KR20140036233A - 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치 및 방법 - Google Patents

다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치 및 방법 Download PDF

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세바스챤 발렌타
울프 피쉬케
닐스 드래제
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템을 연결하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 상기 장치는 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 갖는 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)을 갖는 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)을 연결하는 하나 이상의 DC/DC 변환기(10)를 포함하고, 상기 DC/DC 변환기(10) 외에도 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 상승시키기 위한 하나 이상의 충전 수단(18)이 제공된다.

Description

다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONNECTING MULTIPLE-VOLTAGE ONBOARD POWER SUPPLY SYSTEMS}
본 발명은 독립 청구항들의 전제부에 따른 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치 및 방법에 관한 것이다.
EP 1145416 B1에는 전기 에너지의 변환을 위한 변환기가 공지되어 있다. 여기서는, 초크 크기가 결합된 인덕터들의 사용을 통해 감소될 수 있다는 것이 제시된다. 이 경우, 결합된 초크들은, 부분 분기들의 부하 전류들이 서로 보상되어 초크의 자기 부하를 일으키지 않도록 치수 설계되어야 한다. 그러면, 개별 부분 분기들 사이의 차동 전류만이 자계를 야기한다.
본 발명의 과제는 간단한 회로 구성 및 간단한 작동 방식을 특징으로 하는, 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들의 특징들을 포함하는 장치 및 방법에 의해 해결된다.
다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들을 연결하기 위한 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법은, 특히 단순한 조치들을 통해, DC/DC 변환기, 특히 양방향성 초크-강압 변환기의 역 작동시에도, 비록 일차측 전압이 이차 전압을 하회한다고 하더라도, 일차측에서 에너지 저장 장치의 충전이 수행될 수 있다는 장점을 갖는다. 이 경우, 복잡한 추가 조치들은 생략할 수 있다. 온보드 전원 공급 시스템 토폴로지가 서로 상이한 경우에도, 본 발명에 따라, 전류 피크 없이 확실하고 신뢰성 있게 2개의 온보드 전원 공급 시스템이 서로 연결될 수 있다.
바람직한 개선예에 따라서, 충전 수단으로서 하나 이상의 전류원, 바람직하게는 정전류원이 제공된다. 이러한 구현은 특히 단순한 회로 구성을 특징으로 한다.
바람직한 개선예에 따라서, 충전 수단으로서 하나 이상의 추가 DC/DC 전압 변환기가 제공된다. 상기 DC/DC 변환기가 이미 제공되어 있는 적용의 경우, 충전 기능이 이 DC/DC 변환기에 의해 커버될 수 있다.
바람직한 개선예에 따라서, 충전 수단은 충전 전류를 설정하기 위한 설정 수단, 바람직하게는 제너 다이오드를 포함한다. 그에 따라 각각의 적용 예에 적합한 특히 간단하면서도 경제적인 조정이 가능하다.
다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들을 연결하기 위한 본 발명에 따른 방법은 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압을 갖는 제 1 온보드 전원 공급 시스템을 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압을 갖는 제 2 온보드 전원 공급 시스템과 연결할 수 있는 하나 이상의 DC/DC 변환기를 포함한다. 하나 이상의 충전 수단은, 제 2 온보드 전원 공급 시스템에 에너지 저장 장치를 접속하기 전에 중간 전압으로 제 2 온보드 전원 공급 시스템 내에 제공된 중간 회로 커패시터를 충전한다.
바람직한 개선예에 따라서, 중간 전압에 도달할 때 중간 회로 커패시터는 DC/DC 변환기를 통해서만, 또는 충전 수단과 함께 DC/DC 변환기를 통해 더 충전된다.
바람직한 개선예에 따라서, DC/DC 변환기의 출력 전압이 대략 중간 회로 커패시터의 전압에 상응한다면, 제 2 온보드 전원 공급 시스템과 DC/DC 변환기 사이에 위치하는 하나 이상의 보호 소자가 제어된다. DC/DC 변환기는 상기 전압 비에서 소위 역 작동 시에 제 2 온보드 전원 공급 시스템의 전압을 에너지 저장 장치의 전압 레벨로 더 상승시킬 수 있다.
