JP5415634B2 - 車両用車載電源システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念による、車両、特に自動車用の車載電源システムに関している。

今日の自動車の車載電源システムは、エネルギー変換器として、後段に接続される整流回路を備えた三相交流機の形態の発電機を含み、１つ又は複数のエネルギー蓄積ユニット、例えばバッテリーと、車載電源システムを介して給電される電気的負荷とを有している。そのような車載電源システムにおいては、極性反転保護が後段の整流回路の整流ダイオードを用いて実施されている。

さらに、システム電圧として異なる定格電圧を有する、電位が（互いに）絶縁されていない、２つのエネルギー蓄積システム、例えば自動車の定格負荷のための１２Ｖバッテリーからなるエネルギー蓄積システムと、例えば大電流負荷のための二重層キャパシタ（ウルトラキャパシタ）からなるさらなるエネルギー蓄積システムとを備えた車載電源システムも公知である。

このような２つのエネルギー蓄積システム間のエネルギーの流れと零入力電流の管理のためのバッテリーの管理が、制御ユニットないし制御機器によって行われており、その際この制御ユニットは、１２Ｖバッテリーによって作動電圧を供給されていた。極性反転保護に対しては、バルブ、例えば１２Ｖバッテリーと制御ユニットとを接続する極性反転ダイオードが用いられていた。

そのような２つのエネルギー蓄積システムを有する車載電源システムにおける欠点は、１２Ｖバッテリーのシステム電圧が前記さらなるエネルギー蓄積システムの電圧以下に落ち込み、それに伴って制御ユニットの半導体素子における寄生効果によって１２Ｖバッテリー方向への電荷流出の危険が生じ得ることである。

それ故に本発明の課題は、車両用の車載電源システムにおいて、そのような電荷流出を阻止することである。

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た本発明によって解決される。

詳細には、車両用、特に自動車用の車載電源システムであって、
第１の電圧レベルを有する第１のエネルギー蓄積システムと、
第２の電圧レベルを有する第２のエネルギー蓄積システムと、
第２の電圧レベルが第１の電圧レベル以下にある場合に、第１のエネルギー蓄積システムと第２のエネルギー蓄積システムの間の電流通流を両方向に制御する制御ユニットと、
作動電圧を供給するために、第１のエネルギー蓄積システムを制御ユニットに接続する、極性反転保護ダイオードと
第１のエネルギー蓄積システムの極性が適正な場合に極性反転保護ダイオードを橋絡するためのスイッチング素子とを含んでいる、車載電源システムにおいて、
比較回路、特にコンパレータを用いて、第１の電圧レベルを第２の電圧レベルと比較し、
前記第１の電圧レベルが、前記第２の電圧レベルよりも下方にある電圧閾値まで低下した場合に、前記制御可能なスイッチが、前記比較回路、有利にはコンパレータによって開放状態に制御されるように構成されている。

これにより、２つのエネルギー蓄積ユニット間の不所望な電荷交換を阻止するためと、制御ユニットのための特に容易でかつ画期的な手法の極性反転保護が得られるようになる。特にここでは付加的なパワーコンポーネントは何も必要ない。

さらに本発明の別の有利な実施形態によれば、前述のコンパレータを用いることによって、電圧閾値の簡単な設定調整が可能となる。

本発明のさらに有利な実施形態は従属請求項にも記載されている。

以下では本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明による自動車用車載電源システムの概略的なブロック回路図 図１による車載電源システムの詳細なブロック回路図

図１には、Ｖ_ＳＹＳ１の定格電圧レベルを有する第１のエネルギー蓄積システムＥｓｙｓ１（これはここでは１２Ｖバッテリーであり得る）と、Ｖ_ＳＹＳ２の定格電圧レベルを有する第２のエネルギー蓄積システムＥｓｙｓ２（これも同じようにバッテリーであるが、但し二重層キャパシタか又は別の蓄積媒体であり得る）とからなる車載電源システムが示されている。

第１のエネルギー蓄積システムＥｓｙｓ１の定格電圧Ｖ_ＳＹＳ１、すなわち第１のエネルギー蓄積システムＥｓｙｓ１のシステム電圧は、第２のエネルギー蓄積システムＥｓｙｓ２の定格電圧Ｖ_ＳＹＳ２、すなわち第２のエネルギー蓄積システムＥｓｙｓ２のシステム電圧よりも大きい。これは次のような関係式すなわち、
Ｖ_ＳＹＳ１＞Ｖ_ＳＹＳ２
で表せる。

