JP2018515059A - 流体搬送システムの作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体吐出ポンプと、電圧マニピュレータ（７）と、電気モータ（８）とを備えた流体搬送システムを作動させる方法に関しており、ここでの流体搬送システムは、電源網に統合されており、電気モータ（８）は、当該電気モータ（８）に印加される電圧によって駆動制御可能であり、電圧マニピュレータ（７）は、電気モータ（８）に前置接続されており、ここでは以下のステップ、すなわち所望の流体吐出量を求めるステップと、所望の流体吐出量を搬送するための流体吐出ポンプの所要の回転数を求めるステップと、流体吐出ポンプの所要の回転数を達成するための所要の電圧を求めるステップと、所要の電圧を達成するために電圧マニピュレータを作動させるステップと、が実行される。

Description

本発明は、流体吐出ポンプと、電圧マニピュレータと、電気モータとを備えた流体搬送システムを作動させる方法に関している。ここでの流体搬送システムは、電源網に統合されており、電気モータは、当該電気モータに印加される電圧によって駆動制御可能であり、電圧マニピュレータは、電気モータに前置接続されている。

背景技術
燃料搬送システムでは、燃料を燃料タンクから内燃機関に搬送するために燃料吐出ポンプが用いられている。この搬送のために、電気的に駆動される燃料吐出ポンプが用いられており、この燃料吐出ポンプは、電気モータによって駆動可能なポンプモジュールを有している。燃料吐出ポンプは、広い動作範囲に亘って燃料吐出を保証しなければならない。例えば燃料吐出ポンプは、内燃機関が全負荷されている場合でも、自動車の走行速度が低い場合もしくは停止状態の場合でも、十分な吐出量を提供しなければならない。

最大限可能な吐出能力は、一方では、燃料吐出ポンプの構造形態に依存し、この場合は燃料吐出ポンプのサイズの増加に伴って最大吐出量も増加する。また最大限可能な吐出能力は、他方では、ポンプモジュールの回転数に依存しており、このポンプモジュールは、電力レベルによって決定的に定められる。それゆえに最大吐出量は、電気モータの供給電圧と当該電気モータに印加される電流強度とに直接依存している。

自動車の搭載電源網において使用される電圧は、一様に所定の最大値に制限されており、それゆえ燃料吐出ポンプにおける電圧は任意に高めることができず、それゆえ最大回転数とそれに伴う最大吐出量とが制限されている。

従来技術では、燃料吐出ポンプへの電圧を高めるために、付加的なブースタを備えた装置が公知である。ここでのこのブースタは、例えば複数のコンポーネントからなる電気回路によって形成されている。

従来技術から公知の装置における欠点は、ブースタの使用により、作動中に不都合な電力損失が電源網に生じることである。この電力損失は、特にブースタの付加的インダクタンスと、ブースタのために使用されるパワー半導体とによって引き起こされる。さらにこのブースタは、発生した欠点を最適に補償するために、最適に駆動制御されてはいない。

本発明の課題、解決手段、利点
それゆえ本発明の課題は、ブースタの最適な作動を可能にして、燃料吐出ポンプの最大吐出量を増加させると同時に、ブースタによって生じる電力損失を最小化する方法を提供することである。

この方法に関する課題は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。

本発明の実施例は、流体吐出ポンプと、電圧マニピュレータと、電気モータとを備えた流体搬送システムを作動させる方法に関しており、ここでの流体搬送システムは、電源網に統合されており、電気モータは、当該電気モータに印加される電圧によって駆動制御可能であり、電圧マニピュレータは、電気モータに前置接続されており、ここでは以下のステップが実行される。すなわち、
所望の流体吐出量を求めるステップと、
所望の流体吐出量を搬送するための流体吐出ポンプの所要の回転数を求めるステップと、
流体吐出ポンプの所要の回転数を達成するための所要の電圧を求めるステップと、
所要の電圧を達成するために電圧マニピュレータを作動させるステップと、が実行される。

流体搬送システムは、特に、燃料を、燃料タンクから内燃機関に搬送する燃料搬送システムであってもよい。その上さらに、とりわけ液圧回路もしくは油圧回路への適用も可能である。

