KR102649967B1 - Ac 충전을 위해 ac 배터리를 구성하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 AC 배터리의 AC 충전 방법에 관한 것으로, 상기 AC 배터리는 중앙 제어기와; 각각 적어도 2개의 배터리 모듈을 구비한 3개의 스트링;을 포함하고, 각각 적어도 2개의 배터리 모듈 중 각각 하나의 배터리 모듈은 적어도 1개의 에너지 저장부와; 각각의 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈에 직렬로 또는 병렬로 또는 우회하여 연결하는 적어도 2개의 전력 반도체 스위치;를 구비하며, 상기 3개의 스트링에 의해 상전압 레벨을 갖는 각각 하나의 상이 제공되고, AC 배터리는 충전 회로를 통해 충전원에 의해 충전되며, 상기 충전원에 의해 충전 전압 레벨의 적어도 단상 교류가 제공되며, 충전 회로는 적어도 1개의 스위치 및 필터를 구비하고, 상기 중앙 제어기에 의해 충전 중에 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태가 모니터링되며, 상기 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태의 계속된 평가에 따라 그리고 전력 반도체 스위치들의 동적 구동에 의해, 상전압 레벨의 순시치가 충전 전압 레벨의 순시치의 시간 프로파일로 조정되고, AC 배터리는 스트링들의 상호 연결에 의해 그리고 상전압 레벨과 충전 전압 레벨 간의 비교에 따라 기준 전위에 대해, 상기 AC 배터리의 출력 전압 레벨이 충전 전압 레벨과 같거나 높도록 구성된다. 또한, 상기 방법이 실행되는 시스템이 제안된다.

Description

AC 충전을 위해 AC 배터리를 구성하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CONFIGURING AN AC BATTERY FOR AC CHARGING}
본 발명은 재구성 가능한 3상 AC 배터리의 AC 충전 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 방법이 실행되는 시스템이 제안된다.
오늘날 전기 차량에 관행적으로 설치되는 배터리 또는 배터리 팩은 고정 배선 유닛, 예를 들어 서로 고정 배선되는 개별 에너지 셀이며, 배선에 의해 규정되는 상기 개별 에너지 셀의 직렬-병렬 구성은 변경될 수 없다. 이는 예를 들어 펄스 인버터에서 방전을 위해 사용되는 동일한 전압이 충전을 위해서도 사용됨을 의미한다. 고정 배선은 노후화 현상 없이 완전 충전 상태일 때 배터리 최대 전압을 결정한다. 충전 상태가 하강하는 경우, 고정 배선 배터리의 전압은 최대 50% 감소할 수 있다.
트랙션 배터리의 DC 전압을 전기 모터에 필요한 AC 전압으로 변환하는 데 인버터가 사용된다. 앞서 언급된 고정 상호 연결된 배터리들의 한 개선예로서, 예를 들어, 각각 적어도 1개의 에너지 저장부와; 모듈들 사이에에너지 저장부들을 상호 연결하기 위한 적어도 2개의 반도체 스위치;를 구비한, 전기적으로 연결된 복수의 모듈이 적어도 1개의 모듈 스트링 내에 배치된 모듈식 멀티레벨 컨버터에 의해 형성된 최근의 인버터가 있다. 그에 따라, 동적 상호 연결을 통해 에너지 저장부의 DC 전압으로부터, 예를 들어 전기 기계를 작동시키기 위한 AC 전압을 발생시킬 수 있다. 일 예로, R. Marquardt에 의해 공보 US 2018/0109202에는 개시된, MMC 또는 M2C로도 약칭되는 모듈식 멀티레벨 컨버터가 있다. 대개 중앙 제어기가 모듈들의 개별 상호 연결을 제어한다.
오스트리아 공보 AT 508 279 A1호에는, 직렬로 연결된 배터리들을 충전하기 위한 방법 및 장치가 기술되어 있다. 배터리들은 별도의 충전 수단을 사용하여 개별적으로 또는 서브 그룹에서 동시에 충전된다.
공보 DE 10 2010 052 934 A1호에는, 개별 모듈들의 동적 직렬 및 병렬 연결 가능성을 갖는 신규 멀티레벨 컨버터 토폴로지가 개시되어 있다. 각각의 개별 모듈은 적어도 4개의 내부 스위칭 요소, 1개의 에너지 저장 요소 및 4개의 단자를 구비하며, 내부 스위칭 요소들의 각각의 스위칭 위치를 통해 에너지 저장 요소를 인접 연결된 개별 모듈들의 에너지 저장 요소들에 직렬 또는 병렬로 상호 연결할 수 있다.
공보 DE 10 2014 204 260 A1호에는, 충전 중에 전기 차량을 제어하기 위한 방법 및 시스템이 기술되어 있다. 제어는 트랙션 배터리를 목표 충전 상태로 충전하고, 트랙션 배터리를 목표 배터리 온도로 조절하며, 차량 객실을 목표 객실 온도로 조절하도록 설계된다.