制御ユニットＣＵは、電位絶縁されていない前記２つのエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１およびＥｓｙｓ２を接続し、エネルギー管理システムとしてこの２つのエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１およびＥｓｙｓ２間のエネルギー交換を制御している。すなわち、２つのシステム電圧の定格状態においては、前記第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１から第２のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ２方向へのエネルギー交換と、前記第２のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ２から第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１方向へのエネルギー交換との両方が可能である。

図２の詳細図によれば、第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１には、自動車の電気的負荷が接続されており、これはシステム負荷Ｌｏａｄとして描写されている。このシステム負荷Ｌｏａｄは負荷電流Ｉ_ＬＤが供給されている。前記制御ユニットＣＵによって管理されている、前記２つのエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１およびＥｓｙｓ２間のエネルギー交換は、システム電流Ｉ_ＳＹＳ１とシステム電流Ｉ_ＳＹＳ２を用いて行われる。当該の実施形態のケースでは、前記２つのエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１とＥｓｙｓ２とは電位絶縁されない。

第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１は、制御ユニットＣＵのために作動電圧の給電も行っている。これに対応する負荷電流には符号Ｉ_ＣＵが付されている。この場合前記第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１と制御ユニットＣＵの間には、極性反転保護回路ＲＰＰ（Reverse Polarity Protection）が接続されている。この極性反転保護回路ＲＰＰは、例えば極性反転保護ダイオードＤ_ＲＰＰからなっており、制御可能なスイッチング素子Ｓｗｉｔｃｈ、例えばトランジスタ又はリレーのような機械的スイッチによって短絡が可能である。

前記スイッチング素子Ｓｗｉｔｃｈは、比較回路、特に当該実施例ではコンパレータＫによって駆動制御されている。この駆動制御のために、前記第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１の電圧Ｖ_ＳＹＳ１が前記コンパレータＫの非反転入力側に供給され、前記第２のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ２の電圧Ｖ_ＳＹＳ２が前記コンパレータＫの反転入力側に供給されている。

前記２つのシステム電圧Ｖ_ＳＹＳ１及びＶ_ＳＹＳ２がそれらの定格電圧値にあるならば、すなわち、前記関係式
Ｖ_ＳＹＳ１＞Ｖ_ＳＹＳ２
が満たされているときには、スイッチング素子ＳｗｉｔｃｈはコンパレータＫの相応の制御によって閉じられる。すなわち、当該スイッチング素子がトランジスタのケースではトランジスタがその導通状態に制御される。それにより、極性反転保護ダイオードＤ_ＲＰＰは橋絡される。

前記第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１、例えば１２Ｖバッテリーの電圧Ｖ_ＳＹＳ１が、大量の放電によって、第２のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ２電圧の電圧値Ｖ_ＳＹＳ２よりも下方にある電圧閾値Ｖ_ｓｃｈまで低下した場合、つまり、以下の関係式、
Ｖ_ＳＹＳ１≦Ｖ_ｓｃｈ＜Ｖ_ＳＹＳ２
が充たされた場合には、
前記スイッチング素子ＳｗｉｔｃｈがコンパレータＫによって当該スイッチング素子の開放状態に制御され、それによって、反転保護ダイオードＤ_ＲＰＰに基づき、第２のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ２から第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１方向への電荷の流出が阻止される。

そのような電荷流出は、制御ユニットＣＵ内の寄生半導体素子、例えば図２中のダイオードＤ_ＭＤ１によって典型的に表わされている半導体素子に基づいて生じ得る。そのような寄生半導体素子は例えば制御ユニットＣＵによって駆動されるＤＣ／ＤＣコンバータＭＤ１内に、例えばハイサイドトランジスタのバルクダイオード又はボディダイオードとして生じる。

