KR20030077625A - 자동차 전기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라, 내연기관(BKM)에 기계식으로 연결된 스타터 제너레이터(ISG)가 양방향 AC/DC 컨버터(1)를 포함하며, 제 1 스위치(S1)를 통해 축전지(B1)에 연결될 수 있고, 제 2 스위치(S2)를 통해 이중층 커패시터(DLC)에 연결될 수 있다. 축전지(B1)는 제어 회로(PWM)에 의해 이중층 커패시터(DLC)에 연결될 뿐만 아니라, 제 3 스위치(S3) 및 제 4 스위치(S4)를 통해 이중층 커패시터(DLC)와 함께 양방향 DC/DC 컨버터(3) 및 제 2 축전지(B2)에 연결된다.

Description

자동차 전기 시스템{MOTOR VEHICLE ELECTRIC SYSTEM}
자동차 내 스타터-제너레이터는 기본적으로 14V(또는 더 정확하게는 14.4V: 12V 축전지의 충전 전압)의 전기 시스템 전압에서 작동될 수 있다. 이와 관련하여 전원 출력 및 제너레이터 출력을 3 kW 이하로 제한하는 것이 기술적으로 유리하다. 그렇게 하지 않으면 차량 전기 시스템의 전류가 너무 높아질 수 있기 때문이다. 스타터 제너레이터는 14V의 전기 시스템 전압에서 내연기관을 구동시키고, 주행동안 전기 부하를 공급할 수 있다. 그러나 부스트(가속) 또는 회생(제동)과 같은 추가 기능을 위해서는 3kW 이상의 출력이 필요하다. 이러한 출력은 더 높은 차량 전기 시스템 전압에 의해서만 구현될 수 있다. 따라서 더 높은 전기 출력, 예컨대 6 kW의 변환을 허용하는 42V의 차량 전기 시스템(42V는 36V 축전지의 충전 전압이다)이 개발되고 있다.
일체형 스타터 제너레이터(Integrated starter-generator), 줄여서 ISG는 예컨대 전자 인버터를 구비한 3상 비동기 모터로서, 플라이휠의 위치에서 내연기관의 크랭크 샤프트에 직접 연결되며, 제너레이터 모드에서는 전기 에너지를 발생시킬수 있고, 모터 모드에서는 기계식 구동 출력을 발생시킬 수 있다. 즉, 3상 비동기 모터는 공지된 제너레이터뿐만 아니라 공지된 스타터도 대체할 수 있다. 이용 가능한 출력이 현저히 증가하기 때문에(공지된 제너레이터의 경우에는 2kW인데 비해 6kW까지 가능) ISG는 엔진 구동 및 차량 전기 시스템 전원 공급 외에도 다음과 같은 추가 기능을 허용한다:
부스트(가속): 차량 가속 단계동안 내연기관의 토크 지원. ISG는 대략 2리터-내연기관의 토크에 상응하는 약 200Nm의 최대 토크를 제공한다. 부스트 과정 동안 약 15초에 270A의 전류가 필요하다.
회생 제동(regenerative braking): ISG는 차량의 제동시 전류를 발생시켜 운동 에너지를 일소(dissipate)한다. 이 때, 30초까지의 시간동안 270A까지의 전류가 발생한다.
모델 계산은 전술한 새로운 기능이 사용되는 경우 연료가 20%까지 절약된다는 것을 증명한다.
높은 충전 전류와 방전 전류를 지속적으로 관리할 수 있는 에너지 저장 메커니즘을 유리한 비용으로 구현하는 것이 하나의 큰 문제이다. 자동차의 수명(약 150,000km)동안 약 300,000 회에서 500,000 회의 충전 및 방전 주기가 실시되는 것으로 추정된다.
공지되어 있는 12V-차량 전기 시스템에는 납 축전지가 장착되어 있다. 이러한 타입의 축전지는 매우 제한적인 순환 장애 허용성(cycling resilience)을 갖는데, 그 이유는 상기 축전지의 에너지 수송 방법, 즉 재료(이온) 수송이 상당한 손실을 수반하기 때문이다. 다시 말해, 활성 표면이 계속 감소하고(용량 손실) 재료가 줄어듦에 따라 전극의 구조가 변한다. 재료 감소의 결과 납 슬러지가 축적된다.
