KR20210076050A - 차량의 다중 소스 및 관련 고전압 토폴로지를 위한 다상 인버터 - Google Patents

차량의 다중 소스 및 관련 고전압 토폴로지를 위한 다상 인버터 Download PDF

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Abstract

DC 전기 에너지 저장소 및 DC 전기 에너지 소스와 함께 AC 전기 모터를 동작시키기 위한 전기 시스템이 제공된다. 상기 전기 시스템은 다상 인버터 또는 인버터 세트를 포함하고, 상기 인버터 또는 인버터들의 다수의 AC 위상은 상기 모터에 결합되고, 상기 인버터 또는 인버터들의 개별 DC 연결은 상기 DC 전기 에너지 소스 및 상기 DC 전기 에너지 저장소에 결합된다.

Description

차량의 다중 소스 및 관련 고전압 토폴로지를 위한 다상 인버터
본 발명은 인버터 구성에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 구동 모터, 구동부 또는 견인 배터리 및 연료 전지를 갖는 차량에 유리한 구성에 관한 것이다. 본 발명은 상이한 전력 공급원 및 충전 장치의 조합을 갖는 시스템을 개선하고, 관련 방법을 제공하며, 재충전 가능한 배터리 및/또는 연료 전지에 의해 전력을 공급받는 모터 또는 교류 발전기 분야에 위치한다. 본 발명은 유리하게는 연료 전지 및/또는 배터리가 인버터를 통해 모터에 전력을 공급할 수 있고 자동차가 정지 상태일 때 전기 네트워크로부터 재충전될 수 있는 전기 자동차에 적용될 수 있다.
하이브리드 전기 자동차(HEV) 및 배터리 전기 자동차(BEV)를 포함한 전기 자동차는 일반적으로 추진용 전기 드라이브 또는 견인 모터 또는 기계에 전력을 제공하는 견인(또는 고전압) 배터리를 포함한다. 전력 인버터는 직류(DC) 전력을 교류(AC) 전력으로 변환하는 데 사용된다. 일반적인 AC 견인 기계는 120도 위상 분리로 각각 구동되는 3개의 정현파 전류에 의해 전력 공급될 수 있는 3상 모터이지만, 임의의 수의 위상을 예상할 수 있다. 특히 구동 모터는 6개의 위상을 가질 수 있다.
전기 차량은 연료 전지를 사용하여 유일한 전기 전력 공급원으로 전기 전력을 배터리와 모터에 제공할 수 있고 또는 외부 DC 또는 AC 네트워크 공급원을 사용하여 배터리를 충전할 수 있다.
고전압 배터리를 재충전하기 위해 차량에는 배터리를 충전하기 위해 전기 네트워크에서 AC 전력을 정류할 수 있는 AC/DC 컨버터를 포함하는 내장형 충전 장치가 장착되어 있다. 차량에는 네트워크 전압 레벨을 배터리의 전압 레벨에 맞게 조정하기 위해 DC/DC 컨버터가 장착될 수도 있다.
이러한 구성에서, 배터리와 연료 전지는 DC 요소이고, 구동 모터는 AC 요소일 수 있으며, 인버터는 서로 다른 요소 사이에서 전기 에너지를 전달하는 데 사용될 수 있다.
인버터 또는 인버터들은 전체 내용이 본 명세서에 병합된 출원 WO 2017211655 Al, WO 2017211656 Al 및 WO 2017211657 Al에 개시된 바와 같이 아날로그 위상 전압 인버터일 수 있다. 아날로그 위상 전압(APV) 인버터는 일반적으로 고주파(예를 들어, >200kHz)의 하프 브리지(half bridge) 또는 H-브리지 부스트 컨버터를 사용하여 AC 전압과 DC 전압 간에 필요한 변환을 수행한다.
일부 구성에서, 연료 전지와 배터리는 하나 이상의 DC/DC 컨버터 및 DC 링크와 다른 토폴로지로 연결될 수 있다. 모터를 구동하는 인버터도 DC 링크에 연결될 수 있다.
그러나 배터리와 연료 전지(또는 다수의 경우 각각)를 갖는 차량의 요소의 수를 고려할 때, 비용, 특히 전압 컨버터 및 인버터용 전자 장치의 비용을 최적화하기 위해 상호 연결 토폴로지의 복잡성을 줄이는 것이 유리할 수 있다.
특히 인버터 또는 인버터들의 전력 스위치는 높은 전류 및/또는 전압 요구 사항으로 인해 추가 비용을 추가할 수 있다. 일반적인 전력 스위치는 MOSFET 또는 IGBT일 수 있다. 수반된 전력 저장 요소, 전력 생성 요소 또는 전력 소비 요소가 많을수록 비용이 높아진다. 따라서, 특히 다수의 전력 저장 요소, 전력 생성 요소 및 전력 소비 요소가 존재하는 아키텍처 및 토폴로지에서, 전력 전자 장치의 비용을 줄이는 접근 방식을 찾는 것이 바람직할 수 있다.
일부 시스템에서, 배터리와 인버터 간의 고전압 DC 링크는 구동 트레인 인버터와 배터리 전압 간에 전압 독립성을 제공한다. 고주파(>200kHz)에서 동작하는 하프 브리지 부스트 컨버터인 아날로그 위상 전압 인버터(APV)를 사용하면 부스트된 전압 측에서 정현파를 생성할 수 있다.
