KR20130091682A - 고전압 시스템을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치 및 상응하는 컨버터 장치를 포함하는 고전압 시스템의 작동 방법 - Google Patents

고전압 시스템을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치 및 상응하는 컨버터 장치를 포함하는 고전압 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 시스템(5)을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치(20)에 관한 것으로, 상기 컨버터 장치는 고전압 시스템(5)의 제1 전압 도메인(15)에 연결된 제1 입력 장치(21)와, 고전압 시스템(5)의 제2 전압 도메인(16)에 연결된 제2 입력 장치(22)와, 상기 제1 입력 장치(21) 및 제2 입력 장치(22)에 연결되며 제1 전압 도메인(15) 및 제2 전압 도메인(16)으로부터 컨버터 장치(20)의 출력 장치(25)로 전력을 전송하도록 설계된 DC/DC 컨버터(28)를 포함한다.

Description

고전압 시스템을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치 및 상응하는 컨버터 장치를 포함하는 고전압 시스템의 작동 방법 {CONVERTER APPARATUS FOR A MOTOR VEHICLE WITH A HIGH-VOLTAGE SYSTEM AND OPERATING METHOD FOR A HIGH-VOLTAGE SYSTEM COMPRISING A CORRESPONDING CONVERTER APPARATUS}
본 발명은 고전압 시스템을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치 및 상응하는 컨버터 장치를 포함하는 고전압 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
US 2009/0167077 A1호는, 배터리 모듈과, 배터리 모듈을 수용하는 축전지 케이싱과, DC/DC 컨버터 모듈을 포함하여, 자동차에 또는 자동차 내부에 설치될 수 있는 전원 공급 장치를 설명한다. 여기에 설명된 전력 공급 장치는 전기 공급 전압으로서 3개 이상의 전압 값을 제공할 수 있다.
US 2008/0072859 A1호는 복수의 배터리 모듈을 포함하는 배터리 장치를 기술하는데, 여기서 복수의 배터리 모듈 각각은 직렬 연결된 복수의 배터리 셀을 갖는다.
상기 문서에 기술된 배터리 장치는 복수의 전압 밸런싱 회로를 추가로 포함하며, 상기 전압 밸런싱 회로는 복수의 배터리 모듈에 대응하여 할당되고 복수의 배터리 모듈 각각에 포함된 복수의 셀의 전압들을 각각 균등화하도록 구성된다. 또한, 여기에 설명된 배터리 장치는 복수의 배터리 모듈의 연결 상태를 직렬 연결과 병렬 연결 간에 전환하도록 구성된 연결 전환 구조를 포함한다.
또한, 상기 문서에 설명된 배터리 장치는, 소정의 전압 밸런싱 조건이 충족되도록 복수의 전압 밸런싱 회로를 제어하여 복수의 배터리 모듈의 직렬 연결 상태에서 복수의 배터리 모듈 각각에 포함된 복수의 셀들의 전압을 각각 균등화하도록 구성된 전압 밸런싱 제어 모듈을 포함한다.
여기서 설명된 배터리 장치의 경우에, 전압 밸런싱 제어 모듈은 또한 소정의 전압 밸런싱 조건이 충족되게 연결 전환 구조를 제어하도록 구성된다.
또한, 전압 밸런싱 제어 모듈은, 복수의 배터리 모듈을 병렬로 연결하기 위하여 복수의 배터리 모듈 각각에서의 개별 셀들의 전압 밸런싱이 종료되도록 연결 전환 구조와 복수의 전압 밸런싱 회로를 제어하고 각 배터리 모듈의 전압을 균등화하도록 구성된다.
US 2007/0202792 A1호는 배터리 하우징과, 복수의 충전식 배터리 셀과, 배터리 셀을 냉각시키기 위한 복수의 공기 덕트를 포함하는 자동차의 전력 공급원을 개시한다. 여기서 설명된 전력 공급원은 복수의 공기 유입구들 및 공기 배출구들을 포함한다. 공기 유입구들 및 공기 배출구들은 공기 덕트들의 방향과 상이한 방향으로 형성된다.
US 2007/0046259 A1호는 셋 이상의 레벨을 갖는 공기 냉각에 의해 냉각되는 배터리 장치(array)를 설명한다. 상기 배터리 장치는 배터리 장치를 위한 폐쇄 챔버를 형성하는 한 쌍의 마주보는 측벽을 포함한다.
DE 10 2009 035 468 A1은 전기 에너지를 저장 및/또는 발생시키는 장치를 개시한다. 여기서 설명되는 장치는 서로 전기적으로 연결된 두 개 이상의 모듈을 갖는다. 이 경우에, 적어도 두 개의 모듈들은 서로 다른 기능들을 갖는다. 제1 모듈은 전기화학적 모듈로서 구현된다. 전기 축전지 모듈로서, 전기화학적 모듈은 고출력 고에너지 밀도용으로 설계된다. 견인 모듈로서 제2 모듈은 고출력밀도용으로 설계된다.
