KR20240005029A - 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 전기 구동 시스템 및 방법 - Google Patents

3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 전기 구동 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20240005029A
KR20240005029A KR1020237042095A KR20237042095A KR20240005029A KR 20240005029 A KR20240005029 A KR 20240005029A KR 1020237042095 A KR1020237042095 A KR 1020237042095A KR 20237042095 A KR20237042095 A KR 20237042095A KR 20240005029 A KR20240005029 A KR 20240005029A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
level
inverter
designed
inverter circuit
circuit
Prior art date
Application number
KR1020237042095A
Other languages
English (en)
Inventor
알렉산더 로젠
크리스토퍼 로멜마이어
막시밀리안 하버스브루너
Original Assignee
딥드라이브 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 딥드라이브 게엠베하 filed Critical 딥드라이브 게엠베하
Publication of KR20240005029A publication Critical patent/KR20240005029A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/14—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation with three or more levels of voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0018—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using neural networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0022—Model reference adaptation, e.g. MRAS or MRAC, useful for control or parameter estimation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0027—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using different modes of control depending on a parameter, e.g. the speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0031—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control implementing a off line learning phase to determine and store useful data for on-line control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/40—DC to AC converters
    • B60L2210/42—Voltage source inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/03—Double rotor motors or generators, i.e. electromagnetic transmissions having double rotor with motor and generator functions, e.g. for electrical variable transmission

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

본 발명은 전기 구동 시스템을 위한 다상 전기 기계의 활성화를 위한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로로서, 전압 공급부의 제1 및 제2 공급 전위에 결합될 수 있는 2개의 공급 연결부와, 전기 기계의 각각의 상에 대한 부하 출력 연결부를 포함하고 전기 기계에 결합될 수 있는 부하 출력부와, 공급 연결부와 부하 출력부 사이에 배치되고, 부하 출력부에 연결된 전기 기계를 구동하기 위해 공급 측에서 수신된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하도록 설계된 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터와, (전체) 전기 구동 시스템의 전체 효율에 따라 인버터를 3레벨 또는 다중 레벨 작동으로부터 2레벨 작동으로 또는 그 반대로 변경하도록 설계된 작동 모드 설정 장치를 포함하며, 전체 효율은 전기 기계의 검출된 상 전류 및 전체 효율에 영향을 미치는 전기 기계의 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 하나의 추가 특성의 함수인, 인버터 회로에 관한 것이다.

Description

3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 전기 구동 시스템 및 방법
본 발명은 전기 구동 시스템을 위한 다상 전기 기계, 특히 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료를 갖는 이중 회전자(double rotor)가 구비된 동기 기계(synchronous machine)의 활성화를 위한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자동차용 전기 구동 시스템 또는 자동차 내의 전기 구동 시스템 및 이러한 전기 구동 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
인버터는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 전기 장치이다. 이러한 인버터는 예를 들어 현대의 자동차, 태양광 발전(태양광 인버터)에서, 주파수 변환기 및 적절한 교류 전압이 직류 전압으로부터 생성되어야 하는 많은 다른 적용 분야에서의 부품으로서 사용된다. 이러한 인버터 및 이의 적용 분야는 광범위한 회로별 변형에서 일반적으로 알려져 있으며, 따라서 이의 회로별 구조 및 작동 모드를 더 자세히 논의할 필요는 없다.
현대의 자동차의 경우, 특히 지속 가능성과 CO2 배출 방지를 위해 전기적으로 동력을 제공받는 구동 시스템이 점점 더 많이 사용되고 있다. 이러한 구동 시스템은, 예를 들어, 다상 교류 전압을 통해 전력을 공급받는 동기 기계 또는 비동기 기계와 같은 하나 이상의 전기 기계를 포함한다. 일반적으로, 교류 전압을 생성하기 위해, 이른바 2레벨 인버터(또는 줄여서 2L 인버터)가 사용된다. 2레벨 인버터의 경우, 2개의 전압 레벨을 갖는 교류 전압이 직류 전압원의 직류 전압으로부터 생성된다.
2레벨 인버터는, 특히 전기 자동차용 구동 인버터의 분야에서, 다른 인버터 토폴로지에 대해 확립되었다. 현재, IGBT 스위칭 소자가 2레벨 인버터에 주로 사용된다. 이러한 2레벨 인버터의 일례는 2010년 IEEE에서 발간한 도서인 "Emobility - Electrical Power Train"에서 보여진 H. v. Hoeck의 논문 "Power Electronic Architectures for Electric Vehicle"에서 설명된다.
방금 언급된 2레벨 인버터 토폴로지 외에도, 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 토폴로지가 또한 존재하며, 따라서 이를 통해 3레벨 또는 다중 레벨 전압 레벨이 생성될 수 있다. 다중 레벨 인버터 토폴로지의 예는 예를 들어 US 10,903,758 B2 또는 US 2017/0185130 A1에 설명된다.
다중 전압 레벨의 이점은 더 낮은 고조파, 상 출력(phase output)에서 더 느린 전압 변화, 낮은 전자기 방출(EME) 그리고 무엇보다도 더 높은 전압의 처리이다. 이러한 이유로, 이러한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터는 현재 고전압 적용 분야에 주로 사용된다. 예를 들어 태양광 인버터 또는 풍력 터빈과 같은 전력 엔지니어링 적용 분야는 이러한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 토폴로지에 대해 확립된 적용 분야이다. 더 높은 전압은 (예를 들어, 400V의 전압을 갖는) 전기 자동차에서 찾아볼 수 없다. 대조적으로, 태양광 발전에서는, 1kV보다 높은 전압이 일반적이며, 풍력과 같은 다른 재생 가능한 에너지의 경우, 전압은 현저히 높다.
그러나, 널리 알려진 의견에 따르면, 방금 언급된 3레벨 또는 다중 레벨 인버터의 장점은, Andreas Bubert 등의 논문인 Experimental Validation of Design Concepts for Future EV-Traction Inverters", 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), pages 795-802에 언급된 바와 같이, 잔기 자동자의 전기 구동에 있어서 이의 사용을 정당화하기에는 충분하지 않다. 이러한 모든 이유로 인해, 오늘날의 전기 구동 자동차에는 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 토폴로지가 사용되지 않는다.
본 발명은 자동차의 전기 구동 시스템에서의 효율적인 사용에 적합한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터를 제공하도록 의도된다. 특히, 본 발명은, 선택적으로는, 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 이루어진 이중 회전자가 구비된 전기 구동 시스템의 효율을 개선하고 그리고/또는 2레벨 인버터에 비하여 더 나은 비용/이익 비율을 가능하게 하도록 더 의도된다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 인버터 회로 및/또는 청구항 19의 특징을 갖는 전기 구동 시스템 및/또는 청구항 25의 특징을 갖는 방법에 의해 성취된다.
따라서, 다음이 제공된다:
- 전기 구동 시스템을 위한 다상 전기 기계, 특히 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료를 갖는 이중 회전자가 구비된 동기 기계의 활성화를 위한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로로서, 전압 공급부의 제1 및 제2 공급 전위에 결합될 수 있는 2개의 공급 연결부와, 전기 기계의 각각의 상에 대한 부하 출력 연결부를 포함하고 전기 기계에 결합될 수 있는 부하 출력부와, 공급 연결부와 부하 출력부 사이에 배치되고, 부하 출력부에 연결된 전기 기계를 구동하기 위해 공급 측에서 수신된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하도록 설계된 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터와, (전체) 전기 구동 시스템의 전체 효율에 따라 인버터를 3레벨 또는 다중 레벨 작동으로부터 2레벨 작동으로 또는 그 반대로 변경하도록 설계된 작동 모드 설정 장치를 포함하며, 전체 효율은 전기 기계의 검출된 상 전류 및 전체 효율에 영향을 미치는 전기 기계의 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 하나의 추가 특성의 함수인, 인버터 회로.
- 이중 회전자를 갖는 동기 기계를 포함하는 적어도 하나의 다상 전기 기계를 갖는 자동차용 또는 자동차 내의 전기 구동 시스템으로서, 이중 회전자는 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 구성되며, 부하 출력부에서 전기 기계에 결합되고, 공급 측에서 수신된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하도록 설계되며, 전기 기계가 부하 출력부를 통해 구동될 수 있도록 하는 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 특히 본 발명에 따른 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로를 구비하고, 인버터 회로는 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터를 갖는, 전기 구동 시스템.
