JP5813246B2

JP5813246B2 - 車載電気システム、および車載電気システムの動作方法

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Publication number: JP5813246B2
Application number: JP2014542768A
Authority: JP
Inventors: ライヒョウディアク; ガッリトビアス
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: WO2013075975A1; CN104054227B; JP2015503315A; KR101932053B1; US20140354040A1; DE102011086829A1; KR20140097435A; CN104054227A; US10000168B2; EP2783442A1; EP2783442B1

Description

本願は、車載電気システム、車載電気システムを備えた車両、および、車載電気システムの動作方法に関する。

独国特許出願公開 DE 10 2005 057 306 A1 から、直流電圧車載電気システムに設置された直流電圧変換器を用いて当該直流電圧車載電気システムを安定化する方法が公知である。前記直流電圧車載電気システムは、とりわけ自動車に設置されるものであり、前記直流電圧変換器は入力側にて、少なくとも１つの電気エネルギー源により給電され、出力側にて複数の電圧安定化出力端を有し、当該複数の各電圧安定化出力端はそれぞれ、電気的負荷が接続された車載電気サブシステムに接続されている。電圧変動に影響を受けやすい少なくとも１つの車載電気サブシステムにおいて生じる電気的負荷の急激な変化は直流電圧変換器の入力側に影響するが、前記各出力端においてそれぞれ電圧安定化を行うことにより、制御手段を用いて、電圧変動に影響を受けにくい少なくとも１つの車載電気サブシステムにおける電圧および／または電気的負荷を変化させることにより、上述の電気的負荷の急激な変化は少なくとも一部補償される。

本願の課題は、電圧安定化をさらに改善することができる車載電気システム、車載電気システムを備えた車両、および、車載電気システムの動作方法を実現することである。

前記課題は、独立請求項に記載の発明によって解決される。従属請求項から、本発明の有利な実施形態を導き出すことができる。

本願発明によれば車載電気システムは、第１の公称電圧Ｕ_１を有する第１の車載電気システム分岐と、第２の公称電圧Ｕ_２を有する第２の車載電気システム分岐とを含む。前記車載電気システムはさらに、少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを有し、当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、少なくとも前記第１の車載電気システム分岐と前記第２の車載電気システム分岐との間でエネルギーを伝送するように構成されている。さらに、前記車載電気システムは第１の駆動制御ユニットも有し、当該駆動制御ユニットは、前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御するように構成されている。さらに、前記車載電気システムは、第１の車載電気システム分岐の瞬時電圧 U_ist,1 を検出するように構成された第１の検出ユニットも有し、また、検出された前記瞬時電圧 U_ist,1 と第１の上限電圧閾値 U_o,1 および第１の下限電圧閾値 U_u,1 とを比較するように構成された第１の比較ユニットも有する。ここで、U_u,1 ＜ U₁ ＜ U_o,1 である。U_ist,1 ＞ U_o,1である場合、第１の駆動制御ユニットは、前記第１の車載電気システム分岐から前記第２の車載電気システム分岐へエネルギーを伝送するように前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御するように構成されている。また、U_ist,1 ＜ U_u,1である場合、第１の駆動制御ユニットは、前記第２の車載電気システム分岐から前記第１の車載電気システム分岐へエネルギーを伝送するよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御するようにも構成されている。

上記の実施形態の車載電気システムでは、第１の車載電気システム分岐において、特に少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータと、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを適切に駆動制御するように構成された第１の駆動制御ユニットとを設けることにより、電圧安定化をさらに改善することができる。その際には、U_ist,1 ＞ U_o,1 である場合に第１の車載電気システム分岐から第２の車載電気システム分岐へエネルギーを伝送することにより、第１の車載電気システム分岐における瞬時の過電圧を低減ないしは補償することができる。さらに、U_ist,1 ＜ U_u,1 である場合に第２の車載電気システム分岐から第１の車載電気システム分岐へエネルギーを伝送することにより、第１の車載電気システム分岐における瞬時の低電圧も低減ないしは補償することができる。このようにして、第１の車載電気システム分岐における電圧を、第１の公称電圧Ｕ_１に実質的に相当する値に維持できるという利点が奏される。とりわけ、第１の車載電気システム分岐において負荷変動が生じている間の車載電気システムの変動を補償することができる。

車載電気システムの１つの実施形態では、前記第１の比較ユニットは少なくとも１つのコンパレータを有する。この構成により、求められた瞬時の電圧 U_ist,1 と第１の上限電圧閾値 U_o,1 および第１の下限電圧閾値 U_u,1とを容易に比較することができる。

さらに、前記第１の比較ユニットは、求められた瞬時の電圧 U_ist,1 を第２の上限電圧閾値 U_o,2 および第２の下限電圧閾値 U_u,2 と比較するように構成することもできる。ここで、U_u,1＜U_u,2＜U₁ かつ U₁＜U_o,2＜U_o,1 である。

