KR20010102349A - 차량 파워 서플라이 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기 방출의 감소를 위해 플라즈마-보조 반응기를 포함하는 차량내에 사용하기 위한 파워 서플라이 및 제어 시스템을 제공한다.

Description

차량 파워 서플라이 시스템{Vehicle power supply system}

오늘날의 자동차는 점점 더 많은 전기 장비를 구비하며, 그중 일부로서 전기 제동장치, 전자 밸브 타이밍 및 전기 작동식 파워 보조식 스티어링 시스템은 통상의 12 볼트 또는 24 볼트 배터리 기술로 작동될 때 전동 파워 손실이 타당한 수준으로 유지되어야 한다면 상당량의 파워를 소모하며 무거운 케이블을 요한다. 자동차 산업에서 일차 전지 산업은 정격 12 볼트 출력 및 13.2볼트의 개방 회로 전압을 갖는 납-산(lead-acid) 배터리 시스템이라는 것에 유의해야 한다. 납-산 배터리에 요구되는 충전 전압은 온도 종속적이지만 통상적으로는 배터리의 개방 회로 전압으로 인해 정격 14 볼트인 13.6 내지 13.8 볼트 사이에서 변화된다. 이러한 사양을 위해서는 정격 12 볼트의 몇배수의 배터리 전압과 교류발전기 출력 및 정격 14 볼트의 몇배수의 충전 전압을 지칭하는 산업상 채택되는 용어를 사용할 것이다. 배터리 기술이 발전할수록 개방회로를 상이하게 하고 전압을 충전하는 것이 적용될 것이며, 본 발명은 본 명세서에 기술된 실시예에서 특정하게 인용되는 것들과 다른 배터리 전압에도 적용될 수 있다. 파워 손실은 케이블내에 흐르는 전류의 제곱으로 증가하며 차량 제조업자들은 36 볼트 및 48 볼트 배터리의 충전을 위해 42 볼트 또는 56 볼트와 같은 보다 높은 전압 표준의 도입을 고려하고 있다. 서비스 상태인 다수의 12/14 볼트 시스템으로 인한 중간기에, 듀얼 전압 파워 시스템은, 보다 낮은 파워를 요구하는 장비가 현재로서 12 볼트로 작동할 수 있게 하고 보다 높은 파워를 요구하는 장비가 36 또는 심지어 48 볼트로 작동할 수 있게 하는 둘 이상의 파워 시스템과 함께 사용된다. 이러한 상황은 엔진 배기 가스의 플라즈마 보조 처리용 반응기가 조립될때 더욱 악화되는 바 그 이유는 이러한 장치들이 특정한 엔진 로드 조건하에서 높은 추가적인 전기 파워를 요구할 가능성이 있기 때문이다.

소요 파워는 250 kW 트럭 엔진으로부터의 배기를 전체 정격 파워로 처리하기 위해 25 J/liter 의 배기가스 유동을 적용하려면 대략 6.25 kW 가 소요되는 예에 의해 예시될 수 있다. 이것이 정격 파워의 허용가능한 2.5 % 를 나타내지만, 이는 파워 전체가 차량 전기 파워 시스템으로부터 유도됨에 따라 상당한 도전을 받고 있다. 차량의 전기 설비의 어떠한 단일 피스도 오늘날 이러한 크기의 도전을 나타내지 못한다. 12 볼트에서의 6.25 kW 의 동력전달은 521 amp 의 전류와 연관되며, 36 볼트에서의 동력전달은 174 amp 를 요하고 48 볼트에서의 동력 전달은 130 amp 를 요한다. 그러나, 72 또는 96 볼트와 같은 고전압에서의 소요 전류는 각각 87amp 와 65 amp 로 현저히 저하된다. 따라서, 매우 높은 파워 로딩이 기대될 때는 최고 안전 전압으로 작동하는 것이 바람직하다. 일반적으로 50 볼트 이하의 작동 전압이 차량에 대해 안전하고 허용가능한 것으로 인식되며 이는 전술한 36 볼트나 48 볼트 배터리를 충전하는 42 볼트 또는 56 볼트의 표준을 구동하는 것이다. 그러나, 전술한 예로부터는 어떤 경우 플라즈마 보조형 방출 제어기와 같은 잠재적으로 높은 파워 소요 시스템으로의 효율적인 파워 전달을 보장하기 위해 보다 높은 전압이 요구될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 차량내에서 셋이나 심지어는 네개의 출력 전압 소스를 사용하는 것에 기초한 차량 적용은 또한 자동차 제작업자에게 관심거리이다.

