KR102000237B1 - 전기 시스템 및 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법 - Google Patents

전기 시스템 및 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 전기 시스템(1)으로서, 상기 전기 시스템(1)은 적어도 하나의 저전압 부하(29)용 저-전압 서브네트워크(21) 및 전기 발전기(23) 및 적어도 하나의 고전압 부하(25)용 고-전압 서브네트워크(20)를 포함한다. 상기 고-전압 서브네트워크(20)는 배터리(40)를 포함하고, 상기 배터리(40)는 고전압을 생성하여 이를 상기 고-전압 서브네트워크(20)로 출력하도록 설계되며, 그리고 개별 전압 탭들(42)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛(41)을 포함한다. 상기 고-전압 서브네트워크(20)는 커플링 유닛(33)을 통해 상기 저-전압 서브네트워크(21)에 연결되고, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 고-전압 서브네트워크(20)에서 에너지를 추출하여 상기 에너지를 상기 저-전압 서브네트워크(21)로 공급하도록 설계된다. 상기 커플링 유닛(33)은 상기 저-전압 서브네트워크(21)에 상기 배터리 유닛들(41)을 선택적으로 접속하도록 설계된다. 본 발명은 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법, 자동차, 및 상기 방법을 수행하도록 설계된 배터리 관리 시스템 및 컴퓨터 프로그램과도 관련이 있다.

Description

전기 시스템 및 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법{Electrical system and method for operating an electrical system}
본 발명은, 자동차용 차량 전기 시스템 및 차량 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 상기와 같은 전기 시스템이 구비된 자동차, 그리고 전술된 방법을 실행하도록 설계된 배터리 관리 시스템 및 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
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 발명에 의하면, 자동차용 차량 전기 시스템은 적어도 하나의 저-전압 부하용 저-전압 서브네트워크 및 전기 발전기 및 적어도 하나의 고-전압 부하용 고-전압 서브네트워크를 구비하며, 고-전압 서브네트워크는 커플링 유닛을 통해 저-전압 서브네트워크에 연결되고, 커플링 유닛은 고-전압 서브네트워크에서 에너지를 추출하여 저-전압 서브네트워크로 공급하도록 구성되며 고-전압 서브네트워크는 배터리를 포함하고, 배터리는 고전압을 생성하여 고-전압 서브네트워크로 출력하도록 구성되며, 그리고 커플링 유닛으로 이어져 있는 개별 전압 탭(individual voltage tap)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛을 포함하며, 커플링 유닛은 저-전압 서브네트워크로 배터리 유닛들을 선택적으로 접속하도록 구성된다.
본 발명은, 저-전압 서브네트워크에 의해, 낮은 제1 전압에 부합하게 구성되는 전기 부하들이 작동될 수 있으며, 그리고 고전압 부하들에 대하여는 고-전압 서브네트워크, 다시 말하면 상기 제1 전압에 비해 높은 전압을 갖는 전기 서브네트워크가 마련된다는 이점을 지닌다. 저-전압 서브네트워크로의 전력 공급은 고-전압 서브네트워크에서의 충전 및 방전 과정들에 중첩된다. 그 대신에, 고-전압 서브네트워크를 통한 저-전압 서브네트워크로의 전력 공급은 단일 방향으로 이루어지며, 다시 말하면 커플링 유닛은 한 방향으로만 에너지 전달을 제공하는 것이 바람직하다.
"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.
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 전기 시스템 및 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, 고-전압 서브네트워크의 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.
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. 이로써, 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 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.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 저-전압 서브네트워크는 적어도 하나의 에너지 저장 장치(energy storage)를 구비하며, 에너지 저장 장치는 저-전압을 발생하여 저-전압 서브네트워크로 출력하도록 구성되어 있다. 또한, 에너지 저장 장치는 더블 레이어 커패시터(double layer capacitor)로서 설계될 수 있다. 몇몇 실시 예들에 따른 저-전압 서브네트워크가 단지 고-전압 서브네트워크의 배터리 유닛들에 의해서만 작동될 수 있기 때문에, 저-전압 서브네트워크 내에 배치된 에너지 저장 장치가 원칙적으로는 전기 시스템용으로 불필요하다. 그러나 저-전압 서브네트워크에 배치된 에너지 저장 장치의 사용은, 고-전압 서브네트워크의 배터리 유닛이 리튬이온 배터리들을 포함하는 경우에 특히 바람직하다. 리튬이온 배터리는, 이 배터리가 특정 용도 또는 상황, 특히 예를 들어 낮은 온도에서는 최고의 성능을 제공할 수 없다는 단점을 갖는다. 저-전압 서브네트워크에 배치된 에너지 저장 장치는 이와 같은 상황을 보상함으로써, 결과적으로 더 극단적인 상황에서도 안정적인 시스템이 제공되게 한다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 저-전압 서브네트워크는 적어도 하나의 커패시터를 구비한다. 커패시터는 접속된 배터리 유닛의 교체시 저-전압을 계속해서 안정시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 커패시터의 치수 측정은 바람직하게는 하기 식
