JP2015532577A - 電圧変換のための装置並びに該装置を備えた車載電気システム - Google Patents

Abstract

電圧変換のための装置（Ｖ）であって、第１の出力電圧電位（φａ１）を供給するための第１の出力電位端子（Ｐａ１）を有する第１のトランスレス式直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）と、第２の出力電圧電位（φａ２）を供給するための第２の出力電位端子（Ｐａ２）を有する第２のトランスレス式直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）とを含み、前記第１の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）及び前記第２の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）は、入力電圧電位（φｅ）の印加のための共通の入力電位端子（Ｐｅ）と、基準電圧電位（φｂ）の印加のための共通の基準電位端子（Ｐｂ）とを含み、前記第１の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）は、前記第１の出力電位端子（Ｐａ１）にて、前記入力電圧電位（φｅ）から第１の出力電圧電位（φａ１）を生成し、前記第１の出力電圧電位（φａ１）は、前記基準電圧電位（φｂ）よりも高い電圧電位値を有し、前記第２の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）は、前記第２の出力電位端子（Ｐａ２）にて、前記入力電圧電位（φｅ）から第２の出力電圧電位（φａ２）を生成し、前記第２の出力電圧電位（φａ２）は、前記基準電圧電位（φｂ）よりも低い電圧電位値を有している。この装置は低コストで製造でき十分な安全性も提供し得る。

Description

本発明は電圧変換のための装置並びに該装置を備えた車載電気システムに関している。さらに本発明は前記車載電気システムを備えた車両にも関している。

冒頭に述べたような電圧変換のための装置は、複数の異なるシステム電圧が存在し、機能に応じて１つのシステム電圧が別のシステム電圧に変換されるほぼ全ての電気システムで使用されている。前述したシステムの一例としては、ハイブリッド車両や電気自動車の車載電気システムがある。このような車載電気システムは、通常は、それぞれが１つの車載電気システム電圧を有している２つ以上の車載電気システム分岐を含んでいる。このような異なる車載電気システム分岐の車載電気システム電圧は、異なった電圧値を有している。その際第１の車載電気システム分岐は、例えば１２Ｖの車載電気システム電圧を給電されるナビゲーション装置のような、低い負荷電力を有する電流負荷を含んでいる。この第１の車載電気システム分岐は、例示的に低電圧車載電気システム分岐とも称する。第２の車載電気システム分岐は、例えば内燃機関のためのスターターとしてまたは車両の駆動部として用いられる電気モータのような高い負荷電力を有する電流負荷を含んでいる。この第２の車載電気システム分岐においては、通常は、１００Ｖ以上の比較的高い車載電気システム電圧が存在している。この第２の車載電気システム分岐は、例示的に高電圧車載電気システム分岐とも称する。例えば、第２の車載電気システム分岐において消費電力の大きい電流負荷の投入によって電力需要が突発的に増加した場合に当該第２の車載電気システム分岐を有害な電圧降下から保護するために、これらの２つの車載電気システム分岐の間では頻繁に電流通流が行われる。このことのために、車載電気システムは、第１の車載電気システム分岐の車載電気システム電圧を、第２の車載電気システム分岐の別の車載電気システム電圧に変換する電圧変換用の装置を含んでいる。

多くの他の電気系統のように、車両の車載電気システムには、２つの電気的な接触接続の間で６０Ｖ以上の接触電圧が発生するような危険な感電を可及的に避けるために、厳格な安全要件が課せられている。この安全要件を維持するために通常は、車載電気システムの電圧変換用装置が、車載電気システム分岐を相互に電気絶縁させる変圧器を装備する。この電気絶縁により、異なる車載電気システム分岐の電流端子間で、すなわち当該装置の入力側端子と出力側端子との間で、電流が流れなくなる。その結果、異なる車載電気システム分岐の電流端子間で最大限許容可能な接触電圧を上回る電圧は存在しない。但しそのような装置は、電気分離機能を有する変圧器に基づいて高価になってしまう欠点も有する。

従って、本発明の課題は、低コストであるにもかかわらず十分な安全性が得られる電圧変換用の手段を提供することである。

前記課題は、独立請求項に記載された本発明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の対象である。

本発明の第１の態様によれば、第１の出力電圧電位を供給するための第１の出力電位端子を有する第１のトランスレス式直流電圧コンバータユニットと、第２の出力電圧電位を供給するための第２の出力電位端子を有する第２のトランスレス式直流電圧コンバータユニットとを含んでいる、電圧変換のための装置が得られる。前記第１及び第２の出力電位端子は同時に当該装置の２つの出力側端子である。前記第１及び第２の直流電圧コンバータユニットは、共通の入力電圧電位の印加のための共通の入力電位端子と、共通の基準電圧電位の印加のための共通の基準電位端子とを含んでいる。前記共通の入力電位端子と前記共通の基準電位端子は、同時に、当該装置の２つの入力側端子である。前記第１の直流電圧コンバータユニットは、前記第１の出力電位端子において、前記入力電位端子に印加される前記入力電圧電位から、第１の出力電圧電位を生成し、前記第１の出力電圧電位は、前記基準電圧電位よりも高い電圧電位値を有している。それに類似して、前記第２の直流電圧コンバータユニットは、前記第２の出力電位端子にて、前記同じ入力電圧電位から第２の出力電圧電位を生成し、この場合前記第２の出力電圧電位は、前記の同じ基準電圧電位よりも低い電圧電位値を有している。

この場合前記第１及び第２の出力電圧電位の間の差分は、前記第１及び第２の出力電位端子間の当該装置の出力電圧を形成するか、ないしは、前記２つの出力側端子の間の当該装置の出力電圧を形成する。