- 이중 회전자가 구비된 동기 기계를 포함하는 전기 구동 시스템 - 이중 회전자는 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 구성됨 -, 특히 본 발명에 따른 전기 구동 시스템을 작동하기 위한 방법으로서, 동기 기계는 전기 구동 시스템의 전체 효율에 따라 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터에 의해 3레벨 또는 다중 레벨 작동 모드 및 2레벨 작동 모드 모두로 작동될 수 있고, 전체 효율은 전기 기계의 검출된 상 전류 및 전체 효율에 영향을 미치는 전기 기계의 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 특성으로부터 결정되는, 방법.
본 발명은 현재 본질적으로 2레벨 인버터가 자동차용 전기 구동에 사용된다는 발견에 기초한다. 3레벨 또는 다중 레벨 인버터는 현재 대부분 비자동차(고전압) 적용 분야에서 주로 찾아볼 수 있다. 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 사용에 내재된 추가 이점은 지금까지 자동차 적용 분야에 내재된 추가 비용을 정당화하지 않는다.
본 발명은 전체 구동 시스템의 개조와 연관된 특정 인버터 회로의 사용에 의해 이러한 문제를 해결하며, 이는 전체적인 이점의 증가를 허용하지만 이와 연관된 비용의 증가는 없다.
본 발명의 (제1) 핵심 아이디어는 3레벨 또는 다중 레벨 작동(이하 3L 작동이라 함)과 2레벨 작동(이하 2L 작동이라고 함)으로 작동될 수 있는 새로운 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터의 사용에 있다. 이러한 목적으로 특별히 제공된 작동 모드 설정 장치는 적절한 방식으로 인버터의 전력 스위치를 활성화하여 각각의 작동 모드를 설정한다. 작동 모드는 전체 구동 시스템의 전체 효율에 따라 설정된다 - 따라서 예를 들어 단순히 사용되는 전기 기계 및/또는 인버터를 기준으로 설정되는 것은 아니다. 전체 효율을 위해, (다른 인버터에서와 같은) 전기 기계의 검출된 상 전류 외에도 전체 효율에 영향을 미치는 전기 기계의 추가 파라미터 및/또는 특성도 추가로 고려된다. 알려진 구동 시스템의 경우, 후자는 효율 평가 및 효율 분석을 위해서는 전혀 고려되지 않는다. 본 발명에 따르면, 효율의 전체론적 분석이 이 경우에 수행된다.
이제, 이 경우 인버터를 3L 작동으로 작동시켜 주로 작은 부하에 대한 손실을 감소시키는 것이 본 발명의 개념이다. 이 경우, 인버터의 손실은 모든 작동 포인트에서 기껏해야 미미하게 증가되나 심지어 감소된다. 따라서, 구동 시스템, 즉 인버터와 전기 기계의 전체 효율은 특히 전기 구동 차량에 사용될 때 상당히 증가한다.
본 발명의 (제2) 핵심 아이디어는 고체 회전자 재료로 구성된 이중 회전자, 즉 고체 구조의 이중 회전자가 구비된 특정 전기 기계의 사용에 있다. 특히, 이러한 전기 모터는 높은 손실을 수반한다. 본 발명은 알려진 전기 기계에서 고체 재료로 구성된 이중 회전자에서의 높은 손실 문제를 해결한다. 고체 재료로 구성된 이중 회전자를 갖는 전기 기계가 회전자에서 높은 손실을 갖는다는 것이 이 경우에 있어서의 기본적인 발견이다. 설계 측면에서, 전기 기계에서의 손실은 감소될 수 없거나 미미하게만 감소될 수 있다. 2L 작동에서 주파수를 높여 손실을 감소시키는 것은 약간의 효과만을 갖고 인버터에서 손실을 증가시켜 결국 전체 효율에 영향을 미친다. 이중 회전자의 고체 재료에서 손실을 감소시키기 위한 기본 메커니즘은 토크 형성에 기여하지 않는 이중 회전자의 고체 재료에서 특정 자속 밀도의 진폭이 감소되어야 한다는 사실에 기초한다. 자속 밀도에서 고조파에 의해 정의되는 이 부분은 이의 진폭의 제곱에 따른 THD 유도 손실 변화에 대략 정비례한다. 따라서, 인버터 스위칭 주파수의 변화는 손실의 선형적 변화에 간접적으로 비례하므로 효율성이 떨어진다. 고체 재료에서의 손실 감소는 전기 기계의 전체 손실 감소 및 이의 경제적인 사용에 실질적으로 기여한다. 따라서, 본 발명의 일부인 결과적인 발견은 전기 기계에서의 손실이 자속 밀도에서 고조파 진폭만을 감소시키는 인버터 회로에 의해 효과적으로 감소될 수 있다는 것이다.
이를 성취하기 위해, 인버터의 작동 모드의 구성 및 선택에서 다음과 같은 기준 및 양태가 고려되었다:
인버터의 상 출력에서 고조파를 감소시키기 위해 2L 인버터의 기능이 3L 인버터의 기능으로 대체되었다. 그 결과, 자속 밀도와 고정자 전류에서의 고조파가 감소된다. 이 목적을 위해서 주파수 변경은 필요하지 않다.
마찬가지로 2L 작동에서 스위칭 주파수를 증가시켜 손실이 감소되지만, 그 결과 인버터에서의 스위칭 손실도 마찬가지로 크게 증가하여 전체 효율이 상당히 개선되지는 않기 때문에, 이는 수행되지 않는다. 스위칭 주파수의 증가가 손실 최적화를 긍정적으로 지원할 수 있지만, 이것이 필수적인 양태는 아니다.
사용되는 3L 인버터는 3개의 전압 레벨(3L)을 제공하며 (반드시 그런 것은 아니지만) 바람직하게는 3상 인버터이다. 3개의 전압 레벨과 3개의 상을 사용하면 상대적으로 높은 비용 효율성을 성취될 수 있다. 그러나, 시스템은 모든 상이 동일한 설계로 되어 있는 원하는 수의 상과 원하는 수의 전압 레벨로 확장될 수 있다.
알려진 2L 인버터와 달리, 전기 기계에서의 전력 손실은 더 낮은 고조파로 인해 본 발명에 따른 3L 인버터의 작동에서 크게 감소된다. 3L 인버터의 스위칭 손실도 마찬가지로 상대적으로 감소되지만, 도전 상태(conducting state) 손실은 증가된다.
전기 기계와 3L 인버터 모두에서, 일반적인 손실 메커니즘은 부하에 따라 변경된다. 3L 작동에서, 고조파는 더 낮고, 따라서 기계 손실이 크게 감소된다. 고조파로 인한 손실은 낮은 전류의 경우 지배적이다. 더 큰 전류의 경우, 일반적인 손실 메커니즘이 변경되고 저항 도전 또는 구리 손실이 지배적인 반면, 고조파로 인한 손실은 종속되거나 비교적 낮은 것으로 판명될 가능성이 높다. 인버터에서의 스위칭 손실은 2L 인버터에 비하여 3L 인버터에서 감소된다(대략 50%만큼). 작은 부하(전류)의 경우에 이러한 스위칭 손실이 일반적인 반면, 더 큰 전류의 경우에 도전 손실이 지배적이며 2L 작동이 더 효율적이다. 이러한 발견은 낮은 부하의 경우 3L 인버터를 사용하고, 높은 부하의 경우 2L 인버터를 사용하는 발명의 개념으로 이어진다. 이 작동은 본 발명에 따른 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터를 통해 가능하다.
전반적으로, 알려진 전기 구동 시스템에 비해 전기 구동 시스템의 전체 효율을 상당히 개선하기 위하여 - 무엇보다도 이중 회전자 모터가 구비된 전기 기계의 경우에 - 2L 작동의 장점은 이에 따라 3L 작동의 장점과 결합될 수 있다.
작동 모드 설정 장치가 반드시 2L 작동으로부터 3L 작동으로 또는 그 반대로 하드 전환(hard switch)을 수행할 필요는 없다는 것이 본질적이다. 반대로, 대신에 이러한 전환(switch-over)이 연속적으로 발생하는 경우, 예를 들어 내부 전력 스위치로부터 외부 전력 스위치로의 페이딩이 발생하는 경우도 가능하다. 이 페이딩은 예를 들어 서로 다른 전력 스위치의 평균 전류값을 고려하여 수행될 수 있어, 작동 시간 또는 각각의 전력 스위치가 온으로 스위칭되는 시간이 고려된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전력 스위치가 특정된 순서에 따라 그리고/또는 천천히 스위칭되는 경우도 가능할 수 있다.
예를 들어 평가 장치, 제어 장치 및/또는 측정 장치를 갖는 작동 모두 설정 장치가 예를 들어 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컨트롤러와 같은 프로그램으로 제어되는 장치로서 설계될 수 있다. 그러나, 이 기능을 위해 예를 들어 FPGA, PLD 등과 같은 논리 회로를 갖는 것도 가능하다.
유리한 실시예 및 개발은 추가 종속항과 도면을 참조한 설명으로부터 명백해진다.
