KR20140051948A - 다단 급속 재충전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 급속 다단 재충전 시스템에 관한 것이다. 시스템은 전압점과 같은 중간 전력 배터리를 사용하여, 출력 전압의 부분을 갖는 변환기가 차량 또는 전력 디바이스의 배터리로의 또는 배터리로부터의 전력의 전체 이송을 제어할 수 있다. 중간 배터리는 중간 배터리의 단 부하 균형조절이 관리되게 하는 소형의 각각의 충전기들에 연계된 다수의 단들을 직렬로 포함하는데, 이는 충전기들이 각각의 단의 기여도를 개별적으로 변화시키는 방식으로 제어될 수 있기 때문이다.

Description

다단 급속 재충전 시스템{RAPID MULTI-LEVEL RECHARGE SYSTEM}

본 발명은 전반적으로 충전 시스템에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 내포된 변환기 및 내부 저장소 단들을 갖춘 다단 급속 충전 시스템에 관한 것이다.

매우 낮은 내부 임피던스, 심방전에 대한 매우 양호한 저항성, 및 수 천 사이클의 수명을 보이는 전력 배터리들, 특히 나노티탄산염을 갖는 Li-이온의 신출현은 급속 충전기들에 대한 강한 요구에 도움이 된다. 현재는 5 분 내에 차량을 충전하는 것이 가능하다. 예를 들어, 최소량의 차량 탑재형 배터리들을 구비한 버스들은 약 20 킬로미터를 자체적으로 운행할 수도 있고, 종착지에서 수 분 내에 재충전할 수도 있다.

문제는 그러한 재충전 속도에 의해 요구되는 전력 수준을 다룰 수 있는 충전기의 경제적인 구성에 있다. 수반되는 전력은 열차 및 버스의 경우에 있어서 수백 킬로와트 및 심지어 수백 메가와트 정도이다.

충전기가 그러한 전력 수준들을 다루어야 할 뿐 아니라, 전기 회로망과 호환가능한 접속점들이 제한적이거나 고가이다. 버스 정류장의 경우, 회로망으로부터 가입되는 전력은 (최대 청구가능 전력에 대응하는) 최고 주기의 함수로서 확립될 수도 있지만, 나머지 시간에, 소비는 훨씬 낮아질 수도 있다. 극단적인 경우는 충전기가 전기 차량을 예컨대 100 킬로와트로 완충하기 위해 매일 십 분씩 여러 번 사용되도록 의도되는 거주지 응용이다.

따라서, 전기 회로망에 의해 보이는 전력을 평활화하도록 의도된 내부 저장소를 구비한 매우 강력한 충전기가 필요하다.

종래의 해결책은, (역시 전력 유형인) 국소적 중간 배터리에 에너지를 저장하기 위해, 긴 시간 주기 동안, 바람직하게는 낮은 에너지 수요 시간 동안 동작하는 소형 충전기를 사용하는 것에 있다. 차량이 급속 충전을 위해 접속될 때, 강력한 DC-DC 변환기가 중간 배터리로부터 차량의 배터리로의 큰 에너지 단위를 이송하는 데 사용된다. 이 해결책은 활용률의 문제를 해결하지만, 항상 대형 크기의 변환기를 필요로 한다.

또한, 중간 배터리는 그를 형성하는 모듈들과 다양한 셀들 사이에 부하 균형조절 시스템을 필요로 한다. 이 시스템은 비용을 증가시키고, 심지어 전체 에너지 손실을 증가시킬 수도 있다.

또한, 전력 전자장치를 갖춘 다수의 충전기들은 회로망의 전자파의 품질을 악화시킬 가능성이 있다. 개조된 파형에 의해 생성된 고조파 및 간섭이 주원인이다. 그 유형의 장치들에 대한 표준은 전자기 방출 기준들을 강화하는 것에 의해서만 진전될 수도 있다. 따라서, 그러한 충전기들의 전류 파형 품질의 개선이 필요하다.

이 목적을 위해, 정현파 펄스 폭 변조(정현파 PWM 또는 SPWM)를 갖춘 일원적 역률 전력 변환기들이 기술적으로 매력적인 해결책을 형성하지만, 높은 변조 주파수들이 이용되어야 하며, 이는 스위칭 손실을 야기할 수도 있다. 다중 레벨 전압 변형은 파형 품질을 보존하면서 스위칭 주파수를 감소시키는 것을 가능하게 한다. 그러나, DC 측에서 여러 레벨들을 갖는 연속적인 전압의 공급 및 보유는 제어 및/또는 복잡성 문제를 야기한다.

마지막으로, 특정 환경에서 회로망에 도움을 제공할 수 있는 회로망 접속 장치들에 대한 요구가 증가하고 있다. 그것은 전력 평활화(즉, 최고 주기 동안 어느 정도까지 전력을 제공하는 데 있어서의 기여), 리액티브 전력 공급 또는 심지어 고조파 필터링에 의한 전압 지원을 위한 것이다. 따라서, 이러한 필요성을 만족시킬 충전기가 유리하다.

본 발명의 목적은 내포된 중간 저장소 및 에너지 이송 단들을 구비한 다단 급속 충전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 매우 강력하며 전기 회로망에서 보이는 전력을 평활화할 수 있는 급속 충전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 감소된 크기의 변환기를 사용할 수 있는 급속 충전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 그러한 유형의 시스템들 또는 충전기들의 전류 파형 품질을 개선하는 것을 가능하게 하는 급속 충전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 특정 환경에서 회로망에 도움을 제공할 수 있는 회로망 접속 장치들로서 사용될 수 있는 급속 충전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 에너지를 전력 디바이스와 교환하는 다단 급속 충전 시스템으로서,

상기 전력 디바이스와의 접속을 위한 단자들;

단자들 사이에 직렬로 접속된 n개의 변환기 단들 및 m개의 에너지 내부 저장소 단들(n≥1, m≥0 및 n+m≥2)로서, 각각의 변환기 단은 중간 전력 배터리 모듈 중 적어도 하나 및 전기 공급원으로의 접속부를 포함하는 배열에 연결된 전력 변환기를 갖고, 각각의 에너지 내부 저장소 단은 중간 전력 배터리 모듈을 갖고, 각각의 중간 전력 배터리 모듈은 상기 중간 전력 배터리 모듈의 내부 임피던스들에 의해 야기되는 전압 강하에 관하여 높은 무부하 전압을 특성으로 하고, 각각의 에너지 내부 저장소 단의 상기 중간 전력 배터리 모듈 및 각각의 변환기 단의 전력 변환기는 상기 전력 디바이스와 에너지를 교환하는 조건에 있도록 함께 접속되는 n개의 변환기 단들 및 m개의 에너지 내부 저장소 단들; 및

각각의 변환기 단의 기여도를 제어하고, 이용가능할 때, 상기 전력 디바이스와 에너지를 교환하기 위한 각각의 에너지 내부 저장소 단의 기여도를 제어하는 제어부를 포함한다.

비제한적인 방식으로, 본 발명에 따른 급속 충전 시스템은 승용차들, 버스들, 열차들, 지하철들, 전차들 및 무궤도 전차들을 포함하는 전기 차량들의 급속 충전에 사용될 수 있다. 이러한 급속 충전 시스템은은 공공 충전소들(서비스국들) 또는 거주지 것들에서 사용될 수 있다. 이러한 급속 충전 시스템은은 역에 진입하고 있는 지하철 또는 DC 열차의 회생 제동(regenerative braking)을 위한 국부적 저장소에 사용될 수 있다. 그것은 부하 관리, 최고 부하 평활화, 리액티브 전력 또는 고조파의 보상을 위한 전기 공급 회로망을 지원하는 역할을 할 수 있다. 그것은 배터리 전지들의 균형조절의 통합 관리를 허용할 수 있다.