다른 차량 소요 파워와 달리 차량으로부터의 방출이 전혀 없을때는 처리후 방출 시스템을 작동시킬 필요가 없는 바, 즉 엔진이 스위치 오프되고 따서 배터리를 포함한 종래의 차량 전기 공급부로부터 시스템을 작동시키는 것이 가능할 필요가 없다. 이러한 접근의 추가적인 장점은, 방출 제어 시스템을 공급하는 회로내 배터리의 부재로 인해 덜 엄격한 전압 조절이 사용될 수 있다는 점이다. 경제적인 이익, 즉 저렴한 비용이 이러한 특징으로부터 유도될 수 있다.

본 발명은 파워 서플라이 시스템에 관한 것으로, 특히 질소 산화물, 탄소 미립자를 포함한 미립자(particulate), 다방향족(polyaromatic) 탄화수소를 포함한 탄화수소, 일산화탄소, 및 기타 조절 또는 비조절되는(unregulated) 연소 생성물중 하나 이상의 배출을 감소시키기 위하여 그 보조 엔진으로부터의 배기 가스를 플라즈마 보조 처리하는 반응기를 구비한 자동차에 사용하기 위한 파워 서플라이 시스템에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명을 구체화하는 차량 파워 서플라이 시스템의 블록 다이어그램.

본 발명의 목적은 한가지 측면에서 파워 발생 및 공급 시스템을, 안전하고 효율적인 작동 문제가 제기되는 플라즈마 보조형 방출 제어 시스템이나 기타 고파워 소요 장비를 파워링할 수 있는 제어 기능과 함께 제공하는 것이고, 두번째 측면에서는 자동차용 멀티플-전압 파워 공급 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 유해 연소물 제거를 위해 차량 엔진으로부터의 배기가스를 플라즈마 보조 처리하는 반응기를 구비한 자동차용 파워 서플라이 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 차량의 저파워 소요 전기 장비의 작동에 적합한 제 1 출력 전압 및 상기 제 1 출력 전압보다 높은 제 2 출력 전압을 생성하는데 적합한 복수-전압 발전기와, 제 2 출력 전압이 적용되는 오실레이터를 구비하며 차량 엔진으로부터의 배기가스가 상기 반응기를 통과할 때 이 배기가스에 플라즈마를 생성하기에 충분한 출력 전압을 생성하는 고전압 파워 서플라이와, 반응기의 작동을 제어하여 반응기로부터의 방출물내의 유해 연소물의 농도를 최소화하기 위해 반응기의 유입구와 유출구에서의 배기가스내 유해 연소물의 농도뿐 아니라 엔진 속도, 드로틀 위치, 배기가스 온도, 엔진 온도와 같은 엔진의 작동 파라미터를 모니터링하고 파워 또는 고전압 파워 서플라이 오실레이터로의 파워 서플라이의 주파수나 파형과 같은 기타 제어 변수를 변화시키는 엔진 관리 시스템 및 파워 관리 시스템을 포함한다.

일부 상황에서는 온-보드 형태의 배기가스 성분의 방출 모니터링 장치를 설치하는 것이 불가능하거나 바람직하지 않을 것이다. 이러한 경우에 엔진 제어 유닛내의 예비 프로그래밍된 엔진 맵을 통하여 주어진 엔진 로드(load)/스피드 조합에 대한 방출 레벨을 결정하는데 기존의 엔진 센서가 사용될 것이다. 또한, 별도의 파워 관리 시스템을 설치하는 것은 항상 가능하지 않거나 바람직하지 않으며, 그러한 경우 하드웨어 및 소프트웨어가 엔진 관리 시스템내에 포함될 것이다.

통상적으로, 복수-전압(plural-voltage) 발전기는 제 1 출력 전압의 배수가 되는 제 2 출력 전압을 형성하는데 적합하다.

통상적으로, 고전압 파워 서플라이는 추가로 오실레이터의 출력이 연결되는 변압기를 구비한다.

통상적으로, 발전기의 제 1 출력 전압은 정격 14 볼트이며, 통상 고전압 출력은 교류 전압으로서 생성되는 바 그 최대치는 접지 퍼텐셜에 대해 대칭적으로 배치된다.

