KR20160113133A - 온보드 전기 시스템의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 온보드 전기 시스템(1)의 작동 방법에 관한 것이며, 상기 온보드 전기 시스템(1)은, 적어도 하나의 저전압 부하(29) 및 하나의 스타터(26)를 구비한 저전압 하위 계통(21)과, 적어도 하나의 고전압 부하(25) 및 하나의 전기 발전기(23)를 구비한 고전압 하위 계통(20)을 포함하고, 고전압 하위 계통(20)은 커플링 유닛(33)을 통해 저전압 하위 계통(21)과 연결되고, 커플링 유닛은 고전압 하위 계통(20)에서 에너지를 인출하여 이 에너지를 저전압 하위 계통(21)으로 공급하도록 구성되며, 고전압 하위 계통(20)은, 고전압을 생성하여 고전압 하위 계통(20)으로 송출하도록 구성되는 배터리(40)와, 커플링 유닛(33)으로 이어지는 라인 섹션들(80-11, 80-12, ..., 80-n2)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 포함한다. 이 경우, 커플링 유닛(33)은 저전압 하위 계통(21)에 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)을 선택적으로 접속하도록 구성된다. 또한, 본 발명은 내연기관과 상기 유형의 온보드 전기 시스템(1)을 장착한 자동차에도 관한 것이다.

Description

온보드 전기 시스템의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING AN ON-BOARD ELECTRICAL SYSTEM}
본 발명은 자동차용 온보드 전기 시스템의 작동 방법, 그리고 상기 유형의 온보드 전기 시스템을 포함한 자동차에 관한 것이다.
내연기관을 장착한 자동차에서, 내연기관용 전기 기동기 또는 스타터뿐만 아니라 자동차의 추가 전기 장치들에 전기 공급을 위해, 표준에 따라 12볼트로 작동되는 온보드 전기 시스템이 제공된다. 내연기관의 시동 동안, 예컨대 상응하는 스타터 신호에 의해 스위치가 폐쇄된다면, 스타터 배터리로부터 온보드 전기 시스템을 통해 전압이 내연기관을 시동하는 스타터에 공급된다. 내연기관이 시동되면, 상기 내연기관은 전기 발전기를 구동하고, 그런 다음 전기 발전기는 약 12볼트의 전압을 생성하여 온보드 전기 시스템을 통해 자동차 내 다양한 전기 부하들에 공급한다. 이 경우, 전기 발전기는 시동 과정에 의해 부하를 받은 스타터 배터리도 다시 충전한다. 배터리가 온보드 전기 시스템을 통해 충전된다면, 실제 전압은 정격 전압을 초과할 수 있으며, 예컨대 14V 또는 14.4V일 수 있다.
전기 및 하이브리드 자동차에서 48V의 정격 전압을 갖는 추가의 온보드 전기 시스템을 사용하는 것은 공지되어 있다.
US 7,193,392는, HEV 모터에 의해 또는 제동 과정 동안 자동차의 운동 및 위치 에너지에 의해 발전기로서 구동된다면, HEV 모터로부터 전하를 획득할 수 있는 배터리 팩을 개시하고 있다. 개별 배터리 셀을 전자 방식으로 밸런스 컨버터에 연결하기 위해, 제어 유닛은 에너지를 한 쌍의 양방향성 스위치에 제공한다. 스위치 쌍은 개별 배터리 셀들을 선택적으로 충전하고 방전하기 위해 사용된다.
US 6,909,201은, 자동차의 온보드 전기 시스템을 위한 전환 가능한 전압 공급 아키텍처를 개시하고 있으며, 장착 공간, 비용 및 복잡성을 줄이기 위해 하나의 배터리 구성만이 사용된다. 양방향성 DC/DC 컨버터는, 저전류 계통에 전류가 공급되면 스텝-다운 컨버터(step-down converter)로서 작용하고, 다른 작동 모드에서 고전압 계통에 전류가 공급되면 스텝-업 컨버터(step-up converter)로서도 작용할 수 있다.
US 8,129,952는, 하나의 변환 회로와 복수의 주 단자(main terminal)를 포함하는 배터리 시스템을 개시하고 있으며, 주 단자들은, 하나의 충전 유닛, 하나의 충전 장치, 그리고 서로 직렬로 연결되어 재충전 가능한 복수의 배터리 모듈과 연결되도록 구성되고, 복수의 배터리 모듈은 주 단자들 사이에 위치한다. 배터리 시스템은, 배터리 모듈들 중 제 1 배터리 모듈이 전환 회로의 입력단에 연결되도록 형성되는 전환 회로를 포함한다. 또한, 모듈들은 밸런싱 회로와 연결되며, 밸런싱 회로는 재충전 가능한 배터리 모듈들 중 제 1 배터리 모듈에 의해 전기 에너지를 공급받도록 구성된다.
본 발명의 과제는, 자동차용 온보드 전기 시스템의 작동 방법, 그리고 상기 유형의 온보드 전기 시스템을 포함한 자동차를 제공하는 것이다.
본 발명은 자동차용 온보드 전기 시스템의 작동 방법을 제공하며, 상기 온보드 전기 시스템은, 적어도 하나의 저전압 부하(low-voltage load) 및 하나의 스타터를 구비한 저전압 하위 계통(low-voltage subsystem)과, 적어도 하나의 고전압 부하(high-voltage load) 및 하나의 전기 발전기를 구비한 고전압 하위 계통(high-voltage subsystem)을 포함하고, 상기 고전압 하위 계통은 커플링 유닛(coupling unit)을 통해 저전압 하위 계통과 연결되고, 상기 커플링 유닛은 고전압 하위 계통에서 에너지를 인출하여 이 에너지를 저전압 하위 계통에 공급하도록 구성되고, 고전압 하위 계통은, 고전압을 생성하여 고전압 하위 계통으로 송출하도록 구성되는 배터리와, 커플링 유닛으로 이어지는 라인 섹션들을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛을 포함하며, 커플링 유닛은 저전압 하위 계통에 배터리 유닛들을 선택적으로 접속하도록 구성된다. 이 경우, 고전압 하위 계통과 관련하여, 및/또는 저전압 하위 계통과 관련하여, 저전압 하위 계통에 접속된 배터리 유닛이 전환되는 전환 과정은 중단 없이 수행된다.
달리 말하면, 저전압 하위 계통에서 분리될 제 1 배터리 유닛으로부터 저전압 하위 계통에 접속될 제 2 배터리 유닛으로의 전환은 고전압 하위 계통에 전기 공급의 중단 없이, 및/또는 저전압 하위 계통에 전기 공급의 중단 없이 수행된다.
본 발명은, 저전압 하위 계통에 의해, 낮은 제 1 전압에 대해 설계되는 전기 부하들이 작동될 수 있고, 고출력 부하들을 위해 고전압 하위 계통, 다시 말하면 제 1 전압에 비해 증가된 전압을 갖는 하위 계통이 마련된다는 장점을 갖는다. 저전압 하위 계통에 전기 공급은 고전압 하위 계통에서의 충전 및 방전 과정들에 중첩된다. 이 경우, 고전압 하위 계통을 통해 저전압 하위 계통에 전기 공급은 단방향성으로 일어나며, 다시 말하면 커플링 유닛은 바람직하게는 하나의 방향으로만 에너지 전달을 제공한다.
온보드 전기 시스템은, 예컨대 풍력 발전 설비와 같은 고정식 적용 분야들에서뿐만 아니라 자동차들에서도, 예컨대 하이브리드 및 전기 자동차들에도 사용될 수 있다. 특히 온보드 전기 시스템은 스타트-스톱 시스템을 장착한 자동차들에 사용될 수 있다.