현재 14V-차량 전기 시스템의 축전지는 거의 일정한 충전 상태에서 작동된다. 스타팅 및 공회전시 단시간의 전류 소비는 사실상 의미가 없다. 축전지의 주 기능은 사실 큰 용량을 이용하여 차량 전기 시스템을 안정화시키는 대용량 버퍼 커패시터이다. 축전지의 용량 소모는 서서히 진행되고, 그에 따라 축전지의 수명은 수년에 달한다.
ISG에서 매우 다이내믹하게 작동되는 42V-차량 전기 시스템에서의 상황은 아주 다르다. 모델 계산은 일반적인 납축전지의 수명이 5,000 내지 10,000 km까지 지속될 수 있다는 것을 암시한다. 실제 실험에서 축전지는 고장이 나기 전까지 6,000 km의 주행 거리를 견디어냈다는 사실이 밝혀졌다. 또한 270A까지의 전류를 위한 충전 용량을 항상 보증하는 것은 기술적으로 어렵다. 결과적으로, 부스트 및 회생 제동을 위해 납축전지를 사용하게 되면, 매 차량 서비스 주기 사이에 또는 더 빈번하게 축전지가 교체되어야 한다. 이는 어떠한 경우에도 수용될 수 없다.
36V-납축전지를 포함하는 시스템의 경우, 초기 비용은 단연 가장 낮으나 자동차의 수명에 걸쳐서 계속해서 발생하는 후속 비용이 매우 높다.
NiMH(nickel metal hydride) 축전지는 기본적으로 부스트 및 회생 동작에도 적합하다. 물론 필요한 순환 장애 허용성을 달성하기 위해서는 축전지가 상당히 크게 설계되어야 한다. 에너지 또는 출력을 제공하기 위해 계산상 6 kW 및 11 Ah의 축전지가 필요한 경우, 필수 순환 장애 허용성을 달성하기 위해서는 적어도 14 Ah가 필요하다. 대량의 전하 교환시 발생하는 열을 어떻게 방산시키느냐의 문제도 해결할 수 없는 과제 중 하나이다. 또한 사용된 재료로 인해 초기 비용을 대폭 절감하는 것도 불가능하다.
Li-Ion(리튬 이온) 축전지는 기술적인 관점에서(에너지 밀도, 중량, 효율 등) 장래성이 있다. 이미 개발이 진행중이나, 자동차에 유용한 제품으로 사용할 수 있기까지는 수년이 걸릴 것이다. 현재 승인될 수 있는 가격은 NiMH 축전지를 사용하는 경우보다 훨씬 더 높을 수 있다.
요구되는 높은 순환 횟수 및 높은 에너지 처리량(200,000 회의 부스트 과정시 모두 약 12.6 MWh의 에너지 또는 약 180,000 Ah가 필요함)을 제공하기 위해 가능한 에너지 저장 장치는 매우 소수이다. 적절한 에너지 저장 장치로는 이중층 커패시터(DLC: Double Layer Capacitor)가 있다. 이러한 이중층 커패시터는 이미 사용되고 있으며, 부스트 및 회생 동작에서 변환된 에너지를 저장하고 방출할 수 있다. 또한, 상기 이중층 커패시터는 이 때 발생한 전류를 아무 문제없이 관리할 수 있으며, 그 효율이 좋기 때문에 자체 가열도가 낮다.
물론 이중층 커패시터의 제한적인 에너지 저장 용량으로 인해 예컨대 저렴한 가격의 납축전지와 같은 부가 축전지가 필요하다. 상기 납축전지는 더 이상 주기적으로 부하를 받지 않기 때문에, 현재 표준에 따른 수명을 갖는다.
약 1초의 스타팅 과정에서 에너지 저장 장치로부터 방출되는 에너지는 약 2 Wh이다. 통계학적으로 주행 킬로미터당 2 회의 스타팅 과정이 산출된다. 가속시에도 주행 킬로미터당 2 회의 부스트 과정이 예상된다. 이 경우, 6 kW-스타터-제너레이터에서는 부스트 과정당 63 Wh까지 필요할 수 있다. 스타팅 과정에서는 최대 전류가 500 A를 초과할 수 있고, 부스트 과정에서는 최대 전류가 250 A 이상이 될 수 있다.