電圧マニピュレータは、電圧に作用することのできる電子部品である。電圧マニピュレータは、単一の部品で構成されていてもよいし、あるいは複数の組み合わされた構成要素から構成されていてもよい。電圧マニピュレータの駆動制御は、例えば制御機器を介して行うことができる。電圧マニピュレータとしては、電気信号の増幅および／または減衰に用いるいわゆるブースタを使用することができる。ここでは、電圧レベル自体のみが変更可能であり、あるいは例えば信号のスイッチング周波数を変更することもできる。電圧マニピュレータは、能動的に電圧に作用し、それによって例えば電圧の増加または減少を生じさせるために作動可能である。代替的に、電圧マニピュレータの作動により、付加的に、または電圧の増加および／または減少の代わりに、さらなる機能を達成することもできる。例えば、電圧マニピュレータは、電源網のスイッチング周波数のためのフィルタとして作用することができる。

電源網を用いて、１つまたは複数のコンポーネントからの切り換えが、例えば制御機器、エネルギー源およびアクチュエータからの切り換えが意図される。このことは、例えば自動車の搭載電源網によって構成することができる。流体搬送システムの電気モータは、その回転数が制御できるように電源網に接続されている。電気モータの回転数と、それに伴い当該電気モータに接続された流体吐出ポンプの回転数も、当該流体吐出ポンプの流体吐出量を決定する重要な基準である。所定の所望の吐出量を搬送するためには、流体吐出ポンプのある特定の決定可能な回転数レベルが必要である。この所望の回転数レベルは、電気モータに適切な電圧を印加することを介して達成することができる。

電圧マニピュレータは、好ましくは、電気モータにおいて適切な電圧レベルを生成するために使用することができる。これにより、十分な流体吐出量が保証され得る。

燃料搬送システムは、印加される電圧によっても、回転数の設定によっても、駆動制御することができる。しかしながらこの場合、印加される電圧と、燃料吐出ポンプにおいて生じる回転数との間には、それぞれの燃料搬送システムと作動条件とに依存した関係が存在する。また好ましくは、回転数を介して駆動制御される燃料搬送システムにおいても、所定の回転数を達成するために燃料吐出ポンプに印加されなければならない電圧が求められる。

特に好ましくは、電圧マニピュレータは、流体吐出ポンプの所定の回転数の達成に必要な電圧が予め定められた電圧範囲外にある場合に作動される。

電源網は、通常は、所定の電圧レベルで作動される。そのため、電源網から電気モータに印加できる電圧は制限される。これによって、可能な最大回転数も制限される。なぜなら可能な最大回転数は電気モータへの電圧に直接依存するからである。流体吐出量を保証するために、電源網内の最大電圧を上回る電圧が必要になる回転数が必要とされる場合には、この回転数は、電圧の変更なしで達成することはできない。電圧マニピュレータは、最終的に電源網の最大電圧を超える電圧を電気モータにおいて発生させるために、電源網の電圧を適切に変更させることができる。そのため電圧マニピュレータは、電圧増幅器として機能し得る。

逆のケースでは、電圧を、電源網から提供することのできないレベルに下げるために電圧マニピュレータを使用することもできる。このことは特に、残りの電源網の電圧を、例えば他の負荷がより高い電圧レベルを必要とするため、不要なまでにさらに引き下げる必要性を生じさせないため有利である。それにより、電気モータに結果として非常に低い回転数を生じさせる非常に低い電圧を印加することができるようになり、それに対して残りの電源網の電圧は実質的に不変のままである。

電圧マニピュレータなしの適用では、回転数の低減は、代替的に例えば、電気モータの駆動制御に用いられるパルス幅変調信号の変調周波数の低減によって達成することができる。しかしながらこれは、所定の限界値を下回る変調周波数の引き下げによって不都合な音響効果が引き起こされる可能性があるので好ましくない。

予め定められた電圧範囲は、好ましくは電源網の電圧レベルによって決定される。

好ましい一実施例は、次のことによって特徴付けられる。すなわち電源網は、所定の電源網電圧によって作動され、この場合電気モータを駆動制御する電圧は、電圧マニピュレータによって、電源網電圧を下回るレベルに引き下げ可能である。このことは、電気モータとひいては流体吐出ポンプの利用可能な回転数範囲を総体的に拡張させるために有利である。電圧マニピュレータは、ここでは信号減衰器として機能する。このことは、電源網が、一時的にのみ制限されるかまたは持続的に電源網に印加される非常に高い電圧で作動される場合に特に有利である。このことは、例えば定期的に著しく高い電源電圧を有する電気自動車にあてはまる。特に回生モード中、つまり電気自動車の走行動作から電気エネルギーを回収している間は、非常に高い電圧レベルが電源網において生じ得る。