바람직한 개선예에 따라서, DC/DC 변환기의 출력 전압이 대략 중간 회로 커패시터의 전압에 상응한다면, 충전 수단이 비활성화된다. 그에 따라 전압은 특히 간단하게 DC/DC 변환기를 통해서만 제어되어 상승될 수 있다.
바람직한 개선예에 따라서, 중간 회로 커패시터는 DC/DC 변환기를 통해서만, 또는 충전 수단과 함께 DC/DC 변환기를 통해 대략 에너지 저장 장치의 개회로 전압에 상응하는 전압으로 충전된다. 연결은 거의 동일한 전압 레벨에서 전류 피크 없이 수행된다.
바람직한 개선예에 따라서, DC/DC 변환기는 충전 수단과 병행해서 중간 회로 커패시터의 전압을 상승시킨다. 충전 수단의 의도적인 차단은 빠른 전압 상승 시 정지될 수 있다.
또한, 설명한 방법은, 충전 수단을 통한 충전 동안 중간 회로를 진단할 수 있는 가능성을 제공한다. 즉, 접지 방향으로 단락이 존재하는지의 여부, 또는 누설 전류가 존재하는지의 여부가 결정된다. 또한, 중간 회로 내에 어떠한 커패시터(20)가 존재하는지도 결정된다. 전체 제 2 온보드 전원 공급 시스템의 진단도 가능하다. 이를 위해, 중간 회로 내 전압은 의도대로 예컨대 20V의, 기지(known)의 비임계 전압으로 상승될 수 있다. 이어서, 상응하는 버스 시스템들을 통해, 마찬가지로 예컨대 20V의 비임계 전압이 측정되는지의 여부에 대해, 제 2 온보드 전원 공급 시스템 내 모든 제어 장치 및 컴포넌트에 조회된다. 그 다음에야 비로소전압은 더 상승되고 제 2 온보드 전원 공급 시스템은 릴리스된다.
바람직한 추가 개선예들은 종속 청구항들과 명세서에 제시된다.
다수의 실시예는 도면들에 도시되고 하기에서 상세히 설명된다.
도 1은 이른바 부스트 회생 시스템을 위한 제 1 온보드 전원 공급 시스템 토폴로지이다.
도 2는 스타터 회로와 부하 장치 온보드 전원 공급 시스템 사이에 감결합 소자를 구비하여 DLC로서 구현된 에너지 저장 장치와 DC/DC 변환기를 포함하는 온보드 전원 공급 시스템 토폴로지이다.
도 3은 추가 DC/DC 변환기를 포함한 실시예이다.
도 4는 두 온보드 전원 공급 시스템을 연결하기 위한 회로 기술적 구현이다.
도 5는 두 온보드 전원 공급 시스템을 연결하기 위한 제 1 런업 시나리오(run-up scenario)의 시간 곡선이다.
도 6은 두 온보드 전원 공급 시스템을 연결하기 위한 제 2 런업 시나리오의 시간 곡선이다.
미래의 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템에서는, 서로 상이한 전압 위치(U1, U2)를 갖는 다양한 온보드 전원 공급 시스템 회로(12, 14) 사이의 에너지 전달을 보장하는 DC/DC 변환기가 사용된다. 일반적으로 DC/DC 변환기(10)는, 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1), 통상 14V를 갖는 종래의 부하 장치 온보드 전원 공급 시스템[제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)]과 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)에 비해 더 높은 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2), 예컨대 48V 또는 60V를 갖는 추가 온보드 전원 공급 시스템 회로[제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)] 사이에서 인터페이스를 형성한다.
다수의 가능한 온보드 전원 공급 시스템 아키텍처를 대표하는 예시로서 도 1 내지 도 3의 온보드 전원 공급 시스템 아키텍처가 간단히 설명된다.