그러나 표준에 따라 배터리에 DC 충전을 위한 추가 제어 구성요소가 구비되어 있지 않다. 충전 소켓이 갈바닉 절연(galvanic isolation) 없이 배터리 또는 배터리 팩의 연결점에 직접 연결되며, 이 경우 충전 전력은 충전 제어에 의해 결정된다. 따라서, 종래 배터리 팩은 규정된 전압 레벨을 갖는 제어식 DC 충전원에 의해서만 충전될 수 있고, 이때 400V 및 800V가 일반적인 전압 레벨이다. 배터리 팩의 정격 전압이 충전원의 설정될 최대 충전 전압보다 높은 경우, 배터리 팩은 충전될 수 없다.
이를 바탕으로, 본 발명의 과제는 모듈식 AC 배터리의 AC 충전 방법을 제시하는 것이다. 상기 AC 배터리의 중앙 제어 시스템은, AC 배터리가 각각의 충전 전압 레벨로 조절될 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 방법이 실행되는 시스템이 제시된다.
앞서 언급한 과제를 해결하기 위해, AC 배터리가 중앙 제어기와, 각각 적어도 2개의 배터리 모듈을 구비한 3개의 스트링을 포함하는, AC 배터리의 AC 충전 방법이 제안된다. 각각의 적어도 2개의 배터리 모듈 중 각각 하나의 배터리 모듈은 적어도 1개의 에너지 저장부와; 각각의 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈에 직렬로 또는 병렬로 또는 우회하여 연결하는 적어도 2개의 전력 반도체 스위치;를 구비한다. 3개의 스트링에 의해 상전압 레벨을 갖는 각각 하나의 상(phase)이 제공된다. AC 배터리는 충전 회로를 통해 충전원에 의해 충전되고, 이 충전원에 의해 충전 전압 레벨을 가진 적어도 단상 교류가 제공되며, 충전 회로는 적어도 1개의 스위치 및 필터를 구비한다. 중앙 제어기에 의해 충전 중에 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태가 모니터링되고; 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태의 계속된 평가에 따라 그리고 전력 반도체 스위치들의 동적 구동에 의해 상전압 레벨의 순시치가 충전 전압 레벨의 순시치의 시간 프로파일로 조정되며; AC 배터리는 스트링들의 상호 연결에 의해 그리고 상전압 레벨과 충전 전압 레벨 간의 비교에 따라 기준 전위에 대해, AC 배터리의 출력 전압 레벨이 충전 전압 레벨과 같거나 높도록 구성된다.
상전압 레벨로부터 직접 2개의 상 사이에 통상의 기술자에 의해 외부 도체 전압으로 지칭되는 전압이 도출된다. 3상 정현파 교류의 경우, 상전압 레벨과 외부 도체 전압 레벨 사이의 비율은 1:√3이다.
충전 회로의 필터는 AC 배터리와 충전원 사이의 전압차에 의해 야기되는 돌입 전류를 억제한다. 전압차는 예를 들어 제어되지 않은 충전원의 가변 충전 전류로 인해 또는 충전 회로와 충전원의 연결 순간에 발생할 수 있다. 여기서 필터는 전자기 간섭을 필터링하는 역할도 한다.
충전원(EVSE)이 전기 차량(EV)으로 스위칭될 때 서지 전류를 방지하기 위해, AC 배터리가 "phase lock loop(PLL로 약칭됨)"를 사용하는 것도 고려할 수 있다. AC 배터리의 단자 전압은 충전 과정 중에 충전 전압의 순시치로 설정된다.
