KR20200057023A - 에너지 저장부를 충전하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 각각 복수의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)을 구비한 적어도 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w)을 포함하는 에너지 저장부(14a)가 사용되는, 에너지 저장부(14a)의 충전 방법에 관한 것으로, 상기 개별 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)은 에너지원(12)으로부터 에너지를 공급받아 저장하는 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 2개 이상의 스위칭 소자를 포함하고; 에너지 저장부(14a)가 제1 코일(50)에 연결됨으로써, 상기 제1 코일(50) 내에 유도되는 전압이 에너지 저장부(14a)의 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)의 에너지 저장 소자들을 충전하는 데 사용되며; 상기 에너지 저장부(14a)는, 일 에너지 저장 스트링(u, v, w)의 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)이 서로 병렬로 그리고/또는 직렬로 연결되게 하고, 그리고/또는 적어도 하나의 에너지 저장 스트링(u, v, w)의 적어도 하나의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)이 우회되게 하는 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 제1 코일(50)에 의해 제공되는 전압의 특성들에 적응된다.

Description

에너지 저장부를 충전하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 자동차의 에너지 저장부를 충전하기 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 자동차의 에너지 저장부를 충전하기 위한 상응하는 방법에 관한 것이다.
화석 연료에 의존하지 않도록 또는 의존성이 덜해지도록, 최근의 차량에서는 차량을 독립적으로 구동하거나 기존의 내연기관을 보조하는 전기 모터가 점차 더 많이 설치되고 있다. 전기 모터는 일반적으로 하나 이상의 배터리에 의해 에너지를 공급받는다. 이들 배터리는 에너지 비축량이 소진된 후에 충전되어야 한다.
DE 10 2013 212 692 A1호로부터 공지된, 에너지 저장 장치 및 DC 전압 공급 회로를 구비한 시스템에서, 에너지 저장 장치는 2개 이상의 에너지 공급 경로를 가지며, 각각의 에너지 공급 경로는 직렬로 연결된 복수의 에너지 저장 모듈을 구비한다. 공급 노드들에 직렬로 연결된 DC 전압 공급 회로의 2개의 충전 회로 연결부를 통해 충전 회로가 연결될 수 있다. 충전 회로의 충전 회로 연결부들에 전류가 인가될 수 있고, 상기 충전 회로는 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈을 위해 소정의 평균값을 갖는 DC 충전 전압 또는 펄스 충전 전압을 제공하도록 설계될 수 있다.
DE 10 2013 212 682 A1호 및 DE 10 2013 212 716 A1호로부터, 배터리 모듈의 충전과 관련된 유사한 시스템이 공지되어 있다.
선행 기술에 공지된 시스템은 에너지 저장부를 위한 충전 전압으로서 DC 전압을 제공한다. 이는 에너지 저장부를 위한 충전 옵션을 제한한다. 게다가, 에너지 저장부와 충전 에너지원 사이의 케이블 연결이 필요하다.
DE 10 2013 008 905 A1호로부터는, 하우징 내에 통합된 커플링 코일 및 전자 충전 시스템을 통해 유도식으로 충전 가능한, 하우징에 의해 완전히 둘러싸인 축전지 장치를 구비한 에너지 저장 모듈이 공지되어 있는데, 여기서는 축전지 장치로부터의 에너지 출력이 전적으로 유도식으로 제공된다. 이 경우, 에너지 저장 모듈들은 각각 유도 자기장 내에 놓인다.
따라서, 본 발명의 과제는 선행 기술의 단점들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 에너지 저장부의 무선 충전을 가능하게 하는 적어도 하나의 옵션을 제시하고자 한다. 적어도 공지된 해결방안들에 대한 대안을 제안하고자 한다.
본 발명에 따라, 상기 과제는 독립항들에 따른 에너지 저장부 충전 방법 및 장치에 의해 해결된다. 그 밖의 각각의 실시예들은 각각의 종속항들과 하기 상세한 설명을 참조한다.
그러므로, 본 발명에 따라, 각각 복수의 에너지 저장 모듈을 구비한 적어도 3개의 에너지 저장 스트링을 포함하는 에너지 저장부가 사용되는, 에너지 저장부 충전 방법이 제안되며, 이 방법에서는, 각각의 에너지 저장 모듈이 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 저장하는 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 2개 이상의 스위칭 소자를 포함하고; 에너지 저장부가 제1 코일에 연결됨으로써, 상기 제1 코일 내에 유도되는 전압이 에너지 저장부의 에너지 저장 모듈들의 에너지 저장 소자들을 충전하는 데 사용되며; 상기 에너지 저장부는, 일 에너지 저장 스트링의 개별 에너지 저장 모듈이 서로 병렬로 그리고/또는 직렬로 연결되게 하고, 그리고/또는 적어도 하나의 에너지 저장 스트링의 적어도 하나의 에너지 저장 모듈이 우회되게 하는스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 제1 코일에 의해 제공되는 전압의 특성들에 적응된다.