바람직한 실시예들의 상세한 설명은 본 명세서에서 다음의 도면을 참조하여 하기에 제공될 것이다.
도 1은, 종래의 충전기에서, 출력 변환기가 전체 전력을 전달하기 위해 크기 조정되어야 하는 것을 나타낸 개략도이다.
도 2는 소형 변환기만으로 큰 전력 흐름의 제어를 가능하게 하는 중간 전력 배터리의 사용을 나타낸 개략도이며, 저속 충전기가 중간 전력 배터리의 전하를 길게 유지시키는 것을 허용한다.
도 3은, 중간 배터리의 전하 레벨들의 균형조절을 더 양호하게 관리하기 위해, 중간 배터리가 저속 충전기를 각각 구비하는 모듈들로 세분될 수도 있음을 나타낸 개략도이다.
도 4는, 한편으로 저속 충전기들의 비동시적 동작 그리고 다른 한편으로 출력 변환기들의 비동시적 동작이 전기 회로망에 대하여 절연 변압기들로의 재경로(recourse)를 갖지 않도록 하는 것을 허용하는 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 5는 접촉기 모듈들이 출력 변환기들에 대한 보다 우호적인 고정 전압 레벨을 사전 선택하는 데 이용되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 6은 접촉기들 및 변환기들의 공통 동작 계획을 그래프로 나타낸 개략도이다.
도 7은 상태들 각각과 연관된 모듈들의 출력 전압들의 직렬 배열을 갖는 3-상 적응을 나타낸 개략도이다.
도 8은 도 7과 유사하지만 병렬 배열을 갖는 개략도이다.
도 9a는 전력 변환기로서 사용되는 2-상한 변환기 모듈의 세부사항을 나타낸 개략도이다.
도 9b는 접촉기 모듈의 세부사항을 나타낸 개략도이다.
도 10은 4-상한 전압 변환기 모듈의 세부사항을 나타낸 개략도이다.
도 11은 중간 배터리 모듈의 전지들의 개별 균형조절용 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 12는 다단 급속 충전 시스템 및 그의 제어용 측정 지점들의 맥락화(contextualization)를 나타낸 개략도이다.
도 13은 개별 모듈들 상에서 작용하는 것에 의한 순시 전류의 폐루프 제어를 나타낸 개략도이다.
도 14는 순시 전류 설정을 생성하는 고레벨 제어기의 예를 나타낸 개략도이다.
도 15는 서비스국을 형성하는 여러 충전기들의 배열의 예를 나타낸 개략도이다.
도 16은 병렬 버스에 의해 연결된 충전기들을 구비한 급속 충전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 17은 직렬 루프에 의해 연결된 충전기들을 구비한 급속 충전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 18은 에너지 저장을 위해 사용될 수도 있고 전력 디바이스로 회귀할 수도 있는 에너지 내부 저장소 단들 및 변환기를 구비한 급속 충전 시스템의 일 실시예를 나타낸 개략도이다.

도 2를 참조하면, 도 2에 예시된 경우에서의 전기 차량의 전력 배터리와 같은 전력 디바이스(4)와 에너지를 교환하기 위한 다단 급속 충전 시스템이 도시되어 있다. 급속 충전 시스템은 전력 디바이스(4)와의 접속을 위한 단자들(6, 8)을 갖는다. n개의 변환기 단들(16) 및 m개의 에너지 내부 저장소 단들(10)은 단자들(6, 8) 사이에 직렬로 접속되며, 이 경우 n≥1, m≥0 및 n+m≥2이다. 각각의 변환기 단(16)은 중간 전력 배터리 모듈(14)를 구비한 장치(예컨대, 도 18에 도시됨)에 결합된 전력 변환기(18) 및/또는 도 2에 예시된 경우에서의 전기 회로망(2)에 접속되거나 또는 접속되지 않은 전기 공급원(20)과의 접속부(26)를 갖는다. 각각의 에너지 내부 저장소 단(10)은 중간 전력 배터리 모듈(14)을 갖는다. 각각의 중간 전력 배터리 모듈(14)은 중간 전력 배터리 모듈(14)의 내부 임피던스(미도시)에 의해 야기되는 전압 강하에 대하여 높은 무부하 전압을 특징으로 한다. 그와 같이 특징화됨으로써, 중간 전력 배터리 모듈들(14)은 변환기 단들(16)(연속적 조절에 이용됨)의 전압 정격 또는 그들의 개수를 감소시키는 것을 가능하게 하여 비용을 감소시킨다. 각 에너지 내부 저장소 단(10)의 중간 전력 배터리 모듈(14) 및 각 변환기 단(16)의 전력 변환기(18)는 전력 디바이스(4)와 에너지를 교환하는 조건에 적합하도록 함께 접속된다. 제어부(38)(도 11에 도시됨)는 각 변환기 단(16)의 기여도를 제어하며, 이용가능할 때, 전력 디바이스(4)와 에너지를 교환하기 위한 각 에너지 내부 저장소 단(10)의 기여도를 제어한다.

다단 급속 충전 시스템은, 그것이 전기 회로망(2) 및 전력 배터리를 전력 디바이스(4)로서 포함하는 응용들(도 2, 도 3, 도 4, 도 5, 도 7, 도 8 및 도 15에 도시됨)을 위한 것인지, 아니면 지하철 선로의 경우에서와 같이 회귀 응용들을 전력 디바이스(4)로서의 에너지 저장 및 회귀 응용들(도 16, 도 17, 도 18에 도시됨)을 위한 것인지에 따라 다양한 구성들을 취할 수도 있다.

제어부(38)는, 시스템에서 제어되거나 또는 측정치들을 생성하는 상이한 구성소자들에 접속될 수도 있고 원하는 시스템 운용 파라미터들 및 모드들에 대해 프로그래밍하는 것에 의해 또는 다른 적절한 방식에 의해 구성가능한 프로세서(들) 또는 처리 유닛(들), 메모리(들) 및 제어 인터페이스(들)과 함께, 마이크로제어기, 컴퓨터, 집적회로 등의 형태를 취할 수도 있다.

m개의 에너지 내부 저장소 단들(10)은 2개 이상의 변환기 단들(16)이 사용될 때 널 상태(null)일 수도 있으며, 그것들은 전력 배터리 모듈(14)을 포함하고 공급원(20)(또는 2)에 접속되거나 또는 접속되지 않는 충전기(12)를 선택적으로 포함한다.

본 발명의 다단 급속 충전 시스템은 적어도 배터리 모듈(14)로 형성된 중간 전력 배터리를 전압 지지점으로 사용하여 출력 전압의 일부를 갖는 변환기(18)가, 예컨대 전기 차량 또는 다른 전력 디바이스(4)의 배터리를 향하는 (또는 그러한 배터리로부터의) 전체 전력 흐름(22)을 제어할 수도 있도록 함으로써 변환기 크기 문제에 대한 해결책을 제공한다.

도 1을 참조하면, 변환기(24)가, 예컨대 전기 차량의 배터리(4)와 공급 회로망(2) 사이에서 흐를 수 있어야 하는 전체 전력(22)에 대해 크기 조정되어야 하는 종래의 상황이 도시되어 있다. 이것은 특히 큰 크기의 변환기를 필요로 한다.

도 2를 다시 참조하면, 소형 충전기(12)는 배터리 모듈(14)의 저속 재충전을 허용한다. 이에 따라, 활용률 문제가 해결된다. 중간 전력 배터리(14)가 수백 볼트에 도달할 수도 있으므로, 전력 배터리 모듈들(14)로 형성된 여러 단들은 도 3에 도시된 바와 같이 바람직하게 사용된다. 따라서, 충전기(12)를 도 3에 도시된 바와 같은 단들의 각각의 배터리 모듈들(14)에 연계된 보다 소형인 복수의 충전기들(12)로 분할하는 것을 고려하는 것이 가능하다. 이러한 분할은 배터리 모듈들(14)의 전하 균형조절 관리의 문제 중 대부분을 해결하게 하는데, 이는 충전기들(12)이 각 단의 기여도를 개별적으로 변화시키도록 제어될 수도 있기 때문이다.

