KR20210029801A - 차량 측 충전 회로 - Google Patents

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비테스코 테크놀로지스 게엠베하
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Abstract

본 발명은, AC 전압 인터페이스(AC), 이 AC 전압 인터페이스에 연결된 정류기(PFC), 하나 이상의 제1 및 제2 DC 전압 변환기(W1, W2) 및 온보드 전원 연결부(AN)를 구비하는 차량 측 충전 회로에 관한 것이다. DC 전압 변환기는 각각 갈바니 전기적으로 연결되어 있고, 각각의 경우에 하나 이상의 중간 회로 커패시터(C1, C2) 및 하나 이상의 스위칭 유닛(SE1, SE2)을 구비한다. 정류기(PFC)는 DC 전압 변환기(W1, W2)를 통해 온보드 전원 연결부(AN)와 연결되어 있다. 충전 회로는 DC 전압 변환기(W1, W2)를 상호 스위칭 가능하게 연결하는 스위칭 장치(SV)를 포함한다. 스위칭 장치(SV)는, 제1 스위칭 상태(1)에서는 DC 전압 변환기(W1, W2)의 중간 회로 커패시터(C1, C2)와 스위칭 장치(SE1, SE2)를 각각 서로 병렬로 연결하고, 제2 스위칭 상태(2)에서는 중간 회로 커패시터(C1, C2)와 스위칭 유닛(SE1, SE2)을 각각 서로 직렬로 연결한다.

Description

차량 측 충전 회로
전기 구동 장치를 갖춘 차량은 구동 장치에 전력을 공급하기 위하여 축전지를 구비한다. 다수의 차량에서는, 예컨대 충전 과정의 틀 안에서 외부로부터 축전지 내부로 에너지를 전달하기 위하여 충전 소켓이 제공되어 있다.
차량이 AC 전압 네트워크와 연결되는 경우에는, 충전 회로의 전압 또는 전력과 같은 작동 변수에 영향을 미치는 복수의 전기적인 파라미터가 변할 수 있다. 이와 같은 가변적인 파라미터는, 예를 들어 AC 전압 연결부의 설계에 따라 달라지는 위상 수 그리고 지역에 따라 변할 수 있는 AC 전압 네트워크의 전압 또는 구성이다.
그렇기 때문에, 차량을 충전하기 위해 가급적 비용 효율적으로 상이한 특성을 갖는 AC 전압 연결부를 사용할 수 있는 가능성을 제시하려는 과제가 존재한다.
상기 과제는 청구항 1의 대상에 의해서 해결된다. 또 다른 실시예들, 특징부들, 특성들 및 장점들은 종속 청구항들, 상세한 설명부 및 각각의 도면에 의해서 나타난다.
AC 전압 네트워크에 연결되는 연결부의 특성(예컨대: 단상 또는 다상)에 충전 회로를 매칭시킬 수 있기 위하여, 갈바니 전기적으로 연결하는 복수의 DC 전압 변환기가 조정 가능한 스위치 장치에 의해 선택적으로 서로 병렬로 또는 직렬로 연결될 수 있는 차량 측 충전 회로가 제안된다. 따라서, 충전 회로는 갈바니 전기적으로 연결하는 충전 회로다. 이와 같은 특징으로 인해서는, 갈바니 전기적인 분리를 위해 반드시 변압기를 사용할 필요가 없게 된다.
충전 회로의 정류기는 충전 회로의 AC 전압 인터페이스 뒤에 접속되어 있고, AC 전압 인터페이스에 인가되는 전압을 정류한다. 정류된 전압(또는 피크 값)은 AC 전압 인터페이스의 위상 수에 따라 결정된다. 230 V 네트워크 및 3상 연결 구성에서는, 특정의 반도체 기술로써 달성될 수 있는 한계 공칭 전압을 초과하는 정류된 전압이 나타날 수 있다. DC 전압 변환기의 반도체를 위해, 사용 가능한 기술을 제한하지 않는 한계 공칭 전압을 제공하기 위하여, 이 경우에는 스위치 장치가 복수의 DC 전압 변환기를 상호 직렬로 접속할 수 있다. 이로 인해서는, 각각의 DC 전압 변환기를 위한 작동 전압이 DC 전압 변환기의 수로 나누어진다. DC 전압 변환기가 2개인 경우에는, DC 전압 변환기의 반도체들을 각각 작동시키는 작동 전압이 절반으로 된다. 단상 작동의 경우에는, 전류 전달 용량(current carrying capabiL1ty)을 배가시키기 위하여, DC 전압 변환기가 병렬로 접속될 수 있다.
차량 측 충전 회로에는 AC 전압 인터페이스 및 여기에 연결된 정류기가 장착되어 있다. AC 전압 인터페이스는 특히 복수의 접점을 갖는 플러그-인 연결 요소다. 정류기는 정류 기능을 갖지만, 일부 실시예에서는 이와 같은 기능 외에 또한 역률 보정 또는 고조파 필터와 같은 또 다른 기능들도 가질 수 있다; 특히 정류기는 능동 정류기다. 정류기는 AC 전압 측을 구비한다. AC 전압 측에 의해서는, 정류기가 AC 전압 인터페이스에 연결되어 있다.
정류기는 바람직하게는 AC 전압 인터페이스의 각각의 위상 접점을 위해 하나 이상의 하프 브리지(제어 가능할 수 있거나 다이오드 하프 브리지일 수 있음)를 포함한다. AC 전압 인터페이스는 중성 도체 접점을 구비할 수 있다. 이 중성 도체 접점은 바람직하게는 정류기의 (자체) 하프 브리지와 연결되어 있다. 이 하프 브리지는, AC 전압 인터페이스의 일 위상과 연결되어 있고 특히 다이오드 하프 브리지일 수 있는 하프 브리지와 상이하다.
정류기는 또한 DC 전압 측을 포함한다. 정류기의 하프 브리지가 DC 전압 측에 연결되어 있다. DC 전압 측은 특히 2개의 DC 전압 전위 또는 레일을 포함한다. 이들 DC 전압 전위 또는 레일에 하프 브리지가 연결되어 있다(이 경우에는 특히 하프 브리지의 2개의 단부가 이와 같은 전위 또는 레일에 연결되어 있음).
