KR101249422B1

KR101249422B1 - 직렬-접속된 에너지 저장소들의 전하들을 균등화하기 위한장치 및 방법

Info

Publication number: KR101249422B1
Application number: KR1020077001456A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 볼츠; 마르틴 굇첸베르거; 라이너 크노르; 귄터 루게르트
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2013-04-09
Also published as: JP2008504797A; DE102004031216A1; EP1761988B1; EP1761988A1; CN100468910C; US20090067200A1; DE502005006475D1; US20080278969A1; CN1977438A; WO2006000263A1; KR20070030224A; EP1761987B1; EP1761987A1; CN100511916C; US7800346B2; JP2008504798A; CN1977439A; KR20070031406A; WO2006000471A1

Abstract

본 발명은 에너지 저장소로부터 또는 다른 에너지 소스로부터 에너지를 공급받는 DC/DC 컨버터를 이용한 상기 에너지 저장소의 직렬-접속된 개별 셀들의 전하들을 균등화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 DC/DC 컨버터가 중간 회로 커패시터를 충전하는데, 상기 중간 회로 커패시터의 전압은 DC/AC 컨버터에서 역전되어 이 교류 전압이 AC 버스 라인들 및 결합 변압기들을 통해 정류기에 의해 맥동 직류로 변환되도록 하며 가장 낮은 셀 전압을 갖는 셀이 상기 맥동 직류로 충전되도록 한다.

Description

직렬-접속된 에너지 저장소들의 전하들을 균등화하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR EQUALIZING CHARGES OF SERIES-CONNECTED ENERGY STORES}

본 발명은 예컨대 차량 전기 시스템에 사용되는 것으로서 직렬-접속된 에너지 저장소들, 특히 이중층(double-layer) 커패시터의 직렬-접속된 커패시터들(셀들)의 전하들을 균등화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

이중층 커패시터들은, 예컨대 전기 모터로서 동작하는 통합 스타터-발전기를 통해 내연 엔진의 가속(부스트)을 지원하는 경우에 또는 회생 제동(휴식)시 재생기로서 동작하는 상기 통합 스타터-발전기를 통해 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 경우에, 차량 전기 시스템에서 고전력의 저장 및 단기간 제공을 위한 최상의 기술적 방법임을 스스로 입증해 왔다.

이중층 커패시터의 개별 셀의 최대 전압이 약 2.5V 내지 3.0V로 제한되어 예컨대 60V - 42V 차량 전기 시스템에 사용되는 이중층 커패시터를 위한 통상적인 전압 값 - 의 전압을 위해서는 약 20 내지 25 개의 개별 커패시터들이 직렬로 접속되어 커패시터 스택을 형성해야 한다.

개별 셀들의 서로 다른 자가방전의 결과로서, 커패시터 스택에서는 시간에 따라 전하 불균형이 계속 발생하고, 이는 궁극적으로 전하가 균등화되지 않는 한 상기 이중층 커패시터가 쓸모없도록 만든다.

방전 곡선이 차량에 관련된 몇 주 내지 몇 개월의 기간에 걸쳐 추정될 때, 존재하는 문제점이 명확해진다. 도 1은 18 개의 셀들(커패시터들)을 갖는 이중층 커패시터(커패시터 스택)에 대한 커패시터 전압들의 통상적인 산란 영역(scatter area)을 시간에 따라 보여준다. 도 1에 도시된 (최대와 최소 사이의) 산란 폭은 커패시터 스택 내에서의 자가방전(self-discharging)이 시간에 따라 얼마나 폭넓게 변화할 수 있는지를 보여준다.

그러나, 예컨대 납축전지를 이용한 것으로서, 약간 과충전된 커패시터 스택을 통한 간단한 전하 균등화는 이중층 커패시터로 불가능하다.

공지된 특허 옵션은 별도의 전자부품(작동 가능한 증폭기와 분압기 (R1/R2))을 이용하여 각 개별 셀의 전압을 감시하고, 미리 결정된 최대값(U_ref) 도달시 스위칭 될 수 있는 우회 저항기(R_byp)를 이용하여 심한 방전을 유발하는 것으로 구성된다(도 2). 그러면 상기 셀은 상기 우회 저항기(R_byp)를 통해 스스로 방전되고 상기 셀의 전압(U_c)은 상기 최대값 미만으로 다시 강하한다.

상기 최대값이 미리 결정된 전압값에 미달인 경우, 상기 우회 저항기(R_byp)는 다시 스위치 오프 된다.

이러한 회로는 부동 상태에서 거의 에너지를 소모하지 않지만, 전하 균등화 가 전하 감쇠(우회 저항기(R_byp)에서의 에너지 손실)에 의해 달성된다. 상기 변형예는 비상용 전력 세트들의 전력 공급의 경우와 같이 커패시터 스택이 자신의 최대 전압에 근접하여 주로 작동하는 경우에 유용하게 사용될 수 있다.

