JP6970278B2 - 自動車用の車両電気システムおよび自動車用の車両電気システムの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、一次電力ネットワークと、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して一次電力ネットワークと電気的に接続された二次電力ネットワークと、を有する自動車用の車両電気システムに関し、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークはＤＣ−ＤＣコンバータのブロッキングダイオードを介して互いに接続され、ブロッキングダイオードは、一次電力ネットワークから二次電力ネットワークの方向に伝送方向を有しており、絶縁障害を確認するための測定抵抗器を備えた絶縁モニタが二次電力ネットワークに関連する、車両電気システムに関する。本発明はさらに、自動車用の車両電気システムの作動方法に関する。

自動車の電気システムは、自動車の少なくとも１つの電力消費装置を動作させるために使用される。車両の電気システムには少なくとも１つの電圧源があるが、理想的には複数の電圧源を有する。例えば、電源は、それぞれの電力ネットワーク、つまり、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークの両方にそれぞれ関連付けられる。車両電気システムは、好ましくは、電気機械として設計された少なくとも１つの駆動アセンブリを有する自動車の駆動装置を操作するために使用される。車両の電気システムを介して、ドライブアセンブリに電流を流すことができる。

駆動装置、したがって駆動アセンブリは、モーター車両を駆動するために使用され、したがって、この点において自動車の駆動に向けられた駆動トルクを提供するために使用される。もちろん、駆動装置は、駆動アセンブリに加えて少なくとも１つのさらなる駆動アセンブリを含むハイブリッド駆動装置として設計することができる。駆動アセンブリおよび更なる駆動アセンブリは、特に好ましくは、異なるタイプのものであり、例えば、更なる駆動アセンブリは、内燃機関の形態で提供される。ハイブリッド駆動装置の場合、駆動アセンブリおよび更なる駆動アセンブリは、少なくとも時々共同で駆動トルクを提供することが特に好ましい。

例えば、特許文献１は、従来から知られている。それは、燃料電池スタック、高電圧バッテリ、電力電子エネルギー変換器を含む自動車用の回路配置に関連し、それを介して燃料電池スタックは、共通の電位接続を利用する高電圧バッテリ、および、動作中に回路配置とそこから電気的に絶縁された接地電位との間の絶縁抵抗を監視するように設計された絶縁監視装置、および、燃料電池スタックを冷却する冷却回路に電気的に接続される。冷却剤回路は、共通電位接続部に電気的に結合されており、絶縁監視装置は、共通電位接続部と接地電位との間に接続されている。回路配置を含む高電圧ネットワークの絶縁抵抗の測定精度を改善するために、冷却回路を共通の電位接続部に設定し、絶縁監視装置を共通の電位接続部に設定することが提案されている。

独国特許出願公開第１０２０１６００９３４６号明細書

本発明の目的は、既知の車両電気システムに関して利点を有する自動車用の車両電気システムを提案することであり、特に、絶縁モニタにより、絶縁障害に対する車両電気システムの簡単で費用効果の高い検査を可能にすることである。

これは、請求項１の特徴を有する本発明の車両電気システムによって達成される。この場合、補助抵抗器がブロッキングダイオードに並列に接続されてそのブロッキングダイオードを迂回し、それにより、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークの共通の絶縁障害を絶縁モニタによって確認することができる。

一次電力ネットワークと二次電力ネットワークは、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して互いに接続される。一次電力ネットワークおよび二次電力ネットワークは、少なくとも時々異なる電圧レベルで動作することが好ましく、その結果、第１の電圧レベルが一次電力ネットワークに存在し、第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルが二次電力ネットワークに存在する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークとの間で電気エネルギーを伝達するために使用される。

ＤＣ−ＤＣコンバータは、好ましくは、電気エネルギーを一次電力ネットワークから二次電力ネットワークに伝達するように排他的に設計され、したがって、逆方向の電気エネルギーの伝達は提供されない。第１の電源は、特に好ましくは一次電力ネットワークに提供され、例えば燃料電池などとして設計される。電気エネルギーは、第１の電源によって一次電力ネットワークに供給され、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して二次電力ネットワークに伝達される。

