KR20160114147A - 온보드 전기 시스템, 및 온보드 전기 시스템의 작동 방법 - Google Patents

온보드 전기 시스템, 및 온보드 전기 시스템의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 온보드 전기 시스템(1)에 관한 것이며, 상기 온보드 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 온보드 전기 시스템(1)은 배터리(40)를 포함하고, 상기 배터리(40)는 고전압을 생성하여 상기 고전압을 고전압 서브시스템(20)으로 공급하도록 구성되며, 그리고 커플링 유닛(33)으로 이어져 있는 개별 전압 탭들(42)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛(41)을 포함한다. 이 경우에, 상기 커플링 유닛(33)은 적어도 제1 작동 상태 및 제2 작동 상태를 제공하도록 구성되게 되고, 상기 제1 작동 상태에서는 고전압 서브시스템(20)이 배터리(40)의 모든 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받고 저전압 서브시스템(21)이 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받으며, 그리고 상기 제2 작동 상태에서는 고전압 서브시스템(20)이 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받고 저전압 서브시스템(21)이 적어도 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받는다. 또한, 본 발명은 상기 유형의 온보드 전기 시스템(1)을 작동시키기 위한 방법뿐만 아니라 상기 유형의 온보드 전기 시스템이 장착된 자동차에 관한 것이다.

Description

온보드 전기 시스템, 및 온보드 전기 시스템의 작동 방법{On-board electrical system, and method for operating an on-board electrical system}
본 발명은 자동차를 위한 온보드 전기 시스템, 그리고 상기 온보드 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 온보드 전기 시스템이 제공된다. 내연기관의 시동시, 예컨대 해당 스타터 신호에 의해 스위치가 닫히게 되면, 스타터 배터리 전압이 온보드 전기 시스템을 통해 내연기관을 시동하는 스타터로 공급된다. 내연기관이 시동 되는 경우에, 상기 내연기관은 전기 발전기를 구동하고, 전기 발전기는 약 12볼트의 전압을 생성하여 온보드 전기 시스템을 통해 차량 내의 여러 전기 부하에 공급한다. 또한, 전기 발전기는 시동 과정에 의해 부하가 걸린 스타터 배터리를 다시 충전한다. 배터리가 온보드 전기 시스템을 통해 충전되는 경우에, 실제 전압은 정격 전압을 초과할 수 있으며, 예컨대 14V 또는 14.4V일 수 있다. 12V 또는 14V 전압을 갖는 온보드 전기 시스템은 또한 본 발명의 범위 내에서 저전압용 온보드 전기 시스템으로 지칭된다.
전기 및 하이브리드 차량들에는, 48V의 공칭 전압을 갖는 다른 온보드 전기 시스템을 이용하는 것이 또한 공지되어 있으며, 상기 다른 전기 시스템은 또한 본 발명의 범위 내에서 고전압용 온보드 전기 시스템으로 지칭된다.
본 발명은 자동차용 온보드 전기 시스템을 제공하며, 상기 온보드 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 송출하도록 구성되며, 그리고 커플링 유닛으로 이어져 있는 개별 전압 탭(individual voltage tap)들을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛을 포함하며, 커플링 유닛은 적어도 제1 작동 상태 및 제2 작동 상태를 제공하고, 제1 작동 상태에서는 고전압 서브시스템이 배터리의 모든 배터리 유닛으로부터 전력을 공급받고 저전압 서브시스템이 하나의 배터리 유닛에서 전력을 공급받으며, 제2 작동 상태에서는 고전압 서브시스템이 하나의 배터리 유닛에서 전력을 공급받고 저전압 서브시스템이 적어도 하나의 배터리 유닛에서 전력을 공급받는다.
본 발명은, 저전압 서브시스템에 의해, 낮은 제1 전압에 부합하게 구성되는 저전압 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.
온보드 전기 시스템은, 예컨대 풍력 발전용 터빈들과 같은 고정 적용 예들에서뿐만 아니라 차량들에서도, 예컨대 하이브리드 및 전기 자동차들에서도 이용될 수 있다. 특히, 온보드 전기 시스템은 출발-정지(start-stop) 시스템이 장착된 차량들에서 사용될 수 있다.
제안되는 시스템, 다시 말하면 온보드 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 이른바 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 이른바 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. 한 바람직한 실시형태에 따라서, 커플링 유닛은, 저전압 서브시스템과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛을 서로 병렬로 연결하도록 구성된다. 특히 바람직하게는, 제2 작동 상태에서, 저전압 서브시스템과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛, 바람직하게는 모든 배터리 유닛들이 서로 병렬로 연결된다. 그 결과, 상기 2개의 배터리 유닛의 충전 상태가 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. 특히 바람직하게는 제1 작동 상태에서 고전압 서브시스템과 관련하여 적어도 2개의 배터리 유닛이 직렬로 연결된다.
추가로, 저전압 서브시스템은 적어도 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 커패시터는 바람직하게는 접속된 배터리 유닛의 교체시 저전압을 안정화하도록 구성된다. 또한, 커패시터는 바람직하게는 적어도 단시간 동안 저전압을 생성하여 저전압 서브시스템으로 공급하도록 구성되는 에너지 저장 장치로서 적합하다.
저전압 서브시스템에서의 전압 강하는, 온보드 전기 시스템의 전력이 최대한 낮은 시점들에서 스위칭이 이루어지는 경우에 추가로 바람직하게 감소될 수 있다. 이는 예컨대 온보드 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.
바람직하게 커플링 유닛은 적어도 하나의 추가 작동 상태를 제공하도록 구성되며, 추가 작동 상태에서 고전압 서브시스템은 복수 개, 특히 2개, 3개 또는 4개의 배터리 유닛으로부터 전력을 공급받고 저전압 서브시스템은 복수 개, 특히 2개, 3개 또는 4개의 병렬 연결된 배터리 유닛으로부터 전력을 공급받는다.