그러나 커패시터에서의 에너지 교환이 원칙적으로는 전압 변동에 의해서만 가능하다는 단점이 있다. 전하의 75%를 이동시키기 위해서는, 커패시터 전압이 50% 변동되어야 한다(E = 1/2*C*(U2 2-U1 2)). 이러한 사실은 42V-챠량 전기 시스템의 경우 42V(완전히 충전된 상태)에서 21V로의 용인할 수 없는 변동을 의미한다. 결과적으로, 공지되어 있는 설계에서는 차량 전기 시스템과 이중층 커패시터(DLC) 사이에 그러한 결점을 다시 보상하는 양방향 DC/DC 컨버터가 사용된다. 그럼으로써 이중층 커패시터에서 전압이 변동하여도 42V-차량 전기 시스템은 안정적으로 유지될 수 있다.
현재로서는 기술적인 관점에서 볼 때 이중층 커패시터와 납축전지의 결합이 가장 장래성이 있다. 물론 이중층 커패시터와 납축전지 및 양방향 DC/DC 컨버터의 높은 가격으로 인해 전체 비용이 상당히 높아질 것이다. 특히 이러한 높은 비용으로 인해 시리즈 생산 방식으로 제조되는 차량으로의 전술한 시스템의 신속한 도입을 지연시키고 있다.
본 발명은 청구항 1의 전제부의 특징들에 따른 자동차 전기 시스템에 관한 것이다.
도 1은 이중층 커패시터 및 납축전지의 방전 전압 특성곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 공지되어 있는 42V/14V-자동차 전기 시스템의 회로도이다.
도 3은 또 다른 42V/14V-자동차 전기 시스템의 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 42V/14V-자동차 전기 시스템의 회로도이다.
도 5는 본 발명에 따른 42V-자동차 전기 시스템의 회로도이다.
본 발명의 목적은 이중층 커패시터와 저렴한 가격의 축전지가 결합된 차량전기 시스템을 제공하는 것이며, 상기 시스템은 고가의 양방향 DC/DC 컨버터를 필요로 하지 않기 때문에 시스템 비용을 상당히 절감시킨다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 언급된 특징들을 통해 달성된다.
본 발명의 특별한 장점은, 고가의 양방향 DC/DC 컨버터가 4 개(42V/14V-"two voltage" 차량 전기 시스템의 경우) 또는 2 개(42V-"single voltage" 차량 전기 시스템의 경우)의 제어 스위치로 대체된다는 점이다. ISG-출력부에(중간 회로 커패시터(C)에) 인가되는 전압 또는 ISG로 흘러가거나 ISG로부터 흘러나오는 전류가 제어될 수 있기 ◎문에, 거의 무출력 상태에서도 스위칭이 수행될 수 있으며, 그 결과 스위치에 대한 요구가 훨씬 더 감소된다.
부스트 및 회생 동작시에는 일체형 스타터-제너레이터(ISG)가 축전지로부터 분리되고, 그 대신 이중층 커패시터(DLC)에 연결된다. 이러한 작동 모드에서는 축전지에 의해 부하에 전원이 공급된다.
36V-축전지, 이중층 커패시터와 12V-축전지 사이의 상호 전하 이동이 가능하기 때문에, 긴급 상황시 차량 전기 시스템의 모든 영역으로 에너지를 공급하는 이중 에너지 공급 장치(double redundancy)가 구현된다.
이중층 커패시터에서의 전압이 추가적인 충격 보호가 필요없는 최대 허용 전압(60V)으로 크게 증가됨에 따라, 스타터-제너레이터가 더 높은 토크를 제공할 수 있고 이중층 커패시터의 에너지 저장 용량이 증가된다는 장점이 얻어진다. 그 결과 전체 ISG-차량 전기 시스템의 출력이 증가된다.
하기에는 본 발명에 따른 실시예들이 개략적인 도면을 참고로 더 자세히 설명된다.
도 1은 이중층 커패시터(DLC)의 방전시 전압 특성곡선(파선)과 납축전지(B)의 방전시 전압 특성곡선(실선)을 나타낸 그래프이다. 시점 To부터 커패시터의 전압 특성곡선과 축전지의 전압 특성곡선이 차이가 남에 따라서, 하나의 차량 전기 시스템 내에 2 개의 저장 시스템을 직접 연결하는 것은 불가능하다. 상기 2 개의 저장 시스템들은 추가의 작동기를 사용해서만 연결될 수 있다..
도 2에는 이중층 커패시터(DLC)가 사용된, 그리고 상기 이중층 커패시터(DLC)와 36V-축전지(B1) 사이에 추가 작동기로서 양방향 DC/DC 컨버터(2)가 삽입된 일체형 스타터-제너레이터(ISG)를 구비한, 공지되어 있는 42V/14V-차량 전기 시스템의 회로도가 도시되어 있다.
