JP2012531884A - 車両用の搭載電気系統および搭載電気系統の制御装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の搭載電気系統は、系統負荷に十分な電力を供給するために、第１エネルギー蓄積器（ＥＳ１）および／または第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）から系統負荷（Ｌ）への閉電流回路を形成する第１スイッチ（Ｓ１）と第２スイッチ（Ｓ２）とを有する。この搭載電気系統はまた第２エネルギー蓄積器での電圧値（Ｖｅｓ２）を測定し、測定された現在電圧値を所定の電圧閾値（ＴＨ）と比較する監視デバイス（ＵＥ）と、第１および第２スイッチを閉じることにより第２エネルギー蓄積器からアース（ＭＳ）への第３の閉電流回路を形成し、前記現在電圧値が電圧閾値（ＴＨ）を超えている場合に第２エネルギー蓄積器を放電する制御デバイス（ＳＥ）とを有する。これは、搭載電気系統にまたは第１エネルギー蓄積器から第２エネルギー蓄積器への電流路にシステム障害が生じた場合に、第２エネルギー蓄積器が制御不能に充電されることを防ぐ。
Description
本発明は車両用の搭載電気系統と車両の搭載電気系統における電流の流れを制御する制御装置とに関する。さらに、本発明は上記搭載電気系統および／または上記制御装置を備えた車両、特にハイブリッド車に関する。
今日の自動車の搭載電気系統は、整流回路に直列接続された３相電動機として形成された、エネルギー変換器としての発電機、および／または、例えば１つまたは複数のバッテリセルを含んだ第１ないし１次エネルギー蓄積器、ならびに電気系統を介して給電されるべき電流負荷を含んでいる。なお、これら電流負荷はまとめて系統負荷と呼ばれる。発電機と第１エネルギー蓄積器と系統負荷はまとめて第１エネルギー系統と呼ばれる。搭載電気系統はさらに、例えば電気二層キャパシタとして形成された第２エネルギー蓄積器、すなわち２次エネルギー蓄積器を含んだ第２エネルギー系統を含んでいる。第２エネルギー蓄積器は第１エネルギー蓄積器、すなわち発電機および／または第１エネルギー蓄積器からの電流で充電される。第１エネルギー系統の系統電圧はふつう第１エネルギー系統の系統電圧よりも高い。
搭載電気系統において、広範囲にわたり安全なシステム状態（英語ではSafe-State）を維持することが重要である。搭載電気系統において安全なシステム状態を維持するための要件は、２つのエネルギー蓄積器の過充電を避けることである。
しかし、２つのエネルギー系統の間ないしは第１エネルギー蓄積器または発電機と第２エネルギー蓄積器との間の電気接続に、例えば搭載電気系統の１つまたは複数の電気部品の故障、経年劣化または腐食、使用上の誤り、または電気接続に対する環境影響に起因する問題が生じると、第１エネルギー系統から第２エネルギー系統へ、ないしは第１エネルギー蓄積器から第２エネルギー蓄積器への電流の流れが制御不能となり、結果として第２エネルギー蓄積器における充電電圧が許容される最大充電電圧を超えて第１エネルギー系統ないし第１エネルギー蓄積器における電圧ポテンシャルまで上昇する。これは第２エネルギー蓄積器の過充電につながり、結果として第２エネルギー蓄積器の故障をもたらす。
それゆえ、本発明の課題は、上記の問題が生じた場合に搭載電気系統のエネルギー蓄積器を簡単に過充電から保護することである。
この課題は独立請求項により解決される。有利な実施形態は従属請求項の対象である。
本発明の１つの態様によれば、系統負荷と呼ばれる少なくとも１つの電流負荷と、系統負荷に電流を供給する第１および第２エネルギー蓄積器とを含み、第２エネルギー蓄積器が再充電可能である、搭載電気系統が提供される。特に、第２エネルギー蓄積器は第１エネルギー蓄積器からの電流で再充電することができる。
搭載電気系統はさらに第１および第２の可制御スイッチを含んでいる。第１スイッチは、閉スイッチ状態では、第１エネルギー蓄積器から系統負荷に電流を供給するために第１エネルギー蓄積器から系統負荷への閉じた第１電流回路を形成する。開スイッチ状態では、第１スイッチはこの第１電流回路を再び開く。第２スイッチは、第２スイッチが閉じており、さらに同時に第１スイッチが開いている状態では、第１エネルギー蓄積器と第２エネルギー蓄積器とから系統負荷に電流を供給するために、第１エネルギー蓄積器から第２エネルギー蓄積器を経て系統負荷への閉じた第２電流回路を形成する。開スイッチ状態では、第２スイッチはこの第２電流回路を再び開く。
搭載電気系統はその他に監視デバイスと制御デバイスを有している。搭載電気系統は監視デバイスにより第２エネルギー蓄積器における充電電圧値を測定し、測定された現在電圧値を予め決められた電圧閾値と比較する。
搭載電気系統は制御デバイスによって第１および第２スイッチを閉じるか、これら２つのスイッチを閉スイッチ状態に保持し、そうすることによって第２エネルギー蓄積器から２つの閉じたスイッチを経由してアースへの閉じた第３電流回路を形成し、測定された現在電圧値が電圧閾値を上回っていれば、第２エネルギー蓄積器を放電する。
これにより、搭載電気系統に故障が発生した場合に、前記２つのスイッチのような、搭載電気系統に既に存在している素子のみを用いて簡単にエネルギー蓄積器を過充電から保護することのできる搭載電気系統ができあがる。したがって、この搭載電気系統はほとんど追加コストなしにまたは高い製造コストなしに製造することができる。
有利な実施形態では、搭載電気系統は再充電デバイスを有しており、搭載電気系統はこの再充電デバイスを用いて第２エネルギー蓄積器を第１エネルギー蓄積器からの充電電流で充電する。
こうすることの利点は、搭載電気系統が搭載電気系統の一方のエネルギー蓄積器を他方のエネルギー蓄積器からの電流で充電するために外部の再充電装置を必要としないという点にある。別の利点は、内部の再充電デバイスにより、目立った待ち時間なく搭載電気系統のエネルギー蓄積器の充電プロセスを監視、開ループ制御および閉ループ制御することができることである。
別の有利な実施形態では、制御デバイスは、測定された現在電圧値が電圧閾値を上回っている場合に、第１エネルギー系統から第２エネルギー系統への、ないしは第１エネルギー蓄積器から第２エネルギー蓄積器への電流を、閉じた第１スイッチと閉じた第２スイッチを介して、したがって閉じた第３電流回路を介してアースへと排出するように構成されている。
このようにすることの利点は、第２エネルギー蓄積器の過充電につながる、第１エネルギー系統からの過剰な電流を、付加的な回路部品を要さず安全に、アースを介して搭載電気系統から除去することができる点にある。
別の有利な実施形態では、監視デバイスは、例えば第２エネルギー蓄積器の温度のような、第２エネルギー蓄積器の充電容量に関係する少なくとも１つのパラメータに依存して、充電電圧値と比較される電圧閾値を決定する。
これにより、電圧閾値を決定する際に第２エネルギー蓄積器の最大充電電圧値が考慮される。なお、第２エネルギー蓄積器の最大充電電圧値は、充電容量ないし種々のパラメータに依存するので、その電圧閾値の変化は第２エネルギー蓄積器の充電容量の変化に、したがってまた可能な最大充電電圧値の変化につながる。
別の有利な実施形態では、制御デバイスは所定の期間のあいだ第１および第２スイッチを閉スイッチ状態に保持する。なお、制御デバイスは、電圧閾値と比較される測定された現在電圧値に依存して、前記所定の期間を決定する。
これにより、一方では第２エネルギー蓄積器の過充電ないし過電圧をもたらす第２エネルギー蓄積器における過剰な電荷を安全に放電することができ、他方では第２エネルギー蓄積器が過度に放電され、そのせいで搭載電気系統にとって不利な、電気エネルギーの余計な損失の発生が防止されることが保証される。
本発明の別の態様によれば、制御装置から搭載電気系統への電気接続を形成するために第１、第２および第３の電気端子を有する、搭載電気系統内の電流の流れを制御する制御装置が提供される。第１端子と第２端子の間には、可制御の第１スイッチが有り、閉スイッチ状態では、第１端子を第２端子に電気的に接続する。第１端子と第３端子の間には、可制御の第２スイッチが有り、閉スイッチ状態では、第１端子を第３端子に電気的に接続する。
さらに、制御装置は監視デバイスと制御デバイスを有する。監視デバイスは、制御装置の第３端子と第２端子の間に印加される電圧の値を測定し、測定された現在電圧値を予め決められた電圧閾値と比較し、比較結果をこの結果に相応する信号レベルを有する信号の形態で制御装置に送信する。このように２つの電圧値を比較するので、監視デバイスは比較デバイスとも呼びうる。制御デバイスは、この信号ないし監視デバイスの比較結果に依存して、第１および第２スイッチを閉じるか、閉スイッチ状態に保持する。２つのスイッチを閉じることにより制御装置は第３端子と第２端子とを相互に電気的に接続し、そうすることによってこれら２つの閉じたスイッチを経由して電流を第３端子から第２端子へと導く。
