JP2006502541A - 容量性の素子間に配置されている電力スイッチをスイッチオンするための方法および装置 - Google Patents

容量性の素子間に配置されている電力スイッチをスイッチオンするための方法および装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、容量性の素子(C1,DLC,B36)間に配置されている電力スイッチ(S1,S2)をスイッチオンする方法および装置に関する。既に開かれている電力スイッチ(S1,S2)のスイッチングノードにチョークコイル(L)が並列接続され、このチョークコイル(L)を介して相互に接続すべき素子(C1,DLC,B36)に補償調整電流を流して減衰することができ、続いて電力スイッチ(S1,S2)が電流および電圧の無い状態で閉じられる。

Description

本発明は請求項1の上位概念による、容量性の素子間に配置されている電力スイッチ、殊に統合型スタータ・ジェネレータ(ISG)を装備した自動車におけるリレー作動式電力スイッチをスイッチオンするための方法および装置に関する。本発明はこの方法を実施するための、請求項4による装置にも関する。
ISGを有する自動車搭載電源網においては、電力スイッチを用いるコンバータまたはスイッチングコントローラを介するエネルギ蓄積装置間、すなわち異なる定格電圧の蓄電池とコンデンサ(中間回路コンデンサ、電気二重層コンデンサ)との間でのスイッチング過程が必要とされ、このスイッチング過程は制御装置の命令を用いて実施される。
この場合の条件は、電力の無い状態でスイッチを作動できるようにするために、スイッチが開かれる前にこのスイッチを流れるスイッチ電流は0Aにされ、またスイッチが閉じられる前にスイッチングコンタクト間に印加されるスイッチ電圧は0Vにされることである。
0Aのスイッチ電流は例えばAC/DCコンバータまたはDC/DCスイッチングコントローラのスイッチオフによって生じさせることができるので、実質的に問題は無い。
スイッチ電圧を0Vに調整すること、すなわち(開かれている=導通していない)スイッチの極間の電位差を無くすことは通常の場合、エネルギ供給器のうちの1つ、例えば中間回路コンデンサを所期のように再充電することによって行われる。何故ならばこの中間回路コンデンサはエネルギ蓄積装置の中でもより小さいからである。この調整はまた原則的に、コンバータによって、またはコンバータと搭載電源網との間に設けられているスイッチングコントローラによって行うことができる。
中間回路コンデンサは例えば数10,000μFの容量を有し、電気二重層コンデンサは例えば200Fの容量を有し、蓄電池は数Ahの容量を有する。この際、補償調整されるべきスイッチ電圧は60Vにまで達する可能性がある。
しかしながら実際上、コンバータ(例えば6kW)またはスイッチングコントローラ(例えば1kW)の性能と充電補償調整(40ジュールまで)のために必要とされるエネルギとの不所望な関係によって電圧補償調整には厳しい制限が課されている。
例えばリレーを有するスイッチが構成されている場合には、そのようにして達成可能な電圧補償調整の精度は十分ではない。何故ならば、通常動作時に発生する電流および電力は非常に低抵抗の構成素子(コンデンサ、スイッチ)の使用を必要とするからである。電圧差が存在する場合には、閉じられるべきスイッチを介する補償調整電流は相応に大きくなる。極端な場合そのような補償調整電流はスイッチを損傷させることになる。
スイッチを流れる補償調整電流を安全な値に制限することは通常の場合、発生する電流が大きい場合には高価な電流センサを必要とする電流測定を前提とする。しかしながらこのことは、統合型スタータ・ジェネレータと接続されている容量性の素子の相互接続だけでなく、非常に一般的にコンデンサ、蓄電池または燃料セルの相互接続にも該当する。
本発明の課題は、高価な電流センサを要せず、また電力スイッチがスイッチオンされる前に電力スイッチのスイッチングコンタクト間の電位差が大きい場合であっても、電力スイッチが損傷することないようスイッチオン課程およびスイッチオン状態は制御される、容量性の素子間に配置されている電力スイッチをスイッチオンするための方法および相応の装置を提供することである。
