KR20230011495A - 차량 온보드 전기 네트워크 스위치, 모터 차량 온보드 전기 네트워크 및 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치 작동 방법 - Google Patents

차량 온보드 전기 네트워크 스위치, 모터 차량 온보드 전기 네트워크 및 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치 작동 방법 Download PDF

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Abstract

모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치로, 적어도 2개의 온보드 전력 공급 장치 중 각각의 하나에 대한 적어도 2개의 입력부, 모터 차량의 부하를 위한 적어도 하나의 출력부, 적어도 2개의 스위치를 구비하며, 제1 스위치가 입력부들 중 제1 입력부와 공통 노드 사이에 배치되고, 제2 스위치는 상기 입력부들 중 제2 입력부와 상기 공통 노드 사이에 배치되고, 그리고 출력부는 공통 노드에 전기적으로 연결되고, 스위치들은 반도체 스위치로 형성되고, 공통 노드를 향하는 순방향으로 각각 바디 다이오드와 연결되는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치에 있어서, 모니터링 회로가 제1 입력부의 제1 전압 및/또는 제2 입력부의 제2 전압 및/또는 공통 노드의 전압을 모니터링하고, 모니터링 회로는 모니터링된 전압들 중 적어도 하나의 크기에 따라 스위치 둘 다를 동시에 개방시키기 위한 개방 신호를 트리거하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.

Description

차량 온보드 전기 네트워크 스위치, 모터 차량 온보드 전기 네트워크 및 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치 작동 방법
본 발명은 차량 온보드 전기 네트워크 스위치, 그러한 스위치를 구비하는 차량 온보드 전원 공급 시스템 및 차량 온보드 전기 네트워크 스위치 작동 방법에 관한 것이다.
자동화 및 자동차의 자율 주행 증가로 인해 전기 부하에 대한 안전 요건이 증가하고 있다. 안전 요건은 파워트레인의 전화(electrification)가 증가함에 달 점점 더 중요한 역할을 한다.
제동 시스템, 조향 시스템, 광학 및/또는 레이더 기반 환경 센서(LIDAR), 제어 유닛 등과 같은 안전과 관련한 부하에는 안전한 자동 및/또는 자율 주행을 가능하게 하기 위해 상시적으로 안정적인 전기 에너지가 공급되어야 한다.
이러한 목적으로, 적어도 2개의 온보드 전력 공급 장치를 구비하는 것이 이미 제안되었다. 이러한 온보드 전력 공급 장치는 안전 관련 부하에 전기 에너지를 이중으로(redundantly) 공급할 수 있다. 온보드 전력 공급 장치는 예를 들어 통상적인 납축전지, 리튬 이온 배터리, 브레이크 연료 전지 등일 수 있다. 온보드 전력 공급 장치는 예를 들어 내연 기관의 교류 발전기로 사용되는 발전기일 수도 있다.
그러나, 2개의 온보드 전력원 공급 장치에 의한 안전 관련 부하에의 이중 공급에 불구하고, 온보드 전력 공급 장치들 중 하나에 연결된 온보드 전력 시스템에서 전압 강하가 일어나면 문제가 발생할 수 있다. 온보드 전력 공급 장치들 중 하나에서의 전압 강하는 안전 관련 부하가 제2의 이중 온보드 전기 네트워크에 연결되어 있음에 불구하고 안전 관련 부하의 전압 강하로 이어진다. 예를 들어 한계치, 예를 들어 9V 아래의 전압 강하는 소정 시간 동안만, 예를 들어 최장 0.5ms 동안 일어날 수 있고, 그 후 전압은 다시 한계치, 예를 들어 상기 9V 보다 높아야 할 것이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 온보드 전력 공급 장치의 안전 관련 부하에 대한 안정적인 연결을 보장하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치를 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치, 청구항 14에 따른 모터 차량 전기 네트워크 및 청구항 15에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 온보드 전기 네트워크 스위치는 적어도 2개의 입력부를 포함한다. 입력부는 단자 러그, 압착 단자, 단자 스터드, 납땜 러그 등으로 형성될 수 있다. 입력부는 공통 하우징으로 라우팅될 수 있다. 입력부는 구리나 구리 합금뿐만 아니라 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 만들어질 수 있다.
2개의 온보드 전력 공급 장치 중 하나가 입력부들 각각에 연결될 수 있다. 온보드 전력 공급 장치는 이미 설명한 것처럼 형성될 수 있다. 온보드 전력 공급 장치는 각각 입력부들 및 추가 부하와 병렬로 연결되는 것이 바람직하다. 온보드 전기 네트워크가 하나 이상의 안전 관련 부하에 전용이고, 현재의 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치를 통해 하나 이상의 안전 관련 부하에 연결되는 것이 가능하다. 그러나 온보드 전력 공급 장치 중 적어도 하나가 다른 부하, 특히 안전과 관련이 없는 부하에 전력을 공급하는 것 또한 가능하다. 따라서 온보드 전기 네트워크만 전적으로 그리고/또는 온보드 전기 네트워크 및 추가 부하가 입력부에서 전기적으로 접촉할 수 있다.
