KR101443706B1 - 고전력 부하 장치를 포함하는 마이크로 하이브리드 차량용 배터리 시스템 - Google Patents

고전력 부하 장치를 포함하는 마이크로 하이브리드 차량용 배터리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관을 탑재한 차량용 배터리 시스템에 관한 것으로서, 배터리 시스템은 하나 이상의 스타터 회로와, 저전압 전기 시스템과, 고전압 전기 시스템을 포함한다. 스타터 회로는 제1 배터리(10)와, 이 제1 배터리(10)와 연결되거나 연결 가능한 스타터(11)를 포함하며, 스타터는 스타터 신호에 기초하여 내연기관을 시동하도록 형성된다. 저전압 전기 시스템은, 제1 전압을 생성하여 저전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 제2 배터리(15)와, 하나 이상의 전기 부하 장치(14-2)를 포함한다. 고전압 전기 시스템은, 제1 전압보다 더 높은 제2 전압을 생성하여 저전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 제3 배터리(20)와, 내연기관에 의해 구동될 수 있고 제2 전압보다 더 높은 제3 전압을 생성하여 고전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 전기 제너레이터(13-2)를 포함한다. 고전압 전기 시스템은 제1 커플링 유닛(16)을 통해 저전압 전기 시스템과 연결되며, 제1 커플링 유닛은 고전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 저전압 전기 시스템으로 공급하도록 형성된다. 저전압 전기 시스템은 제2 커플링 유닛(17)을 통해 스타터 회로와 연결되고, 제2 커플링 유닛은 저전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 스타터 회로로 공급하도록 형성된다. 그 외에도 본 발명의 대상은 대응하는 배터리 시스템을 장착한 자동차이다.

Description

고전력 부하 장치를 포함하는 마이크로 하이브리드 차량용 배터리 시스템{BATTERY SYSTEM FOR MICRO-HYBRID VEHICLES COMPRISING HIGH-EFFICIENCY CONSUMERS}
본 발명은 수많은 다양한 유형의 전기 부하 장치에 단일 작동 전압을 공급하는 자동차용 배터리 시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 대응하는 배터리 시스템을 장착한 자동차에 관한 것이다.
내연기관을 장착한 자동차에서 내연기관을 위한 전기 시동 전동기 또는 전기 스타터뿐 아니라 자동차의 추가 전기 장치에 전기를 공급하기 위해 표준에 따라 14V로 작동되는 이른바 전기 시스템이 제공된다(도 1 참조). 내연기관(미도시)을 시동할 시에, 전기 공급을 위해 제공되는 스타터 배터리(10)의 충전 상태에 따른 전압이 전기 시스템을 통해 (도 1의 실시 예에서: 적절한 스타터 신호에 의해 스위치(12)가 폐쇄되면) 내연기관을 시동하는 스타터(11)로 제공된다. 내연기관이 시동되면, 내연기관은 전기 제너레이터(13-1)("다이나모(dynamo)")를 구동하며, 그런 다음 전기 제너레이터는 약 14V의 전압을 생성하여 전기 시스템을 통해 자동차 내 다양한 전기 부하 장치(14-1)로 제공한다. 이때 전기 제너레이터(13-1)는 시동 과정을 통해 부하가 발생한 스타터 배터리(10)를 다시 충전한다.
현재 이른바 마이크로-하이브리드 자동차가 가까운 미래에 널리 보급될 것으로 기대되고 있다. 상기 등급의 자동차는 "순수" 하이브리드 자동차와는 다르게 구동을 위해 내연기관만 포함한다. 그럼에도, 예컨대 제동 시에 운동 에너지를 전기 형태로 회수(회생)하기 위한 장치들이 제공된다. 그러나 이처럼 전기 형태로 회수되는 에너지는 구동을 위해 이용되는 것이 아니라, 특히 내연기관에 의해 작동되는 전기 제너레이터를 가능한 덜 이용하도록 하기 위해 자동 시동-정지 장치(automatic start-stop device) 및 기타 전기 서브 시스템을 위해 이용되며, 이런 점은 내연기관의 부하와 그에 따른 내연기관의 연료 소모량을 감소시킨다.