배터리 모듈들(14)의 비용은 가입된 전력에 대한 비용청구 절감에 의해, 그리고 대부분의 경우에 있어서, 전력 디바이스(4)와의 에너지 이송에 수반되는 전력 변환기(들)(18)의 크기 절감에 의해 대부분 흡수될 가능성이 있다.

또한, 직렬인 복수의 구성요소들이 사용되므로, 이러한 요인을 충전기들(12)의 레벨에서의 다단 PWM(Pulse Width Modulation) 전략을 구현하는 데 이용하는 것이 가능하다. 사실, 전력 배터리 모듈들(14)이, 제한되는 것은 아니지만 대체로 5 내지 95%의 범위에 있는 충전 레벨들에 대해 매우 낮은 임피던스 및 거의 일정한 전압을 갖기 때문에, 그들은 이상적인 전압원들과 비슷하여, 최종 생성된 다단 시스템의 제어 및 토폴로지를 단순화시킨다. 따라서, 회로망 측(2)에서의 파 품질은 유리하게 증가할 수도 있다.

회로망(2)에 제공되는 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 파형들을 생성하는 본 발명의 다단 시스템의 용량은, 이에 따라, 전술된 바와 같이, 회로망(2)에 보조 서비스들을 제공하게 한다.

저속 충전기(들)(12) 또는 단들(10, 16)이 회로망(2)에 접속되지 않을 수도 있는 다단 급속 충전 시스템의 실시예들은, 도 16, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, DC 기차 또는 지하철이 역에 진입할 때의 제동 에너지를 복구 또는 회귀시키는 데 이용될 수도 있다. 따라서, 충전기(들)(12)은 오로지 단들(10, 16)의 부하 균형조절에만 사용될 수 있다. 회생 제동은 충전기(들)(12)가 회로망(2)에 접속되는지와는 무관하게 작동한다. 이러한 종류의 실시예들에서, 전력 디바이스(4)는, 저항성 부하와는 반대로, 상대적으로 고정된 역기전 전압 및 저 임피던스 부하로 형성될 수도 있다. 그것은 본 명세서에서 전압형 부하 또는 간단히 전압 부하로 지칭될 것이다. 이것은 지하철 또는 기차 현수선의 DC 공급 회로망에 접속된 선로일 수도 있다.

본 발명은 전력 디바이스(4)(예컨대, 전기 차량 배터리) 및 배터리 모듈(들)(14)이 내부 임피던스들에 의해 야기된 전압 강하에 관하여 높은 무부하 전압을 갖는다는 사실에 기초한다. 변환기(18)는, 작은 전압으로, 그것이 전력 디바이스(4)와 배터리 모듈(들)(14) 사이의 전압 차이들뿐만 아니라 그들의 내부 임피던스들의 전압 강하를 보상할 수 있다면, 높은 전류의 흐름을 야기할 수도 있다. 전류 및 그에 따른 전력은 양방향으로 제어될 수도 있고, 전력 변환기(18)는 2-상한들에서 동작하는 구성을 가지며 전체 전류를 전달할 수 있다.

단자(6)와 변환기 단(16)의 전력 변환기(18) 사이에 접속된 인덕터(28)는 전류를 평활화시키고, 특히 전력 변환기(18)가 전압원 유형의 반브리지(VSC 또는 전압원 변환기(Voltage Source Converter))로 형성되는 유리한 경우에 있어서 순시 전압 차이들을 흡수함으로써 전류 펄스들을 회피시키는 것을 가능하게 한다.

전기 공급원(20)은 전기 회로망(2)으로부터 유도될 수도 있지만, 또한 도 3에 도시된 바와 같이 전기 회로망(2)과 결합하는 저속 충전기(12)에 결합될 수도 있는 추가 중간 배터리 모듈(14)로부터 유도될 수도 있다.

충전기(들)(12)는 단방향성뿐 아니라 양방향성일 수도 있다. 제2의 경우에 있어서, 그것은, 예를 들어 최고점 동안 회로망(2)을 지원하는 데 능동적으로 기여할 수도 있다. 단방향성인 경우, 전기 회로망(2)에 대한 도움은, 예를 들어 최고 시간 동안 소비를 제한함으로써, 어느 정도까지 가능한 상태로 유지된다.

다단 급속 충전 시스템의 구성에 따라, 충전기(들)(12)은 변압기(31)(예를 들어, 도 16에 도시됨)와 같은 절연 단을 구비하여 각 단(10)(그리고 적용가능하다면 16)의 전압들의 적절한 참조를 보장한다. 이하 설명되는 다른 구성들은 이러한 절연 없이 행할 수도 있으며, 이는 구성소자의 개수, 비용 및 또한 손실들의 감소를 초래한다.

도 3을 참조하면, 여러 개의 단들(10, 16)이 어떻게 직렬로 배열될 수 있는지가 도시되어 있다. 내부 저장소 단들(10)의 배터리 모듈들(14)은 변환기 단들(16)의 전력 변환기들(18)과 직렬로 접속된다. 예시된 실시예에서, 단들(16)의 공급은 자체가 배터리 모듈들(14) 및 저속 충전기들(12)로 이루어진다. 따라서, 모든 단들(10, 16)은 충전기(12)를 갖는다. 충전기들(12)이 양방향성이면, 단들(10, 16)의 전하 균형조절이 또한 개선될 수도 있는데, 이는 보다 높은 전하 레벨을 갖는 배터리 모듈(14)이 이제 일부 에너지를 다른 단들(10, 16)에 제공할 수도 있기 때문이다. 단방향성의 경우, 예를 들어 이에 따라 운용 모드를 갖도록 구성된 제어부(38)(도 11에 도시됨)를 통한 충전기들(12)의 충전 전력을 개별적으로 변조하는 것이 여전히 가능하다.

도 4를 참조하면, 접촉기 모듈들(32, 34)의 사용이 충전기들(12)에서 절연 변압기들이 없이 행하는 것을 허용하는 실시예가 도시되어 있다. 충전기들(12)은 VSC 부분만을 갖는다. 그 실시예에서, 배터리 모듈들(14)의 저속 충전은 전력 디바이스(4)를 형성하는 전력 배터리와의 교환과 동시에 발생하지 않는다. 그것이 최소의 불편함인데, 이는 전력 배터리(4)의 급속 재충전이 배터리 모듈들(14)을 충전하는 데 필요한 (회로망(2)에 의해 부과되는) 시간에 관하여 단지 몇 분만이 걸리기 때문이다. 배터리 모듈들(14)의 저속 재충전 동안, 접촉기 모듈들(32)은 폐쇄되고 접촉기 모듈들(34, 36)은 개방된다. 전력 배터리(4)의 급속 재충전 동안, 그것은 반대이다. 보안을 위해, 바람직하게는 기계적 유형인 연동장치(interlock)가 접촉기 모듈들(32)과 접촉기 모듈들(34, 36)의 동시 폐쇄를 방지한다.

연동장치를 갖춘 접촉기 모듈들(32, 34, 36)의 이러한 메커니즘은 급속 충전 측에서 (표적 배터리(4)를 향해) 단들의 (접촉기 모듈들(36)을 통한) 변환기들(18) 및 배터리 모듈들(14)뿐 아니라 회로망 측(2)에서 단들의 충전기들(12)을 직렬로 접속시키는 것을 허용하는데, 이는 다수의 전압 참조 문제가 제거되기 때문이다. 이것의 많은 유리한 결과들.

회로망 측(2) 전압 정도로 큰 차량(또는 다른 디바이스) 측의 고전압들은 용이하게 얻어질 수도 있는데, 이는 단 전압들의 합을 전달할 필요가 있는 어떠한 절연 변압기도 더 이상 존재하지 않기 때문이다.

