KR20190105510A - 통합형 파워 박스 - Google Patents

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KR20190105510A
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다니엘 슈페써
파비안 그릴
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독터. 인제니어. 하.체. 에프. 포르쉐 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 외부 AC 전압 공급장치(38)에 연결되어 차량용 HV DC 전압(40)을 제공하기 위한 AC 충전기(12); 차량의 HV 배터리 저장부(52)의 온도를 조절하기 위한 HV 온도 조절 장치(14); HV DC 전압(40)을 차량에 탑재된 전기 시스템의 전압으로 변환하기 위한 DC/DC 컨버터(16); 및 차량에 HV DC 전압(40)을 분배하기 위한 HV 전압 분배기(18)를 포함하는 차량용 전력 장치(10)에 관한 것으로, AC 충전기(12)는 갈바닉 절연 없이 반도체 기술을 이용하여 구현되고, 전력 장치(10)는 하우징(22)을 포함하며, 이러한 하우징 내에는 AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)가 배치되어 통합형 파워 박스(20)를 형성한다. 본 발명은 또한 상기 언급된 전력 장치(10)를 포함하는 차량에 관한 것이다.

Description

통합형 파워 박스{INTEGRATED POWER BOX}
본 발명은, 외부 AC 전압 공급장치에 연결되어 차량용 HV DC 전압을 제공하기 위한 AC 충전기, 차량의 HV 배터리 저장부의 온도를 조절하기 위한 HV 온도 조절 장치, HV DC 전압을 차량에 탑재된 전기 시스템의 전압으로 변환하기 위한 DC/DC 컨버터, 및 차량에 HV DC 전압을 분배하기 위한 HV 전압 분배기를 포함하는 차량용 전력 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 언급된 전력 장치를 포함하는 차량에 관한 것이다.
차량 구성에 전기 구동부가 점점 더 확산되면서 이러한 차량이 구성되는 방식이 달라지고 있다. 현재, 전기 구동부를 구비한 차량은 종종 여전히 소형-시리즈 모델이며, 제조 비용이 매우 많이 든다. 그 수가 점점 증가하고 있는 대량 생산 모델에도 전기 구동부가 확산될 수 있게 하려면, 이에 따라 이전의 설계에 관한 최적화가 요구된다. 현재의 차량 구조를 분석하고 최적화할 필요가 있다.
전기 구동을 가능하게 하기 위해서, 현재 수 백 볼트 영역의 DC 전압인 고전압(HV)의 공급장치가 차량에 제공된다. 따라서, 전기 구동부를 구비한 차량은 전형적으로 AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기를 포함한다. 이러한 HV 구성요소들은 함께 고전압용 전력 장치를 형성한다. 또한, 전기 구동부를 구비한 차량은 보통, 전기 에너지를 저장하기 위한 HV 배터리 저장부를 포함한다. HV 배터리 저장부에서는, 복수의 개별 배터리 셀이 서로 직렬로 연결되어 HV DC 전압을 제공한다. 이러한 배터리 셀들의 스트링들을 병렬로 배열함으로써 더 큰 전류를 제공할 수 있다. 적절한 경우, HV 배터리 저장부에 의해 제공된 전압은 DC/DC 변환에 의해 HV DC 전압으로 증가된다.
상기 언급된 HV 구성요소들은 현재 차량에 개별적으로 제공되며, 다시 말해서, HV 구성요소 각각은 전용 하우징을 포함하고, 개별적으로 차량에 설치되고, 개별적으로 케이블로 전기적-연결되어 차량 내에 위치되고, 개별적인 냉각 호스 장치를 구비한 전용 냉각 시스템을 포함한다. 이로 인해 조립 비용이 많이 들고, 중량 및 패키지 높이가 증가하게 된다.