온보드 전력 공급 장치는 배터리, 축전지, 슈퍼캡(supercap), 발전기, 연료 전지 등일 수 있다. 배터리나 축전지의 경우, 특히 납축전지나 리튬이온 배터리가 사용된다. 온보드 전력 공급 장치들 중 적어도 하나는 전기 케이블을 통해 입력부에 직접 단락될 수 있다. 온보드 전력 공급 장치들 중 적어도 하나는 AC/DC 정류기 또는 DC/DC 변환기를 통해 입력부들 중 하나에 연결될 수 있다.
모터 차량의 부하, 특히 안전 관련 부하에 대한 출력부가 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치에 구비될 수 있다. 기계적으로, 출력부는 입력부들에 대한 위의 설명에 따라 형성될 수 있다. 출력부 또한 공통 하우징으로 라우팅될 수 있다.
하나 또는 복수의 부하, 특히 안전 관련 부하가 출력부에 연결될 수 있다. 부하는 예를 들어 위에서 언급한 부하일 수 있다. 안전 관련 부하는 제한치보다 높은, 예컨대 9V보다 큰 입력 전압을 필요로 하고, 소정 시간, 예를 들어 최대 0.5ms 동안 이러한 제한치 아래로의 전압 강하를 버티도록 설계된다. 전압이 더 오랜 기간 동안 제한치 아래로 떨어지면 안전 관련 부하가 오작동할 수 있다. 이러한 오작동은 용납되지 않고 자동/자율 주행에서 허용되지 않는다.
2개의 스위치가 차량 전기 네트워크 스위치 내에 구비될 수 있는데, 예를 들어 공통 하우징에 의해 감싸질 수 있고, 특히 공통 하우징에 주조될 수도 있다. 스위치는 각각의 입력부와 모터 차량 전기 네트워크 스위치의 공통 노드 간의 각각의 전기 연결을 스위칭하는 역할을 한다.
제1 스위치는 제1 입력부와 공통 노드 사이에 배치될 수 있다. 제1 스위치에 더하여, 제2 스위치는 제2 입력부와 공통 노드 사이에 배치될 수 있다.
스위치들 중 적어도 하나는 예를 들어 상응하는 제어 전압이 인가되는 폐쇄되는 상시 개방형(Normally Open) 스위치이다. 그러나 스위치들 중 적어도 하나는 전압 인가에 의해 개방되는 상시 폐쇄형(Normally Closed) 스위치일 수도 있다.
스위치들은 각각의 입력부와 공통 노드 사이에 각각의 전기적 연결을 제공한다. 공통 노드는 출력부에 연결된다. 공통 노드의 전위는 출력부에 접속(tap)될 수 있다.
정상 작동시, 전기 에너지는 제1 및/또는 제2 스위치를 통해 각각의 온보드 전기 네트워크로부터 노드로, 그리고 노드로부터 출력부를 통해 적어도 하나의 부하로 흐른다. 이 경우, 전기 에너지는 대체로, 접지와 비교하여 그 전위가 높은 온보드 전기 네트워크로부터 적어도 하나의 부하로 흐른다.
정상 작동 중에 스위치가 폐쇄되어 있기 때문에, 온보드 전력 공급 장치들 간에 균압 전류(equalizing current)가 발생할 수 있다. 아래에서 설명하는 것처럼 온보드 전력 공급 장치들 중 한 쪽에 고장이 있을 경우에 중요하고 반드시 방지되어야 하는 것이 바로 이러한 균압 전류이다.
특히 신속한 응답 및 소형화 설계를 위해 그리고 고장시 필요한 에너지를 보장하기 위해, 스위치들이 반도체 스위치로 형성되고 이들은 각각 바디 다이오드(body diode)와 공통 노드를 향해 순방향 연결된다. 이는 패시브 부호 규약(sign convention)에서 전기 에너지가 각각의 온보드 전기 네트워크로부터 바디 다이오드를 통해 공통 노드로 흐를 수 있음을 의미한다. 특히, 입력부로부터 공통 노드를 향하는 전류 흐름이 가능하다. 바디 다이오드들 둘 다 공통 노드를 향하여 순방향으로 각각 연결되어 있으므로, 패시브 부호 규약 노드로부터 바디 다이오드를 통해 입력부로 전류가 흐르는 것은 불가능하다. 따라서 바디 다이오드는 스위치들이 개방되어 있을 때 2개의 두 개의 온보드 전력 공급 장치를 서로 분리시킨다. 스위치가 폐쇄되면, 전류는 스위치를 통해 직접 흐르고 무관한 일부 전류만이 바디 다이오드를 통해 흐른다. 스위치가 개방되면, 비록 여기서 예를 들어 0.7V의 전압 강하가 가능하더라도, 전류는 입력부로부터 바디 다이오드를 통해 공통 노드로 흐르는 전류 흐름의 방향으로 흐를 수 있다.
안전 관련 부하를 보호하기 위해, 이제 제1 입력부의 제1 전압과 제2 입력부의 제2 전압 및/또는 공통 노드의 전압이 모니터링 회로를 이용하여 모니터링된다. 특히, 모니터링 회로는 제1 및/또는 제2 입력부 및/또는 공통 노드에서 접지에 대한 전위를 측정한다. 아래에서 전압 측정을 언급하면, 언급한 지점들 중 적어도 하나에서 전압 측정이 이루어질 수 있다.
