JP2008511277A - 過電圧保護を行う電圧制御器 - Google Patents

Abstract

過電圧保護を行う電圧制御器が記載されている。この電圧制御器は、第１電圧レベルにある発電機と、第２電圧レベルにあるバッテリーとの間に配置されている。ここでは発電機として、制御電圧が所定の限界内で任意に選択可能な発電機が使用される。直列制御器として構成された電圧制御器は出力側で制御された電圧を生成する。この制御された電圧は従来の搭載電源負荷並びにバッテリーの充電に使用される。直列制御器には、マイクロプロセッサを含む電子回路ないしはインテリジェント回路が装備されており、電圧、電流または負荷遮断についての情報が供給され、これを評価する。さらに応答基準を規定し、所定の応答基準に達した際に所要の措置を開始する。

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念による、過電圧保護を行う電圧制御器から出発するものであり、車両搭載電源で自由電圧を発生する発電機と協働する電圧制御器に関する。

自動車発電機は通常、所定の電圧レベル、例えば１４Ｖの電圧レベル内で回転数集合体の電力要求を満たすように構成されている。このために発電機は発電機制御器によって、基本的に回転数に依存する出力電圧が可能な回転数領域全体にわたって一定に保持されるように制御される。例えば１４Ｖの第１動作電圧に対して設計された発電機では、第１動作電圧よりも高い第２動作電圧で比較的高い電力を格段に改善された効率の下で達成できよう。いわゆる開始回転数、すなわち発電機が電力を送出することのできる回転数は、動作電圧の上昇と共に同様に上昇する。

この公知の関連から出発してDE-OS19859036には、出力電圧ないしは制御電圧が可変であり、例えば１４Ｖと４２Ｖとの間で自由に選択することのできる発電機が使用される自動車に対する搭載電源が記載されている。ここでこの発電機は直列制御器を介して、例えば１４Ｖの定電圧を必要とする搭載電源と接続されている。この搭載電源には、定格電圧が１２Ｖであり、約１４Ｖにより充電されるべきバッテリーも所属する。１４Ｖより高い電圧によっても駆動することのできる負荷、例えば電気ヒータ、エンジン冷却ファン等は発電機側で接続されており、１４から４２Ｖの可変電圧により駆動される。

通常は３相発電機として構成される発電機は、当然の負荷遮断の際に過電圧を発生し得ることが知られている。従って、車両搭載電源に存在する発電機にいわゆるロードダンプ防止回路を配属するのが通例である。このロードダンプ防止回路は例えばツェナーダイオードを有し、過電圧をその作用で低減し、過電圧が損傷を引き起こすのを阻止する。ツェナーダイオードを有する発電機に対する例はDE-OS10118846に示されている。

自由電圧を発生する発電機が駆動されるマルチ電圧搭載電源で負荷が突然遮断されると、このことは高い電圧パルスを引き起こすことがあり、この電圧パルスは例えば４２Ｖで動作している場合、ツェナーダイオードの破壊を引き起こし得る。ツェナーダイオードは、電力に対する現在のロードダンプ防止回路では順方向に配置されており、従って自身が損傷されることなしには負荷ダンプ電流の一部だけしか引き受けることができない。発電機が比較的高い電圧領域で動作しているときに負荷が完全に遮断されると、おそらくツェナーダイオードが損傷されるであろう。

従ってDE-OS10118846では、マルチ電圧搭載電源と関連してツェナーダイオードの特別の接続が提案されている。この接続では、ロードダンプ時にツェナーダイオードが少なくとも部分的に降伏で駆動される。すなわち逆方向に駆動される。この場合、電圧の制限は逆方向駆動されるダイオードのツェナー電圧によって決定される。

前記の従来技術から公知の解決手段に対して択一的な構成では、比較的に大きなダイオードチップ面積を比較的に大きなダイオードの使用または複数のダイオードの並列回路によって獲得するか、または高阻止能力のあるダイオードを含むロードダンプ防止装置を使用する。負荷管理によって、ロードダンプが脅かされるときに電圧に脆弱な負荷を遮断することができよう。同様に電圧に脆弱な負荷を、電圧閾値に達したときから所期のように接続することもできよう。

