JP6765008B2 - 発電機の電圧調整器 - Google Patents

Description

本発明は、発電機の電圧調整器に関する。特に本発明はこのような電圧調整器を含む発電機にも関する。

自動車に電気エネルギーを供給するためには、ジェネレータを使用することが一般的である。このようなジェネレータは発電機と呼ばれる。ジェネレータは車両の駆動エンジンからベルト車を介して供給される機械的なエネルギーを電気的なエネルギーに変換する。したがって発電機を駆動するモーメントは内燃機関の状態に関係している。

一般に電動機は電圧調整器に接続されており、電圧調整器は、固有のジェネレータ電圧及び／又は車載電源から給電される。一般にこのようなジェネレータでは、パワーエレクトロニクスによって形成された集積回路の形式の調整手段が使用されることが多い。調整手段は、電気的な消費機器の要求及び車両の電池の充電方式に応じて、車両の車載電源で必要とされる電流を設定する。このために車載電圧が調整値として使用され、持続的に目標電圧と比較される。車載電圧は、特に発電機の出力電圧と同一である。

特に欧州特許出願公開第１６７５２４５号明細書により電圧調整器が公知である。この電圧調整器は２つのスイッチを備える。第１スイッチは、わずかな変化が生じた場合に車載電圧を保持するための役割を果たす。特にエネルギー消費の大きい消費機器の停止などの様々な事情に基づいて車載電圧を著しく増大することが望ましい場合には、第２スイッチがジェネレータ電圧を急速に低減するための役割を果たす。したがって、第２ステップを作動する閾値が第１ステップの閾値を著しく超えている必要がある。このことは、第１スイッチで故障が生じ、もはや調整タスクを実行することができない場合に、第２スイッチは車載電圧を高いレベルに保持することしかできないという欠点を有する。このようなことは、車載電源の内部に潜在的な損傷をもたらしかねない。

欧州特許出願公開第１６７５２４５号明細書

本発明による電圧調整器は、好ましくは車載電源の構成要素のために危険ではないレベルに車両の車載電圧を保持することを可能にする。この場合、電圧調整器は、好ましくは付加的な信号を得るための付加的な接続を行わない。なぜなら、これらの接続は計算コスト及び付加的なコストをもたらすからである。同時に車載電圧の確実な調整が可能になる。

本発明による発電機の電圧調整器は、第１調整ユニットと、第１調整ユニットに依存しない第２調整ユニットとを含む。この場合、第１調整ユニットは、第１最大値を超えた場合に発電機の出力電圧を低減するように構成されている。第２調整ユニットは、同様に発電機の出力電圧を低減するように構成されている。この場合、このような低減は選択的に、第１最大値を超えた場合、又は第１最大値とは異なる第２最大値を超えた場合に行われる。これにより、第２調整ユニットは、好ましくは２つの異なるタスクを引き受けることができる。第２調整ユニットが第１調整ユニットの下流側の構成要素として使用される場合には、特に電圧調整器を従来技術と同様に実現することができる。このことは、第１調整ユニットが出力電圧を所定値に保持するか、又は所定間隔で保持するように構成されていることを意味する。これは、特に出力電圧が過度に高い値に到達した場合に出力電圧が低減されることによって達成される。好ましくは、著しく上昇した出力電圧を急速に低減するために第２調整ユニットを使用することができる。しかしながら、第１調整ユニットが故障した場合には、第２調整ユニットが第１調整ユニットのタスクを引き受けることができる。これにより、第１調整ユニットの故障時に発電機の出力電圧が過度に高いレベルに保持されることが防止される。

従属請求項は本発明の好ましい実施形態を示す。

好ましくは、第１調整ユニット及び第２調整ユニットは、操作量として用いられる発電機の励磁コイルの励磁電圧を制御するように構成されている。特に励磁電圧を介して発電機の出力電圧を簡単に調整することができる。なぜなら、発電機によって放出することができる電力よりも小さい電力が励磁コイルによって伝送されるからである。出力電圧が操作量として使用される場合には大きい電力を処理する必要があるが、このことが励磁電圧を操作量として用いることにより回避される。したがって、簡単で安価に電圧調整器を構成することができる。特に、小さい電力にのみ耐えればよいパワー半導体を使用することができる。

