JP3929500B2 - 電圧給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧給電装置であって、発電機として、又は、スタータとして作動可能な電気機器を有しており、前記電気機器は、内燃機関により作動可能であって、少なくとも１つの電圧変換器と少なくとも１つのインバータを有する電圧中間回路を介してバッテリと接続することができる電圧給電装置に関する。
従来技術
例えば、自動車搭載電源用の電気エネルギは、通常、出力電圧が電圧調整器によって制御される三相交流発電機によって発生される。発電機として、始動時にはスタータとしても使われる電気機器を使用することができる。そのようなスタータ／発電機が使用される、自動車搭載電源での電圧給電用装置は、例えば、ドイツ連邦共和国特許公開第３７４３３１７号公報に対応する特表平２−５０２４２１号公報から公知である。その際、スタータ／発電機は、インバータと電圧変換器を有する電圧中間回路を介してバッテリと接続されている。スタータ／発電機は、発電機作動状態では、車両搭載電源電圧よりも著しく高い電圧を発電するように構成されている。この著しく高い電圧から、車両搭載電源電圧は電圧変換器を用いて発電される。スタータ作動中、電圧変換器は、バッテリの車両搭載電源電圧からスタータ用の比較的高い電圧を形成する。
発明の効果
本発明の請求の範囲１記載の要件を備えた電圧制御装置、即ち、機器の、スタータとしての作動時又は発電機としての作動時、電圧変換器の所定回転数以下でスイッチング素子を用いて橋絡され、インバータは、バッテリと直接接続されている電圧制御装置は、公知の手段に比して、スタータ／発電機として作動可能な電気機器の電圧は、最適に、始動時及び通常発電機作動時に必要な条件に適合することができるという利点を有している。このような、始動時、及び通常作動時の電圧の必要条件は以下の通りである。即ち、始動時、電気機器がスタータとして作動されている場合、この電気機器は、エンジンに適切な、大きなトルクを発生するために、このエンジンを比較的小さな回転数（始動回転数）にする必要があり、他方、通常作動時、比較的高い回転数では、比較的高い電圧にして、車両搭載電源用の、より適切な電圧給電を行う必要がある。始動時に、小さな電圧しか必要でないということは、始動時には、バッテリによって、比較的小さな電力乃至電圧を送出すればよいので、特に有利である。
この利点は、始動期間中、電圧変換器が橋絡され、スタータ／発電機と接続されているインバータには、比較的低い車両搭載電源乃至バッテリ電圧が給電され、発電機の作動中、電圧変換器は作動され、それにより、インバータは、比較的高い電圧で作動されるようにして達成される。
本発明の別の利点は、従属請求項で示した要件によって達成される。その際、特に有利には、電圧は、始動の場合及び通常作動の場合に、所定の境界内で必要条件に適合することができ、その際、電圧変換器のインバータ又は部分橋絡部を適切に制御することによって、種々の電圧を形成することができる。発電機作動中、良好な効率を達成するために、高電圧が所望なので、有利には、発電機は、車両搭載電源電圧よりもずっと高い電圧を達成するように構成されている。発電機として機器が作動している時の最大電力が最大回転数に至る迄可能なので、磁場減衰領域での作動の場合に、変換器橋絡部をリセット又は低減することによって磁場減衰状態へ移行するように変えるとよい。
電圧変換器として、必ずしも双方向電圧変換器を使わなければならないとは限らない。と言うのは、電圧変換は、発電機作動中、一方向にしか必要ないからである。システムの設計を、極端な低温始動値にする必要はない。と言うのは、始動時電力は、必ずしも伝送される必要はないからである。高い電圧レベルで発電機を作動する必要がある場合、伝送損失の定格値が低減することがあり、その際、変換器は、何れにせよ、所要電位を確実に変換して取り出す必要がある。
電圧変換器を完全に又は部分的に橋絡するスイッチとしては、機械的な切り離しスイッチを使うことができる。と言うのは、無電流状態でスイッチングされるのが通常だからである。しかし、橋絡スイッチとして、良好な順方向特性を持った電子構成素子を使ってもよい。
図面
本発明の図１の実施例について、以下詳細に説明する。図２には、電気機器の出力と回転数との関係が示されている。
実施例の説明
