 요소가 배치되며, 제1 에너지 저장 유닛의 제1 극단자는 제5 스위칭 요소의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제2 에너지 저장 유닛의 제1 극단자는 제5 스위칭 요소의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되며,

상기 에너지 저장 유닛들은 제3, 제4 및 제5 스위칭 요소의 스위치 위치에 따라서 병렬 또는 직렬로 연결된다는 점이다.

본 발명의 배경은, 에너지 저장 장치의 배선 회로가 조정됨으로써 충전 장치의 충전 특성들 및 에너지 저장 장치의 충전 특성들이 서로 호환됨으로써, 각각 상이한 충전 특성을 갖는 다양한 충전 장치들을 이용하여 에너지 저장 장치를 충전할 수 있게 하는 데 있다.

바람직하게, 2개의 에너지 저장 유닛이 동일한 유형으로 형성된다. 따라서, 에너지 저장 시스템의 최대 충전 전압은 병렬 연결에서보다 직렬 연결에서 2배 더 크다.

바람직하게, 제3 스위칭 요소는 상시 폐쇄형이다. 다시 말해 제3 스위칭 요소에 제어 전압이 인가되지 않으면, 제3 스위칭 요소는 폐쇄되어 있다.

바람직하게는, 제4 및/또는 제5 스위칭 요소는 상시 개방형이다. 다시 말해 제4 및/또는 제5 스위칭 요소에 제어 전압이 인가되지 않으면, 이들 스위칭 요소는 개방되어 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.

한 바람직한 구현예에 따라, 본원 회로 장치는, 제1 에너지 저장 유닛과 제2 에너지 저장 유닛 간의 보상 전류를 제한하도록 구성된 하나 이상의 사전 충전 회로(precharging circuit)를 포함한다. 이 경우, 바람직하게는, 제2 에너지 저장 유닛이, 충전 상태가 매우 상이한 경우에도 병렬 연결로 전환될 수 있다. 이를 위해, 우선 상대적으로 더 낮은 충전 상태를 갖는 에너지 저장 유닛이 사전 충전 회로에 의해 충전되고, 에너지 저장 유닛들의 충전 상태가 서로 균등해져야 비로소 에너지 저장 유닛들이 병렬로 연결된다. 따라서 자기 방전(self-discharge)이 증가한 에너지 저장 셀들의 경우, 자기 방전이 증가된 에너지 저장 셀들을 포함하는 에너지 저장 유닛만 사전 충전된다.

바람직한 방식으로, 사전 충전 회로는 제4 스위칭 요소 및/또는 제5 스위칭 요소에 병렬로 연결되어 배치된다.

또 다른 한 바람직한 구현예에 따라서, 본원 회로 장치는 직류 변압기 및 제6 스위칭 요소를 포함하며, 상기 직류 변압기의 제1 입력 단자는 제1 에너지 저장 유닛의 제2 극단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 상기 직류 변압기의 제2 입력 단자는 제2 에너지 저장 유닛의 제1 극단자와 전기 전도 방식으로 연결되며, 제6 스위칭 요소는 직류 변압기의 제1 출력 단자와 제1 출력단 사이에 배치되고, 제6 스위칭 요소의 제1 단자는 직류 변압기의 제1 출력 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제6 스위칭 요소의 제2 단자는 제1 출력단과 전기 전도 방식으로 연결되며, 직류 변압기의 제2 출력 단자는 제2 스위칭 요소의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결된다. 이 경우, 바람직하게는, 에너지 저장 유닛들이 병렬 연결되고 그로 인해 에너지 저장 시스템의 정격 전압이 감소된 경우, 직류 변압기를 이용하여 에너지 저장 유닛들의 직렬 연결 시의 정격 전압에 상응하는 전압이 생성될 수 있다. 따라서, 직류 변압기에 의해 에너지 저장 시스템의 충전 과정 동안 다른 전기 컴포넌트들은 작동될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 직류 변압기의 제1 및 제2 입력 단자는 제3 스위칭 요소에 대해 역병렬로 연결되어 배치된다. 그렇게 하여, 직류 변압기는, 제3 스위칭 요소가 폐쇄된 경우, 특히 에너지 저장 유닛들의 직렬 연결 시 단락되고 그에 따라 비활성화(de-energization)된다.