그러나 오늘날 이미 양산되고 있는 마이크로-하이브리드 자동차는 통상적으로 이용되는 납 축전지의 수명과 관련하여 심각한 문제가 있는데, 그 이유는 상기 납 축전지가 종래의 자동차에 비해 상당한 추가 전하 유동률이 가해지기 때문이다. 이에 대한 원인은, 전기 부하 장치가 내연기관이 작동 정지되는 정지 단계(stop phase) 동안 배터리로부터 전기를 공급받아야 한다는 점에 있다. 다른 한편으로 이처럼 더욱 빠르게 방전되는 배터리는 비교적 짧은 회생 단계 동안 다시 충전되며, 이런 점은 재차 배터리에 부하가 가해짐을 의미한다. 그로 인해 마이크로 하이브리드 차량에서 배터리는 부분적으로 2년의 수명을 밑돌게 된다. 이처럼 자주 요구되는 배터리 교환은 자동차의 신뢰성과 관련한 문제를 초래하며, 고객에게는 불쾌감을 주게 된다.
최신 장비를 갖춘 자동차에서 추가의 문제는, 14V에서 작동되는 전기 시스템에서 예컨대 전기식 에어컨 컴프레셔 또는 전기식 난방 시스템과 같은 전기식 고전력 부하 장치로의 전기 공급이 문제가 된다는 점에 있는데, 그 이유는 상기 부하 장치가 비교적 낮은 전압으로 인해, 필요한 출력을 제공하기 위해, 매우 높은 전류를 공급받아야만 하기 때문이다.
따라서 본 발명은 이용되는 배터리가 더욱 긴 수명을 가지면서 고전력 부하 장치들로의 전기 공급에 더욱 적합한 전기 시스템 및 배터리 시스템을 각각 제공한다.
본 발명의 제1 관점은 내연기관을 탑재한 차량용 배터리 시스템을 제공하되, 배터리 시스템은 하나 이상의 스타터 회로와, 저전압 전기 시스템과, 고전압 전기 시스템(electrical system with increased voltage)을 포함한다. 스타터 회로는 제1 배터리와, 이 제1 배터리와 연결되거나 연결 가능하며 스타터 신호에 기초하여 내연기관을 시동하도록 형성되는 스타터를 포함한다. 저전압 전기 시스템은, 제1 전압을 생성하여 저전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 제2 배터리와, 하나 이상의 전기 부하 장치를 포함한다. 고전압 전기 시스템은, 제1 전압보다 더 높은 제2 전압을 생성하여 고전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 제3 배터리와, 내연기관에 의해 작동될 수 있으면서 제2 전압보다 더 높은 (그에 따라 제3 배터리를 위한 충전 전압으로서 이용될 수 있는) 제3 전압을 생성하여 고전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 전기 발전기를 포함한다. 고전압 전기 시스템은 제1 커플링 유닛을 통해 저전압 전기 시스템과 연결되고, 제1 커플링 유닛은 고전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 저전압 전기 시스템으로 공급하도록 형성된다. 저전압 전기 시스템은 제2 커플링 유닛을 통해 스타터 회로와 연결되고, 제2 커플링 유닛은 저전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 스타터 회로로 공급하도록 형성된다.
본 발명의 장점으로서 바람직하게는, 또한 저전압 전기 시스템에 의해서, 낮은 (제1) 전압에 적합하게 구성된 전기 부하 장치들도 작동될 수 있다. 그러나 고전력 부하 장치를 위해서는, 상대적으로 더욱 높은 제3 전압을 바탕으로 상대적으로 더욱 낮은 전류를 고전력 부하 장치들로 공급할 수 있는 고전압 전기 시스템이 이용된다. 또한, 스타터 회로는 저전압 전기 시스템으로부터 분리되고, 그에 따라 스타터 회로와 저전압 전기 시스템은 각각 자체의 배터리를 이용한다. 그럼으로써 저전압 전기 시스템은 안정화되고 마이크로 하이브리드 차량의 자동 시동-정지 장치를 바탕으로 빈번하게 발생하는 시동 과정에 대해 더욱 둔감해진다. 따라서 특히 저전압 전기 시스템의 전압은 시동 시에 전혀 강하되지 않거나 적어도 분명히 더욱 적게 강하되며, 이런 점은 저전압 전기 시스템 내에서 작동되는 전기 부하 장치의 완벽하고 그에 따라 확실한 기능을 보장한다.
또한, 고전압 전기 시스템도 자체의 배터리를 포함하며, 그럼으로써 고전력 부하 장치들의 작동도 전기 제너레이터가 활성화 상태가 아닐 수도 있는 정지 단계 동안 보장되게 된다.