有利な実施形態では、監視デバイスは、例えば温度のような少なくとも１つの環境影響に依存して、電圧値と比較される電圧閾値を決定する。
別の有利な実施形態では、制御デバイスは所定の期間第１および第２スイッチを閉スイッチ状態に保持する。なお、制御デバイスは、電圧閾値と比較される測定された現在電圧値に依存して、前記所定の期間を決定する。
本発明の別の態様によれば、上記搭載電気系統または上記制御装置を備えた車両、特にハイブリッド車が提供される。
上記搭載電気系統の有利な実施形態は、上記装置ないし上記車両に転用できる限りにおいて、上記装置ないし上記車両の有利な実施形態とも見なすことができる。
以下に、図面を参照しながら本発明を実施例に基づいて詳しく説明する。実施例として、ハイブリッド車の搭載電気系統を用いる。
車両ＦＺの、特にハイブリッド車の搭載電気系統ＢＮは、図によれば、第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１および第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２、ならびにこれら２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２の間に接続されている制御装置ＳＴを有している。この実施例の搭載電気系統ＢＮでは、エネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２は互いに非絶縁である。エネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２が互いに絶縁された代替的な実施形態も可能である。
第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１は、発電機Ｇ、搭載電気系統ＢＮの第１エネルギー蓄積器ＥＳ１、および例えばランプや内燃機関のスタータのような一群の電流負荷を含んでいる。なお、これらの電流負荷はまとめて系統負荷Ｌとも呼ばれる。
発電機Ｇは整流回路ＤＧに直列接続された３相電動機として形成されており、車両ＦＺの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換器として、また同時に系統負荷Ｌに電流を供給する第１エネルギー源としても機能する。
第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は１つまたは複数の直列接続された再充電可能なバッテリセルを含んでおり、系統負荷Ｌに電流を供給する第２エネルギー源として機能する。第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は発電機Ｇからの電流で充電される、すなわち、発電機Ｇによって変換された電気エネルギーを蓄積する。
第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２は搭載電気系統ＢＮの別の、すなわち第２のエネルギー蓄積器ＥＳ２を含んでいる。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は電気二層キャパシタとして形成されており、系統負荷Ｌに電流を供給する第３エネルギー源として機能する。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの電流で充電される。
２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２は異なる系統電圧Ｖｓｙｓ１、Ｖｓｙｓ２を有している。ただし、第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１の系統電圧Ｖｓｙｓ１は第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２の系統電圧Ｖｓｙｓ２よりも高い。
系統負荷Ｌが発電機Ｇと第１エネルギー蓄積器ＥＳ１とから電流を供給される欠陥のない動作状態では、第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１の第１系統電圧Ｖｓｙｓ１は第１エネルギー蓄積器ＥＳ１の充電電圧Ｖｅｓ１と同じである。第２系統電圧Ｖｓｙｓ２は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧Ｖｅｓ２に等しい。
各エネルギー系統Ｅｓｙ１、Ｅｓｙ２における電流の流れ、およびこれら２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２の間の電流の流れの制御は制御装置ＳＴによって行われる。このために、制御装置ＳＴは、制御装置ＳＴから搭載電気系統ＢＮないし２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２への電気接続の形成に用いられる４つの電気端子Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を有している。
第１電気端子Ｋ１を介して、制御装置ＳＴは第１エネルギー蓄積器ＥＳ１のマイナス極に電気的に接続されている。
第２電気端子Ｋ２を介して、制御装置ＳＴは発電機Ｇの整流器ＤＧのマイナス極、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のマイナス極、系統負荷Ｌ、およびアースＭＳに電気的に接続されている。
第３電気端子Ｋ１を介して、制御装置ＳＴは第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極に電気的に接続されている。それゆえ、第３端子Ｋ３と第２端子Ｋ２の間には、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極とマイナス極の間の電圧、すなわち第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧Ｖｅｓ２が印加される。
第４電気端子Ｋ４を介して、制御装置ＳＴは発電機Ｇの整流器ＤＧのプラス極、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１のプラス極、および系統負荷Ｌに電気的に接続されている。
制御装置ＳＴはさらに可制御の第１および第２スイッチＳ１、Ｓ２、２つのスイッチＳ１およびＳ２を制御する制御デバイスＳＥ、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧Ｖｅｓ２を監視する監視デバイスＵＥ、および第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの電流で充電する再充電デバイスＮＬを含んでいる。
２つのスイッチＳ１およびＳ２はそれぞれゲート端子ないし制御端子ＧＳ１、ＧＳ２を介して制御可能なノーマリーオフＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチとして形成されている。各制御端子ＧＳ１、ＧＳ２に電圧値５Ｖのゲート電圧ないし制御電圧Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２が印加されると、これら２つのスイッチＳ１、Ｓ２は導通し、すなわち「閉じた」スイッチ状態に移行し、制御電圧Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２が消えると、または例えば５Ｖ未満の不十分な電圧値の制御電圧Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２が印加されると、これら２つのスイッチＳ１、Ｓ２は阻止状態、すなわち「開いた」スイッチ状態に移行する。
第１スイッチは第１端子Ｋ１と第２端子Ｋ２の間に配置されており、閉スイッチ状態において第１端子Ｋ１と第２端子Ｋ２を相互に電気的に接続する。そのため、閉スイッチ状態の第１スイッチＳ１は、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から系統負荷Ｌへの閉じた第１電流回路を形成するので、系統負荷Ｌには第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から電流が供給される。開スイッチ状態では、第１スイッチＳ１は第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から系統負荷Ｌへの電気接続を遮断するので、閉じた第１電流回路が開かれる。
