KR20160113228A - 차량 전기 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 차량 전기 시스템(1)에 관한 것이며, 상기 차량 전기 시스템(1)은 적어도 하나의 저전압 부하(29)용 저전압 서브시스템(21) 및 스타터/발전기(30) 및 적어도 하나의 고전압 부하(25)용 고전압 서브시스템(20)을 포함하고, 고전압 서브시스템(20)은 커플링 유닛(33)에 의해 저전압 서브시스템(21)에 연결되며, 커플링 유닛(33)은 고전압 서브시스템(20)에서 에너지를 인출하여 상기 에너지를 저전압 서브시스템(21)으로 공급하도록 구성되고, 고전압 서브시스템(20)은 배터리(40)를 포함하며, 배터리(40)는 고전압을 생성하여 고전압 서브시스템(20)으로 출력하도록 구성되며, 그리고 커플링 유닛(33)에 이어져 있는 개별 전압 탭들(42)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛(41)을 지닌다. 커플링 유닛(33)은, 저전압 서브시스템(21)에 배터리 유닛들(41)을 선택적으로 접속하도록 구성된다. 또한, 본 발명은 내연기관 및 상기 차량 전기 시스템이 장착된 자동차에 관한 것이다.

Description

차량 전기 시스템{Vehicle electrical system}
본 발명은 자동차용 차량 전기 시스템, 및 상기 차량 전기 시스템이 장착된 자동차에 관한 것이다.
내연기관이 장착된 자동차들에서는, 내연기관용 전기 스타터 또는 스타터 및 자동차의 다른 전기 장치들에 전력을 공급하기 위해, 표준으로서 12볼트로 작동되는 차량 전기 시스템이 제공된다. 내연기관의 시동시, 예컨대 해당 스타터 신호에 의해 스위치가 닫히게 되면, 스타터 배터리 전압이 차량 전기 시스템을 통해 내연기관을 시동하는 스타터로 공급된다. 내연기관이 시동 되는 경우에, 상기 내연기관은 전기 발전기를 구동하고, 전기 발전기는 약 12볼트의 전압을 생성하여 차량 전기 시스템을 통해 차량 내의 여러 전기 부하에 공급한다. 또한, 전기 발전기는 시동 과정에 의해 부하가 걸린 스타터 배터리를 다시 충전한다. 배터리가 차량 전기 시스템을 통해 충전되는 경우에, 실제 전압은 정격 전압을 초과할 수 있으며, 예컨대 14V 또는 14.4V일 수 있다. 12V 또는 14V 전압을 갖는 차량 전기 시스템은 또한 본 발명의 범위 내에서 저전압 전기 시스템으로 지칭된다.
전기 및 하이브리드 차량들에는, 48V의 공칭 전압을 갖는 다른 전기 시스템을 이용하는 것이 또한 공지되어 있으며, 상기 다른 전기 시스템은 또한 본 발명의 범위 내에서 고전압 전기 시스템으로 지칭된다.
본 발명은 자동차용 차량 전기 시스템을 제공하며, 상기 차량 전기 시스템은 적어도 하나의 저전압 부하용 저전압 서브시스템 및 스타터-발전기 및 적어도 하나의 고전압 부하용 고전압 서브시스템을 포함하고, 고전압 서브시스템은 커플링 유닛을 통해 저전압 서브시스템에 연결되며, 커플링 유닛은 고전압 서브시스템에서 에너지를 추출하여 저전압 서브시스템으로 공급하도록 구성되고, 고전압 서브시스템은 배터리를 포함하고, 배터리는 고전압을 생성하여 고전압 서브시스템으로 출력하도록 구성되며, 그리고 커플링 유닛으로 이어져 있는 개별 전압 탭(individual voltage tap)들을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛을 포함하며, 커플링 유닛은 저전압 서브시스템으로 배터리 유닛들을 선택적으로 접속하도록 구성된다.
본 발명은, 저전압 서브시스템에 의해, 낮은 제1 전압에 부합하게 구성되는 전기 부하들이 작동될 수 있으며, 그리고 고전압 부하들에 대하여는 고전압 서브시스템, 다시 말하면 상기 제1 전압에 비해 높은 전압을 갖는 전기 서브시스템이 마련된다는 이점을 지닌다. 저전압 서브시스템으로의 전력 공급은 고전압 서브시스템에서의 충전 및 방전 과정들에 중첩된다. 그 대신에, 고전압 서브시스템을 통한 저전압 서브시스템으로의 전력 공급은 단일 방향으로 이루어지며, 다시 말하면 커플링 유닛은 한 방향으로만 에너지 전달을 제공하는 것이 바람직하다.