본 발명의 바람직한 측면에 따르면, 작동 모드 설정 장치는 평가 장치를 갖는다. 평가 장치는 상 전류에 기초하여 그리고 전기 기계의 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 적어도 하나의 특성에 기초하여 전기 구동 시스템의 전체 효율을 최적화하도록 설계된다.
반드시 그런 것은 아니지만, 통상적으로 전체 효율은 평가 회로에 의해 수치적으로 계산된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전체 효율은 예를 들어 룩업 테이블에 매핑된 특정 특성 계열에 기초하여 결정될 수 있다. 전체 효율의 결정은 작동 동안 계산 또는 결정되거나, 예를 들어 미리 계산 또는 결정될 수 있다. 바람직하게는, 이른바 오프라인 작동에서, 전기 구동 시스템의 작동 전에, 최적인, 즉 가장 효율적인 가능한 작동 전략이 예를 들어 수치적으로 계산된다. 이는 상대적으로 적은 컴퓨터 자원으로 성취될 수 있으며, 무엇보다도 최적인 전체 효율의 수치 예상에서 많은 수의 파라미터가 고려될 때 바람직할 것이다. 또한, 오프라인 작동의 경우, 계산에 더 많은 시간을 사용할 수 있다. 그러나, 대안적으로, 각각의 작동 모드(2L 작동 또는 3L 작동)를 매우 동적으로 결정하는 것이, 예를 들어 룩업 테이블을 통해, 이른바 실시간 작동에서도 실현 가능하고 가능성이 있을 것이다. 이는 전체 효율 계산에 더 적은 수의 파라미터가 사용되는 경우 특히 유리하며 가능성이 있다. 예를 들어, 이러한 목적을 위해, 이전 파라미터 값, 특성 곡선 등에 기초하여 훈련받은 훈련된 인공 지능 네트워크를 사용하는 것이 가능할 것이다.
바람직한 실시예에 따르면, 평가 장치는 전체 효율을 초기에 결정하도록 설계된 최적화 모듈을 갖는다. 대안적으로 또는 추가적으로, 전체 효율은 후속적으로 상 전류 및 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 특성을 고려하여 최적화 함수를 통해 최적화될 수 있다. 전체 효율의 최적화는 분석적으로 그리고/또는 예를 들어 미리 생성된 적절한 조회 테이블을 통해 이루어질 수 있다.
다음 파라미터 중 적어도 하나가 추가 파라미터로서 제공된다:
- 인버터 회로의 온도;
- 전기 기계의 온도;
- 인버터의 중간 회로 전압;
- 회전자 속도 또는 회전자 회전 속도;
- 전기 기계의 토크;
- 변조 정도;
- 상 전압 또는 상 전류.
물론, 추가 파라미터를 사용하는 것도 가능하다.
각각의 경우에 사용되는 작동 모드(예를 들어, 2L 작동 또는 3L 작동)는 전체 효율에 영향을 미치는 전기 기계의 특성일 것이다. 추가 특성은 전기 기계의 회전자의 특정 구성에서 볼 수 있으며, 예를 들어 회전자가 이중 회전자이고 그리고/또는 이중 회전자가 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 형성되는 방식에서 볼 수 있다.
바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 작동 모드 설정 장치는 적어도 하나의 측정 장치를 갖는다:
제1 측정 장치는 적어도 하나의 센서 입력을 가지며, 이를 통해 제1 측정 장치가 전기 기계에 연결될 수 있다. 제1 측정 장치는 상 전류, 온도, 회전자 속도 및/또는 기타 측정 가능한 파라미터를 검출하도록 설계된다. 예를 들어, 전기 기계 또는 이의 회전자의 온도는 대응하는 열전대를 통해 검출될 수 있다. 대안적으로, 특정 도체 및 반도체 또는 예를 들어 특정 반도체 회로의 온도에 따른 전기 저항의 변화가 온도 측정을 위해 사용되어 절대 온도에 비례하는 전압을 생성할 수 있다(키워드: 밴드 갭 레퍼런스(band gap reference)). 전기 기계의 토크는 직접 검출될 수 없지만, 이는 특히 상 전류를 측정하여 계산될 수 있다. 회전자의 회전 속도와 그로부터의 회전자 속도는 다양한 방식으로, 예를 들어 회전자에 부착된 홀 센서나 증분 인코더를 이용하여, 결정될 수 있다.
인버터의 온도 및/또는 중간 회로 전압을 검출하기 위해 제2 측정 장치가 배열되고 설계된다. 온도 검출은 제1 측정 장치와 관련된 위의 방식과 유사한 방식으로 수행될 수 있다.
바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 인버터는 t형 중성점 고정(t-type neutral point clamped(TNPC)) 인버터 아키텍처를 포함한다. 이는 다중 레벨 능동 중성점 고정(active neutral point clamped(ANPC)) 인버터 토폴로지에 비해 다양한 이점을 가진다: ANPC 토폴로지에 비하여, 4개가 아닌 최대 3개의 스위치가 직렬로 도전성을 가지므로 도전 상태 손실이 더 낮다. 출력 전압 파형은 동일하므로 스위칭 손실은 유사하게 낮지만, 더 높은 스위칭 주파수(예를 들어, > 10kHz)에서는 TNPC 토폴로지의 필요한 전체 칩 면적이 2레벨 토폴로지에 비해 적다. ANPC와 마찬가지로, 효율을 더욱 높이고 그리고/또는 생산 비용을 최적화하기 위해 하이브리드 인버터 토폴로지가 TNPC에 대해 구성될 수 있다. 예를 들어, 제로 전위 또는 중간 브리지 분기에서 이러한 목적으로 다양한 스위치 기술이 사용될 수 있다. 특히 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor(IGBT))로만 구성된 TNPC 인버터의 경우, 손실은 질화갈륨(GaN)을 사용하여 획기적으로 감소될 수 있다. 전기 자동차에서의 모터 제어에서도 하이브리드 TNPC 인버터 토폴로지를 사용하는 것이 가능하지만 실제로는 찾아볼 수 없다.
TNPC 기반의 3L 인버터는 시스템 효율을 높이기 위해 2가지 작동 모드로 작동될 수 있다. 3L TNPC 인버터의 경우, 2L 작동으로 작동하도록 제로 전위(중간) 브리지 분기가 오프로 스위칭될 수 있고, 3L 작동으로 변경되도록 온으로 스위칭된다. 시스템 효율의 정도를 높이기 위해 2가지 작동 모드 사이에 스위칭이 이루어진다. 이 목적으로, 부하가 제어 및 조정 로직에서 측정되고, 이전에 결정된 최적화 특성 곡선을 사용하여 2L 및 3L 작동 사이에 스위칭이 이루어진다.
추가적으로 또는 대안적으로, TNPC 기반의 3L 인버터는 인버터의 비용을 절감하기 위해 비대칭으로 설계된다. 비대칭성은 외부 브리지 분기의 전류 전달 능력 보다 낮은 제로 전위(중간) 브리지 분기의 전류 전달 능력과 관련이 있다. 이는 전체 효율을 최적화하기 위해 부하가 더 높은 경우에는 제로 전위 브리지 분기가 더 이상 사용되지 않기 때문에 가능하다. 외부 브리지 분기는 피크 전류용으로 설계되며, 제로 전위 브리지 분기는 작거나 연속적인 전류용으로 설계된다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예에 따르면, 인버터는 제1 드라이버 레벨과 적어도 하나의 제2 드라이버 레벨을 갖는다. 제2 드라이버 레벨은 제1 드라이버 레벨에 의해 제공되는 출력 부하 전류보다 작은 출력 부하 전류를 부하 출력부로 전달하도록 설계된다.
바람직하게는, 작동 모드 전환 장치는 전체 효율에 따라 제1 드라이버 레벨과 제2 드라이버 레벨이 3레벨 또는 다중 레벨 작동에서 활성화되고 드라이버 레벨 중 적어도 하나, 바람직하게는 내부의 제2 드라이버 레벨이 2레벨 작동에서 비활성화되는 방식으로 인버터를 제어하도록 설계된다.
반드시 그런 것은 아니지만, 통상적으로 제1 드라이버 레벨은 중앙 탭이 인버터 회로의 출력 부하 연결부를 형성하는 적어도 하나의 브리지 회로, 특히 하프 브리지 회로를 가진다. 각각의 브리지 회로는 (예를 들어, 양의 공급 전위가 인가되는) 제1 공급 연결부에 연결되고 부하 출력부에서 제1 전압 레벨을 제공하도록 설계된 적어도 하나의 제1 (반도체) 전력 스위치를 갖는다. 또한, 각각의 브리지 회로는 (예를 들어, 음의 공급 전위 또는 기준 전위가 인가되는) 제2 공급 연결부에 연결되고 부하 출력부에서 제2 전압 레벨을 제공하도록 설계된 적어도 하나의 제2 (반도체) 전력 스위치를 갖는다. 반도체 기반의 전력 스위치는 임의로 선택될 수 있는 다양한 반도체 재료로 생산될 수 있다. 통상적으로 사용되는 재료는 IGBT 및 MOSFET용의 Si(실리콘), MOSFET용의 SiC(탄화규소) 및 MOSFET용의 GaN(질화갈륨)이다.