본원에 전체적으로 참고로 인용된 출원인의 독일 특허출원 DE 10 2015 112 512 A1호에는, 본 발명을 가능하게 하는 에너지 저장 모듈이 개시되어 있다. 이러한 복수개의 에너지 저장 모듈이 하나의 에너지 저장 스트링을 형성하고, 이러한 복수개의 에너지 저장 스트링이 에너지 저장부를 형성한다. 바람직하게는, 에너지 저장부가 3개의 에너지 저장 스트링을 구비한다. 다른 갯수의 에너지 저장 스트링도 가능하다. 3개의 에너지 저장 스트링은, 에너지 저장부가 공지된 3상 전기 회로망에 용이하게 연결되어 충전될 수 있게 한다는 장점이 있다.
에너지 저장부 또는 에너지 저장 모듈들의 특수한 구성을 통해, 하나의 에너지 저장 스트링의 개별 에너지 저장 모듈들 상호 간의 자유로운 접속이 가능해진다. 그 결과, 에너지 저장부는 제1 코일에 의해 제공되는 전압에 적응될 수 있다. 제공된 전압은 예를 들어 제1 코일의 권선 갯수 또는 외부의 제2 코일의 권선 갯수에 의해 영향을 받는다. 가변적이면서 에너지 저장부에 적응될 수 있는 특성들은 예를 들어 전압의 주파수, 공칭값/RMS 값, 및/또는 최대값이다. 게다가, 결함이 있는 에너지 저장 모듈이 우회될 수 있거나 중간 전압이 실현될 수 있다. 위에 언급된, 본 출원인의 특허 출원에 따른 단일 모듈은, 각각 복수의 접속 옵션을 허용하는 이른바 2사분면 및 4사분면 모듈을 가능하게 하고, 적어도 4사분면 모듈은 상이한 극성 방향들을 허용한다.
유도 충전 방법을 이용하여 에너지 저장부를 충전하는 에너지 또는 전압을 입력하기 위한 코일의 사용을 통해, 예컨대 본 발명에 따른 차량 내 에너지 저장부를 연결하는 데 사용되는 케이블이 생략될 수 있다.
방법의 한 구성은, 에너지 저장부와 제1 코일 사이의 전기적 연결이 외부 에너지원에 연결하기 위한 충전 연결 장치를 통해 라우팅되는 것을 특징으로 한다. 이로써, 코일에 의해 유도되는 전압의 커플링을 제어하는 추가 스위치 장치가 생략될 수 있고, 그 결과 본원 장치가 더 경량화되고 회로가 단순화된다.
방법의 또 다른 한 구성은, 각각 하나의 에너지 저장 스트링이 제1 코일에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다. 에너지 저장 모듈들의 특수한 구성을 통해, 즉, 내부에 배치된 선택된 갯수의 스위칭 소자들 및 이들 스위칭 소자를 위한 회로 옵션들을 통해, 배터리를 충전하기 위해 코일에 의해 제공되는 전압을 정류하는 컨버터가 생략될 수 있다. 따라서, AC 전압이 직접 및 즉시 에너지 저장부에 공급될 수 있다. 제공된 전압에 대한 적응은 에너지 저장 모듈들의 스위칭 소자들에 의해 이행된다. 이로써, 회로는 단순화되고, 에너지 저장부의 충전이 더 자유롭게, 더 가변적으로 구현될 수 있다.
방법의 또 다른 한 구성은, 각각의 에너지 저장 스트링에서 에너지 저장 모듈들의 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 제1 코일에 의해 제공되는 전압보다 더 낮은 전압이 세팅되는 것을 특징으로 한다. 이로써, 제1 코일과 에너지 저장부 사이에 전압 구배가 나타나고, 그 결과 전류 또는 에너지가 제1 코일로부터 에너지 저장부로 흐른다.
방법의 또 다른 한 구성은, 제1 코일에 에너지원과 연결되는, 종종 외부의, 제2 코일이 할당되는 것을 특징으로 한다. 제1 코일, 제2 코일, 및 AC 전압원인 에너지원의 상호작용을 통해, 제1 코일 내에 전압을 유도하는 교류 자기장이 생성된다. 이 전압은 에너지 저장부를 충전하는 데 사용된다. 결과적으로, 에너지 저장부를 충전하는 유도 충전 방법이 가능해진다.
방법의 또 다른 구성은, 에너지 저장부가 충전 과정 중에 차량 내 전기 시스템에 연결된 상태로 유지되는 것을 특징으로 한다. 차량 전기 시스템에서의 탭핑을 통해, 예컨대 이하에 더 설명될 회로 장치 내 접촉기들과 같은 퓨즈 소자들이 제어될 수 있다.
