KR20230167034A - 모듈형 멀티포트 ac 배터리 전력 컨버터 시스템 및 이를 사용하는 방법 - Google Patents

모듈형 멀티포트 ac 배터리 전력 컨버터 시스템 및 이를 사용하는 방법 Download PDF

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KR20230167034A
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미카엘 제이. 마우거
아니루드 마렐라푸디
라젠드라 프라사드 칸둘라
디파크 엠. 디반
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조지아 테크 리서치 코포레이션
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Abstract

예시적인 실시예는 제1 배터리 모듈, 제2 배터리 모듈, 제1 및 제2 변압기, 제1, 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지를 포함하는 전력 변환 시스템을 제공한다. 상기 변압기는 저전압 측과 고전압 측을 가질 수 있다. 상기 제1 브리지는 배터리 모듈과 변압기의 저전압 측을 연결하도록 구성할 수 있다. 상기 배터리 모듈의 직렬 연결의 중간 지점을 상기 변압기의 직렬 연결의 중간 지점에 연결할 수 있다. 상기 제 2 브리지는 제1 변압기의 고전압 측 및 전기 부하 및/또는 소스로부터 전력을 전송 및/또는 수신하도록 구성된 하나 이상의 포트에 연결될 수 있다. 상기 제3 브리지는 제2 변압기의 고전압 측과 상기 하나 및 하나 이상의 포트에 연결되도록 구성할 수 있다.

Description

모듈형 멀티포트 AC 배터리 전력 컨버터 시스템 및 이를 사용하는 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 4월 5일자로 출원된 미국 가출원 제63/170,790호의 이익을 주장하며, 상기 가출원은 이하 완전히 명시되는 것처럼 전체적으로 참고로 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 개시의 다양한 실시예는 일반적으로 전력 컨버터 시스템에 관한 것이며, 특히 저전압 배터리가 통합되고 터치 전압 조건에 대한 안전성이 개선된 모듈식 멀티포트 AC 배터리 전력 컨버터 시스템에 관한 것이다.
자전거, 자동차, 트럭, 항공기 등 수백 와트에서 20MW 이상에 이르는 배터리로 구동되는 운송 수단은 에너지 인프라의 탈탄소화를 추진하는데 있어 핵심적인 역할을 한다. 일반적인 배터리 팩은 4V 리튬 이온 셀의 병렬 연결된 어레이로 구성되며, 이 셀은 직렬로 연결되어 원하는 배터리 팩 전압인 400~1000V 이상을 구현한다. 배터리 화재 역사와 중요한 배터리 관련 안전 문제를 고려할 때, 업계에서는 전기, 기계, 열 관리를 포함한 안전에 중점을 두고 있으며 충돌 및 전복 테스트를 포함한 엄격한 테스트를 실시하고 있다. 도로에 전기 자동차(EV)의 수가 증가함에 따라, 많은 전기 자동차가 사고에 연루될 것이며, 그 중 일부는 까다로운 환경 조건에서 발생하는 심각한 사고도 발생할 것이다. 가솔린 자동차에 비해 가장 문제가 되는 새로운 안전 문제는 고전압 배터리 시스템으로, 탑승자, 주변인 및 응급 구조대원(first responder)에게 추가적인 치사율을 초래할 수 있다. 자동차 업계에서는 통합 배터리 팩의 기계적 및 구조적 무결성을 높이고 충격 시 배터리 단자를 분리하는 폭발성 파이로(pyro) 퓨즈를 배치하는 등 대응책을 마련했다. 그러나 배터리가 파손되는 사고가 발생하면 여전히 치명적인 전압에 노출될 가능성이 있다. 더욱이, 시스템 전압이 증가하는 추세로 인해 미국화제예방협회(National Fire Protection Association, NFPA) 및 미국도로교통안전국(National Highway Traffic Safety Administration, NHTSA)와 같은 조직 내에서 깊은 우려를 불러일으켰다. 전기차 업계는 이러한 우려가 주요 홍보 및 책임 문제가 되거나 전기차 시장 성장에 제동이 걸리기 전에 이를 해결하는 것이 중요하다.
자동차 및 통신 업계에서 이러한 문제를 인식하여 시스템 어디에도 유해한 터치 전압(touch potential potential)이 존재하지 않는 본질적으로 터치 안전하다고 간주되는 48V DC 시스템을 개발했다. 자동차 업계에서는 연비 기준을 충족하기 위해 마일드 하이브리드화에 48V DC 시스템을 사용해왔으며, 최근에는 소형 전기자동차에도 사용되고 있다. 48V DC 시스템의 본질적인 안전성은 잘 알려졌지만, 필요한 전력 수준으로 확장할 수 있는 능력은 사용 가능한 기술로는 어려운 과제였다. 이로 인해 차량의 길이와 폭에 걸쳐 수천 개의 셀로 구성된 고전압 패터리 팩이 개발되고, 셀 수준 제어를 위한 복잡한 배터리 관리 시스템(BMS)과 보호, 유전체 절연 및 열 관리를 위한 정교한 기술이 필요하게 되었으며, 이는 배터리 수명, 성능, 빠르게 변화하는 배터리 기술의 혼합 및 매칭 능력에 중요한 영향을 미쳤다. 이러한 제약은 앞에서 설명한 안전 문제에 추가된다.