전력 공급원 서브시스템 및 충전 서브시스템의 전기 구성 요소는 추가 비용을 추가할 수 있다. 모터에 전력을 공급하고 배터리를 충전하는 것은 상이한 위상에서 수행된다. 따라서, 전기 모터에 전력을 공급하는 데 사용되는 구성 요소를 재사용하여 전력 전송 및 배터리 충전을 구현하는 것이 유리할 수 있다. 또한 유리한 개념의 일부로 모터를 재사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 DC 전기 에너지 소스와 전기 기계 또는 모터 사이, 그리고 DC 전기 에너지 저장소 및 전기 기계 또는 모터 사이에 AC 위상을 사용하는 다상 인버터 또는 인버터 세트를 포함한다. 인버터 또는 인버터들의 DC 측은 배터리와 같은 전기 에너지 저장소에 결합될 수 있고/있거나 연료 전지와 같은 전기 에너지 소스에 결합될 수 있다. 특히 유리한 구현은 2개의 3상 APV 인버터를 포함하고, 여기서 AC 측에서 동일한 전기 기계(e-기계) 또는 모터에 연결되고 DC 측에서 하나는 배터리에 연결되고 다른 하나는 연료 전지에 연결된다. AC 위상은 DC 에너지 저장소와 에너지 소스 요소 사이에 AC 링크를 형성한다.
실시예에서, 공유 AC 위상을 사용하여 하나의 모터를 구동하기 위해 2개의 인버터를 사용할 수 있다. 예를 들어, 인버터는 모터 또는 e-기계를 구동하기 위해 3개의 AC 위상을 공유할 수 있다. 다른 실시예는 상호 연결되지 않은 위상을 사용할 수 있고; 오히려 각 인버터는 다상 모터의 개별 위상을 구동한다. 3상 인버터의 경우 결과 구성은 e-기계 또는 모터를 구동하는 데 이용할 수 있는 6개의 위상을 가진다. 따라서, 제1 인버터를 통한 전기 저장소(배터리)와 연관된 회로부와, 제2 인버터를 통한 전기 소스(연료 전지)와 연관된 회로부 사이에 엄격한 갈바닉 분리를 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 둘 다 충전 소스로서 AC 네트워크 또는 전기 그리드에 연결하기 위해, 예를 들어 배터리를 위해 및/또는 전기 전력을 수신하기 위해 인버터의 H-브리지를 사용할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 둘 다 충전 소스로서 DC 네트워크 또는 전기 그리드에 연결하기 위해, 예를 들어 배터리를 위해 및/또는 전기 전력을 수신하기 위해 인버터의 H-브리지를 사용할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 전기 구동 차량에 사용되는 배터리 및 연료 전지의 다양한 토폴로지를 도시한다.
도 2는 AC 모터에 결합된 2개의 APV 인버터를 사용하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 AC 모터에 결합된 2개의 APV 인버터를 사용하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다.
연료 전지 차량의 가능한 기본 전기 토폴로지는 도 1a 내지 도 lc에 개략적으로 도시되어 있다. 도 1a는 인버터(INV1a)의 AC 측이 전기 모터 또는 e-기계(EM)를 구동하는 토폴로지를 도시한다. 이어서 모터는 휠(wheel)을 구동한다. 인버터의 DC 측은 연료 전지 시스템(FC)으로부터 전력을 공급받고 연료 전지 시스템에 연결된다. 연료 전지와 인버터 사이의 DC 연결은 또한 DC-DC 컨버터(CV1a)에 전기적으로 연결되거나 결합되며, 이 DC-DC 컨버터는 고전압 DC 배터리(HV)에 연결된다. 이 토폴로지에서 연료 전지와 인버터의 DC 측은 일반적으로 연료 전지 시스템에 적합한 동작 전압에 의해 결정되는 공통 DC 전압에서 동작한다. 전기 또는 견인 모터(EM)의 AC 전압은 모터 및 이 모터로부터 원하는 드라이브에 적절한 인버터에 의해 결정된다.
도 1b는 다른 토폴로지를 도시한다. 다시, 인버터(INV1b)의 AC 측은 전기 모터 또는 e-기계(EM)를 구동한다. 모터는 휠을 구동한다. 인버터의 DC 측은 고전압 DC 배터리(HV)로부터 전력을 공급받고 고전압 DC 배터리에 연결된다. 배터리와 인버터 사이의 DC 연결은 또한 DC-DC 컨버터(CV1b)에 전기적으로 연결되거나 결합되고, 이 DC-DC 컨버터는 연료 전지 시스템(FC)에 연결된다. 이 토폴로지에서 배터리와 인버터의 DC 측은 일반적으로 배터리의 적절한 동작 전압에 의해 결정되는 공통 DC 전압에서 동작한다. 연료 전지의 전압은 DC-DC 컨버터의 동작으로 인해 배터리 전압과 독립적이다. 전기 또는 견인 모터(EM)의 상이한 위상에 대한 AC 전압은 모터 및 이 모터로부터 원하는 드라이브에 적절한 것으로 결정되고, DC 전압과 실질적으로 독립적이다.