AC 충전기를 통해서, 차량은 자신의 HV 배터리 저장부를 충전하기 위해 외부 AC 전압 공급장치와 연결될 수 있다. 안전 상의 이유로, 차량의 HV DC 전압과 AC 전압 공급장치 사이를 갈바닉 절연시키기 위해, 오늘날의 AC 충전기는 절연 변압기를 갖도록 구현된다. 갈바닉 절연은 전기 충격으로부터 보호하고 차량으로부터 외부 AC 전압 공급장치로의 DC 피드백을 방지한다. 상기 갈바닉 절연은 AC 충전기에 비교적 넓은 공간을 필요로 하고, 중량이 크며 일반적으로 비용이 많이 든다.
이러한 맥락에서, DE 11 2006 003 033 T5에는, 전력 컨버터의 전반적인 제어를 위한 시스템 및 방법이 개시되어 있다.
또한, DE 10 2015 219 917 A1에는 차량용 전력 변환 모듈이 개시되어 있다. 이러한 모듈은 하우징 및 하우징의 기저 패널의 내부 표면에 설치된 전력 변환 유닛을 포함한다. 전력 변환 유닛은 커패시터 모듈, 인버터의 파워 모듈, 및 LDC를 포함한다. 수냉식 냉각 유닛이 하우징의 기저 패널의 외부 표면에 설치되고, 인버터의 파워 모듈과 LDC에 상응하는 위치에 배치되며, 이 때 하우징의 기저 패널은 그 사이에 개재된다. 공냉식 냉각 리브가 기저 패널의 외부 표면에 설치되고, 커패시터 모듈에 상응하는 위치에 배치되며, 이 때 하우징의 기저 패널은 그 사이에 개재된다.
또한, DE 10 2014 016 076 A1에는, 2개의 고전압 단자, 고전압 컨버터 스위치를 구비한 고전압 DC/AC 컨버터, 갈바닉 절연 변압기, 저전압 AC/DC 컨버터, 연결 회로 커패시턴스를 가진 연결 회로, 및 연결 회로에 연결되어 연결 회로의 연결 회로 전압을 저전압 DC 전압으로 변환하는 역할을 하는 컨버터 모듈을 포함하는, 자동차용 DC/DC 컨버터가 개시되어 있다. 컨버터 모듈은 2개의 저전압 단자를 포함한다. 고전압 컨버터 스위치의 구동 장치가, 사전 결정된 고정된 듀티 비로 고전압 컨버터 스위치를 구동하도록 설계됨으로써, 고전압 DC/AC 컨버터, 변압기, 및 저전압 AC/DC 컨버터를 통해 실현되는, 고전압 DC 전압 및 연결 회로 전압의 변압비가 일정하다.
또한, DE 10 2015 223 655 A1에는 에너지 변환 장치의 AC/DC 컨버터가 개시되어 있으며, 이러한 컨버터는 필터, PFC 회로, 제1 풀-브리지 회로, 제1 변압기 및 제1 정류 회로를 포함하고, 외부에서 공급된 AC 전압을 DC 전압으로 변환한다. DC/DC 컨버터는 필터, 제2 풀-브리지 회로, 제2 변압기, 제2 정류 회로를 포함하고, AC/DC 컨버터로부터 출력되는 DC 전압을 감소시킨다. 제1 변압기의 일차측에 위치된 AC/DC 컨버터의 회로 구성요소들이, 두 컨버터를 냉각시키는 냉각 하우징의 상부 표면에 설치된다. 제1 변압기의 이차측에 위치된 AC/DC 컨버터의 회로 구성요소들 및 DC/DC 컨버터의 회로 구성요소들이 냉각 하우징의 하부측에 설치된다.
따라서 본 발명은, 상기 언급된 종래 기술을 감안하여, 전력 장치 및 상기 언급된 유형의 전력 장치를 포함하는 차량을 명시하는 목적을 기반으로 하며, 이 때 전력 장치는 효율적으로 제조될 수 있고, 장착하기 간단하고, 중량이 가볍고, 소형으로 설계되며, 전기적 손실이 작게 발생하고, 또한 비용 효율적인 방식으로 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 독립 청구항의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구성들은 종속 청구항에 명시되어 있다.