発明の課題
本発明の課題は、大きな電気的負荷の突然の遮断時（ロードダンプ）に発生する電圧ピークを、とりわけ少なくとも２つの電圧レベルを有し、自由電圧、すなわち比較的高い電圧を備える側にはバッテリーが存在しないマルチ電圧搭載電源においても減衰または完全に補償し、ロードダンプ防止回路を得ることである。自由電圧は負荷の必要性に応じて、例えば１４Ｖの第１電圧レベルＵ_{Ｇ１ｍｉｎ}と例えば４２Ｖの第２（上側）電圧レベルＵ_{Ｇ１ｍａｘ}との間で設定可能な目標電圧値Ｕ_{ＧＦｓｏｌｌ}に制御される。これに対しては次式が当てはまる：
Ｕ_{Ｇ１ｍｉｎ} ＜＝ Ｕ_{ＧＦｓｏｌｌ} ＜＝ Ｕ_{Ｇ１ｍａｘ}
電圧の高さは例えば制御装置または有利には電圧制御器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）または直列制御器等によって設定することができる。ロードダンプ防止回路の課題は、請求項１の特徴部分の構成を備える電圧制御器、有利には直列制御器によって解決される。

発明の利点
本発明の利点は、大きな負荷の突然の遮断時に発生するロードダンプエネルギーを搭載電源において安価に、付加的回路コストなしで制限し、過電圧保護回路、例えばツェナーダイオードまたは他の搭載電源コンポーネント、例えば発電機制御器、負荷制御器、電圧制御器、制御装置等の損傷ないし劣化を回避ないしは低減することである。ここでは、自由電圧搭載電源のロードダンプエネルギーでも確実に制限できることが特に有利である。

この利点は、発電機と、従来の搭載電源コンポーネントにより１４Ｖ技術で構成され、１２Ｖ鉛蓄電池の使用によって制御される固定電圧を必要とする搭載電源の一部との間に、特別の電圧制御器、とりわけ直列制御器を使用し、この制御器が所定のスイッチング過程をトリガすることができるという前提条件を有することによって達成される。電圧制御器はこのために有利には電子回路と有利にはマイクロプロセッサを有し、マイクロプロセッサはスイッチング過程を、所定の設定可能な応答基準が存在するときにトリガする。

本発明のさらなる利点は、請求項２以下に記載された手段により得られる。応答基準は、搭載電源の自由電圧により駆動される側に対しても、制御される電圧により駆動される側に対しても設定することができる。電圧制御器に対する有利な応答基準は次のとおりである：
・設定された電圧閾値を制御される自由電圧の側で上回ること、
・所定の電圧勾配ないしは電圧変化を上回ること、および相応の制御装置による負荷遮断の通知である。

応答基準の１つが満たされた後、特に有利には低電圧側で所定の手段が開始され、この手段は制御される自由電圧の側でのエネルギー崩壊を高める。ここで電圧は所定の値だけ高められる。この所定の値は、低電圧負荷への負の作用が発生しないように選択される。このようにして高められた低電圧側での電流によって、発生するロードダンプエネルギーを崩壊することができる。

電圧制御器に対する応答基準がそれ以上満たされなければ、低電圧側の電圧は有利には再び低減され、既存の必要性に適合される。

図面
図面には、２つの電圧レベルと、その間に配置された電圧制御器を有する搭載電源の基本構成が示されている。

この基本図に基づき、以下に本発明の作用を詳細に説明する。

実施例の説明
唯一の図面には、２つの異なる電圧レベルを有する車両搭載電源の基本構成が示されている。２つの電圧レベルは例えば電圧が制御される１４Ｖレベルと、例えば１４Ｖと４２Ｖの２つの電圧レベルの間で電圧が制御される電圧レベルである。電気エネルギーの形成は、発電機制御器Ｒにより制御される発電機Ｇによって行われる。発電機の制御電圧は２つの電圧レベル、例えば１４Ｖと４２Ｖとの間で自由に選択できる。制御電圧設定は有利には制御装置または例えば電圧制御器自体によって、または直列制御器ないし直流電圧変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）によって、発電機制御器と制御装置ないしは電圧制御器との間のアナログまたはデジタルインタフェースを介して行われる。