본 발명의 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치는 특히 배터리의 양극 단자, 즉 하이 사이드(High side)에 연결되고, 이에 따라 접지에 대한 양극 전위가 모니터링 회로에 의해 검출될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 제한치, 예를 들어 9V를 초과하는 전압은 안전 관련 부하에 거의 필수적이다. 너무 오랜 시간 동안 전압이 이 제한치 아래로 떨어지면 부하가 오작동할 수 있다.
2개의 온보드 전력 공급 장치는, 비록 다른 전압 제한치도 또한 가능하지만, 차량 전기 네트워크 스위치를 통해 온보드 전압, 예를 들어 12V, 24V 또는 48V를 적어도 하나의 부하에 제공한다. 특히, 2개의 온보드 전력 공급 장치의 전압은 거의 동일하다.
정상 작동 시 스위치들은 폐쇄되어 있다. 폐쇄된 스위치들을 통해, 전류는 입력부들로부터 출력부로, 출력부로부터 입력부들로 그리고 입력부들 사이에서 흐를 수 있다. 스위치들은 입력부들과 출력부 사이가 거의 단락되게 한다. 이는 2개의 온보드 전력 공급 장치 중 하나의 전압이 너무 낮으면 전압이 높은 온보드 전기 네트워크로부터 전압이 낮은 온보드 전기 네트워크로 보상 전류가 흐른다는 것을 의미한다. 이러한 균압 전류는 전압이 높은 온보드 전기 네트워크로부터 부하로 흐르는 전류에 추가로 흐른다. 전압이 낮은 온보드 전기 네트워크의 전위가 충분히 높으면 이는 중요하지 않다.
온보드 전력 공급 장치들 또는 이에 연결된 온보드 전력 시스템 중 하나에 예를 들어 제한치, 예를 들어 9V 아래로의 임계 전압 강하가 있으면, 폐쇄된 스위치들 전체에 균압 전류가 있으며 이는 원래는 고장이 발생하지 않은 온보드 전기 네트워크 및 온보드 전력 시스템에서의 상응하는 전압 강하로 이어진다. 따라서 균압 전류는 온보드 전력 공급 장치들 중 하나가 올바르게 작동하는 경우에도 출력부에서의 전압 강하를 초래한다.
이를 방지하기 위해, 이제 모니터링된 전압들 중 적어도 하나의 크기에 따라 스위치들 둘 다를 동시에 개방시키는 개방 신호가 발생된다. 고장이 발생한 경우, 2개의 입력부 중 한 쪽에서 전압 강하가 일어나면 스위치들 둘 다 즉시 그리고 동시에 개방된다.
전압 강하를 검출하는 것은 간단하고 신속하다. 예를 들어, 공통 노드의 전위를 측정하기만 하면 된다. 간단한 전압 측정이 매우 짧은 시간에 가능하다. 빠른 반응 시간, 즉 전압 강하의 신속한 측정으로 인해 스위치들이 신속하게 개방될 수 있다.
특히, 전압 강하의 검출과 스위치들의 개방 사이의 반응 시간은 부하에 대한 임계 제한치 미만이고, 이 반응 시간 동안 전압은 한계치 아래로 떨어질 수 있다. 예를 들어, 이 시간은 0.5ms 미만이다. 이는 본 발명의 회로를 이용하면 제한치 아래로의 전압 강하가 부하에 대해 허용될 수 있는 최대 지속 시간보다 짧은 지속 시간으로 제한될 수 있음을 의미한다.
통상의 회로에서, 스위치들을 둘 다 개방하면 부하에 대한 전력 공급도 또한 차단된다. 이는 본 발명의 경우에서는 반대 방향으로 연결된 바디 다이오드들이 공통 노드를 향하는 순방향 개방으로 전력 공급을 지속적으로 제공한다는 점에서 방지된다. 온보드 전기 네트워크 및 고장나지 않은 온보드 전기 네트워크로부터, 전류는 입력부들로부터 바디 다이오드들을 통해 공통 노드로 그리고 출력부 또는 부하로 계속 흐른다. 그러나 각각의 경우 다른 바디 다이오드에 의해 균압 전류가 방지된다.
이 회로는 2개의 온보드 전력 공급 장치가 서로 분리되고 고장이 일어나는 순간 균압 전류가 방지되는 것을 보장하는 동시에 출력부에서 실질적으로 안정적인 전압으로 부하에 대한 전력 공급이 이루어지는 것을 보장한다.
본체 다이오드들을 통해 기본적으로 안정적인 전압으로 전력이 공급되는 것을 보장하는 것에 의해, 2개의 온보드 전력 공급 장치들 중 실제로 고장이 발생한 전력 공급 장치를 평가하는 것이 가능하다. 이 평가는 단순히 전압 레벨을 측정하는 것보다 더 오래 걸릴 수 있다. 그러나 부하에는 실질적으로 안정적인 전압으로 전력이 공급되기 때문에 이를 목적으로 더 오랜 시간이 사용될 수 있다.
2개의 차량 전기 네트워크 중 어느 것이 혹은 2개의 차량 전기 네트워크 전력 공급 장치 중 어느 것이 전압 강하를 발생시켰는지 결정되면 바로, 다른 스위치 또는 차량 전기 네트워크 전력 공급 장치에 대한 다른 연결이 다시 폐쇄되고 부하는 온전한 차량 전기 네트워크 전력 공급 장치를 통해 기본적으로 안정적인 전압으로 에너지를 공급받는다.