각각 앞서 기술한 것과 같은 또는 회로 장치를 대상으로 하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 회로 장치와 2개 이상의 에너지 저장 유닛을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템을 직류 전압원을 이용하여 충전하기 위한 방법에서 본 발명의 핵심은, 상기 충전 방법이 시간상 연속되는 하기 방법 단계들을 포함한다는 데 있다:

- 제1 방법 단계에서, 직류 전압원의 하나 이상의 특성이 결정되며;

- 제2 방법 단계에서, 에너지 저장 시스템의 하나 이상의 특성이 결정되며;

- 제3 방법 단계에서, 직류 전압원의 하나 이상의 특성이 에너지 저장 시스템의 하나 이상의 특성과 비교되며;

- 제4 방법 단계에서, 제3 방법 단계의 결과를 이용하여, 에너지 저장 유닛들이 제1 변형예에서 병렬로 연결되어 충전될지, 또는 제2 변형예에서 직렬로 연결되어 충전될지의 여부가 결정되며;

- 제5 방법 단계에서, 에너지 저장 유닛들의 직렬 연결을 위한 제1 변형예의 경우, 제3 스위칭 요소가 폐쇄되고 제4 스위칭 요소 및 제5 스위칭 요소는 개방되며;

에너지 저장 유닛들의 병렬 연결을 위한 제2 변형예의 경우, 제3 스위칭 요소는 개방되고, 이어서 제4 스위칭 요소는 폐쇄되며, 상기 각각의 에너지 저장 유닛의 내부에서 각각의 에너지 저장 유닛의 저장 셀들의 충전 상태가 각각 보상되고, 그런 다음 제5 스위칭 요소는 폐쇄되며;

- 제6 방법 단계에서, 상기 회로 장치의 제1 입력단과 제1 에너지 저장 유닛의 제1 극단자를 연결하고, 상기 회로 장치의 제2 입력단과 제2 에너지 저장 유닛의 제2 극단자를 연결하기 위해 2개의 제7 스위칭 요소가 폐쇄되며, 그런 후에 에너지 저장 유닛들로 제1 극단자 및 제2 극단자에 연결된 직류 전압원의 에너지 공급이 시작되며;

- 제7 방법 단계에서, 에너지 저장 유닛들의 충전 상태들이 모니터링되며;

- 제8 방법 단계에서, 2개의 제7 스위칭 요소를 개방하고, 경우에 따라 제3 스위칭 요소를 폐쇄하며, 제4 및 제5 스위칭 요소를 개방함으로써 충전 과정이 종료되고, 그럼으로써 에너지 저장 유닛들은 직렬로 연결된다.

본 발명의 배경은, 본원 충전 방법을 이용하여, 에너지 저장 장치의 배선 회로를 조정하여 직류 전압원의 충전 특성과 에너지 저장 장치의 충전 특성이 서로 호환될 수 있게 함으로써, 각각 상이한 충전 특성을 갖는 다양한 직류 전압원들을 이용하여 에너지 저장 장치를 충전하는 것이다.

바람직한 방식으로, 각각의 에너지 저장 유닛의 에너지 저장 셀들의 충전 상태는 제5 방법 단계에서 에너지 저장 시스템의 에너지 저장 관리 시스템에 의해 서로 균등해진다.

