DE102019201476B4

DE102019201476B4 - System zur elektrischen Energieübertragung

Info

Publication number: DE102019201476B4
Application number: DE102019201476.3A
Authority: DE
Inventors: Koji Ikegaya
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: CN110126754A; US10879799B2; JP6731960B2; JP2019140767A; DE102019201476A1; CN110126754B; US20190245438A1

Abstract

System zur elektrischen Energieübertragung, umfassend:ein nachgeschaltetes Steuermodul (20) mit einer Vielzahl von Spannungsausgangsabschnitten (22, 29), die jeweils eine von einer Vielzahl von Lasten mit einer von einer Vielzahl von unterschiedlichen Versorgungsspannungen versorgen;einen vorgeschalteten Modultreiber (10), der dem nachgeschalteten Steuermodul (20) eine elektrische Leistung zuführt; undeine Stromanschlussleitung (30), die den vorgeschalteten Modultreiber (10) mit dem nachgeschalteten Steuermodul (20) verbindet,wobei der vorgeschaltete Modultreiber (10) Folgendes umfasst:eine Vielzahl von Energiequellen (15, 19), die jeweils in der Lage sind, eine der unterschiedlichen Versorgungsspannungen auszugeben; undeine Spannungsumschaltsteuereinheit (12, 13, 14), die der Reihen nach und periodisch jede der von der Vielzahl von Energiequellen (15, 19) ausgegebenen Versorgungsspannungen auswählt und die ausgewählt Versorgungsspannung an die Stromanschlussleitung (30) sendet; undwobei das nachgeschaltete Steuermodul (20) umfasst:eine Spannungsentnahmesteuereinheit (23, 24), die die Versorgungsspannungen aus der von der Stromanschlussleitung (30) übertragenen Leistung entnimmt und der Reihe nach und periodisch an die entsprechenden Spannungsausgangsabschnitte (22, 29) ausgibt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur elektrischen Energieübertragung, das beispielsweise zur Übertragung von Gleichstrom (Versorgungsstrom) in einem Fahrzeug verwendet werden kann.
STAND DER TECHNIK
In vielen Fällen benötigen verschiedene in einem Fahrzeug eingebaute elektrische Vorrichtungen mehrere Arten von Gleichstrom mit unterschiedlichen Spannungen, wie 5V und 12V. Daher werden Stromquellen in der Regel über elektrische Leitungen, die für die jeweiligen Spannungen unabhängig voneinander sind, mit elektrischen Vorrichtungen (Lasten) verbunden.
So offenbart beispielsweise das Patentdokument 1 ein Stromverteilungssystem, bei dem eine Ausgangsspannung von 42V einer Stromquelle durch einen Wandler, der an einer Position eines Zwischenverbinders angeordnet ist, in 12V umgewandelt, wobei die 12V-Spannung dann durch einen Regler, der innerhalb einer nachgeschalteten ECU (elektronische Steuervorrichtung) angeordnet ist, in 5V umgewandelt wird..
Als weiteres Beispiel offenbart das Patentdokument 2 ein Stromversorgungssystem, das zur Steigerung der Effizienz des gesamten Systems eine Modusauswahl und Reihenschaltung mehrerer Gleichstromquellen ermöglicht.
Stromversorgungsgeräte, deren Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf des Verbrauchers zwischen verschiedenen Spannungswerten umgeschaltet werden kann, sind beispielsweise aus den Patentdokumenten 3 und 4 bekannt.
Stand der Technik Dokumente
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2003 / 48496 A
Patentdokument 2: JP 2015 / 47012 A
Patentdokument 3: US 2017 / 0 336 844 A1
Patentdokument 4: US 2017 / 0 264 198 A1

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Werden jedoch mehrere Leistungssysteme, die unterschiedliche Spannungen aufweisen, von Stromquellen den Lasten zugeführt, so werden diese notwendigerweise über elektrische Leitungen übertragen, die für die jeweiligen Spannungen unabhängig voneinander sind. Somit kann die Anzahl der elektrischen Leitungen, die einen Kabelbaum bilden, nicht verringert und deren Gewicht nicht reduziert werden. Darüber hinaus ist es beispielsweise schwierig, die Kosten von Kabelbaumbauteilen zu senken und den Aufwand für die Verdrahtung zu verringern.
Wenn die Spannungsumwandlung durch einen Wandler und einen Regler gemäß Patentdokument 1 durchgeführt wird, kann die Anzahl der elektrischen Leitungen für die Verbindung zwischen einer Stromquelle und Lasten verringert werden, da aus einer Spannung mehrere Spannungen erzeugt werden können. Wird jedoch eine Eingangsspannung in einem so weiten Bereich wie beispielsweise von 10 bis 16V mit einem Regler in eine Ausgangsspannung von beispielsweise 5V umgewandelt, tritt das Problem auf, dass eine große Verlustleistung in dem Regler auftritt, wodurch die Größe des Reglers selbst und den zugehörigen Schaltungskomponenten zunimmt. Da ferner der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der relativ verlustarm ist, aufgrund der Vielzahl von Komponenten teuer ist, können keine Systeme verwendet werden, in denen mehrere Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler für die jeweiligen Lasten vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände konzipiert, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur elektrischen Energieübertragung bereitzustellen, das im Falle einer Stromzufuhr von einer Energiequellenvorrichtung an Lasten, die mehrere Stromversorgungsspannungen benötigen, die Anzahl von elektrischen Leitungen für die Verbindung zwischen der Energiequelle und den Lasten verringern und eine Erhöhung der Leistungsverluste bei Spannungsumwandlungen unterdrücken kann.