제안되는 시스템, 다시 말하면 온보드 전기 시스템 및 해당 제어 유닛, 예컨대 배터리 관리 시스템은 특히 48볼트 발전기 및 14볼트 스타터를 장착한 자동차에 사용하기에 적합하며, 상기 14볼트 스타터는 바람직하게는 스타트/스톱 시스템에 대해 설계된다. 12V 또는 14V 전압을 갖는 온보드 전기 시스템은 본 공개의 범위에서 온보드 저전압 전기 시스템이라 한다. 48V의 정격 전압을 갖는 온보드 전기 시스템은 온보드 고전압 전기 시스템이라고도 한다.
제안되는 시스템은 특히 가속(boost) 및 제동 에너지의 회수(recuperation) 시 보조를 위한 시스템(BRS; Boost Recuperation System; 부스트 회생 제동 시스템)을 장착한 자동차에 사용하기에 적합하다. 부스트 회생 제동 시스템의 경우, 전기 부하들에 전기를 공급하기 위해, 제동 과정 동안, 내리막길 주행 동안, 또는 세일링 모드(sailing mode) 중에 전기 에너지가 획득된다. 부스트 회생 제동 시스템은 시스템의 효율을 높이며, 그럼으로써 연료가 절감될 수 있고, 배기가스 배출량은 감소될 수 있다. 이 경우, 고전압 하위 계통 내의 배터리는 내연기관을 보조할 수 있으며, 이는 이른바 부스트라고 하고, 또는 저속으로 짧은 구간 동안 순수 전기 주행을 위해, 예컨대 주차장 내로 주차 및 주차장으로부터 출차 시에 사용될 수 있다.
"배터리" 및 "배터리 유닛" 개념들은 본 명세서에서 언어의 관용에 부합하게 어큐뮬레이터 또는 어큐뮬레이터 유닛에도 사용된다. 배터리는, 배터리 셀, 배터리 모듈, 모듈 뱅크 또는 배터리 팩을 나타낼 수 있는 하나 또는 복수의 배터리 유닛을 포함한다. 이 경우, 배터리 셀들은 바람직하게는 공간상 통합되고 회로 기술로 서로 연결되며, 예컨대 직렬 또는 병렬로 연결되어 모듈들을 형성한다. 복수의 모듈은 이른바 배터리 직접 컨버터들(BDC, battery direct converter)을 형성할 수 있고, 복수의 배터리 직접 컨버터는 하나의 배터리 직접 인버터(BDI, battery direct inverter)를 형성할 수 있다.
바람직하게는, 선택적으로 접속 가능한 배터리 유닛들은 각각 저전압을 공급하도록 구성된다. 다시 말해, 배터리 유닛들은, 예컨대 스타트-스톱 시스템을 보조하기 위해, 교대로 저전압을 공급하도록 요구를 받을 수 있으며, 이로 인해 배터리 유닛의 증가된 수명이 달성된다.
스타터는 저전압 하위 계통 내에 배치되어 있기 때문에, 저전압 하위 계통은 시동 과정을 위한, 특히 콜드 스타트 과정을 위한 요건들을 충족시킨다. 이 경우, 시동 전류는 상당한 부분까지, 예컨대 50% 이상까지, 80% 이상까지, 또는 100%까지 배터리에 의해 공급될 수 있다.
한 바람직한 실시형태에 따라서, 커플링 유닛은 적어도 하나의 역방향 차단형 스위치(backward block able switch)를 포함한다. 바람직하게 역방향 차단형 스위치들은 저전압 하위 계통에 대해 선택적으로 접속 가능한 배터리 유닛의 접속 및 분리를 위해 적합하다. 상기 스위치들은, "온(ON)" 상태에서 한 방향으로만 전류 흐름을 가능하게 하고 "오프(OFF)" 상태에서는 두 가지 극성의 차단 전압을 받아들일 수 있는 특성을 갖는다.
한 바람직한 실시형태에 따라서, 커플링 유닛은 적어도 하나의 순방향 차단형 스위치를 포함한다. 바람직하게 순방향 차단형 스위치는 선택적으로 접속 가능한 배터리 유닛들을 서로 직렬로 연결하기 위해 적합하다.
한 바람직한 실시형태에 따라서, 커플링 유닛은, 저전압 하위 계통과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛을 서로 병렬로 연결하도록 구성된다. 그 결과, 두 배터리 유닛의 충전 상태가 서로 심하게 다른 경우, 상대적으로 더 높은 충전 상태를 보유하거나 상대적으로 더 높은 전압을 공급하는 배터리 유닛으로부터 저전압 하위 계통에 전기 공급이 이루어지는 것이 가능해진다. 배터리 유닛들의 충전 상태가 서로 동일하거나 유사한 경우에는 저전압 하위 계통은 두 배터리 유닛 모두로부터 전기를 공급받는다.
한 바람직한 실시형태에 따라서, 커플링 유닛은, 고전압 하위 계통과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛을 직렬로, 다시 말하면 서로 하나의 열로 연결하도록 구성된다.
추가로 저전압 하위 계통은 고출력을 갖는 전기 에너지의 공급을 위해 최적화되어 있는 적어도 하나의 제 2 에너지 저장 장치를 포함한다. 특히 바람직하게는 커패시터 시스템들은 예컨대 이중 층 커패시터들, 특히 이른바 슈퍼 커패시터들(supercapacitor)을 기반으로 한다. 배터리는 상기 제 2 에너지 저장 장치에 의해 특히 저온에서 높은 전류의 공급으로부터 부하 경감된다. 그에 따라, 특히 리튬이온 배터리의 경우, 결정적인 장점이 제공된다. 저전압 하위 계통 내에 제 2 에너지 저장 장치의 사용과 결부되는 (제조 기술 및 비용 측면의) 비용으로 인해, 상기 시스템은 바람직하게는 매우 큰 콜드 스타트 출력이 요구되는 대형 내연기관을 장착한 자동차에 사용하기에 적합하다. 바람직하게는 많은 횟수의 콜드 스타트 또는 매우 많은 횟수의 스타트-스톱 과정에서도 전체 시스템에 대해 예컨대 10년 이상의 긴 수명을 보장하기 위해, 바로 시동 요건을 위해 최적화된 방식으로 구성되는 제 2 에너지 저장 장치가 사용된다.
바람직하게 온보드 전기 시스템은 배터리 유닛들의 스위칭을 위한 커플링 유닛을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 예컨대 배터리에 할당된 배터리 관리 시스템일 수 있고, 이 배터리 관리 시스템은 예컨대 온도, 공급되는 전압, 송출되는 전류 및 배터리 또는 배터리 유닛들의 충전 상태들에 대한 측정 데이터를 검출하여 처리하고 상기 변수들을 이용하여 배터리 시스템의 수명, 신뢰성 및 안전성을 증가시키는 관리 기능들을 실현하도록 구성되는 추가 기능 유닛들을 포함한다.
커플링 유닛의 제어를 위한 제어 유닛은 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있으며, 이 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능한 저장 매체에, 예컨대 영구적이거나 재기록 가능한 저장 매체에, 또는 컴퓨터 유닛에 할당되는 경우에는 예컨대 CD-ROM, DVD, 블루레이 디스크, USB 스틱 또는 메모리 카드와 같은 휴대용 메모리에 저장될 수 있다. 이에 대해 추가로 그리고 대안으로서, 컴퓨터 프로그램은 예컨대 서버 또는 클라우드 서버와 같은 컴퓨터 유닛에서, 예컨대 인터넷과 같은 데이터 네트워크를 통해, 또는 예컨대 전화 선로 또는 무선 링크와 같은 통신 링크를 통해서 다운로드되도록 제공될 수 있다.