한 바람직한 구현예에 따라서, 제1 방법 단계에서, 직류 전압원의 최대 충전 전압이 결정되며; 제2 방법 단계에서, 에너지 저장 시스템의 최대 충전 전압이 결정되며; 제4 방법 단계에서, 에너지 저장 시스템의 최대 충전 전압이 직류 전압원의 최대 충전 전압을 상회하면, 제1 변형예, 즉, 병렬 연결이 선택된다. 이 경우, 바람직하게 에너지 저장 시스템의 충전 전압은, 에너지 저장 유닛들의 배선 회로의 조정을 통해 직류 전압원의 충전 전압에 맞추어 조정될 수 있다.

또 다른 한 바람직한 실시예에 따라서, 제5 방법 단계 이후, 직류 전압원과 직류 변압기를 연결하기 위해, 제6 스위칭 요소는 폐쇄되고, 제1 스위칭 요소는 제6 방법 단계에서 개방된 상태로 유지된다. 그렇게 하여 에너지 저장 유닛들이 병렬 연결되고, 그로 인해 에너지 저장 시스템의 정격 전압이 감소되면 직류 변압기에 의해 에너지 저장 유닛들의 직렬 연결 시의 정격 전압에 상응하는 전압이 생성될 수 있다. 따라서, 직류 변압기에 의해, 에너지 저장 시스템의 충전 과정 동안 다른 전기 컴포넌트들은 작동될 수 있다.

2개 이상의 전기 에너지 저장 유닛을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템에서 본 발명의 핵심은, 전기 에너지 저장 시스템이 각각 앞서 기술한 것과 같은, 또는 회로 장치를 대상으로 하는 청구항들 중 어느 하나에 따른 회로 장치를 포함한다는 점이다.

각각 앞서 기술한 것과 같은, 또는 회로 장치를 대상으로 하는 청구항들 중 어느 하나에 따른 회로 장치의 이용에서 본 발명의 핵심은, 회로 장치가 전기 구동 차량 또는 하이브리드 차량에서 사용된다는 점이다.

본 발명의 배경은, 차량이 다양한 직류 전압원들에 의해 충전될 수 있다는 점이다. 따라서 차량을 위한 충전소들의 가용성이 개선된다.

스위칭 요소들은, 예컨대 반도체 스위칭 요소들로서, 예컨대 MOSFET 또는 IGBT로서, 또는 전기 기계식 릴레이 또는 접촉기로서도 구현될 수 있다.

전기 에너지 저장 유닛은, 특히 전기 화학 배터리 셀, 및/또는 하나 이상의 전기 화학 배터리 셀을 포함한 배터리 모듈, 및/또는 하나 이상의 배터리 모듈을 포함한 배터리 팩을 의미할 수 있다. 예컨대 전기 에너지 저장 유닛은 리튬 배터리 셀, 또는 리튬 배터리 모듈, 또는 리튬 배터리 팩일 수 있다. 특히 전기 에너지 저장 유닛은, 리튬이온 배터리 셀, 또는 리튬이온 배터리 모듈, 또는 리튬이온 배터리 팩일 수 있다. 또한, 배터리 셀은 리튬 폴리머 축전지, 니켈 금속하이드리드 축전지, 납산 축전지, 리튬 공기 축전지, 또는 리튬 황 축전지 타입이거나, 가장 일반적으로는 임의의 전기 화학적 조성을 갖는 축전지일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기 에너지 저장 시스템의 회로 장치의 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전기 에너지 저장 시스템의 또 다른 회로 장치의 회로도이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 전기 에너지 저장 시스템의 본 발명에 따른 회로 장치의 회로도이다.
도 4는 제2 실시예에 따른 전기 에너지 저장 시스템의 본 발명에 따른 회로 장치의 회로도이다.
도 5는 전기 에너지 저장 시스템을 위한 본 발명에 따른 충전 방법을 나타낸 흐름도이다.

하기 단락에서, 본 발명은 또 다른 발명 특징들이 도출될 수 있는 실시예들에 기초하여 설명되지만, 본 발명의 범위가 상기 실시예들로 제한되지는 않는다. 실시예들은 도면들에 도시되어 있다.

