JP2007524332A - 多段電圧ジェネレータモータを有する多段電圧車載電源網 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気機器（１）と制御回路（２）とパルスインバータ（３）とを有する多段電圧ジェネレータモータを備えた自動車搭載電源網に関する。ジェネレータモード時には、少なくとも１つの第１の負荷（６）が接続された第１のサブネットワーク（１１）に第１の固定または可変の公称電圧が給電され、少なくとも１つの第１の負荷（８）が接続された第２のサブネットワーク（１２）に第２の公称電圧が、直列接続されたＤＣ／ＤＣ変換器（４）を介して給電される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による多段電圧ジェネレータモータ（スタータジェネレータ）を有する自動車搭載電源網に関する。

多段電圧車載電源網は通常、公称電圧が低い（たとえば１４Ｖ）第１のサブネットワークと、公称電圧が高い（たとえば４２Ｖ）を有する第２のサブネットワークとを有する。第１のサブネットワークには、消費電力が低い負荷が接続され、第２のサブネットワークには、たとえば暖房、電動パワーステアリング、電動式ブレーキ等の高電力負荷が接続される。ここでは、クリティカルな作動状態（たとえば急速作動）の際には低電圧負荷（１４Ｖ負荷）に、選択的に第２のサブネットワークから給電することが公知になっている。

多段電圧車載電源網にはさらに、（可変の直流電圧を有する）多段電圧ジェネレータが設けられており、この多段電圧ジェネレータは第２のサブネットワークに電力を供給する。このジェネレータは、比較的高い電圧ないしは可変の電圧を有するサブネットワークには直接給電し、低い電圧を有するサブネットワークに給電するためには、調整されるＤＣ／ＤＣ変換器を使用する。高い電圧または可変の電圧を有するサブネットワークに給電する必要がなくなれば、ジェネレータは第２のサブネットワークの比較的低い電圧に調整し戻され、ＤＣ／ＤＣ変換器が導通接続される。多段電圧ジェネレータを有するこの形式の多段電圧車載電源網は、車両内の電気的負荷の作動にあらゆる利点をもたらす。

それに対して、内燃機関を多段電圧ジェネレータモータによって、とりわけスタートストップモード（市内交通）時に始動およびモータ支援することは、従来技術から公知になっていない。

したがって本発明の課題は、多段電圧ジェネレータモータを有する次のような多段電圧車載電源網を提供することである。すなわち、必要な場合には車両の内燃機関を、給電の遮断なしで始動またはモータ支援できる多段電圧車載電源網を提供することである。

前記課題は、請求項１の上位概念によって解決される。本発明の別の実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明の基本的な思想は、多段電圧ジェネレータモータを有する次のような多段電圧車載電源網を実現することである。すなわち、電気機器と制御回路とパルスインバータとが含まれており、多段電圧ジェネレータモータが直流電圧出力端で可変の公称電圧を生成でき、多段電圧ジェネレータモータの出力端にＤＣ／ＤＣ変換器を接続して、多段電圧ジェネレータモータによって供給された直流電圧を該ＤＣ／ＤＣ変換器によって所望の公称電圧（たとえば１４Ｖ）に変換することである。

この車載電源網には有利には、多段電圧ジェネレータモータをモータモードでも作動させるのに十分に大きなエネルギー源が設けられており、たとえばいわゆるスーパーキャップ（Supercap；スーパーキャパシタ）が設けられている。このスーパーキャップは有利には、フルチャージ時のエネルギー容量が、内燃機関の始動プロセスに必要とされるより格段に大きくなるように構成されている。このスーパーキャップのエネルギーは、他方のサブネットワークに給電するためにも使用される。このスーパーキャップは有利には、比較的高い公称電圧を有するサブネットワークに配置されている。

パルスインバータは、基本的に２つの機能を有する。多段電圧ジェネレータモータのジェネレータモード時には、パルスインバータは車載電源網に給電するための直流電圧を生成し、多段電圧ジェネレータモータのモータモード時には、多段電圧ジェネレータモータに給電するための多相交流電圧を生成する。パルスインバータは、車載電源網内に接続された制御装置によって適切に駆動制御される。

ＤＣ／ＤＣ変換器は有利には、パルスインバータに直列接続されている。高い公称電圧を有する第１のサブネットワークは有利には、パルスインバータとＤＣ／ＤＣ変換器との間のノードに接続されている。

多段電圧ジェネレータモータを備えた本発明による多段電圧車載電源網では、複数の運転モードに区別される：
１．ジェネレータモード
「通常モード」ではパルスインバータは、該パルスインバータの直流電圧出力端に低い公称電圧が出力されるように駆動制御される。パルスインバータに後置接続されたＤＣ／ＤＣ変換器はこの場合、導通接続されている。

「高電圧モード」ではパルスインバータは、該パルスインバータの直流電圧出力端に高い公称電圧が出力されるように駆動制御される。高電圧モードは、高電力負荷を作動させなければならない場合に設定される。その際にはエネルギーマネージメントによって、すなわち、とりわけ変換器の調整によって、比較的低い電圧を有するサブネットワークの給電が中断されないように保証しなければならない。低い給電電圧を有するサブネットワークは、たとえば別のサブネットワークから給電される。

