KR20210050555A - 이중 인버터 구동부를 갖는 자동차용 통합 3상 ac 충전기 - Google Patents

이중 인버터 구동부를 갖는 자동차용 통합 3상 ac 충전기 Download PDF

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KR20210050555A
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피터 렌
필립 그레이
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더 가버닝 카운슬 오브 더 유니버시티 오브 토론토
하벨라르 캐나다 인더스트리알 알 앤 디 래버러토리 리미티드
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Abstract

스위치 제어를 위한 대응하는 방법 및 기계 명령어 세트와 함께 벅-부스트 동작 및 선택적 V2G(Vehicle-to-Grid) 기능을 특징으로 하는 통합 3상 AC 충전 기능을 갖는 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 자동차용 전력트레인.상기 전력트레인은 연관된 입력 필터를 갖는 3상 전류 소스 컨버터(CSC) 프론트 엔드, 극성 반전 모듈, 그리고 일 실시형태에서 이중 인버터 모터 구동부를 포함할 수 있다. 상기 이중 인버터 구동부는 상기 CSC에 대한 역기전력과 필수 DC 인덕턴스 모두의 소스이다. 따라서 추가 자기 부품이 필요치 않고, 견인 모드에 필요한 온보드 냉각 시스템을 충전 모드와 V2G 모드에 다시 전개할 수 있어서 컴팩트한 디자인이 제공된다. 상기 전력트레인은 선택 사항인 극성 반전 모듈을 통해 충전 모드와 V2G 모드 간에 모드 이동이 가능하다.

Description

이중 인버터 구동부를 갖는 자동차용 통합 3상 AC 충전기
상호 참조
본 출원은 미국 출원 제62/725711호(출원일: 2018년 8월 30일, 발명의 명칭: "INTEGRATED BIDIRECTIONAL THREE-PHASE AC CHARGER FOR VEHICLE APPLICATIONS")의 정규 출원이며, 이의 우선권을 포함하는 모든 이익을 주장한다. 선출원의 전체 내용은 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
기술 분야
본 명세서에 개시된 실시형태는 일반적으로 전기 자동차 및 플러그인 하이브리드 전기 자동차용 전력 전자 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 실시형태는 통합 충전 기능을 갖는 전기 전력트레인에 관한 것이다.
전기 자동차를 폭넓게 채용하는 데 병목 현상 중 하나는 온보드 배터리를 충전하는 데 필요한 시간이다. 일반적으로, 자동차 배터리를 충전하기 위한 전력은 저전압 단상 교류(AC) 그리드(grid), 3상 AC 그리드 또는 직류(DC) 그리드 연결에서 공급된다.
3상 AC 그리드와 달리, 저전압 DC 그리드는 현재 널리 이용 가능하지 않고; 단상 AC 그리드에 비해 3상 AC 그리드는 일반적으로 전력 이용 가능성이 더 높다. 예를 들어 상업용 건물, 사무실 건물 및 산업 시설과 같이 더 높은 전력 이용 가능성이 필요한 경우 3상 그리드 연결을 찾을 수 있다. 추가적으로, 예를 들어 기존의 3상 분배 라인으로부터 새로운 3상 ac 그리드 연결을 만들 수 있다. 3상 AC 충전을 가능하게 하는 충전기는 자동차에 탑재되거나 탑재되지 않을 수 있다.
온보드 통합 충전기 솔루션은 모든 전력 전자 장치를 자동차에 통합하고 기존의 온보드 냉각 시스템을 활용함으로써 외부 인프라 비용을 크게 줄일 수 있다는 점에서 유리하다.
통합된 온보드 충전기의 주요 단점은 자동차에 중량, 부피 및 비용을 더하는 데, 이는 제시된 솔루션에 의해 해결된다.
DC 소스로부터의 전기 그리드를 충전하는 것은 AC 그리드 인프라에 의해 충전하는 것에 비해 더 간단한 접근법이지만 항상 이용 가능한 것은 아니다.
AC 그리드 인프라는 더 쉽게 이용 가능하지만, 변환 접근법은 일반적으로 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에 사용하기 전에 AC/DC 변환을 위한 비싸거나 번거로운 인프라 요소를 요구하였다. 예를 들어, AC/DC 변환 스테이지는 특정 상황에서 자기 구성 요소(magnetic component)를 사용하여 전력 흐름/에너지 전달의 효율을 개선하는 추가 정류기 회로에 의해 수행될 수 있다.
이러한 유형의 AC/DC 변환 스테이지는 (예를 들어, 전기 자동차 충전소의 모든 AC 그리드 인터페이스에서 요구하는 경우) 인프라 복잡성을 추가하고, 자기 구성 요소(예를 들어, 인덕터, 커패시터)는 모두 번거롭고(예를 들어, 이들 구성 요소는 충전소에서 제한된 공간을 차지하고 무거움) 비싸다(예를 들어, 추가 인덕터는 특히 비쌀 수 있음).
전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차는 유해한 물질의 배출을 감소시키는 것으로 인해 종래의 연소 엔진 자동차에 비해 바람직하다. 가솔린이나 디젤을 사용하는 연소 엔진은 잠재적으로 기후 변화에 기여하는 메탄, 아산화질소와 같은 다른 유해한 배출물 중에서도 많은 양의 이산화탄소를 배출할 수 있다. 전기 하이브리드 엔진은 잠재적으로 가솔린/디젤 및 내부에 저장된 전기 전력을 모두 사용하도록 개조될 수 있다.
현재, 전기 자동차 충전소의 비용 및 공간 요구 사항이 높기 때문에(예를 들어, 스톨(stall) 수의 제한) 전기 자동차 충전소의 이용 가능성이 부족하여 전기 자동차의 채택이 제한된다. 충전할 자동차 수보다 스톨이 적기 때문에 전기 자동차 충전소 또는 대기열(queue) 사이의 거리가 멀수록 전기 자동차의 주행 거리는 제한되어 있기 때문에 전기 자동차의 실용성에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
따라서, AC 그리드(예를 들어, 다상 AC 그리드)로부터 충전하기 위한 개선된 접근법이 바람직하다. 제안된 접근법은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 실용성을 개선하여 환경 영향을 해결하거나 완화하는 데 도움이 될 수 있는 환경적인 (친환경) 기술과 관련된 개선된 회로 토폴로지(및 비-일시적인 기계 판독 가능 매체에 저장된 대응하는 회로, 방법 및 기계 명령어 세트)이다. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 실용성이 향상됨에 따라 연소 엔진에 대한 의존도를 줄여 자연 환경과 석유/가스 자원을 보존하는 데 도움을 줄 수 있다.
전기 모터의 자기 구성 요소는 사용하지 않을 때 AC/DC 변환에 활용될 수 있다. 본 명세서에 설명된 제안된 접근법은 AC/DC 변환 스테이지로서 동작하며 모터에 걸쳐 (예를 들어, 모터 권선에 걸쳐) 연결된 2개의 충전 스테이지(예를 들어, 상부 충전 스테이지와 하부 충전 스테이지, 이는 제1 충전 스테이지와 제2 충전 스테이지라고도 함)를 갖는 이중 인버터 구동 시스템에 결합되는 전류 소스 컨버터 회로를 포함하는 전기 전력트레인 회로 토폴로지에 관한 것이다. 이중 인버터 구동 시스템은 모터 자체를 통해 연결되기 때문에 모터의 자기 구성 요소가 AC/DC 변환을 위해 사용되고, 이에 AC/DC 변환에 잠재적으로 덜 번거롭고 비용이 적게 드는 접근법을 제공한다. 스테이지는 회로 부분이며 물리적 전기 회로 구성 요소를 포함한다.
일부 실시형태에서, 전기 전력트레인 회로는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 구성 요소로서 제공되고, 예를 들어, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 모터가 운동에 사용되지 않는 경우 AC 그리드 인터페이스가 이용 가능한 AC/DC 변환 스테이지를 갖지 않는 경우에도, 예를 들어, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차가 3상 AC 그리드 인터페이스에 직접 연결될 수 있도록 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 상에 또는 내에 (예를 들어, 모터 및 에너지 저장 디바이스에 직접 결합된 회로로서) 존재할 수 있다. 운동 상태와 에너지 흐름 상태 사이에서 개방형 권선 모터의 동작을 토글(toggle)하도록 구성된 추가 제어기 회로가 제공될 수 있다.
추가 실시형태는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차가 또한 상이한 변형 실시형태에서 자동차-그리드(vehicle to grid: V2G) 충전 기능을 제공할 수 있도록 극성 반전에 대해 본 명세서에서 설명된다. 모든 실시형태가 자동차-그리드(V2G) 충전 기능을 포함하는 것은 아니다 - 일부 실시형태에서는 AC 그리드로부터 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로 단방향 충전하는 것이 고려된다. 대안적으로, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로부터 AC 그리드로 단방향 충전하는 것도 다른 실시형태에서 고려된다. V2G 충전은 예를 들어 긴급 상황이나 그리드가 절연되고 원격(예를 들어, 시골 그리드)인 상황에서 유용하다. 그리드 전기 가격에 따라 그리드에 에너지를 제공하는 것이 경제적으로 유리할 수도 있다.
이중 인버터 구동 시스템은 상부 충전 스테이지와 하부 충전 스테이지를 포함한다. 이러한 각 스테이지는 에너지 저장부와 전압 소스 컨버터를 갖는다. 예를 들어, 상부 충전 스테이지는 제1 에너지 저장부와 제1 전압 소스 컨버터(VSC1)를 갖는다. 하부 충전 스테이지는 제2 에너지 저장부와 제2 전압 소스 컨버터(VSC2)를 갖는다. 이중 인버터 구동부는 에너지 저장 전압의 합이 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 클 때 AC 그리드와 제1 또는 제2 에너지 저장부 사이에 전력을 교환할 수 있도록 전압 부스팅(voltage boosting) 기능을 제공하도록 구성된다.
개방형 권선 모터(예를 들어, 운동에 사용될 수 있는 모터)는 제1 전압 소스 컨버터와 제2 전압 소스 컨버터 사이에 결합되고, 개방형 권선 모터는 3개 이상의 모터 권선을 갖는다. 이들 권선 각각은 제1 전압 소스 컨버터와 제2 전압 소스 컨버터 각각의 대응하는 AC 단자에 결합된다.
전류 소스 컨버터(CSC)는 AC 그리드와 결합하기 위한 3개의 CSC AC 위상 단자, 양의 VSC1 DC 단자에서 상부 충전 스테이지에 결합된 양의 CSC DC 단자, 및 음의 VSC2 DC 단자에서 하부 충전 스테이지에 결합된 음의 CSC 단자를 포함한다.
CSC는 제1 회로 레그(circuit leg), 제2 회로 레그 및 제3 회로 레그를 포함한다. 각각의 회로 레그는 3개의 CSC AC 위상 단자의 대응하는 CSC AC 위상 단자에 대응하고, 적어도 하나의 상부 스위치와 적어도 하나의 하부 스위치를 갖는다. 이들 상부 스위치는 대응하는 CSC AC 위상 단자와 양의 CSC DC 단자에 각각 결합된다. 이들 하부 스위치는 대응하는 CSC AC 위상 단자와 음의 CSC DC 단자에 각각 결합된다.
상부 스위치와 하부 스위치 각각은 게이트 제어 신호에 의해 제어되고, 단 하나의 상부 스위치만이 온 상태에 있을 때, 이 스위치는 3개의 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도하고, 단 하나의 하부 스위치만이 동작할 때, 이 스위치는 3개의 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도한다. 이들 게이트 제어 신호는 동작을 가능하게 하기 위해 모터의 인덕턴스를 이용하여 AC 그리드와 전기 자동차/하이브리드 전기 자동차 사이의 에너지 흐름을 제어한다.
CSC는 다른 실시형태에서 동작을 가능하게 하기 위해 모터의 인덕턴스를 이용하는 입력 필터와 함께 선택적으로 동작할 수 있는 3상 전류 소스 컨버터(CSC) 프론트 엔드(front end)이다. 전력트레인 구성 요소는 CSC에 가변 역기전력 및 직렬 인덕턴스를 제공한다. CSC의 상부 스위치와 하부 스위치는 일부 실시형태에서 AC 그리드와 교환되는 유효 전력과 무효 전력이 모두 별개로 제어되도록 구성될 수 있다. CSC는 에너지 저장부의 합이 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 작을 때 AC 그리드와 제1 또는 제2 에너지 저장부 간에 전력을 교환할 수 있도록 전압 버킹(voltage bucking) 기능을 제공할 수 있다.
통합 충전기를 구현하기 위한 전력트레인 자기 부품을 이렇게 재사용하면 다음과 같은 세 가지 이점을 제공할 수 있는 데, 즉 1) 충전기에 상당한 무게와 부피를 추가할 수 있는 추가 자기 부품이 필요치 않고; 2) 모터 냉각 시스템이 자기 부품을 냉각하는 데 활용될 수 있고; 3) 모터 냉각 시스템을 전력 전자 디바이스를 냉각하기 위해 CSC 프론트 엔드와 공유할 수 있다.
에너지 저장 요소는 특정 유형으로 제한되지 않으며, 에너지 저장 요소도 동일한 유형일 것을 요구하지 않는다. 에너지 저장 요소의 일부 예로는 배터리, 연료 전지 및 슈퍼 커패시터를 포함한다. 일 실시형태에서, 하나의 에너지 저장 요소는 배터리 유형일 수 있고, 다른 에너지 저장 요소는 슈퍼 커패시터 유형일 수 있다. 일 실시형태에서 요소의 특정 배열로 인해, 컨버터는 충전 모드와 V2G 모드 모두 동안 3-포트 컨버터로 동작한다. 3개의 포트 각각에 대한 기전력은 1) 에너지 저장 요소 1; 2) 에너지 저장 요소 2; 3) 정류된 AC 그리드 전압이다.
일 실시형태에서, 인버터를 통해 모터의 양측에 연결된 2개의 독립적인 에너지 저장 요소는 충전 모드 및 자동차-그리드 모드 동안 전기적으로 직렬로 연결된다. 기전력을 직렬로 연결하는 능력은 전력트레인이 더 높은 dc 링크 전압을 실현할 수 있어 전체 효율이 향상되고 충전 전력 기능이 증가하므로 매우 유리하다.
프론트 엔드를 위한 CSC를 사용하는 다른 장점은, CSC의 스위치의 고유한 양방향 차단 기능으로 인해, 에너지 저장 요소의 충전 전류가 충전 상태 및 공칭 에너지 저장 요소 전압에 관계 없이 제어될 수 있다는 것이다. CSC는 또한 AC 그리드 결함(예를 들어, AC 단락) 시 에너지 저장 요소를 보호하는 것을 보장하는 결함 차단 기능을 특징으로 할 수 있다. AC 그리드는 선택적으로 입력 필터를 통해 CSC에 결합될 수 있으며, 입력 필터는 AC 그리드로 유입되는, 전기 전력트레인에 의해 생성된 고조파 전류를 필터링하도록 구성된다.
차동적으로 연결된 이중 인버터 구동부에 의해 제공되는 가변 역 기전력과 함께 CSC 프론트 엔드의 구조는 충전을 위한 벅-부스트(buck-boost) 동작을 가능하게 하며, 이는 또한 매우 유리하다. 벅 모드에서, CSC 프론트 엔드는 그리드 전압을 단계적으로 낮추고; 부스트 모드에서 이중 인버터 구동부는 그리드 전압을 단계적으로 높인다.
충전기는 CSC와 이중 인버터 구동부 사이의 극성 반전 회로를 사용하여 충전 모드와 자동차-그리드 모드 간에 전환된다. 극성 반전 회로의 역할은 이중 인버터 구동부에 의해 생성된 DC측 역기전력의 극성을 반전시키는 것이다. 극성 반전 회로는 선택 사항이며 일부 실시형태에만 포함된다는 것이 주목된다. 예를 들어, V2G 동작이 필요치 않은 경우 극성 반전 회로가 필요치 않다. 극성 반전 회로는, 극성 반전 회로가 양의 CSC DC 단자와 음의 CSC DC 단자에서 CSC에 결합되고, 극성 반전 회로가 양의 VSC1 DC 단자에서 상부 충전 스테이지에 결합되고, 음의 VSC2 DC 단자에서 하부 충전 스테이지에 결합되도록, CSC와 상부 충전 스테이지 및 하부 충전 스테이지 사이에 결합될 수 있다. 극성 반전 회로는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차가 AC 그리드에 전력을 공급할 수 있도록 이중 인버터 구동부에 의해 제공된 역기전력의 극성을 반전시킨다.
