JP3559477B2 - 電気的な電圧供給装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相巻線を有するジェネレータ（例えば三相交流発電機）が設けられている電気的な電圧供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に必要な電気エネルギを形成するために、通常はクローポールジェネレータが使用される。この種のクローポールジェネレータは三相交流発電機であり、その出力電流はダイオードのブリッジ回路を介して整流される。整流された電流は車両の電気的負荷に給電し、バッテリに充電するために使用される。クローポールジェネレータの出力電圧は電圧制御回路を用いて制御され、ジェネレータの回転数に無関係にほぼ一定である。制御すべき電圧のレベルは通常、バッテリを充電するのに最適な値に選定される。
【０００３】
複数の負荷を有する搭載電源では、通常ジェネレータから送出される１４Ｖの電圧がエネルギ供給には充分でないという問題が存在する。通常、負荷は１２Ｖないし１４Ｖより高い電圧を必要とする搭載電源側に存在するので、１２Ｖないし１４Ｖより高い電圧へ制御されるジェネレータを使用することが知られている。例えばヨーロッパ特許出願公開第０３２５２０５号明細書では、車両に搭載されている搭載電源のジェネレータを４８Ｖに制御し、この高い電圧から通常の１２Ｖないし１４Ｖの電源電圧を電圧トランスを用いて導出することが提案されている。この公知の車両の搭載電源ではメインバッテリとして高電圧バッテリが使用され、この高電圧バッテリはジェネレータから送出される４８Ｖの電圧によって充電される。低い給電電圧を有する負荷には保護コンデンサが配属され、これにより変換された電圧が安定化される。この公知の手段にはメインバッテリとして従来の１２Ｖの公称電圧を有するバッテリに代えて、４８Ｖの電圧に適したバッテリを使用しなければならない欠点が存在する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、相巻線を有するジェネレータを備えた電気的な電圧供給装置を提供して、高い電圧を安定して使用できるようにすることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、第１の搭載電源の電圧は第２の搭載電源の電圧よりも低く、ジェネレータが電力を送出しない場合に第１の搭載電源に配属されているバッテリとジェネレータとが第１のスイッチを介して接続され、電圧を上昇させる昇圧器のかたちの電圧変換器が設けられており、この電圧変換器は少なくとも１つの駆動可能なスイッチング素子を有しており、このスイッチング素子は相巻線と共働して巻線が短絡しているときに磁気エネルギをジェネレータにチャージすることにより電圧上昇を行う構成により解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１の特徴部分に記載の構成を有する電気的な電圧供給装置は、メインバッテリとして従来の１２Ｖのバッテリを使用でき、ジェネレータは約１４Ｖの出力電圧へ制御することができ、また搭載電源に対しては高い電圧が使用可能となる利点を有する。このようにして高い電圧を有する搭載電源を構成することができる。
【０００７】
特に有利には、ジェネレータの停止時にも高い電圧を有する搭載電源からエネルギを取り出すことができる。このためにバッテリの電圧をより高い電圧へ変換する直流電圧変換器が設けられている。この種の直流電圧変換器（ＤＣ／ＤＣ変換器）で必要とされる誘導性の構成素子は、特に有利にはジェネレータ自体であり、ジェネレータの相インダクタンスは昇圧器として動作する直流電圧変換器のためのチョークとして用いられる。
【０００８】
バッテリには従来の搭載電源の負荷が接続されるので、本発明の電気的な電圧供給装置を用いて、有利には従来の電圧での搭載電源と高い電圧での搭載電源とから成る車両の電源回路網を構成することができる。従来の負荷およびバッテリに給電するために、有利には約１４Ｖの出力電圧へ制御される固有の発電機を使用することができる。