본원 방법은, 에너지 저장부로서 AC 배터리가 사용됨으로써 개선된다. AC 배터리는 예를 들어, 본 출원인의 독일 특허출원 DE 10 2015 112 512 A1호, DE 10 2015 112 513 A1호, 및 DE 10 2016 112 250 A1호; 더불어 공보 DE 10 2011 108 920 A1호 및 DE 10 2010 052 934 A1호; 특히 S. Goetz, A. Peterchev, T. Weyh 공저 (2015), Modular multilevel converter with series and parallel module connectivity: Topology and control, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no.1, pp. 203-215, doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225;에 각각 개시되어 있는 단일 모듈들의 접속을 통해 가능해진다. 이를 위해, 본원에서 에너지 저장 모듈로 지칭되는 개별 모듈들은, 예를 들어 배터리 또는 커패시터와 같은 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 복수의 스위칭 소자를 구비한다. 이 경우, 스위칭 소자들은 각각의 모듈들 내에서, 인접한 모듈들의 동적 전환을 허용하도록 배치된다. 다시 말해, 복수의 스위칭 소자가 인접한 에너지 저장 소자들을 선택적으로 서로 병렬로 또는 직렬로 연결하거나, 각각의 에너지 저장 소자 또는 각각의 에너지 저장 모듈을 우회하거나 비활성화한다. 이를 위해 필요한 스위칭 소자들이 각각의 모듈 내에 배치됨으로써, 스위칭 소자들은 스위칭 소자들 간의 최소 전위차로 구동될 수 있다. 이는, 스위칭 소자들이 정확히 동시에 구동되거나 활성화될 수 있게 한다. 인접한 모듈들을 서로 직렬 또는 병렬로 연결하는 옵션 및 정확한 스위칭을 통해, 이와 같은 배터리가 작동 중에 동적으로 재구성될 수 있고, 그에 따라 배터리는 DC 전압, AC 전압, 또는 다른 형태의 전압을 제공할 수 있다. 이는 반대로, 배터리가 DC 전압, AC 전압, 또는 다른 형태의 전압으로 충전될 수 있다는 점을 의미하기도 한다.
또한, 본 발명은, 각각 복수의 에너지 저장 모듈을 구비한 적어도 3개의 에너지 저장 스트링을 포함하는 에너지 저장부를 충전하기 위한 장치를 제안하며, 이 장치에서는 각각의 에너지 저장 모듈들이 각각 에너지원으로부터 에너지를 공급받아 저장하는 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 2개 이상의 스위칭 소자를 포함하고; 상기 장치는 에너지 저장부와 제1 코일 사이에 하나 이상의 전기 연결부를 가지며; 상기 제1 코일은, 제1 코일 내에 유도되는 전압을 에너지 저장부의 에너지 저장 모듈들의 에너지 저장 소자들을 충전하는 데 제공하도록 설계된다.
본원 장치의 일 실시예는, 이 장치가 각각의 에너지 저장 스트링과 제1 코일 사이에 각각 하나의 전기적 연결부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본원 장치의 또 다른 한 실시예는, 에너지 저장부가 각각의 에너지 저장 스트링에서 각각의 전압을 조정하도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
본원 장치의 또 다른 한 실시예는, 에너지 저장부와 제1 코일 사이의 전기적 연결을 구현하도록 구성된 충전 연결 장치를 구비한다.
본원 장치의 일 개선예는, 제1 코일 및 제2 코일을 포함하는 코일 장치를 구비한다.
나아가 본 발명은, 본 발명에 따른 방법의 구성을 실현하기 위한 본 발명에 따른 장치의 실시예를 구비한 차량을 제안한다.
본 발명의 추가 장점들 및 구성들은 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조한다.
전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명은 실시예들에 기초하여 도면들에 개략적으로 도시되며, 이 도면들을 참조하여 개략적으로 그리고 세부적으로 기술되고, 동일한 요소에는 동일한 도면 부호가 부여된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 실시예를 이용하여 에너지 저장부를 충전하기 위한 본 발명에 따른 장치의 실시예의 시스템 회로도의 개요도이다.
도 2는 도 1의 시스템 회로도의 장치의 제1 기능 상태를 도시한 도이다.
도 3은 도 1의 시스템 회로도의 장치의, 에너지 저장부가 충전되는 제2 기능 상태를 도시한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 도시한 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예를 도시한 도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예들을 도시한 도이다.
도 1은 시스템 회로도(10a)를 도시한다. 에너지 저장부(14a)가 차량 전기 시스템(11)에 전기적으로 연결된다. 차량 전기 시스템(11)은, 각각의 부하를 위한 부하 전압으로서 복수의 전압 레벨을, 예를 들어 12V 및 48V를 사용하도록 구성된다.