스위치를 폐쇄하면 바디 다이오드가 해제된다. 바디 다이오드는 단지 소정 기간 동안만 높은 작동 전류를 전달하도록 설계된다. 바디 다이오드를 통과하면서 0.7V의 전압 손실이 발생하고, 전력 손실로 인해 스위치가 가열된다. 따라서 스위치나 바디 다이오드의 파손을 방지하기 위해 스위치는 폐쇄되어야 한다.
일 실시예에 따르면, 전압들 중 적어도 하나가 임계치 아래로 떨어질 때 모니터링 회로가 개방 신호를 발생시킨다. 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 차량 온보드 전기 네트워크 스위치는 바람직하게는 배터리의 하이 사이드에 연결되고, 이에 따라 고장은 전압 강하에 의해 발생된다. 임계치, 예를 들어 9V 아래로의 이러한 전압 강하는 노드에서 예를 들어 즉시 검출될 수 있다. 전압 강하가 검출되면, 균압 전류가 즉시 방지되도록 개방 신호가 출력된다.
일 실시예에 따르면, 입력부들 중 적어도 하나에서 단락이 발생할 때 모니터링 회로가 개방 신호를 발생시킨다. 전압 강하의 가능성 있는 원인이 단락일 수 있다. 단락의 경우, 급격한 에지로 전압이 아주 빨리 하락한다. 단락이 발생하는 차량 전기 네트워크에 연결된 전력 공급 장치의 전류 및 차량 전기 네트워크 스위치의 다른 쪽에서 온전한 차량 전기 네트워크에 연결된 차량 전기 네트워크 공급 장치의 전류 모두 단락을 통과하여 흐르는데, 이 전류는 보상 전류의 방식으로 2개의 스위치를 통과하여 흐른다. 단락은 또한 부하를 단락시킴으로써 부하는 더 이상 전력 및/또는 실질적으로 안정적인 전압을 공급받지 못하게 된다.
단락이 검출된 직후에 스위치들을 동시에 개방시키는 것에 의해, 균압 전류가 방지되고 부하는 더 이상 단락을 "겪지(see)" 않는다. 온전한 온보드 전력 시스템의 온보드 전기 네트워크 또한 더 이상 단락을 "겪지" 않는데, 이는 바디 다이오드가 단락과 반대 방향으로 연결되기 때문이다.
실시예에 따르면, 모니터링 회로가 전압들 중 적어도 하나를 비교 전위, 특히 접지 전위와 비교한다. 모니터링 회로는 접지 전위에 대한 전압을 측정한다. 입력부들 중 하나에서 전압 강하가 발생하면, 이 전합 강하는 다른 입력부 및 노드에서도 발생하는데 이는 2개의 입력부가 폐쇄된 스위치들과 노드를 통해 서로 단락되기 때문이다. 그런 다음 등압 전류를 방지하기 위해 스위치들이 즉시 개방된다.
실시예에 따르면, 개방 신호를 발생시킨 직후에 모니터링 회로가 온보드 전기 네트워크의 제1 입력부 부분 및 온보드 전기 네트워크의 제2 입력부 부분의 각각의 상태를 평가하고, 그 평가에 따라 정확하게 하나, 바람직하게는 제1 스위치만 또는 제2 스위치만에 대한 폐쇄 신호를 발생시킨다. 폐쇄 신호는 2개의 스위치 중 정확히 하나에 대해서만 트리거된다. 고장이 없는 온보드 전기 네트워크의 입력부에 연결된 스위치에 대해 폐쇄 신호가 트리거된다. 고장이 있는 온보드 전력 시스템의 입력부에 연결된 스위치는 개방 상태로 유지된다.
일 실시예에 따르면, 모니터링 회로가 온보드 전원부(mains)의 제1 입력부 부분 및 온보드 전원부의 제2 입력부 부분의 전원부 임피던스 및/또는 전압 및/또는 임펄스 응답을 평가한다. 예를 들어, 전압은 제1 입력부 및/또는 제2 입력부 및/또는 노드에서 측정될 수 있다. 또한, 전류 및 전류 흐름 방향이 제1 입력부 및/또는 제2 입력부 및/또는 노드에서 측정될 수 있다. 측정된 값은 AD 변환기에 의해 디지털화되어 프로세서에서 처리될 수 있다. 처리 결과에 따라 모니터링 회로에서 폐쇄 신호를 출력할 수 있다.
오해를 방지하기 위해, 온보드 전기 네트워크의 제1 입력부 부분과 온보드 전기 네트워크의 제2 입력부 부분은 각각 적어도 입력부의 각각의 온보드 전기 네트워크에 대한 연결을 포함하는 것으로 이해해야 한다. 또한, 각각의 온보드 전기 네트워크에 연결된 추가 부하에 대한 적어도 하나, 바람직하게는 여러 개의 연결을 의미할 수 있다. 따라서 온보드 전기 네트워크의 일측은 온보드 전기 네트워크 및/또는 이에 연결된 부하에 의해 형성될 수 있다.
