KR20140047555A - 자동차의 차내 전원 공급장치에 전력을 공급하는 방법 및 장치 - Google Patents

자동차의 차내 전원 공급장치에 전력을 공급하는 방법 및 장치 Download PDF

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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 고전압 배터리(11) 및 2개의 분리된 전기 기계를 구비한 자동차의 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법에 관한 것으로, 상기 2개의 전기 기계들 각각에 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)를 각각 갖는 전력 전자 장치(13, 14)가 할당되며, 상기 각각의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 고전압 배터리(11)의 고전압을 사전설정된 전압으로 강하시키도록 설계되고, 상기 2개의 전력 전자 장치(13, 14)의 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 전기적으로 병렬 연결되며, 상기 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 상이한 전압값들로 조정된다. 또한, 이에 상응하는 장치가 제공된다.

Description

자동차의 차내 전원 공급장치에 전력을 공급하는 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR PROVIDING AN ELECTRICAL POWER FOR AN ON-BOARD POWER SUPPLY SYSTEM OF A MOTOR VEHICLE}
본 발명은, 자동차의 차내 전원 공급장치에 전력을 공급하는 방법 및 관련 장치에 관한 것이다.
전기 에너지는 그것의 다용성과 새로운 기능들을 실행하는 데 매우 우수한 제어능력으로 인해 자동차에서 점점 더 중요해지고 있다. 그러나, 이 경우에 전기 에너지의 사용을 위한 전제 조건은 자동차의 차내 전원 공급장치에 의한 신뢰성 있고 효율적인 공급이다. 이를 위해, 다양한 소비 장치들이 언제라도 충분한 에너지를 이용할 수 있는 점을 보장하도록 제공되는 지능형 에너지 관리장치가 요구된다. 특히, 이 경우 차내 전원 공급장치에서 있을 수 있는 부하 변경이 관리될 수 있어야 한다. 이것은 주어진 시점에서의 각 소비 장치의 중요도에 따라 각 소비 장치에 충분한 에너지가 제공될 수 있도록, 에너지가 이용되어야 함을 의미한다.
또한, 자동차에서 증가하는 전기 부하의 수 및 광범위한 새로운 안전 및 편의 기능들은 때때로 자동차 내부에서의 고출력 전기 에너지 공급장치들의 사용을 필요로 한다. 예를 들어 전기기계식 브레이크와 같은 기능들, 즉 통상의 내연기관 또는 전자기 제어식 밸브들을 위한 전기 부스트 기능은 종래의 12볼트 차내 전원 공급장치에 의해서는 더 이상 전력이 충분히 공급될 수 없는 부하들의 사용을 필요로 한다.
미국 특허공보 제6,154,381호는 병렬 연결된 복수의 DC-DC 컨버터들을 구비한 시스템을 개시하고 있다. 거기에 제안된 시스템은, 스마트 제어장치를 이용하여 입력 제어 신호 인터페이스 및 출력 제어 신호 인터페이스에 의해 제어되는 복수의 병렬 DC-DC 컨버터들을 포함한다. 제안된 시스템은, 존재하는 부하에 따라 모듈 효율이 변화함으로써 최적의 작동점이 존재한다는 사실에 기반한 스마트 제어장치를 포함한다. 그러나, 이는 항시 동기화된 제어가 수행되어야 하기 때문에 DC-DC 컨버터들의 매우 복잡한 제어를 요구한다. 이를 위해서는 추가의 센서 장치 및 추가의 배선이 필요하다.
본 명세서의 범주에서는, 적어도 2개의 개별 전기 기계를 구비한 하이브리드 차량 또는 전기 차량이 고려되었다. 상기 2개의 전기 기계는 소위 3상 동기기로서 구현되며, 즉 3상 교류를 공급받는다. 자동차는 추가로 고전압 배터리를 갖는다. 이 고전압 배터리는 직류를 공급하는데 사용된다. 두 전기 기계를 작동시키기 위해, 고전압 배터리에 의해 제공된 직류는 우선 적합한 교류, 즉 상술한 3상 교류로 변환되어야 한다. 따라서, 2개의 전기 기계에 각각 하나의 전력 전자 장치가 할당된다. 이 경우, 각각의 전력 전자 장치는 고전압 배터리의 직류를 각 전기 기계에 적합한 교류로 변환하기 위하여 인버터를 포함한다.