배터리 팩은 또한 차량의 다른 모든 것을 정의한다. 예를 들어, 일반적인 자동차에는 도 1에 도시된 바와 같이 추진을 위해 모터를 구동하는 하나의 120kW 인버터가 있을 수 있다. 이 인버터 드라이브는 고전압 배터리로 작동하며 일반적으로 도 2에 표시된 2-레벨 전압원 인버터(VSI) 구조에 의존한다. 또한 레벨-2 충전을 위해 208~240VAC에 직접 연결할 수 있도록 AC/DC 절연 컨버터도 온보드로 제공된다. 전기 자동차의 고속 충전은 또한 차량 충전 및 주행 거리 불안을 해결하는 중요한 기능으로, 현재까지 자동차의 경우 50kW~300kW, 트럭의 경우 최대 2MW의 충전 속도다. 일반적으로 사용되는 DC 고속 충전 인프라는 비용이 많이 들고, 미국에서만 총 비용이 500억 달러를 초과할 것으로 예상된다. 고전력 DC 충전기를 탑재하는 것이 크기와 비용 때문에 실용적이지 않다고 간주되었기 때문에 이러한 방식을 채택했다. 고속 충전 기능에도 불구하고 심각한 한계가 있다. 배터리 팩에는 직렬로 연결된 셀이 많기 때문에, 셀을 균일하게 충전하는 것이 가장 중요하고, 복잡한 BMS 시스템이 필요하며, 배터리 과충전 및 화재를 방지하려면 충전 주기 초기에 전체 스택의 충전 전류를 낮춰야 한다. 따라서 전력 시스템의 아키텍처, 특히 배터리가 하나의 단일 스택으로 유지되어야 한다고 가정하는 설계 결정은 전체 시스템 안전, 비용 및 성능에 심각한 손상을 초래한다는 것이 분명하다.
본 발명의 예시적인 실시예는 제1 배터리 모듈, 제2 배터리 모듈, 제1 변압기, 제2 변압기, 제1 전류원 컨버터 브리지, 제2 전류원 컨버터 브리지, 및 제3 전류원 컨버터 브리지를 포함하는 전력 변환 시스템을 제공한다. 상기 제2 배터리 모듈은 상기 제1 배터리 모듈에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 변압기는 저전압 측과 고전압 측을 가질 수 있다. 상기 제2 변압기는 저전압 측과 고전압 측을 가질 수 있으며, 상기 제1 변압기의 저전압 측은 제2 변압기의 저전압 측에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 전류원 컨버터 브리지는 제1 및 제2 배터리 모듈과 제1 및 제2 변압기의 저전압 측을 연결하도록 구성될 수 있고, 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 직렬 연결의 중간 지점은 상기 제1 및 제2 변압기의 직렬 연결의 중간 지점에 연결될 수 있다. 상기 제2 전류원 컨버터 브리지는 상기 제1 변압기의 고전압 측 및 전기 부하 및/또는 소스에 전력을 전송 및/또는 전기 부하 및/또는 소스로부터 전력을 수신하도록 구성된 하나 이상의 포트에 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 제3 전류원 컨버터 브리지는 상기 제2 변압기의 고전압 측 및 전기 부하 및/또는 소스에 전력을 전송 및/또는 전기 부하 및/또는 소스로부터 전력을 수신하도록 구성된 상기 하나 및 하나 이상의 포트에 연결되도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 컨버터 브리지는 제1 배터리 모듈의 제1 극과 제2 배터리 모듈의 반대 극을 제1 변압기의 상기 저전압 권선의 단자에 선택적으로 연결하도록 구성된 제1 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 제어 가능 스위치는 Si MOSFET일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 스위치는 다이오드, 제어 가능 스위치 및 GaN HEMT 중 하나일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 스위칭 회로는 직렬 연결된 제1 제어 가능 스위치 및 제2 스위치와 병렬로 연결된 공진 극 네트워크(resonant pole network)를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 극 네트워크는 상기 제1 스위칭 회로에서 상기 제1 제어 가능 스위치의 ZVS 턴-오프 및 ZCS 턴-온을 가능하게 하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 극 네트워크는 저항기-다이오드 회로(resistor-diode circuit)에 직렬로 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 저항기-다이오드 회로는 제1 공진 극 네트워크의 상기 커패시터를 충전 및 방전하는 동안 상이한 임피던스를 제공할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 스위칭 회로는 전력이 상기 제1 변압기로부터 상기 제2 배터리 모듈로 흐르도록 구성된 클램핑 장치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 클램핑 장치는 다이오드, 제어 가능 스위치, GaN HEMT 중 하나일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 클램핑 장치에 직렬로 연결된 바이패스 커패시터를 더 포함하여 상기 바이패스 커패시터와 상기 클램핑 장치의 직렬 연결이 상기 제2 스위치에 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치에 병렬로 연결될 수 있도록 할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 전력 컨버터 브리지는, 상기 제2 배터리 모듈의 제1 극 및 상기 제1 배터리 모듈의 반대 극을 상기 제2 변압기의 저전압 측 단자에 선택적으로 연결하도록 구성된 제2 스위칭 회로를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 제어 가능 스위치는 Si MOSFET일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 스위치는 다이오드, 제어 가능 스위치, 및 GaN HEMT 중 하나일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 스위칭 회로는 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치 및 제2 스위치와 병렬로 연결된 공진 극 네트워크를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 극 네트워크는, 상기 제 2 스위칭 회로에서 상기 제1 제어 가능 스위치의 ZVS 턴-오프 및 ZCS 턴-온을 가능하게 하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 공진 극 네트워크는 저항기-다이오드 회로에 직렬로 연결된 커패시터를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 저항기-다이오드 회로는 상기 공진 극 네트워크의 상기 커패시터를 충전 및 방전하는 동안 상이한 임피던스를 제공할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 스위칭 회로는, 전력이 상기 제2 변압기로부터 상기 제1 배터리 모듈로 흐르도록 구성되는 클램핑 장치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 클램핑 장치는 다이오드, 제어 가능 스위치, 및 GaN HEMT 중 하나일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 클램핑 장치에 직렬로 연결된 바이패스 커패시터를 더 포함하여 상기 바이패스 커패시터와 상기 클램핑 장치의 직렬 연결이 상기 제2 스위치에 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치에 병렬로 연결될 수 있도록 할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 제1 변압기로부터 상기 제2 배터리로 전력이 흐르도록 구성되는 클램핑 장치를 포함하고, 상기 제1 전력 컨버터 브리지는 상기 제2 배터리 모듈의 제1 극과 상기 제1 배터리 모듈의 반대 극을 상기 제2 변압기의 저전압 측 단자에 선택적으로 연결하도록 