Figure 112016082953480-pct00001
에 따라 선택될 수 있으며, 위의 식에서 Imax는 스위칭 작동들 동안 저-전압 서브네트워크에서 흐를 수 있는 전기 시스템의 최대 전류이고, tumschalt(스위칭)는 어떠한 배터리 유닛(41)도 전력 공급을 위해 준비가 되어 있지 않은 기간이며, 그리고 ΔUmax는 스위칭 동안 전기 시스템 전압의 최대 허용 변동이다. 또한, 커패시터는 적어도 단시간 동안 저-전압을 발생하여 저-전압 서브네트워크로 출력하도록 구성되어 있는 에너지 저장 장치로서 적합한 것이 바람직하다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 저-전압 서브네트워크는 스타터를 구비한다. 스타터는 출발/정지 시스템용으로 설계되어 있고 내연 기관을 시동하기 위한 스위치를 작동시키도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
자동차용 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법으로서, 전기 시스템이 적어도 하나의 저-전압 부하용 저-전압 서브네트워크 및 전기 발전기 및 적어도 하나의 고-전압 부하용 고-전압 서브네트워크를 구비하며, 고-전압 서브네트워크가 커플링 유닛을 통해 저-전압 서브네트워크에 연결되고, 커플링 유닛이 고-전압 서브네트워크에서 에너지를 추출하여 저-전압 서브네트워크로 공급하도록 구성되며 고-전압 서브네트워크가 배터리를 포함하고, 배터리가 고전압을 생성하여 고-전압 서브네트워크로 출력하도록 구성되며, 그리고 커플링 유닛으로 이어져 있는 개별 전압 탭(individual voltage tap)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛을 포함하며, 커플링 유닛은 저-전압 서브네트워크로 배터리 유닛들을 선택적으로 접속하도록 구성되는, 자동차용 전기 시스템을 작동시키기 위한 방법에서는, 최고의 충전 상태를 지니는 배터리 유닛이 저-전압 서브네트워크에 접속되는 것이 제공된다.
본 발명에 따른 방법은, 작동 중에 배터리 유닛들이 거의 동일한 충전 상태를 갖는 상태가 설정된다는 장점을 갖는다. 이와 같은 장점은 특히, 셀들이 균일하게 에이징(aging)됨으로써, 다시 말해 예를 들어 동일한 내부 저항 및 동일한 커패시턴스를 가짐으로써 달성된다. 이때, 저-전압 서브네트워크의 전력 공급은 한 배터리 유닛으로부터, 저-전압 서브네트워크에 전력을 공급하기 위해 현재 이용되는 배터리 유닛보다 상응하게 높은 충전 상태를 갖는 배터리 유닛으로 교체된다.
다른 한 가지 장점은, 현재 최고의 성능을 갖는 배터리 유닛이 각각 사용되기 때문에, 저-전압 서브네트워크에서의 시동 과정을 위한 요구조건들이 충족된다는 것이다. 저-전압 서브네트워크로의 전력 공급이 고-전압 서브네트워크에서 이루어지는 충전 및 방전 과정들에 중첩되고, 저-전압 서브네트워크로의 전력 공급이 단일 방향으로 이루어지기 때문에, 본 발명에 따른 방법에 의해서는, 항상 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛이 다른 서브배터리들보다 더 신속하게 방전되고 더 느리게 충전되도록 보장된다. 그 결과, 서브배터리들의 충전 상태의 대칭화가 이루어진다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 접속된 배터리 유닛의 교체는 배터리 유닛들의 충전 상태 차의 임계값이 초과하게 되는 경우에 이루어진다. 이와 같은 상황은, 배터리 유닛의 충전 상태가 동일하거나 유사한 경우에는 하나의 배터리로부터 다음 배터리로의 더 신속하고 영구적인 교체가 이루어지지 않고, 이용되지 않은 배터리 유닛이 각각 최고의 충전 상태를 갖게 되면 역-교체가 이루어짐으로써 달성된다. 배터리 유닛들의 충전 상태 차의 임계값이 0.5% 내지 20%, 바람직하게는 1% 내지 5%, 가장 바람직하게는 약 2%의 규정된 값인 것이 더 바람직하다.
한 바람직한 실시 예에 의하면, 접속된 배터리 유닛의 교체는, 제1 단계에서 하나의 전류공급용 배터리 유닛이 스위치 오프되고, 그 후에 제2 단계에서 선택된 다른 한 배터리 유닛이 스위치 온됨으로써 이루어진다. 특히, 커플링 유닛이 통전(通電) 처리용 차단기인 역방향 차단용 스위치를 구비하는 경우에 한 가지 장점이 나타난다. 역방향 차단용 스위치의 기능으로 인해, 스위치들이 동시에 작동되는 경우에는, 저-전압 서브네트워크의 양극이 스위칭 단계 동안 2개 배터리 유닛의 전위들 중 상대적으로 더 높은 전위에 연결될 것이고, 전기 시스템의 음극은 2개 배터리 유닛의 전위들 중 상대적으로 더 낮은 전위에 연결될 것이며, 이와 같은 상황은 전압이 증가되는 결과를 초래한다. 상기 제안된 스위칭 전략에 의해, 저-전압 서브네트워크의 사양이 허용하는 것보다 더 큰 전압이 단시간 동안 저-전압 서브네트워크에 공급되는 상황이 방지된다. 또한, 바람직한 스위칭 개념은 사용된 커플링 유닛에서의 스위칭 작동이 이루어질 때 단시간 동안 저-전압이 증가하지 않게 하는 것이다. 예를 들어 저-전압 서브네트워크의 커패시터로서 형성된 버퍼 장치와 협력하여, 저-전압 서브네트워크에서 발생하는 전압 강하가 제한되는 것이 더 바람직하다.
