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KR101383194B1 - 차량을 위한 온―보드 전기 시스템 및 또한 온―보드 전기 시스템을 위한 제어 장치 - Google Patents

차량을 위한 온―보드 전기 시스템 및 또한 온―보드 전기 시스템을 위한 제어 장치 Download PDF

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KR101383194B1
KR101383194B1 KR1020127000174A KR20127000174A KR101383194B1 KR 101383194 B1 KR101383194 B1 KR 101383194B1 KR 1020127000174 A KR1020127000174 A KR 1020127000174A KR 20127000174 A KR20127000174 A KR 20127000174A KR 101383194 B1 KR101383194 B1 KR 101383194B1
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KR
South Korea
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energy store
switch
terminal
board electrical
electrical system
Prior art date
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KR1020127000174A
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English (en)
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KR20120026597A (ko
Inventor
디르크 라이쇼유
토비아스 슈테커마이어
토비아스 갈리
Original Assignee
콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Publication date
Application filed by 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하 filed Critical 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
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Abstract

온-보드 전기 시스템(BN)은, 온-보드 전기 시스템(BN)이 충분한 전류를 시스템 부하(L)에 공급하기 위해 제 1 에너지 저장소(ES1) 및/또는 제 2 에너지 저장소(ES2)로부터 시스템 부하(L)로의 폐쇄된 회로들을 발생시키는 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)를 갖는다. 부가하여, 온-보드 전기 시스템(BN)은, 제 2 에너지 저장소(ES2)에서의 전압값(Ves2)을 검출하고, 현재 검출된 전압값(Ves2)을 미리 결정된 전압 임계값(TH)과 비교하기 위한 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00019
), 및 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)를 폐쇄함으로써 제 2 에너지 저장소(ES2)로부터 제 3 폐쇄된 회로를 발생시키고, 그러므로 현재 검출된 전압값(Ves2)이 전압 임계값(TH)을 초과할 때 제 2 에너지 저장소(ES2)를 방전시키기 위한 제어 디바이스(SE)를 갖는다. 이는 온-보드 전기 시스템(BN) 내에서의 또는 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 제 2 에너지 저장소(ES2)로의 전류 경로 상에서의 시스템 장애의 발생의 경우에, 제 2 에너지 저장소(ES2)가 제어되지 않은 방식으로 방전되는 것을 방지한다.

Description

차량을 위한 온―보드 전기 시스템 및 또한 온―보드 전기 시스템을 위한 제어 장치{ON-BOARD ELECTRICAL SYSTEM FOR A VEHICLE AND ALSO CONTROL APPARATUS FOR AN ON-BOARD ELECTRICAL SYSTEM}
본 발명은 차량을 위한 온-보드(on-board) 전기 시스템 및 또한 차량의 온-보드 전기 시스템 내의 전류 흐름을 제어하기 위한 제어 장치에 관한 것이다. 부가하여, 본 발명은 상술된 온-보드 전기 시스템 및/또는 상술된 제어 장치를 갖는 차량, 특히 하이브리드 전기 차량에 관한 것이다.
현대의 자동차들(motor vehicles) 내의 온-보드 전기 시스템들은, 에너지 트랜스듀서(transducer)로서 다운스트림 정류기 회로를 갖는 3상 머신의 형태인 발전기 및/또는 예를 들면, 하나 이상의 배터리 셀들을 포함하는 제 1 또는 1차 에너지 저장소(store), 및 또한, 온-보드 전기 시스템을 통해 전력이 공급되도록 의도되고 요약하여 시스템 부하로서 지칭되는 전력 소비자들을 포함한다. 발전기, 제 1 에너지 저장소, 및 시스템 부하는 요약하여 제 1 에너지 시스템으로서 지칭된다. 부가하여, 온-보드 전기 시스템들은 예를 들면, 이중-층 커패시터의 형태인 제 2, 즉 2차 에너지 저장소를 포함하는 제 2 에너지 시스템을 포함한다. 제 2 에너지 저장소는 제 1 에너지 저장소에 의해, 즉 발전기에 의해 및/또는 제 1 에너지 저장소에 의해 전류가 충전된다. 제 1 에너지 시스템의 시스템 전압은 일반적으로 제 2 에너지 시스템의 시스템 전압보다 크다.
온-보드 전기 시스템에서, 매우 안전한 시스템 상태를 유지하는 것이 중요하다. 온-보드 전기 시스템에서 안전한 시스템 상태를 유지하기 위한 요구조건들 중 하나는 2개의 에너지 저장소들 중 하나의 과충전(overcharging)을 회피하는 것이다.
그러나, 2개의 에너지 시스템들 사이의, 또는 제 1 에너지 저장소 또는 발전기와 제 2 에너지 저장소 사이의 전기 접속들에서, 부정확한 사용에 의한 또는 전기 접속들에서의 환경적 영향들에 의한 온-보드 전기 시스템 내의 전기 컴포넌트들 중 어느 것인가에서의 예를 들면, 장애들, 노화(ageing) 또는 부식에 의해 야기되는 문제점들이 발생한다면, 제 1 에너지 시스템으로부터 제 2 에너지 시스템으로의 또는 제 1 에너지 저장소로부터 제 2 에너지 저장소로의 제어되지 않은 전류 흐름이 발생되고, 결과적으로 제 2 에너지 저장소에서의 충전 전압은 최대 허용가능 충전 전압을 초과하여 제 1 에너지 시스템에서의 또는 제 1 에너지 저장소에서의 전압 전위까지 증가한다. 이는 제 2 에너지 저장소의 과충전 및 결과적으로 제 2 에너지 저장소의 고장을 야기한다.
