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Die
vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung
2004-241777, eingereicht
am 23. August 2004, die hier unter Bezugnahme voll mit einbezogen
wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem
zum Laden einer Speicherbatterie und zum Zuführen von Energie zu elektrischen
Lasten.
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Wie
in den japanischen Patentveröffentlichungen
6-296332 und 2002-238103 offenbart ist, wird ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem
so gesteuert, um Elektrizität
gemäß dem Antriebszustand des
Fahrzeugs zu erzeugen, um den Brennstoffverbrauch und die Emission
von schädlichen
oder giftigen Abgasen zu verbessern. Speziell wird das Fahrzeug-Energieversorgungssystem
in unterschiedlichen Betriebsarten gemäß dem Antriebszustand des Fahrzeugs
betrieben. Während
einer Verzögerung wird
die Energieerzeugung durchgeführt,
indem ein Moment des Fahrzeugs in elektrische Energie umgesetzt
wird und diese in eine Speicherbatterie zurückgeleitet wird, während bei
einer Beschleunigung die Energieerzeugung abgeschaltet wird, um
die eingefangene elektrische Energie zu verwenden, anstatt Energie
zu erzeugen. Das Fahrzeug-Energieversorgungssystem umfaßt gewöhnlich eine
erste Speicherbatterie, die durch einen Fahrzeuggenerator geladen
wird, und eine zweite Speicherbatterie, die mit einer elektrischen
Last verbunden ist. Ein Leistungskonverter ist zwischen der ersten
und der zweiten Speicherbatterie vorgesehen. Spannungsschwankungen
können
an der zweiten Speicherbatterie auftreten, und zwar abhängig von
dem Betrag oder der Größe der elektrischen
Last des Fahrzeugs. Der Leistungskonverter überwacht die Spannung der zweiten
Batterie und steuert in angepaßter
Weise den Betrag der elektrischen Energie, der von der ersten Batterie
zu der zweiten Batterie übertragen
wird, wenn die überwachte
Spannung von einer Bezugsspannung abweicht. Der Leistungskonverter
arbeitet erfolgreich, um die Spannung der zweiten Batterie auf einem
im wesentlichen konstanten Pegel zu halten, wenn der Betrag des
elektrischen Energieverbrauchs innerhalb eines anpassungsfähigen Steuerbereiches
liegt.
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Jedoch
kann die intermittierende Energieerzeugung und das Abschalten eine
große
Schwankung in dem elektrischen Energieverbrauch des Fahrzeugs erzeugen,
und solch eine Schwankung kann eventuell über den adaptiven Steuerungsbereich
des Leistungs-Konverters
hinausgelangen. Daher erfährt
die Spannung, die den Scheinwerfern und dem Klimaanlagesystem zugeführt wird,
starke Schwankungen, die zu ungünstigen
Situationen und Fluktuationen bei der Beleuchtung und zum Variieren der
Gebläsemotordrehzahl
führt.
Dieses Problem kann überwunden
werden, indem man den adaptiven Steuerungsbereich des Leistungs-Konverters
erhöht oder
erweitert. Jedoch trägt
dies lediglich zur Größe und der
Kapazität
des Leistungs-Konverters bei. Darüber hinaus können solche
ungünstigen
Situationen vermieden werden, indem man verhindert, daß das Energiezufuhrsystem
im Energieabschaltzustand arbeitet und in den Generierungs-Betriebsarbeiten
arbeitet. Jedoch würde
dann das vorteilhafte Merkmal eines geringeren Brennstoffverbrauches
und einer reduzierten Emission von schädlichen Gasen verloren gehen.
