JP2007135391A - 二重電圧電気システム - Google Patents

Abstract

【課題】単一のオルタネータから二種類の電圧を供給する電力システムを提供する。
【解決手段】二重電圧電源システムは、高電圧および低電圧の電力を別個の高電圧および低電圧の負荷に供給する。本システムは、ＡＣオルタネータと、各々オルタネータと対応する高電圧および低電圧の負荷とに接続された第１および第２整流器回路とを含む。第１整流器回路は、オルタネータの電圧が高電圧負荷の電圧よりも高い場合オルタネータの電圧を高電圧負荷に転流する。第２整流器回路は、オルタネータの電圧が低電圧負荷の電圧よりも高く、低電圧負荷（１つ以上の負荷）が耐えることができる最大電圧未満の、ある最大電圧未満であるときに、発電機オルタネータを前記低電圧負荷に転流する。第２整流器回路は、第１整流器回路がオンのときにはいつでもオフとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用二重電圧電気システムに関する。

今後の農業用および工業用のトラクタは、現在用いられている機械式および油圧式の補助装置を補うため、またはこれらと置き換えるために、パワーを高めた電気式補助装置を用いることが予測される。例えば、電気式パワー・ステアリング・システム、電気式空調、および高電圧／高パワー・キセノン照明システムは、パワーを高めた評価対象の電気式補助装置のほんの一部に過ぎない。これらのシステムは、今日用いられている電気式補助装置の大部分よりも大きな電力を使い、これらが動作する電圧を高くすれば、一層経済的および効率的に実施することができる。このために、４２ボルトの自動車用電気パーツが開発途上にあり、近い将来、更に高い電圧のＤＣバスが開発される可能性が高い。

バッテリ、スタータモータ、および多くの低パワーの電気式補助装置は依然としてバッテリ電圧の電力を必要とするので、高電圧バスおよび低電力バッテリの双方に電力を供給するために、何らかの効率的で安価な手段が求められる。別個の高電圧および低電圧の発電機／オルタネータ(generator/alternator)を使用することもできる。発電機／オルタネータにおける別個の高電圧および低電圧の巻線も公知である。ある電力レベルから別の電力レベルに電力を変換するＤＣ−ＤＣコンバータも周知である。これら代替物は全て高価である。

したがって、本発明の目的は、単一のオルタネータから二種類の電圧を供給する電気システムを提供することである。

この目的およびその他の目的は、本発明によって達成され、二重電圧電源システムが、高電圧および低電圧の電力を別個の高電圧および低電圧の負荷に供給する。このシステムは、ＡＣオルタネータと、各々オルタネータと対応する高電圧および低電圧の負荷との間に接続された、第１および第２の整流器回路とを含む。第１整流器回路は、オルタネータの電圧が高電圧負荷の電圧よりも高い場合、オルタネータの出力電圧を高電圧負荷に転流する。第２整流器回路は、オルタネータの電圧が低電圧負荷の電圧よりも高く、高電圧負荷の電圧、または低電圧負荷に損傷を与えることなく印加することができる最低電圧よりも低い最高電圧のいずれか低い方よりも高い場合、オルタネータを低電圧負荷に転流する。第１整流器回路がオンになるときはいつでも、第２整流器回路はオフになる。第１および第２整流器回路の各々は、整流器と負荷の１つとの間に接続された複数のパワー・スイッチと、各々パワー・スイッチの対応する１つを駆動する複数のスイッチ・ドライバと、スイッチ・ドライバを制御する位相制御整流器コントローラとを含む。この二重電圧システムは、単一の電気オルタネータから二種類の電圧を提供する価格効率的なシステムを提供する。

図１を参照すると、電気システム１０は、エンジン駆動ＡＣオルタネータ１２を含み、４２ボルトの高電圧負荷のための６０ボルト、または６００ボルトの高電圧負荷のための恐らくは８００ボルトというような電圧の交流電流を発生する。また、システム１０は、第１の即ち高電圧の位相制御整流器コントローラ１４Ａと、第２の即ち低電圧の位相制御整流器コントローラ１４Ｂとを含む。これらの整流器の各々は、例えば、RashidによるPower Electronics（パワー・エレクトロニクス）の第４章における例について記載されているように、単相セミコンバータ(semi-converter)として機能する。整流器コントローラ１４Ａは入力１６Ａ〜２２Ａならびに出力２４Ａおよび２６Ａを含む。整流器コントローラ１４Ｂは、入力１６Ｂ〜２２Ｂならびに出力２４Ｂおよび２６Ｂを含む。また、システム１０は、スイッチ・ドライバ４０、４２、４８および５０、ならびにパワー・スイッチ６０、６２、６８および７０も含む。パワー・スイッチの各々には、直列接続されているブロッキング・ダイオード６１、６３、６９および７１が関係し、これらはパワーＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴをパワー・スイッチとして用いる場合に必要となる。パワーＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴは、固有の並列ダイオードを有し、これが整流出力バスを電源に接続し、オルタネータの電圧がこのバス電圧未満に低下した場合、電流をオルタネータに向かって逆流させ、コンデンサを放電する。ダイオード６１、６３、６９および７１はこの電流を遮断する。高電圧または低電圧の負荷とオルタネータとの間に接続されているダイオード６４、６６、７２および７４により、回路が完成する。

