KR20220062623A - 구성 가능한 dc-dc 컨버터 회로 및 차량 전기 시스템 - Google Patents

구성 가능한 dc-dc 컨버터 회로 및 차량 전기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 제1 DC 전압 연결부(A1)와 제2 DC 전압 연결부(A2)를 구비하고, 제1 DC 전압 연결부(A1)는 구성 회로를 통해 복수의 갈바닉 절연 DC-DC 컨버터(W1, W2)에 연결된, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS)에 관한 것이다. 구성 회로는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 포함하고, 이 제1 스위치와 제2 스위치 사이에 전환 스위치(UM)가 제공되고, 이 전환 스위치는 제1 스위칭 위치(1)에 있을 때 다이오드 디바이스(D)를 통해 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 서로 연결하고, 제2 스위칭 위치(P2)에 있을 때 저항기(R)를 통해 제1 스위치(S1)와 제2 스위치(S2)를 서로 연결한다. DC-DC 컨버터(W1, W2)는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)에 연결된다. 전환 스위치(UM)가 제1 전환 위치(1)에 있고 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 제1 구성 위치(K1)에 닫히면, DC-DC 컨버터(W1, W2)는 서로 병렬로 연결된다. 전환 스위치(UM)가 제1 스위칭 위치(1)에 있고 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 여는 제2 구성 위치(K2)에 있으면, DC-DC 컨버터(W1, W2)는 다이오드 디바이스(D)를 통해 서로 직렬로 연결된다.

Description

구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로 및 차량 전기 시스템
본 발명은 차량 전기 시스템을 위한 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로에 관한 것이다.
충전 연결부를 통해 충전 스테이션에 의해 전기 저장 유닛을 충전하기 위해 충전 연결부를 갖는 전기 저장 유닛이 차량에 제공되는 것이 알려진 관행이다. 첫째, AC 전압을 제공하는 충전 스테이션의 경우 정류된 DC 전압으로 전기 저장 유닛을 충전하므로 전류의 유형을 변환할 필요가 있다. 둘째, AC 전압의 전압 레벨은 공급 네트워크와, 사용되는 AC 네트워크의 위상의 수에 의해 정해지고, 그 결과 상이한 전압 범위에 도달한다. 온보드 전기 시스템 분기의 구성 요소는 전압 컨버터를 통해 전력을 공급받아 이러한 구성 요소와 배터리에 상이한 전압이 공급될 수 있다. 또한, 충전 시작 시 전류 스파이크를 피하고 충전 종료 후 접촉 전압을 피하기 위해 충전 프로세스 시작 전과 종료 후에는 전압 컨버터에 제공되는 커패시터와 같은 저장 요소를 사전 충전하거나 방전하여야 한다.
본 발명의 목적은 이러한 기능을 간단한 방식으로 실현할 수 있는 가능성을 제시하는 것이다.
따라서, 차량 전기 시스템을 위한 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로가 제공되고, 이 DC-DC 컨버터 회로는 컨버터의 병렬/직렬 구성을 통해 단상 및 다상 AC 충전이 가능하고, 여기서 DC-DC 컨버터의 DC 링크 커패시터를 사전 충전할 수 있는 사전 충전/방전 기능이 구성 회로에 통합된다. 컨버터는 구성 회로에 의해 입력 측에서 병렬 또는 직렬로 구성된다. 이에 따라 조정 가능한 방식으로 이러한 직렬 또는 병렬 구성을 허용하는 구성 회로는 컨버터의 상류에 연결된다. 이 구성 회로에서, 해당 스위치에 더하여, 전환 스위치를 통해 구성 회로 내에서 연결될 수 있고 사전 충전 또는 방전을 허용하는 저항기도 제공된다. 컨버터의 병렬/직렬 구성(줄여서 구성)에 사용되는 구성 스위치는 저항기를 방전을 위해 사용할지 또는 사전 충전을 위해 사용할지 여부를 설정하는 데에도 사용된다.
따라서 특히 차량 전기 시스템에 사용되는 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로가 제안된다. 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로는 제1 DC 전압 연결부와 제2 DC 전압 연결부를 가진다. 제1 DC 전압 연결부는 입력에 해당하며, 정류기에 연결되도록 설계된다. 제2 DC 전압 연결부는 충전식 배터리, 특히 차량 전기 시스템의 견인 충전식 배터리를 연결하는 데 사용된다. 따라서 제2 DC 전압 연결부는 충전식 배터리, 특히 고전압 충전식 배터리에 연결되도록 설계된다. 따라서 제2 DC 전압 연결부는 충전식 배터리 연결부이다.
제1 DC 전압 연결부는 정류기에 연결되고 정류기로부터 정류된 충전 전압을 수신할 수 있도록 설계된다. 구성 회로는 제1 DC 전압 연결부의 하류에 연결된다. 제1 DC 전압 연결부는 구성 회로를 통해 복수의 DC-DC 컨버터, 특히 그 입력에 연결된다. DC-DC 컨버터는 갈바닉 절연형이다. 컨버터 및 특히 그 DC 링크 커패시터는 구성 회로에 의해 서로 병렬 또는 직렬로 선택적으로 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 고전압 입력의 경우 컨버터의 직렬 구성이 제공될 수 있고, 그 결과 컨버터의 DC 링크 커패시터는 각각 전체 입력 전압의 절반만을 수신한다. 커패시턴스를 증가시키기 위해, 컨버터는 제1 DC 전압 연결부의 입력 전압이 비교적 낮을 때 서로 병렬로 연결된다.