본원 방법에 따른 AC 배터리가 예를 들어 Goetz, S.M.; Peterchev, A.V.; Weyh, T. 공저, "Modular Multilevel Converter With Series and Parallel Module Connectivity: Topology and Control" (Power Electronics, IEEE Transactions on, vol.30, no.1, pp. 203, 215, 2015. doi: 10.1109/TPEL.2014.2310225)에 기술되어 있다. 이와 같은 AC 배터리는 그의 개별 배터리 모듈을 인접한 배터리 모듈에 직렬로 또는 병렬로 또는 우회하여 상호 연결할 수 있고, 그에 따라 스트링당 배터리 모듈(및 각각의 포함된 에너지 저장부)의 수에 의해 설정된 최대 전압의 음(negative)과 양(positive) 사이에서 단자 전압을 능동적으로 설정할 수 있다. 또한, 직렬 또는 병렬 상호 연결 또는 가능한 조합에서 기인한 단자 전압을 넘어서, 개별 배터리 모듈의 고주파 스위칭 또는 연결 및 분리를 통해, 전기 모터를 저역 통과 필터로서 사용하여, 시간 평균에서 도출되는 최대 전압 이하의 임의의 (절대)값이 생성될 수 있다. 상기 설정은 중앙 제어기 상의 제어 프로그램에 의해 수행되며, 상기 제어 프로그램은, 예를 들어 역률 보상(power factor correction) 기능이 수행되고 이와 관련하여 종래의 OBC(On-Board-Charger)에 존재하는 회로가 생략되도록, 에너지 저장부들의 각각의 상태를 고려하여 배터리 모듈들의 직렬/병렬/우회 상호 연결을 제어하고, 그 결과 본 발명에 따른 방법을 수행하는 제어 프로그램 및 중앙 제어기는 유리하게 종래의 OBC보다 적은 공간 수요 및 적은 제조 비용을 갖게 된다. AC 배터리의 상전압 레벨이 충전 전압 레벨보다 높은 경우, AC 전압 배터리가 충전 전류를 제어할 수 있다. 이는 단상 충전의 경우뿐만 아니라 3상 충전의 경우에도 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에서, 충전원에 의해 적어도 단상 교류 중 하나의 단상 교류가 제공된다. 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 상전압 레벨보다 낮은 경우, 3개의 스트링의 각각의 상출력이 단일 상출력을 형성하도록 재구성되며, AC 배터리는 필터를 통해 직접 충전원으로부터 충전된다. 그럼으로써 3상 AC 배터리가 단상 AC 배터리처럼 취급된다. 게다가, 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 2개의 상 사이의 전압 레벨보다 낮지만 AC 배터리의 상전압 레벨보다 높거나 AC 배터리의 상전압 레벨과 같은 경우, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 입력이 기준 전위에 연결되고, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 상출력이 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 입력에 연결되며, 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 상출력이 AC 배터리의 단일 상출력을 형성하도록 재구성되고, AC 배터리는 직접 필터를 통해 충전원으로부터 충전된다. 따라서 3상 AC 배터리는 상대상 방식으로 충전된다. 나아가, 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 2개의 상 사이의 전압 레벨의 2배보다 낮지만 AC 배터리의 2개의 상 사이의 전압 레벨과 같거나 높은 경우, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 입력이 기준 전위에 연결되고, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 상출력이 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 입력에 병렬로 연결되며, 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 상출력이 AC 배터리의 단일 상출력을 형성하도록 재구성되고, 단일 상출력과 필터 사이에 단상 정류기가 추가로 배치되며, AC 배터리는 단상 정류기 및 필터를 통해 충전원으로부터 충전된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 충전원에 의해 적어도 단상 교류의 3상 교류가 제공된다. 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 상전압 레벨보다 낮은 경우, 3개의 스트링의 각각의 상출력이 충전원의 각각의 상출력을 형성하도록 연결되며, AC 배터리는 필터를 통해 직접 충전원으로부터 충전된다. 그럼으로써 3상 AC 배터리가 단상 AC 배터리처럼 취급된다. 또한, 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 상전압 레벨의 2배보다 낮지만 AC 배터리의 상전압 레벨과 같거나 높은 경우, 각각의 상출력들과 필터 사이에 추가로 3상 정류기가 배치되며, AC 배터리는 3상 정류기 및 필터를 통해 충전원으로부터 충전된다.
그러므로, 본 발명에 따른 방법은 재구성 가능한 AC 배터리를 사용하여 다양한 충전 기술을 제시하며, 유리하게는 충전이 수행될 수 있는 충전 전압 레벨의 범위를 확장한다. 각각의 충전 전압 레벨에 할당된 AC 배터리의 구성을 통해, AC 배터리는 충전원 또는 충전 컬럼으로부터의 전류 흐름을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 중앙 제어기는 작동 시작 시 AC 배터리를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 포함한다. 이러한 프로세서 유닛을 위해 예컨대 FPGA가 선택될 수 있다. FPGA는 "Field Programmable Gate Array"의 약어이다. 예를 들어, 전기 차량의 스타트 또는 작동 시작 시, 중앙 제어기에 의해 실행되는 본 발명에 따른 AC 배터리의 구동을 위해, 각각의 프로세서 프로그래밍이 FPGA 상에 구성될 수 있고, 상기 프로그래밍은 하드웨어 구현으로 적용되며, 상응하게 작동 안전적으로 실행될 수 있다. FPGA는 유리하게는 마이크로컨트롤러에 연결될 수 있거나, FPGA는 마이크로컨트롤러를 추가로 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 중앙 제어기를 마이크로컨트롤러상에 또는 통상의 기술자 사이에서 "Application-specific Integrated Circuit" 또는 "ASIC"라고도 불리는 "주문형 집적 회로"상에 구현하는 것도 고려될 수 있다. 마이크로컨트롤러와 FPGA/ASIC의 조합은 또 다른 유리한 구현예이다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 충전 회로는 충전 제어기에 의해 제어된다. 충전 제어기는, 작동 시작 시 충전 회로를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 포함한다.