Zur Erzielung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein System zur elektrischen Energieübertragung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit.
Da gemäß dem System zur elektrischen Energieübertragung mit der Konfiguration gemäß Anspruch 1 der vorgeschaltete Modultreiber die Stromversorgungsspannungen an die Stromanschlussleitung sendet, während er in der Reihenfolge oder abwechselnd und periodisch zwischen ihnen auswählt, ist es nicht erforderlich, voneinander unabhängige Stromanschlussleitungen für die jeweiligen Spannungen bereitzustellen. Das heißt, die Stromversorgungsspannungen können von dem vorgeschalteten Modultreiber zu dem nachgeschalteten Steuermodul über nur eine einzige Stromanschlussleitung übertragen werden. Das nachgeschaltete Steuermodul muss lediglich die notwendigen Spannungen aus den in der gemeinsamen Stromanschlussleitungen auftretenden Versorgungsspannungen entnehmen. Somit ist es nicht notwendig, eine spezielle Spannungsreduzierungsverarbeitung mit einem Regler oder dergleichen durchzuführen, wodurch die Verlustleistung weitgehend reduziert werden kann.
Da gemäß dem System zur elektrischen Energieübertragung mit der Konfiguration gemäß Anspruch 2 die Stromversorgungsspannungen wiederholt in dem konstanten Zeitraum in der Stromanschlussleitung auftreten, kann in jeder Einheit des nachgeschalteten Steuermoduls ein Ereignis verhindert werden, bei dem eine notwendige Spannung über einen längeren Zeitraum nicht zugeführt wird.
Gemäß dem System zur elektrischen Energieübertragung mit der Konfiguration gemäß Anspruch 3 kann das nachgeschaltete Steuermodul notwendige Spannungen entnehmen, auch wenn der vorgeschaltete Modultreiber und das nachgeschaltete Steuermodul zur Zeiteinstellung miteinander kommunizieren.
Gemäß dem System zur elektrischen Energieübertragung mit der Konfiguration gemäß Anspruch 4 können durch den Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheiten notwendige Stromversorgungsspannungen an die nachgeschaltete Last zugeführt werden, auch in einem Zeitraum, in dem eine gewünschte Spannung nicht von der vorgeschalteten Seite zugeführt wird. Darüber hinaus können geglättete und stabile Spannungen ausgegeben werden.
Gemäß dem System zur elektrischen Energieübertragung mit der Konfiguration gemäß Anspruch 5 kann ein Ereignis verhindert werden, bei dem eine zu hohe Spannung von der Stromanschlussleitung dem Spannungsausgangsabschnitt zugeführt wird, der eine relativ niedrige Spannung führt. Wird eine Eingangsspannung unter Verwendung eines Reglers oder dergleichen abgesenkt, kann der im Regler auftretende Verlust unterdrückt werden.
Im Falle der Zufuhr von Strom von einer Stromversorgungsvorrichtung an die Lasten, die mehrere Stromversorgungsspannungen benötigen, kann das System zur elektrischen Energieübertragung gemäß der Erfindung die Anzahl von elektrischen Leitungen für die Verbindung zwischen der Energiequelle und den Lasten verringern und die Erhöhung von Verlustleistung von Spannungsumwandlungen unterdrücken.
Die Erfindung wurde zuvor kurz beschrieben. Die Einzelheiten der Erfindung werden durch Lesen der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung (im Folgenden als Ausführungsform bezeichnet) unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Konfigurationsbeispiels 1 eines Systems zur elektrischen Energieübertragung;
2 zeigt ein Zeitdiagramm, das ein Betriebsbeispiel des Systems zur elektrischen Energieübertragung der 1 zeigt; und
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Konfigurationsbeispiels 2 des Systems zur elektrischen Energieübertragung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Nachfolgenden wird eine bestimmte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
<Konfiguration des Systems zur elektrischen Energieübertragung >
1 zeigt ein Konfigurationsbeispiel 1 eines Systems zur elektrischen Energieübertragung. Das in 1 gezeigte System zur elektrischen Energieübertragung ist in einem Fahrzeug, wie beispielsweise einem Automobil, eingebaut und dient dazu, die verschiedenen Lasten und dergleichen, die im Fahrzeug eingebaut sind, mit Gleichstrom aus einer Hauptstromquelle 50, wie beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, zu versorgen. Konkrete Beispiellasten sind Motoren von Zubehörteilen, Leuchten und Heizelemente, die 12V benötigen, sowie Sensoren, elektronische Schaltungen usw., die eine stabile 5 V-Spannung benötigen.