차량 전기 시스템은, 예컨대 풍력 발전용 터빈들과 같은 고정 적용 예들에서뿐만 아니라 차량들에서도, 예컨대 하이브리드 및 전기 자동차들에서도 이용될 수 있다. 특히, 차량 전기 시스템은 출발-정지(start-stop) 시스템이 장착된 차량들에서 사용될 수 있다.
제안되는 시스템, 다시 말하면 차량 전기 시스템 및 관련 제어 유닛, 예컨대 배터리 관리 시스템은 특히 48볼트 발전기 및 14볼트 스타터가 장착된 차량들에서의 사용에 적합하며, 14볼트 스타터는 출발/정지 시스템용으로 구성되는 것이 바람직하다.
제안되는 시스템은 특히 소위 부스트 회생 제동 시스템(boost recuperation System; BRS)이 장착된 차량에서의 이용을 위해 적합하다. 부스트 회생 제동 시스템(BRS)에서는, 결과적으로 전기 부하들에 전력을 공급하기 위해, 제동 과정 동안, 내리막길 주행 동안, 또는 코스팅 모드(coasting mode) 중에 전기 에너지가 획득된다. BRS는 시스템의 효율을 높이며, 그럼으로써 연료가 절약될 수 있게 하고, 배기가스 배출량이 줄어들 수 있게 한다. 이 경우, 고전압 서브시스템의 배터리는 내연기관을 보조할 수 있으며, 이는 소위 부스트로 지칭되거나, 또는 저속 주행 속도로 짧은 구간을 위해, 심지어는 전기 구동을 위해, 예컨대 전기식 주차장 입고 및 출고 동안 사용될 수 있다.
"배터리" 및 "배터리 유닛"이라는 용어들은 본 명세서에서 일반적인 용어 사용에 부합하게 축전지 또는 축전지 유닛에도 사용될 수 있다. 배터리는, 배터리 셀, 배터리 모듈, 모듈 스트링 또는 배터리 팩을 언급할 수 있는 하나 이상의 배터리 유닛들을 포함한다. 배터리 셀들은 모듈을 형성하도록 바람직하게는 공간적으로 결합되고 회로 방식에 따라 서로 연결되며, 예컨대 직렬 또는 병렬로 연결된다. 여러 모듈은 소위 배터리 직접 컨버터들(battery direct converter; BDC)을 형성할 수 있고, 복수의 배터리 직접 컨버터는 하나의 배터리 직접 인버터(battery direct inverter; BDI)를 형성할 수 있다.
독립 청구항에 기재된 발명의 대상의 바람직한 개선들 및 개량들은 종속 청구항들에서 특정된 수단들을 통해 가능해진다.
따라서, 선택적으로 접속 가능한 배터리 유닛들이 각각 저전압을 공급하도록 구성된다면 바람직할 것이다. 그에 따라, 배터리 유닛들은, 저전압을 공급하도록, 예컨대 출발-정지 시스템을 지원하도록 번갈아 가며 사용될 수 있으며, 이는 배터리 유닛의 유효 수명이 길어지게 한다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 커플링 유닛은 적어도 하나의 역방향 차단용 스위치(backward blockable switch)를 포함한다. 바람직하게는 역방향 차단용 스위치들은 저전압 서브시스템에 대해 선택적으로 접속 가능한 배터리 유닛의 접속 및 분리에 적합하다. 상기 스위치들은, "온(ON)" 상태에서 한 방향으로만 전류가 흐르는 것을 허용하고 "오프(OFF)" 상태에서는 차단 전압이 양자 모두의 극성을 수용할 수 있는 특성을 지닌다.
저전압 서브시스템용 배터리 유닛의 접속시, 바람직하게는 적어도 하나의 역방향 차단용 스위치, 특히 바람직하게는 2개의 역방향 차단용 스위치가 작동된다. 저전압 서브시스템용 배터리 유닛을 스위치 오프할 때에도 바람직하게는 적어도 하나의 역방향 차단용 스위치, 특히 바람직하게는 2개의 역방향 차단용 스위치가 작동된다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 커플링 유닛은 적어도 하나의 순방향 차단용 스위치를 포함한다. 바람직하게 순방향 차단용 스위치는 선택적으로 접속 가능한 배터리 유닛들을 직렬로 연결하는데 적합하다. 바람직하게는, 2개의 배터리 유닛 간의 선로 분리시 적어도 하나의 순방향 차단용 스위치가 작동된다. 마찬가지로, 바람직하게는, 배터리 유닛들 간의 선로 연결시에도 적어도 하나의 순방향 차단용 스위치가 작동된다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 커플링 유닛은, 저전압 서브시스템과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛을 서로 병렬로 연결하도록 구성된다. 그 결과, 상기 2개의 배터리 유닛의 충전 상태가 심하게 서로 다른 경우 저전압 서브시스템으로의 전력 공급은 상대적으로 더 높은 충전 상태를 지니거나 상대적으로 더 높은 전압을 공급하는 배터리 유닛으로부터 수행된다. 배터리 유닛들의 충전 상태가 서로 동일하거나 유사한 경우에는 저전압 서브시스템은 두 배터리 유닛 모두로부터 전력을 공급받는다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 커플링 유닛은, 고전압 서브시스템과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛을 직렬로, 다시 말하면 서로 직렬 연결하도록 구성된다.