【０００９】
ジェネレータの接続は有利には要求または条件に適合するように調整可能である。有利にはこのジェネレータを星形回路で作動させて、相インダクタンスを直流電圧変換器のために利用することができる。またジェネレータを三角回路で作動させて、付加的な回路手段に当てることもできる。いずれの場合にも、ジェネレータと電源バッテリおよび搭載電源の負荷との有利な配置ないし接続が高い電圧で保証され、搭載電源の負荷にはジェネレータの停止時にも電圧が供給される。ジェネレータの整流ブリッジ回路を有利には従来のように構成することができる。この場合昇圧器を接続しなくてはならないが、これは整流ブリッジ回路であってもよいし、または昇圧器の構成素子そのものを含んでいてもよい。その際に個々の整流ブリッジ回路の素子は電界効果トランジスタによって置換される。
【００１０】
本発明を以下にクローポールジェネレータに即して説明する。基本的に本発明の電気的なエネルギ供給装置は任意のジェネレータを用いて、すなわち相インダクタンスの数に無関係に構成することができるが、ここでは３つ以下または３つ以上の相インダクタンスを有するジェネレータを考慮する。
【００１１】
【実施例】
本発明の実施例を図１から図３に示し、以下に詳細に説明する。同じ構成素子には基本的に同じ参照番号が付されている。
【００１２】
図１には本発明の第１の実施例が示されている。図示されない内燃機関によって駆動されるジェネレータ１０は、第２の搭載電源１４の４２Ｖ側の第２の負荷Ｒ５の給電に必要な電気エネルギを送出する。ジェネレータ１０は例えば３つの相巻線を有するクローポールジェネレータであり、このジェネレータは電圧制御回路Ｒによって励磁巻線Ｅを流れる電流を周知のように制御することにより所望の出力電圧へ制御される。ここではジェネレータ１０のうち単に相インダクタンスＸ１、Ｘ２、Ｘ３および相巻線の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が示されているのみである。生じる相電圧はＵＰ１、ＵＰ２、ＵＰ３で示されている。ジェネレータ１０の相巻線の接続は図１の実施例では星形接続の回路である。星形回路の共通の接続点は第１のスイッチＳ１を介して１２Ｖの第１の搭載電源１１へ接続することができる。１２Ｖの第１の搭載電源１１のうち、ここでは単に電源バッテリＢ、第２のスイッチＳ２および第１の負荷Ｒ４が示されている。１２Ｖの第１の搭載電源１１はＵＢ１＝１２Ｖの公称電圧を有する全ての負荷を含んでいる。
【００１３】
ジェネレータ１０に周知のように整流ブリッジ回路１２が接続されており、この整流ブリッジ回路１２は６つのダイオードＤ１〜Ｄ６を有する。理論的にはダイオードＤ１〜Ｄ６に代えてツェナーダイオードを使用することもできる。昇圧器として構成された直流電圧変換器１３は整流ブリッジ回路１２に接続されており、これはスイッチＳ、ダイオードＤ、およびコンデンサＣを有する。コンデンサＣで高い電源電圧Ｂ２を取り出すことができ、この電圧は例えば４２Ｖである。電源電圧ＵＰ２は第３のスイッチＳ３を介して第２の負荷Ｒ５に供給することができる。通常はバッテリなしで構成されている４２Ｖの第２の搭載電源１４のうち、第３のスイッチＳ３および１つの負荷Ｒ５のみが示されているが、この搭載電源は複数の負荷を有していてもよく、所望に応じて高い電圧をこれに供給することもできる。
【００１４】
電気的な電圧供給装置の図１に示される実施例によれば、１４Ｖまたは１２Ｖの第１の電圧レベルと４２Ｖまたは３６Ｖの第２の電圧レベルとの２つの部分から成る搭載電源を実現することができる。このような搭載電源では、従来の負荷には１２Ｖで給電し、特定の負荷に３６Ｖで給電することができる。ただ１つのバッテリＢのみを使用するので、第２の搭載電源側の第２の負荷にジェネレータの停止時にもエネルギが供給されることが保証される。電気的なエネルギはバッテリＢからジェネレータ１０を介して送出され、昇圧器として構成された電圧変換器１３により要求される電圧レベルへ変換される。