그러므로 본 발명의 목적은 상술된 문제점들 중 하나의 발생의 경우에 단순한 방식으로 온-보드 전기 시스템의 에너지 저장소를 과충전으로부터 보호하는 가능성을 제공하는 것에 있다.
이 목적은 독립 청구항들에 의해 달성된다. 바람직한 개선들은 종속 청구항들의 주제이다.
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 시스템 부하로서 지칭되는 적어도 하나의 전력 소비자, 시스템 부하에게 전류를 제공하기 위한 제 1 에너지 저장소 및 제 2 에너지 저장소를 포함하는 온-보드 전기 시스템이 제공되고, 제 2 에너지 저장소는 재충전 가능하다. 특히, 제 2 에너지 저장소는 제 1 에너지 저장소로부터의 전류로 재충전될 수 있다.
부가하여, 온-보드 전기 시스템은 제 1 제어가능 스위치 및 제 2 제어가능 스위치를 포함한다. 폐쇄된 스위칭 상태에서, 제 1 스위치는 제 1 에너지 저장소로부터의 전류를 시스템 부하에 공급하기 위해 제 1 에너지 저장소로부터 시스템 부하로의 제 1 폐쇄된 회로를 발생시킨다. 개방 스위칭 상태에서, 제 1 스위치는 이 제 1 회로를 다시 개방한다. 폐쇄된 스위칭 상태에서, 특히 동시에 제 1 스위치가 개방될 때, 제 2 스위치는 제 1 에너지 저장소로부터의 및 제 2 에너지 저장소로부터의 전류를 시스템 부하에 공급하기 위해 제 1 에너지 저장소로부터 제 2 에너지 저장소를 통해 시스템 부하로의 제 2 폐쇄된 회로를 발생시킨다. 개방 스위칭 상태에서, 제 2 스위치는 이 제 2 회로를 다시 개방한다.
부가하여, 온-보드 전기 시스템은 모니터링 디바이스 및 제어 디바이스를 갖는다. 온-보드 전기 시스템은, 제 2 에너지 저장소에서의 충전 전압값을 검출하고, 현재 검출된 전압값을 미리 결정된 전압 임계값과 비교하기 위해 모니터링 디바이스를 이용한다.
그 다음에 제어 디바이스는 제 1 및 제 2 스위치들을 폐쇄하거나 또는 이들 2개의 스위치들을 폐쇄된 스위칭 상태로 유지하고, 따라서 2개의 폐쇄된 스위치들을 통해 제 2 에너지 저장소로부터 제 3 폐쇄된 회로를 발생시키고, 그러므로 현재 검출된 전압값이 전압 임계값을 초과할 때 제 2 에너지 저장소를 방전시킨다. 바람직하게, 제 2 에너지 저장소는 2개의 폐쇄된 스위치들을 통해 접지(ground)에 전기적으로 접속되고, 접지로 방전된다.
결과적으로, 온-보드 전기 시스템의 장애의 발생의 경우에, 단순한 방식으로 및 단지, 2개의 스위치들과 같이 온-보드 전기 시스템에 이미 존재하는 컴포넌트들을 이용하여, 과충전으로부터 에너지 저장소들을 보호할 수 있는 온-보드 전기 시스템이 제공되고, 결과적으로 상기 온-보드 전기 시스템은 어떠한 추가 비용 또는 증가된 제조 복잡성이 거의 없이 생산될 수 있다.
바람직한 구성에서, 온-보드 전기 시스템은, 온-보드 전기 시스템이 제 1 에너지 저장소로부터의 충전 전류로 제 2 에너지 저장소를 충전시키기 위해 이용할 수 있는 재충전 디바이스를 갖는다.
이는, 온-보드 전기 시스템이, 다른 에너지 저장소로부터의 전류로 온-보드 전기 시스템의 하나의 에너지 저장소를 충전시키기 위해 임의의 외부 재충전 장치를 필요로 하지 않는다는 이점을 갖는다. 추가의 이점은, 내부 재충전 디바이스로 인한, 에너지 저장소의 충전 동작이, 임의의 현저한 레이턴시(latency) 없이 온-보드 전기 시스템에 의해 모니터되고, 제어되고, 조절될 수 있다는 것이다.
추가의 바람직한 구성에서, 제어 디바이스는, 현재 검출된 전압값이 전압 임계값을 초과하는 경우에, 제 1 폐쇄된 스위치 및 제 2 폐쇄된 스위치, 및 그러므로 제 3 폐쇄된 회로를 통해, 제 1 에너지 시스템으로부터 제 2 에너지 시스템으로 또는 제 1 에너지 저장소로부터 제 2 에너지 저장소로 흐르는 전류를 방전시키는 방식으로 설계된다. 바람직하게, 전류는 접지(예를 들면 차량 바디)로 방전된다.
이는, 제 2 에너지 저장소의 과충전을 야기하는 제 1 에너지 시스템으로부터의 과도한 전류가 온-보드 전기 시스템으로부터, 예를 들면, 임의의 부가적인 회로 컴포넌트들 없이 전기 접지를 통해 안전하게 제거될 수 있다는 이점을 갖는다.
추가의 바람직한 구성에서, 모니터링 디바이스는, 예를 들면 제 2 에너지 저장소에서의 온도와 같은, 제 2 에너지 저장소의 충전 커패시티에 관련된 적어도 하나의 파라미터에 따라 전압 임계값을 결정한다 ― 충전 전압값은 상기 전압 임계값과 비교됨 ―.
