JPH11507499A - 車載回路網 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 発電機を備えた車載回路網において、該発電機の励起回路は電圧調整器によって制御され、１２Ｖの第１の電圧レベルとは別に第２の、比較的高い電圧レベルがあり、該第２の電圧レベルは、複数個のチョッパー段の並列接続によって実現され、電圧制御は１２Ｖの第１の比較的低い電圧レベル（Ｕ１）に対して行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 車載回路網 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に基づく車載回路網に関する。 従来の車載回路網においては電気的エネルギーの生成は、通常は三相電流発電 機を使用している。発電機で発生した三相電圧は、ダイオード整流器によって所 要の車載回路網直流電圧に変換される。整流器に対しては、整流ダイオード、シ ョットキーダイオードまたはツェナーダイオードを使用した回路が公知である。 この場合整流器においては、種々異なるダイオードによる構成を組み合せること も考えられる。最大電流を増すために、必要に応じてダイオードの並列回路も同 様に使用されている。 整流器の出力電圧の振幅は、発電機の励起回路に接続された電圧調整器によっ て、車載回路網の電圧供給のために必要な値まで調整される。 本発明の出発点であるDE 40 41 220A1からは、バッテリー電圧に比して、比較 的高い中間ボルト電圧を有する車載回路網および高ボルト電圧が公知である。こ こでは、電圧調整変圧装置によって安定した電圧に保たれた、共通の中間ボルト の電圧線路が設けられている。ここでの欠点は、バッテリー自体も、発電機によ って最低電圧レベルまで充電されることである。これにより、この発電機におけ るロスは、高電圧を発生する発電機よりも大きくなる。 今日なお幅広く普及している自動車の車載回路網の実施形態は、発電機の出力 電圧の調整に基づくものである。そこからは、発電機とバッテリーとの間で発生 する全ての電圧降下が考慮されないという欠点が生じる。公称１２Ｖの電圧は、 バッテリーおよび電気的な負荷の大半の部分にかかる。 とりわけ消費電力の大きい電気的負荷を投入する際には、低い車載回路網電圧 は、必然的に生じる高い電流強度の点から問題である。例えば、このことから生 じる高い損失を、ケーブルの断面積の設計の際に考慮しなければならない。その 他に半導体構成要素が、消費電力の大きい負荷に投入された場合には、この半導 体構成要素を、同様に高い電流強度に対して設計しなければならないが、これは コストを上昇させることになる。 本発明は、従来の公称１２Ｖの車載回路網電圧Ｕ１の他に別の、比較的高い一 定電圧の直流電圧レベルＵ２を、消費電力の大きい電気消費装置に対して提供す るという課題に基づくものである。 この課題は、本発明によれば請求の範囲第１項の特徴により解決される。本発 明の別の実施形態は従属請求項に記載されている。 例えば単方向または双方向のＤＣ／ＤＣコンバータのようなパワーエレクトロ ニクス回路を投入する際には、例えば自動車に必要な、この回路のＥＭＣに関す る規定に注意しなければならない。 自動車において公称１２Ｖの従来の電圧レベルＵ１とは別に、消費電力の多い 装置に対して第２の、比較的高い直流電圧レベルＵ２が導入され、２つの線路網 がチョッパーを介して結合される場合には、このチョッパーを電磁界適合性を考 慮して設けなければならない。 第２の、比較的高い電圧レベルＵ２の導入は、本発明によれば、発電機の従来 構造に基づいて、発電機とバッテリーとの間に、多段チョッパーの原理によるパ ワーエレクトロニクス回路を挿入することよって達成される。本発明の実施例と 実施形態を図を用いて詳しく説明する。ここで、 図１は、多段チョッパーの概略回路を示している。 図２は、電圧発生の例を示している。 図３は、多段チョッパーを備えた自動車搭載回路網の回路を示している。 挿入した多段チョッパー４の動作方法を以下に説明する。多段チョッパーは、 例えば図１に示したように複数のチョッパー段の並列回路（昇圧／降圧変圧器） から成る。 この種のチョッパーの、ＥＭＣに関する周知の問題は、付加的チョ ークのない動作状態におけ るパルス状の入力電流と、パルス状の出力電圧である。 