따라서 본 발명은, 외부 AC 전압 공급장치에 연결되어 차량용 HV DC 전압을 제공하기 위한 AC 충전기, 차량의 HV 배터리 저장부의 온도를 조절하기 위한 HV 온도 조절 장치, HV DC 전압을 차량에 탑재된 전기 시스템의 전압으로 변환하기 위한 DC/DC 컨버터, 및 차량에 HV DC 전압을 분배하기 위한 HV 전압 분배기를 포함하는 차량용 전력 장치를 제공하며, AC 충전기는 갈바닉 절연 없이 반도체 기술을 이용하여 구현되고, 전력 장치는 하우징을 포함하며, 이러한 하우징 내에는 AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기가 배치되어 통합형 파워 박스를 형성한다.
본 발명은 또한 상기 언급된 전력 장치를 포함하는 차량을 제공한다.
그러므로 본 발명의 기본 개념은, HV 기능들(고전압 기능들)의 지능적인 조합에 의해 통합형 파워 박스를 제공하는 것이며, 상기 통합형 파워 박스는 패키지, 효율, 중량, 비용 및 효과 면에서 이점을 가능하게 한다. 이와 관련하여, 먼저 개별 구성요소들, 즉 AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기 사이의 라인 경로가 공통의 장치에 의해 감소될 수 있다. 이는 전기 케이블 및, 예를 들어 통합형 파워 박스의 개별 구성요소들을 냉각시키기 위한 냉각수 라인 둘 다와 관련되고, 그 결과 케이블 길이와 냉각 라인 길이가 감소될 수 있고, 중량이 절감된다. 또한, 통상의 설계에서 각각의 구성요소는 각각의 경우 개별적으로 연결되어야 한다. 통합형 파워 박스는 구성요소들의 개별적인 장착에 비해 효율적으로 장착될 수 있다. 여기에서는 종래의 변압기의 생략 하에 AC 충전기를 추가적으로 최적화하면, 통합형 파워 박스의 구성에서 자유도가 다양하게 된다. 이러한 AC 충전기는 또한 높은 효율을 갖는다.
상기 차량은, 특히 통합형 파워 박스를 통해 전기 에너지를 공급 받는 전기 구동부를 구비한 차량이다. 차량은 전기적으로만 구동될 수 있거나, 또는 소위 하이브리드 차량으로서 전기 구동부와 추가의 구동부, 예를 들어 통상적인 내연기관의 조합을 포함할 수 있다.
AC 충전기는 외부 AC 전압 공급장치에 연결되어 외부 AC 전압을 차량에 제공되는 HV DC 전압으로 변환하는 역할을 한다. 레인지 익스텐더로도 불리는 전기 에너지 생성부를 구비한 차량의 경우, 원칙적으로 레인지 익스텐더로부터의 전기 에너지가 AC 충전기를 통해 변환되어 HV 배터리 저장부 또는 구동부로 전달되는 것도 가능하다. AC 충전기는 갈바닉 절연 없이 반도체 기술을 이용하여 파워 전자 소자로서 구현된다. 이로 인해 가벼운 중량의 AC 충전기를 제공하고 이에 따라 가벼운 중량의 통합형 파워 박스를 상응하게 제공할 수 있다. 더욱이, 변압기를 생략함으로써 필요한 구조적 공간을 감소시킬 수 있다. AC 충전기는 충전 케이블을 통해 또는 유도에 의해 외부 AC 전압 공급장치에 연결될 수 있다.