도 1c는 또 다른 토폴로지를 도시한다. 인버터(INV1c)의 AC 측은 전기 모터 또는 e-기계(EM)를 구동한다. 인버터의 DC 측은 2개의 DC-DC 컨버터(CV1c 및 CV2c)로부터 전력을 공급받고 이 2개의 DC-DC 컨버터에 연결된다. DC-DC 컨버터(CV1a)는 고전압 DC 배터리(HV)에 연결된다. DC-DC 컨버터(CV1b)는 연료 전지 시스템(FC)에 연결된다. 이 토폴로지에서 연료 전지의 전압과 배터리 전압은 2개의 DC-DC 컨버터의 동작으로 인해 서로 독립적이고 인버터의 DC 측과 독립적이며 그 반대도 그러하다. 전기 또는 견인 모터(EM)의 다른 위상에 대한 AC 전압은 여전히 모터 및 이 모터로부터 원하는 드라이브에 적절한 것으로 결정되고, DC 전압과 실질적으로 독립적으로 유지된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예는 2개의 인버터(INV1 및 INV2)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 제1 인버터는 이 실시예에서 DC 측에서 배터리와 같은 DC 에너지 저장소(ESI)에 전기적으로 연결된 것으로 도시되어 있다. 제2 인버터는 이 실시예에서 연료 전지와 같은 DC 에너지 소스(ES2)에 전기적으로 연결된 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예는 추가 에너지 저장소 또는 소스에 결합된 추가 인버터를 포함할 수 있다. 두 인버터는 모두 AC 측에서 EM으로 도시된 전기 모터 또는 전기 기계(e-모터 또는 e-기계)에 전기적으로 연결된 것으로 도시되어 있다. 이 연결은 PH1, PH2, PH3으로 도시된 3개의 AC 위상을 통해 이루어진다.
이 실시예에서, INV1 및 INV2는 모두 다상 인버터이고, 인버터 또는 인버터들의 다수의 AC 위상은 모터에 결합되도록 구성된다. DC 전기 에너지 소스와 DC 전기 에너지 저장소 사이에 DC 전기 연결이 없도록 인버터 또는 인버터들의 개별 DC 연결은 DC 전기 에너지 소스와 DC 전기 에너지 저장소에 결합되도록 구성된다.
AC 충전기(AC-N)와의 선택적 연결은 인버터(INV2)의 일부로 도시된다. 이 연결은 인버터(2)의 H-브리지(HB1, HB2, HB3)를 사용한다. 충전기(AC-N)는 AC-N으로 AC 네트워크에 전력을 공급하는 연결로 대체될 수 있고, 또는 AC-N은 AC 전력 네트워크에 양방향 연결일 수 있다. 시스템이 차량에 구현될 때, AC-N은 예를 들어 주차 차고 또는 주차장에서 고정된 AC 네트워크와의 연결일 수 있다.
인버터(INV1, INV2)는, 필요에 따라 전압 레벨을 변환하기 위해 각 인버터의 인덕터(L1, L2, L3)에 걸쳐 더 높은 주파수를 사용하는 바람직하게는 APV 네트워크이다. 각 인버터는 3개의 H 브리지(HB1, HB2, HB3)를 가진다. 각 H-브리지는 HS라고 표시된 4개의 스위치를 포함한다. 실시예에서 전력 스위치는 MOSFET 또는 IGBT, 또는 다른 반도체 장치 또는 다른 전기 스위치일 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 도 3은 2개의 인버터(INV1 및 INV2)를 갖는 본 발명의 일 실시예를 도시하고, 여기서 INV1과 INV2의 AC 측 사이에는 전기적 연결이 없다. 제1 인버터는 이 실시예에서 DC 측에서 배터리와 같은 DC 에너지 저장소(ESI)에 전기적으로 연결된 것으로 도시되어 있다. 제2 인버터는 이 실시예에서 연료 전지와 같은 DC 에너지 소스(ES2)에 전기적으로 연결된 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예는 추가 에너지 저장소 또는 소스에 결합된 추가 인버터를 포함할 수 있다. 각 인버터는 AC 측에서 EM으로 표시된 전기 모터 또는 전기 기계(e-모터 또는 e-기계)의 개별 위상에 별개로 전기적으로 연결된 것으로 도시된다.
AC 측의 인버터(INV1)는 전기 모터(EM)를 위한 3상(PH1, PH2, PH3)을 생성한다. 마찬가지로 AC 측의 인버터(INV2)는 전기 모터(EM)를 위한 3개의 추가 위상(PH4, PH5, PH6)을 생성한다. 2 x 3 위상 구성이 일례로서 주어지고, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 특히 전기 모터(EM)의 기계적 구성에 따라 가능한 다른 구성을 인식할 수 있을 것이다. 시스템의 요구 사항에 따라 위상(PH1, PH2, PH3 및 PH4, PH5, PH6)의 전기적 활성화는 동시에 0도에서 오프셋될 수 있다(예를 들어, 동시에 PH1과 PH4). 대안적으로, 위상은 60도 또는 일부 다른 오프셋으로 오프셋될 수 있다.
도 2에서와 같이, AC 충전기 또는 네트워크(콘센트)와의 선택적 연결은 인버터(INV2)의 일부인 (AC-N)으로 도시되어 있다.

