JP2012072769A - センサ装置、車両アキュムレータならびに車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両のスタータへ出力される電流を簡単かつ確実に制限できるようにする。
【解決手段】車両のスタータが作動される際、あるいは、スタートストップモードにおいてジェネレータがベルトオルタネータスタータとして作動される際に、車両アキュムレータから取り出される電流および／または車両アキュムレータへ供給される電流を測定する電流センサを備えた、車両アキュムレータの端子へ接続されるセンサ装置において、前記電流センサによって測定された電流が上方閾値、特に可変に調整可能な上方閾値に達した場合、前記車両アキュムレータから出力される電流または前記車両アキュムレータに受容される電流を制限する電流制限回路が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両アキュムレータの端子へ接続されるセンサ装置、当該のセンサ装置に接続される車両アキュムレータ、ならびに、当該のセンサ装置および当該の車両アキュムレータを有する車両に関する。

車両アキュムレータの充電レベルを測定するセンサは、スタートストップシステムを備えたこんにちの車両で使用されている。ここでは、バッテリ電流、バッテリ電圧およびバッテリ温度が検出され、これらのデータから、マイクロコントローラ内の適切なアルゴリズムによって、バッテリの充電レベルが求められる。センサおよびマイクロコントローラは車両アキュムレータの極端子に直接に接続された個別の機器ユニットに収容されている。

内燃機関の始動時、または、スタートストップモードにおける再スタート時には、スタータまたはベルトオルタネータスタータとしてのジェネレータが作動され、高い電流ピークが発生し、許容できない電圧の急低下が生じることがある。これを回避するために、スタータの前方に電流制限回路が接続される。

独国特許第１９８４０８１９号明細書からは、内燃機関に対するスタータとこれに前置接続された電流制限回路とを有するシステムが公知である。ここでは、車両アキュムレータから出力される電流がＤＣ／ＤＣ変換器によって温度依存性の所定の閾値へ制限され、低温でもさらなる始動過程が可能となる。

独国特許第１９８４０８１９号明細書

本発明の課題は、冒頭に言及した形式のセンサ装置、車両アキュムレータならびに車両を提供して、車両のスタータへ出力される電流を簡単かつ確実に制限できるようにすることである。

この課題は、特に、車両のスタータが作動される際、あるいは、スタートストップモードにおいてジェネレータがベルトオルタネータスタータとして作動される際に、車両アキュムレータから取り出される電流および／または車両アキュムレータへ供給される電流を測定する電流センサを備えた、車両アキュムレータの端子へ接続されるセンサ装置において、前記電流センサによって測定された電流が上方閾値、特に可変に調整可能な上方閾値に達した場合、前記車両アキュムレータから出力される電流または前記車両アキュムレータに受容される電流を制限する電流制限回路が設けられていることにより解決される。

車両に搭載された電気システムにおける本発明の実施例を示す基本図である。 図１の電流制限段を介してジェネレータをアキュムレータへ接続する電気回路の実施例を示す図である。 図２の半導体スイッチの動作を説明するための電流時間特性を示すグラフである。 本発明の電流供給の実施例を説明するための電流時間特性を示すグラフである。

本発明の基本的着想は、車両アキュムレータに設けられた電流検出用のセンサ装置内に電流制限回路を組み込むということである。これにより、車両アキュムレータと電流制限回路とのあいだの長い電流線路が不要となり、従来のシステムでインダクタンスを抑圧するために設けられていたコストのかかる中間回路コンデンサを設けずに済む。つまり、本発明によれば、スタータへの電流をほぼ損失なしに制限でき、そのうえ、中間回路コンデンサを省略できるのである。中間回路コンデンサが省略されることにより、費用が低減されるだけでなく、システムの複雑性や必要スペースが低減され、望ましくない機器の故障も起こりにくくなるので、きわめて有利である。