発電機Ｇには負荷Ｌ１が接続されており、この負荷Ｌ１は可変電圧を供給することのできるすべての負荷を含む。これらの負荷は例えば電気ヒータ、エンジン冷却ファン、並びに電圧に脆弱な負荷、できるだけ高い電圧で駆動すべき負荷、ないしはその出力が電圧レベルの設定により制御される負荷を含む。これら負荷Ｌ１の接続は通常のように、基本構成図にＳ１により示されたスイッチの操作によって行われる。個々のスイッチＳ１の制御は、電圧制御器Ｌからの適切な制御信号Ａ１によって行うことができる。自由電圧側を安定させるためにコンデンサ、有利には２層コンデンサを発電機Ｇに対して並列に接続することができる。

発電機Ｇないしは発電機側にある自由電圧を備える電圧レベルは、電圧制御器Ｌを介して第２電圧レベルと接続されている。ここで発電機Ｇは電圧制御器Ｌに、１４Ｖから４２Ｖの間である電圧を供給する。例えば１４Ｖの制御電圧を有する電圧レベルは、車両バッテリーＢ、通常は鉛バッテリーの他に負荷Ｌ２を有する。負荷Ｌ２は、制御電圧が供給されるすべての電気的負荷を含む。これらの負荷もそれぞれ所属のスイッチＳ２によってスイッチオンオフすることができ、例えば電圧制御器Ｌにより形成することのできる制御信号Ａ２の供給によってスイッチオンオフすることができる。

電圧制御器、とりわけ直列制御器Ｌは例えばインテリジェント構成された電子的制御器であり、例えばマイクロプロセッサを有し、供給された情報または自身で検出した情報から制御信号Ａ１，Ａ２および別の信号を形成する。これらの情報は例えば、搭載電源の一次側および二次側での２つの実際電圧値Ｕ１，Ｕ２である。これらの実際電圧値Ｕ１，Ｕ２は直列制御器自体によって検出されるか、または図示されていない適切な電圧測定器によって検出され、直列制御器に供給される。直列制御器により検出することのできる別のパラメータ、または直列制御器に供給することのできる別のパラメータは所定の個所で測定される電流である。例として、２つの電圧レベルの選択可能な個所で測定される電流Ｉ１ないしＩ２を挙げておく。直列制御器Ｌに供給することのできる別の情報は別の制御装置により通知される負荷遮断であり、これはＬＡにより示されている。

従って電圧制御器Ｌは、１４Ｖ搭載電源での電圧検出と、４２Ｖ搭載電源での電圧検出と、付加的に少なくとも１つの電流検出を行う。直列制御器に存在していなければならず、ひいてはその最大電力消費を上回らないこれらのパラメータから、電圧制御器Ｌを有する搭載電源に対する図示の電圧制御システムにおいて、本発明の過電圧保護を実現することができる。ここではこの種の搭載電源に発生する問題を確実に回避することができる。ここで電圧制御器Ｌは、４２Ｖ搭載電源で電圧レベルを設定する。この電圧レベルを所定のΔだけ上回るか、または例えば５０Ｖの固定電圧値を上回ると、制御器は次のように応答する。

ロードダンプ時、すなわち例えば電気ヒータである高電流負荷が１４−４２Ｖ搭載電源で突然遮断されると、高い電圧ピークの発生することがある。なぜなら発電機と直列制御器との間のこの搭載電源領域には減衰のためのバッテリーが存在しないからである。このことにより付加的措置を執らなければ搭載電源コンポーネントが損傷し得る。このコンポーネントには発電機制御器、整流ダイオード、負荷制御器、直列制御器、制御装置等が該当する。ロードダンプの作用を明瞭に減衰するため、ないしは補償するため、適切な制御器によって次のように処理することができる。