Das in 1 dargestellte System zur elektrischen Energieübertragung ist mit einem Modultreiber 10 und einer nachgeschalteten Steuereinheit 20 ausgestattet. Der Modultreiber 10 und die nachgeschaltete Steuereinheit 20 sind über eine einzige Stromanschlussleitung 30 miteinander verbunden. Der Modultreiber 10 ist an einer Position in der Nähe der Hauptstromquelle 50 und das nachgeschaltete Steuergerät 20 an einer Position in der Nähe der Lasten angeordnet.
So wird beispielsweise die Stromanschlussleitung 30 im Fahrzeug derart verlegt, dass sie als eine mehrerer elektrischer Leitungen in einen Kabelbaum eingebaut werden kann. Es wird angenommen, dass die nachgeschaltete Steuereinheit 20 derart konfiguriert ist, dass sie beispielsweise als ein Verbinder mit einer Steuerfunktion in einem Zustand dient, in dem sie in ein Gehäuse eines Verbinders eingebaut ist, der mit der stromabwärts gelegenen Seite des Kabelbaums verbunden ist. Es versteht sich von selbst, dass die nachgeschaltete Steuereinheit 20 in unterschiedlicher Form ausgebildet sein kann.
Wenn die Lasten zwei Stromversorgungsspannungen von 12V und 5V, so wie in dem in 1 gezeigten System zur elektrischen Energieübertragung, benötigen, so erfordert eine gemeinsame Konfiguration anstelle der Stromanschlussleitung 30 mehrere voneinander unabhängige Stromleitungen für die jeweiligen Spannungen. Das in 1 gezeigte System zur elektrischen Energieübertragung weist eine solche spezielle Konfiguration auf, dass nur eine einzige Stromanschlussleitung 30 benötigt wird. Dadurch kann die Anzahl der elektrischen Leitungen, die einen Kabelbaum bilden, verringert werden.
Wenn beispielsweise aus einer Eingangsspannung von 12V unter Verwendung eines oder mehrerer gemeinsamer Spannungsregler oder Widerstände eine reduzierte Ausgangsspannung von 5V erzeugt wird, tritt in dem Spannungsregler ein hoher Leistungsverlust auf, insbesondere, wenn die Eingangsspannung einen großen Spannungsschwankungsbereich aufweist. Vor diesem Hintergrund weist das in 1 dargestellte System zur elektrischen Energieübertragung eine spezielle Konfiguration zur Unterdrückung eines Leistungsverlustes durch Spannungsumwandlung auf. Die 5V-Spannungsversorgung, die von der nachgeschalteten Steuereinheit 20 ausgegeben wird, dient auch für sich selbst als eine Stromversorgungsspannung für elektronische Schaltungen.
<Überblick über die Konfiguration und den Betrieb des Modultreibers 10>
Der in 1 gezeigte Modultreiber 10 umfasst einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 11, eine CPU (Mikrocomputer) 12, Schaltvorrichtungen 13 und 14, Dioden D1 und D2 sowie einen Verbinder 18.
Die Dioden D1 und D2 sind vorgesehen, um eine Fehlbedienung aufgrund eines Sperrstromflusses zu verhindern. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 11 kann eine stabile 5V-Gleichstromspannung durch Umwandeln einer Gleichstromspannung ausgeben. Eine 12V-Stromquellenspannung (+B), die von der Hauptstromquelle 50 zugeführt wird, wird über eine Stromanschlussleitung 51, einen Eingangsanschluss 10a, eine Stromleitung 15 und eine Diode D1 dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 11 zugeführt. Die durch den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 11 erzeugte 5V-Spannung wird einer Stromleitung 19 zugeführt.
Die CPU 12 führt Vorgänge aus, die notwendig sind, um den Modultreiber 10 zu steuern, indem sie Programme ausführt, die im Voraus darin enthalten sind. Insbesondere gibt die CPU 12 Steuersignale SG1 und SG2 aus, die notwendig sind, um die Schaltungsvorrichtungen 13 und 14 zu steuern. Wie im Nachfolgenden beschrieben wird, sind die Steuersignale SG1 und SG2 periodische Binärsignale. Da die Bedienung der CPU 12 relativ einfach ist, kann sie durch spezielle Hardware (Signalerzeugungsschaltung) ersetzt werden.
Die Schalteinrichtungen 13 und 14 sind MOS-Feldeffekttransistoren (FETs) und werden zur Leistungsumschaltung eingesetzt. Die Schaltvorrichtung 13 wird zwischen der Stromleitung 15 und einer Stromleitung 17 verbunden. Ferner wird die Schaltvorrichtung 14 zwischen den Stromleitungen 19 und 17 verbunden. Das Steuersignal SG1 wird über eine Steuerleitung 16 an den Steuereingangsanschluss (Gate-Anschluss) der Schaltvorrichtung 13 angelegt. Das Steuersignal SG2 wird über eine Steuerleitung 16B an den Steuereingangsanschluss der Schaltvorrichtung 14 angelegt.