本システムは、高電圧コンデンサＣ１も含み、また高電圧負荷（１つ以上の負荷）８０に接続されている。高電圧負荷（１つ以上の負荷）８０は、空調用コンプレッサを駆動する電気モータ（図示せず）、車両補助機能を駆動するモータ（図示せず）、電動油圧システム（図示せず）、車輪駆動モータ（図示せず）、および／または高電圧ライト（図示せず）というような、電気機器を含むことができる。低電圧の用途（最大電圧が約１００ボルト未満）では、パワー・スイッチ６０〜７０は、Maxim 社のパーツ#MAX620またはMicrel 社のパーツ#MIC4100、あるいはNational Semiconductor社のパーツ #LMS5102のような市販のＭＯＳＦＥＴデバイス、あるいは適した同等品であれば他のいずれでも好ましい。１００ボルトよりも高い電圧では、International Rectifier 社のパーツ#IR2184または同等品のようなＩＧＢＴデバイスを、パワー・スイッチ６０、６２、６８および７０として用いることができる。

また、システム１０は、従来のスタータモータ８２およびスタータソレノイド８３、低電圧コンデンサＣ２、バッテリＢならびに低電圧負荷（１つ以上の負荷）８４にも接続されている。低電圧負荷（１つ以上の負荷）８４は、ラジオ、マイクロコントローラ（１つ以上のマイクロコントローラ）、低電圧ライト、低電圧電気ファン・モータ等のような電気機器を含むことができる。

オルタネータ１２の第１側は、第１の即ち高電圧の位相制御整流器コントローラ１４Ａの入力１６Ａ、および第２の即ち低電圧の位相制御整流器コントローラ１４Ｂの入力１６Ｂに接続されている。オルタネータ１２の第２側は、整流器コントローラ１４Ａの入力１８Ａ、および整流器コントローラ１４Ｂの入力１８Ｂに接続されている。オルタネータ１２の第１側は、パワー・スイッチ６０および６８ならびにダイオード６４および７２にも接続されている。また、オルタネータ１２の第２側は、パワー・スイッチ６２および７０ならびにダイオード６６および７４にも接続されている。

スイッチ・ドライバ回路４０および４２の一方は、整流器コントローラ１４Ａの対応する出力と、パワー・スイッチ６０および６２の内対応する１つとの間に接続されている。パワー・スイッチ６０および６２のドレイン端子は、高電圧負荷８０およびコンデンサＣ１の一方側に、ブロッキング・ダイオード６１および６３を介して接続されている。ダイオード６４および６６のアノードは、高電圧負荷８０およびコンデンサＣ１の他方側に接続されている。

スイッチ・ドライバ回路４８および５０の一方は、整流器コントローラ１４Ｂの対応する出力と、パワー・スイッチ６８および７０の対応する１つとの間に接続されている。パワー・スイッチ６８および７０のドレイン端子は、低電圧負荷８４の一方側に、ブロッキング・ダイオード６９および７１を介して接続されている。ブロッキング・ダイオード７２および７４のアノードは、高電圧負荷８４の他方側に接続されている。バッテリＢ、コンデンサＣ２、ならびに直列接続のスタータソレノイド８３およびスタータモータ８２は、低電圧負荷８４と並列に接続されている。

スイッチ・ドライバ回路４０〜５０は、整流器コントローラ１４Ａ、１４Ｂからの論理レベル出力を、パワー・スイッチ６０、６２、６８および７０をオンまたはオフにするのに必要な電圧レベルに変換する。

その結果、整流器コントローラ１４Ａ、ドライバ回路４０および４２、ならびにパワー・スイッチ６０および６２、そしてダイオード６１、６３、６４および６６は、高電圧整流器回路９０を形成し、一方整流器コントローラ１４Ｂ、ドライバ回路４８および５０、ならびにパワー・スイッチ６８および７０、そしてダイオード６９、７１、７２および７４は、低電圧整流器回路９２を形成する。