구성 회로는 제1 및 제2 스위치를 가진다. 이 두 스위치 사이에 전환 스위치가 제공된다. 전환 스위치는 두 개의 전환 위치를 가진다. 제1 스위칭 위치에서, 전환 스위치는 다이오드 디바이스를 통해 제1 스위치와 제2 스위치를 연결한다. 제2 스위칭 위치에서, 전환 스위치는 저항기를 통해 제1 스위치와 제2 스위치를 연결한다. 다이오드 디바이스는 특히 단상 충전의 경우, 즉 단상 AC 전압이 상류 정류기에 인가될 때 중성 도체 전위를 연결하는 데 사용된다. 저항기는 DC-DC 컨버터의 커패시터가 방전되거나 사전 충전될 때 전류를 제한하는 데 사용된다.
DC-DC 컨버터는 제1 및 제2 스위치에 연결된다. 따라서 DC-DC 컨버터는 구성 회로에 연결되지만 방식은 다르다. 전환 스위치가 제1 전환 위치에 있으면 DC-DC 컨버터는 제1 및 제2 스위치에 연결된다. 다시 말해, 제1 스위칭 위치에서, 전환 스위치는 DC-DC 컨버터를 구성 회로의 스위치(제1 및 제2 스위치)에 연결한다. 컨버터와 스위치 사이의 연결은 십자형 연결이다. 이 경우, 제1 DC-DC 컨버터는 구성 회로의 제2 스위치에 연결되고, 제2 컨버터는 구성 회로의 제1 스위치에 연결된다.
제1 스위칭 위치에서, 전환 스위치는 닫힌 상태의 제1 및 제2 스위치를 통해 DC-DC 컨버터를 서로 병렬로 연결한다. 제1 스위칭 위치의 전환 스위치와 열린 상태의 두 스위치는 다이오드 디바이스를 통해 DC-DC 컨버터를 서로 직렬로 연결한다. 제1 및 제2 스위치의 닫힌 위치는 또한 제1 구성 위치로도 지칭된다. 제1 및 제2 스위치의 열린 위치는 제2 구성 위치로 지칭된다. 제1 스위칭 위치의 전환 스위치와 제1 구성 위치의 스위치들은 DC-DC 컨버터를 서로 병렬로 (특히 직접) 연결한다. 제1 스위칭 위치의 전환 스위치와 제2 구성 위치의 스위치들은 다이오드 디바이스를 통해 DC-DC 컨버터를 연결하지만 직접 연결하지는 않는다.
전환 스위치는 중심 연결부와 두 개의 선택 가능한 접점을 갖고, 이들 접점 중 하나는 (스위칭 위치에 따라) 중심 연결부에 연결된다. 선택 가능한 접점은 선택 가능한 연결부라고도 지칭될 수 있다. 제1 스위치와 제2 스위치는 단순 연결 접점 또는 차단 접점으로 설계될 수 있다. 각각의 스위치는 제1 DC 전압 연결부의 전위 중 하나에 각각 연결된다. 제1 스위치는 다이오드 디바이스를 통해 전환 스위치, 특히 선택 가능한 접점 중 제1 접점에 연결된다. 제1 스위치는 저항기를 통해 전환 스위치의 선택 가능한 제2 접점에 연결된다(즉, 제1 스위치는 저항기를 통해 전환 스위치에 연결된다). 제2 스위치는 전환 스위치의 중심 연결부에 연결된다. 제1 스위치는 제1 DC 전압 연결부의 제1 전위를 연결 지점에 스위칭 가능한 방식으로 연결한다. 다이오드 디바이스는 연결 지점을 통해 저항기에 연결된다. 다이오드 디바이스는 연결 지점을 전환 스위치의 제1 선택 가능한 접점에 연결한다. 저항기는 연결 지점(즉, 제1 스위치)을 전환 스위치의 선택 가능한 접점 중 제2 접점에 연결한다. 제2 스위치는 전환 스위치의 중심 연결부를 DC 전압 연결부의 제2 전위에 스위칭 가능한 방식으로 연결한다.
제1 스위치는 제1 DC 전압 연결부의 제1 전위를 두 경로 중 하나에 스위칭 가능한 방식으로 연결하며, 이들 경로는 전환 스위치에 의해 선택될 수 있고, 그리고 이것은 (선택적으로) 제1 스위치를 전환 스위치에 연결하고 이에 따라 제2 스위치에 개별적으로 연결한다. 제1 경로는 다이오드 디바이스를 포함하고 제2 경로는 저항기를 포함한다. 언급된 바와 같이, 전환 스위치가 제1 스위치를 제2 스위치와 직렬로 연결하는 경로는 전환 스위치에 의해 선택될 수 있다. DC-DC 컨버터는 경로의 다른 쪽에 연결된다. 제2 스위치는 전환 스위치를 통해 그리고 전환 스위치로부터 제1 스위치까지 병렬로 이어지는 두 경로를 통해 제1 스위치에 연결된다. 2개의 경로는 제1 스위치에 대한 연결부에 의해 서로 연결된다. 특히, 전압 컨버터는 상이한 스위치(제1 및 제2 스위치)에 연결된다. 전환 스위치와 다이오드 디바이스 및 저항기는 DC-DC 컨버터와 구성 회로 간의 연결 지점 사이에 위치된다(제1 DC 전압 연결부의 전위와 컨버터 사이의 연결부는 제외). 특히, 다이오드 디바이스와 저항기를 각각 포함하는 두 개의 경로와 전환 스위치가 이들 지점 사이에 제공된다.