통상적으로, 발전기는 교류발전기이며 고전압은 피크 전압을 지면에 대해 3의 제곱근 인수에 의해 감소시키기 위해 지면으로 중심 트랩되는 권선체에 의해 생성된다. 효율상의 이유로 전압 공급 회로를 최고 허용 안전 레벨에서 변압기로 작동시키는 것이 통상적인 바, 이는 케이블 및 콤포넌트에서의 파워 손실을 최소화하기 때문이다. 1990년 영국에서 Health & Safety Executive 에서 발간된 북클렛 "Memorandum of Guidance on the Electricity at Work Regulations"의 21페이지에 의하면 안전한 작동 전압이 50 볼트 교류이거나 120 볼트 직류일 것을 제안하고 있다. 최고 허용 전압에서 작동하는 것의 추가적인 장점은 변압기의 전압 스텝-업(step-up)이 감소된다는 사실로 인해 보다 적은 권선이 요구되므로 변압기의 크기 및 중량이 최소화된다는 것이다.

대체적으로 고려되는 배치에서는 보다 높은 전압 출력이 발전기상의 하나 이상의 별도의 고정자 권선체(stator windings)로부터 브릿지 정류 회로와 함께 직류 전압으로서 생성된다.

본 발명은 이제 본 발명을 구체화하는 차량 파워 서플라이 시스템의 블록 다이어그램인 첨부도면을 참조하여 예시적으로 기술될 것이다.

도시를 목적으로, 정격 12볼트 배터리 회로와 100볼트의 제 2 출력 전압이 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 차량에 파워를 공급하는 내연기관(101)으로부터의 배기가스를 플라즈마 보조 처리하기 위한 반응기(100)를 구비하는 차량과 같은 이동 수단용의 파워 서플라이 시스템이 도시되어 있다. 상기 반응기(100)는 배기 가스로부터의 탄소질 미립자 및/또는 질소 산화물과 같은 유해 연소물의 제거를 위한 것이다. 이 반응기(100)는 본 출원인의 특허 GB 2,274,412 에 기술된 바와 같은 펠릿 베드(pellet bed) 반응기, 펄스형 코로나 또는 연속파 코로나와 같은 코로나 방전 반응기, 절연 배리어 반응기, 본 출원인의 PCT/GB00/00079 에 개시된 표면 배리어 반응기, 또는 기타 내연기관으로부터의 배기가스를 플라즈마 보조 처리하여 그로부터 유해연소물을 제거하기 위한 비열(non-thermal) 또는 열 반응기일 수 있으며, 촉매 성분을 포함하거나 촉매 또는 기타 방출 제어 장치를 사용하는 방출 제어 시스템의 부분으로서 설치될 수 있다.

반응기(100)는 고전압 파워 서플라이(102)에 연결되는 바, 이는 본 예에서 오실레이터와 변압기를 구비하고, 상기 오실레이터는 차량의 엔진(101)에 의해 구동되는 듀얼-전압 교류발전기(103)의 고전압 출력 단자에 연결된다. 상기 반응기는 본 출원인의 WO 99/05400 에 기재된 파워 서플라이 및 본 출원인의 PCT/GB00/00108 에 기재된 파워 서플라이에 근접할 수 있다. 교류 발전기(103)는 예를 들어 14 볼트 또는 배터리 충전을 위한 일부 다른 안전한 배수 볼트의 제 1 출력 전압을 생성하도록 그리고 라이트, 와이퍼, 차내 오락장치 등과 같은 차량의 기본 전기 장비를 상기 제 1 전압의 배수인 84 볼트 또는 112 볼트가 될 제 2 의 고출력 전압을 생성하도록 배치된다. 예를 들어 오실레이터와 변압기를 포함하는 고전압 파워 서플라이(102)에 적용되는 것에 더하여, 보다높은 전압 출력은 배터리 회로에 대한 연결을 요하지 않는 다른 고파워 소요 장비를 작동시키는데 있어서 사용하기에 유용하다. 파워 관리 시스템(105)에서처럼 고전압 라인은 또한 로드 펌프(104)에 연결된다. 로드 펌프(104)의 기능은 시스템내에서의 고파워 로드의 전환의 결과로 발생할 수 있는 과도 파워를 흡수하는 것이다.

일 실시예에서는 차량 섀시에 연결되는 스타 포인트(star point)를 갖는 스타 권선 교류발전기가 사용된다. 스타 포인트로부터 브릿지 정류기의 포지티브 또는 네거티브 출력중 어느 한 출력부로의 풀웨이브(full wave) 정류된 출력은 예를 들어 현재의 차량에서 14볼트이거나 미래의 차량에서 42볼트 또는 그 이상일 수 있는 차량 배터리에 대해 기본 충전 전압을 제공한다. 이러한 작동 모드하에서는, 최초의 전압 출력에 3의 제곱근을 곱한 것과 동등한(이 경우 3의 제곱근의 42배는 71볼트임) 추가의 고전압 출력이 풀-웨이브 브릿지 정류기의 포지티브 및 네거티브 단자 사이에서 얻어질 것이다. 이러한 고전압은 고파워 장비용의 보다 효율적인 파워 소스로서 사용될 수 있다.