추가로, 저전압 서브시스템은 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 커패시터는 바람직하게는 접속된 배터리 유닛의 교체시 저전압을 계속하여 안정화하도록 구성된다. 또한, 커패시터는 바람직하게는 적어도 단시간 동안 저전압을 생성하여 저전압 서브시스템으로 출력하도록 구성되는 에너지 저장 장치로서 적합하다.
저전압 서브시스템에서의 전압 강하는, 차량 전기 시스템의 전력이 최대한 낮은 시점들에서 스위칭이 이루어지는 경우에 추가로 바람직하게 감소될 수 있다. 이는 예컨대 차량 전기 시스템의 전력에 대한 신호의 평가를 통해, 그리고 이에 따른 커플링 유닛의 스위치들의 구동을 통해 수행될 수 있다. 더욱이, 상당한 전압 강하 없이 배터리 유닛들의 스위칭을 허용하도록, 예컨대 히팅 시스템들과 같은 고전압 부하들을 단시간 동안 쾌적성의 희생 없이 비활성화하기 위해, 부하 관리 시스템과의 동기화도 수행될 수 있다.
바람직하게는 차량 전기 시스템은 배터리 유닛들의 스위칭을 위한 커플링 유닛을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 예컨대 배터리에 연관된 배터리 관리 시스템에 연관될 수 있고, 배터리 관리 시스템은 예컨대 온도, 공급 전압, 출력 전류 및 배터리 또는 배터리 유닛들의 충전 상태들에 대한 측정 데이터를 검출하여 처리하고 이로부터 예컨대 배터리의 성능 상태에 대한 정보를 나타내도록 구성되는 추가 유닛들을 포함한다. 커플링 유닛의 제어를 위한 제어 유닛은 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있으며, 컴퓨터 프로그램은 기계 판독 가능 저장 매체상에, 예컨대 영구적이거나 재기록 가능한 저장 매체상에, 또는 컴퓨터 장치에 연관되는 경우에는 예컨대 CD-ROM, DVD, 블루레이 디스크, USB 스틱 또는 메모리 카드와 같은 휴대용 메모리 상에 저장될 수 있다. 추가로 그리고 변형적으로 컴퓨터 프로그램은 예컨대 서버 또는 클라우드 서버와 같은 컴퓨터 장치상에서, 예컨대 인터넷과 같은 데이터 네트워크를 통해, 또는 예컨대 전화선 또는 무선 접속과 같은 통신 링크를 통해 다운로드하도록 제공될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 의하면, 내연기관 및 위에 기재한 전기 시스템이 장착된 자동차도 명시된다.
발명의 효과
본 발명은, 고전압 서브시스템, 저전압 서브시스템, 및 저전압 서브시스템에 단방향으로 전력을 공급하는 부스트 회생 제동 시스템을 포함하는 차량용 리튬이온 배터리 시스템이 구비된 저렴한 차량 전기 시스템을 제공한다. 이 경우, 공지된 시스템들에 견주어 볼 때, 전위 분리용 DC/DC 컨버터뿐만 아니라 납산 배터리가 생략될 수 있다. 더군다나, 저전압 서브시스템에서 별도의 스타터가 필요하지 않다. 그러므로 시스템은, 현재 개발 중에 있는 BRS 시스템들에 비해 감소된 체적 및 더 가벼운 중량을 특징으로 한다. 또한, 부스트 회생 제동 시스템은 적합한 구성의 조건에서 현재 개발 중에 있는 부스트 회생 제동 시스템들에 비해 상당히 더 많은 에너지를 절약할 수 있고 그 결과 제동 과정 또는 내리막길 주행이 상대적으로 더 길어질수록 시스템에서 더 많은 전기 에너지를 회수할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 첨부도면들에 도시되어 있고 하기의 기재내용에서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 선행 기술에 따른 저전압 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 고전압 서브시스템, 저전압 서브시스템, 및 단방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터를 포함하는 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 고전압 서브시스템, 저전압 서브시스템, 및 양방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터를 포함하는 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 고전압 서브시스템, 저전압 서브시스템, 및 단방향 갈바닉 비분리용 DC/DC 컨버터를 포함하는 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 전형적인 작동 상태에서 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 6은 다른 전형적인 작동 상태에서 도 5의 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 7은 다른 전형적인 작동 상태에서 도 5의 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 8은 역방향 및 순방향 차단용 스위치를 도시한 도면이다.