결과적으로, 자신의 전압값 변화들이 충전 커패시티의 변화 및 그러므로 또한 제 2 에너지 저장소의 최대 가능 충전 전압값의 변화를 야기하는, 충전 커패시티 또는 다양한 파라미터들에 의존하는 제 2 에너지 저장소의 최대 충전 전압값이 또한 전압 임계값을 결정할 때 고려된다.
추가의 바람직한 구성에서, 제어 디바이스는 미리 결정된 시간 기간 동안 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 폐쇄된 스위칭 상태로 유지하고, 제어 디바이스는 전압 임계값과 현재 검출된 전압값의 비교에 따라 이 시간 기간을 미리 결정한다.
이는, 첫 번째로 이 제 2 에너지 저장소의 과충전 또는 과전압을 야기하는 제 2 에너지 저장소에서의 과도한 전기 충전들이 안전하게 방전될 수 있음을 보장하고, 두 번째로 결과적으로 전기 에너지의 불필요한 손실을 야기하고 그러므로 온-보드 전기 시스템에 대해 바람직하지 못한, 너무 큰 정도까지 제 2 에너지 저장소가 방전되는 것을 방지한다.
본 발명의 추가의 양상에 따르면, 온-보드 전기 시스템에서의 전류 흐름을 제어하기 위한 제어 장치가 제공되고, 상기 제어 장치는 제어 장치와 온-보드 전기 시스템 사이에 전기 접속들을 발생시키기 위한 제 1 전기 단자, 제 2 전기 단자, 및 제 3 전기 단자를 갖는다. 제어 장치는 제 1 및 제 2 단자들 사이에 제 1 제어가능 스위치를 갖고, 상기 제 1 제어가능 스위치는 폐쇄된 상태에서 제 1 단자를 제 2 단자에 전기적으로 접속시킨다. 제어 장치는 제 1 및 제 3 단자 사이에 제 2 제어가능 스위치를 갖고, 상기 제 2 제어가능 스위치는 폐쇄된 상태에서 제 1 단자를 제 3 단자에 전기적으로 접속시킨다.
부가하여, 제어 장치는 모니터링 디바이스 및 제어 디바이스를 갖는다. 2개의 전압값들을 비교하는 자신의 기능으로 인해 또한 비교 디바이스로 지칭될 수 있는 모니터링 디바이스는 제어 장치의 제 3 단자와 제 2 단자 사이에 존재하는 전압값을 검출하고, 현재 검출된 전압값을 미리 결정된 전압 임계값과 비교하고, 비교 결과를, 이 결과에 대응하는 신호 레벨을 갖는 신호의 형태로 제어 디바이스에 출력한다. 제어 디바이스는 신호에 따라, 또는 모니터링 디바이스의 비교 결과에 따라 각각, 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 폐쇄하거나, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치를 폐쇄된 스위칭 상태로 유지한다. 2개의 스위치들이 폐쇄되어 있는 것에 의해, 제어 장치는 제 3 단자 및 제 2 단자를 서로 전기적으로 접속시키고 따라서 제 3 단자로부터 이들 2개의 폐쇄된 스위치들을 통해 제 2 단자로 전류를 방전시킨다.
바람직한 구성에서, 모니터링 디바이스는, 예를 들면 온도와 같은 적어도 하나의 환경적 영향에 따라, 전압 임계값을 결정한다 ― 전압값은 상기 전압 임계값과 비교됨 ―.
다른 바람직한 구성에서, 제어 디바이스는, 현재 검출된 전압값과 전압 임계값의 비교에 따라 제어 디바이스에 의해 미리 결정되는, 미리 결정된 시간 기간 동안 제 1 스위치 및 제 2 스위치를 폐쇄된 스위칭 상태로 유지한다.
본 발명의 추가의 양상에 따르면, 상술된 온-보드 전기 시스템 또는 상술된 제어 장치를 갖는 차량, 특히 하이브리드 전기 차량이 제공된다.
상술된 온-보드 전기 시스템의 바람직한 구성들은 또한, 이들이 상술된 장치 또는 상술된 차량에 적용가능한 한에 있어서는, 장치 또는 차량의 바람직한 구성들로서 여겨질 수 있다.
하기의 설명에서, 본 발명은 도면을 이용하는 예시적 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 하이브리드 전기 차량의 온-보드 전기 시스템이 예로서 이용된다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 온-보드 전기 시스템의 개략도를 도시하는 도면.
도 1에 도시된 바와 같은 차량(FZ), 특히 하이브리드 전기 차량의 온-보드 전기 시스템(BN)은 제 1 에너지 시스템(Esys1) 및 제 2 에너지 시스템(Esys2), 및 또한 이들 2개의 에너지 시스템들(Esys1, Esys2) 사이에 접속되는 제어 장치(ST)를 포함한다. 이 예시적 온-보드 전기 시스템(BN) 내의 에너지 시스템들(Esys1, Esys2)은 서로 전기적으로 격리되지 않는다. 서로 전기적으로 격리되는 에너지 시스템들(Esys1, Esys2)을 갖는 대안적 실시예들 또한 가능하다.
제 1 에너지 시스템(Esys1)은 발전기(G), 온-보드 전기 시스템(BN)의 제 1 에너지 저장소(ES1) 및 요약하여 시스템 부하(L)로서 지칭되는 램프들 또는 내연 기관들을 위한 스타터 모터들(starter motors)과 같은 전력 소비자들의 그룹을 포함한다.
발전기(G)는 다운스트림 정류기 회로(DG)를 갖는 3상 머신의 형태이고, 차량(FZ)으로부터의 운동 에너지(kinetic energy)를 전기 에너지로 변환하기 위한 에너지 트랜스듀서로서 기능하고, 동시에 전류를 시스템 부하(L)에 공급하기 위한 제 1 에너지원으로서 기능한다.