예를 들어 고출력 전압으로부터 파워를 공급받는 장비가 리플(ripple:정류 회로에서 교류를 정류한 경우 직류 출력에 남는 교류분)에 보다 민감하고 따라서 고전압 조절이 요구되는 제 2 실시예에서는, 스타 델타 12-펄스 풀-웨이브 정류기가 사용된다. 이는 예를 들어 차량의 충전 전압과 같은 동일한 전압 출력을 제공하는 스타 및 델타 고정기 권선체를 구비할 수도 있다. 제 2 실시예에서는, 세개의 전압 출력을 제공할 수 있으며, 기본 전압은 예를 들어 풀-웨이브 정류기와 섀시 접지점의 극성 출력 사이에서 예를 들어 42 볼트와 같다. 하부 리플의 출력 전압 84 볼트 고파워 요구 장비에 파워를 공급하는 풀-웨이브 정화기의 두 대향 극성 출력사이의 하부 리플 84볼트의 출력 전압과 제 3 출력 전압은 차량 섀시에 대한 스타 포인트로부터 유용하며, 후자의 전압은 기본 전압을 3의 제곱근으로 나눈것으로, 42볼트로부터는 정격 24볼트가 된다. 제 3 실시예에서, 스타 - 델타 권선체는 상이한 전압 출력을 부여하도록 설계될 것인 바, 스타 권선체는 배터리 충전을 위해 42볼트 출력을 제공하고, 브릿지 정류기를 가로지르는 델타 - 스타 권선체의 조합 출력은 임의의 다른 소요 고전압을 제공할 수 있다. 이 실시예에서, 고전압 출력은 더이상 84볼트에 한정되지 않으며, 차량 장비의 효율적인 작동을 위해 최적 전압 요건에 매치될 수 없다.

반응기(100)로의 유입구(110)와 그로부터의 유출구(111)에서 차량 엔진(101)의 배기 파이프(106)에는 센서(107, 108, 109)가 부착되는 바, 이들은 본 실시예에서 엔진(101)으로부터의 배기 가스의 온도와, 배기 가스로부터 제거하고자 하는 유해 연소물의 배기 가스내 농도를 측정하는데 사용된다. 배기 온도 데이타는 직접파워 관리 시스템(105)으로 이동된다. 유해 연소물 농도 데이타는 방출 제어 모니터(112)로 보내어지며 이후 파워 관리 시스템(105)으로 보내진다. 상기 파워 관리 시스템(105)에는 또한 고전압 파워 오실레이터(102)가 엔진 관리 시스템(114)와 같이 모니터/제어 링크(1130)를 통해서 연결되며, 상기 고전압 파워 오실레이터는 연료 공급 시스템에 연결된다. 또한 파워 관리 시스템에는 센서(116, 117)가 연결되는 바, 이들 센서는 대기 온도와 엔진 구동 조건을 각각을 측정한다.

사용시에 파워 관리 시스템(105)은 고전압 파워 공급 오실레이터(102)로부터의 출력 파워 레벨을 최소에서 최대까지 제어하며, 방출 제어 모니터(112)로부터의 농도 레벨 신호 및 배기가스 온도 센서(107) 와 대기 온도 센서(116)로부터의 신호에 대응하여 파워 펄스의 존속기간 또는 주파수나 파형과 같은 기타 제어변수를 변화시킨다. 상기 파워 관리 시스템(105)은 또한 엔진 관리 및 연료 공급 시스템(114, 115) 각각을 통하여 엔진(101)의 작동 상태를 감시하며, 따라서 엔진의 구동 특성은 그것에 대해 이루어지는 요구와 무관하게, 차량의 엔진(101)으로부터의 배기가스(106)로부터의 유해 연소물 방출을 최소화하도록 반응기(100)를 작동시키고자 할 때 고전압 파워 서플라이 유닛(102)을 거쳐 반응기에 의해 유도된 파워에 의해 일정하게 유지된다.