また、車両アキュムレータの充電レベルを検出するセンサ装置およびこれを制御する制御装置の従来の基礎的システムが活用され、簡単な構成で電流制限を行うことができる。これは、本発明の電流制限回路がセンサ装置によって問題なく駆動制御されるからである。

本発明によれば、電流制限回路を直接に車両アキュムレータの端子へ接続することができる。電流制限回路がセンサ装置に組み込まれ、そこに電流データの検出および電流制限回路の制御のためのマイクロコントローラとアプリケーション専用集積回路ＡＳＩＣとが既に存在していて他の要素を設ける必要がないため、特に有利である。

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。

本発明の第１の有利な実施形態では、電流制限回路は、１つの半導体スイッチまたは並列接続された複数の半導体スイッチ、特に複数の電界効果トランジスタを有しており、１つまたは複数の半導体スイッチは、電流センサによって測定された電流が上方閾値に達した場合に完全に阻止される。このようにすれば、スタータへ流れる数１００Ａの値の電流を低損失に制限することができる。

本発明の第２の有利な実施形態では、１つまたは複数の半導体スイッチは、電流センサによって測定された電流が下方閾値に達した場合に完全に導通する。このようにすれば、半導体スイッチが完全阻止と完全導通とのあいだで最小の損失で迅速に切り換えられ、電流制限の損失が小さくなる。当該のタイミング制御は、車両アキュムレータとセンサ装置内の半導体スイッチとのあいだの線路の長さが短いことにより、障害的なインダクタンスを発生させずに可能となるので、中間回路コンデンサを使用する必要はない。

有利には、下方閾値は可変に調整可能である。

また、上方閾値も、可変に調整可能であってよい。

本発明の第３の有利な実施形態では、電流制限回路は、スタータとしての動作時にジェネレータへ流れる電流を制限するように、あるいは、車両の内燃機関の始動過程においてスタータへ流れる電流を制限するように、構成されている。この手段により、例えば、始動過程の電流ピークが回避され、車両アキュムレータに不要な負荷がかからなくなる。また、始動過程後に電流制限機能が遮断されることにより、スタータまたはジェネレータへの分路に存在する他の電気的負荷への電流が不要に制限されることがない。

本発明の第４の有利な実施形態では、電流制限回路は、ジェネレータが車両アキュムレータに対する電気的負荷として駆動される場合に、ジェネレータへの電流を制限するように構成されている。負荷動作では、ジェネレータはトルクを形成し、電流制限回路によって制御ないし調整される。

また、本発明は、電流の出力または入力のための端子を有する車両アキュムレータに関しており、本発明によれば、当該の車両アキュムレータの端子には上述のセンサ装置が接続される。

さらに、本発明は車両に関しており、当該の車両は上述した車両アキュムレータを備えている。

本発明の第５の有利な実施形態では、車両が機関および機関制御装置を備えており、機関制御装置は上方閾値および／または下方閾値の調整のために設けられている。これにより、スタータの始動電流が適切に設定され、衝撃のないソフトな始動が行われる。

本発明の第６の有利な実施形態では、車両に、能動整流電子回路によって駆動され、センサ装置を介して車両アキュムレータへ電流を出力するかまたは車両アキュムレータからの電流を受容するジェネレータが設けられており、制御装置は、ジェネレータによって受容される電流またはジェネレータから出力される電流を、内燃機関の動作中、特に始動中または停止中に、ジェネレータ電流の最大閾値が超過されないように制御して、上方閾値を調整する。このようにすれば、ジェネレータに対して、相応のトルク特性へ変換可能な一定の電流特性を供給することができる。このため、例えば、適切な補償トルクが形成され、内燃機関の始動中の揺動を効果的に減衰させることができる。また、車両走行中の内燃機関の平行振動も最小化される。

本発明の第７の有利な実施形態では、制御装置は、ジェネレータに加えて車両アキュムレータに接続された電気的負荷の電流から全負荷電流を求め、ジェネレータ電流の最大閾値と全負荷電流との和に基づいて上方閾値を調整するように構成されている。これにより、ジェネレータへ所望の電流を供給する直前に負荷電流を検出し、これをオフセット量として電流供給フェーズを調整することができる。