第２スイッチは第１端子Ｋ１と第３端子Ｋ３の間に配置されており、閉スイッチ状態において第１端子Ｋ１と第３端子Ｋ３を相互に電気的に接続する。それゆえ、第２スイッチＳ２が閉スイッチ状態にあると同時に第１スイッチＳ１が開いている状態では、第２スイッチＳ２は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を第１エネルギー蓄積器ＥＳ１と系統負荷Ｌとに電気的に接続するので、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を経て系統負荷Ｌまでの閉じた第２電流回路が形成される。開スイッチ状態では、第１スイッチＳ１は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２から系統負荷Ｌへの電気接続を遮断するので、閉じた第２電流回路が開かれる。
２つのスイッチＳ１、Ｓ２の制御は制御デバイスＳＥを介して行われる。制御デバイスＳＥは１つの信号入力側Ｋ２１と２つの信号出力側Ｋ２２、Ｋ２３を有している。信号入力側Ｋ２１を介して制御デバイスＳＥは監視デバイスＵＥと電気的に接続されている。制御デバイスＳＥは、第１信号出力側Ｋ２２を介してまたは第１信号出力側Ｋ２２における第１出力信号Ｓ１１１によって第１スイッチＳ１を制御し、第２信号出力側Ｋ２３を介してまたは第２信号出力側Ｋ２３における第２出力信号Ｓ１１２によって第２スイッチＳ２を制御する。
監視デバイスＵＥは２つの信号入力側Ｋ１１、Ｋ１２と１つの信号出力側Ｋ１３を有している。監視デバイスＵＥは第１信号入力側Ｋ１１を介して制御装置ＳＴの第３端子Ｋ３と、したがって第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極とも電気的に接続されている。監視デバイスＵＥは第２信号入力側Ｋ１２を介して制御装置ＳＴの第２端子Ｋ２と、したがって第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のマイナス極およびアースＭＳとも電気的に接続されている。監視デバイスＵＥは信号出力側Ｋ１３を介して制御デバイスＳＥの信号入力側Ｋ２１と電気的に接続されている。
監視デバイスは２つの信号入力側Ｋ１１、Ｋ１２の間に電圧測定ユニットＳＭを有しており、この電圧測定ユニットＳＭにより、２つの信号入力側Ｋ１１およびＫ１２の間の電位差が、すなわち第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧値が測定される。監視デバイスＵＥはさらに電圧測定ユニットＳＭと信号出力側Ｋ１３との間にコンパレータユニットＫＰを有している。コンパレータユニットＫＰはプラスの非反転入力側を介して電圧測定ユニットＳＭと電気的に接続されている。コンパレータユニットＫＰのマイナスの反転入力側には電圧閾値ＴＨが印加される。コンパレータユニットＫＰはプラス入力側に印加された現在の測定された充電電圧値Ｖｅｓ２をマイナス入力側に印加された電圧閾値ＴＨと比較し、比較結果に依存して、比較結果に相応する信号レベルを有する信号Ｓ１０１を信号出力側Ｋ１３を介して出力する。
再充電デバイスＮＬは制御装置ＳＴの第４端子Ｋ４と第３端子Ｋ３との間に配置されており、図には詳しく示されていないＤＣ／ＤＣ変換器を含んでいる。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２はこの再充電デバイスＮＬを介して発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの充電で充電される。
以上で実施例の搭載電気系統ＢＮの図示されている構成要素とその機能とを説明したので、以下では搭載電気系統ＢＮないし搭載電気系統ＢＮの制御装置ＳＴの動作を詳しく説明する。
搭載電気系統ＢＮは、系統負荷Ｌの大きさに依存して、つまり搭載電気系統ＢＮに接続されている電流負荷による電流需要の大きさに依存して、３つの異なる動作状態において動作する。以下に、これら３つの動作状態とこれら３つの動作状態の間の切換を説明する。
系統負荷Ｌによる電流需要が十分に安定的で、発電機Ｇが搭載電気系統ＢＮに供給できる最大の電流供給を下回っている第１動作状態では、搭載電気系統ＢＮないし系統負荷Ｌは発電機Ｇだけから電流を供給される。この第１動作状態において、２つのスイッチＳ１、Ｓ２は制御デバイスＳＥによって制御され、開スイッチ状態に保たれる。
搭載電気系統ＢＮの第２動作状態では、さらなる電流負荷が接続されることにより、系統負荷Ｌの電流需要が発電機Ｇの最大電流供給を上回る。この第２動作状態では、制御デバイスＳＥにより第１スイッチＳ１が閉じられることにより、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１が搭載電気系統ＢＮに接続される。この場合、系統負荷Ｌは発電機Ｇの他に第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からも電流を供給される。この動作状態において、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は発電機Ｇと共に搭載電気系統ＢＮ内の安定した動作電圧を維持する。第２スイッチＳ２は制御デバイスＳＥによって制御され、引き続き開スイッチ状態に保たれる。
例えば車両ＦＺの内燃機関のスタータのような１つまたは複数の高出力の電流負荷が接続されることにより、搭載電気系統ＢＮにおける電流需要が短期間に急激に増大する第３動作状態では、発電機Ｇと第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は系統負荷の急激に増大した電流需要にもはや単独では対処できない。その結果、搭載電気系統ＢＮ内の安定した電圧をもはや維持できず、すべての電流負荷が申し分なく機能するのに必要な最小の動作電圧を下回るおそれがある。この場合、第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２ないし第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が搭載電気系統ＢＮに接続される。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の搭載電気系統ＢＮへの接続は、制御デバイスＳＥが２つのスイッチＳ１、Ｓ２を同時に切り換えることによって行われる。制御デバイスＳＥは、第１スイッチＳ１を開き、それと同時に第２スイッチＳ２を閉じることにより、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を第１エネルギー蓄積器ＥＳ１および系統負荷Ｌに接続し、そうすることで第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を経由して系統負荷Ｌへと閉じた第２電流回路を形成する。それゆえ、系統負荷Ｌは発電機Ｇと２つのエネルギー蓄積器ＥＳ１、ＥＳ２とにから電流を供給される。
第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が搭載電気系統ＢＮに接続されていない第１および第２動作状態では、搭載電気系統ＢＮは必要ならば発電機Ｇまたは第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から電流を供給される。その際、再充電デバイスＮＬが充電プロセスを監視および制御する。
しかし、再充電デバイスＮＬに、または第４端子Ｋ４と第３端子Ｋ３との間の電気接続に、したがって発電機Ｇないし第１エネルギー蓄積器ＥＳ１と第２エネルギー蓄積器ＥＳ２との間の電気接続の間にシステムエラーが生じると、制御されない電流の流れが、すなわち発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの制御不能な電流の流れＩｌｓが第４端子Ｋ４と第３端子Ｋ３との間の電気接続に、さらには第２エネルギー蓄積器ＥＳ２にまで発生する。その結果、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が充電され、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２における充電電圧値Ｖｅｓ２が、許容される最大充電電圧を超えて第１エネルギー蓄積器ＥＳ１における電圧ポテンシャルＶｅｓ１まで制御不能に上昇する。これは第２エネルギー蓄積器の過充電につながり、結果として第２エネルギー蓄積器の故障をもたらす。