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Es
besteht daher Bedarf dafür,
ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem zu schaffen, welches eine
konstante Stromversorgungsspannung den elektrischen Lasten unter
variierenden Fahrzeugbetriebsbedingungen zuführen kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem
zu schaffen, welches dazu befähigt
ist, eine konstante Spannung bei variierenden Betriebsbedingungen des
Fahrzeugs zu erzeugen.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem
zu schaffen, welches dazu befähigt
ist, eine konstante Spannung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen
des Fahrzeugs zuzuführen,
wobei ein geringerer Brennstoffverbrauch und eine reduzierte Emission
von schädlichen
Abgasen sichergestellt sein soll.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem
zu schaffen, welches eine kompakte Konstruktion für Fahrzeug-Leistungskonverter
ermöglicht.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Energieversorgungssystem geschaffen,
welches in einem Fahrzeug montiert ist, mit einer ersten Speicherbatterie,
einem Fahrzeug-Generator zum Erzeugen einer Spannung und zum Laden
der ersten Speicherbatterie mit der erzeugten Spannung, einer zweiten
Speicherbatterie, die an eine elektrische Last angeschlossen ist,
und mit einer Leistungs-Konverterschaltung, die zwischen der ersten
Speicherbatterie und der zweiten Speicherbatterie geschaltet ist,
wobei die Leistungs-Konverterschaltung in einem ersten Betriebsmodus
treibbar ist, in welchem eine Spannung an der zweiten Speicherbatterie
auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird, und in
einem zweiten Betriebsmodus, bei dem die Spannung an der zweiten
Speicherbatterie mit einer Spannung bei der ersten Speicherbatterie
variiert. Es ist ein Controller vorgesehen, um die Leistungs-Konverterschaltung
in dem ersten Betriebsmodus zu betreiben, wenn der Energieverbrauch
der elektrischen Last niedriger ist als ein spezifizierter Wert,
und um den Generator so zu steuern, daß die erzeugte Spannung einen Übergang
bei einer ersten Rate erfährt,
und um die Leistungs-Konverterschaltung in einem zweiten Betriebsmodus zu
betreiben, wenn der Energieverbrauch der elektrischen Last höher liegt
als der spezifizierte Wert, und um den Generator so zu steuern,
daß die erzeugte
Spannung einen Übergang
bei einer zweiten Rate erfährt,
die niedriger ist als die erste Rate.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Betreiben eines Energieversorgungssystems, welches in einem Fahrzeug
montiert ist, wobei das System eine erste Speicherbatterie aufweist,
einen Fahrzeug-Generator zum Erzeugen einer Spannung zum Laden der ersten
Speicherbatterie, eine zweite Speicherbatterie aufweist, die mit
einer elektrischen Last verbunden ist, und eine Leistungs-Konverterschaltung
umfaßt, die
zwischen der ersten Speicherbatterie und der zweiten Speicherbatterie
geschaltet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: (a)
Betreiben der Leistungs-Konverterschaltung in einem ersten Betriebsmodus,
wenn der Energieverbrauch der elektrischen Last niedriger liegt
als ein spezifizierter Wert, so daß eine Spannung an der zweiten Speicherbatterie
im wesentlichen auf einem konstanten Pegel gehalten wird, und Betreiben
der Leistungs-Konverterschaltung in einem zweiten Betriebsmodus,
wenn der Energieverbrauch höher
ist als der spezifizierte Wert, so daß die Spannung an der zweiten
Speicherbatterie mit einer Spannung an der ersten Speicherbatterie
variiert, und (b) Steuern des Fahrzeuggenerators in solcher Weise,
daß die
erzeugte Spannung einen Übergang
in einer ersten Rate erfährt,
wenn die Leistungs-Konverterschaltung in
dem ersten Betriebsmodus betrieben wird, und einen Übergang
in einer zweiten Rate erfährt,
die niedriger ist als die erste Rate, wenn die Leistungs-Konverterschaltung
in dem zweiten Betriebsmodus arbeitet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird in Einzelheiten unter Hinweis auf die
anhängenden
Zeichungen beschrieben, in welchen zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Fahrzeug-Energieversorgungssystems gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Flußdiagramm
des Betriebes des System-Controllers von 1;
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3 ein
Zeitsteuerdiagramm zum Beschreiben des Betriebes des Energieversorgungssystems,
wenn der elektrische Energieverbrauch relativ niedrig ist;
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4 ein
Zeitsteuerdiagramm zum Beschreiben des Betriebes des Energieversorgungssystems,
wenn der elektrische Energieverbrauch relativ hoch ist; und
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5 ein
Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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In 1 ist
ein Fahrzeug-Energieversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Energieversorgungssystem
umfaßt
zwei Bleisäure-Batterien 1 und 2.
Die Batterie 2 schickt einen Strom zu einer Lastschaltung 9,
und die Batterie 1 wird durch einen Fahrzeug-Generator 5 auf
eine Nennspannung geladen, die höher
ist als die Nennspannung der Batterie 2. Zwischen den Batterien 1 und 2 ist
ein Leistungs-Konverter 3 geschaltet, der eine Einrichtungs-Stromumsetzung von
der Batterie 1 zu der Batterie 2 vornimmt. Als
Option ist ein Schalter 4 parallel zu dem Leistungs-Konverter 3 geschaltet.
In bevorzugter Weise ist der Schalter 4 mit einem Leistungstransistor
implementiert, was vorteilhafter ist gegenüber der Verwendung eines mechanisch
betätigten Schalters,
der an dem gut bekannten Prelleffekt leidet, welcher zu der Erzeugung
eines großen
Stromes führen
kann.
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Der
Leistungskonverter 3 und der Schalter 4 bilden
eine Leistungs-Konverterschaltung. Abhängig von dem Energieverbrauch
der elektrischen Last 9 arbeitet die Leistungs-Konverterschaltung
in einem von einem ersten und einem zweiten Betriebsmodus. In dem
ersten (Umsetz-)Modus arbeitet die Leistungs-Konverterschaltung
gemäß der Spannung
der Batterie 2, so daß die
letztere auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird.