상기 회로에 의해 실행된 작동 과정은 도시되어 있지 않은 제어 회로/조정 회로에 의해 제어/조정된다.
일체형 스타터-제너레이터(ISG)는, 내연기관(BKM)에 기계적으로 결합되고 양방향 AC/DC 컨버터(1)(인버터)를 통해 이중층 커패시터(DLC)에 연결된 비동기 모터이다. 이중층 커패시터(DLC)는 전술한 양방향 DC/DC 컨버터(2)를 통해 36V-축전지(B1)에 연결되고, 상기 축전지(B1)에는 36/42V의 전압(U1)이 인가된다(공칭 전압 36V, 완전 충전된 상태 42V). 상기 36V-축전지는 전기 밸브 작동기, 차량 윈드실드 히팅 장치, 시트 히팅(seat heating) 장치, 공기 조절 장치 또는 DLC가 방전된 경우, 스타터로 작동하는 ISG 등과 같이 상대적으로 큰 부하를 구성하는 소비 장치들(V)에 직접 전원을 공급한다. 또한 36V-축전지는 12V-축전지(B2) 및 상기 12V-축전지(B2)로부터 전원을 공급받는 상대적으로 작은 부하(v)에도 전원을 공급한다.
36V-축전지(B1)는 또 다른 저출력 양방향 DC/DC 컨버터(3)를 통해 차량 램프 및 계기반 램프 등과 같이 더 작은 부하(v)에 전원을 공급하는 상기 12V-축전지(B2)에 연결되고, 상기 12V-축전지(B2)에는 12/14V의 전압(U2)(공칭 전압 12V, 완전 충전 상태에서는 14.4V)이 인가된다.
내연기관(BKM)이 구동될 때 및 부스트 모드(가속)에서는 ISG가 모터 모드로 작동되고(ISG가 내연기관(BKM)을 구동한다), 필요한 에너지를 이중층 커패시터(DLC)로부터(AC/DC 컨버터(1)를 통해) 얻거나, 또는 상기 이중층 커패시터가 충전되지 않은 경우에는, 36V-축전지(B1)로부터(DC/DC 컨버터(2) 및 AC/DC 컨버터(1)를 통해) 에너지를 얻는다.
정상 운전 모드에서는 ISG가 내연기관(BKM)에 의해 구동됨에 따라 제너레이터 모드에서 작동하며, 이 때 에너지 저장 장치(DLC, B1 및 B2)를 충전한다.
이러한 동작이 정상 운전 모드에서는 적은 출력으로 실시될 수 있다.
회생 모드에서는(제동시) 상기와 같은 충전 동작이 ISG의 최대 출력에 상응할 수 있는 더 높은 출력에서 진행된다. 6 kW-스타터-제너레이터의 경우 더 높은 출력이라는 것은 250 A 이상의 최대 충전 전류를 의미한다. 통계학적으로 주행 킬로미터 당 2회의 뚜렷한 제동 과정이 고려(예상)되어야 한다.
정상 모드에서는 2 개의 DC/DC 컨버터(2 및 3)가 축전지(B1, B2)의 충전 및 소비자 장치(V, v)로의 전원 공급을 위해서만, 즉 단일 방향으로만 사용된다. 그러나 비상시 36V-축전지(B1)를 12V-축전지로부터 충전하고 DLC를 36V-축전지(B1) 또는 12V-축전지(B2)로부터 충전할 수 있기 위해서, 상기 2 개의 DC/DC 컨버터(2 및 3)가 양방향 방식으로, 즉 중복 방식으로(redundant) 설계된다.
DC/DC 컨버터(2)는 중량 추가를 수반하며, 매우 고가이다. 모든 차량 부하로의 전체 에너지 공급이 상기 DC/DC 컨버터(2)를 통해 이루어져야 하므로(요구 효율이 매우 높음), 상기 DC/DC 컨버터(2)의 출력이 차량 부하와 같아야 한다. 설치된 소비자 장치(부하)의 출력이 4 kW인 경우, DC/DC 컨버터는 약 100A까지의 전류에 대해 설계되어야 한다. 또한 부스트 및 회생 동작시 에너지 저장 및 에너지 공급을 위해 DLC가 사용되어야 하는 경우, DC/DC 컨버터의 전력이 큰 폭으로 변동된다. 그러한 경우 DC/DC 컨버터(2)는 그러한 전압 변동에 대해 적절하게 설계되어야 하며, 이는 훨씬 더 복잡한 구조와 비용 상승을 초래한다(양방향 스텝-업/스텝-다운 조절기).