このようなエラーのある系統状態において第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の過充電を防ぎ、以て第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を故障から守るために、監視デバイスＵＥの電圧測定ユニットＳＭは所定の時間間隔で端子Ｋ３、Ｋ２を介して第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧値Ｖｅｓ２を測定する。
測定された充電電圧値Ｖｅｓ２は電圧測定ユニットＳＭからコンパレータユニットＫＰに送られる。すると、コンパレータＫＰは充電電圧値Ｖｅｓ２を制御装置ＳＴの、この図には詳しく示されていないメモリユニットに記憶されている所定の電圧閾値ＴＨと比較し、比較結果に相応する信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１の形態で比較結果を制御デバイスＳＥへ出力する。
充電電圧値Ｖｅｓ２が電圧閾値ＴＨ以下ならば、出力信号Ｓ１０１は論理０の信号レベルを有する。充電電圧値Ｖｅｓ２が電圧閾値ＴＨを超えていれば、出力信号Ｓ１０１は論理１の信号レベルを有する。
監視デバイスＵＥの出力信号Ｓ１０１は信号入力側Ｋ２１を介して制御デバイスＳＥにより受信される。制御デバイスは、この出力信号Ｓ１０１の信号レベルに依存して、２つの出力信号Ｓ１１１およびＳ１１２を介して２つのスイッチＳ１およびＳ２を制御する。
論理０の信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１を受け取った場合、制御デバイスＳＥは搭載電気系統ＢＮの現在の動作状態に依存して、つまり搭載電気系統ＢＮにおける電流需要がどのくらい大きいかに依存して、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を制御する。
論理１の信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１を受け取った場合には、制御デバイスＳＥは搭載電気系統ＢＮの現在の動作状態とは関係なく、つまりこの現在の動作状態において２つのスイッチＳ１、Ｓ２がどのようなスイッチ状態をとるべきかに関係なく、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を閉じる。このために、制御デバイスＳＥは２つの出力信号Ｓ１１１、Ｓ１１２の信号レベルを論理１にセットして、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を閉じる。搭載電気系統ＢＮが第１動作状態にあり、第１出力信号Ｓ１１１が既に論理１の信号レベルを有している場合には、制御デバイスＳＥは、第１出力信号Ｓ１１１の信号レベルはそのままにし、第２出力信号Ｓ１１２だけを論理１の信号レベルにセットする。これにより、制御デバイスＳＥは、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の過充電状態が認識される前に既に閉スイッチ状態にあった一方のスイッチＳ１を閉スイッチ状態に保持すると共に、他方のスイッチＳ２を閉じる。
結果として、端子Ｋ３、Ｋ１およびＫ２が互いに電気的に短絡し、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極からアースＭＳへの閉じた第３電流回路が形成される。したがって、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２はこの閉じた第３電流回路とアースＭＳを介して放電される。
端子Ｋ４から端子Ｋ３ないし第２エネルギー蓄積器ＥＳ２への充電電流Ｉｌｓは、この電気接続を介して、第３端子Ｋ３から第１および第２端子Ｋ１、Ｋ２を経由してアースＭＳへと排出される。
これにより、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は２つの点で過充電から保護される。１つには、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２における過剰な電荷が第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の制御された放電によりアースＭＳへと排出され、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の過充電が無害化される。他方では、電気接続におけるシステムエラーのせいで発電機Ｇないし第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から第２エネルギー蓄積器ＥＳ２へと制御されずに流れる電流ＩｌｓがアースＭＳへと排出され、同様に無害化される。
充電電圧値Ｖｅｓ２が電圧閾値ＴＨを再び下回るとすぐに、監視デバイスＵＥは出力信号Ｓ１０１の信号レベルを論理１から再び論理０にセットする。
論理０の信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１を受け取った場合、制御デバイスＳＥは搭載電気系統ＢＮの現在の動作状態に依存して、つまり搭載電気系統ＢＮにおける電流需要が現在どのくらい大きいかに依存して、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を制御する。３つの動作状態すべてにおいて２つのスイッチＳ１、Ｓ２が同時に閉じられることはないので、２つのスイッチＳ１、Ｓ２の一方が開かれることにより、放電プロセスはすぐに停止される。
第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の電圧値変化は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電容量の変化をもたらすので、代替的な実施形態では、監視デバイスＵＥは第２エネルギー蓄積器ＥＳ２において充電電圧値Ｖｅｓ２の他に例えば温度のような別のパラメータも測定する。そして、監視デバイスＵＥは、充電電圧値Ｖｅｓ２と測定された現在のパラメータ値とに基づいて、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が満充電されているか、または過充電となるおそれがあるかを識別する。
監視デバイスＵＥは、充電電圧値Ｖｅｓ２および別のパラメータ値から得たこれらの情報に基づいて、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の放電に必要な時間Ｔを計算し、この時間Ｔの間、出力信号Ｓ１０１を論理１の信号レベルにセットする。その結果、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２から過剰な電荷を除去するために必要な時間Ｔの間だけ放電する。
代替的に、過電圧保護付き電圧制限回路または安全ヒューズ付きもしくは安全ヒューズ無しのサイリスタ回路を２つのエネルギー系統の間に配置して、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のこのような過充電の発生を始めから回避してもよい。これらの回路は、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２において所定の充電電圧値が達成されると、発電機ないし第１エネルギー系統から第２エネルギー系統への電流の流れを止め、第２エネルギー蓄積器の過充電を防ぐ。
本発明は車両用の搭載電気系統と車両の搭載電気系統における電流の流れを制御する制御装置とに関する。さらに、本発明は上記搭載電気系統および／または上記制御装置を備えた車両、特にハイブリッド車に関する。
今日の自動車の搭載電気系統は、整流回路に直列接続された３相電動機として形成された、エネルギー変換器としての発電機、および／または、例えば１つまたは複数のバッテリセルを含んだ第１ないし１次エネルギー蓄積器、ならびに電気系統を介して給電されるべき電流負荷を含んでいる。なお、これら電流負荷はまとめて系統負荷と呼ばれる。発電機と第１エネルギー蓄積器と系統負荷はまとめて第１エネルギー系統と呼ばれる。搭載電気系統はさらに、例えば電気二層キャパシタとして形成された第２エネルギー蓄積器、すなわち２次エネルギー蓄積器を含んだ第２エネルギー系統を含んでいる。第２エネルギー蓄積器は第１エネルギー蓄積器、すなわち発電機および／または第１エネルギー蓄積器からの電流で充電される。第１エネルギー系統の系統電圧はふつう第２エネルギー系統の系統電圧よりも高い。