전기 시스템의 전력이 최대한 낮은 시점들에서 스위칭이 이루어지는 경우에 저-전압 서브네트워크에서의 전압 강하는 추가로 바람직하게 감소될 수 있다. 이는 예컨대 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.
본 발명에 의하면, 컴퓨터 프로그램이 프로그래밍 가능한 컴퓨터 장치상에서 실행될 때에, 본원에 기술된 방법들 중 하나를 실시하게 하는 컴퓨터 프로그램이 또한 제안된다. 컴퓨터 프로그램에는 예를 들어 차량 전기 시스템을 작동시키기 위한 장비를 구현하기 위한 모듈 또는 차량 배터리 관리 시스템을 구현하기 위한 모듈이 포함될 수 있다. 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.
본 발명에 의하면, 전기 시스템을 작동시키기 위한 전술한 방법들 중 하나를 수행하기 위한 장비들을 구비하는 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS)도 제공된다. 특히, 배터리 관리 시스템은, 배터리 유닛의 충전 상태, 특히 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛을 검출하도록 설계된 유닛, 및 특히 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛들이 저-전압 서브네트워크에 선택적으로 스위치 온되게끔 커플링 유닛을 제어하도록 설계된 유닛을 구비한다.
다른 한 실시 예에 의하면, 배터리 관리 시스템은, 추후에 커플링 유닛을 이용해서, 접속된 배터리 유닛의 교체를 수행하기 위하여, 배터리 유닛들의 충전 상태 차의 임계값이 초과되었는 지를 결정하도록 설계된 또 다른 유닛을 포함한다.
더욱이, 본 발명에 의하면, 내연기관 및 위에 기재한 전기 시스템이 장착된 자동차도 명시된다.
발명의 효과
본 발명은, 차량용 리튬이온 배터리 시스템이 구비된 저렴한 전기 시스템을 제공하며, 이와 같은 전기 시스템은 예를 들어 48-볼트-발전기가 구비된 고-전압 서브네트워크, 및 예를 들어 14-볼트-스타터를 갖춘 저-전압 서브네트워크, 및 저-전압 서브네트워크에 단일 방향으로 전력을 공급하는 부스트 회생 제동 시스템을 구비한다. 이 경우, 공지된 시스템들에 견주어 볼 때, 전위 분리용 DC/DC 컨버터뿐만 아니라 납산 배터리가 생략될 수 있다. 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.
또한, 시스템은 적은 체적, 가벼운 중량 그리고 긴 수명을 특징으로 한다. 무정전(multiple redundant) 저-전압 서브네트워크에 기인하여, 시스템의 가용성(availability)이 상대적으로 높아지게 되고, 이로 인해 콜드 스타트(cold start)시에서도 고성능 요건들이 유효하게 된다.
본 발명에 따른 제안된 방법은, 저-전압 서브네트워크에 전력을 공급해 주고 시동 과정에서 전기 에너지를 공급해주는 작동 전략을 포함한다. 이때, 전기 에너지의 저장은, 가급적 많은 전기 에너지가 제동 과정에서 회수될 수 있고 그럼으로써 배터리가 가급적 고성능으로 충전될 수 있도록 최적화되어 있다.
그 외에도, 회복 과정에서 전기 에너지의 저장이 가능하게 되고, 가급적 많은 전기 에너지가 부스트-과정에서 제공된다. 콜드 스타트 및 출발/정지 과정들은 고-출력으로, 필요한 경우에는 신속하게 반복적으로 실시될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 첨부도면들에 도시되어 있고 하기의 기재내용에서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 선행 기술에 따른 저-전압 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 고-전압 서브네트워크 및 저-전압 서브네트워크, 및 단방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터를 포함하는 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 고-전압 서브네트워크 및 저-전압 서브네트워크, 및 양방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터를 포함하는 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 고-전압 서브네트워크 및 저-전압 서브네트워크, 및 단방향 갈바닉 비분리용 DC/DC 컨버터를 포함하는 전기 시스템을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시 예에 따른 커플링 유닛을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 커플링 유닛을 전형적인 작동 상태로 도시한 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 커플링 유닛을 전형적인 스위칭 과정에서 도시한 도면이다.
도 8은 역방향 차단용 스위치를 도시한 도면이다.