제1 변형에서, 극성 반전 회로는 음의 VSC1 DC 단자에서 상부 충전 스테이지에 결합되고, 양의 VSC2 DC 단자에서 하부 충전 스테이지에 결합되고, CSC를 이중 인버터 구동부에 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 제1 상태는 양의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 양의 CSC DC 단자와 음의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 양의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제1 상태에서, 전력은 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차로 보내지고, 제2 상태에서, 전력은 AC 그리드로 보내진다.
제2 변형에서, 극성 반전 회로는 CSC를 이중 인버터 구동부에 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 제1 상태는 양의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 양의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고; 제1 상태에서, 전력은 자동차로 보내지고, 제2 상태에서, 전력은 그리드로 보내진다.
제1 변형 또는 제2 변형에서, 극성 반전 회로는 쌍극 단투형(double pole single throw type)의 기계식 스위치 또는 쌍극 쌍투형(double pole double throw type)의 스위치를 포함할 수 있다. 제1 변형 또는 제2 변형에서, 극성 반전 회로는 대안적으로 적어도 4개의 반도체 스위치로 구성될 수 있고, 적어도 4개의 반도체 스위치의 각 스위치는 하나의 CSC DC 단자를 하나의 VSC DC 단자에 결합시킨다.
제3 변형에서, CSC의 각 위상은 2개의 스위치, 즉 위상에 대응하는 상부 스위치 및 위상에 대응하는 하부 스위치와 연관되고, 위상에 대응하는 상부 스위치와 하부 스위치 각각은 액세스 가능한 중간 지점을 갖는 제1 및 제2 직렬 연결된 서브스위치를 포함하고, 제1 서브스위치는 양의 전압 차단 기능을 제공하고, 제2 서브스위치는 음의 전압 차단 기능을 제공하고; 극성 반전 회로는 제1 3상 스위치 네트워크와 제2 3상 스위치 네트워크를 포함하며, 3상 스위치 네트워크 각각은 적어도 4개의 스위치, 각 위상에 대한 3개의 스위치 및 제어 가능한 하나의 마스터 스위치를 포함하고; 양의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자는 전기적으로 결합되고, 음의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자는 전기적으로 결합되고; 제1 3상 스위치 네트워크는 3개의 상부 서브스위치의 중간 지점을 이중 인버터 구동부에 결합시키고; 제2 3상 스위치 네트워크는 3개의 하부 서브스위치의 중간 지점을 이중 인버터 구동부에 결합시키고; 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 제1 상태에서, 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 오프 상태로 제어되고, 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 비활성 상태이고; 제2 상태에서, 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 온 상태로 제어되고, 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 활성 상태이다.
이 변형에서, 제1 상태에서 전력은 자동차로 보내지고; 제2 상태에서 전력은 AC 그리드로 보내진다. 제1 3상 스위치 네트워크는 음의 VSC1 DC 단자에 결합될 수 있고, 제2 3상 스위치 네트워크는 양의 VSC2 DC 단자에 결합될 수 있다. 추가 변형에서, 제1 3상 스위치 네트워크는 음의 VSC2 DC 단자에 결합되고, 제2 3상 스위치 네트워크는 양의 VSC1 DC 단자에 결합된다.
다른 실시형태에서, 제1 전압 소스 컨버터의 3개 이상의 위상의 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하고, 제2 전압 소스 컨버터의 3개 이상의 위상의 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하여, 제1 또는 제2 에너지 저장부로의 피크 전류 리플을 감소시킬 수 있도록 구성된 제어기가 제공된다.
다른 실시형태에서, 제어기는 동일한 모터 권선에 결합된 제1 및 제2 전압 소스 컨버터 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하여, 권선 전류에서 피크 전류 리플을 감소시키도록 구성된다.
다른 실시형태에서, 제어기는, 모터 권선 전류가 DC이고 모터 권선 전류 각각이 동일한 DC 값인 것을 보장하여, 개방형 권선 모터에서 토크가 생성되지 않도록 구성된다.
다른 실시형태에서, 제어기는 2개의 에너지 저장 디바이스가 상이한 전압에 있을 때와 같이 제1 에너지 저장부와 제2 에너지 저장부에 상이한 전력을 전달하도록 구성되고, 제어기는 제2 VSC의 하부 스위치의 듀티 사이클에 대해 제1 VSC의 상부 스위치의 상대적 듀티 사이클을 조정함으로써 상이한 전력을 제공하도록 구성된다.
대응하는 방법, 공정, 제어기 회로(예를 들어, 게이트 제어 회로) 및 비-일시적인 기계 판독 가능 매체(프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 방법 단계를 수행하게 하는 명령어 세트를 저장하는 매체)가 고려된다. 비-일시적인 기계 판독 가능 매체는 또한 스위치로 전송될 때 스위치의 대응하는 동작을 유발하는 게이트 제어 시퀀스를 저장할 수 있다.
다양한 실시형태에서 설명된 전력트레인을 포함하는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차가 고려된다. 유사하게, 다른 전력트레인 구성 요소에 결합하도록 구성된 독립형 CSC 뿐만 아니라 다른 전력트레인 구성 요소(예를 들어, CSC)에 결합하도록 구성된 독립형 전력 반전 회로도 고려된다.
도 1은 DC 링크가 인덕터와 역기전력 소스로 구성된, 종래의 전류 소스 컨버터를 나타낸다.
도 2는 일부 실시형태의 하이레벨 블록도이다. 토폴로지는 (왼쪽에서 오른쪽으로) 다음 요소, 즉 선택 사항인 인터페이스 전력 변압기, 입력 AC 필터, 전류 소스 컨버터 프론트 엔드, 전력 방향을 반전하기 위한 선택 사항인 극성 반전 모듈, 2개의 독립적인 에너지 저장 요소, 및 모터가 개방형 권선 구성을 갖는 이중 인버터 구동부를 포함한다.
도 3은 도 2의 보다 상세한 표현을 도시하며; 여기에 전류 소스 컨버터, 극성 반전 모듈, 개방형 권선 모터 및 구동부 인버터가 자세히 제시되었다.
도 4는 극성 반전 모듈의 일 실시형태를 나타낸다.
도 5는 극성 반전 모듈의 제2 실시형태를 나타낸다.
도 6은 극성 반전 모듈의 제3 실시형태를 나타낸다.
도 7은 극성 반전 모듈의 제4 및 바람직한 실시형태를 나타낸다.
도 8은 도 3에 제시된 실시형태의 보다 구체적인 실시형태를 나타낸다.
도 9는 일부 실시형태에 따른 예시적인 극성 반전 모듈이다.
도 10은 일부 실시형태에 따른 다른 예시적인 극성 반전 모듈이다.
도 11은 일부 실시형태에 따라 도 9의 극성 반전 모듈의 예시적인 실시형태이다.
도 12는 충전 모드 및 자동차-그리드 모드를 위한 3-포트 전기 전력트레인의 전기 입력, 제어 입력 및 출력에 대한 하이레벨 다이어그램을 제공한다. 여기에 제어 입력이 있고 여기에 출력이 있는 것이 하이 레벨로 설명된다.
도 13은 바람직한 실시형태의 하나의 가능한 구현을 상세히 설명하는 일 실시형태를 나타낸다.
도 14는 충전 모드 동안 통합 충전기의 DC측 모델을 보여준다.
도 15는 케이스 1에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고, 케이스 1에서 자동차는 일부 실시형태에 따라 600V 3상 AC 그리드로부터 1의 역률로 60kW로 충전된다. 에너지 저장 요소의 단자 전압은 각각 300V이다.
도 16은 일부 실시형태에 따라 케이스 2에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 케이스 2에서 자동차는 600V 3상 그리드로부터 1의 역률로 60kW로 충전된다. 에너지 저장 요소는 각각 325V 및 300V이다. 정상 상태 동안 에너지 저장 요소 2는 낮은 충전 상태에 있으며, 듀티 비(duty ratio)를 1로 설정하여 회로에 유지된다. 에너지 저장 요소 1은 높은 충전 상태에 있으며, 동일한 전력이 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2에 전달되도록 변조된다.
도 17은 일부 실시형태에 따라 케이스 3에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 케이스 3에서 자동차는 600V 3상 AC 그리드로부터 지연된 0.95의 역률로 70kW로 충전된다. 에너지 저장 요소는 각각 450V이다.
도 18은 일부 실시형태에 따라 케이스 4에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 케이스 4에서 자동차는 600V 3상 AC 그리드로부터 앞서는 0.95의 역률로 70kW로 충전된다. 에너지 저장 요소는 각각 450V이다.
도 19는 일부 실시형태에 따라 케이스 5에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 케이스 5에서 자동차는 600V 3상 그리드로부터 1의 역률로 70kW로 충전된다. 에너지 저장 요소는 각각 450V이다.
도 20은 일부 실시형태에 따라 케이스 6에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 케이스 6에서 자동차는 1의 역률로 600V 3상 그리드에 70kW의 전력을 전달한다. 에너지 저장 요소는 450V이다.
도 21은 일부 실시형태에 따라 케이스 7에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 케이스 7에서 자동차는 1의 역률로 600V 3상 그리드에 70kW의 전력을 전달한다. 에너지 저장 요소는 300V이다.
도 22는 일부 실시형태에 따라 단상 AC 그리드 충전을 위한 변형을 나타낸다.
도 23은 일부 실시형태에 따라 양방향 전력 기능을 갖지 않는 변형을 나타낸다.
도 24는 일부 실시형태에 따라 이중 인버터 구동부를 갖는 자동차용 통합 3상 ac 충전기를 동작시키는 방법의 방법 다이어그램이다.
도 25는 일부 실시형태에 따라 이중 인버터 구동부를 갖는 자동차용 통합 3상 ac 충전기를 동작시키는 방법을 구현하기 위해 게이팅을 제어하는 데 사용될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 디바이스의 컴퓨팅 디바이스 다이어그램이다.
전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차는 유해한 물질의 배출을 감소시키는 것으로 인해 종래의 연소 엔진 자동차에 비해 바람직하다. 가솔린이나 디젤을 사용하는 연소 엔진은 잠재적으로 기후 변화에 기여하는 메탄, 아산화질소와 같은 다른 유해한 배출물 중에서도 많은 양의 이산화탄소를 배출할 수 있다. 전기 하이브리드 엔진은 잠재적으로 가솔린/디젤 및 내부에 저장된 전기 전력을 모두 사용하도록 개조될 수 있다.
DC 소스로부터의 전기 그리드를 충전하는 것은 AC 그리드 인프라에 의해 충전하는 것에 비해 더 간단한 접근법이지만 항상 이용 가능한 것은 아니다. AC 그리드 인프라는 더 쉽게 이용 가능하지만 변환 접근법은 일반적으로 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에 사용하기 전에 AC/DC 변환을 위한 비싸거나 번거로운 인프라 요소를 요구하였다. 예를 들어, AC/DC 변환 스테이지는 특정 상황에서 자기 구성 요소를 이용하여 전력 흐름/에너지 전달의 효율을 개선하는 추가 정류기 회로에 의해 수행될 수 있다.
충전을 위한 AC 그리드 인프라의 일례는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차를 주차하고 충전할 케이블을 꽂는 데 이용할 수 있는 많은 스톨이 존재하는 슈퍼 충전소를 포함할 수 있다. 이러한 슈퍼 충전소는 연소 엔진 자동차용 종래의 가솔린 펌프만큼 잘 분배되어 있지 않고, 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 운행 거리가 일반적으로 가솔린 또는 디젤의 연료를 가득 채운 탱크를 갖는 내연 엔진 자동차의 운행 거리보다 작기 때문에 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차의 실용성을 심각하게 제한할 수 있다.
AC/DC 변환 스테이지는 (예를 들어, 전기 자동차 충전소의 모든 AC 그리드 인터페이스에서 요구하는 경우) 인프라 복잡성을 추가하고, 자기 구성 요소(예를 들어, 인덕터, 커패시터)는 모두 번거롭고(예를 들어, 이들 구성 요소는 충전소에서 제한된 공간을 차지하고 무거움) 비싸다(예를 들어, 추가 인덕터는 특히 비쌀 수 있음). 현재 전기 자동차 충전소의 비용 및 공간 요구 사항이 높기 때문에(예를 들어, 스톨 수의 제한) 전기 자동차 충전소의 이용 가능성이 부족하여 전기 자동차의 채택이 제한된다. 충전할 자동차 수보다 스톨이 적기 때문에 전기 자동차 충전소 또는 대기열 사이의 거리가 멀수록 전기 자동차의 주행 거리는 제한되어 있기 때문에 전기 자동차의 실용성에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
도 1은 DC 링크가 인덕터와 역기전력 소스로 구성된, 종래의 전류 소스 컨버터(100)를 나타낸다. 이 토폴로지를 사용하면 3상 AC 그리드로부터 배터리와 같은 에너지 저장 요소를 충전할 수 있다.
전기 자동차(EV)용으로 사용하는 것을 고려할 때 이 솔루션의 단점은 외부 전력 인덕터(Ldc)(102)가 충전기에 상당한 비용, 부피 및 무게를 추가한다는 것이다. 또한 이 토폴로지는 V2G 동작 모드에 필요한 전력 방향을 반전시키는 데 필요한 기전력 소스의 극성을 반전시키는 방법을 다루지 않는다.
문헌(Y. Han, M. Ranjram, and P. W. Lehn, "A bidirectional multi-port dc-dc converter with reduced filter requirements," in 2015 IEEE 16th workshop on control and modeling for power electronics (compel), 2015, pp. 1-6 [Han])에서, 3개의 독립적인 DC 포트 사이에 전력 교환을 허용하는 3-포트 DC/DC 컨버터 구조가 설명된다. EV용의 경우 이 구조는 DC 링크와 2개의 독립적인 에너지 저장 소스 사이에 전력을 관리하는 데 사용될 수 있다.
문헌(R. Shi, S. Semsar, and P. W. Lehn, "Constant current fast charging of electric vehicles via a DC grid using a dual-inverter drive," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 9, pp. 6940-6949, Sept 2017)에서, 통합 충전 기능을 갖는 전기 전력트레인이 설명된다. 이 토폴로지는 Han 문헌의 구조를 사용하지만 EV의 전력트레인 구성 요소를 통합하여 사용한다. 이 토폴로지는 추가 자기 부품 없이 빠른 온보드 충전을 허용한다. 그러나 충전기는 DC 그리드 충전용으로 제한되고, 벅-부스트 충전 기능을 갖지 않는다. 따라서 자동차의 무게, 부피 및 비용을 줄이기 위해 기존의 전력트레인 구성 요소를 재활용하는 벅-부스트 기능을 갖는 3상 AC 그리드 충전을 위한 통합 전력트레인 솔루션과는 격차가 있다.
따라서, AC 그리드(예를 들어, 다상 AC 그리드)로부터 충전하기 위해 개선된 접근법이 바람직하다. 제안된 접근법은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 실용성을 개선하여 환경 영향을 해결하거나 완화하는 데 도움이 될 수 있는 환경적 (친환경) 기술과 관련된 개선된 회로 토폴로지(및 비-일시적인 기계 판독 가능 매체에 저장된 대응하는 회로, 방법 및 기계 명령어 세트)이다. 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 실용성이 향상됨에 따라 연소 엔진에 대한 의존도를 줄여 자연 환경과 석유/가스 자원을 보존하는데 도움을 줄 수 있다.
바람직한 실시형태의 주요 요소가 도 2에 제시되어 있다. 전기 모터의 자기 구성 요소는 사용하지 않을 때 AC/DC 변환에 활용될 수 있다. 다른 실시형태도 또한 고려된다.
모듈이라는 용어가 이 설명에서 사용될 수 있고, 다양한 실시형태에서 다른 것들 중에서 특히 인터페이스 단자, 전기 경로(예를 들어, 와이어), 전기 노드, 저항기, 반도체, 스위치, 에너지 저장 요소, 무효 전력 요소 등과 같은 물리적 구성 요소를 포함하는 물리적 전기 회로를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 블록 회로도(200)에서, AC 그리드(202) 및 선택 사항인 변압기(204)는 입력 필터(206)를 통해 온보드 전력트레인에 연결된다. 온보드 전력트레인은 전류 소스 컨버터(208) 및 선택 사항인 극성 반전 모듈(210)을 포함하고, 극성 반전 모듈은 하나의 전압 소스 컨버터(214A, 214B)를 통해 모터(216)에 연결된 2개의 에너지 저장 요소(212A, 212B)에 연결된다.