【００１５】
直流電圧変換器１３（ＤＣ／ＤＣ変換器）は付加的な誘導性の構成素子を必要としないので、ジェネレータ１０の相インダクタンスＸ１、Ｘ２、Ｘ３を昇圧器に対するチョークとして同時に利用することができる。ジェネレータ１０はこのために星形回路となるように接続されている。
【００１６】
本発明の電気的な電圧供給装置の図１に示されている実施形態によれば、ジェネレータの停止時、およびジェネレータが電力を送出できない程度に回転数が低い場合にも、第１のスイッチＳ１が閉成されることにより、４２Ｖの第２の搭載電源での給電電圧が保証される。このために電圧変換器１３がバッテリＢ１に対して設けられており、この電圧変換器はジェネレータの出力側でバッテリＢのジェネレータインダクタンスにより必要な電力を取り出すことができ、第２の搭載電源１４に高い電圧レベルを供給できる。このためには周知のように電圧変換器１３のスイッチＳが必要とされ、このスイッチＳの制御は例えば電圧制御回路によって行われる。ジェネレータが回転し始めると、このジェネレータは電圧を形成する。この電圧は星形接続点ＳＰでバッテリ電圧に重畳される。４２Ｖの搭載電源１４の消費電力は一部はバッテリから、一部はジェネレータから送出される。ジェネレータの回転数が上昇して４２Ｖの搭載電源の電力を完全にカバーできるようになると、バッテリＢと星形接続点ＳＰとの接続はスイッチＳ１が開放されることにより遮断される。第１のスイッチＳ１を機械的なスイッチとして構成してもよいし、また電子的なバルブとして構成してもよい。第１のスイッチＳ１に代えてダイオードＤ７を用いてもよい。ジェネレータの相電圧ＵＰ１、ＵＰ２、ＵＰ３がバッテリの公称電圧例えば１２Ｖを越えて上昇する場合には、ダイオードが阻止される。その場合にはバッテリＢはもはやジェネレータの星形接続点ＳＰを介して４２Ｖの第２の搭載電源１４へ電力を送出しない。２つの電源はこの場合にはダイオードＤ７を介して分離されている。
【００１７】
ジェネレータ相電圧ＵＰ１、ＵＰ２、ＵＰ３がジェネレータ回転数の低下により再び１２Ｖ以下に低下すると、ダイオードＤ７を介して再びエネルギが４２Ｖの第２の搭載電源へ送出される。昇圧器として構成される電圧変換器１３の入力側の電圧はこれによりダイオード電圧を除いてバッテリ電圧の下方へは低下しない。これにより電圧変換器の入力電圧が常に、電圧変換器の信頼性の高い動作を保証する所定の値を有することが確実になる。
【００１８】
電圧変換器１３のコンデンサＣは通常この昇圧器内で変換される電圧の平滑化に用いられる。コンデンサ１０に代えて別のバッテリＢ１を並列接続することもできるが、このバッテリは電気的な電圧供給装置の機能のためには必ずしも必要ではない。
【００１９】
図２には本発明の別の実施例が示されており、この実施例は図１に示されている実施例に比べてさらに良好な効率を有する。これはジェネレータから送出される電流を３つのパワー半導体を介してではなく、２つの半導体のみを介して供給すればよいからである。図１の実施例とは異なって、図２の実施例では、整流ブリッジ回路と電圧変換器（昇圧器）とが分離された構造を有しておらず、整流ブリッジ回路と昇圧器がまとめられて１つの整流ブリッジ回路プラス昇圧器１５となっている。このために図１の実施例の下方の３つのダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６は３つのスイッチング素子例えばＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３によって置換されている。これらの３つのスイッチング素子は並列に制御され、これにより図１の昇圧器１３のスイッチＳと同様の機能が得られる。共通の制御回路により簡単な駆動制御手法が得られる。図１の昇圧器のダイオードＤは、整流ブリッジ回路の上方の３つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３がその機能を引き受けるので省略することができる。トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３の駆動制御は、ジェネレータの出力電圧を制御する電圧制御回路の制御部によって行うことができる。ただしこの駆動制御を車両の他の制御装置によって行うこともできる。
