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KR20200135407A - 전기 에너지 분배 시스템 - Google Patents

전기 에너지 분배 시스템 Download PDF

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KR20200135407A
KR20200135407A KR1020207029533A KR20207029533A KR20200135407A KR 20200135407 A KR20200135407 A KR 20200135407A KR 1020207029533 A KR1020207029533 A KR 1020207029533A KR 20207029533 A KR20207029533 A KR 20207029533A KR 20200135407 A KR20200135407 A KR 20200135407A
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KR
South Korea
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reservoir
storage
output
voltage
input
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KR1020207029533A
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English (en)
Inventor
스테판 데이비드 볼러
Original Assignee
잽고 엘티디
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 잽고 엘티디 filed Critical 잽고 엘티디
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Abstract

전원이 공급되는 객체의 충전 가능 유닛에 전기 에너지를 전달하기 위한 시스템은 ㆍ 그리드 및/또는 재생 가능한 전기 에너지의 소스로부터 전기를 전달하기 위한 적어도 하나의 입력 라인; ㆍ 선택적으로 교류를 직류로 변환하기 위해 입력 라인(들) 내에 배치된 제1 컨버터; ㆍ 입력 라인(들)에 접속되고 (a) 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 슈퍼 커패시터들 및 (b) 이로부터 출력 전압 및 전류를 전달하기 위한 수단을 포함하는 적어도 하나의 전기 에너지의 저장소; ㆍ 저장소(들)로부터의 출력 전압을 충전 가능 유닛의 충전 전압으로 승압 또는 강압하도록 구성된 적어도 하나의 제2 컨버터; 및 ㆍ시스템에 접속되고 충전 전압이 충전 가능 유닛을 충전할 수 있도록 객체에 대한 대응하는 커넥터 수단과 협업하도록 구성된 적어도 하나의 분배 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 에너지 분배 시스템
본 발명은 전원이 공급되는 객체의 충전 가능 유닛(예를 들어, 배터리 또는 슈퍼 커패시터)에 전기 에너지를 분배하기 위한 시스템에 관한 것이다.
EP 2620315호는 직류 대 직류 변환 장치의 정류를 사용하여 고전압 배터리로 방전하기 위해 고전압 링크 커패시터 상에서의 에너지 저장을 이용하는 것을 설명한다. 이것은 본원에서 설명하는 시스템과는 상당히 다르다.
US20100026248호는 슈퍼 커패시터-기반 충전 유닛으로부터 제2 슈퍼 커패시터에 의해 전원이 공급되는 휴대용 전자 디바이스로 전기 에너지를 빠르게 전달하기 위한 장치를 개시하지만, 후술하는 유형의 통합 시스템을 교시하지는 않는다.
따라서, 전원이 공급되는 객체의 충전 가능 유닛에 전기 에너지를 전달하기 위한 시스템이 제공되며,
ㆍ 그리드 및/또는 재생 가능한 전기 에너지의 소스로부터 전기를 전달하기 위한 적어도 하나의 입력 라인;
ㆍ 교류를 직류로 변환하기 위해 입력 라인(들) 내에 배치된, 선택적인(optionally) 제1 컨버터;
ㆍ 입력 라인(들)에 접속되고 (a) 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 슈퍼 커패시터들 및 (b) 이로부터 출력 전압 및 전류를 전달하기 위한 수단을 포함하는 적어도 하나의 전기 에너지의 저장소;
ㆍ 저장소(들)로부터의 출력 전압을 충전 가능 유닛의 충전 전압으로 승압(step-up) 또는 강압(step-down)하도록 구성된 적어도 하나의 제2 컨버터; 및
ㆍ 시스템에 접속되고 충전 전압이 충전 가능 유닛을 충전할 수 있도록 객체에 대한 대응하는 커넥터 수단과 협업하도록 구성된 적어도 하나의 분배 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 시스템은 운송수단 또는 로봇 서비스-스테이션으로서 명백하게 이루어지며, 여기서 복수의 슈퍼 커패시터를 포함하는 저장소는 주변 환경으로부터 저장소를 보호하는 금속 박스 등과 같은 하우징 내에 배치된다. 이는 수밀식(water-tight) 그리고 선택적으로 기밀식(air-tight)일 수 있다. 또 다른 경우, 하우징은 안전한 위치에 배치되며; 예를 들어, 지하; 선택적으로 서비스 엔지니어 또는 유사한 지식이 있는 사람이 액세스할 수 있는 검사 또는 유지 보수 해치가 있다. 다른 실시예에서, 하우징은 저장소를 감싸는(blanket) 질소와 같은 불활성 가스로 충진되고, 이에 의해 화재 손상의 위험을 최소화한다. 이는 저장소가 예를 들어, 리튬 이온 배터리 저장소와 같이 하우징되는 경우 특히 중요할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 저장소는 서로 멀리 떨어져 있는 소스와 사용자 사이에 이동식 저장소로서 에너지를 전달하기 위해 자동차, 밴(van), 트럭, 기차, 선박 또는 비행기와 같은 운송수단에 또는 운송수단 내에 장착될 수 있다.