搭載電気系統において、広範囲にわたり安全なシステム状態（英語ではSafe-State）を維持することが重要である。搭載電気系統において安全なシステム状態を維持するための要件は、２つのエネルギー蓄積器の過充電を避けることである。
しかし、２つのエネルギー系統の間ないしは第１エネルギー蓄積器または発電機と第２エネルギー蓄積器との間の電気接続に、例えば搭載電気系統の１つまたは複数の電気部品の故障、経年劣化または腐食、使用上の誤り、または電気接続に対する環境影響に起因する問題が生じると、第１エネルギー系統から第２エネルギー系統へ、ないしは第１エネルギー蓄積器から第２エネルギー蓄積器への電流の流れが制御不能となり、結果として第２エネルギー蓄積器における充電電圧が許容される最大充電電圧を超えて第１エネルギー系統ないし第１エネルギー蓄積器における電圧ポテンシャルまで上昇する。これは第２エネルギー蓄積器の過充電につながり、結果として第２エネルギー蓄積器の故障をもたらす。
それゆえ、本発明の課題は、上記の問題が生じた場合に搭載電気系統のエネルギー蓄積器を簡単に過充電から保護することである。
この課題は独立請求項により解決される。有利な実施形態は従属請求項の対象である。
本発明の１つの態様によれば、系統負荷と呼ばれる少なくとも１つの電流負荷と、系統負荷に電流を供給する第１および第２エネルギー蓄積器とを含み、第２エネルギー蓄積器が再充電可能である、搭載電気系統が提供される。特に、第２エネルギー蓄積器は第１エネルギー蓄積器からの電流で再充電することができる。
搭載電気系統はさらに第１および第２の可制御スイッチを含んでいる。第１スイッチは、閉スイッチ状態では、第１エネルギー蓄積器から系統負荷に電流を供給するために第１エネルギー蓄積器から系統負荷への閉じた第１電流回路を形成する。開スイッチ状態では、第１スイッチはこの第１電流回路を再び開く。第２スイッチは、第２スイッチが閉じており、さらに同時に第１スイッチが開いている状態では、第１エネルギー蓄積器と第２エネルギー蓄積器とから系統負荷に電流を供給するために、第１エネルギー蓄積器から第２エネルギー蓄積器を経て系統負荷への閉じた第２電流回路を形成する。開スイッチ状態では、第２スイッチはこの第２電流回路を再び開く。
搭載電気系統はその他に監視デバイスと制御デバイスを有している。搭載電気系統は監視デバイスにより第２エネルギー蓄積器における充電電圧値を測定し、測定された現在電圧値を予め決められた電圧閾値と比較する。
制御デバイスは第１および第２スイッチを閉じるか、これら２つのスイッチを閉スイッチ状態に保持し、そうすることによって第２エネルギー蓄積器から２つの閉じたスイッチを経由した閉じた第３電流回路を形成し、測定された現在電圧値が電圧閾値を上回っていれば、第２エネルギー蓄積器を放電する。有利には、第２エネルギー蓄積器はこれら２つのスイッチを経由してアースに電気的に接続され、放電される。
これにより、搭載電気系統に故障が発生した場合に、前記２つのスイッチのような、搭載電気系統に既に存在している素子のみを用いて簡単にエネルギー蓄積器を過充電から保護することのできる搭載電気系統ができあがる。したがって、この搭載電気系統はほとんど追加コストなしにまたは高い製造コストなしに製造することができる。
有利な実施形態では、搭載電気系統は再充電デバイスを有しており、搭載電気系統はこの再充電デバイスを用いて第２エネルギー蓄積器を第１エネルギー蓄積器からの充電電流で充電する。
こうすることの利点は、搭載電気系統が搭載電気系統の一方のエネルギー蓄積器を他方のエネルギー蓄積器からの電流で充電するために外部の再充電装置を必要としないという点にある。別の利点は、内部の再充電デバイスにより、目立った待ち時間なく搭載電気系統のエネルギー蓄積器の充電プロセスを監視、開ループ制御および閉ループ制御することができることである。
別の有利な実施形態では、制御デバイスは、測定された現在電圧値が電圧閾値を上回っている場合に、第１エネルギー系統から第２エネルギー系統への、ないしは第１エネルギー蓄積器から第２エネルギー蓄積器への電流を、閉じた第１スイッチと閉じた第２スイッチを介して、したがって閉じた第３電流回路を介して排出するように構成されている。有利には、電流はアース（例えば車体）へと排出するように構成されている。
このようにすることの利点は、第２エネルギー蓄積器の過充電につながる、第１エネルギー系統からの過剰な電流を、付加的な回路部品を要さず安全に、例えばアースを介して搭載電気系統から除去することができる点にある。
別の有利な実施形態では、監視デバイスは、例えば第２エネルギー蓄積器の温度のような、第２エネルギー蓄積器の充電容量に関係する少なくとも１つのパラメータに依存して、充電電圧値と比較される電圧閾値を決定する。
これにより、電圧閾値を決定する際に第２エネルギー蓄積器の最大充電電圧値が考慮される。なお、第２エネルギー蓄積器の最大充電電圧値は、充電容量ないし種々のパラメータに依存するので、その電圧閾値の変化は第２エネルギー蓄積器の充電容量の変化に、したがってまた可能な最大充電電圧値の変化につながる。
別の有利な実施形態では、制御デバイスは所定の期間のあいだ第１および第２スイッチを閉スイッチ状態に保持する。なお、制御デバイスは、電圧閾値と比較される測定された現在電圧値に依存して、前記所定の期間を決定する。
これにより、一方では第２エネルギー蓄積器の過充電ないし過電圧をもたらす第２エネルギー蓄積器における過剰な電荷を安全に放電することができ、他方では第２エネルギー蓄積器が過度に放電され、そのせいで搭載電気系統にとって不利な、電気エネルギーの余計な損失の発生が防止されることが保証される。
本発明の別の態様によれば、制御装置から搭載電気系統への電気接続を形成するために第１、第２および第３の電気端子を有する、搭載電気系統内の電流の流れを制御する制御装置が提供される。第１端子と第２端子の間には、可制御の第１スイッチが有り、閉スイッチ状態では、第１端子を第２端子に電気的に接続する。第１端子と第３端子の間には、可制御の第２スイッチが有り、閉スイッチ状態では、第１端子を第３端子に電気的に接続する。
さらに、制御装置は監視デバイスと制御デバイスを有する。監視デバイスは、制御装置の第３端子と第２端子の間に印加される電圧の値を測定し、測定された現在電圧値を予め決められた電圧閾値と比較し、比較結果をこの結果に相応する信号レベルを有する信号の形態で制御装置に送信する。このように２つの電圧値を比較するので、監視デバイスは比較デバイスとも呼びうる。制御デバイスは、この信号ないし監視デバイスの比較結果に依存して、第１および第２スイッチを閉じるか、閉スイッチ状態に保持する。２つのスイッチを閉じることにより制御装置は第３端子と第２端子とを相互に電気的に接続し、そうすることによってこれら２つの閉じたスイッチを経由して電流を第３端子から第２端子へと導く。
有利な実施形態では、監視デバイスは、例えば温度のような少なくとも１つの環境影響に依存して、電圧値と比較される電圧閾値を決定する。
別の有利な実施形態では、制御デバイスは所定の期間第１および第２スイッチを閉スイッチ状態に保持する。なお、制御デバイスは、電圧閾値と比較される測定された現在電圧値に依存して、前記所定の期間を決定する。
本発明の別の態様によれば、上記搭載電気系統または上記制御装置を備えた車両、特にハイブリッド車が提供される。
上記搭載電気系統の有利な実施形態は、上記装置ないし上記車両に転用できる限りにおいて、上記装置ないし上記車両の有利な実施形態とも見なすことができる。
以下に、図面を参照しながら本発明を実施例に基づいて詳しく説明する。実施例として、ハイブリッド車の搭載電気系統を用いる。
車両ＦＺの、特にハイブリッド車の搭載電気系統ＢＮは、図によれば、第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１および第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２、ならびにこれら２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２の間に接続されている制御装置ＳＴを有している。この実施例の搭載電気系統ＢＮでは、エネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２は互いに非絶縁である。エネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２が互いに絶縁された代替的な実施形態も可能である。