도 3은 42 V/14 V 차량 전기 시스템의 또 다른 가능 변형예를 나타낸 도면이다. 그런데 도 3의 이중층 커패시터(DLC)는, 도 2와 달리, AC/DC 컨버터(1)에 직접 연결되지 않고 DC/DC 컨버터(2)에 의해 절연되어 있다. 축전지(B1)를 포함하는 42V-차량 전기 시스템과 소비자 장치(V) 및 DC/DC 컨버터(3)가 AC/DC 컨버터(1)의 출력에 직접 연결되어 있다. 이러한 변형 회로의 중대한 단점은, DC/DC 컨버터가 부스트 및 회생 동작시 훨씬 더 높은 전류(>250A)에 대해서 설계되어야 하며, - 도 2에 따른 실시예에서처럼- 양방향 스텝-업/스텝-다운 컨버터이어야 한다는 사실이다. 그 결과 추가적인 비용 상승이 초래된다.
도 4는 내연기관(BKM)에 기계식으로 결합된 일체형 스타터-제너레이터(ISG)를 구비한, 본 발명에 따른 42V/14V-차량 전기 시스템("two voltage" 차량 전기 시스템)의 회로도로서, 상기 일체형 스타터-제너레이터(ISG)의 뒤에 양방향 AC/DC 컨버터(1)가 따르고, 상기 양방향 AC/DC 컨버터(1)의 2 개 출력 사이에 중간 회로 커패시터(C)가 놓여 있다. 상기 중간 회로 커패시터(C)의 음극 단자 및 상기 음극 단자에 연결된 AC/DC 컨버터(1)의 음의 직류 전압 단자가 회로의 기준 전위(GND)에 연결되어 있다.
중간 회로 커패시터(C)의 양극 단자 및 상기 양극 단자에 연결된 AC/DC 컨버터(1)의 양의 직류 전압 단자가 2 개의 병렬 스위치(S1 및 S2)에 이른다.
제 1 스위치(S1)는 AC/DC 컨버터(1)의 양극 단자를 36V-축전지(B1)의 양극, 상기 축전지(B1)에 병렬로 놓인 큰 부하(V)(이 부하의 다른 쪽 단자들은 기준 전위(GND)에 연결되어 있음) 및 제 3 스위치(S3)에 연결한다.
제 2 스위치(S2)는 AC/DC 컨버터(1)의 양극 단자를 이중층 커패시터(DLC)의 양극 단자(음극 단자는 기준 전위(GND)에 연결되어 있음) 및 제 4 스위치(S4)에 연결한다.
상기 제 3 및 제 4 스위치(S3, S4)의 다른 양쪽 단자들은 서로 연결되어 있고, 제 2 DC/DC 컨버터(3)의 양극 단자에도 연결되어 있다. 나머지 회로는 도 2의 회로와 동일하다.
상기 회로에 의해 실시되는 작동 시퀀스, 특히 컨버터의 작용 방향(스텝-업 또는 스텝-다운)의 결정, 정해진 전압값으로의 중간 회로 커패시터(C)의 충전 및 4 개 스위치(S1 내지 S4)의 스위칭 위치가 도시되지 않은 제어 회로/조정 회로에 의해 제어/조정된다.
스위치 "S1" 및 "S2"는 일체형 스타터-제너레이터(ISG)를 이중층 커패시터(DLC) 및 36V-축전지(B1)에 연결시킨다. 스위치 "S3"는 36V-축전지(B1)와 12V-축전지(B2)를 연결시키고, 스위치 "S4"는 이중층 커패시터(DLC)와 12V-축전지(B2)의 추가 연결을 가능하게 한다.
아래와 같은 스위치 S1 및 S2의 스위칭 상태가 가능하다:
스위치 S1과 S2가 모두 도전되지 않는 경우:
AC/DC 컨버터(1)의 점퍼가 제어됨으로써 중간 회로 커패시터(C)의 전압이 영향을 받을 수 있고, 이러한 방식으로 상기 중간 회로 커패시터(C)의 전압이 이중층 커패시터(DLC) 및/또는 36V-축전지(B1)의 전압에 매칭된다. ISG 출력부에서의 전압(중간 회로 커패시터(C)에 인가되는 전압)이 제어될 수 있기 때문에, 사실상 무출력(zero power) 상태에서의 스위칭이 이루어질 수 있다(무전압 상태에서 닫힘).