전기 발전기는 본 발명에 따라 고전압 전기 시스템 내에 배치되며, 내연기관의 시동이 이루어진 후에는 제2 또는 제1 배터리의 충전을 위해 적어도 부분적으로 저전압 전기 시스템 및 스타터 회로에 공급될 수도 있는 전기 에너지를 고전압 전기 시스템으로 공급한다. 여기서 고전압 전기 시스템 내 전기 제너레이터의 배치는, 전기 에너지가 고전압 전기 시스템 내에서 생성되고 이 전기 시스템 내에 최대 부하 장치가 배치된다는 장점이 있다. 전기 에너지 중 적은 부분만이 커플링 유닛을 통해 저전압 전기 시스템으로 공급되기만 하면 되고, 이런 점은 전체 어셈블리의 효율을 향상시킨다. 스타터 회로와 저전압 전기 시스템은 다시 별도의 배터리를 각각 포함하며, 이들 배터리는 저전압 전기 시스템의 전기 부하 장치와 스타터에 각각 필요한 전기 전력을 국소적으로 공급하면서 전력 피크를 완화시킬 수 있으며, 그럼으로써 커플링 유닛은 부하가 경감된다.
특히 바람직한 경우는 제1, 제2 또는 제3 배터리 중 하나 이상의 배터리가 리튬-이온 배터리인 배터리 시스템이다. 리튬-이온 배터리들은 예컨대 납 축전지보다 더욱 많은 에너지량을 지정된 용적에 저장할 수 있다. 여기서 특히 바람직하게는 제1 및 제2 커플링 유닛은 내연기관의 시동이 이루어진 후에 저전압 전기 시스템 및 고전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 스타터 회로 또는 저전압 전기 시스템으로 공급하며, 그에 따라 제1 또는 제2 배터리를 위한 충전 장치로서 기능한다. 이처럼 본 발명의 바람직한 실시 예에서 제1 및/또는 제2 배터리는 리튬-이온 배터리로서 형성되고 그에 따라 과전압에 대해 민감하기 때문에 특별한 방식으로 충전되어야 한다. 리튬-이온 배터리들의 추가적인 장점은, 이들 리튬-이온 배터리들이 상당히 많은 횟수의 충전 주기를 극복할 수 있고 그에 따라 마이크로 하이브리드 자동차의 신뢰성을 증대시킬 수 있다는 점에 있다.
고전압 전기 시스템은 하나 이상의 고전력 부하 장치, 예컨대 전기식 에어컨 컴프레셔, 전기식 난방 시스템 또는 전기 모터를 포함할 수 있다. 저전압 전기 시스템의 하나 이상의 전기 부하 장치는 예컨대 스테레오 장치, 내비게이션 장치 또는 파워 윈도우일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 다이오드가 제공되고, 다이오드의 애노드는 저전압 전기 시스템과 연결되고 다이오드의 캐소드는 스타터 회로와 연결된다. 스타터 회로 내 전압이 내연기관의 시동 시에 높은 부하로 인해 감소한다면, 다이오드는 자동으로 전도(conduction)를 개시하며, 그리고 제2 배터리를 제1 배터리에 대해 병렬로 연결하면서 스타터 회로의 전압을 안정화시킨다. 다이오드는 제2 커플링 유닛보다 훨씬 더 높은 전류를 유도할 수 있기 때문에, 제2 커플링 유닛은 스타터 회로 내 전압을 목표한 바대로 안정화시키지 못할 수도 있다.
제1 배터리는 제1 전압을 생성하여 스타터 회로로 출력하도록 형성될 수 있다. 그럼으로써 스타터 회로 내 전압과 저전압 전기 시스템 내 전압은 동일하게 선택되고, 이런 점은 특히 앞서 언급한 다이오드를 포함한 실시 예와 관련하여 바람직하다. 그 외에도 낮은 제1 전압에 적합하게 구성되는 검증된 스타터는 또한 본 발명에 따른 배터리 시스템에서 이용될 수 있다.
바람직하게는 제1 커플링 유닛 및/또는 제2 커플링 유닛은 DC/DC 컨버터이다.
제1 전압은 10V와 15V 사이일 수 있다. 이런 전압 범위는 자동차 공학에서 가용한 수많은 전기 시스템과의 호환성을 보장한다. 동일한 이유에서 제1 전압은 바람직하게는 스타터 회로를 위해서도 제공된다.