전류 소스 컨버터(208)는, AC/DC 변환 스테이지로 동작하고, 모터(216)에 걸쳐 (예를 들어, 모터 권선에 걸쳐) 연결된 2개의 충전 스테이지(예를 들어, 상부 충전 스테이지와 하부 충전 스테이지)를 갖는 이중 인버터 구동 시스템에 결합되는 회로이다. 이중 인버터 구동 시스템은 모터(216) 자체를 통해 연결되기 때문에, 모터의 자기 부품이 AC/DC를 변환하는 데 사용되고, 이에 AC/DC 변환을 위해 잠재적으로 덜 번거롭고 비용이 적게 드는 접근법을 제공한다. 이들 각 스테이지는 에너지 저장부와 전압 소스 컨버터를 갖는다.
예를 들어, 상부 충전 스테이지는 제1 에너지 저장부와 제1 전압 소스 컨버터(VSC1)를 갖는다. 하부 충전 스테이지는 제2 에너지 저장부와 제2 전압 소스 컨버터(VSC2)를 갖는다. 이중 인버터 구동부는 에너지 저장 전압의 합이 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 클 때 AC 그리드와 제1 또는 제2 에너지 저장 요소(등가적으로 에너지 저장부라고 함) 사이에 전력을 교환할 수 있도록 전압 부스팅 기능을 제공하도록 구성될 수 있다
본 명세서에서 견인 인버터 1은 전압 소스 컨버터 1 또는 VSC1과 상호 교한 가능하게 사용된다.
본 명세서에서 견인 인버터 2는 전압 소스 컨버터 2 또는 VSC2라는 용어와 상호 교한 가능하게 사용된다.
모터(216)는 제1 전압 소스 컨버터와 제2 전압 소스 컨버터 사이에 결합된 개방형 권선 모터(예를 들어, 운동에 사용될 수 있는 모터)일 수 있고, 개방형 권선 모터는 3개 이상의 모터 권선을 갖는다. 이들 권선 각각은 제1 전압 소스 컨버터와 제2 전압 소스 컨버터 각각의 대응하는 AC 단자에 결합된다.
일 실시형태는 도 3에 상세히 회로도(300)로 도시된다. 극성 반전 모듈의 4개의 별개의 실시형태가 부분 회로도(400, 500, 600 및 700)에 각각 도시된, 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7에 제시되어 있다. 도 23은 극성 반전 모듈이 존재하지 않는 일 실시형태를 도시한다.
자동차에 탑재된 전기 전력트레인 요소가 도 3에 도시되어 있다. 일부 실시형태에서, 전기 전력트레인 회로는 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 구성 요소로서 제공되고, 예를 들어, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 모터가 운동에 사용되지 않는 경우 AC 그리드 인터페이스가 이용 가능한 AC/DC 변환 스테이지를 갖지 않는 경우에도, 예를 들어, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차가 3상 AC 그리드 인터페이스에 직접 연결될 수 있도록 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차 상에 또는 내에 (예를 들어, 모터 및 에너지 저장 디바이스에 직접 결합된 회로로서) 존재할 수 있다. 운동 상태와 에너지 흐름 상태 사이에서 개방형 권선 모터의 동작을 토글하도록 구성된 추가 제어기 회로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 섀시는 전기 전력트레인 회로의 하우징으로 사용될 수 있다.
온보드 요소는 3상 AC 입력 필터(302), 3상 CSC(304), 극성 반전 모듈(306), 2개의 에너지 저장 요소(308, 310) 및 이중 인버터 구동부(312)로 구성된다. 이중 인버터 구동부는 2개의 전압 소스 컨버터와 개방형 권선 모터를 특징으로 한다.
먼저, 일 실시형태의 주요 요소가 설명된다. 이어서 다양한 실시형태를 동작시키는 수단에 대한 설명이 이어진다. 마지막으로, 다양한 대표적인 동작 지점에 대한 전기 전력트레인의 동작을 설명하는 시뮬레이션 케이스가 제시된다.
3상 또는 단상 AC 그리드에 대한 인터페이스
전기 전력트레인은 다양한 실시형태(모든 실시형태가 반드시 V2G 서비스를 제공하는 것은 아님)에 따라 충전되고 3상 AC 및 단상 AC 그리드에 모두 V2G 서비스를 제공할 수 있다. AC 그리드로부터 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로 단방향 충전하는 것이 일부 실시형태에서 고려된다. 대안적으로, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차로부터 AC 그리드로 단방향 충전하는 것도 다른 실시형태에서 고려된다.
자동차와 AC 그리드 사이의 변압기는 절연에 관한 현지 규정 및/또는 AC 그리드 연결 전압의 단계적 낮춤 또는 단계적 높임이 필요한지 여부에 따라 요구될 수 있다.
본 명세서에서 "AC 그리드"라는 용어는 일반적인 AC 네트워크를 지칭하기 위해 사용된다. 따라서, 이러한 맥락에서 AC 그리드는 전기 그리드에 국한되지 않고 다른 유형의 AC 네트워크 연결도 포함한다. V2G 충전은 예를 들어 긴급 상황이나 그리드가 절연되고 원격(예를 들어, 시골 그리드)인 상황에서 유용하다. 또한 그리드 에너지 가격에 따라 그리드에 에너지를 제공하는 것이 경제적으로 유리할 수 있다.
3상 입력 필터
3상 AC 입력 필터(302)는 AC 그리드와 전류 소스 컨버터(304) 사이에 위치된다. 입력 필터(302)의 역할은 AC 그리드로 들어가는, 전류 소스 컨버터 프론트 엔드에 의해 생성된 전류 고조파를 감쇠시키는 것이다. 이 감쇠는 일반적으로 충전 또는 V2G 모드에서 디바이스를 동작시키는 동안 현지 고조파 표준을 준수하기 위해 필요하다. 입력 필터(302)는 수동형 또는 능동형을 포함하여 다수의 방식으로 실현될 수 있다. 추가적으로, 입력 필터(302)는 자동차 외부에 위치될 수 있고/있거나 입력 필터는 도 3에 도시된 바와 같이 변압기와 자동차 사이에 있는 것이 아니라 AC-그리드와 변압기 사이에 위치될 수 있다.
전류 소스 컨버터 프론트 엔드
전류 소스 컨버터(CSC)(304)는 양 및 음의 DC 단자를 가지며; 여기서 양 및 음의 DC 단자는 제1 VSC(314)의 양의 DC 단자 및 제2 VSC(316)의 음의 DC 단자에 연결된다.
CSC의 3개의 AC 단자는 고조파 필터링을 제공하는 선택 사항인 입력 필터를 통해 AC 네트워크에 연결된다.
전류 소스 컨버터 프론트 엔드(CSC)(304)는 저역 통과 AC 필터에 걸친 라인측 전압을 CSC의 DC 측에 DC 성분을 갖는 전압으로 변환함으로써 기능한다. 이 변환은 CSC(304)의 스위치를 게이팅하는 것을 통해 실현된다.
이 DC측 전압은 CSC(304)의 DC 측에 DC 성분을 사용하여 단방향 전류를 구동한다. DC측 전압을 생성하는, 스위치의 게이팅은 3상 AC측 전류를 DC측 전류로 변환한다. 게이팅 신호를 제어하면 CSC(304)는 예를 들어 충전 모드 또는 V2G 모드에 있을 때 AC 그리드와 교환되는 유효 전력 및 무효 전력과 같은 양을 제어할 수 있다.
CSC 304는 또한 고유하게 내결함성이 있어 AC 그리드에 결함이 발생 시 에너지 저장 요소를 보호하는 것을 보장한다.
CSC(304)는 제1 회로 레그, 제2 회로 레그 및 제3 회로 레그를 포함한다. 각각의 회로 레그는 3개의 CSC AC 위상 단자의 대응하는 CSC AC 위상 단자에 대응하며, 적어도 하나의 상부 스위치와 적어도 하나의 하부 스위치를 갖는다. 이들 상부 스위치는 대응하는 CSC AC 위상 단자와 양의 CSC DC 단자에 각각 결합된다. 이들 하부 스위치는 대응하는 CSC AC 위상 단자와 음의 CSC DC 단자에 각각 결합된다.
상부 스위치와 하부 스위치 각각은 게이트 제어 신호에 의해 제어되고, 단 하나의 상부 스위치만이 온 상태에 있을 때, 이 스위치는 3개의 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도하고, 단 하나의 하부 스위치만이 동작할 때, 이 스위치는 3개의 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도한다. 이들 게이트 제어 신호는 동작을 가능하게 하기 위해 모터의 인덕턴스를 이용하여 AC 그리드와 전기 자동차/하이브리드 전기 자동차 사이의 에너지 흐름을 제어한다.
전력트레인 구성 요소는 CSC에 가변 역기전력 및 직렬 인덕턴스를 제공한다. CSC의 상부 스위치와 하부 스위치는 일부 실시형태에서 AC 그리드와 교환되는 유효 전력과 무효 전력이 모두 별개로 제어되도록 구성될 수 있다. CSC는 에너지 저장 전압의 합이 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 작을 때 AC 그리드와 제1 또는 제2 에너지 저장부 사이에 전력을 교환할 수 있도록 전압 버킹 기능을 제공한다.
인버터를 통해 모터의 양측에 연결된 2개의 독립적인 에너지 저장 요소는 충전 모드와 자동차-그리드 모드를 위해 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 기전력을 직렬로 연결하는 능력은 전력트레인이 더 높은 dc 링크 전압을 실현할 수 있어서 전체 효율이 향상되고 충전 전력 능력이 증가한다는 점에서 매우 유리하다. 프론트 엔드에 CSC를 사용하는 다른 장점은, CSC의 스위치의 고유한 양방향 차단 기능으로 인해, 에너지 저장 요소의 충전 전류가 충전 상태 및 공칭 에너지 저장 요소 전압에 관계없이 제어될 수 있다는 것이다. CSC는 또한 결함 차단 기능을 제공하여, AC 그리드에 결함(예를 들어, AC 단락)이 발생 시 에너지 저장 요소를 보호하는 것을 보장한다. AC 그리드는 입력 필터를 통해 CSC에 선택적으로 결합될 수 있으며, 입력 필터는 AC 그리드로 유입되는, 전기 전력트레인에 의해 생성된 고조파 전류를 필터링하도록 구성된다.
차동적으로 연결된 이중 인버터 구동부에 의해 제공되는 가변 역기전력과 함께 CSC(304) 프론트 엔드의 구조는 충전을 위해 벅-부스트 동작을 허용하며 이는 또한 매우 유리하다. 벅 모드에서 CSC 프론트 엔드는 그리드 전압을 단계적으로 낮추고; 부스트 모드에서 이중 인버터 구동부는 그리드 전압을 단계적으로 높인다.
예시적인 실시형태에서, CSC(304)는 도 3에 Sa1, Sa2, Sb1, Sb2, Sc1 및 Sc2로 표시된 6개의 스위치로 구성된다.
CSC(304)의 각 레그는 2개의 스위치, 즉 레그의 상부 아암에 있는 스위치 및 레그의 하부 아암에 있는 스위치를 포함한다. 아암은 DC 단자와 AC 위상 단자 사이의 경로로서 정의된다. 레그 또는 CSC 위상은 CSC의 2개의 DC-단자 사이(즉, CSCp와 CSCn 사이)의 경로로서 정의된다.
예시적인 실시형태에서, 각 스위치는 바이폴라 전압 차단 기능 및 단방향 전류 전도 기능을 필요로 할 수 있다. 능동 및 수동 반도체 스위치의 조합이 바람직한 실시형태에서 CSC(304)를 실현하는 데 사용될 수 있다.
CSC의 스위치가 바이폴라 전압 차단 기능을 갖는 경우 AC 그리드와 교환되는 유효 전력과 무효 전력을 별개로 제어할 수 있다.
CSC는 전압 버킹 기능을 제공한다. 이를 통해 에너지 저장 요소 전압의 합이 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 작을 때 그리드와 에너지 저장 요소 사이에 전력을 교환할 수 있다.
CSC의 DC 링크 전류는 일부 실시형태에서 충전 모드와 V2G 모드에서 모두 단방향이다. 도 7의 극성 반전 모듈을 갖는 디바이스의 일 실시형태에서, 충전 모드 동안 DC 링크 전류는 CSCp 단자로부터 CSCn 단자로 흐르는 전류이다.
도 7의 극성 반전 모듈(700)을 갖는 디바이스의 일 실시형태에서, V2G 모드 동안 DC 링크 전류는 ES1n 단자로부터 ES2p 단자로 흐르는 전류이다. 도 4, 도 5 및 도 6의 극성 반전 모듈(400, 500, 600)에서, 충전 모드와 방전 모드 동안 DC 링크 전류는 CSCp 단자로부터 CSCn 단자로 흐르는 전류이다.
단 하나의 상부 및 단 하나의 하부 CSC 스위치만이 활성 상태일 때 상부 스위치로 흐르는 전류는 DC 링크 전류와 동일하고, 하부 스위치로 흐르는 전류는 DC 링크 전류와 동일하다. DC 링크 전류는 모터 권선 전류의 합과 같다. 이것은 수학적으로 다음과 같이 표현될 수 있다:
idc = iw+iv+iu
CSC의 상부 스위치와 하부 스위치의 상태를 제어함으로써 원하는 CSC 동작을 얻을 수 있다.
전류 소스 컨버터의 일부 실시형태에서, 단 하나의 상부 스위치와 단 하나의 하부 스위치만이 활성 상태인 9개의 상태가 있다. 이들 상태는 9개의 CSC 상태 각각에 대한 CSC 입력에서 결과 위상 전류(ita, itb 및 itc)와 함께 다음 표에 요약되어 있다.
Figure pct00001
위의 표에서 볼 수 있듯이, 이상적인 조건에서 CSC의 입력에서 위상 전류는 스위치 상태에 따라 0, idc 또는 -idc(여기서, idc는 dc 링크 전류임)의 3개의 값을 가질 수 있다.
CSC를 제어하기 위한 하나의 접근법은 변조 기술 또는 SVPWM과 함께 공간 벡터 펄스를 사용하는 것이다. 이것은 일부 실시형태의 CSC를 제어하는 데 사용될 수 있는 많은 기술 중 단지 일례일 뿐이다. SVPWM 기술을 사용하면 각각의 스위칭 기간에 CSC는 지정된 지속 시간 동안 하나씩 9개의 상태 중 3개의 상태를 겪게 된다. 다음 단락에서, 일부 실시형태에 적용되는 SVPWM이 설명된다. 그러나 이것은 SVPWM을 구현하기 위한 단 하나의 제어 방법과 단 하나의 접근법일 뿐이다.
이 접근법에서, 제어되는 것은 그리드 전류의 양의 시퀀스 성분이다. 양의 시퀀스 전류 기준은 다음과 같이 표현될 수 있는 정현파 항이다:
Ip = |Ip|cos(θ)
여기서 Ip는 그리드 기준 전류이며, 여기서 |Ip|는 기준의 크기이고, θ는 그리드 기준 전류의 위상각이다. 제어 목표에 따라 기준 전류를 결정하는 방식은 여러 가지가 있다. 예를 들어 그리드로부터 특정 유효 전력과 무효 전력을 끌어내기를 원하는 경우 Ip는 다음과 같이 근사될 수 있다:
Ip =(P+jQ)*/sqrt(3)/Vg+*
여기서 "*"는 복소 공액을 나타내고, Vg+는 양의 시퀀스 그리드 전압 성분이다.
그러나 기준 전류를 변조 지수 및 위상각 항으로 재표현하는 것이 편리하다. 결과는 다음과 같다:
mi = |Ip|/Idc
θ = θv + θref
일부 실시형태에서, mi는 대략 0 내지 1의 범위이고 θ는 대략 -180도 내지 + 180도 또는 동등하게 0도 내지 360도의 범위이다.
양의 시퀀스 그리드 전압 위상각(θv)을 측정하기 위한 다양한 접근법이 있다. 이러한 접근법의 하나의 예는 위상 동기 루프(Phase Lock Loop: PLL)를 사용하는 것이다.
CSC는 스위칭 기간당 3개의 상태를 겪는다. CSC가 겪는 3개의 상태의 세트는 현재 기준 각도(θ)에 따라 달라진다. 3개의 상태의 총 6개의 상이한 세트가 있다. CSC가 스위칭 기간에 걸쳐 동일한 3개의 상태를 특징으로 하는 θ 값의 범위는 본 명세서에서 구역이라고 언급된다.