前記「トランスレス式」との用語は、当該装置ないしは当該装置の前記第１及び第２の直流電圧コンバータユニットが、
・入力電位端子と第１の出力電位端子との間、
・入力電位端子と第２の出力電位端子との間、
・基準電位端子と第１の出力電位端子との間、
及び／又は
・基準電位端子と第２の出力電位端子との間に、
トランス（変圧器）を有さない、すなわち電気絶縁を有さないことを意味している。

前記の「共通の電位端子」とは、当該装置の回路トポロジにおける同じ電圧電位の共通の電気的ノードを意味している。

本発明によれば、トランスを持たない、ないしは、トランスによる電気絶縁を持たない、低コストで製造可能な電圧変換のための装置が得られる。その上さらに、相応の構成によれば、前記した安全性要件を満たすことが可能となる。前記入力電圧電位と前記基準電圧電位よりも高い出力電圧電位と、前記入力電圧電位と前記基準電圧電位より低い出力電圧電位とを同時に生成できることによって、例えば上記のような６０Ｖの最大接触電圧を伴う安全要件を損なうことなしに、理論的には１２０Ｖまでの出力電圧の提供が可能になる。

本発明の有利な実施形態によれば、前記第１の直流電圧コンバータユニットは、昇圧コンバータとして構成されている。このことは、前述の装置を用いることによって、入力電圧電位よりも高い電圧電位値を有する第１の出力電圧電位を簡単に生成できるようになる利点をもたらす。

本発明による装置のさらに別の有利な実施形態によれば、第２の直流電圧コンバータユニットは、インバータとして構成されている。このことは、前述の装置を用いることによって、入力電圧電位と第１の出力電圧電位よりも低い電圧電位値を有する第２の出力電圧電位を簡単に生成できるようになる利点をもたらす。

前記２つの有利な実施形態によれば、共に、前記第１及び第２の出力電圧電位の間の電位差である前記装置の出力電圧は、前記第１の出力電圧電位と入力電圧電位との間の電位差若しくは前記第２の出力電圧電位と入力電圧電位との間の電位差よりも高い電圧値を有することができる利点がもたらされる。それにより前記装置は、簡単かつ低コストな手段を用いることによりトランスなしでも電圧変換の際に総合的に高い電圧利得を得ることが可能になる。

別の有利な実施形態によれば、前記第１の直流電圧コンバータユニットは、前記入力電位端子と前記基準電位端子との間に、第１のコイルと第１の制御可能なスイッチとを直列回路の形態で含む。また前記第１の直流電圧コンバータユニットは、前記入力電位端子と前記第１の出力電位端子との間に、第１のコイルと第２の制御可能なスイッチとを直列回路の形態で含む。さらに前記第１の直流電圧コンバータユニットは、前記基準電位端子と前記第１の出力電位端子との間に、前記第１の制御可能なスイッチと前記第２の制御可能なスイッチとを直列回路の形態で含み、かつ、第１のキャパシタを、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチで形成される直列回路に対して並列回路の形態で含んでいる。

さらに別の有利な実施形態によれば、前記第２の直流電圧コンバータユニットは、前記入力電位端子と前記基準電位端子との間に、第３の制御可能なスイッチと第２のコイルとを直列回路の形態で含む。また前記第２の直流電圧コンバータユニットは、前記入力電位端子と前記第２の出力電位端子との間に、第３の制御可能なスイッチと第４の制御可能なスイッチとを直列回路の形態で含む。さらにまた前記第２の直流電圧コンバータユニットは、前記基準電位端子と前記第２の出力電位端子との間に、前記第２のコイルと前記第４の制御可能なスイッチとを直列回路の形態で含み、かつ、第２のキャパシタを、前記第２のコイルと前記第４の制御可能なスイッチとで形成される直列回路に対する並列回路の形態で含んでいる。

とりわけ前記装置の最後に挙げた２つの実施形態は、低コストの標準的な部品を用いた簡素な回路から製造することが可能になる利点を有する。

さらに有利な実施形態によれば、前記第２のスイッチの代わりに第１のダイオードを使用し、前記第４のスイッチの代わりに第２のダイオードが使用される。その際前記第１のダイオードは、第１のコイルと第１の出力電位端子との間で、第１のコイルから第１の出力電位端子への方向で導通し、逆方向では阻止されるように配置される。前記第２のダイオードは、第３の制御スイッチと第２の出力電位端子との間で、第２の出力電位端子から第３の制御可能なスイッチへの方向で導通し、逆方向では阻止されるように配置される。

第１及び第２のダイオードの使用に比べて、第２及び第４のスイッチの使用は、第１のコイルから第１のキャパシタへの電流通流ないしは第２のコイルから第２のキャパシタへの電流通流が迅速に形成及び中断されるようになる利点をもたらす。

さらに別の有利な実施形態によれば、前記装置は、さらに、前記第１及び第２のスイッチの駆動制御のための第１のパルス幅変調された制御信号を受信するための第１の信号入力端子を含む。ここでの前記第１または第２のスイッチは、第１の制御信号端子を備える。さらに前記第１の信号入力端子と第１の制御信号端子との間には、第１の制御信号を反転させるための第１のインバータが設けられている。

さらに有利な実施形態によれば、前記装置は、第３及び第４のスイッチを駆動制御するための第２のパルス幅変調された制御信号を受信するための第２の信号入力端子を含んでいる。その際前記第３または第４のスイッチは、第２の制御信号端子を備える。さらに前記第２の信号入力端子と第２の制御信号端子との間には、第２の制御信号を反転させるための第２のインバータが設けられている。