바람직하게 온보드 전기 시스템은 배터리 유닛들의 스위칭을 위한 커플링 유닛을 제어하기 위한 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 예컨대 배터리에 할당된 배터리 관리 시스템에 할당될 수 있고, 이 배터리 관리 시스템은 예컨대 온도, 공급되는 전압, 송출되는 전류 및 배터리 또는 배터리 유닛들의 충전 상태들에 대한 측정 데이터를 검출하여 처리하고 이로부터 예컨대 배터리의 성능 상태에 대한 정보를 밝히도록 구성되는 추가 유닛들을 포함한다. 커플링 유닛의 제어를 위한 제어 유닛은 본 발명에 따른 방법들 중 어느 하나의 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 내연기관 및 위에 기재한 온보드 전기 시스템이 장착된 자동차도 명시된다.
앞서 기재한 온보드 전기 시스템을 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법의 경우, 자동차의 작동 단계에 따라 제1 또는 제2 작동 상태의 설정을 위해 커플링 유닛의 제어가 수행된다.
제1 작동 단계는 시동이 꺼진 차량 또는 주차 중인 차량일 수 있고, 제2 작동 단계는 자동차 시동일 수 있고, 제3 작동 단계는 자동차의 출발/정지 모드일 수 있고, 그리고/또는 제4 작동 단계는 자동차의 주행 모드일 수 있다.
바람직하게 제2 작동 단계는 제1 작동 단계에서, 다시 말하면 시동이 꺼진 차량 또는 주차 중인 차량의 조건에서 설정된다.
바람직하게는, 제2 작동 단계에서 고전압 서브시스템과 관련하여 복수 개, 바람직하게는 모든 배터리 유닛의 직렬 연결이 수행된다. 제2 작동 단계는 특히 자동차의 시동 상태일 수 있으며, 예컨대 자동차의 콜드 스타트(cold start) 상태일 수 있고, 상기 콜드 스타트 상태는 소정의 기간의 경과를 통해, 예컨대 10분, 20분, 1h, 2h, 12h 또는 24h의 경과 후에 정의될 수 있다.
바람직하게는, 제4 작동 단계에서, 다시 말하면 자동차의 주행 모드 동안 고전압 서브시스템과 관련하여 복수 개, 바람직하게는 모든 배터리 유닛의 직렬 연결이 수행된다.
바람직하게 제3 작동 단계는 출발 모드 상태와 정지 모드 상태를 포함한다. 출발 모드 상태 동안, 바람직하게는 설정들은 제2 작동 단계에서의 설정들에 따라 선택되며, 그리고 정지 모드 상태 동안에 설정들은 제1 작동 단계에서의 설정들에 따라 선택된다.
바람직하게는, 정해진 시점에서 최고 충전 상태를 보유하는 배터리 유닛은 저전압 서브시스템으로의 전력 공급을 위해 이용된다. 특히, 바람직하게는, 제1 작동 상태에서 저전압 서브시스템으로의 전력 공급은, 최고 충전 상태를 보유하는 배터리 유닛으로부터 수행된다. 위에서 예시한 배터리 유닛들의 직렬연결을 이용하는 온보드 전기 시스템을 위한 최적화된 작동 전략을 감안하면, 다음과 같이 고려할 점이 있다. 이 경우에는, 셀들이 균일하게 에이징(aging)된 경우에는 이들 셀의 내부 저항 및 커패시턴스가 동일한 기준 조건하에서, 다시 말해 실질적으로 동일한 온도 및 동일한 충전 상태에서 거의 동일하다고 가정한다.
셀들이 균일하게 에이징된 경우에는, 최대 송출 전력이 최소 충전 레벨을 갖는 셀에 의해 제한된다.
셀들이 균일하게 에이징된 경우에는, 최대 추출 에너지가 최소 충전 레벨을 갖는 셀에 의해 제한된다.
셀들이 균일하게 에이징된 경우에는, 충전 과정에서 최대 허용 출력이 최고 충전 상태를 갖는 셀에 의해 제한된다.
셀들이 균일하게 에이징된 경우에는, 최대 송출 전력이 최고 충전 상태를 갖는 셀에 의해 제한된다.
부스트 회생 제동 시스템의 배터리 시스템이 제동 과정에서 언제라도 가급적 많은 에너지를 저장할 수 있어야만 하고, 그와 동시에 부스트 과정을 가급적 양호하게 지원할 수 있어야만 하기 때문에, 이와 같은 사실로부터는, 제기된 요구 조건을 가급적 양호하게 충족시킬 수 있기 위해서는, 배터리 유닛 및 그에 내재하는 셀들 모두 가급적 동일한 충전 상태를 가져야만 한다는 요구 조건이 도출될 수 있다.
고전압 서브시스템에 대한 요구 조건들에 추가하여, 시스템에는 또한 저전압 서브시스템에서 이루어지는 시동 과정에 대한 요구 조건들이 제기된다. 이와 같은 요구 조건들이 고성능 에너지 저장 장치 및 배터리로 이루어진 조합에 의해서 가급적 양호하게 충족되도록 하기 위해, 바람직하게는 주어진 시점에 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛이 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는데 사용된다.
커플링 유닛의 스위칭 상태의 선택에 대해 제기되는 요구 조건들은 다음과 같은 작동 전략에 의해 충족될 수 있다: 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는 과정은 항상 현재 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛으로부터 이루어진다. 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는 과정이 고전압 서브시스템에서의 충전 및 방전 과정에 중첩되고, 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는 과정이 단일 방향으로 이루어지기 때문에, 상기와 같은 선택 요건에 의해, 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛이 다른 배터리 유닛보다 더 신속하게 방전될 수도 있고 더 느리게 충전될 수도 있게 된다. 그 결과, 배터리 유닛들의 충전 상태들의 대칭화가 이루어진다.