In dem zweiten (Linear-schaltung-)Modus setzt die Leistungs-Konverterschaltung
ihre Stromumsetzfunktion aus und erstellt eine lineare Schaltung,
so daß die
Spannung der Batterie 2 mit der Spannung der Batterie 1 variiert.
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Ein
Spannungsregler 6 steuert die Ausgangsspannung des Fahrzeuggenerators 5 auf
einen im wesentlichen konstanten Pegel, indem er dessen Feldwicklungsstrom
regelt, und zwar entsprechend einem Steuersignal, welches von einem
System-Controller 7 zugeführt wird.
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Der
Fahrzeuggenerator 5 liefert eine Umsetzung der mechanischen
Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie und lädt die Batterie 1 mit
der erzeugten Energie. Ein Beschleunigungsmesser 10 liefert
ein Signal zu dem System-Controller 7, um eine Fahrzeuggeschwindigkeitsschwankung
oder -änderung
anzuzeigen.
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In
einer noch weiter zu beschreibenden Weise überwacht der System-Controller 7 Leistungsverhältnisdaten
und andere Informationen, die von dem Spannungsregler 6 zugeführt werden,
und bestimmt die Größe des Energieverbrauchs
der elektrischen Last 9. Zusätzlich zu der Last-Leistungsbestimmung überwacht
der System-Controller 7 das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal,
welches von dem Beschleunigungsmesser 10 zugeführt wird,
um einen Detektierungsvorgang durchzuführen, wenn eine Fahrzeuggeschwindigkeitsschwankung
oder -änderung
auftritt.
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Ein
Beispiel eines Leistungs-Konverters 3 besteht aus einem
Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer, der einen Leistungs-Schalttransistor 31,
eine Schwungraddiode 32 und einen Induktor 33,
einen Glättungskondensator 34 und
eine Steuerschaltung 35 enthält. Der Leistungs-Schalttransistor 31 besitzt einen
Drainanschluß,
der mit der Batterie 1 verbunden ist, und dessen Sourceanschluß mit einem
Anschluß des
Induktors 33 verbunden ist, wobei das andere Ende des Induktors 33 mit
der Batterie 2 verbunden ist.
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Die
Steuerschaltung 35 erzeugt eine Folge von Impulsen mit
variierender Dauer, und zwar mit einer vorbestimmten Folgefrequenz
(in dem Bereich von mehreren zehn Hz bis 100kHz) und treibt den Transistor 31 in
einen leitenden Zustand, und zwar in periodischen Intervallen, was
zu einer Hochfrequenzoszillation über den Induktor 33 und
den Kondensator 34 nach Masse oder Erde führt. Während eines ersten
Halbzyklus' von
jeder Schwingung fließt
Strom durch den Kondensator 34 und die Diode 32,
welcher den Kondensator auflädt,
und während
des nächsten halben
Zyklus' wird der
Strom, der ansonsten in der entgegengesetzten Richtung fließen würde, durch die
Diode 32 blockiert. Wenn der Prozeß fortgesetzt wird, wird der
Kondensator 34 mit einer Gleichspannung geladen. Die Steuerschaltung 35 arbeitet
in einer Impulsbreite-Modulationsbetriebsart,
in der die Spannung an dem Kondensator 34 überwacht
wird und in der die Weite (das Tastverhältnis) der Treiberimpulse gemäß einer
Differenz zwischen der überwachten
Kondensatorspannung und einer feststehenden Bezugsspannung gesteuert
wird, so daß die Differenz
auf Null reduziert wird. Als Ergebnis wird die Gleichspannung an
dem Kondensator 34 auf einem im wesentlichen konstanten
Pegel gehalten.
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Es
sei erwähnt,
daß der
Leistungs-Konverter 3 und der Schalter 4 eine
Leistungs-Konverterschaltung
bilden, die in einem Betriebsmodus entsprechend einem ersten und
einem zweiten Betriebmodus arbeitet, und zwar entsprechend einem
Befehlssignal, welches von dem System-Controller 7 zugeführt wird,
und zwar abhängig
von dem elektrischen Energieverbrauch. Entsprechend den überwachten Signalen
steuert der System-Controller 7 die
Leistungs-Konverterschaltung, damit diese in einem der Betriebsmodi
entsprechend dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus arbeitet,
und zwar abhängig von
dem bestimmten Energieverbrauch der elektrischen Last 9.
