KR101704085B1 - 다전압 온보드 전력 공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 드라이브 또는 전기 드라이브를 구비한 차량용 다전압 온보드 전력 공급 시스템에 관한 것으로, dc-dc 컨버터(DCDC)를 포함하고, 상기 컨버터에 의해 접지와 다른 더 높은 직류 전압과 적어도 하나의 제 1 에너지 저장기(ES1)을 갖는 고전압 레벨은 접지와 다른 더 낮은 전압과 적어도 하나의 제 2 에너지 저장기(ES2)를 갖는 저전압 레벨에 연결된다. 다전압 온보드 전력 공급 시스템은 외부 장치의 충전을 위한 충전 인터페이스(S)를 포함한다. dc-dc 컨버터의 적어도 하나의 컨버터 위상은 저전압 레벨로부터 분리될 수 있는 대신 충전 인터페이스에 연결될 수 있고, 접속된 상태에서 제 3 에너지 저장기에 저전압을 공급하기 위해 그리고 제 1 에너지 저장기로부터 제 3 에너지 저장기로의 에너지 흐름에 의해 제 3 에너지 저장기의 충전을 가능하게 하기 위해 제 3 에너지 저장기(ES3)는 충전 인터페이스에 접속될 수 있다.

Description

다전압 온보드 전력 공급 시스템{Multi-voltage on-board power supply system for a motor vehicle}
본 발명은 접지와 다른 더 높은 직류 전압과 적어도 하나의 제 1 에너지 저장기를 갖는 고전압 레벨을 접지와 다른 더 낮은 전압과 적어도 하나의 제 2 에너지 저장기를 갖는 저전압 레벨에 연결하는 직류 전압 컨버터를 포함하는, 하이브리드 드라이브 또는 전기 드라이브를 구비한 차량용 다전압 온보드 전력 공급 시스템에 관한 것이다.
직류 전압 컨버터(dc-dc 컨버터)를 포함하는 상기 다전압 온보드 전력 공급 시스템들이 선행기술에 다양하게 공지되어 있다. 직류 전압 컨버터는 상이한 전압의 에너지 공급 시스템들을 에너지 결합할 수 있다. 직류 전압 컨버터의 출력 밀도를 높이고 전류 수송 용량을 높이기 위해 직류 전압 컨버터는 흔히 다상으로 구현된다. 이 경우 바람직하게 (하기에서 이와 관련하여) 다수의 컨버터 단계의 병렬 회로이다. 파워 스위치가 시간적으로 오프셋 제어되는 경우에(컨버터 위상의 개수에 의해 360도로 분배되어) 출력 단자와 버스 커패시터에서 전류 리플이 중복되고, 이로써 특히 버스 커패시터에서 부품 부하가 감소될 수 있다.
다전압 온보드 전력 공급 시스템은 선행 기술에서 특히 최고 출력을 높이기 위해 사용된다(예를 들어 하이브리드 드라이브, 주변 장치의 전기화). 일반적으로 다상으로 구현된 효율적인 직류 전압 컨버터는 상기 부분적인 온보드 전력 공급 시스템들을 연결한다.
본 발명의 과제는 다전압 온보드 전력 공급 시스템의 기능을 비용 효율적으로 확장하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 다전압 온보드 전력 공급 시스템에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예 및 개선예는 종속 청구항에 제시된다.
본 발명은 별도의 충전 장치를 제공하는 것과 달리 - 직류 전압 컨버터에 추가로 - 고가의 무겁고 부피가 큰 부품들을 감소시킨다. 이로써 전체 비용이 감소될 수 있고 필요 조립 공간이 최소화될 수 있다. 또한 중량 및 이로 인해 연료가 절감될 수 있다.
차량 내에 충전 장치를 기능적으로 및 구조적으로 통합하는 것은 선행기술에 공지되어 있다. 적절한 충전 장치가 통합됨으로써 미래 차량, 특히 도시형 차량에서 예를 들어 소형 전기 스쿠터와 같은 외부 장치가 실용적으로 충전될 수 있다. 차량 에너지 온보드 공급 시스템에서 외부 장치를 충전할 수 있는 것은 극도로 기능적인 성과이다. 선행기술에 공지된 충전 장치는 흔히 고유의 직류 전압 컨버터를 포함하고, 상기 컨버터에 의해 각각의 외부 장치는 차량 에너지 온보드 공급 시스템으로부터 충전될 수 있다.
