JP2013518548A - 高電力消費機器を備えたマイクロハイブリッド車のためのバッテリシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関を備えた車両のためのバッテリシステムであって、バッテリシステムは少なくとも、始動系電気回路と、低圧・オンボード電力系統と、電圧がより高い電力系統と、を有するバッテリシステムに関する。始動系電気回路は、始動用電池（１０）と、始動用電池（１０）と接続され又は接続可能であり、始動信号に応じて内燃機関を始動させるよう構成された始動機（１１）と、を有する。低圧・オンボード電力系統は、第１の電圧を形成し低圧・オンボード電力系統へと出力するよう構成されたオンボード電池（１５）と、少なくとも１つの電力消費機器（１４−２）と、を有する。電圧がより高いオンボード電力系統は、内燃機関により駆動可能でありかつ第１の電圧よりも高い第２の電圧を形成し電圧がより高いオンボード電力系統へと出力するよう構成された少なくとも１つの発電機（１３−２）を有する。電圧がより高いオンボード電力系統は、当該電圧がより高いオンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り低圧・オンボード電力系統へと供給するよう構成された第１の結合ユニット（１６）を介して、低圧・オンボード電力系統と接続される。低圧・オンボード電力系統は、当該低圧・オンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り始動系電気回路に供給するよう構成された第２の結合ユニット（１７）を介して、始動系電気回路と接続される。本発明の主題は更に、対応するバッテリシステムを備えた車両である。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の様々な形態の電力消費機器に均一な作動電圧を供給する、車両のためのバッテリシステムから出発する。本発明の主題はさらに、対応するバッテリシステムを備えた車両である。

内燃機関を備えた車両内には、内燃機関のための電気始動機又はスタータ（Ｓｔａｒｔｅｒ）、及び、車両の更なる別の電力消費機器に電力を供給するための、標準的に１４Ｖにより駆動される所謂オンボード電力系統（Ｂｏｒｄｎｅｔｚ）が設けられる（図１参照）。内燃機関（図示せず）の始動の際には、（図１の例では、対応する始動信号によりスイッチ１２が閉鎖された場合に、）電力供給のために設けられたスタータ電池１０の充電状態に従った電圧が、オンボード電力系統を介してスタータ１１に提供され、スタータ１１は内燃機関を始動させる。内燃機関が始動されると、内燃機関は発電機１３−１（「ダイナモ」）を駆動し、発電機１３−１は、約１４Ｖの電圧を形成し、オンボード電力系統を介して車両内の様々な電力消費機器１４−１に供給する。その際に、発電機１３−１はさらに、始動工程により負荷が掛かったスタータ電池１０も再び充電する。

所謂マイクロハイブリット車が近い将来に更に普及することが予期される。このクラスの車両は、「純粋な」ハイブリット車と比べて、駆動のために内燃機関のみを有している。しかしながら、例えばブレーキを掛ける際に運動エネルギーを回収する（回復、Ｒｅｋｕｐｅｒａｔｉｏｎ）装置が設けられるが、このように電気の形態により回収されるエネルギーは、駆動のためではなく、特に、自動発停装置（Ｓｔａｒｔ−Ｓｔｏｐｐ−Ａｕｔｏｍａｔｉｋ）及びその他の電気サブシステムのために利用され、従って、内燃機関により駆動される発電機は可能な限りまれにしか使用される必要がなく、これにより、内燃機関の負荷及び内燃機関の燃料消費量が低減される。

但し、今日、既に大量生産されているマイクロハイブリット車は、通常利用される鉛酸電池の寿命に関して重大な問題を抱えている。なぜならば、マイクロハイブリット車には、従来の車両に比べて、著しい付加的な電荷流量（Ｌａｄｕｎｇｓｄｕｒｃｈｓａｔｚ）が掛かるからである。その理由は、電力消費機器が、内燃機関が停止される停止段階の間、電池から電力供給される必要があることである。他方では、このようにより高速に放電する電池は、比較的短い反復ステップの間に再び充填され、このことがまた電池の負荷となる。このことは、マイクロハイブリッド車内の電池の一部の寿命が２年間を下回ることに繋がる。多くの場合に必要な電池交換によって、車両の信頼性に問題が発生し、顧客の感情を害することになる。

近代的な装備を有する車両の更なる別の問題は、１４Ｖで駆動されるオンボード電力系統の場合、例えば空調用電動コンプレッサ又は電気暖房システムのような、高電力消費型の電力消費機器の電力供給に問題があることである。なぜならば、高電力消費機器には、比較的低い電圧のために、必要なパフォーマンスを提供しうるために非常に大きな電力を供給する必要があるからである。