有利にはさらに、U_ist,1 ＜ U_o,2 である場合、第１の駆動制御ユニットは、前記第１の車載電気システム分岐から前記第２の車載電気システム分岐へのエネルギー伝送を終了させるよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御するようにも構成されている。上述の実施形態ではさらに、U_ist,1 ＞ U_u,2 である場合、第１の駆動制御ユニットは、前記第２の車載電気システム分岐から前記第１の車載電気システム分岐へのエネルギー伝送を終了させるよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御するようにも構成されている。これら上述の実施形態では、前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータの制御時に、第１の車載電気システム分岐の瞬時の電圧 U_ist,1 と第２の上限電圧閾値 U_o,2 および第２の下限電圧閾値 U_u,2 とを比較することによりヒステリシス特性を考慮することが可能になる。

他の１つの実施形態では、前記車載電気システムはさらに、電圧制限スイッチも有する。この電圧制限スイッチは、少なくとも１つのフリーホイールダイオードも有することができる。さらに、前記電圧制限スイッチをＭＯＳＦＥＴの内蔵ボディダイオードとすることもできる。このような電圧制限スイッチを設けることにより、とりわけ過電圧値が小さい場合、第１の車載電気システム分岐における電圧をさらに安定化させることができる。

さらに、前記車載電気システムは、第２の車載電気システム分岐の瞬時電圧 U_ist,2 を検出するように構成された第２の検出ユニットも有することができる。この実施形態では、前記車載電気システムはさらに、検出された前記瞬時電圧 U_ist,2 と第３の上限電圧閾値 U_o,3 および第３の下限電圧閾値 U_u,3 とを比較するように構成された第２の比較ユニットも有する。ここで、U_u,3 ＜ U₂ ＜ U_o,3 である。

有利にはさらに、U_ist,2 ＞ U_o,3 である場合、第１の駆動制御ユニットは、前記第２の車載電気システム分岐から前記第１の車載電気システム分岐へのエネルギー伝送が行われるよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御するように構成されている。さらに有利には、U_ist,2 ＜ U_u,3である場合、第１の駆動制御ユニットは、前記第１の車載電気システム分岐から前記第２の車載電気システム分岐へエネルギーを伝送するよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御するように構成されている。これら上述の実施形態により、有利には、第２の車載電気システム分岐における電圧安定化を改善することができる。また、第１の車載電気システム分岐へエネルギーを伝送することにより、第２の車載電気システム分岐における過電圧を縮小ないしは補償することができ、かつ、第１の車載電気システム分岐からエネルギーを伝送することにより、第２の車載電気システム分岐における低電圧を縮小ないしは補償することもできる。

前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータは有利には、第１の車載電気システム分岐と第２の車載電気システム分岐との間で双方向エネルギー伝送を行うための同期コンバータとされる。

本願はさらに、上述の実施形態のうちいずれか１つの実施形態の車載電気システムを備えた車両にも関する。この車両はたとえば、特に乗用自動車または貨物自動車である自動車であり、ハイブリッド車、または、純粋な内燃機関駆動型の車両とすることができる。

さらに本願は、第１の公称電圧Ｕ_１を有する第１の車載電気システム分岐、第２の公称電圧Ｕ_２を有する第２の車載電気システム分岐、ならびに、少なくとも当該第１の車載電気システム分岐と第２の車載電気システム分岐との間にてエネルギーを伝送するための少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを備えた車載電気システムの動作方法にも関する。この方法は以下のステップを有する。第１の車載電気システム分岐の瞬時電圧 U_ist,1の第１の値を求め、さらに、当該瞬時電圧 U_ist,1 の第１の値と第１の上限電圧閾値 U_o,1 および第１の下限電圧閾値 U_u,1 とを比較する。ここで、U_u,1＜U₁＜U_o,1である。U_ist,1＞U_o,1 である場合、前記第１の車載電気システム分岐から前記第２の車載電気システム分岐へエネルギーが伝送されるように、前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。U_ist,1＜U_u,1 である場合、前記第２の車載電気システム分岐から前記第１の車載電気システム分岐へエネルギーが伝送されるように、前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。

本願の方法もまた、本願の車載電気システムについて既に述べた利点を奏する。ここでは繰り返しになるのを避けるため、この利点について再度説明しない。

一実施形態では、U_ist,1＞U_o,1 である場合、本発明の方法は前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御した後、さらに以下のステップを実施する。第１の車載電気システム分岐の瞬時電圧 U_ist,1 の第２の値を求め、さらに、当該瞬時電圧 U_ist,1 の求められた第２の値と第２の上限電圧閾値 U_o,2 とを比較する。ここで、U₁＜U_o,2＜U_o,1 である。U_ist,1＜U_o,2 である場合、第１の車載電気システム分岐から第２の車載電気システム分岐へのエネルギー伝送を終了させる。

他の１つの実施形態では、U_ist,1＞U_o,1 である場合、所定の時間の経過後に第１の車載電気システム分岐から第２の車載電気システム分岐へのエネルギー伝送を終了させる。

他の１つの実施形態では、U_ist,1＜U_u,1 である場合、本発明の方法は前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータを制御した後、さらに以下のステップを実施する。第１の車載電気システム分岐の瞬時電圧 U_ist,1 の第２の値を求め、さらに、当該瞬時電圧 U_ist,1 の求められた第２の値と第２の下限電圧閾値 U_u,2 とを比較する。ここで、U_u,1＜U_u,2＜U₁ である。U_ist,1＞U_u,2 である場合、第２の車載電気システム分岐から第１の車載電気システム分岐へのエネルギー伝送を終了させる。