구성되는 제2 스위칭 회로를 포함할 수 있고, 상기 제2 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함할 수 있고, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 제2 변압기에서 상기 제1 배터리로 전력이 흐르도록 구성된 클램핑 장치를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위칭 회로의 제2 스위치와 직렬 연결된 제1 제어 가능 스위치는 상기 제2 스위칭 회로의 상기 클램핑 장치에 직렬 연결될 수 있고, 상기 제1 스위칭 회로의 상기 클램핑 장치는 직렬 연결된 제1 제어 가능 스위치 및 제2 스위칭 회로의 제2 스위치에 직렬로 연결될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 전력 컨버터 시스템은 상기 제1 및/또는 제2 변압기의 저전압 측에 걸쳐 병렬로 연결된 공진 회로를 포함하지 않을 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 전류원 컨버터 브리지는 상기 제1 변압기의 고전압 측에 병렬로 연결된 제1 공진 회로를 포함할 수 있고, 상기 제3 전류원 컨버터 브리지는 상기 제2 변압기의 고전압 측에 병렬로 연결된 제2 공진 회로를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지 중 적어도 하나는 적어도 하나의 역방향 차단 스위치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 적어도 하나의 역방향 차단 스위치는 다이오드에 직렬로 연결된 제어 가능 스위치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 적어도 하나의 역방향 차단 스위치는 전류 차단 방향이 반대인 직렬로 연결된 제1 및 제2 제어 가능 스위치를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 전력 변환 시스템은 제1, 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지가 비활성 상태일 때 상기 시스템의 최대 전압이 상기 제1 또는 제2 배터리 모듈의 전압 레벨이 되도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 또는 제2 배터리 모듈의 전압 레벨은 60볼트 미만일 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 전류원 컨버터 브리지는 스위칭 사이클에서 동작하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 스위칭 사이클은 전력이 적어도 하나의 클램핑 장치를 통해 적어도 하나의 제1 및 제2 변압기 중 하나에서 적어도 반대쪽 배터리 극으로 흐르는 교차-클램핑 위상(cross-clamped phase)을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제1 전류원 컨버터 브리지는, 상기 제1 및 제2 변압기 중 적어도 하나로부터의 누설 에너지의 대부분이 상기 제1 및 제2 배터리 모듈 중 적어도 하나로 회수(recover)될 수 있도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 전력 변환 시스템은 상기 제1, 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지에 연결된 모든 제어 가능한 전력 디바이스가 꺼지고, 상기 제1 및 제2 변압기 중 적어도 하나의 자화 전류(magnetizing current)가 상기 제1 및 제2 배터리 모듈 중 적어도 하나로 방전되는 페일-세이프 상태(fail-safe state)에서 동작하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지의 하나 이상의 포트는, 제1 전기 모터에 연결된 제1 포트를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지의 하나 이상의 포트는, 제1 전기 모터에 연결된 제1 포트 및 충전 단자에 연결된 제2 포트를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지의 하나 이상의 포트는, 제2 전기 모터에 연결된 제3 포트를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 임의의 실시예에서, 상기 전류원 컨버터의 하나 이상의 포트는 제2 전기 모터에 연결된 제2 포트를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다른 실시예는 제1 전력 변환 시스템 및 제2 전력 변환 시스템을 포함하는 모듈형 배터리 시스템을 제공한다. 상기 제1 전력 변환 시스템 및 제2 전력 변환 시스템은 전기 부하 및/또는 소스로 전력을 송신 및/또는 전기 부하 및/또는 소스로부터 전력을 수신하도록 구성되는 제1 및 제2 전력 변환 시스템의 하나 이상의 포트에 병렬로 연결될 수 있다.
본 개시의 이러한 측면들 및 다른 측면들은 아래의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 설명되어 있다. 실시예들의 다른 양상 및 특징들은 도면과 함께 구체적이고 예시적인 실시예들에 대한 다음의 설명을 검토하면 당업자에게 명백해질 것이다. 본 개시의 특징들이 특정 실시예 및 도면과 관련하여 논의될 수 있지만, 본 개시의 모든 실시예는 본 명세서에 논의된 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 실시예가 특정 유리한 특징을 갖는 것으로 논의될 수 있지만, 그러한 특징 중 하나 이상이 본 명세서에서 논의되는 다양한 실시예와 함께 사용될 수도 있다. 유사한 방식으로, 예시적인 실시예들이 장치, 시스템, 또는 방법 실시예로서 아래에서 논의될 수 있지만, 그러한 예시적인 실시예들은 본 개시의 다양한 장치, 시스템, 및 방법에서 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시의 특정 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽으면 더 잘 이해될 것이다. 본 개시를 설명하기 위해, 특정 실시예들이 도면에 도시되어 있다. 그러나, 본 개시는 도면에 도시된 실시예들의 정확한 배열 및 수단으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 전기 자동차의 모터 구동 애플리케이션에 사용되는 종래의 2레벨 전압원 인버터를 도시한 도면이다.
도 2는 고전압 배터리 팩을 사용하는 종래의 전기 자동차 전력 아키텍처를 보여준다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 2개의 저전압 배터리 모듈로부터 전기 자동차 애플리케이션을 위한 2개의 고전압 포트(하나의 3-상 인버터 포트 및 하나의 3-상 AC 또는 DC 고속 충전 포트)를 구현하고, 고전압 컨버터 브리지를 위한 2개의 제어 가능 스위치(예컨대, 듀얼 MOSFET 구조)의 직렬 연결을 사용하는 전력 컨버터 시스템의 예시적인 구성을 제공한다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 2개의 저전압 배터리 모듈로부터 전기 자동차 애플리케이션을 위한 2개의 고전압 포트(하나의 3-상 인버터 포트 및 하나의 3-상 AC 또는 DC 고속 충전 포트)를 구현하고, 고전압 컨버터 브리지를 위한 다이오드 및 제어 가능 스위치(예컨대, MOSFET)의 직렬 연결을 사용하는 전력 컨버터 시스템의 예시적인 구성을 나타낸다.
도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 2개의 저전압 배터리로부터 전기 자동차 애플리케이션을 위한 3개의 고전압 포트(2개의 3-상 인버터 포트 및 1개의 3-상 AC 또는 DC 고속 충전 포트)를 구현하는 전력 변환기 시스템의 예시적인 구성을 제공한다.
도 6은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 전력 컨버터 시스템의 예시적인 스위칭 파형을 제공한다.