실시예에 따르면, 반도체 스위치들이 스위치가 개방된 후 각각의 바디 다이오드에서의 전압 강하가 1V 미만, 바람직하게는 0.7V 미만이도록 그 치수가 정해진다. 스위치가 개방되면, 전류가 온전한 온보드 전기 네트워크로부터 바디 다이오드를 통해 순방향으로 부하까지 흐른다. 이 전류는 바디 다이오드 양단에서 바람직하게는 1V, 특히 0.7V 아래로의 전압 강하를 일으킨다. 그러나 이 전압 강하는 안전 관련 부하에 중요하지 않은데, 이는 온보드 전기 네트워크의 전압에서 바디 다이오드의 전압 강하를 뺀 값이 부하, 특히 안전 관련 부하에 대한 최소 전압보다 크기 때문이다.
실시예에 따르면, 모니터링 회로가 개방 신호 후 100ms, 바람직하게는 40ms 이내에 폐쇄 신호를 트리거한다. 따라서 모니터링 회로는 40 내지 100ms 사이에 2개의 온보드 전기 네트워크의 2개의 입력부 너머의 2개의 파트를 평가하고, 전압 강하를 초래하는 고장, 특히 단락이 일어난 측부를 결정해야 한다. 고장이 일어난 올바른 측부가 검출되면, 다른 측부가 스위치를 폐쇄하는 것에 의해 부하에 연결된다.
일 실시예에 따르면, 스위치들이 개방된 후 출력부는 각각의 바디 다이오드를 통해 제1 및 제2 입력부들에 도전 가능하게 연결되고 바디 다이오드들은 각각의 입력부로부터 출력부로의 전류 흐름을 가능하게 한다. 위에서 설명한 것처럼, 전류 흐름은 패시브 부호 규칙에서 온보드 전기 네트워크로부터 출력부로 가능해진다. 그러나 바디 다이오드는 패시브 부호 규칙에서 높은 전위로부터 낮은 전위로 흐르는 전류를 차단한다. 이는 온전한 온보드 전력 시스템 및 고장나서 전압 강하를 초래한 온보드 전원 시스템 사이의 균압 전류를 방지한다. 2개의 차량 전기 네트워크중 어느 것이 전압 강하를 일으켰는지가 전압 강하 시점에서 아직 명확하지 않기 때문에, 스위치들은 둘 다 개방되어 있다. 그러나 실질적으로 안정적인 전압에 의한 출력부에서 부하로의 전력 공급은 바디 다이오드들을 통해 보장된다.
일 실시예에 따르면, 스위치가 개방된 후 출력부는 각각의 바디 다이오드를 통해 제1 및 제2 입력부들에 도전 가능하게 연결되지만, 바디 다이오드들은 출력부로부터 각각의 입력부로의 전류 흐름을 차단한다. 따라서 공통 노드로부터 입력부로의 전류 흐름도 또한 바디 다이오드에 의해 차단된다.
실시예에 따르면, 반도체 스위치 중 적어도 하나가 특히 스위칭 특성이 출력부에서의 부하에 따라 달라지는 가변 스위칭 특성을 이용하여 스위칭된다. 이 경우, 반도체 스위치의 스위칭 거동, 특히 전류 및/또는 전압에 대한 의존성은 소프트웨어에 의해 조정될 수 있다. 예를 들어 시동 중에는 높은 시동 전류가 필요하고 정상 작동 시에는 낮은 전류가 필요한 동적 부하는 스위칭 특성, 예컨대 소정 시간 동안 흐르는 전류량(dI/dt)을 유연하게 규정하는 것에 의해 가변적으로 보호될 수 있다.
서두에서 이미 설명한 바와 같이, 위에서 언급한 안전 관련 부하가 실시예에 따른 출력부에 연결될 수 있다. 특히 안전 관련 부하의 경우, 이중화된 방식의 지속적인 전력 공급이 보장되어야 한다.
실시예에 따르면, 출력부가 공통 노드에 단락된다. 바람직하게는, 공통 노드와 출력부 사이의 차량 전기 네트워크 스위치에 다른 컴포넌트가 구비되지 않는다.
다른 태양은 앞서 설명한 바와 같은 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치, 제1 입력부에 연결된 제1 전기 네트워크 전력 공급 장치, 제2 입력부에 연결된 제2 전기 네트워크 전력 공급 장치, 및 출력부에 연결된 안전 관련 부하를 포함하는 모터 차량 전기 네트워크이다.
다른 태양에서, 앞서 설명한 바와 같은 자동차 온보드 전기 네트워크 스위치를 작동시키는 방법이 제공된다. 이 방법에서, 적어도 하나의 전압이 모니터링된다. 특히, 이는 또한 공통 노드의 전압이 모니터링된다는 것을 의미하기도 한다. 폐쇄된 스위치들의 경우, 입력부들과 공통 노드의 전압은 거의 동일하고, 각각의 스위치 양단에서의 전압 강하만이 다른데, 이는 수백mV 범위이다. 전압들 중 적어도 하나의 크기에 따라 스위치들이 둘 다 동시에 개방된다.