도 1에는, 선행 기술에 따른 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 내연기관의 시동시, 예컨대 해당 스타터 신호에 의해 스위치(12)가 닫히게 될 때, 전기 시스템(1)을 통해 스타터 배터리(10)로부터의 전압이 내연기관(도시되지 않음)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 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, 고-전압 서브네트워크(20), 저-전압 서브네트워크(21), 및 고-전압 서브네트워크(20)와 저-전압 서브네트워크(21) 간에 커플링 유닛을 형성하는 단방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터(22)를 포함하는 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 전기 시스템(1)은 차량, 특히 자동차, 화물 운송 차량 또는 지게차의 전기 시스템일 수 있다.
고-전압 서브네트워크(20)는 예컨대 내연기관(도시되지 않음)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 고-전압 서브네트워크(20)로 공급하도록 구성된다. 고-전압 서브네트워크(20)는 예컨대 리튬이온 배터리로서 형성될 수 있으며 필요한 작동 전압을 고-전압 서브네트워크로 공급하도록 구성되는 배터리(24)를 부가적으로 포함한다. 고-전압 서브네트워크(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 저-전압 서브네트워크(21)에는, 내연기관을 시동하기 위해 스위치(27)를 닫도록 구성되는 스타터(26)뿐만 아니라, 저-전압 서브네트워크(21)용 저전압을 예컨대 14볼트의 레벨로 공급하도록 구성된 에너지 저장 장치(28)가 있다. 저-전압 서브네트워크(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. 저-전압 서브네트워크(21)의 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 고-전압 서브네트워크(20) 및 발전기(23)에 연결된다. DC/DC 컨버터(22)는 출력 측에서 저-전압 서브네트워크(21)에 연결된다. DC/DC 컨버터(22)는, 입력 측에서 수신되는 DC 전압, 예컨대 고-전압 서브네트워크을 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, 고-전압 서브네트워크(20) 및 저-전압 서브네트워크(21)를 포함하는 전기 시스템(1)으로서, 고-전압 서브네트워크(20) 및 저-전압 서브네트워크(21)가 양방향 전위 분리용 DC/DC 컨버터(31)에 의해 연결되는, 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 도시된 전기 시스템(1)은 실질적으로 도 2에 도시된 전기 시스템처럼 형성되고, 발전기는 고-전압 서브네트워크에 통합되며, 그리고 전기 서브네트워크들(20, 21) 간의 전력 전달을 위해 전위 분리용으로 구현되는 DC/DC 컨버터(31)가 사용된다. 또한, 양자 모두의 서브네트워크들(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 저-전압 서브네트워크(21)에 위치하고 그 결과 DC/DC 컨버터(22)는 고-전압 서브네트워크(20)로부터 저-전압 서브네트워크(21) 내로의 에너지 전달을 위해 단방향으로 구성될 수 있는 반면, 도 3에 도시된 아키텍처 경우에는 스타터 발전기(30)가 고-전압 서브네트워크(20)에서 사용된다. 이 경우에, DC/DC 컨버터(31)는 양방향으로 구현되며, 그럼으로써 리튬이온 배터리(24)는 필요한 경우 저-전압 서브네트워크(21)를 통해 부하가 걸리게 될 수 있다. 이때, 저전압 차량의 시동 보조는 저전압 인터페이스 및 DC/DC 컨버터(31)를 통해 수행된다.
도 4에는, 고-전압 서브네트워크(20)와 저-전압 서브네트워크(21)를 포함하는 전기 시스템(1), 예컨대 차량, 특히 자동차, 화물 운송 차량 또는 지게차의 전기 시스템(1)이 도시되어 있다. 전기 시스템(1)은 특히 48볼트 발전기, 14볼트 스타터 및 부스트 회생 제동 시스템이 장착된 차량에서의 이용에 적합하다.
고-전압 서브네트워크(20)는, 내연기관(도시되지 않음)에 의해 작동될 수 있는 발전기(23)를 포함한다. 발전기(23)는, 차량 엔진의 회전 운동에 따라 전기 에너지를 생성하고 이를 고-전압 서브네트워크(20)로 공급하도록 구성된다. 고-전압 서브네트워크(20)에는, 예컨대 고전압으로 작동되는 자동차의 적어도 하나의 전기 부하, 바람직하게는 복수의 전기 부하에 의해 형성될 수 있는 부하 저항기들(25)이 배치된다.