배터리 유닛의 충전 상태가 동일한 경우에 하나의 배터리 유닛으로부터 다음 배터리 유닛으로 매우 신속한 교체가 설정되지 않도록 하기 위하여, 충전 상태들의 차(ΔSOCumschalt(스위칭))에 대한 임계값이 도입되는데, 예를 들면 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는 과정이 하나의 배터리 유닛으로부터 현재 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는 과정을 위해 이용되는 배터리 유닛보다 상응하게 높은 충전 상태를 갖는 배터리 유닛으로 교체되도록 하기 위해 초과하여야 하는 0.5% 내지 20%, 바람직하게는 1% 내지 5%, 특히 바람직하게는 약 2%의 소정의 값을 갖는 차(ΔSOCumschalt (스위칭))에 대한 임계값이 도입된다. 전력 공급시에는 항상 현재 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛으로 전환이 이루어지며, 현재 저전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위해 접속된 배터리 유닛이 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛의 충전 상태보다 적어도 충전 상태들의 차(ΔSOCumschalt (스위칭))만큼 적은 충전 레벨을 갖는 경우에 스위칭이 이루어진다.
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 온보드 전기 시스템을 제공한다. 이 경우, 공지된 시스템들에 견주어 볼 때, 전위 분리용 DC 전압 컨버터(DC/DC 컨버터)뿐만 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 BRS들에 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.
커플링 유닛의 스위칭 상태들의 선택을 위한 본 발명에 따른 규칙은, 배터리가 온보드 전기 시스템의 여러 작동 단계들에서 필요한 태스크들을 최적의 방식으로 충족할 수 있게 한다. 특히 저전압 서브시스템으로의 전력 공급이 보장된다. 이 경우, 전력 공급은 중단 없이, 다시 말하면 전압 강하 없이 수행되는 것이 바람직하다. 커플링 유닛의 스위칭 단계들 동안, 저전압 서브시스템으로의 중단 없는 전력 공급이 단시간 동안 가능하지 않는 경우, 여전히 저전압 서브시스템에서의 전압 강하는 허용 레벨들로 제한된다. 또한, 배터리는 심지어 정지 시간이 상대적으로 오래 지속하게 될 경우에도 충분하게 전기 에너지를 공급한다. 배터리는 출발/정지 모드에서 정지 단계 동안에 고전압 부하들에 전력을 공급할 수 있다.
또한, 고전압 서브시스템으로의 전력 공급이 보장되며, 다시 말하면 배터리는 필요한 작동 상태들을 위해 고전압 서브시스템에 실질적으로 중단 없이 전기 에너지를 공급한다. 전기 에너지의 저장과 관련하여, 최적화는, 제동 과정 동안 최대한 많은 전기 에너지가 회수될 수 있고 이와 동시에 배터리는 최대한 높은 전력으로 충전될 수 있음을 의미한다. 전기 에너지의 공급과 관련하여, 최적화는, 배터리가 필요한 전압 및 전력을 갖는 전기 에너지의 공급을 통해 시동 과정들에 이용가능하게 하고 부스트 모드를 위해서는 최대한 많은 전기 에너지가 공급될 수 있게 함을 의미한다.
본 발명의 실시 예들은 첨부도면들에 도시되어 있고 하기의 기재내용에서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 선행 기술에 따른 저전압 온보드 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 고전압 서브시스템, 저전압 서브시스템, 및 단방향 전위 분리용 DC 전압 컨버터를 포함하는 온보드 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 고전압 서브시스템, 저전압 서브시스템, 및 양방향 전위 분리용 DC 전압 컨버터를 포함하는 온보드 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 고전압 서브시스템, 저전압 서브시스템, 및 단방향 갈바닉 비분리용 DC 전압 컨버터를 포함하는 온보드 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 전형적인 작동 상태의 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 6은 다른 한 전형적인 작동 상태의 도 5 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 7은 다른 한 전형적인 작동 상태의 도 5 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 8은 다른 한 전형적인 작동 상태의 도 5 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 9는 역방향 및 순방향 차단용 스위치를 도시한 도면이다.
도 10은 작동 단계들에 따른 작동 상태들의 설정들을 도시한 도면이다.
도 11은 제1 작동 단계에서의 작동 상태들 및 그 특성들을 도시한 도면이다.
도 12는 제2 작동 단계에서의 작동 상태들 및 그 특성들을 도시한 도면이다.
도 13은 제3 작동 단계에서의 작동 상태들 및 그 특성들을 도시한 도면이다.
도 14는 제4 작동 단계에서의 작동 상태들 및 그 특성들을 도시한 도면이다.
도 1에는, 선행 기술에 따른 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 내연기관의 시동시, 예컨대 해당 스타터 신호에 의해 스위치(12)가 닫히게 될 때, 온보드 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 온보드 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 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 온보드 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 부하(25)를 통해, 바람직하게는 복수의 전기 부하(25)를 통해 형성될 수 있는 추가 부하 저항기들이 배치된다.
DC 전압 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 14볼트의 레벨로 공급하도록 구성된 에너지 저장 장치(28)가 있다. 저전압 서브시스템(21)에는 저전압으로 작동되는 추가 저전압 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 온보드 전기 시스템 전압은, 주행 모드에서, 에너지 저장 장치(28)의 온도 및 충전 상태에 따라 예컨대 10.8볼트와 15볼트 사이의 범위를 이룬다.