단상 또는 3상 정류기는 충전 제어기에 의해 제어되는 적어도 2개의 반도체 스위치를 능동 전기 부품으로서 포함할 수 있다. 반도체 스위치는 바람직하게는 IGBT, MOSFET 또는 IGCT일 수 있다. 이로써 충전 회로의 효율이 향상되지만, 복잡도도 증가한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 단상 또는 3상 정류기는 수동 및 능동 전기 부품을 포함하며 이들을 충전 제어기를 통해 최대 효율 측면에서 결합한다. 이와 같은 최적의 조합은 최소 복잡도로 최대한의 효율을 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서, 전력 반도체 스위치의 동적 구동을 통해 충전 전력이 제어된다. 충전 제어기에는 에너지 저장부의 충전 상태에 관한 정보 외에도 추가로 충전 전압 및 충전 전류의 값이 제공되고, 그에 따라 중앙 제어기는 충전 전압과 충전 전류의 곱으로부터 산출된 충전 전력의 규정된 값이 유지되도록 AC 배터리의 전력 반도체 스위치를 구동한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 이점은, AC 배터리에 인가되는 충전 전류의 DC 전압 리플에 대한 요구가 종래 배터리의 경우보다 더 큰 한계 내에서 정의될 수 있다는 것이다. 정류기에 의해 제공되는 충전 전류의 DC 전압 리플은 예를 들어 충전원에 의해 제공되는 교류의 고주파 변동(리플)에 의해 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 수행하는 중앙 제어기의 제어 프로그램은 충전 전압 또는 충전 전류를 측정하는 측정 장치를 통해 이를 확인하고, 이에 반응하여, 각각의 시점에 예를 들어 충전 전압과 같거나 더 작은 단자 전압과 같은 최적의 충전 조건을 제공하기 위해, 배터리 모듈들의 직렬-병렬 상호 연결을 계속 변경하고 이의 결과로 단자 전압이 변동된다. 이 경우, 직렬-병렬 상호 연결의 계속된 변경은 명시된 스위칭 클럭에서 각각 다시 실행되며, 스위칭 클럭은 충전원에 의해 제공되는 교류의 변경을 따를 수 있도록 충분히 작게 선택된다.
나아가, AC 배터리가 중앙 제어기 및 각각 적어도 2개의 배터리 모듈을 구비한 3개의 스트링을 포함하는, AC 배터리의 AC 충전 시스템이 제안된다. 각각의 적어도 2개의 배터리 모듈 중 각각 하나의 배터리 모듈은 적어도 1개의 에너지 저장부와; 각각의 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈에 직렬로 또는 병렬로 또는 우회하여 연결하는 적어도 2개의 전력 반도체 스위치;를 구비한다. 3개의 스트링은 각각 개별 상전압 레벨을 갖는 각각 하나의 상을 제공하도록 설계된다. 충전 회로는, 충전원으로부터 AC 배터리를 충전하도록 그리고 충전 전압 레벨을 갖는 적어도 단상의 교류를 제공하도록 설계되며, 상기 충전 회로는 적어도 1개의 스위치 및 필터를 구비한다. 중앙 제어기는, 충전 중에 에너지 저장부의 각각의 충전 상태를 모니터링하고 에너지 저장부들 각각의 충전 상태의 계속된 평가에 따라 그리고 전력 반도체 스위치들의 동적 구동을 통해 상전압 레벨의 순시치를 충전 전압 레벨의 순시치의 시간 프로파일로 조정하도록 설계된다. 중앙 제어기는 추가로, 스트링들의 상호 연결에 의해 그리고 상전압 레벨과 충전 전압 레벨 간의 비교에 따라 기준 전위에 대해, AC 배터리의 출력 전압 레벨이 충전 전압 레벨과 같거나 더 높도록 AC 배터리를 구성하는 방식으로 설계된다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구성에서, 적어도 단상 교류 중 하나의 단상 교류가 충전원에 의해 제공된다. 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 상전압 레벨보다 낮은 경우, 시스템은, 3개의 스트링의 각각의 상출력을 재구성하여 AC 배터리의 단일 상출력을 형성하고, AC 배터리를 필터를 통해 직접 충전원으로부터 충전하도록 설계된다. 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 2개의 상 사이의 전압 레벨보다 낮지만 AC 배터리의 상전압 레벨과 같거나 더 높은 경우, 시스템은, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 입력을 기준 전위에 연결하고, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 상출력을 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 입력에 병렬로 연결하며, AC 배터리의 단일 상출력을 형성하도록 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 상출력을 재구성하고, 필터를 통해 직접 충전원으로부터 AC 배터리를 충전하도록 설계된다. 