그러나, 위에서 언급한 해법들은, 고전압 배터리의 공칭 전압을 발생시키기 위해 둘 이상의 모듈이 제공되는 경우, 요구되는 공칭 출력 전압을 가지는 고전압 배터리의 용량 증가를 달성하기 위하여 항상 둘 이상의 모듈 또는 그 배수의 모듈이 필요하다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 과제는 고전압 시스템을 구비한 자동차를 위한 개선된 컨버터 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제1항에 따른, 고전압 시스템을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치와, 청구범위 제9항의 특징들을 가진 고전압 시스템의 작동 방법에 의해 해결될 수 있다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들과 관련된다.
일 양태에 따라, 본 발명은 고전압 시스템을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치를 제공하며, 상기 고전압 시스템은 그의 제1 전압 도메인에 연결된 제1 입력 장치와, 제2 전압 도메인에 연결된 제2 입력 장치와, 상기 제1 입력 장치 및 제2 입력 장치에 연결되며 제1 전압 도메인 및 제2 전압 도메인으로부터 컨버터 장치의 출력 장치로 전력을 전송하도록 설계된 직류 전압 컨버터를 포함한다.
다른 양태에 따라, 본 발명은 상기 컨버터 장치를 포함하는 고전압 시스템의 작동 방법을 제공하며, 상기 방법은 컨버터 장치의 제1 입력 장치를 고전압 시스템의 제1 전압 도메인에 연결하는 단계와, 컨버터 장치의 제2 입력 장치를 고전압 시스템의 제2 전압 도메인에 연결하는 단계와, 상기 제1 전압 도메인 및 제2 전압 도메인으로부터 컨버터 장치의 출력 장치로 직류 전압 컨버터를 이용하여 전력을 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 사상은, 제1 전압 도메인의 제1 공칭 전압과 제2 전압 도메인의 (제1 공칭 전압과 상이한) 제2 공칭 전압을 공급받는 직류 전압 컨버터, 즉 DC/DC 컨버터(여기서 DC는 영어의 "direct current"를 축약한 것임)를 사용하는 것이다.
본 발명에 따른 컨버터 장치를 사용함으로써 홀수의 배터리 셀 모듈을 갖는 고전압 배터리를 제공할 수 있으며, 특히, 세 개의 배터리 셀 모듈을 포함하는 고전압 배터리를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 컨버터 장치는 바람직하게 고전압 배터리의 제1 및 제2 전압 도메인의 분리 제어를 가능하게 한다. 또한, 고전압 시스템 또는 고전압 배터리에 사용되는 배터리 셀의 노후화 거동을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 컨버터 장치는, 목적에 맞게 짝수 또는 홀수의 배터리 셀 모듈을 부가하거나 절반의 배터리 셀 모듈도 부가할 수 있기 때문에, 소수의 단계로 자동차의 주행 가능거리의 적정한 단계적 증가를 허용한다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에 따라, 제1 전압 도메인의 제1 공칭 전압 값이 제2 전압 도메인의 제2 공칭 전압 값의 정수배 또는 유리수배에 이르도록 제공된다. 따라서, DC/DC 컨버터는 예를 들어, 두 개의 배터리 셀 모듈로부터 390V의 제1 공칭 전압과, 그 절반, 즉 하나의 배터리 셀 모듈로부터 195V의 제2 공칭 전압으로 작동될 수 있다.
바람직하게 제1 전압 도메인은 제1 개수의 배터리 셀 모듈을 가지며, 제2 전압 도메인은 제2 개수의 배터리 셀 모듈을 갖는다. 두 전압 도메인의 결과적으로 상이한 공칭 전압들의 변환에 의해 고전압 시스템이 홀수의 배터리 셀 모듈로도 구성될 수 있다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에서는 제1 개수의 배터리 셀 모듈이 제2 개수의 배터리 셀 모듈의 정수배 또는 유리수배에 이르도록 제공된다. 그 결과, 배터리 셀 모듈들은 두 전압 도메인 내에서 상이한 유형으로 배선될 수 있다.
바람직하게, DC/DC 컨버터는 제1 전압 도메인 및 제2 전압 도메인의 공칭 전압 값을 검출하기 위한 센서를 갖는다. 이는 자동차의 고전압 시스템의 안정된 공급을 구현한다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에서는, 제1 전압 도메인 및/또는 제2 전압 도메인의 배터리 셀 모듈들이 직렬로 연결된다. 이로써 출력 장치에서 제1 전압 도메인 및/또는 제2 전압 도메인의 공칭 전압에 비해 증가된, 고전압 시스템을 위한 공칭 전압이 달성될 수 있다.