정류기(또는 이 정류기의 DC 전압 측)에는 갈바니 전기 방식으로 연결하는 복수의 DC 전압 변환기가 연결되어 있다. DC 전압 변환기는 스위치 장치를 통해 정류기와 연결되어 있다. DC 전압 변환기와 정류기 사이에는 스위치 장치가 제공되어 있다. DC 전압 변환기가 정류기와 연결되어 있는 연결 방식(병렬 또는 직렬)은 스위치 장치를 이용해서 조정될 수 있다. 스위치 장치는 스위칭 가능한 (상이한 방식으로) DC 전압 변환기를 상호 연결한다. 스위치 장치의 상이한 스위칭 위치는 한 편으로는 정류기의 그리고 다른 한 편으로는 DC 전압 변환기의 상이한 연결부와 연결되어 있다. 스위치 장치의 일 스위칭 위치에서는, 정류기와 연결되어 있는 DC 전압 변환기의 측들이 병렬로 접속되어 있다(그리고 특히 직렬 회로로서 정류기와 연결됨). 스위치 장치의 또 다른 일 스위칭 위치에서는, 정류기와 연결되어 있는 DC 전압 변환기의 측들이 서로 직렬로 연결되어 있다(그리고 특히 직렬 회로로서 정류기와 연결됨).
스위칭 장치에 의해서는, DC 전압 변환기(특히 중간 회로 커패시터를 구비하는 DC 전압 변환기의 측)가 선택적으로 병렬로 또는 직렬로 서로 연결될 수 있다. 특히, 스위칭 장치에 의해서는, 정류기 쪽을 향하는 DC 전압 변환기의 측들이 조정 가능한 방식으로 병렬로 또는 직렬로 서로 연결될 수 있다. 이들 측은, 특히 충전 과정에서는 DC 전압 변환기의 입력 측에 해당할 수 있다. 전력 피드백의 경우(다시 말해 양방향 DC 전압 변환기의 경우)에는, 이들 측이 DC 전압 변환기의 출력에 해당한다.
스위칭 장치는, DC 전압 변환기의 입력들을 (특히 충전 과정과 관련하여) 직렬로 또는 병렬로 서로 연결하는 것을 가능하게 한다. DC 전압 변환기가 정류기와 연결되어 있기 때문에, 이로써 스위칭 장치에 의해서는 정류기와 DC 전압 변환기의 연결 방식이 조정될 수 있다. 직렬 연결의 경우, DC 전압 변환기가 2개일 때에는 (정류된 전압을 기준으로) 절반의 작동 전압이 나타남으로써, 결과적으로 중간 회로 커패시터로서의 스위치 요소는 다만 이와 같은 절반의 (또는 변환기의 수로 나누어진) 작동 전압에 따라서만 설계되어야 한다. DC 전압 변환기는 정류기 쪽을 향하는 측을 구비한다. 이들 DC 전압 변환기의 측은 스위칭 장치에 의해서 선택적으로 또는 스위칭 가능하게 (또는 조정 가능하게) 병렬로 또는 직렬로 서로 연결된다. 따라서, 이들 측에는, 조정 가능하게 병렬로 또는 직렬로 서로 연결되는 중간 회로 커패시터가 존재한다. 이와 같은 상황은 DC 전압 변환기의 스위치 유닛에 대해서도 적용된다.
정류기는 DC 전압 변환기를 통해 온보드 전원 연결부와 연결되어 있다. 온보드 전원 연결부는 특히 고전압 연결부이고, 이로써 60 V를 초과하는, 특히 적어도 400 V, 600 V 또는 800 V에 해당하는 작동 전압용으로 설계되었다. 여기에 기술된 충전 회로를 갖춘 온보드 전원은 온보드 전원 연결부에 연결된 축전지를 더 포함한다. 축전지 외에 또 다른 구성 요소들도 온보드 전원 연결부에 연결될 수 있다. 온보드 전원 연결부는 분리 스위치(disconnector)를 통해 DC 전압 변환기와 연결될 수 있다.
충전 회로는 바람직하게는 다이오드 캐스케이드를 더 포함한다. 다이오드 캐스케이드는 DC 전압 변환기와 온보드 전원 연결부 사이에 제공되어 있고, 특히 온보드 전원 연결부에 병렬로 연결되어 있다. 다이오드 캐스케이드는 다이오드의 직렬 회로를 포함한다. 이 직렬 회로는 온보드 전원 연결부에 병렬로 연결되어 있다. 직렬 회로의 단부가 온보드 전원 연결부와 (특히 온보드 전원 연결부의 2개의 DC 전압 전위와) 연결되어 있다. DC 전압 변환기들 중 하나 이상은 직렬 회로의 중간 지점과 연결되어 있으며, 이 중간 지점을 통해 다이오드들 중 2개가 서로 (직렬로) 연결되어 있다. 다이오드 캐스케이드는 특히 (단상의) 하프 브리지로서 설계되어 있다. DC 전압 변환기들 중 하나가 하프 브리지의 연결 지점과 연결되어 있다. DC 전압 변환기가 2개 이상인 경우에는, 다이오드 캐스케이드가 2개 이상의 다이오드를 포함한다. DC 전압 변환기의 수는 바람직하게는 다이오드 캐스케이드 내에 있는 다이오드의 수에 상응한다. 다이오드 캐스케이드 내에 있는 연결 지점의 수는 DC 전압 변환기의 수에서 1을 뺀 값에 해당한다. 하나의 변환기를 제외하고 DC 전압 변환기는 다이오드 캐스케이드의 자체 연결 지점과 연결되어 있다.
변환기들 중 하나는 다이오드 캐스케이드의 2개 다이오드 사이에 있는 연결 지점과 연결될 수 있다. 다이오드들 중 하나는 이 변환기와 다른 변환기 사이에 연결될 수 있다. 다이오드 캐스케이드의 다이오드들은 동일한 방향으로 서로 연결되어 있다. 다이오드의 순방향은 동일한 전위를 가리킨다. 이와 같은 상황은 차단 방향에 대해서도 적용된다. 제1 및 제2 변환기는 각각 양의 전위 레일을 구비하며, 이 경우 이와 같은 전위 레일은 제1 다이오드를 통해 서로 연결되어 있다. 제1 다이오드는, 제1 DC 전압 변환기의 양의 전위 레일 쪽을 향하는 순방향을 갖는다. 제2 다이오드는 제2 DC 전압 변환기의 양의 전위 레일과 제2 DC 전압 변환기의 음의 전위 레일 사이에 연결되어 있다. 제2 다이오드는, 제2 DC 전압 변환기의 양의 전위 레일 쪽을 (또는 제1 다이오드 쪽을 혹은 제1 DC 전압 변환기의 양의 전위 레일 쪽을) 향하는 순방향을 갖는다.