또한, 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 2개의 상 사이의 전압 레벨의 2배보다 낮지만 AC 배터리의 2개의 상 사이의 전압 레벨보다 높거나 AC 배터리의 2개의 상 사이의 전압 레벨과 같은 경우, 시스템은, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 입력을 기준 전위에 연결하고, 3개의 스트링 중 제1 스트링의 상출력을 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 입력에 병렬로 연결하며, AC 배터리의 단일 상출력을 형성하도록 3개의 스트링 중 다른 2개의 스트링의 각각의 상출력을 재구성하고, AC 배터리의 단일 상출력과 필터 사이에 단상 정류기를 추가로 배치하며, 단상 정류기 및 필터를 통해 충전원으로부터 AC 배터리를 충전하도록 설계된다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서, 적어도 단상 교류 중 3상 교류가 충전원에 의해 제공된다. 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 상전압 레벨보다 낮은 경우, 시스템은, 충전원의 각각의 상출력을 형성하도록 3개의 스트링의 각각의 상출력을 연결하고 필터를 통해 직접 충전원으로부터 AC 배터리를 충전하도록 설계된다. 나아가, 충전 전압 레벨이 AC 배터리의 상전압 레벨의 2배보다 낮지만 AC 배터리의 상전압 레벨과 같거나 높은 경우, 시스템은, AC 배터리의 각각의 상출력과 필터 사이에 3상 정류기를 추가로 배치하고 상기 3상 정류기 및 필터를 통해 충전원으로부터 AC 배터리를 충전하도록 설계된다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서, 중앙 제어기는 작동 시작 시 AC 배터리를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템의 또 다른 구성에서, 충전 회로는 충전 제어기에 의해 제어된다. 충전 제어기는, 작동 시작 시 충전 회로를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 포함한다.
본 발명에 따른 시스템의 일 구성에서, 프로세서 유닛은 FPGA이며, 하드웨어 프로그램으로서 FPGA 상에 VHDL 모듈을 이용하여 제어 프로그램에 의해 유한 상태 기계가 실현된다.
본 발명의 다른 이점 및 구성은 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조한다.
전술한 특징들 및 하기에 추가로 설명될 특징들은 여기에 명시된 조합뿐만 아니라 다른 방식으로 조합된 형태로 또는 단독으로도 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
도면은 일관적이고 포괄적으로 설명되며, 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호가 부여된다.
도 1은 선행 기술에 따른 AC 배터리의 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 구현예에서 상전압 레벨보다 낮은 충전 전압 레벨에서의 단상 충전 과정의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 다른 구현예에서 외부 도체 전압보다 낮은 충전 전압 레벨에서의 단상 충전 과정의 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서 외부 도체 전압의 2배보다 낮은 충전 전압 레벨에서의 단상 충전 과정의 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서 상전압 레벨보다 낮은 충전 전압 레벨에서의 3상 충전 과정의 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서 상전압 레벨의 2배보다 낮은 충전 전압 레벨에서의 3상 충전 과정의 회로도이다.
도 1은 선행 기술에 따른 AC 배터리(110)의 회로도(100)를 도시한다. AC 배터리(110)는 각각 직렬로 상호 연결된 배터리 모듈들을 가진 3개의 스트링(111, 112, 113)을 구비하며, 각각의 배터리 모듈은 적어도 1개의 에너지 저장부 및 전력 반도체 스위치를 구비한다. 전력 반도체 스위치는 각각의 배터리 모듈의 적어도 1개의 에너지 저장부를 인접한 배터리 모듈의 적어도 1개의 에너지 저장부에 직렬 또는 병렬로 상호 연결하거나, 각각의 배터리 모듈의 적어도 1개의 에너지 저장부를 우회할 수 있다(bypass). 각각의 스트링(111, 112, 113)은 각각 2개의 입력 단자 및 2개의 출력 단자를 가지며, 각각의 제1 입력 단자는 기준 전위(101)에 연결된 제1 영점(103)에서 결합된다. 각각의 제2 입력 단자는 제2 영점(104)에서 결합된다. 각각 2개의 출력 단자는 3개의 스트링(111, 112, 113)의 각각의 단일 상출력을 형성하도록 결합된다. AC 배터리(110)는 상전압 레벨(102)을 갖지만, 외부 도체 전압(105)이 각각의 2개의 스트링(111, 112, 113) 사이에, 예를 들어 스트링(112)과 스트링(111) 사이에 존재한다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 구현예에서 상전압 레벨(102)보다 낮은 충전 전압 레벨(221)에서의 단상 충전 과정의 회로도(200)를 도시한다. 