２．モータモード
多段電圧ジェネレータモータのモータモード時にはパルスインバータは、多段電圧ジェネレータモータが内燃機関を駆動させるように駆動制御される。このようにして内燃機関は、たとえば始動されるか、またはたとえばターボのタイムラグ時にはモータによって支援される。このフェーズではエネルギーマネージメントによって、比較的低い電圧を有するサブネットワークの給電が中断されないように保証される。

３．回生モード
回生モード時（すなわち、たとえば車両の制動時または減速停止時等の車両減速フェーズで運動エネルギーを電気エネルギーに変換する際）には、多段電圧ジェネレータモータは有利には、最大電力の出力ひいては最大制動トルクの生成に制御される。パルスインバータの直流電圧出力端はこの場合、有利には高い公称電圧を生成する。このようにして得られた余剰分の電気エネルギーは、有利にはスーパーキャップに蓄積される。蓄積されたこの電気エネルギーはたとえば、その後の内燃機関の始動プロセス（たとえばスタートストップモード）または付加的な駆動トルク（たとえば信号での発進、加速）または電気的負荷の急速作動（たとえば高速加熱）のために使用される。

本発明を以下で、添付図面に基づいて詳細に例解する。

図１は、多段電圧ジェネレータモータを備えた多段電圧車載電源網の実施例を示している。これは、電気機器１、制御回路２およびパルスインバータ３を有している。電気機器１は、車両の内燃機関（図示されていない）に機械的に結合されており、ジェネレータモードまたはモータモードで作動される。

多段電圧車載電源網は、固定的または可変の高い公称電圧を有する第１のサブネットワーク１１と、低い公称電圧を有する第２のサブネットワーク１２とを有する。第１のサブネットワーク１１の公称電圧は、この実施例では４２Ｖであり、第２のサブねとワークの公称電圧は、ここでは１４Ｖである。サブネットワーク１１，１２では複数の負荷６，８が接続されており、ここでは例として、負荷６ないしは８として図示されている。負荷６，８はスイッチＳを使用して、制御装置９によってスイッチオンおよびスイッチオフされる。制御装置９はとりわけ、電気エネルギーおよび負荷のマネージメントを実行するために使用される。

多段電圧車載電源網はさらに、パルスインバータ３に直列接続されたＤＣ／ＤＣ変換器４を有する。このＤＣ／ＤＣ変換器４は、有利には電圧直軸成分制御回路（Laengsspannungsregler）として実現される。

１４Ｖサブネットワーク１２はさらにバッテリー７を有し、４２Ｖサブネットワーク１１は電気エネルギーを蓄積するためにスーパーキャップ５を有する。４２Ｖの公称電圧を有するサブネットワーク１１は、パルスインバータ３とＤＣ／ＤＣ変換器４との間のノードＫに、パルスインバータ３の出力端に直接接続されている。

電気機器１は、ジェネレータ制御回路２によって制御される。制御回路２、パルスインバータ３およびＤＣ／ＤＣ変換器は、制御線路１４を介して制御装置９に接続されている。制御装置９はさらに、機関制御部１０に接続されている。

電気機器のロータ巻線は、有利には第１のサブネットワーク１１に接続され、該ロータ巻線にはたとえばスーパーキャップ５からエネルギーが供給される。このようにして、たとえばジェネレータモード時には、負荷の急激な上昇の際に機器の給電遮断（いわゆる「吹き消し」）が発生するのを阻止することができる。

電気機器１のロータ巻線には、有利には１４Ｖ車載電源網からも電気エネルギーが供給される。この場合、電気機器のロータ巻線の冗長的なエネルギー供給が２つのエネルギー蓄積器５ないしは７によって行われることにより、多段電圧ジェネレータモータ１，２，３のとりわけフェールセーフティが改善される。

図１に示された車載電源網の構成によって、種々の運転形式に調節し、多段電圧ジェネレータモータ１，２，３を選択的にジェネレータモードまたはモータモードで作動することができる。ジェネレータモード時には負荷６，８に電力が供給され、エネルギー蓄積器５，７の充電が行われる。モータモード時には内燃機関（図示されていない）が始動されるか、またはモータ支援される。

１．ジェネレータモード
１．１．通常モード
通常モード時には、パルスインバータ３は直流電圧出力端で、１４Ｖ車載電源網に給電するための低い公称電圧（１４Ｖ）を生成する。ＤＣ／ＤＣ変換器４は、この運転形式時には導通接続されている。パルスインバータ３およびＤＣ／ＤＣ変換器４は、制御装置９によって相応に駆動制御される。

１．２．４２Ｖモード
４２Ｖの負荷６を作動させる際には（４２Ｖモード）、パルスインバータ３は直流電圧出力端で４２Ｖ公称電圧を生成する。ＤＣ／ＤＣ変換器４は４２Ｖ公称電圧を１４Ｖ公称電圧に変換し、第２のサブネットワーク１２に給電する。