出力電圧Ｕ１を連続的に変化させることをあきらめて、所定の個数の、離散的 に設定可能な出力電圧レベルに限定した場合には、複数のチョッパーを組み合わ せて使用することによって、電流ＩｅとＩａは平滑化され、パルス状の出力電圧 Ｕ１は回避されるため、この回路のＥＭＣは格段に向上する。 複数のチョッパー段（１，２，…ｋ）は図１のように並列に接続されており、 これにより負荷電流を、制御パターンＵｓｔ１，Ｕｓｔ２，‥Ｕｓｔｋに依存し て、制御される分岐電流Ｉ１，Ｉ２，‥Ｉｋに分割できるようになっている。こ れにより、小さな電流に対して所要の構成部分を設計することができる。各々の 段は、組み込まれたチョークＬ１，Ｌ２，‥Ｌｋによって、またフリーホィーリ ングダイオードＤ１，Ｄ２，‥Ｄｋを介して分離されたフリーホィーリング回路 によって、互いに接続しておらず、互いに影響し合うこともない。動作状態すな わちアクティブな段数は、所望の電圧比に応じて、総チョッパー段数とは異なっ てもよい。これは常にすべての分岐が通流に参加する必要はないことを意味して いる。 電子スイッチＳ１，Ｓ２，‥Ｓｋの制御は、オンされた分岐の個数が、１つの クロックサイクルで一定となるように行われる。しかしながらこの条件は、段数 ｋに依存し、所定の離散的なデューティサイクルと、ひいては所定の離散的な電 圧比（入力電圧Ｕｅの整数倍または整数分の１）に対してのみ満たされればよい 。このことから並列接続されるチョッパー段数は、所望の電圧レベル分けが細か ければ細かいほど、多くしなければならないことになる。 総段数（ｋ）に依存して達成される電圧レベル、ならびにそれに付随する、ア クティブかつ同時にオンされる分岐（ｍ，ｎ）組合せを、マトリクスの形で表に 示す。マトリクス（ａ［ｍ，ｎ］）の要素は、選択された組合せのそれぞれに対 する、可能的な電圧比を示している。 ここで、 ｋは所定の総段数を示し、ｍは動作状態すなわちアクティブな段数、ｎは同時 にオンされる段数を示す。 ここではｎ＜ｍ＜ｋが成り立つ。 出力電圧は次の等式 Ｕ１＝ａ［ｎ，ｍ］×Ｕ２ （１） により計算される。 アクティブな段の各々の制御パターンＵｓｔのシーケンスは、同じデューティ 比を有し、相互に位相シフトされている。信号のクロック周波数（１／Ｔ）は、 動作状態にある分岐の個数に無依存に一定である。図２は、４つの電子スイッチ を有し、所定の電圧比１／４と３／４を有する構成についての制御パルスシーケ ンスを示している。オンされた段数の個数は、各時間区分で同じであることがは っきりとわかる。 第２の比較的高い電圧レベルＵ２を発生するために、上に記載した多段チョッ パーのパワーエレクトロニクス回路を車載回路網全体に結合すると、図３に示す ようになる。図３の装置では次の構成要素が使用される。バッテリー電圧を１２ Ｖに調整するための従来の発電機調整器１、整流器２を備えた発電機、多段チョ ッパー４およびチャージランプ７である。発電機Ｇは、イグニッションキー８が スイッチオンされた場合に励起される。 １２Ｖ発電機制御器（ＩＣ）は発電機の励起巻線と接続されている。この制御 器は、調整回路における設定量として作用する励起電流の変更によって、バッテ リー電圧Ｕ１を公称１２Ｖから所望の値に調整する役割を果たしている。ここに は従来の自動車発電機用の ＩＣ電圧調整器を使用してもよい。励起回路のエネルギー供給ならびに調整すべ き電圧の測定は、これまで通常に行われていたように、励起ダイオードを介して 発電機から行うのではなく、端子１５に接続されたバッテリー電圧から行う。こ れにより所望のように直接バッテリー電圧が調整される。発電機Ｇから負荷３に 給電された電圧はもちろん、比較的高い電圧レベルにある電圧Ｕ２である。 励起巻線および三相ステータ巻線を備えた発電機Ｇは、三相電圧系を形成する 。この系の振幅は励起電流を介して設定可能である。整流は１つまたは複数のダ イオードブリッジを使用して行われる。すでに詳しく説明した多段チョッパーが 、発電機とバッテリーとの間に接続される。等式１にしたがい、このパワーエレ クトロニクス回路は、出力電圧Ｕ１（Ｕ１＝ａ［ｎ，ｍ］×Ｕ２）を発生する。 この出力電圧は、並列かつアクティブな分岐の個数および制御パルスシーケンス に依存する。バッテリー電圧は励起回路を介して公称１２Ｖの値に調整されるが 、これは等式１によれば、入力電圧または発電機によって発生された電圧が次の 関係式で設定されることを意味している。 Ｕ２＝Ｕ１／ａ［ｎ，ｍ］ これにより第２の、比較的高い電圧系Ｕ２を有する車載回路網が得られる。こ の電圧系の振幅は多段チョッパーの構成および制御によって設定可能である。こ こでバッテリーバッファ系の電圧は、第２の比較的高い電圧Ｕ２の振幅と負荷に は無関係に公称１２Ｖから所望の値に調整される。