DC 전압 컨버터(22)는 입력 측에서 고전압 서브시스템(20) 및 발전기(23)에 연결된다. DC 전압 컨버터(22)는 출력 측에서 저전압 서브시스템(21)에 연결된다. DC 전압 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 온보드 전기 시스템(1)으로서, 고전압 서브시스템(20) 및 저전압 서브시스템(21)이 양방향 전위 분리용 DC 전압 컨버터(31)에 의해 연결되는, 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 도시된 온보드 전기 시스템(1)은 실질적으로 도 2에 도시된 온보드 전기 시스템처럼 형성되고, 발전기는 고전압 서브시스템에 통합되며, 그리고 온보드 전기 서브시스템들(20, 21) 간의 전력 전달을 위해 전위 분리용으로 구현되는 DC 전압 컨버터(31)가 사용된다. 또한, 양자 모두의 서브시스템들(20, 21)에는, 도 2를 참조하여 설명한 것처럼 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 전압 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 전압 컨버터(31)는 양방향으로 구현되며, 그럼으로써 배터리(24)는 필요한 경우 저전압 서브시스템(21)을 통해 충전될 수 있다.
도 4에는, 고전압 서브시스템(20)과 저전압 서브시스템(21)을 포함하는 온보드 전기 시스템(1), 예컨대 차량, 특히 자동차, 화물 운송 차량 또는 지게차의 온보드 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 온보드 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 고전압 전기 부하(25), 바람직하게는 복수의 고전압 전기 부하들(25)에 의해 형성될 수 있는 고전압 저항기들이 배치된다.
또한, 고전압 서브시스템(20)은, 예컨대 리튬이온 배터리로서 형성될 수 있으면서 고전압 서브시스템(20)으로 48볼트의 작동 전압을 공급하도록 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 이른바 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)가 배치되고, 이 에너지 저장 장치는 단시간 동안 매우 높은 전력을 송출할 수 있으며, 다시 말하면 고성능으로 최적화되어 있으며, 임시 저장 장치로서 기능 한다. 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 온보드 전기 시스템의 최대 전류이고, tumschalt(스위칭)은 어떠한 배터리 유닛(41)도 전력 공급을 위해 준비가 되어 있지 않은 기간이며, 그리고 ΔUmax는 스위칭 동안 온보드 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 9를 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 이어지게 된다. 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 9를 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. 한 실시 예에 의하면, 온보드 전기 시스템 또는 제어 시스템은, 모든 순방향 차단용 스위치(90)가 스위치 온될 때에만, 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. 순방향 차단용 스위치들(90)은 순방향 차단용 스위치들(90)에서의 전력 손실을 감소시키기 위해 항상 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급을 위한 병렬 모드가 이루어지지 않을 때에만 스위치 온되는 것이 바람직하다.
또한, 순방향 차단용 스위치들(90)의 이용은, 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급을 위한 2개 이상의 배터리 유닛(41)을 병렬로 연결하는 것을 허용한다. 이 경우에, 해당 순방향 차단용 스위치들(90)은, 도 8과 관련하여 설명되겠지만, "오프"의 상태로 제어 전환된다. 병렬 연결된 배터리 유닛들(41)의 전압 레벨이 서로 다른 경우, 저전압 서브시스템(21) 내로의 에너지 흐름은 단지 상대적으로 높은 전압 레벨을 지니는 배터리 유닛(41)에서만 이루어진다. 상대적으로 높은 전압 상태를 지니는 배터리 유닛(41)으로부터 상대적으로 낮은 전압 상태를 지니는 배터리 유닛(41) 내로의 에너지 흐름은, 더 낮은 전압을 지니는 배터리 유닛(41)에 연관된 역방향 차단용 스위치들(44, 45)을 통해 저지된다. 배터리 유닛들(41)의 병렬연결시, 순방향 차단용 스위치들(90)은 스위치 오프되며, 그리고 발전기는 고전압 서브시스템(20)으로 에너지를 공급하지 않는 것이 이상적이다.
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. 이 경우, 나머지 역방향 차단용 스위치들(44, 45)은 스위치 오프된다.
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.
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 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.
도 8에는, 예시로써 스위치 온된 역방향 차단용 스위치들(RSS_I(45-i), RSS_I(45-j), RSS_r(44-i), RSS_r(44-j)) 및 배터리 유닛들(41-1, 41-2) 사이에 위치한 개방된 순방향 차단용 스위치(VSS)(90-1)를 통해 배터리 유닛들(41-1, 41-2)로부터 저전압 서브시스템(21)으로 전력을 공급하는 구성이 도시되어 있다. 제1 전류 경로(72)는, 양극 단자(52)로부터, 역방향 차단용 스위치(RSS_I)(45-i)를 통해, 제1 배터리 유닛(41-1)을 경유하며, 그리고 나머지 역방향 차단용 스위치(RSS_r)(44-j)를 경유하여 음극 단자(51)로 이어진다. 또한, 추가 전류 경로(71)는, 양극 단자(52)로부터, 역방향 차단용 스위치(RSS_I)(45-j)를 통해, 통전된 제2 배터리 유닛(41-2)을 경유하며, 나머지 역방향 차단용 스위치(RSS_r)(44-i)를 경유하여 음극 단자(51)로 이어진다. 순방향 차단용 스위치(VSS)(90-1)가 개방된다면, 제1 배터리 유닛(41-1) 및 제2 배터리 유닛(41-2)은 저전압 서브시스템과 병렬 연결된다. 이 경우, 제1 배터리 유닛(41-1)의 양극 단자는 전기 저항이 높아지게 된다.
고전압 서브시스템(20)의 중단 없는 전력 공급과 함께 배터리 유닛들(41)의 전환이 이루어져야 하는 경우, 순방향 차단용 스위치들(90)은 스위치 온 상태로 유지되어야 한다. 그러므로 제1 단계 a)에서 접속된 배터리 유닛(41)에 연관된 역방향 차단용 스위치들(44, 45)이 스위치 오프되는 제1 스위칭 방법이 명시된다. 그 후, 제2 단계 b)에서는, 기간이 실질적으로 이용되는 스위치들(44, 45)의 특성들에 의존하는 지연을 가지고, 저전압 서브시스템(21)으로 접속될 배터리 유닛들(41)의 접속이 수행된다.