ＤＣ−ＤＣコンバータはブロッキングダイオードを備え、そのダイオードを介して、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークが少なくとも時々電気的に接続される。つまり、一次電力ネットワークは、ＤＣ−ＤＣコンバータのブロッキングダイオードを介して二次電力ネットワークに接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、チャージポンプとして設計されることが好ましい。

絶縁障害を確認するために設けられた絶縁モニタは、二次電力ネットワークに関連付けられる。絶縁モニタは測定抵抗器を有する。絶縁不良の有無を検査するために、絶縁モニタは、二次電力ネットワークの１つの電極を、測定抵抗器を介して第２の極、好ましくは電気的な接地に接続する。言い換えれば、二次電力ネットワークの極は、測定抵抗器を介して自動車の車体に電気的に接続される。絶縁モニタは、試験電圧を二次電力ネットワークに印加する。二次電源ネットワークがすでに通電されている場合、したがって第２の電圧がゼロでない場合、テスト電圧はこの第２の電圧に重ねられる。絶縁モニタは、テスト電圧を二次電力ネットワークに定期的に印加することが好ましく、したがって、テスト電圧は方形波電圧として提供できる。

二次電力ネットワークへのテスト電圧の印加中に、測定抵抗を流れる電流のアンペア数が確認される。アンペア数が予想アンペアから逸脱している場合、たとえば、測定抵抗器で予想よりも高い電圧が降下した場合、絶縁不良の存在が検出される。この場合、特に絶縁モニタによって、適切な対策が開始される。たとえば、障害表示が実行され、および／または障害エントリが障害メモリに書き込まれる。

ＤＣ−ＤＣコンバータを介して相互に接続された一次電力ネットワークと二次電力ネットワークを備えた車両電気システムの場合、ブロッキングダイオードの理由で、まず二次電力ネットワークのみが、絶縁障害について絶縁モニタを用いて検査される。さらに、絶縁障害について一次電力ネットワークの検査を可能にするために、補助抵抗器がブロッキングダイオードに並列に接続される。換言すれば、補助抵抗器はブロッキングダイオードを電気的に迂回し、それにより、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークとが、補助抵抗器を介して互いに電気的に接続される。このような車両の電気システムの設計では、絶縁モニタを使用して、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークの共通の絶縁障害を確認することができる。

したがって、一次電力ネットワークに関連付けられ、その絶縁障害を確認するために使用される別個の絶縁モニタは不要である。むしろ、絶縁モニタを使用して、２つの電源ネットワークの共通の絶縁障害の存在を確認するだけで十分である。これにより、車両の電気システムの費用対効果の高い設計が可能となる。補助抵抗器は、高抵抗になるように設計されることが好ましく、例えば、少なくとも１キロオーム、特に好ましくは、少なくとも５キロオーム、少なくとも１０キロオーム、少なくとも５０キロオーム、または少なくとも１００キロオームの抵抗を有する。車両電気システムの機能は、このような高抵抗の補助抵抗器による悪影響を一切受けない。

本発明のさらなる設計は、一次電力ネットワークが第１の一次電力ネットワーク端末および第２の一次電力ネットワーク端末を含み、二次電力ネットワークが第１の二次電力ネットワーク端末および第２の二次電力ネットワーク端末を含むことを提供する。第１の一次電力ネットワーク端子と第１の二次電力ネットワーク端子は、ブロッキングダイオードおよび補助抵抗器を介して互いに接続され、第２の一次電力ネットワーク端子と第２の二次電力ネットワーク端子は互いに直接接続される。したがって、２つの電力ネットワークは、それぞれ２つの電力ネットワーク端末を有し、それらを介して電力ネットワークは最終的に互いに電気的に接続される。

