JP2014518806A - 自動車搭載電気システム、及び、自動車搭載電気システムの駆動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は自動車搭載電気システム（１）に関する。第１の制御ユニットにより内燃機関に対するスタートストップ命令（Ｓ‐Ｓ‐Ｂ）を検出可能であるかもしくは算出可能であり、スタートストップ命令（Ｓ‐Ｓ‐Ｂ）が検出又は算出された場合、スイッチング素子（４）が第１の切り替え状態へ切り替えられ、スイッチング素子（４）に接続されているＤＣ／ＤＣ出力側の電圧が第２の制御ユニットの制御命令（Ｓ２）によって高められ、測定ユニットによりスイッチング素子（４）を介した電圧の大きさが検出及び評価され、この評価に基づいて第３の制御ユニットの制御命令（Ｓ３）によりスタートストップ命令が実行されるかもしくは実行されない。また、本発明は自動車搭載電気システム（１）の駆動方法にも関する。

Description

本発明は、自動車搭載電気システム、及び、自動車搭載電気システムの駆動方法に関する。

今日の自動車は、アイドリング時のＣＯ_２排出の問題のためにスタートストップ機能を備えるものが増えてきている。スタートストップ機能とは、例えば自動車が信号で停止される際に、燃料節約及びＣＯ_２排出を低減する目的で、機関を停止させるものである。さらなる走行に際しては機関がスタータを介して再始動される。スタータは機関を動かし始めるために８００Ａまでの電流を使うので、自動車バッテリの内部抵抗で６Ｖまでの電圧降下が生じる。よって、搭載電気システムで利用可能なクランプ電圧は、短時間で１２Ｖ−６Ｖ＝６Ｖへ低下する。信号でのスタートストップ動作のほか、走行中の自動車においても、不要時に機関（内燃機関）を停止できることが知られている（「アイドリングストップ」「スタートストップオンザムーブ」）。ただし、いずれの場合にも自動車の再始動は保証されなければならない。

独国出願第１０２００８０５４８８５号明細書から、自動車の搭載電気システムにおけるエネルギ供給を制御する装置が公知である。当該装置は負荷に接続可能であり、スタータに電気エネルギを供給するための第１のエネルギ蓄積器と、ジェネレータ電圧を形成するジェネレータと、制御可能な第１のスイッチング素子とを含む。第１のスイッチング素子は、第１のエネルギ蓄積器とジェネレータとの間に配置されており、自動車の駆動中、第１のエネルギ蓄積器からジェネレータへ向かう方向のみに電流を流れさせるように構成されている。このスイッチング素子は、導体のようにふるまう別の切り替え状態も有している。

有利には、制御可能なスイッチング素子は、電界効果トランジスタ、特にＭＯＳＦＥＴである。電界効果トランジスタは小さなゲート電圧及び最小の時間遅延で切り替えることができるので、制御可能なスイッチング素子を介して電流の流れを迅速に変更できるし、また、搭載電気システムにおける大きな電圧変動に迅速に対応できる。例えば、１つの電界効果トランジスタもしくは相互に並列接続された複数の電界効果トランジスタは、内部の１つ又は複数のダイオードの導通方向が第１のエネルギ蓄積器からジェネレータへ向かう方向に一致するように配置される。これにより、トランジスタが阻止されている場合、電流がジェネレータから第１のエネルギ蓄積器へは流れないことが保証される。他方で、トランジスタが阻止されている場合に、第１のエネルギ蓄積器から搭載電気システムへ流れる電流の一部が電界効果トランジスタの内部ダイオードを通って流れるように構成することもできる。