도 1에는, 선행 기술에 따른 차량 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 내연기관의 시동시, 예컨대 해당 스타터 신호에 의해 스위치(12)가 닫히게 될 때, 차량 전기 시스템(1)을 통해 스타터 배터리(10)로부터의 전압이 내연기관(미도시)을 시동하는 스타터(11)로 공급된다. 내연기관이 시동 되는 경우에, 내연기관은 전기 발전기(13)를 구동하며, 그런 다음 상기 전기 발전기는 약 12볼트의 전압을 생성하여 차량 전기 시스템(1)을 통해 차량 내 여러 전기 부하들(14)로 공급한다. 전기 발전기(13)는 시동 과정을 통해 부하가 걸린 스타터 배터리(10)를 다시 충전한다.
도 2에는, 고전압 서브시스템(20), 저전압 서브시스템(21), 및 고전압 서브시스템(20)과 저전압 서브시스템(21) 간에 커플링 유닛을 형성하는 단방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터(22)를 포함하는 차량 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 차량 전기 시스템(1)은 차량, 특히 자동차, 화물 운송 차량 또는 지게차의 전기 시스템일 수 있다.
고전압 서브시스템(20)은 예컨대 내연기관(미도시)에 의해 작동될 수 있는 전기 발전기(23)를 포함하는 48볼트 전기 시스템이다. 발전기(23)는 본 실시 예에서 차량 엔진의 회전 운동에 따라 전력을 생성하여 이를 고전압 서브시스템(20)으로 공급하도록 구성된다. 고전압 서브시스템(20)은 예컨대 리튬이온 배터리로서 형성될 수 있으며 필요한 작동 전압을 고전압 서브시스템으로 공급하도록 구성되는 배터리(24)를 부가적으로 포함한다. 고전압 서브시스템(20)에는, 예컨대 고전압으로 작동되는 자동차의 적어도 하나의 전기 고전압 부하를 통해, 바람직하게는 복수의 전기 부하를 통해 형성될 수 있는 추가 부하 저항기들(25)이 배치된다.
DC/DC 컨버터(22)의 출력 측 상에 배치되는 저전압 서브시스템(21)에는, 내연기관을 시동하기 위해 스위치(27)를 닫도록 구성되는 스타터(26)뿐만 아니라, 저전압 서브시스템(21)용 저전압을 예컨대 12V 또는 14볼트의 레벨로 공급하도록 구성된 에너지 저장 장치(28)가 있다. 저전압 서브시스템(21)에는 저전압으로 작동되는 추가 부하들(29)이 배치된다. 에너지 저장 장치(28)는 예컨대 갈바닉 셀들, 특히 완전 충전 상태(충전 상태(state of charge; SOC) = 100%)에서 12.8볼트의 전압을 지니는 것이 전형적인 납산 배터리의 갈바닉 셀들을 포함한다. 배터리가 방전된 경우(충전 상태(SOC) = 0%), 에너지 저장 장치(28)는 무부하 상태에서 전형적인 10.8볼트의 단자 전압을 지닌다. 저전압 서브시스템(21)의 차량 전기 시스템 전압은, 주행 모드에서, 에너지 저장 장치(28)의 온도 및 충전 상태에 따라 예컨대 10.8볼트와 15볼트 사이의 범위를 이룬다.
DC/DC 컨버터(22)는 입력 측에서 고전압 서브시스템(20) 및 발전기(23)에 연결된다. DC/DC 컨버터(22)는 출력 측에서 저전압 서브시스템(21)에 연결된다. DC/DC 컨버터(22)는, 입력 측에서 수신되는 DC 전압, 예컨대 고전압 서브시스템을 작동시키는 DC 전압을 예컨대 12-48볼트로 수신하여, 입력 측에서 수신되는 전압과 다른 출력 전압을 생성하도록, 특히 입력 측에서 수신되는 전압보다 작은, 예컨대 12V 또는 14V의 출력 전압을 생성하도록 형성된다.