発明の第１の観点は、内燃機関を備えた車両のためのバッテリシステムであって、バッテリシステムは、少なくとも１つの始動系電気回路と、低圧・オンボード電力系統と、電圧がより高いオンボード電力系統と、を有するバッテリシステムを導入する。始動系電気回路は、始動用電池と、始動用電池と接続され又は接続可能であり、始動信号に応じて内燃機関を始動させるよう構成された始動機と、を有する。低圧・オンボード電力系統は、第１の電圧を形成し低圧・オンボード電力系統へと出力するよう構成されたオンボード電池と、少なくとも１つの電力消費機器と、を有する。電圧がより高いオンボード電力系統は、内燃機関により駆動可能でありかつ第１の電圧よりも高い第２の電圧を形成し電圧がより高いオンボード電力系統へと出力するよう構成された少なくとも１つの発電機を有する。電圧がより高いオンボード電力系統は、当該電圧がより高いオンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り低圧・オンボード電力系統へと供給するよう構成された第１の結合ユニットを介して、低圧・オンボード電力系統と接続される。低圧・オンボード電力系統は、当該低圧・オンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り始動系電気回路に供給するよう構成された第２の結合ユニットを介して、始動系電気回路と接続される。

本発明にかかるオンボード電力系統又はバッテリシステムは、使用される電池の寿命がより長く、高電力消費機器の電力供給により良好に適している。

本発明は、低圧・オンボード電力系統により、引き続き、低い（第１の）電圧に定められた電力消費機器が駆動されうるという利点を有する。しかしながら高電力消費機器のためには、より高い第２の電圧に基づき、より少ない電流を高電力消費機器に供給することが可能な、電圧がより高いオンボード電力系統が提供される。さらに、始動系電気回路は、低圧・オンボード電力系統とは分かれており、始動系電気回路と、低圧・オンボード電力系統と、はそれぞれ独自の電池を有し、すなわち、一方は始動用電池を有し、他方はオンボード電池を有する。これによって低圧・オンボード電力系統が安定化され、マイクロハイブリッド車の自動発停装置のために頻繁に起こる始動工程の影響を受けなくなる。従って特に、始動時に低圧・オンボード電力系統の電圧が落ちず、又は少なくとも明らかにより小さく落ち、低圧・オンボード電力系統内で駆動される電力消費機器の、エラーのない信頼性の高い機能が保障される。

発電機は、本発明によれば、電圧がより高いオンボード電力系統内に配置され、内燃機関の始動が行われた後に、電圧がより高いオンボード電力系統に電気的エネルギーを供給し、この電気的エネルギーは少なくとも部分的に、低圧・オンボード電力系統にも始動用電池の充電のために供給されうる。ここで、電圧がより高いオンボード電力系統内に発電機を配置することには、電力消費量が最も大きい消費機器も配置される電圧がより高い電力系統内で電気的エネルギーが生成されるという利点がある。電気的エネルギーの僅かな量のみを、結合ユニットを介して低圧・オンボード電力系統に供給すればよく、構成全体の効率が改善されることになる。始動系電気回路自身は、特別な電池（始動用電池）を有し、この特別な電池は、邪魔になる中間コンポーネント無しに、始動のために必要な大きさの電流を始動機に供給することが可能である。

始動用電池及び／又はオンボード電池がリチウムイオン電池であるバッテリシステムは、特に有利である。リチウムイオン電池は、所与の容量の、例えば鉛酸電池よりも大きいエネルギー量を蓄えることが可能である。その際に、特に好適に、第２の結合ユニットは、内燃機関の始動が行われた後に、低圧・オンボード電力系統からの電気的エネルギーを、始動系電気回路に供給し、このようにして始動系電気回路のための充電器として機能する。始動用電池は、本発明のこの好適な本実施形態では、特別なやり方で充電される必要がある。なぜならば、始動用電池は、リチウムイオン電池として実現されるため過電圧に対して弱いからである。リチウムイオン電池の更なる利点は、リチウムイオン電池が、非常に大きな数の充電サイクルに耐える（ｖｅｒｋｒａｆｔｅｎ）ことが出来、従って、マイクロハイブリッド車の信頼性を高めることが出来ることである。

