KR101698401B1

KR101698401B1 - 냉각 부재를 포함하는 에너지 저장 장치, 및 에너지 저장 셀의 냉각 방법

Info

Publication number: KR101698401B1
Application number: KR1020147030282A
Authority: KR
Inventors: 엑카르트 라일렌; 옌스 슈나이더; 안네 호이브너; 한스-외르그 볼프
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하; 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2017-01-20
Also published as: WO2013143847A2; WO2013143847A3; DE102012205109A1; KR20150000493A; US20150123481A1; CN104205558B; CN104205558A; DE102012205109B4; US9793710B2

Abstract

본 발명은 전기 기계를 위한 공급 전압을 생성하기 위한 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 상기 에너지 저장 장치는, 서로 병렬 연결되고 각각 복수의 직렬 연결된 제1 및 제2 에너지 저장 모듈을 구비하는 적어도 하나의 에너지 공급 분기를 포함한다. 제1 및 제2 에너지 저장 모듈들 각각은, 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 구비한 에너지 저장 셀 모듈과, 선택적으로 에너지 저장 셀 모듈을 각각의 에너지 공급 분기로 스위칭하거나, 또는 상기 에너지 저장 셀 모듈을 브리지하도록 구성되는 커플링 장치를 포함하고, 제2 에너지 저장 모듈들 각각은 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 위한 냉각 부재를 더 포함하며, 냉각 부재는 냉각 제어 장치의 제어 신호에 따라서 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 냉각하도록 구성된다.

Description

냉각 부재를 포함하는 에너지 저장 장치, 및 에너지 저장 셀의 냉각 방법{Energy storing device with cooling elements, and method for cooling energy storing cells}

본 발명은 냉각 부재들을 포함하는 에너지 저장 장치 및 에너지 저장 셀의 냉각 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전기 기계를 위한 공급 전압을 생성하기 위한 배터리 직접 인버터 회로(battery direct-inverter circuit), 및 전기 작동되는 차량의 비상 작동 모드를 위해 에너지 저장 장치의 특수화된 에너지 저장 셀들을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다.

향후에는 예컨대 풍력 발전 설비 또는 태양광 발전 설비와 같은 고정식 적용 분야에서 뿐만 아니라, 하이브리드 또는 전기 자동차와 같은 차량에서도 점점 더 전기 구동 기술과 새로운 에너지 저장 기술을 조합하는 전자 시스템이 이용될 것이라는 전망이 두드러지고 있다.

전기 기계로 3상 전류의 공급을 위해, 통상적으로, 펄스 폭 변조 인버터 형태의 인버터를 통해, 직류 전압 중간 회로로부터 공급되는 직류 전압이 3상 교류 전압으로 변환된다. 직류 전압 중간 회로는 직렬 연결된 배터리 모듈들로 이루어진 스트링으로부터 전력을 공급받는다. 각각의 적용 분야를 위해 정해진 출력 및 에너지에 대한 요건을 충족할 수 있도록 하기 위해, 일반적으로 구동 배터리 내의 복수의 배터리 모듈은 직렬 연결된다. 상기 유형의 에너지 저장 시스템은 예컨대 전기 작동되는 차량에서 이용된다.

복수의 배터리 모듈의 직렬 회로는, 하나의 배터리 모듈이 고장날 경우, 전체 스트링에도 고장이 난다는 문제를 초래한다. 에너지 공급 라인의 상기 고장은 전체 시스템의 고장을 야기할 수 있다. 그 밖에도, 하나의 배터리 모듈에서 일시적으로, 또는 영구적으로 발생하는 출력 감소는 전체 에너지 공급 라인 내 출력 감소를 야기할 수도 있다.

미국 공보 US 5,642,275 A1에는, 인버터 기능이 통합된 배터리 시스템이 기재되어 있다. 상기 유형의 시스템들은 멀티레벨 캐스케이드 인버터(Multilevel Cascaded Inverter) 또는 배터리 직접 인버터(BDI, Battery Direct Inverter)의 명칭으로 공지되었다. 상기 시스템들은 복수의 에너지 저장 모듈 스트링 내에 직류 전류원들을 포함하며, 이 직류 전류원들은 전기 기계 또는 전기 회로망에 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 단상 또는 다상 공급 전압들이 생성될 수 있다. 이 경우, 에너지 저장 모듈 스트링들은 복수의 직렬 연결된 에너지 저장 모듈을 포함하고, 각각의 에너지 저장 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀과 이에 할당되고 제어 가능한 커플링 유닛을 포함하고, 커플링 유닛은 제어 신호들에 따라서 각각의 에너지 저장 모듈 스트링을 차단하거나, 또는 각각 할당된 적어도 하나의 배터리 셀을 브리지하거나, 또는 각각의 에너지 저장 모듈 스트링 내로 각각 할당된 적어도 하나의 배터리 셀을 스위칭하는 것을 허용한다. 예컨대 펄스 폭 변조를 이용한 커플링 유닛들의 적절한 제어를 통해, 위상 출력 전압을 제어하기 위한 적합한 위상 신호들도 공급될 수 있으며, 그럼으로써 별도의 펄스 폭 변조 인버터는 생략될 수 있다. 그에 따라, 위상 출력 전압의 제어를 위해 필요한 펄스 폭 변조 인버터는 배터리 내에 통합된다.