図１には、本発明の理解に必要な、自動車搭載電源回路の構成部分が示されている。詳細には、１０で、スタータ又は発電機として作動し、固定巻線１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有する電気機器が示されており、この固定巻線は、例えば、スター結線で接続されていて、発電機作動状態では、各巻線にそれぞれ１つの出力電圧ＵＧが給電され、この出力電圧は、最終的には、車両搭載電源の給電に使われる。スタータ作動状態では、巻線端に電圧が印加され、この電圧により、スタータ／発電機のロータ１２が回転される。始動時に、スタータ／発電機によって、内燃機関（１３で示されている）は、始動回転数にされ、その際、所要出力はバッテリ１ｂから取り出される。発電機作動状態では、内燃機関１３は、スタータ／発電機を通常のように作動する。
スタータ／発電機１０は、バッテリ１６に接続された電圧変換器１５を有するパルス直流／交流変換器１４と接続されている。バッテリ１６は、１７で示されていてスイッチ１８を介して付加接続することができる搭載電源の電気負荷の給電のために使われる。
電圧安定化のために、パルス直流／交流変換器１４と電圧変換器１５との間にコンデンサ１９が接続されている。コンデンサ１９には、比較的高い電圧を給電する必要がある負荷２３がスイッチ２４を介して接続されている。電圧変換器１５は、スイッチング素子２０を用いて橋絡される。スイッチング素子２０の制御は、制御装置２１を用いて行われ、制御装置２１には、入力側２２ａ，２２ｂを介して、内燃機関の状態に関しての情報及び殊に始動要求に関する情報が供給される。制御装置２１は、例えば、内燃機関１３の制御装置であり、この制御装置は、内燃機関の制御及び調整過程も実行する。
パルス直流／交流変換器１４の接続は、例えば、２つの固定子巻線１４ａ，１４ｄ；１４ｂ，１４ｅ；１４ｃ，１４ｆ間に接続されており、その際、パルス直流／交流変換器素子の他方の端子は、相互に導電的に接続されていて、コンデンサ１９に接続されている。パルス直流／交流変換器素子１４ａ〜１４ｆは、例えば、トランジスタ並びに所属のフリーホイールダイオードであり、その際、トランジスタは、制御装置２１によって作動可能である。
電圧変換器１５は、実施例では、双方向変換器として示されている。トランス並びに所属のフリーホイールダイオードを含めた制御トランジスタは、単に略示されており、制御装置２１又は固有の、図示していない制御装置によって制御される。
パルス直流／交流変換器１４も電圧変換器１５も、他の形式で構成することができる。重要なことは、スイッチング手段２０は、所定の条件下で、つまり、例えば、始動時に電圧変換器１５を橋絡する点である。
図示の回路装置を用いると、電圧中間回路、例えば、自動車の内燃機関で使うことができる始動システム／発電機システムでの始動を改善することができる。本発明の装置が基づく基本的な技術思想は、以下の条件によって決められる：環境温度が低い状態で内燃機関を始動するには、その際増大する摩擦に基づいて比較的高いトルク乃至高い出力が必要であるという条件によって決められる。この出力は、最終的には、内燃機関の始動時にバッテリから給電されるスタータによって形成される必要がある。しかし、それと同時に、使われているバッテリの特性では、低温では、僅かな電力しか送出できないので、低温状態での内燃機関の始動時には、問題が生じる。この問題点は、一般に低温始動の問題点として公知である。トルクと回転数乃至電気的な出力と回転数との、種々異なる電圧に亘っての関係の様子については、図２に略示されている。図２では、トルクＭ（Ｕ１）、Ｍ（Ｕ２）及び出力Ｐ（Ｕ１）、Ｐ（Ｕ２）が、２つの異なった電圧Ｕ１＜Ｕ２の場合に回転数ｎに亘って記載されている。磁場が減衰し始める、それぞれ点Ｅ１、Ｅ２に至る迄、出力は上昇する。この点は、電圧の上昇に連れて比較的大きな回転数の方に移動する。
車両搭載電源用の電気エネルギの形成のために、スタータとしても発電機としても作動することができる電気機器が使用される場合、既述の低温始動の問題点の他に、始動作動も発電機作動も最適に実行するという別の課題も生じる。始動作動及び発電機作動は、種々の回転数で行われるので、この種々の回転数を考慮した調整方式が提案されている。
スタータ／発電機の最適な作動時に要求されるのは、低い回転数の場合、つまり、始動時には、低い端子電圧を必要とし、この端子電圧は、インバータ１４を介してパルス幅変調によって電圧中間回路に印加された電圧から形成される。この電圧は、電圧中間回路のコンデンサ１９によって安定化される。従って、始動時に切換スイッチ２０が閉じられた場合、コンデンサ１９は、バッテリに直接接続され、コンデンサ１９の電圧は、バッテリ乃至車両搭載電源電圧に相応する。従って、切換スイッチ２０が閉じられた場合、スタータ／発電機は、ほぼバッテリ電圧に相応する電圧で作動される。スタータ／発電機は、モータとして作動し、内燃機関を所要の始動回転数にする。インバータを介して、例えば、パルス幅変調によって適合されるスタータの作動電圧は、最終的には、最大値が車両搭載電源電圧にほぼ比例する三相の電圧である。
