JP6655103B2 - スタータ電流制御装置および車載電気システム断路スイッチの統合 - Google Patents

Description

本発明は、スタータバッテリにおよびコンバータを備えた車載電気システムに接続するための統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュール、並びに自動車における始動電流を制限する方法に関する。本発明は更に、多電圧式車載電気システムにおける、特にプラグインハイブリッド車両のスタート／ストップ作業およびハイブリッド車載電気システムのための、統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュールの使用に関する。

ハイブリッド車両において、電気駆動中の燃焼機関のスタータは、既知の１２ボルトのスタータモータを介して遂行されることが多い。電動機は、自身のトルクを電気駆動装置として最大限に利用することを可能とし、第２のエネルギー源から燃焼器を始動させる追加トルクが提供される。１つの問題は、始動プロセスによって１２ボルトの電気システムが乱され、電圧降下が生じることである。スタータ回路は電気システムから分離させ、かつ車載電気システムは、通常は電気自動車用電池からの電力供給により、コンバータを介して提供される追加のエネルギー源によって供給されなければならない。このエネルギー源に突然支障が生じた場合、冗長電源を使用し、ライト、ステアリングなどの安全機能を確保するために車載電気システムを確実にする必要がある。これは通常補助バッテリによって行われ、補助バッテリ、コンバータおよびスタータバッテリの相互接続は非常に複雑で面倒である。

従来技術から、機能を別々に実行するいくつかの個々のモジュールが既知であり、追加の補助バッテリまたはＤＣ−ＤＣコンバータによる冗長電源が必要である。燃焼開始時に車載電源またはコンバータが故障した場合は、始動を停止し、電気駆動装置で緊急停止させなければならない。

特許文献１から、内燃機関と電気システムとを備えた車両が知られており、車両はバッテリ、電力分配器、スタータ、発電機および電気的負荷を備えている。ここでは、スタート／ストップ作業のための始動電流制限装置が記載されている。

更なる先行技術は、特許文献２を参照できる。この刊行物では、自動車の車載電気システムおよび自動車の始動方法について記載されており、スタータの電流消費が直列抵抗ブリッジにより時間的に制限されることにより、始動時のバッテリにおける過度の電圧低下が防止される。タイムアウトはリアルタイムで決定され、算出されたパラメータに依存する。一般的に、スタータの高電流消費は、車載電気システムにおける電圧の低下を補償する車載電気システムにおける電圧対応措置を行う。この刊行物では、スタータ電流を制限するため、直列抵抗の統合が行われる。しかし、既知の電流制限は部分的電気システムまたは単一電圧の車載電気システムのみが常に考慮される。

ＷＯ ２０１４／０６４１４８ Ａ１ ＥＰ ２ ４６９ ０７０ Ａ１

本発明の課題は、多電圧式車載電気システムにおいて始動電流制限のための手段を提供することであり、改善されたスタート／ストップ作業を有する多電圧式車載電気システムの電位は、異なる電圧レベルおよび異なる負荷特性を有するバッテリからも開始できる。

この課題は、独立請求項の主題により解決される。有利な実施形態およびさらなる発展形態は、特にその従属請求項に開示される。

本発明の第１の態様によれば、この課題は、スタータバッテリにおよびコンバータを備えた電気システムに接続するための統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュールであって、該コンバータは、スタータ制御装置を介しておよび車載電気システム断路器を介して、車載電気システム側からスタータバッテリを備えるスタータ回路に接続可能であるモジュールにより解決される。本発明によれば、車載電気システムはスタータ回路から離脱可能であり、スタータ制御装置および車載電気システム断路器はモジュールに統合される。

異なる車載電気システム部分からの開始を可能にすることが本発明の概念である。適切な電位分岐の対応する選択の結果として、接続されたエネルギー源の負荷特性に応じて、スタータ回路は電流を最適に供給されることができる。有利には、例えばリチウム高圧バッテリなどの内部抵抗が非常に低いエネルギー源から始動するときに、スタータ回路の過電流保護を実現することができる。