충전기들(12) 및 변환기들(18)에 의해 형성된 변환기들은 그들의 가장 간단한 표현으로, 즉 각각 도 10에 도시된 바와 같은 VSC 브리지 및 도 9a에 도시된 바와 같은 VSC 반브리지로서, 그들이 총체적으로 공유하는 인덕터들(28, 40)를 제외한 어떠한 변압기 또는 인덕터도 갖지 않는 표현으로 축소된다. 따라서, 변압손이 제거된다. 변환기들(18)은 도 9a에 도시된 바와 같은 접촉기 모듈들(42)을 선택적으로 제공받아 그들이 요구되지 않을 때에는 그들을 우회하여 손실을 감소시킬 수도 있다. 도 9b에 도시된 바와 같은 접촉기 모듈들(48)은 도 5에 도시된 접촉기 모듈들(36)을 대체하여, 충전기들(12)의 동작 동안의 절연뿐 아니라 전력 배터리(4)의 이송 동안의 일 단(10)의 우회를 허용할 수도 있다.

각각의 단(10, 16)이 그의 연계된 배터리 모듈(14)에 의해 그의 개별 전압을 보장받으므로, 변환기들(12, 18)에서 사용된 반도체들(44A, 44B, 44C, 44D, 44E, 44F)(도 9a 및 도 10에 도시됨)은 낮은 전압 유형의 것일 수도 있다. 특히, MOSFET가 사용되는 경우, 손실을 과감하게 감소시키는 매우 낮은 드레인-소스 저항을 갖는 일부의 것을 선택하는 것이 가능해진다. 또한, MOSFET들은 외부의 것을 추가할 필요성을 제거하는 진성 역병렬 다이오드(46)를 제공받는다. 효율성은, 역병렬 다이오드(46)의 접합 전압 강하를 제거하기 위해, MOSFET들을 동기식 정류기들로서 동작시킴으로써, 즉 역전류가 흐르는 대부분의 시간에 각각의 MOSFET가 "ON"으로 유지되도록 함으로써 여전히 더욱 증가할 수도 있다.

직렬 배열의 다른 이점은 회로망 측(2)이 다단 SPWM에 대해 현재 이용가능한 다수의 전압 레벨들을 갖는다는 사실에 기인한다. 스위칭 손실이 감소하는데, 이는 보다 낮은 주파수 변조가 이용될 수도 있기 때문이다. 이것은 또한 인덕터(40)의 크기를 그것이 요구되는 경우에 있어서 그의 비용 및 그의 손실에 따라 감소시킨다. 인덕터(40)는 회로망(2)으로부터 등가의 인덕턴스에 의해 형성될 수도 있다.

SPWM은 회로망(2)에 대한 지원 기능들, 및 일원적 전력 인자에서 작동하는 것을 허용한다. 회로망(2)으로부터의 또는 그를 향하는 겉보기 전력의 적절한 레벨들은 비용 효율적인 방식으로 다루어질 수도 있다.

도 5를 참조하면, 접촉기 모듈들(48)(도 9b에도 도시됨)이 에너지 내부 저장소 단들(10)에 의해 제공되는 고정된 전압 값을 사전 선택하게 하는 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 고정된 전압 값을 배터리(4)의 그것과 가능한 한 가깝게 함으로써, 변환기들(18)이 제공되는 단들(16)의 필요한 수가 감소할 수도 있다.

비용을 감소시키고 접촉기 모듈들의 수명을 증가시키기 위해, VSC 내에 구성된 변환기들(18) 및 충전기들(12)은 접촉기 모듈들(32, 34, 36(도 4에 도시됨), 42(도 9a에 도시됨), 48(도 9b에 도시됨), 50(도 8에 도시됨))의 임의의 동작 이전에 전류들을 0으로 감소시키는 데 사용될 수도 있다. 마찬가지로, 변환기들(18) 및 접촉기 모듈들(48)은 급속 충전 시스템의 무부하 전압이 접촉기 모듈들(34)의 임의의 폐쇄 이전의 배터리(4)의 것과 사실상 같도록 하는 데 사용될 수도 있다. 단들(10, 16)에서 VSC 내에 구성된 충전기들(12)은 직렬인 이들 충전기들의 총 AC 전압이 접촉기 모듈들(32)의 임의의 폐쇄 이전의 회로망(2)의 순시 전압과 거의 일치하도록 하는 데 사용될 수도 있다.

전력 배터리 모듈들(14) 사이의 전하 분포를 더욱 용이하게 관리하기 위해, 변환기들(18)이 제공된 필요한 수보다 많은 단들(16)이 시스템에 통합될 수도 있다. 주어진 순간에 요구되는 최소 개수의 변환기들(18)의 선택은, 그들이 우회 위치에 설정되는지의 여부에 따라, 도 9a에 도시된 바와 같은 접촉기 모듈들(42)에 의해 확립될 수도 있다. 우회 위치의 변환기들(18)은 그들의 접촉기 모듈들(42)에 의해 절연될 수도 있고 분로될 수도 있어, 전도손을 감소시킬 수도 있다.

도 6을 참조하면, 2개의 활성 레벨들(도 9a에 도시된 바와 같은 접촉기 모듈(42)에 의해 분로되지 않은 변환기들(18)) 중 최소치로, 급속히 조절가능한 전압 여유분이 항상 보존되는 것이 도시되어 있다. 도 6에서, 곡선(52)은 바람직한 전압을 나타내고, 곡선(54)은 고정된 단들(10)의 전압을 나타내며, 곡선(56)은 단들(10, 16)의 활성 레벨들에 따라 얻어진 최대 이산 전압을 나타낸다. 곡선들(54, 56) 사이의 범위는 PWM에 의해 동적으로 이용가능한 전압 값들을 나타낸다. 이 여유분은 폭주(runaway)를 피하기 위해 전류의 제어를 유지하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 사태를 해결하기 위해, 퓨즈 또는 회로 차단기에 의한 종래의 보호 디바이스들(미도시)로의 재경로가 바람직하다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 도 5의 것과 같은 시스템의 3-상 적응들이 도시되어 있다. 이들 적응들은 보다 중요한 전력 레벨들이 전기 차량용 서비스국들 또는 전기 버스용 재충전소들에 더 우수하게 적응되게 한다. 도 7 및 도 8은 각각 출력 단들(10, 16)의 그룹들의 직렬 및 병렬 배열들을 각각 도시한다. 동일한 그룹 내에 단들(10, 16)을 또한 직렬로 포함하는 병렬 그룹들(도 8)의 경우에 있어서, 보다 적은 접촉기 모듈들(32)이 요구된다. 접촉기 모듈(50)(도 8) 또는 점퍼(58)(도 7)는 적용가능한 접지 규정에 따라서 요구될 수도 있다.

도 11을 참조하면, 전력 배터리 모듈들(14)은 균형조절 및 관리 시스템과 조합되는 직렬의 여러 기초 전지들(60)로 구성될 수도 있다. 동일한 배터리 모듈(14)의 전지들(60) 사이의 미세한 균형조절은 긴 시간 주기에 걸쳐서 보다 많이 충전된 전지들(60)로부터 보다 적게 하전된 것들을 향해 일련의 작은 전하들을 이송하고자 의도된 소형 양방향성 플라이백 변환기들(62)에 의해 본질적으로 보장될 수 있다. 이하, 배터리 모듈들(14) 사이의 보다 중요한 균형조절 전력들이 충전기들-변환기들(12), 변환기들(18), 및 접촉기 모듈들(48)(예를 들어, 도 5에 도시됨)을 통해 어떻게 얻어질 수 있는지를 보여줄 것이다.

미세한 균형조절은 직렬의 전지들 각각에서 중재를 통해 달성될 수도 있다. 배터리 모듈들(14)의 세트가 총 수백 개의 전지들(60)로 형성될 수도 있으므로, 비용에 영향을 미치는 구성요소들의 개수 및 크기를 감소시키는 것이 유리하다. 소형 양방향성 플라이백들(62)을 이용한 기법은 유리하게도 이러한 목적에 적합하다.