DC 전압 변환기의 일 부분 또는 모든 DC 전압 변환기는 각각 평활 커패시터를 구비할 수 있다. 평활 커패시터는, 온보드 전원 연결부 쪽을 향하는 DC 전압 변환기의 측에 있는 개별 DC 전압 변환기에 병렬로 연결되어 있다.
DC 전압 변환기는, 변환된 전압을 온보드 전원 연결부로 그리고 특히 다이오드 캐스케이드로 송출하기 위하여, 정류기에 의해 또는 AC 전압 인터페이스의 측에 의해 수신된 전압을 변환하도록 제공되어 있다. 다이오드 캐스케이드는 DC 전압 변환기의 (온보드 전원 연결부 측) 전압을 가산하고 이 가산된 전압을 온보드 전원 연결부로 송출한다.
제1 및 제2 전압 변환기의 스위치 유닛은 각각 직렬로 접속된 2개의 스위치 또는 하나의 스위치와 하나의 다이오드를 포함한다. 이들 스위치는 바람직하게는 반도체 스위치, 예를 들어 트랜지스터다. 복수의 DC 전압 변환기로 분할되어 있음으로써 정류기의 총 전압이 분할되기 때문에, 650 미만의, 700 또는 600 볼트의 최대 전압을 갖는 트랜지스터, 예를 들어 소위 "초접합(superjunction) FET"가 사용될 수 있다. 230 볼트-네트워크가 충전 회로에 3상으로 연결된 경우에는, 상기와 같은 상황이 특히 230 볼트 네트워크에도 적용됨으로써, 결과적으로 더 높은 최대 전압으로 설계되어야만 하는 트랜지스터를 DC 전압 변환기에 장착할 필요가 없어진다. 이로 인해서는, 상당한 비용 요소를 나타내는 SiC-MOSFET가 생략될 수 있다. 스위치 유닛으로서는, 특히 MOSFET 또는 또한 IGBT와 같은 트랜지스터가 적합하다.
전압 변환기들 (특히 제1 전압 변환기들) 중 하나의 스위치 유닛은 하나의 전자 스위치 및 하나의 다이오드를 포함할 수 있다. 이들은 직렬로 접속되어 있다. 하나 이상의 또 다른 전압 변환기의 (특히 제2 전압 변환기의) 스위치 유닛은 직렬로 접속된 2개의 전자 스위치를 포함할 수 있다.
전압 변환기는 바람직하게는 각각 직렬 인덕턴스를 구비한다. 이들 직렬 인덕턴스는 온보드 전원 연결부와 연결된 전압 변환기의 일 측에 제공되어 있다. 직렬 인덕턴스는, 전압 변환기가 온보드 전원 연결부와 연결되어 있는 전압 변환기의 일 측에 제공되어 있다. 전압 변환기의 스위치 유닛은, 관련 전압 변환기의 (2개의) 스위치를 서로 연결하거나 관련 스위치 유닛의 다이오드를 스위치 유닛의 스위치와 연결하는 연결 지점을 각각 구비한다. 따라서, 직렬 인덕턴스는 전압 변환기의 스위치 유닛을 온보드 전원 연결부와 또는 다이오드 캐스케이드와 연결한다. 각각의 전압 변환기는, 스위치 유닛으로부터 떨어져서 마주하는 직렬 인덕턴스의 측을 관련 DC 전압 변환기의 전위 레일과, 특히 관련 DC 전압 변환기의 음의 전위 레일과 연결하는 평활 커패시터를 구비할 수 있다. 다른 말로 표현하자면, 각각의 DC 전압 변환기는, 온보드 전원 연결부 쪽 또는 다이오드 캐스케이드 쪽을 향하는 변환기의 측에 병렬로 연결된 평활 커패시터를 구비할 수 있다. 이 측은, 정류기 쪽을 향하는 전압 변환기의 측과 반대이다.
정류기는 바람직하게는 하나 또는 복수의 스위칭 가능한 하프 브리지를 구비한다. 하프 브리지는 특히 완전히 스위칭 가능한데, 다시 말하자면 각각 트랜지스터와 같은 2개의 스위치로 구성된 직렬 회로로 이루어진다. 하프 브리지 또는 이 하프 브리지의 연결 지점 혹은 중간 탭은 특히 직접적으로 또는 직렬 인덕턴스를 통해 AC 전압 인터페이스와 연결되어 있다. 개별 직렬 인덕턴스를 통해 연결된 경우에는, 정류 기능뿐만 아니라 전압 변환 기능, 특히 상향 변환 기능까지도 갖춘 역률 보정 회로가 나타난다. 그렇기 때문에, AC 인터페이스와 DC 전압 변환기 사이에 있는 정류기는 바람직하게는 능동 정류기이며, 기술된 바와 같이 직렬 인덕턴스가 장착된 경우에는 또한 역률과 관련하여 보정 기능을 수행하고/수행하거나 고조파 감쇠 작용을 할 수 있다. 대안적으로, 정류기는 수동 정류기이며, 특히 다이오드 정류기다. 정류기는 단상으로 또는 바람직하게는 다상으로 설계될 수 있다.
AC 전압 인터페이스는 단상으로 설계될 수 있거나 바람직하게는 다상으로, 예를 들어 3상으로 설계되어 있다. 따라서, AC 전압 인터페이스와 DC 전압 변환기 사이에 있는 정류기도 바람직하게는 단상으로 또는 특히 3상으로 설계되어 있다. AC 전압 인터페이스의 위상 수는 바람직하게는 AC 전압 인터페이스 뒤에 접속된 정류기의 위상 수에 상응한다. AC 전압 인터페이스의 위상 수는 바람직하게는 정류기의 위상 수에 상응한다. 정류기의 위상 수는 바람직하게는 정류기의 (스위칭 가능한) 하프 브리지의 수에 상응한다. 더 나아가서는, 다이오드 하프 브리지 형태의 추가 하프 브리지가 제공될 수도 있다. 이 경우, 정류기는 소수의 (스위칭 가능한) 하프 브리지 그리고 특히 다이오드 브리지로서 설계된 추가의 하프 브리지를 포함한다.