第２調整ユニットは、好ましくは正常動作時には第２最大値を超えた場合に出力電圧を低減するように構成されている。第２調整ユニットは、好ましくは第１調整ユニットに故障が生じた場合にのみ第１最大値の超過時に出力電圧を低減するように構成されている。したがって、正常動作時には第２調整ユニットが第１調整ユニットと共に段階的な調整器を形成することが確保されている。これにより、正常動作時には主に第１調整ユニットが作動しており、第２調整ユニットは、第１調整ユニットがもはや正しく機能していない場合にはじめて介入する。第１調整ユニットの故障時にはじめて第２調整ユニットは第１調整ユニットのタスクを引き受ける。したがって、段階的な制御器はもはや設けられていないが、それにもかかわらず発電機が第１最大値を超えた場合にも発電機の出力電圧が低減されることが確保されている。このような適合を行わなければ、第２調整ユニットは依然として第２最大値を超えた場合にはじめて電圧を低減し、これにより、特に車載電源の内部で電圧が引き続き高められてしまう。したがって、このような危険性が回避される。

第１調整ユニットの故障は、有利には、出力電圧が所定時間にわたって所定値を超えていることによって検出される。第１調整ユニットは、第１最大値を超えた場合に出力電圧を低減するように構成されているので、このタスクが第１調整ユニットによってもはや引き受けられない場合には第１調整ユニットの故障を推定することができる。したがって、第２調整ユニットは、出力電圧が所定時間にわたって第１最大値を超えているか、又は第２最大値よりも小さく第１最大値よりも大きい第２最小値を超えている場合にも出力電圧を低減するように構成されている。第２最小値は、第２調整ユニットを停止するための閾値としての役割を果たす。これについては次の段落で説明する。所定時間は、特に少なくとも１／２秒の時間であってもよい。したがって、電圧調整器は第１調整ユニットを監視するために付加的な構成要素を必要とせず、むしろ第２調整ユニット自体によって初期に故障が生じたことを検出することができる。

第２最大値は、好ましくは第１最大値よりも大きい。したがって、段階的な調整器が実現可能であり、第２調整ユニットは、電圧が第２最大値によって表される上限を超えている場合にはじめて介入する。上限を下回っている場合には、第１調整ユニットによって出力電圧の調整を行うことができると仮定されている。しかしながら、第２最大値を超えた場合には、車載電源の内部の電圧が著しく上昇していると仮定される。このようなことは、特に消費電力の高い消費機器のスイッチオフによって起こることがある。この場合、再び第１調整ユニットによって調整できる範囲に到達するために第２調整ユニットによって出力電圧を急速に低減することができる。

第１調整ユニットは、好ましくは第１切換ユニットを含み、第２調整ユニットは、好ましくは第２切換ユニットを含む。この場合、第１切換ユニット及び第２切換ユニットによって励磁コイルを放電することができる。したがって、励磁コイルが放電されることにより出力電圧を低減することができる。この場合、励磁コイルの放電は、特徴的な放電曲線によって行われる。この放電曲線は時定数の関数であり、急速放電は常に可能なわけではない。したがって、放電は第１調整ユニットによっても第２調整ユニットによっても行われる。