また、上述の装置は、負荷に電気エネルギを供給する第２のエネルギ蓄積器を備えている。第２のエネルギ蓄積器は、第１の制御可能なスイッチング素子が一方では第１のエネルギ蓄積器と第２のエネルギ蓄積器との間に、他方ではジェネレータと第２のエネルギ蓄積器との間に位置するように配置されている。さらに、自動車の駆動中、第１のエネルギ蓄積器を電圧ＵＥ１まで充電するように構成されたチャージ回路が設けられている。この電圧ＵＥ１は、第２のエネルギ蓄積器の電圧ＵＥ２と同じかこれより大きく、ジェネレータ電圧より小さい。有利には、第１のエネルギ蓄積器は２重層コンデンサとして構成され、第２のエネルギ蓄積器はバッテリとして構成される。第１のエネルギ蓄積器は、ウォームスタート時に電気エネルギをスタータへ供給し、及び／又は、負荷による電圧変動を緩和する。第２のエネルギ蓄積器は、コールドスタート時に電気エネルギをスタータへ供給する。

本発明の基礎とする技術的課題は、冒頭に言及した形式の自動車搭載電気システムにスタートストップ機能を設けること、及び、スタートストップ機能を有する自動車搭載電気システムの駆動方法を提供することである。

この技術的課題は、請求項１，６に記載された特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項から得られる。

ここで、自動車搭載電気システムは、内燃機関用のスタータと、第１の領域に配置された第１のエネルギ蓄積器と、ジェネレータと、第２の領域に配置された第２のエネルギ蓄積器と、第１の領域と第２の領域との間に配置された少なくとも２つの切り替え状態を有するスイッチング素子とを含む。第１の切り替え状態では、第１の領域から第２の領域へ向かう方向の電流の流れのみが可能となるか又は両方向での電流の流れが抑圧され、第２の切り替え状態では、第１の領域と第２の領域とが相互に導通するように接続される。ここで、スイッチング素子は対応する少なくとも１つの第１の制御ユニットの制御信号によって駆動可能であり、第２のエネルギ蓄積器はＤＣ／ＤＣ変換器を介してジェネレータに接続されている。

第１の制御ユニットにより、内燃機関に対するスタートストップ命令を検出可能であるかもしくは決定可能である。スタートストップ命令が検出もしくは決定された場合、スイッチング素子が第１の切り替え状態へ切り替えられ、又は、第１の切り替え状態への切り替えを促す制御命令が形成される。さらに、別の制御ユニット（場合により第２の制御ユニット）の制御命令により、スイッチング素子に接続されているＤＣ／ＤＣ出力側の電圧が高められ、測定ユニットによりスイッチング素子を介した電圧の大きさが検出されて評価され、この評価に基づいて、スタートストップ命令が、別の制御ユニット（場合により第３の制御ユニット）の制御命令によって実行されるかもしくは実行されない。

本発明によれば、内燃機関を再始動可能であること及び／又は他の電気システム（特に第２の領域の電気システム）への影響が小さいことが確実である場合にのみスタートストップ命令が実行されることを簡単な手段で保証できる。本発明ではスイッチング素子の第１の切り替え状態によってフィードバック作用が阻止される。つまり、高い始動電流のためにスタータバッテリで電圧不足が生じると、第２の切り替え状態において第２の領域でも電圧不足が生じるが、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側での電圧が高められることにより、次の２つの効果が達成されるのである。すなわち、
・一方では、スタータバッテリの平滑化作用が第１の切り替え状態で省略され、電圧の大きなリップルが発生する。ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側電圧を意図的に増大することにより、電圧不足が補償され、第２の領域が安定化される。
・他方では、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力側電圧がスタータバッテリの定格電圧よりも大きいことから、一時的な電圧増大によって、正常動作時にスイッチング素子を介した電圧差が必然的に低下する。

スイッチング素子を介した電圧の大きさに基づいて、一方では、スイッチング素子が第１の切り替え状態にあるか否かが検査され、他方では、スタータバッテリが内燃機関を再始動できる状態にあるか否かが検査される。内燃機関が再始動可能であることが保証されない場合、スタートストップ命令は実行されない。