この課題は本発明によれば、請求項1記載の特徴による方法ならびに請求項4記載の特徴による装置によって解決される。
本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
本発明は、電力スイッチのスイッチングノードにおいて電位差がもはや殆ど存在しなくなるまで、チョークコイルを介して補償調整電流を流して減衰でき、電力スイッチがスイッチオンされる前には補償調整電流がもはや流れないことによって、電力スイッチの開かれたスイッチングノード間における電位補償調整を、このスイッチングノードに並列に接続可能な損失性のチョークコイルでもって行うという技術的な思想を包含する。
本発明の実施例を概略的な図面に基づき詳細に説明する。ここで
図1は14V/42V自動車搭載電源網の原理回路図を示し、
図2はチョークコイルを有する図1の部分回路を示し、
図3はチョークコイルを有する場合と有さない場合での補償調整電流の経過を示し、
図4はチョークコイルLにおける電圧降下を介して補償調整電流を求める回路を示し、
図5はスイッチS1〜S5の制御に関連する限りの制御装置を示し、
図6はこの制御装置のスイッチング命令およびスイッチ位置の信号グラフを示す。
図1は、図示していない内燃機関と接続されている統合型スタータ・ジェネレータISGを有する14V/42V自動車搭載電源網の原理回路図を示し、この回路図に基づき本発明を説明する。
このISGは双方向AC/DC変換器AC/DCを介して、
a)中間回路コンデンサC1と直接接続されており、
b)電力スイッチS1を介して36V蓄電池B36および42V搭載電源網N42と接続されており、
c)電力スイッチS2を介して電気二重層コンデンサDLCと接続されており、
d)双方向DC/DC変換器DC/DCを介して12V蓄電池B12および14V搭載電源網N14と接続されている。
図2は、チョークコイルL(このチョークコイルLのオーム抵抗Rと共に表されているが、この抵抗RはチョークコイルLと直列に接続されている別の実際の抵抗も表すことができる)と切り換えスイッチS3との直列回路が挿入されている図1の点線で囲まれた部分回路を示す。この直列回路はスイッチS3が位置aにある場合にはスイッチS1のスイッチングコンタクトに並列に接続され、スイッチS3が位置bにある場合にはスイッチS2のスイッチングコンタクトに並列に接続される。切り換えスイッチS3を2つのオン・オフスイッチから構成しても良い。スイッチS1,S2およびS3は制御装置SGによって作動される。
図2による実施例は中間回路コンデンサC1と蓄電池B36との接続、また択一的に電気二重層コンデンサDLCとの接続を実現する。したがって電力スイッチをスイッチオンするためのスイッチオン命令UMは切り換え命令であり、相応にスイッチS3はオン・オフスイッチの代わりに切り換えスイッチである。
図2においては中間回路コンデンサC1が閉じられた(導通している)スイッチS2()を介して電気二重層コンデンサDLCと接続されており、このスイッチS2には抵抗R、チョークコイルLおよび(位置bにある)切り換えスイッチS3からなる直列回路が並列接続されており、他方ではスイッチS1が開かれていることにより(導通していない)蓄電池B36からは分離されている。
例えば電気二重層コンデンサDLCから供給される60Vの高電圧が印加される中間回路コンデンサC1が36Vの電圧を有する蓄電池B36と接続される場合には、制御装置SGによって先ずスイッチS2が開かれる。すなわちスイッチS3はスイッチS1およびS2が確実に開かれるまではスイッチング位置bにあり、これら2つのスイッチが開かれたときに初めてスイッチング位置a(図4)に移行する。
中間回路コンデンサC1はここではチョークコイルLを介して接続される蓄電池B36とは異なる電位を有するので、補償調整電流がチョークコイルLを介して流れる。チョークコイルLは急激な電流の変化を許容しないので、図3に示されているように、電流は0Aから上昇し始める。スイッチS3を介して並列接続されるチョークコイルLが存在しない場合には、電力スイッチS1が閉じられると図3に点線の曲線で示されているように大きな電流サージが発生し、このような電流サージは電力スイッチを損傷させる恐れがある。
