JP4361935B2 - エネルギー蓄積器間の双方向均等充電のためのスイッチングデバイス及びその作動方法 - Google Patents
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Description
これまでの自動車においては、14Vの電源網電圧を備えた搭載電源網システムが用いられてきており、そこでは12Vの蓄電池用の充電電圧が実現可能である。そのため最大限可能な送出電力は、技術的な理由から2kWに抑えられている。さもないと搭載電源網に過電流が流れるからである。14Vの搭載電源電圧ではスタータージェネレータが内燃機関の始動や電気的負荷への走行中の給電をまかなっているが、しかしながらブースト(加速)機能や再生機能(回生ブレーキ)などのさらなる機能に対しては2kW以上の電力が必要とされる。これらの電力は、自動車の搭載電源網においてより高い電圧と大きな電力を用いない限りは達成することができないものである。それ故将来的な搭載電源網システムは、例えば42V程度の高い電圧(これは36Vの蓄電池の充電電圧に相当する)を備えることが考えられ、これによれば同じ電流のもとで約3倍の電力を得ることが可能である。
−ブースト(加速)機能:自動車の加速フェーズ中の内燃機関のトルク支援。ISGは約200Nmの最大トルクを有しており、これはほぼ2000ccクラスの内燃機関のトルクに匹敵する。ブースト過程中はこのトルクの約10秒〜15秒の供給に対して270Aまでの電流が必要
−再生機能(回生ブレーキ):ISGは自動車の制動時に電流発生によって運動エネルギーを吸収する。その場合は30秒経過するまでに270Aまでの電流が生成される。この電流は電気エネルギーの形態で再び蓄積される−ストップ&ゴー機能(車両停止中のエンジン停止と再発進時の速やかなエンジン始動)。
それゆえ本発明の課題は、そのような二重層コンデンサから搭載電源網へ戻されるエネルギーの供給を可能にしかつ当該二重層コンデンサと搭載電源網の間の物理的な分離も可能にする、可及的に簡単な切り替え装置を提供することである。
前記課題は本発明により、請求項1の特徴部分に記載されているスイッチングデバイスによって解決される。さらに前記課題は請求項23の特徴部分に記載の本発明による自動車搭載電源網によって解決される。
本発明の基礎をなす考察は、接続スイッチとして拡張された機能を有する少なくとも1つのトランスファーゲートを利用することである。そのようなトランスファーゲートは、自動車搭載電源網と二重層コンデンサの間に設けられ、さらに二重層コンデンサとスタータージェネレータの間にも設けられる。このトランスファーゲートは、特に自動車搭載電源網と二重層コンデンサの分離と、二重層コンデンサとスタータージェネレータの接続に対して効果的な解決手段を提供し得る。トランスファーゲートは高い電流に基づいて、直列に接続されたそれぞれ2つの制御可能なパワースイッチからなる並列回路で構成されている。それらのソース端子は、それぞれ相互に接続されている。ここで重要なことは、並列に接続されたトランジスタの少なくとも1つの分岐、つまり直列回路の少なくとも1つが双方向に作動可能なスイッチングコントローラとして構成されている点である。有利にはこのスイッチングレギュレータは、ダウンワードコントローラとして構成される。トランスファーゲートの拡張された機能は、付加的なスイッチングコントローラ(この負荷パスはトランスファーゲートの負荷パスに並列に配置されている)の配設と、トランスファーゲート及びスイッチングコントローラの起動制御回路の配設によって得られる。
図1は、接続スイッチの機能が本発明による拡張されたトランスファーゲートを備えたスイッチングデバイスに置換えられた本発明による自動車搭載電源網システムの基本原理図であり、
図2は、本発明によるスイッチングデバイスに対するスイッチングコントローラによって拡張された本発明によるトランスファーゲートの簡素な実施例を示した図であり、
図3は、図2によるトランスファーゲートとスイッチングコントローラを備えた本発明によるスイッチングデバイス並びにスイッチングコントローラ及びさらなる機能ユニットの起動制御のための起動制御回路のブロック回路図であり、
図4は、チャージポンプと起動制御回路を備えた本発明によるスイッチングデバイスのトランスファーゲートの詳細な回路図であり、