예컨대 도 7에서 배터리 유닛(41-2)으로부터 배터리 유닛(41-1)으로 교체가 수행되어야 한다면, 먼저 전류를 공급하는 배터리 유닛(41-2)에 연관된 역방향 차단용 스위치들(45-j, 44-i)이 스위치 오프되고 나머지 역방향 차단용 스위치들(45-i, 44-j)은 스위치 온된다. 커플링 유닛(33)이 스위치들(45-i, 44-i, 45-j, 44-j)에 대한 스위칭 명령을 동기 방식으로 얻게 되면, 역방향 차단용 스위치들의 기능으로 인해, 저전압 서브시스템의 양극 단자(52)는 전력 스위치의 스위칭 단계 동안 2개의 배터리 유닛의 전위들 중 상대적으로 더 높은 전위와 연결될 것이고 음극 단자(51)는 스위칭 단계 동안 2개의 배터리 유닛의 전위들 중 상대적으로 더 낮은 전위에 연결될 것이다. 이로써, 단시간 동안 저전압 서브시스템의 사양이 허용하는 것보다 더 높은 전압이 저전압 서브시스템(21)에 인가될 것이다. 도 7에 도시된 예에서, 직렬 접속된 배터리 유닛들(41)로 인해 저전압 서브시스템(21)에는 단시간 동안 배터리 유닛들(41-1, 41-2)의 부분 전압들의 합산 전압이 공급될 것이다. 이와 같은 과전압을 회피하기 위해, 커플링 유닛(33)의 스위칭시 다음과 같은 과정이 이루어진다.
- 스위칭 과정은, 현재 전류공급용 배터리 유닛, 도시된 예시에서는 배터리 유닛(41-2)의 역방향 차단용 스위치들(44-i, 45-j)이 먼저 스위치 오프되고, 이전의 전류공급용 배터리 유닛(41-2)의 스위치들이 전류를 더는 흐르지 않도록 된 후에, 저전압 서브시스템(21)에 전력을 공급하는 기능을 수행하는 배터리 유닛(41-1)의 역방향 차단형 스위치들(44-j, 45-i)이 스위치 온되도록 수행된다. 전술한 원리는 "브레이크 비포 메이크(Break-before-Make)"로도 알려져 있다.
스위치 오프 및 스위치 온 간에는 지연이 필요한데, 그 이유는 그렇지 않을 경우 저전압 서브시스템(21)의 전압이 모든 스위칭 과정에서 전환 단계 동안 허용되지 않을 정도로 높은 레벨로, 도 7에 도시된 경우에서는 배터리 유닛들(41-1, 41-2)의 전압들의 합산 전압으로, 다시 말해 2배 값으로 증가하게 되기 때문이다. 그러나 커플링 유닛(33)이 지연 시간을 가지고 스위칭되는 경우에, 이것이 의미하는 것은 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급이 단시간 동안 중단되는 것을 의미한다. 허용되지 않는 전압 강하를 회피하기 위해, 일부 실시 예에 의하면 에너지 저장 장치(28)에 의한 임시 저장(buffering)이 이루어질 수 있다. 에너지 저장 장치(28)로서 커패시터가 이용되는 경우, 에너지 저장 장치의 치수 측정은 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 이루어지는 것이 바람직하다.
온보드 전기 시스템의 전력이 최대한 낮은 시점들에서 스위칭이 이루어지는 경우에 저전압 서브시스템(21)에서의 전압 강하는 추가로 바람직하게 감소될 수 있다. 이는, 예컨대 온보드 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.
저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급이 중단되지 않아야 하는 다른 경우에 대해, 다른 한 스위칭 과정이 제공되며, 이 경우에는 제1 단계 c)에서 모든 순방향 차단용 스위치(90)가 스위치 오프된다. 스타터 발전기(30)는 전환 단계에서 고전압 서브시스템 내로 어떠한 에너지도 공급하지 않으며, 그리고 부스트 모드로도 작동하지 않는다. 기간이 이용되는 스위치들의 특성들에 의존하는 짧은 지연을 가지고, 제2 단계 d)에서는 연관되어 접속될 배터리 유닛 또는 배터리 유닛들(41)의 역방향 차단용 스위치들(44, 45)이 스위치 온된다. 옵션인 제3 단계 e)에서는, 저전압 서브시스템(21)에 접속된 배터리 유닛(41)의 교체가 제공되는 경우, 먼저 저전압 서브시스템(21)으로부터 처음 접속된 제1 배터리 유닛(41-1)의 분리가 수행된다. 이 경우에, 바로 이웃하지 않은 배터리 유닛들(41) 간에도 교체가 수행될 수 있다. 제4 단계 d)에서는, 순방향 차단용 스위치들(90)이 다시 스위치 온된다. 재접속 후에는, 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급이 중단되지 않으면서, 두 배터리 유닛의 병렬연결, 또는 제1 배터리 유닛으로부터 제2 배터리 유닛으로의 대체가 완료된다.
스위칭 과정의 선택은, 예컨대 어느 서브시스템이 우선순위로 전력 공급을 받아야 하는지에 따라, 제어 시스템에 의해 이루어진다. 다른 옵션은 고전압 서브시스템에서 감소된 전압을 갖는 작동 모드로 작동하는데 배터리의 전체 전력 또는 전체 전압이 요구되지 않는 작동 단계들에서 제공될 수 있다. 이때, 커플링 유닛(33)을 통해, 저전압 서브시스템으로의 중단 없는 전력 공급이 이루어질 수 있다.
도 9에는, 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 9에는, 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.
