KR20000064915A - 내연 기관의 스타팅 신뢰도를 높이기 위한 방법 및 장치ㅛ - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 전기 시스템내에 배치된 재충전 가능한 스타터 배터리를 포함하는 내연 기관의 스타팅 신뢰도를 높이기 위한 방법에 관한 것이다. 추가 배터리(5)는 적어도 내연 기관(4)을 스타팅 시키기 충분한 파워가 스타터 배터리내에 저장될 때까지 스타터 배터리(1)에 재충전용 전류를 공급한다.

Description

내연 기관의 스타팅 신뢰도를 높이기 위한 방법 및 장치

자동차(또는 1차적으로 내연 기관으로부터 에너지를 공급받는 다른 시스템)에서 내연 기관의 스타터 배터리는 작동 능력을 보장하기 위한 가장 중요한 전제 조건들 중의 하나이다. 내연 기관은 통상적으로 스타팅 과정을 위한 에너지를 스타터 배터리로부터 공급받는 전기 스타터에 의해서 스타팅 된다. 이를 위해 스타터는, 소정의 최소 회전수에서 내연 기관을 회전시킬 수 있는 토크를 단시간 동안 제공해야 한다. 상기 목적을 위해서는 스타터를 통해 충분히 큰 전류가 흘러야 하고, 스타터에 충분히 높은 전압이 인가되어야 한다. 스타터 배터리가 매우 차갑고, 부분적으로 방전되거나 또는 심하게 노화되면, 배터리의 내부 저항이 높아져서 결과적으로 스타팅 과정을 보장할 수 있을 정도의 충분한 크기의 전류 및 전압이 공급될 수 없다.

하기에서 스타터 배터리로서 언급되는, 내연 기관을 스타팅하기 위해 사용되는 배터리는 최고의 스타팅 능력을 보장하기 위해서 적은 내부 저항(이것은 높은 출력 밀도와 동일한 의미를 갖는다)에 맞추어 설계된다. 배터리의 온도, 배터리의 충전 상태 및 배터리의 수명 상태에 의존하는 내부 저항의 의존성은 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다. 배터리는 통상적으로 완전히 충전된 새로운 배터리가 정해진 낮은 온도 한계까지 스타팅될 수 있도록 설계된다. 이것은 우선 상기 온도에서의 최대로 신뢰할만한 내부 저항에 상응한다. 도 1 내지 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 내부 저항은 배터리의 방전 또는 노화에 의해서 상승된다. 즉, 스타팅 능력은 다만 약간 낮은 온도까지만 보장된다.

통상적인 전기 시스템(배터리를 갖춘)에서는 동시에 배터리로부터 전력을 공급받는 다른 소비 장치들의 작동 조건에 의해서는 원칙적으로 스타터 배터리의 부분적인 방전이 피해질 수 없다. (특히 에너지 밀도 또는 수명에 맞추어 설계된 배터리 대신에 출력 밀도에 맞추어 설계된 배터리에서는) 배터리의 방전 사이클/충전 사이클에 의해서 가속되는 배터리의 노화도 피할 수 없다. 상기와 같은 배터리 특성 때문에 내연 기관의 스타팅은 소정 조건하에서 더 이상 불가능하다. 낮은 온도에서는 또한 내연 기관이 스타터에 의해서 제공될 토크 및 회전수에 대해서 더 높은 요구를 제기하기 때문에, 온도가 심하게 강하되는 계절에는 종종 예견치 않게 스타팅 과정이 실패하기도 한다.

전류의 공급을 개선하기 위해 낮은 온도에서 스타터 배터리를 가열시키는 방법이 WO 93/13568호에 공지되어 있다. 상기 방법에 의해서는 비록 배터리의 내부 저항을 낮출 수는 있지만, 배터리의 충전이 너무 적은 경우에는 내연 기관이 더 이상 스타팅될 수 없다. 배터리를 가열하기 위한 전류는 자체적으로 생산되기 때문에, 가열에 의해 개선된 전류 공급은 배터리 방전에 의해서 가열 전류의 획득시 부분적으로 재차 상승된다.