後者の２つの有利な実施形態によれば、前記第１及び第２の直流電圧コンバータユニットが、それぞれ第１及び第２の設定可能な電圧利得係数を有する装置からなる。この場合前記第１及び第２の電圧利得係数の設定は、第１ないし第２のパルス幅変調される制御信号のデューティファクタの変更によって行われる。

それにより、後者の２つの有利な実施形態によれば、出力電圧電位が、一定の入力電圧電位のもとで、パルス幅変調された制御信号の必要に応じたデューティファクタの容易な変更によって、簡単に変更できる利点がもたらされる。

別の有利な実施形態によれば、前記第１及び第２の制御信号は、１つの同じパルス幅変調された制御信号である。それにより、４つのスイッチが唯１つの制御信号のみで同時に駆動制御できるようになる。

前記装置の有利な実施形態のもとでは、前述の安全要件を損なうことなく第１及び第２の出力電位端子の間で、例えば１２Ｖの入力電圧から１００Ｖ以上の出力電圧を生成することも可能になる。

この場合第１の直流電圧コンバータユニットは、入力電圧電位と基準電圧電位に対して６０Ｖの最大許容接触電圧よりも高い電位値を有する第１の出力電圧電位を提供することが可能である。これについては、例えば、第１の電圧利得係数を５の電圧利得に設定し、それによって１２Ｖの入力電圧電位から６０Ｖの電圧電位値を有する第１の出力電圧電位を生成できるようにするために、第１のパルス幅変調された制御信号が、４／５のデューティファクタを有するようにしてもよい。基準電位端子がアース電位におかれ、入力電圧電位が１２Ｖであるならば、第１の直流電圧コンバータユニットは、入力電圧電位から、第１の制御信号を介して設定可能な５の電圧利得係数を用いて、６０Ｖの第１の出力電圧電位を提供することができる（第１の出力電圧電位＝入力電圧電位×第１の電圧利得係数＝１２Ｖ×５＝６０Ｖ）。この場合第１の出力電位端子と入力電位端子との間並びに第１の出力電位端子と基準電位端子との間の電位差は、６０Ｖの最大許容接触電圧以下である（｜第１の出力電圧電位−入力電圧電位｜＝｜６０Ｖ−１２Ｖ｜＝４８Ｖ；｜第１の出力電圧電位−基準電圧電位｜＝｜６０Ｖ−０Ｖ｜＝６０Ｖ）。

同じ様に、第２の直流電圧コンバータユニットは、入力電圧電位と基準電圧電位に対して６０Ｖの最大許容接触電圧よりも低い電位値を有する第２の出力電圧電位を提供することが可能である。これについては、例えば、第２の電圧利得係数を−４の係数値に設定し、１２Ｖの入力電圧電位から−４８Ｖの電圧電位値を有する第２の出力電圧電位を生成できるようにするために、第２のパルス幅変調された制御信号が、同じ様に４／５のデューティファクタを有するようにしてもよい。基準電圧が０Ｖで入力電圧電位が１２Ｖの場合、第２の直流電圧コンバータユニットは、前記入力電圧電位から、第２の制御信号を介して設定可能な−４の電圧利得係数を用いて、−４８Ｖの第２の出力電圧電位を提供することが可能である（第２の出力電圧電位＝入力電圧電位×第２の電圧利得係数＝１２Ｖ×−４＝−４８Ｖ）。この場合第２の出力電位端子と入力電位端子との間、並びに第２の出力電位端子と基準電位端子との間の電位差は、６０Ｖの最大許容接触電圧以下である（｜第２の出力電圧電位−入力電圧電位｜＝｜−４８Ｖ−１２Ｖ｜＝６０Ｖ；｜第２の出力電圧電位−基準電圧電位｜＝｜−４８Ｖ−０Ｖ｜＝４８Ｖ）。この場合−４の電圧利得係数は、第２の直流電圧コンバータユニットが入力電圧電位を４倍に増幅し、増幅された電圧電位が第２の出力電位端子において反転されて出力されることを意味する。

当該装置の出力電圧は、第１の出力電圧電池と第２の出力電圧電位との電位差であるので、第１の出力電圧電池と第２の出力電圧電位との差分から１０８Ｖの装置出力電圧が生じる（｜第１の出力電圧電位−第２の出力電圧電位｜＝｜６０Ｖ−（−４８Ｖ）｜＝１０８Ｖ）。同時に、上記安全要件を満たす。なぜなら入力電位端子と第１の出力電位端子との間、入力電位端子と第２の出力電位端子との間、基準電位端子と第１の出力電位端子との間、及び、基準電位端子と第２の出力電位端子との間、の電位差が、６０Ｖの最大許容接触電圧を上回らないからである。

本発明のさらなる態様によれば、第１の車載電気システム分岐が第１の車載電気システム電圧を有し、第２の車載電気システム分岐が第２の車載電気システム電圧を有し、並びに上述の装置を含む、車両用の車載電気システムが提供される。この場合第１の車載電気システム分岐の第１車載電気システム電圧は、第１ないし第２の直流電圧コンバータユニットの入力電位端子と基準電位端子との間に印加される。第２の車載電気システム分岐の第２の車載電気システム電圧は、第１の直流電圧コンバータユニットの第１の出力電位端子と第２の直流電圧コンバータユニットの第２の出力電位端子との間に印加される。