有利な実施形態では、個々の制御ユニット又は全ての制御ユニット（第１，第２，第３の制御ユニット）が共通の制御ユニットに統合される。また、測定ユニットをいずれかの制御ユニット又は共通の制御ユニットに統合することもできる。この場合、スタートストップ命令は、自動車搭載電気システムの１つ乃至複数の制御ユニットによって形成される。又は、スタートストップ命令は、上位のエネルギ管理部もしくは機関制御装置によって形成されて制御ユニットへ伝送され、そこで検出される。

別の実施形態では、スイッチング素子は、パワー半導体スイッチもしくはパワーリレーもしくは並列接続されたダイオードを含むパワーリレーとして構成される。ここでのパワー半導体スイッチは、例えば、それぞれ少なくとも１つの内部ダイオードを含むＭＯＳＦＥＴもしくはＩＧＢＴとして構成される。ダイオードは、この場合、第１の切り替え状態において電流を整流する作用を有する。

別の実施形態では、測定ユニットにより、電圧及び／又は電圧勾配が検出及び評価される。ここで、定格電圧は、第１の切り替え状態が発生したか否かを表す尺度となる。なぜなら、電圧差が存在しないケースは導通接続（第２の切り替え状態）に相当するからである。電圧差が大きい場合には、スタータバッテリ内の遮断もしくはスタータバッテリへ通じる線路の遮断が推定される。また、電圧勾配の測定によれば、スタータバッテリの内部のセル短絡もしくは極端子の腐食を推定できる。電圧勾配はスタータバッテリでの電位の時間変化に関連するからである。

別の実施形態では、スタートストップ命令が実行されないことが、例えば表示ユニットで表示されることによって報知される。こうして、いったん停止された自動車が再始動不能であることが運転者に示される。

別の実施形態では、スタータバッテリの故障及びスタートストップ命令が実行されないことが検出された場合、スイッチング素子が第１の切り替え状態にとどめられる。

別の実施形態では、第２のエネルギ蓄積器の目標電圧もしくは定格電圧は、第１のエネルギ蓄積器（スタータバッテリ）の目標電圧もしくは定格電圧よりも大きい。

第１のエネルギ蓄積器は例えば鉛酸蓄電池もしくはリチウムイオンバッテリとして構成できる。第２のエネルギ蓄積器は例えば二重層コンデンサもしくはリチウムイオンセルとして構成できる。後者のほうが高いエネルギ密度を有するのでより有利である。

本発明を以下に有利な実施例に則して詳細に説明する。図１には自動車搭載電気システムの概略的なブロック図が示されている。

自動車搭載電気システムの概略的なブロック図である。

自動車搭載電気システム１は図示されていない内燃機関に対するスタータＳと第１のエネルギ蓄積器２（以下スタータバッテリ２とも称する）とを含む。スタータＳ及びスタータバッテリ２は自動車搭載電気システム１の第１の領域に配置されている。さらに、自動車搭載電気システム１はジェネレータＧと第２のエネルギ蓄積器３とを含み、これらは自動車搭載電気システム１の第２の領域に配置されている。

自動車搭載電気システム１の第１の領域と第２の領域との間には少なくとも２つの切り替え状態を含むスイッチング素子４が配置されており、第１の切り替え状態では第１の領域から第２の領域へ向かう方向にのみ電流が流れることができ、第２の切り替え状態では第１の領域と第２の領域とが相互に導通するように接続される。スイッチング素子４は、図ではスイッチ５及び並列接続されたダイオード６によって表されており、例えばＭＯＳＦＥＴとして構成される。このスイッチング素子４は、導通時には閉成されたスイッチ５のように機能し、阻止時には内部ダイオードに基づいてダイオード６のように機能する。