단상 교류를 제공하는 충전원 또는 충전 컬럼(220)은 기준 전위(201)에 대해 충전 전압 레벨(221)을 갖는다. 충전원(220)은 이러한 목적으로 예를 들어 전력 그리드에 연결된다. 충전 회로는 배터리(110)를 충전하기 위해 닫히는 충전 스위치(206) 및 필터(230)를 포함한다. AC 배터리(110)의 3개의 스트링(111, 112, 113)은 단일 상출력을 형성하도록 결합된다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 다른 구현예에서 단상 충전 과정의 회로도(300)를 도시한다. 이 경우, 충전원(320)에 의해 제공되는 충전 전압 레벨(321)은 도 1 또는 도 2의 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)과 같거나 높지만, 그의 외부 도체 전압(105)보다는 낮다. 본 발명에 따른 재구성을 통해, 제1 스트링(311)의 입력이 기준 전위(101)에 연결되는 AC 배터리(310)가 형성된다. 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 입력이 제1 스트링(311)의 양 출력에 연결되고, 그 결과 상기 2개의 다른 스트링(312, 313)은 병렬로 연결된다. 이들의 각각의 출력은 AC 배터리(310)의 단일 상출력(303)을 형성하도록 연결된다. 이로써 AC 배터리(310)는 도 1의 AC 배터리(110)의 외부 도체 전압(105)의 레벨의 전압(302)을 가지며, 이 전압은 본 실시예에서 충전 전압 레벨(321)보다 높고, 그에 따라 AC 배터리(310) 또는 이의 중앙 제어기가 유리하게 충전 전류를 제어하는 것을 가능하게 한다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서 단상 충전 과정의 회로도(400)를 도시한다. 이 경우, 충전원(420)에 의해 제공되는 충전 전압 레벨(421)은 도 1의 AC 배터리(110)의 외부 도체 전압(105)과 같거나 더 높지만, 상기 외부 도체 전압(105)의 2배보다는 낮다. 도 3에 제시된, AC 배터리(310)를 위한 본 발명에 따른 재구성에 추가로, 충전원(420)의 충전 전압을 양의 값으로, 그에 따라 충전 전압 레벨(421)을 기준 전위(101)에 비해 절반으로 제한하는 정류기(440)가 배치된다. AC 배터리(310)의 단상 출력(303)에 인가되는 충전 전압은 {도 1의 AC 배터리(110)의 외부 도체 전압(105)에 대응하는} AC 배터리(310)의 전압 레벨(302)보다 낮고, 그에 따라 유리하게는 AC 배터리(310)가 충전 전류를 제어하는 것을 가능하게 한다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서 3상 충전 과정의 회로도(500)를 도시한다. 3상 충전원(520)에 의해 제공되는 충전 전압 레벨은 도 1의 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)보다 낮으며, 그의 각각의 스트링 출력은 각각의 상출력(511, 512, 513)을 형성하도록 결합된다. AC 배터리(110)의 이러한 상출력(511, 512, 513) 각각은 충전 스위치(506)가 닫히면 직접 필터(530)를 통해 충전원(520)의 대응 상출력(521, 522, 523)에 연결된다. 3상 충전원(520)에 의해 제공되는 충전 전압 레벨이 도 1의 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)보다 낮기 때문에, AC 배터리(110)가 충전 전류를 제어할 수 있고, 이러한 이유로, 예를 들어 정류기, 역률 보상 필터 또는 DC 컨버터와 같은, 선행 기술에 공지된 (온보드) 충전 회로의 구성요소가 유리하게 생략된다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구현예에서 3상 충전 과정의 회로도(600)를 도시한다. 이 경우, 충전원(620)에 의해 제공되는 충전 전압 레벨은 도 1의 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)의 2배보다 낮지만, 도 1의 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)과 같거나 더 높다. AC 배터리(110)의 각각의 상출력(611, 612, 613)은 도 5에 비해 추가로 배치되는 정류기(640)를 통해 충전원(620)의 대응 상출력(621, 622, 623)에 연결된다. 정류기(640)가 충전원(620)의 충전 전압을 양의 값으로, 그에 따라 이의 충전 전압 레벨을 기준 전위(101)에 비해 절반으로 제한하기 때문에, AC 배터리(110)의 각각의 상출력(611, 612, 613)에 인가되는 충전 전압이 도 1의 AC 배터리(110)의 상전압(102)보다 낮은 상황이 달성되고, 그 결과 유리하게 충전 전류가 AC 배터리에 의해 제어될 수 있다.