반드시 그런 것은 아니지만, 통상적으로 제2 드라이버 레벨은 부하 경로가 중간 회로와 제1 드라이버 회로의 중앙 탭 사이에 직렬로 연결되는 적어도 하나의 제3 전력 스위치를 갖는다. 제2 드라이버 레벨의 전력 스위치는 부하 출력부에서 제3 전압 레벨을 제공하도록 설계되며, 상기 제3 전압 레벨은 제1 전압 레벨과 제2 전압 레벨 사이에 있다.
바람직한 이른바 동종(homogeneous) 인버터 토폴로지의 경우, 인버터의 모든 전력 스위치, 즉 제1 드라이버 레벨 및/또는 제2 드라이버 레벨의 전력 스위치는 동일한 스위치 유형 및/또는 동일한 반도체 기술의 반도체 스위치로 설계된다. 스위치 유형은 예를 들어 바이폴라 트랜지스터, 전계 효과 트랜지스터(예를 들어, MOSFET, JFET 등), 사이리스터, IGBT 등이다. '반도체 기술'이라는 용어에는 예를 들어 Si, SiC, GaAs 또는 GaN 기술 기반과 같은 전력 스위치의 생산을 위한 기반으로서 사용된다.
동종 인버터 토폴로지의 제1의 바람직한 변형예에서, 반도체 스위치는 GaN 전력 스위치로서, 예를 들어, GaN MOSFET으로서 설계된다. 특히 바람직한 제2 변형예에서, 반도체 스위치는 SiC 전력 스위치, 특히 SiC MOSFET으로 설계된다. 또한 IGBT 기반의 전력 스위치, 예를 들어, Si 다이오드 또는 SiC 다이오드를 갖는 실리콘 기반의 IGBT도 마찬가지로 가능하다.
특히 바람직한 이른바 하이브리드 인버터 토폴로지의 경우, 적어도 두 가지의 서로 다른 스위치 유형 및/또는 적어도 두 가지의 서로 다른 반도체 기술이 인버터의 반도체 스위치에 대하여, 즉 제1 드라이버 레벨의 반도체 스위치 및/또는 제2 드라이버 레벨의 반도체 스위치에 대하여 제공된다. 하이브리드 인버터 토폴로지의 경우, 동일한 반도체 재료가 인버터 내부의 모든 전력 스위치에 대하여 사용되지는 않는다. 특히, 제1 드라이버 레벨의 외부 스위치에 대하여 사용된 것과는 다른 기술(다른 스위치 유형)이 제로 전위 브리지 분기의 전력 스위치에 대하여, 즉 제2 드라이버 레벨에 대하여 사용된다. 따라서, 감소된 스위칭 손실 및 도전 손실의 결과로서 효율 이점을 성취하는 것이 가능하다. 또한, 비용상의 이점도 성취된다. 낮은 스위칭 손실과 가장 낮은 가능한 역 회복(reverse recovery) 손실을 위해 제로 전위 브리지 분기(제2 드라이버 레벨)에서 전력 스위치를 최적화하는 것이 특히 권장된다. 이는 낮은 전류의 경우 제로 전위 브리지 분기(제2 드라이버 레벨)가 활성화되고 낮은 역 회복 손실도 외부 스위치의 스위칭 손실을 감소시키기 때문에 편리하다. 인버터가 비대칭으로 설계된 경우 하이브리드 설계가 특히 권장된다. 제로 전위 브리지 분기(제2 드라이버 레벨)의 전류 전달 능력이 낮을수록 손실이 최적화된 스위치를 스위칭하기 위한 추가 비용이 낮아진다.
특히 바람직한 제1 변형예에서, 상기 제1 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드를 갖는 IGBT(실리콘 또는 SiC)로 설계된다. 이 경우, 제2 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 SiC 전력 스위치, 특히 SiC MOSFET으로 설계될 수 있다.
마찬가지로 바람직한 제2 변형예에서, 제1 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 SiC MOSFET으로 설계된다. 이 경우, 제2 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 GaN 기반의 MOSFET으로 설계될 수 있다.
바람직한 제3 변형예에서, 제1 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 프리 휠링 다이오드를 갖는 IGBT로 설계된다. 이 경우, 제2 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 GaN 전력 스위치, 특히 GaN MOSFET으로 설계될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따르면, 회전자 내의 자속 운반 재료는 철 또는 철 합금으로 구성된다. 전기 회전장(rotary field) 기계(그리고 이 경우 바람직하게는 이중 회전자를 갖는 동기 기계)는 고체 설계의 회전자, 즉 고체 재료로 구성된 회전자에서 자속 운반 재료를 사용하여 설계될 수 있다. 이는 동기 기계의 이상적인 관점에서 고정자 권선과 이중 회전자에 의해 생성된 회전하는 장의 방향 벡터 사이에 주기적인 상대 이동이 발생하지 않는다는 사실로 입증될 수 있다. 따라서, 작동포인트에서의 자속 밀도는 일정하며 재료에서 철손(iron loss)이 발생하지 않는다. 자석이 회전자 표면에 장착된 영구 자석 여자 기계의 경우, 인덕터 홈과 자속 운반 재료 사이의 거리가 보장되어 추가 손실의 증가 없이 고체 재료의 사용을 가능하게 한다.
마찬가지로 특히 바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 전기 기계는 인덕터를 갖는 고정자를 가지며, 인덕터는 특히 접선 방향으로 전달되는 자속을 방지하기 위해, 주로 방사상 자속을 전달하도록 설계된다. 따라서, 이는 특히 주변 방향으로 전달되는 자속을 방지하는 고정자의 이른바 "요크리스(yokeless)" 설계이다. 인덕터에 자기 백 아이언(magnetic back iron)이 필요하지 않으므로 무게와 철손이 감소된다.
일 실시예에 따르면, 고정자의 인덕터는 전체 방사상 인덕터 두께의 30% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 특히 바람직하게는 10% 미만인 방사상 요크 두께를 갖는다. 이른바 "요크리스" 설계의 경우에도 불구하고 인덕터 치형(teeth)의 기계적 연결이 이러한 방식으로 제공되지만, 이는 전자기적으로 필요하지 않으며 이를 통해 기능적으로 관련된 자속도 발생하지 않는다. 따라서 "요크리스"라는 용어는 인덕터의 전자기 설계와 관련이 있다.
마찬가지로 특히 바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 동기 기계는 3상 동기 기계이다. 이 경우, 인버터 회로는 바람직하게는 적어도 3상 인버터로 설계된다. 또한, 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 토폴로지를 사용하는 동기 기계가 구동 시스템의 실질적으로 개선된 전체 효율을 보여준다는 것이 본 발명의 발견이다.
유사하게 특히 바람직한 예시적인 실시예에 따르면, 전기 기계는 전기적으로 작동 가능한 자동차용 휠 허브 모터로서 설계된다. 휠 허브 모터는 휠, 특히 차량의 허브에 직접 설치되는 동시에 휠 허브를 지지하는 전기 기계이다. 허브 모터의 일부는 생성된 토크를 구동되고 회전될 휠에 직접 전달한다. 전기 휠 허브 모터의 경우 내부 회전자 모터와 외부 회전자 모터도 고려될 수 있다. 중앙 모터를 갖는 구동 개념과 비교할 때 차량에서의 이러한 전기 휠 허브 모터의 주요 장점은 사양에 따라 각각의 경우에 필요한 부품(변속기, 카르단 샤프트, 차동 기어, 구동 샤프트 등)을 포함하는 기존 구동 트레인의 제거이다. 이들의 변속 손실도 제거되므로, 전체 구동 시스템의 효율 정도를 증가시킬 가능성이 있다. 효율적인 회복, 즉 차량 제동 동안의 전기 에너지 회복은 전기 휠 허브 모터에서도 구현될 수 있다.
위의 실시예 및 개발은 유용한 경우 어떤 방식으로든 서로 결합될 수 있다. 또한, 본 발명의 추가적인 가능한 실시예, 개발 및 구현은 설명되었거나 예시된 실시예를 참조하여 이하에 설명될 본 발명의 특징들의 비명시적으로 언급된 조합을 포함한다. 특히, 이와 관련하여, 당해 업계에서의 통상의 기술자는 본 발명의 각각의 기본 형태에 대한 개선 또는 보완으로서 개별적인 양태를 추가할 것이다.