前記方法の他の１つの実施形態では、U_ist,1＜U_u,1 である場合、所定の時間の経過後に、第２の車載電気システム分岐から第１の車載電気システム分岐へのエネルギー伝送を終了させる。

上述の実施形態では、第１の公称電圧Ｕ_１を第２の公称電圧Ｕ_２より大きくすることができ、また小さくすることもできる。さらに、第１の公称電圧Ｕ_１が第２の公称電圧Ｕ_２に一致することも可能である。

本願にて記載した電圧値および電圧閾値とは、電圧の絶対値を意味する。すなわち、これらの電圧の符号は必ず負にならない。

以下、添付の図面に基づいて本願の実施形態を詳細に説明する。

本願の第１の実施形態の車載電気システムのブロック回路図である。本願の第２の実施形態の車載電気システムのブロック回路図である。本願の車載電気システムの基本回路図である。車載電気システムの第１の車載電気システム分岐における電圧‐時間グラフである。

図１Ａは、本願の第１の実施形態の車載電気システム８のブロック回路図である。この車載電気システム８はたとえば、図中に詳細に示していない自動車の一構成要素とすることができ、この自動車はとりわけ、乗用自動車または貨物自動車である。

前記車載電気システム８は、第１の公称電圧Ｕ_１を有する第１の車載電気システム分岐１と、第２の公称電圧Ｕ_２を有する第２の車載電気システム分岐２とを含む。前記第１の公称電圧Ｕ_１は V_sys1 としても示し、前記第２の公称電圧Ｕ_２は V_sys2 とも称することがある。

同図に示す実施形態では、第１の車載電気システム分岐１にはジェネレータ１０と、少なくとも１つの電気的負荷１２と、電気エネルギー蓄積装置１３とが配置されており、当該電気エネルギー蓄積装置１３はたとえば１２Ｖ蓄電池である。前記ジェネレータ１０は、たとえばＶリブドベルト等である機械的な連結部品１１を介して、内燃機関として構成されたエンジン９に接続されている。

図中に示した実施形態では、第２の車載電気システム分岐２には電気エネルギー蓄積装置１４と、少なくとも１つの電気的負荷１５とが配置されており、前記電気エネルギー蓄積装置１４は、たとえば１２Ｖ蓄電池である。

第１の車載電気システム分岐１と第２の車載電気システム分岐２との間にＤＣ／ＤＣコンバータ３が配置されており、このＤＣ／ＤＣコンバータ３は、とりわけ第１の公称電圧Ｕ_１を第２の公称電圧Ｕ_２に変換し、かつ逆方向の変換を行うことができる双方向直流電圧変換器として構成されている。こうするためには、図中に示した実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は同期コンバータとして構成されている。さらに、昇圧コンバータとして構成された第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、降圧コンバータとして構成された第２のＤＣ／ＤＣコンバータとを設けることも可能である。

前記車載電気システム８はさらに、第１の駆動制御ユニット４も有し、当該第１の駆動制御ユニット４は、前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ３を駆動制御するように構成されている。ここでは第１の駆動制御ユニット４は、第１の車載電気システム分岐１の正端子に結合ないしは接続されている。図中に示した実施形態では、第１の駆動制御ユニット４は、第１の車載電気システム分岐１の瞬時電圧 U_ist,1 を検出する第１の検出ユニット５を有する。前記第１の駆動制御ユニット４はまた、検出された前記瞬時電圧 U_ist,1 と第１の上限電圧閾値 U_o,1 および第１の下限電圧閾値 U_u,1 とを比較するように構成された第１の比較ユニット６も有する。ここで、U_u,1 ＜ U₁ ＜ U_o,1 である。こうするために、前記第１の比較ユニット６はたとえば少なくとも１つのコンパレータを有する。

U_ist,1 ＞ U_o,1である場合、第１の駆動制御ユニット４は、前記第１の車載電気システム分岐１から前記第２の車載電気システム分岐２へエネルギーを伝送するよう前記ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御するように構成されている。第１の駆動制御ユニット４はさらに、U_ist,1 ＜ U_u,1 である場合、第２の車載電気システム分岐２から第１の車載電気システム分岐１へエネルギー伝送を行うようにも構成されている。

さらに、前記車載電気システム８は電圧制限スイッチ７と、当該電圧制限スイッチ７を制御するための第２の駆動制御ユニット１６とを有し、図中に示した実施形態では、この電圧制限スイッチ７はＭＯＳＦＥＴとして構成されている。電圧制限スイッチ７は第１の車載電気システム分岐１および第２の車載電気システム分岐の正極側経路に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に対して電気的に並列接続されている。さらに、前記第２の駆動制御ユニット１６は第１の車載電気システム分岐１の正極側経路に結合されている。