HV 온도 조절 장치는 차량의 HV 배터리 저장부의 온도를 조절하는 역할을 한다. 열 전달 유체가 통상적으로 HV 배터리 저장부를 통과하여 흐르고, 예를 들어 배터리 부하, 작동 모드 및/또는 주위 조건에 따라 HV 배터리 저장부를 가열 및/또는 냉각시킬 수 있다. 이와 관련하여, HV 온도 조절 장치는 열 전달 유체를 저온에서 가열하는 HV 가열기를 포함할 수 있다. HV 배터리 저장부를 더 높은 온도 수준으로 만들고, 이와 연관된 내부 저항의 감소를 달성하기 위해, 가열된 유체는 배터리 회로를 통해 흐른다. 이에 상응하게, 더 높은 가용 시스템 전력을 달성할 수 있다. HV 배터리 저장부의 온도가 한계값보다 높게 상승하면, 배터리 셀을 보호하기 위해 HV 온도 조절 장치는 HV 배터리 저장부를 냉각시킬 수 있다. HV 온도 조절 장치는 이상적으로는 유체 회로에 위치되도록 통합형 파워 박스 내에 위치된다. 가열 소자로서, HV 가열기 내에 예를 들어 히트락(heat rock) 또는 평면 저항기가 사용된다. 평면 저항기는 통합형 파워 박스에 넓은 영역에 걸쳐 위치되고, 그로 인해 특정 열 전도성 재료를 통한 배터리 회로 내로의 열 전달이 최대가 되도록 보장한다. HV 온도 조절 장치는 구동을 위한 반도체 스위칭 소자와 함께 구현된다.
DC/DC 컨버터는 HV DC 전압을 차량에 탑재된 전기 시스템의 전압으로 변환하는 일을 수행한다. DC/DC 컨버터는 AC 충전기 또는 구동부를 위한 차량의 HV 배터리 저장부에 의해 제공된 것과 같은 HV DC 전압을, 차량에 탑재된 전기 시스템의 전압으로 변환한다. HV DC 전압은 예를 들어 대략 800 V일 수 있다. 탑재된 전기 시스템의 전압은 전형적으로 12 V이지만, 24 V 또는 48 V의 값 또한 생각해 볼 수 있다. DC/DC 컨버터는 바람직하게 반도체 기술을 이용하여 파워 전자 소자로서, 예를 들어 승압 또는 강압 컨버터로서, 또는 부스트 컨버터로서 구현된다.
HV 전압 분배기는 차량에서의 HV DC 전압의 분배를 가능하게 한다. 원칙적으로 임의의 HV 사용자 장치는 HV 전압 분배기를 통해 HV DC 전압을 공급 받을 수 있다. 특히, 차량의 전기 구동부는 HV 전압 분배기에 연결된다. 이를 위해, HV 전압 분배기는 전형적으로 개별 브랜치들을 연결 및 분리하기 위한 복수의 버스 바 및 스위칭 장치를 포함한다. 유지 및/또는 보수를 용이하게 하기 위해, HV 전압 분배기가 통합형 파워 박스의 상부 영역에 위치됨에 따라, 차량의 엔진실에 장착할 때 위에서부터 접근하기가 용이하다.
하우징은 모든 구성요소들의 공통 하우징으로 구현되며, 다시 말해서, 하우징은 AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기를 포함한다. 또한, 냉각 시스템에 대한 공통 연결부가 하우징을 통해 제공될 수 있다. 하우징은 바람직하게 경량의 구성 재료로 제조된다. 이러한 경량 구성 재료는 예를 들어 플라스틱 또는 알루미늄과 같은 경금속을 포함하며, 이 때 플라스틱 또는 다른 비-도전성 재료가 바람직하다.