고정 배선되었거나 스위칭 가능한 연결부가 AC 전압 인터페이스의 위상들 사이에 제공될 수 있다. 인터페이스 자체가 다만 단상으로만 점유되어 있거나 단상으로만 작동되는 경우에는, 이들 연결부가 바람직하게는 모든 위상들을 서로 연결한다. 그렇지 않은 경우에는, 연결부가 존재하지 않거나 개방되어 있다. AC 전압 인터페이스가 다상으로 또는 3상으로 점유된 경우에는, 연결부가 제공되어 있지 않거나 개방되어 있다. 그렇기 때문에, 연결부는, AC 인터페이스가 다만 단상으로만 점유된 경우에도 정류기의 모든 하프 브리지를 통해 전달될 전류의 구성 및 특히 분배를 가능하게 한다. 따라서, AC 전압 인터페이스에는 복수의 위상 접점이 장착되어 있다. 이들 위상 접점은 단상 상태에서는 연결부에 의해 서로 연결되어 있다. 다상 상태에서는, 위상 접점이 개별 하프 브리지와, 다시 말하자면 정류기의 개별 하프 브리지와 개별적으로 연결되어 있다. 다상 상태에서는, AC 전압 인터페이스의 위상들이 상호 연결되어 있지 않다.
연결부는 반도체 스위치, 전기 기계식 스위치 또는 고정 배선되었고 제거 가능한 연결 요소에 의해 제공될 수 있으며, 이들 연결 요소는 예를 들어 핀 상에 꽂혀 있고 핀으로부터 제거될 수 있는 브리지로서 설계되어 있다. 마지막에 언급된 가능성에 의해서는, 충전 회로를 단상 또는 다상 스위칭에 매칭시키기 위하여 나머지 회로를 변경하지 않고서도, 간단하고 비용 효율적인 방식으로 구성을 선택하는 것이 가능하다.
스위치 장치는 제1 구성 스위치 및 제2 구성 스위치를 구비할 수 있다. 제1 구성 스위치는, 제1 전압 변환기의 (바람직하게는 양의 전위의) 전압 레일을 제2 전압 변환기의 (바람직하게는 양의 전위의) 전압 레일과 스위칭 가능한 방식으로 연결한다. 제2 구성 스위치는, 바람직하게는 제1 전압 변환기의 (바람직하게는 음의 전위의) 전압 레일을 제2 전압 변환기의 (바람직하게는 음의 전위의) 전압 레일과 스위칭 가능한 방식으로 연결한다. 2개의 구성 스위치는 DC 전압 변환기의 상이한 전위에 할당되어 있다. 구성 스위치는 전기 기계식 또는 전자식 스위치일 수 있다. 일 실시예에서, 구성 스위치는 앞에서 언급된 연결부와 같이 설계되어 있다.
스위치 장치는, 분리 스위치로서도 지칭될 수 있는 제3 구성 스위치를 더 구비할 수 있다. 이 스위치는, 제2 변환기의 음의 공급 전위를 온보드 전원 연결부의 음의 공급 전위와 스위칭 가능하게 연결한다.
충전 회로는 제어부를 더 구비할 수 있다. 제어부는 구성 스위치와 또는 스위치 유닛과 연결되어 있다. 이로써, 제어부는, DC 전압 변환기가 서로 직렬로 연결되는지 아니면 병렬로 연결되는지를 설정할 수 있다. 이로 인해, 제어부는 특히, 정류기 쪽을 향하는 DC 전압 변환기의 측이 서로 병렬로 연결되는지 아니면 직렬로 연결되는지를 설정할 수 있다. 이를 통해, 제어부는, 전류 전달 용량이 정류기의 병렬 접속에 의해 배가되는지의 여부 또는 DC 전압 변환기의 수에 따라 DC 전압 변환기의 직렬 접속에 의해 개별 작동 전압이 분할되는지의 여부를 설정할 수 있다. 단상 상태에서는, 제어부가 바람직하게는 DC 전압 변환기들을 서로 병렬로 연결하도록 스위치 유닛을 제어한다.
다상 상태에서는, 제어부가 DC 전압 변환기들을 직렬로 연결하도록 스위치 유닛을 제어한다. 이와 같은 상황은, 특히 개별 중간 회로 커패시터의 또는 관련 DC 전압 변환기의 스위치 유닛의 직렬 연결 또는 병렬 연결과 관련이 있다. (예컨대 반도체 스위치에 의해서 또는 연결부 내부에 있는 전기 기계식 스위치에 의해서) 스위칭 가능한 AC 전압 인터페이스의 위상 접점 사이에 연결부가 제공되어 있는 경우에는, 단상 상태가 제공된 경우에 위상들 또는 위상 접점들 사이에서 이와 같은 연결이 이루어지며, 다상 상태가 제공된 경우에는 이와 같은 연결이 끊어진다. AC 인터페이스에서의 점유 상태를 검출하고, 특히 인터페이스의 하나 또는 복수의 위상이 점유되어 있는지의 여부를 검출하는 검출 장치가 제공될 수 있다. 복수의 상이 점유되어 있으면, 다상 상태가 설정되고, 단 하나의 상만 점유되어 있으면, 단상 상태가 설정된다. 검출 장치는, 제어부의 일부일 수 있거나 상응하는 정보를 제어부로 전달하기 위하여 제어부 앞에 접속될 수 있다. 제어부가 제어 가능한 경우(예컨대 연결부가 스위치 유닛으로서 설계된 경우), 제어부는 연결을 제어하도록 설계될 수 있다. 스위치 장치의 제1 스위칭 상태(전압 변환기의 병렬 접속)가 존재하는 경우, 제어부는 닫힌 상태에서 제3 구성 스위치 또는 분리 스위치를 제어하도록 설계되어 있다. 스위치 장치의 제2 스위칭 상태(전압 변환기의 직렬 접속)가 존재하는 경우, 제어부는 열린 상태에서 제3 구성 스위치 또는 분리 스위치를 제어하도록 설계되어 있다. 제1 스위칭 상태에서는 제1 및 제2 구성 스위치가 닫혀 있고, 제2 스위칭 상태에서는 열려 있다. 제어부는 이와 같은 상황을 제어하도록 설계되어 있고, 특히 구성 스위치와 제어 방식으로 연결되어 있다.