제2 전압은 바람직하게는 24V와 45V 사이이다. 이런 전압 범위는 고전력 부하 장치들에 필요한 전기 전력을 간단하게 공급하는 것을 허용하지만, 고전압으로 인해 수리의 경우 유지보수 직원을 위태롭게 하거나 사고의 경우 구급대원 또는 차량 승객을 위태롭게 하는 정도로 전압을 상승시키지는 않는다. 또한, 제2 전압이 대략 제1 전압의 2배와 3배 사이에 상당하면서, 고전압 전기 시스템은 저전압 전기 시스템과 간단하게 연결될 수 있고, 제2 전압에서 제1 전압으로의 전환은 우수한 효율로써 이루어질 수 있다.
본 발명의 제2 관점은 본 발명의 제1 관점에 따른 배터리 시스템과 내연기관을 장착한 자동차에 관한 것이다. 자동차는 바람직하게는 마이크로 하이브리드 자동차로서 형성된다.
상기 구성에 의하여, 배터리가 더욱 긴 수명을 가지면서 고전력 부하 장치들로의 전기 공급에 더욱 적합한 전기 시스템 및 배터리 시스템을 각각 제공할 수 있게 된다.
본 발명은 다음에서 실시 예들의 도면들에 따라 더욱 상세하게 설명된다. 여기서 동일하거나 유사한 도면 부호는 동일하거나 유사한 부재를 식별 표시한다.
도 1은 종래 기술에 따른 배터리 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 실시 예를 도시한 회로도이다.
도 2에는 본 발명에 따른 배터리 시스템의 실시 예가 도시되어 있다. 바람직하게는 리튬-이온 배터리로서 형성된 제1 배터리(10)는 스타터 회로로 바람직하게는 10V 내지 15V의 전압을 공급하되, 정확한 전압은 제1 배터리(10)의 충전 상태에 따라 결정된다. 제1 배터리(10)와는 스타터(11)가 연결되며, 이 스타터는 내연기관(미도시)을 시동하도록 형성된다. 스타터 신호에 의해 제어되는 스위치(12)가 스타터(11)와 직렬로 연결된다. 스위치(12)가 닫히면, 스타터(11)가 활성화되고 전류는 제1 배터리(10)로부터 스타터(11)를 통해 흐른다. 제1 배터리(10)에 추가로 부하를 가하지 않도록 하기 위해, 바람직하게는 스타터(11)에 대해 병렬로 추가의 전기 부하 장치가 제공되지 않는다. 스타터 회로는 일 실시 예로 DC/DC 컨버터로서 형성된 커플링 유닛(17)을 통해 저전압 전기 시스템과 연결된다. 커플링 유닛(17)은 저전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 스타터 회로로 제공하며, 그럼으로써 제1 배터리(10)가 다시 충전된다. 선택적으로, 스타터 회로 내 전압이 저전압 전기 시스템의 전압 미만으로 떨어지는 경우 스타터 회로와 저전압 전기 시스템을 연결하는 다이오드(18)가 제공될 수 있다.
저전압 전기 시스템은 자체 배터리, 즉 바람직하게는 리튬-이온 배터리로서 형성되고 바람직하게는 10V 내지 15V의 전압을 생성하도록 구성되는 제2 배터리(15)를 포함한다. 그 외에도 저전압 전기 시스템 내에는 10V 내지 15V의 전압 조건에서 작동하도록 구성되는 하나 이상의 전기 부하 장치(14-2)가 제공된다. 상기 전기 부하 장치에 대한 실례는 내비게이션 장치 등일 수 있다. 저전압 전기 시스템은 일 실시 예로서, 마찬가지로 DC/DC 컨버터로서 형성된 추가의 커플링 유닛(16)을 통해 고전압 전기 시스템과 연결된다. 고전압 전기 시스템은 바람직하게는 24V 내지 45V의 전압을 생성하는 제3 배터리(20)를 포함한다. 고전압 전기 시스템은 추가의 전압 공급원으로서 전기 제너레이터(13-2)를 포함하며, 이 전기 제너레이터는 (시동된) 내연기관에 의해 작동되고, 바람직하게는 30V 내지 45V의 전압, 그러나 더욱 바람직하게는 제3 배터리의 전압보다 더 높은 전압을 생성하도록 형성된다. 추가의 커플링 유닛(16)은 고전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 저전압 전기 시스템으로 공급하도록 형성되며, 그럼으로써 제2 배터리(15)가 충전되고 하나 이상의 전기 부하 장치(14-2)의 작동을 위해 필요한 전력이 제공된다. 그에 반해, 고전압 전기 시스템은, 비교적 높은 전기 전력을 소모하며, 그로 인해, 필요한 전류를 감소시키기 위하여 본 발명에 따른 제3 배터리 또는 전기 제너레이터(13-2)에 의해 생성되는 더욱 높은 전압에 의해 더욱 간단하게 작동되는 전기 부하 장치를 포함한다. 도 2에는 상기 고전력 부하 장치(19)가 예시로서 도시되어 있다. 이 고전력 부하 장치는 예컨대 전기식 에어컨 컴프레셔 또는 난방 시스템일 수 있다.