저전압 하위 계통에 중단 없는 전기 공급을 위해, 저전압 하위 계통에 접속된 제 1 배터리 유닛으로부터 저전압 하위 계통에 접속될 제 2 배터리 유닛으로의 전환은 바람직하게는 하기 단계들의 실행 하에 수행된다:
a) 접속된 제 1 배터리 유닛과 접속될 제 2 배터리 유닛 간의 라인을 분리하는 단계,
b) 저전압 하위 계통에 접속될 제 2 배터리 유닛을 접속하는 단계,
c) 저전압 하위 계통으로부터 접속된 제 1 배터리 유닛을 분리하는 단계, 및
d) 저전압 하위 계통으로부터 분리된 제 1 배터리 유닛과 저전압 하위 계통에 접속된 제 2 배터리 유닛 간의 라인을 연결하는 단계.
이 경우, 단계 b)와 단계 c)는 바람직하게는 지연 조건으로 실행되며, 다시 말하면 동시에 실행되지 않는다.
그에 따라, 바람직하게는, 모든 전환 과정 동안, 저전압 하위 계통은 적어도 하나의 배터리 유닛으로부터 전기를 공급받는다. 그 결과, 저전압 하위 계통 내에서 전압 강하는 추가의 버퍼 유닛들 없이도 방지될 수 있다. 배터리는 전환 과정 동안 고전압 하위 계통에 변함없이 에너지 저장 장치로서 제공된다. 이 경우, 전압은 단시간 동안 정격값 미만일 수 있지만, 양방향의 에너지 흐름, 다시 말하면 배터리의 충전 및 방전은 가능하다.
바람직하게는, 단계 a)에서 접속된 제 1 배터리 유닛과 접속될 제 2 배터리 유닛 간의 라인을 분리할 때, 적어도 하나의 순방향 차단형 스위치가 작동된다. 마찬가지로, 바람직하게는, 저전압 하위 계통으로부터 분리된 제 1 배터리 유닛과 저전압 하위 계통에 접속된 제 2 배터리 유닛 간의 라인을 연결할 때에도 적어도 하나의 순방향 차단형 스위치가 작동된다.
단계 b)에서 접속될 제 2 배터리 유닛을 접속할 때, 바람직하게는 적어도 하나의 역방향 차단형 스위치, 특히 바람직하게는 2개의 역방향 차단형 스위치가 작동된다. 단계 c)에서 접속된 제 1 배터리 유닛을 분리할 때에는, 마찬가지로 바람직하게는 적어도 하나의 역방향 차단형 스위치, 특히 바람직하게는 2개의 역방향 차단형 스위치가 작동된다.
한 바람직한 실시형태에 따라서, 접속된 제 1 배터리 유닛과 접속될 제 2 배터리 유닛은, 단계 b)에서 저전압 하위 계통에 접속될 제 2 배터리 유닛의 접속 후에, 그리고 단계 c)에서 저전압 하위 계통으로부터 접속된 제 1 배터리 유닛의 분리 전에, 저전압 하위 계통과 관련하여 병렬로 연결된다.
한 바람직한 실시형태에 따라서, 접속된 제 1 배터리 유닛과 접속될 제 2 배터리 유닛은, 이들의 간의 라인이 연결된 경우, 고전압 하위 계통과 관련하여 직렬로 연결된다. 추가로 바람직하게는, 분리된 제 1 배터리 유닛과 접속된 제 2 배터리 유닛은, 이들 간의 라인이 연결된 경우, 고전압 하위 계통과 관련하여 직렬로 연결된다.
단계들 a), b), c) 및 d)의 실행 동안 저전압 하위 계통에 중단 없는 전기 공급을 위해, 한 실시형태에 따라서, 단계 a)에서는 배터리 유닛들 간의 모든 라인이 분리되며, 그리고 단계 d)에서는 배터리 유닛들 간의 모든 라인이 연결된다. 이 경우, 전환은 2개의 임의의 배터리 유닛 간에 수행될 수 있다.
이웃한 배터리 유닛들 간의 전환이 수행되는 한 대안적 실시형태에 따라서, 단계 a)에서 이웃한 배터리 유닛들 간의 라인을 분리하는 것과 동시에, 단계 b)에서 접속될 제 2 배터리 유닛의 접속을 위한 역방향 차단형 스위치가 작동되며, 그럼으로써 접속될 제 2 배터리 유닛의 양극 단자는 고임피던스로 전기 연결된다. 지연 조건으로 단계 b)에서 접속될 제 2 배터리 유닛의 접속을 위해, 추가 역방향 차단형 스위치가 작동되며, 그럼으로써 이웃한 배터리 유닛들은 병렬로 연결된다. 그런 후에, 단계 c)에서 저전압 하위 계통으로부터 접속된 제 1 배터리 유닛의 분리는, 바람직하게는 추가의 지연 후에 수행된다. 이웃하지 않은 배터리 유닛들 간의 전환은 다수의 중간 전환 과정을 요구하며, 이런 중간 전환 과정들은 이웃한 배터리 유닛들 간에 수행된다.
고전압 하위 계통에 중단 없는 전기 공급을 위해, 저전압 하위 계통에 접속된 제 1 배터리 유닛으로부터 저전압 하위 계통에 접속될 제 2 배터리 유닛으로의 전환은 바람직하게는 하기 단계들의 연속적인 실행 하에 수행된다.
e) 저전압 하위 계통으로부터 접속된 제 1 배터리 유닛을 분리하는 단계, 및
f) 저전압 하위 계통에 접속될 제 2 배터리 유닛을 접속하는 단계.
이 경우, 단계 e)와 단계 f)는 지연 조건으로 실행되며, 다시 말하면 동시에 실행되지 않는다.
단계 e)에서 접속된 제 1 배터리 유닛을 분리할 때, 바람직하게는 적어도 하나의 역방향 차단형 스위치, 특히 바람직하게는 2개의 역방향 차단형 스위치가 작동된다. 단계 f)에서 접속될 제 2 배터리 유닛을 접속할 때에는, 바람직하게는 적어도 하나의 역방향 차단형 스위치, 특히 바람직하게는 2개의 역방향 차단형 스위치가 작동된다.
고전압 하위 계통에 중단 없이 전기를 공급하는 실시형태의 경우, 바람직하게는, 저전압 하위 계통은, 커플링 유닛 내에서 전환 과정 동안, 저전압 하위 계통 내에서 허용되지 않을 정도로 높은 전압 강하가 발생하지 않도록 저전압 하위 계통에 전류를 공급하기 위해, 전압 버퍼 장치 또는 고출력 에너지 저장 장치를 포함한다. 고출력 에너지 저장 장치가 사용된다면, 이 고출력 에너지 저장 장치는 커플링 유닛의 전환 과정들이 단시간 지속되는 동안 저전압 하위 계통 내의 전압을 문제없이 버퍼할 수 있다. 전압 버퍼 장치로서 커패시터가 사용된다면, 커패시터는 바람직하게는 하기 식처럼 치수 설계된다.
Figure pct00001
,
상기 식에서, imax는 전환 과정 동안 저전압 하위 계통 내에서 흘러야 하는 온보드 전기 시스템의 최대 전류이고,
tumschalt(전환)은 어떠한 배터리 유닛도 전기 공급을 위해 준비가 되어 있지 않은 기간이며, 그리고
ΔUmax는 전환 과정 동안 온보드 전기 시스템 전압의 최대 허용 변화량이다. 그에 따라, 커패시터는, 적어도 단시간에 저전압을 생성하여 저전압 하위 계통으로 송출하도록 구성되는 전기 전하 저장 장치로서 적합하다.