特に有利には、第１調整ユニットは第１論理ユニットを備え、第２調整ユニットは第２論理ユニットを備える。この場合、第１制御器及び第２制御器は出力電圧を検出するように構成されている。したがって、それぞれの論理ユニットによって出力電圧を個々に検出することができる。好ましくは、第１調整ユニットと第２調整ユニットとの間のデータの交換は行われない。むしろ第１調整ユニット及び第２調整ユニットはいずれも自立的に作動し、これにより電圧調整器内に冗長性をもたらすことが可能になる。第１論理ユニットは、出力電圧が第１最大値を超えた場合、及び出力電圧が、第１最大値よりも小さい第１最小値を下回った場合に第１切換ユニットを切り換えるように構成されている。したがって、好ましくは出力電圧が最大値を超えた場合に励磁コイルを放電するために切換（スイッチオフ）が行われる。出力電圧が第１最小値を下回った場合には、励磁コイルのさらなる放電はもはや不可欠ではない。この場合、第１切換ユニットのさらなる切換（スイッチオン）が行われ、励磁コイルの放電が終了する。第２論理ユニットは、出力電圧が第１最大値を超えた場合及び出力電圧が第１最小値を下回った場合、又は代替的に、出力電圧が第２最大値を超えた場合及び出力電圧が第２最小値を下回った場合に、選択的に第２切換ユニットを切り換えるように構成されている。この場合、第２最小値は第２最大値よりも小さく設定されている。特に、第２最小値は第１最大値よりも大きく設定されている。したがって、第２調整ユニットは、第１調整ユニットが故障している場合には第１調整ユニットのタスクを選択的に引き受けることができるか、また代替的に、第１調整ユニットのための下流側の調整を行うことが確保されている。このために、第２調整ユニットは第２論理ユニットによって、第１最大値と第１最小値との間及び第２最大値と第２最小値との間で選択的に切換可能である。

第１切換ユニットは、励磁コイルの第１接続部と発電機の正極との間の電気的な接続を切り換えるように構成されている。第２切換ユニットは、励磁コイルの第２接続部と発電機の負極との間の電気的な接続を切り換えるように構成されている。この場合、励磁コイルは第１接続部と第２接続部との間に延在するように構成されている。

特に好ましくは、第１調整ユニットはさらに第１遮断ユニットを備える。第１遮断ユニットは、特にダイオードである。第１遮断ユニットは、第１接続部と負極との間に配置されており、第１接続部から負極への電流を遮断する。第２調整ユニットは第２遮断ユニットを備え、第２遮断ユニットは第２接続部と正極との間に配置されており、正極から第２接続部への電流を遮断する。第２遮断ユニットも好ましくはダイオードとして構成されている。したがって、全部で２つのフリーホイールが電圧調整器内に定義されている。これらの２つのフリーホイールは、第１切換ユニット及び第２切換ユニットの切換によって作動又は停止され、したがって、発電機の出力電圧を低減することが可能であることを意味する。第１フリーホイールは、第１切換素子の切換によって正極と第１接続部との間の接続を分離することによって作動される。この場合、フリーホイールは、励磁コイル、第２接続部、第２切換素子、第１遮断素子を通って最後に第１接続部を介して励磁コイルに戻る形で行われる。第２フリーホイールは、第２切換素子の切換によって第２接続部と負極との間の接続を分離することによって作動される。この場合、フリーホイールは、励磁コイルから、第２接続部、第２遮断ユニット、車載電源、第１遮断ユニット、及び第１接続部を介して励磁コイルに戻る形で行われる。

最後に、本発明はこのような電圧調整器を含む発電機に関する。特にこのような発電機は車両でジェネレータとして使用することができる。この場合、上記電圧調整器によって、出力電圧、したがって車両の車載電源の内部の電圧が持続的に第１最大値を超えないことが確保されている。これにより、搭載電源の内部の構成要素の故障が防止される。

本発明の一実施例による電圧調整器を含む発電機を示す概略図である。 本発明の一実施例による電圧調整器による調整時の出力電圧の線図を示す概略図である。

次に本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、発電機２に配置されている電圧調整器１を概略的に示している。発電機２のうちの励磁コイル５のみが示されており、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するためのロータ及びステータは示されていない。発電機２を介して車載電源１６に電気エネルギーを供給することが可能であり、車載電源１６は、車両電池１４及び消費機器１５によって示されている。車載電源１６は正極Ｂ＋及び負極ＧＮＤを備える。正極Ｂ＋及び負極ＧＮＤを介して、車載電源１６は発電機２、ひいては電圧調整器１に電気的に接続されている。したがって、発電機２の出力電圧は車載電源１６の内部の電圧である。