자명한 사실로서 특히 제1 커플링 유닛(16)과 상황에 따라서는 제2 커플링 유닛(17)은 양방향 전하 이동이 가능하도록 형성될 수 있다. 이와 같은 본 발명의 실시 예는 개별 배터리들 또는 전기 시스템들 사이에서 필요에 따라 전하를 전송하도록 허용한다.
따라서 본 발명은, 내연기관을 탑재한 자동차, 바람직하게는 마이크로 하이브리드 자동차를 위한 전기 시스템 또는 배터리 시스템에 있어서, 고전력 부하 장치들에 대한 전기 공급에 보다 더 적합하면서 종래 기술에 따른 해결 방법보다 더욱 높은 신뢰성을 갖는 전기 시스템 또는 배터리 시스템을 제공한다.

Claims (12)

  1. 내연기관을 탑재한 차량용 배터리 시스템으로서,
    상기 배터리 시스템은 적어도
    제1 배터리(10)와, 상기 제1 배터리(10)와 연결되거나 연결 가능하며 스타터 신호에 기초하여 내연기관을 시동하도록 형성되는 스타터(11)를 구비한 스타터 회로;
    제1 전압을 생성하여 저전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 제2 배터리(15)와, 하나 이상의 전기 부하 장치(14-2)를 구비한 상기 저전압 전기 시스템;
    상기 제1 전압보다 더 높은 제2 전압을 생성하여 고전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 제3 배터리(20)와, 상기 내연기관에 의해 작동될 수 있고 제2 전압보다 더 높은 제3 전압을 생성하여 상기 고전압 전기 시스템으로 출력하도록 형성되는 전기 제너레이터(13-2)를 구비한 상기 고전압 전기 시스템;을 포함하며,
    상기 고전압 전기 시스템은 제1 커플링 유닛(16)을 통해 상기 저전압 전기 시스템과 연결되고, 상기 제1 커플링 유닛은 상기 고전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 상기 저전압 전기 시스템으로 공급하도록 형성되며,
    상기 저전압 전기 시스템은 제2 커플링 유닛(17)을 통해 상기 스타터 회로와 연결되고, 상기 제2 커플링 유닛은 상기 저전압 전기 시스템으로부터 전기 에너지를 인출하여 상기 스타터 회로로 공급하도록 형성되는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 배터리(10), 제2 배터리(15) 또는 제3 배터리(20) 중에서 적어도 하나 이상의 배터리는 리튬-이온 배터리로서 형성되는, 배터리 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고전압 전기 시스템은 하나 이상의 고전력 부하 장치(19)를 포함하는, 배터리 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저전압 전기 시스템의 상기 하나 이상의 전기 부하 장치(14-2)는 스테레오 장치, 내비게이션 장치, 및 파워 윈도우 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다이오드(18)를 포함하며, 상기 다이오드의 애노드는 상기 저전압 전기 시스템과 연결되고 상기 다이오드의 캐소드는 스타터 회로와 연결되는, 배터리 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 배터리(10)는 상기 제1 전압을 생성하여 상기 스타터 회로로 출력하도록 형성된, 배터리 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 커플링 유닛(16) 및 상기 제2 커플링 유닛(17) 중 적어도 하나는 DC/DC 컨버터인, 배터리 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 전압은 10V와 15V 사이인, 배터리 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 전압은 24V와 45V 사이인, 배터리 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 따른 배터리 시스템과 내연기관을 장착한 자동차.
  11. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 고전력 부하 장치는 전기식 에어컨 컴프레셔, 전기식 난방 시스템, 및 전기 모터 중 적어도 하나를 포함하는, 배터리 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 자동차는 마이크로-하이브리드 자동차인, 자동차.
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