스위치 장치는 바람직하게는 직렬 스위치를 구비한다. 이 직렬 스위치는 닫힌 상태에서 중간 회로 커패시터와 스위치 유닛을 서로 직렬로 연결된다. 스위치 장치의 제1 스위칭 상태에서는 직렬 스위치는 열려 있다. 스위치 장치의 제2 스위칭 상태에서는 직렬 스위치가 닫혀 있다. (제1 스위칭 상태에서) 병렬 연결을 위해서는, 병렬 스위치로서도 지칭될 수 있는 제1 및 제2 구성 스위치가 사용된다. 스위치 장치의 제1 스위칭 상태에서는 제1 및 제2 구성 스위치가 닫혀 있다(전압 변환기의 병렬 접속을 위해). 제2 스위칭 상태에서는 제1 및 제2 구성 스위치가 열려 있다(직렬 스위치를 이용한 전압 변환기의 직렬 접속을 위해).
AC 인터페이스에서 단상 상태가 존재하면(예컨대 AC 인터페이스의 단상 점유 상황에서는), 스위치 장치가 바람직하게는 (스위칭 장치의) 제1 스위칭 상태에 있다. AC 인터페이스에서 다상 상태가 존재하면(예컨대 AC 인터페이스의 다상 점유 상황에서는), 스위치 장치가 바람직하게는 (스위칭 장치의) 제2 스위칭 상태에 있다.
하지만, 상기 제어부와 다른 제어부도 있을 수 있다. 단상 상태(다시 말해, AC 인터페이스의 단상 점유 또는 단상 설정 상태)에서는 스위칭 장치의 제2 스위칭 상태가 제공될 수 있다. 이 경우에는 (다상 상태에 비해) 더 적은 정류된 전압이 나타나며, 이때 전압 변환기는 예를 들어 온보드 전원 연결부에서의 특정 전압 범위에서 또는 원하는 전력 흐름 모드에서는 직렬로 접속되어 있다. 또한, 다상 상태(다시 말해, AC 인터페이스의 다상 점유 또는 다상 설정 상태)에서는 스위칭 장치의 제1 스위칭 상태가 제공될 수 있다. 이 경우에는 (AC 인터페이스에서의 단상 상태에 비해) 더 높은 정류된 전압이 나타나며, 이때 전압 변환기는 예를 들어 온보드 전원 연결부에서의 다른 특정 전압 범위에서 또는 원하는 전력 흐름 모드에서는 병렬로 접속되어 있다.
한 편으로는 제1 및 제2 구성 스위치가 그리고 다른 한 편으로는 직렬 스위치가 교대로 제어된다. 제1 및 제2 구성 스위치가 닫혀 있으면, 직렬 스위치는 열려 있다. 직렬 스위치가 닫혀 있으면, 제1 및 제2 구성 스위치는 열려 있다. 제어부는 상기 스위치 또는 스위치 장치를 상응하게 제어하도록 설계되어 있다. 직렬 스위치는 스위치 장치의 부분이다. 제3 구성 스위치는 스위치 장치의 부분일 수 있지만 스위치 장치 외부에 있는 구성 요소를 형성할 수도 있다. 제3 구성 스위치는 바람직하게는 제1 및 제2 구성 스위치와 동일한 스위칭 위치를 갖는다.
제어부, 제어부의 일 부분 또는 직접적으로 또는 간접적으로 연결된 제어 유닛은, DC 전압 변환기 또는 이 변환기의 스위치를 제어하기 위하여 그리고/또는 (능동 정류기로서 설계된 경우에는) 정류기의 스위칭 장치를 제어하기 위하여 제공될 수 있다. 스위치 유닛과 제어 방식으로 연결된 제어부는, DC 전압 변환기의 스위치 유닛 및/또는 정류기의 스위칭 요소를 제어하는 제어 유닛과도 제어 방식으로 연결된 상위 레벨 제어부에 의해 배열될 수 있다. 하지만, 제어부의 분류는 궁극적으로 다양한 방식으로 실현될 수 있다.
정류기는, AC 전압 인터페이스의 중성 도체 접점과 연결된 다이오드 하프 브리지를 구비할 수 있다. 다이오드 하프 브리지 외에 정류기는 스위치 유닛을 갖는 하프 브리지를 포함하며, 이 경우에는 이와 같은 하프 브리지 각각에 AC 전압 인터페이스의 위상이 할당되어 있거나 이와 같은 하프 브리지 각각이 (예를 들어 인덕턴스를 통해) AC 전압 인터페이스의 위상과 연결되어 있다.
정류기는 하나 또는 바람직하게는 복수의 하프 브리지를 포함할 수 있으며, 이들 하프 브리지 각각은 2개의 스위칭 요소 또는 다이오드로 구성된 직렬 회로를 포함한다. 정류기는 능동 역률 보정 필터로서 설계될 수 있거나 수동 정류기로서 설계될 수 있다. 정류기가 능동 정류기로서 설계된 경우, 이 정류기는 직렬 인덕터를 통해 AC 인터페이스와 연결된 복수의 하프 브리지 회로를 포함한다. 이 경우에는 연결이 개별적임으로써, 결과적으로 직렬 인덕턴스도 개별 하프 브리지와 AC 전압 인터페이스의 위상 접점 사이에서 개별적인 연결을 수행한다. 언급된 바와 같이, 단상 충전을 위해 또는 단상 상태에서는, 위상 접점들이 상응하는 연결부를 통해 서로 연결되는 것이 제안될 수 있다. 정류기는 특히 비엔나-정류기로서 설계될 수 있다.