제 1 에너지 저장소(ES1)는, 직렬로 접속되고 전류를 시스템 부하(L)에 공급하기 위한 제 2 에너지원으로서 기능하는 하나 이상의 재충전가능 배터리 셀들을 포함한다. 제 1 에너지 저장소(ES1)는 발전기(G)에 의한 전류로 충전되고, 그러므로 발전기(G)에 의해 변환된 전기 에너지를 저장한다.
제 2 에너지 시스템(Esys2)은 추가의, 즉, 온-보드 전기 시스템(BN)의 제 2 에너지 저장소(ES2)를 포함한다. 제 2 에너지 저장소(ES2)는 이중-층 커패시터의 형태이고, 마찬가지로 전류를 시스템 부하(L)에 공급하기 위한 제 3 에너지원으로서 기능한다. 제 2 에너지 저장소(ES2)는 발전기(G)에 의해 및/또는 제 1 에너지 저장소(ES1)에 의한 전류로 충전된다.
2개의 에너지 시스템들(Esys1, Esys2)은 상이한 시스템 전압들(Vsys1, Vsys2)을 갖고, 제 1 에너지 시스템(Esys1)의 시스템 전압(Vsys1)은 제 2 에너지 시스템(Esys2)의 시스템 전압(Vsys2)보다 크다.
시스템 부하(L)가 발전기(G) 및 제 1 에너지 저장소(ES1)에 의해 전류를 공급받는 무-장애(fault-free) 동작 상태에서, 제 1 에너지 시스템(Esys1)의 제 1 시스템 전압(Vsys1)은 제 1 에너지 저장소(ES1)의 충전 전압(Ves1)과 동일하다. 제 2 시스템 전압(Vsys2)은 제 2 에너지 저장소(ES2)의 충전 전압(Ves2)과 동등하다.
각각의 에너지 시스템(Esys1, Esys2)에서 및 이들 2개의 에너지 시스템들(Esys1, Esys2) 사이에서의 전류 흐름의 제어는 제어 장치(ST)에 의해 초래된다. 이 목적을 위해, 제어 장치(ST)는, 제어 장치(ST)와 온-보드 전기 시스템(BN) 또는 2개의 에너지 시스템들(Esys1, Esys2) 사이의 전기 접속들을 발생시키도록 기능하는 4개의 전기 단자들(K1, K2, K3, K4)을 갖는다.
제어 장치(ST)는 제 1 전기 단자(K1)를 통해 제 1 에너지 저장소(ES1)의 네거티브(negative) 단자에 전기적으로 접속된다.
제어 장치(ST)는 발전기(G)의 정류기(DG)의 네거티브 단자에, 제 2 에너지 저장소(ES2)의 네거티브 단자에, 시스템 부하(L)에, 및 제 2 전기 단자(K2)를 통해 전기 접지(MS)에 전기적으로 접속된다.
제어 장치(ST)는 제 3 전기 단자(K3)를 통해 제 2 에너지 저장소(ES2)의 포지티브 단자에 전기적으로 접속된다. 그러므로, 제 2 에너지 저장소(ES2)의 포지티브 단자와 네거티브 단자 사이의 전압, 즉, 제 2 에너지 저장소(ES2)의 충전 전압(Ves2)은 제 3 단자(K3)와 제 2 단자(K2) 사이에 존재한다.
제어 장치(ST)는 제 4 전기 단자(K4)를 통해 발전기(G)의 정류기(DG)의 포지티브 단자에, 제 1 에너지 저장소(ES1)의 포지티브 단자에, 및 시스템 부하(L)에 전기적으로 접속된다.
제어 장치(ST)는 또한 제 1 제어가능 스위치(S1), 제 2 제어가능 스위치(S2), 2개의 스위치들(S1 및 S2)을 제어하기 위한 제어 디바이스(SE), 제 2 에너지 저장소(ES2)로부터의 충전 전압(Ves2)을 모니터링하기 위한 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00001
), 및 발전기(G)로부터 및/또는 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터의 전류로 제 2 에너지 저장소(ES2)를 충전시키기 위한 재충전 디바이스(NL)를 포함한다.
2개의 스위치들(S1 및 S2)은 각각의 게이트 또는 제어 단자(GS1, GS2)를 통해 제어될 수 있는 정상적으로 오프 MOSFET 반도체 스위치들의 형태이다. 전압값 5V를 갖는 각각의 제어 단자(GS1, GS2)에 게이트 전압 또는 제어 전압(Vgs1, Vgs2)이 존재하는 경우에, 예를 들면, 이들 2개의 스위치들(S1, S2)이 온(on)되고, 즉 "폐쇄된(closed)" 스위칭 상태로 전환되고(transfer), 제어 전압(Vgs1, Vgs2)의 불연속의 경우 또는 5V 미만의 불충분한 전압값을 갖는 제어 전압(Vgs1, Vgs2)이 존재하는 경우에는, 예를 들면, 상기 스위치들은 오프(off)되고, 즉 "개방(open)" 스위칭 상태로 전환된다.
제 1 스위치(S1)는 제 1 단자(K1)와 제 2 단자(K2) 사이에 배열되고, 폐쇄된 스위칭 상태에서 제 1 단자(K1)와 제 2 단자(K2)를 서로 전기적으로 접속시킨다. 그러므로, 제 1 스위치(S1)는 폐쇄된 스위칭 상태에서 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 시스템 부하(L)로 제 1 폐쇄된 회로를 발생시키고, 그 결과로 시스템 부하(L)는 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 전류를 공급받는다. 개방 스위칭 상태에서, 제 1 스위치(S1)는 제 1 에너지 저장소(ES1)와 시스템 부하(L) 사이의 전기 접속을 차단(interrupt)하고, 그 결과로 폐쇄된 제 1 전류가 개방된다.