구역과 이에 대응하는 CSC 상태는 아래 표에 요약되어 있다:
Figure pct00002
여기서, 상태 i, 상태 ii 및 상태 iii은 이 특정 구역에 대한 CSC의 3개의 상태를 나타낸다. 이들 상태는 이전 표에 정의되어 있다. 예를 들어, 구역 4에 대응하는 3개의 상태는 상태(8, 9 및 3)이다. 상태 i, 상태 ii 및 상태 iii에 대한 체류 시간(각각 Ti, Tii 및 Tiii)은 다음 수식으로 근사될 수 있다:
Ti = mi *sin(30deg-(θ-z*60))
Tii = mi *sin(30deg+(θ-z*60))
Tiii = 1-Ti-Tii
여기서, z는 특정 구역을 나타낸다.
스위칭 기간당 3개의 상이한 컨버터 상태를 야기하기 위해, 일부 실시형태에서 5개의 고유한 게이팅 신호가 사용되며, 이는 CSC의 6개의 스위치에 분배된다.
5개의 고유한 게이팅 신호는 다음 표에 설명된다:
Figure pct00003
참고로, t = 0은 스위칭 기간의 시작을 나타내고; t = Ts는 스위칭 기간의 끝을 나타낸다.
여기서, 예를 들어, G1은 t = Ti 내지 Ts까지의 로우 값(또는 동등하게 오프 상태)에 대응하고; G1은 t = 0 내지 Ti까지의 하이 값(또는 동등하게 온 상태)에 대응한다. Ts는 스위칭 기간을 나타낸다는 것이 주목된다.
5개의 게이팅 신호는 동작 구역에 따라 CSC 스위치에 분배된다. 동작 구역에 대한 게이팅 신호의 분포는 다음 표에 요약된다:
Figure pct00004
위의 내용은 CSC에 대한 제어 구현의 일례일 뿐이므로 다른 유형의 제어도 적용될 수 있다는 것이 주목된다.
이 컨버터를 위해 버킹을 수행하는 것은 CSC이다. 일부 실시형태에서, 특히 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압이 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2의 전압의 총 합보다 큰 경우에 버킹이 필요하다. 일부 실시형태에서 버킹은 변조 지수(mi)를 조정함으로써 수행된다.
이 경우 변조 지수(mi)를 조정함으로써 에너지 저장 요소에 전달되는 전력을 제어할 수 있다. 이 경우 변조 지수를 줄임으로써 에너지 저장 요소로의 전력이 감소하고, 변조 지수를 증가시킴으로써 에너지 저장 요소로의 전력이 증가한다. 다음은 dc 링크 전류에 대한 대략적인 표현이다:
Figure pct00005
여기서, R은 dc 회로의 등가 저항이고, Vd는 이중 인버터 구동부에서 제공하는 역기전력 전압이다.
따라서, mi를 줄임으로써 dc 링크 전류(Idc)가 감소한다. 벅 모드에서 Vd를 최대화함으로써 예를 들어 자동차에 전달될 고정된 전력량에 대해 dc 링크 전류가 최소화된다.
따라서 일부 실시형태에서, 벅 모드 충전 동안 이중 인버터 구동부의 역기전력 전압을 최대화하는 것이 바람직하다. 따라서 벅 모드 동안 Vd가 상대적으로 고정되어 있다면 변조 지수(mi)를 조정함으로써 교환될 전력을 제어할 수 있다. θ 항은 또한 dc 링크 전류에 영향을 주지만 그 효과는 일부 실시형태에서 변조 지수 항보다 적다는 것이 주목된다.
V2G 모드에서, AC 그리드로 전달되는 주어진 무효 전력(Q)에 대해 스트링 전류의 위상은 일부 실시형태에서 180도만큼 위상 이동된다는 것이 주목된다. 180도만큼 위상 이동되는 것은 일부 실시형태에서 세타 항(θref)을 조정함으로써 수행될 수 있다.
또한 앞에서 언급했듯이 양의 시퀀스 그리드 전류 기준(Ip = |Ip|cos(θr))은 위상각 항(θ)을 갖는다. θ를 조정함으로써 그리드(Q)로 전달되는 무효 전력을 조정할 수 있다. 여기서 Ip는 다음 수식으로 Q와 관련된다는 것이 주목된다:
Ip =(P+jQ)*/sqrt(3)/Vg+*
θr을 조정함으로써 Q 값을 조정할 수 있다.
이중 인버터 구동부 및 극성 반전 모듈
충전기는 CSC와 이중 인버터 구동부 사이의 극성 반전 회로(예를 들어, 극성 반전 모듈(306))를 사용하여 충전 모드와 자동차-그리드 모드 간에 전환된다.
극성 반전 모듈(306)의 역할은 이중 인버터 구동부에 의해 생성된 DC측 역기전력의 극성을 반전시키는 것이다. 극성 반전 모듈(306)은 선택 사항이며 일부 실시형태에서만 포함된다는 것이 주목된다.
극성 반전 모듈(306)은, 극성 반전 모듈(306)이 양의 CSC DC 단자 및 음의 CSC DC 단자에서 CSC에 결합되고, 극성 반전 모듈(306)이 양의 VSC1 DC 단자에서 상부 충전 스테이지에 결합되고, 음의 VSC2 DC 단자에서 하부 충전 스테이지에 결합되도록 CSC와 상부 충전 스테이지 및 하부 충전 스테이지 사이에 결합될 수 있다.
CSC는 역기전력 및 직렬 인덕턴스를 필요로 한다. 극성 반전 모듈(306)은 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차가 AC 그리드에 전력을 제공할 수 있도록 이중 인버터 구동부에 의해 제공되는 역기전력의 극성을 반전시키도록 구성된다.
역기전력은 CSC의 정류 전압과 함께 DC측 전류를 설정한다. 직렬 인덕턴스는 DC측 전류 리플을 감쇠시킨다. 이미 자동차에 탑재된 이중 인버터 구동부는 이러한 역기전력 및 직렬 인덕턴스를 제공한다. 도 3에 도시된 바와 같이 이중 인버터 구동부는 개방형 권선 모터(312)와 2개의 전압 소스 컨버터 또는 인버터(본 명세서에서 전압 소스 컨버터는 인버터라는 용어와 교환 가능하게 사용됨)로 구성되며, 여기서 각각의 모터 권선은 2개의 인버터에 차동적으로 연결된다. 각 인버터의 DC 단자에 걸쳐 에너지 저장 요소(308, 310)가 연결된다.
2개의 전압 소스 컨버터(VSC)는 3개 이상의 위상을 가지며; 각각의 위상은 연관된 AC 단자를 가지며; 각각의 VSC는 VSC를 하나 이상의 에너지 저장 요소에 결합시키는, 즉 견인 인버터 1을 ES1(308)에 결합시키고, 견인 인버터 2를 ES2(310)에 결합시키는, 양 및 음의 DC 단자를 갖는다.
개방형 권선 모터는 3개 이상의 모터 권선을 가지고; 각각의 모터 권선은 2개의 단자를 가지며; 여기서 하나의 모터 권선 단자는 제1 VSC(314)의 AC 단자에 연결되고, 제2 모터 권선 단자는 제2 VSC(316)의 AC 단자에 연결된다. 이 구성에서, 각각의 모터 권선은 2개의 인버터의 하나의 위상에 연결된다. 이 구성에서는 모터 권선을 인덕터로 각각 모델링할 수 있다. 인덕턴스 값은 일부 실시형태에서 각각의 모터 권선의 누설 인덕턴스 때문이다. 따라서, 동일한 모터 권선에 결합된 제1 VSC의 AC 단자와 제2 VSC의 AC 단자 사이에 누설 인덕턴스가 있다. 충전 및 V2G의 경우, 이 누설 인덕턴스는 일부 실시형태에서 전력트레인에 외부 인덕턴스를 추가할 필요가 없을 만큼 충분한 인덕턴스이다.
이중 인버터 구동부는 전압 부스팅 기능을 제공한다. 이를 통해 에너지 저장 요소 전압의 합이 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 클 때 AC 네트워크와 에너지 저장 요소 간에 전력을 교환할 수 있다.
극성 반전 모듈(306)은 인버터의 DC 단자를 CSC(304)의 DC 단자에 연결한다. 극성 반전 모듈(306)은 2개의 인버터(314, 316)에 의해 제공되는 역기전력이 충전 및 V2G 모드에 대해 동일한 극성이도록 구성된다.
극성 반전 모듈(306)은 일 실시형태에서 이중 인버터 구동부에 의해 제공되는 역기전력의 극성을 반전시킴으로써 충전 모드와 V2G 모드 간에 모드 변경을 가능하게 한다.
따라서 CSC는 V2G 동작을 가능하게 하는 극성 반전 모듈을 통해 VSC에 결합된다. V2G 동작이 필요하지 않은 경우 극성 반전 모듈을 생략할 수 있다는 것이 주목된다.
상부 및 하부 충전 스테이지 요소에 대한 설명
일 실시형태에서, 충전 스테이지의 2개의 인버터(314, 316) 각각은 6개의 스위치, 즉 3개의 상부 스위치 및 3개의 하부 스위치로 구성된다. 모터는 일부 예에서 3개의 위상을 가질 수 있다는 것이 주목된다. 각 스위치는 양방향 전류 전도 기능과 단극 전압 차단 기능을 요구한다. 구현의 일례는 역병렬 다이오드를 갖는 IGBT이다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 에너지 저장 요소와 극성 반전 모듈은 모두 인버터(314, 316)의 DC 커패시터에 병렬로 연결된다. 이들 에너지 저장 요소는 독립적이며 다른 유형 및 충전 상태일 수 있다(또는 동일한 것일 수 있다).
예를 들어, 에너지 저장 요소 1(308)은 배터리 유형일 수 있고, 에너지 저장 요소 2(310)는 슈퍼 커패시터 유형일 수 있다. 이러한 유연성으로 인해 예를 들어 추가 전력 전자 스테이지 없이 견인 모드에서 사용하기 위한 더 높은 전력 밀도 요소를 포함할 수 있다.
견인 인버터의 상부 스위치와 하부 스위치를 게이팅하는 것은 일부 실시형태에서 상보적이다. 예를 들어, 견인 인버터 1에서 위상 "w"에 대한 상부 스위치가 온 상태에 있으면 견인 인버터 1에서 위상 "w"에 대한 하부 스위치는 오프 상태이다.
이중 인버터 구동부를 차동적으로 연결한 것으로 인해, 견인 인버터의 3개의 위상은 도 14의 다이어그램(1400)에 도시된 바와 같이 3개의 별개의 분기로 모델링될 수 있다. 각각의 분기는 일부 실시형태에서 이중 인버터 구동부의 3개의 위상 중 하나의 위상, 즉 위상(w, v 및 u)에 대응한다.
일 실시형태에서, 충전 모드에서, 위상 "w"에 대한 상부 충전 스테이지의 상부 스위치가 온 상태(또는 동등하게 전도 또는 활성 상태)일 때, ES1은 이 분기에서 우회된다. 역으로, 위상("w")에 대한 상부 충전 스테이지의 하부 스위치가 온 상태일 때, ES1은 이 분기에 삽입된다.
원리는 다른 위상("v" 및 "u")에도 적용된다. 역으로, 충전 모드에서 위상 "w"에 대한 하부 충전 스테이지의 상부 스위치가 온 상태(또는 동등하게 전도 또는 활성 상태)일 때, ES2는 이 분기에 삽입된다. 그리고 위상 "w"에 대한 하부 충전 스테이지의 하부 스위치가 일 때, ES2는 이 분기에서 우회된다. 원칙은 다른 위상("v" 및 "u")에도 적용된다.
V2G 모드에서, 도 11의 극성 반전 모듈(1100)의 예시적인 실시형태에서, 위상 "w"에 대한 상부 충전 스테이지의 상부 스위치가 온 상태(또는 동등하게 전도 또는 활성 상태)일 때, ES1은 이 분기에 삽입된다. 그리고 위상 "w"에 대한 상부 충전 스테이지의 하부 스위치가 일 때, ES1은 이 분기에서 우회된다. 원칙은 다른 위상("v" 및 "u")에도 적용된다. 역으로, V2G 모드에서, 도 11의 극성 반전 모듈의 예시적인 실시형태에서, 위상 "w"에 대한 하부 충전 스테이지의 상부 스위치가 온 상태(또는 동등하게 전도 또는 활성 상태)일 때, ES2는 이 분기에서 우회된다. 그리고 위상 "w"에 대한 하부 충전 스테이지의 하부 스위치가 온 상태일 때, ES2는 이 분기에 삽입된다. 원칙은 다른 위상("v" 및 "u")에도 적용된다.
주어진 스위칭 기간에서 ES1 또는 ES2가 분기에 삽입되는 지속 시간 또는 듀티 사이클을 감소시킴으로써 이 분기의 평균 역기전력은 감소한다. 역기전력 전압을 줄이는 이러한 능력을 통해 이중 인버터 구동부는 ES1과 ES2 전압의 합이 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 클 때 전력을 교환할 수 있도록 부스팅 기능을 수행할 수 있다.
일부 실시형태에서 에너지 저장 요소가 분기에 삽입될 때, 이 에너지 저장 요소는 충전 모드 동안 충전되고, 이 분기 전류에 의해 방전 모드 동안 방전된다. 이 분기 전류는 이 분기에 대한 모터 권선의 전류이다.
역으로, 에너지 저장 요소가 특정 분기에 대해 우회될 때, 일부 실시형태에서, 이 에너지 저장 요소는 이 분기 전류에 의해 충전되지도 방전되지도 않는다. 따라서 예를 들어 ES1이 모두 3개의 분기에 삽입되면 ES1은 모두 3개의 모터 권선 전류에 의해 충전 모드에서 충전되거나 방전 모드에서 방전된다.
역으로, ES1이 모두 3개의 분기에서 우회되면 ES1은 분기 전류에 의해 충전되지도 방전되지도 않는다. 에너지 저장 요소로 전달되거나 에너지 저장 요소에 의해 전달되는 전력은 에너지 저장 요소의 전압과 이 에너지 저장 요소를 통해 흐르는 전류에 의해 결정된다는 것이 주목된다.
따라서, 에너지 저장 요소가 특정 전류에 의해 충전되거나 방전된다고 언급될 때 이는 에너지 저장 요소로 전달되거나 에너지 저장 요소로부터 제거된 전력이 에너지 저장 요소의 전압에 이 에너지 저장 요소를 통해 흐르는 전류를 곱한 것과 같다는 것을 의미한다. 손실이 고려되지 않는 경우, 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2에 대한 전력의 합은 일부 실시형태에서 AC 그리드와 교환되는 전력이다.
이중 인버터 구동부의 구조를 고려하면 ES1과 ES2로 상이한 전력을 전달할 수 있다. ES1이 주어진 스위칭 기간에서 ES2보다 더 긴 지속 시간 동안 특정 분기에 삽입된 경우 이 분기에 대한 모터 권선 전류는 ES2보다 더 많은 지속 시간 동안 ES1로 흐르게 된다. ES1과 ES2가 거의 같은 전압 값을 갖는 경우 ES1로 흐르는 전력은 ES2로 흐르는 전력보다 크게 된다. 특정 위상에 대해 ES1과 ES2로 흐르는 전력은 다음 수식으로 근사될 수 있다:
PES1,w = dw1*Es1
PES2,w = dw2*Es2
따라서, dw2에 대한 듀티 사이클(dw1)을 조정함으로써 ES2에 대해 ES1로 차동 전력을 전달할 수 있다. 다른 견인 인버터 위상에 대해서도 동일한 원리가 적용된다.
극성 반전 모듈 요소에 대한 설명
극성 반전 모듈(306)의 역할은 이중 인버터 구동부에 의해 제공되는 역기전력의 극성을 반전시키는 것이다. V2G 기능을 가능하게 하기 위해 극성 반전이 필요하다.
극성 반전 모듈(306)의 3개의 변형이 도 4, 도 5 및 도 6에 개략적으로 설명되어 있다. 이들 변형은 도 3에 도시된 CSC 프론트 엔드 토폴로지(304)에 적용 가능하다. 극성 반전 모듈의 제4 변형은 도 7에 제시되어 있다. 이 제4 변형은 도 8의 다이어그램(800)에 제시된 것의 구조를 공유하는 CSC 토폴로지의 서브세트에 적용 가능하다. 이 CSC 구조에서, 각각의 아암에 대한 각각의 스위치 쌍의 중간 지점은 극성 반전 모듈(306)에 액세스할 수 있다.