스위치 유닛의 스위치는 바람직하게는 반도체 스위치고, MOSFET 및 IGBT와 같은 트랜지스터를 포함할 수 있다. 스위치 유닛의 각각의 스위치가 2개의 반도체 스위치(예컨대 트랜지스터)를 포함하는 것이 제안될 수 있으며, 특히 이들 반도체 스위치가 역 다이오드를 구비하는 경우에는, 이들 반도체 스위치가 상호 역-직렬 방식으로 연결되어 있다.
도 1은, 본 명세서에 기술된 충전 회로를 더욱 상세하게 설명하기 위해 이용된다.
도 1은, AC 전압 인터페이스(AC)를 통해 전류 네트워크(SN)에 (정적으로) 연결된 예시적인 충전 회로를 갖춘 온보드 전원 시스템을 보여준다. 이 경우, 공급 전류 네트워크는 3상으로 설계되어 있고, 특히 공용 전류 공급 네트워크다. 충전 회로는, 정류기(PFC)에 연결된 AC 전압 인터페이스(IF)를 포함한다. 정류기에는 재차 2개의 DC 전압 변환기(W1, W2)가 연결된다. 이들 변환기는 스위치 장치(SV)를 통해 구성 가능한 방식으로 서로 연결되어 있다.
스위치 위치(1)에서는, DC 전압 변환기(W1, W2)가 스위치 장치(SV)에 의해 서로 병렬로 연결되어 있다. 이와 같은 상황은, 특히 DC 전압 변환기(W1, W2)의 커패시터(C1 및 C2) 혹은 이들 변환기의 스위칭 유닛(SE1, 2) 또는 다른 말로 표현하자면 정류기(PFC) 쪽을 향하는 이들 변환기의 측(입력으로서도 간주될 수 있음)과 관련이 있다. 스위칭 위치(1)는 스위치 장치(SV)의 제1 스위칭 상태에 상응한다.
제1 DC 전압 변환기(W1)는, 제1 스위치(S1) 및 다이오드(S2)를 구비하는 하프 브리지를 포함한다. 따라서, DC 전압 변환기(W1)의 하프 브리지는 절반 제어식 하프 브리지다. DC 전압 변환기(W1)는, 정류기(PFC)로 이어지는 양의 전류 레일(+)에 연결되어 있다. 제2 DC 전압 변환기(W2)는, 제3 스위치(S3) 및 제4 스위치(S4)를 구비하는 하프 브리지를 포함한다. 따라서, DC 전압 변환기(W2)의 하프 브리지는 완전 제어식 하프 브리지다. DC 전압 변환기(W2)는, 정류기(PFC)로 이어지는 음의 전류 레일(-)에 연결되어 있다.
따라서, 제1 DC 전압 변환기(W1)는 양의 공급 전위(V+)와 연결되어 있다. 제1 DC 전압 변환기(W1)의 양의 공급 전위는 충전 회로의 양의 공급 전위(V+)에 상응한다. 제1 DC 전압 변환기(W1)의 제2 공급 전위는 스위치 장치(SV)를 통해 충전 회로의 다른 공급 전위(V-)와 또는 제2 DC 전압 변환기(W2)의 양의 공급 전위와 선택적으로 연결될 수 있다. 이를 통해서는, 2개의 DC 전압 변환기(W1, W2)가 상호 직렬로 스위칭 되어야 하는지 아니면 병렬로 스위칭 되어야 하는지가 선택될 수 있다.
제2 DC 전압 변환기(W2)는, 충전 회로의 음의 공급 전위(V-)에 상응하는 음의 공급 전위를 갖는다. 하지만, 제2 DC 전압 변환기(W2)도 하나의 전위를 갖는데, 다시 말하자면 스위치 장치(SV)를 통해 제1 DC 전압 변환기(W1)와 다양한 방식으로 선택 가능하게 연결될 수 있는 양의 공급 전위를 갖는다. 제2 DC 전압 변환기(W2)의 양의 공급 전위는 제1 변환기(W1)의 음의 공급 전위와 연결될 수 있거나(제2 스위칭 상태, 직렬 접속에 해당함) 충전 회로의 양의 공급 전위(V+)와 연결될 수 있다(제1 스위칭 상태, 병렬 접속에 해당함).
스위치 장치(SV)는 제1 및 제2 구성 스위치(KS1, KS2) 그리고 직렬 스위치(SS)를 포함한다. 또한, 스위치 장치(SV)는 제3 구성 스위치(KS3)를 포함한다. 제1 스위칭 상태(1)에서는 구성 스위치(KS1, KS2 및 KS3)가 닫혀 있다. 제1 스위칭 상태(1)에서는, 전압 변환기(W1, W2) 및 특히 이들 변환기의 개별 공급 전위가 병렬로 접속되어 있다. 또한, 개별 스위치 유닛(SE1, SE2)은 제1 스위칭 상태(1)에서 병렬로 접속되어 있다. 이와 같은 상황은, DC 전압 변환기(W1, W2)의 중간 회로 커패시터(C1, C2)에도 적용된다. 제3 구성 스위치(KS3)는 제2 전압 변환기(W2)의 음의 전압 전위를 음의 전위(DC-) 또는 온보드 전원 연결부(AN)의 접점과 연결한다. 스위칭 상태(1)에서는 제2 전압 변환기(W2)의 음의 전압 전위가 제1 전압 변환기(W1)의 음의 전압 전위에 상응하는데, 그 이유는 구성 스위치(KS2)가 이들 전위를 {스위칭 상태(1)에서} 연결하기 때문이다. 스위칭 상태(1)에서, 구성 스위치(KS2)는 전압 변환기(W1, W2)의 음의 전위 또는 전류 레일을 서로 연결한다. 스위칭 상태(1)에서, 구성 스위치(KS1)는 전압 변환기(W1, W2)의 양의 전위 또는 전류 레일을 서로 연결한다.
스위치 장치(SV)의 도시된 스위칭 상태(2)에서는, 구성 스위치(KS1 및 KS2)가 열려 있다. 제3 구성 스위치(KS3)도 스위칭 상태(2)에서는 열려 있다. 하지만, 스위칭 상태(2)에서 직렬 스위치(SS)는 닫혀 있다. 이로 인해, DC 전압 변환기(W1, W2)는 서로 직렬로 연결되어 있다. 스위칭 상태(2)에서, 직렬 스위치(SS)는 제1 변환기(W1)의 음의 전위 또는 음의 전류 레일을 제2 변환기(W2)의 양의 전위 또는 양의 전류 레일과 연결한다. 본 명세서에서 언급된 변환기의 전류 레일 및 전위는, 특히 개별 중간 회로 커패시터(C1, C2)가 병렬로 연결되어 있거나 개별 스위치 유닛(SE1, SE2)을 브리징하는 전류 레일과 관련이 있다.