Die Schaltvorrichtung 14 wird entsprechend dem Steuersignal SG1 wiederholt ein- und ausgeschaltet und gibt die Spannung (12V) der Stromleitung 15 an die Stromleitung 17 aus. Ferner wird die Schaltvorrichtung 14 entsprechend dem Steuersignal SG2 wiederholt ein- und ausgeschaltet und gibt die Spannung (5V) der Stromleitung 19 an die Stromleitung 17 aus.
Die zwei Steuersignale SG1 und SG2 weisen entgegengesetzte Phasen auf. Somit treten die Spannungen von 12V und 5V abwechselnd und periodisch in der Stromleitung 17 auf. Dieses Ausgangssignal Vout1 wird über einen Ausgangsanschluss 10b des Verbinders 18 an die Stromanschlussleitung 30 ausgegeben.
<Überblick über die Konfiguration und den Betrieb der nachgeschalteten Steuereinheit 20>
Die in 1 gezeigte nachgeschaltete Steuereinheit 20 umfasst einen Schalttransistor 23, eine Steuerschaltung 24, Kondensatoren 27 und 28, Dioden D3 und D4 sowie Ausgangsabschnitte zum Ausgeben von entsprechenden Ausgangsspannungen Vout2 und Vout4. Die nachgeschaltete Steuereinheit 20 umfasst zudem eine CPU 26, die die Steuerschaltung 24 und einen kleinen Spannungsregler 25 aufweist.
Die Dioden D3 und D4 sind vorgesehen, um eine Fehlbedienung durch einen Sperrstromfluss zu verhindern. Die CPU 26 führt Vorgänge zur Steuerung der nachgeschalteten Steuereinheit 20 durch, indem sie Programme ausführt, die im Voraus darin enthalten sind. Insbesondere überwacht die Steuerschaltung 24 in der CPU 12 unter Verwendung ihres analogen Spannungsüberwachungsanschlusses 24b die Spannung in der Stromleitung 21 und erzeugt ein Steuersignal SG3, das synchron mit einer erfassten Spannung steigt und abfällt. Es wird eine stabile Gleichstromspannung (5V), die von dem Spannungsregler 25 ausgegeben wird, an einen Stromeingangsanschluss 24a der Steuerschaltung 24 angelegt.
Der Spannungsregler 25 erzeugt eine 5V-Gleichspannung auf der Grundlage einer Spannung (einer 12V-Spannung, die ungefähr einer Gleichspannung entspricht), die in einer Stromleitung 22 auftritt.
Der Schalttransistor 23 wird entsprechend dem Steuersignal SG3, das von der Steuerschaltung 24 der CPU 26 ausgegeben wird, wiederholt ein- und ausgeschaltet. Wenn sich das Steuersignal SG3 somit auf einem niedrigen Pegel (L) befindet, gibt der Schalttransistor 23 die Spannung in der Stromleitung 21, die über die Diode D4 empfangen wird, an eine Stromleitung 29 aus. Wenn sich das Steuersignal SG3 auf einem hohen Pegel (H) befindet, wird der Schalttransistor 23 ausgeschaltet und leitet keinen Strom in die Stromleitung 29.
Ein Stromversorgungssystem wird vom Modultreiber 10 über die Stromanschlussleitung 30 an einen Eingangsanschluss 20a der Stromleitung 21 zugeführt. Die der Stromleitung 21 zugeführte Energie wird dann über die Diode D3 der Stromleitung 22 zugeführt und über die Diode D4 und den Schalttransistor 23 der Stromleitung 29 zugeführt.
Jeder der Kondensatoren 27 und 28 ist ein Elektrolytkondensator und hat eine ausreichend große Speicherkapazität für elektrische Energie. Der Kondensator 27 speichert Gleichstrom, der von der vorgeschalteten Stromleitung 21 an die Stromleitung 22 abgegeben wird, und gibt eine Gleichspannung aus, die in einem stabilen Zustand so wie die Ausgangsspannung Vout2 in etwa gleich 12V ist.
Da tatsächlich 5V und 12V abwechselnd und periodisch in der Stromleitung 21 auftreten, wird der Kondensator 27 über die Diode D3 aufgeladen (dort wird Strom gespeichert), während 12V in der Stromleitung 21 auftreten. Dadurch wird elektrische Energie gespeichert.
Der Kondensator 28 speichert Gleichstrom, der von der nachgeschalteten Stromleitung 21 an die Stromleitung 29 abgegeben wird, und gibt eine Gleichspannung aus, die in einem stabilen Zustand, so wie die Ausgangsspannung Vout3, in etwa gleich 5V ist. Eigentlich treten 5V und 12V abwechselnd und periodisch auf der Stromleitung 21 auf. Das Steuersignal SG3 hat einen niedrigen Pegel (L), und der Schalttransistor 23 wird nur eingeschaltet, wenn 5V in der Stromleitung 21 auftreten. Dadurch wird der Kondensator 28 über die Diode D4, den Schalttransistor 23 und die Stromleitung 29 geladen (dort wird Strom gespeichert).