고유의 스타터 배터리 이외에, 하기에서 저장 배터리로 언급되는, 적은 내부 저항에 맞추어 설계되지 않고 높은 에너지 밀도 또는 긴 수명에 맞추어 설계된 추가 배터리를 전기 시스템내에 제공하는 것이 제안된다. 상기 스타터 배터리에는 바람직하게 단시간 동안 높은 전류를 필요로 하는 소비 장치(파워가 강한 단시간 소비 장치)들이 연결되지만, 상기 소비 장치들이 반드시 큰 에너지를 배터리로부터 공급받을 필요는 없다. 저장 배터리에는 오히려 안정된 전압을 필요로 하는 소비 장치(제어 장치, 정보 전자 장치) 또는 더 긴 시간에 걸쳐서 (내연 기관에 의해 구동되는 발생기를 작동시키지 않는) 적은 전류를 공급받는 소비 장치들이 연결되는 것이 바람직하다.

상기 방식의 전기 시스템에서는 바람직하게, 한편으로는 스타터 배터리의 충분한 전류 송출력을 스타터에 제공하고, 다른 한편으로는 이 때 나타나는 스타터 배터리의 전압 파괴가 저장 배터리에 연결된 제어 장치 및 보조 전압 공급 장치로 전달될 수 없도록 하기 위해서 실제로 2개의 배터리는 스타팅 과정 동안 서로 분리된다. 따라서, 노화된 또는 낮게 방전된 배터리에서는 부하 처리를 이용한 다른 소비 장치에 의해서 스타터 배터리의 방전을 부분적으로는 피할 수 있다 하더라도, 단 하나의 배터리를 갖춘 전기 시스템에서와 마찬가지로 내연 기관의 스타팅 과정이 실패할 수 있다.

DE-CI 41 38 943호에는, 저장 배터리에 의해 스타터 배터리에 재충전 전류가 공급됨으로써 모터를 스타팅 시키기 위해 필요한 파워가 스타터 배터리에서 제공될 수 있도록 구성된 장치가 공지되어 있다. 이 경우 스타터 배터리는 저장 배터리에 의해서 높은 파워 레벨로 영구적으로 유지된다.

본 발명은 독립항의 서문에 따른 재충전 가능한 스타터 배터리를 포함하는 내연 기관의 스타팅 신뢰도를 높이기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 배터리의 온도를 파라미터로서 갖는 방전율과 재충전 가능한 배터리에서 전형적인 내부 저항과의 관계를 나타낸 다이아그램이고,

도 2는 배터리의 교류 저항의 시간에 따른 변동을 배터리 수명의 함수로 나타낸 다이아그램이며,

도 3은 트랙션 배터리(traction battery)의 내부 저항을 새로운 배터리 및 노화된 배터리에서 방전율의 함수로 나타낸 다이아그램이고,

도 4는 스타터 배터리를 포함하는 내연 기관을 스타팅 시키기 위해 충분한 에너지를 공급하기 위한 장치 및 차량 전기 시스템의 저장 배터리를 개략적으로 도시한 개략도이며,

도 5a, b, c 및 d는 재충전 가능한 배터리의 부분 영역을 배터리의 상이한 4개의 충전 상태로 나타낸 단면도이고,

도 6은 스타터 배터리의 전압을 충전 시간격 및 방전 시간격에 따라 보여주는 그래프이다.

본 발명의 목적은, 낮은 온도에서도 재충전 가능한 스타터 배터리를 포함하는 내연 기관을 스타팅 시키기 위해 충분한 에너지 또는 파워를 공급하기 위한 방법 및 장치를 개발하는 것이다. 상기 출력은 스타터 전류의 송출 동안에 스타팅을 위한 충분히 높은 전압 레벨로 나타난다.

상기 목적은 서문에 기술된 방식의 방법에서 본 발명에 따라, 적어도 내연 기관을 스타팅 시키기 위해 필요한 파워가 스타터 배터리내에 존재할 때까지, 스타터 배터리의 스타팅 과정이 실패한 후에 추가 배터리로부터 스타터 배터리내로 재충전 전류가 공급됨으로써 달성된다. 한 번의 스타팅 시도가 실패한 후에, 스타터 배터리가 내연 기관을 스타팅 시키기 위해 필요한 파워를 가지게 될 때에 비로소 모터는 스타터에 의해서 스타팅 된다. 파워의 크기는 내연 기관에 따라 상이하다.