또한, 고-전압 서브네트워크(20)는, 예컨대 리튬이온 배터리로서 형성될 수 있으면서 고-전압 서브네트워크(20)로 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 팁(42-1, 42-2,… 42-n+1)이 할당되어 있으며, 이러한 개별 전압 탭을 통해서 전압이 커플링 유닛(33)에 공급된다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 배터리 유닛(41-1, 41-2,… 41-n)이 직렬로 접속된 경우에는, 개별 전압 탭(42)이 배터리 유닛들(41) 사이에 배치되어 있으며, 배터리(40)의 단부에 각각 하나씩 배치되어 있다. 그럼으로써, 배터리 유닛의 개수가 n개인 경우에는, n+1개의 탭(42)이 나타난다. 추가의 개별 전압 탭(42)에 의해서는, 리튬이온-배터리(40)가 복수의 배터리 유닛(41-1, 41-2,… 41-n)으로 나뉘고, 이들 배터리 유닛은 본 발명의 범위 내에서 서브배터리로서도 언급될 수 있다. 개별 전압 탭(42)은, 저-전압 서브네트워크(21), 다시 말해 14-볼트 전기 시스템에 제공될 수 있는 하나의 전압 레벨을 배터리 유닛들(41)이 각각 갖도록 선택되어 있다. 배터리 유닛(41)의 개별 전압 탭(42)은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 커플링 유닛(33)에 이어져 있다. 커플링 유닛(33)은, 저-전압 서브네트워크(21)를 작동시키거나 지원할 목적으로 배터리(40)의 적어도 하나의 배터리 유닛(41)을 저-전압 서브네트워크(21)에 접속시키는 태스크를 갖는다.
커플링 유닛(33)은 저-전압 서브네트워크(21)와 고-전압 서브네트워크(20)를 연결하고 출력 측에서는 저-전압 서브네트워크(21)로 필요한 작동 전압, 예컨대 12V 또는 14V를 공급한다. 커플링 유닛(33)의 구성 및 작동은 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명된다.
저-전압 서브네트워크(21)는, 예컨대 14V 전압에서의 작동에 부합하게 구성되는 저전압 부하들(29)을 포함한다. 저-전압 서브네트워크(21)는 또한 스타터(26)를 구비하며, 이 스타터는, 내연 기관을 시동하기 위한 스위치(27)를 작동하도록 구성되어 있다.
특히 예컨대 차량의 콜드 스타트 동안 저-전압 서브네트워크(21)의 스타터에 전력을 공급하기 위해, 저-전압 서브네트워크(21)에서는 다른 하나의 에너지 저장 장치(28)를 사용할 수 있다. 에너지 저장 장치(28), 예를 들어 배터리는 단시간 동안 매우 높은 전류를 공급할 수 있고, 시동 단계에서 리튬이온 배터리(40)의 부하를 경감시킬 수 있다. 특히, 낮은 온도에서는 고-전류를 공급할 수 없다는 리튬이온 배터리의 공지된 약점이 미치는 영향은, 도 4에 도시된 시스템 내에서 에너지 저장 장치(28)를 사용함으로써 완화된다. 에너지 저장 장치(28)가 더블 레이어 커패시터(double layer capacitor)로서 구현된 경우에, 시동 전류는 또한 많은 총 횟수로 배터리의 전체 수명에 걸쳐서, 그리고 개별 시동 과정에서도 경우에 따라서는 여러 번 연속적으로 이루어질 수 있는데, 다시 말해 시동 시도가 실패한 경우에는 에너지 저장 장치를 재충전한 후에 이루어질 수 있다. 이러한 방식으로, 저-전압 서브네트워크(21)에서 전기 에너지를 이용할 수 있는 매우 높은 가용성을 가지면서 단시간 동안 매우 높은 성능을 공급할 수 있는, 다시 말해 고성능에 맞추어 최적화된 시스템이 실현될 수 있다. 고성능 저장 장치(28)는 또한, 배터리 유닛들(41)의 스위칭시 과전압을 회피하려는 목적을 충족시킨다. 고성능 저장 장치(28)로서 커패시터가 사용되면, 커패시터의 치수 측정은 바람직하게는 하기 식
Figure 112016082953480-pct00002
에 따라 선택될 수 있으며, 위의 식에서 Imax는 스위칭 작동들 동안 전기 시스템에서 흐를 수 있는 전기 시스템의 최대 전류이고, tumschalt(스위칭)는 어떠한 배터리 유닛(41)도 전력 공급을 위해 준비가 되어 있지 않은 기간이며, 그리고 ΔUmax는 스위칭 동안 전기 시스템 전압의 최대 허용 변동이다.
한 실시 예에 의하면, 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, 저-전압 서브네트워크(21) 내의 저전압 부하들(29)로 대기 전류를 공급할 수 있다.
도 4에 도시된 전기 시스템은 배터리 관리 시스템(battery management system; BMS)(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 배터리 관리 시스템은, 온도, 공급 전압, 출력 전류 및 배터리(40) 혹은 배터리 유닛(41)의 충전 상태에 대한 측정 데이터를 수집하고, 처리하며, 이로부터 예를 들어 배터리(40)의 건강 상태에 대한 진술을 획득하도록 설계되어 있는 제어 장치를 포함한다. 이때, 배터리 관리 시스템은, 커플링 유닛(33)이 배터리 유닛(41)을 선택적으로 저-전압 서브네트워크(21)로 스위칭할 수 있게끔 커플링 유닛을 조절하도록 설계되어 있는 유닛을 포함한다.