도 10에는, 여러 작동 단계에 따른 스위칭 상태들의 설정이 도시되어 있다. 도 10에는, 4가지 작동 단계(102, 103, 104, 105)가 도시되어 있고, 이들 작동 단계의 검출 또는 설정은 커플링 유닛의 스위칭 상태들의 전환(101)을 야기한다. 제1 작동 단계(102)는 시스템의 수동 단계, 예컨대 시동이 꺼진 차량 또는 주차 중인 차량이다. 제2 작동 단계(103)는 시스템의 시동 단계, 예컨대 자동차 시동이다. 제3 작동 단계(104)는 시스템의 출발/정지 단계, 예컨대 자동차의 출발/정지 모드이다. 제4 작동 단계(104)는 시스템의 능동 단계, 예컨대 차량의 주행 모드이다.
도 10 내지 도 14의 기초가 되는 배터리는 예를 들어 4개의 배터리 유닛을 포함하며, 이들 배터리 유닛은 고전압 서브시스템에 각각 12V 전압을 공급할 수 있다. 이 경우, 커플링 유닛은, 적어도 하기 표 1에 기재된 작동 상태들을 제공하도록 구성된다.
구성 스위칭 상태 고전압 서브시스템 저전압 서브시스템
1s4p 4개의 이웃한 배터리 유닛 사이의 3개의 순방향 차단용 스위치는 스위치 오프됨;
상기 배터리 유닛들의 8개의 역방향 차단용 스위치는 스위치 온됨		 12V 1s4p의 배터리 유닛으로부터 전력 공급
2s1p + 1s2p 2개의 이웃한 배터리 유닛 사이의 1개의 순방향 차단용 스위치는 스위치 오프됨;
상기 배터리 유닛들의 4개의 역방향 차단용 스위치는 스위치 온됨		 36V 1s2p의 배터리 유닛으로부터 전력 공급
1s1p + 1s3p 3개의 이웃한 배터리 유닛 사이의 2개의 순방향 차단용 스위치는 스위치 오프됨;
상기 배터리 유닛들의 6개의 역방향 차단용 스위치는 스위치 온됨		 24V 1s3p의 배터리 유닛으로부터 전력 공급
4s1p 모든 순방향 차단용스위치는 스위치 온됨;
저전압 서브시스템을 위한 2개의 역방향 차단용 스위치는 스위치 온됨.		 48V 4개의 배터리 유닛 중 하나의 배터리 유닛으로부터 전력 공급
상기 표 1에는, 커플링 유닛을 통해 설정될 수 있는 배터리의 구성들이 기재되어 있다. XsYp는 직렬 연결된 X개의 셀과 병렬 연결된 Y개의 셀을 의미한다. 예컨대 2s1p는 2개의 배터리 유닛의 직렬연결을 의미하고 1s2p는 2개의 배터리 유닛의 병렬연결을 의미한다.
도 11에는, 제1 작동 단계(102)에서, 다시 말하면 예컨대 시동이 꺼진 차량의 조건에서 배터리 시스템의 구성들이 도시되어 있다.
제1 구성(110)은 1s4p이며, 다시 말하면 하나의 배터리 유닛이 고전압 서브시스템에 접속되고, 모든 배터리 유닛, 다시 말해 여기서는 4개의 배터리 유닛은 저전압 서브시스템과 병렬연결된다. 상기 구성은 제1 작동 단계(102)에서 바람직하다. 상기 구성은, 고전압 서브시스템의 휴지 모드(rest mode)가 단지 하나의 배터리 유닛에 의해 공급될 수 있는 전압을 통해 이루어질 때 설정된다. 구성(110)에서 고전압 서브시스템으로 하나의 배터리 유닛에 의해 공급될 수 있는 에너지의 공급(114)이 수행된다. 추가로, 배터리 유닛들의 밸런싱(115)이 수행될 수 있으며, 다시 말하면 개별 배터리 유닛들의 충전의 보상이 수행된다. 1s4p 구성(110)에 대한 배터리 유닛의 병렬연결시, 최고 충전 상태를 갖는 배터리 유닛의 방전이 자동으로 수행되며, 그리고 배터리 유닛들의 밸런싱이 설정된다.
제2 구성(111), 요컨대 2s1p + 1s2p의 경우, 즉 2개의 이웃한 배터리 유닛 사이의 하나의 순방향 차단용 스위치가 스위치 오프되고 상기 배터리 유닛들의 4개의 역방향 차단용 스위치가 스위치 온되는 경우, 고전압 서브시스템으로 감소된 전압, 여기서는 예컨대 고전압의 절반 전압의 공급(116)이 수행된다. 배터리 유닛들의 밸런싱(117)은 저전압 서브시스템으로의 전력 공급의 교체를 통해 이루어진다. 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(118)은 배터리 유닛의 교체 동안 중단 없이 이루어진다.
제3 구성(112), 요컨대 1s1p + 1s3p의 경우, 즉 3개의 이웃한 배터리 유닛 사이의 2개의 순방향 차단용 스위치가 스위치 오프되고 상기 배터리 유닛들의 6개의 역방향 차단용 스위치가 스위치 온되는 경우, 고전압 서브시스템으로 감소된 전압, 여기서는 예컨대 고전압의 3/4 전압의 공급(119)이 수행된다. 배터리 유닛들의 밸런싱(120)은 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(121)의 교체를 통해 이루어질 수 있다. 이 경우, 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(121)은 중단 없이 이루어진다.
제2 및 제3 구성(111, 112)은, 바람직하게는, 고전압 서브시스템이 비록 감소된 전압을 공급받을 수 있기는 하지만, 상기 전압이 반드시 하나의 배터리 유닛에 의해 공급될 수 있는 저전압보다 높을 때 설정된다. 제1 구성(110)을 제외한 모든 구성에서 배터리 유닛들의 밸런싱은 저전압 서브시스템으로의 전력 공급을 위해 사용되는 배터리 유닛의 교체로 이루어지게 된다. 상기 교체는 하나의 배터리 유닛으로부터 저전압 서브시스템으로의 직접적인 전력 공급의 짧은 중단, 결과적으로는 예컨대 커패시터를 이용한 온보드 전기 시스템의 임시 저장을 위한 상응하는 조치로 수행될 수도 있고 저전압 서브시스템으로의 중단 없는 전력 공급으로 수행될 수도 있다. 그러나 중단 없는 전력 공급의 경우에는, 전환 단계에서, 고전압 서브시스템의 전압이 일시적으로 예컨대 2/3으로 제한되는 점을 감수해야만 한다.