여기에 도시된 실시예의 에너지 저장부(14a)는 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w)을 구비한다. 각각의 에너지 저장 스트링(u, v, w)은 각각 5개의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)을 구비한다. 이 경우, 에너지 저장 모듈의 갯수(n; n은 항상 자연수)는 원하는 대로 가능하므로, 5개 초과의 에너지 저장 모듈도 존재할 수 있음을 주지한다. 차량 전기 시스템(11)의 양극이 각각 전기 연결부(32)를 통해 각각의 에너지 저장 모듈(u-1 또는 v-1 또는 w-1)의 양극 단자에 연결된다. 차량 전기 시스템(11)의 음극이 각각 전기 연결부(33)를 통해 각각의 에너지 저장 모듈(u-1 또는 v-1 또는 w-1)의 음극 단자에 연결된다. 차량 전기 시스템(11)의 양극에서 배터리(14a)까지의 순방향 라인(32) 내에는 접촉기(34)와 스위치(S9)가 직렬로 배치된다. 나머지는, 각각의 에너지 저장 스트링(u, v, w) 내 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)이 각각 병렬로 연결된다. 스트링들(u, v, w)의 모터측 단부(도 1의 우측)에는, "A"로 표시된 각각의 전류계가 배치된다. 상기 전류계의 하류에 각각 하나의 접촉기(36)가 연결된다.
스트링들(u, v, w)은 모터(20)의 각각 하나의 스트링에 전기적으로 연결된다. 모터는 3개의 모터 권선(21)을 구비한다. 스트링(u)과 모터(20) 사이의 전기적 연결부에 스위치(S1)가 배치되고, 스트링(v)과 모터(20) 사이의 전기적 연결부에는 스위치(S2)가 배치되어, 필요한 경우 작동 기능에 따라 상기 모터를 분리하거나 연결한다. 모터(20)에는 충전 연결 장치(38)가 전기적으로 연결된다. 충전 연결 장치(38)는 배터리(14a)를 충전하기 위해 충전 전압을 제공하는 각각의 에너지원들에 연결되며, 이때 가능한 에너지원은 DC 전압원 및/또는 AC 전압원이다. 실질적으로, 충전 연결 장치(38)는 에너지원의 각각의 커넥터에 연결하기 위한 플러그인 연결부이다.
충전 연결 장치(38)는 3상 전기 회로망의 각각의 위상들에 연결하기 위한 복수의 단자(L1, L2, L3)를 구비한다. 또한, 충전 연결 장치(38)는 하나의 중립 단자(N)를 구비한다. 마지막으로, 충전 연결 장치(38)는 DC 회로망에 연결하기 위한 단자들("+" 및 "-")을 구비한다. 각각의 단자(L1, L2, L3, N, "+", "-")를 각각 연결하거나 분리하기 위해, 이들의 하류에 각각 하나의 스위치(S3 내지 S7)가 연결된다. 스위치(S4)는 단자("-")와 단자(N) 간에 스위칭하도록 구성된다. 스위치들(S5, S6, S7)은 각각의 위상 단자(L1, L2, L3)와 커플링 라인(39) 간에 스위칭하도록 구성된다. 스위치(S3)는 위상 단자(L1) 또는 단자("+")를 커플링 라인(39)에 연결하도록 구성된다. 아울러, 단자들(L1, L2, L3)은 각각 하나의 코일(40)을 구비한다. 단자(N)와 각각의 단자들(L1, L2, L3) 사이에는, "U"로 표시된 각각 하나의 전압계가 병렬로 배치된다. "U"로 표시된 전압계는 단자("+")와 단자("-") 사이에 배치된다.
단자(N) 또는 단자("-")는 스위치(S4)의 각각의 위치에 따라 전기 연결부(33)에 대한 내지는 차량 전기 시스템(11)의 음극에 대한 전기 연결부(42)를 구비한다. 전기 연결부(42)는 접촉기(44)를 구비한다. 전기 연결부(42)와 각각의 스트링들(u, v, w) 사이에 각각 "U"로 표시된 전압계들이 병렬 연결 방식으로 배치되고, 그에 따라 각각의 스트링(u, v, w)과 전기 연결부(42) 사이의 전압이 측정될 수 있다.
전기 연결부(42)로부터 접촉기(44)와 스위치(S4) 사이에서 제1 코일(50) 또는 커플링 코일(50)에 대한 전기 연결부가 분기된다. 커플링 코일(50)의 전기 연결부는 커플링 코일(50)을 스위치(S5) 및 에너지 저장 스트링(u)에 연결한다. 스위치(S8)가 커플링 코일(50)과 스위치(S5) 또는 스트링(u) 사이의 전기적 연결을 차단한다. 커플링 코일(50)의 전기 연결부와 전기 연결부(42) 사이에 추가 전압계(U)가 배치된다.