본 발명에 따라, 다전압 온보드 전력 공급 시스템의 다양한 전압 레벨을 위해 제공된 직류 전압 컨버터의 적어도 하나의 컨버터 위상은 외부 장치의 충전에 이용된다.
또한 다전압 온보드 전력 공급 시스템에서 외부 장치의 충전을 위한 충전 인터페이스가 제공된다. 다전압 온보드 전력 공급 시스템 및 특히 직류 전압 컨버터 또는 상기 컨버터의 회로는, 직류 전압 컨버터의 적어도 하나의 컨버터 위상이 저전압 레벨로부터 분리될 수 있는 대신 충전 인터페이스에 연결될 수 있도록 구현된다. 또한 충전될 제 3 에너지 저장기가 제공되고, 상기 에너지 저장기는 바람직하게 외부 장치의 구성 부분이고 충전 인터페이스에 접속될 수 있다. 충전 인터페이스에 접속된 상태에서 상기 제 3 에너지 저장기에는 다전압 온보드 전력 공급 시스템의 저전압이 공급되고 따라서 제 3 에너지 저장기의 충전은 제 1 에너지 저장기로부터 제 3 에너지 저장기로의 에너지 흐름에 의해 가능해진다.
다전압 온보드 전력 공급 시스템은 특히 하나의 고전압 레벨 및 저전압 레벨만을 갖는 2전압 온보드 전력 공급 시스템으로서 구현될 수 있다.
직류 전압 컨버터는 가장 간단한 경우에 단상으로 구현된다. 직류 전압 컨버터의 하나의 컨버터 위상은 저전압 레벨로부터 분리될 수 있는 대신 충전 인터페이스에 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 직류 전압 컨버터는 병렬 접속된 다수의 컨버터 위상들을 포함한다. 상기 직류 전압 컨버터는 바람직하게 적어도 하나의 제 1 및 제 2 작동 모드로 작동될 수 있다. 제 1 작동 모드에서 직류 전압 컨버터의 전체 컨버터 위상들은 제 2 에너지 저장기에 연결되고, 충전 인터페이스에는 어떠한 컨버터 위상도 연결되지 않는다. 직류 전압 컨버터는 고전압 레벨과 저전압 레벨 사이의 전압 변환에만 이용된다. 그와 달리 제 2 작동 모드에서 직류 전압 컨버터의 적어도 하나의 컨버터 위상은 제 2 에너지 저장기에 연결되고, 직류 전압 컨버터의 적어도 하나의 다른 컨버터 위상은 충전 인터페이스에 연결된다. 즉, 직류 전압 컨버터의 컨버터 위상들은 부분적으로 제 3 에너지 저장기의 충전에 이용되고, 또한 부분적으로는 고전압 레벨과 저전압 레벨 사이의 전압 변환에 이용된다.
특히 고전압 레벨 측에서 선택적으로 제 1 에너지 저장기에 병렬 접속된 버스 커패시터의 경우에 부품 부하를 줄이기 위해, 제 2 작동 모드에서 컨버터 위상들이 오프셋 제어될 수 있다.
저전압(저전압 레벨)은 바람직하게 약 12V의 차량 일반의 공급 전압이다. 고전압 레벨은 바람직하게 차량의 또는 차량의 하이브리드 드라이브 또는 전기 드라이브의 견인 배터리에 연결된다.
적어도 하나의 컨버터 위상을 저전압 레벨로부터 전술한 바와 같이 분리하고 충전 인터페이스에 연결하는 것은 바람직하게 전기 제어 가능한 하나의 회로 요소에 의해 실행될 수 있다. 따라서 작동 모드들은 특히 간단하게 전환될 수 있고, 전환은 동기화되어 이루어질 수 있다.