고전압 서브시스템이 제1 작동 단계(102)에서도 고전압을 공급받아야 한다면, 제4 구성(113), 요컨대 4s1p가 설정될 수 있다. 이러한 구성의 경우에, 고전압 서브시스템으로 배터리 유닛들의 합산 전압의 공급(122)이 수행되며, 추가로 배터리 유닛들의 밸런싱(123)은 저전압 서브시스템으로의 전력 공급의 교체를 통해 이루어질 수 있다. 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(124)은 단일의 배터리 유닛으로부터 수행된다. 접속된 배터리 유닛의 교체 동안, 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(124)은 중단 없이 수행되거나, 또는 고전압 공급(122)의 감소가 이루어진다.
저전압 서브시스템으로의 전력 공급은 제4 구성(113)에서 최고 충전 상태를 지니는 배터리 유닛으로부터의 차단 단계 동안 수행된다. 이러한 선택 규칙을 통해, 최고 충전 상태를 갖는 배터리 유닛은 다른 배터리 유닛들보다 더 신속하게 방전되게 된다.
도 12에는, 제2 작동 단계(103), 예컨대 자동차의 시동에서의 스위칭 상태들의 설정이 도시되어 있다. 시스템이 고전압 서브시스템 측에서 그 자체의 최대 허용 전력을 송출할 수 있도록 하기 위해, 모든 배터리 유닛은 구성(120)에 직렬로 연결되며, 다시 말하면 4개의 배터리 유닛이 4s1p로 구성된다. 따라서, 고전압 서브시스템으로 배터리의 최대 허용 출력을 통한 전력 공급(121)과, 저전압 서브시스템으로 최고 충전 상태(state of charge; SOC)를 갖는 배터리 유닛으로부터의 전력 공급(122)이 수행된다. 이 경우에, 최고 충전 상태를 지니는 배터리 유닛이 선택된다. 또한, 배터리 유닛들의 SOC 차의 최적화(123)가 수행된다.
도 13에는, 제3 작동 단계(104), 예컨대 출발/정지 모드를 위한 배터리 시스템의 구성이 도시되어 있다. 제3 작동 단계(104)는 정지 모드(131) 및 출발 모드(132)를 포함한다. 정지 모드(131)의 경우, 도 11을 참조하여 설명한 제1 작동 단계(102)에 대한 내용과 동일한 내용이 적용된다. 그러므로 배터리 시스템의 구성의 선택은 동일한 기준들에 따라 이루어지는 것이 바람직하다. 고전압 서브시스템이 정지 모드(131)에서 여전히 저전압으로 작동할 수 있는 경우에, 구성 1s4p가 설정되는 것이 바람직하다. 고전압 부하로의 전력 공급(133)은 하나의 배터리 유닛을 통해 공급되는 전력으로 수행된다. 저전압 부하로의 전력 공급(134)은 최고 SOC를 지니는 배터리 유닛으로부터 수행된다. 또한, 배터리 유닛들의 SOC 차의 최적화(135) 및 시동 성능의 유지와 관련한 최적화(136)가 수행된다. 후속 시동 모드를 위해 구성(132)으로의 교체가 수행된다. 이 경우, 배터리를 통한 최대 시동 전력의 송출(137), 최고 SOC를 지니는 배터리 유닛으로부터 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(138), 및 배터리 유닛들의 SOC 차의 최적화(139)가 수행된다.
도 14에는, 제4 작동 단계(105)에서, 예컨대 주행 모드 동안 배터리 시스템의 구성이 도시되어 있다. 제4 작동 단계(105)는 부스트 작동 상태(141) 및 회생 제동 작동 상태(142)뿐만 아니라, 스타터 발전기가 온보드 전기 시스템으로 어떠한 에너지도 공급하지 않는 작동 상태(143) 및 스타터 발전기가 단지 적은 전기 에너지만을, 예컨대 12V 미만 또는 24V 미만의 전기 에너지만을 온보드 전기 시스템으로 공급하는 작동 상태(144)를 포함한다.
부스트 작동 상태(141)에서는, 배터리 시스템은 최대한 높은 전력을 스타터 발전기로 송출할 수 있어야 하고, 회생 제동 작동 상태(142)에서는 최대한 높은 전력으로 충전될 수 있어야 한다. 추가로, 상기 두 작동 모드(141, 142)에서 최대한 많은 에너지가 공급되거나 소모될 수 있어야 한다. 그러므로 상기 두 작동 모드(141, 142)에서는 구성 4s1p가 설정된다. 이 경우, 부스트 작동 상태(141)에서, 배터리 통해 부스트를 위한 최대 전력의 송출(145), 최고 SOC를 지니는 배터리 유닛으로부터 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(146), 및 배터리 유닛들의 SOC 차의 최적화(147)가 수행된다. 회생 제동 작동 상태(142)에서는, 배터리를 통해 최대 전력으로 수행되는 충전(148), 최고 SOC를 지니는 배터리 유닛으로부터 저전압 서브시스템으로의 전력 공급(149), 및 배터리 유닛들 SOC 차의 최적화(150)가 수행된다.