그러나, 커패시터 스택으로의 충전 전류가 전하 균등화 회로의 방전 전류보다 작아야만 한다는 개념으로 제한되는데, 왜냐하면 그렇지 않을 경우 모듈 충전시 개별 커패시터들의 과충전이 여전히 방지될 수 없기 때문이다. 그 외에, 균등화 시스템은 외부적으로 스위치 온 될 수 없고, 상기 미리 결정된 임계값의 초과에 의해서만 활성화될 것이다. 그러나, 이는 정확하게, 차량 내에서의 작동 동안에 장기간에 걸쳐 도달되지 않는 상태이다. 이러한 방식으로 설계된 전하 균등화는 장기간에 걸쳐 커패시터 스택의 비대칭성을 유도한다. 이는 시험용 차량에서의 측정들에 의해 이미 검증되었다.

요약하면, 이러한 타입의 회로 장치는 다음의 단점들을 갖는다 :

- 임의 셀이 최대 전압(예컨대 U_c > 2.5V)을 초과하였을 때 더 높은 순위의 작동 제어에 대한 미확정(no confirmation),

- 셀 전압들이 동일 크기이고 그에 따라 커패시터 스택이 균등화 상태인지에 관하여 무반응(no feedback),

- 최대 전압이 초과된 경우에만 균등화가 활성화됨,

- 저항기들의 균등화 과정 동안에 에너지가 열로 변환됨,

- 약 1kA까지의 고전류들에 의해, 예컨대 위에서 기술된 차량의 휴식(회생 제동) 기능에 의해 발생하는 바와 같이, 이러한 방식으로 구조화되는 전하 균등화가 배제된다.

축전지 스택의 각 개별 축전지를 위해 다이오드, 변압기 그리고 인터럽터뿐만 아니라 비교 회로와 (구형파 함수 발생기를 특징으로 하는) 충전 회로의 비교를 제공함으로써, 약하게 충전된 축전지와 다른 축전지들의 그룹 사이의 전하를 균등화하는 것은 EP 0 432 639 B2의 다수의 직렬-접속된 축전지들에서 공지되었다.

블로킹 컨버터 원리에 따른 플라이백 인버터로서 작동하는 이러한 장치에 의해(도 3), 에너지가 전체적으로 스택으로부터 꺼내지고 이어서 가장 많이 방전된 축전지에 공급된다.

이러한 노력은 두 개 또는 세 개의 축전지들에 대해서는 정당화될 수 있으나, 20 개 또는 그 이상의 축전지들/커패시터들의 스택의 경우에는 명백히 너무 크다.

대안적으로, - 추가 배터리와 같은 - 에너지의 다른 소스가 또한 여기서 사용될 수 있으며, 여기서 상기 회로는 추가로 커패시터 스택의 느린 충전을 위해 제공될 수 있다(DE 102 56 704 B3).

이러한 형태의 전하 균등화는 또한 개별 커패시터의 최대 전압 도달과는 무관하게 언제든지 이루어질 수 있으며, 그 결과로 위험한 전하 불균형은 간단히 커패시터 스택에서 형성될 수 없다.

이 경우에만 전하들이 이동한다. 장기간에 걸쳐 에너지는 상기 스택으로부터 제거되거나 열로 변환되지 않는다. 이는, 특히 차량 애플리케이션들에 유용한 개념인데, 왜냐하면 차량이 오랜 기간 동안에 세워져 있은 후에도 안전하게 성공적 인 차량 시동을 보장하기 위해 차량 전기 시스템에 충분한 에너지가 존재함이 틀림없기 때문이다.

그러나 상기 실시예의 단점은 귀선 변압기의 2차 측이 매우 많은 단자들을 요구한다는 것이다. 예컨대 42V 차량 전기 시스템에서 요구되는 것으로서, 예컨대 25개의 개별 셀들을 갖는 커패시터 스택에 대해, 상기 귀선 변압기의 2차 측은 50개의 단자들을 생성한다. 기술적 구현시 이는 상업적으로 이용될 수 없는 특별한 코일 코어가 필요하도록 할 수도 있다. 그 외에, 스택의 셀 개수의 임의적 변화는 변압기의 적응을 요구한다. 그러나, 이는 예상되는데, 그 이유는 이중층 커패시터의 추가적인 기술적 개선에 의해 상기 허용되는 최대 전압이 계속해서 증가하고, 따라서 소정의 모듈 전압을 위해 매우 적은 개별 커패시터들이 필요할 것이기 때문이다.

변압기로부터 커패시터 셀들로의 라인들의 라우팅이 또한 고가인데, 그 이유는 스택의 각 접촉점이 별도로 접속되어야 하기 때문이다. 위의 예시에서, 정류기 다이오드가 변압기에 배치되는 경우 상기 라우팅은 26개의 라인들을 생성한다; 그렇지 않으면 50개의 라인들이 존재한다. 그 외에, 이러한 라인들은 플라이백 컨버터들의 스위칭 과정들로부터의 고주파 전압 펄스들에 의해 악영향을 받고 특별한 EMC 잡음 경감 장치들을 요구한다.