다이오드 디바이스는 바람직하게는 2개의 다이오드를 포함한다. 이 다이오드는 연결 지점을 통해 서로 연결되고, 특히 서로 직렬로 연결된다. 두 개의 다이오드는 같은 방향으로 서로 연결된다. 따라서 제1 다이오드의 순방향은 제2 다이오드의 순방향에 해당하며, 이것은 다이오드 디바이스의 단부 지점과 관련되거나 또는 두 다이오드의 직렬 연결부의 단부와 관련된다. 다이오드 디바이스의 다이오드는 DC 전압 연결부의 전위에 대해 역 바이어스된다. 특히, 다이오드 디바이스의 다이오드는, 제1 스위치가 DC 전압 연결부의 양의 공급 전위에 연결되고 제2 스위치가 DC 전압 연결부의 음의 전위에 연결되는 경우, 제2 스위치로부터 제1 스위치로 이어지는 방향으로 꺼지거나 또는 전환 스위치로부터 제1 스위치로 이어지는 방향으로 꺼진다.
DC-DC 컨버터 회로는 중성 도체 연결부를 더 포함한다. 이 중성 도체 연결부는 (DC-DC 컨버터 회로의 상류에 연결될 수 있는 정류기에 연결될 수 있는) AC 전압의 중성 도체에 연결되도록 설계된다. 다이오드 디바이스는 연결 지점을 통해 서로 연결된 2개의 다이오드를 포함하고, 중성 도체 연결부는 연결 지점에 연결된다. 따라서 중성 도체 연결부는 두 다이오드 사이의 지점에 연결된다. 다상 충전의 경우 이것은 비대칭 전류를 소산시키는 역할을 한다.
구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로는 온보드 전기 시스템 분기 연결부를 가질 수 있다. 이 온보드 전기 시스템 분기 연결부는 온보드 전기 시스템 분기의 구성요소에 연결되도록 설계된다. 온보드 전기 시스템 분기는 DC-DC 컨버터에 연결되고, 특히 구성 회로(그리고 이에 따라 제1 DC 전압 연결부)에 연결된 DC-DC 컨버터 측에 연결된다. 제1 DC 전압 연결부와는 반대쪽 DC-DC 컨버터 측은 특히 병렬 형태로 서로 연결된다. 이 병렬 연결부는 이어서 온보드 전기 시스템 분기 연결부에 연결된다. 제1 DC 전압 연결부와는 반대쪽 DC-DC 컨버터 측은 또한 서로 직렬로 연결될 수도 있다.
DC-DC 컨버터는 각각 특히 구성 회로 또는 제1 DC 전압 연결부를 향하는 DC-DC 컨버터 측에 DC 링크 커패시터를 갖는 것으로 제공될 수도 있다. DC 링크 커패시터는 DC-DC 컨버터의 각 측과 병렬로 연결되거나, 병렬 연결로 연결될 때 구성 회로에 연결된 각각의 컨버터의 연결부에 연결된다. 제1 DC 전압 연결부 또는 구성 회로를 향하는 DC-DC 컨버터 측은 입력 측이라고도 지칭될 수 있다. 컨버터의 반대 측은 출력 측이라고 지칭될 수 있다. 출력 측은 서로 병렬로 연결되고, 온보드 전기 시스템 분기 연결부에도 연결된다. DC-DC 컨버터의 입력 측에는 각각 DC 링크 커패시터 역할을 하는 병렬 커패시터가 제공된다. DC-DC 컨버터의 입력 측은 구성 회로에 연결된다.
구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로는 제어기를 더 포함할 수 있다. 이 제어기는 전환 스위치, 제1 스위치 및 제2 스위치에 작동 가능한 방식으로 연결된다. 제어기는 전환 스위치가 제1 전환 위치에 있는 공급 모드와, 전환 스위치가 제2 전환 위치에 있는 사전 충전/방전 모드 중 적어도 하나의 모드를 포함한다. 다시 말해, 제어기는 다이오드 디바이스를 통해 두 스위치를 서로 연결하는 방식으로 전환 스위치를 공급 모드로 설정한다. 사전 충전/방전 모드에서 전환 스위치는 저항기를 통해 제1 스위치를 제2 스위치에 연결한다. 따라서 제1 스위칭 위치에서 전환 스위치는 다이오드 디바이스를 통해 제1 스위치를 제2 스위치에 연결하는 경로를 선택한다. 사전 충전/방전 모드에서 전환 스위치는 저항기를 통해 제1 스위치를 제2 스위치에 연결하는 경로를 선택한다. 공급 모드에서 선택된 경로는 다이오드 디바이스를 통해 라우팅된다. 공급 모드에서 선택된 경로는 다이오드 디바이스를 통해 라우팅된다.