직류 전압 컨버터가 2개 이상의 컨버터 위상들을 포함하는 경우에, 적절한 전환 수단에 의해 "과제들"인 직류 전압 변환과 외부 장치 충전 사이에서 직류 전압 컨버터의 전체 출력의 가변적인 분배가 가능해질 수 있다. 즉 예를 들어 N개의 컨버터 위상이 있는 경우에 선택적으로 하나의 컨버터 위상 또는 2개의 컨버터 위상 또는 (N-1)개의 컨버터 위상들이 외부 장치의 충전을 위해 설정될 수 있는 한편, 나머지 컨버터 위상들은 직류 전압 변환에 이용된다.
(경우에 따라서 전기 제어 가능한 하나의 회로 요소로 구현된) 적어도 하나의 컨버터 위상을 저전압 레벨로부터 분리하고 충전 인터페이스에 연결하기 위한 전환 수단은 바람직하게 직류 전압 컨버터의 컨버터 위상들과 함께 하나의 장치 컴포넌트 또는 하우징에 통합된다. 또한 제공되어 있을 수 있는 버스 커패시터들은 바람직하게 상기 장치 컴포넌트 또는 상기 하우징에 통합된다.
충전 인터페이스는 바람직하게 플러그 컨텍트 또는 스위치로 구현된다. 플러그 컨텍트에 외부 장치가 특히 간단하게 접속될 수 있다. 특히 가능한 플러그 컨텍트는 바람직하게 그 충전 접속 플러그와 관련해서 표준화된 외부 장치와 호환적으로 표준화된 충전 접속 소켓을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 충전 인터페이스에 대한 제 3 에너지 저장기의 접속이 검출될 수 있고, 상기 검출에 의존하여 저전압 레벨로부터 분리 및 충전 인터페이스와의 연결이 자동으로 제어될 수 있다. 특히 바람직하게 전술한 전환 수단은(특히 전환 수단이 전기 제어 가능한 하나의 회로 요소로 구현되는 경우에) 상기 검출에 의존하여 제어될 수 있다. 작동 모드들의 전환은 충전될 외부 장치가 충전 인터페이스에 접속되는 즉시 자동으로 이루어질 수 있다.
하기에서 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예들이 설명된다. 이로부터 본 발명의 세부사항, 바람직한 실시예 및 개선예들이 제시된다.
도 1은 다상 직류 전압 컨버터에 기초한 본 발명의 구성을 도시한 도면.
도 2는 단상 직류 전압 컨버터에 기초한 본 발명의 구성을 도시한 도면.
하기에 설명된 차량은 하이브리드 차량 또는 전기 차량으로 형성되고, 고전압 레벨(견인 배터리) 및 저전압 레벨(12V)을 가진 2전압 온보드 전력 공급 시스템을 갖고, 고전압 레벨과 12V 온보드 전력 공급부 사이에 직류 전압 컨버터(하기에서 dc-dc 컨버터라고 함)를 포함한다.
dc-dc 컨버터는 상이한 작동 모드로 작동될 수 있다.
제 1 작동 모드(M1)는 견인 배터리 또는 고전압 시스템으로 이루어진 온보드 전력공급 시스템이 공급을 위해 12V로 고전압이 dc-dc 변환하는 것을 의미한다.
제 2 작동 모드(M2)는 충전 작동 모드로 dc-dc 컨버터의 전환에 의해 (차량의 정지 시 또는 주행 시) 온보드 장치를 충전하는 것을 의미한다.
여기에 설명된 dc-dc 컨버터의 경우에 제 1 및 제 2 작동 모드는 제 3 작동 모드(M3)에서 바람직하게 조합될 수 있다. 이것은, dc-dc 컨버터가 다수의 컨버터 위상들을 포함하고, 상기 컨버터 위상들에 의해 상기 dc-dc 컨버터가 (특히 제 1 작동 모드 M1에서) 고전압 레벨과 저전압 레벨 사이의 직류 전압 변환을 일으키는 것을 전제로 한다. 충전 작동 모드로 dc-dc 컨버터의 상기 전환은 상기 개별 컨버터 위상에 제한된다. 또한, 컨버터 위상의 제 1 부분은 M1 모드에 따라 직류 전압 변환을 실시하고, 컨버터 위상의 나머지 부분은 M2 모드에 따라 충전을 실시한다. dc-dc 전력은 "순수" M1 모드에 비해 충전 전력에 유리하도록 감소한다.