第２の一次電力ネットワーク端末および第２の二次電力ネットワーク端末は、直接かつ好ましくは互いに永続的に電気的に接続され、特に、好ましくは永続的に電気接地に接続される。したがって、第２の一次電力ネットワーク端末と第２の二次電力ネットワーク端末に同じ電位が提供される。対照的に、第１の一次電力ネットワーク端子と第１の二次電力ネットワーク端子は、ブロッキングダイオードと補助抵抗器を介して互いに間接的にのみ接続され、ブロッキングダイオードと補助抵抗器は２つの端子間に電気的に並列に設けられる。車両電気システムおよび／または２つの電力ネットワークのそのような相互接続の利点についてはすでに上記で言及されている。

本発明の１つの改良の範囲において、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力スイッチは、第１の一次電力ネットワーク端末と第１の二次電力ネットワーク端末との間でブロッキングダイオードと電気的に直列に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えばチャージポンプとして設計されていることは既に述べた。電源スイッチは、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはそのようなチャージポンプのコンポーネントを形成する。電源スイッチは、一方は第１の一次電力ネットワーク端子と、他方はブロッキングダイオードおよび補助抵抗器と、の間に電気的に接続されることが好ましい。言い換えれば、電源スイッチは、ブロッキングダイオードおよび補助抵抗器を介して、第１の二次電源ネットワーク端子に電気的に接続される。この相互接続により、車両電気システムの単純な構造、特にＤＣ−ＤＣコンバータの費用対効果の高い構造も可能となる。

本発明の１つの好ましい改良の範囲において、ＤＣ−ＤＣコンバータの更なる電力スイッチが、一方は、第１の一次電力ネットワーク端子とブロッキングダイオードとの間に電気的に接続され、他方は、第２の一次電力ネットワーク端末に電気的に接続される。したがって、ブロッキングダイオードの、第１の二次電力ネットワーク端末から離れる方を向いた側は、更なる電力スイッチを介して第２の一次電力ネットワーク端末に電気的に接続可能である。更なる電力スイッチは、好ましくは、上述のチャージポンプの構成要素でもあり、上述の費用効果の高いＤＣ−ＤＣコンバータの構造を可能にする。

本発明の１つの改良点は、絶縁モニタが二次電力ネットワークに接続されたバッテリのコンポーネントであることを提供する。したがって、バッテリは、上述の第２の電源を表す。それは、二次電力ネットワークのコンポーネントであるか、少なくともそれに接続されている。バッテリは、高電圧バッテリとして設計されることが好ましい。絶縁モニタは通常、絶縁障害についてバッテリ自体の検査を実行できるように、このような高電圧バッテリにすでに組み込まれている。したがって、二次電力ネットワークを検査したり、一次電力ネットワークを検査したりするために、さらに別の絶縁モニタを必要としない。したがって、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークの共通の絶縁障害の検査は、非常に低いハードウェア費用で実行可能である。

本発明のさらに好ましい設計は、バッテリが少なくとも１つの接触器を介して二次電力ネットワークに接続されることを提供する。バッテリは、特に１つの極または複数の極に関して、接触器によって２次電源ネットワークから電気的に切り離すことができる。特に、電池は２つの極を備え、そのうちの少なくとも一方、好ましくは両方が、接触器によって二次電力ネットワークに電気的に接続されるか、二次電力ネットワークから切り離すことができる。言い換えれば、バッテリの少なくとも１つの極または両極は、接触器の第１のスイッチング状態で二次電力ネットワークに電気的に接続され、第２のスイッチング状態でそこから分離される。

このように、接触器は、二次電力ネットワークと一次電力ネットワークの両方からバッテリを切り離すことができる。絶縁モニタがバッテリのコンポーネントである場合、共通の絶縁不良の有無を検査するために、接触器はバッテリを二次電力ネットワークに電気的に接続するように設定される。バッテリと二次電力ネットワークとの間に接触器を設置すると、一次電力ネットワークからの電気エネルギーのみを使用して、車両の電気システムまたは二次電力ネットワークの動作が可能になる。