전술한 종래기술과, 증가하는 전기 부하들의 수 및 광범위한 새로운 안전 및 편의 기능들로 인해 12볼트 차내 전원 공급장치로는 경우에 따라 소정의 시점에 이들 모든 기능에 충분한 전력을 공급하지 못할 수도 있다는 문제에 근거하여, 이제 본 발명의 과제는 종래의 12볼트 차내 전원 공급장치의 단기 과부하 발생 시 수반되는 전압 강하를 실질적으로 방지하고, 오히려 전력을 계속해서 공급할 수 있도록 하는 것이다.
상기 과제의 해결을 위해, 본 발명은 특허청구범위 제1항의 특징들을 갖는 방법과 특허청구범위 제8항의 특징들을 갖는 장치를 제안한다. 추가의 구성들은 각각의 종속항들에 제시된다.
본 발명에 따라, 이제 고전압 배터리 및 2개의 개별 전기 기계를 포함하는 자동차의 차내 전원 공급장치에 전력을 공급하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 방법에서, 상기 2개의 전기 기계 각각에, 각각 하나의 DC-DC 컨버터를 갖는 전력 전자 장치가 할당된다. 이를 위해 각각의 DC-DC 컨버터는 고전압 배터리의 고전압을 사전설정된 전압으로 강하시키도록 설계된다. 상기 2개의 DC-DC 컨버터들은 또한 전기적으로 병렬 연결되며, 이때 상기 2개의 DC-DC 컨버터들은 상이한 전압값들로 조정된다. 각각의 DC-DC 컨버터가 조정되는 전압값은, 대응하는 DC-DC 컨버터의 출력에서의 전압, 즉 고전압으로부터 강하될 전압을 가리킨다.
본 발명에 따른 방법의 구성에서, 차내 전원 공급 장치는 종래의 12볼트 차내 전원 공급장치로 선택된다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구성에서, DC-DC 컨버터들이 조정되는 상이한 전압값들은 차내 전원 공급장치 위상에 따라 좌우되는 델타 값만큼, 일반적으로는 0.5볼트 내지 2볼트의 범위 내에서 차이가 있다.
12볼트 차내 전원 공급장치의 경우, 상기 2개의 DC-DC 컨버터 중 하나는 제1 전압값, 예를 들어 14.5볼트로 조정될 수 있고, 상기 2개의 DC-DC 컨버터 중 다른 하나는 제2 전압값, 예를 들어 제1 전압값과 예를 들어 1볼트의 델타 값 사이의 차이, 즉 13.5 볼트로 조정될 수 있다. 본 발명에 따라 제공된 상기 2개의 DC-DC 컨버터의 병렬 회로 덕분에, 차내 전원 공급장치에 오직 하나의 DC-DC 컨버터와 관련하여 전력을 2배로 공급할 수 있게 된다. 이 경우, 상기 2개의 DC-DC 컨버터들의 작동은 상이한 설정 전압값들로 조정된다. 만일, DC-DC 컨버터들 중 하나가 제공하는 전력보다 더 많은 전력을 차내 전원 공급장치가 요구하는 경우, 상기 2개의 DC-DC 컨버터들의 병렬 회로 없이도 차내 전원 공급장치에서의 전압 강하가 발생할 수 있으며, 이 전압 강하는 더 이상 차량 내 전기 유닛들의 안전한 작동을 보장하지 않는다. 그러나, 본 발명에 따르면, 제2 DC-DC 컨버터가 제1 DC-DC 컨버터와 전기적으로 병렬 연결되고 더 낮은 설정 전압값으로 조정되기 때문에, 12볼트 전력 공급장치의 요구 전력이 갑자기 상승하는 경우 전압 강하는 제2 DC-DC 컨버터의 설정 전압값으로 제한된다. 이때 발생하는, 델타 값에 상응하는 전압 강하는 차량에서 발생하는 차내 전원 공급장치에서의 "통상적인" 전압 변동들의 범위 내에 놓이므로 무시될 수 있다.