언급한 바와 같이, 전환 스위치가 저항기를 통해 제1 스위치를 제2 스위치에 연결할 때 제1 및 제2 스위치의 스위치 위치에 따라 저항기를 충전을 위해 사용할지 또는 방전을 위해 사용할지 여부를 선택할 수 있다. 따라서 사전 충전/방전 모드는 DC 사전 충전 모드의 형태로 제1 서브 모드를 가질 수 있다. 이 사전 충전 모드에서, DC-DC 컨버터의 각 DC 링크 커패시터는 제2 DC 전압 입력에 인가된 (충전식 배터리의) 전압에 의해 충전된다. DC 사전 충전 모드에서, 제어기는 제2 DC 전압 연결부를 제1 DC 전압 연결부에 스위칭 가능한 방식으로 연결하는 절연 스위치를 닫도록 설계된다. 이 절연 스위치는 제2 DC 전압 연결부의 상류에 연결되고, 제2 DC 전압 연결부를 스위칭 가능한 방식으로 분리하는 데 사용된다. 전환 스위치는 저항기를 통해 제2 스위치를 제1 스위치에 연결하기 때문에 전류는 제2 DC 전압 연결부로부터 닫힌 절연 스위치를 통해 DC 링크 커패시터로 흐르게 되고, 여기서 전류 흐름의 크기는 저항기에 의해 제한된다. DC 사전 충전 모드에서 DC 링크 커패시터는 DC 전압원에 의해 충전된다.
대안적으로 또는 이와 조합하여, 제어기는 AC 사전 충전 모드를 위해 장착될 수도 있다. 이 경우에, 사전 충전/방전 모드는 AC 사전 충전 모드의 형태로 제2 서브 모드를 포함한다. 제2 서브모드에서, 제어기는, 제1 DC 전압 연결부의 상류에 연결되거나 제1 DC 전압 연결부와 구성 회로 또는 DC 전압 컨버터 사이에 제공되는 AC 스위치를 제어한다. 이러한 방식으로, 구성 회로 또는 컨버터에서 정류된 전압이 사전 충전을 위해 사용되며, 사전 충전 전류의 흐름은 저항기에 의해 제한된다. AC 사전 충전 모드를 작동시키기 위해, 제어기는 구성 회로 또는 제1 DC 전압 연결부의 상류에 연결된 해당 스위치(AC)를 닫는 AC 사전 충전 신호를 출력한다. AC 스위치는 반드시 DC-DC 컨버터 회로의 일부일 필요는 없지만 DC-DC 컨버터 회로와 상류 정류기 사이 또는 상류 정류기와 AC 전압 연결부 사이에도 제공될 수 있다. DC 사전 충전 모드는 DC 전압 사전 충전 모드라고도 지칭될 수 있다. AC 사전 충전 모드는 AC 전압 사전 충전 모드라고도 지칭될 수 있다. DC 사전 충전 모드와 AC 사전 충전 모드는 상호 배타적이다. AC 사전 충전 모드에서 커패시터는 정류된 AC 전압으로 충전된다.
언급된 바와 같이, 방전 모드는 여기에 제시된 회로를 사용하여 구현할 수도 있고, 여기서 저항기는 전류 제한 요소 역할을 한다. 제어기는 제1 방전 모드를 위해 장착될 수 있으며, 이 경우 제어기는 제1 DC 전압 연결부로부터 제2 DC 전압 연결부를 스위칭 가능한 방식으로 절연시키는 절연 스위치를 열린 상태로 제공한다. 이 모드에서, 제어기는, 제2 DC 전압 연결부의 상류에 연결되고 제2 DC 전압 연결부를 컨버터 또는 구성 회로에 스위칭 가능한 방식으로 연결하는 절연 스위치를 열도록 설계된다. 대안적으로 또는 이와 조합하여, 제어기는, 제1 방전 모드에서 제1 DC 전압 연결부를 구성 회로 또는 컨버터에 연결하거나 제1 DC 전압 연결부의 상류에 (정류기와 DC 전압 연결부 사이 또는 AC 전압 연결부와 정류기 사이에) 연결된 AC 스위치를 열거나 열린 상태에 제공하도록 설계될 수 있다. 바람직하게는, 제1 방전 모드에서, AC 스위치와 절연 스위치가 존재하는 경우 이 둘 다 열린다.
방전 모드와 사전 충전 모드는 상호 배타적이다. 사전 충전 모드 또는 사전 충전 모드들에서, 전환 스위치는 제2 전환 위치에 있고, 즉 이 경우 전환 스위치는 저항기를 제2 스위치에 연결하는 위치에 있다. 사전 충전 모드에서, 제2 DC 전압 연결부와 컨버터 또는 구성 회로 사이의 절연 스위치가 닫힌다. 사전 충전 모드의 종료 시 전환 스위치는 전환 위치(1)에 놓인다(도 1 참조). 사전 충전 모드 또는 사전 충전 모드들의 종료 시, 제어기는 전환 스위치가 제2 스위치를 다이오드 디바이스에 연결하는 위치에 전환 스위치를 놓는다. 이것은 충전 단계가 시작되기 전에도 발생할 수 있다. 방전을 위해, 절연 스위치 및/또는 AC 스위치(존재하는 경우 각각)가 열린다. 바람직하게는, 전환 스위치는 그런 다음 제2 스위칭 위치에 놓이고, 즉 전환 스위치는 제2 스위치를 저항기에 연결하는 스위칭 위치에 놓인다. 제1 및 제2 스위치는 방전을 위해 닫힌다. 제1 및 제2 스위치는 사전 충전을 위해 열린다. 사전 충전 모드 또는 사전 충전 모드들에서, 제1 및 제2 스위치는 열린다. 방전 모드 또는 방전 모드들에서 제1 스위치는 닫히고 제2 스위치도 닫힌다. 제어기는 이러한 스위칭 위치를 설정하도록 설계된다.