도 3에는, 고전압 서브시스템(20) 및 저전압 서브시스템(21)을 포함하는 차량 전기 시스템(1)으로서, 고전압 서브시스템(20) 및 저전압 서브시스템(21)이 양방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터(31)에 의해 연결되는, 차량 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 도시된 차량 전기 시스템(1)은 실질적으로 도 2에 도시된 차량 전기 시스템처럼 형성되고, 발전기는 고전압 서브시스템에 통합되며, 그리고 차량 전기 서브시스템들(20, 21) 간의 전력 전달을 위해 전위 분리용으로 구현되는 DC/DC 컨버터(31)가 사용된다. 또한, 양자 모두의 서브시스템들(20, 21)에는, 도 2를 참조하여 설명한 것처럼 배터리들(24, 28) 및 부하들(25, 29)이 배치된다. 본질적으로 도 3에 도시된 시스템은 스타터의 포함 관계에서 차이가 있다. 도 2에 도시된 시스템에서 스타터(26)는 저전압 서브시스템(21)에 위치하고 그 결과 DC/DC 컨버터(22)는 고전압 서브시스템(20)으로부터 저전압 서브시스템(21) 내로의 에너지 전달을 위해 단방향으로 구성될 수 있는 반면, 도 3에 도시된 아키텍처 경우에는 스타터 발전기(30)가 고전압 서브시스템(20)에서 사용된다. 이 경우에, DC/DC 컨버터(31)는 양방향으로 구현되며, 그럼으로써 리튬이온 배터리(24)는 필요한 경우 저전압 서브시스템(21)을 통해 부하가 걸리게 될 수 있다. 이때, 저전압 차량의 시동 보조는 저전압 인터페이스 및 DC/DC 컨버터(31)를 통해 수행된다.
도 4에는, 고전압 서브시스템(20)과 저전압 서브시스템(21)을 포함하는 차량 전기 시스템(1), 예컨대 차량, 특히 자동차, 화물 운송 차량 또는 지게차의 차량 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 차량 전기 시스템(1)은 특히 48볼트 발전기, 14볼트 스타터 및 부스트 회생 제동 시스템이 장착된 차량에서의 이용에 적합하다.
고전압 서브시스템(20)은, 내연기관(미도시)을 시동할 수 있으면서 이 내연기관에 의해 작동될 수 있는 스타터 발전기(30)를 포함한다. 스타터 발전기(30)는, 차량 엔진의 회전 운동에 따라 전기 에너지를 생성하고 이를 고전압 서브시스템(20)으로 공급하도록 구성된다. 고전압 서브시스템(20)에는, 예컨대 고전압으로 작동되는 자동차의 적어도 하나의 전기 부하, 바람직하게는 복수의 전기 부하에 의해 형성될 수 있는 부하 저항기들(25)이 추가로 배치된다.
또한, 고전압 서브시스템(20)은, 예컨대 리튬이온 배터리로서 형성될 수 있으면서 고전압 서브시스템(20)으로 48볼트의 작동 전압을 출력하도록 구성되는 배터리(40)도 포함한다. 리튬이온 배터리(40)는 48볼트의 정격 전압 조건에서 바람직하게는 필요한 전기 에너지를 저장하도록 약 15 Ah의 최소 용량을 지닌다.
배터리(40)는 복수의 배터리 유닛들(41-1, 41-2,… 41-n)을 포함하고, 배터리 유닛들(41)에는 복수의 배터리 셀들이 할당되며, 배터리 셀들은, 배터리(40)로 요구되는 배터리 전력 및 전력 데이터를 획득하기 위해, 통상 직렬 그리고 부분적으로는 추가로 병렬 연결된다. 개별 배터리 셀들은 예컨대 2.8 내지 4.2볼트의 전압 범위를 갖는 리튬이온 배터리이다.
배터리 유닛들(41-1, 41-2,… 41-n)에는 개별 전압 탭들(80-11, 80-12, 80-21, 80-22,… 80-n1, 80-n2)이 할당되며, 이 개별 전압 탭들을 통해 전압이 커플링 유닛(33)으로 공급된다. 커플링 유닛(33)은, 저전압 서브시스템의 작동 또는 보조를 위해 저전압 서브시스템(21)으로 배터리(40)의 배터리 유닛들(41) 중 적어도 하나의 배터리 유닛을 접속하며, 그리고 고전압 서브시스템(20)과 관련해서는 상기 배터리 유닛들을 적합하게 서로 연결하도록 구성된다.
커플링 유닛(33)은 저전압 서브시스템(21)과 고전압 서브시스템(20)을 연결하고 출력 측에서는 저전압 서브시스템(21)으로 필요한 작동 전압, 예컨대 12V 또는 14V를 공급한다. 커플링 유닛(33)의 구성 및 작동은 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명된다.