Claims (10)

  1. AC 배터리(110, 310)의 AC 충전 방법으로서, 상기 AC 배터리(110, 310)는 하나의 중앙 제어기와; 각각 적어도 2개의 배터리 모듈을 구비한 3개의 스트링(111, 112, 113, 311, 312, 313);을 포함하며,
    각각 적어도 2개의 배터리 모듈 중 각각 하나의 배터리 모듈은 적어도 1개의 에너지 저장부와; 각각의 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈에 직렬로 또는 병렬로 또는 우회하여 연결하는 적어도 2개의 전력 반도체 스위치;를 구비하며,
    상기 3개의 스트링(111, 112, 113, 311, 312, 313)에 의해 상전압 레벨(102)을 갖는 각각 하나의 상이 제공되며,
    AC 배터리(110, 310)는 충전 회로를 통해 충전원(220, 320, 420, 520, 620)에 의해 충전되고,
    충전원(220, 320, 420, 520, 620)에 의해 충전 전압 레벨(221, 321, 421)을 갖는 적어도 단상 교류가 제공되며,
    상기 충전 회로는 적어도 1개의 스위치(206, 506) 및 필터(230, 530)를 구비하고, 충전 중에 상기 중앙 제어기에 의해 상기 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태가 모니터링되며,
    상기 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태의 계속된 평가에 따라 그리고 상기 전력 반도체 스위치의 동적 구동에 의해, 상전압 레벨(102)의 순시치가 충전 전압 레벨(221, 321, 421)의 순시치의 시간 프로파일로 조정되고,
    AC 배터리(110, 310)는, 스트링들(111, 112, 113, 311, 312, 313)의 상호 연결에 의해 그리고 상전압 레벨(102)과 충전 전압 레벨(221, 321, 421) 간의 비교에 따라 기준 전위(101)에 대해, AC 배터리(110, 310)의 출력 전압 레벨이 충전 전압 레벨(221, 321, 421)과 같거나 더 높도록 구성되고,
    충전원(220, 320, 420)에 의해 상기 적어도 단상 교류 중 하나의 단상 교류가 제공되는 제1 경우에는,
    - 충전 전압 레벨(221)이 상전압 레벨(102)보다 낮은 경우, 3개의 스트링(111, 112, 113)의 각각의 상출력이 단일 상출력을 형성하도록 재구성되고, AC 배터리(110)는 필터(230)를 통해 직접 충전원(220)으로부터 충전되며,
    - 충전 전압 레벨(321)이 AC 배터리(110)의 2개의 상 사이의 전압 레벨(105)보다 낮지만 상전압 레벨(102)과 같거나 더 높은 경우, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 입력이 기준 전위(101)에 연결되고, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 상출력이 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 입력에 병렬로 연결되며, 3개의 스트링(311, 312, 312) 중 상기 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 상출력(303)이 AC 배터리(310)의 단일 상출력을 형성하도록 재구성되고, AC 배터리(310)는 필터(230)를 통해 직접 충전원(320)으로부터 충전되거나, 또는
    - 충전 전압 레벨(421)이 AC 배터리(110)의 2개의 상 사이의 전압 레벨(105)의 2배보다는 낮지만 AC 배터리(110)의 2개의 상 사이의 전압 레벨(105)과 같거나 더 높은 경우, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 입력이 기준 전위(101)에 연결되고, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 상출력이 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 입력에 병렬로 연결되며, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 상기 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 상출력(303)이 상기 AC 배터리의 단일 상출력을 형성하도록 재구성되고, 상기 단일 상출력과 필터(230) 사이에 단상 정류기(440)가 추가로 배치되며, AC 배터리(310)는 상기 단상 정류기(440) 및 필터(230)를 통해 충전원(420)으로부터 충전되고,
    충전원(520, 620)에 의해 상기 적어도 단상 교류 중 3상 교류가 제공되는 제2 경우에는,
    - 상기 충전 전압 레벨이 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)보다 낮은 경우, 3개의 스트링(111, 112, 113)의 각각의 상출력(511, 512, 513)이 상기 충전원(520)의 각각의 상출력(521, 522, 523)을 형성하도록 연결되며, AC 배터리(110)는 필터(530)를 통해 직접 충전원(520)으로부터 충전되거나, 또는
    - 상기 충전 전압 레벨이 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)의 2배보다는 낮지만 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)과 같거나 더 높은 경우, 각각의 상출력(611, 612, 613)과 필터(530) 사이에 3상 정류기(640)가 추가로 배치되며, AC 배터리(110)는 상기 3상 정류기(640) 및 필터(530)를 통해 충전원(620)으로부터 충전되는, 방법.
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  4. 제1항에 있어서, 상기 중앙 제어기는, 작동 시작 시 상기 AC 배터리를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 구비하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로는 충전 제어기에 의해 제어되고, 상기 충전 제어기는 작동 시작 시 상기 충전 회로를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 구비하는, 방법.