마찬가지로 스위치(S1 또는 S2)가 열리기 전에 AC/DC 컨버터(1)의 점퍼가 제어됨으로써 AC/DC 컨버터(1)를 통하는 전류 흐름이 거의 0으로 감소됨에 따라, 무전류 상태에서 스위치가 개방된다. 그 결과, 스위치에 대한 요구가 훨씬 더 감소된다.
스위치 S1은 도전되고, 스위치 S2는 도전되지 않는 경우:
이 경우는 도 4에 도시된 것과 같은 정상 운전 작동 모드이다. 이러한 스위치 상태에서는 회생 제동이 없는 정상 제너레이터 작동에 의해 36V-축전지(B1)의 충전 및 ISG로부터 14V/42V-차량 전기 시스템으로의 전원 공급이 가능하다.
부스트 및 회생 제동시 AC/DC 컨버터(1)에 의해 36V-축전지(B1)가 방전되거나 충전되는 것이 이론적으로는 가능하나, 이러한 작동 모드는 36V-축전지(B1)의 제한된 cycling resilience로 인해 회피된다.
스위치 S1은 도전되지 않고, 스위치 S2는 도전되는 경우:
부스트(가속) 또는 회생 제동시 AC/DC 컨버터(1)에 의해 이중층 커패시터(DLC)가 방전 또는 충전된다. 이러한 스위치 상태에서는 부스트 과정동안 36V-축전지(B1)로부터 에너지가 방출되거나, 회생 제동시 36V-축전지(B1)가 에너지를 흡수하는 것이 불가능하다. 차량 전기 시스템 부하(V)(및 12V-축전지(B2) 및 상기 축전지(B2)에 연결된 부하(v))로의 전기 공급은 36V-축전지(B1)를 통해 이루어진다.
스위치 S1 및 S2가 모두 도전되는 경우:
이러한 경우는 허용될 수 없는 스위치 상태이다! 이중층 커패시터(DLC)와 36V-축전지(B1) 사이의 전압 레벨이 동일한 것이 전제되어야 한다. 전압이 상이하면, 이중층 커패시터(DLC)와 36V-축전지(B1) 사이에 높은 보상 전류가 발생하는 것이 불가피할 수 있다. 따라서 이러한 스위치 상태가 발생하는 것이 방지되도록 스위치 S1과 S2가 상호 연결되어야 한다.
스위치 S3와 스위치 S4가 모두 도전되지 않는 경우:
이러한 상태에서는 14V-차량 전기 시스템이 42V-차량 전기 시스템으로부터 절연된다. 따라서 S3과 S4는 극성 반전 보호 기능도 수행할 수 있다.
스위치 S3는 도전되고, S4는 도전되지 않는 경우:
이는 정상적인 운전 작동 모드이다. 이러한 스위치 상태에 의해 12V-축전지(B2)가 36V-축전지(B1)로부터 충전될 수 있다. 36V-축전지(B1)를 12V-축전지(B2)에 연결시키는 양방향 DC/DC 컨버터(3)가 스텝-다운 모드로 작동한다.
DC/DC 컨버터를 스텝-업 모드로 스위칭하면, 12V-축전지에 의해 방전된 36V-축전지가 재충전될 수 있다.
스위치 S3는 도전되지 않고, S4는 도전되는 경우:
예컨대 자동차가 사용되지 않은 상태로 장시간 방치된 경우 이중층 커패시터(DLC)가 방전되면, 이와 같은 스위치 상태에서 상기 이중층 커패시터(DLC)가 DC/DC 컨버터(3)를 통해 12V-축전지(B2)로부터 재충전될 수 있다. 이 때, DC/DC 컨버터(3)는 스텝-업 모드로 동작한다. 이러한 동작은 - 12V-축전지의 충전에 한해 - DLC에서 충전이 지속되도록 한다.
스위치 S3와 S4가 모두 도전되는 경우:
이러한 경우는 허용될 수 없는 스위치 상태이다. 2 개의 스위치가 동시에 "도전" 상태에 있어서는 안 된다. 왜냐하면, 그러한 경우 36V-축전지(B1)와 이중층 커패시터(DLC) 사이의 등전위 접속(equipotential bonding)이 야기되기 때문이다. 보상 전류가 매우 높아질 것이다! 그러므로 이러한 스위치 상태가 발생하는 것이 방지되도록 스위치 S3와 S4가 상호 연결되어야 한다.