방전 모드 또는 방전 모드들에서, 제1 및 제2 스위치는 전환 스위치가 (전환 스위치가 제2 스위치를 다이오드 디바이스에 연결하는) 제1 전환 위치에 더 이상 있지 않을 때에만, 바람직하게는 전환 스위치가 제2 스위치를 저항기에 연결하거나 전환 스위치가 제2 전환 위치에 있을 때에만 닫힌다. 제어기는 이 시퀀스를 구현하도록 설계된다.
또한, 여기에 설명된 DC-DC 컨버터 회로를 갖는 차량 전기 시스템이 설명된다. 또한, 차량 전기 시스템은 정류기와 AC 연결부를 가진다. AC 연결부는 정류기를 통해 제1 DC 전압 연결부에 (직접 또는 간접, 예를 들어, 필터를 통해) 연결된다. 이것은 DC-DC 컨버터 회로의 일부인 제1 DC 전압 연결부이다. 차량 전기 시스템은 절연 스위치(특히 위에서 언급한 절연 스위치 중 하나)를 통해 제1 DC 전압 연결부에 연결된 충전식 배터리를 더 포함한다. 차량 전기 시스템은 AC 연결부와 정류기 사이 및 정류기와 제1 DC 전압 연결부 사이에 위치된 AC 스위치를 더 포함할 수 있다.
더욱이, 언급한 바와 같이, AC 스위치는 제1 DC 전압 연결부와 구성 회로 또는 컨버터 사이에 (특히 직렬 연결로) 제공될 수도 있다. 충전식 배터리는 바람직하게는 고전압 충전식 배터리이고, 견인 충전식 배터리로 설계될 수 있다. 충전식 배터리는 특히 리튬-이온 충전식 배터리이다. 충전식 배터리는 바람직하게는 적어도 60볼트, 특히 적어도 100볼트, 200볼트, 400볼트 또는 800볼트의 공칭 전압을 갖는다. 일 실시예에서, 충전식 배터리는 적어도 800볼트의 공칭 전압을 갖는다. AC 스위치는 또한 제어 가능한 정류기의 형태일 수 있는 정류기에 의해 구현될 수 있고, 여기서 AC 스위치의 기능은 비활성으로 스위칭된 정류기에 의해 구현되고, 닫힌 AC 스위치의 기능은 활성 또는 제어된 정류기에 의해 구현된다. 정류기는 다이오드 브리지 회로의 형태, 특히 다이오드 풀 브리지 형태일 수 있고, 특히 다상(여기서 위상의 수는 바람직하게는 AC 전압 연결부의 위상의 수에 해당함)을 갖도록 구성될 수 있거나, 비엔나 필터와 같은 역률 보정 필터 형태일 수 있다.
차량 전기 시스템은 제1 DC 전압 연결부가 연결된 컨버터 측의 반대쪽 DC-DC 컨버터 측에 연결된 적어도 하나의 전기 구성요소를 가질 수 있다. 다시 말해, 적어도 하나의 전기 부품은 제1 DC 전압 연결부와는 반대쪽 DC-DC 컨버터 측에 연결될 수 있다. 따라서 구성 요소는 DC-DC 컨버터의 출력 측에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 전기 부품은 특히 컨버터에 의해 전력이 공급되는 차량 전기 시스템 분기에 대한 플레이스홀더(placeholder) 역할을 한다. 적어도 하나의 전기 구성요소는 전기 구동부를 가질 수 있다. 이 전기 구동부는 DC-DC 컨버터를 통해 충전식 배터리로부터 전력을 공급받는다.
차량 전기 시스템은 제어기, 특히 DC-DC 컨버터 회로의 설명과 관련하여 위에서 논의된 제어기를 가질 수 있다. 제어기는, DC 사전 충전 모드(특히 위에서 언급한 DC 사전 충전 모드에 해당) 형태의 제1 서브 모드에서, 제어기가 충전식 배터리를 제1 DC 전압 연결부에 스위칭 가능한 방식으로 연결하는 절연 스위치를 닫도록 설계될 수 있다. 따라서 DC 사전 충전 모드 형태의 제1 서브 모드에서 제어기는 닫힌 상태에서 절연 스위치를 작동시킨다. 사전 충전/방전 모드는 제2 서브 모드, 특히 위에서 언급된 제2 서브 모드를 가질 수 있다. 이 서브 모드는, 제어기가 제1 DC 전압 연결부와 AC 전압 연결부 사이에 위치된 AC 절연 스위치를 닫는 AC 사전 충전 모드의 형태이다. 따라서 사전 충전 모드 또는 사전 충전 모드들에서 제어기는 절연 스위치가 닫히는 방식으로 절연 스위치를 작동시키도록 설계된다. 이 경우, 이것은 제2 DC 전압 연결부와 컨버터 또는 구성 회로 사이의 절연 스위치이거나, 또는 제1 DC 전압 연결부의 상류에 연결된 (또는 제1 DC 전압 연결부와 구성 회로 사이에 위치된) 절연 스위치이다.