本発明のさらに好ましい設計は、少なくとも１つの電力消費装置（consumer）が第１の二次電力ネットワーク端末と第２の二次電力ネットワークとの間に電気的に接続されることを提供する。電力消費装置は、例えば、上述の駆動アセンブリ、特に電気機械の形で提供される。二次電力ネットワークにおける二次電力ネットワーク端子間の電力消費装置の配置は、それぞれ第２の電源またはバッテリから取り出される電気エネルギーのみを使用して消費装置の動作を可能にする。また、消費装置は、二次電力ネットワーク用のＤＣ−ＤＣコンバータを介して提供される一次電力ネットワークからの電気エネルギーを使用して、さらに動作させることができる。

本発明の１つの好ましいさらなる実施形態は、燃料電池として設計された電源が一次電力ネットワークに提供されることを提供する。上記の第１の電源は燃料電池として設計されている。燃料電池から供給される電流を使用して、二次回路で消費装置を操作し、かつ／または、バッテリを充電することができる。燃料電池の助けを借りて、車両の電気システムに電流を確実かつ継続的に供給することができる。

最後に、本発明のさらなる設計の範囲内で、インダクタンスがブロッキングダイオードと直列に接続されることが提供され得る。インダクタンスは、ブロッキングダイオードと同様に、ＤＣ−ＤＣコンバータのコンポーネントである。これは、最初の電圧で一次電力ネットワークから取得される電気エネルギーの緩衝に使用される。続いて、電力スイッチおよび／またはさらなる電力スイッチは、インダクタンスで緩衝された電気エネルギーが第２の電圧で二次電力ネットワークに提供されるように設定される。全体的に、ＤＣ−ＤＣコンバータの特に費用対効果の高い実装は、上記の記載から得られ、さらに、単一の絶縁モニタにより、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークの共通の絶縁障害に対する車両電気システムの検査を可能にする。

本発明はさらに、自動車用の車両電気システム、特に上記の記載による車両電気システムの動作方法に関し、車両電気システムは、一次電力ネットワークと、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して一次電力ネットワークに電気的に接続された二次電力ネットワークと、を有する。ここで、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークは、ＤＣ−ＤＣコンバータのブロッキングダイオードを介して互いに接続され、ブロッキングダイオードは、一次電力ネットワークから二次電力ネットワークの方向に伝送方向を有し、測定抵抗器を備えた絶縁モニタが、絶縁障害を確認するために二次電力ネットワークに関連付けられている。この場合、補助抵抗器がブロッキングダイオードに並列に接続されてブロッキングダイオードを迂回し、一次電力ネットワークと二次電力ネットワークの共通の絶縁障害を絶縁モニタによって確認する。

車両電気システムのそのような設計とそのような手順の利点は、既に記載している。車両の電気システムとその動作方法の両方は、参照することにより、上記の説明に従って改良することができる。

本発明は、この場合に生じる本発明の制限なしに、図面に示される例示的な実施形態に基づいて以下により詳細に説明される。

一次電力ネットワークと二次電力ネットワークを備えた、自動車用の車両電気システムの概略図である。

図１は、自動車用の車両電気システム１の概略図を示す。車両電気システム１は、一次電力ネットワーク２および二次電力ネットワーク３を備える。好ましくは燃料電池として設計される第１の電源４が、一次電力ネットワーク２に設けられる。一方、バッテリの形態で提供される第２の電源５が、二次電力ネットワーク３に設けられる。一次電力ネットワーク２および二次電力ネットワーク３は、少なくとも時々電気的に互いに接続される。この目的のために、一次電力ネットワーク２は第１の一次電力ネットワーク端末６および第２の一次電力ネットワーク端末７を備え、一方、二次電力ネットワーク３は第１の二次電力ネットワーク端末８および第２の二次電力ネットワーク端末９を有する。