에너지 이송은 배터리 모듈들(14)의 각각에 특정적인 버스(64)를 통해 달성될 수도 있다. 버스(64)는 필요 시 여러 배터리 모듈들(14)을 포괄하도록 연장될 수도 있지만, 이것은, 예를 들어 변압기들(30)의 절연 고려사항에 대해 보다 덜 실용적일 수도 있다. 전지(60)로부터 버스(64)를 향해 작은 에너지 블록을 이송하기 위해, 그것은 전지(60)에 대응하는 MOSFET(66)로 하여금, 대응하는 변압기(30)의 코어에서의 흐름을 창출하도록 전도하게 하고, 포화에 도달하기 전에 전류를 차단하게 하는 간단한 사안이다. 차단 시, 대응하는 MOSFET(72)의 진성 다이오드(68)는 전도하기 시작할 것이고, 그 흐름은 공통 버스(64)의 커패시터들(70)을 재충전하는 것에 의해 0으로 다시 떨어질 것이다. 역방향으로의 이송은 또한 MOSFET들(66, 72)의 역할을 상호교환함으로써 가능하다. 따라서, MOSFET(66)의 게이트 상의 펄스는 버스(64)를 향해 에너지 블록을 이송하고, MOSFET(72)의 게이트 상의 펄스는 대응하는 셀(60)을 향해 에너지 블록을 이송한다. 바람직하게는, MOSFET들(66, 72)은 또한 손실(동기식 정류)를 감소시키기 위해 그들의 각각의 진성 다이오드(68)의 전도성에 대응하여 시간 주기들 동안 활성화된다.

커패시터들(70, 74)은 스위칭 루프들을 최소화하기 위해 플라이백들(62)에 가깝게 위치된다. 커패시터들(76), 다이오드들(78) 및 저항기들(80)은 각각의 단에서 상이한 전압 참조들을 충족하도록 펄스 레벨들을 적응하는 데 이용된다. 버스(64)는, 차례로, 접지(84)를 거쳐 모듈 제어기(82)에 귀착되는데, 이는 하나의 배터리 모듈(14)로부터 다른 모듈까지와는 상이하다.

제어기(82)는 버스(64) 상에서 전압을 유지시키고 그에 의해 순 이송자들의 합이 0임을 보장하도록 게이트 펄스들을 제어할 수도 있다. 제어기(82)는 또한 전지 전압들, 센서(86)에 의한 모듈 전류, 및 가능하게는 온도들의 모음을 다룰 수도 있다. 제어기(82)는 바람직하게는 시스템의 주제어기(38)와 일정한 관계에 있고, 그들과 작업들을 공유한다. 균형조절과는 별도로, 양측 제어기들(82, 38)은, 특히 전지 전압 및 온도 비정상적 과도출력을 감시함으로써, 배터리 모듈들(14)의 보호를 다룬다. 주제어기(38)는 또한 접촉기 모듈들(32, 34, 50(도 7 및 도 8에 도시됨), 42(도 9a에 도시됨), 48(도 9b에 도시됨))의 동작을 다룰 수도 있다.

미세한 균형조절 회로가 센서(86)에 의해 기록되지 않으므로, 그것은 변압기들(30)의 공지된 인덕턴스 값과 함께 전지들(60)의 전압, 버스(64)의 전압 및 펄스들의 폭과 개수에 의해 추정될 수도 있다.

작은 플라이백들(62)이 전술된 단순성 및 비용의 이유들로 인트라-모듈 균형조절 전력을 제한하므로 동일한 모듈(14) 내부의 전지들(60)이 균일함(동일한 로트 및 동일한 노후화 이력) 그리고 그들이 동일한 조건에 처해짐이 보장되어야 한다.

시스템의 크기가 병렬인 다수의 전지들(60)을 필요로 한다면, 도 8과 유사한 방식으로 전체 열의 병렬화를 고려하는 것이 바람직하다. 사실, 단별 병렬화(stage by stage paralleling)는 다수의 지점들에서 전류를 개별적으로 제어하는 수단을 요구할 것이며, 전류는 또한 높은 값들에 도달한다.

도 12를 참조하면, 중간 배터리 모듈들(14)의 재충전 동안 전류를 제어하기 위해 또는 회로망(2)에 대한 도움을 위해 필요한, 측정된 전압 V_mes(t)를 생성하는 전압 센서(88) 및 측정된 전류 신호 i_mes(t)를 생성하는 전류 센서(90)에 의해 제공되는 측정 지점들을 포함하는 사용 상황의 일례가 도시되어 있다. 인덕터(92)는 회로망(2)의 등가의 인덕턴스를 나타내며, 인덕터(40)는 여기서 시스템의 인덕턴스 형성부를 나타낸다.

도 13을 참조하면, 일원적 전력 인자 재충전, 최고점 관리 또는 심지어 회로망(2)을 향하는 에너지 회귀와 같은 하나 또는 많은 기능들을 충족시키는 회로망 전류 설정을 따르기 위해, 변환기들(12)(예를 들어, 도 12에 도시됨)을 관리할 수 있는 제어 시스템이 도시되어 있다. 제어 시스템은 주제어기(38)(도 11에 도시됨)에 통합될 수도 있고, 또는 필요 시, 다른 방식으로 구현될 수도 있다. 제어 시스템은, 예를 들어 종래의 분포 생성 기법들에 따라, 적절한 전류를 결정하는 고레벨 제어기(94)를 포함한다. 가능하게는 비례 플러스 적분형의 제어기(96)는 임의의 순간에 요구되는 직렬의 다수의 탠덤들(12, 14)(예를 들어, 도 12에 도시됨)로 변환할 수도 있는 전압을 제공하는 블록(98)에 의해 구분되는 표적 전압을 생성한다. 브리지들(12)(예를 들어, 도 12에 도시됨)에 개별적으로 접속된 블록(100)은 탠덤들(12, 14) 중 배터리 모듈들(14)(예를 들어, 도 12에 도시됨) 사이에서 전하 레벨들을 균형조절하는 데, 그리고 각각의 반도체들(44C, 44D, 44E, 44F(도 10에 도시됨))에서 연속적 스위칭을 최소화하는 데 기여하게 될 탠덤들을 판정하는 결정 알고리즘을 갖는다. 이에 따라 다단 PWM 전략이 효과적으로 구현된다.

다시 도 10을 참조하면, 모듈(12)이 정의 전압을 생성하는 데 기여하도록 놓일 때, MOSFET들(44C, 44F)은 전도 상태로 설정된다. 부의 전압의 경우는 MOSFET들(44D, 44E)이다. 영의 전압의 경우, 전류는 여전히 통과해야 하고, 두 가지 가능성들, MOSFET들(44C, 44D)의 전도 및 MOSFET들(44E, 44F)의 전도가 있다. 바람직하게는, 양측 가능성들이 반도체들(44C, 44D, 44E, 44F) 사이에서 균등하게 방산을 분포시키기 위해 다른 것들만큼이나 흔하게 이용된다. 모든 경우에 있어서, 형성-전-차단 전이들이 배터리 모듈들(14)의 단선을 피하기 위해 수행된다. 브리지(12)에 가까운 DC 측 상의 디커플링 커패시터들(미도시)은 스위칭 루프들을 감소시키는 것을 허용한다.

도 14를 참조하면, 일원적 전력 인자 충전의 특정 경우에 대해 의도된 고레벨 제어기(94)의 일례가 도시되어 있다. 위상 고정 루프(PLL)(110)는 V_mes(t)와 관한 기본 전압의 순시각 ω(t)을 제공한다. 코사인 블록(112)은 동일한 위상을 갖지만 일원적 진폭을 갖는 신호를 복원한다. 최종 생성 신호는 전류 i_pk(116)의 희망 진폭으로 승산되어(114), 합산 블록(118)(도 13에 도시됨)에 송신될 순시 전류 표적 i(t)*을 제공한다.

전력 반전이 바람직할 다른 경우에 있어서, 그것은 승산기(114)의 출력의 부호를 반전시키거나 또는 블록(112)의 입력에서 180도를 추가하는 간단한 문제일 것이다.