また、車載電気システム８は電力スイッチ１７と、当該電力スイッチ１７を制御するための制御ユニット１８とを有する。図中に示した実施形態では、電力スイッチ１７はＭＯＳＦＥＴとして構成されている。図１Ａでは、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ボディダイオードは具体的には示されていない。電力スイッチ１７は、電圧制限スイッチ７と、第２の車載電気システム分岐２の電気エネルギー蓄積装置１４の正極側経路とに接続されている。

車載電気システム８が公称動作状態にある間、つまり、上記の電圧閾値内で動作している間は、電圧制限スイッチ７は閉成されており、かつ、電力スイッチ１７は開放されている。以下、電圧制限スイッチ７および電力スイッチ１７の詳細を説明する。

図中に示した実施形態を用いると、負荷変動が生じている間の車載電気システムの変動を補償することができる。この負荷変動は、電圧制限スイッチ７である少なくとも１つの電子的スイッチと、ＤＣ／ＤＣコンバータ３である少なくとも１つの電圧変換モジュールとを備えた電気系統に関するものである。この電気系統は、ここでは公称システム状態にある。

電圧制限スイッチ７には典型的には、たとえば、R_ds,on とも称されるオン抵抗、体積抵抗、線形モードとも称される線形動作の機能の保証等といった要求が課される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３には典型的には、たとえば、第１の車載電気システム分岐１および第２の車載電気システム分岐２の２つのエネルギー系統間のエネルギー交換等の要求が課される。

その際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が２つのエネルギー系統間の電流を制御する。図中に示した実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は放電モードになっているか、または充電モードになっている。放電モードはディスチャージモードまたはＭＤ１とも称され、充電モードはチャージモードまたはＭＤ２とも称される。これらの動作モードは典型的には、第２の車載電気システム分岐２である第２のエネルギー系統の比較的長時間の充電または放電、ないしは、第１の車載電気システム分岐１である第１のエネルギー系統の比較的長時間の充電または放電を行うためのものである。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は静止状態になることも可能である。この静止状態は、スタンバイモードまたはＭＤ０とも称される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３である再充電ユニットを用いることにより、ないしは、電圧制限スイッチ７である前記少なくとも１つのスイッチを用いることにより、車載電気システム８をより低コストかつ電圧安定化することができ、負荷変化により生じて内燃機関すなわちエンジン９にかかる制動トルクを低減することができる。とりわけ、上述のようにしてＤＣ／ＤＣコンバータ３の機能を拡張することができる。このことにより、第１の車載電気システム分岐１において負荷が変動しても、車載電気システム８の所定の電圧状態を維持することが可能になる。ここで負荷変化が生じると、車載電気システム８に低電圧ないしは過電圧を生じさせる原因となり、この低電圧ないしは過電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３ないしは電圧制限スイッチ７を制御することにより低減させることができる。以下、このことについて詳細に説明する。

ここではまず最初に、車載電気システムに過電圧が生じている状態を取り上げる。この状態では、ジェネレータ１０は負荷が無いので、車載電気システムの過電圧を自動的に補償することができない。車載電気システムの第１の車載電気システム分岐１に過電圧が生じている状態では、ここでは車載電気システムの過電圧のレベルはどのようなレベルであってもよいが、電圧安定化を行うようにＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は第２段として、または唯一の段として用いることができる。このようにして、いわゆるロードダンプすなわちスパイク電圧の発生を無くすかまたは抑えることができ、ないしは、この振幅および平均値を低下させることができる。

こうするためにはたとえば、第１の駆動制御ユニット４に設置されたコンパレータ回路を介して第１の車載電気システム分岐１における車載電気システム電圧を測定し、第１の上限電圧閾値 U_o,1 と比較する。この電圧閾値すなわち第１の上限電圧閾値 U_o,1 を超えると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は負荷吸い込みシンクとして動作する。

こうするためにはＤＣ／ＤＣコンバータ３は第１の駆動制御ユニット４を介して、典型的にはマイクロ秒領域〜ミリ秒領域で「排出／供給」モードで作動し、第１の車載電気システム分岐１から余分なエネルギーまたは一部のエネルギーを第２の車載電気システム分岐２へ移す。前記「排出／供給」モードはＭＤ３とも称する。このことにより、第１の車載電気システム分岐１における過電圧を低減させ、かつ、第２の車載電気システム分岐２における電圧上昇を制御することができる。さらに、第１の車載電気システム分岐１からの過電圧エネルギーのうち、典型的には僅かな一部が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３において熱に変換ないしは散逸される。

第２の上限電圧閾値 U_o,2 として設けられたヒステリシス値を下回ると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は静止モードに戻る。ここで、U₁＜U_o,2＜U_o,1 である。排出モードでのＤＣ／ＤＣコンバータ３の動作は、典型的には時間的に制限されているので、特に、一時的な車載電気システムの変動に対応するために構成されている。この時間的な制限を超えると、たとえばマイクロコントローラによる新たな要求によってＤＣ／ＤＣコンバータ３が排出モードないしは供給モードに戻るまで、第１の駆動制御ユニット４はＤＣ／ＤＣコンバータ３を静止モードに切り替える。