第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１は、発電機Ｇ、搭載電気系統ＢＮの第１エネルギー蓄積器ＥＳ１、および例えばランプや内燃機関のスタータのような一群の電流負荷を含んでいる。なお、これらの電流負荷はまとめて系統負荷Ｌとも呼ばれる。
発電機Ｇは整流回路ＤＧに直列接続された３相電動機として形成されており、車両ＦＺの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換器として、また同時に系統負荷Ｌに電流を供給する第１エネルギー源としても機能する。
第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は１つまたは複数の直列接続された再充電可能なバッテリセルを含んでおり、系統負荷Ｌに電流を供給する第２エネルギー源として機能する。第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は発電機Ｇからの電流で充電される、すなわち、発電機Ｇによって変換された電気エネルギーを蓄積する。
第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２は搭載電気系統ＢＮの別の、すなわち第２のエネルギー蓄積器ＥＳ２を含んでいる。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は電気二層キャパシタとして形成されており、系統負荷Ｌに電流を供給する第３エネルギー源として機能する。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの電流で充電される。
２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２は異なる系統電圧Ｖｓｙｓ１、Ｖｓｙｓ２を有している。ただし、第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１の系統電圧Ｖｓｙｓ１は第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２の系統電圧Ｖｓｙｓ２よりも高い。
系統負荷Ｌが発電機Ｇと第１エネルギー蓄積器ＥＳ１とから電流を供給される欠陥のない動作状態では、第１エネルギー系統Ｅｓｙｓ１の第１系統電圧Ｖｓｙｓ１は第１エネルギー蓄積器ＥＳ１の充電電圧Ｖｅｓ１と同じである。第２系統電圧Ｖｓｙｓ２は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧Ｖｅｓ２に等しい。
各エネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２における電流の流れ、およびこれら２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２の間の電流の流れの制御は制御装置ＳＴによって行われる。このために、制御装置ＳＴは、制御装置ＳＴから搭載電気系統ＢＮないし２つのエネルギー系統Ｅｓｙｓ１、Ｅｓｙｓ２への電気接続の形成に用いられる４つの電気端子Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４を有している。
第１電気端子Ｋ１を介して、制御装置ＳＴは第１エネルギー蓄積器ＥＳ１のマイナス極に電気的に接続されている。
第２電気端子Ｋ２を介して、制御装置ＳＴは発電機Ｇの整流器ＤＧのマイナス極、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のマイナス極、系統負荷Ｌ、およびアースＭＳに電気的に接続されている。
第３電気端子Ｋ１を介して、制御装置ＳＴは第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極に電気的に接続されている。それゆえ、第３端子Ｋ３と第２端子Ｋ２の間には、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極とマイナス極の間の電圧、すなわち第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧Ｖｅｓ２が印加される。
第４電気端子Ｋ４を介して、制御装置ＳＴは発電機Ｇの整流器ＤＧのプラス極、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１のプラス極、および系統負荷Ｌに電気的に接続されている。
制御装置ＳＴはさらに可制御の第１および第２スイッチＳ１、Ｓ２、２つのスイッチＳ１およびＳ２を制御する制御デバイスＳＥ、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧Ｖｅｓ２を監視する監視デバイスＵＥ、および第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの電流で充電する再充電デバイスＮＬを含んでいる。
２つのスイッチＳ１およびＳ２はそれぞれゲート端子ないし制御端子ＧＳ１、ＧＳ２を介して制御可能なノーマリーオフＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチとして形成されている。各制御端子ＧＳ１、ＧＳ２に電圧値５Ｖのゲート電圧ないし制御電圧Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２が印加されると、これら２つのスイッチＳ１、Ｓ２は導通し、すなわち「閉じた」スイッチ状態に移行し、制御電圧Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２が消えると、または例えば５Ｖ未満の不十分な電圧値の制御電圧Ｖｇｓ１、Ｖｇｓ２が印加されると、これら２つのスイッチＳ１、Ｓ２は阻止状態、すなわち「開いた」スイッチ状態に移行する。
第１スイッチは第１端子Ｋ１と第２端子Ｋ２の間に配置されており、閉スイッチ状態において第１端子Ｋ１と第２端子Ｋ２を相互に電気的に接続する。そのため、閉スイッチ状態の第１スイッチＳ１は、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から系統負荷Ｌへの閉じた第１電流回路を形成するので、系統負荷Ｌには第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から電流が供給される。開スイッチ状態では、第１スイッチＳ１は第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から系統負荷Ｌへの電気接続を遮断するので、閉じた第１電流回路が開かれる。
第２スイッチは第１端子Ｋ１と第３端子Ｋ３の間に配置されており、閉スイッチ状態において第１端子Ｋ１と第３端子Ｋ３を相互に電気的に接続する。それゆえ、第２スイッチＳ２が閉スイッチ状態にあると同時に第１スイッチＳ１が開いている状態では、第２スイッチＳ２は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を第１エネルギー蓄積器ＥＳ１と系統負荷Ｌとに電気的に接続するので、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を経て系統負荷Ｌまでの閉じた第２電流回路が形成される。開スイッチ状態では、第１スイッチＳ１は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２から系統負荷Ｌへの電気接続を遮断するので、閉じた第２電流回路が開かれる。
２つのスイッチＳ１、Ｓ２の制御は制御デバイスＳＥを介して行われる。制御デバイスＳＥは１つの信号入力側Ｋ２１と２つの信号出力側Ｋ２２、Ｋ２３を有している。信号入力側Ｋ２１を介して制御デバイスＳＥは監視デバイスＵＥと電気的に接続されている。制御デバイスＳＥは、第１信号出力側Ｋ２２を介してまたは第１信号出力側Ｋ２２における第１出力信号Ｓ１１１によって第１スイッチＳ１を制御し、第２信号出力側Ｋ２３を介してまたは第２信号出力側Ｋ２３における第２出力信号Ｓ１１２によって第２スイッチＳ２を制御する。
監視デバイスＵＥは２つの信号入力側Ｋ１１、Ｋ１２と１つの信号出力側Ｋ１３を有している。監視デバイスＵＥは第１信号入力側Ｋ１１を介して制御装置ＳＴの第３端子Ｋ３と、したがって第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極とも電気的に接続されている。監視デバイスＵＥは第２信号入力側Ｋ１２を介して制御装置ＳＴの第２端子Ｋ２と、したがって第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のマイナス極およびアースＭＳとも電気的に接続されている。監視デバイスＵＥは信号出力側Ｋ１３を介して制御デバイスＳＥの信号入力側Ｋ２１と電気的に接続されている。