また好ましくは、電源網は、所定の電源網電圧によって作動され、この場合電気モータを駆動制御する電圧は、電圧マニピュレータによって、電源網電圧を上回るレベルに引き上げ可能である。ここでは、電圧マニピュレータは、特に信号の電圧レベルを、電源網の電圧レベルよりも引き上げる信号増幅器として機能し、これによって、電気モータとひいては流体吐出ポンプにおいても、より高い回転数を生成することができるようになる。流体吐出ポンプの使用帯域幅は、これによって上方へ拡大可能になる。なぜならこの電圧増幅により、より高い回転数での動作が可能になるからである。電気モータおよびひいては流体吐出ポンプの回転数範囲は、これによって拡大される。先に既に前述した手段により、残りの電源網の電圧レベルを下回って電圧を引き下げることができ、それにより回転数範囲は、総体的に上方にも下方にも拡大され得る。

その上さらに好ましくは、電圧マニピュレータが電気モータと残りの電源網との間のフィルタとして作用する。

フィルタは、特に使用される信号のスイッチング周波数において、電圧マニピュレータの前後で相互に分離させて差を保つためには特に好ましい。例えば好ましくは、残りの電源網のスイッチング周波数は、電圧マニピュレータと電気モータとの間のスイッチング周波数よりも著しく高い。この残りの電源網は、例えば約５００ｋＨｚのスイッチング周波数で作動させることができ、これにより、当該電源網の減衰またはフィルタリングは、著しく低いスイッチング周波数の場合よりも簡単な構成素子と少ないコストで行うことができる。しかしながらそれにもかかわらず、電圧マニピュレータは、電気モータが、例えば２０ｋＨｚから２５ｋＨｚのもとで存在し得る著しく低いスイッチング周波数で駆動制御されるように設計されていてもよい。この電圧マニピュレータにより、２つのスイッチング周波数領域の簡単な分離が達成され得る。

さらに好ましくは、流体搬送システムは、電圧マニピュレータにより、駆動制御信号のスイッチング周波数に関して残りの電源網から切り離され、ここでは電圧マニピュレータと電気モータとの間で、電源網と電圧マニピュレータとの間よりも低いスイッチング周波数が優勢である。このことは、電源網の簡単なフィルタリングおよび／または減衰を可能にさせるのに有利である。一方それにもかかわらず電気モータには、可及的に最適なスイッチング周波数を有する駆動制御信号が印加可能である。

また合目的的には、電圧マニピュレータによって電気モータに出力された電圧は、残りの電源網の電圧に相当し、ここでは電気モータと電圧マニピュレータとの間のスイッチング周波数は、残りの電源網のスイッチング周波数とは異なっている。このことは、さもなければ電圧レベルが不変のままである場合にも、スイッチング周波数の切り離しが達成されるので有利である。

その上さらに好ましくは、電圧マニピュレータは、電気モータの駆動制御信号のスイッチング周波数と、残りの電源網のスイッチング周波数との間の減衰器として用いられる。電圧マニピュレータの減衰機能は、電圧マニピュレータに後置接続された分岐と、残りの電源網との可及的に広範な切り離しを達成するために有利である。

さらに合目的的には、電圧マニピュレータがブースタによって形成され、この場合このブースタは、ＺＥＴＡ原理またはＳＥＰＩＣ原理またはＢＵＣＫ原理またはＢＯＯＳＴ原理に従って構築されている。これらの前記原理は、従来技術において公知であり、電圧マニピュレータに対する適切な構築パターンを表している。

また好ましくは、電圧マニピュレータによって生成されかつ電気モータに導入される電圧は、流体吐出ポンプの所定の回転数の達成のために必要な電圧もしくは所望の流体吐出量の搬送のために必要な電圧に厳密に相当する。このことは、流体搬送システムの可及的にエネルギー効率の良い作動を可能にするため有利である。

電圧マニピュレータの使用により、より小型に設計仕様され、特にエネルギー的に最適化されている流体吐出ポンプを使用することが可能になる。通常のケースでは、この流体吐出ポンプは、エネルギー的に最適な範囲で動作することができ、必要に応じて電圧マニピュレータの使用により、より高い回転数レベルに引き上げることができる。電圧マニピュレータの使用によって必然的に生じる効率損失は、残りの電源網を、特に電気モータに前置接続された電力モジュールを、特に最適な範囲で作動させることによって補償することができ、これによって総体的にエネルギー効率の良い作動が可能である。