대체되는 방식으로, 독일 공보들 DE 10 2010 027 857 A1 및 DE 10 2010 027 861 A1은, 커플링 유닛들의 적합한 제어를 통해, 직렬 연결된 배터리 셀들로 이루어진 스트링 내에 선택적으로 접속 또는 분리될 수 있는 에너지 저장 장치들 내에 모듈러 방식으로 연결된 배터리 셀들을 개시하고 있다. 상기 유형의 시스템들은 배터리 직접 컨버터(BDC, Battery Direct Converter)의 명칭으로 공지되었다. 상기 시스템들은 하나의 에너지 저장 모듈 스트링 내에 직류 전류원들을 포함하며, 이 직류 전류원들은 전기 기계 또는 전기 회로망에 전기 에너지 공급을 위한 직류 전압 중간 회로에 펄스 폭 변조 인버터를 통해 연결될 수 있다.

그 외에, 에너지 저장 모듈 스트링은 복수의 직렬 연결된 에너지 저장 모듈을 포함하며, 각각의 에너지 저장 모듈은 적어도 하나의 배터리 셀과 이에 할당되고 제어 가능한 커플링 유닛을 포함하고, 커플링 유닛은 제어 신호들에 따라서 각각 할당된 적어도 하나의 배터리 셀을 브리지하거나, 또는 각각의 에너지 저장 모듈 스트링 내로 각각 할당된 적어도 하나의 배터리 셀을 스위칭하는 것을 허용한다. 선택에 따라, 커플링 유닛은, 각각의 에너지 저장 모듈 스트링 내로 역극성으로도 각각 할당된 적어도 하나의 배터리 셀을 스위칭하거나, 또는 각각의 에너지 저장 모듈 스트링을 차단하는 것을 추가로 허용하는 방식으로 형성될 수 있다.

BDC들뿐만 아니라 BDI들은 통상적으로 종래의 시스템들에 비해 더 높은 효율성 및 더 높은 고장 안전성을 보유한다. 고장 안전성은 특히, 결함이 있거나, 고장이 났거나, 완전히 효율적이지 않은 배터리 셀들이 커플링 유닛들의 적합한 브리지 제어를 통해 에너지 공급 라인들로부터 분리될 수 있는 것을 통해 보장된다.

전기 작동되는 차량에서 상기 유형의 시스템들을 이용할 때, 각각의 에너지 저장 모듈들의 배터리 셀들 및/또는 그 기타 컴포넌트들이 과열되어 에너지 저장 장치의 손상이 발생하는 사항이 나타날 수 있다. 이를 방지하기 위해, 통상적으로, 에너지 저장 장치의 안전성 및 작동 신뢰성을 위해 비임계 범위에서 에너지 저장 장치의 온도를 유지하는 조치들이 이용된다. 따라서 모듈러 방식으로 구성된 에너지 저장 장치의 온도 조절을 실현하기 위한 효율적이고 비용이 적게 들며 반응이 빠른 방법에 대한 수요가 존재한다.

본 발명은, 일 실시예에 따라서, 전기 기계를 위한 공급 전압을 생성하기 위한 에너지 저장 장치에 관한 것으로서, 서로 병렬 연결되고 각각 복수의 직렬 연결된 제1 및 제2 에너지 저장 모듈을 포함하는 적어도 하나의 에너지 공급 분기를 포함하는 에너지 저장 장치를 제공한다. 제1 및 제2 에너지 저장 모듈들 각각은, 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 포함하는 에너지 저장 셀 모듈, 및 선택적으로 에너지 저장 셀 모듈을 각각의 에너지 공급 분기로 스위칭하거나, 또는 상기 에너지 저장 셀 모듈을 브리지하도록 구성되는 커플링 유닛을 포함한다. 제2 에너지 저장 모듈들 각각은 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 위한 냉각 부재를 더 포함한다. 냉각 부재는 냉각 제어 장치의 제어 신호에 따라서 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 냉각하도록 구성된다.

추가 실시예에 따라서, 본 발명은, 본 발명에 따르는 에너지 저장 장치와, 에너지 저장 장치의 위상 단자들에 각각 연결되는 위상 라인들을 갖는 n상 전기 기계와, 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈들의 온도에 따라서 냉각 부재들의 제어를 위한 제어 신호들을 생성하도록 구성된 냉각 제어 장치를 포함하는 시스템을 제공하며, 여기서, n ≥ 1이다.

추가 실시예에 따라서, 본 발명은, 본 발명에 따르는 에너지 저장 장치를 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로서, 에너지 저장 장치의 에너지 저장 셀들의 온도를 검출하는 단계와, 제2 에너지 저장 모듈들에 대한 검출된 온도가 제1 온도 임계값을 초과하면, 냉각 부재들을 이용하여 각각의 에너지 공급 분기의 제2 에너지 저장 모듈들의 에너지 저장 셀들을 냉각하는 단계와, 제1 에너지 저장 모듈들에 대한 검출된 온도가 제1 온도 임계값보다 더 높은 제2 온도 임계값을 초과하면, 제2 에너지 저장 모듈들을 통해 공급 전압을 생성하기 위해 제2 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하는 단계와, 이와 동시에 제1 에너지 저장 모듈들에 대한 검출된 온도가 제2 온도 임계값을 초과하면, 제1 에너지 저장 모듈들을 차단하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

<발명의 장점>

본 발명의 사상은, 에너지 저장 장치의 에너지 저장 셀들의 냉각을 위한 에너지 및 시간 요구량을 감소시키고, 이와 동시에 에너지 저장 장치로 작동되는 전기 구동 시스템의 가용성을 증가시키는 것에 있다. 이를 위해, 에너지 저장 장치에서는, 냉각 부재들을 구비하여 임계 상황들에서 별도로, 그리고 효과적으로 냉각될 수 있는 특별한 에너지 저장 모듈들이 선택된다.