추가 측면은 플라이백 컨버터의 작동을 위한 방법이다. 상업적으로 이용될 수 있는 제어 회로들(스위칭 제어기(집적 회로들))은 거의 고정 스위칭 주파수로만 작동한다. 자기 저장소(저장용 인덕턴스 또는 변압기)의 충전은 클록의 한 위상에서 이루어지고, 방전 또는 출력 회로로의 에너지 전달은 클록의 다른 한 위상에서 이루어진다. 이는 특히, 스위칭된 전류(연속 흐름) 이외에 직류 성분이 전달될 때 유용하다. 상당히 일반적인 개념에서 스위칭 갭, 즉 자기 저장소 요소가 완전히 방전된 상태를 유지하는 기간을 방지하기 위한 시도가 이루어지는데, 그 이유는 그러면 진동 경향성이 점점 일어나고 자기 코어의 저장용 특성들이 최적 방식으로 사용되지 않기 때문이다. 상기 진동의 이유는, 저장용 인덕턴스와 권선 커패시턴스들로 구성된 공진 회로라는 것과 상기 공진 회로가 초기에 스위칭 갭에 의해 여기되고 임의의 저항성 부하에 의해 감쇠(attenuation)되지 않는다는 사실에 있다.

그러나 본 출원에서 연속 모드는 불가능한데, 왜냐하면 각 경우에 완전히 방전되기 전에 자기 저장소의 연속적인 재충전에 의해 코어 물질의 포화가 방지될 수 없을 것이기 때문이다.

본 발명의 목적은, 에너지 저장소의 개별 직렬-접속된 셀들 사이의 전하 균등화를 위한 자가제어 동작이 아주 적은 기술적 노력으로 달성될 수 있도록 하는 단순화된 구조를 갖는 장치를 제공하는 것이다.

따라서 본 발명은 개별 셀들의 전하 균등화를 위한 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법에 의하여 개별 셀들 및 에너지 축전지의 장치의 기능들이 감시될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1의 특징들에 따른 장치와 청구항 12의 특징들에 따라 상기 장치를 작동시키기 위한 방법에 의해 달성된다.

적어도 두 개의 직렬-접속된 에너지 저장소들을 이용함으로써, 저장된 전하들을 균등화하기 위해 필요한 에너지는 각 경우에 교류 버스를 통해 에너지 저장소에 공급되며, 그 동안에 가장 낮은 전압 강하가 존재한다.

본 발명의 유용한 개선예들은 종속항들에서 다루어질 수 있다.

이중층 커패시터들의 접속 및 잠재적 분리는 변압기들을 통해 이루어진다.

버스 시스템은 설치가 더 간단한 문제가 되도록 한다. 개별 에너지 저장소들은 하나 또는 두 개의 버스 라인들을 통해 공급받는다. 아주 소수의 저렴한 구성요소들만이 회로를 위해 요구된다. 이러한 경우에 필수적 표준 구성요소들이 사용된다.

균등화 과정은 임의의 시점에 활성화될 수 있다. 상기 활성화는 예컨대 제어 유닛에 의해 이루어질 수 있는데, 상기 제어 유닛은 차량, 특히 내연 엔진 및/또는 스타터-발전기의 작동 파라미터들에 기초하여 활성화 시점을 정의한다.

커패시터 스택은 균등화 회로를 통해 재충전될 수 있다. 이러한 방식으로, 텅빈 에너지 저장소들의 직렬 회로는 추가 에너지 저장소로부터 재충전될 수 있고 따라서 예컨대 장기간 세워졌던 차량은 다시 출발하도록 인에이블링(enabling)될 수 있다.

전체 시스템은 간단히 확대되고 그에 따라 쉽게 확장(scalable)될 수 있다.

회로 장치는 직렬-접속된 에너지 저장소들의 스택으로의 통합 및/또는 개별 셀들 또는 전체 에너지 저장소의 하우징에서의 통합에 특히 적합하다.

슈퍼캡(supercap)들 또는 울트라캡(ultracap)들로도 불리는 이중층 커패시터들은 에너지 저장소로서 특히 여기에서 사용되기에 적합하다.

본 발명에 따른 실시예들은 개략적인 도면을 참조하여 아래에 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 시간에 따라 이중층 커패시터의 서로 다른 셀들의 커패시터 전압들에 대한 곡선을 나타낸 도면,

도 2는 에너지 저장소들을 위해 에너지 균등화를 달성하기 위한 공지의 회로 장치에 대한 도면,

도 3은 에너지 저장소들을 위해 전하 균등화를 달성하기 위한 공지의 다른 회로 장치에 대한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 전하 균등화 회로의 블록도,

도 5는 전하 균등화 회로의 제1 예시적 실시예에 대한 도면,

도 6은 전하 균등화 회로의 제2 예시적 실시예에 대한 도면, 및

도 7은 전하 균등화 회로의 제3 예시적 실시예에 대한 도면.

도 1 내지 도 3은 위에서 이미 설명되었다.