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 않고 단지 극성만을 달리하여 장착된다. 역방향 차단용 스위치들(44, 45)의 더 상세한 구성에 대한 예는 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
커플링 유닛(33)에서, 배터리 유닛(41)의 개별 탭(42)은 각각 분기점(43)에서 분기되어, 각각 상이한 역방향 차단용 스위치(RSS_I(45) 및 RSS_r(44)) 중 하나로 이어져 있다. 역방향 차단용 스위치(RSS_I(45))는 커플링 유닛(33)의 출력 측에서 양극(52)과 접속되어 있고, 역방향 차단용 스위치(RSS_r(44))는 커플링 유닛(33)의 출력 측에서 음극(51)에 접속되어 있다.
도 6에는, 예를 들어 배터리 유닛(41-2)으로부터 관련 탭들(42-2, 42-3)을 통해 저-전압 서브네트워크(21)에 전력을 공급하는 구성이 도시되어 있다. 양극(52)으로부터, 전류 경로(61)는 역방향 차단용 스위치(RSS_I(45-i)), 분기점(43-i) 및 전압 탭(42-2)을 거쳐서, 접속된 배터리 유닛(41-2)으로 이어져 있고, 그곳으로부터 접속된 배터리 유닛(41-2)을 따라 배치된 전압 탭(42-3), 분기점(43-j) 및 또 다른 하나의 역방향 차단용 스위치(RSS_r(44-i))를 거쳐서 음극(51)으로 이어져 있다. 제1 분기점(43-i)에서는, 다른 하나의 역방향 차단용 스위치(RSS_r(44-j))로의 연결이 이루어진다. 그러나 본 실시 예에서는, 다른 하나의 역방향 차단용 스위치가 역방향 차단을 수행하도록 형성되어 있기 때문에, 전류가 흐를 수 없다. 통상의 MOSFET-스위치 경우에는, 다른 하나의 역방향 차단용 스위치가 역방향으로 도통됨으로써, 결과적으로 전류 경로는 배터리 유닛(41-2)을 거쳐 이어지지 않고, 오히려 스위치(RSS_r(44-j))를 거쳐 이어지게 된다. 재차 차단 작용을 하는 역방향 차단용 스위치(RSS_I(45-j))로 이어지게 됨으로써, 마찬가지로 전류 흐름이 불가능한 제2 분기점(43-j)에 대해서도 동일한 내용이 적용된다.
저-전압 서브네트워크(21)의 기준에 기반을 두고 이루어지는 고-전압 서브네트워크(20)의 전압 레벨은, 배터리 유닛들(41) 중 어느 배터리 유닛이 접속되어 있는지에 의존하여 이루어진다. 그러나 작동 상태들 중 어떠한 작동 상태도 고전압과 저전압의 합과 동일한 전압 한도, 다시 말하면 48볼트 서브네트워크와 14볼트 서브네트워크에서의 약 62볼트를 초과하는 레벨의 전위들 중 어느 한 전위도 지니지 않는다. 그러나 저-전압 서브시스템(21)의 기준에 대해 음극 전위가 발생할 수 있다.
고전압 발전기(23)의 작동은 커플링 유닛(33)의 작동 및 저-전압 서브네트워크(21)로의 전력 공급과는 별개로 이루어진다. 저-전압 서브네트워크(21)에 전력을 공급하는 배터리 유닛(41)이 접속된 경우에는, 저-전압 서브네트워크 전류 및 경우에 따라 발전기(23)에 의해 전체 리튬이온 배터리(40) 내로 공급된 충전 전류(발전기 모드)를 통한, 또는 전체 리듐이온 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. 저-전압 서브네트워크(21)가 확실하게 전력을 공급받도록 하기 위해, 정확하게 배터리 유닛들(41) 중 하나의 배터리 유닛은 커플링 유닛(33)의 해당 스위치들(44, 45)을 통해 접속된다. 저-전압 서브네트워크(21)로 수회 중복해서 전력이 공급됨으로 인해, 바람직한 아키텍처에 의해, 저-전압 서브네트워크(21)에서 전기 에너지의 가용성이 매우 높은 시스템이 구성될 수 있다.
도 7에는, 예를 들어 커플링 유닛(33)을 이용해서 이루어지는 배터리 유닛(41-1)으로부터 배터리 유닛(41-n)으로의 스위칭 과정이 도시되어 있다. 스위칭 전에는, 제1 전류 경로(71)가 제1 역방향 차단용 스위치(RSS_I(45-i)), 제1 배터리 유닛(41-1)에 할당된 제1 전압 탭(42-1, 42-2), 및 제2 역방향 차단용 스위치(RSS_r(44-i))를 거쳐서 음극(51)으로 이어져 있다. 스위칭 후에는, 전류 경로(72)가 제2 역방향 차단용 스위치(RSS_I(45-k)), n번째 배터리 유닛(41-n)에 할당된 제1 전압 탭(42-n, 42-n+1), 및 다른 하나의 역방향 차단용 스위치(RSS_r(44-k))를 거쳐서 음극(51)으로 이어져 있다.