대안적으로 또는 전압 크기에 대해 점증적으로, 전압 변화율이 연관될 수 있고 그리고/또는 전압의 차이가 고려될 수 있다. 예를 들어, 차이가 음의 제한치보다 더 하강하면, 고장에 의해 스위치들의 개방으로 이어질 수 있는 신속한 전압 강하가 발생했다고 결론을 내릴 수 있다.
스위치들을 동시에 개방하고 나서, 바디 다이오드들을 통한 전력 공급이 가능한데, 이는 바디 다이오드들이 온보드 전기 네트워크의 각각의 전위를 순방향으로 출력부에 연결하기 때문이다. 전위가 더 높은 온보드 전기 네트워크는 바디 다이오드를 통한 부하로의 전류 흐름을 일으킨다. 전압 강하가 발생한 온보드 전기 네트워크는 전위가 낮고 바디 다이오드를 통한 공통 노드 및 부하로의 순방향 전류 흐름이 없다. 바디 다이오드가 역방향으로 작동하기 때문에 온전한 온보드 전력 공급 장치는 결함이 있는 온보드 공급 장치를 "인식"하지 않고 균압 전류도 흐르지 않는다.
스위치들이 동시에 개방된 후, 2개의 온보드 전력 공급 장치의 전기적 상태가 평가된다.
평가에 따라, 온보드 전기 네트워크 및 고장이 발생하지 않은 온보드 전기 네트워크가 스위치들을 통해 공통 노드 및 출력부에 연결된다. 하나의 온보드 전기 네트워크 및 고장이 발생한 하나의 온보드 전기 네트워크는 개방 스위치를 통해 부하 및 다른 온보드 전기 네트워크로부터 분리된 상태로 유지된다.
아래에서, 실시예를 도시하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 블록도이다.
도 2a와 도 2b는 공통 노드에서의 전압 곡선이다.
도 3a 내지 도 3f는 실시예에 따른 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치의 스위칭 상태들이다.
도 1은 모터 차량 온보드 전기 네트워크의 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치(2)를 도시한다. 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치(2)는 2개의 스위치(4, 6)를 구비한다. 제1 스위치(4)는 입력 접점(10)을 통해 제1 차량 전기 네트워크 전력 공급 장치(16)에 연결된다. 제2 스위치(6)는 제2 입력 접점(8)을 통해 제2 온보드 전기 네트워크(20)에 연결된다. 스위치들(4, 6)은 차량 전기 네트워크 스위치(2) 내에서 공통 노드(12)를 통해 서로 단락된다. 노드(12)는 출력 접점(14)에 연결된다.
입력 접점들(8, 10)과 출력 접점(14)은 연결 러그, 연결 단자, 플러그인 접점, 크림프 접점(crimp contact), 연결 볼트, 용접 러그, 납땜 러그 등으로 형성될 수 있다.
제1 온보드 전기 네트워크(16)는 예를 들어 하이 사이드 전위(16a)에서 입력 접점(10)에 연결된 DC/DC 변환기이다.
제2 온보드 전기 네트워크(20)는 예를 들어 B+ 전위(20a)가 입력 접점(8)에 연결되고 B- 접점(20b)이 접지(22)에 연결된 배터리이다.
제2 온보드 전기 네트워크(20)는 예를 들어 온보드 전기 네트워크(24)에 전력을 공급한다. 제1 온보드 전기 네트워크(16) 또한 온보드 전기 네트워크에 전력을 공급할 수 있지만, 이는 도시되어 있지 않다.
부하(25)는 출력 접점(14)에 연결된다. 부하(25)는 예를 들어 안전 관련 부하이다.
모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치(2)의 스위치들(4, 6)은 각각 스위칭 소자(4b, 6b) 및 바디 다이오드(4a, 6a)를 포함한다. 스위치(4, 6)는 예를 들어 반도체 스위치, 특히 고전력 반도체 스위치, 예를 들어 MOSFET, IGBT 등이다.
도 1에서 바디 다이오드들(4a, 6a)이 각각 입력 접점(8, 10)에서 공통 노드(12) 쪽으로 순방향 스위칭되는 것을 볼 수 있다.
스위칭 소자들(4b, 6b)은 스위칭 신호(미도시)를 통해 제어될 수 있다. 이러한 동작은 예를 들어 모니터링 회로(26)를 통해 수행될 수 있다. 스위치들(4a, 4b)은 예를 들어 상시 개방형(Normally Opened, NO)일 수 있고, 개방 신호는 스위칭 신호 레벨의 감소일 수 있다. 스위칭 소자들(4b, 6b)은 또한 상시 폐쇄형(Normally Closed, NC)일 수 있으며, 개방 신호는 스위칭 신호 레벨의 증가일 수 있다.
모니터링 회로(26)는 감지 라인(26a)을 통해 공통 노드(12)에 연결되고, 예를 들어 접지(22)에 대한 공통 노드(12)의 전위를 측정할 수 있다. 또한, 모니터링 회로(26)는 감지 라인들(26b, 26c)을 통해 온보드 전력 공급 장치들(16, 20)의 각각의 온보드 전력 공급 장치에 연결될 수 있다. 감지 라인들(26b, 26c)은 각각의 온보드 전기 네트워크의 임피던스, 임펄스 응답, 접지 저항 등과 같은 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도시된 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치(2)를 이용하여, 고장이 일어난 경우에도 안전 관련 부하(25)를 온보드 전력 공급 장치들(16, 20) 중 적어도 하나에 이중으로 그리고 상시적으로 연결할 수 있다.