本発明の好ましい実施形態により、スタータ制御装置は、スタータモータを起動させるためのスタータスイッチを備え、スタータモータおよびスタータバッテリが始動プロセス中に車載電気システムから分離可能であるように、スタータモータはスタータバッテリに電気的に結合される。したがって、車載電気システムおよびスタータ回路は必要に応じて分離または結合されることができる。車載電気システム断路器は、好ましくは、車載電気システム断路スイッチを含み、スタータスイッチおよび／または車載電気システム断路スイッチは、固有のダイオードを有するＭＯＳＦＥＴとして形成される。好ましくは、スタータスイッチおよび車載電気システム断路スイッチは互いに並列に接続される。

本発明の別の好ましい実施例によれば、第１の準ダイオード（quasi-diode）が設けられ、第１の準ダイオードは元の状態では閉成されているものであり、始動プロセス中に第１の準ダイオードは開放され、車載電気システムの電圧監視が実行される。したがって、第１の準ダイオードをモジュールに統合することができる。さらに、車載電気システムを監視することができ、必要に応じていつでも測定を開始することができる。好ましくは、制御ユニットが設けられ、制御ユニットは第１の準ダイオードに接続されるものであり、該制御ユニットは、車載電気システム側で予め決まられた電圧降下を下回るか、またはコンバータが故障した場合に、第１の準ダイオードを介して切り替えを行い、始動プロセスを停止する。有利には、制御ユニットは、電圧降下またはコンバータの故障に反応することができる。好ましくは、スタータスイッチと直列接続される直列抵抗が設けられ、直列抵抗は、スタータ回路側から第１の準ダイオードに電気的に接続可能である。好ましくは、第１の準ダイオードと直列接続された第２の準ダイオードが設けられる。したがって、２つの準ダイオードが直列接続され、好ましくは、２つの準ダイオード間に電圧支持点が提供される。さらに好ましくは、第２の準ダイオードは、制御ユニットによる制御が可能である。２つの準ダイオードは、始動電流制限を有するモジュールに統合されることが望ましい。好ましくは、第１の準ダイオードと第２の準ダイオードとの間の電圧支持点が設けられ、および／またはスタータ回路に複数の切り替え可能な電位タップが設けられる。電位タップは、異なる抵抗を有することが望ましい。スタータ制御装置および車載電気システム断路器は、好ましくは、スタータバッテリからエネルギー供給を提供する共通のエネルギー源から供給される。好ましくは、共通のエネルギー源はコンバータである。コンバータは、好ましくはＤＣ−ＤＣコンバータとして構成され、始動プロセス中に車載電気システムに電力を供給する。好ましくは、継電器がモジュールにさらに組み込まれる。

本発明の第２の態様では、コンバータが、車載電気システムからスタータ制御装置および車載電気システム断路器を介してスタータ回路に接続される、自動車における始動電流を制限する方法により、課題が解決される。本発明により、始動プロセス中に車載電気システムがスタータ回路から切り離され、スタータ制御装置および車載電気システム断路器が１つのモジュールに統合される。

本発明の好ましい実施形態により、スタータ回路および車載電気システムの両方は、スタータ制御装置により供給される。

本発明の第３の態様では、多電圧式車載電気システムにおける、特に、プラグインハイブリッド車両のスタート／ストップ作業およびハイブリッド車載電気システムのための、本発明の第１の態様における統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュールの使用により、課題が解決される。

スタータ制御装置および車載電気システム断路器を１つのモジュールに統合することが本発明の概念である。さらに、巧妙な制御により、ただ１つの１２ボルトバッテリの使用により、スタータおよび車載電気システム両方の電源供給が保証される。

有利なことに、バッテリへの取り付けおよび追加の補助バッテリまたは追加の補助コンバータの使用節減により、簡単な統合が可能となる。スタータ制御装置および車載電気システム断路スイッチの統合により、バッテリおよび車載電気システム間の接続の切断ならびに始動の間の非常に高速なスイッチングシーケンスが可能となる。これにより、開始アボートから接続の間の迅速な切り替えシーケンスが保証される。車載電気システム断路スイッチは、好ましくは電流の方向に応じ電池および車載電気システム間の接続を分離させるために使用される。有利には、始動時のピーク電流の制限および、始動時の降伏電圧の制限が可能である。さらに、バッテリ端子にモジュールを直接取り付けることも可能である。耐衝撃性を含む他の利点として、即時始動の外部でスタータ回路への無電位供給が可能になること、および始動中に車載電気システムの電源に問題が発生することによる自動的な始動の中断が挙げられる。準ダイオードは車載回路とコンバータを分離し、かつスタータバッテリの車載電気システム側で電圧降下を電気システムにもたらす。バッテリへの直接取付は、容易な統合を可能にし、重量およびコストの面でも有利である。コスト上の利点は、必要に応じ、必要な補助バッテリを適切な配線を使用することによる節減によってももたらされる。さらに、１回の操作で組立可能であるという点において、コスト低減になる。