또한, 고전압 하위 계통에 중단 없이 전기를 공급하는 실시형태에 따라서, 바람직하게는 저전압 하위 계통의 전류 세기가 검출되며, 그리고 전류 세기가 규정된 임계값 미만인 경우 전환 과정이 실행된다. 다시 말해, 저전압 하위 계통의 전류에 대한 신호가 평가되며, 그리고 커플링 유닛의 스위치들의 제어는, 저전압 하위 계통의 전류 세기가 규정된 임계값 미만일 때에만 전환이 일어날 수 있는 방식으로 수행된다. 온보드 전기 시스템의 전류가 최대한 낮은 시점들에서 전환이 수행된다면, 저전압 하위 계통에서 전압 강하는 더 줄어들 수 있다.
한 실시형태에 따라서, 전환 과정 전에 저전압 부하들은 비활성화된다. 저전압 하위 계통에서 전압 강하는, 바람직하게는, 큰 전압 강하 없이 배터리 유닛들의 전환 과정을 가능하게 하도록, 예컨대 히팅 시스템들과 같은 저전압 부하들을 단시간 동안 쾌적성 손실 없이 비활성화하기 위해, 부하 관리 시스템과의 동기화가 수행됨으로써 더 줄어들 수 있다.
본 발명은, 고전압 하위 계통과, 저전압 하위 계통과, 저전압 하위 계통에 단방향으로 전기 공급하는 부스트 회생 제동 시스템을 포함하는, 자동차용 리튬이온 배터리 시스템을 구비한 경제적인 온보드 전기 시스템의 작동 방법을 제공한다. 이 경우, 공지된 시스템들에 비해, 전위 분리형 DC/DC 컨버터뿐만 아니라 납산 배터리도 생략될 수 있다. 그러므로 본원의 시스템은, 현재 개발 중에 있는 부스트 회생 제동 시스템들에 비해 감소된 체적 및 더 적은 중량을 특징으로 한다. 또한, 부스트 회생 제동 시스템은 적합한 설계 시에 현재 개발 중에 있는 부스트 회생 제동 시스템들에 비해 훨씬 더 많은 에너지를 저장할 수 있고 그 결과 제동 과정 또는 내리막길 주행이 상대적으로 더 길어질수록 시스템에서 더욱 많은 전기 에너지를 회수할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 도면들에 도시되어 있으며 하기에서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따르는 온보드 저전압 전기 시스템의 도면이다.
도 2는 고전압 하위 계통과, 저전압 하위 계통과, 단방향성 전위 분리형 DC/DC 컨버터를 포함하는 온보드 전기 시스템의 도면이다.
도 3은 고전압 하위 계통과, 저전압 하위 계통과, 양방향성 전위 분리형 DC/DC 컨버터를 포함하는 온보드 전기 시스템의 도면이다.
도 4는 제 1 실시형태에 따르는, 고전압 하위 계통과, 저전압 하위 계통과, 단방향성 갈바닉 비분리형 DC/DC 컨버터를 포함하는 온보드 전기 시스템의 도면이다.
도 5는 제 2 실시형태에 따르는, 고전압 하위 계통과, 저전압 하위 계통과, 단방향성 갈바닉 비분리형 DC/DC 컨버터를 포함하는 온보드 전기 시스템의 도면이다.
도 6은 예시적인 작동 상태에 있는 커플링 유닛의 도면이다.
도 7은 추가의 예시적인 작동 상태에 있는 도 6의 커플링 유닛의 도면이다.
도 8은 추가의 예시적인 작동 상태에 있는 도 6의 커플링 유닛의 도면이다.
도 9는 역방향 및 순방향 차단형 스위치들의 도면이다.
본 발명의 실시예들의 하기 설명에서, 동일하거나 유사한 부품들 및 부재들은 동일하거나 유사한 도면부호들로 표시되며, 상기 부품들 또는 부재들의 반복 설명은 생략된다. 도면들은 본 발명의 대상을 개략적으로만 도시한다.
도 1에는, 종래 기술에 따른 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 내연기관의 시동 시, 예컨대 상응하는 스타터 신호에 의해 스위치(12)가 폐쇄된다면, 온보드 전기 시스템(1)을 통해 스타터 배터리(10)로부터 전압이 내연기관(미도시)을 시동하는 스타터(11)에 공급된다. 내연기관이 시동된다면, 내연기관은 전기 발전기(13)를 구동하며, 그런 다음 상기 전기 발전기는 약 12볼트의 전압을 생성하여 온보드 전기 시스템(1)을 통해 자동차 내 다양한 전기 부하들(14)에 공급한다. 이 경우, 전기 발전기(13)는 시동 과정에 의해 부하를 받은 스타터 배터리(10)를 다시 충전한다.
도 2에는, 고전압 하위 계통(20), 저전압 하위 계통(21), 및 고전압 하위 계통(20)과 저전압 하위 계통(21) 사이의 커플링 유닛을 형성하는 단방향성 전위 분리형 DC/DC 컨버터(22)를 포함하는 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 온보드 전기 시스템(1)은 자동차, 화물 운송 차량 또는 지게차의 온보드 전기 시스템일 수 있다.
고전압 하위 계통(20)은 예컨대 내연기관(미도시)에 의해 작동될 수 있는 전기 발전기(23)를 포함하는 48볼트 온보드 전기 시스템이다. 전기 발전기(23)는 본 실시예의 경우 자동차의 엔진의 회전 운동에 따라서 전기 에너지를 생성하여 고전압 하위 계통(20)으로 공급하도록 형성된다. 또한, 고전압 하위 계통(20)은 예컨대 리튬이온 배터리로서 형성될 수 있으면서 필요한 작동 전압을 고전압 하위 계통에 송출하도록 구성되는 배터리(24)를 포함한다. 고전압 하위 계통(20) 내에는, 예컨대 고전압으로 작동되는 자동차의 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 전기 부하에 의해 형성될 수 있는 추가 고전압 부하들(25), 특히 부하 저항기들이 배치된다.
출력 측에서 DC/DC 컨버터(22)에 배치되는 저전압 하위 계통(21) 내에는, 내연기관을 시동하기 위한 스타터(26) 및 스위치(27)뿐만 아니라, 저전압 하위 계통(21)을 위한 예컨대 12V 또는 14V의 레벨로 저전압을 공급하도록 구성된 고출력 에너지 저장 장치(28)가 배치된다. 저전압 하위 계통(21) 내에는 저전압으로 작동되는 추가 부하들(29)도 배치된다. 고출력 에너지 저장 장치(28)는 예컨대 갈바닉 셀들, 특히 완전 충전된 상태(충전 상태, SOC = 100%)에서 통상 12.8볼트의 전압을 나타내는 납산 배터리의 갈바닉 셀들을 포함한다. 방전된 상태(충전 상태, SOC = 0%)에서, 고출력 에너지 저장 장치(28)는 무부하 상태로 전형적으로 10.8볼트의 단자 전압을 갖는다. 저전압 하위 계통(21) 내 온보드 전기 시스템 전압은, 주행 모드에서, 고출력 에너지 저장 장치(28)의 온도 및 충전 상태에 따라서 대략 10.8볼트 내지 15볼트이다.
DC/DC 컨버터(22)는 입력 측에서 고전압 하위 계통(20) 및 전기 발전기(23)와 연결된다. DC/DC 컨버터(22)는 출력 측에서 저전압 하위 계통(21)과 연결된다. DC/DC 컨버터(22)는, 입력 측에서 수신되는 직류 전압, 예컨대 12볼트 내지 48볼트로 예컨대 고전압 하위 계통(20)을 작동시키는 직류 전압을 수신하여, 입력 측에서 수신되는 전압과 다른 출력 전압을 생성하도록, 특히 입력 측에서 수신되는 전압보다 더 낮으면서, 예컨대 12V 또는 14V이면서, 저전압 하위 계통(21)의 출력 전압에 상응하는 출력 전압을 생성하도록 형성된다.