이러한 고장 사례가 도 2a에 도시되어 있다. 도 2a는 공통 노드(12)에서의 전압 곡선(28)을 예시적이고 그리고 순전히 개략적으로 도시한다. 표준 전압(32)은 일반적인 경우 공통 노드(12)에 존재한다. 일반적인 경우, 스위칭 소자들(4b, 6b)은 닫혀 있다. 표준 전압(32)은 2개의 온보드 전력 공급 장치(16, 20) 중 하나의 각각의 더 높은 전위로부터 발생한다.
고장이 일어나면, 전압(28)의 에지(30)가 급격하게 떨어진다. 이는 예를 들어 시점(36)에서 발생할 수 있다. 급격한 하강 에지(30)로 인해 전압(28)은 하한치(34) 아래로 하강하게 된다. 통상적인 회로에서, 시점(38)까지 고장난 온보드 전기 네트워크들(16, 20)이 공통 노드로부터 분리될 것이다. 이 경우, 시점(38)은 예를 들어 시점(36)이후 40 내지 100ms일 수 있다. 시점들(36, 38) 간의 간격은 안전 관련 부하에 대한 한계치(34) 아래로의 전압 강하의 허용 가능한 최장 지속 시간, 예컨대 0.5ms를 넘는다.
0.5ms보다 길게 하한치(34) 아래로 하강하는 것에 의해, 안전 관련 부하(25)의 고장이 더 이상 배제될 수 없다.
이는 도 2b에 도시된 전압 곡선(40)을 구현할 수 있는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치(2)에 의해 해결될 수 있다. 도 2b를 도 3a 내지 도 3f와 연관지어 설명한다.
도 3a에서 스위칭 소자들(4b, 6b)이 닫혀 있음을 알 수 있다. 이것이 정상적인 상태이다. 표준 전압(32)은 온보드 전력 공급 장치들(16, 20)로부터 스위칭 소자들(4b, 6b) 및 공통 노드(12)를 거쳐 부하(25)로 흐른다.
도 3b는 고장, 예를 들어 단락(42, 44)이 입력 접점들(8, 10)로부터 시작하여 2개의 온보드 전력 공급 장치(16, 20) 중 한쪽에서 일어날 수 있음을 나타낸다. 이러한 경우, 전압(40)의 에지(30)가 급격하게 떨어진다. 이러한 급격한 기울기(30)는 모니터링 회로(26)를 통해 검출될 수 있다. 이러한 검출은 시점(36) 이후의 시점(37)에서 매우 신속하게 완료될 수 있다. 이 경우, 스위칭 소자들(4b, 6b) 둘 다가 모니터링 회로(26)에 의해 즉시 개방된다. 특히, 시점(37)은 시점(36) 이후 길어도 0.5ms이다. 단락들(42, 44) 중 어느 것이 발생했는지 알 수 없으므로, 처음에는 스위칭 소자들(4a, 6a) 둘 다 개방된다.
도 3c는 온보드 전기 네트워크(20) 쪽에서 단락(42)이 일어난 예를 도시한다. 스위칭 소자들(4b, 6b) 둘 다 도 3c에 도시된 바와 같이 모니터링 회로(26)에 의해 개방된 후, 전류(46)는 온보드 전기 네트워크(16)의 양극(16a)으로부터 바디 다이오드(4a)를 통해 부하(25)로 여전히 흐를 수 있다. 이는 도 2b에 도시되어 있다. 시점(37)에서의 하강 에지(30) 이후 전압(40)이 다시 안정화되는 것을 볼 수 있다. 전압(40)은 표준 전압(32)보다 0.7 내지 1V 낮은데, 이는 바디 다이오드(4a) 양단의 전압 강하 때문이다.
시점들(36, 38) 사이의 기간에, 모니터링 회로(26)는 각각의 온보드 전력 공급 장치(16, 20)의 감지 라인(26b, 26c)을 통해 고장난 곳을 측정하고 평가할 수 있다.
도 3d에서는, 온보드 전기 네트워크(20) 측에서 고장이 감지된 것으로 도시되어 있다. 이 경우 스위칭 소자(4b)가 폐쇄된다. 도 3d에서 볼 수 있는 바와 같이, 전류 흐름(48)은 스위칭 소자(4b)를 통해 발생한다.
도 3b에서, 시점(38)에서, 즉 고장난 위치가 결정된 때에, 전압(40)이 표준 전압(32)까지 증가하는 것을 알 수 있다. 도 3b에서, 전압이 한계치(34) 아래로 떨어지지 않았음을 알 수 있다.
도 3e는 온보드 전기 네트워크(16) 측에서 단락(44)이 발생한 경우를 도시한다. 이 단락(44)은 또한 하강 에지(30) 및 스위칭 소자들(4b, 6b)의 즉각적인 개방으로 이어진다. 온보드 전기 네트워크(20)가 고장 없이 여전히 작동하고 있으므로, 이는 도 3e에 도시된 바와 같이 바디 다이오드(6a)를 가로지르는 전류 흐름(46)으로 이어진다. 전압 파형은 도 2b와 같다.