２つの電力ネットワーク２、３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して互いに接続され、このコンバータは、第１の一次電力ネットワーク端末６、第２の一次電力ネットワーク端末７、第１の二次電力ネットワーク端末８、および第２の二次電力ネットワーク端末９に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、ブロッキングダイオード１１、インダクタンス１２、電力スイッチ１３、およびさらなる電力スイッチ１４を備える。電力スイッチ１３は、第１の一次電力ネットワーク端子６に接続される。インダクタンス１２は、電力スイッチ１３に、第１の一次電力ネットワーク端末６とは反対側で接続される。

インダクタンス１２の電源スイッチ１３とは反対側では、次いでブロッキングダイオード１１がインダクタンスに接続されるが、対照的に、ブロッキングダイオード１１は、インダクタンス１２の反対側で第１の二次電力ネットワーク端末８に接続される。電源スイッチ１４は、一方はインダクタンス１２とブロッキングダイオード１１との間に接続され、他方は第２の一次電力ネットワーク端子７および第２の二次電力ネットワーク端子９の間に接続される。さらに、第２の一次電力ネットワーク端末７および第２の二次電力ネットワーク端末９は、互いに直接電気的に接続されている。

例えば、少なくとも１つの電力消費装置１５、ここに示される例示的な実施形態では２つの消費装置１５が二次電力ネットワーク３に配置される。この場合、消費装置１５は、一方は、第１の二次電力ネットワーク端末８に接続され、他方は、第２の二次電力ネットワーク端末９に接続され、好ましくは永続的に接続される。消費装置１５の１つは、例えば、駆動装置、特に電気機械用のパワーエレクトロニックスユニットとして設計されている。対照的に、別の消費装置１５は、更なるＤＣ−ＤＣコンバータとして設計することができ、そのコンバータを介して、自動車の低電圧車両電気システムに、一次電力ネットワーク２の電圧および／または二次電力ネットワーク３の電圧とは異なる電圧の電流が供給される。

電源５は、接触器１６を介して二次電力ネットワーク３および／または２つの二次電力ネットワーク端子８、９に電気的に接続されることが好ましい。したがって、電源５は、接触器１６を用いてそこから切り離すことができる。さらに、車両電気システム１の絶縁障害を確認するために使用される絶縁モニタ１７が提供される。ここに示される例示的な実施形態では、絶縁モニタ１７は、二次電力ネットワーク３の電源５と並列に配置される。好ましい代替設計の一つでは、絶縁モニタ１７は電源５に統合され、したがってその構成要素を形成する。

絶縁モニタ１７の助けを借りて二次電力ネットワーク３の絶縁障害を確認するように、補助抵抗器１８がブロッキングダイオード１１に並列に接続される。補助抵抗器１８は高抵抗であることが好ましく、したがって少なくとも１キロオーム、特に好ましくは、少なくとも５キロオーム、少なくとも１０キロオーム、少なくとも５０キロオーム、あるいは、少なくとも１００キロオームの抵抗を有する。補助抵抗器１８の抵抗値は、絶縁モニタ１７の測定抵抗器（ここでは図示せず）の設計において考慮されることが好ましい。特に、測定抵抗器は、補助抵抗器１８の抵抗値によって減少する抵抗値を有するように設計される。

一次電力ネットワーク２および二次電力ネットワーク３の共通の絶縁障害を判定するように、接触器１６が作動して、電源５を二次電力ネットワーク３に、したがって一次電力ネットワーク２に電気的に接続する。次いで、絶縁モニタ１７は、車両電気システム１が、共通の絶縁障害の存在について検査されるように作動する。

記載された車両電気システム１の設計は、主電力ネットワーク２の絶縁障害を確認するためだけに使用される追加の絶縁モニタを省略することができるという利点を有する。むしろ、単一の絶縁モニタ１７を使用して、車両の電気システム１全体、すなわち一次電力ネットワーク２および二次電力ネットワーク３における絶縁障害の存在を検査することができる。したがって、車両電気システム１の実装にかかる労力が少なくなる。逆に言えば、車両電気システム１に複数の絶縁モニタが存在すると、それらが互いに影響を及ぼさないようにするために絶縁障害を同時にテストできないため、絶縁障害の存在を確認する際の機能的な労力も省くことができる。