有利な実施形態によれば、前記車載電気システムは、第１の出力電位端子と基準電位端子との間に第１のエネルギー蓄積器を含み、基準電位端子と第２の出力電位端子との間に第２のエネルギー蓄積器を含む。ここでは、前記第１の直流電圧コンバータユニットは、前記第１のエネルギー蓄積器の充電電圧を制御するように構成されている。同じように、前記第２の直流電圧コンバータユニットは、前記第２のエネルギー蓄積器の充電電圧を制御するように構成されている。つまり、第１の直流電圧コンバータユニットは、次のように構成されている。すなわち第１の直流電圧コンバータユニットが充電状態補償器（バランサー）のように、第１のエネルギー蓄積器の充電電圧を制御し、それによって、当該第１のエネルギー蓄積器を過充電から保護するように構成されている。同じ様に、第２の直流電圧コンバータユニットも、充電状態補償器のように、第２のエネルギー蓄積器の充電電圧を制御し、それによって、当該第２のエネルギー蓄積器を過充電から保護するように構成されている。

前記２つのエネルギー蓄積器は、車両電気システム、ないしは車両電気システム内の電気エネルギー負荷のための電気エネルギーを供給するために用いられている。これらの２つのエネルギー蓄積器を、第１の出力電位端子と基準電位端子との間、並びに基準電位端子と第２の出力電位端子との間に、それぞれ別個に配置する構成によって、前記２つのエネルギー蓄積器の充電電圧が、互いに各直流電圧コンバータユニットに依存することなく制御できるようになる利点が得られる。

本発明の第３の態様によれば、上述の車載電気システムを備えた車両が提供される。

上述してきた装置の有利な実施形態は、上述の車載電気システムまたは車両にも移行可能なものであり、故にそれらも当該車載電気システムないし車両の有利な実施形態と見なされるべきものである。

以下では本発明の例示的な実施例を図面に基づき詳細に説明する。

本発明の実施形態による装置を含む車載電気システムを備えたハイブリッド車両の概略図

実施例の説明
図１によれば、車両Ｆは、第１の車載電気システム分岐ＢＺ１と第２の車載電気システム分岐ＢＺ２と電圧変換のための装置Ｖとを備えた車載電気システムＢＮを含んでいる。第１の車載電気システム分岐ＢＺ１は、第１の車載電気システム電圧Ｕｅを有し、これは１２Ｖの定格電圧値を有する。第２の車載電気システム分岐ＢＺ２は、システム負荷として電気モータＥＭを含み、第２の車載電気システム電圧Ｕａを有している。第２の車載電気システム電圧Ｕａは、１００Ｖの定格電圧値を有し、この電圧は電気モータＥＭの動作に必要である。前記第１及び第２の車載電気システム分岐ＢＺ１，ＢＺ２の間には、第１の車載電気システム分岐ＢＺ１の第１の車載電気システム電圧Ｕｅを第２の車載電気システム分岐ＢＺ２の第２の車載電気システム電圧に変換する、及び／又は、その逆の変換をする装置Ｖが設けられている。

前記装置Ｖは、第１の入力側電圧端子Ｅ１と第２の入力側電圧端子Ｅ２とを有し、これらの２つの入力側電圧端子Ｅ１及びＥ２を介して第１の車載電気システム分岐ＢＺ１と電気的に接続されている。前記装置Ｖは、第１の出力側電圧端子Ａ１と第２の出力側電圧端子Ａ２とを有し、これらの２つの出力側電圧端子Ａ１及びＡ２を介して第２の車載電気システム分岐ＢＺ２と電気的に接続されている。

第１の車載電気システム電圧Ｕｅは、前記装置Ｖの２つの入力側電圧端子Ｅ１及びＥ２の間に印加される。同様に第２の車載電気システム電圧Ｕａは、前記装置Ｖの２つの出力側電圧端子Ａ１及びＡ２の間に印加される。これにより、前記第１の車載電気システム電圧Ｕｅは、前記装置Ｖの入力電圧に相応し、前記第２の車載電気システム電圧Ｕａは前記装置Ｖの出力電圧に相当する。

その他に前記装置Ｖは、第１及び第２のパルス幅変調された制御信号ＰＷＭ１及びＰＷＭ２を受信するための第１の信号入力端子ＳＡ１と第２の信号入力端子ＳＡ２とを含んでいる。

前記装置Ｖは、さらに第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１と、第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２とを含む。これらの２つの直流電圧コンバータユニットＧＷ１及びＧＷ２は、共通の入力電位端子Ｐｅを含んでいる。前記２つの直流電圧コンバータユニットＧＷ１及びＧＷ２は、共通の基準電位端子Ｐｂも含んでいる。この基準電位端子Ｐｂもアース電位におかれている。第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１は、第１の出力電位端子Ｐａ１を含んでいる。第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２も同様に第２の出力電位端子Ｐａ２を含んでいる。

このケースでは、前記装置Ｖの第１の入力側電圧端子Ｅ１と、前記第１及び第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ１，ＧＷ２の共通の入力電位端子Ｐｅは、キルヒホフの第一法則によれば、それらの回路トポロジにおいて前記装置Ｖの第１の共通の節点を表す。前記装置Ｖの第２の入力側電圧端子Ｅ２と、前記第１及び第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ１，ＧＷ２の共通の基準電位端子Ｐｂも、同様に前記装置Ｖの第２の共通の節点を表している。前記装置Ｖの第１の出力側電圧端子Ａ１と前記第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１の第１の出力電位端子Ｐａ１は、前記装置Ｖの第３の共通の節点を形成する。また前記装置Ｖの第２の出力側電圧端子Ａ２と前記第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２の第２の出力電位端子Ｐａ２は、前記装置Ｖの第４の共通の節点を形成している。