監視デバイスは２つの信号入力側Ｋ１１、Ｋ１２の間に電圧測定ユニットＳＭを有しており、この電圧測定ユニットＳＭにより、２つの信号入力側Ｋ１１およびＫ１２の間の電位差が、すなわち第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧値が測定される。監視デバイスＵＥはさらに電圧測定ユニットＳＭと信号出力側Ｋ１３との間にコンパレータユニットＫＰを有している。コンパレータユニットＫＰはプラスの非反転入力側を介して電圧測定ユニットＳＭと電気的に接続されている。コンパレータユニットＫＰのマイナスの反転入力側には電圧閾値ＴＨが印加される。コンパレータユニットＫＰはプラス入力側に印加された現在の測定された充電電圧値Ｖｅｓ２をマイナス入力側に印加された電圧閾値ＴＨと比較し、比較結果に依存して、比較結果に相応する信号レベルを有する信号Ｓ１０１を信号出力側Ｋ１３を介して出力する。
再充電デバイスＮＬは制御装置ＳＴの第４端子Ｋ４と第３端子Ｋ３との間に配置されており、図には詳しく示されていないＤＣ／ＤＣ変換器を含んでいる。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２はこの再充電デバイスＮＬを介して発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの充電で充電される。
以上で実施例の搭載電気系統ＢＮの図示されている構成要素とその機能とを説明したので、以下では搭載電気系統ＢＮないし搭載電気系統ＢＮの制御装置ＳＴの動作を詳しく説明する。
搭載電気系統ＢＮは、系統負荷Ｌの大きさに依存して、つまり搭載電気系統ＢＮに接続されている電流負荷による電流需要の大きさに依存して、３つの異なる動作状態において動作する。以下に、これら３つの動作状態とこれら３つの動作状態の間の切換を説明する。
第１動作状態では、搭載電気系統ＢＮにおいて系統負荷Ｌは発電機Ｇと第１エネルギー蓄積器ＥＳ１とから電流を供給される。この動作状態において、第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は発電機Ｇと共に搭載電気系統ＢＮ内の安定した動作電圧を維持する。第１スイッチＳ１は制御デバイスＳＥによって制御され、開スイッチ状態に保たれる。第２スイッチＳ２は制御デバイスＳＥによって制御され、開スイッチ状態に保たれる。
第２動作状態では、例えば車両ＦＺの内燃機関のスタータのような１つまたは複数の高出力の電流負荷が接続されることにより、搭載電気系統ＢＮにおける電流需要が短期間に急激に増大する第３動作状態では、発電機Ｇと第１エネルギー蓄積器ＥＳ１は系統負荷の急激に増大した電流需要にもはや単独では対処できない。その結果、搭載電気系統ＢＮ内の安定した電圧をもはや維持できず、すべての電流負荷が申し分なく機能するのに必要な最小の動作電圧を下回る電圧降下のおそれがある。この場合、第２エネルギー系統Ｅｓｙｓ２ないし第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が搭載電気系統ＢＮに接続される。第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の搭載電気系統ＢＮへの接続は、制御デバイスＳＥが２つのスイッチＳ１、Ｓ２を同時に切り換えることによって行われる。制御デバイスＳＥは、第１スイッチＳ１を開き、それと同時に第２スイッチＳ２を閉じることにより、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を第１エネルギー蓄積器ＥＳ１および系統負荷Ｌに接続し、そうすることで第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を経由して系統負荷Ｌへと閉じた第２電流回路を形成する。それゆえ、系統負荷Ｌは発電機Ｇと２つのエネルギー蓄積器ＥＳ１、ＥＳ２とにから電流を供給される。
第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が搭載電気系統ＢＮに接続されていない第１動作状態では、搭載電気系統ＢＮは必要ならば発電機Ｇまたは第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から電流を供給される。その際、再充電デバイスＮＬが充電プロセスを監視および制御する。
しかし、再充電デバイスＮＬに、または第４端子Ｋ４と第３端子Ｋ３との間の電気接続に、したがって発電機Ｇないし第１エネルギー蓄積器ＥＳ１と第２エネルギー蓄積器ＥＳ２との間の電気接続の間にシステムエラーが生じると、制御されない電流の流れが、すなわち発電機Ｇおよび／または第１エネルギー蓄積器ＥＳ１からの制御不能な電流の流れＩｌｓが第４端子Ｋ４と第３端子Ｋ３との間の電気接続に、さらには第２エネルギー蓄積器ＥＳ２にまで発生する。その結果、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が充電され、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２における充電電圧値Ｖｅｓ２が、許容される最大充電電圧を超えて第１エネルギー蓄積器ＥＳ１における電圧ポテンシャルＶｅｓ１まで制御不能に上昇する。これは第２エネルギー蓄積器の過充電につながり、結果として第２エネルギー蓄積器の故障をもたらす。
このようなエラーのある系統状態において第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の過充電を防ぎ、以て第２エネルギー蓄積器ＥＳ２を故障から守るために、監視デバイスＵＥの電圧測定ユニットＳＭは所定の時間間隔で端子Ｋ３、Ｋ２を介して第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧値Ｖｅｓ２を測定する。
測定された充電電圧値Ｖｅｓ２は電圧測定ユニットＳＭからコンパレータユニットＫＰに送られる。すると、コンパレータＫＰは充電電圧値Ｖｅｓ２を制御装置ＳＴの、この図には詳しく示されていないメモリユニットに記憶されている所定の電圧閾値ＴＨと比較し、比較結果に相応する信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１の形態で比較結果を制御デバイスＳＥへ出力する。
充電電圧値Ｖｅｓ２が電圧閾値ＴＨ以下ならば、出力信号Ｓ１０１は論理０の信号レベルを有する。充電電圧値Ｖｅｓ２が電圧閾値ＴＨを超えていれば、出力信号Ｓ１０１は論理１の信号レベルを有する。
監視デバイスＵＥの出力信号Ｓ１０１は信号入力側Ｋ２１を介して制御デバイスＳＥにより受信される。制御デバイスは、この出力信号Ｓ１０１の信号レベルに依存して、２つの出力信号Ｓ１１１およびＳ１１２を介して２つのスイッチＳ１およびＳ２を制御する。
論理０の信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１を受け取った場合、制御デバイスＳＥは搭載電気系統ＢＮの現在の動作状態に依存して、つまり搭載電気系統ＢＮにおける電流需要がどのくらい大きいかに依存して、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を制御する。
論理１の信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１を受け取った場合には、制御デバイスＳＥは搭載電気系統ＢＮの現在の動作状態とは関係なく、つまりこの現在の動作状態において２つのスイッチＳ１、Ｓ２がどのようなスイッチ状態をとるべきかに関係なく、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を閉じる。このために、制御デバイスＳＥは２つの出力信号Ｓ１１１、Ｓ１１２の信号レベルを論理１にセットして、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を閉じる。搭載電気系統ＢＮが第２動作状態にあり、第１出力信号Ｓ１１１が既に論理１の信号レベルを有している場合には、制御デバイスＳＥは、第１出力信号Ｓ１１１の信号レベルはそのままにし、第２出力信号Ｓ１１２だけを論理１の信号レベルにセットする。これにより、制御デバイスＳＥは、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の過充電状態が認識される前に既に閉スイッチ状態にあった一方のスイッチＳ１を閉スイッチ状態に保持すると共に、他方のスイッチＳ２を閉じる。