電圧がより高いオンボード電力系統は、少なくとも１つの高電力消費機器、例えば、空調用電動コンプレッサ、電気暖房システム、又は、電動機を有しうる。低圧・オンボード電力系統の少なくとも１つの電力消費機器は、例えば、ステレオ、ナビゲーション機器、又は、パワーウィンドウであってもよい。

本発明の好適な実施形態においてダイオードが設けられ、ダイオードの陽極は低圧・オンボード電力系統と接続され、ダイオードの陰極は始動系電気回路と接続される。内燃機関の始動時の高い負荷により、始動系電気回路内の電圧が落ちる場合には、ダイオードが自動的に電気を伝導し始め、ダイオードがオンボード電池を始動系電気回路と並列に接続することで、始動系電気回路の電圧が安定化される。ダイオードは、第２の結合ユニットよりも著しく大きな電流を案内しうるので、第２の結合ユニットでは、始動系電気回路内の電圧を、所望のようには安定させられないであろう。

好適に、より電圧がより高いオンボード電力系統はバッファコンデンサを有し、このバッファコンデンサは、電圧がより高いオンボード電力系統内で、発電機により形成された第２の電圧を平滑にする。

好適に、第１の結合ユニット及び／又は第２の結合ユニットは、ＤＣ／ＤＣ変換器である。

第１の電圧は１０Ｖ〜１５Ｖであってもよい。この電圧範囲は、車両構造内で利用可能な複数の電気システムとの互換性を保障する。この理由から、第１の電圧は、好適に始動系電気回路のためにも提供される。

第２の電圧は、好適に２４Ｖ〜４５Ｖである。この電圧範囲は、高い電圧により修理の場合に整備員に又は事故の場合に救助員若しくは車両乗員に危険が生じる程度にまで電圧を上げることなく、高電力消費機器に必要な電力を簡単に供給することを可能とする。第２の電圧の値が、第１の電圧の約２倍から３倍の値であることで、さらに、電圧がより高いオンボード電力系統と、低圧・オンボード電力系統と、の結合が容易に可能であり、第１の電圧への第２の電圧の変換が効率良く行われる。

本発明の第２の観点は、内燃機関と、本発明の第１の観点に基づくバッテリシステムと、を備えた車両に関する。車両は、好適にマイクロハイブリッド車として実現される。

以下、本発明が実施例の図面を用いてより詳細に解説される。その際に、同じ又は類似した符号は、同じ又は類似した構成要素を示す。
従来技術のバッテリシステムを示す。 本発明にかかるバッテリシステムの一実施例を示す。

図２は、本発明にかかるバッテリシステムの一実施例を示す。好適にリチウムイオン電池として実現される始動用電池１０は、始動系電気回路に、好適に１０Ｖ〜１５Ｖの電圧を供給し、その際、厳密な電圧は、始動用電池１０の充電状態に依存する。内燃機関（図示せず）を始動させるよう構成された始動機１１が、始動用電池１０と接続されている。始動機１１と直列にスイッチ１２が接続されており、このスイッチ１２は始動信号により制御される。スイッチ１２が閉じられた場合に、始動機１１が作動し、電流が始動用電池１０から始動機１１を通って流れる。始動用電池１０に更に負荷を掛けないために、好適に、更なる別の電力消費機器は、始動機１１と並列に設けられていない。始動系電気回路は、本例ではＤＣ／ＤＣ変換器として実現された結合ユニット１７を介して、低圧・オンボード電力系統と接続される。結合ユニット１７は、低圧・オンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り始動系電気回路に提供するよう構成され、これにより、始動用電池１０が再び充電される。任意に、ダイオード１８が設けられ、このダイオード１８は、始動系電気回路内の電圧が低圧・オンボード電力系統の電圧を下回った場合に、低圧・オンボード電力系統を始動系電気回路と接続する。