第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１は、入力電位端子Ｐｅと基準電位端子Ｐｂとの間に、第１のコイルＬ１と第１の制御可能なスイッチＳ１を直列回路で有している。入力電位端子Ｐｅと第１の出力電位端子Ｐａ１との間に、第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１は、第１のコイルＬ１と第２の制御可能なスイッチＳ２とを有している。基準電位端子Ｐｂと第１の出力電位端子Ｐａ１との間に、第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１は、第１及び第２のスイッチＳ１，Ｓ２を直列回路で有している。さらに前記基準電位端子Ｐｂと前記第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１の第１の出力電位端子Ｐａ１との間には、第１及び第２のスイッチＳ１，Ｓ２からなる直列回路に対して並列回路の形態で第１のキャパシタＣ１が配設されている。

第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１は、昇圧コンバータとして構成されており、第１のコイルＬ１と第１の出力電位端子Ｐａ１との間に有利には第２の制御可能なスイッチＳ２が設けられている。第１のキャパシタＣ１は、第１及び第２の電極Ｃ１Ｅ１及びＣ１Ｅ２を含んでいる。第１の電極Ｃ１Ｅ１を介して第１のキャパシタＣ１は第１の出力電位端子Ｐａ１と直接電気的に接続されている。第２の電極Ｃ１Ｅ２を介して第１のキャパシタＣ１は、基準電位端子Ｐｂと直接電気的に接続される。

第１及び第２のスイッチＳ１及びＳ２は、トランジスタとして構成され、それぞれ制御信号端子ＡＳ１ないしＡＳ２を有する。前記第１のスイッチＳ１の制御信号端子ＡＳ１は、前記装置Ｖの第１の信号入力端子ＳＡ１と直接電気的に接続される。それに対して前記第２のスイッチＳ２の制御信号端子ＡＳ２は、第１のインバータＩＮ１を介して前記装置Ｖの第１の信号入力端子ＳＡ１と電気的に接続される。第１のインバータＩＮ１は、前記装置Ｖの第１の信号入力端子ＳＡ１で受信される第１の制御信号ＰＷＭ１を、常に反転して前記第２のスイッチＳ２の制御信号端子ＡＳ２に転送する。それにより、前記２つのスイッチＳ１，Ｓ２が、同じ第１の制御信号ＰＷＭ１によって常に逆方向に駆動制御される。

第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２は、入力電位端子Ｐｅと基準電位端子Ｐｂとの間に、第３の制御可能なスイッチＳ３と第２のコイルＬ２とを直列回路で有する。入力電位端子Ｐｅと第２の出力電位端子Ｐａ２との間に、前記第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２は、第３の制御可能なスイッチＳ３と第４の制御可能なスイッチＳ４とが直列回路で有している。基準電位端子Ｐｂと第２の出力電位端子Ｐａ２との間には、前記第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２が第２のコイルＬ２と、第４の制御可能なスイッチＳ４とを直列回路の形態で有している。前記基準電位端子Ｐｂと第２の出力電位端子Ｐａ２との間には、さらに第２のキャパシタＣ２が、第２のコイルＬ２と第４の制御可能なスイッチＳ４から形成される直列回路に対して並列回路の形態で配置されている。

それにより、前記第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２は、逆変換器として構成され、この場合第３のスイッチＳ３と第２の出力電位端子Ｐａ２との間に、有利には第４の制御可能なスイッチＳ４が配置される。

前記第２のキャパシタＣ２は、第１の電極Ｃ２Ｅ１及び第２の電極Ｃ２Ｅ２を有する。前記第１の電極Ｃ２Ｅ１を介して前記第２のキャパシタＣ２は、前記第１の基準電位端子Ｐｂと直接電気的に接続される。前記第２の電極Ｃ２Ｅ２を介して、前記第２のキャパシタＣ２は、前記第２の出力電位端子Ｐａ２直接電気的に接続される。

前記第３及び第４のスイッチＳ３及びＳ４は、同様に、トランジスタとして構成されており、それぞれ制御信号端子ＡＳ３ないしＡＳ４を有する。前記第３のスイッチＳ３の制御信号端子ＡＳ３は、前記装置Ｖの第２の信号入力端子ＳＡ２に直接電気的に接続されている。前記第４のスイッチＳ４の制御信号端子ＡＳ４は、第２のインバータＩＮ２を介して前記装置Ｖの第２の信号入力端子ＳＡ２に電気的に接続されている。第２のインバータＩＮ２は、前記装置Ｖの第２の信号入力端子ＳＡ２において受信される第２の制御信号ＰＷＭ２を常に反転して前記第３のスイッチＳ４の制御信号端子ＡＳ４に転送する。それにより、前記２つのスイッチＳ３，Ｓ４も、同じ第２の制御信号ＰＷＭ２によって常に反対方向に駆動制御される。

以下では前記装置Ｖを詳細に説明した後に、本装置Ｖの動作をより詳細に説明する。

なおここでは、第１の車載電気システム分岐ＢＺ１は、１２Ｖの定格電圧を有することを前提とする。この電圧は同時に、前記装置Ｖの入力側電圧端子Ｅ１とＥ２との間の電位差でもあり、それと共に入力電位端子Ｐｅと前記第１ないし第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ１，ＧＷ２の基準電位端子Ｐｂとの間の電位差でもある。基準電位端子Ｐｂはアース電位におかれているので、入力電位端子Ｐｅにおける入力電圧電位φｅもそれに伴って１２Ｖとなる。