전력 장치를 통합형 파워 박스로 구현함으로써, 예로서, 파워 박스를 위한 단일 냉각 시스템이, 파워 박스에 들어 있는 모든 구성요소를 공동으로 냉각할 수 있다. 냉각 시스템은, 온도를 낮춤으로써 옴 저항을 감소시키고 과열로 인한 손상을 방지하기 위해, 전기 구성요소들과 이 요소들 서로 간의 연결부의 고유 저항 및 접촉 저항에서 발생하는 것과 같은 열을 발산시킨다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, 전력 장치는 AC 충전기를 전기적으로 보호하기 위한 안전 기능 하드웨어를 포함한다. 바람직하게, 안전 기능 하드웨어는 AC 충전기의 일체형 부분이다. 안전 기능 하드웨어는 고장이 발생하는 경우에 활성화 되어 차량의 보호를 제공한다. 특히, 안전 기능 하드웨어는 고장이 발생하는 경우 외부 AC 전압 공급장치로부터 AC 충전기를 분리하도록 배치되고 구현된다. 안전 기능 하드웨어는 전형적으로 복수의 스위칭 소자를 포함한다. 스위칭 소자는 전기기계식으로, 예를 들어 접촉기로, 또는 오직 전자식으로 전력 반도체로 구현될 수 있다. 전력 반도체의 구현예가 바람직하다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, 전력 장치는 DC/DC 컨버터를 분리하기 위한 안전 장치를 포함한다. 바람직하게, 안전 장치는 DC/DC 컨버터의 일체형 부분이다. 안전 장치는 고장이 발생하는 경우에 활성화 되어 차량의 보호를 제공한다. 특히, 안전 장치는 고장이 발생하는 경우 DC/DC 컨버터를 분리하도록 배치되고 구현된다. 안전 장치는 전형적으로 복수의 스위칭 소자를 포함한다. 스위칭 소자는 전기기계식으로, 예를 들어 접촉기로, 또는 오직 전자식으로 전력 반도체로 구현될 수 있다. 전력 반도체의 구현예가 바람직하다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, 전력 장치는 HV 전압 분배기를 스위칭하기 위한 스위칭 장치를 포함한다. 바람직하게 스위칭 장치는 HV 전압 분배기의 일체형 부분이다. 스위칭 장치는 전형적으로 복수의 스위칭 소자를 포함한다. 스위칭 소자는 전기기계식으로, 예를 들어 접촉기로, 또는 오직 전자식으로 전력 반도체로 구현될 수 있다. 전력 반도체의 구현예가 바람직하다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, 전력 장치는 적어도 2개의 모듈을 포함하는, 특히 AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기를 위한 각각의 모듈을 포함하는 모듈식 구성을 가진다. 모듈식 구성으로 인해, 필요에 따라 개별적인 모듈들을 선택하고 이들을 조합하여 통합형 파워 박스를 형성함으로써, 상이하게 구성된 통합형 파워 박스들을 간단하게 제공할 수 있다. 또한, 모듈식 구성은 고장이나 손상이 발생한 경우 개별 모듈의 교환을 용이하게 한다. 여기서 모듈은 단지 이들의 전기적 기능에 따라서가 아니라 구조적 크기 및 기계적 요건을 추가적으로 고려하여 선택 및 조합될 수 있다. 이에 상응하게, 여러 가지 차량 플랫폼이 수용될 수 있다. 여기서 포함되는 구성요소들의 안전을 보장하기 위해서는 모듈들 서로간의 충분한 실링 개념이 중요하다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, 하우징은 차량을 안정화하기 위한 충돌-관련 구조로서, 특히 적어도 몇 개의 차량 돔을 위한 안정화 스트럿으로서 구현된다. 결과적으로, 전기적 기능 외에도 통합형 파워 박스는 차량의 안정성을 보강하는 구조적 구성 부품을 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 상응하게 구성된 하우징은, 전체 차량의 안정화를 위한 차량 전방 단부의 하나 이상의 돔 스트럿을 생략할 수 있게 한다. 이에 상응하게, 통합형 파워 박스는 예를 들어 2개의 전방 돔들 사이에 설치될 수 있으며, 각각의 전방 돔으로부터의 각각의 홀더 연결부가 통합형 파워 박스에 나사로 연결된다. 따라서 통합형 파워 박스는 하나 이상의 돔 스트럿의 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, 하우징은 전력 장치의 교환 가능한 구성요소들에 접근할 수 있게 하는 적어도 하나의 점검 덮개를 구비한다. 이러한 교환 가능한 구성요소들은 특히 고장이 발생한 후에 간단한 교환이 가능하도록 하는 퓨즈이다. 퓨즈는 특히, 예를 들어 AC 충전기를 보호하기 위한 HV 퓨즈이다. 바람직하게, 통합형 파워 박스는 추가적으로 평가 회로를 포함하며, 이러한 회로는 퓨즈의 적절한 설치 및/또는 점검 덮개의 개방을 모니터링하고 해당하는 경우에는 보고한다. 또한, 점검 덮개를 통해 모듈의 전자 유닛을 완전히 교환할 수도 있다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기 사이의 내부의 전기적 연결은 "블레이드" 기술에 따라 구현된다. 블레이드 기술을 이용하여, 전기적 연결은 블레이드와 패스트온(Faston)을 포함한다. 전기적 연결을 생성하는 동안, 마찰 및 압력 공정에 의해 블레이드는 패스트온 안으로 들어가서 이와 접촉한다. 블레이드 기술은 블레이드와 패스트온 사이의 연결이 반복적으로 형성되고 다시 해제될 수 있게 설계된다.