有利には、センサ装置内の車両アキュムレータに基づいて電流制限回路の後方に無負荷回路が設けられ、電流制限回路後方のインダクタンスを低損失に駆動することができる。

以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。

図１には、車両に搭載された電気システム２において用いられる本発明のセンサ装置１２の実施例が示されている。

電気システム２では、車両アキュムレータ８（いわゆるバッテリ）とジェネレータ１０とから電気的負荷４，６へ電流が供給される。ジェネレータ１０そのものも、例えば車両のスタートストップモードで車両アキュムレータ８から出力された電流によって内燃機関１１を始動する際には、電気システム２における電気的負荷となる。この場合、ジェネレータ１０は車両のベルトオルタネータスタータとして使用される。ジェネレータ１０に代えて、内燃機関１１の始動のために他のスタータを用いることもできる。

本発明のセンサ装置１２は車両アキュムレータ８の一方の端子に直接に接続されている。当該のセンサ装置１２は、有利には、車両アキュムレータ８の充電レベルを管理する従来型のセンサ装置をベースにしている。この種の従来型のセンサ装置は、車両アキュムレータ８の温度・電圧・出力電流を測定し、車両アキュムレータ８の全放電を回避する措置を導入するのに適した充電レベル管理コンポーネント１４を有している。例えば、車両アキュムレータ８の全放電が迫っている場合、充電レベル管理コンポーネント１４のなかのマイクロコントローラが電気的負荷４，６，１０のうちいずれかを遮断することができる。

本発明のセンサ装置１２には、充電レベル管理コンポーネント１４に加えて、車両アキュムレータ８が受容する電流または車両アキュムレータ８から出力される電流を制限する電流制限回路１６も配置されている。図１では、制限すべき電流は、車両アキュムレータ８から出力されて、スタータ動作しているジェネレータ１０と電気的負荷４とへ供給される電流である。この場合、制限されるのは、電気システム２のうちジェネレータ１０を含む分路を流れる電流であるので、これを以下ではジェネレータ電流と称する。

制限すべき電流は、基本的には、所定の電気的負荷４，６，１０または所定の電気的負荷群へ出力される電流、ひいては、車両アキュムレータ８から出力される全電流かまたは車両アキュムレータ８に受容される全電流のいずれであってもよい。

ジェネレータ１０がスタータとして動作する場合、内燃機関１１の点火が行われたときにジェネレータ電流が制限されると有利である。これは、車両アキュムレータ８がジェネレータ電流の大きな電流ピークによる過度に強い負荷から保護されるからである。

ジェネレータ電流がジェネレータ１０を含む分路の他の電気的負荷４の動作を不要に制限しないようにするために、この実施例の電流制限回路１６は、任意にプログラミング可能なディジタルの内燃機関制御部２２（モトローニックとして知られる）により、直接の信号線路２１を介して、始動過程中オンに、それ以外の期間にはオフに制御される。これに代えて、内燃機関制御部２２による電流制限回路１６の制御を、ＣＡＮバスを介して行ってもよい。電流制限回路１６がオンになると、上述したようにジェネレータ電流が制限され、電流制限回路１６がオフのあいだは、完全な導通状態となり、任意の大きさのジェネレータ電流が流れることができる。

電流制限回路１６は車両アキュムレータ８の端子に接続されたセンサ装置１２に組み込まれているので、車両アキュムレータ８とセンサ装置１２とのあいだのアキュムレータ線路２０の長さは、センサ装置１２とジェネレータ１０とのあいだのジェネレータ線路１８の長さよりもいちじるしく短くなる。このため、電流制限回路１６の動作時に高オームとなる障害的な線路インダクタンスがアキュムレータ線路２０を介しては発生しないので、ジェネレータ電流を平滑化するための中間回路コンデンサが不要となる。