この入力電圧電位φｅから、本装置Ｖは、第１及び第２の出力側電圧端子Ａ１，Ａ２の間、ないしは第１及び第２の出力電位端子Ｐａ１，Ｐａ２の間において、１００Ｖ以上の出力電圧Ｕａを供給する。この目的のために本装置Ｖは、第１及び第２の信号入力端子ＳＡ１，ＳＡ２を介して第１及び第２のパルス幅変調された制御信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２を受信する。これらの２つの制御信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２は、それぞれ同じパルス期間“Ｔ”と、同じデューティファクタ“４／５”とを有している。

第１の制御信号ＰＷＭ１の直接制御のもとで、前記第１のスイッチＳ１は、各スイッチングサイクルにおいて、パルス期間Ｔのうちの持続時間ｔ１ないし４／５（第１の制御信号ＰＷＭ１のデューティファクタ）の間閉じられる。この第１のスイッチＳ１のスイッチオンフェーズの間、第２のスイッチＳ２（これは反転した第１の制御信号ＰＷＭ１によって駆動制御される）は開かれる。そのため第１の電流ｉ１１は、入力電位端子Ｐｅから第１のコイルＬ１と、閉成された第１のスイッチＳ１とを介して基準電位端子Ｐｂへ流れる。ここでは入力電圧Ｕｅは第１のコイルＬ１において降下し、電流ｉ１１はこのコイルＬ１を通って線形に上昇する。前記第１のコイルＬ１には、ここで電気的なエネルギーが蓄えられる。持続時間ｔ１の経過後、このスイッチングサイクルの残りの期間（Ｔ−ｔ１）の間、前記スイッチＳ１が開かれる。このスイッチＳ１のスイッチオフフェーズの期間中、第２のスイッチＳ２は、反転された第１の制御信号ＰＷＭ１によって駆動制御され、閉成される。ここで第２の電流ｉ１２が、第１のコイルＬ１から、閉成された第２のスイッチＳ２を介して第１のキャパシタＣ１に流れる。その際第１のコイルＬ１に蓄えられたエネルギーが第１のキャパシタＣ１に伝送される。このエネルギーは、第１のキャパシタＣ１を充電する。第１のキャパシタＣ１の第１の電極Ｃ１Ｅ１における電圧電位が上昇し、それに伴って第１の出力電位端子Ｐａ１における第１の出力電圧電位φａ１も上昇する。この第１のキャパシタＣ１に対する充電過程は、後続の各スイッチングサイクルにおいて繰り返される。前記キャパシタＣ１の第２の電極Ｃ１Ｅ２は、基準電位端子Ｐｂに直接電気的に接続されて、アース電位にあるので、第１の出力電圧電位φａ１は以下の式、
φａ１＝Ｔ／(Ｔ−ｔ１)×φｅ，
但しφｂ＝０Ｖ；φｅ＝１２Ｖ；ｔ１＝４／５×Ｔ
に基づいて、６０Ｖまで上昇する。

同じように、第３のスイッチＳ３は、各スイッチングサイクルにおいて、第２の制御信号ＰＷＭ２のパルス期間Ｔにおける持続時間ｔ２ないし４／５（第２の制御信号ＰＷＭ２のデューティファクタ）の間、第２の制御信号ＰＷＭ２の直接制御により閉じられる。この第３のスイッチＳ３のスイッチオンフェーズの間、反転した第２の制御信号ＰＷＭ２によって駆動制御される第４のスイッチＳ４は開かれる。そのため第３の電流ｉ２１は、入力電位端子Ｐｅから第２のコイルＬ２と、閉成された第３のスイッチＳ３とを介して基準電位端子Ｐｂへ流れる。ここでは入力電圧Ｕｅは第２のコイルＬ２において降下し、電流ｉ２１はこのコイルＬ２を通って線形に上昇する。前記第２のコイルＬ２には、ここで電気的なエネルギーが蓄えられる。持続時間ｔ２の経過後、このスイッチングサイクルの残りの期間（Ｔ−ｔ２）の間、前記スイッチＳ３が開かれる。このスイッチＳ３のスイッチオフフェーズ期間中、前記第４のスイッチＳ４は、反転された第２の制御信号ＰＷＭ２によって駆動制御され、閉成される。ここでは第４の電流ｉ２２が第２のコイルＬ２から、閉成された第４のスイッチＳ４を介して第２のキャパシタＣ２に流れる。第２のコイルＬ２に蓄えられたエネルギーは、第２のキャパシタＣ２に伝送される。このエネルギーによって、第２のキャパシタＣ２は充電される。第２のキャパシタＣ２の２つの電極Ｃ２Ｅ１，Ｃ２Ｅ２間で電圧が上昇し、それに伴って第２の出力電圧電位φａ２と基準電圧電位φｂの間の電位差も上昇する。前記第２のキャパシタＣ２の第１の電極Ｃ２Ｅ１は、基準電位端子Ｐｂに直接電気的に接続されて、電流ｉ２２によってプラスに充電され、かつ、前記第２のキャパシタＣ２の第２の電極Ｃ２Ｅ２は、第２の出力電位端子Ｐａ２に直接電気的に接続されて、電流ｉ２２によってマイナスに充電されるので、第２の出力電圧電位φａ２は、基準電圧電位φｂに対して、以下の式、
φａ２＝−｛ｔ２／(Ｔ−ｔ２)×φｅ｝
但しφｂ＝０Ｖ；φｅ＝１２Ｖ；ｔ２＝４／５×Ｔ
に基づいて、−４８Ｖまで低下する。