도 3에는, 양방향성 전위 분리형 DC/DC 컨버터(31)에 의해 서로 연결되는 고전압 하위 계통(20) 및 저전압 하위 계통(21)을 포함하는 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 도시된 온보드 전기 시스템(1)은 실질적으로 도 2에 도시된 온보드 전기 시스템(1)처럼 형성되고, 도 2의 전기 발전기(23)를 포함하는 도 2의 스타터(26)는 스타터 발전기(30)로서 고전압 하위 계통(20) 내에 연결되며, 하위 계통들(20, 21) 간의 에너지 전달을 위해 전위 분리형으로 구현되는 DC/DC 컨버터(31)가 사용된다. 또한, 두 하위 계통(20, 21) 내에는, 도 2와 관련하여 설명한 것처럼 에너지 저장 장치들(24, 28) 및 부하들(25, 29)이 배치된다.
실질적으로 도 3에 도시된 시스템은 스타터(26)의 연결이라는 점에서 구분된다. 도 2에 도시된 시스템에서 스타터(26)는 저전압 하위 계통(21) 내에 배치되고 그 결과 DC/DC 컨버터(22)는 고전압 하위 계통(20)으로부터 저전압 하위 계통(21) 내로 에너지 전달을 위해 단방향성으로 구성될 수 있는 반면, 도 3에 도시된 아키텍처의 경우 스타터 발전기(30)는 고전압 하위 계통(20) 내에 사용된다. 이 경우에, DC/DC 컨버터(31)는 양방향성으로 구현되며, 그럼으로써 배터리(24), 특히 리튬이온 배터리는 경우에 따라서 저전압 하위 계통(21)을 통해 충전될 수 있다. 이런 경우, 자동차의 시동 보조는 저전압 인터페이스(미도시) 및 DC/DC 컨버터(31)를 통해 수행된다.
도 4에는, 고전압 하위 계통(20)과 저전압 하위 계통(21)을 포함하고, 본 발명에 따른 방법이 실행될 수 있는 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 온보드 전기 시스템(1)은 자동차, 화물 운송 차량 또는 지게차에 사용하기에 적합하다. 온보드 전기 시스템(1)은 특히 48볼트 발전기, 14볼트 스타터 및 부스트 회생 제동 시스템을 장착한 자동차에 사용하기에 적합하다.
고전압 하위 계통(20)은 내연기관(미도시)에 의해 작동될 수 있는 전기 발전기(23)를 포함한다. 전기 발전기(23)는, 자동차의 엔진의 회전 운동에 따라서 전기 에너지를 생성하여 고전압 하위 계통(20) 내로 공급하도록 형성된다. 고전압 하위 계통(20) 내에는, 예컨대 고전압으로 작동되는 자동차의 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 전기 부하(25)에 의해 형성될 수 있는 추가의 고전압 부하들(25)이 배치된다.
또한, 고전압 하위 계통(20)은, 예컨대 리튬이온 배터리로서 형성될 수 있으면서 고전압 하위 계통(20)에 48볼트의 작동 전압을 송출하도록 구성되는 배터리(40)도 포함한다. 리튬이온 배터리(40)는 48볼트의 정격 전압에서 바람직하게는 필요한 전기 에너지를 저장할 수 있도록 하기 위해 약 15Ah의 최소 용량을 갖는다.
배터리(40)는 복수의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ... 41-n)을 포함하고, 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ... 41-n)에는 복수의 배터리 셀이 할당되며, 이 배터리 셀들은, 배터리(40)로 요구되는 출력 및 에너지 데이터를 달성하기 위해, 통상 서로 직렬로 그리고 부분적으로는 추가로 서로 병렬로 연결된다. 개별 배터리 셀들은 예컨대 2.8 내지 4.2볼트의 전압 범위를 갖는 리튬이온 배터리이다.
배터리 유닛들(41-1, 41-2, ... 41-n)에는 라인 섹션들(80-11, 80-12, 80-21, 80-22, ...80-n1, 80-n2)이 할당되며, 이 라인 섹션들을 통해 전압이 커플링 유닛(33)에 공급된다. 커플링 유닛(33)은, 저전압 하위 계통의 작동 또는 보조를 위해 저전압 하위 계통(21)에 배터리(40)의 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n) 중 적어도 하나의 배터리 유닛을 접속하고, 고전압 하위 계통(20)과 관련해서는 상기 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)을 적합하게 연결하는 과제를 갖는다.
커플링 유닛(33)은 저전압 하위 계통(21)과 고전압 하위 계통(20)을 연결하고 출력 측에서는 저전압 하위 계통(21)에 필요한 작동 전압, 예컨대 12V 또는 14V를 공급한다. 커플링 유닛(33)의 구성 및 작동 방식은 도 6 내지 도 8과 관련하여 설명된다.
저전압 하위 계통(21)은, 예컨대 12V 또는 14V 전압에서 작동을 위해 설계된 저전압 부하들(29)을 포함한다. 한 실시형태에 따라서, 배터리(40), 예컨대 리튬이온 배터리는 자동차의 정지 시에, 부하들(25, 29)로서 도시되어 있는 대기 전류 부하들에 전기 공급을 수행한다. 예컨대 이 경우 이른바 공항 검사(airport test)의 요건들이 충족될 수 있고, 6주의 대기 시간 후에 자동차는 여전히 시동 가능하며, 배터리(40)는, 상기 대기시간 동안, 예컨대 도난 경보 시스템에 전기가 공급되도록 하기 위해, 저전압 하위 계통(21) 내의 저전압 부하들(29)에 대기 전류를 공급할 수 있다.
또한, 저전압 하위 계통(21) 내에는, 스위치(27)가 폐쇄되면, 내연기관(미도시)을 시동하도록 구성되는 스타터(26)도 배치되어 있다.
저전압 하위 계통(21) 내에는, 단시간에 매우 높은 출력을 출력할 수 있는, 다시 말하면 고출력에 대해 최적화되어 있는 고출력 에너지 저장 장치(28) 또는 버퍼 장치가 선택적으로 배치된다. 고출력 에너지 저장 장치(28)는, 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)의 전환 동안 과전압이 계속하여 방지되도록 하는 목적을 충족시킨다. 고출력 에너지 저장 장치(28)로서는 커패시터가 사용될 수 있다.
도 5에는, 한 추가 실시형태에 따르면서 본 발명에 따른 방법이 실행될 수 있는, 고전압 하위 계통(20) 및 저전압 하위 계통(21)을 포함하는 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 온보드 전기 시스템(1)은 48볼트 발전기, 14볼트 스타터 및 부스트 회생 제동 시스템을 장착한 자동차에 사용하기에, 특히 콜드 스타트 동안 현저한 시동 출력이 요구되는 대형 내연기관을 장착한 자동차를 위해 적합하다.
도 5에 도시된 온보드 전기 시스템(1)은 실질적으로 도 4에 도시된 온보드 전기 시스템(1)처럼 형성되어 있지만, 선택적인 고출력 에너지 저장 장치(28) 대신, 도시된 실시형태에서 복수의 커패시터(281)의 회로를 포함하는 제 2 에너지 저장 장치(280)가 사용된다는 점에서 차이가 있다. 커패시터들(281)은 예컨대 이중 층 커패시터들, 특히 슈퍼 커패시터들이다. 저전압 하위 계통(21) 내의 제 2 에너지 저장 장치(28)는 고출력을 갖는 전기 에너지의 공급을 위해 최적화되어 있다.