１．３．回生モード
回生モード（すなわち、たとえば車両の制動または減速停車時等の車両減速フェーズにおいて運動エネルギーを電気エネルギーに変換するモード）時には、多段電圧ジェネレータモータは最大エネルギー出力ひいては最大トルク（制動トルク）に調整される。パルスインバータ３は直流電圧出力端（ノードＫ）で、４２Ｖの高い電圧を生成する。このようにして得られたエネルギーはスーパーキャップ５およびバッテリー７に蓄積され、内燃機関の後続の始動プロセス、走行モード時の内燃機関の支援または負荷６または８の急速作動のために使用される。急速作動時には、たとえば暖房装置に急速にエネルギーが供給されることにより、高速の加熱が行われる。

スーパーキャップ５は有利には、フルチャージ時のエネルギー容量が、内燃機関の始動プロセスで必要とされるよりも格段に大きくなるように構成される。スーパーキャップ５に蓄積されたエネルギーはＤＣ／ＤＣ変換器４を介して、たとえば１４Ｖ車載電源網１２にも供給される。回生モード時には、制御回路２、パルスインバータ３およびＤＣ／ＤＣ変換器４が適切に、制御装置９によって駆動制御される。

２．モータモード
モータモード時には、電気機器１にパルスインバータ３を介して電力が供給される。このようにして内燃機関は始動されるか、またはたとえば、ターボのタイムラグ時にはモータ支援される。パルスインバータ３および制御回路２は、制御装置９によって適切に制御される。

多段電圧ジェネレータモータを備えた多段電圧車載電源網の実施例を示している。

符号の説明

１ 電気機器
２ 制御回路
３ パルスインバータ
４ ＤＣ／ＤＣ変換器
５ スーパーキャップ
６ 高電圧負荷
７ バッテリー
８ 低電圧負荷
９ 制御装置
１０ 機関制御部
１１ 第１のサブネットワーク
１２ 第２のサブネットワーク
１３ 制御線路
１４ 制御線路
Ｓ スイッチ
Ｋ ノード

Claims (13)

1. 多段電圧ジェネレータモータ（１，２，３）を有する自動車搭載電源網であって、
   該多段電圧ジェネレータモ−タ（１，２，３）に、電気機器（１）、制御回路（２）およびパルスインバータ（３）が設けられており、第１の公称電圧（４２Ｖ）が供給される少なくとも１つの第１の負荷（６）を有する第１のサブネットワーク（１１）と、第２の公称電圧（１４Ｖ）が供給される少なくとも１つの第２の負荷（８）を有する第２のサブネットワーク（１２）に給電するために使用され、
   制御装置（９）が設けられている形式のものにおいて、
   該多段電圧ジェネレータモータ（１，２，３）に、ＤＣ／ＤＣ変換器（４）が後置されていることを特徴とする自動車搭載電源網。
2. 該第１のサブネットワーク（１１）に、可変の電圧（＞１４Ｖ）が供給される、請求項１記載の自動車搭載電源網。
3. 該第１のサブネットワーク（１１）は、該パルスコンバータ（３）の出力端（Ｋ）に接続されている、請求項１記載の自動車搭載電源網。
4. 該ＤＣ／ＤＣ変換器（４）は、該パルスコンバータ（３）に直列接続されている、請求項１または２記載の自動車搭載電源網。
5. 該ＤＣ／ＤＣ変換器（４）は、電圧直軸成分制御回路である、請求項１から４までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。
6. 該第１のサブネットワーク（１１）に、スーパーキャパシタ（５）がエネルギー蓄積器として配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。
7. 該制御装置（９）は、該パルスインバータ（３）の出力端に選択的に第１の公称電圧または第２の公称電圧が出力されるように、該パルスインバータ（３）を駆動制御する、請求項１から６までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。
8. 該制御装置（９）は通常モード時に、該パルスインバータ（３）が低い公称電圧を出力するように、該パルスインバータ（３）を駆動制御する、請求項１から７までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。
9. 該ＤＣ／ＤＣ変換器（４）は通常モード時に導通接続される、請求項７記載の自動車搭載電源網。
10. 該制御装置（９）は回生モード時に、該パルスインバータ（３）が高い直流電圧を出力するように該パルスインバータ（３）を駆動制御し、該電気機器（１）が最大トルクを有するようにジェネレータ制御回路（２）を制御する、請求項１から９までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。
11. 該制御装置（９）はモータモード時に、該電気機器（１）が内燃機関をモータ支援するように、該パルスインバータ（３）を駆動制御する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。
12. 該制御装置（９）はモータモード時に、該電気機器（１）が内燃機関を独立して始動するように、該パルスインバータ（３）を駆動制御する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。
13. 該制御装置（９）はモータモード時に、該電気機器（１）が内燃機関の始動の際に付加的なスタータを支援するように、該パルスインバータ（３）を駆動制御する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の自動車搭載電源網。

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