電圧調整器１は第１調整ユニット３及び第２調整ユニットを含む。第１調整ユニット３は第１論理ユニット１２を含み、第１論理ユニット１２を介して第１切換ユニット８が切換可能である。さらに第１調整ユニット３は第１遮断素子１０を含む。第１切換ユニット８は励磁コイル５の第１接続部６を正極Ｂ＋に接続する。これにより、第１接続部６と正極Ｂ＋との電気的な接続が第１切換ユニット８によって形成可能又は分離可能である。第１遮断ユニット１０を介して第１接続部６は負極ＧＮＤに接続されており、第１遮断ユニット１０は、第１接続部６から負極ＧＮＤへの電流を遮断する。第１遮断ユニット１０は、特にダイオードである。

さらに電圧調整器１は第２調整ユニット４を含む。第２調整ユニット４は第２論理ユニット１３を含む。第２論理ユニット１３を介して第２切換装置９が切換可能である。さらに第２調整ユニット４は第２遮断ユニット１１を含む。第２切換ユニット９を介して、励磁コイル５の第２接続部７と負極ＧＮＤとの間の電気的な接続を選択的に形成可能又は遮断可能である。第２遮断ユニット１１を介して、第２接続部７と正極Ｂ＋との間の電気的な接続が提供されており、第２遮断ユニット１１は、正極Ｂ＋から第２接続部７への電流を遮断する。

正常動作時には、第１切換ユニット８及び第２切換ユニット９の両方が閉じられており、第１接続部６と正極Ｂ＋との間及び第２接続部７と負極ＧＮＤとの間の電気的な接続が提供されている。励磁コイル５は第１接続部６と第２接続部７との間に設けられている。第１切換ユニット及び第２切換ユニット９の開放により、発電機２の出力電圧を調整することができる。このためには、簡単なコンセプトが提供されている。

第１論理ユニット１２に基づいて発電機２の出力電圧が監視される。出力電圧が第１最大値１００を超えるとすぐに第１論理ユニット１２は第１切換ユニット８を開く。出力電圧が第１最小値３００を下回った場合には第１切換ユニット８は第１論理ユニット１２によって再び閉じられる。

第２調整ユニットは基本的には同じ原理に従って作動する。したがって、第２論理ユニット１３は、出力電圧が第１最大値１００を超えた場合には第２切換ユニット９を開き、出力電圧が第１最小値３００を下回った場合には閉じるように構成されている。付加的に、第２論理ユニット１３は、出力電圧が第２最大値２００を超えた場合には第２切換ユニット９を開き、出力電圧が第２最小値４００を下回った場合には閉じるように構成されている。第１最大値１００及び第１最小値３００が使用されるのか、又は代わりに第２最大値２００及び第２最小値４００が使用されるのかについての選択は、第１調整ユニット３で故障が検出されたかどうかに依存している。

第１調整ユニット３が故障していない正常動作時には、第２論理ユニット１３は第２最大値２００及び第２最小値４００を使用する。第２最大値２００及び第２最小値４００は、特に第１最大値１００よりも大きい。したがって、第２調整ユニット４は、第１調整ユニット３の下流側の調整段階である。第１調整ユニットによる出力電圧の低下は、第１接続部６と第２接続部７との間に延在する励磁コイル５の放電に基づいている。正極Ｂ＋と第１接続部６との間の電気的な接続を分離するために第１切換ユニット８が切り換えられた場合には、励磁コイル５が放電もしくは励磁解除される。したがって、励磁電圧が小さいことにより、提供される発電機２の出力電圧も小さい。もちろん、励磁コイル５の放電は所定の特有の放電曲線によって行われ、特に時定数が設けられている。この放電曲線に基づいて、励磁コイル５の急速放電は不可能である。したがって、第１調整ユニット３によって出力電圧を急速に低減することは不可能である。しかしながら、正常動作時にはこのようなことは不可欠ではない。

第１切換装置８の接続によって、特にフリーホイールが作動可能である。このフリーホイールは、励磁コイル５から第２接続部７、第２切換素子９、第１遮断素子１０、及び最後に第１接続部６を介して励磁コイル５に戻る形で行われる。