일 실시예에서, 입력 라인은 예를 들어, 가정, 사무실 또는 산업 플랜트에 전기를 공급하는 데 일상적으로 사용되는 유형의, 국가 또는 지역 전기 그리드와 같은 전기를 제공하는 기존 물리적 인프라스트럭처에 접속된다. 이러한 종류의 환경(setting)에서 슈퍼 커패시터가 사용되는 경우, 슈퍼 커패시터 저장소는 자동차 등의 고속 충전을 제공하기 위하여 입력 라인의 전력 등급을 업그레이드하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 50 kW 충전만을 제공하도록 등급화된 입력 라인은 350 kW, 700 kW, 1000 kW 또는 심지어 더 큰 전력을 제공하도록 쉽게 업레이팅(uprated)될 수 있으므로 재충전 시간이 단축된다. 다른 실시예에서, 입력 라인은 재생 가능 에너지의 소스를 하비스팅(harvesting)함으로써 생성된 독립형(stand-alone) 친환경 전기의 소스에, 대안적으로 또는 추가적으로 접속된다. 이러한 유형의 예는 풍력 터빈, 파력 터빈, 수력 플랜트 및 태양 에너지 수집기를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 풍력 터빈 및 재생 에너지와 같은 다른 가변 발전 자산의 경우, 고전력으로 전기 에너지를 받은 다음 해당 에너지를 저전력으로 그리드에 전달하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 풍력 터빈은 900 kW로 전기 에너지를 생성할 수 있으며, 이는 150 kW 미만에서 나중에 그리드에 분배하기 위해 슈퍼 커패시터 저장소에서 캡처할 수 있다. 이러한 유연성은 이러한 자산의 인프라스트럭처를 단순화할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 재생 가능 에너지의 소스는 본 발명의 시스템과 통합되고 이와 함께 위치되거나 근처에 배치되는 소스이다.
일 실시예에서, 재생 가능 에너지의 소스는 또한 그리드에 접속되어 있는 입력 라인과 연관되어 사용되어, 이로부터 도출된 전기 에너지가 저장소(들)가 완전히 충전되었지만 재생 가능 에너지 소스가 여전히 전기를 생성하고 있는 경우 스위칭 유닛에 의해 그리드로 전환될 수 있게 한다. 이러한 스위칭 유닛은 또한 그리드에 대한 수요가 높을 때 보충을 위해 저장소로부터의 전기가 그리드로 반환될 수 있게 하도록 구성될 수 있다. 저장소는 이러한 방식으로 차별적인 인-피크(in-peak) 및 오프-피크(off-peak) 가격이 존재하는 에너지 차익 거래에 사용될 수 있다. 이러한 수단에 의해, 본 발명의 복수의 시스템은 전기 에너지 저장의 분산된 수단을 생성하기 위해 다양한 위치에 배치될 수 있어; 그리드 자체가 소비자에 의해 이루어진 요구를 더 잘 관리할 수 있게 한다.
전기가 솔라 패널에 의해 생성되는 경우, 이러한 패널은 임의의 편리한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 특히 이를 위해 예약된 인접 구역에 있는 서비스 스테이션의 경우이다. 대안적으로, 이는 시스템과 연관된 건물; 예를 들어, 가정용 주택 또는 운송수단 서비스 스테이션과 같은 소매 건물과 통합될 수 있다. 이러한 후자의 관점에서, 시스템은 예를 들어, 통상의 탄화수소 연료 또는 수소 또는 암모니아와 같은 미래형 연료를 분배하는 통상의 서비스 스테이션에 위치될 수 있다. (후술하는 바와 같은) 불연성 전해질(non-flammable electrolytes)을 갖는 셀을 포함하는 저장소의 본질적인 안전성은 동일한 설비에서 연료 목적으로 고압 수소 가스가 분배되는 경우 특히 유용하다.