본 발명의 유리한 구성에 있어서, 전력 장치는 AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기를 서로 연결하는 내부 통신 연결을 포함한다. 통신 연결은 예를 들어 자동차 분야에서 널리 이용되는 내부 통신 버스, 예컨대 CAN, SPI 또는 LIN 또는 이더넷을 기반으로 하여 생성될 수 있다. 바람직하게, 전자파 적합성(EMC)와 관련한 요건을 충족시키기 위해 통신 연결은 전자파 방사로부터 보호된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 바람직한 예시적 실시예를 기반으로 본 발명을 예로서 설명하도록 하며, 이하에 제시된 특징들은 각 경우에 개별적으로, 그리고 조합하여 본 발명의 양태를 구성할 수 있다.
도 1은 공통 하우징에 배치되어 통합형 파워 박스를 형성하는 AC 충전기, HV 온도 조절 장치, DC/DC 컨버터 및 HV 전압 분배기를 포함하는, 제1의 바람직한 실시예에 따른 전력 정치의 사시도를 보여준다.
도 2는 입력 필터, 정류기, 역률 보상 필터, 평활 소자, DC/DC 컨버터 및 출력 필터를 포함하는, 도 1의 AC 충전기의 개략도를 보여준다.
도 3은 추가로 도시된 전류 모니터링 장치 및 마찬가지로 추가로 도시된 분리 장치를 포함하는, 도 2의 AC 충전기의 기능적 개략도를 보여준다.
도 1은 제1의 바람직한 실시예에 따라 차량을 위한 본 발명에 따른 전력 장치(10)를 보여준다. 제1 실시예의 차량은 전력 장치(10)를 통해 전기 에너지를 공급 받는 전기 구동부를 구비한 전기 차량이다.
전력 장치(10)는, 공통 하우징(22)에 배치되어 통합형 파워 박스(20)를 형성하는, AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)를 포함한다. AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18) 사이의 내부의 전기적 연결은 "블레이드" 기술을 이용하여 구현된다.
AC 충전기(12)는 외부 AC 전압 공급장치(38)에 연결되어 이를 통해 전달된 AC 전압을 차량에 제공되는 HV DC 전압(40)으로 변환하는 역할을 한다. AC 충전기(12)는 갈바닉 절연 없이 반도체 기술을 이용하여 전력 전자 소자로서 구현된다. AC 충전기(12)는 충전 케이블을 통해 외부 AC 전압 공급장치(38)에 연결된다.
제1 실시예의 AC 충전기(12)는 도 2 및 도 3에서 상세히 각각의 경우에 부분적으로 도시되어 있다. 여기서 도 2에서의 도시는 알려진 그 자체로 AC 충전기(12)에 사용되는 것과 같은 기능적 구성에 기반한다. 이에 상응하게, AC 충전기(12)는 기능적 구성요소로서 입력 필터(24), 복수의 반도체 스위칭 소자(28)를 구비한 정류기(26), 역률 보상 필터(30), 평활 소자(32), DC/DC 컨버터(34) 및 출력 필터(36)를 포함하며, 이들은 이러한 순서로 직렬로 서로 연결된다. AC 충전기(12)는 입력측에서 AC 전압 공급장치(38)에 연결되며, 출력측에서 HV DC 전압(40)을 전달한다.