도 1에는, 전력 귀환형 제너레이터(34)(RSG)와, 병렬 접속된 에너지 저장 장치(38), 예컨대 리튬 이온 배터리와 같은 48V 고출력 저장 장치를 포함한 이른바 부스트 회생 시스템이 도시되어 있다. 제너레이터(34)와 에너지 저장 장치(38)는 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 갖는 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 부품이다. 예컨대 약 12 또는 14V의 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)을 갖는 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)은 접지로 연결된 스타터(36)와, 병렬 연결된 부하(40)와, 마찬가지로 병렬 연결된 배터리(32)를 포함한다. 접지로 연결된 DC/DC 변환기(10)는 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)에 비해 더 높은, 예컨대 48V 또는 60V 크기의 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 갖는 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)을 연결한다. 제너레이터(38)는, 이른바 부스트 회생 시스템에서, 예컨대 제동 시 전기 에너지를 온보드 전원 공급 시스템(14)으로 공급하는 제너레이터일 수 있다.
도 2에는, 소위 스타트-스톱-코스팅(SSC)을 위한 스타터 회로와 부하 장치 온보드 전원 공급 시스템 사이의 DC/DC-DLC 모듈 및 감결합 소자가 도시되어 있다. 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)에서 스타터(36)와 배터리(32)는 병렬로 연결되고 스위치와 같은 분리 수단(17)을 통해 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)으로부터 분리될 수 있다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에서 제너레이터(34)와 부하(40)는 접지로 병렬 연결된다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)은 DC/DC 변환기(10)의 이차측(SEK)에 공급되는 한편, DC/DC 변환기(10)의 일차측(PR)은 커패시터(15)를 통해 접지로 연결된다. 커패시터(15)는 에너지 저장 장치로서 사용되고 예컨대 이중층 커패시터(DLC)로서 구현된다.
도 3에 따른 토폴로지의 경우, DC/DC 변환기(10)는 제 1 및 제 2 온보드 전원 공급 시스템(12, 14)을 연결한다. 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)에서 배터리(32)와 부하(40)는 접지로 병렬 연결된다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에서는 커패시터(20)가 접지로 연결된다. DC/DC 변환기(10)에 대해 병렬로, 추가 DC/DC 변환기(19)는 두 온보드 전원 공급 시스템(12, 14)을 연결한다.
도 4에는, 제 1 및 제 2 보호 소자(21, 22)와 충전 수단(18)을 포함하는 DC/DC 변환기(10)에 대한 실시예로서 양방향성 초크-강압 변환기의 전형적인 회로 기술적 구성이 도시되어 있다. DC/DC 변환기(10)는 양방향성 n-위상 초크-강압 변환기로서 구현된다. 이를 위해, 상위 전압측(HS) 상에서는 n개의 MOSFET(HS1 내지 HSn)이 병렬 연결된다. 이들 MOSFET의 드레인 단자들은 동일한 전위를 갖고 단자(HS)를 통해 DC/DC 변환기(10)로부터 인출된다. 각각의 MOSFET(HS1 내지 HSn)에 대해 각각 추가 MOSFET들(LS1 내지 LSn)이 직렬로 위치한다. 추가 MOSFET들의 소스 단자들은 동일한 전위를 갖고 단자(LS)를 통해 인출되고 제 2 보호 소자(22)를 경유하여 단자(KL31)를 통해 접지(24)로 연결된다. 직렬 연결된 MOSFET들(HS1, LS1; HSn, LSn) 사이에서 전위는 각각 초크를 통해, 그리고 그 후 결합되어 소위 단자(KL30)를 통해 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)과 전기 접촉된다.
일차측에서 제 1 보호 소자(21)는 DC/DC 변환기(10)의 단자(HS)와 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 사이에 배치된다. 제 1 보호 소자(21)의 출력단은 단자(KL60)로서 인출된다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 공칭 전압 또는 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)은 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)에 비해 더 높은 공칭 전압, 예컨대 60V를 갖는다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에서 제너레이터(34) 및 에너지 저장 장치(32)(예: 배터리)는 접지로 병렬 연결된다. 에너지 저장 장치(32)에는 전압(Ub)이 인가된다. 에너지 저장 장치(32)는 스위치(30)를 통해 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결된다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 개략적으로 도시된 중간 회로 커패시터(20)는, 예컨대 제너레이터(34)처럼, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결된 부하 장치들 또는 전기 어셈블리들의 커패시터들로부터 주어진다.