その上さらに合目的的には、電圧マニピュレータと電気モータとの間に、ブロック整流用の電力モジュールが配置されており、ここでは電力モジュールは、９０％〜１００％のデューティ比で作動し、電気モータの回転数は、電圧マニピュレータにより出力された電圧によって制御される。特に好ましい、電力モジュールにおけるデューティ比は、約１００％である。

電気モータのブロック転流は、電力モジュールを介して達成され、これによって特にブラシレス直流モータを有利に動作させることができる。この電力モジュールは、異なるデューティ度もしくはデューティ比で作動することができ、ここでのデューティ比は、電力モジュールから出発する、パルス持続時間と、パルス周期持続時間との間の比を示す。エネルギー的に最適な作動を達成するために、デューティ比は可及的に高い場合が、理想的には１００％である場合が有利である。１００％のデューティ比で作動させることにより、特に生じた電力損失は、その低減により最適化することができる。

前置接続された電圧マニピュレータなしでの適用では、電気モータの回転数制御は、電力モジュール内のデューティ比の変更によって行うことができる。しかしながらその際には、低いデューティ比に基づいてエネルギー的に不利な作動状況が発生する可能性がある。なぜならこの範囲の電力モジュールは高い電力損失を発生するからである。電力モジュールによる電力損失を可及的に僅かに維持するためには、電力モジュールの作動を可及的に高いデューティ比で達成することが有利である。電圧マニピュレータの前置接続により、電気モータの回転数の変更を、電力モジュールの高いデューティ比がそのまま維持される場合でも達成することができる。

既に前述した、電圧マニピュレータと電気モータとの間の区間からの残りの電源網の切り離しにより、特に、残りの電源網のスイッチング周波数とは異なるスイッチング周波数で、電力モジュールを作動させることも可能である。このことは、電力モジュールも、残りの電源網も、それぞれ最適なスイッチング周波数で作動させることができるため、特に有利である。

本発明の好適な発展形態は、従属請求項および以下の図面の説明に記載される。

以下では、本発明を実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。

当該方法の方法ステップを説明するためのブロック図 残りの電源網と、電圧マニピュレータと電気モータとの間の区間と、における電圧マニピュレータによる周波数領域の分離を説明するためのブロック図

発明の好ましい実施形態
図１は、本発明による方法の個々の方法ステップを説明するためのブロック図１を示す。

ブロック２では、所望の流体吐出量が決定される。これは、例えば適切なセンサシステムを介して、または制御機器からの設定によって行うことができる。この流体吐出量は、流体搬送システムのケースでは、定期的にモータ制御機器内で厳密に把握され、これによって値として提供することができる。

ブロック３では、求められた流体吐出量から、相応する流体量の搬送のために流体吐出ポンプを回転させなければならない回転数が求められる。この目的のために、付加的にさらなる値、例えば、流体搬送システム内の圧力、搬送すべき流体の温度または搬送すべき流体の粘度などの値が取り入れられる。それぞれの構造的実施形態によって定められる流体搬送システムの特性は、回転数の算出に含ませることができる。

ブロック４は、流体吐出ポンプを駆動する電気モータを、求められた回転数で回転させ得るために必要な電圧を求めるために用いられる。電気モータの回転数は、とりわけ特に、電気モータに印加される電圧の変更によって決定することができる。

最後にブロック５では、電圧マニピュレータが、電圧の引き上げもしくは引き下げを達成すべく電圧信号の信号振幅に作用するように作動される。その結果として、電気モータの回転数の引き上げもしくは引き下げが生じる。特に好ましくは、電圧マニピュレータは、自身に導入される電圧を上回る値もしくは下回る値へ、電圧を変化させることもできる。また電圧マニピュレータの作動により、その際の振幅を増減少させることなく電圧のスイッチング周波数の変更のみを達成することもできる。

図２は、電圧マニピュレータ７と、電気モータ８との相互接続を示すブロック図６を示している。電圧マニピュレータ７の左方には、残りの電源網が示されている。この残りの電源網は、例えば電圧源、制御機器および他の負荷を含み得る。

電圧マニピュレータ７の右方には、電圧マニピュレータ７が電力モジュール１０と導電的に接続されている電気的区間９が示されている。電力モジュール１０は、電圧マニピュレータ７によって出力された電圧もしくは電圧信号のブロック整流に用いられる。例えばブラシレス直流モータは、このブロック整流により駆動制御可能である。

電圧マニピュレータ７と電力モジュール１０との間には、フィルタ１１が配置されており、このフィルタ１１は、電圧マニピュレータ７によって出力された電圧のフィルタリングに用いられる。