このため調整器１には制御回 路ＩＣが設けられている。 ここでは降圧器として作用する多段チョッパー４の出力側には、１２Ｖの負荷 ６を接続することができる。場合によっては必要となるリレー励起コイルの供給 は、端子３０、端子１５または発電機に統合されたブリッジダイオードから直接 得ることができる。この装置の本質的に有利な点は、バッテリーバッファ系にお ける電圧リップルを低減できることにある。発電機で発生した電圧は、直流電圧 に重畳されたリップルを含み、このリップルは、バッテリーに直接印加され、ひ いては負荷にも印加される。本発明による装置では、電圧リップルは、関係式ｄ Ｕ＝ａ［ｎ，ｍ］×ｄＵ２に相応して低減する。 発電機によって直接発生された、比較的高い直流電圧系Ｕ２は、挿入した多段 チョッパー４に依存する電圧振幅を有し、消費電力の大きい消費装置３との接続 に使用可能である。場合によっては必要となるリレー励起コイルの給電を、ここ でも端子３０、端子１５、電圧系Ｕ２または発電機に統合されたブリッジダイオ ードから直接行うことも可能である。 静止状態の発電機におけるＵ１からＵ２へのエネルギー流は、もっとも簡単な 方法ではスイッチＴ１…Ｔ ｋを閉じることによって切換制御される。これにより多段チョッパー４はバッテ リー電圧Ｕ１に対する昇圧器として作用する。 発電機の電圧状態についての光学表示は、例えば図３に示したチャージランプ を使用することによって可能となる。端子１５と、３相の中間回路の、図示した 中間点との間に、例えばＬＥＤが接続される。中間点と端子Ｄ＿との間の、同様 に図示されたオーム抵抗は、ここではこのＬＥＤに対する電流抑制前抵抗として 作用する。発電機電圧が、端子１５に印加されたバッテリー電圧よりも低い場合 には、このＬＥＤは点灯する。発電機電圧がバッテリー電圧に達するやいなや、 このＬＥＤは消灯する。 多段チョッパーによる、第２の比較的高い電圧レベルＵ２を有する車載回路網 の装置は、つぎの有利な特徴を有する。 − バッテリー電圧Ｕ１の調整は、端子１５における電圧を測定することによっ て直接得られる。 − 第２の、比較的高い電圧レベルＵ２の振幅は、多段の多段チョッパーの構成 および制御に依存して設定可能である。 − パッテリーバッファ電圧系に影響を与えることなく電力設定を行うことが可 能である。 − パッテリーバッファ電圧系における電圧リップルを低減可能である。 − Ｕ２における負荷へのＵ１からの給電は、発電機が制止している場合でも可 能である。 消費電力の大きい消費装置に対する、比較的高い電圧レベルＵ２は例えばつぎ の有利な点を有する。 − 最大電流の低減を達成することが可能である。 − 消費電力が等しい場合は、オーム抵抗が低減する。 − より小さい断面積の導線を敷設することが可能である。これにより重量の点 で有利である。 − 電圧が安定しているため、半導体構成要素をより効果的に使用することがで きる。 − 消費電力が等しい場合は、所要のチップ面積が小さくなるため、半導体コス トが減少する。 − 消費電力が等しい場合は、半導体による損失が低減する。 − 半導体による損失低減は、冷却コストの低減を意味し、重量の点でさらに有 利となる。 − 最終段階の効率が上がる。 − チップ面積が等しい場合は、最大変圧整流性能を向上することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１２月２０日 【補正内容】 明細書 車載回路網 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に基づく車載回路網に関する。 従来の車載回路網においては電気的エネルギーの生成は、通常は三相電流発電 機を使用している。発電機で発生した三相電圧は、ダイオード整流器によって所 要の車載回路網直流電圧に変換される。整流器に対しては、整流ダイオード、シ ョットキーダイオードまたはツェナーダイオードを使用した回路が公知である。 この場合に整流器においては、種々異なるダイオードによる構成を組み合せるこ とも考えられる。最大電流を増すために、必要に応じてダイオードの並列回路も 同様に使用されている。 整流器の出力電圧の振幅は、発電機の励起回路に接続された電圧調整器によっ て、車載回路網の電圧供給のために必要な値まで調整される。 本発明の出発点であるDE 40 41 220A1からは、バッテリー電圧に比して、比較 的高い中間ボルト電圧を有する車載回路網および高ボルト電圧が公知である。