低圧・オンボード電力系統は、独自の電池、すなわち、好適にリチウムイオン電池として実現され、好適に１０Ｖ〜１５Ｖの電圧を形成するよう構成されたオンボード電池１５を有する。低圧・オンボード電力系統内には更に、１０Ｖ〜１５Ｖの電圧での駆動のために設計された少なくとも１つの電力消費機器１４−２が設けられる。このような電力消費機器の例は、ステレオ、ナビゲーション機器、パワーウィンドウ等でありうる。低圧・オンボード電力系統は、本例では同様にＤＣ／ＤＣ変換器として実現される更なる別の結合ユニット１６を介して、電圧がより高いオンボード電力系統と接続される。電圧がより高いオンボード電力系統は、発電機１３−２によって電力供給され、この発電機１３−２は、（始動された）内燃機関によって駆動され、かつ、好適に２４Ｖ〜４５Ｖの電圧を形成するよう構成される。更なる別の結合ユニット１６は、電圧がより高いオンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り低圧・オンボード電力系統に供給するよう構成され、これにより、オンボード電池１５が充電され、少なくとも１つの消費機器１４−２の駆動のために必要な電力が提供される。これに対して、電圧がより高いオンボード電力系統は、電力消費機器であって、比較的電力消費量が高いため、必要な電力を下げるために、本発明に基づき発電機１３−２により形成されたより高い電圧でより簡単に駆動される電力消費機器を含む。図２には、このような高電力消費機器１９が例示されている。これは例えば、空調用電動コンプレッサ又は電気暖房システムであってもよい。好適に、電圧がより高いオンボード電力系統は電圧平滑素子を備え、この電圧平滑素子は、発電機１３−２により形成された通常かなり波がある電圧を平滑にするという役目を有する。好適に、電圧平滑素子は、バッファコンデンサ２０として実現される。

当然のことながら、特に、第１の結合ユニット１６は、事情によっては第２の結合ユニット１７も、双方向の電荷移動のためにも構成されうる。本発明のこのような実現によって、個々の電池間又は個々のオンボード電力系統間で、必要に応じて電荷が移動されうる。

本発明は、内燃機関を備えた車両、好適にマイクロハイブリッド車のためのオンボード電力系統又はバッテリシステムであって、高電力消費機器の電力供給のためにより良好に適しており、従来技術の解決策よりもより高い信頼性を有する上記オンボード電力系統又はバッテリシステムを提供する。

Claims (10)

1. 内燃機関を備えた車両のためのバッテリシステムであって、
   前記バッテリシステムは少なくとも、
   始動用電池（１０）と、前記始動用電池（１０）と接続され又は接続可能であり、始動信号に応じて前記内燃機関を始動させるよう構成された始動機（１１）と、を備えた始動系電気回路と、
   第１の電圧を形成し低圧・オンボード電力系統へと出力するよう構成されたオンボード電池（１５）と、少なくとも１つの電力消費機器（１４−２）と、を備える前記低圧・オンボード電力系統と、
   少なくとも１つの発電機（１３−２）を備える電圧がより高いオンボード電力系統であって、前記少なくとも１つの発電機（１３−２）は、前記内燃機関により駆動可能であり、かつ、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧を形成し電圧がより高い前記オンボード電力系統へと出力するよう構成される、前記電圧がより高いオンボード電力系統と、
   を有し、
   前記電圧がより高いオンボード電力系統は、当該電圧がより高いオンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り前記低圧・オンボード電力系統へと供給するよう構成された第１の結合ユニット（１６）を介して、前記低圧・オンボード電力系統と接続され、
   前記低圧・オンボード電力系統は、当該低圧・オンボード電力系統から電気的エネルギーを受け取り前記始動系電気回路に供給するよう構成された第２の結合ユニット（１７）を介して、前記始動系電気回路と接続される、
   内燃機関を備えた車両のためのバッテリシステム。
2. 前記始動用電池（１０）及び／又は前記オンボード電池（１５）は、リチウムイオン電池として実現される、請求項１に記載のバッテリシステム。
3. 前記電圧がより高いオンボード電力系統は、少なくとも１つの高電力消費機器（１９）、例えば、空調用電動コンプレッサ、電気暖房システム、又は、電動機を有する、請求項１又は２のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
4. 前記低圧・オンボード電力系統の前記少なくとも１つの電力消費機器（１４−２）は、例えば、ステレオ、ナビゲーション機器、又は、パワーウィンドウである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
5. 前記バッテリシステムはダイオード（１８）を備え、前記ダイオード（１８）の陽極は、前記低圧・オンボード電力系統と接続され、前記ダイオード（１８）の陰極は、前記始動系電気回路と接続される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
6. 前記電圧がより高いオンボード電力系統は、バッファコンデンサ（２０）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
7. 前記第１の結合ユニット（１６）及び／又は前記第２の結合ユニット（１７）は、ＤＣ／ＤＣ変換器である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
8. 前記第１の電圧は、１０Ｖ〜１５Ｖである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
9. 前記第２の電圧は、２４Ｖ〜４５Ｖである、請求項１〜８のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
10. 内燃機関と、請求項１〜９のいずれか１項に記載のバッテリシステムと、を備えた車両、特にマイクロハイブリッド車。
    

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