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Spezifischer
ausgedrückt,
wenn der Last-Energieverbrauch niedriger ist als ein spezifizierter Wert,
stellt der System-Controller 7 die Leistungs-Konverterschaltung
in den ersten Modus (Stromumsetzmodus) ein, in welchem der Schalter 4 AUS
geschaltet ist, und der Leistungs-Konverter 3 arbeitet
dann normal, so daß die
Spannung an der Batterie 2 konstant gehalten wird. Wenn
der Last-Energieverbrauch höher
steigt als der spezifizierte Wert, stellt der System-Controller 7 die
Leistungs-Konverterschaltung in den Linearschaltungs-Modus, und zwar
unter Verwendung der folgenden alternativen Einstellungen:
- 1) der Schalter 4 = AUS und der Transistor 31 = EIN;
und
- 2) der Schalter 4 = EIN und der Transistor 31 ist entweder
EIN oder AUS geschaltet.
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Mit
der alternativen Einstellung (1) wird der Schalter 4 AUS
geschaltet und der Transistor 31 wird in den EIN-Zustand
geschaltet, um den Durchfluß von
Gleichstrom von der Batterie 1 zu der Batterie 2 durch
den Induktor bzw. Induktivität 33 hindurch
zu ermöglichen.
Bei der alternativen Einstellung (2) ist der Schalter 4 EIN
geschaltet und der Transistor 31 befindet sich in dem EIN-Zustand
oder in dem AUS-Zustand. Wenn der Transistor 31 in der
zweiten alternativen Einstellung EIN geschaltet wird, fließt ein paralleler
Strom durch den Schalter 4 und den Induktor 33.
Wenn der Transistor 31 in der zweiten alternativen Einstellung
AUS geschaltet wird, fließt
Strom lediglich durch den Schalter 4.
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Die
Ausgangsspannung des Generators 5 wird durch den Regler 6 auf
einen der Pegel gemäß einem
hohen, einem mittleren und einem niedrigen ZielPegel (15,5 Volt,
14,5 Volt und 12 Volt) eingestellt. Wenn das Fahrzeug mit konstanter
Geschwindigkeit fährt,
wird die Zielspannung des Generators 5 auf den mittleren
Pegel entsprechend 14,5 Volt eingestellt.
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Gemäß dem Flußdiagramm
von 2 führt der
System-Controller 7 eine Routine durch, und zwar beginnend
mit dem Schritt 101, indem er die Daten prüft, die
von dem Spannungsregulator 6 zugeführt werden, um eine Bestimmung
durchzuführen, ob
der Energieverbrauch der elektrischen Last 9 höher oder
niedriger ist als ein spezifizierter Wert.
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Wenn
der ermittelte Energieverbrauch niedriger liegt als der spezifizierte
Wert, arbeitet der Controller 7, um die Leistungskonverterschaltung
in Betrieb zu setzen, und zwar in den normalen Energie-Umsetzmodus
(im ersten Modus) (Schritt 102). In diesem Modus wird der
Schalter 4 in den AUS-Zustand gesetzt. Wenn der bestimmte
Energie verbrauch höher
liegt als der spezifizierte Wert, wird die Leistungs-Konverterschaltung
in einen Linearschaltungsmodus (straight-circuit mode) (der zweite
Modus) (Schritt 110) eingestellt, wie dies oben beschrieben
ist.
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Während des
normalen Energie-Umsetzmodus' (Schritt 102)
wird die Batterie 2 über
den Leistungs-Konverter 3 geladen und die Spannung dieser Batterie
wird auf einem im wesentlichen konstanten Pegel gehalten. Der Controller 7 gelangt
dann zu dem Schritt 103, um die Ausgangsgröße des Beschleunigungsmessers 10 zu
prüfen,
und bestimmt, ob eine Geschwindigkeitsschwankung des Fahrzeugs aufgetreten
ist. Wenn keine Geschwindigkeitsschwankung aufgetreten ist, kehrt
der Fluß zu
dem Schritt 101 zurück,
um den Prozeß zu
wiederholen.
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Wenn
der Controller 7 eine Geschwindigkeitsschwankung detektiert,
die anzeigt, daß das Fahrzeug
beschleunigt, verläuft
der Verarbeitungsfluß von
dem Schritt 103 zu dem Schritt 104, um den Spannungsregler 6 zu
steuern, um die Zielspannung des Generators 5 auf einen
niedrigen Pegel von 12 Volt einzustellen. Mit dieser Einstellung
fällt die
Ausgangsspannung des Generators 5 scharf von dem mittleren
Zielpegel von 14,5 Volt auf 12 Volt ab. Diese Einstellung kann dadurch
vorgenommen werden, indem der Generator 5 veranlaßt wird,
mit der Erzeugung an Elektrizität
aufzuhören
bzw. diese Erzeugung zu stoppen, so daß die Eingangsspannung des Leistungs-Konverters 3 lediglich
von der Batterie 1 zugeführt wird.