일반적으로 공급 전압이 단시간 감소하는 경우를 전력 공급에서의 전압 강하라고 말한다. 이러한 전압 강하는 차내 전원 공급장치에 강한 전류가 가해질 때 발생한다. 이는 특히 고출력 소비장치 또는 높은 시동 전류를 요구하는 특정 모터가 스위치-온되는 경우에 해당된다. 본 발명에 따른, 서로 독립적으로 작동되고 조정되는 2개의 DC-DC 컨버터들의 병렬 회로에 의해, 전압 강하는 전반적으로 보상되거나 적어도 상당히 제한될 수 있다.
2개의 전력 전자 장치 각각에 제공되는 DC-DC 컨버터는, 입력부에 공급된 DC 전압을 더 높거나, 더 낮거나, 반전된 전압 레벨을 갖는 DC 전압으로 변환하는 전기회로를 형성한다. 본 설명과 관련해서, 제공된 상기 2개의 DC-DC 컨버터들 각각에 의해 고전압 배터리의 고전압이 저전압 레벨을 갖는 DC 전압으로 변환된다. 이 경우 대응하는 DC-DC 컨버터의 각각의 출력에 존재하는, 저전압 레벨을 갖는 DC 전압은 일반적으로 10볼트 내지 16볼트의 범위 내에 놓인다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 구성에서, 상기 2개의 전기 기계들 중 하나는 자동차의 후방 차축에 배치되고, 상기 2개의 전기 기계들 중 다른 하나는 전방 차축에 배치된다.
이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 또 다른 구성에서는, 2개의 DC-DC 컨버터가 서로 독립적으로 작동된다. 이 경우, 상기 2개의 DC-DC 컨버터들의 작동은 각각 데이터 버스, 예컨대 CAN 버스를 통해 실행될 수 있다.
또한, 본 발명은 자동차의 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 고전압 배터리 및 2개의 개별 전기 기계들을 포함하며, 상기 2개의 전기 기계들 각각에 DC-DC 컨버터를 각각 갖는 전력 전자 장치가 할당된다. 이 경우, 구성요소들인 전기 기계, 전력 전자 장치 및/또는 DC-DC 컨버터는 각각 일체로 형성되거나 분리되어 배치될 수 있다. 각각의 DC-DC 컨버터는 고전압 배터리의 고전압을 사전설정된 전압으로 강하시키도록 설계되고, 상기 2개의 전력 전자 장치의 2개의 DC-DC 컨버터들은 전기적으로 병렬 연결된다. 상기 2개의 DC-DC 컨버터들은 또한 상이한 전압값들로 조정된다.
이 경우, 차내 전원 공급장치는 12볼트 차내 전원 공급장치일 수 있다. DC-DC 컨버터들이 조정되는 상이한 전압값들은 0.5볼트 내지 2볼트의 범위에서 선택된 델타 값만큼 서로 차이가 있을 수 있다. 이 경우, 12볼트 차내 전원 공급장치에서는 상기 2개의 DC-DC 컨버터들 중 하나를 14.5 볼트의 전압값으로 조정하고, 상기 2개의 DC-DC 컨버터들 중 다른 하나는 델타 값이 1볼트일 때 13.5 볼트의 전압값으로 조정하는 것이 가능하다. 물론, 또 다른 차내 전원 공급장치, 예를 들어 상응하게 다른 전압값들을 갖는 48볼트 차내 전원 공급장치도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 장치의 또 다른 한 실시예에서는 상기 2개의 전기 기계들 중 하나가 자동차의 후방 차축에 배치되고 상기 2개의 전기 기계들 중 다른 하나가 전방 차축에 배치되는 것이 가능하다. 상기 2개의 DC-DC 컨버터들의 작동은 각각 데이터 버스, 예컨대 CAN 버스를 통해 서로 독립적으로 실행될 수 있다.
본 발명은 또한 하이브리드 차량에서의 본 발명에 따른 장치의 사용 및/또는 본 발명에 따른 방법의 적용에 관한 것이다.
본 발명은 또한 전기 차량에서의 본 발명에 따른 장치의 사용 및/또는 본 발명에 따른 방법의 적용에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 장점들 및 구성들은 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조한다.