本装置Ｖの出力電圧Ｕａは、第１及び第２の出力電圧電位φａ１，φａ２の間の電位差であるので、これは１０８Ｖとなる（Ｕａ＝φａ１−φａ２＝６０Ｖ−（−４８Ｖ）＝１０８Ｖ）。これにより、第２の車載電気システム分岐ＢＺ２に対する車載電気システム電圧が得られ、この電圧は、当該車載電気システム分岐ＢＺ２内の電流負荷の動作を十分に保証し得るものである。

この場合、入力電位端子Ｐｅと第１の出力電位端子Ｐａ１との間の接触電圧は４８Ｖにおかれ、入力電位端子Ｐｅと第２の出力電位端子Ｐａ２との間の接触電圧は６０Ｖにおかれ、基準電位端子Ｐｂと第１の出力電位端子Ｐａ１との間の接触電圧は６０Ｖにおかれ、基準電位端子Ｐｂと第２の出力電位端子Ｐａ２との間の接触電圧は４８Ｖにおかれる。従って、２つの車載電気システム分岐ＢＺ１，ＢＺ２の間の全ての接触電圧が６０Ｖ以下におかれ、これは前述してきた安全要件を十分に満たすものとなっている。

前記第２及び第４のスイッチＳ２，Ｓ４は、遮断状態と導通状態との間で迅速に切り替わり、構造上不利な遷移期間が伴うダイオードに比べて、つまり阻止状態と導通状体との間の切り替えフェーズにおいて不所望な時間遅延が伴うダイオードに比べて、より迅速でロスの少ない電圧変換をもたらしている。

本装置Ｖはさらに、第１の出力電位端子Ｐａ１と基準電位端子Ｐｂとの間に第１のエネルギー蓄積器ＥＳ１を含み、基準電位端子Ｐｂと第２の出力電位端子Ｐａ２との間に第２のエネルギー蓄積器ＥＳ２を含んでいる。この場合これらの２つのエネルギー蓄積器ＥＳ１，ＥＳ２は、それぞれ４８Ｖバッテリーからなっている。これら２つのエネルギー蓄積器ＥＳ１，ＥＳ２は、電気モータＥＭのための電気エネルギーの給電のために用いられる。その際第１のエネルギー蓄積器ＥＳ１の充電電圧Ｕ＿ＥＳ１は、第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１によって制御可能である。同時にこの第１の直流電圧コンバータユニットＧＷ１は、第１のエネルギー蓄積器ＥＳ１を過充電から保護している。同じように第２の直流電圧コンバータユニットＧＷ２は、第２のエネルギー蓄積器ＥＳ２の充電電圧Ｕ＿ＥＳ２を制御し、それによってこの第２のエネルギー蓄積器ＥＳ２を過充電から保護している。

Ｆ 車両
ＢＮ 車載電気システム
ＢＺ１，ＢＺ２ 車載電気システム分岐
Ｖ 装置
Ｐｅ 入力電位端子
Ｐｂ 基準電位端子
Ｐａ１，Ｐａ２ 出力電位端子
Ｕｅ 入力電圧
φｅ 入力電圧電位
φｂ 基準電圧電位
Ｕａ 出力電圧
Ｅ１，Ｅ２ 入力側電圧端子
Ａ１，Ａ２ 出力側電圧端子
φａ１，φａ２ 出力電圧電位
ＳＡ１，ＳＡ２ 信号入力端子
ＧＷ１，ＧＷ２ 直流電圧コンバータユニット
Ｌ１，Ｌ２ コイル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 制御可能なスイッチ
ＡＳ１，ＡＳ２，ＡＳ３，ＡＳ４ スイッチ上の制御信号端子
Ｃ１，Ｃ２ キャパシタ
Ｃ１Ｅ１，Ｃ１Ｅ２ キャパシタ電極
ＩＮ１，ＩＮ２ インバータ
ＰＷＭ１，ＰＷＭ２ パルス幅変調された制御信号
Ｔ パルス持続時間

Claims (12)