Somit kann die nachgeschaltete Steuereinheit 20, wie in 1 gezeigt, entweder 5V oder 12V Versorgungsspannung an die mehreren Lasten (nicht dargestellt) abgeben. Die Erdung kann über eine Erdungsleitung erfolgen, die beispielsweise im Kabelbaum enthalten ist, oder über eine Karosserieerdung, wenn die Fahrzeugkarosserie aus einem Metall gebildet ist.
<Betriebsbeispiel des Systems>
2 zeigt ein Betriebsbeispiel des in 1 gezeigten Systems zur elektrischen Energieübertragung. In dem in 2 gezeigten beispielhaften Betrieb ist jedes der von der CPU 12 ausgegebenen Steuersignale SG1 und SG2 ein Binärsignal, das sich in gleicher Weise in einem konstanten Zeitraum T0 ändert. Das Zeitintervall T1, in dem die Spannung des Steuersignals SG1 auf dem hohen Pegel H liegt, ist das gleiche wie das Zeitintervall T2, in dem es auf dem niedrigen Pegel L liegt. Die Spannung des Steuersignals SG2 befindet sich auf dem niedrigen Pegel L, während sich das Steuersignal SG1 auf dem hohen Pegel H befindet und umgekehrt.
In dem in 1 dargestellten Modultreiber 10 wird, wenn das Steuersignal SG1 auf dem hohen Pegel H liegt, die Schaltvorrichtung 13 eingeschaltet, und damit die gleiche Spannung (12V) wie die Spannung der Stromleitung 15 als Ausgangsspannung Vout1 angezeigt. Das heißt, es werden in jedem Zeitintervall T1 12V an die Stromleitung 17 und die Stromanschlussleitung 30 angelegt.
Ferner wird, wenn das Steuersignal SG2 auf dem hohen Pegel H liegt, die Schaltvorrichtung 14 eingeschaltet, und somit die gleiche Spannung (5V) wie die Spannung der Stromleitung 19 als Ausgangsspannung Vout1 angezeigt. Das heißt, in jedem Zeitintervall T2 werden der Stromleitung 17 und der Stromanschlussleitung 30 5V zugeführt.
Andererseits überwacht die CPU 26 in der nachgeschalteten Steuereinheit 20 die Eingangsspannung der Stromleitung 21, die gleich der Ausgangsspannung Vout1 ist. Und die CPU 26 erzeugt ein Steuersignal SG3, das synchron zur Ausgangsspannung Vout1 ansteigt und abfällt. Das heißt, das Steuersignal SG3 befindet sich auf dem hohen Pegel H, wie in 2 gezeigt, wenn die Ausgangsspannung Vout1 gleich 12V ist, und auf dem niedrigen Pegel L, wenn die Ausgangsspannung Vout1 gleich 5V ist.
Wenn beispielsweise die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators 27 in einem Zustand, in dem die Spannung der Stromleitung 21 gleich 12V ist, niedriger als 12V wird, wird die Diode D3 leitfähig, wodurch über die Stromleitung 21 und die Diode D3 der Stromleitung 22 Strom von der Stromanschlussleitung 30 zugeführt und der Kondensator 27 aufgeladen wird. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung Vout2 auf der vorgeschriebenen Spannung (in diesem Fall 12 V) gehalten.
Wenn ferner die Spannung der Stromleitung 21 gleich 5V ist, wird dem Kondensator 27 kein Strom von der Stromleitung 21 zugeführt, selbst wenn die Spannung an den Anschlüssen abfällt. Somit wird der Kondensator 27 allmählich entsprechend dem Strom entladen, der zu den Lasten usw. fließt, und die Ausgangsspannung Vout2 nimmt entsprechend einer bestimmten Zeitkonstante etwas ab. Wenn das Zeitintervall T2 beendet ist und die 12V wieder in der Stromleitung 21 auftreten, wird der Kondensator 27 geladen und die Ausgangsspannung Vout2 wiederhergestellt, das heißt, sie wird 12 V.
Wenn zudem die Spannung der Stromleitung 21 gleich 5V ist, befindet sich das Steuersignal SG3 auf dem niedrigen Pegel L und der Schalttransistor 23 wird eingeschaltet, wodurch ein Strom von der Stromleitung 21 über die Diode D4, den Schalttransistor 23 und die Stromleitung 29 zu dem Kondensator 28 fließt, wodurch der Kondensator 28 geladen wird. Das heißt, in jedem Zeitintervall T2 wird die Ausgangsspannung Vout3 auf 5V gehalten, indem die 5V-Spannung als Ausgangsspannung Vout1 erscheint.
Wenn dagegen die Spannung der Stromleitung 21 gleich 12V ist, befindet sich das Steuersignal SG3 auf dem hohen Pegel H und der Schalttransistor 23 wird abgeschaltet, wodurch kein Strom durch die Stromleitung 29 fließt und der Kondensator 28 nicht geladen wird. Das heißt, in jedem Zeitintervall T1 wird der Kondensator 28 gemäß einem Strom, der in Richtung der Lasten usw. fließt, nach und nach entladen, und die Ausgangsspannung Vout3 nimmt entsprechend einer bestimmten Zeitkonstante leicht ab. Wenn das Zeitintervall T1 beendet ist und 5V wieder in der Stromleitung 21 erscheinen, wird der Kondensator 28 geladen und die Ausgangsspannung Vout3 wiederhergestellt, das heißt, sie wird 5 V.