도 6에는, 단방향성 갈바닉 비분리형 직류 전압 컨버터(DC/DC 컨버터)로서 구현되는 커플링 유닛(33)이 도시되어 있다. 커플링 유닛(33)은 "온"의 상태에서 하나의 방향으로만 전류 흐름을 가능하게 하고 "오프"의 제 2 상태에서는 두 가지 극성의 차단 전압을 받아들일 수 있는 특성을 갖는 역방향 차단형 스위치들(RSS)(44, 45)을 포함한다. 이는, 예컨대 IGBT 스위치들과 같은 간단한 반도체 스위치들과의 중요한 차이인데, 그 이유는 상기 반도체 스위치들이 역방향에서 그 진성 다이오드로 인해 차단 전압을 받아들일 수 없기 때문이다. 전류 흐름 방향에 대한 의존성으로 인해, 도 6에는 2가지 스위치 유형, 즉 RSS_I(45) 및 RSS_r(44)이 도시되어 있으며, 이들 스위치 유형은 그 제조에 있어 상이할 필요가 없을뿐더러 단지 상이한 극성만을 구비하여 장착되기만 하면 된다. 역방향 차단형 스위치들(RSS)(44, 45)의 더 상세한 구성에 대한 예는 도 9와 관련하여 설명된다.
커플링 유닛(33) 내에서, 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)의 라인 섹션들(80-11, 80-12, ...,80-n2)은 상이한 역방향 차단형 스위치들[RSS-I(45) 및 RSS_r(44)] 중 각각 하나의 역방향 차단형 스위치와 연결된다. 역방향 차단형 스위치들(RSS_I)(45)은 커플링 유닛(33)의 출력 측에서 양극 단자(52)로 스위칭되고, 역방향 차단형 스위치들(RSS_r)(44)은 커플링 유닛(33)의 출력 측에서 음극 단자(51)로 스위칭된다.
커플링 유닛(33)은, 예컨대 표준 반도체 스위치들일 수 있는 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)을 포함한다. 순방향 차단형 스위치들(90-1, 90-2, ...,90-n1)의 더 상세한 구성에 대한 예는 도 9와 관련하여 설명된다. 커플링 유닛(33) 내에서, 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)의 라인 섹션들(80-12, ...,80-n1)은 분기되어 역방향 차단형 스위치들(RSS)(44, 45)에 대해 병렬로 각각 순방향 차단형 스위치(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)로 향하게 된다. 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)은, 이 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)이 폐쇄되는 경우, 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)을 서로 직렬로 연결한다. 이 경우, 각각 2개의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 사이에는 하나의 순방향 차단형 스위치(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)가 배치되며, 그럼으로써 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)이 n개인 경우 n-1개의 순방향 차단형 스위치(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)가 제공된다.
도면부호 73으로는, 고전압 하위 계통(20)에 전기 공급을 위한 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)을 통과하는 전류 경로가 도시되어 있다. 도 6에서, 모든 순방향 차단형 스위치(90-1, 90-2, ...,90-n1)는 폐쇄된다. 또한, 명확성을 위해, 도면들에서 통전 라인들은 비통전 라인들보다 더 두꺼운 선으로 도시되어 있다.
저전압 하위 계통(21)의 접지와 관련한 고전압 하위 계통(20)의 전압 상태는, 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n1) 중 어느 배터리 유닛(들)이 접속되어 있는지에 따라 결정된다. 그러나 작동 상태들 중 어느 작동 상태에서도 전위들 중 어느 하나의 전위도 고전압과 저전압의 합산 전압의 레벨인 전압 한계, 다시 말하면 48볼트 계통 및 14볼트 계통에서 약 62볼트를 초과하는 값을 갖지 않는다. 그러나 저전압 하위 계통(21)의 접지에 대해 음극 전위가 발생할 수 있다.
도 7에는, 예시적으로 스위치 온된 역방향 차단형 스위치들[RSS_I(45-i), RSS_r(44-i)]을 통해 배터리 유닛(41-2)으로부터 저전압 하위 계통(21)에 전기를 공급하는 것이 도시되어 있다. 도면 부호 71로는, 양극 단자(52)로부터, 역방향 차단형 스위치(RSS_I)(45-i)를 경유하고, 접속된 제2 배터리 유닛(41-2)을 경유하며, 그리고 추가 역방향 차단형 스위치(RSS_r)(44-i)를 경유하여 음극 단자(51)로 이어지는 전류 경로가 도시되어 있다.
순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)에 의해서는, 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급을 위해 2개 이상의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 병렬로 연결할 수 있다. 이런 경우에, 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)은 "오프" 상태로 제어된다. 병렬로 연결된 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)의 전압 레벨이 상이한 경우, 저전압 하위 계통(21) 내로의 에너지 흐름은, 상대적으로 더 높은 전압 레벨을 갖는 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)으로부터만 수행된다. 상대적으로 더 높은 전압 상태를 갖는 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)으로부터 상대적으로 더 낮은 전압 상태를 갖는 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 내로의 에너지 흐름은, 상대적으로 더 낮은 전압 상태를 갖는 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)에 할당되어 있는 역방향 차단형 스위치들(RSS)(44, 45)을 통해 저지된다. 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)의 병렬 연결 동안, 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)은 스위치 오프되고, 전기 발전기(23)는 이상적인 방식으로 고전압 하위 계통(20)으로 에너지를 공급하지 않는다.
한 실시형태에 따라서, 온보드 전기 시스템(1) 또는 제어 유닛은, 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)이 스위치 온될 때만 배터리(40)가 전기 발전기(23)에 에너지를 공급할 수 있도록 구성된다. 배터리(40)의 충전을 위해서는, 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)이 반드시 스위치 온되지 않아도 되는데, 그 이유는 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)의 진성 다이오드들이 충전 전류를 전도할 수 있기 때문이다. 바람직하게 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)은, 이 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1) 내부의 전력 손실을 줄이기 위해, 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급을 위한 병렬 모드가 일어나지 않을 때 항상 스위치 온된다.
전기 발전기(23)의 작동은 커플링 유닛(33)의 작동 및 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급과는 무관하다. 여기서 통전되어 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급하는 배터리 유닛(41) 내에서는, 저전압 하위 계통 전류에 의한 그리고 경우에 따라 전기 발전기(23)로부터 전체 배터리(40) 내로 공급된 충전 전류(발전기 모드)에 의한, 또는 전체 배터리(40)에서 인출되는 방전 전류(모터 모드)에 의한 중첩이 발생한다. 배터리 셀들의 허용 한계들, 예컨대 셀들의 최대 허용 방전 전류가 초과되지 않는 한, 상기 과정들은 서로 독립적으로 고려될 수 있다. 저전압 하위 계통(21)에 확실한 전기 공급을 하기 위해, 항상 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n) 중 적어도 하나의 배터리 유닛은 커플링 유닛(33)의 대응하는 역방향 차단형 스위치들(RSS)(44, 45) 및 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-1, 90-2, ...,90-n1)을 통해 접속된다. 저전압 하위 계통(21)에 수회 중복적으로 전기 공급되는 때문에, 제안되는 아키텍처에 의해, 저전압 하위 계통(21) 내에서 전기 에너지의 매우 높은 가용성을 갖는 시스템이 구성될 수 있다.