도 1은 본 경우에 설명된 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로 및 본 경우에 설명된 차량 전기 시스템의 일 실시예를 도시한다.
차량 전기 시스템(FB)은 위상 접점과 중성 도체 접점을 포함하는 AC 전압 입력(AC)을 포함한다. 위상 연결부는 3개의 위상을 가진다. 차량 전기 시스템(FB)의 정류기(GR)는 AC 전압 입력(AC)을 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS)에 연결한다. 이 DC-DC 컨버터 회로는 이를 위해 중성 도체 연결부(NA)를 가진다. 이 중성 도체 연결부는 중성 도체 접점(NL)에 연결된다. DC-DC 컨버터 회로(KS)는 2개의 (DC 전압) 전위(P, N)를 포함하는 제1 DC 전압 연결부(A1)를 더 포함한다. 전위(P)는 양의 공급 전위이다. 전위(N)는 음의 공급 전위이다.
구성 회로는 이러한 전위(P, N) 또는 제1 DC 전압 연결부(A1)와 병렬로 연결된다. 구성 회로는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), 및 이들 스위치(S1, S2) 사이에 연결된 전환 스위치(UM)를 포함한다. 전환 스위치(UM)에 더하여, 첫째 다이오드 디바이스(D)와 둘째 저항기(R)가 전환 스위치와 제1 스위치(S1) 사이에 연결된다. 다이오드 디바이스(D)와 저항기(R) 사이의 연결 지점(P1)은 제1 스위치(S1)를 연결하기 위해 제공된다. 이 연결 지점(P1)은 제1 스위치(S1)를 통해 제1 DC 전압 연결부(A1)의 양의 전위(P)에 연결된다. 전환 스위치(UM)는 제2 스위치(S2)를 통해 중성 도체(N)에 연결된 중심 연결부(P2)를 갖는다. 다이오드 디바이스(D)는 다이오드 디바이스(D)의 연결 지점(M)을 통해 서로 연결된 두 개의 다이오드(D1, D2)를 가진다. 이 연결 지점(M)은 DC-DC 컨버터 회로(KS)의 중성 도체 연결부(NA)에 연결된다.
전환 스위치(UM)는 두 개의 전환 위치(1 및 2)를 가진다. 스위칭 위치(1)에서, 전환 스위치는 제2 스위치를 다이오드 디바이스(D)에 연결한다. 전환 스위치(UM)의 제2 스위칭 위치(2)에서, 전환 스위치(UM)는 제2 스위치(S2)를 저항기(R)에 연결한다. 저항기(R)는 제2 스위칭 위치와 제1 스위치 또는 연결 지점(P1) 사이에 연결된다. 다이오드 디바이스(D)는 제1 스위칭 위치와 제1 스위치(S1) 또는 연결 지점(P1) 사이에 연결된다. 이 경우, 스위칭 위치는 연결된 접점에 해당한다. 다이오드 디바이스(D)는 서로 직렬로 연결된 2개의 개별 다이오드(D1, D2)를 포함하고, 그 순방향은 동일한 방향이다. 다이오드 디바이스의 다이오드(D1, D2)는 양전위(P) 및 음전위(N)에 대해 역 바이어스된다.
DC-DC 컨버터 회로(KS)는 2개의 DC-DC 컨버터(W1, W2)를 포함하고, 이들 컨버터의 출력은 서로 병렬로 연결된다. 이것은 구성 회로 또는 제1 DC 전압 연결부(A1)의 반대쪽 컨버터(W1, W2) 측과 관련된다. DC-DC 컨버터(W1, W2)는 갈바닉 절연 DC-DC 컨버터이며, 특히 변압기(및 또한 1차측 초퍼(chopper) 및 2차측 정류기)를 가진다. 특히, 정류기(W1, W2)는 제1 DC 전압 연결부 또는 구성 회로에 연결된 측에 DC 링크 커패시터(C1, C2)를 각각 포함한다. 제1 컨버터(W1)의 제1 (양의) 연결부는 양의 전위(P)에 연결된다. 제1 컨버터(W1)의 제2 연결부는 제2 스위치(S2)와 전환 스위치(UM) 사이의 연결 지점(P2)에 연결된다. 제2 컨버터(W1)는 연결 지점(P1) 또는 제1 스위치(S1)에 연결된 제1 연결부를 갖는다. 따라서, 제2 컨버터(W1)의 제1 연결부는 제1 스위치(S1)를 통해 양의 전위에 연결된다. 이와 달리, 제1 컨버터의 제2 연결부는 제2 스위치(S2)를 통해 음의 전위에 연결된다. 제2 컨버터(W2)는 음의 전위(N)에 연결된 제2 연결부를 더 포함한다. 따라서, 두 개의 컨버터(W1, W2)는 컨버터 회로에 교차 연결된다.
언급된 바와 같이, 제1 및 제2 스위치(S1, S2)에 더하여, 컨버터 회로는 전환 스위치(UM) 및 다이오드 디바이스(D)를 포함한다. 사전 충전 또는 방전을 구현하기 위해, 구성 회로는 언급한 바와 같이 제1 스위치(S1)를 전환 스위치에 연결하는 저항기(R)를 더 포함한다. 따라서 전환 스위치(UM)는 제2 스위치(S2)가 다이오드 디바이스를 통해 제1 스위치에 연결될지 또는 저항기(R)를 통해 제1 스위치에 연결될지 여부를 설정할 수 있다. 저항기(R)는 방전 저항기 또는 사전 충전 저항기라고도 지칭될 수 있다.