  6. AC 배터리(110, 310)의 AC 충전을 위한 시스템으로서, AC 배터리(110, 310)는 중앙 제어기와; 각각 적어도 2개의 배터리 모듈을 구비한 3개의 스트링(111, 112, 113, 311, 312, 313);을 포함하며,
    각각 적어도 2개의 배터리 모듈 중 각각 하나의 배터리 모듈은 적어도 1개의 에너지 저장부와; 각각의 배터리 모듈을 다른 배터리 모듈에 직렬로 또는 병렬로 또는 우회하여 연결하는 적어도 2개의 전력 반도체 스위치;를 구비하며,
    3개의 스트링(111, 112, 113, 311, 312, 313)은 각각의 상전압 레벨(102)을 갖는 각각 하나의 상을 제공하도록 설계되며,
    충전원(220, 320, 420, 520, 620)으로부터 AC 배터리(110, 310)를 충전하고 충전 전압 레벨(221, 321, 421)을 갖는 적어도 단상 교류를 제공하도록 충전 회로가 설계되며,
    상기 충전 회로는 적어도 1개의 스위치(206, 506) 및 필터(230, 530)를 구비하고,
    상기 중앙 제어기는, 충전 중에 상기 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태를 모니터링하고 상기 에너지 저장부들의 각각의 충전 상태의 계속된 평가에 따라 상기 전력 반도체 스위치들의 동적 구동에 의해 상전압 레벨(102)의 순시치를 충전 전압 레벨(221, 321, 421)의 순시치의 시간 프로파일로 조정하도록 설계되고,
    상기 중앙 제어기는 추가로, 스트링들(111, 112, 113, 311, 312, 313)의 상호 연결에 의해 그리고 상전압 레벨(102)과 충전 전압 레벨(221, 321, 421) 간의 비교에 따라 기준 전위(101)에 대해, AC 배터리(110, 310)의 출력 전압 레벨이 충전 전압 레벨(221, 321, 421)과 같거나 더 높은 방식으로 AC 배터리(110, 310)를 구성하도록 설계되고,
    충전원(220, 320, 420)에 의해 상기 적어도 단상 교류 중 하나의 단상 교류가 제공되는 제1 경우에는, 상기 시스템은,
    - 충전 전압 레벨(221)이 상전압 레벨(102)보다 낮은 경우, AC 배터리(110)의 단일 상출력을 형성하도록 3개의 스트링(111, 112, 113)의 각각 하나의 상출력을 재구성하고 필터(230)를 통해 직접 충전원(220)으로부터 AC 배터리(110)를 충전하도록 설계되고,
    - 충전 전압 레벨(321)이 AC 배터리(110)의 2개의 상 사이의 전압 레벨(105)보다는 낮지만 상전압 레벨(102)과 같거나 더 높은 경우, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 입력을 기준 전위(101)에 연결하고, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 상출력을 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 입력에 병렬로 연결하며, AC 배터리(310)의 단일 상출력을 형성하도록 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 상기 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 상출력(303)을 재구성하고, 필터(230)를 통해 직접 충전원(320)으로부터 AC 배터리(310)를 충전하도록 설계되며,
    - 충전 전압 레벨(421)이 AC 배터리(110)의 2개의 상 사이의 전압 레벨(105)의 2배보다는 낮지만 AC 배터리(110)의 2개의 상 사이의 전압 레벨(105)과 같거나 더 높은 경우, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 입력을 기준 전위(101)에 연결하고, 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 제1 스트링(311)의 상출력을 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 입력에 병렬로 연결하며, AC 배터리(310)의 단상 출력을 형성하도록 상기 3개의 스트링(311, 312, 313) 중 상기 다른 2개의 스트링(312, 313)의 각각의 상출력(303)을 재구성하고, 상기 단일 상출력과 필터 사이에 단상 정류기(440)를 추가로 배치하며, 상기 단상 정류기(440) 및 필터(230)를 통해 충전원(420)으로부터 AC 배터리(310)를 충전하도록 설계되고,
    충전원(520, 620)에 의해 상기 적어도 단상 교류 중 3상 교류가 제공되는 제2 경우에는, 상기 시스템은,
    - 상기 충전 전압 레벨이 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)보다 낮은 경우, 충전원(520)의 각각의 상출력(511, 512, 513)을 형성하도록 3개의 스트링(111, 112, 113)의 각각의 상출력(521, 522, 523)을 연결하고, 필터(530)를 통해 직접 충전원(520)으로부터 AC 배터리(110)를 충전하도록 설계되며,
    - 상기 충전 전압 레벨이 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)의 2배보다는 낮지만 AC 배터리(110)의 상전압 레벨(102)과 같거나 더 높은 경우, 각각의 상출력(611, 612, 613)과 필터(530) 사이에 3상 정류기(640)를 추가로 배치하고, 상기 3상 정류기(640) 및 필터(530)를 통해 충전원(620)으로부터 AC 배터리(110)를 충전하도록 설계되는, 시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서, 상기 중앙 제어기는, 작동 시작 시 상기 AC 배터리를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 포함하는, 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 상기 충전 회로는 충전 제어기에 의해 제어되고, 상기 충전 제어기는 작동 시작 시 상기 충전 회로를 구동하기 위한 제어 프로그램이 구성되는 하드웨어 프로그래머블 프로세서 유닛을 포함하는, 시스템.
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