모든 도면에서 동일한 도면부호들은 동일한 장치 컴포넌트들 내지 방법 단계들을 지시한다.

도 3에는, 에너지 저장 시스템(100)을 위한 본 발명에 따른 회로 장치의 제1 실시예가 도시되어 있다.

에너지 저장 시스템(100)은, 직렬로 연결되는 2개 이상의 에너지 저장 셀(101)을 각각 구비한 제1 에너지 저장 유닛(R1) 및 제2 에너지 저장 유닛(R2)을 포함한다. 또한, 각각의 에너지 저장 유닛(R1, R2)은 에너지 저장 셀들(101)의 직렬 연결과 병렬 연결의 조합 또는 에너지 저장 셀들(101)의 병렬 연결도 포함할 수 있다.

각자의 에너지 저장 유닛(R1, R2)은 각각 제1 극단자, 특히 양극 극단자(P1, P4) 및 제2 극단자, 특히 음극 극단자(P3, P2)를 포함한다.

에너지 저장 시스템(100)은 제1 입력단(E1) 및 제2 입력단(E2)을 이용하여 도면들에는 미도시된 직류 전압원과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다. 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)와 제1 입력단(E1) 사이에는 제7 스위칭 요소(108)가 배치된다. 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)와 제2 입력단(E2) 사이에는 추가의 제7 스위칭 요소(108)가 배치된다. 각각의 제7 스위칭 요소(108)를 통해, 각각의 극단자(P1, P2)와 각각의 입력단(E1, E2)이 에너지 저장 시스템(100)을 충전하기 위해 상호 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다.

에너지 저장 유닛들(R1, R2)은 제3 스위칭 요소(S3)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 이를 위해, 제3 스위칭 요소(S3)는 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4) 사이에 배치된다. 그렇게 하여, 제1 에너지 저장 유닛의 제2 극단자(P3)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4)는 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다.

에너지 저장 유닛들(R1, R2)의 병렬 연결을 위해, 회로 장치는 제4 스위칭 요소(S4) 및 제5 스위칭 요소(S5)를 포함한다. 제4 스위칭 요소(S4)에 의해, 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)는 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4)와 연결될 수 있다. 제5 스위칭 요소(S5)에 의해, 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)가 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)와 연결될 수 있다.

제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)는 제1 스위칭 요소(S1)에 의해 에너지 저장 시스템(100)의 제1 출력단(A1)과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다. 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)는 제2 스위칭 요소(S2)에 의해 에너지 저장 시스템(100)의 제2 출력단(A2)과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있다.

회로 장치는, 제5 스위칭 요소(S5)에 대해 병렬로 연결되어 배치된 하나 이상의 하전 충전 회로(122)를 포함한다. 그 대안으로 또는 추가로, 미도시된 추가 사전 충전 회로가 제4 스위칭 요소(S4)에 대해 병렬로 연결되어 배치된다.

병렬 연결에서 에너지 저장 유닛들(R1, R2)을 충전하기 위해, 제3 스위칭 요소(S3)는 개방되고, 제4 및 제5 스위칭 요소(S4, S5) 및 제7 스위칭 요소(S7)는 폐쇄된다. 충전 과정 동안, 배터리 시스템의 출력단들(A1, A2)과 각각 전기 전도 방식으로 연결되어 있는 부하 장치들에 에너지를 공급할 수 있도록 하기 위해, 제1 및 제2 스위칭 요소(S1, S2)가 폐쇄될 수 있다. 그러나 이 경우, 상기 컴포넌트들은 표준 작동 전압의 절반만으로 작동된다.

직렬 연결에서 에너지 저장 유닛들(R1, R2)을 충전하기 위해, 제3 스위칭 요소(S3) 및 제7 스위칭 요소(S7)는 폐쇄되고, 제4 및 제5 스위칭 요소(S4, S5)는 개방된다. 충전 과정 동안, 배터리 시스템의 출력단들(A1, A2)과 각각 전기 전도 방식으로 연결되어 있는 부하 장치들에 에너지를 공급할 수 있도록 하기 위해, 제1 및 제2 스위칭 요소(S1, S2)가 폐쇄될 수 있다.