고전압 하위 계통(20)에 중단 없는 전기 공급을 위해, 전환 과정 동안, 이른바 "연결 전 차단(Break-before-Make)" 원리가 적용된다. 이 경우, 통전하는 배터리 유닛(41-2)의 역방향 차단형 스위치들(45-i, 44-i)은 스위치 오프된다. 이전까지 통전하던 배터리 유닛(41-2)의 역방향 차단형 스위치들(45-i, 44-i)이 전류를 더 이상 전도하지 않음에 따라서, 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급을 수행해야 하는 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)의 역방향 차단형 스위치들(44, 45)이 스위치 온된다. 그 결과, 저전압 하위 계통(21) 내에서 허용되지 않을 정도로 높은 전압이 발생하는 것은 방지된다. 이는, 단시간 동안 어떠한 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)도 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급을 위해 이용되지 않는다는 것을 의미한다.
전환 기간은 가능한 한 짧게 유지된다. 이는, 도 9와 관련하여 설명되는, 예컨대 MOSFET과 같은 반도체 스위치들의 스위칭이 신속하게 시작됨으로써 달성된다. 역방향 차단형 스위치들(44, 45)의 스위치 오프와 스위치 온 간의 시간 지연은 적합한 제어 회로에 의해 매우 정확하게 설정된다.
그와 반대로, 역방향 차단형 스위치들(44-i, 45-i)을 위한 스위칭 명령들이 동기화된다면, 하기 상태가 설정될 수도 있다. 역방향 차단형 스위치들(44, 45)의 작동 원리를 기반으로, 저전압 하위 계통(21)의 양극 단자가 스위칭 단계 동안 두 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)의 상대적으로 더 높은 전위와 연결된다. 다시 말해 도 7의 예에서는 배터리 유닛(41-1)의 양극 단자와 연결된다. 그에 따라, 단시간 동안 저전압 하위 계통(21)의 사양보다 훨씬 더 높은 전압이 저전압 하위 계통(21)에 인가될 수도 있다.
도 8에는, 도 6의 커플링 유닛(33)이 추가의 예시적인 작동 상태로 도시되어 있다. 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급은 배터리 유닛들(41-1, 41-2)로부터 스위치 온된 역방향 차단형 스위치들[RSS_I(45-i), RSS_I(45-j), RSS_r(44-i), RSS_r(44-j)]을 통해 수행된다. 도면부호 71로 도시된 제 1 전류 경로는, 양극 단자(52)로부터 역방향 차단형 스위치(RSS_I)(45-i)를 경유하고, 통전된 제 2 배터리 유닛(41-2)을 경유하며, 그리고 추가의 역방향 차단형 스위치(RSS_r)(44-i)를 경유하여 음극 단자(51)에까지 이어진다. 또한, 도면부호 72로 도시된 추가 전류 경로는, 양극 단자(52)로부터 역방향 차단형 스위치(RSS_I)(45-j)를 경유하고, 통전된 제 1 배터리 유닛(41-1)을 경유하며, 추가의 역방향 차단형 스위치(RSS_r)(44-j)를 경유하여 음극 단자(51)에까지 이어진다. 순방향 차단형 스위치(VSS)(90-1)는 개방되어 있기 때문에, 제 1 배터리 유닛(41-1) 및 제 2 배터리 유닛(41-2)은 저전압 하위 계통(21)과 관련하여 병렬로 연결된다.
도 8에 도시된 상태는, 설명된 방법의 단계 b) 이후에 설정된다. 추가의 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90-2, ..., 90-n1)은 도시된 실시형태의 경우 스위치 온되어 있지만, 상기 방법의 대안의 실시형태에서 단계 b)에 따라 스위치 오프될 수도 있다.
도 8에 도시된 상태에 도달하기 위해, 도 7의 상태에서 출발하여, 제 1 순방향 차단형 스위치(VSS)(90-1)의 스위칭 과정과 동시에, 제 1 역방향 차단형 스위치(RSS_I)(45-j)도 스위치 온된다. 이 상태에서, 배터리(40)는, 여전히 48V 고전압 하위 계통(20)에 공급되며 고전압 하위 계통(20) 내에서 양방향 에너지 흐름을 가능하게 하는 36V의 총 전압을 갖는다. n개의 배터리 유닛으로 구성되는 배터리(40)는 상기 상태에서 n-1개의 배터리 유닛(41-2, ...41-n)의 직렬 회로로서 구성되며, 이 경우 제 1 배터리 유닛(41-1)의 음극 단자는 n-1개의 배터리 유닛(41-2, ...41-n-1)의 음극 단자와 전기 연결된다. 이런 전이 단계에서, 제 1 배터리 유닛(41-1)의 양극 단자는 고임피던스로 전기 연결된다. 짧은 지연 시간으로, 제 1 배터리 유닛(41-1)의 제 2 역방향 차단형 스위치(RSS_r)(44-j)가 스위치 온된다. 그에 따라, 제 1 및 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2)은 역방향 차단형 스위치들(RSS)(45-j, 45-i, 44-j, 44-i)을 통해 역방향 차단성의 특성 및 한 방향으로 전류 흐름의 제한으로 인해 병렬로 연결된다. 저전압 하위 계통(21)은 배터리 유닛들(41-1, 41-2)의 상기 병렬 연결 동안 충전 상태가 매우 상이한 경우 상대적으로 더 높은 충전 상태 또는 상대적으로 더 높은 전압을 갖는 배터리 유닛(41-1, 41-2)으로부터 전기를 공급받는다. 배터리 유닛들(41-1, 41-2)의 충전 상태 또는 전압이 대략 동일하고 저전압 하위 계통(21) 내에서 온보드 전기 시스템 부하가 높은 경우에는, 두 배터리 유닛(41-1, 41-2)으로부터 전기 공급이 이루어진다.
도시된 병렬 연결 직후에는, 제 2 배터리 유닛(41-2)은 그것에 할당된 역방향 차단형 스위치들(RSS)(45-i, 44-i)을 통해 비활성화될 수 있으며, 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급은 제 1 배터리 유닛(41-1)으로부터 수행된다. 그에 따라, 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급이 중단되지 않으면서, 제 2 배터리 유닛(41-2)으로부터 제 1 배터리 유닛(41-1)으로의 정류는 종료된다. 순방향 차단형 스위치(VSS)(90-1)는 다시 스위치 온될 수 있고, 고전압 하위 계통(20)은 완전한 정격 전압으로 다시 준비 상태가 된다. 설명된 전환 개념은 2개의 바로 이웃한 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 간의 전환을 위한 기능이다. 작동 전략을 기반으로 바로 이웃하지 않는 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)으로의 전환이 요구되는 경우, 복수의 전환 과정이 짧게 연이어 실행된다.
도 8에 도시된 상태에 도달하기 위해서는, 도 7에서의 상태로부터 출발하여, 대안으로서 모든 순방향 차단형 스위치(VSS)(90-1, 90-2, ..., 90-n1)가 스위치 오프된다. 이런 단계에서, 전기 발전기(23)는 고전압 하위 계통(20) 내로 에너지를 공급하지 않으며 부스트 모드로도 작동하지 않는다. 짧은 지연 시간으로, 제 1 배터리 유닛(41-1)에 속하는 역방향 차단형 스위치들(RSS)(45-j, 44-j)이 스위치 온된다. 그런 다음, 제 1 및 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2)은 도시된 것처럼 역방향 차단형 스위치들(44, 45)을 통해 병렬로 연결된다. 도 8과 관련하여 2개의 이웃한 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 간에 저전압 하위 계통(21)에 전기 공급의 전환을 설명했지만, 전환은, 임의의 하나의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 임의의 다른 배터리 유닛(41-1, 41-2, ... 41-n)으로 제한하지 않으면서, 전술한 방법으로 실시될 수 있다.
도 9에는, 역방향 차단형 스위치들(RSS)(44, 45) 및 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90)의 가능한 구성이 도시되어 있다. 이 경우, 역방향 차단형 스위치들(RSS)(44, 45) 및 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90)의 전도 방향은 I로 표시된다.