커플링 코일(50)은 장치의 일부가 아닌, 외부의 제2 코일(52)을 구비한다. 외부의 제2 코일(52)은 AC 전압을 제공하는 에너지원(12)에 연결된다.
각각의 전압계("U") 및 전류계("A"), 모터(20) 또는 모터(20)의 리졸버 및 배터리(14a)로부터, 배터리(14a)의 중앙 제어기(46)에 예컨대 개별 에너지 저장 모듈들의 개별 셀 전압 또는 온도와 같은 측정 데이터가 전송되고, 이는 중앙 제어기(46)의 방향을 향하는 파선 화살표로 표시되어 있다. 중앙 제어기(46)는 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 각각의 스위치들을 제어하기 위해 고속 버스(45)를 구비한다. 중앙 제어기(46)에는 스위치들(S1 내지 S9)을 제어하기 위한 스위치 제어기(48)도 연결된다.
도 2는 모터 작동 중에, 즉, 배터리(14a)가 모터(20)에 전력을 공급할 때, 스위칭이 어떻게 이루어지는지를 나타낸 시스템 회로도(10a)이다. 명료함을 위해, 도 1의 시스템 회로도(10a)에서 불필요한 요소들은 배재하였다.
모터 작동을 위해 스위치(S9)가 폐쇄된다. 그 결과, 차량 전기 시스템(11)의 각각의 양극 및 각각의 음극이 배터리(14a)에 전기적으로 연결된다. 스위치들(S1, S2)도 폐쇄되고, 그 결과 배터리(14a)와 모터(20)가 서로 전기적으로 연결된다. 스위치들(S3 내지 S7)이 기능을 수행하지 않도록 스위칭되거나, 충전 연결 장치(38)가 분리된다. 이를 위해, 스위치들(S3 내지 S7)이 개방되거나, 각각의 가능한 단부 위치들 사이의 중간 위치로 스위칭되고, 그에 따라 단부 위치들 중 어느 것도 전기적으로 연결되지 않는다. 스위칭 소자들(S3 내지 S7)의 경우, 대안적으로, 복수의 다른 기능 위치 외에 개방 위치를 허용하는, 도시된 것들 외의 스위칭 소자들이 가능하다. 스위치(S8)는 이 작동 상태에서 개방되고, 그에 따라 커플링 코일(50)은 모터(20)로부터 분리된다.
도 3은, 커플링 코일(50)을 통해 에너지 저장부(14a)가 충전될 때 존재하는 스위칭 상태에 있는 도 1의 시스템 회로도(10a)를 도시한 것으로, 먼저 스위치(S8)가 개방되어 있다.
이를 위해, 상기 장치 또는 시스템을 구비한 차량이 예컨대 적절한 충전 장치가 있는 곳까지 주행함으로써, 커플링 코일(50)이 외부의 제2 코일(52)의 유효 범위 내에 배치된다. 에너지원(12)은 AC 전압을 제공하고, 이에 기반하여 코일들(50, 52) 내에 교류 자기장이 생성된다. 이 교류 자기장에 기반하여 이후 전압이 코일(50) 내에 유도된다.
전압계들(U)은 커플링 코일(50) 및 스트링들(u, v, w)에 인가되는 각각의 전압들을 측정한다. 스위치(S8)가 폐쇄되기 전에, 스트링들(u, v, w)에서의 각각의 전압들은 커플링 코일(50)의 전압과 공통인 값으로 세팅되고, 그에 따라 이들 구성요소 간에는 전압차가 존재하지 않는다. 이는 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 스위칭 소자들을 적절하게 제어함으로써 달성된다. 이 상태에 도달하자마자 스위치(S8)는 폐쇄될 수 있고, 그 결과 커플링 코일(50)은 에너지 저장부(14a)에 연결된다. 스위치들(S5, S6, S7)은 각각의 스트링들 또는 위상들(u, v, w)을 접속시키도록 각각 스위칭된다. 이는 실질적으로, 이들이 커플링 라인(39; 도 1)과의 연결을 확립함으로써 수행되고, 그 결과 커플링 코일(50)은 스트링들(v, w)에 전기적으로 연결된다. 스트링(u)과의 전기적 연결은 고유의 전기 연결부를 통해 가능해진다.
이제 에너지 저장부(14a)가 충전될 수 있도록, 에너지 저장부(14a)의 전압은 커플링 코일(50)의 전압에 대해 위상 천이되고, 그에 따라 에너지 저장부(14a)의 스트링들(u, v, w)에 커플링 코일(50)에서의 전압보다 더 작은 전압이 인가된다. 즉, 커플링 코일(50)과 에너지 저장부(14a) 사이의 전압의 전압 구배가 존재한다. 이 전압 구배로 인해, 에너지 또는 전류가 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 에너지 저장부들로 유입되고, 그 결과 이들이 충전된다.