전환 수단의 적절한 형성 시 M3 모드에서 충전 작동에 사용되는 컨버터 위상들의 개수는 변경될 수 있다. 충전 전력에 유리하도록 M3 모드에서 dc-dc 전력이 어느 정도 감소하는지는 컨버터 위상들의 적절한 분배 또는 상기 개수의 결정에 의해 제어될 수 있다. N개의 컨버터 위상들이 있는 경우에 M3 모드에서 하나 내지 (N-1)개의 컨버터 위상들이 외부 장치의 충전에 이용된다.
기본적으로 전환 수단은, dc-dc 컨버터의 완전한 전환이 (즉 모든 컨버터 위상들) 순수 충전 모드(M2 모드)로 가능하도록 형성될 수 있다.
조합된 M3 모드를 구현하는데 필요한 장치는, 종래 방식의 다상 dc-dc 컨버터의 변형에 의해 한편으로는 저전압 레벨로부터 개별 컨버터 위상들을 분리하고 충전 인터페이스에 연결하는데 적합한 전환 수단이 제공되고 다른 한편으로는 전술한 작동 모드들(적어도 M1과 M3, 경우에 따라서 M2도)에 따른 전환/분리가 소프트웨어에서 실행되고 전환 수단은 상응하게 제어되도록 형성된다.
상기 장치에서 2개의 "과제"인 dc-dc 변환과 외부 장치의 충전을 동시에 충족하기 위한 하드웨어 비용은 하나 또는 2개의 하우징에 2개의 별도의 장치들(온보드 전력 공급 시스템을 위한 종래 방식의 dc-dc 컨버터 및 별도의 충전 장치)이 제공되는 경우보다 현저히 낮다.
충전 모드가 요구되지 않는 경우에, 이로써 12V-온보드 전력 공급 시스템의 지원이 이루어질 수 있고 따라서 dc-dc 컨버터는 생략될 수 있다.
필요 시 12V보다 높은 전압을 위한 충전 장치 위상의 특수한 형성도 고려할 수 있다.
도 1은 제 1 위상(P1) 및 제 2 위상(P2)을 가진 다상 컨버터로서 구현된 dc-dc 컨버터(DCDC)를 도시하고, 이 경우 위상들은 적어도 한 측면에서 스위치(SW)에 의해 분리될 수 있다. 컨버터는 에너지 온보드 공급 시스템에 연결되고, 상기 에너지 온보드 공급 시스템은 일반적으로 에너지 저장기를 포함한다. ES1은 이 실시예에서 고전압 온보드 전력 공급 시스템 내의 에너지 저장기이고, ES2는 저전압 온보드 전력 공급 시스템 내의 에너지 저장기이다. 제 3 에너지 저장기(ES3)는 플러그 컨텍트 또는 스위치(S)에 의해 dc-dc 컨버터로부터 분리될 수 있다. 상기 제 3 에너지 저장기(ES3)는 외부 장치(예를 들어 전기 스쿠터)에 속하고, dc-dc 컨버터(DCDC)의 M3모드에서 충전되어야 한다.
외부 장치(ES3)가 플러그 커넥터(S)에 접속되는 즉시, 다상 컨버터(DCDC)는 스위치(SW)에 의해 분리된다. 이 경우 2개의 별도의 컨버터 단계들(P1, P2)이 관련된다. ES1에서 ES2로 에너지 전달은 감소되어(P1만 사용하는 경우에) 계속될 수 있다. ES3는 (P2만 사용하는 경우에) ES1으로부터 충전될 수 있다.