스타터 배터리는 바람직하게 스타터에 의해서 사용된 전류에 비해서 작은 전류로 충전된다. 상기 방식으로 스타터 배터리뿐만 아니라 추가 배터리, 즉 저장 배터리도 안전하게 보호되는데, 특히 저장 배터리는 바람직하게 높은 스타터 전류를 송출하지 않도록 설계되었다.

저장 배터리를 이용하여 스타터 배터리를 재충전한 후에는 스타터 배터리가 이전 보다 훨씬 더 낮은 내부 저항을 나타내게 되어 스타팅 과정을 대부분 성공적으로 수행할 수 있다. 그럼에도 불구하고 모터가 스타팅 되지 않는 경우에는, 제 2의 스타팅 시도 이전에 예를 들어 20초 정도의 회복을 위한 휴지기가 저장 배터리에 제공된다.

저장 배터리에 의한 2번의 재충전 후에 이루어지는 상기와 같은 제 2스타팅 시도의 필연성은 스타터 배터리의 노화에 대한 명백한 증거인데, 예를 들어 운전자에게 전달되는 지시 신호와 같이 스타터 배터리가 새로운 배터리로 교체되어야 한다는 증거를 제공하는 것이다.

장치와 관련된 상기 목적은 본 발명에 따라, 저장 배터리의 전압을 스타터 배터리의 충전 전압으로 변환시키고, 전기 시스템내에서 저장 배터리 및 스타터 배터리와 연결될 수 있는 변환기가 제공됨으로써 달성된다. 특히 제어된 충전 전류를 스타터 배터리에 공급하는 상기 변환기는 임의의 시간 동안 적은 전류로 재충전 작용을 한다. 특히 스타터 배터리의 충전 시간은 일정한 충전 전류에서 미리 주어진다. 충전 전류 및 저장 배터리의 용량은, 저장 배터리가 상기 배터리의 다른 과제에 나쁜 영향을 주지 않으면서 스타터 배터리에 파워를 송출할 수 있도록 측정된다.

본 발명은, 다른 세부 사항 및 장점들을 포함하는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 하기에 자세히 설명된다.

배터리 내부 저항(r_I), 즉 교류 저항은 도 1에서 (정전류 방전 때의) 방전율(9)에 따라 Ω으로 표시되었다. 파라미터는 전해질의 온도이다. 내부 저항은 방전율이 증가함에 따라 그리고 온도가 감소함에 따라 증가된다. 이것으로부터, 전류 송출력은 방전이 높은 경우에 뿐만 아니라 온도가 낮은 경우에도 나쁜 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 도 2는 년(year)으로 계산한 상이한 600Ah-배터리의 배터리 수명에 의존하는 새로운 배터리의 저항에 대한 교류 저항의 관계를 보여준다. 도면에 표시된 점들은, 상기 지점에서는 배터리가 스타팅 용량의 50%를 더 갖고 있다는 것을 나타낸다.

도 3에는 새로운 또는 노화된 배터리에서 방전율에 의존하는 트랙션 배터리의 내부 저항(r_I)이 도시되어 있다.

배터리를 이용하여 내연 기관을 스타팅 시키기에 충분한 에너지 및 출력을 공급하기 위한 장치는 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 따른 장치는 스위치(2)를 통해 스타터(3)와 연결된 스타터 배터리(1)를 포함하며, 상기 스타터에는 내연 기관(4)의 운전시 개방되는 자세하게 도시되지 않은 커플링을 통해 내연 기관(4)이 연결된다.