제2 DC 전압 연결부(A2)는 절연 스위치(T)를 통해 제1 DC 전압 연결부(A1)의 전위(P, N)에 연결된다. 제3 DC 전압 연결부(A3)는 차량 전기 시스템(FB)의 적어도 하나의 부품(KO)을 연결하는 데 사용된다. 제3 DC 전압 연결부(A3)는 구성 회로 또는 제1 DC 전압 연결부의 반대쪽 컨버터(W1, W2) 측에 연결된다. 제3 전압 연결부는 컨버터(W1, W2)의 출력의 병렬 연결부에 연결된다.
제어기(ST)는 작동 가능한 방식으로 제1 및 제2 스위치(S1, S2), 전환 스위치(UM) 및 절연 스위치(T)에 연결된다. 제어기는, AC 전압 연결부(AC)와 정류기(GR) 사이에 위치되거나 또는 정류기와 제1 DC 전압 연결부(A1) 사이에 위치되거나 또는 DC 전압 연결부(A1)와 구성 회로 사이에 위치된 스위치에도 작동 가능한 방식으로 연결될 수 있다.
컨버터들이 서로 병렬로 연결되어야 하는 경우, 전환 스위치는 위치(1)에 있고 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 닫힌다(즉, 위치(K1)). 컨버터(W1, W2)들이 직렬로 연결되어야 하는 경우, 스위치(S1, S2)는 위치(K2), 즉 열린 상태에 있다. 이 경우, 컨버터(W1, W2)는 다이오드(D1, D2) 또는 다이오드 디바이스(D)를 통해 서로 직렬로 연결된다. 3상이 AC 전압 연결부(AC)에 활성으로 연결되고 정류기도 모두 3상에서 동작할 때 직렬 연결이 제공된다. 단상 충전만이 경우, 즉 AC 전압 연결부(AC)에 단 하나의 상만이 있는 경우 또는 정류기가 단상에서 동작할 때(따라서 단 하나의 상만이 활성화될 때) 병렬 연결이 제공된다.
DC 사전 충전 모드에서는 절연 스위치(T)가 닫히고, 그 결과 컨버터(W1 및 W2)의 DC 링크 커패시터(C1 및 C2)가 저항기(R)를 통해 제2 DC 전압 연결부(A2)를 통해 충전될 수 있다. 이 경우, 전환 스위치(UM)는 위치(2)에 있다. 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 이 경우에 열릴 수 있고, 그 결과 (제2 DC 전압 연결부(A2)의 전압에 기초하여) 절반의 전압이 각각의 커패시터에 존재하게 된다. 그러나, 이 경우 스위치(S1 및 S2)도 닫힐 수 있고, 그 결과 DC 전압 연결부(A2)의 전체 전압이 또한 각각의 DC 링크 커패시터(C1, C2)에 인가되게 된다. 이후 AC 절연 스위치는 열린 상태에 있고, 그 결과 사전 충전 전압은 제2 DC 전압 연결부와 그 절연 스위치(T)를 통해서만 도입될 수 있다. AC 사전 충전 모드에서는 절연 스위치(T)가 열리고 (존재하는 경우) AC 스위치가 닫히며, 그 결과 AC 전압 입력(AC)의 AC 전압으로부터 정류된 전압이 제1 DC 전압 연결부(A2)에 생성될 수 있다. 이후 커패시터(C1 및 C2)를 충전하는 사전 충전 전류는 이 전압에 의해 저항기(R)를 통해 제공된다. 이 경우에, 전환 스위치는 또한 위치(2)에 있다. 언급한 바와 같이, 이 경우 스위치(S1, S2)는 사전 충전을 위해 커패시터를 직렬로 연결할지 또는 병렬로 연결할지 여부에 따라 닫히거나(위치(K1)) 열릴 수 있다(위치(K2)).
파선으로 표시된 구성 요소는 차량 전기 시스템의 일부일 뿐, DC-DC 컨버터 회로의 일부가 아니다. 연결부(A1, A2, A3)는, 차량 전기 시스템(FB)의 일부일 뿐, DC-DC 컨버터 회로(KS)의 일부가 아닌 파선 구성 요소를 연결하는 데 사용된다.
전술한 AC 스위치는 AC 전압 절연 스위치의 역할을 하므로, 그렇게 지칭될 수 있다. 이 스위치는 다수의 위치에 (AC와 GR 사이, GR과 A1 사이 또는 A1과 구성 회로의 연결부 사이에) 위치 가능하기 때문에 보다 명확함을 위해 AC 스위치는 특정 위치에 도시되지 않았다.
또한, 제어기는 목표 사전 충전 전압 또는 목표 방전 전압에 도달할 때 해당 절연 스위치를 열도록 설계될 수 있다.