추가 전기 부품을 소량만 사용하여 -높은 성능 및 높은 순환 장애 허용성을 가진- 이중층 커패시터(DLC)를 스타터-제너레이터(ISG)를 구비한 차량 전기 시스템에 간단하게 통합시킬 수 있다는 점이 본 발명의 특별한 장점이다.
매우 높은 가격의 DC/DC 컨버터(2)는 저렴한 가격의 릴레이 또는 제어 스위칭 트랜지스터에 의해 구현될 수 있는 소량의 스위치로 대체된다.
이러한 회로를 통해 36V-축전지(B1)의 순환 빈도가 현저히 감소되고, 이를 위해 적절한 순환 장애 허용성을 가진 이중층 커패시터(DLC)로 순환이 전달된다. 그 결과, 42V-차량 전기 시스템의 부하가 훨씬 더 경감된다. 출발-멈춤 모드, 부스트 모드 및 회생 모드와 관련된 급격한 전압 요동은 스타터-제너레이터(ISG) 및 이중층 커패시터(DLC)에서 국부적으로만 발생한다.
48V 및 30V의 Sican/VDA-권고에 따른 전압 상한값 및 전압 하한값은 ISG와는 관련이 없고, 전술한 구성에 의해 영향을 받지 않는 42V-차량 전기 시스템의 전압에만 관련이 있다. 그러나 스타터-제너레이터(ISG) 및 이중층 커패시터(DLC)의 성능을 증대시키기 위해, 상기 두 요소의 전압을 일시적으로 상승시킬 수 있다. 최대 전압은 60V(추가의 충격 보호가 필요없는 최대 허용 전압) 미만으로 유지되어야 한다. 그 결과, 스타터-제너레이터(ISG)가 더 높은 토크를 제공할 수 있고, 이중층 커패시터(DLC) 내에 저장될 수 있는, 전압의 이차함수인 에너지가 증가된다 는 장점이 얻어진다. 그로 인해 전체 ISG-차량 전기 시스템의 성능이 향상된다.
앞으로의 차량 전기 시스템에서는 42/14 V-이중 차량 전기 시스템 대신 단 1 개의 42V-차량 전기 시스템이 제공될 것이다.
도 5는 순수한 42V-차량 전기 시스템을 위한 본 발명에 따른 실시예를 나타낸 도면이다. 스위치 S3과 S4, 12V-축전지(B2) 및 양방향 DC/DC 컨버터(3)가 빠져 있다. 36V/42V의 전압에서 모두 작동될 수 있는 부하(V)만 남아 있다.
본 실시예를 위해 제공된 회로는 도 3에 도시된, 전압 화살표(U1)의 좌측에 위치한 회로 부분과 거의 일치한다. 이중층 커패시터가 36V-축전지(B1)로부터 재충전되는 것은 DC/DC 컨버터를 통해 이루어지며, 상기 DC/DC 컨버터는 매우 간단하게는 작은 펄스폭 변조된 레귤레이터(PWM)일 수 있다. 상기 DC/DC 컨버터는 축전지(B1) 및 이중층 커패시터(DLC)의 양극 단자들 사이에 삽입되어 - DLC가 방전된 경우- DLC에서의 전압이 축전지 전압(U1)(또는 60V 미만의 최대 전압)에 거의 근접할 때까지만 동작한다. 이러한 상황은 특히 사용하지 않은 상태로 오랜 시간이 지난 후에(이중층 커패시터가 자동 충전됨), 시동 동작을 확실하게 보증하기 위해 필요하다. 스위치 S1과 S2의 기능은, 도 3에 따른 이중 42V/14V-차량 전기 시스템과 관련한 설명에서와 같이, 지속된다.