본 발명은 도면의 개략도에 도시된 예시적인 실시예의 도움으로 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 블록도를 도시하고;
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 전기 구동 시스템의 전기 기계의 일례의 개략적인 단면도를 도시하고;
도 3은 도 1에 대응하는 본 발명에 따른 전기 구동 시스템을 위한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로의 블록도를 도시하고;
도 4는 본 발명에 따른 인버터 회로의 특히 바람직한 예시적인 실시예의 회로도를 도시하고;
도 5는 전기 구동 시스템을 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
첨부된 도면은 본 발명의 실시예에 대한 개선된 이해를 제공하도록 의도된다. 이들은 실시예를 예시하고, 본 발명의 원리와 개념을 설명하기 위해 설명과 함께 사용된다. 다른 실시예 및 상기 이점 중 다수는 도면을 참조하면 명백해질 것이다. 도면 내의 요소는 반드시 서로에 대해 배율에 맞게 도시되지는 않는다.
도면에서, 유사하고 기능적으로 동일한 요소, 특징 및 부품과, 동일한 방식으로 작용하는 요소, 특징 및 부품에는 달리 표시되지 않는 한 동일한 참조 부호가 제공된다.
도 1은 본 발명의 자동차용 전기 구동 시스템의 블록도를 도시한다.
참조 부호 10으로 표시된 전기 구동 시스템은 - 반드시 그런 것은 아니지만 - 바람직하게는 자동차에 사용하기 위해 제공된다. 구동 시스템(10)은 적어도 하나의 다상 전기 기계(11) 및 인버터 회로(12)를 포함한다.
전기 기계(11)는 입력 측에서 전기 기계(11)를 구동하는 인버터 회로(12)에 연결된다. 본 발명에 따르면, 인버터 회로(12)는 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로(12)로서 설계된다. 인버터 회로(12)는 인버터(13)와 작동 모드 설정 장치(14)를 포함한다.
인버터(13)는 이의 부하 출력부(15)를 통해 전기 기계(11)에 연결되고 공급 연결부(16, 17)를 통해 공급 전압원(18)에 연결된다. 인버터(13)는 공급 측에서 수신된 직류 전압(VDC)을 교류 전압(VAC)으로 변환하도록 설계된다. 인버터(13)는 다상 인버터(13)로서 설계되며, 인버터(13)의 상의 개수는 통상적으로 전기 기계(11)의 상의 개수에 대응한다. 전기 기계(11)는 부하 출력부(15)에서 인버터(13)에 의해 제공되는 상 전류를 통해 구동된다.
본 발명에 따르면, 인버터 회로(12)의 작동 모드는 입력 측, 특히 전기 기계(11)에 결합된 작동 모드 설정 장치(14)를 통해 설정될 수 있다. 특히, 작동 모드 설정 장치(14)는 인버터(13)가 2레벨 작동, 3레벨 또는 다중 레벨 작동 또는 혼합 작동으로 작동하는지 여부를 설정하는 데 사용될 수 있다. 혼합 작동은, 예를 들어, 한 작동 모드로부터 다음 작동 모드로의 전이의 경우 발생하는 바와 같이, 인버터가 2레벨 작동과 3레벨 또는 다중 레벨 작동 모두에서 작동되는 작동 모드를 의미한다. 작동 모드 설정 장치(14)의 구조 및 동작 모드는 이하에서 이어지는 도 3 내지 5를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
전기 기계(11)는 바람직하게는 3상 동기 기계(11)지만 반드시 그럴 필요는 없다. 이 경우, 인버터 회로(12)는 바람직하게는 3상 인버터(13)를 갖는다.
전기 구동 시스템(10)의 전기 기계(11)가 전기적으로 작동 가능한 자동차를 위한 휠 허브 모터인 것도 마찬가지로 바람직하다. 그러나, 다른 적용 분야도 또한 가능하고 유리하다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 전기 구동 시스템에서의 전기 기계의 일례의 개략적인 단면도를 도시한다.
전기 기계(11)는 바람직하게는 동기 기계(11)로서 설계된다. 중요하지만 본 발명에 반드시 필요한 것은 아닌 일 양태는 동기 기계 또는 전기 기계(11)에 이중 회전자(20)가 구비되고, 또한, 이중 회전자가 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 구성되는 상황이다. 이중 회전자 동기 기계(11)의 단면이 도 2에 도시된다. 이중 회전자 기계(20)는 외부 회전자(21)와 내부 회전자(22)를 포함한다. 고정자(23)는 2개의 회전자(21, 22) 사이에 그 자체로 알려진 방식으로 배열된다. 고정자(23)는 바람직하게는 요크리스 고정자(23)일 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다.
외부 회전자(21)와 내부 회전자(22)는 바람직하게는 적층되지 않고 대신 고체 재료로 구성된다. 내부 회전자(22)는 관형이다. 그러나, 내부 회전자(22)가 고체의 전체 볼륨 구성을 갖는 것도 가능하다.
도시된 예에서, 반대 극을 갖는 두 개의 자석(24, 25)은 외부 에어 갭(26)에서 외부 회전자(21)의 내부 표면 상에 외부 회전자(21)와 고정자(23) 사이에 배치된다. 그러나, 자석(24, 25)이 이러한 목적을 위해 특별히 제공된 외부 회전자(21)의 포켓 형상의 리세스에 매립되는 것이 가능하며 유리할 것이다. 그러나, 자석(24, 25)이 외부 회전자(21)로부터 이격되어 있는 경우, 즉 이의 내부 표면에 직접 장착되지 않은 경우도 또한 가능할 것이다. 반대 극을 갖는 자석(24, 25)의 N극과 S극 사이의 자속 라인(27)은 이 경우 외부 회전자(21)의 코어 재료에서 연장된다.
도시된 예에서, 반대 극을 갖는 두 개의 자석(28, 29)은 마찬가지로 내부 에어 갭(30)에서 내부 회전자(22)의 내부 표면 상에 내부 회전자(22)와 고정자(23) 사이에 배치된다. 이 경우, 자석(28, 29)은 또한 내부 회전자(22)의 대응하는 포켓에 매립될 수 있거나, 내부 회전자(22)로부터 이격될 수 있다. 반대 극을 갖는 자석(28, 29)의 N극과 S극 사이의 자속 라인(31)은 이 경우 내부 회전자(22)의 코어 재료에서 연장된다.
외부 및/또는 내부 회전자(21, 22)에서의 자속 운반 재료는 바람직하게는 고체 철 또는 대응하는 고체 철 합금으로 구성된다.
도 3은 도 1에 대응하는 본 발명에 따른 전기 구동 시스템을 위한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로의 블록도를 도시한다.
인버터 회로(12)는 - 도면을 참조하여 이미 설명된 바와 같이 - 2개의 공급 연결부(16, 17), 부하 출력부(15), 3레벨 또는 다중 레벨 인버터(13) 및 작동 모드 설정 장치(14)를 포함한다.
제1 공급 전위(V11), 예를 들어, 양의 공급 전위는 제1 공급 연결부(16)에서 태핑될 수 있다. 제2 공급 전위 (V12), 예를 들어 음의 공급 전위 또는 기준 전위는 제2 공급 연결부(17)에서 태핑될 수 있다. 따라서, 공급 직류 전압 VDC = V11-V12가 공급 연결부(16, 17) 사이에 제공된다.
부하 출력부(15)에서, 다상 부하 전류(I1)가 태핑될 수 있으며, 부하 출력부(15)를 통해 연결될 수 있는 전기 기계(11)의 다양한 상들이 이를 통해 작동된다.
제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터(13)는 공급 연결부(16, 17)와 부하 출력부(15) 사이에 배열된다. 인버터(13)는, 부하 출력부에서 다상 부하 전류(I1)를 제공하기 위하여, 공급 측에서 수신된 직류 전압(VDC)을 교류 전압(VAC)으로 변환하도록 설계된다.
인버터(13)는 제1 드라이버 레벨(40)과 적어도 하나의 제2 드라이버 레벨(41)을 갖는다. 제2 드라이버 레벨(41)은 제1 드라이버 레벨(40)에 의해 제공되는 출력 부하 전류보다 작은 출력 부하 전류를 부하 출력부(15)로 전달하도록 설계된다.