저전압 서브시스템(21)은, 예컨대 14V 전압에서의 작동에 부합하게 구성되는 저전압 부하들(29)을 포함한다. 한 실시 예에서는, 리튬이온 배터리(40)는, 차량의 시동이 꺼진 조건에서, 부하들(25, 29)로서 도시되어 있는 대기 전류 부하들로의 전력 공급을 수행한다. 예컨대 이 경우 소위 공항 검사(airport test)의 요건들이 충족될 수 있고, 6주의 대기 시간 후에도 차량은 여전히 시동 가능하며, 배터리는, 대기 시간 동안, 예컨대 도난 경보 시스템이 전력을 공급받도록 하기 위해, 저전압 서브시스템(21) 내의 저전압 부하들(29)로 대기 전류를 공급할 수 있다.
저전압 서브시스템(21)에는 선택적으로 에너지 저장 장치(28) 또는 임시 저장 장치가 배치되고, 이 에너지 저장 장치 또는 임시 저장 장치는 단시간 동안 매우 높은 전력을 송출할 수 있으며, 다시 말하면 고성능으로 최적화되어 있다. 에너지 저장 장치(28)는, 배터리 유닛들(41)의 스위칭시 과전압이 계속하여 방지되게 하는 목적을 충족한다. 에너지 저장 장치(28)로서 커패시터가 사용된다면, 그 치수 측정은 바람직하게는 하기 식에 따르며,
Figure pct00001
위의 식에서, Imax는, 스위칭 작동들 동안 I에서 흐를 수 있는 차량 전기 시스템의 최대 전류이고, tumschalt(스위칭)은 어떠한 배터리 유닛(41)도 전력 공급을 위해 준비가 되어 있지 않은 기간이며, 그리고 ΔUmax는 스위칭 동안 차량 전기 시스템 전압의 최대 허용 변화량이다.
도 5에는, 단방향 갈바닉 비분리용 DC 전압 컨버터(DC/DC 컨버터)로서 구현되는 커플링 유닛(33)이 도시되어 있다. 커플링 유닛(33)은 "온"의 상태에서 단지 한 방향으로만 전류가 흐르는 것을 허용하고 "오프"의 제2 상태에서는 양자 극성 모두의 차단 전압을 수용할 수 있는 특성을 지니고 있는 역방향 차단용 스위치들(44, 45)을 포함한다. 이는, 예컨대 IGBT 스위치들과 같은 간단한 반도체 스위치들과 상당히 다른 점인데, 그 이유는 상기 반도체 스위치들이 역방향에서 자체의 진성 다이오드로 인해 차단 전압을 수용할 수 없기 때문이다. 전류 흐름 방향의 의존성으로 인해, 도 5에는 서로 다른 2가지 타입의 스위치들, 다시 말하면 RSS_I(45) 및 RSS_r(44)이 도시되어 있으며, 이러한 타입의 스위치들은 자체의 제조와 관련하여 상이하지 않아도 되는 대신에 단지 극성만을 달리하여 장착되면 된다. 역방향 차단용 스위치들(44, 45)의 더 상세한 구성에 대한 예는 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
커플링 유닛(33)에서, 배터리 유닛들(41)의 개별 전압 탭들(80)은 상이한 역방향 차단용 스위치들(RSS-I(45), RSS_r(44)) 중 각각 하나의 역방향 차단용 스위치로 이어져 있다. 역방향 차단용 스위치들(RSS_I)(45)은 커플링 유닛(33)의 출력 측에서 양극 단자(52)에 연결되고, 역방향 차단용 스위치들(RSS_r)(44)은 커플링 유닛(33)의 출력 측에서 음극 단자(51)에 연결된다.
커플링 유닛(33)은, 예컨대 표준 반도체 스위치들일 수 있는 순방향 차단용 스위치들(VSS)(90)을 포함한다. 순방향 차단용 스위치들(90)의 더 상세한 구성에 대한 예는 도 8을 참조하여 설명될 것이다. 커플링 유닛(33)에서, 배터리 유닛들(41)의 개별 전압 탭들은 분기되어 각각이 순방향 차단용 스위치(VSS)(90)를 지니는 역방향 차단용 스위치들과 병렬로 이어져 있다. 순방향 차단용 스위치들(VSS)(90)은, 이 순방향 차단용 스위치(VSS)들(90)이 닫히게 되는 경우에, 배터리 유닛들(41)을 서로 직렬로 연결한다. 이 경우에는, 2개의 배터리 유닛(41) 사이에 하나의 순방향 차단용 스위치(90)가 배치되며, 그럼으로써 배터리 유닛(41)이 n 개인 경우 n-1개의 순방향 차단용 스위치(VSS(901-1), VS(90-2),… VSS(90-n-1))가 제공된다.
도면부호 73이 나타내고 있는 것은 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 배터리 유닛들(41)을 통한 전류 경로이다. 이 경우에는, 모든 순방향 차단용 스위치들(90)이 닫혀 있다.