본 발명에 따른 에너지 저장소들의 전하 균등화를 위한 기본 회로의 블록도가 도 4에 도시된다. 직류는 제1 컨버터(DC/DC 컨버터(1))에 의해 생성된다. 상기 직류는 예컨대 50 kHz의 펄스 주파수를 갖는 제2 컨버터(DC/AC 컨버터(2))를 통해 교류로 변환되고, 상기 교류는 AC 버스(4)에 인가된다. 여기서, 도체들(케이블들, 구리 바들 등)의 시스템이 버스로서 언급된다.

이중층 커패시터(DLC)의 직렬-접속된 셀들(Z₁ 내지 Z_n)은 결합 변압기(Tr)와 정류기(3)를 통해 각각 상기 버스(4)에 접속된다. 상기 결합 변압기들은 잠재적 분리와 에너지 전달을 위해 사용된다.

도 5는 에너지 저장소들(셀들)의 전하 균등화를 위한 본 발명의 회로 장치에 대한 제1 예시적 실시예를 나타낸다. 이중층 커패시터(DLC)의 개별 셀들(Z₁ 내지 Z_n)의 직렬 회로를 통해 강하하는 전압(U_DLC)은 제1 스위치(S1)를 통해 DC/DC 컨버터(1), 예컨대 전류조절형 스텝-다운 컨버터에 공급된다. 추가로 또는 대안으로서, 에너지 소스, 예컨대 축전지(B)는 제2 스위치(S2)를 통해 DC/DC 컨버터(1)에 접속될 수 있다.

DC/DC 컨버터(1)는 DC/AC 컨버터(2)의 입력부에 전기 접속되는데, 상기 DC/AC 컨버터(2)는 중간 회로 커패시터(C_Z) 그리고 제1 및 제2 트랜지스터들(T1-T2) 또는 제3 및 제4 트랜지스터들(T3-T4)로 구성되는 두 개의 하프 브릿지들을 갖는 풀 브릿지 회로를 특징으로 하며, 상기 풀 브릿지 회로의 출력부들은 각 경우에 버스 라인(4.1, 4.2)을 통해 트랜지스터들(T1-T2 또는 T3-T4)의 접속 지점들에 접속된다. 각 버스 라인들은 자신에게 할당된 하프 브릿지를 통해 에너지를 공급받는다.

각 셀(Z₁ 내지 Z_n)은,

a) 결합 변압기(Tr₁ 내지 Tr_n)에 각각 할당되고, 상기 결합 변압기(Tr₁ 내지 Tr_n)의 1차 권선은 두 개의 출력 라인들(4.1 및 4.2) 사이에 위치한다.

b) 정류기 회로(3)에 할당되고, 상기 정류기 회로(3)는 상기 할당된 결합 변압기의 2차 권선과 셀 자체의 사이에 위치한다.

이는, 셀(Z_x, x는 1 내지 n)을 위해 통상적으로,

결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선의 제1 단자가 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_xa)를 통해 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 셀(Z_x)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_xb)를 통해 셀(Z_x)의 음극에 접속되고, 그리고

결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선의 제2 단자가 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_xc)를 통해 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 셀(Z_x)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_xd)를 통해 셀(Z_x)의 음극에 접속됨을 의미한다.

따라서, 네 개의 정류기 다이오드들(D_xa 내지 D_xd)은 각각 브릿지 정류기를 형성한다.

DC/AC 컨버터(2)는 예컨대 50 kHz의 펄스 주파수로 동작한다. 제어 옵션들이 제약받도록 결합 변압기들이 순차적으로 사용되므로, AC 버스를 통과하는 직류 자유 신호가 보장되어야 한다.

AC 출력 라인들(4.1, 4.2)의 제어를 위해, 교류는 결합 변압기들의 제2 면에 서 나타난다. 상기 교류가 가장 낮은 셀 전압들과 두 다이오드 순방향 전압들을 갖는 이러한 셀들(Z_x)의 셀 전압들(U_zx)의 총합에 도달한 경우, 맥동 DC 전압에 대하여 연이은 정류기 회로(3)에 의해 정류가 이루어지고 상기 정류는 상기 셀에서의 전류 흐름을 유도한다. 모든 다른 셀들은 셀 전압에 따라 상기에 의해 영향받지 않거나 또는 셀 전압(U_zx)에 따라 상기에 의해 최소의 영향만을 받는다.

가장 낮은 셀 전압(U_zx)을 갖는 셀(U_zx)이 충전되도록 하는 에너지는 중간 회로 커패시터(C_z)로부터 제공되는데, 상기 중간 회로 커패시터(C_z)는 한편으론 상기 부하로 그리고 다른 한편으론 요구되는 전압에 대한 일정 재충전을 통해 자동 설정된다.

낮은 산란(scattering)을 갖는 변압기들과 낮은 온-상태 전압을 갖는 다이오드들이 특히 적합함이 증명된다.

구형파 신호에 의해 활성화된 DC/AC 컨버터(2)의 두 개의 하프 브릿지들은 위상-반대로 작동한다, 즉 트랜지스터들(T1 및 T4)이 제1 위상에서 전류를 전달하는 경우 트랜지스터들(T2 및 T3)은 비-전도성이 되고; 제2 위상에서 상기 상황은 반전된다 : 여기서 트랜지스터들(T2 및 T3)이 전도하는 반면에 트랜지스터들(T1 및 T4)은 전도하지 않는다.