역방향 차단형 스위치(RSS_r)(44)는 예컨대 IGBT, MOSFET(101) 또는 바이폴라 트랜지스터와, 이에 직렬로 연결되는 다이오드(103)를 포함한다. 도 9에는, 함께 도시된 진성 다이오드(102)를 포함하는 MOSFET(101)가 도시되어 있다. MOSFET(101)에 직렬로 연결되는 다이오드(103)는 MOSFET(101)의 진성 다이오드(102)의 방향과 반대 방향으로 분극된다. 역방향 차단형 스위치(RSS_r)(44)는 전류를 전도 방향(l)으로 전도하며, 그 반대 방향으로는 차단한다. 역방향 차단형 스위치(RSS_I)(45)는 RSS_r(44)에 상응하며, 단지 반전된 극성으로만 장착되고, 그럼으로써 전도 및 차단 방향은 서로 뒤바뀐다.
순방향 차단형 스위치(90)는 MOSFET(101), IGBT 또는 바이폴라 트랜지스터를 포함하고, 이 MOSFET의 진성 다이오드(102)도 함께 도시되어 있다. 역방향 차단형 스위치들[RSS_I(45), RSS_r(44)] 및 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90)은 특히 스위칭 과정들 동안 거의 뚜렷하지 않은 지연을 특징으로 하며, 다시 말하면 매우 짧은 전환 기간을 허용한다. 적합한 제어 회로에 의해, 역방향 차단형 스위치들[RSS_I(45), RSS_r(44)] 및 순방향 차단형 스위치들(VSS)(90)의 스위치 오프와 스위치 온 간의 시간 지연은 매우 정확하게 설정될 수 있다.
본 발명은 여기에 설명된 실시예들 및 이 실시예들에서 강조한 양태들로만 국한되지 않는다. 오히려, 특허청구범위에 의해 명시된 범위 내에서, 당업자의 행위의 범위 내에 있는 수많은 변형이 가능하다.
1: 온보드 전기 시스템
10: 스타터 배터리
11: 스타터
12: 스위치
13: 전기 발전기
14: 전기 부하
20: 고전압 하위 계통
21: 저전압 하위 계통
22: 단방향성 전위 분리형 DC/DC 컨버터
23: 전기 발전기
24: 배터리, 에너지 저장 장치
25: 고전압 부하
26: 스타터
27: 스위치
28: 고출력 에너지 저장 장치, 에너지 저장 장치
29: 추가 부하
30: 스타터 발전기
31: 양방향성 전위 분리형 DC/DC 컨버터
40: 배터리, 리튬이온 배터리
41-1, 41-2, ...41-n: 배터리 유닛
44: 역방향 차단형 스위치
45: 역방향 차단형 스위치
51: 음극 단자
52: 양극 단자
71: 전류 경로
73: 전류 경로
80-11, 80-12, 80-21, 80-22, ...80-n1, 80-n2: 라인 섹션
90, 90-1, 90-2, ...,90-n1: 순방향 차단형 스위치
101: MOSFET
102: 진성 다이오드
103: 다이오드
280: 제 2 에너지 저장 장치
281: 커패시터

Claims (10)

  1. 자동차용 온보드 전기 시스템(1)의 작동 방법으로서, 상기 온보드 전기 시스템(1)은, 적어도 하나의 저전압 부하(29) 및 하나의 스타터(26)를 구비한 저전압 하위 계통(21)과, 적어도 하나의 고전압 부하(25) 및 하나의 전기 발전기(23)를 구비한 고전압 하위 계통(20)을 포함하고, 상기 고전압 하위 계통(20)은 커플링 유닛(33)을 통해 상기 저전압 하위 계통(21)과 연결되고, 상기 커플링 유닛은 고전압 하위 계통(20)에서 에너지를 인출하여 이 에너지를 상기 저전압 하위 계통(21)에 공급하도록 구성되고, 상기 고전압 하위 계통(20)은, 고전압을 생성하여 상기 고전압 하위 계통(20)으로 송출하도록 구성되는 배터리(40)와, 상기 커플링 유닛(33)으로 이어지는 라인 섹션들(80-11, 80-12, ..., 80-n2)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 포함하며, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 저전압 하위 계통(21)에 배터리 유닛들(41-1, 41-2, ...41-n)을 선택적으로 접속하도록 구성되는, 상기 온보드 전기 시스템의 작동 방법에 있어서,
    상기 고전압 하위 계통(20)과 관련하여, 및/또는 상기 저전압 하위 계통(21)과 관련하여, 상기 저전압 하위 계통(21)에 접속된 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)이 전환되는 전환 과정은 중단 없이 수행되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 저전압 하위 계통(21)에 접속된 제 1 배터리 유닛((41-1, 41-2, ...41-n)으로부터 상기 저전압 하위 계통(21)에 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)으로의 전환 동안, 상기 저전압 하위 계통(21)에 중단 없이 전기가 공급되면,
    a) 상기 접속된 제 1 배터리 유닛과 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 간의 라인을 분리하는 단계,
    b) 상기 저전압 하위 계통(21)에 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 접속하는 단계,
    c) 상기 저전압 하위 계통(21)으로부터 상기 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 분리하는 단계, 및
    d) 상기 저전압 하위 계통(21)으로부터 분리된 상기 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)과 상기 저전압 하위 계통(21)에 접속된 상기 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 간의 라인을 연결하는 단계가 실시되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 역방향 차단형 스위치들(44, 45)을 포함하고, 단계 b)에서 상기 저전압 하위 계통(21)에 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 접속할 때, 및/또는 단계 c)에서 상기 저전압 하위 계통(21)으로부터 상기 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 분리할 때 적어도 하나의 역방향 차단형 스위치(44, 45)가 작동되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 순방향 차단형 스위치들(90, 90-1, 90-2, ..., 90-n1)을 포함하고, 단계 a)에서 2개의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 간의 라인을 분리할 때, 및/또는 단계 d)에서 2개의 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n) 간의 라인을 연결할 때 적어도 하나의 순방향 차단형 스위치(90, 90-1, 90-2, ..., 90-n1)가 작동되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)과 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)은, 단계 b)에서 상기 저전압 하위 계통(21)에 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)의 접속 후에, 그리고 단계 c)에서 상기 저전압 하위 계통(21)으로부터 상기 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)의 분리 전에, 저전압 하위 계통(21)과 관련하여 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)과 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)은 그들 간의 라인이 연결된 경우 상기 고전압 하위 계통(20)과 관련하여 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 저전압 하위 계통(21)에 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)으로부터 상기 저전압 하위 계통(21)에 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)으로의 전환 동안, 상기 고전압 하위 계통(20)에 중단 없이 전기가 공급되면,
    e) 상기 저전압 하위 계통(21)으로부터 상기 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 분리하는 단계, 및
    f) 상기 저전압 하위 계통(21)에 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 접속하는 단계가 실시되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 역방향 차단형 스위치들(44, 45)을 포함하고, 단계 e)에서 상기 저전압 하위 계통(21)으로부터 상기 접속된 제 1 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 분리할 때, 및/또는 단계 f)에서 상기 저전압 하위 계통(21)에 상기 접속될 제 2 배터리 유닛(41-1, 41-2, ...41-n)을 접속할 때 적어도 하나의 역방향 차단형 스위치(44, 45)가 작동되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 저전압 하위 계통(21)의 전류 세기가 검출되고, 상기 전류 세기가 규정된 임계값 미만인 경우 전환 과정이 실시되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전환 과정 전에 저전압 부하들(29)은 비활성화되는 것을 특징으로 하는 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
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