DC/DC 변환기(10)의 접지 경로에는 제 2 보호 소자(22)가 제공된다. 보호 소자들(21, 22)은 예컨대 반도체 스위치, 릴레이 등과 같은 스위칭 수단으로서 구성된다. 실시예에서, 예컨대 MOSFET들과 같은 2개의 역병렬(antiparallel) 연결된 반도체 스위치가 사용된다. 그에 따라, 예컨대 DC/DC 변환기(10)의 MOSFET의 진성 다이오드를 통해 발생할 수 있는 것과 같은 에러의 경우, 제 1과 제 2 온보드 전원 공급 시스템(12, 14) 사이의 바람직하지 않은 전류 흐름이 확실히 방지될 수 있다. 보호 소자들(21, 22) 내에 표시된 저항기들은 대칭화하는 역할을 하고 바람직하게는 고-옴으로 구현된다.
DC/DC 변환기(10)는 소위 단자(KL30)를 통해, 예컨대 12/14V 높이의 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)을 갖는 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)과 연결된다. 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)에는 예컨대 스타터(36), 에너지 저장 장치(32) 및 부하(40)가 연결된다.
도 4에 따라서, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 중간 회로 커패시터(20)를 충전하기 위한 충전 수단(18)이 제공된다. 예컨대, 충전 수단(18)은 정전류원으로서 구성된다. 이를 위해, 트랜지스터로서, 실시예에서는 NPN 트랜지스터로서 구현될 수 있는 제 1 스위칭 수단(26)이 사용된다. 제 1 스위칭 수단(26)을 통해, 실시예에서 PNP 트랜지스터로서 구현된 제 2 스위칭 수단(28)의 베이스가 제어된다. 제 1 트랜지스터(26)의 콜렉터는 저항기(27)를 통해 제 2 트랜지스터(28)의 베이스와 연결된다. 제 2 트랜지스터(28)의 콜렉터에서는 정전류(Ik) 형태의 소정 충전 전류가 설정된다. 정전류(Ik)는 제 1 보호 소자(21)에 공급되며, 더욱 정확하게 말하면 예컨대 MOSFET들과 같은 두 역병렬 연결된 파워 반도체들 사이에 공급된다. 전류 설정을 위한 수단인 제너 다이오드(30)는 제 2 트랜지스터(28)의 베이스와 연결되고 추가 저항기(29)를 통해 제 2 트랜지스터(28)의 이미터와 연결된다. 또한, 제너 다이오드(30) 및 추가 저항기(29)는 전기 전도 방식으로 DC/DC 변환기(10)의 출력단 또는 제 1 보호 소자(21)의 입력단과 연결된다. 제너 다이오드(30)는 예컨대 약 1A의 크기로 이동될 수 있는 정전류(Ik)의 설정을 위해 전류 저하된다.
대안적 충전 수단(18')으로서, 추가 DC/DC 변환기(19)가 (다이오드를 통해 연결되는) 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)과 제 1 보호 소자(21) 사이에 제공될 수도 있으며, 상기 추가 DC/DC 변환기는 다시 전기 전도 방식으로 제 1 보호 소자(21)의 두 직렬 연결된 MOSFET 사이에 연결된다.
제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 중간 회로 커패시터(20)를 충전하기 위한 충전 수단(18)의 회로는 본 발명의 실질적인 핵심이며, 하기에서 도 5에 도시된 것과 같은 전형적인 런업 시나리오에 따라 설명된다.
시스템의 정지 상태에서 두 보호 소자(21, 22)뿐 아니라, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 에너지 저장 장치(38)를 위한 스위치(30)도 개방된다. 그에 따라 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)은 무전압 상태로 스위칭된다.
시스템 스타트시, 접지(24)와 DC/DC 변환기(10)를 연결하기 위해, 먼저 DC/DC 변환기(10)의 제 2 보호 소자(22)가 폐쇄된다. 다음 단계에서, 스위치(30)의 폐쇄 전에, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내에 연결된 컴포넌트들(34)의 기존 커패시터들(20)[상기 컴포넌트들의 정전용량의 합이 중간 회로 커패시터(20)를 형성함]에 에너지 저장 장치(38)를 접속할 때 전류 피크가 발생하지 않도록 하기 위해, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내 전압 위치는 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 에너지 저장 장치(38)의 개회로 전압에 따라 조정된다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 중간 회로 커패시터(20)를 충전하기 위한 충전 수단(18)의 회로를 삽입함으로써, 스위칭 가능한 정전류원의 기능이 달성될 수 있다.