【００２０】
３つのスイッチ素子が閉成される場合、すなわち３つのＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３が駆動される場合、ジェネレータは短絡されている。ジェネレータインダクタンスまたは個々のインダクタンスＸ１、Ｘ２、Ｘ３に磁気エネルギがチャージされる。スイッチが再び開放されると、磁気的に蓄積されたエネルギは上方の整流ブリッジ回路ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３を介して４２Ｖの搭載電源１４へ給電される。ジェネレータインダクタンスは実際には昇圧器のチョークとして作用する。ＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３を、ジェネレータの分離または短絡の可能な他の適切なスイッチング素子によって置換することもできる。
【００２１】
図３には本発明の第３の実施例が示されている。この実施例は第２の実施例とは異なり、ジェネレータ１０が星形回路に接続されているのではなく、三角回路となるように接続されている。さらにスイッチＳ１とジェネレータ１０との間にダイオードＤ８が存在する。スイッチＴ１〜Ｔ３の駆動制御は図２の実施例での駆動制御とは異なる。
【００２２】
図３に示された電気的な電圧供給装置を用いて、ジェネレータの停止時にも同様に４２Ｖの搭載電源の給電を１２Ｖの搭載電源から行うことができる。このためにジェネレータのインダクタンスは昇圧器の作動のためにも使用される。バッテリＢが昇圧器へ給電している場合、すなわち第１のスイッチＳ１が閉成されていて、ジェネレータがバッテリ電圧よりも高い電圧を送出するのに充分な回転数を有さない場合には、整流ブリッジ回路のスイッチング素子Ｔ３は駆動されない。このスイッチまたは電界効果トランジスタＴ３は、バッテリに接続された外側の導波路に配置されている。電界効果トランジスタＴ３が駆動されてしまうと、１２Ｖ側で短絡が発生する。ジェネレータが４２Ｖ側を給電するのに充分な回転数に達した場合には第１のスイッチＳ１を開放して、１２Ｖ側と整流ブリッジ回路プラス昇圧器１５とを分離しなければならない。このときスイッチング素子Ｔ３を同様に駆動することができる。別の作動法は図１の実施例で説明された方法に対応する。スイッチの駆動制御は電圧制御回路を介して行われる。
【００２３】
図１、図２、図３に示された本発明の３つの実施例は例えば、２つの電圧を有する搭載電源で使用可能である。この場合公称電圧ＵＢ１＝１２Ｖでの従来の第１の搭載電源１１は第４のスイッチＳ４を介してバッテリＢ、ひいては第１の負荷に充電することのできる固有の発電機Ｇ（参照番号１６）を有している。バッテリなしの４２Ｖの第２の搭載電源側の第２の負荷Ｒ５は、具体的な適用分野では電磁バルブ制御回路であり、大きな必要電力を有する。通常の動作では従来の第１の搭載電源に固有の発電機ＧがバッテリＢの充電と１４Ｖ側の給電とに用いられ、４２Ｖのジェネレータ１０は電磁バルブ制御回路の給電に用いられる。このジェネレータには昇圧器が後置接続されており、回転数が小さい場合にも必要な４２Ｖの電圧を形成することができる。回転数が大きい場合には昇圧器は作動されない。ジェネレータ１０の無負荷電圧は４２Ｖよりも大きく、直接に４２Ｖの搭載電源へ給電できる。内燃機関のスタート過程では４２Ｖのジェネレータは低い回転数のために出力電圧を有さない。電磁バルブ制御回路はスタート過程においてすでにバルブの操作のためにエネルギを必要とするので、４２Ｖの電源がスタート時にエネルギを送出して、バルブ制御をスタート直後から行えることが重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０ ジェネレータ