극성 반전 모듈 변형 1
극성 반전 모듈의 제1 실시형태가 도 4에 개략적으로 설명되어 있다.
이 변형에서, 극성 반전 회로는 음의 VSC1 DC 단자에서 상부 충전 스테이지에 결합되고, 양의 VSC2 DC 단자에서 하부 충전 스테이지에 결합되고, CSC를 이중 인버터 구동부에 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 제1 상태는 양의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 양의 CSC DC 단자와 음의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 양의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제1 상태에서, 전력은 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차로 보내지고, 제2 상태에서, 전력은 AC 그리드로 보내진다.
예시적인 기계적 스위치 솔루션이 (400)에 도시되어 있다. 이 실시형태에서, CSC를 이중 인버터 구동부에 연결하는 쌍극 쌍투형 스위치(double-pole double-throw switch: DPDT)가 있다. DPDT 스위치에는 2개의 스위치 상태가 있다.
이는 제1 상태와 제2 상태에 적응될 수 있고; 제1 상태는 양의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 양의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고, 음의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고; 제1 상태에서, 전력은 자동차로 보내지고, 제2 상태에서, 전력은 그리드로 보내진다.
도 4를 참조하면, 스위치 상태 1에서 CSCp 단자와 ES1p 단자는 연결되고; CSCn 단자와 ES2n 단자는 연결된다. 스위치 상태 2에서, CSCp 단자와 ES1n 단자는 연결되고; CSCn 단자와 ES2p 단자는 연결된다. 역기전력 전압을 반전시킬 수 있는 대체 스위치 상태도 있을 수 있다는 것이 주목된다. 제시된 케이스는 단지 일례일 뿐이다.
제1 스위치 위치에서, CSC의 양의 dc 단자는 제1 VSC의 양의 dc 단자에 연결되고, CSC의 음의 dc 단자는 제2 VSC의 음의 단자에 연결되고; 제2 스위치 위치에서, CSC의 양의 dc 단자는 제1 VSC의 음의 dc 단자에 연결되고, CSC의 음의 dc 단자는 제2 VSC의 양의 단자에 연결된다.
제2 위치는, CSC의 양의 dc 단자가 제2 VSC의 음의 단자에 연결되고, CSC의 음의 dc 단자가 제1 VSC의 양의 dc 단자에 연결되도록 이루어지는 것도 가능하다는 것이 주목된다.
추가적으로, (400)에 표시된 기계식 스위치 솔루션은 DPDT 스위치이지만 DPST 스위치로 이를 구현하는 것도 가능할 수 있다.
이전 절에서 설명했듯이, 상부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES1이 견인 인버터 위상에서 삽입되거나 우회되고, 하부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES2가 견인 인버터 위상(또는 동등하게 분기라고 함)에서 삽입되거나 우회된다.
극성 반전 모듈 변형 각각에 대해 극성 반전 모듈은 제1 상태와 제2 상태를 가진다. 제1 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 제2 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다.
ES1과 ES2로 흐르는 전류의 방향을 반전시키는 이러한 능력은 극성 반전 모듈에 ES1과 ES2의 극성을 사실상 반전시킬 수 있는 능력을 제공한다.
따라서, 제1 상태에서, 이중 인버터의 역기전력은 양의 전압 값으로 모델링될 수 있고, 제2 상태에서, 이중 인버터의 역기전력은 음의 전압 값으로 모델링될 수 있다. 극성 반전 모듈 변형 1의 일부 실시형태에서, ES1p가 CSCp에 결합되고, ES2n이 CSCn에 결합될 때, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 역으로 CSCp가 ES1n에 결합되고, CSCN이 ES2p에 결합될 때, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다.
이 극성 반전 모듈 변형을 VSC DC 단자에 연결하는 다른 방식이 있을 수 있다는 것이 주목된다.
극성 반전 모듈의 이 변형의 장점은 이것이 반도체 스위치 기반 솔루션보다 더 쉽고 비용 효율적으로 구현될 수 있는 기계적 솔루션이라는 것이다.
이 변형의 한계는 기계적 솔루션이기 때문에 일부 실시형태에서 충전 및 방전 모듈 사이의 스위칭 속도가 반도체 스위치가 사용되는 극성 반전 모듈에 비해 더 느리다는 것이다.
극성 반전 모듈 변형 2
도 5는 극성 반전 모듈의 다른 실시형태를 나타낸다. 극성 반전 회로는 대안적으로 적어도 4개의 반도체 스위치로 구성될 수 있고, 여기서 적어도 4개의 반도체 스위치의 각 스위치는 하나의 CSC DC 단자를 하나의 VSC DC 단자에 결합시킨다.
이들 스위치는 각각 기계식 스위치 및/또는 전자식 스위치를 통해 실현될 수 있다. 차단 전압 및 전류 전도 제약에 대한 요약은 다음과 같다:
스위치 Spr1: Vpr1 > 0 V, Ipr1 < 0 A
스위치 Spr2: Vpr2 > 0 V, Ipr2 > 0 A
스위치 Spr3: Vpr3 > 0 V, Ipr3 > 0 A
스위치 Spr4: Vpr4 > 0 V, Ipr4 < 0 A
하나의 스위치는 CSC의 양의 dc 단자를 제1 VSC의 양의 단자에 결합시키고; 하나의 스위치는 CSC의 양의 dc 단자를 제2 VSC의 음의 단자에 결합시키고; 하나의 스위치는 CSC의 음의 dc 단자를 제1 VSC의 양의 단자에 결합시키고; 하나의 스위치는 CSC의 음의 dc 단자를 제2 VSC의 음의 단자에 결합시킨다.
각 스위치는 양의 극성의 단극 전압을 차단하고, 단방향 전류를 전도해야 한다. 전류의 방향은 위상의 상부 스위치와 하부 스위치에 대해 반대이다. 극성 반전 모듈의 이 실시형태의 예시적인 구현은 도 9의 부분 회로도(900)에 제시된다.
이전 절에서 설명했듯이, 상부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES1이 견인 인버터 위상에서 삽입되거나 우회되고, 하부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES2가 견인 인버터 위상(또는 동등하게 분기라고 함)에서 삽입되거나 우회된다. 극성 반전 모듈 변형 각각에 대해 극성 반전 모듈은 제1 상태와 제2 상태를 가진다.
제1 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 제2 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다. ES1과 ES2로 흐르는 전류의 방향을 반전시키는 이러한 능력은 극성 반전 모듈에 ES1과 ES2의 극성을 사실상 반전시킬 수 있는 능력을 제공한다.
따라서, 제1 상태에서, 이중 인버터의 역기전력은 양의 전압 값으로 모델링될 수 있고, 제2 상태에서, 이중 인버터의 역기전력은 음의 전압 값으로 모델링될 수 있다. 극성 반전 모듈 변형 2의 일부 실시형태에서, ES1p가 CSCp에 결합되고, ES2n이 CSCn에 결합될 때, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 역으로 CSCp가 ES2n에 결합되고, CSCn이 ES1p에 결합될 때, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다.
이 극성 반전 모듈 변형을 VSC DC 단자에 결합시키는 다른 방식이 있을 수 있다는 것이 주목된다.
이 극성 반전 모듈의 이 변형의 장점은 이것이 전력 전자식 솔루션이어서 충전 모드와 방전 모드 사이를 빠르게 전환할 수 있다는 것이다. 추가적으로, 극성 반전 모듈과 상부 및 하부 충전 스테이지 사이의 전기적 연결은 일부 실시형태에서 ES1p 단자와 ES2n 단자에서만 필요하다. 이 변형의 한계는 극성 반전 모듈 스위치의 차단 전압이 ES1과 ES2 전압의 합이라는 것이다.
극성 반전 모듈 변형 3
도 6은 극성 반전 모듈의 다른 실시형태를 나타낸다. 이들 스위치는 각각 기계식 스위치 및/또는 전자식 스위치로 실현될 수 있다. 차단 전압 및 전류 전도 제약에 대한 요약은 다음과 같다:
스위치 Spr1: Vpr1 < 0 V, Ipr1 > 0 A
스위치 Spr2: Vpr2 > 0 V, Ipr2 > 0 A
스위치 Spr3: Vpr3 > 0 V, Ipr3 > 0 A
스위치 Spr4: Vpr4 < 0 V, Ipr4 > 0 A
하나의 스위치는 CSC의 양의 dc 단자를 제1 VSC의 양의 단자에 결합시키고; 하나의 스위치는 CSC의 양의 dc 단자를 제1 VSC의 음의 단자에 결합시키고; 하나의 스위치는 CSC의 음의 dc 단자를 제2 VSC의 양의 단자에 결합시키고; 하나의 스위치는 CSC의 음의 dc 단자를 제2 VSC의 음의 단자에 결합시킨다.
각 스위치는 단극 전압을 차단하고, 양의 방향의 전류를 전도해야 한다. 극성 반전 모듈의 이 실시형태의 예시적인 구현은 도 10의 다이어그램(1000)에 제시된다.
이전 절에서 설명했듯이, 상부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES1이 견인 인버터 위상에서 삽입되거나 우회되고, 하부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES2가 견인 인버터 위상(또는 동등하게 분기라고 함)에서 삽입되거나 우회된다. 극성 반전 모듈 변형 각각에 대해, 극성 반전 모듈은 제1 상태와 제2 상태를 가진다.
제1 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 제2 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다. ES1과 ES2로 흐르는 전류의 방향을 반전시키는 이러한 능력은 극성 반전 모듈에 ES1과 ES2의 극성을 사실상 반전시킬 수 있는 능력을 제공한다.
따라서, 제1 상태에서 이중 인버터의 역기전력은 양의 전압 값으로 모델링될 수 있고, 제2 상태에서 이중 인버터의 역기전력은 음의 전압 값으로 모델링될 수 있다. 극성 반전 모듈 변형 3의 일부 실시형태에서, ES1p가 CSCp에 결합되고, ES2n이 CSCn에 결합될 때, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 역으로 CSCp가 ES1n에 결합되고, CSCn이 ES2p에 결합될 때, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다.
이러한 극성 반전 모듈의 이 변형의 장점은 이것이 전력 전자식 솔루션이어서 충전 모드와 방전 모드 사이를 빠르게 전환할 수 있다는 것이다. 추가적으로, 극성 반전 모듈 스위치의 차단 전압은 각각 ES1 또는 ES2 전압과 동일하다. 이 변형의 단점은 극성 반전 모듈이 ES1p, ES1n, ES2p 및 ES2n에 결합된다는 것이다.
이 극성 반전 모듈 변형을 VSC DC 단자에 결합시키는 다른 방식이 있을 수 있다는 것이 주목된다.
극성 반전 모듈 변형 4
도 7은 극성 반전 모듈의 다른 실시형태를 나타낸다.
CSC의 각 위상은 2개의 스위치, 즉 위상에 대응하는 상부 스위치 및 위상에 대응하는 하부 스위치와 연관되며, 위상에 대응하는 상부 스위치와 하부 스위치 각각은 액세스 가능한 중간 지점을 갖는 제1 및 제2 직렬 연결된 서브스위치를 포함한다.
제1 서브스위치는 양의 전압 차단 기능을 제공하고, 제2 서브스위치는 음의 전압 차단 기능을 제공한다.
극성 반전 모듈은 제1 3상 스위치 네트워크와 제2 3상 스위치 네트워크를 포함하며, 여기서 각각의 3상 스위치 네트워크는 적어도 4개의 스위치, 즉 각 위상에 대한 3개의 스위치 및 제어 가능한 1개의 마스터 스위치를 포함한다.
이 예에서는 양의 CSC DC 단자와 양의 VSC1 DC 단자가 전기적으로 결합되고, 음의 CSC DC 단자와 음의 VSC2 DC 단자가 전기적으로 결합된다.
제1 3상 스위치 네트워크는 3개의 상부 서브스위치의 중간 지점을 이중 인버터 구동부에 결합시킨다.
제2 3상 스위치 네트워크는 3개의 하부 서브스위치의 중간 지점을 이중 인버터 구동부에 결합시키고; 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고: 제1 상태에서, 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 오프 상태로 제어되고, 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 비활성 상태이고; 제2 상태에서, 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 온 상태로 제어되고, 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 활성 상태이다.
제1 상태에서, 전력은 자동차로 보내지고; 제2 상태에서, 전력은 AC 그리드로 보내진다. 제1 3상 스위치 네트워크는 음의 VSC1 DC 단자에 결합될 수 있고, 제2 3상 스위치 네트워크는 양의 VSC2 DC 단자에 결합될 수 있다.
추가 변형에서, 제1 3상 스위치 네트워크는 음의 VSC2 DC 단자에 결합되고, 제2 3상 스위치 네트워크는 양의 VSC1 DC 단자에 결합된다.
다수의 스위치를 사용하는 예시적인 구현으로서, 극성 반전 모듈은 Spr1, Spr2, ..., Spr8로 표시되는 8개의 스위치를 포함할 수 있다. 스위치(Spr1)는 대응하는 위상 스위치(Sa1)에 필요한 것과 각각 동일한 극성 및 방향의 전류를 전도하고 전압을 차단할 수 있어야 한다. 스위치(Spr5)는 대응하는 위상 스위치(Sa4)에 필요한 것과 동일한 극성 및 방향의 전류를 전도하고 전압을 차단할 수 있어야 한다. 유사한 요구 사항은 위상(b) 스위치(Spr2 및 Spr6) 및 위상(c) 스위치(Spr3 및 Spr7)에도 적용된다.
Spr1, Spr2 및 Spr3이 역 전압 차단 기능을 가진 스위치(예를 들어, IGBT)로 구현되는 경우 Spr4는 필요하지 않으며 대신 전도성 요소로 대체될 수 있다. 마찬가지로 Spr5, Spr6 및 Spr7이 역 전압 차단 기능을 가진 스위치로 구현된 경우 Spr8은 필요하지 않으며 대신 전도성 요소로 대체될 수 있다. 이 극성 반전 모듈 변형은 Sa1, Sb1 및 Sc1이 전도 상태이거나 Spr1, Spr2, ..., Spr4가 전도 상태이도록 구성된다.
동일한 원리가 하부 아암 스위치에도 적용된다. 일 실시형태에서, 충전 모드에서, 극성 반전 요소(Spr1, Spr2, ..., Spr8)는 비-전도 상태이다. 이 모드에서, CSC의 양의 단자는 에너지 저장 요소 1의 양의 단자에 연결되고; CSC의 음의 단자는 에너지 저장 요소 2의 음의 단자에 연결된다.
예시적인 실시형태에서, V2G 모드에서, 극성 반전 요소(Spr1, Spr2, ..., Spr8)는 전도 상태에 있다. 이 모드에서, CSC 중간 지점(CSCp_a, CSCp_b 및 CSCp_c)은 에너지 저장 요소 1의 음의 단자에 연결되고; CSC 중간 지점(CSCn_a, CSCn_b 및 CSCn_c)은 에너지 저장 요소 2의 양의 단자에 연결된다.
스위치(Spr4 및 Spr8)는 기계식 스위치 또는 반도체형 스위치로 구현될 수 있다는 것이 주목된다.
극성 반전 모듈의 이 실시형태의 예시적인 구현은 도 11의 다이어그램(1100)에 제시된다.
이 모드에서, CSC의 각각의 위상은 2개의 스위치, 즉 상부 스위치라고 하는 제1 스위치 및 하부 스위치라고 하는 제2 스위치를 특징으로 한다. 각각의 CSC 스위치는 2개의 서브스위치로 구성되고, 제1 서브스위치는 양의 전압 차단 기능을 제공하고, 제2 서브스위치는 음의 전압 차단 기능을 제공한다.
제1, 제2 및 제3 스위치는 CSC의 3개의 상부 서브스위치의 중간 지점을 제4 스위치에 연결한다. 제4 스위치는 제1 VSC의 음의 DC 단자에 연결된다.
제5, 제6 및 제7 스위치는 CSC의 3개의 상부 서브스위치의 중간 지점을 제8 스위치에 연결한다. 제8 스위치는 제2 VSC의 양의 DC 단자에 연결된다.
이전 절에서 설명한 바와 같이, 상부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES1은 견인 인버터 위상에서 삽입되거나 우회되고, 하부 견인 인버터 스위치의 상태에 따라 ES2는 견인 인버터 위상(또는 동등하게 분기라고 함)에서 삽입되거나 우회된다.