중간 회로 커패시터(20)의 충전은 도 5에 도시된 것처럼 3개의 단계로 구분된다.
단계 1: 제 1 스위칭 수단(26)의 제어를 통해, 정전류원으로서 작용하는 충전 수단(18)이 스위치 온된다. 정전류(Ik)가 흐른다. 정전류는 제 1 보호 소자(21)의 상부 MOSFET의 진성 다이오드를 경유하여 단자(KL60)를 통해 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)으로 유입된다.
그에 따라 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 상승하고, 그에 따라 중간 회로 커패시터(20)에서의 전압도 0V로부터 거의 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)(예: 12V, KL30에서의 전압)으로 상승하며, 그럼으로써 중간 회로 커패시터(20)가 충전된다. 제 1 보호 소자(21)는 아직도 개방된 상태로 유지된다. DC/DC 변환기(10)의 출력단(HS)에서 전압(UHS)은 예컨대 12V의 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)의 레벨로 일정하게 유지된다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 DC/DC 변환기(10)의 출력단(HS)에서의 전압(UHS)에 접근한 후, 위상 1로부터 위상 2로의 전환이 수행된다.
단계 2: DC/DC 변환기(10)는 제 1 보호 소자(21)가 아직 개방된 상태에서 작동되고, DC/DC 변환기(10)의 출력단(HS)에서의 전압(UHS)은 제어되면서 예컨대 약 25V의 중간 전압(Uz)까지 런업된다. 이를 위해, 전압(UHS)은, 중간 전압(Uz)에 도달할 때까지, 선형으로 상승한다. 그 다음, 전압(UHS)은 중간 전압(Uz)의 레벨에서 유지된다. 충전 수단(18)의 정전류원은 스위치 온 상태로 유지되며, 그럼으로써 중간 회로 커패시터(20)에서의 전압 또는 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)은 느리게 함께 이동된다. 단계 2는, 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 중간 전압(Uz)의 레벨에 있는 전압(UHS)에 도달할 때 종료된다. 이제, 충전 수단(18)에 의해, 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)의 전압 레벨이 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)의 레벨 이상으로 상승되었다. 그에 따라, DC/DC 변환기(10)는 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)의 추가적인 상승을 위해 직접 사용될 수 있는데, 그 이유는 이제 일차 전압이 더 이상 DC/DC 변환기(10)의 이차 전압을 하회하지 않기 때문이다. 따라서 충전 수단(18)은 의도한 바대로 전압 저장 장치로서 사용되는 중간 회로 커패시터(20)와 결부되어 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)의 소정 전압 상승을 위해 사용된다. 필요한 경우, 추가 구조 소자를 통해 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내에 적합한 전압 저장 장치가 제공될 수 있다.
단계 3: 출력단(HS)에서의 전압(UHS)과 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 서로 근접하면, 곧바로 제 1 보호 회로(21)가 폐쇄된다. 그와 동시에 충전 수단(18)의 정전류원도 차단된다. 이제, DC/DC 변환기(10)는 액티브한 역 작동 상태에 있다. DC/DC 변환기는, 중간 회로 커패시터(20)가 충전됨으로써, 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 에너지 저장 장치(38)의 개회로 전압(Ub)로 상승시킨다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 에너지 저장 장치(38)의 개회로 전압(Ub)과 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2) 간의 전압 동일성이 주어지면(단계 3의 종료), 간섭 없이 에너지 저장 장치(32)의 스위치(30)가 폐쇄될 수 있다. 이제, 시스템은 작동 준비 상태가 된다.
도 6에 따른 대안적 충전 방법은, 충전 수단(18)이 예컨대 25V를 다소 초과하는 중간 전압(Uz)에 도달할 때에도 활성화된 상태로 유지되는 점에서, 도 5에 따른 충전 방법과 구별된다. 이 시점부터, 충전 수단(18)과 DC/DC 변환기(10)는 병렬로 중간 회로 커패시터(20)를 충전한다. 중간 회로 커패시터(20)에서의 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 에너지 저장 장치(38)의 개회로 전압(Ub)에 도달한 후, 스위치(30)는 폐쇄될 수 있고, 그에 따라 에너지 저장 장치(38)가 접속될 수 있다.