図5は、本発明によるスイッチングデバイスのスイッチングコントローラの詳細な回路図であり、
図6は、図5によるスイッチングコントローラに対する測定トランジスタとして構成されたパワーMOSFETの配線図であり、
図7は、図5によるスイッチングコントローラのゲート制御回路の給電のための補助電圧源を表した回路図であり、
図8は、図5によるスイッチングコントローラの制御のためのゲート制御回路の回路図であり、
図9は、極性識別機能と絶対値形成機能を備えた本発明によるスイッチングデバイスの電圧測定装置の回路図であり、
図10は、本発明によるスイッチングデバイスのシーケンス制御回路の回路図である。
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。なお全ての図面においては同じ構成要素ないし同じ機能の構成要素には(特に別の符号で示す必要がない限り)同じ符号が付されている。
第1のステップでは、スイッチングコントローラ21が第2のステップにおいて完全に閉じられる前に、当該スイッチングコントローラ21を用いて入力側22と出力側23の間の電位差Vdiffが補償調整される。
まず電圧差分Vdiff2と電圧極性Vdiff1(Vdiff2>0、Vdiff1=ハイ)が電圧測定装置37を介して測定され、制御ユニット36において評価される。
−電圧差分Vdiff2は上方の閾値よりも大きいこと。その結果としてスイッチングコントロールモードを用いた補償充電が必要となる
−電圧差分Vdiff1は正の極性を有すること。その結果としてトランジスタ27はスイッチングコントロールトランジスタとして選択され、トランジスタ28は(ここでは逆極性で作動されている)静的にスイッチオンされる。さらに電流測定信号CS2が電流測定のために選択される
−トランスファーゲート29は最初はスイッチオフ状態に維持される
−制御ユニット36によって電圧差分Vdiff2が下方の閾値よりも小さいことが確定されるべき場合には、このステップから直接以下の5番目のステップにジャンプされる。
トランジスタ27のスイッチオンの際にインダクタンス24を通る電流は上昇するため、トランジスタ28のソース側の電流とインダクタンス24からの電流を形成している電流信号CS2も同様に上昇する電圧を有する。この電流信号CS2は、上方の限界値に対して監視される。トランジスタ27の制御区間とコイル24を通って流れる負荷電流が上方の限界値に達すると、トランジスタ27は遮断される。それに対してはトランジスタ27のスイッチオン期間が第2の上方の限界値と比較される。ここにおいてインダクタンス24を流れる負荷電流がさらにフリーホイリングダイオード25を通って流れ、この場合は低減し続ける。電流信号CS2はここで負荷電流の下方の限界値に対して監視される。この負荷電流が下方の限界値に達すると、トランジスタ27は再びスイッチオンされる。インダクタンス24においては負荷電流の三角波形の特性経過が生じ、これは上方と下方の電流限界値の間で変動する。それにより、当該スイッチングコントローラ装置21の入力側22から出力側23までにおいて三角波形の電流経過特性を有する電流通流が生じる。
スイッチングコントローラ21が長期期間の間前記ステップ4に相応するスイッチングコントロールモードで作動すると、そのことに起因してスイッチングコントローラ21における差分電圧Vdiffが時間と共に低減する。それによりインダクタンス24の充電時間は同時に増加する。この充電時間が上方の所定の限界値に達するかそれを上回ると、スイッチングコントローラ21における差分電圧Vdiffが最小であることが推定される。ここにおいてスイッチングコントローラに並列に配設されているトランスファーゲート29がリスクなしで閉成でき、それによってスイッチオンされる。この目的のためにスイッチングコントローラ21のトランジスタ27はここで持続的にスイッチオンされる。信号TGonを介してトランスファーゲート29がスイッチオンされると、当該回路装置全体がここでスイッチオンされることとなる。制御ユニット36はここにおいて “Switch ON” 信号の論理レベルをローレベルからハイレベルへ切り換える。このようにして本発明に従ってスイッチオンされたスイッチングデバイスのスイッチング状態は外部へシグナリングされる。
Claims (26)