저전압 서브시스템(21)의 기준에 기반을 두고 이루어지는 고전압 서브시스템(20)의 전압 레벨은, 배터리 유닛들(41) 중 어느 배터리 유닛(들)이 접속되어 있는지에 의존하여 이루어진다. 그러나 작동 상태들 중 어떠한 작동 상태도 고전압과 저전압의 합과 동일한 전압 한도, 다시 말하면 48볼트 서브시스템과 14볼트 서브시스템에서의 약 62볼트를 초과하는 레벨의 전위들 중 어느 한 전위도 지니지 않는다. 그러나 저전압 서브시스템(21)의 기준에 대해 음극 전위가 발생할 수 있다.
도 6에는, 예로써 스위치 온된 역방향 차단용 스위치들(RSS_I(45-i), RSS_r(44-i))을 통해 배터리 유닛(41-2)으로부터 저전압 서브시스템(21)으로 전력을 공급하는 구성이 도시되어 있다. 이 경우, 전류 경로(71)는 양극 단자(52)로부터 역방향 차단용 스위치(RSS_I(45-i))를 통해 스위칭된 제2 배터리 유닛(41-2)을 경유하며, 나머지 역방향 차단용 스위치(RSS_r(44-i))를 통해 음극 단자(51)로 이어진다.
순방향 차단용 스위치들(90)의 이용은, 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급을 위해 2개 이상의 서브배터리(41)를 병렬로 연결하는 것을 허용한다. 이 경우에, 순방향 차단용 스위치들(90)은 "오프"의 상태로 제어 전환된다. 병렬 연결된 배터리 유닛들(41)의 전압 레벨이 서로 다른 경우에, 저전압 서브시스템(21) 내로의 에너지 흐름은 단지 상대적으로 높은 전압 레벨을 지니는 서브배터리(41)에서만 이루어진다. 상대적으로 높은 전압 상태를 지니는 서브배터리(41)로부터 상대적으로 낮은 전압 상태를 지니는 서브배터리(41) 내로의 에너지 흐름은, 더 낮은 전압을 지니는 서브배터리(41)에 연관된 역방향 차단용 스위치들(44, 45)을 통해 저지된다. 서브배터리들(41)의 병렬 연결시, 순방향 차단용 스위치들(90)은 스위치 오프되며, 그리고 상기 발전기는 바람직하게는 고전압 서브시스템(20)으로 에너지를 공급하지 않는다.
한 실시 예에 의하면, 차량 전기 시스템 또는 제어 시스템은, 순방향 차단용 스위치들(90)이 스위치 온될 경우에만 배터리(40)가 스타터 발전기(30)에 에너지를 공급할 수 있도록 구성된다. 배터리(40)의 충전을 위해, 순방향 차단용 스위치들(90)은 반드시 스위치 온되지 않아도 되는데, 그 이유는 순방향 차단용 스위치들(90)의 진성 다이오드들이 충전 전류를 전달할 수 있기 때문이다. 바람직하게는 순방향 차단용 스위치들(90)은 순방향 차단용 스위치들(90) 내에서의 전력 소비를 줄이기 위해 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급을 위한 병렬 작동이 이루어지지 않을 경우에만 항상 스위치 온된다.
스타터 발전기(30)의 작동은 커플링 유닛(33)의 작동 및 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급과는 별개로 이루어진다. 저전압 서브시스템(21)에 전력을 공급하는 배터리 유닛(41)이 접속된 경우에는, 저전압 서브시스템 전류 및 경우에 따라 스타터 발전기(30)에 의해 전체 배터리(40) 내로 공급된 충전 전류(발전기 모드)를 통한, 또는 전체 배터리(40)에서 추출되는 방전 전류(모터 모드)를 통한 중첩이 발생한다. 배터리 셀들의 허용 한도들, 예컨대 셀들의 최대 허용 방전 전류가 초과되지 않는 한, 상기 작동들은 독립적으로 고려될 수 있다. 저전압 서브시스템(21)이 확실하게 전력을 공급받도록 하기 위해, 항상 배터리 유닛들(41) 중 적어도 하나의 배터리 유닛은 커플링 유닛(33)의 해당 스위치들(44, 45, 90)을 통해 접속된다. 저전압 서브시스템(21)으로 수회 중복해서 전력이 공급됨으로 인해, 바람직한 아키텍처에 의해, 저전압 서브시스템(21)에서 전기 에너지의 가용성이 매우 높은 시스템이 구성될 수 있다.