しかしながら、特にエネルギー消費の大きい消費機器１５をスイッチオフした場合に車載電源１６の内部で起こることがあるように発電機２の出力電圧が著しく上昇した場合には、過度に高い電圧が過度に長い時間にわたって車載電源１６の内部で保持され、これにより車載電源１６の内部の構成要素が損傷される恐れがある。したがって出力電圧が第２最大値２００を超えた場合には第２論理ユニット１３によって第２切換装置９の開放が行われる。これにより、励磁コイル５の急速放電が得られる。

第２切換装置９の切換によって、励磁コイル５から第２接続部７、第２遮断ユニット１１、車載電源１６、第１遮断ユニット１０、及び第１接続部６を介して励磁コイル５に戻る形でフリーホイールが行われる。

しかしながら、第１調整ユニット３の内部に故障がある場合には、第２論理ユニット１３が、第１最大値１００及び第１最小値３００に依存して第２切換装置９を切り換えるように構成されている。したがって、第２調整ユニット４は第１調整ユニット３のタスクを引き受け、出力電圧を車載電源１６の構成要素が損傷されないレベルに保持する。これにより、より大きい第２最大値２００になってはじめて電圧調整器１の介入が行われることが回避されている。むしろ電圧調整器１の介入は第１調整ユニット３が故障しているか否かに関わらず第１最大値１００で常に行われる。

図２は、第１調整ユニット３の故障に基づいて第２調整ユニット４が第２最大値２００及び第２最小値４００から第１最大値１００及び第１最小値３００に切り換えられる場合を概略的に示している。図２の線図には発電機２の出力電圧の波形が示されている。始動時点６００で第１調整ユニット３に故障が生じる。このことは、第１切換ユニット８が一貫して閉じられており、もはや開かれないことを意味する。したがって、第２最大値２００で第２調整ユニット４が介入するまで出力電圧は上昇する。しかしながら、出力電圧が第２最小値４００を下回った場合には、第１調整ユニット３が出力電圧の調整を再び引き受けることができると仮定することができるので、第２調整ユニット４は第２切換ユニット９を再び閉じ、故障した第１調整ユニット３に基づいて出力電圧は再び上昇する。出力電圧が再び第２最大値２００に達するとすぐに、第２切換装置９の開放によって再び第２調整ユニット４の介入が行われる。これにより、出力電圧は常に第２最小値４００と第２最大値２００との間に保持される。

第２調整ユニット４、特に第２論理ユニット１３によって、出力電圧が第１最大値１００を超えている時間がさらに検出可能である。特にこの時間は、出力電圧が第２調整ユニット９によって検出可能な第２最小値４００をどのくらいの時間にわたって超えているかに基づいて推定することができる。この時間が所定の時間５００、特に０．５秒よりも長い時間を超えた場合には、第２論理ユニット１３は第１調整ユニット３の故障を仮定する。したがって、第２調整ユニット４は、第１調整ユニット３の故障を検出するために付加的な構成要素を必要としない。

このような故障が検出された場合には、第２論理ユニット１３は、出力電圧を調整するために第１最大値１００及び第１最小値３００のみを使用する。したがって、第２切換ユニット９は第１最大値１００を超えた場合には開き、第１最小値３００を下回った場合には閉じられる。このようにして、第１調整ユニット３の場合と同じ調整機能が実現可能である。これにより、出力電圧が第２最小値４００と第２最大値２００との間ではなく、むしろ第１最小値３００と第１最大値１００との間に保持されることが確保されている。

好ましい実施形態では、第１最大値１００は１４．２ボルトであり、第２最大値２００は１６．２ボルトであり、第１最小値３００は１４．０ボルトであり、第２最小値４００は１６．０ボルトである。したがって、正常動作時には１６．０ボルトを超える電圧は急速に減衰することができ、第１調整ユニット３の故障時には発電機２の出力電圧は持続的に１４．２ボルトを超えて上昇しない。このように、一方では電圧調整器１の内部に冗長性が設けられており、他方では電圧調整器１を段階的調整器として使用することができる。