車載電気システムの低電圧状態は典型的には、たとえばエンジントルク、ジェネレータ制御挙動、電力容量が不足しているため、または、自己インピーダンスないしは車載電気システムインピーダンスＺが過度に高いため、ジェネレータ１０と電気エネルギー蓄積装置１３とを併用しても車載電気システムの低電圧を動的には自動的に消失ないしは補償できない動作状態である。低電圧の典型的な原因は、急激な負荷変化が、特に不都合なエンジントルクと共に生じることである。

低電圧状態もまた、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によって補償ないしは低減させることができる。その際には、車載電気システムの低電圧のレベルは典型的には、どのようなレベルでもよい。一時的な瞬時電圧降下を無くすかないしは抑えることができ、ないしは、その振幅および平均値を低減させることができる。

こうするためにはたとえば、第１の駆動制御ユニット４に設置されたコンパレータ回路を介して第１の車載電気システム分岐１における車載電気システム電圧を測定し、第１の下限電圧閾値 U_u,1 と比較する。第１の下限電圧閾値 U_u,1 であるこの電圧閾値を下回ると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３はソース（"source"）として動作する。

こうするためにはＤＣ／ＤＣコンバータ３は第１の駆動制御ユニット４を介して、典型的にはマイクロ秒領域〜ミリ秒領域で、上記にて既に述べたようにＭＤ３とも称される「排出／供給」モードで作動し、第２の車載電気システム分岐２から、蓄積されたエネルギーの相応の一部を第１の車載電気システム分岐１へ移す。このことにより、第１の車載電気システム分岐１における低電圧を緩和し、かつ、第２の車載電気システム分岐２における電圧降下を制御することができる。

図中に示した実施形態では、第１の下限電圧閾値 U_u,1 を上回るヒステリシス値を超えると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は静止状態に戻る。供給モードでのＤＣ／ＤＣコンバータ３の動作は、典型的には時間的に制限されているので、特に、一時的な車載電気システムの変動に対応するために構成されている。図中に示した実施形態では、この時間的な制限を超えると、たとえばマイクロコントローラによる新たな要求によってＤＣ／ＤＣコンバータ３が排出モードないしは供給モードに戻るまで、第１の駆動制御ユニット４はＤＣ／ＤＣコンバータ３を静止モードに切り替える。

このようにして、低電圧状態の場合、対応するシステムパラメータによる要求があるときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３はエネルギーを充填の形態で、第２の車載電気システム分岐２から第１の車載電気システム分岐１へ移す。

ここで、第１の下限電圧閾値 U_u,1 を下回ることの他にさらに、第１の駆動制御ユニット４により測定される、第１の車載電気システム分岐１における電圧変化を、または、エンジン回転数を一定にするかないしは加速させるとの要求と同時にエンジン回転数が低下したか否かの検出を用いることもできる。このようにして、第１の車載電気システム分岐１にて低電圧が生じるのが防止ないしは低減される。その上、第２の車載電気システム分岐２における電圧も下降する。

過電圧状態のときには、対応するシステムパラメータによる要求がある場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３はエネルギーを充電の形態で第１の車載電気システム分岐１から第２の車載電気システム分岐２へ移す。ここで、第１の上限電圧閾値 U_o,1 を上回ることの他にさらに、第１の駆動制御ユニット４により測定される、第１の車載電気システム分岐１における電圧変化を、または、エンジン回転数を一定にするかないしは減速させるとの要求と同時にエンジン回転数が上昇したか否かの検出を用いることもできる。このようにして、第１の車載電気システム分岐１にて過電圧が生じるのが防止ないしは低減される。その上、第２の車載電気システム分岐２における電圧も上昇する。

ここで、ＭＤ３とも称されるモードでは、比較ユニット６の適切なコンパレータを用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３がエネルギー排出（「シンク」）動作形式で動作しているか、またはエネルギー供給（「ソース」）動作形式で動作しているかの判定を行う。上述の２つの動作形式ないしは状態ではいずれも、エネルギー移送はＤＣ／ＤＣコンバータ３によって行われる。

図中に示した実施形態では、ジェネレータ１０と電気エネルギー蓄積装置１３と電気的負荷１２と線路インピーダンスとによるシステム平衡化に際し、第２の車載電気システム分岐２から使用可能なエネルギーを利用できることにより、コスト上の利点を奏することができる。このことにより、とりわけジェネレータ１０と電気エネルギー蓄積装置１３とを、より低い電力クラスで実現することができる。

このようにして本願発明は、絶縁型のシステムでも、また非絶縁型のシステムでも用いることができ、また、接地経路および正極側経路の双方のスイッチトポロジーでも用いることができる。

他の実施形態では、第１の上限電圧閾値 U_o,1、第１の下限電圧閾値 U_u,1 ならびに他の電圧閾値を動的に適合することができ、たとえば、変化した温度に、ないしは、ジェネレータ１０により生成される電圧の変化した目標値に適合させることができる。

図１Ｂは、本願の第２の実施形態の車載電気システム８のブロック回路図である。図１Ａと同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付しており、以下、これらの構成要素については詳細な説明は再度行わない。