整流器コントローラ１４Ａは、発電機／オルタネータ１２が生成する電圧の最大振幅部分の間オンになるようにプログラムされている。整流器コントローラ１４Ａがパワー・スイッチをオンにする位相角度を選択することによって、電圧調整を行う。整流器コントローラ１４Ａは、オルタネータ１２からのＡＣ電圧の大きさがＣ１間の電圧未満となったときにパワー・スイッチをオフに切り換え、またシリコン制御整流器をパワー・スイッチとして用いる場合、オルタネータの電圧がバス電圧未満に低下したとき、これらは自己転流する。パワーＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴをパワー・スイッチとして用いる場合、整流器コントローラはパルス幅変調を行って電流を調整（regulate）することができる。整流器コントローラ１４Ｂは、オルタネータ１２が生成する電圧の振幅が低くなっている部分の間オンになるようにプログラムされている。ＡＣ電圧の大きさが低電圧バス電圧よりも大きいが、低電圧負荷に損傷を与えることなく印加することができる最大電圧未満であるときに、ターンオン点が発生しなければならない。低電圧スイッチをオンにする位相角度を整流器コントローラ１４Ｂが選択することによって、電圧規制を行う。整流器コントローラ１４Ｂは、発電機１２からのＡＣ電圧がＣ２間の電圧未満となったときに、パワー・スイッチをオフに切り換え、またシリコン制御整流器をパワー・スイッチとして用いる場合、オルタネータの電圧がバス電圧未満に低下したときに、これらは自己転流する。パワーＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴをパワー・トランジスタとして用いる場合、整流器コントローラはパルス幅変調を行って電流を調整することができる。自励式シリコン制御整流器を電力スイッチとして用いる場合、オルタネータの電圧が低下しているサイクルの部分の間でないとこれらはオンになることができず、一方他のスイッチは、オルタネータの電圧が上昇しているサイクルの部分の間オンおよびオフにもなることができる。これによって、この回路は低電圧負荷に給電することができる電流を増大させることができる。その結果、スイッチ６０〜６２は、高い電圧の信号を高電圧負荷８０に印加するように動作し、一方スイッチ６８〜７０は低い電圧を低電圧負荷８４およびスタータモータ８２（スイッチ８３が閉じているとき）に印加するように動作する。

図１におけるスイッチをパワーＭＯＳＦＥＴ（ブロッキング・ダイオードと直列）として示したが、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、ＢＪＴトランジスタ、ダーリントン・トランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、またはＩＧＢＴも、コストや設計の考慮に応じて用いることができる。パワーＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴには内部ダイオードがあるので、電源発電機電圧が低または高電圧ＤＣバス電圧未満に低下したときに、電流を遮断するためには、直列ダイオードをこれらの機器に直列に配置しなければならない。尚、低電圧整流器スイッチは、本質的に、高電圧整流器スイッチと同じ電圧に耐えなければならないことを注記しておく。

これより図２を参照すると、この図２は、１つのサイクル全体におけるＡＣ発電機／オルタネータ１２の電圧出力ＶＧを示す。これには、高電圧整流器回路９０の電圧出力ＶＨ、および低電圧整流器回路９２の電圧出力ＶＬが重ね合わされている。

その結果、低コストの位相制御二重整流器システムが得られ、整流器回路９０および９２双方が単一のＡＣ発電機オルタネータ(AC electrical generator alternator)１２の出力に接続されている。位相制御整流器回路の各々は、発電機オルタネータ１２の出力電圧が対応する負荷電圧よりも高いときに、サイクルの異なる部分では異なる負荷にこれを接続するように動作する。低電圧整流器コントローラ１４Ｂは、発電機オルタネータ１２の電圧出力が低電圧負荷８４を損傷する程に高いときにはいつでもオフになるようにプログラム、即ち、制御されている。その結果、本システムは、平均低電圧電力が、発電機オルタネータの総電力出力と比較して小さい用途に適用することが最良となる。バッテリＢにより、低電圧回路は、スタータモータのような低電圧負荷に高電力を短時間だけ供給することができる。

代わりに、低電圧整流器回路９２におけるパワー・スイッチを、シリコン制御整流器ＳＣＲを用いて実施することも可能である。ＳＣＲがオフになるのは、これらにおける電圧降下が０に達したときだけであるので、発電機オルタネータの電圧波形の振幅が減少しているときにのみこれらをオンにすることができ、オルタネータの電圧が負荷電圧以下となったときに自動的に遮断する。

ＢＪＴトランジスタ、ダーリントン・トランジスタ、ＧＴＯ、ＩＧＢＴまたはパワーＭＯＳＦＥＴのような、その他の高電力スイッチング・デバイスも、オルタネータの電圧波形の上昇および降下部分双方において用いることができる。パワー・トランジスタの選択は、電圧、電流レベル、回路の複雑度、およびコストの考慮によって左右される。