도 7에는, 예로써 스위치 온된 역방향 차단용 스위치들(RSS_I(45-i), RSS_I(45-j), RSS_r(44-i), RSS_r(44-j))을 통해 배터리 유닛들(41-1, 41-2)로부터 저전압 서브시스템(21)으로 전력을 공급하는 구성이 도시되어 있다. 제1 전류 경로(71)는, 양극 단자(52)로부터 역방향 차단용 스위치(RSS_I)(45-i)를 통해 스위칭된 제2 배터리 유닛(41-2)을 경유하며, 그리고 나머지 역방향 차단용 스위치(RSS_r)(44-i)를 경유하여 음극 단자(51)로 이어진다. 또한, 추가 전류 경로(72)는, 양극 단자(52)로부터 역방향 차단용 스위치(RSS_I)(45-j)를 통해 스위칭된 제1 배터리 유닛(41-1)을 경유하며, 나머지 역방향 차단용 스위치(RSS_r)(44-j)를 경유하여 음극 단자(51)로 이어진다. 스위치(90-1)가 열리게 되면, 제1 배터리 유닛(41-1) 및 제2 배터리 유닛(41-2)은 저전압 서브시스템(21)과 관련하여 병렬로 연결된다.
도 8에는, 역방향 차단용 스위치들(44, 45) 및 순방향 차단용 스위치들(90)의 가능한 구성이 도시되어 있다. 이 경우, 스위치들의 순방향은 l로 지시된다. 역방향 차단용 스위치(RSS_r)(44)는 예컨대 IGBT, MOSFET 또는 바이폴라 트랜지스터(101)와 이에 직렬로 연결된 다이오드(103)를 포함한다. 도 8에는, 마찬가지로 도시된 진성 다이오드(102)를 포함하는 MOSFET가 도시되어 있다. MOSFET(101)에 직렬로 연결된 다이오드(103)는 MOSFET(101)의 진성 다이오드(102)의 방향과는 반대로 편극(偏極)된다. 역방향 차단용 스위치(RSS_r)(44)는 전류를 순방향(l)으로 전도하며, 그 반대 방향으로는 차단한다. 역방향 차단용 스위치(RSS_I)(45)는 RSS_r(44)에 상응하고 단지 극성만을 역전해 장착되며, 그럼으로써 순방향 및 역방향방향은 서로 뒤바뀌게 된다. 순방향 차단용 스위치(90)는 MOSFET, IGBT 또는 바이폴라 트랜지스터(101)를 포함하고, 이 양극성 트랜지스터의 진성 다이오드(102)도 함께 도시되어 있다. 스위치들(RSS_I(45), RSS_r(44), VSS(90))은 특히 스위칭 작동들 동안 거의 뚜렷이 나타나지 않는 지연을 특징으로 하며, 다시 말하면 매우 짧은 스위칭 기간을 허용한다. 적합한 제어 회로(ansteuerschaltung)를 통해, 스위치들의 스위치 오프 및 스위치 온 간의 시간 지연은 매우 정확하게 설정될 수 있다.
본 발명은 본원 명세서에 기재되어 있는 실시 예들 및 이 실시 예들에서 강조한 실시 형태들로만 국한되지 않는다. 오히려, 청구항들에 의해 명시된 범위 내에서, 통상의 기술 범위 내에서 이루어지는 여러 변형이 가능하다.

Claims (9)

  1. 자동차용 차량 전기 시스템(1)에 있어서, 상기 차량 전기 시스템(1)은 적어도 하나의 저전압 부하(29)용 저전압 서브시스템(21) 및 스타터 발전기(30) 및 적어도 하나의 고전압 부하(25)용 고전압 서브시스템(20)을 포함하고, 상기 고전압 서브시스템(20)은 커플링 유닛(33)을 통해 상기 저전압 서브시스템(21)과 연결되고, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 고전압 서브시스템(20)에서 에너지를 추출하여 상기 저전압 서브시스템(21)으로 공급하도록 구성되고, 상기 고전압 서브시스템(20)은 배터리(40)를 포함하고, 상기 배터리(40)는 고전압을 생성하여 상기 고전압 서브시스템(20)으로 출력하도록 구성되며, 그리고 상기 커플링 유닛(33)으로 이어져 있는 개별 전압 탭들(42)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛(41)을 포함하며, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 저전압 서브시스템(21)에 상기 배터리 유닛들(41)을 선택적으로 접속하도록 구성되는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 유닛들(41) 각각은 저전압을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 역방향 차단용 스위치들(44, 45)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 순방향 차단용 스위치들(90)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 저전압 서브시스템(21)과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛(41)을 서로 병렬로 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 고전압 서브시스템(20)과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛(41)을 직렬로 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저전압 서브시스템(21)은 커패시터(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차량 전기 시스템(1)은 상기 배터리 유닛들(41)의 스위칭을 위한 상기 커플링 유닛(33)을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 차량 전기 시스템(1).
  9. 내연기관 및 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 차량 전기 시스템(1)이 장착된 자동차.
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