電位補償調整は電流が大きくなるにつれ僅かなものとなるので、補償調整電流は再び低減する。したがって急速に電流最大値が生じ、続いて補償調整電流は指数関数的に減衰していき、この減衰は電位補償調整と共に終了する。
補償調整電流が減衰すると、蓄電池B36がスイッチS1を介して中間回路コンデンサC1と接続されることに関しての危険はもはや存在しない。その都度のスイッチS1または(逆の場合には)スイッチS2は電流および電圧の無い状態でスイッチングできることは大きな利点である。
補償調整電流の値が一定になることはないので、電流に比例する電圧U=L*di/dtがチョークコイルLを介して誘導される。付加的に、チョークコイルLのオーム抵抗Rを介して電圧降下が生じ、この電圧降下は補償調整電流の頂点において作用する。そこではdi/dt=0である。付加的にこのオーム抵抗Rは最大電流を制限し、コンデンサ、蓄電池およびチョークコイルからなる全体のシステム(振動回路)を減衰させる。
電流の上昇はチョークコイルにおける電圧変化を惹起するので、直接的な電流測定を省略することができ、電圧測定は電流に比例するチョークコイルL(およびこのチョークコイルLのオーム抵抗R)に印加される電圧を測定することによって行うことができる。
図4は、電圧の異なる2つの容量性の素子が相互に接続される場合、すなわちここでは中間回路コンデンサC1が図2において接続されている電気二重層コンデンサDLCから分離されて、蓄電池B36と接続される場合、またはそれとは逆の場合に流れる補償調整電流を検出するための検出回路を示す。
図4には図2の部分回路が示されており、この部分回路においてスイッチS1はさらに開かれたままであり、スイッチS3が位置b(図2)から位置aに切り換えられる。
素子C1,B36,R,L,S1およびS3ならびにこれらの接続は図2から公知である。
中間回路コンデンサC1と抵抗R(ないしチョークコイルL)との間の接続点Aにおいては、抵抗R1およびpnpトランジスタQ1のエミッタ・コレクタ区間から成る直列回路が分岐しており、同様にチョークコイルLとスイッチS3との間の接続点Bにおいては、抵抗R3およびpnpトランジスタQ2のエミッタ・コレクタ区間から成る直列回路が分岐している。2つのトランジスタQ1およびQ2のコレクタは相互に接続されており、また2つの抵抗R7およびR8の直列回路を介して基準電位GNDに接続されている。
接続点Aと基準電位GNDとの間には、この基準電位GNDに電流を誘導するダイオードD1および抵抗R2からなる直列回路が設けられており、同様に接続点Bと基準電位GNDとの間には、この基準電位GNDに電流を誘導するダイオードD2および抵抗R4からなる直列回路が設けられている。
ダイオードD1と抵抗R2との間の接続点はpnpトランジスタQ2のベースと抵抗R5を介して接続されており、同様にダイオードD2と抵抗R4との間の接続点はpnpトランジスタQ1のベースと抵抗R6を介して接続されている。
2つの抵抗R7とR8との間の接続点はnpnトランジスタQ3のベースと接続されており、このnpnトランジスタQ3のエミッタは基準電位GNDに接続されており、またこのnpnトランジスタQ3のコレクタは一方では抵抗R9を介して例えば5Vの供給電圧源Vccと接続されており、他方では図5に示されている制御装置SGの端子Messと接続されている。
図2の説明において既に言及したように、例えば中間回路コンデンサC1においては60Vの高電圧が印加されており、蓄電池B36には36Vの電圧が印加されている。
スイッチS3の切り換えが行われる前にスイッチS2が開かれる。スイッチS3がスイッチング位置aに移行された瞬間から、図3による補償調整電流がC1からRおよびLを介してB36へと流れ始める。この補償調整電流はチョークコイルL(およびR)における電圧降下を惹起する。したがってこの場合には接続点Aにおける電位は接続点Bにおける電位よりも高い。
回路(図4)が相応に設計されている場合、トランジスタQ1のエミッタにはこのトランジスタQ1のベースよりも高い電位が印加され、このベースには接続点Bの電位に比例する電位が印加され、その結果トランジスタQ1は導電される。