도 7a 및 7b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 전력 컨버터 시스템의 저전압 브리지에서 제어 가능 또는 능동 스위치(Si MOSFET)의 예시적인 스위칭 전이(switching transition)을 제공한다.
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 전력 컨버터 시스템의 단순화된 브리지 제어 블록 다이어그램을 제공한다.
도 9는 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 단일 전기 모터를 더 높은 전력으로 제어하기 위해 병렬로 연결된 다수의 모듈형 멀티포트 AC 배터리 전력 컨버터 시스템을 사용하는 예시적인 전기 자동차 전력 아키텍처를 제공한다.
도 10은 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 각각 전용 전기 모터를 제어하는 복수의 모듈식 멀티포트 AC 배터리 전력 컨버터 시스템을 사용하는 예시적인 전기 자동차 전력 아키텍처를 제공한다.
본 개시의 원리 및 특징에 대한 이해를 용이하게 하기 위해, 다양한 예시적 실시예들이 아래에 설명된다. 본 명세서에 개시된 실시예들의 다양한 요소들을 구성하는 것으로서 이하에서 설명되는 구성요소, 단계 및 재료들은 예시적인 것으로 의도된 것이며, 제한적인 것은 아니다. 본 명세서에 설명된 구성 요소, 단계 및 재료와 동일하거나 유사한 기능을 수행하는 많은 적합한 구성 요소, 단계 및 재료가 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도되었다. 본 명세서에 설명되지 않은 다른 구성 요소, 단계 및 재료는 본 명세서에 개시된 실시예의 개발 이후에 개발되는 유사한 구성 요소 또는 단계를 포함할 수 있지만 이에 국한되지는 않는다.
이하에서 설명되는 바와 같이, 본 개시는 전력 컨버터 시스템에 관한 것이다. 설명을 위해 아래 실시예는 특히 전기 운송 분야에서 내재적 안전의 이점을 누릴 수 있는 다양한 최종 사용 애플리케이션을 충족하는 범용 빌딩 블록으로 사용할 수 있는 모듈형 멀티포트 AC 배터리(MMACB)의 맥락에서 설명한다. 상기 MMACB는 전력 변환 시스템이 꺼져 있을 때(즉, 반도체가 게이트 OFF 상태일 때) 시스템에 존재하는 최대 전압을 터치 안전 또는 비위험 전압으로 정의되는 60볼트 미만으로 제한할 수 있으며, 수백 킬로와트까지 확장할 수 있다. 상기 MMACB는 배터리와 필요한 모든 전력 컨버터를 지능형 멀티포트 빌딩 블록에 통합할 수 있다: (1) BMS, 충전 및 보호를 포함한 배터리 관리, (2) EV 견인 및 차량 충전/고속 충전을 위한 다중 출력 포트 제공, (3) 여러 MMACB를 사용하여 그리드 지원, V2G(차량 대 그리드), 자율 상향식 마이크로그리드 형성 등 고급 기능 구현, (4) 전기적 결함, 사고, 시스템 고장 또는 물리적 손상 시에도 완벽하게 보호하고 안전할 수 있음. 또한 상기 MMACB는 탁월한 유연성을 제공하여 향후 배터리 및 전력 컨버터 기술과 상호 운용할 수 있는, 기술과 상관없이 사용할 수 있는(technology agnostic) 빌딩 블록을 만들 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 MMACB는 제1 전력 컨버터 브리지(150), 제2 전력 컨버터 브리지(155) 및 제3 전력 컨버터 브리지(160)를 포함할 수 있다. 상기 제2 전력 컨버터 브리지(155)는 제1 변압기(125)를 통해 제1 전력 컨버터 브리지(150)에 연결되어, 상기 제1 전력 컨버터 브리지(150)가 상기 제1 변압기(125)의 저전압 측에 연결되고, 상기 제2 전력 컨버터 브리지(155)가 상기 제1 변압기(125)의 고전압 측에 연결되도록 할 수 있다. 상기 제3 전력 컨버터 브리지(160)는 제2 변압기(126)를 통해 제1 전력 컨버터 브리지(150)에 연결되어, 상기 제1 전력 컨버터 브리지(150)가 상기 제2 변압기(126)의 저전압 측에 연결되고 제3 전력 컨버터 브리지(160)가 제2 변압기(126)의 고전압 측에 연결되도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 MMACB는 도 1에 도시된 바와 같이, 고전압 브리지를 위한 소프트 스위칭 솔리드-스테이트 트랜스포머(S4T) 컨버터 및 저전압 배터리 브리지를 위한 새로운 CSI 브리지 구조를 이용할 수 있다. 상기 S4T 컨버터는 PCT 출원 번호 PCT/US2017/033186, PCT/US2019/042969 및 PCT/US2021/038232에 공개되어 있다. 상기 MMACB는 상기 배터리 모듈과 하나 이상의 고전압 AC 및 DC 포트(예를 들어, 모터, 충전 단자 등) 사이의 전력 흐름을 관리할 수 있고, 완전 양방향이 가능하며, 고주파 갈바닉 절연으로 높은 부스트 변환비를 달성할 수 있는 멀티포트 컨버터를 실현할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예시적인 MMACB는 모듈당 1C 연속 방전(15kW) 및 2C 피크 방전 용량(30kW의 피크 전력)으로 정격 ~15kWh인 2개의 48V 배터리(105, 106)를 제1 전력 컨버터 브리지(150)에 통합할 수 있다. 상기 배터리 팩의 중간 지점은 섀시 접지(chassis-ground)(110)에 높은 임피던스로 연결되어 어떠한 고장 또는 위반 조건에서도 터치 전압이 48볼트를 초과하지 않도록 보장한다. 상기 컨버터는 저전압 배터리 스테이지에 GaN HEMT 및 Si MOSFET을 기반으로 하는 하이브리드 스위칭 셀 구조와 고전압 스테이지에 듀얼 커먼 소스 SiC MOSFET 구성을 사용할 수 있다. 이 토폴로지는 소프트 스위칭 조건에서 작동하여 넓은 작동 전력 범위에서 96.5 - 98.5%의 효율로 25kHz 보다 큰 스위칭 주파수를 달성할 수 있다. 상기 MMACB는 필터링된 파형, 낮은 EMI, 조정된 제어를 통해 수백 킬로와트까지 모듈을 병렬로 연결할 수 있으며 40 μs 컨버터 스위칭 사이클당 필요에 따라 포트 간 및 모듈 간 에너지를 정밀하게 교환할 수 있다. 또한 전류원 컨버터로서, 상기 MMACB는 대형 DC 링크 커패시터 없이 작동할 수 있고, 슛스루 및 단락 오류에 영향을 받지 않으며, 배터리를 위한 완전 보호 DC 포트를 제공하고, 손실 없는 에너지 회수 메커니즘(energy recovery mechanism)으로 변압기의 누설 인덕턴스를 관리할 수 있으며, 일반 컨버터보다 높은 온도에서 작동할 수 있다.