도 12를 다시 참조하면, 배터리 모듈들(14)이 그들의 에너지를 (예를 들어 도 2에 도시된 전력 배터리와 같은) 전력 디바이스(4)의 것과 교환하는 동작 모드에서, 측정된 전류 신호 i_mes(t)는 전력 변환기(18)에 접속된 전류 센서(91)로부터 도출되며, 순시 전류 i(t)*의 제어 루프는, 접촉기 모듈들(42)(도 9a에 도시됨)에 의해 우회되지 않는 다수의 모듈들(18)이 사용되는 경우, 도 13에 도시된 블록들(118, 96, 98, 100)로 형성될 수도 있다. 다단 PWM이 또한 여기서 얻어진다. 그러나, 이것은, 전류들이 매우 높고(모듈들(12)의 사용 동안에 수반되는 것들보다 큰 정도의 크기에 가깝다) 그리고 당해 고전류들에 영향받는 반도체들의 수를 최소로 유지하는 것이 바람직하므로, 효율성을 손상시킬 수 있다.

순시 전류 i(t)*의 제어의 경우, 이에 따라, 종래의 2 또는 3 레벨 PWM 전략으로 전류의 미세한 조절을 제공하는, 우회되지 않는 (활성인) 2 개의 모듈들(18)로 작동하는 것이 바람직하다. 이것은, 예를 들어 배터리 모듈들(14)의 충전/방전 레벨의 균형을 조절하도록 활성 모듈들(18)을 매 순간 변화시키는 것을 방지하지 않는다.

이 모드에서, 배터리 모듈들(14)의 전압 및 전력 디바이스(4)의 것이 동일한 부호를 보유하므로, 반도체들(44A, 44B)(도 9a에 도시됨)로 형성된 반브리지(18)로 양방향들에서의 전류 조절을 유지하는 것이 가능하다. 모듈들(12)의 동작과 유사한 방식으로, 모듈(18)은, MOSFET(44A)(또는 그의 진성 다이오드(46))가 전도 상태인 경우에는 정의 전압을 나타내고, MOSFET(44B)(또는 그의 진성 다이오드(46))가 전도 상태로 변환되는 경우에는 0의 전압을 나타낸다. 여기서 다시 한번, 형성-전-차단 스위칭 시퀀스가 이어지고 디커플링 커패시터들(미도시)이 반도체들(44A, 44B)에 가까운 DC 측 상에 배열된다.

이 지점까지, 다단 PWM에 의하든 아니든, 설명된 순시 전류 제어 전략들은, 모듈들(12)에 대해 모듈(18)만큼이나 접촉기 모듈들(32, 34, 36(도 4에 도시됨), 42, 48(도 9a 및 도 9b에 도시됨), 50(도 8에 도시됨))의 시퀀싱을 무시했다. 그들의 동작은 다음의 행들에서 설명되며, 전력 배터리(예컨대, 전기 차량의 것)는 전력 디바이스(4)의 예시로서 사용된다. PWM의 행동은 자연적으로 빠르고 연속적이지만, 그 반면, 접촉기 모듈들(32, 34, 36, 42, 48, 50)은 전력 배터리(4)를 사용하는 에너지 이송 사이클 동안의 몇 차례에만 사용된다. 그들은 또한 동작 모드(활성 회로망 측(2) 대 활성 배터리 측(4))을 변화시키는 데 사용된다.

회로망(2)과의 교환 모드에서, 다음의 단계들이 수행될 수 있다:

1. 초기에, 접촉기 모듈들(32, 34, 50(적용가능한 경우), 42, 48)이 개방된다.

2. 적절한 수의 변환기 모듈들(12)을 접촉기 모듈들(32, 50)의 추정된 폐쇄 순간에 효과를 나타낼 회로망(2)의 무부하 전압을 근사화시키는 데 기여하게 한다.

3. 접촉기 모듈들(32, 50)을 폐쇄한다.

4. 제어기들(94, 96)이 적절한 전류를 얻도록 동작하게 한다. 보다 적극적인 전하 레벨 균형조절을 위해, 2개의 무효 단들(12)을 정의 전압 중 하나 및 부의 전압 중 하나로 대체하는 것이 가능하다. 회로망(2) 상에서의 효과는 미미할 것이지만, 배터리 모듈들(14) 사이에서의 유효 에너지 교환이 발생할 것이다. 또한, 재충전의 끝을 향해, 단지 몇 개의 배터리 모듈들(14)만이 추가 충전을 필요로 하고 그 반면에 다른 것들은 충분한 상태이면, 중간 기간 순수 이동이 전체 모듈들(14)에 대해 무효가 되고 남은 몇몇 다른 것들에 대해 정이 되도록 각각의 모듈(14)의 역할을 상호교환함으로써 이 동일한 기법을 이용하는 것이 가능하다.

5. 모든 모듈들(14)의 충전이 완료될 때, 설정에 의해 특정된 전류(116)를 0으로 점진적으로 감소시킨다.

6. 접촉기 모듈들(32, 50)을 개방한다.

배터리(4)와의 교환 모드에서, 다음의 단계들이 수행될 수도 있다:

1. 초기에, 접촉기 모듈들(32, 34, 50(적용가능한 경우), 42, 48)이 개방된다.

2. 시스템 및 배터리(4)를 포함하는 차량(또는 다른 전기 디바이스)은 다른 것들 중에서도 충전 전류 타이밍 프로파일을 다음의 함수로서 처리한다.

- 배터리(4)의 에너지 요구,

- 모듈들(14)의 남은 용량,

- 수반되는 배터리 기술,

- 배터리(4)의 전지들 또는 심지어 모듈들(14)의 것을 균형조절하도록 의도된 최종 이완 주기.

3. 배터리(4)의 전압이 측정된다.

4. 수 분(또는 그 이하)의 몇몇 세그먼트들에서 도래하는 충전 주기를 세분하는 주제어기(38)에 의해

- 모듈들(14) 사이에서 그들의 개별 충전 상태(또는 SOC)에 따라 배출되는 에너지를 분포시키고,

- 접촉기 모듈들의 동작 횟수를 최소화하고,

- 2개의 모듈들(18) 중 최소치를 활성 상태(PWM)로 남겨두기 위한 시나리오가 확립된다.

5. 접촉기 모듈들(42, 48)은 시나리오의 제 1 세그먼트에 따라 구성된다. 단이 PWM에 대해 요구되면, 접촉기 모듈(42)이 개방될 것이다. 그렇지 않은 경우, 그것은 2개의 다른 위치들 중 하나에 있을 것이다. 비-PWM 단들의 접촉기 모듈들(48)은 대응하는 모듈(14)이 기여하도록 놓여야 하는지의 여부에 따라 2개의 극단적 위치들(중앙 위치는 사용될 수 없는데, 이는 전류가 지나가야 하기 때문이다) 중 하나에 있어야 할 것이다. 기여하는 모듈들(14)의 총 전압은 단계 3에서 측정된 전압을 근사화해야 한다.

6. 접촉기 모듈들(34)이 폐쇄된다.

7. PWM 단들은 단계 2에서 처리된 프로파일에 따라 전류 제어에 연속으로 참여한다.

8. 전류를 조절하는 데 필요한 2개의 활성 PWM 단들의 전압이 제어를 완화시키게 하는 한도로부터 모듈 절반-전압보다 더 가깝게 되면 재구성이 개시된다: 전류가 PWM 양측 단들에 의해 0으로 감소하고, 그 후 새로운 요구되는 값 근처의 조절가능한 전압 범위를 다시 중심에 놓기 위해 접촉기 모듈들(42, 48)의 새로운 구성이 이루어지며(도 6); 마지막으로 전류가 PWM 단들의 행동에 의해 원하는 값으로 다시 설정된다.

9. 마찬가지로, 시나리오의 세그먼트의 끝에 도달될 때, 전류는 0으로 되설정되고, 접촉기 모듈들(42, 48)은 재구성되며, 그 후, 전류는 원하는 값으로 다시 설정되어 다음 세그먼트를 개시한다.