스타터 발전기가 온보드 전기 시스템으로 어떠한 에너지도 공급하지 않거나, 또는 예컨대 오랜 시간 회생 제동 단계가 이루어지지 않을 때 에너지 요구량을 충족시키기 위해 적은 전기 에너지만을 온보드 전기 시스템으로 공급하는 작동 상태들(143, 144)에서는, 원칙상 4가지 구성(1s4p, 2s1p + 1s2p, 1s1p + 1s3p 또는 4s1p) 모두가 설정될 수 있으며, 이는 도면부호들(151 및 152)로 나타나 있다. 발전기 전력이 없거나 적은 상기 단계들(143, 144)에서는, 시동이 꺼진 차량의 작동 단계와 관련하여 밝힌 내용이 적용된다. 상기 작동 단계들에서 고전압 서브시스템의 전압이 저전압에 이르기까지 감소될 수 있는 경우에는, 1s4p 구성의 설정이 바람직하다. 이때, 해당 온보드 전기 시스템은, 거의, 발전기가 평균 온보드 전기 시스템 부하를 충족시키는 표준 저전압 서브시스템처럼 거동한다.
위에서 설명한 접근법에 의해, 차량의 서로 다른 4가지 작동 단계(102, 103, 104, 105) 모두를 위한 커플링 유닛의 스위칭 상태들이 정의된 규칙에 따라 설정될 수 있다. 위에서 설명한 내용에는 여전히 옵션들 또는 대안들이 이용 가능한 그러한 관점에서는, 고전압 서브시스템의 특정 실시 예에서 한계 조건을 통해 명료성이 제공되며, 예컨대 고전압 서브시스템을 저전압으로도 작동시킬 가능성이 제공된다.
작동 상태 1s4p는 특히 고전압 서브시스템이 고전압 부하들로의 전력 공급을 위해서가 아니라, 스타터 발전기의 최대 전력의 최적화를 위해 이용될 때에도 유리할 수 있다. 이때, 발전기는 중간 성능으로 저전압에서 작동될 수 있으며, 모든 배터리 유닛의 병렬연결에 의해서는 온보드 전기 시스템이 현재 종래 기술에 따른 저전압 서브시스템과 유사한 기능으로 설정되게 된다. 발전기는 직접 평균의 온보드 전기 시스템 전력을 공급할 수 있고, 이러한 상태에서 배터리는 임시 저장 장치로서 사용된다. 모든 배터리 유닛이 커플링 유닛의 스위치들을 통해 저전압 서브시스템 전력 공급부에 병렬로 연결된다면, 자동으로 최고 충전 상태를 지니는 배터리 유닛이 방전되며, 그리고 자동으로 배터리 유닛들의 밸런싱이 설정된다. 이러한 상태에서 출발하여, 예컨대 부스트 모드에서 스타터 발전기의 높은 전력이 요구된다면, 또는 회생 제동 과정 동안, 스타터 발전기의 저전압 모드에서는 실현될 수 없을 정도로 높은 전력을 갖는 에너지가 다시 공급될 수 있다면, 배터리는 커플링 유닛에서 스위칭 상태들의 변경을 통해 4s1p 구성으로 재구성된다. 이를 위해 필요한 스위칭 시간은 커플링 유닛의 고속 반도체 회로의 이용 시 매우 짧게 유지될 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 (10)

  1. 자동차용 온보드 전기 시스템(1)에 있어서, 상기 온보드 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 온보드 전기 시스템(1)은 배터리(40)를 포함하고, 상기 배터리(40)는 고전압을 생성하여 상기 고전압을 상기 고전압 서브시스템(20)으로 공급하도록 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 적어도 제1 작동 상태 및 제2 작동 상태를 제공하도록 구성되고, 상기 제1 작동 상태에서는 상기 고전압 서브시스템(20)이 상기 배터리(40)의 모든 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받고 상기 저전압 서브시스템(21)은 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받으며, 그리고 상기 제2 작동 상태에서는 상기 고전압 서브시스템(20)이 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받고 상기 저전압 서브시스템(21)은 적어도 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받는, 자동차용 온보드 전기 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 유닛들(41)은 각각 저전압을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 온보드 전기 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 역방향 차단용 스위치들(44, 45) 및/또는 순방향 차단용 스위치들(90)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 온보드 전기 시스템(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서, 상기 제2 작동 상태에서 적어도 2개의 배터리 유닛(41)이 상기 저전압 서브시스템(21)과 서로 병렬연결되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 온보드 전기 시스템(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서, 상기 제1 작동 상태에서 적어도 2개의 배터리 유닛(41)이 상기 고전압 서브시스템(20)과 서로 직렬연결되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 온보드 전기 시스템(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 한 항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 적어도 하나의 추가 작동 상태를 제공하도록 구성되며, 상기 추가 작동 상태에서 상기 고전압 서브시스템(20)은 복수의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받고 상기 저전압 서브시스템(21)은 서로 병렬 연결된 복수의 배터리 유닛(41)으로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는, 자동차용 온보드 전기 시스템(1).
  7. 내연기관 및 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 온보드 전기 시스템(1)이 장착된 자동차.
  8. 제1항 내지 제6항 중 한 항에 따른 온보드 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법에 있어서, 제1 또는 제2 작동 상태의 설정을 위한 커플링 유닛의 제어는 자동차의 작동 단계(102, 103, 104, 105)에 따라 수행되는, 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 제1 작동 단계(102)는 시동이 꺼진 차량 또는 주차 중인 차량이고, 그리고/또는 제2 작동 단계(103)는 자동차 시동이고, 그리고/또는 제3 작동 단계(104)는 자동차의 출발/정지 모드이고, 그리고/또는 제4 작동 단계(105)는 자동차의 주행 모드인 것을 특징으로 하는, 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 제1 작동 상태에서 저전압 서브시스템(21)으로의 전력 공급은 최고 충전 상태를 지니는 배터리 유닛(41)으로부터 수행되는 것을 특징으로 하는, 온보드 전기 시스템의 작동 방법.
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