１．応答基準の定義
１つまたは複数の応答基準が電圧制御器に対して定義される。このような基準は例えば、自由電圧を備える搭載電源側で設定された例えば５０Ｖの電圧閾値を上回ること、所定の電圧勾配を上回ること、または相応の別の制御装置による負荷遮断の通知ＬＡである。この応答基準の１つが電圧制御器Ｌにより識別されると、電圧制御器は相応の制御を行わなければならず、例えば制御信号Ａ１および／またはＡ２の少なくとも１つを出力する。

２．低電圧側での制御
電圧制御器Ｌは１．による応答基準が満たされると、１４Ｖ側の電圧状態を例えば０．５Ｖだけ１３．５Ｖから１４Ｖに高める。これにより比較的に大きな電流が電圧制御器Ｌを介して１４Ｖ搭載電源に伝達され、ロードダンプエネルギーの一部が崩壊される。

３．通常の１４Ｖ電圧の再形成
電圧制御器Ｌが、これに供給される情報またはこれにより検出される情報から、応答基準がもはや存在しないことを識別すると、１４Ｖ搭載電源ないしは相応の電圧レベルで電圧が再び元の値に低減される。

この措置により、自由電圧搭載電源のロードダンプエネルギーが１４Ｖ側に伝達されることによって、このエネルギーが安価に付加的回路コストなしで制限される。これによりツェナーダイオード並びに他の搭載電源コンポーネントの損傷を回避ないし低減することができる。

本発明の構成に応じて、電圧制御器Ｌ、例えば直列制御器は、高電圧を低電圧に変換する低損失の降圧器、または低電圧を昇圧する低損失の昇圧器として構成することができる。

本発明は例えば以下の特別の条件を備える搭載電源に使用することができる。

電圧制御器Ｌの発電機Ｇの側にある入力側には、Ｕ_{Ｇ１ｍｉｎ}＝１４ＶからＵ_{Ｇ１ｍａｘ}＝４２Ｖの領域にある電圧が印加され、出力側の電圧レベルは１４Ｖの領域にある。または入力側が２８Ｖから４２Ｖであり、出力側が２８Ｖである。または入力側が１４Ｖであり、出力側が４２Ｖである。自由電圧は負荷の必要性に応じて、例えば１４Ｖの第１電圧レベルＵ_{Ｇ１ｍｉｎ}と例えば４２Ｖの第２（上側）電圧レベルＵ_{Ｇ１ｍａｘ}との間で設定可能な目標電圧値Ｕ_{ＧＦｓｏｌｌ}に制御することができる。これに対しては次式が当てはまる：
Ｕ_{Ｇ１ｍｉｎ} ＜＝ Ｕ_{ＧＦｓｏｌｌ} ＜＝ Ｕ_{Ｇ１ｍａｘ}
ここで電圧の高さは制御装置または電圧制御器により設定することができる。

参照符号ないし使用されるシンボルの意味に対しては次の関係が当てはまる。

２つの電圧レベルと、その間に配置された電圧制御器を有する搭載電源の基本構成を示すブロック回路図である。

符号の説明

Ｇ 制御される自由電圧を備える発電機
Ｒ 電圧設定のためにアナログまたはデジタルインタフェースを備える発電機制御器
Ｌ 電圧制御器、有利には直列制御器
Ｌ１ 可変電圧により駆動することのできるすべての負荷の代表
Ｓ１ 可変電圧により負荷を切り替えるすべてのスイッチの代表
Ｕ１ 自由電圧
Ｉ１ 電圧制御器の自由電圧側の電流
Ａ１ Ｓ１に対する制御信号
Ｃ オプションのコンデンサ、有利には２層コンデンサ
Ｂ １２Ｖまたは２８Ｖバッテリー
Ｌ２ 定電圧により駆動されるすべての負荷の代表
Ｓ２ 定電圧により負荷を切り替えるすべてのスイッチの代表
Ｕ２ 制御される、有利には定電圧
Ｉ２ 定電圧に制御される側での電圧制御器からの電流
Ａ２ Ｓ２に対する制御信号
ＬＡ 負荷遮断を通知する信号、ないしは例えば他の制御装置から到来する信号