10. 마지막 세그먼트의 끝에서, 전류는 0으로 감소하고, 그 후, 모든 접촉기 모듈들(32, 34, 50(적용가능한 경우), 42, 48)이 개방된다. 대안으로, 마지막 세그먼트는 조기에 정지될 수도 있으며, 그 후 종료가 각각의 모듈(14)에 남아 있는 유효 전하 레벨의 함수로서 그리고 배터리(4)의 요구의 함수로서 재평가될 수도 있다.

배터리 임피던스들이 높은 경우 또는 모듈들(14)의 전압이 낮은 경우에 있어서, 2개를 초과하는 활성 단들(18)이 연속으로 요구된다. 그러나, 절차는 유사한 상태로 남아 있다.

(예를 들어, 회로망 고장 동안 차량의 에너지를 사용하기 위해) 배터리(4)로부터 배터리 모듈들(14)을 향하는 에너지 블록의 이송을 요구하는 상황을 가정하는 것이 가능하다. 절차는 전류의 부호가 반대인 것을 제외하면 동일할 것이다. 물론, 모듈들(14)은 에너지 블록을 수용하도록 초기에 충분히 방전되어야 한다.

도 15를 참조하면, 예를 들어 서비스국에 적용가능하고 도 4, 도 5, 도 7 및 도 8의 토폴로지들의 순차적 동작의 제한을 극복하는 것을 허용하는 일 실시예가 도시되어 있다: 중요한 국부적 저장량이 요구되므로, 그것을 여러 충전기들(120)(도 12에 도시됨, 그들의 접촉기 모듈들(32, 34)은 원리를 예시하기 위해 외부로 도시됨)로 분할하는 것이 유리하다. 각각의 재충전 노즐(122)은 복수의 접촉기 모듈들(34)을 통해 여러 충전기들(120) 중 하나에 접속될 가능성을 갖는다. 따라서, 그룹 중 하나의 충전기는 재충전에 사용될 수도 있지만, 다른 것들은 회로망(2)에 의해 그들의 국부적 예비품(14)의 충전을 계속 한다. 매번, 상이한 충전기(120)가 자동으로 사용되어, 그들 사이에 전하를 분포시킬 수도 있다. 3-상 회로망(2)의 경우, 선택은 또한 전류의 근사적 균형조절을 고려할 수도 있다.

도 16, 도 17 및 도 18을 참조하면, 전력 디바이스(4)가 지하철 선로들 또는 기차 현수선으로 형성되는 응용에 특히 적합할 수도 있는 충전 시스템의 실시예들이 도시되어 있다. 오로지 간소성을 목적으로, 다음 설명에서는 지하철 선로들을 언급할 것이다. 그러나, 시스템의 실시예들이 이러한 예시로 한정되지는 않음을 이해해야 한다.

특히 도 16을 참조하면, 충전기들(12)이 저전력의 것일 수도 있지만 충전기들(12)이 병렬 버스(124)와 함께 접속되기 때문에 사용된 절연 단들(31)로 인해 (단순한 VSC가 아니라) 보다 복잡할 수도 있는 도 3의 것과 비슷한 다단 충전 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 직렬 루프(126)(도 17에 도시됨)는 충전기들(12)의 토폴로지가 그것을 허용한다면 병렬 버스를 대체할 수도 있다. 도 16의 시스템은, 필요 시, 선로들(4)과 영구적으로 접속된 상태를 유지할 수도 있다.

도 17을 참조하면, 도 5의 것과 비슷하지만 회로망(2)이 없는 다단 충전 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 충전기들(12)은 저전류 2-상한 VSC로 형성될 수도 있다. 변환기들(18)은 고전류 VSC로 형성될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 그들을 접속시키는 직렬 루프(126)는 인덕터(40) 및 접촉기 모듈(32)로 형성된 직렬 배열을 갖는다. 인덕터(28) 및 접촉기 모듈(34)로 형성된 직렬 배열은 변환기 단들(16) 중 하나와 단자(6) 사이에 접속된다. 이 실시예에서, 충전기들(12)을 통한 배터리 모듈들(14)의 균형조절은 지하철의 도착(배터리 모듈들(14)의 재충전) 또는 출발(배터리 모듈들(14)에 저장된 에너지의 회귀)과 동시에 발생할 수 없다. 전술된 균형조절은 전체 전력 배터리 모듈들(14) 사이에서의 교환과 관련된다. 동일한 배터리 모듈(14)의 전지들(60)(도 11에 도시됨) 사이의 매우 저속의 균형조절이 유지된다. 다른 전력 배터리 모듈들(14)로의 버스(64)(도 11에 도시됨)의 연장은 전력 배터리 모듈들(14) 사이에서 적은 전력들을 교환하게 한다.

도 18을 참조하면, 인덕터(40) 및 접촉기 모듈(32)을 포함하는 루프(126) 및 충전기들(12)이 생략된, 도 17의 것의 특정 경우를 나타내는 다단 충전 시스템의 일 실시예가 도시되어 있다. 에너지 내부 저장소 단들(10)의 개별적인 균형조절은 m > 0 (m은 에너지 내부 저장소 단들(10)의 개수를 나타냄)인 경우에 접촉기 모듈들(48)의 몇몇 추가 동작들을 수반한다. m = 0(그리고 이에 따라 n≥2)인 경우, 완전한 균형조절은, 접촉기 모듈들(또는 스위치들)을 동작시킬 필요 없이, 연속적인 방식으로, 심지어 지하철의 출발 또는 정지 동안에도 달성될 수도 있다.

본 발명의 실시예들이 첨부한 도면에 예시되고 전술되었지만, 당업자에게는, 본 발명으로부터 벗어나는 일 없이 수정이 이루어질 수도 있음이 자명할 것이다. 예를 들어, 접촉기 모듈들(32, 34, 36, 42, 48, 50)은 반도체들 또는 희망 시 다른 유형들의 적절한 스위치들에 의해 구현될 수도 있다. n≥2 및 n+m≥4일 때, 그리고 특히 필요한 전압 또는 전력 레벨들이 다수의 단들(10, 16)을 수반할 때, 단들(10, 16)은 전력 디바이스(4)와 에너지를 교환할 조건으로 단들(10 16)의 그룹들을 선택하도록 선택적으로 동작가능한 인덕터들(28, 40) 및 스위치들 또는 접촉기 모듈들(32, 34)을 포함하는 배열들 사이에 접속된 (도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이) 병렬 또는 직렬로 접속된 그룹들(또는 그룹들의 열들)을 형성하도록 분포될 수도 있다.

Claims (19)