각각의 극성 반전 모듈 변형에 대해, 극성 반전 모듈은 제1 상태와 제2 상태를 갖는다. 제1 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 제2 상태에서, ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다. ES1과 ES2로 흐르는 전류의 방향을 반전시키는 이러한 능력은 극성 반전 모듈에 ES1과 ES2의 극성을 사실상 반전시킬 수 있는 능력을 제공한다.
따라서, 제1 상태에서, 이중 인버터의 역기전력은 양의 전압 값으로 모델링될 수 있고, 제2 상태에서, 이중 인버터의 역기전력은 음의 전압 값으로 모델링될 수 있다. 극성 반전 모듈 변형 4의 일부 실시형태에서, Spr4 및 Sp8이 오프 상태일 때(즉, 위상 스위치 네트워크가 전류를 전도하는 상태에 있지 않은 경우), ES1과 ES2로 흐르는 전류는 양이고, 역으로 Spr4 및 Sp8이 온 상태일 때(즉, 위상 스위치 네트워크가 전류를 전도하는 상태에 있는 경우), ES1과 ES2로 흐르는 전류는 음이다.
이 극성 반전 모듈 변형을 VSC DC 단자에 연결하는 다른 방식이 있을 수 있다는 것이 주목된다.
다른 극성 반전 모듈 변형에 비해 이 변형의 장점은 충전 모드에서의 손실이 극성 반전 모듈을 특징으로 하지 않는 전기 전력 트레인의 충전 모드에서의 손실과 비슷하다는 것이다. 이는 충전 모드 동안 회로에 삽입된 추가 스위치가 없기 때문이다. 이 변형에서 CSCp는 ES1p에 전기적으로 결합되고, CSCn은 ES2n에 전기적으로 결합된다는 것이 주목된다. 이 변형의 한계는 더 많은 스위치가 필요하다는 것이다.
이 극성 반전 모듈 변형을 VSC DC 단자에 연결하는 다른 방식이 있을 수 있다는 것이 주목된다.
동작 메커니즘
동작 메커니즘의 개요
충전 및 V2G 동작 모드 동안 동작 메커니즘의 개요가 다이어그램(1200)에서 볼 수 있듯이 도 12에 제시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이 컨버터에 대한 입력은 1) 3상 AC 그리드 전압; 2) 에너지 저장 요소 1의 기전력; 및 3) 에너지 저장 요소 2의 기전력이다. 제어되는 양은 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2에 대한 3상 AC 입력 전류 및 충전 전류이다. 따라서, 이 컨버터는 2-포트 컨버터로 동작하는 종래의 전류 소스 컨버터와 달리 3-포트 컨버터로 동작한다. 컨버터는 동작 메커니즘과 그 변형을 구현하는 데 사용될 수 있는 기계이다.
충전용 통합 전력트레인의 제어
충전 모드에서 컨버터의 동작을 설명하기 위해 도 13에서 회로도(1300)로 제시된 것과 같은 예시적인 구현을 참조하는 것이 가장 좋다.
제어를 통해 VSC 및 CSC 내의 하나 이상의 스위치의 하나 이상의 상태를 제어함으로써 에너지 저장 요소와 AC 네트워크 사이에 교환되는 유효 전력을 조절할 수 있다.
충전 모드에서, 극성 반전 모듈(306)의 2개의 활성 스위치는 전도 상태에 있지 않다. 이 구성에서, 에너지 저장 요소 1의 양의 단자(ES1p)는 전류 소스 컨버터의 양의 레일(CSCp)에 연결되고; 에너지 저장 요소 2의 음의 단자(ES2n)는 전류 소스 컨버터의 음의 레일(CSCn)에 연결된다. 따라서, 이 모드에서 양의 극성의 역기전력이 전류 소스 컨버터에도 적용된다. V2G 동작이 필요하지 않은 경우 극성 반전 모듈을 완전히 생략할 수 있다.
충전(및 V2G) 모드 동안, 이중 인버터 구동부는 효과적으로 3개의 병렬 분기로 구성되고; 여기서 각각의 분기는 2개의 기전력 소스와 직렬 인덕턴스로 구성된다. 직렬 인덕턴스는 모터 권선의 누설 인덕턴스이다.
분기의 상부 충전 스테이지의 상부 스위치와 하부 스위치를 교대로 게이팅함으로써, 에너지 저장 요소 1은 충전 모드에서 분기에서 각각 교대로 우회되고 삽입되고; 하부 충전 스테이지의 상부 스위치와 하부 스위치를 게이팅함으로써, 에너지 저장 요소 2는 충전 모드에서 분기에 각각 교대로 삽입되고 우회된다. 역으로 V2G 모드에서, 상부 충전 스테이지의 상부 스위치와 하부 스위치를 교대로 게이팅함으로써, 에너지 저장 요소 1은 분기에 각각 교대로 삽입되고 우회되며; 그리고 하부 충전 스테이지의 상부 스위치와 하부 스위치를 게이팅함으로써, 에너지 저장 요소 2는 분기에서 각각 교대로 우회되고 삽입된다.
따라서, 게이팅 신호를 변조함으로써, 각각의 분기는 이상적인 경우 에너지 저장 요소의 전체 기전력으로부터 0V에 이르는 2개의 가변 기전력 소스를 갖는다.
상기 내용은 도 14의 회로도(1400)에 예시되어 있다. 도 14의 회로도의 전압 소스는 극성이 충전 모드에 대응하도록 그려져 있다는 것이 주목된다.
V2G 모드의 경우, 도 14의 회로도의 각각의 전압 소스는 반대 극성을 가진다. 도 14에 도시된 가변 기전력은 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있다:
vu1 = vES1 · du1 (1)
vv1 = vES1 · dv1 (2)
vw1 = vES1 · dw1 (3)
vu2 = vES2 · du2 (4)
vv2 = vES2 · dv2 (5)
vw2 = vES2 · dw2 (6)
여기서, du1, ..., dw2는 0 내지 1의 최대 값에 이르는 듀티 비를 나타내고; vES1은 에너지 저장 요소 1의 기전력이고; vES2는 에너지 저장 요소 2의 기전력이다. 충전 동안 토크 생성을 방지하기 위해 3상 권선의 DC 전류는 동일하도록 제어된다. 이에 따라 3 권선 전류의 DC 전류 성분은 다음과 같이 표현된다:
Figure pct00006
따라서 2개의 에너지 저장 요소의 평균 전력은 다음과 같이 계산할 수 있다:
Figure pct00007
du1 = dv1 = dw1 = d1 및 du2 = dv2 = dw2 = d2인 경우,
PES1 = Idc · VES1 · d1 (10)
PES2 = Idc · VES2 · d2 (11)
따라서, 2개의 에너지 소스에 대한 충전 전류는 다음과 같이 표현될 수 있다:
IES1 = Idc · d1 (12)
IES2 = Idc · d2 (13)
그리드로부터 3상 AC 전력은 다음과 같이 표현할 수 있다:
Figure pct00008
여기서, Vs,rms는 라인간 그리드 전압이고; Is,rms는 그리드 라인 전류이고; 그리고 θ는 그리드 전압의 양의 시퀀스 성분과 라인 전류 사이의 각도이다.
컨버터의 역률은 θ를 조정함으로써 제어된다. CSC(306)를 제어하는 데 사용될 수 있는 다수의 변조 방식이 있는 데, 하나의 접근법은 공간-벡터 PWM(SVPWM) 기술을 사용하는 것이다. SVPWM 제어의 경우, ac 측 라인 전류의 크기는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00009
여기서, mi는 0의 최소값 내지 1의 최대값을 가질 수 있는 CSC의 변조 지수이다.
수식 15를 수식 14에 대입하면, 다음 수식이 산출된다:
Figure pct00010
손실을 무시하면, 수식(Pac = Vd · Idc)을 수식 16에 대입하면 dc 링크 전압의 dc 성분에 대한 다음 수식이 산출된다:
Figure pct00011
여기서, Vd는 dc 링크 전압의 DC 전압 성분이다.
컨버터의 DC 측에서 무시할 수 있는 저항과 무시할 수 있는 손실을 가정하면 AC 및 DC 전력은 다음 수식으로 관련될 수 있다:
Pac = PES1 + PES2 (18)
수식 10과 수식 11은 수식 18에 대입될 수 있다. 결과는 수식(Pac = Vd · Idc)과 같아진다. 이 수식을 재배열하면 Vd에 대한 대안적인 표현식이 산출된다:
Vd = d1 · VES1 + d2 · VES2 (19)
위의 수식은 충전 및 V2G 동작 동안 전기 전력트레인의 동작을 지배하는 기본 관계에 대한 개요를 제공한다. 생성된 수식은 이하 절에서 참조된다.
부스트 모드 충전
부스트 모드 충전에서, 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2의 기전력의 합은 설계 상 최대 변조 지수에서 CSC에 의해 생성된 기전력의 DC 성분보다 크다.
VES1 + VES2 > Vd(mi = m(i,max)) (21)
여기서, Vd는 수식 17에서 정의되고, mi,max는 일반적으로 1에 가깝다.
이러한 동작 케이스에서, 변조 지수는 최대 값에서 일정하게 유지될 수 있다. 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2의 충전 전류는 듀티 비(d1 및 d2)를 조정함으로써 제어된다.
시뮬레이션 케이스 3, 케이스 4, 케이스 5 및 케이스 6은 이러한 동작 케이스에 대응한다. 시뮬레이션 결과는 도 17, 도 18, 도 19, 도 20의 다이어그램(1700, 1800, 1900, 2000)을 참조한다. 시뮬레이션 케이스에 대한 자세한 설명은 표 1을 참조한다.
케이스 3, 케이스 4 및 케이스 5에서 자동차는 지연된 0.95의 역률, 앞서는 0.95의 역률 및 1의 역률로 70kW에서 각각 충전된다. 에너지 저장 요소는 각각 450V에 있다. 이러한 경우는 컨버터의 dc 측에서 유사한 거동을 나타내며, 이는 도 17, 도 18 및 도 19 사이의 플롯 c)와 g)를 비교할 때 관찰될 수 있다. 그러나 이러한 경우는 CSC의 ac 측에 대해서는 다르다. 도 17 및 도 18의 플롯 a) 및 b)에서 관찰될 수 있듯이, 위상 전류는 위상 전압에 대해 변위된다. 전압과 전류 사이의 위상 변위는 각각 지연된 역률 및 앞서는 역률에 대응한다.
케이스 5의 경우, 위상 전류와 위상 전압은 동위상이다(도 19). 또한, 위상 전류는 무효 전력 ac 성분이 추가된 것으로 인해 1의 역률 케이스(도 19)에 비해 0.95 역률 케이스(도 17 및 도 18)에서 크기가 더 크다. 케이스 6에서 전력은 각각 450V의 에너지 저장 요소 전압에서 1의 역률로 자동차로부터 그리드로 전달된다. 케이스 5 및 케이스 6은, 케이스 6이 V2G 동작 모드 케이스인 반면, 케이스 5는 충전 동작 모드 케이스라는 점에서 다르다.
따라서, 도 19와 도 20을 비교하면, 위상 전류는 케이스 6의 대응하는 위상 전압으로부터 180도 변위되고, 역으로 위상 전류는 케이스 5의 대응하는 위상 전압과 동위상이다. 또한, dc 링크 전압은 케이스 6의 V2G의 경우 플롯 d)에서 음의 극성이다.
벅 모드 충전
벅 모드 충전에서, 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2의 기전력의 합은 설계 상 최대 변조 지수(mi = mi,max)에서 CSC의 DC 단자에 걸쳐 생성된 기전력의 DC 성분보다 작다,
Ves1 + Ves2 < Vd(mi = mi,max) (20)
여기서, Vd는 수식 19에 정의되고 mi,max는 일반적으로 1에 가깝다.
이러한 동작 케이스에서, 듀티 비(d1 및 d2)는 최대값에서 일정하게 유지될 수 있다. CSC의 변조 지수를 조정함으로써 전력을 제어한다. 시뮬레이션 케이스 1, 케이스 2 및 케이스 7은 이러한 동작 케이스에 대응한다. 시뮬레이션 결과에 대해서는 도 15, 도 16 및 도 21의 다이어그램(1500, 1600, 2100)을 참조한다. 시뮬레이션 케이스에 대한 설명은 표 1을 참조한다.
케이스 1 및 케이스 2에서 자동차는 1의 역률로 60kW에서 충전된다. 두 경우 모두 에너지 저장 요소 2는 300V의 전압에 있다. 케이스 1에서 에너지 저장 요소 1은 300V의 전압에 있고, 케이스 2에서 에너지 저장 요소 1은 325V의 전압에 있다. 케이스 1에서, 에너지 저장 요소 1은 도 17의 플롯 g)에서 관찰된 바와 같이 변조 지수를 1의 최대값으로 설정함으로써 회로에서 유지된다. 케이스 2에서, 도 16에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2에 동일한 전력이 전달되도록 전압 균형 제어의 형태가 구현된다.
이러한 전압 균형 제어에 의해 에너지 저장 요소 1은 (즉, 변조 지수가 1 미만에서) 회로 안으로 및 회로 밖으로 스위칭되어 상부 충전 스테이지에서 300V의 등가 전압을 생성한다. 에너지 저장 요소 1을 이렇게 스위칭하는 것은 도 16의 플롯 g)에서 관찰될 수 있고, 모터 권선 전압에 미치는 영향은 도 15 및 도 16의 플롯 f)를 비교함으로써 관찰될 수 있다. 케이스 7은 케이스 1과 유사하지만 케이스 7은 (케이스 1에서 60kW의 전력이 교환되는 것에 비해) 70kW의 전력이 교환되는 것과 V2G 동작을 포함한다는 점에서 상이하다.
관찰될 수 있는 바와 같이, dc 측 전류(플롯 c 및 플롯 e)뿐만 아니라 ac 라인 측 전류(플롯 b)의 크기는 케이스 1에 비해 케이스 7에서 더 크다. 또한, ac 라인 전류는 케이스 7에서 대응하는 라인 측 전압에 대해 180도 위상차가 있다. 추가적으로, dc 측 전압(플롯 d)은 케이스 1에 대해 케이스 7에서 극성이 반대이다.
에너지 균형 제어
2개의 독립적인 에너지 저장 요소를 사용하여 동작하기 위해 에너지 균형 제어의 형태가 필요하다.
일부 가능한 구현은 전압 균형 제어 및 순환 전류 제어를 포함한다.
전압 균형 제어의 가능한 구현은 설명을 위해 다음 절에서 자세히 설명된다.
전압 균형 제어 솔루션의 예
이전 절에서, 수식 10 및 수식 11이 도출되었고, 이는 에너지 저장 요소 1과 에너지 저장 요소 2로 전달되는 전력을 계산하는 데 사용될 수 있다. 이들 수식은 가독성을 위해 여기에서 반복 제시된다:
PES1 = Idc · VES1 · d1
PES2 = Idc · VES2 · d2
PES1 = PES2가 같다면, 수식 10과 수식 11이 같아져서 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다:
VES1 · d1 = VES2 · d2 (22)
에너지 저장 요소 1이 에너지 저장 요소 2보다 더 큰 기전력을 갖는다면, 듀티 비는 다음과 같이 설정될 수 있다:
Figure pct00012
d1을 기전력 전압의 비율로 줄임으로써 동일한 전력이 두 에너지 저장 요소에 전달된다. 이것은 동일한 에너지가 두 에너지 저장 요소에 전달되는 것을 보장하기 위한 접근법 중 단 하나의 가능한 일례일 뿐이다. 또 다른 접근법은 두 에너지 저장 요소에 불균등한 전력을 제공하는 것이다. 이것은 예를 들어 에너지 저장 요소의 전압을 등화하는 데 사용될 수 있다.
인터리빙
이중 인버터 구동부의 구조로 인해 다음의 게이팅 신호를 인터리빙할 수 있다:
Figure pct00013
동일한 모터 권선들을 연결하는 VSC2의 스위치에 대한 VSC1의 스위치
Figure pct00014
견인 인버터 1(또는 동등하게 VSC1)의 위상의 스위치
Figure pct00015
견인 인버터 2(또는 동등하게 VSC2)의 위상의 스위치
동일한 모터 권선들을 연결하는 VSC2의 스위치에 대해 VSC1의 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하면 권선 전류에서 피크 리플 전류를 감소시킬 수 있어서 유리하다. VSC 위상의 스위치에 대한 게이팅 신호를 서로에 대해 인터리빙하면 에너지 저장 요소로의 피크 리플 전류를 감소시킬 수 있어서 유리하다.