도 3c에 대해 설명한 바와 같이, 모니터링 회로(26)는 입력 접점들(8, 10) 너머에 있는 2개의 온보드 회로를 측정하고 어느 쪽에 고장이 있는지 평가하는 데 사용된다.
고장이 온보드 전기 네트워크(16) 측에 있는 경우, 스위칭 소자(6b)는 도 3f에 도시된 바와 같이 다시 폐쇄될 수 있다. 이는 시점(38)이다. 온보드 전기 네트워크(20)로부터 스위칭 요소(6b)를 경유하여 부하(25)로 전류 흐름(48)이 일어난다. 여기서도, 역시, 전압이 제한치(34) 아래로 떨어지지 않는 것이 보장된다.
도시된 배열 형태를 이용하면, 안전 관련 부하에 대한 임계 제한치 아래로의 전압 강하를 방지하는 방식으로 이중 온보드 전기 네트워크를 설계할 수 있다.

Claims (15)

  1. 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치로,
    - 적어도 2개의 온보드 전력 공급 장치 중 각각의 하나에 대한 적어도 2개의 입력부,
    - 모터 차량의 부하를 위한 적어도 하나의 출력부,
    - 적어도 2개의 스위치를 포함하되,
    - 제1 스위치는 입력부들 중 제1 입력부와 공통 노드 사이에 배치되고,
    - 제2 스위치는 상기 입력부들 중 제2 입력부와 상기 공통 노드 사이에 배치되고, 그리고
    - 출력부는 공통 노드에 전기적으로 연결되고,
    - 스위치들은 반도체 스위치로 형성되고, 공통 노드를 향하는 순방향으로 각각 바디 다이오드와 연결되는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치에 있어서,
    - 모니터링 회로가 제1 입력부의 제1 전압 및/또는 제2 입력부의 제2 전압 및/또는 공통 노드의 전압을 모니터링하고, 모니터링 회로는 모니터링된 전압들 중 적어도 하나의 크기에 따라 스위치 둘 다를 동시에 개방시키기 위한 개방 신호를 트리거하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    - 모니터링 회로가 전압들 중 적어도 하나가 한계치 아래로 떨어지면 개방 신호를 트리거하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    - 모니터링 회로가 입력부들 중 적어도 하나의 단락 시에 개방 신호를 트리거하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 모니터링 회로가 전압들 중 적어도 하나를 비교 전위, 특히 접지 전위와 비교하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 모니터링 회로는 개방 신호가 트리거되고 바로 뒤에 차량 전기 네트워크의 제1 입력부 부분 및 차량 전기 네트워크의 제2 입력부 부분의 각각의 상태를 평가하고, 평가에 따라 하나의 스위치에 대한, 바람직하게는 제1 스위치만에 대한 또는 제2 스위치만에 대한 폐쇄 신호를 트리거하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 모니터링 회로가 차량 전기 네트워크의 제1 입력부 부분 및 차량 전기 네트워크의 제2 입력부 부분의 전원부 임피던스 및/또는 전압 및/또는 임펄스 응답을 평가하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 반도체 스위치는 스위치가 개방된 후 각각의 바디 다이오드에서의 전압 강하가 1V 미만, 바람직하게는 0.7V 미만이도록 그 치수가 정해지는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 모니터링 회로가 개방 신호 후 100ms, 바람직하게는 40ms 이내에 폐쇄 신호를 트리거하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 스위치들이 개방된 후, 출력부는 각각의 바디 다이오드를 통해 제1 및 제2 입력부들에 도전 가능하게 연결되고, 바디 다이오드들은 각각의 입력부로부터 출력부로의 전류 흐름을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 스위치들이 개방된 후, 출력부는 각각의 바디 다이오드를 통해 제1 및 제2 입력부들에 도전 가능하게 연결되고, 바디 다이오드들은 출력부로부터 각각의 입력부로의 전류 흐름을 차단하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 반도체 스위치들 중 적어도 하나가 특히 스위칭 특성이 출력부에서의 부하에 따라 달라지는 가변 스위칭 특성과 연결되는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 안전 관련 부하가 출력부에 연결되는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
    - 출력부가 공통 노드에 단락되는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치.
  14. 모터 차량 온보드 전기 네트워크로,
    - 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 따른 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치,
    - 제1 입력부에 연결된 제1 온보드 전력 공급 장치,
    - 제2 입력부에 연결된 제2 온보드 전력 공급 장치, 및
    - 출력부에 연결된 안전 관련 부하를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크.
  15. 선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 따른 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치를 작동시키는 방법으로,
    - 제1 입력부의 제1 전압 및/또는 제2 입력부의 제2 전압 및/또는 공통 노드의 전압이 모니터링되고, 모니터링된 전압들 중 적어도 하나의 크기에 따라 스위치들 둘 다가 동시에 개방되고,
    - 2개의 스위치가 동시에 개방된 후에, 2개의 스위치의 바디 다이오드들이 온보드 전기 네트워크의 각각의 전위를 순방향으로 출력부에 연결하고,
    - 2개의 스위치가 동시에 개방된 후에, 2개의 온보드 전력 공급 장치의 전기적 상태가 평가되고 그리고 평가에 따라 2개의 스위치 중 하나가 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 모터 차량 온보드 전기 네트워크 스위치를 작동시키는 방법
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