그 다음, 냉각된 에너지 저장 셀들은, 증가된 온도를 나타내는 임계 작동 상황이 존재할 때, 예컨대 에너지 저장 장치로 작동되는 전기 자동차의 비상 작동 동안, 바람직하게는 에너지 저장 장치를 통한 (비상) 전압 생성을 위해 이용될 수 있다.

장점은, 냉각을 위한 에너지 요구량이 적게 유지된다는 점에 있는데, 그 이유는 에너지 저장 장치의 선택된 에너지 저장 셀들만이 선택적으로 특히 효율적으로 냉각되기만 하면 되기 때문이다. 추가 장점은, 다른 에너지 저장 모듈들의 표준 전압으로 작동될 수 있는 선택된 에너지 저장 셀들의 직접적인 냉각이 가능함으로써, 냉각할 셀들이 더 이상 추가로 요구되는 출력에 의해 가열되지 않는다는 점에 있다. 더욱이 냉각 부재들의 구조적인 구성은 제공되어 있는 컴포넌트들의 이용하에 적은 비용으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르는 에너지 저장 장치의 일 실시예에 따라서, 냉각 부재들은 펠티어 소자들 또는 열전기 발전기를 포함한다. 상기 냉각 부재들은 바람직하게는 에너지 저장 셀 하우징 내에 직접 통합될 수 있으며, 그럼으로써 선택된 에너지 저장 모듈들의 특히 신속한 고성능 냉각이 가능하게 된다.

본 발명에 따르는 에너지 저장 장치의 추가 실시예에 따라서, 냉각 부재들은 제2 에너지 저장 모듈들의 에너지 저장 셀 모듈과 연결될 수 있고, 제2 에너지 저장 모듈들의 에너지 저장 셀들을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 그 결과로, 냉각 부재들의 신속하고 간편한 접속이 보장된다.

본 발명에 따르는 에너지 저장 장치의 추가 실시예에 따라서, 냉각 부재들은 적어도 하나의 제1 에너지 저장 모듈의 에너지 저장 셀 모듈과 연결될 수 있고, 적어도 하나의 제1 에너지 저장 모듈의 에너지 저장 셀들을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 이는 바람직한 방식으로 냉각할 에너지 저장 모듈과 다른 에너지 저장 모듈들을 통한 냉각 부재들의 에너지 공급을 허용하며, 그럼으로써 냉각의 효율성은 상대적으로 더 높아진다.

본 발명에 따르는 방법의 일 실시예에 따라서, 제1 에너지 저장 모듈들에 대한 검출된 온도가 제2 온도 임계값을 초과하지 않으면, 냉각 부재들은 제1 에너지 저장 모듈들을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 또한, 제1 에너지 저장 모듈들에 대한 검출된 온도가 제2 온도 임계값을 초과하면, 냉각 부재들은 제2 에너지 저장 모듈들을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 이는, 과열이 효율적인 냉각 전략을 통해 가능한 한 오랫동안 연기될 수 있는, 전기 기계의 비상 작동을 위한 전용 비상 작동 모듈들을 결정하는 것을 가능하게 한다.

그 밖에도, 본 발명에 따르는 방법의 추가 실시예에 따라서, 제2 에너지 저장 모듈들에 대한 검출된 온도가 제2 온도 임계값을 초과하면, 제2 에너지 저장 모듈들을 차단하는 단계도 수행될 수 있다. 이는 전기 기계의 비상 작동을 종료시키면서, 별도로 냉각되는 에너지 저장 모듈들이 손상을 입는 점을 방지한다.

본 발명의 실시예들의 추가 특징들 및 장점들은 첨부한 도면과 관련된 하기 기술 내용에서 제시된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 에너지 저장 장치를 포함하는 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 추가 실시예에 따르는 에너지 저장 장치의 제1 에너지 저장 모듈의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 추가 실시예에 따르는 에너지 저장 장치의 제1 에너지 저장 모듈의 추가 실시예를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 추가 실시예에 따르는 에너지 저장 장치의 제2 에너지 저장 모듈의 일 실시예를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따르는 에너지 저장 장치의 제2 에너지 저장 모듈의 추가 실시예를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 추가 실시예에 따르는 에너지 저장 장치를 포함하는 추가 시스템을 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 추가 실시예에 따르는 에너지 저장 장치를 작동시키기 위한 방법을 나타낸 개략도이다.