電圧マニピュレータ７は、好ましくは、複数の電気的および／または電子的要素からなる回路で構成されたいわゆるブースタである。このブースタは、従来技術において公知の様々な原理に従って構築されていてもよい。

特に好ましくは、電圧マニピュレータ７によって、左方に示される残りの電源網と、電圧マニピュレータ７と電気モータ８との間の区間９との間の周波数分離が引き起こされ得る。電気モータ８への区間９は、好ましくは約２０ｋＨｚのスイッチング周波数で作動し、それに対して、残りの電源網は、それよりも大幅に高い例えば５００ｋＨｚのスイッチング周波数で作動する。

符号１２によってさらなるフィルタが示されており、このさらなるフィルタは、電圧マニピュレータ７より前の残りの電源網から到来する電圧および電圧信号のフィルタリングを可能にする。

図１および図２の実施例は、特に、限定すべき特徴は何も有しておらず、ただ本発明の考察の明確化に用いられているだけである。特にブロック７によって示される電圧マニピュレータは、非常に多岐多様な方法で構成されていてもよい。また図２に示されているような電気モータ８の接続も、単なる例示にすぎず、代替的な実施形態を排除するものではない。

Claims (12)

1. 流体吐出ポンプと、電圧マニピュレータ（７）と、電気モータ（８）とを備えた流体搬送システムを作動させる方法であって、
   前記流体搬送システムは、電源網に統合されており、前記電気モータ（８）は、当該電気モータ（８）に印加される電圧によって駆動制御可能であり、前記電圧マニピュレータ（７）は、前記電気モータ（８）に前置接続されている、方法において、
   所望の流体吐出量を求めるステップと、
   前記所望の流体吐出量を搬送するための前記流体吐出ポンプの所要の回転数を求めるステップと、
   前記流体吐出ポンプの前記所要の回転数を達成するための所要の電圧を求めるステップと、
   前記所要の電圧を達成するために前記電圧マニピュレータ（７）を作動させるステップと、が実行されることを特徴とする方法。
2. 前記電圧マニピュレータ（７）は、前記流体吐出ポンプの所定の回転数の達成に必要な電圧が予め定められた電圧範囲外にある場合に作動される、請求項１記載の方法。
3. 前記予め定められた電圧範囲は、前記電源網の電圧レベルによって決定される、請求項２記載の方法。
4. 前記電源網は、所定の電源網電圧によって作動され、前記電気モータ（８）を駆動制御する電圧は、前記電圧マニピュレータ（７）によって前記電源網電圧を下回るレベルに引き下げ可能である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記電源網は、所定の電源網電圧によって作動され、前記電気モータ（８）を駆動制御する電圧は、前記電圧マニピュレータ（７）によって前記電源網電圧を上回るレベルに引き上げ可能である、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記電圧マニピュレータ（７）は、前記電気モータ（８）と残りの電源網との間でフィルタとして作用する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記流体搬送システムは、前記電圧マニピュレータ（７）により、駆動制御信号のスイッチング周波数に関して前記残りの電源網から切り離され、ここで前記電圧マニピュレータ（７）と前記電気モータ（８）との間で、前記電源網と前記電圧マニピュレータ（７）との間よりも低いスイッチング周波数が優勢である、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記電圧マニピュレータ（７）によって前記電気モータ（８）に出力された電圧は、前記残りの電源網の電圧に相当し、ここで前記電気モータ（８）と前記電圧マニピュレータ（７）との間のスイッチング周波数は、前記残りの電源網のスイッチング周波数とは異なっている、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記電圧マニピュレータ（７）は、前記電気モータ（８）の前記駆動制御信号のスイッチング周波数と、前記残りの電源網のスイッチング周波数との間の減衰器として用いられる、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記電圧マニピュレータ（７）はブースタによって形成され、前記ブースタは、ＺＥＴＡ原理またはＳＥＰＩＣ原理またはＢＵＣＫ原理またはＢＯＯＳＴ原理に従って構築されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記電圧マニピュレータ（７）によって生成されかつ前記電気モータ（８）に導入される電圧は、前記流体吐出ポンプの所定の回転数の達成のために必要な電圧もしくは所望の流体吐出量の搬送のために必要な電圧に、厳密に相当する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 前記電圧マニピュレータ（７）と前記電気モータ（８）との間に、ブロック整流用の電力モジュール（１０）が配置されており、前記電力モジュール（１０）は、９０％〜１００％のデューティ比で作動し、前記電気モータ（８）の回転数は、前記電圧マニピュレータ（７）により出力された電圧によって制御される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。

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