バッテリＢからの低電圧（バッテリ・バス電圧）は、スタータモータ８２に給電し内燃エンジン（図示せず）を始動するために用いられる。エンジンが動き出した後、低電圧スタータモータ８２は自動的にオルタネータから切断され、オルタネータの電圧は、エンジンの動作速度および／またはオルタネータのフィールド制御回路（図示せず）によって決定されるレベルまで上昇し、高バス電圧における高電圧負荷および補助システムに給電するために大量の電力が使用可能となる。以上、具体的な実施形態に関連付けて本発明について説明したが、以上の説明に基づいて多くの代替、修正および変形が当業者には明白であることは言うまでもない。例えば、３つの位相の各々に１つずつ、３つの並列な単相回路を含む回路によって、本発明を三相にして実施することができる。したがって、本発明は、添付した特許請求の範囲の精神および範囲に該当するこのような代替、修正および変形の全てを包含するものとする。

図１Ａと図１Ｂの組み合わせを示す図。 図１Ａは、図１Ｂと組み合わさって、単相オルタネータを有し、パワーＭＯＳＦＥＴをパワー・スイッチとして用いる二重電圧電気システムの回路図を形成する。 図１Ｂは、図１Ａと組み合わさって、単相オルタネータを有し、パワーＭＯＳＦＥＴをパワー・スイッチとして用いる二重電圧電気システムの回路図を形成する。 図２は、図１の回路の整流器の動作を示す信号タイミング図である。

符号の説明

１４Ａ、１４Ｂ 位相制御整流器コントローラ
４０、４２、４８、５０ スイッチ・ドライバ
６０、６２、６８、７０ パワー・スイッチ
６１、６３、６９、７１ ブロッキング・ダイオード
６４、６６、７２、７４ ダイオード
８０ 高電圧負荷
８２ スタータモータ
８３ スタータソレノイド
８４ 低電圧負荷
９０ 高電圧整流器回路
９２ 低電圧整流器回路
Ｃ２ 低電圧コンデンサ
Ｂ バッテリ

Claims (5)

1. 高電圧の電力および低電圧の電力を別個の高電圧の負荷および低電圧の負荷に供給するための二重電圧電源システムであって、
   ＡＣ発電機オルタネータと、
   前記オルタネータと前記高電圧負荷との間に接続された第１整流器回路であって、前記オルタネータの電圧が前記高電圧負荷の電圧よりも高いとき、前記オルタネータの出力を前記高電圧負荷に接続する、第１整流器回路と、
   前記オルタネータと前記低電圧負荷との間に接続された第２整流器回路であって、前記発電機オルタネータの電圧が、前記低電圧負荷の電圧よりも高く、かつ前記低電圧負荷が耐えることができる最大電圧未満であるある最大電圧未満のときに、前記発電機オルタネータを前記低電圧負荷に接続する、第２整流器回路と、
   を備えた、二重電圧電源システム。
2. 請求項１記載の二重電圧電源システムにおいて、
   前記第２整流器回路は、前記第１整流器回路がオンのときはいつでもオフである、二重電圧電源システム。
3. 請求項１記載の二重電圧電源システムにおいて、前記第１および第２整流器回路の各々は、
   前記発電機オルタネータと前記負荷のうちの１つとの間に接続された複数のパワー・スイッチと、
   各々、前記パワー・スイッチのうち対応する１つを駆動する、複数のスイッチ・ドライバと、
   前記スイッチ・ドライバを制御する位相制御整流器コントローラと、
   を備えた、二重電圧電源システム。
4. 高電圧の電力および低電圧の電力を別個の高電圧の負荷および低電圧の負荷に供給するための二重電圧電源システムであって、
   ＡＣ発電機オルタネータと、
   前記発電機オルタネータと前記高電圧負荷との間に接続された第１整流器回路であって、前記発電機オルタネータと前記負荷のうちの１つとの間に接続された複数の第１パワー・スイッチと、各々前記パワー・スイッチの対応する１つを駆動する複数の第１スイッチ・ドライバと、前記オルタネータの電圧が前記高電圧負荷の電圧よりも高いとき、前記オルタネータを前記高電圧負荷に接続するように前記第１スイッチ・ドライバを制御する第１位相制御整流器コントローラとを備えた、第１整流器回路と、
   前記オルタネータと前記低電圧負荷との間に接続された第２整流器回路であって、前記発電機オルタネータと前記低電圧負荷の１つとの間に接続された複数の第２パワー・スイッチと、各々前記第２パワー・スイッチのうちの対応する１つを駆動する、複数の第２スイッチ・ドライバと、前記オルタネータの電圧が前記低電圧負荷の電圧よりも高く、かつ前記低電圧負荷が耐えることができる最大電圧未満であるある最大電圧未満のときに、前記オルタネータを前記低電圧負荷に接続するように前記第２スイッチ・ドライバを制御する第２位相制御整流器コントローラとを含む、第２整流器回路と、
   を備えた、二重電圧電源システム。
5. 請求項４記載の二重電圧電源システムにおいて、
   前記第２整流器回路は、前記第１整流器回路がオンのときはいつでもオフである、二重電圧電源システム。

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