도 1에는, 에너지 저장 모듈들(3 내지 13)을 통해 공급되는 직류 전압을 n상 교류 전압으로 전압 변환하기 위한 시스템(100)이 도시되어 있다. 상기 시스템(100)은 에너지 공급 라인 또는 에너지 공급 분기(Z)에 직렬 연결된 에너지 저장 모듈들(3)을 구비하는 에너지 저장 장치(1)를 포함한다. 에너지 공급 라인(Z)은 에너지 저장 장치(1)의 2개의 출력 단자(1a 및 1b) 사이에 연결되며, 이 출력 단자들(1a 및 1b)은 각각 직류 전압 중간 회로(2b)에 연결된다. 예시로서, 도 1에 도시된 시스템(100)은 3상 전기 기계(6)에 전력을 공급하기 위해 이용된다. 그러나 에너지 저장 장치(1)는 전력 계통(6)(power system)을 위한 전류의 생성을 위해 이용될 수도 있다.

이를 위해, 에너지 저장 장치(1)는 커플링 인덕터(2a)를 통해 직류 전압 중간 회로(2b)와 연결된다. 커플링 인덕터(2a)는 예컨대 직류 전압 중간 회로(2b)와 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자(1a) 사이에 목표한 바에 따라 연결되는 유도 초크(inductive choke)일 수 있다. 또한, 대체되는 방식으로, 커플링 인덕터(2a)는 에너지 저장 장치(1)와 직류 전압 중간 회로(2b) 사이의 회로 내에 여하히 제공되어 있는 기생 인덕터들(parasitic inductor)을 통해 형성될 수도 있다.

직류 전압 중간 회로(2b)는 펄스 폭 변조 인버터(4)에 전력을 공급하며, 이 펄스 폭 변조 인버터는 직류 전압 중간 회로(2b)의 직류 전압으로부터 전기 기계(6)를 위한 3상 교류 전압을 공급한다.

그 밖에도, 시스템(100)은 제어 장치(8)를 포함할 수 있으며, 이 제어 장치는 에너지 저장 장치(1)와 연결되어 에너지 저장 장치(1)가 원하는 총 출력 전압을 각각의 출력 단자들(1a, 1b)로 공급하도록 에너지 저장 장치(1)를 제어할 수 있다. 그 외에도, 제어 장치(8)는 에너지 저장 장치(1)의 에너지 저장 셀들을 충전할 때 에너지 저장 장치(1)의 각각의 커플링 부재들 또는 액티브 스위칭 부재들을 제어하도록 구성될 수 있다.

에너지 저장 장치(1)의 에너지 공급 라인(Z)은 2개 이상의 직렬 연결된 에너지 저장 모듈(3 및 13)을 포함한다. 예시로서, 도 1에 도시된 에너지 저장 모듈들(3 및 13)의 개수는 4개이지만, 다른 개수의 에너지 저장 모듈들(3 및 13)도 가능하다. 이 경우, 에너지 저장 모듈들(3 및 13)은 제1 그룹의 에너지 저장 모듈들(3)과 제2 그룹의 에너지 저장 모듈들(13)을 포함한다. 이 경우, 한 그룹 내의 에너지 저장 모듈들의 개수는 자유롭게 선택될 수 있다. 에너지 저장 모듈들(3 및 13)은 일차적으로 직렬 연결되기 때문에, 제1 및 제2 에너지 저장 모듈들(3 내지 13)의 모듈 출력 전압들은, 에너지 저장 장치(1)의 출력 단자들(1a, 1b)로 공급되는 총 출력 전압으로 합산된다.

제1 에너지 저장 모듈들(3)은 각각 2개의 출력 단자(3a 및 3b)를 포함하며, 이 출력 단자들을 통해 제1 에너지 저장 모듈들(3)의 모듈 출력 전압이 공급될 수 있다. 제1 에너지 저장 모듈들(3)의 2가지 예시에 따른 구성 형태는 도 2 및 도 3에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 이 경우, 제1 에너지 저장 모듈들(3)은 복수의 커플링 부재(7a 및 7c; 7b 및 7d)를 구비한 커플링 장치(7)를 각각 포함한다. 그 밖에도, 제1 에너지 저장 모듈들(3)은 적어도 하나의 직렬 연결된 에너지 저장 셀(5a 내지 5k)을 구비한 에너지 저장 셀 모듈(5)을 각각 포함한다.

이 경우, 에너지 저장 셀 모듈(5)은 예컨대 직렬 연결된 셀들(5a 내지 5k), 예컨대 리튬 이온 셀들 또는 리튬 이온 축전지들을 포함할 수 있다. 이 경우, 도 2 및 도 3에 도시된 제1 에너지 저장 모듈들(3) 내의 에너지 저장 셀들(5a 내지 5k)의 개수는 예시적으로 2개이지만, 그러나 다른 개수의 에너지 저장 셀들(5a 내지 5k)도 가능하다. 에너지 저장 셀 모듈들(5)은 U_M의 단자 전압을 보유하고 연결 라인들을 통해 대응하는 커플링 장치(7)의 입력 단자들과 연결된다. 따라서 대응하는 커플링 장치(7)의 입력 단자들에는 전압(U_M)이 인가된다.