상기 고전압 브리지(155, 160)는 각각 직렬로 연결된 4개의 제어 가능(또는 활성이라고도 하는) 스위치(115A-D)를 포함하는 다수의 인버터 극 또는 위상 레그(110A-C)를 포함할 수 있다. 상기 스위치들(115A-D)은 당업자에게 알려진 다수의 스위치들일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 스위치들(115A-D)은 SiC MOSFET이다(도 3). 일부 다른 실시예들(도 4에 도시된 바와 같이)에서, 상기 스위치는 SiC MOSFET 및 SiC 쇼트키 다이오드의 직렬 연결일 수 있다. 상기 컨버터 시스템은 하나 이상의 포트(120A-C)를 제공하여 소스/부하와 상기 컨버터 시스템 간에 전력이 흐르도록 할 수 있다. 예를 들어, 하나의 포트(120A)는 전기 모터를 상기 컨버터에 연결하는 데 사용될 수 있다. 인버터 극(110A-C)의 수는 필요에 따라 확장되어 전력 밀도에 큰 영향을 주지 않으면서 온-보드 DC 또는 AC 고속 충전기(120B) 및 제2 3-상 트랙션 인버터(120C)를 위한 추가 연결 포트를 제공할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 MMACB는 두 개의 배터리 모듈(105 106)의 직렬 연결에 의해 형성된 배터리 팩의 중간 지점에 연결하는 데 사용되는 중앙 탭 지점을 갖는 저전압 DC 스테이지에서 분할 DC-링크 구조를 사용할 수 있다. 이 분할 DC-링크는 두 개의 직렬 연결된 고주파 변압기(125 126)를 사용하여 구현할 수 있으며, 토폴로지에 갈바닉 절연 및 부스트 변환 비율을 제공한다.
또한, 상기 DC-링크 브리지는 상기 브리지의 스위칭 전이(switching transition) 동안 및 토폴로지의 모든 제어 가능한 전력 디바이스가 꺼질 때 자연스럽게 켜질 수 있는 2개의 클램핑 장치(130, 131)를 포함한다. 이는 상기 변압기의 자화 전류(magnetizing current)가 흐르는 경로를 제공하고, 상기 토폴로지의 무손실 누설 에너지 회수 메커니즘을 가능하게 하며, 컨버터 고장 시 전류 DC-링크가 배터리로 안전하게 방전되는 고유한 안전 메커니즘을 제공한다. 이 크로스-클램프(cross-clamped) 작동 모드는 제안된 MMACB에 고유하며 기존 S4T 기반 고전압 브리지의 공진 시퀀스를 단순화한다. 상기 MMACB에는 결함 모드가 거의 없으며, 상기 배터리는 항상 단락 가능성이 거의 또는 전혀 없이 보호될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 크로스-클램핑 장치(130, 131)는 전도 손실을 줄이기 위해 GaN HEMT로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 크로스-클램핑 장치들(130, 131)은 본질적으로 역회복에 내성이 있는 다이오드 기술(예컨대, SiC 쇼트키 다이오드)로 구현될 수 있다.
도 3에 표시된 바와 같이, 하나의 제1 배터리 극의 Si MOSFET(140 141) 및 직렬 GaN HEMT(142, 143)(이 소자는 다시 SiC 쇼트키 다이오드와 같은 역 회복이 없는 다이오드 기술로 대체될 수 있음)와 반대쪽 배터리 극에 연결된 클램핑 장치는 새로운 하이브리드 스위칭 회로를 형성한다. 상기 저전압 DC 브리지의 활성 디바이스(예: Si MOSFET)의 ZVS 턴-오프 및 ZCS 턴-온을 활성화하기 위해, 커패시터(145 146)와 충전/방전 저항기-다이오드 회로(147 148)의 직렬 연결로 구현된 공진 극 네트워크가 하이브리드 스위칭 셀 내의 복합 활성 스위치 회로(Si MOSFET 140 141 + GaN HEMT 142 143)를 가로지르며 연결된다. 이는 상기 저전압 브리지에 추가 S4T 공진 탱크를 사용하지 않고도 상기 MMACB의 저전압 DC 브리지에 새로운 소프트 스위칭 메커니즘을 제공한다. 기존 S4T 구조와의 근본적인 차이점 덕분에 MMACB는 저전압 입력 배터리를 사용하여 S4T가 접근할 수 없는 전력 범위로 확장할 수 있다.
상기 MMACB의 2개의 고전압 브리지는 모든 메인 파워 디바이스의 ZVS와 함께 종래의 S4T 브리지를 사용할 수 있고, 인터리브 방식(interleaved manner)으로 동작하여 필터 요건을 더욱 감소시킬 수 있다.
도 6은 스위칭 사이클에 대한 예시적인 MMACB의 예시적인 시뮬레이션 파형으로, 크로스-클램핑 작동 모드를 강조한다. 스위칭 전이(switching transition) 동안, 상기 크로스-클램핑 동작은 이 예시적 설계에서 상기 브리지가 이 30kW 동작 지점에서 600암페어 이상으로 스위칭되는 동안 상기 저전압 브리지의 디바이스 전압 스트레스를 공칭 DC 배터리 전압(이 예에서는 2x48V = 96V)으로 제어 및 클램핑한다. 또한 크로스-클램핑 작동은 도 6에서 강조 표시된 대로 자화 전류(magnetizing current)가 LV 브리지에서 HV 브리지로 전환되는 변압기의 누설 인덕턴스에 갇힌 에너지의 손실 없는 관리 메커니즘을 제공한다.