図中に示したこの第２の実施形態においても、車載電気システム８は電力スイッチ１７と、当該電力スイッチ１７を制御するための制御ユニット１８とを有する。図中に示した実施形態では、電力スイッチ１７はＭＯＳＦＥＴとして構成されている。図１Ｂでは、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ボディダイオードは具体的には示されていない。電力スイッチ１７は第１の車載電気システム分岐１の電気エネルギー蓄積装置１３の接地経路と、第２の車載電気システム分岐２の電気エネルギー蓄積装置１４の正極側経路とに接続されており、このような構成により、電力スイッチ１７は前記制御ユニット１８によって適切に制御されることにより、両電気エネルギー蓄積装置を直列接続し、これにより、第１の車載電気システム分岐１における電圧を引き上げることができる。電気エネルギー蓄積装置１４は、第２の実施形態ではたとえば５Ｖ蓄電池として構成されている。このことは特に、電気的負荷１２が高電流負荷である場合に有利である。ここでは、制御ユニット１８は第１の車載電気システム分岐１の正極側経路に結合されている。

図中に示した実施形態ではさらに、電圧制限スイッチ７が電気エネルギー蓄積装置１３の接地経路に設置されている。電圧制限スイッチ７の第２の駆動制御ユニット１６は、第１の車載電気システム分岐１の正極側経路に結合されている。

車載電気システム８が公称動作状態にある間、つまり、上記の電圧閾値以内で動作している間は、電圧制限スイッチ７は閉成されており、かつ、電力スイッチ１７は開放されている。

過電圧用途の場合には、車載電気システムの過電圧が小さい場合、第１段階において電圧制限スイッチ７は線形動作で、生じた過電圧成分を０Ｖ〜Ｖ_ｄの電圧 V_sw1 だけ低減させることができる。ここでＶ_ｄは、図中に示した実施形態ではＭＯＳＦＥＴである電圧制限スイッチ７の内蔵ボディダイオードのダイオード順方向電圧である。前記車載電気システムの過電圧は、V_ovl とも称される。このようにして、車載電気システム電圧の過電圧目標値を閉ループ制御ないしは開ループ制御することができる。電圧閾値を超えると、電圧制限スイッチ７は線形動作で、第２の駆動制御ユニット１６により第１の制御目標値を用いて閉ループ制御される。この第１の制御目標値より低いヒステリシス値を下回ると、電圧制限スイッチ７は順方向モードないしはオンモードに戻る。ここで、線形モードでの電圧制限スイッチ７の動作は時間的に制限されていない。

このようにして過電圧状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の他にも電圧制限スイッチ７が同様に、制御可能な電力排出部として機能する。その際には電圧制限スイッチ７は、閉ループ制御ユニットないしは第２の駆動制御ユニット１６により線形モードで動作する。その際には、ＭＯＳＦＥＴとして構成された電圧制限スイッチ７に内蔵されたボディダイオードにより、典型的には最大０．７Ｖになる過電圧を非常に迅速に消失させることができる。電圧制限スイッチ７の線形動作時には、当該電圧制限スイッチ７における有効電圧は負になるので、その際に生じるシステム過電圧も低減する。電圧制限スイッチ７の実効的な線形電圧領域は、典型的には０Ｖ〜０．７Ｖの間である。これを制限する要因となるのはボディダイオードの順方向電圧であり、これは典型的には約０．７Ｖである。ここで、システムにおける電圧制限スイッチ７の位置に重要なのは、当該電圧制限スイッチ７がシステム負荷を、少なくとも電気エネルギー蓄積装置１３から、かつ、少なくとも電流方向において分離することが可能であることである。

図１Ａに示された第１の実施形態の電圧制限スイッチ７もまた、過電圧状態のときには電力排出部として機能することができる。こうするためには、この実施形態では電力スイッチ１７を閉成する。

図２は、本願の車載電気システム８の基本回路図である。上記図と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付しており、以下、これらの構成要素については詳細な説明は再度行わない。

図２にて概略的に示しているように、第１の車載電気システム分岐１と第２の車載電気システム分岐２との間のエネルギー交換は、制御ユニット１８を用いて行うことができる。こうするために制御ユニット１８は、少なくとも、詳細に図示されていない１つのＤＣ／ＤＣコンバータと、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御するための駆動制御ユニットとを有する。ここでは、第１の車載電気システム分岐１と制御ユニット１８と第２の車載電気システム分岐２との間のエネルギー伝送は、矢印ＡおよびＢによって概略的に示されている。

図３は、車載電気システムの第１の車載電気システム分岐における電圧‐時間グラフである。同図では、第１の車載電気システム分岐の瞬時電圧の時間的推移を示している。

図３の上側の電圧‐時間グラフ中、実線は、上記にて説明したＤＣ／ＤＣコンバータの制御が無い状態で生じる電圧の推移を概略的に示している。時点ｔ_１とｔ_２との間、ならびに、時点ｔ_５とｔ_６との間に、第１の車載電気システム分岐において過電圧が生じている。それに対し、時点ｔ_３とｔ_４との間には、第１の車載電気システム分岐において低電圧が生じている。ｔ_１とｔ_２との間の時間間隔、ならびにｔ_３とｔ_４との間の時間間隔は、たとえばミリ秒領域での電圧変動を表しており、ｔ_５とｔ_６との間の時間間隔は、たとえばマイクロ秒領域での電圧変動を表している。その際には、過電圧は第１の上限電圧閾値 U_o,1 を上回り、低電圧は第１の下限電圧閾値 U_u,1 を下回る。