저장소의 상류(upstream)에, 그리드 및/또는 재생 에너지의 터빈-기반 소스로부터의 교류를 직류로 변환하기 위한 제1 컨버터가 입력 라인 내에 선택적으로 배치될 수 있다. 재생 가능 에너지 소스가 직류인 경우(예를 들어, 솔라 패널로부터), 제1 컨버터는 모두 생략될 수 있다. 이의 요구되는 듀티(duty)에 대해 등급이 지정되는 경우 통상의 유형의 전류 컨버터 중 임의의 것이 채용될 수 있다.
저장소에서 채용되는 슈퍼 커패시터는 원칙적으로 주기적 재충전 기준으로 상당한 양의 전하를 수용, 유지 및 분배할 수 있는 임의의 유형일 수 있다. 이와 관련하여, 시스템의 요건을 충족시키도록 크기가 스케일링될 수 있는 이러한 많은 옵션이 시장에서 이용 가능하다. 하나의 바람직한 실시예에서, 슈퍼 커패시터는 핵심 구성 요소로서 탄소 전극(선택적으로 그래핀, 흑연질 탄소 및/또는 탄소 나노튜브와 같은 나노탄소-전도성 성분을 포함); 불연성 및 중간 이온-투과성 중합체 멤브레인인 이온성 액체 전해질(예를 들어, 헤테로고리 질소 또는 인 염기의 염)을 포함하는 셀을 포함할 수 있다. 이러한 슈퍼 커패시터에 적절한 구성 파트에 대한 추가 정보에 대해, 배터리-충전기와 함께 사용하기 위해 개발된 GB2532246호에 설명된 이러한 슈퍼 커패시터 셀에 주목하지만; 이러한 특정 유형의 셀에 대한 참조는 한정적인 것으로 해석되어서는 안된다.
하나의 대안적인 실시예에서, 저장소는 적어도 하나의 리튬 이온 배터리 셀 및 이들 구성 요소가 서로 인터리빙(interleaved)되는 배열에서 불연성 전해질을 채용하는 적어도 하나의 슈퍼 커패시터 셀로 구성될 수 있다. 저장소는 또한 저온의 영향을 완화시키거나 냉각을 통해 성능 또는 수명을 개선하기 위해 그 내부에 포함된 셀을 가열 또는 냉각시키는 장치를 포함할 수 있다. 이는 전기 히터 또는 팬-기반 에어-컨디셔닝 유닛을 포함할 수 있다.
각각의 저장소는 예를 들어, 자동차, 로봇 등과 같은 충전될 객체에 대해 대응하는 커넥터 수단과 협업하고 전기적 경로를 형성하도록 설계된 적어도 하나의 분배 수단에 접속된다. 예를 들어, 분배 수단 및 커넥터는 함께 핀-플러그(pin-plug) 및 소켓 배열을 포함할 수 있다. 이에 의해, 객체의 충전 가능 유닛이 충전될 수 있다. 일 실시예에서, 충전 가능 유닛은 하나 이상의 리튬-이온 배터리를 포함하거나 이로 구성된다. 다른 실시예에서, 충전 가능 유닛은 하나 이상의 슈퍼 커패시터를 포함하거나 이로 구성된다. 또 다른 실시예에서, 충전 가능 유닛은 적어도 하나의 리튬-이온 배터리 및 적어도 하나의 슈퍼 커패시터로 구성된 하이브리드이다. 하나의 바람직한 실시예에서, 충전 가능 유닛은 전원이 공급되는 자동차의 구성 요소 또는 파트를 포함한다. 다른 바람직한 실시예에서, 충전 가능 유닛은 전원이 공급되는 자동차를 충전하는 데 필요한 인프라스트럭처의 파트를 포함한다.
저장소와 각각의 분배 수단 사이에는 저장소 출력이 최종 사용자 요건을 충족시키도록 맞춤화되는 것을 보장하는 제2 컨버터가 배열된다. 이러한 제2 컨버터는 하나 이상의 변압기, 전류 컨버터, 인버터, 에너지 제어기, 배터리 관리 시스템 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 저장소의 DC 전압 출력을 객체의 충전 요건과 호환 가능한 레벨로 승압 또는 강압하도록 설계된 DC-DC 컨버터가 채용된다. 예를 들어, 자동차의 경우, 이는 통상적으로 수백 볼트 범위; 예를 들어, 250 볼트 내지 1500 볼트, 250 볼트 내지 350 볼트, 750 볼트 내지 1500 볼트 또는 바람직하게는 350 볼트 내지 750 볼트 범위로의 전압 변환을 필요로 할 것이다. 다른 실시예에서, 인버터가 저장소의 DC 출력을 충전 중인 객체에 대한 AC 입력으로 변환하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 저장소의 개별 에너지 저장 요소는 직렬로 배열되어 저장소 출력의 전압을 높일 수 있다.