추가적으로, 2개의 유형의 인터리빙의 결과 피크 리플 dc 링크 전류를 감소시킬 수 있다.
이러한 리플 전류의 감소는 피크 전류의 감소, 에너지 저장 요소로 고주파 전류의 감소, ac 그리드에 주입되는 고조파 전류의 감소 등을 포함하는 여러 장점을 제공한다. ac 그리드에 주입되는 고조파 전류를 줄임으로써 예를 들어 ac 필터의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 스위칭 주파수를 선택하는 것은 일부 실시형태에서 피크 리플 전류에 의해 영향을 받기 때문에 이 인터리빙을 통해 예를 들어 스위칭 주파수를 감소시킬 수 있다.
게이팅 신호를 생성하는 하나의 방법은 스위치에 대응하는 듀티 사이클을 톱니형 반송파와 같은 반송파와 비교하는 것이다. 이 비교 결과는 스위치로 전달된다. 이와 같은 방법을 사용하면 톱니형 반송파를 위상 이동시킴으로써 게이팅 신호를 인터리빙하는 것을 수행할 수 있다.
예를 들어, 견인 인버터 1의 위상의 3개의 게이팅 신호를 서로에 대해 인터리빙하기 위해 반송파는 서로에 대해 각각 120도만큼 위상 이동될 수 있다. 유사하게, 견인 인버터 2의 위상의 3개의 게이팅 신호를 서로에 대해 인터리빙하기 위해 반송파는 서로에 대해 각각 120도만큼 위상 이동될 수 있다. 동일한 모터 권선들을 연결하는 VSC2의 스위치에 대해 VSC1의 스위치의 게이팅 신호를 인터리빙하기 위해 반송파는 일부 실시형태에서 180도만큼 위상 이동될 수 있다. 이것은 게이팅 신호를 인터리빙하는 것을 수행하는 방식 중 단지 하나의 일례일 뿐이라는 것이 주목된다.
요약하면, 제어기는 제1 VSC와 제2 VSC의 3개 이상의 위상의 스위칭을 인터리빙하여 전류 고조파를 감소시킬 수 있다.
제어기는 제1 및 제2 VSC(314 및 316) 스위치의 스위칭을 인터리빙하여 전류 고조파를 감소시킬 수 있다.
제어기는 또한 모터 권선 전류가 dc이고 동일한 것을 보장함으로써 충전 동안 모터 구동부에서 토크가 생성되지 않는 것을 보장할 수 있다.
제어기는 제1 VSC(314)의 에너지 저장 요소 또는 에너지 저장 요소들, 및 제2 VSC(316)의 에너지 저장 요소 또는 에너지 저장 요소들에 상이한 전력을 전달할 수 있다.
시뮬레이션 결과
동작 원리를 설명하기 위해 시뮬레이션 결과가 제공된다. 시뮬레이션된 컨버터는 도 13에 제시되어 있다.
입력 필터는 델타 연결된 커패시터 뱅크로 표시되었다. CSC의 각 스위치는 양극 차단 기능과 단방향 전류 전도 기능을 모두 함께 제공하는, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 및 직렬 다이오드를 포함하거나 이들로 구성된다. 에너지 저장 요소는 500V의 공칭 전압을 갖는 배터리로 고려된다.
모터 인버터는 3상 전압 소스 컨버터로 표시된다. 전압 소스 컨버터의 각 스위치는 양방향 전류 전도 기능과 단극 전압 차단 기능을 모두 제공하는 역병렬 다이오드를 갖는 IGBT이다. 모터는 개방형 권선 구성의 3상 모터로 표시된다. 시뮬레이션을 위해 고려되는 주요 회로 파라미터의 요약은 다음과 같다:
AC 그리드 전압, Vs(라인간) = 600V
AC 그리드 리액턴스, Lac = 750uH
충전기의 정격 전력, Pconv = 70kW
필터 커패시턴스, Cf = 300uF
CSC의 스위칭 주파수, fsw = 25.5kHz
이중 인버터 구동부의 스위칭 주파수, fsw = 9.05kHz
배터리의 공칭 전압 = 500V
케이스의 요약은 아래 표 1에 제공된다. 시뮬레이션 케이스의 결과는 도 15 내지 도 21에 제시된다.
Figure pct00016
도 15 또는 케이스 1은 벅 모드 동작 케이스, 충전 모드, 및 ES1과 ES2로 동일한 전력이 전달되는 것을 보여준다. 충전 전력은 약 60kW이고, 역률은 1이다. 충전 전력과 역률은 시스템 전압과 ac 라인 전류를 비교함으로써 플롯으로부터 결정될 수 있다.
도 16 또는 케이스 2는 벅 모드 동작 케이스, 충전 모드, 및 ES1과 ES2로 차동 전력이 전달되는 것을 보여준다. 충전 전력은 약 60kW이고, 역률은 1이다. 충전 전력과 역률은 시스템 전압과 ac 라인 전류를 비교함으로써 결정될 수 있다. 도 15 및 도 16을 비교하면 자동차로 동일한 평균 전력이 전달되지만, 이 전력을 2개의 에너지 저장부인 ES1과 ES2에 분배하는 것은 다른 것을 볼 수 있다. 도 15에서는 에너지 저장 요소들로 동일한 전력이 전달되고 있다. 도 16에서는, 도 15의 경우에 비해 ES2로 더 많은 전력이 전달되고 ES1로 더 적은 전력이 전달된다.
도 17 또는 케이스 3은 부스트 모드 동작 케이스, 충전 모드, 및 ES1과 ES2로 동일한 전력이 전달되는 것을 보여준다. 충전 전력은 약 70kW이고, 역률은 0.95이다. 충전 전력과 역률은 시스템 전압을 ac 라인 전류와 비교함으로써 결정될 수 있다.
도 18 또는 케이스 4는 부스트 모드 동작 케이스, 충전 모드, 및 ES1과 ES2로 동일한 전력이 전달되는 것을 보여준다. 충전 전력은 약 70kW이고, 역률은 -0.95이다. 충전 전력과 역률은 시스템 전압을 ac 라인 전류와 비교함으로써 결정될 수 있다.
도 19 또는 케이스 5는 부스트 모드 동작 케이스, 충전 모드, 및 ES1과 ES2로 동일한 전력이 전달되는 것을 보여준다. 충전 전력은 약 70kW이고, 역률은 1이다. 충전 전력과 역률은 시스템 전압과 ac 라인 전류를 비교함으로써 결정될 수 있다. 도 17, 도 18 및 도 19는 역률의 변화를 제외하고는 유사하다. 도 17에서, 무효 전력이 그리드로부터 흡수되고 있으며, 도 18에서 무효 전력이 그리드로 전달되고 있으며, 도 19에서 그리드와 교환되는 무효 전력이 없다. 이는 위상 전압에 대한 위상 전류의 위상각을 비교하여 관찰될 수 있다. 위상 전류의 위상각이 앞서면 무효 전력이 그리드로 전달된다. 위상각이 지연되면 무효 전력이 그리드로부터 흡수된다. 위상각이 동위상이면 교환되는 무효 전력이 없다. 따라서 이러한 케이스는 자동차와 그리드 사이에 교환되는 전력과 독립적으로 역률을 제어할 수 있는 능력을 보여준다.
도 20 또는 케이스 6은 부스트 모드 동작 케이스, V2G 모드(또는 동등하게 방전 모드), 및 ES1과 ES2로 동일한 전력이 전달되는 것을 도시한다. 충전 전력은 약 70kW이고, 역률은 1이다. 충전 전력과 역률은 시스템 전압과 ac 라인 전류를 비교함으로써 결정될 수 있다.
도 21 또는 케이스 7은 벅 모드 동작 케이스, V2G 모드(또는 동등하게 방전 모드), 및 ES1과 ES2로 동일한 전력이 전달되는 것을 보여준다. 충전 전력은 약 70kW이고, 역률은 1이다. 충전 전력과 역률은 시스템 전압과 ac 라인 전류를 비교함으로써 결정될 수 있다.
모든 시뮬레이션 케이스에서, 동일한 모터 권선들을 연결하는 VSC2의 스위치에 대해 VSC1의 스위치의 게이팅을 인터리빙하는 것이 수행된다. 추가적으로 VSC1의 위상의 스위치의 게이팅을 인터리빙하는 것이 수행된다. 추가적으로, VSC2의 위상의 스위치의 게이팅을 인터리빙하는 것이 수행된다.
대안적인 실시형태
단상 AC 토폴로지 변형
단상 ac 그리드로부터 양방향 충전만을 허용하는 보다 제한된 대안적인 실시형태가 도 22에 제공된다. CSC는 이 대안적인 실시형태에서 2개의 위상과 4개의 스위치만을 갖는다.
단방향 토폴로지 변형
그리드로부터 전기 자동차로 단방향 전력 흐름만을 허용하는(즉, V2G 기능 없음) 더 제한적인 대안적인 실시형태가 도 23에 제시되어 있다. 이 대안적인 실시형태는 도 3의 실시형태와 유사하지만, 극성 반전 모듈은 생략되었다. CSC 스위치의 가능한 구현은 예를 들어 IGBT와 직렬 다이오드의 조합 또는 대안적으로 IGCT를 포함할 수 있다.
SCR 프론트 엔드를 갖는 양방향 토폴로지 변형
전류 소스 컨버터 프론트 엔드는 실리콘 제어 정류기(SCR)에 의해 실현될 수도 있다. 이 실현은 동작 범위를 제한하고, 3상 AC 저역 통과 필터의 설계에 영향을 미칠 수 있다.
그리드로부터 전기 자동차로 단방향 전력 흐름만을 허용하는(즉, V2G 기능 없음) 더 제한적인 대안적인 실시형태가 도 16에 제시되어 있다. 이 대안적인 실시형태는 도 3의 실시형태와 유사하지만, 극성 반전 모듈은 생략되었다. CSC 스위치의 가능한 구현은 예를 들어 IGBT와 직렬 다이오드의 조합 또는 대안적으로 IGCT를 포함할 수 있다.
도 24는 일부 실시형태에 따라 단계(2402, 2404 및 2406)를 포함하는, 이중 인버터 구동부를 갖는 자동차용 통합 3상 ac 충전기를 동작시키는 방법(2400)의 방법 다이어그램이다.
도 25는 일부 실시형태에 따라 이중 인버터 구동부를 갖는 자동차용 통합 3상 ac 충전기를 동작시키는 방법을 구현하도록 게이팅을 제어하는 데 사용될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 디바이스(2500)의 컴퓨팅 디바이스 다이어그램이다.
컴퓨팅 디바이스(2500)는 컴퓨터 프로세서(2502), 컴퓨터 메모리(2504), 입력/출력 인터페이스(2506) 및 네트워크 인터페이스(2508)를 포함하는 게이팅 신호 제어기 디바이스를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(2500)는 스위치의 하나 이상의 게이팅 양태를 제어하여 스위치의 동작을 제어하도록 본 명세서에 설명된 스위치에 결합될 수 있다.
스위치 제어 시퀀스를 포함하여 기계-해석 가능한 명령어는 메모리(2504)에 저장될 수 있으며, 이들은 인터페이스(2506 또는 2508)에서 수신된 업데이트에 기초하여 수시로 업데이트되거나 수정될 수 있다.
"연결된" 또는 "결합된"이라는 용어는 직접 결합(서로 결합되는 두 요소가 서로 접촉함) 및 간접 결합(적어도 하나의 추가 요소가 두 요소 사이에 위치함)을 모두 포함할 수 있다.
실시형태가 상세히 설명되었지만, 범위를 벗어나지 않고 본 명세서에서 다양한 변경, 대체 및 변경이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시형태로 제한되지 않는 것으로 의도된다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 설명된 대응하는 실시형태를 사용하는 것과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는, 현재 존재하거나 장래에 개발될 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 본 명세서로부터 쉽게 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 구성, 수단, 방법 또는 단계의 범위를 포함하는 것으로 의도된다.
이해될 수 있는 바와 같이, 위에서 설명되고 예시된 예는 단지 예시적인 것으로 의도된다.

Claims (41)

  1. AC 그리드에 결합될 때 통합 3상 AC 충전을 제공하는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차용 전력트레인(powertrain)으로서,
    제1 에너지 저장부와 제1 전압 소스 컨버터(VSC1)를 포함하는 상부 충전 스테이지, 제2 에너지 저장부와 제2 전압 소스 컨버터(VSC2)를 포함하는 하부 충전 스테이지를 포함하는 이중 인버터 구동 시스템으로서, 상기 제1 전압 소스 컨버터와 상기 제2 전압 소스 컨버터 사이에 결합된 개방형 권선 모터에 결합되고, 상기 개방형 권선 모터는 상기 제1 전압 소스 컨버터와 상기 제2 전압 소스 컨버터 각각의 대응하는 AC 단자에 각각 결합된 3개 이상의 모터 권선을 구비하는, 상기 이중 인버터 구동 시스템; 및
    상기 AC 그리드와 결합하기 위한 3개의 CSC AC 위상 단자, 양의 VSC1 DC 단자에서 상기 상부 충전 스테이지에 결합된 양의 CSC DC 단자, 및 음의 VSC2 DC 단자에서 상기 하부 충전 스테이지에 결합된 음의 CSC 단자를 포함하는 전류 소스 컨버터(current source converter: CSC)를 포함하되;
    상기 CSC는 제1 회로 레그, 제2 회로 레그 및 제3 회로 레그를 포함하고, 각각의 회로 레그는 상기 3개의 CSC AC 위상 단자의 대응하는 CSC AC 위상 단자에 대응하고, 각 회로 레그는 대응하는 CSC AC 위상 단자 및 상기 양의 CSC DC 단자에 결합된 적어도 하나의 상부 스위치, 및 대응하는 CSC AC 위상 단자 및 상기 음의 CSC DC 단자에 결합된 적어도 하나의 하부 스위치를 포함하고, 상기 상부 스위치와 하부 스위치 각각은 게이트 제어 신호에 의해 제어되고, 단 하나의 상부 스위치만이 온 상태(on-state)일 때, 상기 스위치는 상기 3개 이상의 모터 권선의 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도하고, 단 하나의 하부 스위치만이 동작할 때, 상기 스위치는 상기 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도하며;
    상기 게이트 제어 신호는 상기 AC 그리드와 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차 사이의 에너지 흐름을 제어하는 데 사용되는, 전력트레인.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력트레인은 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차 내에 존재하고, 상기 개방형 권선 모터는 운동을 제공하고, 상기 개방형 권선 모터가 운동을 제공하는 데 사용되지 않을 때 별도의 AC/DC 변환 회로 없이 상기 AC 그리드와 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차 사이의 에너지 흐름을 촉진하도록 동작할 수 있고, 상기 개방형 권선 모터는 운동을 제공하고 에너지 흐름을 촉진하는 데 모두 사용되는 자기 구성 요소(magnetic component)를 포함하는, 전력트레인.
  3. 제2항에 있어서, 제어기 회로는 운동 상태와 에너지 흐름 상태 사이에서 상기 개방형 권선 모터의 동작을 토글(toggle)하도록 구성된, 전력트레인.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 CSC와 상기 상부 충전 스테이지 및 상기 하부 충전 스테이지 사이에 결합된 극성 반전 회로로서, 상기 극성 반전 회로는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 음의 CSC DC 단자에서 상기 CSC에 결합되고, 상기 극성 반전 회로는 상기 양의 VSC1 DC 단자에서 상기 상부 충전 스테이지에 결합되고, 음의 VSC2 DC 단자에서 상기 하부 충전 스테이지에 결합된, 상기 극성 반전 회로를 더 포함하고;
    상기 극성 반전 회로는 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차가 상기 AC 그리드에 전력을 제공할 수 있도록 상기 이중 인버터 구동부에 의해 제공되는 역기전력의 극성을 반전시키도록 구성된, 전력트레인.
  5. 제4항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 상기 음의 VSC1 DC 단자에서 상기 상부 충전 스테이지에 결합되고, 양의 VSC2 DC 단자에서 상기 하부 충전 스테이지에 결합되고, 상기 CSC를 상기 이중 인버터 구동부에 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 상기 제1 상태는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 상기 제1 상태에서, 전력은 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차로 보내지고, 상기 제2 상태에서, 전력은 상기 AC 그리드로 보내지는, 전력트레인.