이 작동 모드는 모든 전원 장치를 게이팅 오프함으로써 상기 스위칭 사이클 동안 활성화되고, 도면과 같이 DC-링크 전류를 배터리로 방전한다. 이는 컨버터를 사용하여 배터리를 충전할 때 에너지 회수 메커니즘을 제공할 뿐만 아니라 기존 전류-원 인버터의 경우처럼 치명적인 고장으로 이어지지 않고 컨버터 고장 시 DC -링크 전류가 자연스럽고 안전하게 0 A로 방전되도록 하는 고유한 폴백(fall back) 또는 페일-세이프(fail-safe) 기능도 제공한다.
상기 MMACB의 LV 브리지에 있는 활성 Si MOSFET 중 하나의 턴-오프 및 턴-온 전환은 도 6에 강조 표시되어 있으며 도 7a에 더 자세히 나와 있다. 턴-오프 시, 상기 공진 극 네트워크는 도 7b의 확대된 스위칭 파형에서 볼 수 있듯이 제로 전압 스위칭(ZVS)을 제공하며, 이 실시예에서 600A에서 96V를 스위칭하는 상용 디바이스의 경우 스위칭 손실(턴오프 에너지의 ~72μJ로 추정됨)이 거의 없다. 마찬가지로 턴-온(도 7a)에서, 상기 고전압 브리지의 S4T 작동은 상기 스위치의 공진 극 네트워크를 방전하고 Si MOSFET은 제로 전류 스위칭(ZCS) 조건에서 턴온된다. 도 7a에서 강조된 바와 같이, 이 실시예에서 96V 및 600A를 스위칭하는 디바이스의 경우 이 상용 MOSFET의 턴온 시 스위칭 손실은 무시할 수 있을 정도로 작다. MMACB 고유의 이 소프트 스위칭 접근 방식은 저전압 브리지가 목표 저전압 레벨과 고전력 정격으로 높은 전류 레벨에서 작동하여 높은 변환 효율을 가능하게 하는 핵심 요소이다.
상기 MMACB의 제어는 S4T 토폴로지의 기본 원리를 따를 수 있으며, 각 LV 및 HV 브리지는 일련의 전압 레벨 또는 액티브 벡터를 적용하고 능동 위상(ctive phases) 동안 한 번에 하나의 브리지가 전력을 전송하는 방식으로 작동한다. 상기 액티브 벡터는 가장 양극 전압에서 가장 음극 전압으로 정렬되며 스위칭 사이클 전체에 걸쳐 연속적으로 적용된다. LV 브리지 극과 해당 HV 브리지에 대한 일반적인 게이팅 패턴이 도 6의 시뮬레이션 파형과 함께 나와 있다. 일반적인 S4T 작동에서 한 가지 중요한 편차는 크로스-클램핑 작동 모드에서 관찰할 수 있는데, 이 모드에서는 LV 및 HV 브리지의 모든 활성 디바이스가 꺼져 있다. 이 경우, 상기 크로스-클램핑 장치가 자연스럽게 켜지고 반대쪽 배터리 극에서 마이너스 전압을 인가하여 DC 링크 전류 ILm을 방전할 수 있다. 이렇게 하면 제어 오류, 미스-게이팅, 게이트 드라이버 고장 또는 디바이스 고장이 제어되지 않은 DC-링크 전류 레벨 또는 과전압 조건으로 이어지지 않으므로 MMACB의 제어 견고성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 상기 공진 스위치를 켜서 크로스-클램프 모드를 종료하고 상기 공진 위상(resonance phase)을 시작하기 전에 상기 공진 탱크 전압을 크로스-클램프 모드에 의해 결정되는 알려진 전압 레벨로 체계적으로 클램핑함으로써 S4T 브리지의 공진 시퀀스 제어도 단순화된다.
LV 브리지 폴 - HV 브리지 쌍에 대한 단순화되고 일반적인 제어 블록 다이어그램이 도 8에 도시되어 있다. 이것은 종래의 DSP-FPGA 제어 아키텍처에서 구현될 수 있다. 상기 변조(modulation)는 적절한 액티브 벡터 순서를 사용하여 수정된 CSI 공간 벡터 변조 전략을 통해 달성할 수 있다. 상기 스위칭 사이클은 각 브리지에서 선택된 활성 벡터를 사용하여 구성할 수 있다. 마지막으로 상위 레벨 제어 루프를 사용하여 포트 레벨에서 원하는 제어 동작을 실현할 수 있다(예: V, I, P, Q 등).
여기에 공개된 본질적으로 안전한 MMACB 아키텍처는 배터리 에너지 저장 애플리케이션, 특히 수백 킬로와트 이상의 운송 시스템에서 큰 영향을 미칠 수 있다. 상기 MMACB는 배터리 스택에 중대한 사고나 파손이 발생하더라도 터치 안전 조건을 구현하여 안전 문제를 해결하고 성능, 크기 또는 비용(규모에 따른)에 영향을 주지 않는다. 차량에 여러 개의 MMACB를 유연하게 배치할 수 있으며 필요에 따라 업그레이드하거나 교체할 수 있다. 모든 전력/에너지 관리 기능이 하나의 유연하고 확장 가능한 모듈식 빌딩 블록에 통합되어 차량 설계가 간소화된다. 도 9는 단일 120kW 전기 모터를 구동하기 위해 병렬로 연결된 4개의 30kW MMACB 전력 변환 시스템을 사용하는 전기 자동차의 예시적인 전력 아키텍처를 보여준다. 각각 독립적인 30kW 인휠 모터를 구동하기 위해 병렬로 연결된 4개의 30kW MMACB 전력 변환 시스템을 사용하는 전기 자동차의 예시적인 전력 아키텍처가 도 10에 나와 있다. 도 9와 도 10 모두에서, 4개의 MMCAB 전력 변환 시스템은 AC 또는 DC 충전 포트의 병렬 연결을 통해 에너지를 교환할 수 있다. 상기 MMACB는 최소한의 크기와 비용 부담으로 쉽게 확장하여 듀얼 모터 제어 및 DC 또는 AC 입력 충전 기능을 포함한 멀티포트 기능을 구현할 수 있다. 기존 EV 인버터와 달리 소프트 스위칭 및 필터링된 파형은 EMI, 모터 손실 및 베어링 전류를 줄이고 인버터와 모터 사이에 근접할 필요가 없다. MMACB 제어 배터리 충전은 에너지 손실을 줄여 주행 가능 거리를 크게 향상시킬 수 있으며, 총 충전 시간을 단축할 수 있다. 또한 MMACB는 3-상 AC를 사용하여 고속 충전이 가능하므로 값비싼 전국 DC 고속 충전 인프라에 대한 비용과 필요성을 제거하여 전기차 출시에 큰 영향을 미친다. 마지막으로 MMACB는 고급 V2G, V2H 및 마이크로그리드 기능을 제공하여 전기차가 미래 그리드 에코시스템의 통합 요소가 될 수 있도록 지원한다.