작동 모드 설정 장치(14)는 인버터(13) 및 이에 따른 전체 인버터 회로(12)의 작동 모드를 설정하여 제어하는 역할을 한다. 특히, 인버터(13)는 인버터(13)를 3레벨 또는 다중 작동에서의 제1 작동 모드와 2레벨 작동에서의 제2 작동 모드로 작동시키도록 설계된다. 또한, 2레벨 작동 및 3레벨 또는 다중 레벨 작동의 혼합 형태를 포함하는 제3 작동 모드를 갖는 것도 가능할 것이다. 제3 작동 모드는 특히 제1 작동 모드로부터 제2 작동 모드로의 전이 또는 그 반대로의 전이의 경우에 가능하고 편리할 것이다.
작동 모드 설정 장치(14)는 전체 전기 구동 시스템(10)의 전체 효율에 따라 인버터(13)의 사용된 작동 모드를 제어한다. 전체 효율은 전기 기계(11)의 검출된 상 전류 및 전체 효율에 영향을 미치는 전기 기계(11)의 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 하나의 추가 특성의 함수이다.
각각의 경우에 사용되는 작동 모드를 설정하기 위해, 작동 모드 설정 장치(14)는 다음 장치들 중 적어도 하나를 포함한다:
- 평가 장치(42);
- 제1 측정 장치(43);
- 제2 측정 장치(44);
- 제어 장치(45).
평가 장치(42)는 상 전류 및 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 특성에 기초하여 전기 구동 시스템(10)의 전체 효율을 최적화하도록 설계된다. 이는 예를 들어 현장에서, 즉 전기 구동 시스템(10)의 작동 동안 이루어질 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 상대적으로 계산 집약적인 계산이 예를 들어, 적절한 계산을 통해(예를 들어, 수치적으로 또는 분석적으로) 그리고/또는 특정 특성 계열을 이용하여 사전에 수행된다. 예를 들어, 2L 작동 및 3L 작동을 위한 수치적인 효율 계산 및 판단 출력을 갖는 함수의 매핑이 미리, 즉 오프라인에서 이루어진다. 스위칭을 통해 더 나은 효율을 선택하고 효율을 결정하기 위해 룩업 테이블을 사용하는 것도 작동 동안에 다소 동적으로 수행될 수 있다 - 그러나 이는 배타적이지는 않다.
최적화를 위해, 평가 장치(42)는 최적화 모듈(46)을 갖는다. 최적화 모듈(46)은 초기에 전체 효율을 계산한다. 그 뒤에, 전체 효율은, 예를 들어 상 전류 및 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 특성을 고려하여, 분석적으로 또는 룩업 테이블을 통해, 예를 들어, 최적화 함수를 통해 최적화된다.
더욱이, 작동 모드 설정 장치(14)는 또한 제1 및/또는 제2 측정 장치(43, 44)를 포함한다. 제1 측정 장치(43)는 예를 들어 적어도 하나의 센서 입력부(47)를 갖는다. 이와 관련하여, 작동 모드 설정 장치(14)는 예를 들어 전기 기계(11)의 상 전류, 온도 및/또는 회전자 속도와 같은 전기 기계(11)의 전기적 또는 물리적 파라미터를 기록하고 검출하기 위해 센서 입력부(47)를 통해 전기 기계(11)에 결합될 수 있다. 제2 측정 장치(44)는 예를 들어 인버터(13)의 온도 및/또는 중간 회로 전압을 검출하기 위하여 배열된다. 더욱이, 공급 전압(VDC)은 또한 제2 측정 장치(44)를 통해 검출될 수도 있다.
인버터의 실제 제어는 이러한 목적으로 특별히 제공된 제어 장치(45)를 통해 이루어진다. 제어 장치(45)는 인버터(13)의 각각의 작동 모드, 즉 인버터(13)가 3레벨 또는 다중 레벨 작동으로 작동되는지 또는 2레벨 작동으로 작동되는지를 설정한다. 제어 장치(45)는 예를 들어 3레벨 또는 다중 레벨 작동 동안 양 드라이버 레벨(40, 41)이 모두 활성화되고 2레벨 작동 동안 제2 드라이버 레벨(40)이 비활성화되도록 인버터(13)를 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 인버터 회로의 특히 바람직한 예시적인 실시예의 회로도를 도시한다.
공급 직류 전압(VDC)이 공급 연결부(16, 17)에 제공되며, 공급 전위 V11 = VDC/2는 제1 공급 연결부(16)에서 태핑될 수 있고, 공급 전위 V12 = -VDC/2는 제2 공급 연결부(17)에서 태핑될 수 있다. 또한, 기준 전위, 예를 들어 기준 접지(GND)의 전위가 제2 공급 연결부(17)에 제공되는 구성을 가지는 것도 가능하다. 이 경우, 제1 공급 연결부(16)에서 공급 전위 V11 = VDC를 태핑하는 것이 가능하다.
2개의 중간 회로 커패시터(51, 52)의 직렬 연결로 구성된 중간 회로(50)가 인버터(13)의 입력 측에 연결된다. 중간 회로(50)는 에너지 저장 장치로서 기능한다.
도 4에 도시된 인버터(13)는 t형 중성점 고정(t-type neutral point clamped) 인버터 아키텍처를 포함한다.
이 목적으로, 제1의 외부 드라이버 레벨은, 도시된 3상 인버터의 경우, 3개의 하프 브리지 회로(53a 내지 53c)를 가지며, 이 회로는 이의 부하 경로와 관련하여 각각 부하 측에서 공급 연결부(16, 17) 사이에 유사하게 연결된다. 하프 브리지 회로(53a 내지 53c)의 각각의 중앙 탭(54a 내지 54c)은 각각 인버터(13)의 출력 부하 연결부(15a 내지 15c)를 형성한다. 각각의 하프 브리지 회로(53a 내지 53c)는 각각의 경우에 하이 측 스위치로서 설계된 제1의 제어 가능한 전력 스위치(T1, T2, T3)를 가진다. 이러한 제1 전력 스위치(T1, T2, T3)는 제1 공급 연결부(16)에 연결된다. 제1 전력 스위치(T1, T2, T3)는 부하 출력부(15)에서 제1 전압 레벨을 제공하도록 설계된다. 더욱이, 각각의 하프 브리지 회로(53a 내지 53c)는 각각의 경우에 로우 측 스위치로서 설계된 제2의 제어 가능한 전력 스위치(T4, T5, T6)를 가진다. 이러한 제2 전력 스위치(T4, T5, T6)는 제2 공급 연결부(17)에 연결된다. 제2 전력 스위치(T4, T5, T6)는 부하 출력부(15)에서 제2 전압 레벨을 제공하도록 설계된다.
제2의 내부 드라이버 레벨(41)은 중간 회로의 중앙 탭(55)과 출력 부하 연결부(15a 내지 15c) - 따라서 하프 브리지 회로(53a 내지 53c)의 각각의 중앙 탭(54a 내지 54c) - 사이에 연결된다. 도시된 예에서, 제2 드라이버 레벨(41)은 각각의 경우에 3개의 회로 분기(56a 내지 56c)를 포함한다. 회로 분기(56a 내지 56c) 각각은 이의 부하 경로에 관하여 역병렬로 배열된 2개의 제어 가능한 전력 스위치(T7/T8; T9/T10; T11/T12)의 직렬 연결을 포함한다. 제어 가능한 전력 스위치(T7/T8; T9/T10; T11/T12)는 부하 출력부(15a 내지 15c)에서 제3 전압 레벨을 제공하도록 설계되고, 상기 제3 전압 레벨은 제1 전압 레벨과 제2 전압 레벨 사이에 있다.
각각의 제어 가능한 전력 스위치를 활성화하기 위해, 제어 장치(45)는 제1 제어 유닛(45a) 및 제2 제어 유닛(45b)을 갖는다. 제1 제어 유닛(45a)은 제1 드라이버 레벨(40)의 전력 스위치(T1 내지 T6)를 활성화하도록 설계된다. 제2 제어 유닛(45b)은 제2 드라이버 레벨(41)의 전력 스위치(T7 내지 T12)를 활성화하도록 설계된다.
도 4의 예시적인 실시예에서, 인버터(13)는 하이브리드 설계를 갖는다. 이 경우, 인버터(13)의 전력 스위치는 동일한 반도체 기술로 생산되지 않고 그리고/또는 동일한 스위치 유형이 아니다. 특히, 도시된 예에서, 전력 스위치(T1 내지 T6)는 Si 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드를 갖는 Si-IGBT로 설계된다. 전력 스위치(T7 내지 T12)는 SiC-MOSFET으로 설계된다.
대안적으로(도 4에는 도시되지 않음), 전력 스위치(T7 내지 T12)는 SiC-MOSFET으로 설계될 수 있고, 전력 스위치(T1 내지 T6)는 GaN-MOSFET으로 설계될 수 있다.
대안적으로(마찬가지로 도 4에는 도시되지 않음), 전력 스위치(T7 내지 T12)는 프리 휠링 다이오드를 갖는 IGBT로서 설계될 수 있고, 전력 스위치(T1 내지 T6)는 GaN 전력 스위치, 특히 GaN-MOSFET으로서 설계될 수 있다.