상술된 그리고 하기에서 추가로 설명될 특징들은, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 각자 언급된 조합뿐만 아니라 다른 조합들의 형태로 또는 독자적으로사용될 수 있다.
본 발명은 실시예들을 토대로 도면에 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 가능한 배치를 도시한 것이다.
도 1에는 자동차에서 차내 전원 공급장치에 전기 에너지를 공급하기 위해 제공될 수 있는, 본 발명에 따른 장치(1)의 일 실시예가 도시되어 있다. 여기에 도시된 회로(1)는 여기에 명확하게 도시되지 않은 자동차의 차내 전원 공급장치 및 자동차의 2개의 전기 기계들에 전력을 공급할 고전압 배터리(11)를 포함한다. 상기 2개의 전기 기계에 각각 하나의 전력 전자 장치가 할당된다. 전력 전자 장치들은 도면에서 점선의 박스들(13 및 14)로 표시되어 있다. 전기 기계들은 서로 분리 배치되어 서로 독립적으로 작동될 수 있다. 전기 기계들 중 하나는 자동차의 전방 차축에 위치되고 전기 기계들 중 다른 하나는 자동차의 후방 차축에 위치되는 것이 가능하다. 상기 2개의 전력 전자 장치들 각각은, 고전압 배터리(11)의 직류를 각 전기 기계에 적합한 교류로 변환하기 위한 인버터(여기에 도시되지 않음)를 가진다. 또한, 상기 2개의 전력 전자 장치 각각에 DC-DC 컨버터가 할당된다. 전력 전자 장치(13)에는 DC-DC 컨버터(13_1)가 할당되고, 전력 전자 장치(14)에는 DC-DC 컨버터(14_1)가 할당된다. DC-DC 컨버터(13_1 및 14_1)들은 서로 전기적으로 병렬 연결된다. DC-DC 컨버터들(13_1 및 14_1)의 각각은, 입력부(13_2 또는 14_2)에 각각 공급된 DC 전압과 같은 전압을 저전압 레벨의 DC 전압으로 변환하도록 설계된다. 여기에 도시된 경우에서, 고전압 배터리(11) 측에서 DC-DC 컨버터(13_1 및 14_1)의 각각의 입력부(13_2 또는 14_2)에는 공통 고전압 도선(12)을 통해 양측 입력부로 전달되는 DC 전압이 공급된다. DC-DC 컨버터(13_1)는 자신에 공급된 DC 전압을 저전압 레벨의 DC 전압으로 변환한다. DC-DC 컨버터(14_1) 역시 그에 상응하게 변환을 실행하는데, 전력이 공급될 자동차 내 부하들 또는 기능들에, 고전압 배터리(11)의 고전압보다 낮은 전압이 공급될 것이므로, 입력부(14_2)에 공급된 DC 전압을 저전압 레벨의 DC 전압으로 변환한다.
본 발명에 따라, 이제 DC-DC 컨버터들 중 하나가 다른 DC-DC 컨버터와 상이한 전압값으로 조정된다. 즉, DC-DC 컨버터들(13_1 및 14_1)은, 이들에 의해 설정되고, 각각의 입력부(13_2 또는 14_2)에 공급된 고전압으로부터 감소하게 될 전압값에 있어서 차이가 있다. 따라서, 각각 조정된 전압값들은 각각의 DC-DC 컨버터(13_1 또는 14_1)의 출력부(13_3 또는 14_3)에서의 전압을 규정한다. 이 경우, DC-DC 컨버터(13_1)의 출력부(13_3)에서의 전압은 U_2(예: 13.5 볼트)로 조정되는 반면, DC-DC 컨버터(14_1)의 출력부(14_3)에서의 전압은 U_1(예: 14.5볼트)로 조정된다. 따라서, DC-DC 컨버터들 각각의 출력부에서의 전압값들은 U_1에서 U_2를 뺀 델타 값, 예를 들면 1볼트만큼 차이가 있다. 자동차에 분포 배치되는 부하들(15)은 이제 버스(16)를 통해 전기 에너지를 공급받는다. DC-DC 컨버터(14_1)의 전압이 DC-DC 컨버터(13_1)의 전압보다 더 크기 때문에, 차내 전원 공급장치는 병렬 회로에 기반하여 우선 DC-DC 컨버터(14_1)로부터 전력을 공급받는다. 이제 DC-DC 컨버터(14_1)가 순간적으로 과부하를 받게 되는 경우, 즉 DC-DC 컨버터(14_1)가 독자적으로 차내 전원 공급장치를 안정적으로 또는 U_1에 유지할 수 없는 경우, 전압 강하는 DC-DC 컨버터(13_1)의 전압까지만 실시되므로 무시해도 될 정도의 전압 변동 범위 내에 놓인다.