바람직하게는 제1 전압 도메인 및/또는 제2 전압 도메인의 배터리 셀 모듈들이 병렬로 연결된다.
본 발명의 한 바람직한 개선예에서는 출력 장치의 공칭 전압 값으로서 제1 전압 도메인 및/또는 제2 전압 도메인의 공칭 전압 값의 정수배 또는 유리수배를 제공하도록 DC/DC 컨버터가 설계된다.
본 발명의 힌 바람직한 개선예에 따라, 제1 전압 도메인의 제1 공칭 전압 값으로서 제2 전압 도메인의 제2 공칭 전압 값의 정수배 또는 유리수배가 사용된다.
설명된 구성들과 개선예들은, 그것이 합리적이라면, 서로 임의로 조합될 수 있다.
본 발명의 다른 가능한 구성들, 개선예들 및 구현예들은 앞에서 또는 하기에서 실시예들과 관련하여 설명되는 본 발명의 특징들의 (명확하게 언급되지 않은) 조합들도 포함한다.
첨부된 도면들은 본 발명의 실시예들의 더 나은 이해를 돕기 위한 것이다. 도면들은 실시예들을 표현한 것으로서, 본 명세서와 연계하여 발명의 원리와 개념을 설명하는 데 이용된다.
또 다른 실시예들 및 언급되는 많은 장점들은 도면들을 참조한다. 도면들에 도시된 요소들은 반드시 실제 비율에 맞게 도시되어 있지는 않다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 시스템을 구비한 자동차용 컨버터 장치의 일 실시예의 개략도이다.
도 2는 컨버터 장치를 포함하는 고전압 시스템의, 본 발명에 따른 작동 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도면들에서, 동일한 도면 부호들은, 달리 명시되지 않는 한, 동일하거나 동일 기능을 가진 요소, 부재, 부품 또는 방법 단계를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 시스템을 구비한 자동차용 컨버터 장치의 예시적 실시예의 개략적인 도면이다.
본 설명과 관련하여, 전압 도메인은 전압 영역을 나타낸다. 또한, 전압 도메인이란 표현은 전기 시스템 또는 고전압 시스템의 특정 부분 영역을 의미할 수 있으며, 이러한 특정 부분 영역 내에서는 고전압 시스템이나 전기 시스템의 특정 전압 영역이 우세하게 나타난다.
자동차용 고전압 시스템은, 전기 축전지들 또는 고전압 배터리들을 가지며, 상기 전기 축전지 또는 고전압 배터리는 개별 배터리 셀 모듈들로 모듈화될 수 있다.
이 경우, 전기 축전지의 하나의 배터리 셀 모듈은, 예를 들어 배터리 셀 모듈 형태의 기계적 어셈블리로서 형성된 공통 유닛 내에서 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 배터리 셀을 포함한다.
이 경우, 배터리 셀은 예를 들어, 갈바닉 셀의 전극 재료들의 조합에 따라 특성화된 전압을 공급하는 개별 갈바닉 셀이다.
고전압 시스템(5)을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치(20)는 제1 입력 장치(21), 제2 입력 장치(22), DC/DC 컨버터(28) 및 출력 장치(25)를 포함한다.
제1 입력 장치(21)는 고전압 시스템(5)의 제1 전압 도메인(15)에 연결된다. 제1 전압 도메인(15)은 예를 들어 컨버터 장치(20)에 연결된 배터리 셀 모듈의 공칭 전압에 의해 정의된다.
제2 입력 장치(22)는 고전압 시스템(5)의 제2 전압 도메인(16)에 연결된다. 제2 전압 도메인(16)은 예를 들어 컨버터 장치(20)에 연결된 또 다른 배터리 셀 모듈의 공칭 전압에 의해 정의된다.
DC/DC 컨버터(28)는 제1 입력 장치(21), 제2 입력 장치(22) 및 출력 장치(25)에 연결된다.
DC/DC 컨버터(28)는 예를 들어, 제1 전압 도메인(15)과 제2 전압 도메인(16)으로부터 컨버터 장치(20)의 출력 장치(25)로 전력을 전송하도록 설계된다.
이 경우, DC/DC 컨버터(28)는 제1 전압 도메인(15)과 제2 전압 도메인(16)을 병렬 연결하도록 설계될 수 있다.
또한, DC/DC 컨버터(28)는 제1 전압 도메인(15)과 제2 전압 도메인(16)을 직렬 연결로 연결할 수 있다.
예로서, 제1 전압 도메인(15)의 제1 공칭 전압 값은 제2 전압 도메인(16)의 제2 공칭 전압 값의 정수배 또는 유리수배에 이르도록 제공된다.
예를 들어, 제1 전압 도메인(15)은 하나의 배터리 셀 모듈(12)을 가질 수 있으며, 제2 전압 도메인(16)은 두 개의 배터리 셀 모듈(10, 11)을 가질 수 있다.