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Der
Verarbeitungsfluß schreitet
dann zu Schritt 105 voran, um eine Überprüfung vorzusehen, um festzustellen,
ob das Fahrzeug noch beschleunigt. Wenn die Beschleunigung gestoppt
wurde, ist die Entscheidung bei dem Schritt 105 negativ,
und der Controller 7 gelangt dann zu dem Schritt 108,
um den Generator 5 zu aktivieren, und stellt die Ausgangsspannung
auf den mittleren Zielpegel von 14,5 Volt ein, um dann zu dem Schritt 101 zurückzukehren.
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Wenn
die Entscheidung bei dem Schritt 103 anzeigt, daß das Fahrzeug
verzögert,
verläuft
der Verarbeitungsfluß zu
dem Schritt 106, um den Generator 5 auf die hohe Zielspannung
von 15,5 Volt einzustellen. Als ein Ergebnis steigt die Ausgangsspannung
des Generators 5 steil von dem mittleren Zielpegel auf
den hohen Zielpegel an. Bei dem Entscheidungsschritt 107 bestimmt
der Controller 7, ob die Verzögerung noch fortgeführt wird.
Wenn sich der Fahrzeugbetrieb von einer Verzögerung in eine konstante Fahrgeschwindigkeit
(Schritt 107) ändert,
gelangt der Verarbeitungsfluß zu
dem Schritt 108, um den Fahrzeuggenerator 5 auf
die mittlere Zielspannung einzustellen, so daß dessen Ausgangsspannung scharf
von dem hohen Zielwert auf den mittleren Zielpegel abfällt. Während dieser
Zeit wird das Fahrzeug mit einer konstanten Geschwindigkeit angetrieben,
es werden die Schritte 101, 102 und 103 wiederholt,
um den Energieverbrauch der elektrischen Last 9 zu überwachen
und auch die Ausgangsgröße des Beschleunigungsmessers 10 zu überwachen,
während
die Ausgangsgröße des Generators 5 auf
dem mittleren Zielpegel gehalten wird.
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Wenn
der Energieverbrauch der elektrischen Last 9 über den
spezifizierten Wert hinaus ansteigt, ist die Entscheidung bei dem
Schritt 101 negativ und der Verarbeitungsfluß schreitet
zu dem Schritt 110 voran, um die Leistungs-Konverterschaltung
in den Linearschaltungsmodus einzustellen, so daß ein Niedrigimpedanzpfad zwischen
der Batterie 1 und der Batterie 2 erstellt wird.
Bei dem nachfolgenden Schritt 111 wird die Ausgangsgröße des Beschleunigungsmessers 10 geprüft. Wenn
das Fahrzeug beschleunigt, verläuft
der Verarbeitungsfluß zu
dem Schritt 112, um den Spannungsregler 6 so zu
steuern, daß die
Generatorausgangsspannung allmählich
in einer vorbestimmten Rate abfällt,
bis sie den niedrigen Zielspannungswert erreicht. Wenn die niedrige
Zielspannung erreicht ist, stellt der Controller 7 den
Generator 5 in einen inaktiven Zustand ein. Der Verarbeitungsfluß gelangt
dann zu dem Entscheidungsschritt 113, um den Beschleunigungsmesser 10 zu
prüfen.
Wenn sich die Fahrzeuggeschwindigkeit von der Beschleunigung in
eine gleichmäßige Fahrweise ändert, ist
die Entscheidung bei dem Schritt 113 negativ, und der Controller 7 gelangt dann
zu dem Schritt 116. Bei dem Schritt 116 aktiviert der
Controller 7 den Spannungsregler 6, so daß dieser
die Ausgangsspannung des Generators 5 in einer vorbestimmten
Rate von dem niedrigen Zielpegel aus ansteigen läßt, bis diese den mittleren
Zielpegel erreicht, und kehrt dann zu dem Schritt 101 zurück, um den
Prozeß zu
wiederholen.
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Wenn
die Entscheidung bei dem Schritt 111 anzeigt, daß das Fahrzeug
verzögert,
gelangt der Verarbeitungsfluß zu
dem Schritt 114, um den Spannungsregler 6 so zu
steuern, daß die
Ausgangsspannung des Generators 5 allmählich mit einer vorbestimmten
Rate ansteigt, bis diese den hohen Zielpegel von 15,5 Volt erreicht,
woraufhin dann der Verarbeitungsfluß zu dem Entscheidungsschritt 115 gelangt.