이 경우, 직렬 연결의 형성 시, 단락을 방지하기 위해, 제3 스위칭 요소(S3)가 폐쇄되기 전에 먼저 제4 스위칭 요소(S4) 및 제5 스위칭 요소(S5)가 개방되어야 하는 점에 유의한다. 이는, 기계식 회로 장치, 예컨대 접촉기의 경우에는, 제4 스위칭 요소(S4), 제5 스위칭 요소(S5) 및 제3 스위칭 요소(S3)를 함께 기계적으로 결합하고, 그에 상응하게 제3 스위칭 요소(S3)를 서둘러 폐쇄함으로써 수행될 수 있고; 전자 회로 장치들, 예컨대 MOSFET 또는 IGBT와 같은 전자 회로 장치들 그리고 비결합 전기 기계 회로 장치들의 경우에는, 제어부의 상응하는 VETO 배선을 통해, 또는 회로 장치를 제어하는, 본원에는 미도시된 전자 유닛에서 상응하게 보안된 소프트웨어 기능들을 통해 수행될 수 있다.

에너지 저장 시스템(100)을 위한 본 발명에 따른 회로 장치는 예컨대 차량의 전기 모터를 위해 이용될 수 있다. 이를 위해, 에너지 저장 시스템(100)의 출력단들(A1, A2)은 중간 회로 커패시터(103)와 연결된다. 중간 회로 커패시터(103)는 전기 모터를 위한 교류 전압을 생성하는 컨버터(106)에 전기를 공급한다.

중간 회로 커패시터(103)에 대해 병렬로 연결되는 방식으로, 차량의 추가 전기 컴포넌트들을 작동시킬 수 있는 차량 온보드 전기 시스템(105)을 위한 저전압, 특히 12V 또는 48V를 발생시키는 직류 변압기(104)가 배치될 수 있다.

중간 회로 커패시터(103)로부터, 상기 중간 회로 커패시터(103)에 대해 병렬로 연결되어 배치된, 에너지 저장 시스템(100)용 냉각 장치(102)에 전력이 공급될 수 있다.

또한, 에너지 저장 시스템(100)을 위한 회로 장치의 전술한 사용은 예컨대 풍력 에너지 공학 또는 태양 에너지 공학 또는 수력 에너지 공학과 같은 에너지 공학에서도 가능하다.

도 4에는, 본 발명에 따른 회로 장치의 제2 실시예가 도시되어 있다.

도 4에 따른 제2 실시예는, 도 3에 따른 제1 실시예에 추가로 직류 변압기(111)와 제6 스위칭 요소(S6)를 포함한다.

직류 변압기(111)는, 에너지 저장 유닛들의 병렬 연결에서 충전 과정 동안, 예컨대 냉각 장치(102) 및/또는 추가 전기 컴포넌트, 특히 차량 컴포넌트로의 전압 공급을 위해 사용될 수 있다.

직류 변압기(111)는, 제1 입력 단자에 의해 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)와, 그리고 제2 입력 단자에 의해 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4)와 전기 전도 방식으로 연결된다. 제6 스위칭 요소(S6)는 직류 변압기(111)의 제1 출력 단자와 제1 출력단(A1) 사이에 배치된다. 직류 변압기(111)의 제2 출력 단자는 제2 스위칭 요소(S2)와 전기 전도 방식으로 연결되며, 제2 스위칭 요소(S2)는 제2 출력 단자와 제2 출력단(A2) 사이에 배치된다.

직류 변압기(111)의 입력 단자들은 제3 스위칭 요소(S3)에 대해 역병렬로 연결되어 배치된다.