Da die von der Stromanschlussleitung 30 übertragene Spannung Vout1 der Leistung, wie zuvor beschrieben, abwechselnd zwischen 5V und 12V geschaltet wird, tritt in jedem der zwei Systeme der Ausgangsspannungen Vout2 und Vout3 eine geringe Spannungsänderung auf. Daher wären Anpassungen erforderlich, um zu verhindern, dass in den Lasten ein Fehlbetrieb oder eine Verringerung der Genauigkeit auftritt, indem die Größen der Lasten, die mit den Ausgangsanschlüssen der nachgeschalteten Steuereinheit 20 verbunden sind, und der Nennspannungen sowie die zulässigen Spannungsbereiche der Lasten berücksichtigt werden. Das heißt, es wäre notwendig, die Kapazitäten der Kondensatoren 27 und 28, den Zeitraum T0 und das Verhältnis T1/T2 anzupassen.
<Betrieb im Anfangszustand>
In dem in 1 gezeigten System zur elektrischen Energieübertragung wird die für die CPU 26 in der nachgeschalteten Steuereinheit 20 erforderliche Leistung (5V) vom Spannungsregler 25 auf Basis der 12V-Spannung in der Stromleitung 22 erzeugt. Wenn der Kondensator 27 jedoch im Anfangszustand vollständig entladen wird, liegt die Spannung der Stromleitung 22 nahe 0V und die CPU 26 arbeitet somit nicht.
In Anbetracht dessen ist die betreffende Schaltung im Voraus so ausgelegt, dass die Spannung am Steuerausgangsanschluss 24c in einem Zustand auf dem hohen Pegel H liegt, in dem die CPU 26 nicht betriebsfähig ist. Dadurch wird verhindert, dass aus der Stromleitung 21 eine Spannung von mehr als 5V der Stromleitung 29 zugeführt wird.
Selbst wenn die CPU 26 nicht in Betrieb war, wird nach Ablauf einer bestimmten Zeit vom Beginn der Stromversorgung von der Stromanschlussleitung 30 zu der Stromanschlussleitung 30 der Kondensator 27 geladen und die Spannung der Stromleitung 22 steigt auf etwa 12V. Folglich beginnt der Spannungsregler 25 5V auszugeben und die CPU 26 beginnt zu arbeiten. Somit wird der Schalttransistor 23 eingeschaltet und der Kondensator 28 geladen, wodurch die Ausgangsspannung Vout3 der Stromleitung 29 auf 5V erhöht werden kann.
<Vorteile der Konfiguration in Fig. 1>
In dem in 1 gezeigten System zur elektrischen Energieübertragung kann der Modultreiber 10 auch dann, wenn Lasten, die mehrere Versorgungsspannungen benötigen, an die Ausgangsseite der nachgeschalteten Steuereinheit 20 angeschlossen sind, da der Modultreiber 10 an die Stromanschlussleitung 30 eine Spannungswellenform ausgibt, die abwechselnd und periodisch zwischen mehreren Spannungen (5V und 12V) umschaltet, über nur die einzelne Stromanschlussleitung 30 mit der nachgeschalteten Steuereinheit 20 verbunden werden. Dadurch kann die Anzahl der elektrischen Leitungen, die den Kabelbaum bilden, der die Stromanschlussleitung 30 enthält, verringert werden.
Obwohl darüber hinaus in dem in 1 gezeigten System zur elektrischen Energieübertragung eine Verlustleistung im Spannungsregler 25 auftritt, der die für die CPU 26 erforderliche 5V-Spannung erzeugt, kann der Spannungsverlust der anderen 5V-Lasten weitgehend verringert werden, da zu ihrer Erzeugung keine Spannungsumwandlung in der nachgeschalteten Steuereinheit 20 erforderlich ist. Somit kann der Spannungsregler 25 miniaturisiert werden.
<Modifikation>
3 zeigt ein Konfigurationsbeispiel 2 des Systems zur elektrischen Energieübertragung. Das in 3 gezeigte System zur elektrischen Energieübertragung ist eine Modifikation der 1, in der sich ein Modultreiber 10B und eine nachgeschaltete Steuereinheit 20B hinsichtlich der Konfiguration etwas von dem Modultreiber 10 und der nachgeschalteten Steuereinheit 20 in 1 unterscheiden. Im Nachfolgenden werden die modifizierten Abschnitte beschrieben.
Das in 3 gezeigte System zur elektrischen Energieübertragung umfasst den Modultreiber 10B und die nachgeschaltete Steuereinheit 20B. In dem Modultreiber 10B gibt ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 11B eine 6V-Spannung aus, das heißt, eine Spannung, die geringfügig höher als 5V ist, die für 5V-Lasten usw. erforderlich ist.