補償調整電流が所定の値を上回る限り、つまりpnpトランジスタQ1のエミッタ・ベース電圧を上回る限り、トランジスタQ1は導電状態であり、電流が接続点AからR1,Q1,R7およびR8を介して基準電位GNDへと流れる。このことはnpnトランジスタQ3のベース電圧を高め、これによってnpnトランジスタQ3は導通され、信号MessがH信号からL信号になる。
接続点Bにおける電位が接続点Aにおける電位よりも高い場合には、pnpトランジスタQ2が導通され、したがってnpnトランジスタQ3も導通される。この理由から回路はトランジスタQ1およびQ2について対象的に設計されている。
図5はスイッチS1〜S3の制御に関連する限りの制御装置SGを示す。以下ではこの制御装置SGについてさらに詳細に検討する。
図6からは所定の時点におけるスイッチS1〜S3の相応の信号レベルおよびスイッチング位置が見て取れる。
これら2つの図を以下説明し、その際実質的には図6を参照する。
ここでは図2におけるスイッチの位置(S1は開かれており、S2は閉じられており、S3は位置bにある)から出発して、初めは電気二重層コンデンサDLCと接続されていた中間回路コンデンサC1が蓄電池B36と接続されることとする。
時点t1以前ではL信号(ロウ信号)であった、制御装置(SG)の図示していない部分からの切り換え命令Umは、時点t1においてLからH(ハイ信号)に変化する。
この切り換え信号と同時に時限素子T1およびT2が起動される。
T1は両方のエッジでトリガされる、すなわち切り換え信号の立ち上がりエッジでも立ち下がりエッジでもトリガされる遅延素子である。この遅延素子T1では切り換え命令Umの2つのエッジによって惹起されるスイッチS3の切り換え(スイッチング位置bからa、またはその逆)を遅延時間T1だけ遅延させ、この遅延時間T1の終了後にこの実施例においてはリレースイッチである全てのスイッチが確実に新たなスイッチ位置に達することを保証する。切り換えられるべき電流に依存して、電力スイッチS1およびS2に対してはスイッチS3よりも大きい構造が必要とされ、したがって実質的にスイッチS3のスイッチング時間よりも長いスイッチング時間が必要とされる。
T2は両方のエッジでトリガされる単安定マルチバイブレータとして構成されており、切り換え信号Umの立ち上がりエッジが生じた際にも立ち下がりエッジが生じた際にも、T1より長い期間T2のLパルスを形成する。この単安定マルチバイブレータは、例えば大きな充電補償調整が行われず、このことは検出が困難であるにもかかわらず大きな補償調整電流を惹起する可能性のある大きな充電補償調整が行われない場合にも、接続されるべきスイッチここではS1が遅延時間T2の終了以前にスイッチオンされることを回避する。
相互に接続されるもしくは相互に分離されるべき2つの素子、例えばC1およびB36のみが存在する場合には、時限素子T1およびT2は切り換え信号Umの(LからHへの)スイッチオンエッジによってのみトリガされればよく、すなわちシングルエッジトリガ式である。何故ならば電力スイッチのスイッチオフは電流および電圧の無い状態で行われるからである。
切り換え命令Umの発生と同時に先ずスイッチS2が開かれる(図6におけるHからL)。時点t1以前は開かれていたスイッチS1はさらにこの位置、すなわち開かれた状態に留まる。切り換え命令以前、また遅延時間T1が終了するまで(t2)充電は補償調整されており、また補償調整電流は流れないので、図4の回路の測定信号MessはHである。
遅延時間T1の終了後にスイッチS3は時点t2において、スイッチ位置b(Lレベル)からスイッチ位置a(Hレベル)に移行する。この時点t2以降にC1(60V)からB36(36V)への補償調整電流が流れ、この補償調整電流は測定信号Messが時点t2においてHからLに変化し、補償調整電流が減衰するまでこのレベルに留まるよう作用する。
これは時点t4において行われ、この時点t4は充電差に応じて早くもしくは遅くなる可能性がある。この時点t4においてスイッチS1がスイッチオンされる。しかしながらこのことは遅延時間T2が経過する以前、すなわち時点t3以前には行うことはできない。したがってスイッチS1は電流および電圧の無い状態で接続されている。