본 발명에서 강조하고 있는 점은, DC-DC 컨버터들의 동기화를 위해 추가 센서 장치들 또는 추가 배선이 요구되지 않는다는 점이다. 2개의 DC-DC 컨버터들의 상이한 설정 전압값들을 조정하기 위해서는, 제공된 데이터 버스, 예를 들어 CAN 버스를 통해 상기 두 DC-DC 컨버터가 이들의 설정값 사전설정과 관련하여 서로 독립적으로 조정되기만 하면 된다. DC-DC 컨버터들의 수명을 연장하기 위하여, DC-DC 컨버터들 간에 설정값 사전설정의 주기적인 또는 임의적인 교환이 이루어질 수 있다.

Claims (13)

  1. 고전압 배터리(11) 및 2개의 분리된 전기 기계를 구비한 자동차의 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법이며,
    상기 2개의 전기 기계들 각각에 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)를 각각 갖는 전력 전자 장치(13, 14)가 할당되고, 상기 각각의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 고전압 배터리(11)의 고전압을 사전설정된 전압으로 강하시키도록 설계되며, 상기 2개의 전력 전자 장치(13, 14)의 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 전기적으로 병렬 연결되며, 상기 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 상이한 전압값들로 조정되는, 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차내 전원 공급장치는 12볼트 차내 전원 공급장치로 선택되는, 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터가 조정될 상이한 전압값들은 0.5볼트 내지 2볼트의 범위 내에서 선택된 델타 값만큼 서로 차이가 있는, 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2개의 DC-DC 컨버터들 중 하나(14_1)는 U_1의 전압값으로 조정되고, 상기 2개의 DC-DC 컨버터들 중 다른 하나(13_1)는, U_2 = U_1 - 델타 값의 전압 값으로 조정되는, 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 전기 기계들 중 하나는 자동차의 후방 차축에 배치되고, 상기 2개의 전지 장치들 중 다른 하나는 전방 차축에 배치되는, 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)들은 서로 독립적으로 작동되는, 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)의 작동은 각각 데이터 버스를 통해 실행되는, 차내 전원 공급 장치에 전원을 공급하는 방법.
  8. 고전압 배터리(11) 및 2개의 개별 전기 기계를 구비한 자동차의 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치이며,
    상기 2개의 전기 기계들 각각에 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)를 각각 갖는 전력 전자 장치(13, 14)가 할당되고, 상기 각각의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 고전압 배터리(11)의 고전압을 사전설정된 전압으로 강하시키도록 설계되며, 상기 2개의 전력 전자 장치(13, 14)의 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 전기적으로 병렬 연결되며, 상기 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)는 상이한 전압값들로 조정되는, 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 차내 전원 공급장치는 12볼트 차내 전원 공급장치인, 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)들이 조정될 상이한 전압값들은 0.5볼트 내지 2볼트의 범위 내에서 선택된 델타 값만큼 서로 차이가 있는, 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 2개의 DC-DC 컨버터 중 하나(14_1)는 14.5볼트의 전압값으로 조정되고, 상기 2개의 DC-DC 컨버터들 중 다른 하나(13_1)는 13.5볼트의 전압값으로 조정되는, 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 2개의 전기 기계 중 하나는 자동차의 후방 차축에 배치되고, 상기 2개의 전기 기계들 중 다른 하나는 전방 차축에 배치되는, 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 2개의 DC-DC 컨버터(13_1, 14_1)의 작동은 데이터 버스를 통해 각각 서로 독립적으로 실행될 수 있는, 차내 전원 공급장치에 전원을 공급하는 장치.
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