스위치(S9)도 마찬가지로 폐쇄되고, 그 결과 에너지 저장부(14a)가 차량 전기 시스템(11)에 연결된다. 에너지 저장부(14a)의 중성점(star point)으로부터 회로도(10a)의 접촉기들을 작동시키기 위한 저전압 탭핑이 실시된다.
도 4는 에너지원(12)인 AC 전압원 및 코일 장치(24)로써 에너지 저장부 또는 배터리(14b)를 충전하기 위한 도 다른 옵션을 나타내는 회로도(10b)를 도시한다. AC 전압원(12)은 단자(16*)를 통해 배터리(14b)에 전기적으로 연결된다. 코일 장치(24)는 AC 전압원(12)과 단자(16*) 사이에 배치된다.
여기서도 마찬가지로 예시적으로 도시된 배터리(14b)는 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w) 또는 배터리 스트링(u, v, w)을 구비한다. 스트링들(u, v, w)은 서로 병렬로 연결된다. 각각의 스트링(u, v, w)은 배터리 모듈로도 지칭되는 복수의 에너지 저장 모듈(u-1, u-2, u-3, u-4, u-5 또는 v-1, v-2, v-3, v-4, v-5 또는 w-1, w-2, w-3, w-4, w-5)을 구비한다. 이 경우에도 역시, 에너지 저장 모듈의 갯수(n; n은 항상 자연수)는 원하는 대로 가능하므로, 스트링당 5개 초과의 에너지 저장 모듈도 존재할 수 있음을 주지한다. 각각의 스트링(u, v, w)은 추가로 스위치 모듈(u-S, v-S, w-S)을 구비한다. 이와 같은 각각의 스위치 모듈(u-S, v-S, w-S)은 예를 들어 MOSFET일 수 있다. MOSFET은 모듈들(u-1, v-1, w-1)의 이중 탭을 하나의 탭으로 감소시킨다. 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5 및 u-S, v-1 내지 v-5 및 v-S, w-1 내지 w-5 및 w-S)은 각각의 스트링 내에서 각각 서로 병렬로 연결된다. 각각의 단자(18-u, 18-v, 18-w)를 통해 스트링들(u, v, w) 또는 배터리(14b)가 모터(20)에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 모터(20)는 전술한 도면에 도시된 모터(20)에 상응하며, 권선(21)을 갖는 3개의 권선 스트링 또는 위상 스트링을 구비한다.
도 4에 도시된 실시예는 추가로 AC 전압원(12)의 하류에 연결된 변압기(24) 형태의 코일 장치(24)를 구비한다. 이를 통해 에너지 저장부(14b)로부터 AC 전압원(12)이 갈바닉 절연되어, 회로의 안전 문제에 대응된다. 코일 장치(24)는 실질적으로 2개의 코일을 구비한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예와 비교하여, 이 실시예에서는 제1 코일(50) 및 제2 코일(52)이 코일 장치(24) 내에서 서로 결합된다.
도 4에 도시된 실시예는 배터리(14b)의 직접 단상 충전을 가능하게 한다. 에너지원(12)으로의 회귀선이 모터(20)의 중성점을 통해 제공된다. AC 전압 싱크를 형성하기 위해, 배터리(14b)는 에너지원(12)의 전류로 조절된다. 이는, 배터리(14b)가 에너지원(12)에 적합하게, 또는 제1 코일(50)에 의해 제공된 전압에 적합하게 적응됨을 의미한다.
이 충전 방법에서 중요한 점은, 에너지원(12)의 또는 커플링 코일(50)에 의해 제공된 AC 전압의 주파수 및 전압이다. 이와 관련하여, 각각의 배터리 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)은, 각각의 스트링들(u, v, w)이 코일 장치(24)의 주파수 및 전압에 상응하도록 연결된다. 에너지원(12)은 특정 주파수의 충전 전압을 제공한다. 제1 및 제2 코일(50, 52)을 구비한 코일 장치(24)의 각각의 특성에 기반하여, 코일 장치는 에너지 저장부(14b)에 상응하게 변동된 전압을 제공한다. 서두에 기술한 바와 같이, 각각의 배터리 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)은 복수의 스위칭 소자를 구비하는데, 이들은 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5) 또는 각각의 모듈들 내에 배치된 에너지 저장 소자들이 서로 병렬 연결 및/또는 직렬 연결 간에 동적으로 전환될 수 있게 한다. 그 결과, 각각의 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5) 또는 배터리 스트링들(u, v, w)의 각각의 주파수 및 전압이 조정될 수 있고, 그 결과 배터리(14b)가 코일 장치(24)의 제공된 주파수 및 전압에 적응될 수 있다. 이는 또한 스위치 모듈들(u-S, v-S, w-S)을 필요로 한다. 각각의 스트링들(u, v, w)에는 각각 부분 전압만 인가되기 때문에, 스위치 모듈들(u-S, v-S, w-S)은 스트링들(u, v, w)을 배터리(14b)의 공통 중성점으로 병합한다. 배터리(14b)의 중성점(16*)을 통해, 코일 장치(24)로부터 제공되는 AC 전압의 중앙 공급이 가능하다.