AC 충전기(12)는 추가적으로 AC 충전기(12)를 전기적으로 보호하기 위한 안전 기능 하드웨어(42)를 포함하며, 상기 하드웨어는 도 3에 도시되어 있다. 고장이 발생하는 경우, 안전 기능 하드웨어(42)는 외부 AC 전압 공급장치(38)로부터 AC 충전기(12)를 분리한다. 이를 위해, 안전 기능 하드웨어(42)는, 작동 시 AC 전압 공급장치(38)에 대한 연결을 차단하는, 복수의 스위칭 소자(개별적으로 도시되지는 않음)를 포함하는 분리 장치(44)를 포함한다. 스위칭 소자는 전력 반도체로 전자식으로 구현된다.
안전 기능 하드웨어(42)는 추가적으로, 외부 AC 전압 공급장치(38)의 세 가지 위상(I1, I2, I3) 및 중성선(N)에서의 차동 전류를 모니터링하는 차동 전류 모니터링부(46)를 포함한다. 안전 기능 하드웨어(42)는 또한 보상 장치(48)를 포함한다. 고장을 확인하기 위해 차동 전류 모니터링부(46)에서 측정된 차동 전류를 모니터링 장치(50)가 수신한다. 고장이 발생한 경우, 전류 모니터링 장치(50)는 외부 AC 전압 공급장치(38)로부터 AC 충전기(12)를 분리하기 위해 분리 장치(44)를 구동하거나, 또는 전류 보상을 실시하기 위해 보상 장치(48)를 구동한다. 추가적으로, 예를 들어 AC 충전기(12)에서 고장이 발생한 경우 DC/DC 컨버터(34)를 비활성화하기 위해 DC/DC 컨버터(34) 또한 모니터링 장치(50)에 의해 구동된다.
도 2와 관련한 설명에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, AC 충전기(12)는 본원에서 EMC 필터로 나타낸 입력 필터(24)를 포함한다. DC/DC 컨버터(34)는 역률 보상 필터(30)와 함께 입력 필터(24)의 하류에 연결된다. DC/DC 컨버터(34)와 역률 보상 필터(30)는 본원에서 일체로 구현된다. 이러한 도시에서 출력 필터(36) 또한 하류에 연결된다.
출력측에서, 이렇게 제공된 HV DC 전압(40)은 본원에서 HV 배터리 저장부(52)와 함께 도시된다. HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배부(18) 또한 HV DC 전압(40)에 연결된다.
HV 온도 조절 장치(14)는 차량의 HV 배터리 저장부(52)의 온도를 조절하는 역할을 한다. HV 온도 조절 장치(14)는 본원에서 HV 가열기(14)로 구현된다. HV 배터리 저장부(52)를 가열하기 위해 열 전달 유체가 HV 배터리 저장부(52)를 통해 흐른다. 이 경우, HV 가열기(14)는 열 전달 유체를 가열한다. HV 온도 조절 장치(14)는 구동 목적을 위한 반도체 스위칭 소자로 구현된다.
DC/DC 컨버터(16)는 AC 충전기(12) 또는 차량의 HV 배터리 저장부(52)에 의해 제공된 바와 같은 HV DC 전압(40)을 차량에 탑재된 전기 시스템의 전압으로 변환한다. HV DC 전압(40)은 본원에서 800 V의 값을 갖고, 탑재된 전기 시스템의 전압은 12 V이다. 대안적인 실시예에서, 탑재된 전기 시스템의 전압은 24 V 또는 48 V의 값을 갖는다. DC/DC 컨버터(16)는 반도체 기술을 이용하여 전력 전자 소자로 구현된다. 또한, DC/DC 컨버터(16)는 DC/DC 컨버터(16)를 분리하기 위한 안전 장치를 포함한다. 안전 장치는 고장이 발생한 경우 DC/DC 컨버터(16)를 분리하도록 배치 및 구현된다. 안전 장치는 전형적으로 복수의 스위칭 소자를 포함한다. 스위칭 소자는 전자식으로 전력 반도체로 구현된다.