Claims (15)

  1. DC 전기 에너지 저장소 및 DC 전기 에너지 소스와 함께 AC 전기 모터를 동작시키기 위한 전기 시스템으로서,
    다상 인버터 또는 인버터 세트를 포함하되,
    상기 인버터 또는 인버터들의 다수의 AC 위상은 상기 모터에 결합되도록 구성되고, 상기 인버터 또는 인버터들의 개별 DC 연결은 상기 DC 전기 에너지 소스 및 상기 DC 전기 에너지 저장소에 결합되도록 구성되어, 상기 DC 전기 에너지 소스와 상기 DC 전기 에너지 저장소 사이에는 DC 전기 연결이 없는, 전기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 DC 소스에 결합되도록 구성된 인버터의 다수의 AC 위상은 상기 DC 저장소에 결합된 인버터의 다수의 AC 위상에 전기적으로 연결된, 전기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 DC 소스에 결합되도록 구성된 인버터의 AC 위상은 상기 DC 저장소에 결합된 인버터에 전기적으로 연결되지 않는, 전기 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 DC 전기 에너지 저장소는 배터리인, 전기 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 DC 전기 에너지 소스는 연료 전지인, 전기 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 인버터 또는 인버터들은 추가 DC 전기 에너지 저장소 및/또는 추가 DC 전기 에너지 소스에 결합되도록 구성된, 전기 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 인버터의 2개의 H-브리지는 DC 네트워크에 전기적으로 연결되도록 더 구성된, 전기 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 인버터 또는 인버터들의 적어도 2개의 H-브리지는 AC 네트워크에 전기적으로 연결되도록 구성된, 전기 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 인버터 또는 인버터들의 3개의 H-브리지는 상기 AC 네트워크에 전기적으로 연결되도록 구성된, 전기 시스템.
  10. DC 전기 에너지 저장소 및 DC 전기 에너지 소스와 함께 AC 전기 모터를 포함하는 전기 시스템을 동작시키는 방법으로서,
    상기 모터에 다수의 AC 위상 전기 전력을 제공하기 위해 다상 인버터 또는 인버터 세트가 사용되고, 상기 인버터 또는 인버터들의 개별 DC 연결은 상기 DC 전기 에너지 소스와 상기 DC 전기 에너지 저장소로 및 상기 DC 전기 에너지 소스와 상기 DC 전기 에너지 저장소로부터 전기 전력을 전달하는 데 사용되는, 전기 시스템을 동작시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 DC 소스로부터 전기 전력을 전달하는 상기 인버터의 다수의 AC 위상은 상기 DC 저장소로 그리고 상기 DC 저장소로부터 전기 전력을 전달하는 인버터의 다수의 AC 위상에 전기적으로 연결되는, 전기 시스템을 동작시키는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 DC 소스로부터 전기 전력을 전달하는 상기 인버터의 AC 위상은 상기 DC 저장소로 그리고 상기 DC 저장소로부터 전기 전력을 전달하는 인버터의 AC 위상에 전기적으로 연결되지 않는, 전기 시스템을 동작시키는 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC 전기 에너지 저장소는 배터리인, 전기 시스템을 동작시키는 방법.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC 전기 에너지 소스는 연료 전지인, 전기 시스템을 동작시키는 방법.
  15. 전기 자동차로서,
    AC 전기 구동 또는 견인 모터, 배터리, 연료 전지, 및 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하되,
    상기 시스템은 상기 전기 모터, 상기 배터리 및 상기 연료 전지에 전기적으로 결합된, 전기 자동차.
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