스타터 배터리(1)는 예를 들어 랜드 크래프트(land craft), 배 또는 비행기뿐만 아니라 내연 기관(4)을 스타팅 시키기 위한 비상 전류 공급 장치의 전기 시스템에도 제공되며, 상기 시스템에 상응하게, 즉 높은 출력 밀도 및 높은 피크 로드(peak load)에 맞추어 설계되었다. 자동차의 전기 시스템에는 또한 저장 배터리(5)가 제공되는데, 상기 저장 배터리는 제어 장치, 램프, 정보 전자 장치, 펌프 등과 같은 전기 시스템의 다른 소비 장치에 전력을 공급한다; 저장 배터리는 에너지 밀도 및 수명의 방향으로 최상화 되었다.

저장 배터리는 2개의 극을 갖는 스위치(6)를 통해서 변환기(7)와 연결되며, 상기 변환기는 출력측으로 스위치(6)의 제 2극을 통해서 스타터 배터리(1)에 연결된다.

스위치(6)는 키 스위치(9)를 이용하여 작동되는 제어 모듈(8)에 의해서 작동될 수 있다. 대안적으로는, 제어 모듈(8)은 적절한 스타팅 에러 인식 장치(10)에 의해서 예를 들어 전압 수치(11) 및 회전수 수치(12)를 기초로 하여 작동된다.

변환기(7)는 스위치(6)가 폐쇄되는 경우에 정전류를 스타터 배터리(1)에 송출한다. 제어 모듈(8)이 스위치를 예정될 수 있는 시간 동안 스위치-온 함으로써, 예를 들어 스위치(2)를 폐쇄하는 점화키가 작동될 때 내연 기관(3)이 작동되지 않는 경우에는 정해진 파워량이 스타터 배터리(1)내에 공급된다. 스타터 배터리에 공급되는 파워량은 내연 기관(4)을 스타팅 시키기 위한 소비 전력과 일치한다. 바람직하지 않은 조건하에서 스타터가 내연 기관을 스타팅 시키기 위해서는 예를 들어 약 3초 동안 300A의 전류를, 즉 약 900As의 전기 파워를 필요로 한다(이 값은 내연 기관의 크기 및 종류에 의존한다); 그러나 이와 같은 파워는 최초 스타팅 때에는 제공될 수 없거나 또는 스타터 배터리의 전압 상태가 충분하지 않은 경우에만 제공될 수 있다. 60초 동안 15A의 적은 전류가 또는 90초 동안 10A의 적은 전류가 충전됨으로써, 동일한 파워량이 저장 배터리로부터 스타터 배터리에 제공된다. 충전 전류 및 저장 배터리의 용량은 상기 저장 배터리가 그것의 다른 과제에 나쁜 영향을 미치지 않으면서 상기 파워를 송출할 수 있도록 측정된다.

단시간 동안 적은 전류로 스타터 배터리에 재충전하는 동작은 도 5a, b, c 및 d를 참조하여 설명된다.

개략도인 도 5는 배터리 전극에 있는 다공성 납 플레이트와 산(酸) 사이의 경계면을 보여준다. 도 5a는 완전 충전된 배터리가 방전될 때의 전류 경로를 보여준다: 산이 납 플레이트에 비해서 더 높은 비저항을 가지기 때문에 전류의 전달은 기공의 외부 단부에서 이루어지며, 저항은 비교적 낮다. 도 5b는 부분적으로 방전된 배터리가 방전될 때의 전류 경로를 보여준다: 방전에 의해서 형성되고 지금까지의 전류 통로의 영역내에 있던 황산염층이 절연 방식으로 작용함으로써, 고저항성 산내에서의 전류 경로가 계속 연장된다; 따라서 방전이 증가됨에 따라 배터리 저항도 상승한다. 도 5c는 부분적으로 방전된 배터리가 재충전될 때의 전류 경로를 보여준다: 전류 방향이 반전됨으로써 전류는 재차 저항적으로 보다 유리한 기공의 외부 단부에 전달된다; 배터리 저항은 훨씬 더 낮은 값으로 감소된다. 도 5d는 부분적으로 재충전된 배터리가 방전될 때의 전류 경로를 보여준다; 형성된 파워에 의해서 외부 기공 영역에 있는 황산염 틈이 재차 폐쇄될 때까지 낮은 저항이 유지된다.

이러한 경우는 새롭게 형성된 파워가 이전에 재공급된 파워량과 일치될 때까지 거의 유사하다.