도 2에서, 직렬 연결되고 그 중간 탭(center tap)이 출력 단자들(3a)과 연결되는 커플링 부재들(7a 및 7c)은 풀 브리지(full bridge)의 소위 좌측 분기를 형성하고, 직렬 연결되고 그 중간 탭이 출력 단자(3b)와 연결되는 커플링 부재들(7b 및 7d)은 풀 브리지의 소위 우측 분기를 형성한다. 도 2에서 커플링 장치(7)는 각각 2개의 커플링 부재(7a, 7c) 및 2개의 커플링 부재(7b, 7d)를 포함하는 풀 브리지 회로로서 형성된다. 이 경우, 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은 각각 액티브 스위칭 부재, 예컨대 반도체 스위치와 이에 병렬 연결되는 프리휠링 다이오드를 포함할 수 있다. 그 외에, 커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은 이미 진성 다이오드를 포함하는 MOSFET 스위치로서 형성될 수 있다.

커플링 부재들(7a, 7b, 7c, 7d)은, 예컨대 도 1에 도시된 제어 장치(8)에 의해, 각각의 에너지 저장 셀 모듈(5)이 선택적으로 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에서 스위칭되거나, 또는 에너지 저장 모듈(5)이 브리지되는 방식으로 제어될 수 있다. 도 2를 참조하면, 에너지 저장 셀 모듈(5)은, 커플링 부재(7d)의 액티브 스위칭 부재 및 커플링 부재(7a)의 액티브 스위칭 부재가 단락된 상태로 전환되는 반면에, 커플링 부재들(7b 및 7c)의 나머지 두 액티브 스위칭 부재는 개방된 상태로 전환되면서, 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에서 예컨대 순방향으로 스위칭될 수 있다. 이 경우에, 커플링 장치(7)의 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에는 전압(U_M)이 인가된다. 한 브리지 상태는 예컨대, 커플링 부재들(7a 및 7b)의 두 액티브 스위칭 부재가 단락된 상태로 전환되는 반면에, 커플링 부재들(7c 및 7d)의 두 액티브 스위칭 부재는 개방된 상태에서 유지되는 것을 통해 설정될 수 있다. 제2 브리지 상태는, 커플링 부재들(7c 및 7d)의 두 액티브 스위치가 단락된 상태로 전환되는 반면에, 커플링 부재들(7a 및 7b)의 액티브 스위칭 부재들은 개방된 상태에서 유지되는 것을 통해 설정될 수 있다. 두 브리지 상태에서, 커플링 장치(7)의 두 출력 단자(3a 및 3b) 사이에는 전압 0이 인가된다. 에너지 저장 셀 모듈(5)은, 커플링 부재들(7b 및 7c)의 액티브 스위칭 부재들이 단락된 상태로 전환되는 반면에, 커플링 부재들(7a 및 7d)의 액티브 스위칭 부재들은 개방된 상태로 전환되면서, 커플링 장치(7)의 출력 단자들(3a 및 3b) 사이에서 역방향으로 스위칭될 수 있다. 이 경우에, 커플링 장치(7)의 두 출력 단자(3a 및 3b) 사이에는 전압(-U_M)이 인가된다.

제1 에너지 저장 모듈들(3)은 공급 단자들(3c 및 3d)을 포함하며, 이 공급 단자들은 에너지 저장 셀 모듈(5)과 연결되며, 이 공급 단자들에서는, 아래에서 더욱 정확하게 설명되겠지만, 추가로 제1 에너지 저장 모듈들(3)의 공급 전압이 픽업될 수 있다.

도 3에는, 제1 에너지 저장 모듈(3)을 위한 추가의 예시에 따른 구현예의 개략도가 도시되어 있다. 이 경우, 커플링 장치(7)는 커플링 부재들(7a 및 7c)만을 포함하며, 이 커플링 부재들은 하프 브리지 회로(half-bridge circuit)로서 에너지 저장 셀 모듈(5)을 브리지 상태 또는 스위칭 상태에서 에너지 공급 라인(Z) 내에 순방향으로 스위칭할 수 있다. 도 3과 관련하여, 도 2에 도시된 풀 브리지 회로의 에너지 저장 모듈(3)에 대해 설명된 것과 유사한 제어 규칙들이 적용된다.

도 4와 도 5에는, 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 2가지 예시에 따른 구성 형태의 개략도들이 상대적으로 더 상세하게 도시되어 있다. 제2 에너지 저장 모듈들(13)은 실질적으로 제1 에너지 저장 모듈들(3)과 동일한 구성을 보유하며, 다만 공급 단자들(13c 및 13) 사이에 에너지 저장 셀 모듈(5)을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있는 냉각 부재(9)가 연결된다는 점에서 제1 에너지 저장 모듈들(3)과 구별된다. 냉각 부재(9)의 선택적인 활성화 내지 비활성화를 위해, 전압 공급부로부터 냉각 부재(9)를 분리할 수 있는 스위칭 장치(9a)가 제공된다.