도시된 스위칭 상태와 반대인 스위칭 상태(1)에서는, 직렬 스위치(SS)는 열려 있고 스위치 (KS1 내지 KS3)는 닫혀 있다. 이로 인해, 전압 변환기(W1, W2)는 스위칭 상태(1)에서 각각 정류기(GR)와 직접 연결되어 있다. 다른 말로 표현하자면, 스위칭 상태(1)가 제공된 경우에는, DC 전압 변환기(W1, W2)가 상호 병렬로 접속되어 있다. 스위치(KS1 내지 KS3)는 동시에 열려 있거나 닫혀 있다. 스위치(KS1 내지 KS3)가 닫혀 있으면, 스위치(SS)는 열려 있다. 구성 스위치(KS1 내지 KS3)가 열려 있으면, 스위치(SS)는 닫혀 있다. 따라서, 한 편으로는 스위치(SS)가 그리고 다른 한 편으로는 스위치(KS1, KS2 및 KS3)가 바람직하게는 상호 보완적인 방식으로 동작한다(자체 스위칭 상태에 따라). 이와 같은 상황은 특히 회로의 활성 상태와 관련이 있다; 회로의 비활성 상태에서는 스위치(KS1 내지 KS3 및 SS)가 열려 있을 수 있다.
2개의 DC 전압 변환기(W1, W2)는 중간 회로 커패시터(C1 또는 C2)를 각각 하니씩 포함한다. 제1 DC 전압 변환기(W1)는 중간 회로 커패시터(C1)를 구비한다. 제2 DC 전압 변환기(W1)는 중간 회로 커패시터(C1)를 구비한다. 중간 회로 커패시터는 개별 DC 전압 변환기의 공급 전위에 각각 병렬로 연결되어 있다. 중간 회로 커패시터에 대해 언급된 내용은 스위치 유닛(SE1, SE2)에도 적용된다.
DC 전압 변환기(W1)는 스위치 유닛(SE1)을 구비한다. 이 스위치 유닛은 스위치(S1)(예컨대 트랜지스터로서 구현됨)과 다이오드(S2)로 구성된 직렬 회로를 포함한다. 다이오드(S2)는 제1 DC 전압 변환기(W1)의 음의 전위와 연결되어 있다. 다이오드(S2)와 스위치(S1) 사이의 연결 지점은 직렬 인덕턴스(L1)와 연결되어 있다. 제1 직렬 인덕턴스(L1)는 제1 스위치 유닛(SE1)을 온보드 전원 연결부(AN){(특히 양의 접점(DC+)}와 그리고 다이오드 캐스케이드(DK), 특히 다이오드 캐스케이드의 일단부와 연결한다. 스위치 유닛(SE1)의 연결 지점은 직렬 인덕턴스(L1)의 제1 단부와 연결되어 있고, 직렬 인덕턴스(L1)의 제2 단부는 온보드 전원 연결부(AN) 또는 이 연결부의 양의 전위 또는 접점(DC+)과 연결되어 있다.
DC 전압 변환기(W2)는 스위치 유닛(SE1)를 구비한다. 이 스위치 유닛은 제2 스위치(S3)(예컨대 트랜지스터로서 구현됨) 및 제3 스위치(S4)(예컨대 트랜지스터로서 구현됨)로 구성된 직렬 회로를 포함한다. 제3 스위치(S4)는 제2 DC 전압 변환기(W2)의 음의 전위와 연결되어 있다. 제2 스위치(S3)는 제2 DC 전압 변환기(W2)의 양의 전위와 연결되어 있다. 제2와 제3 스위치(S2, S4) 사이의 연결 지점은 (또 다른) 직렬 인덕턴스(L2)와 연결되어 있다. 이 인덕턴스는 제2 DC 전압 변환기(W2)의 직렬 인덕턴스(L2)다. 제2 직렬 인덕턴스(L2)는 제2 스위치 유닛(SE2)을 다이오드 캐스케이드(DK) 내부의 연결 지점과 연결한다. 다이오드 캐스케이드(DK)는 연결 지점을 통해 서로 연결된 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)를 포함한다. 다이오드(D1, D2)는 직렬로 접속되어 있다. 다이오드 캐스케이드의 다이오드(D1, D2)는 각각 연결부(AN)의 양의 전위(+) 쪽을 향하는 차단 방향을 갖는다. 스위치 유닛(SE1)의 연결 지점은 직렬 인덕턴스(L2)의 제1 단부와 연결되어 있고, 직렬 인덕턴스(L2)의 제2 단부는 다이오드 캐스케이드(DK)의 연결 지점과 연결되어 있다.
전압 변환기(W1, W2) 각각은 평활 커패시터(GK1, GK2)를 구비한다. 전압 변환기(W1)의 평활 커패시터(GK1)는 직렬 인덕턴스(L1) 뒤에 접속되어 있고 병렬로 연결되어 있다. 전압 변환기(W2)의 평활 커패시터(GK2)는 직렬 인덕턴스(L1) 뒤에 접속되어 있고 병렬로 연결되어 있다. 평활 커패시터(GK1)는 온보드 전원 연결부(AN)의 양의 전위(DC+)를 제1 전압 변환기(W1)의 음의 전위와 연결한다. 평활 커패시터(GK2)는 제2 전압 변환기(W2)의 음의 전위를 다이오드 캐스케이드의 연결 지점 또는 제2 변환기(W2)의 직렬 인덕턴스(L2)와 연결한다.