前記電圧閾値Ｖ_ｓｃｈは、制御ユニットＣＵを介して設定調整可能である。

前記第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１が不適切な極性でもって制御ユニットＣＵに接続された場合には、当該第１のエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１の電圧Ｖ_ＳＹＳ１に対して以下のような関係、
Ｖ_ＳＹＳ１＜０
が生じる。このような状態においても、前記コンパレータＫはスイッチング素子Ｓｗｉｔｃｈを開くべきであり、すなわち例えばトランジスタのケースならば当該トランジスタをその非導通状態に制御されるべきであり、それによって極性反転保護ダイオードＤ_ＲＰＰがその効力を発揮するようになる。

前記コンパレータＫは、時間遅延された応答機能を備えるように構成されていてもよい。その場合には当該コンパレータに例えば遅延素子が接続される。それにより、スイッチング素子Ｓｗｉｔｃｈの閉成も、コンパレータＫによるスイッチング素子Ｓｗｉｔｃｈの開放も時間遅延を伴って行われる。

前述した実施例は、２つのエネルギー蓄積ユニットＥｓｙｓ１とＥｓｙｓ２との間で電位が絶縁されていないケースでの本発明による車載電源システムを表わしたものであるが、もちろんこのことは、本発明が上記実施形態に限定されることを意味したものではない。それどころか本発明による車載電源システムは、電位が絶縁されているシステムにも適用可能であることを述べておく。

Claims (10)

1. 車両用、特に自動車用の車載電源システムであって、
   第１の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ１）を有する第１のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ１）と、
   第２の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ２）を有する第２のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ２）と、
   第２の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ２）が第１の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ１）以下にある場合に、第１のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ１）と第２のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ２）の間の電流通流を両方向に制御する制御ユニット（ＣＵ）と、
   作動電圧を供給するために、第１のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ１）を制御ユニット（ＣＵ）に接続する、極性反転保護ダイオード（Ｄ_ＲＰＰ）と、
   第１のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ１）の極性が適正な場合に極性反転保護ダイオード（Ｄ_ＲＰＰ）を橋絡するためのスイッチング素子（Ｓｗｉｔｃｈ）とを含んでいる、車載電源システムにおいて、
   比較回路（Ｋ）、特にコンパレータを用いて、第１の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ１）を第２の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ２）と比較し、
   前記第１の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ１）が、前記第２の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ２）よりも下方にある電圧閾値（Ｖ_ｓｃｈ）まで低下した場合に、前記制御可能なスイッチ（Ｓｗｉｔｃｈ）が、前記比較回路（Ｋ）、有利には前記コンパレータによって開放状態に制御されるように構成されていることを特徴とする車載電源システム。
2. 前記電圧閾値（Ｖ_ｓｃｈ）は設定調整可能である、請求項１記載の車載電源システム。
3. 前記コンパレータ（Ｋ）は、時間遅延された応答特性を有している、請求項１または２記載の車載電源システム。
4. 前記制御可能なスイッチ（Ｓｗｉｔｃｈ）は、半導体スイッチ、特にトランジスタ又は電気機械式のスイッチとして実施されている、請求項１から３いずれか１項記載の車載電源システム。
5. 前記車載電源システムは、前記第１及び第２のエネルギー蓄積ユニット（Ｅｓｙｓ１，Ｅｓｙｓ２）に関し、電位絶縁されていないように構成されている、請求項１から４いずれか１項記載の車載電源システム。
6. 前記車載電源システムは、前記第１及び第２のエネルギー蓄積ユニット（Ｅｓｙｓ１，Ｅｓｙｓ２）に関し、電位絶縁されているように構成されている、請求項１から４いずれか１項記載の車載電源システム。
7. 前記第１のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ１）は、電気的負荷（Ｌｏａｄ）を有する負荷電流回路のための作動電圧源として用いられている、請求項１から６いずれか１項記載の車載電源システム。
8. 前記第１の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ１）ないし第２の電圧レベル（Ｖ_ＳＹＳ２）は、それぞれ前記第１のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ１）ないし第２のエネルギー蓄積システム（Ｅｓｙｓ２）の定格電圧である、請求項１から７いずれか１項記載の車載電源システム。
9. 前記制御ユニット（ＣＵ）は、導通機能を備えた少なくとも１つの電気的及び／又は電子的構成要素である、請求項１から８いずれか１項記載の車載電源システム。
10. 前記制御ユニット（ＣＵ）は、バッテリーを管理する、請求項１から９いずれか１項記載の車載電源システム。

Images