컨버터 위상들의 입력부 및 출력부는 버스 커패시터에 접속된다. ES1 측에서 버스 커패시터(C1)는 ES1에 병렬 접속된다. 버스 커패시터(C2)는(스위치(SW)의 스위칭 위치와 무관하게) ES2에 병렬 접속된다. 버스 커패시터(C3)는 선택적으로 ES2에 병렬 접속되거나(ES2가 P2에 연결 시) 또는 ES3에 병렬 접속된다(ES3가 S를 통해 P2에 연결 시).
컨버터 단계들이 오프셋 제어됨으로써 버스 커패시터(C1)에서 부품 부하가 감소될 수 있다.
장치(ES3)가 S에 접속되지 않은 경우에, 컨버터(DCDC)는 바람직하게 다시 다상 컨버터에 연결된다(M1 모드 참조). 즉 ES2는 다시 P2에 연결된다. ES1에서 ES2로 에너지 전달은 다시 완전한 컨버터 전력에 의해 가능하다. 또한 모든 버스 커패시터에서 이러한 작동 시 부품 부하는 오프셋 제어에 의해 감소된다.
또한, 전술한 구성에서 추가 에너지 저장기(ES3)에 의해 부분적인 온보드 전력 공급 시스템들(ES1, ES2)이 지원될 수 있는 것이 바람직하다. ES2가 일시적으로 부하를 받지 않도록, 예를 들어 정전류로 ES2로부터 ES1을 충전하는 것을 고려할 수 있다. 공급 시스템(ES1) 내의 불안정한 전압 감소를 위해 (예를 들어 일시적인 고출력 소비 장치에 의해 야기된) 일시적인 수요는 전체적으로 또는 부분적으로 ES3에 의해 커버될 수 있다.
도 2는 하나의 위상(P1')만을 갖는 단상 dc-dc 컨버터(DCDC)를 도시한다. 스위치(SW')에 의해 하나의 컨버터 위상(P1')이 선택적으로 직류 전압 전환(ES2가 P1'에 연결 시) 또는 충전 인터페이스(S)에 접속된 에너지 저장기(ES3)의 충전을 위해(S를 통해 ES2가 P1'에 연결 시) 이용될 수 있다.
본 발명은 최적의 공간 활용과 중량 최소화를 가능하게 한다. 선행기술에 따라 2개의 장치(온보드 전력 공급 시스템을 위한 종래 방식의 dc-dc 컨버터 및 별도의 충전 장치)의 필수적인 사용은, 2개의 장치가 하나의 하우징에 통합되는 경우에만 비용 및 공간 집약적이다.
본 발명은 여러 효율 문제를 극복한다. 즉 한편으로는 차량에 충전 인터페이스가 제공되는 경우에 비교적 드물게 외부 장치가 상기 인터페이스에서 충전되고 따라서 충전 목적으로만 제공된 컨버터는 일반적으로 미미하게만 사용되고, 다른 한편으로는 경우에 따라서 다상 컨버터의 전체 출력이 매우 드물게만 현대식 다전압 온보드 전력 공급 시스템의 부분적인 온보드 전력 공급 시스템의 연결에 이용된다는 사실에 근거하여 의도대로 유사한 컴포넌트들은 간단하게만 제공되고 두 가지 다른 목적에 함께 이용된다. 이로써 비용 효율도 높아진다.
DCDC dcdc-컨버터
ES1 제 1 에너지 저장기
ES2 제 2 에너지 저장기
ES3 제 3 에너지 저장기
S 충전 인터페이스

Claims (10)

  1. 하이브리드 드라이브 또는 전기 드라이브를 구비한 차량용 다전압 온보드 전력 공급 시스템으로서, dc-dc 컨버터(DCDC)를 포함하고, 상기 컨버터에 의해 접지와 다른 더 높은 직류 전압과 적어도 하나의 제 1 에너지 저장기(ES1)를 갖는 고전압 레벨을 접지와 다른 더 낮은 전압과 적어도 하나의 제 2 저장기(ES2)를 갖는 저전압 레벨에 연결하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 다전압 온보드 전력 공급 시스템은 외부 장치의 충전을 위한 충전 인터페이스(S)를 포함하고,
    dc-dc 컨버터의 적어도 하나의 컨버터 위상은 저전압 레벨로부터 분리될 수 있는 대신 충전 인터페이스에 연결될 수 있고, 제 3 에너지 저장기(ES3)에 저전압을 공급하기 위해 그리고 제 1 에너지 저장기(ES1)로부터 제 3 에너지 저장기로의 에너지 흐름에 의해 제 3 에너지 저장기의 충전을 가능하게 하기 위해 제 3 에너지 저장기는 충전 인터페이스(S)에 접속될 수 있으며,
    상기 충전 인터페이스(S)로의 상기 제3 에너지 저장기의 접속이 검출될 수 있고, 상기 검출에 의존하여 저전압 레벨로부터 분리와 충전 인터페이스와의 연결이 자동으로 제어될 수 있으며,
    상기 dc-dc 컨버터는 단상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템.