교체를 위해, 역방향 차단용 스위치(45-i, 44-i)가 스위치 오프되고, 다른 역방향 차단용 스위치(45-k, 44-k)가 스위치 온된다. 커플링 유닛(33)이 스위치(45-i, 44-i, 45-k, 44-k)에 대한 스위칭 명령을 동시에 얻게 되면, 상기 역방향 차단용 스위치들의 기능으로 인해, 저-전압 서브네트워크의 양극(52)은 전력 스위치의 스위칭 단계 동안 2개 서브배터리의 전위들 중 상대적으로 더 높은 전위에 연결될 것이고, 음극(51)은 스위칭 단계 동안 2개 서브배터리의 전위들 중 상대적으로 더 낮은 전위에 연결될 것인데, 다시 말해 본 예에서 배터리 유닛(41-n)의 음극에 연결될 것이다. 이로써, 저-전압 서브네트워크의 사양이 허용하는 것보다 더 큰 전압이 단시간 동안 저-전압 서브네트워크에 인가될 것이다. 도 6에 도시된 예에서는, 직렬 접속된 배터리 유닛(41) 때문에 저-전압 서브네트워크(21)에는 단기간 동안 전체 서브배터리의 총 전압이 공급될 것이다. 이와 같은 과전압을 회피하기 위해, 커플링 유닛(33)의 스위칭시에 다음과 같은 과정이 이루어진다:
- 스위칭 과정은, 현재 전류공급용 서브배터리, 도시된 예에서는 배터리 유닛(41-1)의 스위치가 먼저 스위치 오프되고, 이전의 전류공급용 서브배터리의 스위치가 전류를 더는 흐르지 않도록 된 후에, 저-전압 서브네트워크에 전력을 공급하는 기능을 수행하는 서브배터리의 스위치가 스위치 온된다. 전술한 원리는 "브레이크 비포 메이크(Break-before-Make)"로도 알려져 있다.
도면에 도시된 배터리 유닛(41)의 직렬 회로가 구비된 전기 시스템(1)에 대해 최적화된 작동 전략을 감안하면, 다음과 같이 고려할 점이 있다. 이 경우에는, 셀들이 균일하게 에이징된 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(41) 및 그에 내재하는 셀들 모두 가급적 동일한 충전 상태를 가져야만 한다는 요구 조건이 도출될 수 있다.
고-전압 서브네트워크(20)에 대한 요구 조건들에 추가하여, 시스템에는 또한 저-전압 서브네트워크(21)에서 이루어지는 시동 과정에 대한 요구 조건들이 제기된다. 이와 같은 요구 조건들이 고성능 에너지 저장 장치(28) 및 리튬이온 배터리(40)로 이루어진 조합에 의해서 가급적 양호하게 충족되도록 하기 위해, 바람직하게는 주어진 시점에 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛(41)이 저-전압 서브네트워크에 전력을 공급하는데 사용된다.
커플링 유닛(33)의 스위칭 상태의 선택에 대해 제기되는 요구 조건들은 다음과 같은 작동 전략에 의해 충족될 수 있다: 저-전압 서브네트워크(21)에 전력을 공급하는 과정은 항상 현재 최고의 충전 상태를 갖는 서브배터리(41)로부터 이루어진다. 저-전압 서브네트워크에 전력을 공급하는 과정이 고-전압 서브네트워크에서의 충전 및 방전 과정에 중첩되고, 저-전압 서브네트워크에 전력을 공급하는 과정이 단일 방향으로 이루어지기 때문에, 상기와 같은 선택 요건에 의해, 최고의 충전 상태를 갖는 서브배터리(41)가 다른 배터리 유닛(41)보다 더 신속하게 방전될 수도 있고 더 느리게 충전될 수도 있게 된다. 그 결과, 서브배터리들의 충전 상태들의 대칭화가 이루어진다.
배터리 유닛(41)의 충전 상태가 동일한 경우에 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 다음 배터리 유닛으로 매우 신속한 교체가 설정되지 않도록 하기 위하여, 충전 상태들의 차(ΔSOCumschalt (스위칭))에 대한 임계값이 도입되는데, 예를 들면 저-전압 서브네트워크(21)에 전력을 공급하는 과정이 하나의 배터리 유닛(41)으로부터 현재 저-전압 서브네트워크(21)에 전력을 공급하는 과정을 위해 이용되는 배터리 유닛(41)보다 상응하게 높은 충전 상태를 갖는 배터리 유닛(41)으로 교체되도록 하기 위해 초과하여야 하는 0.5% 내지 20%, 바람직하게는 1% 내지 5%, 특히 바람직하게는 약 2%의 규정된 값을 갖는 차(ΔSOCumschalt (스위칭))에 대한 임계값이 도입된다. 전력 공급시에는 항상 현재 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛(41)으로 전환이 이루어지며, 현재 저-전압 서브네트워크(21)에 전력을 공급하기 위해 접속된 배터리 유닛(41)이 최고의 충전 상태를 갖는 배터리 유닛(41)의 충전 상태보다 적어도 충전 상태들의 차(ΔSOCumschalt (스위칭))만큼 적은 충전 레벨을 갖는 경우에 스위칭이 이루어진다.