スイッチバック、すなわち中間回路コンデンサC1と電気二重層コンデンサDLCとの新たな接続は同様の順序で以下説明するように行われる。
これに関して行われる切り換え命令Umは時点t5においてHからLに変化する。この変化と同時に2つの時限素子T1およびT2が再び起動される。
切り換え命令Umと同時に先ずスイッチS1が開かれる(図6におけるHからL)。時点t5以前に開かれていた(Lレベル)スイッチS2はさらにこの位置に留まりつづける。切り換え命令以前、また遅延時間T1が終了するまで(時点t6)充電は補償調整されており、補償調整電流は流れないので、測定信号はHである。
遅延時間T1の終了でもってスイッチS3は時点t6においてスイッチング位置a(Hレベル)からスイッチング位置b(Lレベル)に移行される。この時点t6以降に補償調整電流がDLC(60V)からC1(36V)へと流れ、この補償調整電流は測定信号Messが時点t6においてHからLに変化し、補償調整電流が減衰するまでこのレベルに留まりつづけるよう作用する。
このことは時点t8において行われ、この時点t8は充電差に応じて早くもしくは遅くなる可能性がある。この時点t8においてスイッチS2がスイッチオンされる(LレベルからHレベル)。しかしながらこのことはやはり遅延時間T2の経過以前、すなわち時点t7以前には行うことはできない。したがってスイッチS2はやはり電流が無い状態で切り換えられている。
図5による制御装置SGの回路においては2つの時限素子T1およびT2は既に説明している。
時限素子T1は、スイッチS3の位置をaからbに、またはその逆に遅延時間T1だけ遅延させて切り換えるための切り換え命令Umを変える。
時限素子T2は切り換え信号Umの各エッジの発生と共に、遅延時間T2の期間にわたりLレベルになる。
2つのトリプルANDゲートU1およびU2は信号Um(アンドゲートU1)または(インバータN1を介して反転された)信号「再反転」(アンドゲートU2)、T2の出力信号および電流測定信号Messを結合する。U1またはU2の3つ全ての入力信号がHレベルを有する場合のみ、対応する出力信号もHレベルを有する。このことはスイッチS3を介する補償調整過程が終了しており、且つこのスイッチS3を介して電流が流れないことを保証するインターロックに相応する。
2つの後続のフリップフロップFF1およびFF2はインバータN2によって反転された時限素子T2の出力信号でもってリセットされる。ANDゲートU1またはANDゲートU2は遅延時間T2の終了後にフリップフロップFF1またはFF2をセットする。
最終的には、インバータN3,N4およびアンドゲートU3,U4でもってスイッチS1およびS2を同時にスイッチオンできないことが保証される。
14V/42V自動車搭載電源網の原理回路図。 チョークコイルを有する図1の部分回路。 チョークコイルを有する場合と有さない場合での補償調整電流の経過。 チョークコイルLにおける電圧降下を介して補償調整電流を求める回路。 スイッチS1〜S5の制御に関連する限りの制御装置。 制御装置のスイッチング命令およびスイッチ位置の信号グラフ。

Claims (10)

  1. 容量性の素子(C1,DLC,B36)間に配置されている電力スイッチ(S1,S2)をスイッチオンする方法において、
    既に開かれている電力スイッチ(S1,S2)のスイッチングノードを少なくとも1つの補償調整素子(L)に並列に接続し、該補償調整素子(L)を介して相互に接続すべき前記素子(C1,B36,DLC)間に補償調整電流を流して減衰させ、前記電力スイッチ(S1,S2)が電流および電圧の無い状態で閉じられることを特徴とする、電力スイッチをスイッチオンする方法。
  2. 前記補償調整素子(L)の並列接続を、前記電力スイッチ(S1,S2)をスイッチオンするためのスイッチオン命令(Um)に対して第1の遅延時間(T1)だけ遅延させて行う、請求項1記載の方法。
  3. 前記電力スイッチ(S1,S2)のスイッチオンを補償調整電流が減衰した後、且つ、前記スイッチオン命令(Um)と共に開始する第2の遅延時間(T2)が終了している場合にのみ行う、請求項1記載の方法。