Claims (11)

  1. 제1 DC 전압 연결부(A1)와 제2 DC 전압 연결부(A2)를 포함하는 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS)로서,
    상기 제1 DC 전압 연결부(A1)는 구성 회로를 통해 복수의 갈바닉 절연 DC-DC 컨버터(W1, W2)에 연결되고, 상기 구성 회로는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 포함하고, 상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치 사이에 전환 스위치(UM)가 제공되고, 상기 전환 스위치는 제1 스위칭 위치(1)에서 다이오드 디바이스(D)를 통해 상기 제1 스위치(S1)와 상기 제2 스위치(S2)를 서로 연결하고, 제2 스위칭 위치(P2)에서 저항기(R)를 통해 상기 제1 스위치(S1)와 상기 제2 스위치(S2)를 서로 연결하며, 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2)는 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)에 연결되고, 상기 전환 스위치(UM)가 상기 제1 전환 위치(1)에 있고 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 제1 구성 위치(K1)에서 닫히면, 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2)는 서로 병렬로 연결되고, 상기 전환 스위치(UM)가 상기 제1 전환 위치(1)에 있고 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)가 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 여는 제2 구성 위치(K2)에 있으면, 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2)는 상기 다이오드 디바이스(D)를 통해 서로 직렬로 연결되는, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  2. 제1항에 있어서, 상기 다이오드 디바이스(D)는 연결 지점(M)을 통해 서로 연결된 2개의 다이오드(D1, D2)를 포함하고, 상기 DC-DC 컨버터 회로(KS)는 상기 연결 지점(M)에 연결된 중성 도체 연결부(NA)를 더 포함하는, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구성 회로와는 반대쪽 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2) 측에 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2)에 연결된 온보드 전기 시스템 분기 연결부(A3)를 더 포함하는, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2)에는 상기 구성 회로에 연결된 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2) 측과 병렬로 각각 연결된 DC 링크 커패시터(C1, C2)가 제공되는, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전환 스위치(UM), 상기 제1 스위치(S1) 및 상기 제2 스위치(S2)에 작동 가능한 방식으로 연결된 제어기(ST)를 더 포함하고, 상기 제어기는,
    상기 전환 스위치(UM)가 상기 제1 스위칭 위치(1)에 있는 공급 모드, 및
    상기 전환 스위치(UM)가 상기 제2 스위칭 위치(2)에 있는 공급 모드
    중 적어도 하나의 모드를 포함하는, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  6. 제5항에 있어서, 사전 충전/방전 모드는 DC 사전 충전 모드 형태의 제1 서브 모드를 포함하고, 상기 제1 서브 모드에서 상기 제어기(ST)는, 작동 가능한 방식으로 상기 제어기(ST)에 연결되고 상기 제2 DC 전압 연결부(A2)를 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)에 스위칭 가능한 방식으로 연결하는 절연 스위치(T)를 닫고/닫거나, 상기 사전 충전/방전 모드는 AC 사전 충전 모드 형태의 제2 서브 모드를 포함하고, 상기 제2 서브 모드에서 상기 제어기(ST)는 상기 제어기의 출력에 AC 사전 충전 신호를 출력하고, 상기 AC 사전 충전 신호는, 작동 가능한 방식으로 상기 제어기에 연결되고 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)의 상류에 연결된 AC 스위치를 닫는, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 사전 충전/방전 모드는 제1 방전 모드를 포함하고, 상기 제1 방전 모드에서 상기 제어기(ST)는, 작동 가능한 방식으로 상기 제어기(ST)에 연결되고, 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)로부터 상기 제2 DC 전압 연결부(A2)를 스위칭 가능한 방식으로 절연시키는 절연 스위치(T)를 열고/열거나, 상기 사전 충전/방전 모드는 제1 방전 모드를 포함하고, 상기 제1 방전 모드에서 상기 제어기(ST)는 상기 제어기의 출력에 AC 방전 신호를 출력하고, 상기 AC 방전 신호는, 작동 가능한 방식으로 상기 제어기에 연결되고 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)의 상류에 연결된 AC 스위치를 여는, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  8. 제7항에 있어서, 상기 사전 충전/방전 모드는 제2 방전 모드를 포함하고, 상기 제2 방전 모드에서 상기 제어기(ST)는 상기 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 닫고, 상기 제어기는 상기 제1 방전 모드 이후에 상기 제2 방전 모드를 설정하도록 설계된, 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS).
  9. 차량 전기 시스템(FB)으로서,
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 구성 가능한 DC-DC 컨버터 회로(KS), 정류기(GR), 상기 정류기(GR)를 통해 상기 DC-DC 컨버터 회로(KS)의 제1 DC 전압 연결부(A1)에 연결된 AC 연결부(AC), 및 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)에 절연 스위치(T)를 통해 연결된 충전식 배터리(B1)를 포함하는, 차량 전기 시스템(FB).
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)가 연결된 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2) 측의 반대쪽 상기 DC-DC 컨버터(W1, W2) 측에 연결된 적어도 하나의 전기 부품(KO)을 포함하는, 차량 전기 시스템(FB).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, DC 사전 충전 모드 형태의 제1 서브 모드에서 작동 가능한 방식으로 상기 제어기(ST)에 연결되고, 상기 충전식 배터리를 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)에 스위칭 가능한 방식으로 연결하는 상기 절연 스위치(T)를 닫도록 설계된 제어기(ST)를 포함하고/하거나, 사전 충전/방전 모드는 상기 제어기(ST)가 상기 제1 DC 전압 연결부(A1)와 상기 AC 전압 연결부 사이의 AC 절연 스위치를 닫는 AC 사전 충전 모드 형태의 제2 서브 모드를 포함하는, 차량 전기 시스템(FB).
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