DC/DC 컨버터(1)를 통해, 에너지는 직렬-접속된 개별 셀들(Z_x)로 구성된 전체 커패시터 스택으로부터, 즉 이중층 커패시터(DLC)로부터 취해진다. 옵션으로서 또는 추가로, 에너지는 추가 스위치(S2)를 통해 상기 시스템에 공급될 수도 있다.

제1 위상에서, 전류는 중간 회로 커패시터(C_z)로부터 트랜지스터(T1)와 버스 라인(4.1)을 통해 결합 변압기(Tr_x)의 1차 권선으로 흐르고 버스 라인(4.2)과 트랜지스터(T4)를 통해 중간 회로 커패시터(C_z)로 되돌아 흐른다.

제2 위상에서, 전류는 중간 회로 커패시터(C_z)로부터 트랜지스터(T3)와 버스 라인(4.2)을 통해 결합 변압기(Tr_x)의 1차 권선으로 흐르고(이제는 반대 방향임) 버스 라인(4.1)과 트랜지스터(T2)를 통해 중간 회로 커패시터(C_z)로 되돌아 흐른다.

1차 권선들의 제어는 모든 결합 변압기들(Tr₁ 내지 Tr_n)의 2차 권선들에서의 전압이 적어도 충전된 셀(Z_x)의 셀 전압과 두 다이오드 전압들의 합에 상응하기 전까지 증가하게 한다.
제1 위상에서, 상기 전압은 셀(Z_x)을 충전하는 전류가 2차 권선의 제1 단자로부터 적어도 충전된 셀(Z_x)의 다이오드(D_xa)와 다이오드(D_xd)를 통해 2차 권선의 제2 단자로 되돌아 흐르게 한다.

삭제

제2 위상에서, 이제 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선에서의 동일 크기의 상기 반전된 전압은 전류가 2차 권선의 제2 단자로부터 다이오드(D_xc), 셀(Z_x), 다이오드(D_xb)를 통해 2차 권선의 제1 단자로 되돌아 흐르게 하며, 또한 상기 전류는 셀(Z_x)을 충전한다.

이는, 가장 많이 방전된 셀(Z_x)에 대한 매우 효율적인 재충전을 달성한다.

상기 셀은 상기 셀의 셀 전압이 다음으로 높은 다른 셀의 셀 전압에 도달되는 만큼의 시간 전까지 충전된다. 그런 다음 맥동 직류는 모든 셀들이 동일한 셀 전압을 갖게 되기 전까지 이러한 두 개의 셀들 등을 통해 흐른다.

도 6은 에너지 저장소들(셀들)의 전하 균등화를 위한 본 발명의 회로 장치에 대한 제2 예시적 실시예를 나타낸다.

상기 제2 예시적 실시예는 단지 - 서로 직렬로 위치된- 두 개의 인접 셀들이 2차 권선을 갖는 결합 변압기에 할당된다는 점에서만 도 5에 도시된 제1 예시적 실시예와 상이하다.

두 개의 인접 셀들(Z_x, Z_x+1)을 위하여 상기 할당된 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선의 제1 단자는 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_x)를 통해 상기 한 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 셀(Z_x ₊₁)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_x ₊₁)를 통해 상기 다른 한 셀(Z_x ₊₁)의 음극에 접속된다. 2차 권선의 제2 단자는 두 개의 셀들(Z_x, Z_x+1)의 접속점에 직접 접속된다.

결합 변압기들의 1차 권선들은 도 5에 대한 예시적 실시예를 위해 이미 기술된 바와 같은 방식으로 제어된다.

제1 위상에서, 도 5에 따른 예시적 실시예에서 기술된 바와 같이, 결합 변압 기(Tr_x)의 2차 권선에서의 전압은 상기 전압이 가장 낮은 셀 전압(U_zx)을 갖는 셀(Z_x)의 셀 전압(U_zx)과 다이오드 전압의 합에 상응하기 전까지 증가한다.

상기 전압은 셀(Z_x)을 충전하는 전류가 2차 권선의 제1 단자로부터 다이오드(D_x), 셀(Z_x)을 통해 2차 권선의 제2 단자에 되돌아 흐르게 한다.

다른 한 위상에서, 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선에서의 상기 반전된 전압은 셀(Z_x+1)의 셀 전압이 셀 전압(U_zx)에 상응하는 경우 셀(Z_x+1)을 또한 충전하는 전류가 2차 권선의 제2 단자로부터 셀(Z_x+1), 다이오드(D_x+1)를 통해 2차 권선의 제1 단자에 되돌아 흐르게 한다. 셀 전압(U_zx+1)이 더 높을 경우, 상기 셀(Z_x+1)을 통해서는 어떠한 전류도 흐를 수 없다.

셀(Z_x)은 상기 셀(Z_x)의 셀 전압이 다음으로 높은 다른 셀의 셀 전압에 도달하는 만큼의 시간 전까지 충전된다. 그런 다음 맥동 직류는 상기 두 개의 셀들 등을 통해 모든 셀들이 동일한 셀 전압을 갖게 되기 전까지 흐른다.