Wenn der Fahrzeugbetrieb sich von der Verzögerung in eine gleichmäßige Fahrweise ändert (Schritt 115),
wird bestimmt, daß das
Fahrzeug nun gleichmäßig fährt, und
der Verarbeitungsfluß gelangt zu
dem Schritt 116, um den Spannungsregler 6 so zu steuern,
daß die
Ausgangsgröße des Generators 5 allmählich in
einer vorbestimmten Rate von dem hohen Zielpegel auf den mittleren
Zielpegel absinkt, und kehrt dann zu dem Schritt 101 zurück. Wenn
das Fahrzeug weiterhin in gleichmäßiger Fahrt fährt, werden
die Schritte 101, 110 und 111 wiederholt,
um den Energieverbrauch der Last 9 zu überwachen und auch die Ausgangsgröße des Beschleunigungsmessers 10,
während
jedoch die Ausgangsgröße des Generators 5 auf
dem mittleren Zielpegel gehalten wird.
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Es
folgt eine Beschreibung des Betriebes des Stromversorgungssystems
der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf das Zeitsteuerdiagramm von 3,
wenn der Energieverbrauch der Last 9 niedriger ist als
der spezifizierte Wert (Schritt 101) und die Leistungs-Konverterschaltung
in dem normalen Energieumsetzmodus (erster Modus) arbeitet (Schritt 102).
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Zu
Beginn wird das Fahrzeug in einer gleichmäßigen Fahrgeschwindigkeit angetrieben
und die Generatorausgangsspannung wird auf dem mittleren Zielpegel
gehalten.
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Wenn
das Fahrzeug während
der Periode t1 bis t2 (Schritt 103)
beschleunigt, steuert der System-Controller 7 den Spannungsregler 6,
so daß der Generator 5 mit
der Erzeugung von Elektrizität
anhält und
es wird dessen Zielspannung auf den niedrigen Pegel von 12 Volt
eingestellt (Schritt 104). Als ein Ergebnis wird die Eingangsspannung
des Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzers 3 gleich der Spannung
der Batterie 1, und diese Spannung fällt allmählich von dem mittleren Zielpegel
auf den niedrigen Zielpegel ab, wie dies in 4 gezeigt
ist.
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Während der
Periode t2 bis t3 fährt das
Fahrzeug mit einer gleichmäßigen Fahrgeschwindigkeit. Der
Generator 5 wird aktiviert (Schritte 105, 108),
um die Zielspannung auf einen mittleren Pegel (14,5 Volt) einzustellen.
Die Spannung der Batterie 1 nimmt allmählich zu, bis sie den mittleren
Zielwert erreicht.
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Während der
Periode t3 bis t4 verzögert das Fahrzeug.
Der Generator 5 wird gesteuert (Schritte 103, 106),
um dessen Zielspannung auf den hohen Pegel (15,5 Volt) einzustellen.
Die Batteriespannung der Batterie 1 steigt allmählich von
dem mittleren Zielpegel aus an, bis sie den hohen Zielpegel erreicht.
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Während der
Periode t4 bis t5 wird
das Fahrzeug in der gleichmäßigen Fahrgeschwindigkeit
betrieben. Der Generator 5 wird gesteuert (Schritte 107, 108),
um die Zielspannung auf den mittleren Pegel einzustellen. Die Batteriespannung
der Batterie 1 fällt allmählich von
dem hohen Pegel aus ab, bis sie den mittleren Pegel erreicht.
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Während der
Periode t5 bis t6 verzögert das Fahrzeug
erneut. Der Generator 5 wird gesteuert (Schritte 103, 106),
um dessen Zielspannung auf den hohen Pegel einzustellen. Die Batteriespannung
der Batterie 1 wird allmählich von dem mittleren Pegel aus
erhöht,
bis diese den hohen Pegel erreicht hat. Ähnliche Ereignisse finden während der
nachfolgenden Perioden statt.
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Es
kann ersehen werden, daß dann,
wenn das Fahrzeug verzögert,
der Generator 5 aktiviert wird, um seine Ausgangsspannung
zu erhöhen.
Diese Aktivierung des Generators 5 dient dazu, den Vorteil
eines regenerativen Bremseffektes auszunutzen, indem das Fahrmoment
des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt wird und indem
die aufgenommene Energie zur Batterie 1 zurückgeleitet
wird. Wenn das Fahrzeug beschleunigt, wird der Generator 5 deaktiviert,
um das Erzeugen von Elektrizität
zu stoppen. Diese Deaktivierung des Generators 5 dient dazu,
den Brennstoffverbrauch zu reduzieren und auch die Emission von
schädlichen
Abgasen zu reduzieren, indem die wiedergewonnene elektrische Energie
verwendet wird.