- 統合型スタータージェネレータ(2)を有する自動車搭載電源網(1)におけるエネルギー蓄積器、特に容量性のエネルギー蓄積器(6,7)の間の双方向の補償充電のためのスイッチングデバイスにおいて、
前記エネルギー蓄積器(6,7)のうちの一方に接続された第1の端子(22)と、
前記エネルギー蓄積器(6,7)のうちの他方に接続された第2の端子(23)と、
制御可能なトランスファーゲート(29)と、
双方向に作動可能でかつ制御可能なスイッチングコントローラ(21)を有しており、
前記制御可能なトランスファーゲート(29)は、直列に接続されたそれぞれ2つの制御可能なパワースイッチ(T1〜T6)からなる並列回路で形成され、前記第1及び第2の端子(22,23)の間に配設された第1の負荷電流搬送パスを有しており、
前記制御可能なスイッチングコントローラ(21)は、前記第1及び第2の端子(22,23)の間に前記第1の負荷電流搬送パスに並列に配設された第2の負荷電流搬送パスを有しており、さらに、
シーケンス制御装置(36)が設けられており、該シーケンス制御装置(36)によってスイッチングコントローラ(21)とトランスファーゲート(29)の機能が次のように制御される、すなわち、
(a)最初にスイッチングコントローラ(21)とトランスファーゲート(29)が開放され、
(b)前記スイッチングデバイス(20)入力側(22)の第1の電位(V1)と前記スイッチングデバイス(20)出力側(23)の第2の電位(V2)の間の差分電圧を求め、
(c)前記差分電圧が上方の閾値よりも大きい差分電圧(Vdiff2)を有している場合に、前記スイッチングデバイス(20)を介して降下する差分電圧(Vdiff)の低減のためにまずスイッチングコントローラ(21)がスイッチングコントロールモードで作動され、
(e)差分電圧(Vdiff)が十分に補償調整された場合には、前記スイッチングコントローラ(21)が完全に閉成され、さらにトランスファーゲート(29)がスイッチオンされるように構成されていることを特徴とするスイッチングデバイス。 - 前記スイッチングコントローラ(21)は、ダウンワードコントローラとして構成されている、請求項1記載のスイッチングデバイス。
- 前記スイッチングコントローラ(21)は、少なくとも2つの制御可能な第1のスイッチ(27,28)を有しており、該第1のスイッチ(27,28)はそれらの制御区間に対して直列に配設されており、さらに前記第1のスイッチ(27,28)のそれぞれの第1の負荷端子(S)の間には誘導性のエネルギー蓄積器(24)が設けられており、該誘導性のエネルギー蓄積器(24)の各端子はそれぞれ1つのフリーホイリングダイオード(25,26)を介して給電電位(GND)のための給電端子(39)に接続されている、請求項1または2記載のスイッチングデバイス。
- 前記第1のスイッチ(27,28)は、電流測定トランジスタ、特にセンスMOSFETとして構成されている、請求項3記載のスイッチングデバイス。
- 前記トランスファーゲート(29)は、制御可能な第2のスイッチ(T1〜T6)からなる並列回路を含み、前記第2のスイッチ(T1〜T6)の各々はその制御区間に関して相互に直列に配設され、それぞれ1つの負荷パスを規定しており、前記第2のスイッチ(T1〜T6)の制御端子(G)は相互に接続されており、前記第2のスイッチ(T1〜T6)の第2の負荷端子(D)は、第1の端子(22)に接続されているか若しくは第2の端子(23)に接続されている、請求項1から4いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記第1及び/又は第2のスイッチ(27,28;T1〜T6)はパワースイッチ、特にパワーMOSFET、nチャネル型パワーMOSFETとして構成されている、請求項3から5いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記第1及び/又は第2のスイッチ(27,28;T1〜T6)の第1の負荷端子(S)は、ソース端子(S)として構成され、第2の負荷端子(D)はドレイン端子(D)として構成されている、請求項3から6いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記トランスファーゲート(29)はゲート保護回路(40)を有しており、該ゲート保護回路(40)は前記第2のスイッチ(T1〜T6)の制御端子(G)と第1の負荷端子(S)の間に配設されており、さらに前記ゲート