중요한 점은, 다단계 충전 개념이 구현된다는 것이다. 제 1 단계에서, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 중간 회로 커패시터(20)는 중간 전압(Uz)으로 충전된다. 중간 전압(Uz)은, 상기 중간 전압(Uz)부터 DC/DC 변환기(10)가 중간 회로 커패시터(20)를 더 충전할 수 있도록 선택된다. 단자(KL30)에서의 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)에 가까운 중간 전압(Uz)에 도달한다면, DC/DC 변환기(10)가 접속된다. 이 시점부터, DC/DC 변환기(10)의 출력단에서의 전압(UHS)은 제어되면서 계속하여, 예컨대 램프(ramp) 형태로 상승한다. DC/DC 변환기(10)에 의해 단자(HS)에서 송출된 전류는 [제 1 보호 수단(21)의 하부 MOSFET의 진성 다이오드 차단] 충전 수단(18)으로 유입되고, 충전 수단(18)의 충전 전류(Ik)에 의해 제한되어 상부 MOSFET의 진성 다이오드 및 단자(KL60)를 통해 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)으로 유입된다.
정전류원(18)이 스위치 온 상태로 유지되기 때문에, 중간 회로 커패시터(20)에서의 전압, 즉 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)은 느리게 함께 이동된다. 중간 회로 커패시터(20)에서의 전압(U2)이 DC/DC 변환기(10)에서의 전압(UHS)에 도달한다면, 제 1 보호 소자(21) 또는 이 보호 소자의 스위칭 수단이 폐쇄될 수 있다. 즉, 두 MOSFET가, 단자(HS) 및 단자(KL60)의 연결을 위해 통전될 수 있다. 그에 따라, 보상 전류가 흐르지 않거나 매우 적은 보상 전류만이 흐르는 것이 보장된다. 도 5에 따라, 이제 정전류원(18)은 차단된다. DC/DC 변환기(10)는 액티브한 역 작동 상태에 있고, 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내 에너지 저장 장치(38)의 개회로 전압(Ub)으로 상승시킨다. 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)과 개회로 전압(Ub) 간의 전압 동일성이 주어지면, 곧바로 에너지 저장 장치(38)는 스위치(30)의 폐쇄를 통해 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에 접속될 수 있다. 이제, 시스템은 정상 작동을 위해 준비가 된다.
대안으로서, 도 5에 따른 실시예의 경우, 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)은, 중간 전압(Uz) 대신, 목표 전압(Ub)으로 상승할 수 있다. 이 경우, 단계 3은 생략될 수 있다.
특히 바람직하게는 상기 다단계 제어가 적합한데, 그 이유는 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)의 추가 전압 상승 동안 DC/DC 변환기(10)의 기존 모니터링 기능이 액세스될 수 있기 때문이다. 이 경우, DC/DC 변환기(10)의 출력단(HL)에서 전압, 전류 또는 전압 상승이 모니터링될 수 있고, 경우에 따라 에러 진단 및 보호 기능을 위해 사용될 수도 있다.
설명한 방법은 또한, 충전 수단을 통한 충전 동안, 중간 회로의 진단을 실행할 수 있는 가능성을 제공한다. 따라서, 접지 방향으로 단락이 존재하는지의 여부 또는 누설 전류가 존재하는지의 여부가 검출될 수 있다. 또한, 중간 회로 내에 어떤 커패시터(20)가 존재하는지도 결정될 수 있다. 또한, 예컨대 중간 회로 내 전압 곡선 및/또는 전류 곡선의 평가에 의해 전체 제 2 온보드 전원 공급 시스템의 진단이 가능하다. 이를 위해, 중간 회로 내 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 예컨대 20V의 기지의, 비임계 전압(Ut)으로 의도대로 상승될 수 있다. 이어서, 상응하는 버스 시스템들을 통해, 예컨대 20V의 비임계 전압이 측정되는지의 여부가, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내 모든 제어 장치 및 컴포넌트에 또는 특정 제어 장치 및 컴포넌트에만 조회된다. 그리고 나서야 비로소 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 더 상승되고 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)은 릴리스된다. 경우에 따라, 비임계 전압(Ut)이 중간 전압(Uz)과 일치할 수도 있다.