요약하자면, 스위치 장치(SV) 그리고 2개의 DC 전압 변환기(W1, W2)로의 분할은 전압 변환기의 구성 가능한 조합을 허용한다. 이 경우, 스위치(SS)는 직렬 스위치로서 간주될 수 있다{스위치(S1)가 닫혀 있는 경우에는, DC 전압 변환기가 직렬로 접속되어 있기 때문에}. 구성 스위치(KS1, KS2)는 병렬 스위치로서 간주될 수 있는데, 그 이유는 구성 스위치(KS1, KS2)가 닫혀 있는 경우에는, DC 전압 변환기(W1, W2)가 상호 병렬로 접속되어 있기 때문이다. 한 편으로 스위치(SS) 및 스위치(KS1, KS2)의 스위칭 상태 그리고 구성 스위치(KS3)의 스위칭 상태는 반대이다. 스위치(KS1)는 양의 공급 전위에 할당되어 있고, 스위치(KS2)는 음의 공급 전위에 할당되어 있다. 하지만, 모든 스위치가 열려 있는 경우, 예를 들어 비활성 모드 또는 오류 모드에 있는 경우도 제공될 수 있다.
차량 온보드 전원은 충전 회로(특히 도시된 충전 회로) 및 이 충전 회로에 연결된 온보드 전원 섹션을 포함할 수 있다. 온보드 네트워크 섹션은 하나 이상의 축전지(A)를 구비하고, 하나 이상의 (차량 측) 부하 및/또는 하나의 (차량 측) 전기 에너지원을 더 구비할 수 있다. 이 온보드 네트워크 섹션은 도 1에 도시된 바와 같이 우측에서 충전 회로에 연결될 것인데, 예를 들어 연결부(AN)에 연결되어 있다.
접점(DC+, DC-)에 의해서 표시된 충전 회로의 온보드 전원 연결부(AN)에는 축전지(A)가 연결될 수 있다. 축전지(A)는 특히 충전 장치의 부분이 아니며, 오히려 충전 장치는 온보드 전원 연결부(AN)의 접점(DC+, DC-)으로써 또는 온보드 전원 연결부 자체로써 끝난다.
제어부(CT)는, 상징적으로 도시된 바와 같이 구성 스위치(KS1 내지 KS3) 및 직렬 스위치(SS)와 제어 방식으로 연결되어 있다. 스위치 유닛(SE1, SE2)을 제어하기 위해서는 동일하거나 다른 제어부가 제공될 수 있다.

Claims (10)

  1. 차량 측 충전 회로로서,
    - AC 전압 인터페이스(AC),
    - 상기 AC 전압 인터페이스에 연결된 정류기(PFC),
    - 각각 갈바니 전기적으로 연결되어 있고 각각 하나 이상의 중간 회로 커패시터(C1, C2) 및 하나 이상의 스위치 유닛(SE1, SE2)을 구비하는, 하나 이상의 제1 및 제2 DC 전압 변환기(W1, W2), 및
    - 온보드 전원 연결부(AN)를 포함하되,
    상기 정류기(PFC)는 DC 전압 변환기(W1, W2)를 통해 온보드 전원 연결부(AN)와 연결되어 있고, 충전 회로는 DC 전압 변환기(W1, W2)를 상호 스위칭 가능하게 연결하는 스위치 장치(SV)를 포함하며, 상기 스위치 장치(SV)는 제1 스위칭 상태(1)에서는 중간 회로 커패시터(C1, C2)를 서로 병렬로 연결하고, DC 전압 변환기(W1, W2)의 스위치 유닛(SE1, SE2)을 서로 병렬로 연결하며, 또한 상기 스위치 장치(SV)는 제2 스위칭 상태(2)에서는 중간 회로 커패시터(C1, C2)를 서로 직렬로 연결하고, 스위치 장치(SE1, SE2)를 서로 직렬로 연결하는, 차량 측 충전 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 DC 전압 변환기(W1, W2)와 상기 온보드 전원 연결부(AN) 사이에서 온보드 전원 연결부(AN)에 병렬로 연결되어 있는 다이오드 캐스케이드(DK)를 더 포함하는, 차량 측 충전 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 변환기들 중 하나의 변환기(W2)는 다이오드 캐스케이드(DK)의 2개의 다이오드(D1, D2) 사이에 있는 연결 지점과 연결되어 있으며, 상기 다이오드들 중 하나의 다이오드(D1)는 상기 변환기(W2)와 다른 변환기(W1) 사이에 연결되어 있는, 차량 측 충전 회로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전압 변환기(W1)의 스위치 유닛(SE1)은 직렬로 접속된 전자 스위치(S1) 및 다이오드(S2)를 포함하며, 상기 제2 전압 변환기(W1)의 스위치 유닛(SE2)은 직렬로 접속된 2개의 전자 스위치(S3, S4)를 포함하는, 차량 측 충전 회로.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 변환기(W1, W2)는 이 전압 변환기(W1, W2)의 일 측에 제공된 직렬 인덕턴스(L1, L2)를 각각 하나씩 구비하며, 상기 일 측에서는 전압 변환기(W1, W2)가 온보드 전원 연결부(AN)와 연결되어 있는, 차량 측 충전 회로.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치 장치(SV)는 제1 구성 스위치(KS1) 및 제2 구성 스위치(KS2)를 구비하며, 상기 제1 구성 스위치(KS1)는 제1 전압 변환기(W1)의 양의 전위의 전압 레일을 제2 전압 변환기(W2)의 양의 전위의 전압 레일과 스위칭 가능하게 연결하고, 상기 제2 구성 스위치(KS2)는 제1 전압 변환기(W1)의 음의 전위의 전압 레일을 제2 전압 변환기(W2)의 음의 전위의 전압 레일과 스위칭 가능하게 연결하는, 차량 측 충전 회로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치 장치(SV)는, 제2 변환기(W2)의 음의 공급 전위를 온보드 전원 연결부(AN)의 음의 공급 전위(DC-)와 스위칭 가능하게 연결하는 분리 스위치(KS3)를 구비하는, 차량 측 충전 회로.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치 장치(SV)는, 닫힌 상태에서 중간 회로 커패시터(C1, C2)와 스위치 유닛(SE1, SE2)을 서로 직렬로 연결하는 직렬 스위치(SS)를 구비하는, 차량 측 충전 회로.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AC 전압 인터페이스(AC)는 단상으로 설계되어 있거나 다상으로 설계되어 있는, 차량 측 충전 회로.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기(PFC)는 능동 정류기로서 또는 능동 역률 보정 필터로서 설계되어 있는, 차량 측 충전 회로.
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