図２には、ジェネレータ１０および電気的負荷４の分路と、車両アキュムレータ８と、内燃機関制御部２２と、本発明の電流制限回路１６とを有するシステムが示されている。簡単化のために、図１と共通な要素は図２では省略してある。

この実施例では、ジェネレータ１０は直流電流ジェネレータであり、スタータとして動作する際には電気的負荷として車両アキュムレータ８から電流を引き出す。これに代えて、当該のジェネレータ１０は、車両アキュムレータ８から複数の巻線を介して電流供給される３相ジェネレータであってもよい。後者の場合には、車両アキュムレータ８の直流電流から３相交流電流を形成および変換するための相応の要素を設けなければならない。

電流制限回路１６は、１つのＭＯＳＦＥＴまたは並列接続された複数のＭＯＳＦＥＴとして構成された半導体スイッチ２３を有している。この半導体スイッチ２３はシュミットトリガ回路２５によって完全導通状態と完全阻止状態とのあいだで迅速に切り換えられるので、電流制限による損失は最小化される。シュミットトリガ回路２５は電子的な電圧比較回路であって、オン閾値およびオフ閾値は一致しない。

シュミットトリガ回路２５はジェネレータ１０を含む分路に対して直列に接続されたシャント抵抗２９を介して制御される。オペアンプ３１は、駆動のために、自身の各入力側でシャント抵抗２９での電圧降下を取り出し、所定の電圧をシュミットトリガ回路２５の第１の入力側へ出力する。シュミットトリガ回路２５の第２の入力側はアースに接続されている。シュミットトリガ回路２５の出力側は半導体スイッチ２３の制御入力側に接続されており、これによって、半導体スイッチ２３は完全に導通されるかまたは完全に阻止されるのである。

シュミットトリガ回路２５のオン閾値およびオフ閾値は、内燃機関制御部２２により、信号線路２１を介して設定される。電流制限回路１６のオフ状態では、２つの閾値が、電流制限回路１６がつねに導通されるよう、適切な値に設定され、電流制限回路１６のオン状態では、ジェネレータ電流が２つの閾値のあいだで振動するよう、適切な値に設定される。このことについては、図３に即して後述する。

シュミットトリガ回路２５と半導体スイッチ２３を制御する他のコンポーネントとは、充電レベル管理コンポーネント１４のモジュール内に収容される。あるいは、他のコンポーネントがジェネレータ電流を制限する半導体スイッチ２３を駆動制御するように構成されている場合には、これを当該のモジュールの相応の機能部とすることもできる。

図２の装置では、障害的な線路インダクタンスが、アキュムレータ線路２０では発生せず、ジェネレータ線路１８によってのみ発生するので、特にジェネレータ１０のインダクタンスによって生じる電流路の全インダクタンスは図示のインダクタンス２４となる。インダクタンス２４を低損失に駆動するために、この実施例では、ダイオード２６の形態の無負荷接続部が設けられる。ただし、これは無負荷回路の一例に過ぎず、ＭＯＳＦＥＴなどの他の適切な電気素子を用いて無負荷回路を実現してもよい。

次に、図３に即して、シュミットトリガ回路２５の動作と、電流制限回路１６内の半導体スイッチ２３の制御とを説明する。

図３の電流時間特性のグラフには、シュミットトリガ回路２５のオフ閾値２８とオン閾値３０とのあいだで振動するジェネレータ電流Ｉが時間ｔに関して示されている。

最初、シュミットトリガ回路２５は半導体スイッチ２３を導通させる。ジェネレータ電流がオフ閾値２８に達するとただちに、半導体スイッチ２３が阻止される。当該の阻止状態は、ジェネレータ電流がオン閾値３０へ低下し、半導体スイッチ２３が当初のように導通されるまで続く。