도 7은 에너지 저장소의 전하 균등화를 위한 본 발명의 회로 장치에 대한 제3 예시적 실시예를 나타낸다.

상기 제3 예시적 실시예는 두 개의 2차 권선들을 갖는 결합 변압기들과 중앙 탭이 사용된다는 점에서 도 6에 도시된 제2 예시적 실시예와 상이하고, 각 2차 권선은 임의 셀에 할당된다.

두 개의 인접 셀들(Z_x, Z_x+1)을 위하여 상기 할당된 결합 변압기(Tr_x)의 제1의 2차 권선의 제1 단자는,

a) 전류를 제1 셀에 보내는 제1 다이오드(D_xa)를 통해 제1 셀(Z_x)의 양극에 접속되고, 및

b) 전류를 제2 셀(Z_x+1)로부터 내보내는 제2 다이오드(D_xb)를 통해 제2 셀(Z_x+1)의 음극에 접속되고, 및 상기 할당된 결합 변압기(Tr_x)의 제2의 2차 권선의 제2 단자는

c) 전류를 제1 셀(Z_x)에 보내는 제3 다이오드(D_xc)를 통해 제1 셀(Z_x)의 양극에 접속되고, 그리고

d) 전류를 제2 셀(Z_x+1)로부터 내보내는 제4 다이오드(D_xd)를 통해 제2 셀(Z_x+1)의 음극에 접속된다.

두 개의 2차 권선들의 중앙 탭, 즉 제1의 2차 권선의 제2 단자와 제2의 2차 권선의 제1 단자는 두 개의 셀들(Z_x, Z_x+1)의 접속점에 직접 접속된다.

결합 변압기들의 1차 권선들은 도 5에 따른 예시적 실시예를 위해 이미 기술된 바와 같은 방식으로 제어된다.

제1 위상에서, 앞서 이미 언급된 바와 같이, 결합 변압기들(Tr_x)의 2차 권선들에서의 전압은 상기 전압이 가장 낮은 셀 전압(U_zx)을 갖는 셀(Z_x)의 셀 전압(U_zx) 과 다이오드 순방향 전압의 합에 상응하기 전까지 증가한다.

상기 전압은 제1 셀(Z_x)을 충전하는 전류가 제1 셀에 할당된 2차 권선의 제1 단자로부터 제1 다이오드(D_xa), 제1 셀(Z_x)을 통해 중앙 탭에 되돌아 흐르게 한다.

가정된 바와 같이, 제2 셀(Z_x ₊₁)이 제1 셀(Z_x)보다 더 높은 셀 전압(U_zx ₊₁)을 가지므로, 제1 위상에서는 어떠한 전류도 셀(Z_x ₊₁)을 통해 흐를 수 없다.

그러나, 제2 셀(Z_x ₊₁)의 셀 전압(U_zx ₊₁)이 제1 셀(Z_x)의 셀 전압과 동일한 경우, 그러면 제1 위상에서는 전류가 중앙 탭으로부터 제2 셀(Z_x ₊₁)과 제2 다이오드(D_xb)를 통해 제2의 2차 권선의 제2 단자에 되돌아 흐른다.

제2 위상에서, 이제 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선들에서의 상기 반전된 전압은 셀(Z_x)을 또한 충전하는 전류가 제2의 2차 권선의 제2 단자로부터 제3 다이오드(D_xc), 제1 셀(Z_x)을 통해 제2의 2차 권선의 제1 단자에 되돌아 흐르게 한다.

셀(Z_x+1)이 셀(Z_x)보다 더 높은 셀 전압(U_zx+1)을 가지기 때문에, 다른 한 위상에서는 어떠한 전류도 셀(Z_x+1)을 통해 흐를 수 없다.

그러나, 제2 셀(Z_x ₊₁)의 셀 전압(U_zx ₊₁)이 제1 셀(Z_x)의 셀 전압만큼 낮을 경 우, 제2 위상에서는 전류가 또한 중앙 탭으로부터 제2 셀(Z_x ₊₁)과 제4 다이오드(D_xd)를 통해 제1의 2차 권선의 제1 단자에 되돌아 흐른다.

셀(Z_x)은 상기 셀(Z_x)의 셀 전압이 다음으로 높은 다른 셀의 셀 전압에 도달하는 만큼의 시간 전까지 충전된다. 그러면 맥동 직류는 상기 두 개의 셀들 등을 통해 모든 셀들이 동일한 셀 전압을 갖게 되기 전까지 흐른다.

세 개의 예시적 실시예들의 모든 회로들은 복잡하면서 고가의 어떠한 개별 구성요소들도 요구하지 않는다.

AC 버스 라인들(4.1 및 4.2)의 구조는 시스템을 위한 간단한 확대 설비들을 제공한다. 추가 에너지 저장소들이 쉽게 상기 버스에 접속될 수 있다.

본 발명의 전하 균등화 회로는 또한 다른 에너지 저장소들, 예컨대 직렬-접속된 축전지들의 전하 균등화를 위해서도 사용될 수 있다.

