JP5860019B2 - 自動車の車載電源システム用の電力を供給するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の車載電源システム用の電力を供給するための方法および対応する装置に関する。

自動車において、電気エネルギーは、新たな機能を実施するために汎用性があり、かつ非常に制御性が良いことから、ますます重要になっている。しかしながらその際、電気エネルギーを使用するための前提条件は、自動車の車載電源システムによって確実かつ効率的に供給できることである。このために、様々な電力消費機器にいつでも十分なエネルギーを利用可能にすることができることを保証するよう配慮するインテリジェントエネルギー管理が必要とされる。その際、特に、車載電源システムで生じ得る負荷の変化を管理できるようにする必要がある。これは、各電力消費機器の重要度に応じて所与の時点で前記各電力消費機器が十分なエネルギーを利用できるような形で、エネルギーを利用可能にする必要があることを意味する。

また、自動車における電気負荷の数の増加、および安全性や快適性に関わるさまざまな新機能により、自動車内部で比較的高い電力エネルギーの供給源を使用することが求められる場合が多い。例えば、電気機械ブレーキなどの機能や、通常の内燃機関または電磁制御弁のための電気ブースト機能により、従来の１２ボルトの車載電源システムではもはや十分に供給ができない負荷を使用せざるを得なくなっている。

（特許文献１）は、並列接続された複数のＤＣ−ＤＣ変換器を備えるシステムを開示する。（特許文献１）で提案されているシステムは、スマート制御装置を使用して、入力制御信号インターフェースおよび出力制御信号インターフェースを介して制御される複数の並列なＤＣ−ＤＣ変換器を備える。提案されているシステムが備えるスマート制御装置は、存在する負荷によってモジュール効率が異なり、その結果、最適な動作点があることに基づく。しかし、これは、同期された作動を常に行う必要があるので、ＤＣ−ＤＣ変換器が非常に複雑に作動する必要がある。このために、追加のセンサシステムおよび追加の配線が必要とされる。

本明細書では、少なくとも２つの個別の電気機械を有するハイブリッド車または電気自動車が考慮されている。どちらの電気機械も、いわゆる三相同期機械の形態であり、すなわち三相交流を供給される。また、自動車は、高圧バッテリも有する。この高圧バッテリは、直流を供給するために使用される。２つの電気機械を動作させるために、高電圧バッテリによって利用可能にされる直流は、まず、適切な交流、すなわち上述した三相交流に変換する必要がある。したがって、両方の電気機械に、それぞれ１つのパワー電子回路ユニットが関連付けられる。この場合、各電子回路ユニットは、高圧バッテリの直流を、それぞれの電気機械のためのそれぞれ適した交流に変換するためのインバータを有する。

米国特許第６，１５４，３８１号明細書

上述した従来技術の背景と、電気負荷の数の増加および安全性や快適性に関わるさまざまな新機能ゆえに１２ボルトの車載電源システムが特定の時点でこれらの機能すべてに十分な電力を供給することができないことがあるという問題とに鑑み、ここで、本発明の目的は、従来の１２ボルトの車載電源システムに過負荷が短時間かかる場合に、それに伴う電圧ディップをおおむね回避しつつ、電力を供給し続けることができる可能性を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明は、特許請求項１に記載の特徴を有する方法と、特許請求項８の特徴を有する装置とを提案する。さらなる構成は、それぞれの従属請求項に提示される。

ここで、本発明は、高電圧バッテリと、２つの個別の電気機械とを備える自動車の車載電源システム用の電力を供給するための方法を提供する。本発明による方法では、２つの電気機械が、個々にそれぞれ１つのパワー電子回路ユニットに関連付けられ、各パワー電子回路ユニットがＤＣ−ＤＣ変換器を有する。それぞれのＤＣ−ＤＣ変換器は、高電圧バッテリの高電圧を、予め決定されている電圧に減少するように設計される。また、２つのＤＣ−ＤＣ変換器は、電気的に並列に接続され、異なる電圧値に調節される。それぞれのＤＣ−ＤＣ変換器が調節される電圧値は、対応するＤＣ−ＤＣ変換器の出力に現れる電圧、すなわち高電圧をその値まで減少させるべき電圧を示す。

本発明による方法の一構成では、車載電源システムが、従来の１２ボルトの車載電源システムとして選択される。

本発明による方法のさらなる構成では、ＤＣ−ＤＣ変換器が調節される異なる電圧値が、車載電源システムトポロジーに応じて決まる値Δ（典型的には０．５ボルト〜２ボルトの範囲内）だけ異なる。