도 8에는, 역방향 차단용 스위치들(44, 45)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, 역방향 차단용 스위치들(44, 45)의 가능한 구성이 도시되어 있다. 이 경우, 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 MOSFET(101)가 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 역방향은 서로 뒤바뀌게 된다. 스위치들(RSS_I(45), RSS_r(44))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 내에서는, 그 범위 내에서 이루어지는 여러 변형이 가능하다.

Claims (11)

  1. 자동차용 전기 시스템(1)으로서, 상기 전기 시스템(1)은 적어도 하나의 저전압 부하(29)용 저-전압 서브네트워크(21) 및 전기 발전기(23) 및 적어도 하나의 고전압 부하(25)용 고-전압 서브네트워크(20)를 포함하고, 상기 고-전압 서브네트워크(20)는 커플링 유닛(33)을 통해 상기 저-전압 서브네트워크(21)와 연결되고, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 고-전압 서브네트워크(20)에서 에너지를 추출하여 상기 저-전압 서브네트워크(21)로 공급하도록 구성되고, 상기 고-전압 서브네트워크(20)는 배터리(40)를 포함하고, 상기 배터리(40)는 고전압을 생성하여 상기 고-전압 서브네트워크(20)로 출력하도록 구성되며, 그리고 상기 커플링 유닛(33)으로 이어져 있는 개별 전압 탭들(42)을 구비한 적어도 2개의 배터리 유닛(41)을 포함하는, 자동차용 전기 시스템(1)에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 저-전압 서브네트워크(21)에 상기 배터리 유닛들(41)을 선택적으로 접속하도록 구성되며, 상기 자동차용 전기 시스템(1)은 배터리 관리 시스템을 포함하며, 상기 배터리 관리 시스템은, 배터리 유닛(41)의 충전 상태를 결정하는 유닛, 및 상기 배터리 유닛(41)의 결정된 충전 상태에 기반을 두고 상기 배터리 유닛(41)을 선택적으로 스위칭하는, 커플링 유닛(33)을 제어하기 위한 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 선택적으로 접속되는 배터리 유닛들(41) 각각은 저전압을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커플링 유닛(33)은 역방향 차단용 스위치들(44, 45)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저-전압 서브네트워크(21)는 적어도 하나의 에너지 저장 장치(28)를 구비하며, 상기 에너지 저장 장치(28)는 저전압을 발생하여 상기 저-전압 서브네트워크(21)로 출력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저-전압 서브네트워크(21)는 스타터(26)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템(1).
  6. 자동차용 전기 시스템(1)을 작동시키기 위한 방법으로서, 상기 전기 시스템(1)은 적어도 하나의 저전압 부하(29)용 저-전압 서브네트워크(21) 및 전기 발전기(23) 및 적어도 하나의 고전압 부하(25)용 고-전압 서브네트워크(20)를 포함하고, 상기 고-전압 서브네트워크(20)는 커플링 유닛(33)을 통해 상기 저-전압 서브네트워크(21)와 연결되고, 상기 커플링 유닛(33)은 상기 고-전압 서브네트워크(20)에서 에너지를 추출하여 상기 저-전압 서브네트워크(21)로 공급하도록 구성되고, 상기 고-전압 서브네트워크(20)는 배터리(40)를 포함하고, 상기 배터리(40)는 고전압을 생성하여 상기 고-전압 서브네트워크(20)로 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 저-전압 서브네트워크(21)에 상기 배터리 유닛들(41)을 선택적으로 접속하도록 구성되는, 자동차용 전기 시스템(1)을 작동시키기 위한 방법에 있어서, 최고의 충전 상태를 지니는 배터리 유닛(41)이 상기 저-전압 서브네트워크(21)에 접속되고, 상기 자동차용 전기 시스템(1)은 배터리 관리 시스템을 포함하며, 상기 배터리 관리 시스템은, 배터리 유닛(41)의 충전 상태를 결정하는 유닛, 및 상기 배터리 유닛(41)의 결정된 충전 상태에 기반을 두고 상기 배터리 유닛(41)을 선택적으로 스위칭하는, 커플링 유닛(33)을 제어하기 위한 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템의 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 배터리 유닛(41)의 충전 레벨 차의 임계값이 초과하게 될 경우에, 상기 접속된 배터리 유닛(41)의 교체가 이루어지는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템의 작동 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 제1 단계로는 전류공급용 배터리 유닛(41)이 스위치 오프(차단)되고, 이어서 제2 단계로는 다른 선택형 배터리 유닛(41)이 스위치 온(접속)됨으로써, 상기 접속된 배터리 유닛(41)의 교체가 이루어지는 것을 특징으로 하는, 자동차용 전기 시스템의 작동 방법.
  9. 삭제
  10. 컴퓨터 프로그램이 기록된 비-일시적 컴퓨터 판독가능 기록 매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램이 프로그램 가능한 컴퓨터 장치상에서 실행될 때에, 제6항 또는 제7항에 따른 방법을 수행하도록 구성된, 비-일시적 컴퓨터 판독가능 기록 매체.
  11. 내연기관 및 제1항 또는 제2항에 따른 자동차용 전기 시스템(1)이 장착된 자동차.
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