본 명세서에 개시된 실시예 및 청구범위는 그 적용에 있어서, 설명에 기재되고 도면에 예시된 구성요소의 구성 및 배열의 세부 사항에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 설명 및 도면은 구상된 실시예의 예들을 제공한다. 본 명세서에 개시된 실시예 및 청구범위는 다른 실시예가 더 가능하며 다양한 방식으로 실시 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 문구 및 용어는 설명을 위한 것이며 청구범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점을 이해해야 한다.
따라서, 당업자들은 본 출원 및 청구범위의 기초가 되는 개념이 본 출원에 제시된 실시예 및 청구범위의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조, 방법 및 시스템의 설계를 위한 기초로서 쉽게 활용될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서, 청구범위는 그러한 동등한 구조를 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.
또한, 전술한 초록의 목적은 미국 특허청과 일반 대중, 특히 특허 및 법률 용어나 문구에 익숙하지 않은 당업자를 포함한 일반인들이 본 출원의 기술 개시의 성격과 본질을 피상적인 검토를 통해 신속하게 판단할 수 있도록 하기 위한 것이다. 요약은 출원 청구항을 정의하기 위한 것이 아니며, 어떤 방식으로든 청구항의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.

Claims (40)

  1. 다음을 포함하는 전력 변환 시스템:
    제1 배터리 모듈;
    상기 제1 배터리 모듈과 직렬로 연결된 제2 배터리 모듈;
    저전압 측과 고전압 측을 갖는 제1 변압기;
    저전압 측과 고전압 측을 갖는 제2 변압기 - 상기 제1 변압기의 상기 저전압 측은 상기 제2 변압기의 상기 저전압 측과 직렬로 연결됨-;
    상기 제1 및 제2 배터리 모듈과 상기 제1 및 제2 변압기의 저전압 측을 연결하도록 구성된 제1 전류원 컨버터 브릿지 - 상기 제1 및 제2 배터리 모듈의 직렬 연결의 중간 지점은 상기 제1 및 제2 변압기의 직렬 연결의 중간 지점에 연결됨- ;
    상기 제1 변압기의 상기 고전압 측, 및 전기 부하 및/또는 소스에 전력을 전송 및/또는 전기 부하 및/또는 소스로부터 전력을 수신하도록 구성된 하나 이상의 포트에 연결하도록 구성된 제2 전류원 컨버터 브리지;
    상기 제2 변압기의 상기 고전압 측, 및 전기 부하 및/또는 소스로 전력을 전송 및/또는 전기 부하 및/또는 소스로부터 전력을 수신하도록 구성된 상기 하나 및 하나 이상의 포트에 연결하도록 구성된 제3 전류원 컨버터 브리지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 컨버터 브리지는 상기 제1 배터리 모듈의 제1 극 및 상기 제2 배터리 모듈의 반대 극을 상기 제1 변압기의 저전압 권선의 단자에 선택적으로 연결하도록 구성된 제1 스위칭 회로를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 제어 가능 스위치는 Si MOSFET인, 전력 변환 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 스위치는 다이오드, 제어 가능 스위치 및 GaN HEMT 중 하나인, 전력 변환 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 스위칭 회로는 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치 및 제2 스위치와 병렬로 연결된 공진 극 네트워크를 더 포함하는, 전력 변환 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 공진 극 네트워크는 상기 제1 스위칭 회로에서 제1 제어 가능 스위치의 ZVS 턴-오프 및 ZCS 턴-온을 가능하게 하도록 구성되는, 전력 변환 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 공진 극 네트워크는 저항기-다이오드 회로에 직렬로 연결된 커패시터를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 저항기-다이오드 회로는 상기 제1 공진 극 네트워크의 커패시터를 충전 및 방전하는 동안 상이한 임피던스를 제공하는, 전력 변환 시스템.
  10. 제2항에 있어서, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 제1 변압기에서 상기 제2 배터리 모듈로 전력이 흐르도록 구성된 클램핑 장치를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 클램핑 장치는 다이오드, 제어 가능 스위치 및 GaN HEMT 중 하나인, 전력 변환 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함하고, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 클램핑 장치에 직렬로 연결된 바이패스 커패시터를 더 포함하여, 상기 바이패스 커패시터와 클램핑 장치의 직렬 연결이 상기 제2 스위치에 직렬로 연결된 상기 제1 제어 가능 스위치에 병렬로 연결되도록 하는, 전력 변환 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 전력 전버터 브리지는 상기 제2 변압기의 저전압 측 단자에 상기 제2 배터리 모듈의 제1 극 및 상기 제1 배터리 모듈의 반대 극을 선택적으로 연결하도록 구성된 제2 스위칭 회로를 더 포함하는, 전력 변환 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 제어 가능 스위치는 Si MOSFET인, 전력 변환 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제2 스위치는 다이오드, 제어 가능 스위치 및 GaN HEMT 중 하나인, 전력 변환 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제2 스위칭 회로는 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치 및 제2 스위치와 병렬로 연결된 공진 극 네트워크를 더 포함하는, 전력 변환 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 공진 극 네트워크는 상기 제2 스위칭 회로에서 상기 제1 제어 가능 스위치의 ZVS 턴-오프 및 ZCS 턴-온을 가능하게 하도록 구성되는, 전력 변환 시스템.