ここで、１２ボルトの車載電源システムの場合には、２つのＤＣ−ＤＣ変換器の一方が第１の電圧値、例えば１４．５ボルトに調節され、２つのＤＣ−ＤＣ変換器の他方が第２の電圧値、例えば、第１の電圧値と値Δ（例えば１ボルト）との差、すなわち１３．５ボルトに調節されるようにし得る。本発明に従って提供される２つのＤＣ−ＤＣ変換器を備える並列回路により、ＤＣ−ＤＣ変換器が１つだけの場合に比べて、車載電源システムに電力を倍増して供給することができる可能性が提供される。この場合、２つのＤＣ−ＤＣ変換器の作動は、異なる設定電圧値に調節される。ＤＣ−ＤＣ変換器の一方が供給するよりも大きい電力を車載電源システムが必要とする場合、２つのＤＣ−ＤＣ変換器を備える並列回路なしでは、車載電源システムに対する電圧ディップが生じることがある。この電圧ディップにより、車両内の電気ユニットの安全な動作が保証されなくなる。しかし、本発明によれば、第２のＤＣ−ＤＣ変換器が、第１のＤＣ−ＤＣ変換器に電気的に並列に接続され、より低い設定電圧値に調節されているので、１２ボルトの電源システムで必要な電力が突然上昇する場合に、電圧ディップは、第２のＤＣ−ＤＣ変換器の設定電圧値に制限される。そこで発生する電圧ディップ（値Δに対応する）は、車両で生じる車載電源システムでの「通常の」電圧変動の範囲内にあり、したがって無視することができる。

一般に、供給電圧が短時間にわたって減少される状況は、電源の電圧ディップと呼ばれ得る。そのような電圧ディップは、車載電源システムに強い電流がかかるときに生じる。これは特に、高い出力を有する電力消費機器、または高い初期電流を必要とする特定のモータをオンに切り替える場合である。互いに独立して作動および調節すべき２つのＤＣ−ＤＣ変換器を備える本発明による並列回路により、電圧ディップを大幅に補償する、または少なくとも大きく制限することができる。

２つのパワー電子回路ユニットそれぞれに設けられるＤＣ−ＤＣ変換器は、入力に供給されるＤＣ電圧を、より高い、より低い、または反転された電圧レベルのＤＣ電圧に変換する電気回路を表す。本明細書では、設けられる２つのＤＣ−ＤＣ変換器それぞれによって、高電圧バッテリの高電圧が、より低い電圧レベルのＤＣ電圧に変換される。対応するＤＣ−ＤＣ変換器のそれぞれの出力にこのとき現れるより低い電圧レベルのＤＣ電圧は、典型的には１０Ｖ〜１６Ｖの範囲内である。

本発明による方法のさらなる構成では、２つの電気機械の一方が自動車の後車軸に配置され、２つの電気機械の他方が自動車の前車軸に配置される。

前述したように、本発明による方法のさらなる構成では、２つのＤＣ−ＤＣ変換器が互いに独立して作動される。この場合、２つのＤＣ−ＤＣ変換器の作動は、データバスを介して、特にＣＡＮバスを介してそれぞれ行うことができる。

さらに、本発明は、自動車の車載電源システム用の電力を供給するための装置に関する。本発明による装置は、高電圧バッテリと、２つの個別の電気機械とを備える。２つの電気機械は、個々にそれぞれ１つのパワー電子回路ユニットに関連付けられ、各パワー電子回路ユニットがＤＣ−ＤＣ変換器を有する。この場合、構成要素である電気機械、パワー電子回路ユニット、および／またはＤＣ−ＤＣ変換器はそれぞれ、組み合わされた形態で、または個別に配置することができる。それぞれのＤＣ−ＤＣ変換器は、高電圧バッテリの高電圧を、予め決定されている電圧に減少するように設計される。２つのパワー電子回路ユニットの２つのＤＣ−ＤＣ変換器は、電気的に並列に接続される。また、２つのＤＣ−ＤＣ変換器は、異なる電圧値に調節される。

この場合、車載電源システムは、１２ボルトの車載電源システムとすることができる。ＤＣ−ＤＣ変換器が調節される異なる電圧値は、０．５ボルト〜２ボルトの範囲から選択される値Δだけ互いに異なり得る。この場合、１２ボルトの車載電源システムでは、２つのＤＣ−ＤＣ変換器の一方が１４．５ボルトの電圧値に調節され、２つのＤＣ−ＤＣ変換器の他方が、値Δを１ボルトとして、１３．５ボルトの電圧値に調節されることが考えられる。当然、別の車載電源システム、例えば４８ボルトの車載電源システムも可能であり、対応して異なる電圧値を有する。