에너지 저장 유닛들의 병렬 연결에서 직류 변압기(111)의 이용을 위해, 제1 및 제3 스위칭 요소(S1, S3)는 개방되고, 제2, 제4, 제5 및 제6 스위칭 요소(S2, S4, S5, S6) 및 제7 스위칭 요소(S7)는 폐쇄된다.

도 5에는, 직류 전압원을 이용하여, 일 실시예에 따른 회로 장치 및 2개 이상의 에너지 저장 유닛(R1, R2)을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템(100)을 위한 본 발명에 따른 충전 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 이 경우, 하기의 예시적 설명을 위한 모든 스위칭 요소(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7)의 초기 상태는, 모든 스위칭 요소(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7)가 개방되어 있는 것이다.

충전 방법은 시간상 연속되는 하기 방법 단계들을 포함한다.

제1 방법 단계(ST200)에서, 직류 전압원의 하나 이상의 특성, 특히 직류 전압원의 최대 충전 전압이 결정된다.

제2 방법 단계(ST201)에서, 에너지 저장 시스템(100)의 하나 이상의 특성, 특히 에너지 저장 시스템(100)의 최대 충전 전압이 결정된다.

제3 방법 단계(ST202)에서, 직류 전압원의 하나 이상의 특성이 에너지 저장 시스템(100)의 하나 이상의 특성과 비교된다.

제4 방법 단계(ST203)에서, 제3 방법 단계(ST202)의 결과를 이용하여, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)이 제1 변형예에서 병렬로 연결되어 충전될지, 또는 제2 변형예에서 직렬로 연결되어 충전될지의 여부가 결정되며, 에너지 저장 시스템(100)의 최대 충전 전압이 직류 전압원의 최대 충전 전압을 상회하면, 제1 변형예, 즉, 병렬 연결이 선택된다.

제5 방법 단계(ST204)에서, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)의 직렬 연결을 위한 제1 변형예의 경우, 제3 스위칭 요소(S3)가 폐쇄되고 제4 스위칭 요소(S4) 및 제5 스위칭 요소(S5)는 개방된다.

에너지 저장 유닛들(R1, R2)의 병렬 연결을 위한 제2 변형예의 경우, 제3 스위칭 요소(S3)는 제5 방법 단계(ST204)에서 개방되고, 그런 후에 제4 스위칭 요소(S4)는 폐쇄되며, 각각의 에너지 저장 유닛(R1, R2)의 내부에서 각각의 에너지 저장 유닛(R1, R2)의 저장 셀들(101)의 충전 상태가 각각 사전 충전 회로(122)에 의해 보상되고, 그런 다음 제5 스위칭 요소(S5)가 폐쇄된다.

제6 방법 단계(ST205)에서, 회로 장치의 제1 입력단(E1)과 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)를 연결하고, 회로 장치의 제2 입력단(E2)과 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)를 연결하기 위해, 2개의 제7 스위칭 요소(108)가 폐쇄된다. 그런 후에 에너지 저장 유닛들(R1, R2)로 제1 극단자(P1) 및 제2 극단자(P2)에 연결된 직류 전압원의 에너지 공급이 시작된다.

제7 방법 단계(ST206)에서, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)의 충전 상태들이 모니터링된다.

에너지 저장 유닛(R1, R2)의 원하는 충전 상태에 도달되는 즉시, 제8 방법 단계(ST207)에서 2개의 제7 스위칭 요소(108)를 개방하고, 경우에 따라 제3 스위칭 요소(S3)를 폐쇄하며, 제4 및 제5 스위칭 요소(S4, S5)를 개방함으로써 충전 과정을 종료하며, 그럼으로써 에너지 저장 유닛들(R1, R2)은 직렬로 연결되게 된다.

한 대안적 충전 방법에서는, 제5 방법 단계 이후에, 직류 전압원과 직류 변압기(111)를 연결하기 위해 제6 스위칭 요소(S6)가 폐쇄되고, 제1 스위칭 요소(S1)는 제6 방법 단계에서 개방된 상태로 유지된다.