커플링 장치들(7)의 적절한 제어를 통해, 제1 및 제2 에너지 저장 모듈들(3 및 13)의 개별 에너지 저장 셀 모듈들(5)은 목표한 바에 따라 에너지 공급 라인(Z)의 직렬 회로 내에 집적화될 수 있다. 그 결과로, 에너지 저장 모듈들(3 또는 13)의 에너지 저장 셀 모듈들(5)을 선택적으로 스위칭하기 위한 커플링 장치들(7)의 목표하는 제어를 통해, 에너지 저장 모듈들(3 또는 13)의 에너지 저장 셀 모듈들(5)의 개별 출력 전압들에 따라서 결정되는 총 출력 전압이 에너지 공급 라인(Z)에 공급될 수 있다. 이 경우, 총 출력 전압은 각각 단계별로 설정될 수 있으며, 단계의 개수는 에너지 저장 모듈들(3 또는 13)의 개수에 따라 조정된다. 제1 및 제2 에너지 저장 모듈들(3 및 13)의 개수가 n개일 경우, 에너지 공급 라인(Z)의 총 출력 전압은 2n+1개의 단계로 -n· U _M , ...,0, ... +n· U _M 사이에서 설정될 수 있다.

도 6에는, 에너지 저장 모듈들(3)을 통해 공급되는 직류 전압을 n상 교류 전압으로 전압 변환하기 위한 추가 시스템(200)이 도시되어 있다. 시스템(200)은, 에너지 공급 분기들(Z1, Z2, Z3) 내에서 직렬 연결되는 에너지 저장 모듈들(3 및 13)을 구비한 에너지 저장 장치(10)를 포함한다. 예시로서, 도 6에는, 예컨대 3상 기계를 위한 3상 교류 전압을 생성하기 위해 적합한 3개의 에너지 공급 분기(Z1, Z2, 및 Z3)가 도시되어 있다. 그러나, 다른 개수의 에너지 공급 분기들도 가능할 수 있다. 에너지 저장 장치(10)는 각각의 에너지 공급 분기에 출력 단자(10a, 10b, 10c)를 포함하고, 이들 출력 단자는 전기 기계(12)와 에너지 저장 장치(10)를 연결하는 위상 라인들(12a, 12b 또는 12c)에 각각 연결된다. 예시로서, 도 6에 도시된 시스템(200)은 3상 전기 기계(12)에 전력 공급을 위해 이용된다. 그러나 에너지 저장 장치(10)는 전력 계통(12)을 위한 전류를 생성하는데 이용될 수도 있다.

그 밖에도, 시스템(200)은 제어 장치(16)를 포함할 수 있고, 이 제어 장치는 에너지 저장 장치(10)와 연결되어, 각각의 출력 단자들(10a, 10b, 10c)에 원하는 출력 전압을 공급하기 위해 에너지 저장 장치(10)를 제어할 수 있다. 에너지 공급 분기들(Z1, Z2 및 Z3)은 각각의 말단에서 기준 전위(14)[기준 버스(reference bus)]와 연결될 수 있다. 상기 기준 버스는 전기 기계(12)의 위상 라인들(12a, 12b, 12c)과 관련하여 기준 전위를 전도할 수 있고, 예컨대 접지 전위에 연결될 수 있다.

도 1에 도시된 것과 유사하게, 에너지 공급 분기들(Z1, Z2 및 Z3) 각각은 2개 이상의 직렬 연결된 에너지 저장 모듈(3 또는 13)을 포함하고, 제1 그룹의 에너지 저장 모듈들(3) 및 제2 그룹의 에너지 저장 모듈들(13)이 제공된다. 제1 또는 제2 에너지 저장 모듈들(3 또는 13)에 대한 실시예들은 도 2 내지 도 5에서 이미 설명하였다. 예시로서, 도 1에 도시된 에너지 공급 분기당 에너지 저장 모듈들(3 및 13)의 개수는 3개이지만, 그러나 다른 개수의 에너지 저장 모듈들도 가능하다. 이 경우, 바람직하게는, 에너지 공급 분기들(Z1, Z2 및 Z3) 각각은 동일한 개수의 에너지 저장 모듈들(3)을 포함하지만, 그러나 각각의 에너지 공급 분기(Z1, Z2 및 Z3)에 상이한 개수의 에너지 저장 모듈들(3)이 제공될 수도 있다.

시스템들(100 및 200) 내에서, 제2 에너지 저장 모듈들(13)은 각각 전기 기계(6 또는 12)의 비상 작동을 위한, 특히 전기 작동되는 차량의 전기 구동 시스템의 비상 작동을 위한 비상 작동 모듈들로 이용될 수 있다. 이를 위해, 제2 에너지 저장 모듈들(13)은 냉각 부재들(9)을 구비하는 것을 통해 별도의 냉각 전략의 이용하여 제어될 수 있다. 그 결과, 에너지 저장 장치(1 또는 10)가 과열되거나, 또는 과열 우려가 있을 경우, 제2 에너지 저장 모듈들(13)은 제1 에너지 저장 모듈들(3)보다 더 낮은 온도로 유지될 수 있으며, 그럼으로써 시스템(100 또는 200)의 완전 차단은 안전을 위해 완전하게 방지되거나, 또는 적어도 연기될 수 있다.

냉각 부재들(9)은 예컨대 펠티어 소자들이거나, 또는 열전기 발전기들일 수 있다. 예컨대 냉각 부재들(9)은, 에너지 저장 셀들(5a 내지 5k)의 직접적이고 즉각적인 냉각을 달성하기 위해, 에너지 저장 셀들(5a 내지 5k)의 셀 코일들 내에, 또는 그 상에 직접 배치될 수 있다. 이 경우, 냉각 부재들(9)은 하우징으로부터 열을 방출하기 위해, 에너지 저장 모듈들(13)의 하우징 내에 통합될 수 있다.