모터(20)의 중성점을 경유하는 회귀선에 의해, 충전 과정 중에 모터(20)가 배터리(14b)로부터 분리될 필요가 없다. 그러나, 제1 전압단의 각각의 모듈들이 디커플링되고, 다시 말해 이들이 개별적으로 구동될 수 있게 되고, 그럼으로써 상기 모듈들도 각각의 인접한 모듈들에 대해 병렬로, 직렬로, 또는 바이패스 형태로 연결될 수 있게 된다. 그렇지 않으면, 병렬 연결만이 가능할 것이다.
도 5에 도시된 회로도(10c)는 도 4에 도시된 회로도(10b)에 실질적으로 상응하며, 도 5의 회로도(10c)는 단자들(18-u, 18-v, 18-w) 사이에 배치된 2개의 스위치(SWK1, SWK2)를 구비하고, 이들 스위치를 통해 배터리(14b)가 모터(20)의 개별 권선들(21) 또는 개별 권선 스트링들에 연결된다. 스위치(SWK1)는 단자들(18-u와 18-v) 사이에 배치된다. 스위치(SWK2)는 단자들(18-v와 18-w) 사이에 배치된다. 도 5에 도시된 실시예는 배터리(14b)로부터 에너지원(12)을 갈바닉 절연시키는 코일 장치(24)를 구비한다.
도 5에 도시된 실시예에서, 배터리(14b)는 직접 단상 충전되며, 이때 모터(20) 또는 모터(20)의 권선들(21)을 갖는 스트링들(권선 스트링들)이 스위치들(SWK1, SWK2)을 통해 단락된다. 그 결과, 모터(20)는 충전 과정 중에 배터리(14b)로부터 분리될 필요가 없고, 모터(20)의 권선들(21)에 걸친 전압 강하가 일어나지 않는다. 각각 폐쇄되는 스위치들(SWK1, SWK2)에 의해 스트링들이 단락된다. 이를 위해, 필요 시 도시되지 않은 스위치들(SWK1, SWK2)의 구동이 요구될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 에너지 저장부(14c)를 충전하기 위한 또 다른 옵션을 도시한다. 이와 관련하여, 도 6a 및 도 6b는 배터리(14c)가 2개의 전압원(12, 13)에 전기적으로 연결되어 있는 실시예들을 도시한 회로도들(10d, 10e)을 도시한다. 후술하는 도 6a 및 도 6b의 실시예들은 에너지 저장부(14c)가 단상으로도 그리고 3상으로도 AC 전류에 의해 충전될 수 있게 한다. 어떠한 경우든, 도 6a 및 도 6b의 실시예에서는 복수의 위상을 갖는 각각 하나의 3상 전압원(13) 및 하나의 위상만을 갖는 전술한 전압원(12)이 각각 제공된다.
에너지 저장 스트링들(u, v, w)의 각각의 에너지 저장 모듈들은 각각 서로 병렬로 연결된다. 스위치들(SSP1, SSP2)이 배터리(14c)의 중성점을 분리한다. 3상 전압원(13)에 의해 배터리(14c)를 충전하기 위해, 스위치들(SSP1, SSP2)이 개방된다. 단상 전압원(12)에 의해 배터리(14c)를 충전하기 위해서는 스위치들(SSP1, SSP2)이 폐쇄되어야 하고, 그에 따라 에너지원(12)이 에너지 저장부(14c)의 중성점을 통해 연결된다. 에너지원(12)은 단자(26) 및 단자(28)를 통해 배터리(14c)에 연결된다.
회로도들(10d, 10e)에 도시된 실시예들은 모터(20)의 스트링들을 접속시키기 위해 모터(20)의 스트링들 사이에 배치되는 스위치들(SWK1, SWK2)을 구비한다.
회로도들(10d, 10e)은 또한 3개의 코일(30)을 구비한다. 에너지원(13)의 하나의 위상(L1, L2, L3) 및 배터리(14c)의 각각의 단자에 하나의 코일(30)이 전기적으로 연결된다.
도 6b에 도시된 회로도(10e)에서, 충전기(13)의 하류에 갈바닉 절연을 위해 코일 장치(25) 또는 변압기(25)가 연결된다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 회로도들(10d, 10e)에서, 단상 AC 전압원(12)의 하류에는 코일 장치(24)가 연결된다. 코일 장치(24)는 제1 코일(50) 및 제2 코일(52)을 구비한다.