시스템은 또한 선택적으로 저장소의 충전 상태의 관리 및 보고 및/또는 결함의 검출을 위한 마이크로프로세서-기반 제어 유닛을 포함할 수 있다. 이는 또한 시스템 자체 내의 원격 위치 또는 예를 들어 시스템에 액세스하려는 사용자; 예를 들어, 필요한 양의 전기를 준비하고 공급할 수 있는 서비스 스테이션을 찾는 운전자에게 이러한 정보를 송신하기 위한 무선 송신기를 포함할 수 있다. 또한 시스템은 소비자에게 제시할 가격을 결정하기 위해 에너지 시장 또는 공급자와 접촉할 수 있다. '대기열 건너 뛰기(queue skipping)' 또는 충전 속도 측면에서 차별적인 우선화를 위해 복수의 가격이 시스템에 의해 소비자에게 제시될 수 있다.
본 발명에 따른 모듈식 시스템은 이하와 같이 구성될 수 있다:
ㆍ 우리의 이전 출원 EP3427281호에 설명되고 나노탄소-함유 애노드 및 캐소드와 이온성 액체 전해질로 구성된 유형의 슈퍼 커패시터 셀이 준비된다. 각각의 셀은 최대 전압에서 달성되는 최대 저장 에너지 용량을 갖는다. 셀은 0 V와 이러한 최대 전압 사이에서 충전 및 방전될 수 있다. 모든 셀에 대해 수십만 또는 수백만 사이클의 수명을 보장하기 위해, 이는 가장 바람직하게는 제한된 전압 범위에서 충전 및 방전된다. 이러한 전압 범위는 예를 들어, 최대 전압의 10 % 내지 90 %일 수 있다. 0.5 C 내지 100 C에 등가인 출력 전류가 가능하며, 여기서 C는 1 시간 동안 시스템을 완전히 방전시키는 데 필요한 전류이다. 예를 들어, 350 kW로 차량을 충전시키기 위한 시스템은 3 C 내지 10 C에서 충전 및 방전될 수 있다.
ㆍ 이러한 셀의 팩은 서로 병렬로 접속되어 상당히 감소된 임피던스를 갖는 중간 전원 팩을 생성하여 개별 셀과 동일한 전압 범위에서 전력 전달을 향상시킨다. 팩은 셀 출력 전류에 팩의 셀 수를 곱한 것과 등가의 출력 전류를 갖는다.
ㆍ 이러한 팩은 직렬로 접속되어 팩의 누적 전압 범위에 걸쳐 팩의 누적 저장 에너지 용량을 갖는 모듈을 생성한다. 이러한 모듈은 개별 팩과 동일한 출력 전류를 갖는다.
ㆍ 모듈은 포함된 모듈의 누적 전압 범위에서 동작하는 모듈의 누적 저장 에너지 용량을 갖는 2차 전력 장치를 생성하기 위해 랙 어셈블리(rack assembly)에 직렬로 배열된다. 이러한 2차 전력 유닛은 포함된 팩 및 모듈과 동일한 출력 전류를 갖는다.
ㆍ 2차 전력 유닛은 병렬로 접속되어 2차 전력 유닛과 동일한 전압 범위에서 동작하는 포함된 2차 전력 유닛의 누적 저장 에너지 용량을 갖는 1차 전력 유닛을 생성한다. 동작 전류는 2차 전력 유닛에 대한 누적 합계이다.
ㆍ 1차 전력 유닛은 에너지 전달 시스템, 예를 들어, 운송수단 충전기에 최적의 입력을 제공하는 방식으로 배열된다. 이는 직렬로 배열된 이러한 유닛의 '스트링' 형태일 수 있다.
그 후, 1차 전력 유닛은 더 넓은 설비; 예를 들어, 자동차 서비스 스테이션의 요건에 따라 접속 및 구성될 수 있다.