제 2 스위치(S2)는 제 1 단자(K1)와 제 3 단자(K3) 사이에 배열되고, 폐쇄된 스위칭 상태에서 제 1 단자(K1)와 제 3 단자(K3)를 서로 전기적으로 접속시킨다. 그러므로, 제 2 스위치(S2)는 폐쇄된 스위칭 상태에서, 및 동시에 제 1 스위치(S1)가 개방될 때, 제 2 에너지 저장소(ES2)를 제 1 에너지 저장소(ES1)에 및 시스템 부하(L)에 전기적으로 접속시키고, 그러므로 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 제 2 에너지 저장소(ES2)를 통해 시스템 부하(L)로의 제 2 폐쇄된 회로를 발생시킨다. 개방 스위칭 상태에서, 제 2 스위치는 제 2 에너지 저장소(ES2), 제 1 에너지 저장소(ES1), 및 시스템 부하(L) 사이의 전기 접속을 차단하고, 그 결과로 폐쇄된 제 2 회로가 개방된다.
2개의 스위치들(S1, S2)은 제어 디바이스(SE)를 통해 구동된다. 제어 디바이스(SE)는 신호 입력부(K21) 및 2개의 신호 출력부들(K22, K23)을 갖는다. 제어 디바이스(SE)는 신호 입력부(K21)를 통해 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00002
)에 전기적으로 접속된다. 제어 디바이스(SE)는 제 1 신호 출력부(K22)를 통해 또는 제 1 신호 출력부(K22)에서의 제 1 출력 신호(S111)로 제 1 스위치(S1)를 제어하고, 제 2 신호 출력부(K23)를 통해 또는 제 2 신호 출력부(K23)에서의 제 2 출력 신호(S112)로 제 2 스위치(S2)를 제어한다.
모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00003
)는 2개의 신호 입력부들(K11, K12) 및 신호 출력부(K13)를 갖는다. 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00004
)는 제어 장치(ST)의 제 3 단자(K3)에, 그러므로 또한 제 1 신호 입력부(K11)를 통해 제 2 에너지 저장소(ES2)의 포지티브 단자에 전기적으로 접속된다. 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00005
)는 제어 장치(ST)의 제 2 단자(K2)에, 그러므로 또한 제 2 신호 입력부(K12)를 통해 제 2 에너지 저장소(ES2)의 네거티브 단자 및 전기 접지(MS)에 전기적으로 접속된다. 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00006
)는 신호 출력부(K13)를 통해 제어 디바이스(SE)의 신호 입력부(K21)에 전기적으로 접속된다.
2개의 신호 입력부들(K11, K12) 사이에서, 모니터링 디바이스는 2개의 신호 입력부들(K11 및 K12) 사이의 전위차, 그러므로 제 2 에너지 저장소(ES2)의 충전 전압값(Ves2)을 측정하는 전압 측정 유닛(SM)을 갖는다. 전압 측정 유닛(SM)과 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00007
)의 신호 출력부(K13) 사이에서, 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00008
)는 또한 비교기 유닛(KP)을 갖는다. 비교기 유닛(KP)은 비-인버팅(non-inverting) 포지티브 입력부를 통해 전압 측정 유닛(SM)에 전기적으로 접속된다. 전압 임계값(TH)은 비교기 유닛(KP)의 인버팅 네거티브 입력부에 인가된다. 비교기 유닛(KP)은 포지티브 입력부에 존재하는 현재 측정된 충전 전압(Ves2)과 네거티브 입력부에 존재하는 전압 임계값(TH)을 비교하고, 비교 결과에 따라 비교 결과에 대응하는 신호 레벨을 갖는 신호(S101)를 신호 출력부(K13)를 통해 출력한다.
재충전 디바이스(NL)는 제어 장치(ST)의 제 4 단자(K4)와 제 3 단자(K3) 사이에 배열되고, DC/DC 컨버터를 포함한다(도면에서는 더이상 상세히 도시되지 않음). 제 2 에너지 저장소(ES2)는 이 재충전 디바이스(NL)를 통해 발전기(G)로부터 및/또는 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터의 전류로 충전된다.
도 1에 도시된 예시적 실시예의 온-보드 전기 시스템(BN)의 컴포넌트들 및 그들의 기능이 지금 설명되었기 때문에, 온-보드 전기 시스템(BN) 또는 온-보드 전기 시스템(BN)의 제어 장치(ST)의 동작의 모드가 하기에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
온-보드 전기 시스템(BN)은 시스템 부하(L)의 매그니튜드(magnitude)에 따라, 즉 온-보드 전기 시스템(BN)에 접속된 전력 소비자들에 의해 요구되는 전력의 양에 따라 3개의 상이한 동작 상태들로 동작된다. 이들 3개의 동작 상태들 및 이들 동작 상태들 사이의 체인지오버(changeover) 동작들이 이제 하기에서 설명될 것이다.
제 1 동작 상태에서, 온-보드 전기 시스템(BN)에서, 시스템 부하(L)는 발전기(G)에 의해 및 제 1 에너지 저장소(ES1)에 의해 전류를 공급받는다. 이 동작 상태에서, 발전기(G)와 함께 제 1 에너지 저장소(ES1)는 온-보드 전기 시스템(BN)에서 안정된 동작 전압을 유지한다. 제 1 스위치(S1)는 제어 디바이스(SE)에 의해 제어된 폐쇄된 상태로 유지된다. 제 2 스위치(S2)는 제어 디바이스(SE)에 의해 제어된 개방 스위칭 상태로 유지된다.