１１ １２Ｖの第１の搭載電源
１２ 整流ブリッジ回路
１３ 電圧変換器
１４ ４２Ｖの第２の搭載電源
１５ 整流ブリッジ回路プラス昇圧器
１６ 第１の搭載電源に固有の発電機
Ｓ１ 第１のスイッチ
Ｓ２ 第２のスイッチ
Ｓ３ 第３のスイッチ
Ｓ 昇圧器のスイッチ
Ｒ４ 第１の負荷
Ｒ５ 第２の負荷

Claims (8)

1. 第１の搭載電源および第２の搭載電源を有しており、
   第１の搭載電源はバッテリを含み、該バッテリに第１の負荷が接続され、
   ジェネレータ、例えば３相交流発電機の１つまたは全ての相巻線の一方側に第１の搭載電源が接続され、各相巻線の他方側に整流ブリッジ回路および電圧変換器を介して第２の搭載電源が接続されている、
   電気的な電圧供給装置において、
   第１の搭載電源（１１）の電圧は第２の搭載電源（１４）の電圧よりも低く、
   ジェネレータ（１０）が電力を送出しない場合に第１の搭載電源（１１）に配属されているバッテリ（Ｂ）とジェネレータ（１０）とが第１のスイッチ（Ｓ１）を介して接続され、
   電圧を上昇させる昇圧器のかたちの電圧変換器（１３）が設けられており、該電圧変換器は少なくとも１つの駆動可能なスイッチング素子を有しており、該スイッチング素子は相巻線と共働して巻線が短絡しているときにジェネレータに磁気エネルギをチャージすることにより電圧上昇を行う
   ことを特徴とする電気的な電圧供給装置。
2. 第１の搭載電源（１１）はバッテリ（Ｂ）を含み、第２の搭載電源（１４）に第２の負荷（Ｒ５）が接続され、該第２の搭載電源はバッテリ（Ｂ）の公称電圧に比べて著しく高い電圧を有する、請求項１記載の電気的な電圧供給装置。
3. 前記第１の搭載電源（１１）は１２Ｖの公称電圧または１４Ｖの充電電圧を有しており、前記第２の搭載電源（１４）は４２Ｖの電圧を有する、請求項２記載の電気的な電圧供給装置。
4. 前記第２の搭載電源（１４）は固有のバッテリを有さない、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気的な電圧供給装置。
5. 前記第１の搭載電源（１１）はバッテリ（Ｂ）ひいては第１ の負荷（Ｒ４）に給電する固有の発電機（１６）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気的な電圧供給装置。
6. 昇圧器として構成された電圧変換器（１３）は、整流ブリッジ回路（１２）に並列に配置されたスイッチ（Ｓ）と、ダイオード（Ｄ）と、コンデンサ（Ｃ）とを有しており、ダイオードおよびコンデンサの直列回路はスイッチ（Ｓ）および整流ブリッジ回路（１２）に並列に配置されており、チョークとしてジェネレータ（１０）の相インダクタンス（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）が使用される、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気的な電圧供給装置。
7. 星形接続点（ＳＰ）とバッテリ（Ｂ）との間の第１のスイッチ（Ｓ１）はジェネレータ（１０）の電圧がバッテリ電圧よりも小さい場合に閉成され、ジェネレータ（１０）で誘導される磁極回転電圧がバッテリ電圧よりも大きい場合に開放される、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気的な電圧供給装置。
8. 整流ブリッジ回路（１２）は制御可能な３つのスイッチング素子、例えばＭＯＳ電界効果トランジスタ（Ｔ１〜Ｔ３）を有しており、該スイッチング素子は並列に駆動され、昇圧器のスイッチ（Ｓ）の機能を引き受ける、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気的な電圧供給装置。

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