Claims (11)

  1. 내연기관(BKM) 및 상기 내연기관에 기계식으로 연결된 일체형 스타터-제너레이터(ISG)를 구비한 자동차 전기 시스템으로서, 상기 ISG는 제너레이터 모드에서 양방향 AC/DC 컨버터(1)를 통해 이중층 커패시터(DLC) 및 축전지(B1)를 제 1 전압(U1)으로 충전하고, 모터 모드에서 상기 이중층 커패시터(DLC) 또는 축전지(B1) 내에 저장된 에너지로 구동되도록 구성된 자동차 전기 시스템에 있어서,
    상기 양방향 AC/DC 컨버터(1)의 양(+)의 직류 전압 단자와 음(-)의 직류 전압 단자 사이에 중간 회로 커패시터(C)가 설치되고,
    상기 양방향 AC/DC 컨버터(1)의 양의 직류 전압 단자를 상기 축전지(B1)의 양극에 연결시킬 수 있는 스위치(S1)가 제공되며, 상기 축전지(B1)의 음극은 기준 전위(GND)에 놓이고,
    상기 양방향 AC/DC 컨버터(1)의 양의 직류 전압 단자를 상기 이중층 커패시터(DLC)의 양극 단자에 연결시킬 수 있는 스위치(S2)가 제공되며, 상기 이중층 커패시터(DLC)의 음극 단자는 기준 전위(GND)에 놓이도록 구성된 자동차 전기 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 스위치(S1, S2)는 동시에 모두 도전될 수 없는 방식으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 중간 회로 커패시터(C)는 상기 제 1 또는 제 2 스위치(S1, S2)가 도전 위치로 스위칭되기 전에 AC/DC 컨버터(1)로부터 이중층 커패시터(DLC) 또는 축전지(B1)에 인가된 전압에 상응하는 전압값으로 충전될 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 AC/DC 컨버터(1)로 들어가는 전류 흐름 또는 상기 AC/DC 컨버터(1)로부터 나오는 전류 흐름은 상기 제 1 또는 제 2 스위치(S1, S2)가 비도전 위치로 스위칭되기 전에 최소값으로 감소될 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 이중층 커패시터(DLC)가 상기 축전지(B1)로부터 재충전될 수 있도록 하는 제어 회로(PWM)가 제공되는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 이중층 커패시터(DLC)는 상기 축전지(B1)의 전압(U1)보다 높게 증가된 전압으로 충전되는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  7. 양방향 DC/DC 컨버터(3)를 통해 축전지(B1)에 의해 충전되는, 추가 부하(v)에 제 2 전압(U2)을 공급하기 위한 추가 축전지(B2)를 구비한, 제 1항에 따른 자동차 전기 시스템에 있어서,
    상기 제 1 축전지(B1)의 양극을 상기 양방향 DC/DC 컨버터(3)의 양극 단자에 연결시킬 수 있는 제 3 스위치(S3)가 제공되고,
    상기 이중층 커패시터(DLC)의 양극 단자를 상기 양방향 DC/DC 컨버터(3)의 동일한 양극 단자에 연결시킬 수 있는 제 4 스위치(S4)가 제공되는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제 3 및 제 4 스위치(S3, S4)는 동시에 모두 도전될 수 없는 방식으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 중간 회로 커패시터(C)가 상기 AC/DC 컨버터(1)를 통해 상기 이중층 커패시터(DLC) 또는 36V 축전지(B1)에 인가된 전압에 상응하는 전압값으로 충전되는 동작,
    - 상기 컨버터의 작용 방향(스텝-업 또는 스텝-다운)이 결정되는 동작,
    - 상기 스위치(S1 내지 S4)의 스위칭 상태가 제어 회로/조정 회로에 의해 제어/조정되는 단계와 같은 동작 시퀀스를 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  10. 제 1항 내지 제 6항 및 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일체형 스타터-제너레이터(ISG)가 모터 모드에 있을 때:
    - 상기 스위치들(S1, S2)이 도전되지 않으면 중간 회로 커패시터(C)가 사전 설정 가능한 전압으로 충전되고,
    - 상기 제 1 스위치(S1)가 도전되면 상기 축전지(B1)가 충전되며,
    - 상기 제 2 스위치(S2)가 도전되면 상기 이중층 커패시터(DLC)가 충전되고,
    상기 일체형 스타터-제너레이터(ISG)가 제너레이터 모드에 있을 때:
    - 상기 제 1 스위치(S1)가 도전되면 상기 스타터-제너레이터(ISG)가 상기 축전지(B1)로부터 발생하는 에너지에 의해 구동되고,
    - 상기 제 2 스위치(S2)가 도전되면 상기 스타터-제너레이터(ISG)가 상기 이중층 커패시터(DLC)로부터 발생하는 에너지에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
  11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    - 상기 제 3 스위치(S3)가 도전되면, 상기 축전지(B1)가 추가 축전지(B2)를 충전시키거나, 상기 추가 축전지(B2)에 의해 충전되고,
    - 상기 제 4 스위치(S4)가 도전되면, 상기 이중층 커패시터(DLC)가 추가 축전지(B2)를 충전시키거나, 상기 추가 축전지(B2)에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 자동차 전기 시스템.
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