図３の下側の電圧‐時間グラフ中にて破線で概略的に示されているように、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御により、第１の上限電圧閾値 U_o,1 を上回ると第１の車載電気システム分岐から第２の車載電気システム分岐へエネルギーが伝送され、この過電圧の振幅をこの電圧閾値に制限することができる。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御により、第１の下限電圧閾値 U_u,1 を下回ると、第２の車載電気システム分岐から第１の車載電気システム分岐へエネルギーが伝送され、この低電圧の振幅をこの閾値に制限することができる。このようにして全体的に、第１の車載電気システム分岐における電圧推移を安定化することができる。

その際には、特にＤＣ／ＤＣコンバータの、「排出」動作形式と「供給」動作形式との切替時から、この切替に伴って両車載電気システム分岐間に生じる、エネルギー移送の方向転換時までに存在するシステム無駄時間を考慮しなければならず、このシステム無駄時間中には典型的には、生じた過電圧ないしは低電圧は完全には補償されない。このようなシステム無駄時間は、とりわけ設定することが可能である。

１車載電気システム分岐
２車載電気システム分岐
３ＤＣ／ＤＣコンバータ
４駆動制御ユニット
５検出ユニット
６比較ユニット
７電圧制限スイッチ
８車載電気システム
９エンジン
１０ジェネレータ
１１連結部品
１２負荷
１３エネルギー蓄積装置
１４エネルギー蓄積装置
１５負荷
１６駆動制御ユニット
１７電力スイッチ
１８制御ユニット
Ａ矢印
Ｂ矢印