상기 회로 장치(DLC, 정류기 다이오드들, 결합 커패시터들 및 출력 라인들)는 개별 셀들을 위한 하우징에 사용될 수도 있고 모든 셀들에 공통적인 하우징에 통합될 수도 있다. 이러한 방식으로, 단지 세 개 또는 네 개의 단자들만을 갖는 밀집형 유닛이 조립될 수 있다.

Claims

에너지 저장소(DLC)의 직렬 배열된 개별 셀들(Z_x)의 전하 균등화를 위한 장치로서,

제1 스위치(S1)를 통해 상기 에너지 저장소(DLC)의 양극(positive terminal)에 접속된 DC/DC 컨버터(1)가 제공되고,

상기 DC/DC 컨버터(1)로부터의 다운스트림에 접속된 DC/AC 컨버터(2)가 제공되고, 상기 DC/AC 컨버터(2)는 중간 회로 커패시터(C_z)와 브릿지 회로(T1 내지 T4)를 포함하고,

상기 DC/AC 컨버터(2)로부터의 다운스트림에 접속된 두 개의 AC 버스 라인들(4.1, 4.2)이 제공되고, 그리고

하나 또는 두 개의 인접 셀들(Z_x, Z_x+1, x는 1 내지 n) 각각과 상기 AC 버스 라인들(4.1, 4.2) 사이에서, 하나 또는 두 개의 2차 권선들을 갖는 결합 변압기(Tr_x)와 정류기(3)가 배열되며, 각 결합 변압기(Tr_x)의 1차 권선은 상기 두 개의 AC 버스 라인들(4.1, 4.2) 사이에 배열되는,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 에너지 저장소(DLC)는 이중층 커패시터인,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 에너지 저장소(DLC)는 축전지들의 직렬 회로로 구성되는,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 DC/DC 컨버터(1)는 제2 스위치(S2)를 통해서 추가적인 에너지 소스(B)에 접속되는,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 DC/DC 컨버터(1)는 전류조절형 스텝-다운 컨버터(current-regulated step-down converter)인,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 DC/AC 컨버터(2)의 브릿지 회로는 다상 회로로서 구현되고, 각 위상은 직렬로 배열된 두 개의 트랜지스터들(T1-T2, T3-T4)로 구성된 하프 브릿지로서 배열되며, 상기 하프 브릿지는 상기 중간 회로 커패시터(C_z)에 병렬로 배열되는,

전하 균등화 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 DC/AC 컨버터(2)의 상기 브릿지 회로는 자가-클록(self-clocked)되는,

전하 균등화 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 에너지 저장소(DLC)의 각 셀(Z_x)은 2차 권선을 갖는 결합 변압기(Tr_x)에 할당되고, 상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선과 상기 셀(Z_x) 사이에 배열된 상기 정류기(3)는,

상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선의 제1 단자가 상기 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_xa)를 통해 상기 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 상기 셀(Z_x)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_xb)를 통해 상기 셀(Z_x)의 음극에 접속되며,

상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선의 제2 단자가 상기 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_xc)를 통해 상기 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 상기 셀(Z_x)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_xd)를 통해 상기 셀(Z_x)의 음극에 접속되도록 구현되는,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 있어서,

2차 권선을 갖는 결합 변압기(Tr_x)는 각 경우에 상기 에너지 저장소(DLC)의 두 개의 인접 셀들(Z_x, Z_x+1)에 할당되고, 상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선과 상기 셀들(Z_x, Z_x+1) 사이에 배열된 정류기(3)는,

상기 할당된 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선의 제1 단자가 하나의 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_x)를 통해 상기 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 다른 셀(Z_x+1)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_x+1)를 통해 상기 다른 셀(Z_x+1)의 음극에 접속되며,

상기 2차 권선의 제2 단자가 상기 두 셀들(Z_x, Z_x+1)의 접속점에 직접 접속되도록 구현되는,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 있어서,

두 개의 2차 권선들 및 하나의 중앙 탭을 갖는 결합 변압기(Tr_x)는 각 경우에 상기 에너지 저장소(DLC)의 두 개의 인접 셀들(Z_x, Z_x+1)에 할당되고, 상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 권선들과 상기 셀들(Z_x, Z_x+1) 사이에 배열된 정류기(3)는,

상기 할당된 결합 변압기(Tr_x)의 제1의 2차 권선의 제1 단자가 제1 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_xa)를 통해 상기 제1 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 제2 셀(Z_x+1)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_xb)를 통해 상기 제2 셀(Z_x+1)의 음극에 접속되며,

상기 할당된 결합 변압기(Tr_x)의 제2의 2차 권선의 제2 단자가 상기 제1 셀(Z_x)에 전류를 보내는 다이오드(D_xc)를 통해 상기 제1 셀(Z_x)의 양극에 접속되고 상기 제2 셀(Z_x+1)로부터 전류를 내보내는 다이오드(D_xd)를 통해 상기 제2 셀(Z_x+1)의 음극에 접속되며,