1. 電圧変換のための装置（Ｖ）であって、
   第１の出力電圧電位（φａ１）を供給するための第１の出力電位端子（Ｐａ１）を有する第１のトランスレス式直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）と、
   第２の出力電圧電位（φａ２）を供給するための第２の出力電位端子（Ｐａ２）を有する第２のトランスレス式直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）とを含んでおり、
   前記第１（ＧＷ１）及び前記第２（ＧＷ２）の直流電圧コンバータユニットは、
   入力電圧電位（φｅ）の印加のための共通の入力電位端子（Ｐｅ）と、
   基準電圧電位（φｂ）の印加のための共通の基準電位端子（Ｐｂ）とを含んでおり、
   前記第１の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）は、前記第１の出力電位端子（Ｐａ１）において、前記入力電圧電位（φｅ）から第１の出力電圧電位（φａ１）を生成し、前記第１の出力電圧電位（φａ１）は、前記基準電圧電位（φｂ）よりも高い電圧電位値を有しており、
   前記第２の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）は、前記第２の出力電位端子（Ｐａ２）において、前記入力電圧電位（φｅ）から第２の出力電圧電位（φａ２）を生成し、
   前記第２の出力電圧電位（φａ２）は、前記基準電圧電位（φｂ）よりも低い電圧電位値を有していることを特徴とする装置（Ｖ）。
2. 前記第１の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）は、昇圧コンバータを含む、請求項１記載の装置（Ｖ）。
3. 前記第２の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）は、極性反転型バックブーストコンバータを含む、請求項１または２記載の装置（Ｖ）。
4. 前記第１の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）は、
   前記入力電位端子（Ｐｅ）と前記基準電位端子（Ｐｂ）との間に、第１のコイル（Ｌ１）と第１の制御可能なスイッチ（Ｓ１）とを直列回路の形態で含み、
   前記入力電位端子（Ｐｅ）と前記第１の出力電位端子（Ｐａ１）との間に、前記第１のコイル（Ｌ１）と第２の制御可能なスイッチ（Ｓ２）とを直列回路の形態で含み、
   前記基準電位端子（Ｐｂ）と前記第１の出力電位端子（Ｐａ１）との間に、前記第１の制御可能なスイッチ（Ｓ１）と前記第２の制御可能なスイッチ（Ｓ２）とを直列回路の形態で含み、かつ、第１のキャパシタ（Ｃ１）を、前記第１の制御可能なスイッチ（Ｓ１）と前記第２の制御可能なスイッチ（Ｓ２）とで形成される直列回路に対する並列回路の形態で含んでいる、請求項１から３いずれか１項記載の装置（Ｖ）。
5. 前記第２の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）は、
   前記入力電位端子（Ｐｅ）と前記基準電位端子（Ｐｂ）との間に、第３の制御可能なスイッチ（Ｓ３）と第２のコイル（Ｌ２）とを直列回路の形態で含み、
   前記入力電位端子（Ｐｅ）と前記第２の出力電位端子（Ｐａ２）との間に、前記第３の制御可能なスイッチ（Ｓ３）と第４の制御可能なスイッチ（Ｓ４）とを直列回路の形態で含み、
   前記基準電位端子（Ｐｂ）と前記第２の出力電位端子（Ｐａ２）との間に、前記第２のコイル（Ｌ２）と前記第４の制御可能なスイッチ（Ｓ４）とを直列回路の形態で含み、かつ、第２のキャパシタ（Ｃ２）を、前記第２のコイル（Ｌ２）と前記第４の制御可能なスイッチ（Ｓ４）とで形成される直列回路に対する並列回路の形態で含んでいる、請求項１から４いずれか１項記載の装置（Ｖ）。
6. 前記第１（Ｓ１）及び第２（Ｓ２）の制御可能なスイッチの駆動制御のための第１のパルス幅変調された制御信号（ＰＷＭ１）を受信するための第１の信号入力端子（ＳＡ１）が含まれる、請求項４または５記載の装置（Ｖ）。
7. 前記第１（Ｓ１）または第２（Ｓ２）の制御可能なスイッチは、第１の制御信号端子（ＡＳ２）を含み、
   前記電圧変換のための装置（Ｖ）は、前記第１の信号入力端子（ＳＡ１）と前記第１の制御信号端子（ＡＳ２）との間に、前記第１の制御信号（ＰＷＭ１）の反転のための第１のインバータ（ＩＮ１）を含む、請求項６記載の装置（Ｖ）。
8. 前記第３（Ｓ３）及び第４（Ｓ４）の制御可能なスイッチの駆動制御のための第２のパルス幅変調された制御信号（ＰＷＭ２）を受信するための第２の信号入力端子（ＳＡ２）が含まれる、請求項４から７いずれか１項記載の装置（Ｖ）。
9. 前記第３（Ｓ３）または第４（Ｓ４）の制御可能なスイッチは、第２の制御信号端子（ＡＳ４）を含み、
   前記電圧変換のための装置（Ｖ）は、前記第２の信号入力端子（ＳＡ２）と前記第２の制御信号端子（ＡＳ４）との間に、前記第２の制御信号（ＰＷＭ２）の反転のための第２のインバータ（ＩＮ２）を含む、請求項８記載の装置（Ｖ）。
10. 車両（Ｆ）用の車載電気システム（ＢＮ）であって、
    前記車載電気システム（ＢＮ）は、
    第１の車載電気システム電圧（Ｕｅ）を有する第１の車載電気システム分岐（ＢＺ１）と、
    第２の車載電気システム電圧（Ｕａ）を有する第２の車載電気システム分岐（ＢＺ２）と、
    前記第１の車載電気システム電圧（Ｕｅ）を前記第２の車載電気システム電圧（Ｕａ）に変換するための及び／又はその逆の変換をするための請求項１から９いずれか１項記載の装置（Ｖ）とを含み、
    前記第１の車載電気システム電圧（Ｕｅ）は、前記入力電位端子（Ｐｅ）と前記基準電位端子（Ｐｂ）との間に印加され、
    前記第２の車載電気システム電圧（Ｕａ）は、前記第１の出力電位端子（Ｐａ１）と前記第２の出力電位端子（Ｐａ２）との間に印加されることを特徴とする、車載電気システム（ＢＮ）。
11. 前記車載電気システム（ＢＮ）は、さらに、
    前記第１の出力電位端子（Ｐａ１）と前記基準電位端子（Ｐｂ）との間に、第１のエネルギー蓄積器（ＥＳ１）を含み、
    前記基準電位端子（Ｐｂ）と前記第２の出力電位端子（Ｐａ２）との間に、第２のエネルギー蓄積器（ＥＳ２）を含み、
    前記第１の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ１）は、前記第１のエネルギー蓄積器（ＥＳ１）の充電電圧（Ｕ＿ＥＳ１）を制御するように構成されており、
    前記第２の直流電圧コンバータユニット（ＧＷ２）は、前記第２のエネルギー蓄積器（ＥＳ２）の充電電圧（Ｕ＿ＥＳ２）を制御するように構成されている、請求項１０記載の車載電気システム（ＢＮ）。
12. 請求項１０または１１記載の車載電気システム（ＢＮ）を備えていることを特徴とする車両（Ｆ）。

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