낮은 회로 복잡성 및 효율 장점으로 인해, 상기 유형의 온보드 전원 공급 시스템 아키텍처들의 경우, 일반적으로, 도 4에 개략적으로 도시된 것처럼, 양방향성 초크-강압 변환기가 DC/DC 변환기(10)로서 사용된다. 각각 2개의 스위칭 수단을 통해 양방향성으로 제어될 수 있으면서 순차적으로 제어되는 n개의 초크를 포함한 n-위상 DC/DC 변환기(10)가 사용될 수 있다. 그러나 본원의 장치 및 방법의 사용은 이것에 제한되지 않는다. 초크-강압 변환기는 원리상 에너지를 상위 전압 위치(일차측)로부터 하위 전압 위치(이차측)로만 전달할 수 있다. 양방향성 초크-강압 변환기의 경우, 역방향 또는 역 작동 시에 대안으로 이차측의 하위 전압 위치에서 일차측에서의 상위 전압 위치로 에너지가 변환될 수 있지만, 그러나 어떠한 경우에도 일차 전압이 이차 전압을 하회하지 않아야 한다. 이는, 충전 수단들(18, 18')의 제공에 의해 확실하게 달성된다.
단자(KL60)에서의 전위[제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)]가 DC/DC 변환기의 단자(KL30)의 전위[제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)]을 하회한다면, 상세하게 도시되지 않은 상부 하프 브리지 트랜지스터의 진성 다이오드가 통전되며, 그럼으로써 두 온보드 전원 공급 시스템(12, 14) 사이에 KL30으로부터 KL60으로 향하는 제어되지 않는 전류 흐름이 설정될 수도 있게 된다. 상기 전류 흐름을 방지하기 위해, DC/DC 변환기(10)의 단자(KL60)-회로 내에, 예컨대 릴레이 또는 역병렬 반도체 스위치로서 구현될 수 있는 제 1 보호 소자(21)가 필요하다. 일반적으로, 스위칭 소자로서 2개의 역병렬 반도체 스위치로 구성된 백-투-백 조합이 사용되며, 이는 추가로 제 1 스위칭 수단(26)의 단락의 경우 두 온보드 전원 공급 시스템(12, 14) 사이에서 제어되지 않는 전류 흐름[단자(KL60)로부터 단자(KL30)로]을 방지할 수 있는 가능성을 제공한다.
차량의 정지 상태에서, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)은 안전상의 이유로 스위치(30)의 개방을 통해 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)의 에너지 저장 장치(38)로부터 분리되고 그에 따라 무전압 상태로 스위칭된다. 상기 에너지 저장 장치(38)의 재접속 전에, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내에 제공된 중간 회로 커패시터(20)[예: 제너레이터(34)의 중간 회로 커패시터(20)]로 인해, 스위치(30)가 폐쇄되기 전에, 먼저 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 제어되면서 상승되어야 한다.
예컨대 도 2의 온보드 전원 공급 시스템에서 (상위 전압 위치에서의) 이중층 커패시터(DLC)와 결부하여 양방향성 초크-강압 변환기(10)를 사용할 때도, 0V(완전 방전된 상태)에서부터 커패시터(15)를 충전할 필요가 있다[예: 스타터 배터리(32)가 분리된 상대적으로 오랜 정지 단계 후 자동차의 최초 시동 또는 재시동]. 초크 변환기(여기서는 역 작동 - 승압만)는 커패시터를 충전하지 못하기 때문에, 설명한 충전 수단(18)이 0V의 전압에서 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1) 이상까지 커패시터(15)를 충전하기 위해 제공될 수 있다.
본원의 장치 및 방법의 목적은, 단순한 회로 조치들을 통해 예컨대 양방향성 초크-강압 변환기로서 구현된 DC/DC 변환기(10)에, 비록 일차측 전압이 이차측 전압을 하회한다고 하더라도, 역 작동(이차측에서 일차측 방향) 시에 일차측에서 에너지 저장 장치(32)의 충전이 수행될 수 있게 하는 능력을 제공하는 것에 있다. 이 경우, 또 다른 컴포넌트들 내 필요한 추가 조치들이 생략될 수 있고, 그에 따라 비용 장점도 달성될 수 있다.