상기 두 개의 2차 권선들의 상기 중앙 탭이 상기 두 셀들(Z_x, Z_x+1)의 접속점에 직접 접속되도록 구현되는,

전하 균등화 장치.
제 1 항에 따른 전하 균등화 장치를 작동시키기 위한 방법으로서,

상기 에너지 저장소(DLC) 또는 추가적인 에너지 소스(B)에 의해 전원을 공급받는 상기 DC/DC 컨버터(1)는 상기 셀들(Z_x)을 충전하기 위해 상기 컨버터에서 전압(U_cz)이 형성(build up)되도록 하는 상기 중간 회로 커패시터(C_z)에 전류를 전달하고,

상기 DC/AC 컨버터(2)는 상기 전압(U_cz)을 인버팅하여 상기 AC 버스 라인들(4.1, 4.2)을 통해 상기 결합 변압기들(Tr_x)의 2차 측에 전달하고, 그리고

가장 낮은 셀 전압을 갖는 셀(Z_x)의 셀 전압(U_zx)과 하나 또는 두 개의 다이오드 순방향 전압들의 합에 상응하는 값에 도달하자마자, 2차 교류 전류는 상기 정류기(3)의 다이오드들(D_xa 내지 D_xd, D_x, D_x+1, 상기 x는 1 내지 n)에 의해 가장 낮은 셀 전압(U_zx)을 갖는 셀(Z_x)을 위해 정류된, 펄싱 충전 전류로 변환되는,

전하 균등화 장치 작동 방법.
제 1 항 또는 제 9 항에 따른 장치를 작동시키기 위한 제 12 항에 있어서,

각 셀(Z_x)이 2차 권선을 갖는 결합 변압기(Tr_x)에 할당되고,

상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 전압은,

제1 위상에서, 충전 전류가 2차 권선의 제1 단자로부터 제1 다이오드(D_xa), 가장 낮은 셀 전압(U_zx)을 갖는 셀(Z_x), 제4 다이오드(D_xd)를 통해 상기 2차 권선의 제2 단자에 되돌아 오게 하고, 그리고

제2 위상에서, 충전 전류가 상기 2차 권선의 제2 단자로부터 제3 다이오드(D_xc), 상기 셀(Z_x), 제2 다이오드(D_xb)를 통해 상기 2차 권선의 제1 단자에 되돌아 오게 하는,

전하 균등화 장치 작동 방법.
제 1 항 또는 제 10 항에 따른 장치를 작동시키기 위한 제 12 항에 있어서,

2차 권선을 갖는 결합 변압기(Tr_x)가 각 경우에 두 개의 인접 셀들(Z_x, Z_x+1)에 할당되고,

상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 전압은 제1 위상에서, 전류가 제1의 2차 권선의 제1 단자로부터 제1 다이오드(D_x), 가장 낮은 셀 전압(U_zx)을 갖는 제1 셀(Z_x)을 통해 상기 2차 권선의 제2 단자에 되돌아 흐르게 하고,

제2 위상에서는, 어떠한 전류 흐름도 야기되지 않는,

전하 균등화 장치 작동 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 두 셀 전압들(U_zx, U_zx+1)이 동일하면, 제2 위상에서 결합 변압기(Tr_x)의 2차 전압은 전류가 상기 2차 권선의 제2 단자로부터 제2 셀(Z_x+1)과 제2 다이오드(D_x+1)를 통해 상기 2차 권선의 제1 단자에 되돌아 흐르게 하는,

전하 균등화 장치 작동 방법.
제 1 항 또는 제 11 항에 따른 장치를 작동시키기 위한 제 12 항에 있어서,

두 개의 2차 권선들 및 하나의 중앙 탭을 갖는 결합 변압기(Tr_x)가 각 경우에 두 개의 인접 셀들(Z_x, Z_x+1)에 할당되고,

상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 전압은,

제1 위상에서, 전류가 제1의 2차 권선의 제1 단자로부터 제1 다이오드(D_xa), 가장 낮은 셀 전압(U_zx)을 갖는 제1 셀(Z_x)을 통해 상기 중앙 탭에 되돌아 흐르게 하고, 그리고

제2 위상에서, 전류가 제2의 2차 권선의 제2 단자로부터 제3 다이오드(D_xc), 제1 셀(Z_x)을 통해 상기 중앙 탭에 되돌아 흐르게 하는,

전하 균등화 장치 작동 방법.
제 16 항에 있어서,

상기 두 셀 전압들(U_zx, U_zx+1)이 동일하면, 상기 결합 변압기(Tr_x)의 2차 전압은,

제1 위상에서 또한, 전류가 상기 중앙 탭으로부터 제2 셀(Z_x+1)과 제2 다이오드(D_xb)를 통해 제2의 2차 권선의 제2 단자에 되돌아 흐르게 하고, 그리고

제2 위상에서 또한, 전류가 상기 중앙 탭으로부터 제2 셀(Z_x+1)과 제4 다이오드(D_xd)를 통해 제1의 2차 권선의 제1 단자에 되돌아 흐르게 하는,

전하 균등화 장치 작동 방법.