さらに、本発明による装置のさらなる一実施形態では、２つの電気機械の一方が自動車の後車軸に配置され、２つの電気機械の他方が自動車の前車軸に配置されることが考えられる。２つのＤＣ−ＤＣ変換器の作動は、データバスを介して、例えばＣＡＮバスを介してそれぞれ互いに独立して行われなくてはならない。

また、本発明は、ハイブリッド車における、本発明による装置の使用、および／または本発明による方法の適用に関する。

さらに、本発明は、電気自動車における、本発明による装置の使用、および／または本発明による方法の適用に関する。

本発明のさらなる利点および構成は、本説明および添付図面から得られる。

当然、上述した特徴、および以下でさらに説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ言及する組合せのみならず、他の組合せでも、単独でも使用することもできる。

本発明を、図面における実施形態を使用して概略的に示し、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明による装置の一実施形態の可能な配置を示す図である。

図１は、車載電源システムのための電気エネルギーを供給するために自動車に備えることができる、本発明による装置１の一実施形態を示す。ここに示される装置１は、高圧バッテリ１１を備える。高圧バッテリ１１は、自動車の車載電源システム（ここには明示していない）と、自動車の２つの電気機械とに電力を供給することを目的としている。２つの電気機械に、それぞれ１つのパワー電子回路ユニットが関連付けられる。この例では、パワー電子回路ユニットが、点線のボックス１３および１４によって示されている。電気機械は、互いに別々に配置され、互いに独立して動作させることができる。電気機械の一方を自動車の前車軸に配置し、他方の電気機械を自動車の後車軸に配置することができる。２つのパワー電子回路ユニットはそれぞれ、高圧バッテリ１１の直流を、それぞれの電気機械のためのそれぞれ適した交流に変換するためのインバータ（ここには図示せず）を有する。さらに、ＤＣ−ＤＣ変換器が、２つのパワー電子回路ユニットそれぞれに関連付けられる。ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１が、パワー電子回路ユニット１３に関連付けられ、ＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１が、パワー電子回路ユニット１４に関連付けられる。ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１とＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１は、電気的に互いに並列に接続される。各ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１および１４＿１は、電圧、例えばこの例ではそれぞれ入力１３＿２または１４＿２に供給されるＤＣ電圧を、より低い電圧レベルのＤＣ電圧に変換するように設計される。ここに示す例では、高圧バッテリ１１によって、共通の高圧導体１２を介して２つの入力に送られるＤＣ電圧が、ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１または１４＿１のそれぞれの入力１３＿２または１４＿２に供給される。ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１は、そこに供給されるＤＣ電圧を、より低い電圧レベルを有するＤＣ電圧に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１も同様である。すなわち、やはり、入力１４＿２に供給されるＤＣ電圧を、より低い電圧レベルを有するＤＣ電圧に変換する。これは、車両内部に備えられる負荷または機能に、高圧バッテリ１１の高圧よりも低い電圧を供給する必要があるからである。

ここで、本発明によれば、ＤＣ−ＤＣ変換器の一方は、対応する他方のＤＣ−ＤＣ変換器とは異なる電圧値に調節される。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１および１４＿１は、それらに関して設定された電圧値であって、それぞれの入力１３＿２または１４＿２に供給される高い電圧がその値まで減少される電圧値が異なる。したがって、それぞれ調節される電圧値は、それぞれのＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１または１４＿１の出力１３＿３または１４＿３に現れる電圧を定義する。この場合、ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１の出力１３＿３に現れる電圧は、Ｕ＿２（例えば、１３．５ボルト）に調節され、ＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１の出力１４＿３に現れる電圧は、Ｕ＿１（例えば、１４．５ボルト）に調節される。したがって、ＤＣ−ＤＣ変換器のそれぞれの出力に現れる電圧の値は、Ｕ＿１からＵ＿２を引いた値Δ（例えば、１ボルト）だけ異なる。車両内に分散されて配置されている負荷１５は、ここでは、バス１６を介して電気エネルギーを供給される。ＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１の電圧がＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１の電圧よりも大きいので、並列回路を用いることで、車載電源システムは、まずＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１によって電力供給される。ここでＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１が一時的に過負荷を受ける、すなわちＤＣ−ＤＣ変換器１４＿１が、それだけでは車載供給電源システムを安定に保つことができない、すなわちＵ＿１に保つことができない場合でも、電圧ディップは、ＤＣ−ＤＣ変換器１３＿１の電圧までしか下がらず、すなわち無視できる程度の電圧変動の範囲内である。