第２のエネルギ蓄積器３は、ＤＣ／ＤＣ変換器７を介して、ジェネレータＧ及びスイッチング素子４に接続されている。ここで、有利には、第２のエネルギ蓄積器３の定格電圧はスタータバッテリ２の定格電圧よりも大きい。したがって、ＤＣ／ＤＣ変換器７は、ジェネレータの方向では降圧変換器として動作し、第２のエネルギ蓄積器３の方向では昇圧変換器として動作する。また、自動車搭載電気システム１の第２の領域には電気負荷８が配置されており、これは例えば光源、制御装置、電気機械式操舵装置及び／又は電気機械式制動装置などであってよい。第２のエネルギ蓄積器３は、図示の実施例では、部分的に並列又は部分的に直列に接続された複数のセル３．１−３．６から成っており、これにより所望の容量のもとで定格電圧を実現することができる。さらに、自動車搭載電気システム１は、例えば搭載電気システム用制御装置内に組み込まれた制御ユニット９と、スタータバッテリ２とアースとの間に配置されたバッテリ管理モジュール１０とを含む。

通常動作時、内燃機関はまずスタータＳによって始動される。このとき、スイッチ５は図示のように開放されている。その後、内燃機関が動作して特にジェネレータＧを駆動し、自動車搭載電気システムの負荷８へ給電させる。なお、昇圧変換器として駆動されるＤＣ／ＤＣ変換器７を介して、第２のエネルギ蓄積器３が充電される。始動後には、閉成されるスイッチ５を介して、ジェネレータＧがスタータバッテリ２を充電する。

走行動作中にスタートストップ過程が実行される場合、いったん停止された内燃機関を再始動できることが保証されなければならない。制御ユニット９がスタートストップ命令Ｓ‐Ｓ‐Ｂを受信するかもしくは自身でスタートストップ命令を決定すると、第１のステップで制御信号Ｓ１によりスイッチ５が開放される。ついで、制御ユニット９の第２の制御命令Ｓ２により、ＤＣ／ＤＣ変換器７の出力側の電圧が高められる。その後、制御ユニット９はＫＬ３０端子の電位とＫＬ３０Ｚ端子の電位とを比較する。ＤＣ／ＤＣ変換器７の出力側電圧が高められているので、スイッチ５が開放されれば、ＫＬ３０端子の電位とＫＬ３０Ｚ端子の電位との電位差ΔＵが生じる。理想的にはこの電位差ΔＵはＤＣ／ＤＣ変換器７の出力側電圧の増大分に相当する。対して、電圧降下がゼロである場合、これは、例えば制御信号Ｓ１が阻害されたり、もしくは、スイッチング素子４が故障したりしたために、スイッチ５が閉成されたままであることを意味する。スイッチ５が閉成されている場合、自動車搭載電気システム１の第２の領域に影響を及ぼさずに内燃機関を始動させることは不可能となるので、制御ユニット９は例えば次のように応働する：
・スタートストップ命令を実行しないという制御信号Ｓ３が形成される。この場合、制御信号Ｓ３は有利には例えばエラーメッセージもしくは警報として相応に表示ユニットで報知される。
・制限された数のスタートストップ命令が実行される。つまり、制限されたスタートストップ動作のみが維持される。この場合には、スタートストップ命令Ｓ‐Ｓ‐Ｂはスタートストップ問い合わせ信号として解釈され、制御信号Ｓ３が本来のスタートストップ命令（イエスもしくはノー）を表す。

制御ユニット９での評価によって電位差の存在が識別されたとすると、ここでスイッチ５が開放される。続いて、制御ユニット９はさらに電位差の大きさを評価する。電位差の大きさがＤＣ／ＤＣ変換器７の出力側電圧の増大分よりも大きい場合、このことはＫＬ３０Ｚ端子の電位の欠落を表している。原因は例えばスタータバッテリ２内での遮断もしくはスタータバッテリ２へ通じる線路の遮断である。この場合、スタータバッテリ２は再始動を保証できない。よって、制御ユニット９はスタートストップ命令を実行しないという制御信号Ｓ３を形成する。この場合、有利には、スタータバッテリ２の故障の影響が自動車搭載電気システム１の第２の領域に及ばないよう、スイッチ５は開放状態にとどめられる。また、制御ユニット９はＫＬ３０Ｚ端子での電位の勾配時間特性も評価する。ＫＬ３０Ｚ端子の電位が短時間だけ欠落し、その後再びスタータバッテリ２の定格電圧まで上昇したことを制御ユニット９が検出した場合、このことは（スタータバッテリ２が個々のバッテリセルから成る構造での）スタータバッテリ２内での内部のセル短絡、又は、極端子の腐食を示唆している。この場合も同様に、スタートストップ命令は実行されないか又は制限された状態で実行され、スイッチ５は開放状態にとどめられる。