始動過程の終了後は、スタータ／発電機１０は、発電機として作動する。その際、この発電機は、内燃機関によって、通常の結合部を介して駆動されて、回転数依存の出力電圧を発電する。発電機作動中、できる限り高い出力電圧が所望されるので、発電機は、出力電圧ＵＧが車両搭載電源電圧よりも高いように調整される。出力電圧ＵＧは、パルス直流／交流変換器１４を用いて整流され、電圧変換器１５に給電される。発電機作動中、切換スイッチ２０は開き、その結果、電圧ＵＧは、既にコンデンサに減結合された部分は別にして、電圧変換器１５によって引き続き給電され、使用されているバッテリ１６が必要とする電圧（ほぼ車両搭載電源電圧乃至少し高い電圧）が形成されるように変換乃至低減される。発電機作動中発生する最大電力は、最大回転数に至る迄形成することができる。このために、磁場減衰領域を有するシステムでは、磁場減衰への移行点を、変換器橋絡部をリセットすることによって、比較的高い回転数にシフトするとよい。切換スイッチは、例えば固有の電子装置２１を用いて制御される。この電子制御装置２１は、内燃機関の制御装置でもあり、この制御装置には、選択された、内燃機関の作動パラメータに関する情報が供給され、殊に、始動過程の開始及び終了が指示される。
電圧変換器は、場合によっては、双方向にしないでもよく、必ずしも、極端な低温始動値に設計する必要もない。と言うのは、始動電力は、必ずしも電圧変換器を介して伝送する必要はなく、スイッチング素子２０によって接続された橋絡手段を介して伝送してもよいからである。従来の車両搭載電源電圧に比してかなり高い電圧レベルで発電機が作動される場合、伝送損失をかなり小さくすることができる。しかし、その際、電圧変換器によって、所定の電位を変換して取り出す必要があり、それによって、損失が生じることがある。
橋絡時間中、バッテリ電力は、駆動部、つまり、スタータによってできる限り最良に利用される。よってスイッチング素子２０は、機械的な切り離しスイッチとして構成してもよく、但し、無電流状態でしかスイッチングしてはならない。同様に、良好な準方向特性を持った電子的な構成素子も適している。

Claims (7)

1. 電圧給電装置であって、発電機として、又は、スタータとして作動可能な電気機器を有しており、前記電気機器は、内燃機関により作動可能であって、少なくとも１つの電圧変換器と少なくとも１つのインバータを有する電圧中間回路を介してバッテリと接続することができる電圧給電装置において、機器の、スタータとしての作動時又は発電機としての作動時、電圧変換器（１５）の所定回転数以下でスイッチング素子（２０）を用いて橋絡され、インバータ（１４）は、バッテリ（１６）と直接接続されていることを特徴とする電圧給電装置。
2. 電圧中間回路は、少なくとも１つのコンデンサ（１９）を有しており、該コンデンサは、インバータ（１４）に配属されているか、又は前記インバータ（１４）の構成部分である請求項１記載の電圧給電装置。
3. 電圧変換器は、双方向電圧変換器であり、該双方向電圧変換器の一方の側は、搭載電源電圧（ＵＢ）に接続されており、前記双方向電圧変換器の他方の側は、前記搭載電源電圧に比して高い電圧に接続されている請求項１又は２記載の電圧給電装置。
4. スイッチング素子（２０）は、機械的な分離スイッチとして、又は、導電状態で小さな抵抗を有している電子的な構成素子として構成されている請求項１〜３までのいずれか１記載の電圧給電装置。
5. 制御装置（２１）が設けられており、該制御装置は、供給された情報である、始動要求又は始動過程の終了に関する情報を処理して、少なくとも１つの当該情報に依存してスイッチング素子（２０）の作動用の制御が開始する請求項１〜４までのいずれか１記載の電圧給電装置。
6. パルス直流／交流変換器は、それぞれ１つのトランジスタとフリーホイールダイオードを備えたパルス直流／交流変換器を有しており、該パルス直流／交流変換器は、パルス幅変調で作動されて、コンデンサ（１９）に印加する直流電圧をそれぞれ１２０°ずつずれた３つの交流電圧に変換し、該交流電圧は固定子巻線（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）に給電される請求項１〜５までのいずれか１記載の装置。
7. コンデンサ（１９）には、少なくとも一時的に、搭載電源電圧よりも高い電圧を印加することができる負荷を接続することができる請求項１〜６までのいずれか１記載の装置。

Images