회로에 접속되어 있는, 차량(FZ)의 내연 기관을 위한 스타터 모터와 같은 하나 이상의 고-커패시티 전력 소비자들로 인해, 온-보드 전기 시스템(BN) 내의 전력 소비가 짧은 시간 기간 내에 심하게 증가하는 제 2 동작 상태에서, 발전기(G) 및 제 1 에너지 저장소(ES1)는 시스템 부하(L)의 심하게 증가된 전력 요구조건을 더이상 그들 단독으로 관리할 수 없다. 결과적으로, 온-보드 전기 시스템(BN) 내의 안정된 온-보드 시스템 전압은 더 이상 유지될 수 없고, 전력 소비자들 모두의 무-장애 동작을 위한 최소 요구된 동작 전압 아래로의 전압 강하(voltage dip)의 위험성이 존재한다. 이 경우에, 제 2 에너지 시스템(Esys2) 또는 제 2 에너지 저장소(ES2)가 온-보드 전기 시스템(BN)으로 접속된다. 온-보드 전기 시스템(BN)으로의 제 2 에너지 저장소(ES2)의 접속은 제어 디바이스(SE)에 의한 2개의 스위치들(S1 및 S2)의 동시의 스위치오버에 의해 발생된다. 스위치(S2)가 폐쇄되는 동시에 제 1 스위치(S1)가 개방됨으로써, 제어 디바이스(SE)는 제 2 에너지 저장소(ES2)를 제 1 에너지 저장소(ES1) 및 시스템 부하(L)에 접속시키고, 따라서 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 제 2 에너지 저장소(ES2)를 통해 시스템 부하(L)로의 제 2 폐쇄된 회로를 발생시킨다. 결과적으로, 시스템 부하(L)는 발전기(G) 및 2개의 에너지 저장소들(ES1, ES2)에 의해 전류를 공급받는다.
제 2 에너지 저장소(ES2)가 온-보드 전기 시스템(BN)으로 접속되지 않는 제 1 동작 상태에서, 상기 제 2 에너지 저장소는, 요구된다면, 발전기(G)로부터 또는 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터의 전류로 충전된다. 상기 프로세스에서, 재충전 디바이스(NL)는 충전 동작을 모니터링 및 제어한다.
그러나, 재충전 디바이스(NL)에서 또는 제 4 단자(K4)와 제 3 단자(K3) 사이의 전기 접속에서, 및 그러므로 발전기(G) 또는 제 1 에너지 저장소(ES1)와 제 2 에너지 저장소(ES2) 사이에서 시스템 장애가 발생한다면, 제어되지 않은 전류 흐름, 즉 제 4 단자(K4)와 제 3 단자(K3) 사이의 전기 접속을 통해 발전기(G)로부터 및/또는 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 제 2 에너지 저장소(ES2)로의 제어불가능한 충전 전류(Ils)가 발생된다. 결과적으로, 제 2 에너지 저장소(ES2)는 충전되고, 제 2 에너지 저장소(ES2)에서의 충전 전압값(Ves2)은 제어되지 않은 방식으로 최대 허용가능 충전 전압을 초과하여 제 1 에너지 저장소(ES1)에서의 전압 전위(Ves1)까지 증가한다. 이는 제 2 에너지 저장소(ES2)의 과충전 및 결과적으로 제 2 에너지 저장소(ES2)의 고장을 야기한다.
이러한 장애 시스템 상태에서의 제 2 에너지 저장소(ES2)의 과충전을 방지하고, 그러므로 제 2 에너지 저장소(ES2)를 고장으로부터 보호하기 위해, 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00009
)의 전압 측정 유닛(SM)은 단자들(K3, K2)을 통해 및 미리 결정된 시간 간격들로 제 2 에너지 저장소(ES2)의 충전 전압값(Ves2)을 측정한다.
측정된 충전 전압값(Ves2)은 전압 측정 유닛(SM)으로부터 비교기 유닛(KP)으로 전달된다. 그 다음에 비교기 유닛(KP)은 충전 전압값(Ves2)을, 제어 장치(ST)의 메모리 유닛(본 도면에서는 더이상 상세히 도시되지 않음) 내에 저장된 미리 결정된 전압 임계값(TH)과 비교하고, 비교 결과를 비교 결과에 대응하는 신호 레벨을 갖는 출력 신호(S101)의 형태로 제어 디바이스(SE)에 제공한다.
충전 전압값(Ves2)이 전압 임계값(TH) 미만이거나 동등하다면, 출력 신호(S101)는 논리 0(ZERO)의 신호 레벨을 갖는다. 충전 전압값(Ves2)이 전압 임계값(TH)을 초과한다면, 출력 신호(S101)는 논리 1(ONE)의 신호 레벨을 취한다.
모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00010
)의 출력 신호(S101)는 이제 신호 입력부(K21)를 통해 제어 디바이스(SE)에 의해 수신된다. 그 다음에, 제어 디바이스는 이 출력 신호(S101)의 신호 레벨에 따라 2개의 출력 신호들(S111 및 S112)을 통해 2개의 스위치들(S1 및 S2)을 제어한다.
제어 디바이스(SE)가 논리 0의 신호 레벨을 갖는 출력 신호(S101)를 수신한다면, 상기 제어 디바이스는 온-보드 전기 시스템(BN)의 현재 동작 상태에 따라, 즉 온-보드 전기 시스템(BN)에서 요구되는 전류 레벨이 얼마나 높은지에 따라 2개의 스위치들(S1, S2)을 제어한다.