本発明の実施形態に関し、以下に図面を参照して詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態による、統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュールを示す図である。 本発明の第２の実施形態による、統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュールを示す図である。 本発明の第３の実施形態による、直列抵抗による始動時の電圧降下の制限における概略図である。 本発明の第４の実施形態による、コンバータの故障の場合の車載電気システムの分離および始動の中断、および車載電気システムのサポートを示す図である。 本発明の第５の実施形態による、低抵抗バッテリのスタータ保護を示す図である。

図１に示すように、第１の例示的な実施形態による、接続されたスタータバッテリ２を備えた統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュール１３が示されている。モジュール１３は、電気システム３に配置されたコンバータ４により車載電気システム側に接続される。コンバータ４は、車載電気システム側からモジュール１３を介してスタータバッテリ２を備えたスタータ回路５に接続することができる。この接続は、モジュール１３内のスタータ制御装置を介しておよび車載電気システム断路器を介して行われる。車載電気システム３はスタータ回路５から離脱可能であり、スタータ制御装置および車載電気システム断路器は、モジュール１３に共に統合される。ハイブリッド車は高速走行中に１２ボルトの起動力を必要とする。ステアリングおよび駆動ギアシステムの電圧要求には、スタータ回路５および車載電気システム３間のデカップリングを必要とする

始動プロセスなしで車両の停止および運転を行う車両の場合、デカップリングは必要とされない。モジュール１３に設けられた準ダイオード９は、元の状態では閉成されている。車両が始動プロセス中に移動を開始するとすぐに、スタータ回路５と車載電気システム３との間のデカップリングが行われる。これにより、準ダイオードスイッチ９が開放される。車載電気システム３への電圧監視がアクティブになる。スタータ回路５にはスタータモータ７が設けられ、スタータ回路５は直列抵抗１２を介して準ダイオード９に直列接続されることができる。ここで、スタータスイッチ６はスタータ回路５内に設けられ、このスタータスイッチ６は直列抵抗１２と直列に接続され、車載電気システム断路スイッチ８と並列に接続される。

車載電気システム側で電圧が１１ボルト未満に降下した場合、またはコンバータの故障の場合には、始動が中止される。この第１の実施形態では、バッテリ２の定格電圧が１２ボルトに回復するまでの回復時間は２０ミリ秒であり、スイッチング時間は１マイクロ秒未満である。１１ボルト未満における最長時間は２０ミリ秒未満である。この時間は、車両システムにより支持され得る。

図２は、本発明の第２の実施形態によるモジュール１３を示す。図２は、第１準ダイオード９と第２準ダイオード１０を制御する制御ユニット１１がさらに設けられ、２つの準ダイオード９、１０が直列に接続されている点が図１と異なる。制御ユニット９は、車載電気システムの電圧制限を下回ると、準ダイオード９を切り換えて始動を中断する。この第２の実施形態では、対応するソフトウェア制御装置、診断および状況メッセージに関する。さらに、２つの準ダイオード９、１０の電力消費は、対応する制御装置により最小限に抑えられ、スタータスイッチ６および車載電気システム断路スイッチ８は、固有のダイオードを有するＭＯＳＦＥＴとして形成される。したがって、図２における全体システム１は、図１のものと、特にモジュール１３において相異する。

図３は、本発明の第３の例示的な実施形態による、直列抵抗による電圧降下の制限を示す。車載電気システム３の電圧は、時間軸上に提示される。両方のスイッチ６、８が開放されている時、直列抵抗１２はアイドル状態であり、スタータラインに電位ない。２０ミリ秒の時間内に電圧が１１ボルト以下に降下すると、直ちにスタータスイッチ６が閉じられ、直列抵抗１２が準ダイオード９と直列に接続される。直列抵抗１２は８．５ｍΩであり、車載電気システム電圧が９Ｖ以上を安全に維持するまで接続される。第３の実施形態では、最大時間が１５０ミリ秒である７０ミリ秒と８０ミリ秒間に、車載電気システム断路スイッチ８が閉じられる前に電圧が再び指数関数的に増加し、直列抵抗１２がブリッジされ全ての電流が流れる。その後、もう１つの電圧降下がおよそ９ボルトに降下し、その後、定格電圧に再び到達し、電圧はスタータラインに電位が無くなるまで連続的に上昇する。第３の実施形態では、開始期間は５００ミリ秒である。