Claims (16)

1. 少なくとも２つの電圧レベルを有する搭載電源で過電圧保護を行う電圧制御器であって、
   前記搭載電源では電圧制御器が２つの電圧レベル間で使用され、
   該電圧制御器の入力側は発電機と接続されており、出力側はバッテリーおよび少なくとも１つの負荷と接続されており、
   該電圧制御器は、出力側に制御された電圧を出力するように構成されている形式の電圧制御器において、
   電圧制御器は電子回路を有し、
   該電子回路は設定可能な応答基準を規定し、当該応答基準に達しているかを検査し、少なくとも１つの応答基準に達しているときに制御特性を変化し、出力側で電圧の上昇を行う、ことを特徴とする電圧制御器。
2. 請求項１記載の電圧制御器において、
   電圧制御器は直列制御器として構成されている、ことを特徴とする電圧制御器。
3. 請求項１記載の電圧制御器において、
   電圧制御器は低損失の降圧器として構成されている、ことを特徴とする電圧制御器。
4. 請求項１記載の電圧制御器において、
   電圧制御器は低損失の昇圧器として構成されている、ことを特徴とする電圧制御器。
5. 請求項１から３までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
   制御器に対する応答基準として、設定された電圧閾値を自由電圧側で上回ることを規定する、ことを特徴とする電圧制御器。
6. 請求項１から３までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
   制御器に対する応答基準として、所定の電圧勾配を自由電圧側で上回ることを規定する、ことを特徴とする電圧制御器。
7. 請求項１から３までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
   直列制御器に対する応答基準として、相応の制御装置からの、負荷遮断の通知を規定する、ことを特徴とする電圧制御器。
8. 請求項１から７までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
   直列制御器の出力側で電圧を約１/２Ｖだけ上昇させる、ことを特徴とする電圧制御器。
9. 請求項１または６記載の電圧制御器において、
   出力側の電圧を、入力側の電圧が例えば４５Ｖである所定の値を再び下回るまで上昇させる、ことを特徴とする電圧制御器。
10. 請求項１から９までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
    設定可能な最大電圧を出力側で上回らず、該最大電圧は有利には１６．０Ｖである、ことを特徴とする電圧制御器。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
    応答基準がもはや存在しなくなった後、直列制御器の出力側の電圧を再び通常の値に低減する、ことを特徴とする電圧制御器。
12. 請求項１から１１までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
    所属の基準が満たされる場合、直列制御器は制御信号を出力し、該制御信号は所定のスイッチを開放または閉成し、これにより所属の負荷を遮断または接続する、ことを特徴とする電圧制御器。
13. 請求項１から１２までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
    入力側に印加される電圧レベルは１４〜４２Ｖの領域にあり、出力側の電圧レベルは１４Ｖの領域にある、ことを特徴とする電圧制御器。
14. 請求項１から１２までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
    入力側に印加される電圧レベルは２８〜４２Ｖの領域にあり、出力側の電圧レベルは２８Ｖの領域にある、ことを特徴とする電圧制御器。
15. 請求項１から１２までのいずれか一項記載の電圧制御器において、
    入力側に印加される電圧レベルは１４Ｖの領域にあり、出力側の電圧レベルは４２Ｖの領域にある、ことを特徴とする電圧制御器。
16. 少なくとも１つの発電機と、該発電機と直接接続可能な負荷と、バッテリーと、該バッテリーと直接接続可能な負荷と、前記発電機とバッテリーとの間に配置された電圧制御器を有する搭載電源において、
    前記電圧制御器は、請求項１から１５までのいずれか一項記載の特徴を有する、ことを特徴とする搭載電源。

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