본원의 장치 및 방법은 특히, 자동차에서 점점 더 많은 고출력 부하 장치가 사용되기 때문에, 자동차의 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들(12, 14)의 연결을 위해 적합하다. 그러나, 용도가 이것에 제한되지는 않는다.
10: DC/DC 변환기
12: 제 1 온보드 전원 공급 시스템
14: 제 2 온보드 전원 공급 시스템
15: 커패시터
18, 18': 충전 수단
20: 중간 회로 커패시터
21: 보호 소자
22: 보호 소자
30: 스위치
32: 에너지 저장 장치
38: 에너지 저장 장치
Ik: 충전 전류
U1: 제1 온보드 전원 공급 시스템 전압
U2: 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압
Ub: 개회로 전압
Uz: 중간 전압

Claims (15)

  1. 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치로서, 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)을 갖는 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)을 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 갖는 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결할 수 있는 하나 이상의 DC/DC 변환기(10)를 포함하는, 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치에 있어서,
    상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에 전기 공급을 위해 에너지 저장 장치(38)를 접속하기 전에 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 상승시키기 위한 하나 이상의 충전 수단(18)이 제공되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 충전 수단(18)은, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내에 제공된 중간 회로 커패시터(20)를 충전함으로써, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 상승시키는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 충전 수단(18)은 적어도 상기 DC/DC 변환기(10)가 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)의 추가적인 전압 상승을 위해 접속되는 중간 전압(Uz)으로 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 상승시키는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 DC/DC 변환기(10)와 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 사이에 하나 이상의 보호 소자(21), 특히 2개의 역병렬 연결된 반도체 스위치가 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 수단(18)은 적어도 부분적으로 상기 보호 소자(21)를 통해 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에 충전 전류(Ik)를 공급하는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 대략, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결될 수 있는 상기 DC/DC 변환기(10)의 출력단(HS)에서의 전압(UHS)에 도달한다면, 상기 보호 소자(21)가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 스위치(30)가 제공되며, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 대략 에너지 저장 장치(38)의 개회로 전압(Ub)에 상응하면, 상기 스위치를 통해 상기 에너지 저장 장치(38)가 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 장치.
  8. 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법으로서, 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)을 갖는 제 1 온보드 전원 공급 시스템(12)을 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 갖는 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결할 수 있는 하나 이상의 DC/DC 변환기(10)를 포함하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법에 있어서,
    상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에 전기 공급을 위해 에너지 저장 장치(38)를 접속하기 전에 하나 이상의 충전 수단(18)이 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 상승시키는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 충전 수단(18)은, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 상승시키기 위해, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 내에 제공된 중간 회로 커패시터(20)를 충전시키는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
  10. 제 8항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)은, 상기 제 1 온보드 전원 공급 시스템 전압(U1)보다 더 큰 중간 전압(Uz)에 도달할 때, 상기 DC/DC 변환기(10) 및/또는 상기 충전 수단(18)에 의해 더욱 상승되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전 수단(18)은, 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에 연결된 하나 이상의 부하 장치(34) 또는 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14) 자체가 적절한 작동 여부에 대해 검사되는 특정 전압(Ut)으로 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)을 상승시키는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결될 수 있는, 상기 DC/DC 변환기(10)의 출력단(HS)에서의 전압(UHS)이 대략 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)에 상응하면, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 상기 DC/DC 변환기(10) 사이에 위치하는 하나 이상의 보호 소자(21)가 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결될 수 있는, 상기 DC/DC 변환기(10)의 출력단(HS)에서의 전압(UHS)이 대략 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)에 상응하면, 상기 충전 수단(18)이 비활성화되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 상기 DC/DC 변환기(10) 및/또는 상기 충전 수단(18)을 통해, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)에 접속될 수 있는 에너지 저장 장치(38)의 개회로 전압(Ub)으로 상승되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템 전압(U2)이 대략 상기 에너지 저장 장치(38)의 상기 개회로 전압(Ub)에 상응하면, 상기 에너지 저장 장치(38)는 상기 제 2 온보드 전원 공급 시스템(14)과 연결되는 것을 특징으로 하는 다중 전압 온보드 전원 공급 시스템들의 연결 방법.
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