출력 장치(25)는 예를 들어 자동차의 차량 내 전기 시스템에 연결된다. 이 경우, 자동차의 차량 내 전기 시스템은 자동차의 전기 소비장치에 전기 에너지를 제공하기 위해 컨버터 장치(20)를 통해 전기 에너지를 공급받을 수 있다.
도 2는 컨버터 장치를 포함하는 고전압 시스템의, 본 발명에 따른 작동 방법의 실시예의 흐름도이다.
컨버터 장치(20)를 포함하는 고전압 시스템의 작동 방법은 다음의 방법 단계들을 포함한다.
제1 방법 단계로서, 고전압 시스템(5)의 제1 전압 도메인(15)에 컨버터 장치(20)의 제1 입력 장치(21)를 연결하는 단계(S1)가 실시된다.
제2 방법 단계로서, 고전압 시스템(5)의 제2 전압 도메인(16)에 컨버터 장치(20)의 제2 입력 장치(22)를 연결하는 단계(S2)가 실시된다.
제3 방법 단계로서, DC/DC 컨버터(28)를 이용하여 제1 전압 도메인(15) 및 제2 전압 도메인(16)으로부터 컨버터 장치(20)의 출력 장치(25)로 전력을 전송하는 단계(S3)가 실시된다.
도 2에 도시된 방법 단계들은 임의의 바람직한 방법으로, 예를 들어 순환적으로 또는 반복적으로 거듭될 수 있다.
본 발명은 전부 앞에서 바람직한 실시예들에 기초하여 기술되었지만, 그에 제한되지 않고 다양한 방법으로 변형될 수 있다.

Claims (10)

  1. 고전압 시스템(5)을 구비한 자동차를 위한 컨버터 장치(20)이며,
    고전압 시스템(5)의 제1 전압 도메인(15)에 연결된 제1 입력 장치(21)와,
    고전압 시스템(5)의 제2 전압 도메인(16)에 연결된 제2 입력 장치(22)와,
    제1 입력 장치(21) 및 제2 입력 장치(22)에 연결되며, 제1 전압 도메인(15) 및 제2 전압 도메인(16)으로부터 컨버터 장치(20)의 출력 장치(25)로 전력을 전송하도록 설계된, DC/DC 컨버터(28)를 포함하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  2. 제1항에 있어서, 제1 전압 도메인(15)의 제1 공칭 전압 값은 제2 전압 도메인(16)의 제2 공칭 전압 값의 정수배 또는 유리수배에 이르도록 제공되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전압 도메인(15)은 제1 개수의 배터리 셀 모듈(12)을 가지며, 제 2 전압 도메인(16)은 제2 개수의 배터리 셀 모듈(10, 11)을 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  4. 제3항에 있어서, 배터리 셀 모듈(12)의 제1 개수는 배터리 셀 모듈(10, 11)의 제2 개수의 정수배 또는 유리수배에 이르도록 제공되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, DC/DC 컨버터(28)는 상기 제1 전압 도메인(15) 및 제2 전압 도메인(16)의 공칭 전압 값들을 검출하기 위한 센서를 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전압 도메인(15) 또는 제2 전압 도메인(16), 또는 이들 모두의 상기 배터리 셀 모듈들(10, 11, 12)은 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전압 도메인(15) 또는 제2 전압 도메인(16), 또는 이들 모두의 배터리 셀 모듈(10, 11, 12)은 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, DC/DC 컨버터(28)는 출력 장치(25)의 공칭 전압 값으로서 제1 전압 도메인(15) 또는 제2 전압 도메인(16), 또는 이들 모두의 공칭 전압 값의 정수배 또는 유리수배를 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 컨버터 장치(20).
  9. 제1항 또는 제2항에 따른 컨버터 장치(20)를 포함하는 고전압 시스템(5)의 작동 방법이며
    - 컨버터 장치(20)의 제1 입력 장치(21)를 고전압 시스템(5)의 제1 전압 도메인(15)에 연결하는 단계(S1)와,
    - 컨버터 장치(20)의 제2 입력 장치(22)를 고전압 시스템(5)의 제2 전압 도메인(16)에 연결하는 단계(S2)와,
    - DC/DC 컨버터(28)를 이용하여 제1 전압 도메인(15) 및 제2 전압 도메인(16)으로부터 컨버터 장치(20)의 출력 장치(25)로 전력을 전송하는 단계(S3)를 포함하는, 컨버터 장치의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제1 전압 도메인(15)의 제1 공칭 전압 값으로서 제2 전압 도메인(16)의 제2 공칭 전압 값의 정수배 또는 유리수배가 사용되는 것을 특징으로 하는, 컨버터 장치의 작동 방법.
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