対して、スタータバッテリ２に故障が存在しないと評価された場合、つまり、ＫＬ３０端子の電位とＫＬ３０Ｚ端子の電位との電位差がΔＵ以下である場合、制御ユニット９はスタートストップ命令を実行せよという別の制御信号Ｓ３を形成し、内燃機関を停止させる。

バッテリ管理モジュール１０はスタータバッテリ２の充放電電流を検出する。ここからバッテリ管理モジュール１０は例えばスタータバッテリ２の内部抵抗及び／又はスタータバッテリ２の充電状態（ステートオブチャージＳＯＣ）もしくは経時劣化状態（ステートオブヘルスＳＯＨ）を求める。この場合、例えば内部抵抗の変化に基づいて内部のセル短絡又は類似のエラーを推定することができる。バッテリ管理モジュール１０は、スタータバッテリ２の個々のパラメータもしくは全てのパラメータを考慮した信号Ｓ４を制御ユニット９へ伝送する。この場合、制御ユニット９は、スタートストップ命令を実行すべきか否かを判断する際に当該信号Ｓ４の情報を考慮し、例えば、内部抵抗が所定の閾値より大きい場合にスタートストップ命令を実行しないようにする。

なお、ダイオード６の機能は本発明の方法にとって必須ではない。ただし、ダイオード６により、ＤＣ／ＤＣ変換器７及び／又は第２のエネルギ蓄積器３が故障した場合に負荷８への給電を保証することができる。

Claims (10)