HV 전압 분배기(18)는 차량에 HV DC 전압(40)을 분배한다. 차량 내 사용자 장치들은 HV 전압 분배기(18)를 통해 HV DC 전압(40)을 공급 받는다. 이는 특히 차량의 전기 구동부와 관련이 있다. HV 전압 분배기(18)는 하우징(22) 내 상부 영역에 위치된다. HV 전압 분배기(18)는 개별적인 공급 브랜치들을 연결 및 분리하기 위한 스위칭 장치 및 복수의 버스 바를 포함한다. 스위칭 장치는 전력 반도체로 전자식으로 구현되는 개별 스위칭 소자들로 구현된다.
전력 장치(10)는 AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)를 서로 연결하는 내부 통신 연결(여기에서는 도시하지 않음)을 포함한다. 내부 통신 연결은 하우징(22)에 형성된 인터페이스를 통해 차량의 제어 장치에 연결 가능하다.
하우징(22)은 모든 구성요소들(12, 14, 16, 18)의 공통 하우징(22)으로 구현되며, 이러한 하우징에 AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)가 배치된다. 하우징(22)을 통해 통합형 파워 박스(20)가 냉각 시스템에 공통으로 연결된다. 하우징(22)은 플라스틱으로 제조된다. 하우징(22)은 전력 장치(10)의 교환 가능한 구성요소들에 접근할 수 있게 하는 점검 덮개를 구비한다.
하우징(22)은 차량을 안정화하기 위한 충돌-관련 구조로서 구현된다. 하우징(22) 내에 장착된 상태에서 전력 장치(10)는 돔 스트럿으로도 불리는 안정화 스트럿으로서 차량의 2개의 전방 돔들 사이에 설치된다. 이를 위해, 각각의 전방 돔으로부터의 각각의 홀더 연결부가 통합형 파워 박스(20)에 나사로 연결된다.
제1 실시예의 전력 장치(10)는 모듈식 구성을 가지며, AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)는 각 경우에 개별 모듈로서 구현되고 연결되어 통합형 파워 박스(20)를 형성한다. 이 경우, 개별 모듈들은 서로에 대해 밀봉되어 하우징(22) 전체를 밀봉한다.

Claims (10)

  1. 외부 AC 전압 공급장치(38)에 연결되어 차량용 HV DC 전압(40)을 제공하기 위한 AC 충전기(12);
    차량의 HV 배터리 저장부(52)의 온도를 조절하기 위한 HV 온도 조절 장치(14);
    HV DC 전압(40)을 차량에 탑재된 전기 시스템의 전압으로 변환하기 위한 DC/DC 컨버터(16); 및
    차량에 HV DC 전압(40)을 분배하기 위한 HV 전압 분배기(18);를 포함하는 차량용 전력 장치(10)에 있어서,
    AC 충전기(12)는 갈바닉 절연 없이 반도체 기술을 이용하여 구현되고,
    전력 장치(10)는 하우징(22)을 포함하며, 상기 하우징 내에는 AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)가 배치되어 통합형 파워 박스(20)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  2. 제1항에 있어서,
    전력 장치(10)는 AC 충전기(12)를 전기적으로 보호하기 위한 안전 기능 하드웨어(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    전력 장치(10)는 DC/DC 컨버터(16)를 분리하기 위한 안전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 장치(10)는 HV 전압 분배기(18)를 스위칭하기 위한 스위칭 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 장치(10)는 적어도 2개의 모듈을 포함하는, 특히 AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)를 위한 각각의 모듈을 포함하는 모듈식 구성을 가지는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하우징(22)은 차량을 안정화하기 위한 충돌-관련 구조로서, 특히 적어도 몇 개의 차량 돔을 위한 안정화 스트럿으로서 구현되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    하우징(22)은 전력 장치(10)의 교환 가능한 구성요소들에 접근할 수 있게 하는 적어도 하나의 점검 덮개를 구비하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18) 사이의 내부의 전기적 연결은 "블레이드" 기술에 따라 구현되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    전력 장치(10)는 AC 충전기(12), HV 온도 조절 장치(14), DC/DC 컨버터(16) 및 HV 전압 분배기(18)를 서로 연결하는 내부 통신 연결을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전력 장치(10).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전력 장치(10)를 포함하는 차량.
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