Der Modultreiber 10B verwendet anstelle der entsprechenden Schaltvorrichtungen 13 und 14 IPDs (intelligente Leistungsvorrichtungen) 13B und 14B. Die IPD 13B ist zwischen der Stromleitung 15 und der Stromleitung 17 verbunden. Die IPD 14B ist zwischen den Stromleitungen 19B und der Stromleitung 17 verbunden. Es wird ein Steuersignal SG1 an dem Steuereingangsanschluss der IPD 13B angelegt. Es wird ein Steuersignal SG2 an den Steuereingangsanschluss der IPD 14B angelegt.
Somit erscheinen zwei Spannungen 12V und 5V abwechselnd und periodisch in einer Ausgangsspannung Vout1B, die von dem Verbinder 18 des Modultreibers 10B der Stromanschlussleitung 30 ausgegeben wird. Die Ausgangsspannung Vout1 B weist in etwa die gleiche Wellenform wie die Ausgangsspannung Vout1 in 2 auf.
Andererseits ist die nachgeschaltete Steuereinheit 20B mit einem Spannungsregler 25B ausgestattet, um eine Versorgungsspannung von 5V zu erzeugen, die für die 5V-Lasten usw. notwendig ist. Der Spannungsregler 25B ist noch kleiner als der in 1 gezeigte Spannungsregler 25 und hat die Funktion, eine 5V-Ausgangsspannung auf der Basis einer Eingangsspannung von etwa 6V zu erzeugen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reglern verfügt der Spannungsregler 25B über einen Steuereingangsanschluss 25Ba, der zum Ein-/ und Ausschalten des Betriebs des Spannungsreglers 25B verwendet wird.
Ein Schalttransistor 23B und ein Widerstand R3 sind vorgesehen, um ein Freigabesteuersignal SGen zu erzeugen, das an den Steuereingangsanschluss 25Ba des Spannungsreglers 25B angelegt wird. Ein Steuersignal SG3B, das von der CPU 26B erzeugt wird, wird an den Steuereingangsanschluss (Basisanschluss) des Schalttransistors 23B angelegt. Der Kollektoranschluss des Schalttransistors 23B ist über einen Widerstand R3 mit der Stromleitung 22 verbunden. Der Emitteranschluss des Schalttransistors 23B ist geerdet. Das Freigabesteuersignal SGen wird erzeugt, wenn der Schalttransistor 23B ein- und ausgeschaltet wird.
Die CPU 26B arbeitet in etwa auf die gleiche Weise wie die CPU 26. In dem in 3 gezeigten Beispiel wird Spannung der Stromleitung 21 durch die Widerstände R1 und R2 geteilt, und eine resultierende Teilspannung an einen analogen Spannungsüberwachungsanschluss 24b der CPU 26B angelegt. Das Steuersignal SG3B wird synchron mit einer Spannung erzeugt, die an den analogen Spannungsüberwachungsanschluss 24b angelegt wird. Ein Stromeingangsanschluss 24a der CPU 26B ist mit einer Stromleitung 29 verbunden.
Der Betriebszustand des Spannungsreglers 25B spiegelt den Zustand des Freigabesteuersignals SGen wider. In einem stabilen Zustand wird der Spannungsregler 25B ausgeschaltet, während eine 12V-Spannung in der Stromleitung 21 auftritt, und wird eingeschaltet, während eine 6V-Spannung in der Stromleitung 21 auftritt. Somit wird der Kondensator 28 mit einer 5V-Spannung aufgeladen, die vom Spannungsregler 25B nur in Zeitintervallen (entsprechend den in 2 dargestellten Zeitintervallen T2) ausgegeben wird, wenn die Ausgangsspannung Vout1 B, die über die Stromanschlussleitung 30 zugeführt wird, gleich 6V ist.
In den Zeitintervallen (entsprechend den in 2 dargestellten Zeitintervallen T1), wenn die Ausgangsspannung Vout1 B, die über die Stromanschlussleitung 30 zugeführt wird, gleich 12V ist, wird der Spannungsregler 25B abgeschaltet und somit keine Spannung vom Spannungsregler 25B zum Kondensator 28 geleitet.
Der Grund, warum der Spannungsregler 25B in den Zeitintervallen abgeschaltet wird, wenn die Ausgangsspannung Vout1 B gleich 12V ist, liegt darin, eine Erhöhung einer unnötigen Verlustleistung zu vermeiden. Das heißt, durch Einschalten des Spannungsreglers 25B in nur den Zeitintervallen, in denen die Ausgangsspannung Vout1 B gleich 6V ist, wird die Spannungsdifferenz zwischen seiner Eingangs- und Ausgangsseite kleiner gemacht (auf 1V) und die Verlustleistung durch die Spannungsumwandlung weitgehend verringert.
Wenn der Kondensator 28 in einem Anfangszustand vollständig entladen wird, ist die Spannung der Stromleitung 29 in etwa gleich 0V, und somit arbeitet die CPU 26B nicht. Vor diesem Hintergrund ist die Schaltung so ausgelegt, dass das Freigabesteuersignal SGen den Schalttransistor 23B immer eingeschaltet lässt. Folglich kann der Spannungsregler 25B nur im Anfangszustand eine 5V-Ausgangsspannung auf der Grundlage der Ausgangsspannung Vout1 B in jedem Zeitintervall erzeugen und dadurch den Kondensator 28 laden.