Claims

제1 극단자(P1, P4) 및 제2 극단자(P3, P2)를 각각 구비한 제1 에너지 저장 유닛(R1) 및 제2 에너지 저장 유닛(R2)을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템(100)을 위한 회로 장치로서,
- 직류 전압원과의 전기 전도성 연결을 위한 적어도 하나의 제1 입력단(E1) 및 제2 입력단(E2)과;
- 하나 이상의 전기 컴포넌트와의 전기 전도성 연결을 위한 적어도 하나의 제1 출력단(A1) 및 제2 출력단(A2)과;
- 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)와 제1 출력단(A1) 사이에 배치되는 제1 스위칭 요소(S1)로서, 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)는 제1 스위칭 요소(S1)의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제1 출력단(A1)은 제1 스위칭 요소(S1)의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되는, 제1 스위칭 요소(S1)와;
- 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)와 제2 출력단(A2) 사이에 배치되는 제2 스위칭 요소(S2)로서, 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)는 제2 스위칭 요소(S2)의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 제2 출력단(A2)은 제2 스위칭 요소(S2)의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되는, 제2 스위칭 요소(S2);를 포함하며,
제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)는 제7 스위칭 요소(108)에 의해 제1 입력단(E1)과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있고, 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)는 추가의 제7 스위칭 요소(108)에 의해 제2 입력단(E2)과 전기 전도 방식으로 연결될 수 있는, 전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치에 있어서,
제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4) 사이에 제3 스위칭 요소(S3)가 배치되며, 상기 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)는 제3 스위칭 요소(S3)의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 상기 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4)는 제3 스위칭 요소(S3)의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되며,
제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2) 사이에 제4 스위칭 요소(S4)가 배치되며, 상기 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)는 제4 스위칭 요소(S4)의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 상기 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)는 제4 스위칭 요소(S4)의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되며,
제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)와 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4) 사이에 제5 스위칭 요소(S5)가 배치되며, 상기 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)는 제5 스위칭 요소(S5)의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되고, 상기 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4)는 제5 스위칭 요소(S5)의 제2 단자와 전기 전도 방식으로 연결되며,
상기 에너지 저장 유닛들(R1, R2)은 제3, 제4 및 제5 스위칭 요소(S3, S4, S5)의 스위치 위치에 따라 병렬로 또는 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 회로 장치는, 제1 에너지 저장 유닛(R1)과 제2 에너지 저장 유닛(R2) 간의 보상 전류를 제한하도록 구성된 하나 이상의 사전 충전 회로(122)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치.
제2항에 있어서, 사전 충전 회로(122)는 제4 스위칭 요소(S4) 및/또는 제5 스위칭 요소(S5)에 병렬로 연결되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회로 장치는 직류 변압기(111) 및 제6 스위칭 요소(S6)를 포함하고,