結果として、端子Ｋ３、Ｋ１およびＫ２が互いに電気的に短絡し、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のプラス極からアースＭＳへの閉じた第３電流回路が形成される。したがって、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２はこの閉じた第３電流回路を介して放電される。有利には、この放電は端子３１とも標示されるアースＭＳを介して、例えば詳しく図示されていない車体を介して行われる。その際、過剰な電界が第２エネルギー蓄積器ＥＳ２からこの閉じた第３電流回路を介してアースＭＳへと排出される。
端子Ｋ４から端子Ｋ３ないし第２エネルギー蓄積器ＥＳ２への充電電流Ｉｌｓは、この電気接続を介して、第３端子Ｋ３から第１および第２端子Ｋ１、Ｋ２を経由してアースＭＳへと排出される。
これにより、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は２つの点で過充電から保護される。１つには、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２における過剰な電荷が第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の制御された放電により排出され、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の過充電が無害化される。他方では、電気接続におけるシステムエラーのせいで発電機Ｇないし第１エネルギー蓄積器ＥＳ１から第２エネルギー蓄積器ＥＳ２へと制御されずに流れる電流Ｉｌｓが排出され、同様に無害化される。
充電電圧値Ｖｅｓ２が電圧閾値ＴＨを再び下回るとすぐに、または放電電流が所定の電流閾値を下回るとすぐに、または所定の期間が経過するとすぐに、監視デバイスＵＥは出力信号Ｓ１０１の信号レベルを論理１から再び論理０にセットする。
論理０の信号レベルを有する出力信号Ｓ１０１を受け取った場合、制御デバイスＳＥは搭載電気系統ＢＮの現在の動作状態に依存して、つまり搭載電気系統ＢＮにおける電流需要が現在どのくらい大きいかに依存して、２つのスイッチＳ１、Ｓ２を制御する。
第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の電圧値変化は第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の充電容量の変化をもたらすので、代替的な実施形態では、監視デバイスＵＥは第２エネルギー蓄積器ＥＳ２において充電電圧値Ｖｅｓ２の他に例えば温度のような別のパラメータも測定する。そして、監視デバイスＵＥは、充電電圧値Ｖｅｓ２と測定された現在のパラメータ値とに基づいて、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２が満充電されているか、または過充電となるおそれがあるかを識別する。
監視デバイスＵＥは、充電電圧値Ｖｅｓ２および別のパラメータ値から得たこれらの情報に基づいて、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２の放電に必要な時間Ｔを計算し、この時間Ｔの間、出力信号Ｓ１０１を論理１の信号レベルにセットする。その結果、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２は、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２から過剰な電荷を除去するために必要な時間Ｔの間だけ放電する。
代替的に、過電圧保護付き電圧制限回路または安全ヒューズ付きもしくは安全ヒューズ無しのサイリスタ回路を２つのエネルギー系統の間に配置して、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２のこのような過充電の発生を始めから回避してもよい。これらの回路は、第２エネルギー蓄積器ＥＳ２において所定の充電電圧値が達成されると、発電機ないし第１エネルギー系統から第２エネルギー系統への電流の流れを止め、第２エネルギー蓄積器の過充電を防ぐ。
Claims (7)
- 車両（ＦＺ）用の搭載電気系統（ＢＮ）であって、
−少なくとも１つの電流負荷を有する系統負荷（Ｌ）と、
−前記系統負荷（Ｌ）に電流を供給する第１エネルギー蓄積器（ＥＳ１）と、
−前記系統負荷（Ｌ）に電流を供給する再充電可能な第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）と、
−閉スイッチ状態において前記第１エネルギー蓄積器（ＥＳ１）から前記系統負荷（Ｌ）への閉じた第１電流回路を形成する可制御の第１スイッチ（Ｓ１）と、
−閉スイッチ状態において前記第１エネルギー蓄積器（ＥＳ１）から前記第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）を経由して前記系統負荷（Ｌ）への閉じた第２電流回路を形成する可制御の第２スイッチ（Ｓ２）と、
−前記第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）における電圧値（Ｖｅｓ２）を測定し、測定された現在電圧値（Ｖｅｓ２）を所定の電圧閾値（ＴＨ）と比較する監視デバイス（ＵＥ）と、
−前記第１スイッチ（Ｓ１）と前記第２スイッチ（Ｓ２）を閉じることにより前記第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）からアース（ＭＳ）への閉じた第３電流回路を形成し、前記測定された現在電圧値（Ｖｅｓ２）が前記電圧閾値（ＴＨ）を超えている場合に、前記第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）を放電する制御デバイス（ＳＥ）と
を有していることを特徴とする、車両（ＦＺ）用の搭載電気系統（ＢＮ）。 - さらに、前記第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）を前記第１エネルギー蓄積器（ＥＳ１）からの充電電流（Ｉｌｓ）で充電する再充電デバイス（ＮＬ）を有している、請求項１記載の搭載電気系統（ＢＮ）。
- 前記制御デバイス（ＳＥ）はさらに、前記測定された現在電圧値（Ｖｅｓ２）が前記電圧閾値（ＴＨ）を超えていた場合、閉じた前記第１スイッチ（ＳＷ１）と閉じた前記第２スイッチ（ＳＷ２）とを介して前記アース（ＭＳ）へと前記充電電流（Ｉｌｓ）を排出するように構成されている、請求項１または２記載の搭載電気系統（ＢＮ）。
- 前記監視デバイス（ＵＥ）は前記第２エネルギー蓄積器（ＥＳ２）の充電容量に関係する少なくとも１つのパラメータに依存して前記電圧閾値（ＴＨ）を決定する、請求項１から３のいずれか１項記載の搭載電気系統（ＢＮ）。
- 前記制御デバイス（ＳＥ）は所定の期間（Ｔ）の間前記第１スイッチ（Ｓ１）と前記第２スイッチ（Ｓ２）を閉スイッチ状態に保持し、前記制御デバイス（ＳＥ）は前記期間（Ｔ）を前記電圧閾値（ＴＨ）と比較した前記測定された現在電圧値（Ｖｅｓ２）に依存して決定する、請求項１から４のいずれか１項記載の搭載電気系統（ＢＮ）。
- 搭載電気系統（ＢＮ）内の電流の流れを制御する制御装置（ＳＴ）であって、
−該制御装置（ＳＴ）から前記搭載電気系統（ＢＮ）への電気接続を形成する第１端子（Ｋ１）、第２端子（Ｋ２）、第３端子（Ｋ３）と、
−前記第１端子（Ｋ１）と前記第２端子（Ｋ２）との間に配置されており、閉スイッチ状態において前記第１端子（Ｋ１）を前記第２端子（Ｋ２）に電気的に接続する可制御の第１スイッチ（Ｓ１）と、
−前記第１端子（Ｋ１）と前記第３端子（Ｋ３）との間に配置されており、閉スイッチ状態において前記第１端子（Ｋ１）を前記第３端子（Ｋ３）に電気的に接続する可制御の第２スイッチ（Ｓ２）と、
−前記第３端子（Ｋ３）と前記第２端子（Ｋ２）との間の電圧値（Ｖｅｓ）を測定し、測定された現在電圧値（Ｖｅｓ２）を所定の電圧閾値（ＴＨ）と比較する監視デバイス（ＵＥ）と、
−前記測定された現在電圧値（Ｖｅｓ２）が前記電圧閾値（ＴＨ）を超えていた場合に、前記第１スイッチ（Ｓ１）と前記第２スイッチ（Ｓ２）を閉じる、または閉スイッチ状態に保持する制御デバイス（ＳＥ）と
を有することを特徴とする、搭載電気系統（ＢＮ）内の電流の流れを制御する制御装置（ＳＴ）。 - 請求項１から５のいずれか１項記載の搭載電気系統（ＢＮ）を備えた車両（ＦＺ）。
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