대안적으로(마찬가지로 도 4에는 도시되지 않음), 이른바 동종 인버터 토폴로지에서, 인버터(13)의 모든 전력 스위치(T1 내지 T12)는 동일한 스위치 유형일 수 있고 그리고/또는 동일한 반도체 기술로 생산될 수 있으며, GaN 전력 스위치, 예를 들어 SiC-MOSFET와 같은 SiC 전력 스위치로 설계될 수 있다.
도 5는 전기 구동 시스템을 작동하기 위한 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 예를 들어 도 1에 대응하는 구동 시스템일 수 있는 전기 구동 시스템은 이중 회전자가 구비된 동기 기계를 갖는다. 이중 회전자는 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 구성된다.
제1 단계(S1)에서, 전기 구동 시스템의 전체 효율이 예를 들어 오프라인으로 결정된다. 이를 위해, 전기 구동 시스템의 전기 기계의 상 전류가 초기에 검출된다(S11). 또한, 전체 효율에 영향을 미치는 전기 기계의 적어도 하나의 추가 파라미터(S12) 및/또는 적어도 하나의 추가 특성(S13)이 결정된다.
모든 이러한 정보로부터, 다음 단계(S2)에서 동기 기계가 작동된다. 이를 위해, 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로가 사용된다. 인버터 회로의 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터는 전기 구동 시스템의 전체 효율과 전체 효율에 영향을 미치는 파라미터 및 특성에 따라 3레벨 또는 다중 레벨 작동 모드(S21) 또는 2레벨 작동 모드(S22)로 작동된다.
3레벨 또는 다중 레벨 작동과 2레벨 작동의 혼합된 형태를 갖는 것도 가능하다. 예를 들어, 하드 스위칭(hard switching)을 방지하기 위하여 예를 들어 3레벨 또는 다중 레벨 작동으로부터 2레벨 작동으로의 전이 동안 이러한 혼합된 형태의 작동이 실현 가능하고 유리할 것이다. 후자는 손실, 즉 효율성 손실과 연관될 수 있다.
이상에서 본 발명이 바람직한 예시적인 실시예의 도움으로 충분히 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 방식으로 변형될 수 있다.
10 전기 구동 시스템
11 전기 기계, 동기 기계
12 (3레벨 또는 다중 레벨) 인버터 회로
13 (3레벨 또는 다중 레벨) 인버터
14 작동 모드 설정 장치
15 부하 출력
15a 내지 15c 출력 부하 연결부
16, 17 공급 연결부
18 공급 전압원
20 이중 회전자, 이중 회전자 기계
21 외부 회전자
22 내부 회전자
23 고정자
24, 25 (외부 회전자의) 반대 극을 갖는 자석
26 (외부) 에어 갭
27 (외부) 자속 라인
28, 8 (내부 회전자의) 반대 극을 갖는 자석
30 (내부) 에어 갭
31 (내부) 자속 라인
40 제1 (외부) 드라이버 레벨
41 제2 (내부) 드라이버 레벨
42 평가 장치
43 제1 측정 장치
44 제2 측정 장치
45 제어 장치
46 최적화 모듈
47 센서 입력
50 중간 회로
51, 52 중간 회로 커패시터
53a 내지 53c 하프 브리지 회로
54a 내지 54c 중앙 탭
55 중앙 탭
I1 (다상) 부하 전류
S1, S2 방법 단계
S11 내지 S13 하위 단계
S21, S22 하위 단계
T1 - T3 하프 브리지 회로의 제1 전력 스위치, 하이 측 스위치
T4 - T6 하프 브리지 회로의 제2 전력 스위치, 로우 측 스위치
T7 - T12 전력 스위치
VAC (출력 측) 교류 전압
VDC (입력 측) 직류 전압
V11 (양의) 공급 전위
V12 (음의) 공급 전위, 기준 전위

Claims (25)

  1. 전기 구동 시스템을 위한 다상 전기 기계, 특히 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료를 갖는 이중 회전자가 구비된 동기 기계의 활성화를 위한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로에 있어서,
    전압 공급부의 제1 및 제2 공급 전위에 결합될 수 있는 2개의 공급 연결부;
    상기 전기 기계의 각각의 상에 대한 부하 출력 연결부를 포함하고 상기 전기 기계에 결합될 수 있는 부하 출력부;
    상기 공급 연결부와 상기 부하 출력부 사이에 배치되고, 상기 부하 출력부에 연결된 전기 기계를 구동하기 위해 공급 측에서 수신된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하도록 설계된 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터; 및
    상기 전기 구동 시스템의 전체 효율에 따라 상기 인버터를 3레벨 또는 다중 레벨 작동으로부터 2레벨 작동으로 또는 그 반대로 변경하도록 설계된 작동 모드 설정 장치
    를 포함하며,
    상기 전체 효율은 상기 전기 기계의 검출된 상 전류 및 상기 전체 효율에 영향을 미치는 상기 전기 기계의 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 하나의 추가 특성의 함수인, 인버터 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작동 모드 설정 장치는 상기 상 전류와 상기 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 상기 적어도 하나의 추가 특성에 기초하여 상기 전체 효율을 최적화하도록 설계된 평가 장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평가 회로는 상기 전체 효율을 계산하기 위해, 예를 들어 분석적으로 그리고/또는 특정 특성 계열의 도움을 받아 이를 결정하도록 제공되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 평가 장치는, 상기 상 전류 및 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 특성을 고려하여, 먼저 상기 전체 효율을 계산하고 그리고/또는 최적화 함수를 이용하여 상기 전체 효율을 수치적으로, 분석적으로 또는 조회 테이블을 통해 최적화하도록 설계된 최적화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 파라미터로서,
    - 상기 인버터 회로의 온도;
    - 상기 전기 기계의 온도;
    - 중간 회로 전압;
    - 회전자 속도;
    - 상기 전기 기계의 토크;
    - 변조 정도;
    - 상 전압
    중 적어도 하나가 제공되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 모드 설정 장치는 센서 입력을 포함하는 제1 측정 장치를 포함하며, 상기 제1 측정 장치는 상기 센서 입력을 통해 상기 전기 기계에 연결될 수 있으며, 상기 제1 측정 장치는 상기 전기 기계의 상 전류, 온도 및/또는 회전자 속도를 검출하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 모드 설정 장치는 상기 인버터의 온도 및/또는 중간 회로 전압을 검출하도록 배열되고 설계된 제2 측정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터는 t형 중성점 고정(t-type neutral point clamped) 인버터 아키텍처를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터는 제1 드라이버 레벨과 적어도 하나의 제2 드라이버 레벨을 가지며, 상기 제2 드라이버 레벨은 상기 제1 드라이버 레벨에 의해 제공되는 출력 부하 전류보다 작은 출력 부하 전류를 상기 부하 출력부로 전달하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 작동 모드 전환 장치는 상기 제1 드라이버 레벨과 상기 제2 드라이버 레벨이 3레벨 또는 다중 레벨 작동에서 활성화되고, 상기 드라이버 레벨들 중 적어도 하나가 2레벨 작동에서 비활성화되게 상기 인버터를 제어하도록 설계된 제어 장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  11. 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 드라이버 레벨은 중앙 탭이 상기 인버터 회로의 출력 부하 연결부를 형성하는 적어도 하나의 브리지 회로, 특히 하프 브리지 회로를 갖고, 각각의 브리지 회로는 제1 공급 연결부에 연결되고 상기 부하 출력부에서 제1 전압 레벨을 제공하도록 설계된 적어도 하나의 제1 전력 스위치를 갖고, 각각의 브리지 회로는 또한 제2 공급 연결부에 연결되고 상기 부하 출력부에서 제2 전압 레벨을 제공하도록 설계된 적어도 하나의 제2 전력 스위치를 갖는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 드라이버 레벨은 부하 경로가 중간 회로와 상기 제1 드라이버 회로의 중앙 탭 사이에 직렬로 연결되고 상기 부하 출력부에서 제3 전압 레벨을 제공하도록 설계된 적어도 하나의 제3 전력 스위치를 가지며, 상기 제3 전압 레벨은 제1 전압 레벨과 제2 전압 레벨 사이에 있는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터의 모든 전력 스위치는 동일한 스위치 유형 및/또는 동일한 반도체 기술의 반도체 스위치로 설계되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 스위치는 GaN 전력 스위치 및/또는 SiC 전력 스위치, 특히 SiC-MOSFET으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터의 반도체 스위치에 대하여, 적어도 두 가지의 서로 다른 스위치 유형 및/또는 적어도 두 가지의 서로 다른 반도체 기술이 제공되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 프리 휠링(free-wheeling) 다이오드를 갖는 IGBT로 설계되며, 상기 제2 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 SiC 전력 스위치, 특히 SiC-MOSFET으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 SiC-MOSFET으로 설계되고, 상기 제2 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 GaN-MOSFET으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 프리 휠링 다이오드를 갖는 IGBT로 설계되며, 상기 제2 드라이버 레벨의 반도체 스위치는 GaN 전력 스위치, 특히 GaN-MOSFET으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 인버터 회로.