Claims (10)

1. 一次電力ネットワーク（２）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）を介して一次電力ネットワーク（２）に電気的に接続された二次電力ネットワーク（３）と、を有する自動車用の車両電気システム（１）であって、一次電力ネットワーク（２）および二次電力ネットワーク（３）は、ＤＣ−ＤＣコンバーター（１０）のブロッキングダイオード（１１）を介して互いに接続され、ブロッキングダイオード（１１）は、一次電力ネットワーク（２）から二次電力ネットワーク（３）の方向に伝送方向を有しており、絶縁障害を確認するための絶縁モニタ（１７）が、測定抵抗器を備えるとともに、二次電力ネットワーク（３）に関連付けられている、車両電気システム（１）において、
   一次電力ネットワーク（２）および二次電力ネットワーク（３）の共通の絶縁障害を絶縁モニター（１７）で確認できるように、補助抵抗器（１８）が、ブロッキングダイオード（１１）を迂回するように該ブロッキングダイオード（１１）と並列に接続された、車両電気システム。
2. 一次電力ネットワーク（２）が、第１の一次電力ネットワーク端末（６）および第２の一次電力ネットワーク端末（７）を備え、二次電力ネットワーク（３）が、第１の二次電力ネットワーク端末（８）および第２の二次電力ネットワーク端末（９）を備え、第１の一次電力ネットワーク端末（６）および第１の二次電力ネットワーク端末（８）は、ブロッキングダイオード（１１）および補助抵抗器（１８）を介して互いに接続され、第２の一次電力ネットワーク端子（７）および第２の二次電力ネットワーク端子（９）は互いに直接接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の車両電気システム。
3. ＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）の電源スイッチ（１３）が、第１の一次電力ネットワーク端末（６）と第１の二次電力ネットワーク端末（８）との間で、ブロッキングダイオード（１１）と直列に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１または２に記載の車両電気システム。
4. ＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）の更なる電源スイッチ（１４）が、一方は、第１の一次電力ネットワーク端末（６）とブロッキングダイオード（１１）との間に接続され、他方は、第２の一次電力ネットワーク端末（７）に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両電気システム。
5. 絶縁モニタ（１７）が、二次電力ネットワーク（３）に接続されたバッテリ（５）の構成要素であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両電気システム。
6. バッテリ（５）は、少なくとも１つの接触器（１６）を介して二次電力ネットワーク（３）に接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の車両電気システム。
7. 少なくとも１つの電力消費装置（１５）が、第１の二次電力ネットワーク端末（８）と第２の二次電力ネットワーク端末（９）との間に電気的に接続されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の車両電気システム。
8. 燃料電池として設計された電源（４）が一次電力ネットワーク（２）に提供されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の車両電気システム。
9. インダクタンス（１２）がブロッキングダイオード（１１）と直列に接続されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の車両電気システム。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の自動車用の車両電気システム（１）の作動方法であって、車両電気システム（１）は、一次電力ネットワーク（２）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ（１０）を介して一次電力ネットワーク（２）に電気的に接続された二次電力ネットワーク（３）と、を有し、一次電力ネットワーク（２）および二次電力ネットワーク（３）は、ＤＣ−ＤＣコンバーター（１０）のブロッキングダイオード（１１）を介して互いに接続されており、ブロッキングダイオード（１１）は、一次電力ネットワーク（２）から二次電力ネットワーク（３）の方向に伝送方向を有しており、絶縁障害を確認するための絶縁モニタ（１７）が、測定抵抗器を備えるとともに、二次電力ネットワーク（３）に関連付けられている、車両電気システム（１）の作動方法において、
    ブロッキングダイオード（１１）を迂回するように、補助抵抗器（１８）を該ブロッキングダイオード（１１）と並列に接続し、
    一次電力ネットワーク（２）および二次電力ネットワーク（３）の共通の絶縁障害を絶縁モニター（１７）で確認する、
    ことを特徴とする、自動車用の車両電気システム（１）の作動方法。

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