상기 직류 변압기(111)의 제1 입력 단자는 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제2 극단자(P3)와 전기 전도 방식으로 연결되고, 상기 직류 변압기(111)의 제2 입력 단자는 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제1 극단자(P4)와 전기 전도 방식으로 연결되며, 제6 스위칭 요소(S6)는 직류 변압기(111)의 제1 출력 단자와 제1 출력단(A1) 사이에 배치되고, 제6 스위칭 요소(S6)의 제1 단자는 직류 변압기(111)의 제1 출력 단자와 전기 전도 방식으로 연결되며, 제6 스위칭 요소(S6)의 제2 단자는 제1 출력단(A1)과 전기 전도 방식으로 연결되며,
상기 직류 변압기(111)의 제2 출력 단자는 제2 스위칭 요소(S2)의 제1 단자와 전기 전도 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치.
제4항에 있어서, 직류 변압기(111)의 제1 및 제2 입력 단자는 제3 스위칭 요소(S3)에 대해 역병렬로 연결되어 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템용 회로 장치.
직류 전압원을 이용하여, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 회로 장치와 2개 이상의 에너지 저장 유닛(R1, R2)을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템(100)의 충전 방법으로서, 상기 충전 방법은 시간상 연속되는 하기 방법 단계들을 포함하며,
- 제1 방법 단계(ST200)에서, 직류 전압원의 하나 이상의 특성이 결정되고;
- 제2 방법 단계(ST201)에서, 에너지 저장 시스템(100)의 하나 이상의 특성이 결정되고;
- 제3 방법 단계(ST202)에서, 직류 전압원의 하나 이상의 특성이 에너지 저장 시스템(100)의 하나 이상의 특성과 비교되고;
- 제4 방법 단계(ST203)에서, 제3 방법 단계(ST202)의 결과를 이용하여, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)이 제1 변형예에서 병렬로 연결되어 충전될지, 또는 제2 변형예에서 직렬로 연결되어 충전될지의 여부가 결정되고;
- 제5 방법 단계(ST204)에서, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)의 직렬 연결을 위한 제1 변형예의 경우, 제3 스위칭 요소(S3)가 폐쇄되고 제4 스위칭 요소(S4) 및 제5 스위칭 요소(S5)는 개방되고, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)의 병렬 연결을 위한 제2 변형예의 경우, 제3 스위칭 요소(S3)는 개방되고, 이어서 제4 스위칭 요소(S4)는 폐쇄되며, 상기 각각의 에너지 저장 유닛(R1, R2)의 내부에서 각각의 에너지 저장 유닛(R1, R2)의 저장 셀들(101)의 충전 상태가 각각 보상되고, 그런 다음 제5 스위칭 요소(S5)가 폐쇄되며;
- 제6 방법 단계(ST205)에서, 상기 회로 장치의 제1 입력단(E1)과 제1 에너지 저장 유닛(R1)의 제1 극단자(P1)를 연결하고, 상기 회로 장치의 제2 입력단(E2)과 제2 에너지 저장 유닛(R2)의 제2 극단자(P2)를 연결하기 위해, 2개의 제7 스위칭 요소(108)가 폐쇄되며, 그런 후에 에너지 저장 유닛들(R1, R2)로 제1 극단자(P1) 및 제2 극단자(P2)에 연결된 직류 전압원의 에너지 공급이 시작되며;
- 제7 방법 단계(ST206)에서, 에너지 저장 유닛들(R1, R2)의 충전 상태들이 모니터링되며;
- 제8 방법 단계(ST207)에서, 상기 2개의 제7 스위칭 요소(108)를 개방하고, 경우에 따라 제3 스위칭 요소(S3)를 폐쇄하며, 제4 및 제5 스위칭 요소(S4, S5)를 개방함으로써, 충전 과정이 종료되고, 그럼으로써 에너지 저장 유닛들(R1, R2)은 직렬로 연결되는; 전기 에너지 저장 시스템의 충전 방법.
제6항에 있어서,
제1 방법 단계(ST200)에서, 직류 전압원의 최대 충전 전압이 결정되며,
제2 방법 단계(ST201)에서, 에너지 저장 시스템(100)의 최대 충전 전압이 결정되며,
제4 방법 단계(ST203)에서, 에너지 저장 시스템(100)의 최대 전압이 직류 전압원의 최대 충전 전압을 상회하면, 제1 변형예, 즉, 병렬 연결이 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템의 충전 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 직류 변압기(111)를 직류 전압원과 연결하기 위해, 제5 방법 단계(ST204) 이후 제6 스위칭 요소(S6)가 폐쇄되고, 제1 스위칭 요소(S1)는 제6 방법 단계(ST205)에서 개방된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템의 충전 방법.
2개 이상의 전기 에너지 저장 유닛(R1, R2)을 포함하는 전기 에너지 저장 시스템(100)에 있어서,
상기 전기 에너지 저장 시스템(100)은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 회로 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 에너지 저장 시스템.
전기 구동식 차량 또는 하이브리드 차량에서의, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 회로 장치의 사용.