1. 전력 디바이스와 에너지를 교환하기 위한 다단 급속 충전 시스템으로서,
   상기 전력 디바이스와의 접속을 위한 단자들;
   단자들 사이에 직렬로 접속된 n개의 변환기 단들 및 m개의 에너지 내부 저장소 단들(n≥1, m≥0 및 n+m≥2); 및
   각각의 변환기 단의 기여도를 제어하고, 이용가능할 때, 상기 전력 디바이스와 에너지를 교환하기 위한 각각의 에너지 내부 저장소 단의 기여도를 제어하는 제어부를 포함하며,
   각각의 변환기 단은, 중간 전력 배터리 모듈 중 적어도 하나 및 전기 공급원으로의 접속부를 포함하는 배열에 연결된 전력 변환기를 갖고, 각각의 에너지 내부 저장소 단은 중간 전력 배터리 모듈을 갖고, 각각의 중간 전력 배터리 모듈은 상기 중간 전력 배터리 모듈의 내부 임피던스들에 의해 야기되는 전압 강하에 관하여 높은 무부하 전압을 특성으로 하고, 각각의 에너지 내부 저장소 단의 상기 중간 전력 배터리 모듈 및 각각의 변환기 단의 전력 변환기는 상기 전력 디바이스와 에너지를 교환하는 조건에 있도록 함께 접속되는, 다단 급속 충전 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   m = 0; 및
   각각의 변환기 단의 배열은 대응하는 중간 전력 배터리 모듈을 포함하며,
   상기 급속 충전 시스템은, 상기 단자들 중 하나와 상기 단들 중 하나 사이에 접속되는 인덕터 및 스위치로 형성된 직렬 배열을 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   m ≥ 1;
   각각의 변환기 단의 배열은 대응하는 중간 전력 배터리 모듈을 포함하며,
   상기 에너지 내부 저장소 단들 중 적어도 하나는, 대응하는 중간 전력 배터리 모듈을 선택적으로 우회, 온 상태 전환, 오프 상태 전환하도록 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 동작가능하게 연결된 접촉기 모듈을 더 구비하고,
   상기 급속 충전 시스템은,
   상기 단자들 중 하나와 상기 단들 중 하나 사이에 접속되는 인덕터 및 스위치로 형성된 직렬 배열을 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 변환기 단들 중 여러 변환기 단들의 배열은 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 연결된 충전기를 더 포함하고,
   상기 급속 충전 시스템은,
   상기 충전기들을 직렬로 접속시키고, 인덕터 및 스위치로 형성된 직렬 배열을 갖는 직렬 루프를 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   m ≥ 1;
   각각의 변환기 단의 배열은 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈, 및 상기 변환기 단들 중 적어도 하나의 경우에는 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 연결된 충전기를 포함하고;
   상기 에너지 내부 저장소 단들 중 적어도 하나는 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 동작가능하게 연결된 접촉기 모듈을 더 구비하여, 상기 대응하는 중간 전력 배터리 및상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 연결된 충전기를 선택적으로 우회, 온 상태 전환, 오프 상태 전환하고,
   상기 급속 충전 시스템은,
   상기 충전기들을 직렬로 접속시키고, 인덕터 및 스위치로 형성된 직렬 배열을 갖는 직렬 루프; 및
   상기 단자들 중 하나와 상기 단들 중 하나 사이에 접속되는 인덕터 및 스위치로 형성된 직렬 배열을 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   m = 0; 및
   각각의 변환기 단의 배열은 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈, 및 상기 변환기 단들 중 여러 개의 경우에는 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 연결된 충전기를 포함하고,
   상기 급속 충전 시스템은,
   상기 단자들 중 하나와 상기 단들 중 하나 사이에 접속된 인덕터; 및
   상기 충전기들을 함께 접속시키는 병렬 버스를 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   m ≥ 1;
   각각의 변환기 단의 배열은 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈, 및 상기 변환기 단들 중 적어도 하나의 경우에는 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 연결된 충전기를 포함하고,
   상기 에너지 내부 저장소 단들 중 적어도 하나는 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 연결된 충전기를 더 가지며,
   상기 급속 충전 시스템은,
   상기 단자들 중 하나와 상기 단들 중 하나 사이에 접속된 인덕터; 및
   상기 충전기들을 함께 접속시키는 병렬 버스를 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   m ≥ 1;
   상기 변환기 단들 중 적어도 하나의 단의 배열은 전기 공급원으로의 접속부를 포함하고;
   상기 에너지 내부 저장소 단들 중 적어도 하나는 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 연결되어 상기 전기 공급원에 접속하는 충전기를 더 갖는, 급속 충전 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   각각의 변환기 단의 전력 변환기는 전압원 변환기를 포함하고,
   상기 급속 충전 시스템은,
   상기 단자들 중 하나와 상기 변환기 단들 중 하나 사이에 접속된 인덕터를 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    각각의 변환기 단 중 적어도 하나의 배열은, 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈과 상기 전기 공급원으로의 접속부 사이에 연결된 충전기 외에도, 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈 및 상기 전기 공급원으로의 접속부를 포함하는, 급속 충전 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    적어도 상기 전기 공급원으로의 접속부에 연결되는 스위치 및 인덕터를 포함하고 상기 충전기들을 직렬로 접속시키는 직렬 배열로 형성된 직렬 루프;
    적어도 상기 단자들에 연결되는 스위치 및 인덕터를 포함하고 각각의 변환기 단의 전력 변환기와 각각의 에너지 내부 저장소 단의 중간 전력 배터리 모듈을 직렬로 접속시키는 직렬 배열로 형성된 직렬 루프; 및
    m≥2일 때, 서로 잇따르는 에너지 내부 저장소 단들 중 적어도 2개 사이에서, 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈들 사이에 접속된 스위치를 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 내부 저장소 단들 중 적어도 하나는, 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈을 선택적으로 우회, 온 상태 전환, 오프 상태 전환하도록 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈에 동작가능하게 연결된 접촉기 모듈을 더 구비하고,
    상기 급속 충전 시스템은,
    적어도 상기 전기 공급원으로의 접속부에 연결되는 스위치 및 인덕터를 포함하고 상기 충전기들을 직렬로 접속시키는 직렬 배열로 형성된 직렬 루프; 및
    적어도 상기 단자들에 연결되는 스위치 및 인덕터를 포함하고 각각의 변환기 단의 전력 변환기와 각각의 에너지 내부 저장소 단의 중간 전력 배터리 모듈을 적용가능할 때 상기 대응하는 접촉기 모듈을 통해 직렬로 접속시키는 직렬 배열로 형성된 직렬 루프를 더 포함하는, 급속 충전 시스템.
13. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 내부 저장소 단들 중 여러 개는 상기 대응하는 중간 전력 배터리 모듈들에 연결된 충전기들을 포함하고;
    상기 제어부는 상기 에너지 내부 저장소 단들의 각각의 충전기의 충전 전력을 개별적으로 변조하는 동작 모드를 갖는, 급속 충전 시스템.
14. 제8항에 있어서,
    상기 전기 공급원은 전기 회로망으로부터 도출되고;
    m≥2; 및
    상기 제어부는 상기 전기 회로망의 전류 설정을 따르기 위해 상기 에너지 내부 저장소 단들의 각각의 충전기를 관리하는 동작 모드를 갖는, 급속 충전 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 흐르는 전류를 판정하는 제어기, 상기 흐르는 전류에 기초하여 전압 표적을 생성하는 전류 제어기, 상기 전압 표적을 구분하는 구분 모듈, 및 상기 구분 모듈에 의해 제공된 상기 전압 표적의 구분에 따라 상기 전기 회로망과 상기 전력 디바이스 사이에 에너지를 이송하는 데 기여하도록 에너지 내부 저장소 단들을 선택하는 선택 모듈을 포함하는, 급속 충전 시스템.
16. 제8항에 있어서,
    상기 전력 디바이스는 상기 단자들에 접속하는 전력 배터리를 포함하며, 상기 전력 배터리의 내부 임피던스들에 의해 야기되는 전압 강하에 관하여 높은 무부하 전압을 특징으로 하는, 급속 충전 시스템.
17. 제1항에 있어서,
    상기 변환기 단들 중 적어도 하나는 상기 대응하는 전력 변환기를 선택적으로 우회, 온 상태 전환 및 오프 상태 전환하도록 동작가능하게 접속된 접촉기 모듈을 포함하는, 급속 충전 시스템.
18. 제1항에 있어서,
    n≥2;
    n+m≥4; 및
    적용가능할 때의 상기 변환기 단들 및 상기 에너지 내부 저장소 단들은, 상기 전력 디바이스와 에너지를 교환하는 조건으로 상기 단들의 그룹을 선택하기 위해 선택적으로 동작가능한 인덕터들 및 스위치들을 포함하는 배열들 사이에 동작가능하게 접속되고 병렬로 또는 직렬로 접속된 그룹들을 형성하도록 분포되는, 급속 충전 시스템.
19. 제1항에 있어서, 각각의 중간 전력 배터리 모듈은 공통 버스에 접속된 플라이백 변환기들에 연결된 기초 전지들의 배열을 포함하며, 상기 플라이백 변환기들은 상기 공통 버스 상에서 전압을 유지하고 상기 공통 버스를 사용한 에너지 이송에 의해 상기 기초 전지들 사이에서의 균형조절을 실행하도록 제어기에 의해 동작가능한, 급속 충전 시스템.

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