Claims (9)

1. 発電機（２）の電圧調整器（１）であって、
   第１調整ユニット（３）と、
   該第１調整ユニット（３）に依存しない第２調整ユニット（４）と
   を含み、
   前記第１調整ユニット（３）が、第１最大値（１００）を超えた場合に前記発電機（２）の出力電圧を低減するように構成されており、
   前記第２調整ユニット（４）が、選択的に、前記第１最大値（１００）を超えた場合又は第１最大値（１００）とは異なる第２最大値（２００）を超えた場合に出力電圧を低減するように構成されており、
   前記第２調整ユニット（４）が、正常動作時には前記第２最大値（２００）を超えた場合に出力電圧を低減するように構成されており、前記第１調整ユニット（３）に故障が生じた場合には前記第１最大値（１００）の超過時に出力電圧を低減するように構成されている、発電機（２）の電圧調整器（１）。
2. 請求項１に記載の電圧調整器（１）において、
   前記第１調整ユニット（３）及び前記第２調整ユニット（４）が、操作量として用いられる前記発電機（２）の励磁コイル（５）の励磁電圧を制御するように構成されている、電圧調整器（１）。
3. 請求項１又は２に記載の電圧調整器（１）において、
   前記第２調整ユニット（４）が、出力電圧が所定時間（５００）にわたって所定値を超えている場合に前記第１調整ユニット（３）が故障していることを検出するように構成されている、電圧調整器（１）。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の電圧調整器（１）において、
   前記第２最大値（２００）が、前記第１最大値（１００）よりも大きい、電圧調整器（１）。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の電圧調整器（１）において、
   前記第１調整ユニット（３）が第１切換ユニット（８）を含み、前記第２調整ユニット（４）が第２切換ユニット（９）を含み、励磁コイル（５）が第１切換ユニット（８）及び第２切換ユニット（９）によって放電可能である、電圧調整器（１）。
6. 請求項３に記載の電圧調整器（１）において、
   前記第１調整ユニット（３）が第１論理ユニット（１２）を備え、前記第２調整ユニット（４）が第２論理ユニット（１３）を備え、
   第１論理ユニット（１２）及び第２論理ユニット（１３）が出力電圧を検出するように構成されており、
   前記第１論理ユニット（１２）が、出力電圧が前記第１最大値（１００）を超えた場合、又は前記第１最大値（１００）よりも小さい第１最小値（３００）を下回った場合に、第１切換ユニット（８）を切り換えるように構成されており、
   前記第２論理ユニット（１３）が、選択的に、出力電圧が前記第１最大値（１００）を超えた場合もしくは前記第１最小値（３００）を下回った場合に、第２切換ユニット（９）を切り換えるか、又は出力電圧が前記第２最大値（２００）を超えた場合もしくは第２最大値（２００）よりも小さい第２最小値（４００）を下回った場合に、第２切換ユニット（９）を切り換えるように構成されている、電圧調整器（１）。
7. 請求項５に記載の電圧調整器（１）において、
   第１切換ユニット（８）が、励磁コイル（５）の第１接続部（６）と発電機（２）の正極（Ｂ＋）との間の電気的な接続を切り換えるように構成されており、第２切換ユニット（９）が、励磁コイル（５）の第２接続部（７）と発電機（２）の負極（ＧＮＤ）との間の電気的な接続を切り換えるように構成されている、電圧調整器（１）。
8. 請求項７に記載の電圧調整器（１）において、
   前記第１調整ユニット（３）が第１遮断ユニット（１０）を備え、該第１遮断ユニットが、前記第１接続部（６）と負極（ＧＮＤ）との間に配置されており、前記第１接続部（６）から前記負極（ＧＮＤ）への電流を遮断し、
   前記第２調整ユニット（４）が第２遮断ユニット（１１）を備え、該第２遮断ユニットが、前記第２接続部（７）と正極（Ｂ＋）との間に配置されており、該正極（Ｂ＋）から前記第２接続部（７）への電流を遮断する、電圧調整器（１）。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の電圧調整器（１）を備える発電機（２）。

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