전술한 황산염층의 형성 작용 및 분해 작용에 부가적으로, 후속하는 방전을 위한 반응 장소에서 직접 충전 전류에 의해 모든 화학적인 반응 파트너들이 만들어지며, 이 경우에는 전압을 떨어뜨리는 확산 과정이 필요하지 않다는 사실도 또한 저항을 낮추는 작용을 한다. 반대로, 재료의 농도는 배터리의 내부 전압의 상승이 이루어지도록 설정된다. 상기 효과는 몇 분내에(확산 시간 상수) 쇠퇴되기 때문에, 재충전은 바람직하게 고전류 방전 전에 단기간 동안 이루어져야 한다.

그림 6에는 상기와 같은 2개의 중간 충전 펄스에 대한 배터리의 측정된 전압 응답 및 그 다음의 방전이 도시되어 있다. 시점 2분까지는 배터리(1)가 정전류 I=0.4로 방전된다; 시점 2분과 시점 3분 사이에서는 전류 i=0.4가 충전되고, 그 다음에는 시점 6분까지 재차 전류 i=0.4로 방전된다. 시점 4분에서는 중간 충전의 충전 결과가 비교된다; 배터리는 정확히 상기 시점까지는 비교적 작은 내부 저항에 상응하는 비교적 높은 전압 상태를 나타낸다. 충전 전류 및 그와 함께 후속하는 방전 과정에서 비교적 높은 전압 상태가 더 오랫동안 지속되는 경우에만, 시점 6분 내지 10분에 대해서도 상기와 동일한 결과가 적용된다.

스타터 배터리의 재충전 및 그 다음에 이루어지는 새로운 스타팅 시도의 과정은 스타팅 에러를 인식하는 제어 장치에 의해서 자동으로 이루어질 수 있다.

연료셀, 전기 주전원(electric mains) 또는 전류 발생기 등과 같은 다른 에너지원도 추가 배터리의 등가물로 간주된다.

Claims (11)

1. 재충전 가능한 스타터 배터리 및 스타터 배터리내에 재충전 전류를 공급하는 저장 배터리를 포함하며, 내연 기관을 스타팅 시키기 위하여 스타터 배터리내에서 고전류 방전이 실행되도록 구성된, 내연 기관의 스타팅 신뢰도를 높이기 위한 방법에 있어서,

   적어도 내연 기관을 스타팅 시키기 위해 필요한 파워가 스타터 배터리(1)내에 저장될 때까지, 고전류 방전 이전의 제한된 시간격내에 재충전 전류가 스타터 배터리(1)에 공급되며, 이 시간격은 재충전 전류에 의해 야기된 스타터 배터리(1)의 내부 전압의 상승이 그 때까지는 완전히 쇠퇴되지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   한 번의 스타팅 시도가 실패한 후에, 저장 배터리(5)로부터 추가 전류가 공급되기 전에 스타터 배터리(1)를 충전하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   충전 전류의 량은 내연 기관을 스타팅하기 위해 필요한 전류의 량보다 더 적은 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항 또는 다수의 항에 있어서,

   스타터 배터리(1)를 충전한 후에 그리고 내연 기관의 한 번의 스타팅 시도가 실패한 후에는, 스타터 배터리에 충전 전류가 공급되는 무렵에 저장 배터리를 단시간 동안 차단시키는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   내연 기관의 한 번의 스타팅 시도가 실패한 후에 메시지를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항 또는 다수의 항에 있어서,

   충전 시간은 약 30초 내지 2분이 소요되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   스타터 배터리의 재충전 및 그 다음에 이루어지는 스타팅 재시도의 과정은 스타팅 에러 인식 장치(10)의 결과를 기초로 하여 자동으로 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항 또는 다수의 항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치에 있어서,

   스타터 배터리(1)는 변류기(7)를 통해 저장 배터리(5)에 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 변류기(7)는 정전류를 송출하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,

    상기 변류기(7)는 예정된 시간 동안 저장 배터리(5)를 스타터 배터리(1)와 연결시키는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항 또는 다수의 항에 있어서,

    저장 배터리 대신에 다른 에너지원이 전류원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.