도시되지 않은 제 2 실시예에서는 파워 관리 시스템(105)의 하드웨어 및 소프트웨어 기능이 차량 엔진 관리 시스템(114)내에 포함되며 파워 관리 시스템에 본래 연결된 파워 커넥션 및 모든 센서들은 엔진 제어 유닛에 직접 연결된다. 도시되지 않은 제 3 실시예에서는 방출 제어 센서(108, 109)와 방출 제어 모니터(112)가 엔진 관리 및 파워 관리 시스템내에 배치된 예비-프로그래밍된 엔진 맵으로 교체된다. 이 형태에서는 117 및 116 과 같은 센서로부터의 신호가 상기 예비-프로그래밍된 엔진 맵과 함께 사용되어 방출 레벨을 결정하고 따라서 플라즈마 후처리 시스템용의 최적 제어 변수를 결정한다.

제 4 실시예에서는 플라즈마 보조 방출 제어 시스템에 파워를 공급하기 위해 집적 스타터 교류발전기 댐퍼 시스템이 사용될 수 있는 바, 이것의 예는 1998년 4월에 출간된 유럽 자동차 디자인의 페이지 24 내지 26 에 개시된 " Stop go systems get the green light" 라는 논문에 기술되어 있다.

제 5 실시예에서는 효율상의 이유로, 고전압 파워 서플라이 오실레이터가 교류 발전기(103)와 일체로 될 수 있다. 파워 서플라이는 수십 킬로헤르츠의 고주파수가 사용될 수 있지만 50 내지 5000 Hz 범위의 반복 주파수와 수킬로볼트 내지 수십 킬로볼트의 퍼텐셜을 갖는 펄스를 생성하는데 적합하다. 펄스화된 직류는 자동차용으로 편리하지만 예를 들어 동일하거나 유사한 특성의 삼각형 또는 사인형 파의 교류 퍼텐셜이 사용될 수 있다.

Claims (10)

1. 유해 연소물 제거를 위해 차량 엔진(101)으로부터의 배기가스를 플라즈마 보조 처리하는 반응기(100)를 구비한 자동차용 파워 서플라이 시스템으로서,

   차량의 저파워 소요 전기 장비의 작동에 적합한 제 1 출력 전압 및 상기 제 1 출력 전압보다 높은 제 2 출력 전압을 생성하는데 적합한 복수-전압 발전기(103)를 구비하는 파워 서플라이 시스템에 있어서,

   제 2 출력 전압이 적용되는 오실레이터를 구비하며, 차량 엔진으로부터의 배기가스가 상기 반응기를 통과할 때 이 배기가스에 플라즈마를 생성하기에 충분한 출력 전압을 생성하는 고전압 파워 서플라이(102)와,

   반응기(100)의 작동을 제어하여 반응기로부터의 방출물내의 유해 연소물의 농도를 최소화하기 위해, 반응기(100)의 유입구와 유출구에서의 배기가스내 유해 연소물의 농도를 포함하는 엔진(101)의 작동 파라미터를 모니터링하고, 고전압 파워 서플라이 오실레이터로의 파워 서플라이의 제어 변수를 변화시키는 엔진 관리 시스템(114) 및 파워 관리 시스템(105)을 포함하는 파워 서플라이 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수-전압 발전기(103)는 제 1 출력 전압의 배수가 되는 제 2 출력 전압을 생성하기에 적합한 파워 서플라이 시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 파워 관리 시스템(105)은 상기 반응기의 작동을 제어하기 위해 고전압 파워 서플라이 오실레이터에 공급되는 파워를 변화시키는 파워 서플라이 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 고전압 파워 서플라이(102)는 오실레이터의 출력이 연결되는 변압기를 추가로 포함하는 파워 서플라이 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(103)의 제 1 출력 전압은 정격 14볼트인 파워 서플라이 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 고전압 출력은 그 최대치가 접지 퍼텐셜에 대해 대칭적으로 배치되는 교류 전압으로서 생성되는 파워 서플라이 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 발전기(103)는 교류발전기이며, 고전압은 지면에 대해 3의 제곱근의 인수에 의해 피크 전압을 감소시키도록 지면에 중심 태핑된 권선체에 의해 생성되는 파워 서플라이 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 고전압 출력은 발전기(103)상의 하나 이상의 별도 고정기 권선체로부터 직류 전압으로서 브릿지정류 회로와 함께 생성되는 파워 서플라이 시스템.
9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 오실레이터는 발전기(103)로부터 고전압 출력에 직접 연결되는 파워 서플라이 시스템.
10. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(103)는 집적화된 스타터 교류발전기 댐퍼 시스템을 포함하는 파워 서플라이 시스템.