  19. 이중 회전자를 갖는 동기 기계를 포함하는 적어도 하나의 다상 전기 기계를 갖는 자동차용 또는 자동차 내의 전기 구동 시스템에 있어서,
    상기 이중 회전자는 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 구성되며,
    부하 출력부에서 상기 전기 기계에 결합되고, 공급 측에서 수신된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하도록 설계되며, 상기 전기 기계가 상기 부하 출력부를 통해 구동될 수 있도록 하는 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 특히 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로를 구비하고, 상기 인버터 회로는 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터를 갖는, 전기 구동 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 회전자 내의 상기 자속 운반 재료는 철 또는 철 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 전기 구동 시스템.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 전기 기계는 인덕터가 있는 고정자를 가지며, 상기 인덕터는 특히 접선 방향으로 전달되는 자속을 방지하기 위해, 주로 방사상 자속을 전달하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 전기 구동 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 고정자의 상기 인덕터는 전체 방사상 인덕터 두께의 30% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 특히 바람직하게는 10% 미만인 방사상 요크 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 구동 시스템.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동기 기계는 3상 동기 기계이고, 상기 인버터 회로는 3상 인버터인 것을 특징으로 하는, 전기 구동 시스템.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 기계는 전기로 작동 가능한 자동차용 휠 허브 모터인 것을 특징으로 하는, 전기 구동 시스템.
  25. 이중 회전자가 구비된 동기 기계를 포함하는 전기 구동 시스템 - 상기 이중 회전자는 고체 재료로 구성된 자속 운반 재료로 구성됨 -, 특히 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 청구된 전기 구동 시스템을 작동하기 위한 방법에 있어서,
    상기 동기 기계는 상기 전기 구동 시스템의 전체 효율에 따라 제어 가능한 3레벨 또는 다중 레벨 인버터에 의해 3레벨 또는 다중 레벨 작동 모드 및 2레벨 작동 모드 모두로 작동될 수 있고,
    상기 전체 효율은 상기 전기 기계의 검출된 상 전류 및 상기 전체 효율에 영향을 미치는 상기 전기 기계의 적어도 하나의 추가 파라미터 및/또는 특성으로부터 결정되는, 방법.
KR1020237042095A 2021-07-29 2022-07-14 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 전기 구동 시스템 및 방법 KR20240005029A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021003941.6 2021-07-29
DE102021003941.6A DE102021003941B4 (de) 2021-07-29 2021-07-29 Elektrisches Antriebssystem sowie Verfahren
PCT/EP2022/069787 WO2023006441A2 (de) 2021-07-29 2022-07-14 Drei- oder mehrstufige wechselrichterschaltung, elektrisches antriebssystem sowie verfahren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240005029A true KR20240005029A (ko) 2024-01-11

Family

ID=82846409

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237042095A KR20240005029A (ko) 2021-07-29 2022-07-14 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 전기 구동 시스템 및 방법

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240291396A1 (ko)
EP (1) EP4315589A2 (ko)
JP (1) JP2024528124A (ko)
KR (1) KR20240005029A (ko)
CN (1) CN117501616A (ko)
DE (1) DE102021003941B4 (ko)
WO (1) WO2023006441A2 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022201229A1 (de) * 2022-02-07 2023-08-10 DeepDrive GmbH Elektrisches Antriebssystem sowie Verfahren
DE102023104937A1 (de) * 2023-02-28 2024-08-29 DeepDrive GmbH Sensoranordnung und Doppelrotormotormodul
DE102023003799A1 (de) 2023-09-20 2024-08-22 Mercedes-Benz Group AG Wechselrichter

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5982070A (en) 1996-12-27 1999-11-09 Light Engineering Corporation Electric motor or generator having amorphous core pieces being individually accomodated in a dielectric housing
EP1191673A3 (en) 2000-09-14 2002-08-21 Denso Corporation Compact and reliable structure of multi-rotor synchronous machine
JP4849071B2 (ja) * 2005-10-13 2011-12-28 パナソニック株式会社 ２つのロータを有するモータ
CN102422512A (zh) 2009-03-05 2012-04-18 Cpm小型电动马达有限公司 双转子电动机
JP5163734B2 (ja) * 2010-12-17 2013-03-13 富士電機株式会社 ３レベルインバータ装置
DE102013202649A1 (de) * 2013-02-19 2014-08-21 Robert Bosch Gmbh Wechselrichteranordnung und Ansteuerverfahren für eine Wechselrichteranordnung
US20170317607A1 (en) * 2014-10-22 2017-11-02 Otis Elevator Company Three-level t-type npc power converter
DE102014224371A1 (de) * 2014-11-28 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Batteriesystem mit einer hybriden Batterie und einem eingangsseitig mit der Batterie verbundenen NPC-Wechselrichter und Verfahren zum Betreiben eines eingangsseitig mit einer hybriden Batterie verbundenen NPC-Wechselrichter
KR102431991B1 (ko) * 2015-03-13 2022-08-16 삼성전자주식회사 모터 구동 장치
US10191531B2 (en) 2015-12-29 2019-01-29 General Electric Company Hybrid converter system
WO2019060401A1 (en) 2017-09-25 2019-03-28 Huawei Technologies Co., Ltd MULTINIVEAL HYBRID INVERTERS
DE102020108034B3 (de) 2019-12-05 2021-04-08 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Modularer Multilevel-Umrichter, Verfahren zum Betrieb von modularen Multilevel-Umrichtern und Computerprogramm
CN113162350A (zh) 2021-04-15 2021-07-23 深圳绿食宝科技有限公司 高扭矩电动机

Also Published As

Publication number Publication date
EP4315589A2 (de) 2024-02-07
WO2023006441A2 (de) 2023-02-02
CN117501616A (zh) 2024-02-02
DE102021003941A1 (de) 2023-02-02
JP2024528124A (ja) 2024-07-26
WO2023006441A3 (de) 2023-04-27
US20240291396A1 (en) 2024-08-29
DE102021003941B4 (de) 2023-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20240005029A (ko) 3레벨 또는 다중 레벨 인버터 회로, 전기 구동 시스템 및 방법
US11258391B2 (en) Rotating electrical machine control device
Song et al. Phase current reconstruction and control of three-phase switched reluctance machine with modular power converter using single DC-link current sensor
JP6468363B2 (ja) 電力変換装置
US8848405B2 (en) Highly efficient half-bridge DC-AC converter
JP6477915B2 (ja) 電力変換装置
Song et al. Control performance analysis and improvement of a modular power converter for three-phase SRM with Y-connected windings and neutral line
CN102570967B (zh) 低电感、高效率的感应电机及其制造方法
US11456686B2 (en) Rotating electrical machine control device
Song et al. Direct instantaneous torque control of switched reluctance machine based on modular multi-level power converter
Rahman et al. Comparing the performance of Si IGBT and SiC MOSFET switches in modular multilevel converters for medium voltage PMSM speed control
Lee et al. Advanced DPWM method for switching loss reduction in isolated DC type dual inverter with open-end winding IPMSM
Gan et al. Cost-effective current measurement technique for four-phase SRM control by split dual bus line without pulse injection and voltage penalty
Dobrucky et al. Improving efficiency of hybrid electric vehicle using matrix converters
CN100397774C (zh) 一种永磁无刷直流电机弱磁驱动装置
US20240322726A1 (en) Electrical drive system and method
US20210234475A1 (en) Scalable multi-level power converter
Ismail et al. Characterization and System Benefits of Using 3.3 kV All-SiC MOSFET Modules in MV Power Converter Applications
Ali et al. Comprehensive Cost Evaluation of Advanced Fault-Tolerant Converters for Switched Reluctance Motors
US20240291365A1 (en) Electric drive system
CN111684709A (zh) 旋转电机的驱动装置
Hosseinzadeh et al. A new multisource inverter topology for electrical vehicle applications controlled by model predictive
CN110383654B (zh) 主转换电路、电力转换装置及移动体
Saladi et al. Loss determination in IGBT/Sic converters using a non-linear permanent magnet synchronous machine model
Soomro et al. Impact of Switching Frequency on Power Loss in GaN-based Motor Drive for Electric Motorcycle and Comparative Analysis with Si-MOSFET