본 발명에 따른 장치는 예컨대 전기차에 사용될 수 있다. 커플링 코일(50)을 통한 유도 충전은 차량과 충전 장치 사이의 케이블 연결의 생략을 가능하게 한다. 에너지 저장 모듈들이 원하는 대로 연결될 수 있게 된 결과로, 이들은 제공되는 모든 전압에 적응될 수 있다. 예로서, 커플링 코일(50)은 15kHz 내지 20kHz 이상의 범위 내 주파수를 제공할 수 있고, 이는 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)에 직접 공급될 수 있다. 에너지 저장 모듈들의 스위칭 소자들은 이와 같은 주파수에 에너지 저장부를 적응시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 각각 복수의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)을 구비한 적어도 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w)을 포함하는 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)가 사용되는, 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)의 충전 방법으로서,
    상기 개별 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)은 에너지원(12, 13)으로부터 에너지를 공급받아 저장하는 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 2개 이상의 스위칭 소자를 포함하며; 상기 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)가 제1 코일(50)과 연결되고, 상기 제1 코일(50) 내에 유도되는 전압이 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)의 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)의 에너지 저장 소자들을 충전하는 데 사용되며; 상기 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)는, 일 에너지 저장 스트링(u, v, w)의 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)이 각각 서로 병렬로 그리고/또는 직렬로 연결되게 하고, 그리고/또는 적어도 하나의 에너지 저장 스트링(u, v, w)의 적어도 하나의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)이 우회되게 하는 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 제1 코일(50)에 의해 제공되는 전압의 특성들에 적응되며; 이 경우, 먼저 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 스위칭 소자들의 제어를 통해, 에너지 저장 스트링들(u, v, w)에서의 각각의 전압이 제1 코일(50)의 전압과 공통인 값으로 세팅되고, 이어서 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)를 충전하기 위해 각각의 에너지 저장 스트링(u, v, w)에서 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)의 전압이 제1 코일(50)의 전압에 대해 위상 천이되어, 제1 코일(50)에 의해 제공되는 전압보다 더 낮은 전압이 설정되는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 에너지 저장부(14a)와 제1 코일(50) 사이의 전기적 연결이 외부 에너지원에 연결하기 위한 충전 연결 장치(38)를 통해 라우팅되는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각 하나의 에너지 저장 스트링(u, v, w)이 제1 코일(50)에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 코일(50)에 에너지원(12)과 연결되는 제2 코일(52)이 할당되는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 저장부(14a)는 충전 과정 중에 차량 내 전기 시스템(11)에 연결된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)로서 AC 배터리가 사용되는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 방법.
  7. 각각 복수의 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)을 구비한 적어도 3개의 에너지 저장 스트링(u, v, w)을 포함하는 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)를 충전하기 위한 장치(10a 내지 10e)로서,
    상기 개별 에너지 저장 모듈(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)은 에너지원(12, 13)으로부터 에너지를 공급받아 저장하는 하나 이상의 에너지 저장 소자 및 2개 이상의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 장치는 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)와 제1 코일(50) 사이에 하나 이상의 전기 연결부를 가지며; 상기 제1 코일(50)은, 제1 코일(50) 내에 유도되는 전압을 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)의 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, u-n, v-1 내지 v-5, v-n, w-1 내지 w-5, w-n)의 에너지 저장 소자들을 충전시키는 데 제공하도록 설계되며; 이 경우, 먼저 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 스위칭 소자들의 제어를 통해, 에너지 저장 스트링들(u, v, w)에서의 각각의 전압을 제1 코일(50)의 전압과 공통인 값으로 세팅할 수 있고, 이어서 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)를 충전하기 위해 각각의 에너지 저장 스트링(u, v, w)에서 에너지 저장 모듈들(u-1 내지 u-5, v-1 내지 v-5, w-1 내지 w-5)의 스위칭 소자들의 스위칭을 통해, 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)의 전압이 제1 코일(50)의 전압에 대해 위상 천이되어, 제1 코일(50)에 의해 제공되는 전압보다 더 낮은 전압이 설정될 수 있는, 에너지 저장부의 충전 장치(10a 내지 10e).
  8. 제7항에 있어서, 상기 장치는 각각의 에너지 저장 스트링(u, v, w)과 제1 코일(50) 사이에 각각 하나의 전기적 연결부를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 장치(10a 내지 10e).
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)는 각각의 에너지 저장 스트링(u, v, w)에서의 각각의 전압을 조정하도록 설계된 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 장치(10a 내지 10e).
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 저장부(14a, 14b, 14c)와 제1 코일(50) 사이의 전기적 연결을 구현하도록 구성된 충전 연결 장치(38)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 에너지 저장부의 충전 장치.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 코일(50) 및 제2 코일(52)을 포함하는 코일 장치(24)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 장치를 구비한 차량.
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