  4. 請求項1から3までのいずれか1項記載の方法を実施する装置において、
    前記補償調整素子(L)はチョークコイルであり、該チョークコイルは既に開かれている電力スイッチ(S1,S2)のスイッチングコンタクトと別のスイッチ(S3)を用いて並列接続可能であり、
    検出回路(DTS)が設けられており、該検出回路(DTS)は相互に接続すべき前記素子(C1,DLC,B36)間に流れる電流を検出し、
    制御装置(SG)が設けられており、該制御装置(SG)は、前記検出回路(DTS)によって前記チョークコイル(L)を介して流れる補償調整電流がもはや確認されなくなると即座に前記電力スイッチ(S1,S2)を閉じる、請求項1から3までのいずれか1項記載の方法を実施することを特徴とする装置。
  5. 前記チョークコイル(L)と抵抗(R)が直列に接続されており、該抵抗(R)は前記チョークコイルのオーム抵抗または実際の抵抗である、請求項4記載の装置。
  6. 前記検出回路(DTS)において、
    前記チョークコイル(L)の一方の端子(A)から抵抗(R1)とpnpトランジスタ(Q1)のエミッタ・コレクタ区間とからなる直列回路が分岐しており、同様に前記チョークコイル(L)の他方の端子(B)から抵抗(R3)とpnpトランジスタ(Q2)のエミッタ・コレクタ区間とからなる直列回路が分岐しており、
    前記の2つのトランジスタ(Q1,Q2)は相互に接続されており、且つ2つの抵抗(R7,R8)の直列回路を介して基準電位(GND)に接続されており、
    前記一方の端子(A)と基準電位(GND)との間には、該基準電位(GND)に電流を誘導するダイオード(D1)と抵抗(R2)とからなる直列回路が配置されており、同様に他方の端子(B)と基準電位(GND)との間には、該基準電位(GND)に電流を誘導するダイオード(D2)と抵抗(R4)とからなる直列回路が配置されており、
    ダイオード(D1)と抵抗(R2)との間の接続点は抵抗(R5)を介してpnpトランジスタ(Q2)のベースと接続されており、同様にダイオード(D2)と抵抗(R4)との間の接続点は抵抗(R5)を介してpnpトランジスタ(Q1)のベースと接続されており、
    前記の2つの抵抗(R7,R8)の間の接続点はnpnトランジスタ(Q3)のベースと接続されており、該npnトランジスタ(Q3)のエミッタは基準電位(GND)に接続されており、該npnトランジスタ(Q3)のコレクタは一方では抵抗(R9)を介して供給電圧(Vcc)と接続されており、他方では制御装置(SG)の端子(Mess)と接続されている、請求項4記載の装置。
  7. 前記制御装置(SG)は、
    第1の遅延素子(T1)を有し、該遅延素子(T1)は前記チョークコイル(L)と開かれるべき電力スイッチ(S1,S2)との並列接続を、スイッチオン命令(Um)以降に所定の第1の遅延時間(T1)だけ遅延させ、
    単安定マルチバイブレータとして構成されている第2の遅延素子(T2)を有し、該第2の遅延素子(T2)は前記電力スイッチ(S1,S2)のスイッチオンを早くとも、前記第1の遅延時間(T1)よりも長く、且つ前記スイッチオン命令(Um)と共に経過し始める第2の遅延時間(T2)の終了後に許可する、請求項4記載の装置。
  8. 前記電力スイッチ(S1,S2)のスイッチオフは前記スイッチオン命令(Um)の終了と共に行われる、請求項4記載の装置。
  9. 前記別のスイッチ(S3)は切り換えスイッチであり、
    前記第1の遅延素子(T1)は両方のエッジでトリガされる遅延素子であり、
    前記第2の遅延素子(T2)は両方のエッジでトリガされる単安定マルチバイブレータとして構成されており、
    切り換え命令であるスイッチング命令(Um)の発生と共に、全ての電力スイッチが開かれる、容量性素子(C1)を別の素子(DLC、B36)と択一的に接続するための、請求項4から8までのいずれか1項記載の装置。
  10. 前記電力スイッチ(S1〜S3)はリレー制御式のスイッチである、請求項4から9までのいずれか1項記載の装置。
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