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Wenn
die Ausgangsgröße des Generators 5 scharf
variiert, und zwar unter der Steuerung des System-Controllers 7,
kann die Spannung an der zweiten Batterie 2 entsprechend
variieren. Aufgrund des niedrigen elektrischen Energieverbrauchs
variiert jedoch die Spannung der Batterie 2 innerhalb eines
adaptiven Steuerbereiches des Leistungs-Konverters 3. Wenn
daher der Leistungs-Konverter 3 detektiert, daß seine
Ausgangsspannung von einem Bezugspegel abweicht, steuert er das
Tastverhältnis von
seinem Schalttransistor 31 entsprechend der Differenz zwischen
den zwei Spannungen, so daß die Abweichung
reduziert wird und nahezu auf Null gebracht wird. Auf diese Weise
wird die Spannung an der Batterie 2 auf einem im wesentlichen
konstanten Pegel gehalten, wie in 3 gezeigt
ist.
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Es
folgt eine Beschreibung des Betriebes des Energieversorgungssystems
unter Hinweis auf 4, wenn der Energieverbrauch
der Last 9 höher ist
als der spezifizierte Wert, und es wird die Leistungs-Konverterschaltung
in den Linearschaltungsmodus (Schritt 101) eingestellt.
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Zu
Beginn wird das Fahrzeug mit einer gleichmäßigen Fahrgeschwindigkeit angetrieben. Während dieser
anfänglichen
Periode vor dem Zeitpunkt t11 wird die Generatorausgangsspannung
auf dem mittleren Zielpegel von 14,5 Volt gehalten und die Spannungen
der Batterien 1 und 2 werden beide auf dem mittleren
Zielpegel gehalten.
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Wenn
das Fahrzeug während
der Periode t11 bis t12 (Schritt 111)
beschleunigt, steuert der System-Controller 7 den Spannungsregler 6 in
solcher Weise, daß der
Generator 5 allmählich
seine Ausgangsspannung absenkt, bis diese den niedrigen Zielpegel
von 12 Volt erreicht (Schritt 112). Als ein Ergebnis fällt die
Spannung an den Batterien 1 und 2 allmählich gleichzeitig
von dem mittleren Zielpegel auf den niedrigen Zielpegel ab, wie
in 4 dargestellt ist.
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Während der
Periode t12 bis t13 fährt das Fahrzeug
mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
und der Generator 5 wird gesteuert (Schritte 113, 116), um
allmählich
seine Ausgangsspannung von dem niedrigen Zielpegel auf den mittleren
Zielpegel (14,5 Volt) zu erhöhen.
Die Spannungen der Batterien 1 und 2 steigen allmählich von
dem niedrigen Zielpegel aus an, bis sie den mittleren Zielpegel
erreicht haben.
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Während der
Periode t13 bis t14 wird
das Fahrzeug verzögert
und der Generator 5 wird gesteuert (Schritte 111, 114),
um allmählich
dessen Ausgangsspannung von dem mittleren Zielpegel auf den hohen Zielpegel
(15,5 Volt) ansteigen zu lassen. Die Spannungen der Batterien 1 und 2 steigen
allmählich
von dem mittleren Zielpegel auf den hohen Zielpegel an.
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Während der
Periode t14 bis t15 wird
das Fahrzeug in einer gleichmäßigen Fahrgeschwindigkeit angetrieben
und der Generator 5 wird gesteuert (Schritte 115, 116),
um allmählich
dessen Ausgangsspannung von dem hohen Zielpegel aus abzusenken,
bis diese den mittleren Zielpegel erreicht hat. Die Spannungen der
Batterien 1 und 2 fallen allmählich von dem hohen Zielpegel
aus ab, bis sie den mittleren Zielpegel erreicht haben.
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Während der
Periode t15 bis t16 wird
das Fahrzeug erneut verzögert.
Der Generator 5 wird gesteuert (Schritte 111, 114),
um allmählich
dessen Ausgangsspannung von dem mittleren Zielpegel auf den hohen
Zielpegel ansteigen zu lassen. Die Spannungen der Batterien 1 und 2 steigen
allmählich
von dem mittleren Pegel aus an. Ähnliche
Ereignisse finden während
der nachfolgenden Perioden statt.
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Da
die Ausgangsgröße des Generators 5 direkt
??? ein „Spannungsstabilisator", wie dies im Falle
von 3 gegeben ist. Jedoch hat die allmähliche Änderung
der Generatorspannung, und zwar jedes Mal, wenn das Fahrzeug seine
Geschwindigkeit ändert,
den Effekt, daß die
Gesamtschwankungsrate der Spannung der Batterie 2 reduziert
wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
variiert die Spannung, die durch den Fahrzeuggenerator 5 erzeugt
wird, in einer Rate von 1 Volt pro Sekunde. Spezifischer ausgedrückt wird
die Spannungsschwankung dadurch erreicht, indem der Feldstrom des
Generators 5 gesteuert wird. Alternativ kann das Einschalt-Ausschalt-Tastverhältnis des
Schalttransistors des Generators (nicht gezeigt) dazu verwendet
werden, um die Schwankungsrate der erzeugten Spannung zu steuern
oder zu regeln.