  2. 삭제
  3. 하이브리드 드라이브 또는 전기 드라이브를 구비한 차량용 다전압 온보드 전력 공급 시스템으로서, dc-dc 컨버터(DCDC)를 포함하고, 상기 컨버터에 의해 접지와 다른 더 높은 직류 전압과 적어도 하나의 제 1 에너지 저장기(ES1)를 갖는 고전압 레벨을 접지와 다른 더 낮은 전압과 적어도 하나의 제 2 저장기(ES2)를 갖는 저전압 레벨에 연결하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템에 있어서,
    상기 다전압 온보드 전력 공급 시스템은 외부 장치의 충전을 위한 충전 인터페이스(S)를 포함하고,
    dc-dc 컨버터의 적어도 하나의 컨버터 위상은 저전압 레벨로부터 분리될 수 있는 대신 충전 인터페이스에 연결될 수 있고, 접속된 상태에서 제 3 에너지 저장기(ES3)에 저전압을 공급하기 위해 그리고 제 1 에너지 저장기(ES1)로부터 제 3 에너지 저장기로의 에너지 흐름에 의해 제 3 에너지 저장기의 충전을 가능하게 하기 위해 제 3 에너지 저장기는 충전 인터페이스(S)에 접속될 수 있으며,
    상기 충전 인터페이스(S)로의 상기 제 3 에너지 저장기의 접속이 검출될 수 있고, 상기 검출에 의존하여 저전압 레벨로부터 분리와 충전 인터페이스와의 연결이 자동으로 제어될 수 있으며,
    dc-dc 컨버터는 병렬 접속된 다수의 컨버터 위상들(P1, P2)을 포함하고, 적어도 하나의 제1 및 제2 작동 모드로 작동될 수 있고,
    제1 작동 모드(M1)에서 dc-dc 컨버터의 전체 컨버터 위상들은 제2 에너지 저장기에 연결되고 충전 인터페이스에는 어떠한 컨버터 위상도 연결되지 않고,
    적어도 제2 작동 모드(M3)에서 dc-dc 컨버터의 적어도 하나의 컨버터 위상(P1)은 제2 에너지 저장기에 연결되고 dc-dc 컨버터의 적어도 하나의 다른 컨버터 위상(P2)은 충전 인터페이스에 연결되는 것을 특징으로 하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서 제 2 작동 모드에서 컨버터 위상들은 오프셋 제어되는 것을 특징으로 하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템.
  5. 제 1 항, 3항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 저전압은 12V의 차량 일반의 온보드 공급 전압인 것을 특징으로 하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항, 3항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 저전압 레벨로부터 분리와 충전 인터페이스와의 연결은 전기 제어 가능한 하나의 스위치 요소(SW)에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템.
  8. 제 1 항, 3항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 인터페이스는 플러그 컨텍트 또는 스위치로 구현되는 것을 특징으로 하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1 항, 3항 또는 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, dc-dc 컨버터 및 스위치 요소(SW)는 저전압 레벨로부터 분리 및 충전 인터페이스와의 연결에 필요하고, dc-dc 컨버터의 컨버터 위상들의 입력부 및 출력부에 있을 수 있는 커패시터들(C1, C2, C3)은 공통의 하우징에 통합되는 것을 특징으로 하는 다전압 온보드 전력 공급 시스템.
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