Claims

・第１の公称電圧Ｕ_１を有する第１の車載電気システム分岐（１）と、
・第２の公称電圧Ｕ_２を有する第２の車載電気システム分岐（２）と、
・前記第１の車載電気システム分岐（１）と前記第２の車載電気システム分岐（２）との間でエネルギーを伝送するように構成された少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）と、
・前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を駆動制御するように構成された第１の駆動制御ユニット（４）と、
・前記第１の車載電気システム分岐（１）の瞬時電圧 U_ist,1 を検出するように構成された第１の検出ユニット（５）と、
・第１の比較ユニット（６）と
を有する車載電気システムであって、
前記第１および第２の車載電気システム分岐（１，２）はそれぞれ、電気エネルギー蓄積器（１３，１４）を有し、
前記第１の比較ユニット（６）は、求められた前記瞬時電圧 U_ist,1 と、第１の上限電圧閾値 U_o,1 および第１の下限電圧閾値 U_u,1 とを比較するように構成されており、ここで U_u,1＜U₁＜U_o,1 であり、
前記車載電気システムはさらに、
前記第２の車載電気システム分岐（２）の瞬時電圧 U _ist,2 を検出するように構成された第２の検出ユニット、ならびに、
求められた前記瞬時電圧 U _ist,2 と、第３の上限電圧閾値 U _o,3 および第３の下限電圧閾値 U _u,3 とを比較するように構成された第２の比較ユニット
を有し、
ここで、U _u,3 ＜U ₂ ＜U _o,3 であり、
（ａ）U _u,3 ＜U _ist,2 ＜U _o,3 である場合で、かつ、
（ａ−１）U_ist,1＞U_o,1 である場合、前記第１の駆動制御ユニット（４）は、前記第１の車載電気システム分岐（１）から前記第２の車載電気システム分岐（２）へエネルギーを伝送するよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御し、
（ａ−２）U_ist,1＜U_u,1 である場合、前記第１の駆動制御ユニット（４）は、前記第２の車載電気システム分岐（２）から前記第１の車載電気システム分岐（１）へエネルギーを伝送するよう、かつ、
（ｂ）U _u,1 ＜U _ist,1 ＜U _o,1 である場合で、かつ、
（ｂ−１）U _ist,2 ＞U _o,3 である場合、前記第１の駆動制御ユニット（４）は、前記第２の車載電気システム分岐（２）から前記第１の車載電気システム分岐（１）へエネルギーを伝送するよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御し、
（ｂ−２）U _ist,2 ＜U _u,3 である場合、前記第１の駆動制御ユニット（４）は、前記第１の車載電気システム分岐（１）から前記第２の車載電気システム分岐（２）へエネルギーを伝送するよう
前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御するように構成されている
ことを特徴とする車載電気システム。
前記第１の比較ユニット（６）は少なくとも１つのコンパレータを有する、
請求項１記載の車載電気システム。
前記第１の比較ユニット（６）はさらに、求められた前記瞬時電圧 U_ist,1 と、第２の上限電圧閾値 U_o,2 および第２の下限電圧閾値 U_u,2 とを比較するように構成されており、ここで、U_u,1＜U_u,2＜U₁ かつ U₁＜U_o,2＜U_o,1 である、
請求項１または２記載の車載電気システム。
さらに、
U_ist,1＜U_o,2 である場合、前記第１の駆動制御ユニット（４）は、前記第１の車載電気システム分岐（１）から前記第２の車載電気システム分岐（２）へのエネルギー伝送を終了させるよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御し、
U_ist,1＞U_u,2 である場合、前記第１の駆動制御ユニット（４）は、前記第２の車載電気システム分岐（２）から前記第１の車載電気システム分岐（１）へのエネルギー伝送を終了させるよう前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御する
ように構成されている、請求項３記載の車載電気システム。
前記車載電気システムはさらに、電圧制限スイッチ（７）を有する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の車載電気システム。
前記電圧制限スイッチ（７）は少なくとも１つのフリーホイールダイオードを有する、
請求項５記載の車載電気システム。
前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）は同期コンバータとして構成されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の車載電気システム。
請求項１から７までのいずれか１項記載の車載電気システム（８）を備えた車両。
第１の公称電圧Ｕ_１を有する第１の車載電気システム分岐（１）、
第２の公称電圧Ｕ_２を有する第２の車載電気システム分岐（２）、ならびに、
前記第１の車載電気システム分岐（１）と前記第２の車載電気システム分岐（２）との間でエネルギーを伝送する少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）
を有する車載電気システム（８）の動作方法であって、
前記第１および第２の車載電気システム分岐（１、２）はそれぞれ、電気エネルギー蓄積器（１３，１４）を有する
車載電気システム（８）の動作方法において、
・前記第１の車載電気システム分岐（１）の瞬時電圧 U_ist,1 の第１の値を求めるステップと、
・前記瞬時電圧 U_ist,1 の求めた第１の値と、第１の上限電圧閾値 U_o,1 および第１の下限電圧閾値 U_u,1 とを比較するステップと
を有し、
ただし、U_u,1＜U₁＜U_o,1 であり、
前記動作方法はさらに、
・前記第２の車載電気システム分岐（２）の瞬時電圧 U _ist,2 の第１の値を求めるステップと、
・前記瞬時電圧 U _ist,2 の求めた第１の値と、第３の上限電圧閾値 U _o,3 および第３の下限電圧閾値 U _u,3 とを比較するステップと
を有し、
ここで、U _u,3 ＜U ₂ ＜U _o,3 であり、
前記動作方法はさらに、
（ａ）U _u,3 ＜U _ist,2 ＜U _o,3 である場合で、かつ、
（ａ−１）U_ist,1＞U_o,1 である場合、前記第１の車載電気システム分岐（１）から前記第２の車載電気システム分岐（２）へエネルギーを伝送するよう、
（ａ−２）U_ist,1＜U_u,1 である場合、前記第２の車載電気システム分岐（２）から前記第１の車載電気システム分岐（１）へエネルギーを伝送するよう、
（ｂ）U _u,1 ＜U _ist,1 ＜U _o,1 である場合で、かつ、
（ｂ−１）U _ist,2 ＞U _o,3 である場合、前記第２の車載電気システム分岐（２）から前記第１の車載電気システム分岐（１）へエネルギーを伝送するよう、
（ｂ−２）U _ist,2 ＜U _u,3 である場合、前記第１の車載電気システム分岐（１）から前記第２の車載電気システム分岐（２）へエネルギーを伝送するよう、
前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御するステップ
を有することを特徴とする、動作方法。
U_ist,1＞U_o,1 である場合、前記動作方法は前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御した後、更に、
・前記第１の車載電気システム分岐（１）の瞬時電圧 U_ist,1 の第２の値を求めるステップと、
・前記瞬時電圧 U_ist,1 の求めた第２の値と、第２の上限電圧閾値 U_o,2 とを比較するステップと
を有し、
ただし、U₁＜U_o,2＜U_o,1 であり、
前記動作方法はさらに、
・U_ist,1＜U_o,2 である場合、前記第１の車載電気システム分岐（１）から前記第２の車載電気システム分岐（２）へのエネルギー伝送を終了させるステップ
を有する、
請求項９記載の動作方法。
U_ist,1＞U_o,1 である場合、所定の時間の経過後に、前記第１の車載電気システム分岐（１）から前記第２の車載電気システム分岐（２）へのエネルギー伝送を終了させる、
請求項９記載の動作方法。
U_ist,1＜U_u,1 である場合、前記動作方法は前記少なくとも１つのＤＣ／ＤＣコンバータ（３）を制御した後、更に、
・前記第１の車載電気システム分岐（１）の瞬時電圧 U_ist,1 の第２の値を求めるステップと、
・前記瞬時電圧 U_ist,1 の求めた第２の値と、第２の下限電圧閾値 U_u,2 とを比較するステップと
を有し、
ただし、U_u,1＜U_u,2＜U₁であり、
前記動作方法はさらに、
・U_ist,1＞U_u,2 である場合、前記第２の車載電気システム分岐（２）から前記第１の車載電気システム分岐（１）へのエネルギー伝送を終了させるステップ
を有する、
請求項９から１１までのいずれか１項記載の動作方法。
U_ist,1＜U_u,1 である場合、所定の時間の経過後に、前記第２の車載電気システム分岐（２）から前記第１の車載電気システム分岐（１）へのエネルギー伝送を終了させる、
請求項９から１２までのいずれか１項記載の動作方法。