냉각 부재들(9) 또는 냉각 부재들(9)의 작동은 예컨대 제어 장치들(8 및 16)을 통해 제어될 수 있으며, 그 결과, 제어 장치들은 냉각 제어 장치(8 또는 16)로 기능한다. 특히 냉각 제어 장치들(8 또는 16)은 예컨대 (도 1 및 도 6에 명확하게 도시되지 않은) 온도 센서들의 이용하여, 에너지 저장 모듈들(3 또는 13) 내, 또는 그 상의 온도를 검출할 수 있다. 냉각 제어 장치들(8 또는 16)은 검출된 온도에 따라서 냉각 부재들(9) 또는 스위칭 장치들(9a)을 제어하도록 구성된다.

냉각 부재들(9)의 전압 공급을 위해, 각각의 냉각 부재(9)에 할당된 제2 에너지 저장 모듈(13)의 에너지 저장 셀 모듈(5)을 통해 냉각 부재들(9)에 전기 에너지를 공급할 수 있다. 또한, 이에 대체되거나 추가되는 방식으로, 에너지 저장 모듈들(3)을 통해 냉각 부재들(9)에 전기 에너지를 공급할 수도 있다. 이를 위해, 자유롭게 선택 가능한 개수의 제1 에너지 저장 모듈들(3)의 공급 단자들(3c, 3d)은 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 공급 단자들(13c, 13d)과 스위칭 가능하게 연결될 수 있다. 그 결과로, 특히 제1 에너지 저장 모듈들(3)의 에너지 저장 셀 모듈들(5)은 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 냉각 부재들(9)의 전압 공급을 담당할 수 있다.

이 경우, 에너지 저장 장치(1 또는 10)에 연결된 전기 기계(6 또는 12)가 정해진 작동 모드, 예컨대 비상 작동 모드에 위치한다면, 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 각각의 그룹들이 이용될 수 있다. 이 경우에, 에너지 저장 장치(1 또는 10)의 총 출력 전압의 생성을 위해 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 그룹들의 에너지 저장 셀 모듈들(5)만이 이용될 수 있다.

도 7에는, 에너지 저장 장치, 특히 도 1 내지 도 6에 설명된 것과 같은 에너지 저장 장치(1 또는 10)를 작동시키기 위한 예시에 따른 방법(20)의 개략도가 도시되어 있다. 상기 방법(20)에 의해, 에너지 저장 장치(1 또는 10)의 총 출력 전압은 전기 기계(6 또는 12)의 전압 공급을 위해 공급될 수 있다. 제1 단계(21)에서, 에너지 저장 장치(1 또는 10)의 에너지 저장 셀들(5a, 5k)의 온도가 검출된다. 에너지 저장 모듈들(3 또는 13) 각각에 대해 별도의 온도 검출이 실행될 수 있다. 제2 에너지 저장 모듈들(13)에 대한 검출된 온도가 제1 온도 임계값을 초과하는 경우, 제2 단계에서, 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 에너지 저장 셀들(5a, 5k)의 냉각이 냉각 부재들(9)에 의해 수행될 수 있다. 그 결과로, 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 냉각은, 온도가 비임계 범위 내에서 이동될 때 적용될 수 있다. 그 결과로, 제2 에너지 저장 모듈들(13)은 제1 에너지 저장 모듈들(3)에 비해 더 낮은 온도에서 유지될 수 있으며, 다시 말하면 제2 에너지 저장 모듈들의 과열은 상대적으로 더 오래 연기될 수 있다.

냉각 부재들(9)은, 제1 에너지 저장 모듈들(3)에 대한 검출된 온도가 제2 온도 임계값을 초과하지 않는 경우에 한하여, 제1 에너지 저장 모듈들(3)을 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 이 경우, 제2 온도 임계값은, 상회될 경우 에너지 저장 모듈들(3)의 컴포넌트들의 손상을 발생시킬 수 있는 위험 임계값일 수 있다. 제3 단계(23)에서, 제1 에너지 저장 모듈들(3)에 대한 검출된 온도가 제2 온도 임계값을 초과했다면, 제2 에너지 저장 모듈들(13)을 통해 공급 전압을 생성하기 위해 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 커플링 장치들(7)의 제어가 수행될 수 있다. 이 경우, 그와 동시에, 제1 에너지 저장 모듈들(3)을 차단하는 단계(24)가 수행될 수 있다. 이런 상태에서, 제2 에너지 저장 모듈들(13)은 에너지 저장 장치(1 또는 10)의 총 출력 전압의 생성을 담당한다. 상기 상태는 예컨대 비상 작동 모드일 수 있으며, 이런 비상 작동 모드는 예컨대 전기 작동되는 차량의 전기 구동 시스템의 "림프홈(limphome)" 기능과 관련하여 적용될 수 있다.