1. 自動車搭載電気システム（１）であって、
   内燃機関用のスタータ（Ｓ）と、前記自動車搭載電源システム（１）の第１の領域に配置された第１のエネルギ蓄積器（２）と、ジェネレータ（Ｇ）と、前記自動車搭載電源システム（１）の第２の領域に配置された第２のエネルギ蓄積器（３）とを備え、
   前記自動車搭載電源システム（１）の前記第１の領域と前記第２の領域との間に少なくとも２つの切り替え状態を有するスイッチング素子（４）が配置されており、第１の切り替え状態では、前記第１の領域から前記第２の領域へ向かう方向の電流の流れのみが可能となるか又は両方向での電流の流れが抑圧され、第２の切り替え状態では、前記第１の領域と前記第２の領域とが相互に導通するように接続され、
   前記スイッチング素子（４）は対応する少なくとも１つの第１の制御ユニット（９）の制御信号（Ｓ１）によって駆動可能であり、
   前記第２のエネルギ蓄積器（３）はＤＣ／ＤＣ変換器（７）を介して前記ジェネレータ（Ｇ）に接続されており、
   前記第１の制御ユニット（９）により内燃機関に対するスタートストップ命令（Ｓ‐Ｓ‐Ｂ）を検出可能であるかもしくは決定可能であり、
   前記スタートストップ命令（Ｓ‐Ｓ‐Ｂ）が検出又は決定された場合、前記スイッチング素子（４）が前記第１の切り替え状態へ切り替えられ、前記スイッチング素子（４）に接続されているＤＣ／ＤＣ出力側の電圧が第２の制御ユニットの制御命令（Ｓ２）によって高められ、測定ユニットにより前記スイッチング素子（４）を介した電圧の大きさが検出及び評価され、該評価に基づいて第３の制御ユニット（９）の制御命令（Ｓ３）により前記スタートストップ命令が実行されるかもしくは実行されない
   ことを特徴とする自動車搭載電気システム。
2. 個々の制御ユニット又は全ての制御ユニットが共通の制御ユニット（９）に統合されている、請求項１記載の自動車搭載電気システム。
3. 前記スイッチング素子（４）は、パワー半導体スイッチもしくはパワーリレーもしくは並列接続されたダイオードを含むパワーリレーとして構成されている、請求項１又は２記載の自動車搭載電気システム。
4. 前記測定ユニットは電圧及び／又は電圧勾配を検出及び評価する、請求項１から３までのいずれか１項記載の自動車搭載電気システム。
5. 前記第２のエネルギ蓄積器（３）の目標電圧は、前記第１のエネルギ蓄積器（２）の目標電圧よりも大きい、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気システム。
6. 自動車搭載電気システム（１）の駆動方法であって、
   前記自動車搭載電気システム（１）は、内燃機関用のスタータ（Ｓ）と、前記自動車搭載電気システム（１）の第１の領域に配置された第１のエネルギ蓄積器（２）と、ジェネレータ（Ｇ）と、前記自動車搭載電気システム（１）の第２の領域に配置された第２のエネルギ蓄積器（３）とを備え、前記自動車搭載電源システム（１）の前記第１の領域と前記第２の領域との間に少なくとも２つの切り替え状態を有するスイッチング素子（４）が配置されており、第１の切り替え状態では、前記第１の領域から前記第２の領域へ向かう方向の電流の流れのみが可能となるか又は両方向での電流の流れが抑圧され、第２の切り替え状態では、前記第１の領域と前記第２の領域とが相互に導通するように接続され、前記スイッチング素子（４）は対応する少なくとも１つの第１の制御ユニット（９）の制御信号（Ｓ１）によって駆動され、
   前記第２のエネルギ蓄積器（３）はＤＣ／ＤＣ変換器（７）を介して前記ジェネレータ（Ｇ）に接続されており、
   前記第１の制御ユニット（９）により内燃機関に対するスタートストップ命令（Ｓ‐Ｓ‐Ｂ）を検出もしくは決定し、
   前記スタートストップ命令（Ｓ‐Ｓ‐Ｂ）が検出又は決定された場合に、前記スイッチング素子（４）を前記第１の切り替え状態へ切り替え、前記スイッチング素子（４）に接続されているＤＣ／ＤＣ出力側の電圧を第２の制御ユニットの制御命令（Ｓ２）によって高め、前記スイッチング素子（４）を介した電圧の大きさを測定ユニットにより検出及び評価し、該評価に基づいて第３の制御ユニットの制御命令（Ｓ３）により前記スタートストップ命令を実行するかもしくは実行しない
   ことを特徴とする自動車搭載電気システムの駆動方法。
7. 前記電圧の大きさに基づいて、前記スイッチング素子（４）が前記第１の切り替え状態へ切り替えられたか否かを確認する、請求項６記載の自動車搭載電気システムの駆動方法。
8. 前記測定ユニットにより電圧及び／又は電圧勾配を検出及び評価し、該電圧に基づいて前記第１のエネルギ蓄積器（２）内の遮断又は前記第１のエネルギ蓄積器（２）へ通じる線路の遮断を検出する、及び／又は、該電圧勾配に基づいて、内部でのセル短絡及び／又は極端子の腐食を検出する、請求項６又は７記載の自動車搭載電気システムの駆動方法。
9. 前記スタートストップ命令が実行されないことを報知する、請求項６から８までのいずれか１項記載の自動車搭載電気システムの駆動方法。
10. スタータバッテリ（２）の故障及び前記スタートストップ命令が実行されないことが検出された場合、前記スイッチング素子（４）を前記第１の切り替え状態にとどめる、請求項６から９までのいずれか１項記載の自動車搭載電気システムの駆動方法。

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