상술한 모듈식 시스템은 다양한 범위의 설치 크기에 대해 광범위한 출력 조건을 제공하도록 구성될 수 있다. 이는 자동차 충전, 그리드 레벨 피크-셰이빙(peak-shaving), 로드-레벨링, 재생 가능 전기 생성 자산의 출력 감쇠, 원격 에너지 전달 등과 같은(하지만, 이에 한정되지 않음) 광범위한 어플리케이션에 대한 유연성 및 적용성 측면에서 이점을 제공한다. 이는 또한 입력 에너지가 생성되어 시스템으로 송신되는 방식에 의해 소비자 경험이 영향을 받지 않도록 광범위한 입력 조건으로부터 동일한 출력을 제공하도록 구성될 수 있다.

Claims (20)

  1. 전원이 공급되는 객체의 충전 가능 유닛에 전기 에너지를 전달하기 위한 시스템으로서,
    ㆍ 그리드 및/또는 재생 가능한 전기 에너지의 소스로부터 전기를 전달하기 위한 적어도 하나의 입력 라인;
    ㆍ 교류를 직류로 변환하기 위해 상기 입력 라인(들)에 부착된, 선택적인 제1 컨버터;
    ㆍ 상기 입력 라인(들)에 접속되고, (a) 직렬 또는 병렬로 배열된 복수의 슈퍼 커패시터들 및 (b) 이로부터 출력 전압 및 전류를 전달하기 위한 수단을 포함하는 적어도 하나의 전기 에너지의 저장소;
    ㆍ 상기 저장소(들)로부터의 상기 출력 전압을 상기 충전 가능 유닛의 충전 전압으로 승압 또는 강압하도록 구성된 적어도 하나의 제2 컨버터; 및
    ㆍ 상기 시스템에 접속되고 상기 충전 전압이 상기 충전 유닛을 충전할 수 있도록 상기 객체에 대한 대응하는 커넥터 수단과 협업하도록 구성된 적어도 하나의 분배 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 저장소에 저장된 전기 에너지가 상기 그리드로 전달될 수 있도록 상기 저장소의 상류에 위치된 스위칭 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 커패시터들은 탄소 전극들, 이온성 액체 전해질 및 중간 이온-투과성 중합체 멤브레인으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저장소는,
    적어도 하나의 리튬-이온 배터리 셀 및 불연성 전해질을 채용하는 적어도 하나의 슈퍼 커패시터 셀로 구성되고,
    상기 배터리 셀(들) 및 슈퍼 커패시터(들) 셀들은 서로 인터리빙(interleaving)되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저장소는 외부 환경으로부터의 보호를 제공하는 하우징에 위치되고, 상기 하우징은 선택적으로 지하에, 수밀식(water-tight) 및/또는 기밀식(air-tight)으로 위치되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하우징은 또한 상기 저장소를 감싸기 위한 불활성 가스 또는 불연성 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 컨버터는 상기 저장소의 상기 출력 전압을 250 V 내지 1500 V 범위의 직류 전압으로 조절하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 컨버터는 상기 저장소의 상기 출력 전압을 250 V 내지 350 V 범위의 직류 전압으로 조절하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 컨버터는 상기 저장소의 상기 출력 전압을 700 V 내지 1500 V의 전압으로 조절하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장소의 충전 상태 및/또는 결함들의 검출을 관리 및 보고하기 위한 마이크로프로세서-기반 제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    정보를 상기 시스템이 있는 위치들 또는 외부 사용자에게 송신하기 위한 무선 송신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    풍력 터빈, 수력 터빈, 수력 전기 유닛 또는 태양 전력 디바이스 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장소는 원격 위치에서 에너지를 전달하기 위해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 저장소는 자동차, 밴(van), 트럭, 기차, 선박, 보트, 비행기 또는 다른 운송 모드 상에 장착되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장소로부터의 DC 출력을 상기 충전 가능 유닛에 대한 AC 입력으로 변환하기 위해 인버터가 사용되는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템으로부터의 출력 전력은 상기 그리드 및/또는 상기 재생 가능한 에너지의 소스로부터의 입력 전력보다 높은 것을 특징으로 하는, 시스템.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그리드 및/또는 상기 재생 가능한 에너지의 소스로부터 상기 시스템으로의 상기 입력 전력은 상기 출력 전력보다 높은 것을 특징으로 하는, 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    350 kW 이상의 출력을 생성할 수 있는 상기 충전 가능 유닛에 입력을 제공하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    700 kW 이상의 출력을 생성할 수 있는 상기 충전 가능 유닛에 입력을 제공하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    1000 kW 출력을 생성할 수 있는 상기 충전 가능 유닛에 입력을 제공하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
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