保護回路(40)は前記第2のスイッチ(T1〜T6)の制御端子(G)を過電圧から保護している、請求項5から7いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記トランスファーゲート(29)は遮断装置(43)を有しており、該遮断装置(43)はトランスファーゲート(29)の遮断のために前記第2のスイッチ(T1〜T6)の制御端子(G)と第1負荷端子(S)を短絡し、それに伴って前記第2のスイッチ(T1〜T6)が遮断される、請求項5から8いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記第2のスイッチ(T1〜T6)の駆動制御のためにスイッチング可能な発振器(42)、特にシュミットトリガ回路(42)が設けられており、該発振器(42)にはチャージポンプ(41)が後置接続されており、該チャージポンプ(41)は前記第2のスイッチ(T1〜T6)の制御端子(G)を制御信号を用いて駆動制御している、請求項5から9いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 少なくとも1つの電流測定装置(35,36)が設けられており、該電流測定装置(35,36)は前記第1のスイッチ(27,28)の少なくとも1つと接続されており、さらに前記電流測定装置(35,36)はそれぞれの第1のスイッチ(27,28)の負荷パスを流れる電流(I1)から導出される信号(KS11,KS22;CS11,CS22)をタッピングし、その結果に依存して電流測定信号(CS1,CS2)を自身の出力側から送出する、請求項5から10いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 少なくとも1つのゲート制御回路(30,31)が設けられており、該ゲート制御回路(30,31)の入力側はシーケンス制御装置(36)に接続されており、前記ゲート制御回路(30,31)は前記シーケンス制御装置(36)の制御信号(Ctrl1,Ctrl2)に依存して第1のスイッチ(27,28)の制御端子(S)を駆動制御している、請求項11記載のスイッチングデバイス。
- 少なくとも1つの補助電圧源(32,33)が設けられており、該補助電圧源(32,33)の入力側はそれぞれ第1又は第2の端子(22,23)に接続されており、前記補助電圧源(32,33)は第1の給電電位(GND)を有する第1の給電端子(39)と第2の給電電位(5V)を有する第2の給電端子の間に配設されており、さらに前記補助電圧源は前記ゲート制御回路(30,31)の給電のための補助給電電位(Vaux1,Vaux2)を供給する、請求項12記載のスイッチングデバイス。
- 電圧測定装置(37)が設けられており、該電圧測定装置(37)の入力側は第1及び第2の端子(22,23)に接続されており、前記電圧測定装置(37)は前記第1及び第2の端子(22,23)の間に印加される差分電圧(Vdiff)を測定し、その結果から導出される信号を出力側から送出する、請求項1から13いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記電圧測定装置(37)は第1の出力側(83)を有しており、該第1の出力側では測定された差分電圧(Vdiff)の電圧量から導出される信号(Vdiff2)がタッピング可能であり、さらに前記電圧測定装置(37)は第2の出力側(84)を有しており、該第2の出力側では測定された差分電圧(Vdiff)の極性から導出される信号(Vdiff1)がタッピング可能である、請求項14記載のスイッチングデバイス。
- さらに前記電圧測定装置(37)は入力側に差動増幅器(80)を有しており、該差動増幅器(80)は高い同相分除去機能を有しており、前記差動増幅器(80)の入力側には差分電圧(Vdiff)が入力結合され、前記差動増幅器(80)には比較器(81)が後置接続されており、該比較器(81)は前記差動増幅器(80)の出力信号を基準電位(Vref)と比較する、請求項14または15記載のスイッチングデバイス。
- 前記シーケンス制御装置(36)の入力側は電圧測定装置(37)及び/又は電流測定装置(35,36)の出力端子(83,84)と接続され、測定された電流及び電圧の評価を行っている、請求項11から16いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記シーケンス制御装置(36)はスイッチングコントローラ(21)とトランスファーゲート(29)の機能をさらに次のように制御している、すなわち、