こ こでは、電圧調整変圧装置によって安定した電圧に保たれた、共通の中間ボルト の電圧線路が設けられている。ここでの欠点は、バッテリー自体も、発電機によ って最低電圧レベルまで充電されることである。これにより、この発電機におけ るロスは、高電圧を発生する発電機よりも大きくなる。 今日なお幅広く普及している自動車の車載回路網の実施形態は、発電機の出力 電圧の調整に基づくものである。そこからは、発電機とバッテリーとの間で発生 する全ての電圧降下が考慮されないという欠点が生じる。公称１２Ｖの電圧は、 バッテリーおよび電気的な負荷の大半の部分にかかる。 J．P．Noon他による学会論文、Aerospace Power，San Diego，1992年８月３日 〜７日，第１巻、IEEE，第1.73〜1.78頁、XP000366011“Design of a Multi-mod ule Multi-phase Battery Charger for the NASA EOS Space Platform Testbed ”から、６４〜８４Ｖのバッテリー電圧と、１２０Ｖの比較的高いバス電圧を有 する衛星搭載回路網が公知である。ソーラパネルは、バスにエネルギーを蓄積し 、複数のチョッパー段並列回路を介して前記バッテリーに充電する。暗い場合に はこの逆にバス電圧をバッテリー電圧から得ている。 とりわけ消費電力の大きい電気消費装置を投入する際には、低い車載回路網電 圧は、発生する高い電流量の点から問題である。例えば、これから引き起こされ る高い損失を、ケーブルの断面積の設計の際に考慮する必要しなければならない 。その他に半導体構成要素が、消費電力の大きい消費装置に投入された場合には 、この半導体構成要素を、同様に高い電流量に対して設計しなければならないが 、これはコストを上昇させることになる。 請求の範囲 １．発電機を備え、該発電機の励起回路が、電圧調整器により制御される車載回 路網において、 １２ボルトの第１の電圧レベル（Ｕ１）とは別に、第２の、比較的高い電圧 レベル（Ｕ２）が設けられ、 前記第２の電圧レベル（Ｕ２）は前記発電機の出力側から送出され、 前記第１の比較的低い電圧レベル（Ｕ１）は、複数のチョッパー段の並列接 続により実現されており、 前記電圧調整器は、前記第１の、比較的低い電圧レベルを調整することを特 徴とする車載回路網。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 発電機を備え、該発電機の励起回路が、電圧調整器により制御され、 １２Ｖの第１の電圧レベル（Ｕ１）とは別に、第２の、比較的高い電圧レベ ル（Ｕ２）が設けられている車載回路網において、 前記比較的高い電圧レベルは、複数のチョッパー段の並列接続により実現さ れており、 電圧調整は、１２Ｖの第１の、比較的低い電圧レベル（Ｕ１）に対して行わ れることを特徴とする車載回路網。 ２． 前記比較的高いレベルの電圧（Ｕ２）は、前記発電機における電圧であり 、 該電圧のレベルは、１２Ｖの前記第１の電圧レベルから、設定可能な変成比 （ａ）によって得られる 請求の範囲第１項に記載の車載回路網。 ３． スイッチ（Ｓ），インダクタ（チョークＬ）およびダイオード（Ｄ）を有 する電圧変換のための回路装置が設けられ、 前記スイッチ、インダクタおよびダイオードはＴ字形の構成を形成し、 前記各素子は、前記Ｔ字形の各辺に有り、 前記ダイオードは、前記インダクタと負荷に連続的な電流を生じさせるよう な方向に設けられている 請求の範囲第１項または第２項に記載の車載回路網。 ４． 前記ダイオードは能動素子で置換される 請求の範囲第３項に記載の車載回路網。 ５． 並列接続される変換器の個数は、達成可能な最小電圧レベルの高さに反比 例し、 並列接続されたそれぞれの変換段のデューティサイクルは一定であり、 出力側における電圧および電流の和が、いずれの時点においても一定である ように、前記デューティサイクルが相互に位相シフトされる 請求の範囲第３項または第４項に記載の車載回路網。 ６． 前記スイッチ（Ｓ１‥Ｓｋ）にはクロックが与えられ、同時にオンされる スイッチの個数が、選択された周波数に依存するクロック周期間で一定となって いる 請求の範囲第３項に記載の車載回路網。 ７． 前記回路装置は、昇圧器として使用される 請求の範囲第３項から第６項までのいずれか１項に記載の車載回路網。 ８． 前記回路装置は、昇圧器／降圧器(Buck-Boost-Converter)として使用され る 請求の範囲第３項から第６項までのいずれか１項に記載の車載回路網。