제어 디바이스(SE)가 논리 1의 신호 레벨을 갖는 출력 신호(S101)를 수신한다면, 상기 제어 디바이스는 온-보드 전기 시스템(BN)의 현재 동작 상태와는 무관하게, 즉 이들 2개의 스위치들이 이 현재 동작 상태에서 어느 스위칭 상태들을 갖도록 의도되는지와는 무관하게 2개의 스위치들(S1, S2)을 폐쇄한다. 이 목적을 위해, 제어 디바이스(SE)는 2개의 출력 신호들(S111, S112)의 신호 레벨을 논리 1로 설정하고 따라서 2개의 스위치들(S1, S2)을 폐쇄한다. 온-보드 전기 시스템(BN)이 제 2 동작 상태에 있고, 제 1 출력 신호(S111)가 이미 논리 1의 신호 레벨에 있다면, 제어 디바이스(SE)는 이 출력 신호(S111)를 갖는 신호 레벨을 유지하고, 단지 제 2 출력 신호(S112)를 논리 1의 신호 레벨로 설정한다. 결과적으로, 제어 디바이스(SE)는 하나의 스위치(S1), 즉 제 2 에너지 저장소(ES2)에서의 과충전 상황의 식별 이전에 이미 폐쇄된 스위칭 상태에 있는 스위치를 폐쇄된 스위칭 상태로 유지하고, 다른 스위치(S2) 또한 폐쇄한다.
결과적으로, 단자들(K3, K1, 및 K2)은 서로에 대해 전기적으로 단락되고(short-circuited), 제 2 에너지 저장소(ES2)의 포지티브 단자로부터 전기 접지(MS)로의 폐쇄된 제 3 회로가 형성된다. 결과적으로, 제 2 에너지 저장소(ES2)는 이 폐쇄된 제 3 회로를 통해 방전된다. 바람직하게, 방전은 전기 접지(MS)를 통해, 예를 들면, 차량 바디(본 도면에서는 더이상 상세히 도시되지 않음)를 통해 발생되고, 이는 단자(31)에 의해 또한 지정되고, 과도한 전기 충전은 제 2 에너지 저장소(ES2)로부터 이 폐쇄된 제 3 회로를 통해 접지(MS)로 방전된다.
단자(K4)로부터 단자(K3)로의 또는 제 2 에너지 저장소(ES2)로의 충전 전류(Ils)는 제 3 단자(K3)로부터 제 1 단자(K1) 및 제 2 단자(K2)를 통한 전기 접지(MS)로의 전기 접속을 통해 방전된다.
결과적으로, 제 2 에너지 저장소(ES2)는 2가지 측면들(respects)에서 과충전으로부터 보호된다. 첫 번째로, 제 2 에너지 저장소(ES2)에서의 과도한 전기 충전은 제 2 에너지 저장소(ES2)의 제어된 방전에 의해 방전되고 제 2 에너지 저장소(ES2)의 과충전에 관하여 무해하게 된다(rendered). 두 번째로, 전기 접속에서의 시스템 장애들의 결과로서 발전기(G) 또는 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 제 2 에너지 저장소(ES2)로 제어되지 않은 방식으로 흐르는 전류(Ils)는 방전되고 마찬가지로 무해하게 된다.
충전 전압값(Ves2)이 다시 전압 임계값(TH) 아래로 떨어지자마자, 또는 방전 전류가 결정된 전류 임계값 아래로 떨어지자마자, 또는 결정된 시간 기간이 경과하자마자, 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00011
)는 출력 신호(S101)의 신호 레벨을 다시 논리 1로부터 논리 0으로 설정한다.
제어 디바이스(SE)가 논리 0의 신호 레벨을 갖는 출력 신호(S101)를 수신한다면, 상기 제어 디바이스는 다시 온-보드 전기 시스템(BN)의 현재 동작 상태에 따라, 즉 현재 온-보드 전기 시스템(BN)에서의 전력 요구 레벨이 얼마나 높은지에 따라 2개의 스위치들(S1, S2)을 제어한다.
대안적 실시예에서, 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00012
)는 또한, 예를 들면, 제 2 에너지 저장소(ES2)에서의 충전 전압값(Ves2)에 더하여 온도와 같은 다른 파라미터들을 검출하고, 제 2 에너지 저장소(ES2)의 전압값의 변화는 제 2 에너지 저장소(ES2)의 충전 커패시티에서의 변화를 야기한다. 충전 전압값(Ves2) 및 현재 검출된 파라미터 값들에 기초하여, 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00013
)는 제 2 에너지 저장소(ES2)가 완전히 충전되었는지의 여부 또는 과충전의 위험성이 존재하는지의 여부를 식별한다.
충전 전압값(Ves2)으로부터 및 추가 파라미터 값들로부터 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00014
)에 의해 검출된 이 정보에 기초하여, 모니터링 디바이스(
Figure 112012000688717-pct00015
)는 제 2 에너지 저장소(ES2)의 방전을 위해 요구되는 시간 기간(T)을 계산하고, 이 시간 기간(T) 동안 출력 신호(S101)를 논리 1의 신호 레벨로 설정한다. 결과적으로, 제 2 에너지 저장소(ES2)는 제 2 에너지 저장소(ES2)로부터 과도한 전기 충전들을 제거하기 위해 요구되는 시간 기간(T) 동안 단지 방전된다.