  19. 제17항에 있어서, 상기 공진 극 네트워크는 저항기-다이오드 회로에 직렬로 연결된 커패시터를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 저항기-다이오드 회로는 상기 공진 극 네트워크의 커패시터를 충전 및 방전하는 동안 상이한 임피던스를 제공하는, 전력 변환 시스템.
  21. 제13항에 있어서, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 제2 변압기에서 상기 제1 배터리 모듈로 전력이 흐르도록 구성된 클램핑 장치를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 클램핑 장치는 다이오드, 제어 가능 스위치 및 GaN HEMT 중 하나인, 전력 변환 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 상기 제2 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬로 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함하고, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 클램핑 장치에 직렬로 연결된 바이패스 커패시터를 더 포함하여, 상기 바이패스 커패시터와 상기 클램핑 장치의 직렬 연결이 상기 제2 스위치에 직렬로 연결된 상기 제1 제어 가능 스위치에 병렬로 연결되도록 하는, 전력 변환 시스템.
  24. 제3항에 있어서, 상기 제1 스위칭 회로는 상기 제1 변압기에서 상기 제2 배터리로 전력이 흐르도록 구성된 클램핑 장치를 포함하고, 상기 제1 전력 컨버터 브리지는 상기 제2 배터리 모듈의 제1 극과 상기 제1 배터리 모듈의 반대 극을 상기 제2 변압기의 저전압 측 단자에 선택적으로 연결하도록 구성된 제2 스위칭 회로를 포함하고, 상기 제2 스위칭 회로는 제2 스위치와 직렬 연결된 제1 제어 가능 스위치를 포함하고, 상기 제2 스위칭 회로는 상기 제2 변압기로부터 상기 제1 배터리로 전력이 흐르도록 구성된 클램핑 장치를 포함하고, 상기 제1 스위칭 회로의 제2 스위치와 직렬 연결된 상기 제1 제어 가능 스위치는 상기 제2 스위칭 회로의 상기 클램핑 장치에 직렬 연결되고, 상기 제1 스위칭 회로의 상기 클램핑 장치는 직렬 연결된 제1 제어 가능 스위치 및 상기 제2 스위칭 회로의 제2 스위치에 직렬로 연결되는, 전력 변환 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환 시스템은 상기 제1 변압기 및/또는 제2 변압기의 저전압 측을 가로질러 병렬로 연결된 공진 회로를 포함하지 않는, 전력 변환 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 상기 제2 전류원 컨버터 브리지는 상기 제1 변압기의 고전압 측에 병렬로 연결된 제1 공진 회로를 포함하고, 상기 제3 전류원 컨버터 브리지는 상기 제2 변압기의 고전압 측에 병렬로 연결된 제2 공진 회로를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 상기 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지 중 적어도 하나는 적어도 하나의 역방향 차단 스위치를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 적어도 하나의 역방향 차단 스위치는 다이오드에 직렬로 연결된 제어 가능 스위치를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 상기 적어도 하나의 역방향 차단 스위치는 반대 전류 차단 방향으로 직렬로 연결된 제1 및 제2 제어 가능 스위치를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  30. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환 시스템은 제1, 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지가 비활성 상태일 때 상기 시스템의 최대 전압이 제1 또는 제2 배터리 모듈의 전압 레벨이 되도록 구성되는, 전력 변환 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 배터리 모듈의 전압 레벨은 60볼트 미만인, 전력 변환 시스템.
  32. 제1항에 있어서, 상기 제 1 전류원 컨버터 브리지는 스위칭 사이클에서 동작하도록 구성되는, 전력 변환 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 스위칭 사이클은 전력이 적어도 하나의 클램핑 장치를 통해 제1 및 제2 변압기 중 적어도 하나에서 적어도 반대쪽 배터리 극으로 흐르는 교차-클램핑 위상(cross-clamped phase)을 포함하는, 전력 변환 시스템.
  34. 제1항에 있어서, 상기 제1 전류원 컨버터 브리지는 상기 제1 및 제2 변압기 중 적어도 하나로부터의 누설 에너지의 대부분이 상기 제1 및 제2 배터리 모듈 중 적어도 하나로 회수(recover)되도록 구성되는, 전력 변환 시스템.
  35. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환 시스템은,
    상기 제1, 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지에 연결된 모든 제어 가능한 전력 디바이스가 꺼지고, 상기 제1 및 제2 변압기 중 적어도 하나의 자화 전류(magnetizing current)가 상기 제1 및 제2 배터리 모듈 중 적어도 하나로 방전되는 페일-세이프 상태(fail-safe state)에서 작동하도록 구성되는, 전력 변환 시스템.
  36. 제1항에 있어서, 상기 제 2 및 제3 전류원 컨버터 브리지의 하나 이상의 포트는 제1 전기 모터에 연결된 제1 포트를 포함하는, 전력 변환 시스템.
  37. 제1항에 있어서, 상기 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지의 하나 이상의 포트는 제1 전기 모터에 연결된 제1 포트 및 충전 단자에 연결된 제2 포트를 포함하는, 전력 전환 시스템.
  38. 제37항에 있어서, 상기 제2 및 제3 전류원 컨버터 브리지의 하나 이상의 포트는 제2 전기 모터에 연결된 제3 포트를 더 포함하는, 전력 변환 시스템.
  39. 제36항에 있어서, 상기 전류원 컨버터의 하나 이상의 포트는 상기 제2 전기 모터에 연결된 제2 포트를 더 포함하는, 전력 변환 시스템.
  40. 다음을 포함하는 모듈형 배터리 시스템:
    제1항 내지 제39항 중 임의의 제1 전력 변환 시스템; 및
    제1항 내지 제39항 중 임의의 제2 전력 변환 시스템,
    상기 제1 전력 변환 시스템 및 상기 제2 전력 변환 시스템은 전기 부하 및/또는 소스로 전력을 송신 및/또는 전기 부하 및/또는 소스로부터 전력을 수신하도록 구성된 제1 및 제2 전력 변환 시스템의 상기 하나 및 하나 이상의 포트 중 적어도 하나에 병렬로 연결됨.


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