このようにして、前述した低損失の電流制限が達成される。

次に、図４に即して、電流制限回路１６の動作の時間特性を詳細に説明する。

内燃機関１１の始動フェーズ４０において、電流制限回路１６はシュミットトリガ回路２５のオフ閾値２８およびオン閾値３０により、半導体スイッチ２３を介して、ジェネレータ電流Ｉを制限する。図４では、ジェネレータ電流Ｉは有効値で示されている。

内燃機関１１が始動され、ジェネレータ１０がスタータすなわち電気的負荷として必要とされなくなると、半導体スイッチ２３は通常動作フェーズ４２で導通され、ジェネレータ１０に接続された電気的負荷４が車両アキュムレータ８から任意の大きさのジェネレータ電流を取り出すことができるようになる。

特に有利な実施例では、電流制限回路１６は、ジェネレータ１０が電気的負荷として駆動される場合、つねにオンにされる。これは、能動整流電子回路を介してジェネレータ１０へエネルギが供給され、このジェネレータ１０から内燃機関１１へトルクが供給される場合に、特に有利である。当該のトルクは、車両を制動する際の内燃機関１１の揺動を減衰させる対抗トルクとして用いられる。

内燃機関１１の停止時には、燃焼過程の中断により、内燃機関１１のシリンダに、切り離し振動として知られる回転数の振動が発生することがある。当該の切り離し振動を回避するには、能動整流電子回路が車両アキュムレータ８から電流３６を取り出し、これによってジェネレータ１０をモータとして駆動して、内燃機関１１の振動を減衰させる対抗トルクを形成すると良い。

この場合、電流制限回路１６は、内燃機関１１の制動フェーズ３２におけるジェネレータ電流を制限して、対抗トルクの大きさを抑えるために利用される。このようにすれば、ジェネレータ１０の最大トルクが内燃機関１１の振動を効果的に減衰できる大きさとなり、にもかかわらず、機関回転数はスイッチオフから機関停止にいたるまで、燃焼室での噴射過程の最小数が保証される充分な値となる。

内燃機関１１の制動フェーズ３２のあいだ、切り離し振動は一定にはならないので、内燃機関制御部２２は減衰をさらに改善するために、シュミットトリガ回路２５のオフ閾値２８およびオン閾値３０を制動フェーズ３２のあいだ可変に調整する。このようにすれば、ジェネレータ１０には所定の特性の電流３６が供給され、対抗トルクの大きさが切り離し振動の大きさに適合化される。オフ閾値２８およびオン閾値３０の調整は、内燃機関制御部２２によって、図２に示されているように、信号線路２１を介して閾値２８，３０が変更されるように行われる。

内燃機関１１の制動フェーズ３２後、電流制限回路１６は再びオフにされ、半導体スイッチ２３は次の通常動作フェーズ４２において導通状態へ切り換えられることになる。

同様に、内燃機関１１の始動時にはジェネレータ１０に一定の特性の電流３６が供給されて、ショックのないソフトな始動が達成され、あるいは、内燃機関の動作時にはジェネレータ１０から一定の特性の電流３６が供給され、シリンダのオフによって生じる望ましくない振動が抑圧される。

別の有利な実施形態では、電流３６がジェネレータ１０に供給される場合、ジェネレータを含む分路の電気的負荷４によって受容される電流が考慮され、対抗トルクが正確な大きさで形成される。

ジェネレータ電流が制限され、ジェネレータを含む分路に存在する電気的負荷４が電流を受容すると、ジェネレータ１０から出力可能なトルクが小さくなる。これを回避するために、電流供給に先立って、負荷電流３８の実際値が求められ、図４に示されているように、これをオフセット量として調整が行われる。負荷電流３８は、例えば、内燃機関制御部２２によって、シュミットトリガ回路２５を駆動制御する際のジェネレータ電流と同様に測定される。ただし、相応の測定回路の構造は、簡単化のために図示されていない。負荷電流３８の測定は、有利には、制動フェーズ３２の開始時点３４で行われる。