測定された差分電圧(Vdiff)に基づいて、前記差分電圧(Vdiff)の電圧量に対する尺度として第1の電圧測定信号(Vdiff2)が生成され、前記差分電圧(Vdiff)の極性に対する尺度として第2の電圧測定信号(Vdiff1)が生成されるように制御している、請求項1から17いずれか1項記載のスイッチングデバイス。 - 前記第2の電圧測定信号(Vdiff1)が差分電圧(Vdiff)の正の極性を示している場合に、入力側(22)に接続されているトランジスタ(27)がスイッチングコントロールトランジスタ(27)として選択され、出力側(23)に接続されているトランジスタ(28)は静的にスイッチオンされて作動される、請求項14から18いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記第1の電圧測定信号(Vdiff2)が下方の閾値よりも小さい電圧差分(Vdiff2)を有している場合に、入力側に接続されているスイッチングコントローラ(21)のトランジスタ(27)が持続的にスイッチオンされ、及び/又はスイッチングコントローラ(21)に並列に配置されているトランスファーゲート(29)がスイッチオンされる、請求項14から19いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記スイッチングコントローラ(21)のインダクタンス(24)の充電時間がスイッチングコントロールモードにおいて所定の時間的な限界値を上回っている場合に、入力側に接続されているスイッチングコントローラ(21)のトランジスタ(27)が持続的にスイッチオンされ、及び/又はスイッチングコントローラ(21)に並列に配置されているトランスファーゲート(29)がスイッチオンされる、請求項14から19いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 前記スイッチングコントローラ(21)の持続的なスイッチオンの実行と前記トランスファーゲート(29)のスイッチオンのために、測定された差分電圧(Vdiff)に基づいて、差分電圧(Vdiff)が十分に小さくなった時点、ないしは出力側(23)と入力側(22)の間の補償充電が十分に進展した時点が識別される、請求項1から21いずれか1項記載のスイッチングデバイス。
- 自動車搭載電源網(1)において、
少なくとも2つのエネルギー蓄積器(6,7)と、
統合型スタータージェネレータ(2)と、
双方向に作動可能なAC/DCコンバータ(4)と、
請求項1から22いずれか1項記載の少なくとも1つのスイッチングデバイス(20)を有しており、
前記統合型スタータージェネレータ(2)は、内燃機関(3)と機械的に接続されており、
さらに前記統合型スタータージェネレータ(2)は、ジェネレータ作動モードにおいて少なくとも1つのエネルギー蓄積器(6,7)を充電し、モータ作動モードにおいては少なくとも1つのエネルギー蓄積器(6,7)内に蓄積されたエネルギーを用いて駆動可能であり、
前記AC/DCコンバータ(4)は、前記エネルギー蓄積器(6,7)と統合型スタータージェネレータ(2)の間に配設されており、
前記スイッチングデバイス(20)は、前記AC/DCコンバータ(4)のDC端子と前記エネルギー蓄積器の少なくとも1つのエネルギー蓄積器との間に配設されていることを特徴とする自動車搭載電源網。 - 第1のエネルギー蓄積器(7)は蓄電池(7)として構成され、第2のエネルギー蓄積器(6)は二重層コンデンサ(6)として構成されている、請求項23項記載の自動車搭載電源網。
- 前記スイッチングデバイス(20)は、前記AC/DCコンバータ(4)のDC端子と二重層コンデンサ(6)の間に配設されている、請求項24記載の自動車搭載電源網。
- 前記AC/DCコンバータ(4)のDC端子と少なくとも1つのスイッチングデバイス(20)の間に中間回路コンデンサ(5)が、スイッチング電圧のバッファリングのために設けられている、請求項23から25いずれか1項記載の自動車搭載電源網。
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