대안적으로, 제 2 에너지 저장소의 이러한 과충전은, 과전압 보호를 갖는 전압 제한 회로, 또는 가용성 링크(fusible link)를 갖는 또는 갖지 않는 부가적인 사이리스터 회로를 이용하여 시작부터 회피될 수 있고, 상기 회로들이 2개의 에너지 시스템들 사이의 전기 접속부들내에 배열되는 것은 가능하다. 미리 결정된 충전 전압값이 제 2 에너지 저장소에 도달하면, 이들 회로들은 발전기로부터 또는 제 1 에너지 시스템으로부터 제 2 에너지 시스템으로의 전류 흐름을 차단하고, 따라서 제 2 에너지 저장소의 과충전을 방지한다.

Claims (7)

  1. 차량(FZ)을 위한 온-보드(on-board) 전기 시스템(BN)으로서,
    적어도 하나의 전력 소비자를 갖는 시스템 부하(L),
    상기 시스템 부하(L)에게 전류를 제공하기 위한 제 1 에너지 저장소(ES1),
    상기 시스템 부하(L)에게 전류를 제공하기 위한 제 2 에너지 저장소(ES2) ― 상기 제 2 에너지 저장소(ES2)는 재충전 가능함 ―;
    폐쇄된 스위칭 상태에서 상기 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 상기 시스템 부하(L)로의 제 1 폐쇄된 회로를 발생시키는 제 1 제어가능 스위치(S1),
    폐쇄된 스위칭 상태에서 상기 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터 상기 제 2 에너지 저장소(ES2)를 통해 상기 시스템 부하(L)로의 제 2 폐쇄된 회로를 발생시키는 제 2 제어가능 스위치(S2),
    상기 제 2 에너지 저장소(ES2)에서의 전압값(Ves2)을 검출하고, 현재 검출된 전압값(Ves2)을 미리 결정된 전압 임계값(TH)과 비교하기 위한 모니터링 디바이스(
    Figure 112013079938093-pct00016
    ), 및
    상기 제 1 스위치(S1) 및 상기 제 2 스위치(S2)를 폐쇄함으로써 상기 제 2 에너지 저장소(ES2)로부터 상기 제 1 스위치(S1) 및 상기 제 2 스위치(S2)를 통해 제 3 폐쇄된 회로를 발생시키고, 이에 따라 상기 현재 검출된 전압값(Ves2)이 상기 전압 임계값(TH)을 초과할 때 상기 제 2 에너지 저장소(ES2)를 방전시키기 위한 제어 디바이스(SE)
    를 갖는,
    온-보드 전기 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 에너지 저장소(ES1)로부터의 충전 전류(Ils)로 상기 제 2 에너지 저장소(ES2)를 충전시키기 위한 재충전 디바이스(NL)를 더 갖는,
    온-보드 전기 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(SE)는, 상기 현재 검출된 전압값(Ves2)이 상기 전압 임계값(TH)을 초과할 때 제 1 폐쇄된 스위치(SW1) 및 제 2 폐쇄된 스위치(SW2)를 통해 전기 접지(MS)로 충전 전류(Ils)를 방전시키도록 추가로 설계되는,
    온-보드 전기 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모니터링 디바이스(
    Figure 112013079938093-pct00017
    )는 상기 제 2 에너지 저장소(ES2)의 충전 커패시티에 관련된 적어도 하나의 파라미터에 따라 상기 전압 임계값(TH)을 미리 결정하는,
    온-보드 전기 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 디바이스(SE)는 미리 결정된 시간 기간(T) 동안 상기 제 1 스위치(S1) 및 상기 제 2 스위치(S2)를 상기 폐쇄된 스위칭 상태로 유지하고,
    상기 제어 디바이스(SE)는 상기 전압 임계값(TH)과 비교한 상기 현재 검출된 전압값(Ves2)에 따라 상기 시간 기간(T)을 미리 결정하는,
    온-보드 전기 시스템.
  6. 온-보드 전기 시스템(BN)에서의 전류 흐름을 제어하기 위한 제어 장치(ST)로서,
    상기 제어 장치(ST)와 상기 온-보드 전기 시스템(BN) 사이에 전기 접속들을 발생시키기 위한 제 1 전기 단자(K1), 제 2 전기 단자(K2) 및 제 3 전기 단자(K3),
    상기 제 1 단자(K1)와 상기 제 2 단자(K2) 사이에 배열되고, 폐쇄된 스위칭 상태에서 상기 제 1 단자(K1)를 상기 제 2 단자(K2)에 전기적으로 접속시키는 제 1 제어가능 스위치(S1),
    상기 제 1 단자(K1)와 상기 제 3 단자(K3) 사이에 배열되고, 폐쇄된 스위칭 상태에서 상기 제 1 단자(K1)를 상기 제 3 단자(K3)에 전기적으로 접속시키는 제 2 제어가능 스위치(S2),
    상기 제 3 단자(K3)와 상기 제 2 단자(K2) 사이의 전압값(Ves2)을 검출하고, 현재 검출된 전압값(Ves2)을 미리 결정된 전압 임계값(TH)과 비교하기 위한 모니터링 디바이스(
    Figure 112013079938093-pct00018
    ), 및
    상기 제 1 스위치(S1) 및 상기 제 2 스위치(S2)를 폐쇄하거나, 상기 현재 검출된 전압값(Ves2)이 상기 전압 임계값(TH)을 초과할 때 상기 제 1 스위치(S1) 및 상기 제 2 스위치(S2)를 폐쇄된 스위칭 상태로 홀딩(holding)하기 위한 제어 디바이스(SE)
    를 갖는,
    전류 흐름을 제어하기 위한 제어 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 온-보드 전기 시스템(BN)을 갖는 차량(FZ).
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