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Zusätzlich wird
während
des Linearschaltung-Modus die elektrische Energie, die eingefangen wurde,
wenn das Fahrzeug verzögert
hat, zu der Lastschaltung 9 zurückgebracht und kehrt nicht
zur Batterie 1 zurück,
und zwar zum Zwecke einer Energieeinsparung für die Verwendung während der
Beschleunigung. Obwohl die Reduzierung des Brennstoffverbrauches
und der Emission von schädlichen Abgasen
nicht so groß während des
Linearschaltung-Modus ist wie diejenige des Energieumsetz-Modus,
kann dennoch eine Gesamtverbesserung erzielt werden.
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Ferner
ermöglicht
die Dualmodus-Energieumsetzung der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter
Weise ein kompaktes Design für
einen klein bemessenen Leistungs-Konverter,
der mit niedrigen Kosten und niedrigen Verlusten verbunden ist,
wobei die Möglichkeit
geschaffen wird, daß dieser
in einem engen Bereich installiert werden kann und in einfacher
Weise gekühlt
werden kann. Spezifischer ausgedrückt kann die Nennkapazität des Leistungs-Konverters 3 auf ½ oder
noch weniger der Nennkapazität des
Generators 5 reduziert werden.
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5 zeigt
ein anderes Beispiel eines Leistungs-Konverters 3. Bei
diesem Beispiel ist ein Leistungstransistor 36 vorgesehen,
der in einem nicht gesättigten,
linearen Verstärkungsmodus
arbeitet, um als ein „variabler
Widerstand" zwischen
den Batterien 1 und 2 zu dienen. Ein Operationsverstärker 38 treibt den
Gateanschluß des
Leistungstransistors 36 gemäß einer Spannungsdifferenz
zwischen einer Bezugsspannungsquelle 39 und einem Spannungsteiler 37 an,
welcher an die Batterie 2 angeschlossen ist. Aufgrund des
Fehlens eines Schaltgeräusches
wie im Falle des Beispiels, welches in 2 gezeigt
ist, ist dieser Typ eines Leistungs-Konverters hinsichtlich der
elektromagnetischen Kompatibilität
und reduzierten Größe günstig.
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Wenn,
wie bei der früheren
Ausführungsform der
Lastenergieverbrauch niedriger liegt als der spezifizierte Wert,
stellt der System-Controller 7 die Leistungs-Konverterschaltung
in den Leistungsumsetzbetrieb ein, indem der Schalter 4 in
die AUS-Position gebracht wird und indem der Leistungs-Konverter 3 in
den normalen Energieumsetzmodus gebracht wird. Wenn der Lastenergieverbrauch
höher ist
als der spezifizierte Wert, stellt der System-Controller 7 die
Leistungs-Konverterschaltung in den Linearschaltungsmodus um, und
zwar unter Verwendung der folgenden alternativen Einstellungen:
- 3) der Schalter 4 = AUS und Transistor 36 =
auf eine Einheits-Verstärkung
fixiert; und
- 4) der Schalter 4 = EIN und Transistor 36 =
auf eine Einheits-Verstärkung
oder eine Verstärkung von
Null fixiert.
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Bei
der alternativen Einstellung (3) wird der Schalter 4 AUS
geschaltet und der Transistor 36 wird auf eine Einheits-Verstärkung fixiert,
um den Durchfluß eines
Gleichstromes von der Batterie 1 zu der Batterie 2 zu
ermöglichen.
Bei der alternativen Einstellung (4) wird der Schalter 4 EIN
geschaltet und der Transistor 36 wird entweder auf eine
Einheits-Verstärkung
fixiert oder auf eine Verstärkung von
Null fixiert. Wenn der Transistor 36 auf eine Einheits-Verstärkung bei
der alternativen Einstellung (4) fixiert wird, fließt ein paralleler
Strom durch den Schalter 4 und den Leistungs-Konverter 3.
Wenn der Transistor 36 auf eine Verstärkung von Null fixiert ist, und
zwar bei der alternativen Einstellung (4), fließt Strom
lediglich durch den Schalter 4.
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Obwohl
Ausführungsformen
erläutert
wurden, bei denen eine Blei-Säure-Batterie
für die
Quellenbatterie 1 verwendet wird, kann ebenso eine Lithium-Batterie
stattdessen verwendet werden. Im Vergleich zu einer Blei-Säure-Batterie
besitzt eine Lithium-Batterie einen geringeren inneren Widerstand, der
ein schnelles Aufladen derselben durch den Generator mit niedrigem
Energieverlust nachfolgend einer Fahrzeugbeschleunigung ermöglicht.