本発明が、ＤＣ−ＤＣ変換器を同期させるために追加のセンサシステムも追加の配線もなんら必要としないことを強調しておく。２つのＤＣ−ＤＣ変換器の異なる設定電圧値を調節するためには、２つのＤＣ−ＤＣ変換器を、設けられたデータバス、例えばＣＡＮバスを介して入力されるそれらの設定値に対して互いに別個に調節するだけでよい。ＤＣ−ＤＣ変換器の寿命を延ばすために、ＤＣ−ＤＣ変換器間の設定値入力を定期的または不定期に変更することができる。

１ 装置
１１ 高電圧バッテリ
１２ 高圧導体
１３、１４ パワー電子回路ユニット
１３＿１、１４＿１ ＤＣ−ＤＣ変換器
１３＿２、１４＿２ 入力
１３＿３、１４＿３ 出力
１５ 負荷
１６ バス

Claims (13)

1. 高電圧バッテリ（１１）と２つの個別の電気機械とを備え、前記２つの個別の電気機械の一方が後車軸に配置され、前記２つの個別の電気機械の他方が前車軸に配置されている自動車の車載電源システム用の電力を供給するための方法であって、
   前記２つの個別の電気機械が、個々にそれぞれ１つのパワー電子回路ユニット（１３）と１つのパワー電子回路ユニット（１４）とに関連付けられ、
   前記パワー電子回路ユニット（１３）がＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）を、前記パワー電子回路ユニット（１４）がＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）を有し、前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とは、前記２つの個別の電気機械とは異なる、前記自動車内に配置されている負荷（１５）に接続され、
   前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１、１４＿１）のそれぞれが、前記高電圧バッテリ（１１）の高電圧を、予め決定された電圧まで減少させるように設計され、
   前記パワー電子回路ユニット（１３）の前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記パワー電子回路ユニット（１４）の前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とが電気的に並列に接続され、
   前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とが互いに異なる電圧値に設定される方法。
2. 前記車載電源システムが、１２ボルトの車載電源システムとして選択される請求項１に記載の方法。
3. 前記ＤＣ−ＤＣ変換器が調節される前記異なる電圧値が、０．５ボルト〜２ボルトの範囲から選択される値Δだけ、互いに異なる請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）が、電圧値Ｕ＿１に調節され、前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）が、電圧値Ｕ＿２＝Ｕ＿１−Δに調節される請求項３に記載の方法。
5. 前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とが互いに独立して作動される請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）との前記作動が、データバス、特にＣＡＮバスを介してそれぞれ行われる請求項５に記載の方法。
7. 高電圧バッテリ（１１）と２つの個別の電気機械とを備え、前記２つの個別の電気機械の一方が後車軸に配置され、前記２つの個別の電気機械の他方が前車軸に配置されている自動車の車載電源システム用の電力を供給するための装置であって、前記２つの個別の電気機械が、個々にそれぞれ１つのパワー電子回路ユニット（１３）と１つのパワー電子回路ユニット（１４）とに関連付けられ、
   前記パワー電子回路ユニット（１３）がＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）を、前記パワー電子回路ユニット（１４）がＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）を有し、前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とは、前記２つの個別の電気機械とは異なる、前記自動車内に配置されている負荷（１５）に接続され、
   前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１、１４＿１）のそれぞれが、前記高電圧バッテリ（１１）の高電圧を、予め決定された電圧まで減少させるように設計され、
   前記パワー電子回路ユニット（１３）の前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記パワー電子回路ユニット（１４）の前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とが電気的に並列に接続され、
   前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とが互いに異なる電圧値に設定される装置。
8. 前記車載電源システムが、１２ボルトの車載電源システムである請求項７に記載の装置。
9. 前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）とで調節される前記異なる電圧値が、０．５ボルト〜２ボルトの範囲から選択される値Δだけ、互いに異なる請求項７または８に記載の装置。
10. 前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）が、１４．５ボルトの電圧値に調節され、前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）が、１３．５ボルトの電圧値に調節される請求項９に記載の装置。
11. 前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１３＿１）と前記ＤＣ−ＤＣ変換器（１４＿１）との前記作動が、データバス、特にＣＡＮバスを介してそれぞれ互いに独立して行われる請求項７〜１０に記載の装置。
12. ハイブリッド車における、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の装置の使用、および／または請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法の適用。
13. 電気自動車における、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の装置の使用、および／または請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法の適用。

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