Wenn die Spannung der Stromleitung 29 in einem Anfangszustand ansteigt, beginnt die CPU 26B mit der Zeit zu arbeiten. Folglich empfängt der Schalttransistor 23B ein Steuersignal SG3B und erzeugt ein gewöhnliches Freigabesteuersignal SGen. Somit geht der Spannungsregler 25B in einen intermittierenden Antriebsmodus über, in dem er nicht in den Zeitintervallen arbeitet, wenn die Ausgangsspannung Vout1B gleich 12V ist.
Das heißt, im Anfangszustand arbeitet der Spannungsregler 25B ständig und somit tritt beim Absenken der Spannung von 12V auf 5V eine großer Verlustleistung auf. Da der Anfangszustand jedoch kurz ist und die Verlustleistung nach der Bildung eines stabilen Zustands niedrig wird, tritt im Spannungsregler 25B auch dann keine große Verlustleistung auf, wenn relativ große Leistungen an die 5V-Lasten angelegt werden. Da ferner eine große Verlustleistung in nur einer sehr kurzen Zeit auftritt, kann der Spannungsregler 25B miniaturisiert werden.
Da der Spannungsregler 25B verwendet wird, um die Ausgangsspannung Vout3B zu erzeugen, die den 5 V-Lasten zugeführt wird, kann das System zur elektrischen Energieübertragung mit der in 3 gezeigten Konfiguration, beispielsweise mit einer Schutzfunktion gegen den Ausfall einer Last oder der CPU 26B ausgestattet werden. Das heißt, die Schaltung kann bei einem ungewöhnlich hohen Laststrom, einer Überhitzung oder dergleichen, automatisch abgeschaltet werden.
Die Werte der zuvor erwähnten Ausgangsspannungen Vout1, Vout2 und Vout3 sowie die Angaben der Steuerzeiträume und Zeitintervalle (T0, T1 und T2) usw. können bei Bedarf geändert werden. Gleiches gilt für die Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren 27 und 28 und für die Schaltzeitkonstanten.

Claims

System zur elektrischen Energieübertragung, umfassend: ein nachgeschaltetes Steuermodul (20) mit einer Vielzahl von Spannungsausgangsabschnitten (22, 29), die jeweils eine von einer Vielzahl von Lasten mit einer von einer Vielzahl von unterschiedlichen Versorgungsspannungen versorgen; einen vorgeschalteten Modultreiber (10), der dem nachgeschalteten Steuermodul (20) eine elektrische Leistung zuführt; und eine Stromanschlussleitung (30), die den vorgeschalteten Modultreiber (10) mit dem nachgeschalteten Steuermodul (20) verbindet, wobei der vorgeschaltete Modultreiber (10) Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Energiequellen (15, 19), die jeweils in der Lage sind, eine der unterschiedlichen Versorgungsspannungen auszugeben; und eine Spannungsumschaltsteuereinheit (12, 13, 14), die der Reihen nach und periodisch jede der von der Vielzahl von Energiequellen (15, 19) ausgegebenen Versorgungsspannungen auswählt und die ausgewählt Versorgungsspannung an die Stromanschlussleitung (30) sendet; und wobei das nachgeschaltete Steuermodul (20) umfasst: eine Spannungsentnahmesteuereinheit (23, 24), die die Versorgungsspannungen aus der von der Stromanschlussleitung (30) übertragenen Leistung entnimmt und der Reihe nach und periodisch an die entsprechenden Spannungsausgangsabschnitte (22, 29) ausgibt.
System zur elektrischen Energieübertragung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsumschaltsteuereinheit (12, 13, 14) die Versorgungsspannungen in der Reihe nach und periodisch in einem konstanten Zeitraum auswählt und die ausgewählten Stromversorgungsspannungen an die Stromanschlussleitung (30) sendet.
System zur elektrischen Energieübertragung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spannungsentnahmesteuereinheit (23, 24) eine Spannung der von der Stromanschlussleitung (30) in das nachgeschaltete Steuermodul (20) eingespeisten Leistung überwacht, eine Spannungsdifferenz zu einem Zeitpunkt identifiziert und mindestens eine der Stromversorgungsspannungen entnimmt.
System zur elektrischen Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jeder der Vielzahl der Spannungsausgangsabschnitte (22, 29) eine elektrische Energiespeichereinheit (27, 28) aufweist, die die Leistung jeder der durch die Spannungsentnahmesteuereinheit (23, 24) entnommenen Stromversorgungsspannungen empfängt und speichert.
System zur elektrischen Energieübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens einer der Vielzahl von Spannungsausgangsabschnitten (22, 29) ein Schaltelement (23) aufweist, das das Ein- oder Ausgeben einer Hochspannung verhindert, wenn eine Spannung, die höher oder gleich einem vorgegebenen Wert ist, in der Stromanschlussleitung (30) auftritt.