  6. 제4항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 상기 CSC를 상기 이중 인버터 구동부에 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 상기 제1 상태는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고; 상기 제1 상태에서, 전력은 상기 자동차로 보내지고, 상기 제2 상태에서, 전력은 상기 그리드로 보내지는, 전력트레인.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 쌍극 단투형(double pole single throw type) 기계식 스위치 또는 쌍극 쌍투형(double pole double throw type) 스위치를 포함하는, 전력트레인.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 적어도 4개의 반도체 스위치로 구성되고, 상기 적어도 4개의 반도체 스위치의 각 스위치는 하나의 CSC DC 단자를 하나의 VSC DC 단자에 결합시키는, 전력트레인.
  9. 제4항에 있어서, 상기 CSC의 각각의 위상은 2개의 스위치, 즉 상기 위상에 대응하는 상부 스위치, 및 상기 위상에 대응하는 하부 스위치와 연관되고, 상기 위상에 대응하는 상기 상부 스위치와 상기 하부 스위치 각각은 액세스 가능한 중간 지점을 갖는 제1 및 제2 직렬 연결된 서브스위치를 포함하고, 상기 제1 서브스위치는 양의 전압 차단 기능을 제공하고, 상기 제2 서브스위치는 음의 전압 차단 기능을 제공하며; 상기 극성 반전 회로는 제1 3상 스위치 네트워크와 제2 3상 스위치 네트워크를 포함하고, 각각의 3개의 위상 스위치 네트워크는 적어도 4개의 스위치, 즉 각 위상에 대한 3개의 스위치 및 제어 가능한 1개의 마스터 스위치를 포함하고; 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자는 전기적으로 결합되고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자는 전기적으로 결합되고; 상기 제1 3상 스위치 네트워크는 상기 3개의 상부 서브스위치의 중간 지점을 상기 이중 인버터 구동부에 결합시키고;
    상기 제2 3상 스위치 네트워크는 상기 3개의 하부 서브스위치의 중간 지점을 상기 이중 인버터 구동부에 결합시키고;
    상기 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고: 상기 제1 상태에서, 상기 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 오프 상태로 제어되고 상기 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 비활성 상태이고; 상기 제2 상태에서, 상기 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 온 상태로 제어되고 상기 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 활성 상태이고;
    상기 제1 상태에서, 전력은 상기 자동차로 보내지고;
    상기 제2 상태에서, 전력은 상기 AC 그리드로 보내지는, 전력트레인.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 3상 스위치 네트워크는 상기 음의 VSC1 DC 단자에 결합되고, 상기 제2 3상 스위치 네트워크는 상기 양의 VSC2 DC 단자에 결합되는, 전력트레인.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 3상 스위치 네트워크는 상기 음의 VSC2 DC 단자에 결합되고, 상기 제2 3상 스위치 네트워크는 상기 양의 VSC1 DC 단자에 결합되는, 전력트레인.
  12. 제1항에 있어서, 상기 AC 그리드는 입력 필터를 통해 상기 CSC에 결합되고, 상기 입력 필터는 상기 AC 그리드로 유입되는, 상기 전력트레인에 의해 생성된 고조파 전류를 필터링하도록 구성된, 전력트레인.
  13. 제1항에 있어서, 상기 CSC의 상부 스위치와 하부 스위치는 상기 AC 그리드와 교환되는 유효 전력과 무효 전력이 모두 별개로 제어되도록 구성된, 전력트레인.
  14. 제1항에 있어서, 상기 이중 인버터 구동부는, 에너지 저장 전압의 합이 상기 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 클 때 상기 AC 그리드와 상기 제1 또는 제2 에너지 저장부 사이에서 전력을 교환할 수 있도록 전압 부스팅(voltage boosting) 기능을 제공하는, 전력트레인.
  15. 제1항에 있어서, 상기 CSC는, 상기 에너지 저장부의 합이 상기 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 작을 때 상기 AC 그리드와 상기 제1 또는 제2 에너지 저장부 사이에서 전력을 교환할 수 있도록 전압 버킹(voltage bucking) 기능을 제공하는, 전력트레인.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 전압 소스 컨버터의 제1 에너지 저장부는 상기 제2 전압 소스 컨버터의 제2 에너지 저장부와 동일한 유형이거나 상이한 유형인, 전력트레인.
  17. 제1항에 있어서, 제어기는, 상기 제1 전압 소스 컨버터의 3개 이상의 위상의 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하고, 상기 제2 전압 소스 컨버터의 3개 이상의 위상의 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하여, 상기 제1 또는 제2 에너지 저장부로의 피크 전류 리플을 감소시킬 수 있도록 구성된, 전력트레인.
  18. 제1항에 있어서, 제어기는 동일한 모터 권선에 결합된 상기 제1 및 제2 전압 소스 컨버터 스위치의 게이팅 신호를 인터리빙하여, 권선 전류에서 피크 전류 리플을 감소시킬 수 있도록 구성된, 전력트레인.
  19. 제1항에 있어서, 제어기는, 상기 모터 권선 전류가 DC이고 상기 모터 권선 전류 각각이 동일한 DC 값인 것을 보장하여, 상기 개방형 권선 모터에서 토크를 생성하지 않도록 구성된, 전력트레인.
  20. 제1항에 있어서, 제어기는 상기 2개의 에너지 저장 디바이스가 상이한 전압에 있을 때와 같이 상기 제1 에너지 저장부와 상기 제2 에너지 저장부에 상이한 전력을 전달하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 제2 VSC의 하부 스위치의 듀티 사이클에 대해 상기 제1 VSC의 상부 스위치의 상대적 듀티 사이클을 조정함으로써 상이한 전력을 제공하도록 구성된, 전력트레인.
  21. AC 그리드에 결합된 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에서 통합 3상 AC 충전 방법으로서,
    제1 에너지 저장부와 제1 전압 소스 컨버터(VSC1)를 포함하는 상부 충전 스테이지, 및 제2 에너지 저장부와 제2 전압 소스 컨버터(VSC2)를 포함하는 하부 충전 스테이지를 포함하는 이중 인버터 구동 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 제1 전압 소스 컨버터와 상기 제2 전압 소스 컨버터 사이에 결합된 개방형 권선 모터에 결합되고, 상기 개방형 권선 모터는 상기 제1 전압 소스 컨버터 및 상기 제2 전압 소스 컨버터 각각의 대응하는 AC 단자에 각각 결합된 3개 이상의 모터 권선을 갖는, 상기 이중 인버터 구동 시스템을 제공하는 단계;
    상기 AC 그리드와 결합하기 위한 3개의 CSC AC 위상 단자, 양의 VSC1 DC 단자에서 상기 상부 충전 스테이지에 결합된 양의 CSC DC 단자, 및 음의 VSC2 DC 단자에서 상기 하부 충전 스테이지에 결합된 음의 CSC 단자를 포함하는 전류 소스 컨버터(CSC)를 제공하는 단계로서, 상기 CSC는 제1 회로 레그, 제2 회로 레그 및 제3 회로 레그를 포함하고, 각 회로 레그는 상기 3개의 CSC AC 위상 단자의 대응하는 CSC AC 위상 단자에 대응하고, 각 회로 레그는 대응하는 CSC AC 위상 단자 및 상기 양의 CSC DC 단자에 결합된 적어도 하나의 상부 스위치, 및 대응하는 CSC AC 위상 단자 및 상기 음의 CSC DC 단자에 결합된 적어도 하나의 하부 스위치를 포함하는, 상기 전류 소스 컨버터(CSC)를 제공하는 단계; 및
    상기 상부 스위치와 상기 하부 스위치를 동작시켜 상기 AC 그리드와 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차 사이의 에너지 흐름을 게이트 제어 신호를 통해 제어하는 단계로서, 단 하나의 상부 스위치만이 온 상태일 때, 상기 스위치는 상기 3개 이상의 모터 권선의 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도하고, 단 하나의 하부 스위치만이 동작할 때 상기 스위치는 상기 권선 전류의 합과 동일한 전류를 전도하는, 상기 에너지 흐름을 제어하는 단계를 포함하는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 이중 인버터 구동 시스템 및 상기 전류 소스 컨버터는 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차 내에 존재하는 전력트레인의 구성 요소이고, 상기 개방형 권선 모터는 운동을 제공하고, 상기 개방형 권선 모터가 운동을 제공하는 데 사용되지 않을 때 별도의 AC/DC 변환 회로 없이 상기 AC 그리드와 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차 사이의 에너지 흐름을 촉진하도록 동작할 수 있고, 상기 개방형 권선 모터는 운동을 제공하고 에너지 흐름을 촉진하는 데 모두 사용되는 자기 구성 요소를 포함하는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  23. 제22항에 있어서, 제어기 회로는 운동 상태와 에너지 흐름 상태 사이에서 상기 개방형 권선 모터의 동작을 토글하도록 구성된, 통합 3상 AC 충전 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 CSC와 상기 상부 충전 스테이지 및 상기 하부 충전 스테이지 사이에 결합된 극성 반전 회로를 제공하는 단계로서, 상기 극성 반전 회로는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 음의 CSC DC 단자에서 상기 CSC에 결합되고, 상기 극성 반전 회로는 상기 양의 VSC1 DC 단자에서 상기 상부 충전 스테이지에 결합되고, 상기 음의 VSC2 DC 단자에서 상기 하부 충전 스테이지에 결합되는, 상기 극성 반전 회로를 제공하는 단계; 및
    상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차가 상기 AC 그리드에 전력을 제공할 수 있도록 상기 이중 인버터 구동부에 의해 제공되는 역기전력의 극성을 상기 극성 반전 회로에 의해 반전시키는 단계를 더 포함하는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 상기 음의 VSC1 DC 단자에서 상기 상부 충전 스테이지에 결합되고, 양의 VSC2 DC 단자에서 상기 하부 충전 스테이지에 결합되고, 상기 CSC를 상기 이중 인버터 구동부에 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 상기 제1 상태는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 상기 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 상기 제1 상태에서, 전력은 상기 전기 자동차 또는 상기 하이브리드 전기 자동차로 보내지고, 상기 제2 상태에서, 전력은 상기 AC 그리드로 보내지는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 상기 CSC를 상기 이중 인버터 구동부에 연결하는 적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고; 상기 제1 상태는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고; 제2 상태는 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자를 결합시키고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자를 결합시키고; 상기 제1 상태에서, 전력은 상기 자동차로 보내지고, 상기 제2 상태에서, 전력은 상기 그리드로 보내지는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 쌍극 단투형 기계식 스위치 또는 쌍극 쌍투형 스위치를 포함하는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  28. 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 극성 반전 회로는 적어도 4개의 반도체 스위치로 구성되고, 상기 적어도 4개의 반도체 스위치의 각 스위치는 하나의 CSC DC 단자를 하나의 VSC DC 단자에 결합시키는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  29. 제24항에 있어서, 상기 CSC의 각각의 위상은 2개의 스위치, 즉 상기 위상에 대응하는 상부 스위치 및 상기 위상에 대응하는 하부 스위치와 연관되고, 상기 위상에 대응하는 상기 상부 스위치와 상기 하부 스위치 각각은 액세스 가능한 중간 지점을 갖는 제1 및 제2 직렬 연결된 서브스위치를 포함하고, 상기 제1 서브스위치는 양의 전압 차단 기능을 제공하고, 상기 제2 서브스위치는 음의 전압 차단 기능을 제공하며; 상기 극성 반전 회로는 제1 3상 스위치 네트워크와 제2 3상 스위치 네트워크를 포함하고, 각각의 3상 스위치 네트워크는 적어도 4개의 스위치, 즉 각각의 위상에 대한 3개의 스위치 및 제어 가능한 1개의 마스터 스위치를 포함하고; 상기 양의 CSC DC 단자와 상기 양의 VSC1 DC 단자는 전기적으로 결합되고, 상기 음의 CSC DC 단자와 상기 음의 VSC2 DC 단자는 전기적으로 결합되고; 상기 제1 3상 스위치 네트워크는 상기 3개의 상부 서브스위치의 중간 지점을 상기 이중 인버터 구동부에 결합시키고;
    상기 제2 3상 스위치 네트워크는 상기 3개의 하부 서브스위치의 중간 지점을 상기 이중 인버터 구동부에 결합시키고;
    상기 극성 반전 회로는 제1 상태와 제2 상태를 갖고, 상기 제1 상태에서, 상기 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 오프 상태로 제어되고 상기 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 비활성 상태이고; 상기 제2 상태에서, 상기 제1 및 제2 마스터 제어 스위치는 온 상태로 제어되고 상기 제1 및 제2 위상 스위치 네트워크는 활성 상태이고;
    상기 제1 상태에서, 전력은 상기 자동차로 보내지고;
    상기 제2 상태에서, 전력은 상기 AC 그리드로 보내지는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 제1 3상 스위치 네트워크는 상기 음의 VSC1 DC 단자에 결합되고, 상기 제2 3상 스위치 네트워크는 상기 양의 VSC2 DC 단자에 결합되는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 제1 3상 스위치 네트워크는 상기 음의 VSC2 DC 단자에 결합되고, 상기 제2 3상 스위치 네트워크는 상기 양의 VSC1 DC 단자에 결합되는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  32. 제21항에 있어서, 상기 AC 그리드는 입력 필터를 통해 상기 CSC에 결합되고, 상기 입력 필터는 상기 AC 그리드로 유입되는, 상기 방법에 의해 생성된 고조파 전류를 필터링하도록 구성된, 통합 3상 AC 충전 방법.
  33. 제21항에 있어서, 상기 CSC의 상부 스위치와 하부 스위치는 상기 AC 그리드와 교환되는 유효 전력과 무효 전력이 모두 별개로 제어되도록 구성된, 통합 3상 AC 충전 방법.
  34. 제21항에 있어서, 상기 이중 인버터 구동부는, 에너지 저장 전압의 합이 상기 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 클 때 상기 AC 그리드와 상기 제1 또는 제2 에너지 저장부 사이에서 전력을 교환할 수 있도록 전압 부스팅 기능을 제공하는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  35. 제21항에 있어서, 상기 CSC는, 에너지 저장부의 합이 상기 CSC DC 단자에 걸친 최대 평균 정류 전압보다 작을 때 상기 AC 그리드와 상기 제1 또는 제2 에너지 저장부 사이에 전력이 교환될 수 있도록 전압 버킹 기능을 제공하는, 통합 3상 AC 충전 방법.
  36. 제21항에 있어서, 상기 제1 전압 소스 컨버터의 제1 에너지 저장부는 상기 제2 전압 소스 컨버터의 제2 에너지 저장부와 동일한 유형이거나 상이한 유형인, 통합 3상 AC 충전 방법.
  37. 제21항에 있어서, 제어기는 상기 제1 전압 소스 컨버터의 3개 이상의 위상의 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하고, 상기 제2 전압 소스 컨버터의 3개 이상의 위상의 스위치에 대한 게이팅 신호를 인터리빙하여, 상기 제1 또는 제2 에너지 저장부로의 피크 전류 리플을 감소시킬 수 있도록 구성된, 통합 3상 AC 충전 방법.
  38. 제21항에 있어서, 제어기는 동일한 모터 권선에 결합된 상기 제1 및 제2 전압 소스 컨버터 스위치의 게이팅 신호를 인터리빙하여, 권선 전류에서 피크 전류 리플을 감소시키도록 구성된, 통합 3상 AC 충전 방법.
  39. 제21항에 있어서, 제어기는, 상기 모터 권선 전류가 DC이고 상기 모터 권선 전류 각각이 동일한 DC 값인 것을 보장하여, 상기 개방형 권선 모터에서 토크가 생성되지 않도록 구성된, 통합 3상 AC 충전 방법.
  40. 제21항에 있어서, 제어기는 상기 2개의 에너지 저장 디바이스가 상이한 전압에 있을 때와 같이 상기 제1 에너지 저장부와 상기 제2 에너지 저장부에 상이한 전력을 전달하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 제2 VSC의 하부 스위치의 듀티 사이클에 대해 상기 제1 VSC의 상부 스위치의 상대적 듀티 사이클을 조정함으로써 상이한 전력을 제공하도록 구성된, 통합 3상 AC 충전 방법.
  41. 기계-해석 가능한 명령어 세트를 저장하는 비-일시적인 기계 판독 가능 매체로서, 상기 명령어 세트는, 실행될 때, 프로세서로 하여금, AC 그리드에 결합된 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차에 제21항 내지 제40항 중 어느 한 항에 따른 통합 3상 AC 충전 방법을 수행하게 하는, 비-일시적인 기계 판독 가능 매체.
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