図４は、第４の好ましい例示的な実施形態による、コンバータの故障の場合の車載電気システムの切断、迅速な始動の中断、および車載電気システムのサポートを示す。図４では、コンバータの障害が発生した箇所に、ＤＣＤＣの印が付いた矢印が示される。これより以前に、コンバータは車載電気システム３を供給し、準ダイオード９は閉じられ、車載電気システム３からスタータ回路５を遮断する。その後、準ダイオード９を切り換え、スタータバッテリ２から車載電気システム３に供給する。加えて、車載電気システム断路スイッチ８のダイオード機能は点線でこの図に提示され、電圧降下は経時的に示されている。最後の部分では、バッテリ電圧は１５ミリ秒以内に、結果的に負荷電圧に回復する。

図５は、本発明の第５の実施形態による、低抵抗バッテリのスタータ保護を示す図である。図５は、３つの期間に関して図３と相異ないが、この第５の実施形態では、リチウムスタータバッテリが使用され、第１期間の終わりに、この低抵抗バッテリが検出される。これにより、抵抗が高温になるまで切り替えた状態が継続される。さらに、第２期間および第３期間の経過は異なるので、図５では、第２期間の終わりに急激な電圧降下は見られない。第２期間中、電流が始動され、抵抗の温度限界を超える場合には緊急接続が行われる。

Claims (6)

1. スタータバッテリ（２）におよびコンバータ（４）を備えた車載電気システム（３）に接続するための統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュール（１３）であって、
   前記コンバータ（４）は、スタータ制御装置を介しておよび車載電気システム断路器を介して、車載電気システム側から前記スタータバッテリ（２）を備えるスタータ回路（５）に接続されることができるものであり、
   前記車載電気システム（３）は前記スタータ回路（５）から離脱可能であり、前記スタータ制御装置および前記車載電気システム断路器は互いに並列に接続され、前記モジュール（１３）に統合され、
   前記車載電気システム側と前記スタータ制御装置との間に第１の準ダイオード（９）が設けられ、前記第１の準ダイオード（９）は元の状態では閉成されているものであり、始動プロセス中に前記第１の準ダイオード（９）は開放され、前記車載電気システム（３）の電圧監視が実行され、および
   制御ユニット（１１）が設けられ、前記制御ユニット（１１）は前記第１の準ダイオード（９）に接続されるものであり、前記制御ユニット（１１）は、前記始動プロセス中に前記車載電気システム側で予め決められた電圧降下を下回るか、または前記コンバータ（４）が故障した場合に、前記第１の準ダイオード（９）を閉成し、かつ前記始動プロセスを停止することを特徴とする、統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュール。
2. 前記スタータ制御装置は、スタータモータ（７）を起動するためのスタータスイッチ（６）を備え、前記スタータモータ（７）および前記スタータバッテリ（２）が始動プロセス中に前記車載電気システム（３）から分離可能であるように、前記スタータモータ（７）は前記スタータバッテリ（２）に電気的に結合されることを特徴とする、請求項１に記載のモジュール。
3. 前記車載電気システム断路器は、車載電気システム断路スイッチ（８）を含み、前記スタータスイッチ（６）および／または前記車載電気システム断路スイッチ（８）は、固有のダイオードを有するＭＯＳＦＥＴとして形成されることを特徴とする、請求項２に記載のモジュール。
4. 前記スタータスイッチ（６）と直列に接続される直列抵抗（１２）が設けられ、前記直列抵抗（１２）は、スタータ回路側から前記第１の準ダイオード（９）と電気的に接続可能であることを特徴とする、請求項２に記載のモジュール。
5. 前記第１の準ダイオード（９）と直列接続された第２の準ダイオード（１０）が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のモジュール。
6. 多電圧式車載電気システムにおける、特にプラグインハイブリッド車両のスタート／ストップ作業およびハイブリッド車載電気システムのための、請求項１〜５のいずれか一項に記載の統合されたスタータおよび車載電気システム断路モジュール（１３）の使用。
   

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