냉각 부재들(9)은 제1 에너지 저장 모듈들(3)의 차단 후에 제2 에너지 저장 모듈들(13)을 통해 전기 에너지를 공급받는다. 초기에 제1 에너지 저장 모듈들(3)을 이용하여 냉각 부재들(9)에 에너지를 공급하는 것을 통해, 냉각 부재들(9)에 전기 공급을 위해 에너지 저장 셀들(5a 내지 5k)의 추가 부하를 통한 제2 에너지 저장 모듈들(13)의 추가 가열은 방지될 수 있다. 제1 에너지 저장 모듈들(3)이 더 이상 활성 상태가 아닐 때 비로소, 냉각 부재들(9)은 각각 할당된 제2 에너지 저장 모듈들(13)을 통해 전기 공급받는다. 제2 에너지 저장 모듈들(13)에 대해서도 검출된 온도가 제2 온도 임계값을 초과한다면, 상기 제2 에너지 저장 모듈들도 차단될 수 있으며, 그럼으로써 에너지 저장 장치(1 또는 10)는 일시적으로 더 이상 작동될 수 없게 된다. 그러나 상기 시점은 냉각 부재들(9)에 의한 추가 냉각을 통해 상당히 연기될 수 있으며, 그럼으로써 에너지 저장 장치(1 또는 10) 및 그에 따른 전체 시스템(100 또는 200)의 가용성은 상당히 상승한다.

Claims

전기 기계를 위한 공급 전압을 생성하기 위한 에너지 저장 장치로서,
상기 에너지 저장 장치는 에너지 공급 분기 또는 병렬 연결된 에너지 공급 분기들 중 적어도 하나를 포함하고,
상기 에너지 공급 분기 각각은 복수의 직렬 연결된 제1 및 제2 에너지 저장 모듈을 포함하고,
상기 에너지 저장 모듈들 각각은,
적어도 하나의 에너지 저장 셀을 포함하는 에너지 저장 셀 모듈;
선택적으로 상기 에너지 저장 셀 모듈을 상기 각각의 에너지 공급 분기로 스위칭하거나, 또는 상기 에너지 저장 셀 모듈을 브리지하도록 구성되는 커플링 장치를 포함하며,
상기 제2 에너지 저장 모듈들 각각은 상기 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 위한 냉각 부재를 더 포함하며,
상기 냉각 부재는 냉각 제어 장치의 제어 신호에 따라서 상기 제2 에너지 저장 모듈의 상기 적어도 하나의 에너지 저장 셀을 냉각함으로써, 상기 제2 에너지 저장 모듈이 상기 제1 에너지 저장 모듈보다 더 낮은 온도로 유지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각 부재들은 펠티어 소자들 또는 열전기 발전기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각 부재들은 상기 제2 에너지 저장 모듈들의 상기 에너지 저장 셀 모듈과 연결되어 상기 제2 에너지 저장 모듈들의 상기 에너지 저장 셀들을 통해 전기 에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각 부재들은 적어도 하나의 제1 에너지 저장 모듈의 상기 에너지 저장 셀 모듈과 연결되어 상기 적어도 하나의 제1 에너지 저장 모듈의 에너지 저장 셀들을 통해 전기 에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따르는 에너지 저장 장치;
상기 에너지 저장 장치의 위상 단자들에 각각 연결되는 위상 라인들을 갖는 n상 전기 기계(n ≥ 1); 및
상기 에너지 저장 장치의 에너지 저장 모듈들의 온도에 따라서 냉각 부재들의 제어를 위한 제어 신호들을 생성하도록 구성된 냉각 제어 장치를 포함하는 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따르는 에너지 저장 장치를 작동시키기 위한 방법으로서,
상기 에너지 저장 장치의 에너지 저장 셀들의 온도를 검출하는 단계(21);
제2 에너지 저장 모듈들에 대해 검출된 온도가 제1 온도 임계값을 초과하면, 냉각 부재들을 이용하여 각각의 에너지 공급 분기의 제2 에너지 저장 모듈들의 에너지 저장 셀들을 냉각하는 단계(22);
제1 에너지 저장 모듈들에 대해 검출된 온도가 상기 제1 온도 임계값보다 더 높은 제2 온도 임계값을 초과하면, 상기 제2 에너지 저장 모듈들을 통해 공급 전압을 생성하기 위해 상기 제2 에너지 저장 모듈들의 커플링 장치들을 제어하는 단계(23); 및
단계(23)와 동시에, 상기 제1 에너지 저장 모듈들에 대해 검출된 온도가 상기 제2 온도 임계값을 초과하면, 상기 제1 에너지 저장 모듈들을 차단하는 단계(24)를 포함하는 상기 에너지 저장 장치의 작동 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 에너지 저장 모듈들에 대해 검출된 온도가 상기 제2 온도 임계값을 초과하지 않으면, 상기 냉각 부재들은 상기 제1 에너지 저장 모듈들을 통해 전기 에너지를 공급받으며,
상기 제1 에너지 저장 모듈들에 대해 검출된 온도가 상기 제2 온도 임계값을 초과하면, 상기 냉각 부재들은 상기 제2 에너지 저장 모듈들을 통해 전기 에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 장치의 작동 방법.
제7항에 있어서,
상기 제2 에너지 저장 모듈들에 대해 검출된 온도가 상기 제2 온도 임계값을 초과하면, 상기 제2 에너지 저장 모듈들을 차단하는 단계를 포함하는 에너지 저장 장치의 작동 방법.