本発明は、特に、車両のスタータが作動される際、あるいは、スタートストップモードにおけるベルトオルタネータスタータとしてのジェネレータが作動される際に、車両アキュムレータから取り出される電流および／または車両アキュムレータへ供給される電流を測定する電流センサを備えた、車両アキュムレータの端子へ接続されるセンサ装置に関しており、本発明によれば、電流センサによって測定された電流が上方閾値に達した場合、車両アキュムレータから出力される電流または車両アキュムレータに受容される電流を制限する電流制限回路が設けられている。

２ 電気システム、 ４，６ 電気的負荷、 ８ アキュムレータ、 １０ ジェネレータ、 １１ 内燃機関、 １２ センサ装置、 １４ 充電レベル管理コンポーネント、 １６ 電流制限回路、 １８ ジェネレータ線路、 ２０ アキュムレータ線路、 ２１ 信号線路、 ２２ 内燃機関制御部、 ２３ 半導体スイッチ、 ２４ インダクタンス、 ２６ ダイオード

Claims (11)

1. 例えば、車両のスタータが作動される際、あるいは、スタートストップモードにおいてジェネレータ（１０）がベルトオルタネータスタータとして作動される際に、車両アキュムレータ（８）から取り出される電流および／または車両アキュムレータ（８）へ供給される電流（１９）を測定する電流センサ（２９，３１）を備えた、
   車両アキュムレータの端子へ接続されるセンサ装置において、
   前記電流センサによって測定された電流が所定の上方閾値（２８）、例えば可変に調整可能な上方閾値に達した場合、前記車両アキュムレータから出力される電流または前記車両アキュムレータに受容される電流を制限する電流制限回路（１６）が設けられている
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記電流制限回路は、１つの半導体スイッチまたは並列接続された複数の半導体スイッチ（２３）、例えば複数の電界効果トランジスタを有しており、該１つまたは複数の半導体スイッチは、前記電流センサによって測定された電流が前記上方閾値に達した場合に完全に阻止される、請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記１つまたは複数の半導体スイッチは、前記電流センサによって測定された電流が下方閾値（３０）に達した場合に完全に導通する、請求項２記載のセンサ装置。
4. 前記下方閾値は可変に調整可能である、請求項３記載のセンサ装置。
5. 前記電流制限回路は、スタータとしての動作時に前記ジェネレータへ流れる電流を制限し、あるいは、車両の内燃機関（１１）の始動過程においてスタータへ流れる電流を制限し、かつ、始動過程後に電流制限機能を遮断するように、構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ装置。
6. 前記電流制限回路は、前記ジェネレータが前記車両アキュムレータに対する電気的負荷として動作する場合に、前記ジェネレータへの電流を制限するように構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ装置。
7. 電流（１９）の出力または入力のための端子を有する
   車両アキュムレータにおいて、
   前記端子に接続された、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ装置（１２）を有する
   ことを特徴とする車両アキュムレータ。
8. 請求項７記載の車両アキュムレータ（８）を備えていることを特徴とする車両。
9. 内燃機関（１１）および該内燃機関を制御する制御装置（２２）を備えており、該制御装置は上方閾値（２８）および／または下方閾値（３０）を調整するように構成されている、請求項８記載の車両。
10. 能動整流電子回路によって駆動され、かつ、センサ装置（１２）を介して、車両アキュムレータへ電流を出力するかまたは車両アキュムレータからの電流を受容するジェネレータ（１０）が設けられており、前記制御装置は、前記ジェネレータによって受容される電流または前記ジェネレータから出力される電流を、内燃機関の動作中、例えば始動動作または停止動作において、ジェネレータ電流の最大閾値が超過されないように制御して、前記上方閾値を調整する、請求項９記載の車両。
11. 前記制御装置は、前記ジェネレータに加えて前記車両アキュムレータに接続された電気的負荷（４，６）の電流（３８）から全負荷電流を求め、前記ジェネレータ電流の最大閾値と前記全負荷電流との和に基づいて前記上方閾値を調整するように構成されている、請求項１０記載の車両。

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