JP5355797B2 - 電気回路の電流を制限する素子 - Google Patents

Description

従来技術
電流は、適用事例に応じて定められる量を超えて上昇した場合（過電流となった場合）、温度上昇のために、電気的デバイスに対し、これを故障させる危険を有している。過電流は電気装置の誤動作の示唆となりうる。

典型的には、電流は保護手段により制限される。こうした保護手段は、過電流が発生した場合に電流路を遮断し、過電流の原因が補正された後、溶融型保護手段であれば置換され、また、切換型保護手段であればユーザによって再び作動される。また、きわめて短い過電流ピークが発生するものの、誤動作は生じず、このため電流路の持続的遮断が起こらないケースも存在する。こうしたケースとして、例えば、車両において内燃機関を電気スタータによって始動するケースが挙げられる。スタータがスイッチオンされると、リレーの投入によって、数１００Ａから１０００Ａを超えるきわめて高い電流ピークが発生することがある。こうした電流ピークは車両内のスタータバッテリに強い負荷をもたらし、さらに、車両内の種々の電気負荷へ給電するためのバッテリ電圧の急変によって快適性を損なう。バッテリ電圧の急変が生じると、他の電気負荷は遮断され、給電電圧が再び許容領域へ入ってから再始動しなければならない。

改善のための提案として、独国公開第１０２２２１６２号から、スタータ制御装置による電流のクロック制御が公知である。ただし、当該手段には、車両に搭載される電気システムに電磁障害が生じるという望ましくない副次的効果がある。また、この手段には高い費用がかかる。

本発明の課題は、上述した欠点を克服し、中断なく電流を制限することのできる低コストな装置を導入することである。

発明の開示
本発明は、第１に、給電電圧源のための入力側と出力電流のための出力側とを備えた電流制限回路に関する。当該電流制限回路は、少なくとも、制御回路と、電流センサと、少なくとも１つのパワースイッチとを含む。電流センサは当該電流制限回路の入力側から出力側へ流れる電流を測定して制御回路の測定値入力側へ測定値を出力するように構成されている。少なくとも１つのパワースイッチは、当該電流制限回路の入力側と出力側とのあいだに接続され、制御回路の制御出力側に接続された制御入力側を有する。制御回路は、測定値が所定の電流限界値よりも大きい場合に、当該電流制限回路の入力側から出力側へ流れる電流を制限するように構成されている。本発明によれば、制御回路は、さらに、少なくとも１つのパワースイッチを線形領域内で駆動するように構成されている。

線形領域におけるパワースイッチの動作により、発生する電磁障害を最小化することができる。特に有利には、電流をいずれの時点でも完全には中断しないで済むようになる。

電気機械に対する電流制限、例えば車両用の電気スタータに対する電流制限は、次のような一連の利点を有する。
・電磁障害が低減される。特に、スイッチオン電流による電圧源の負荷のためにスイッチオンから生じる電圧の急変が制限される。これにより、安定化のための措置にかかるコストを削減することができる。一定の動作電圧を形成するためのバッファバッテリもしくはバッファコンデンサおよびこれに後置接続されているＤＣ／ＤＣコンバータは不要となり、特に車体にとって有利な重量およびボリュームに関するさらなるコスト削減が達成される。
・始動時に発生するトルクが制限されることにより、電気機械の寿命が高められる。
・電気機械を簡単かつ低コストに製造できるようになる。このため、例えば壁厚さが低減される。これにより重量およびボリュームのさらなる削減が達成される。
・ノイズおよび振動が低減され、車両内の快適性が高まる。
・電気機械によって始動される内燃機関の始動期間が短縮されることにより、始動過程が改善される。
・同等の装置に比べ、費用、構造寸法、重量が最小化される。このため、既存の手段に対して相応の経済的利点が得られる。
・本発明の電流制限回路は、高度に集積されたパワーエレクトロニクスモジュールとして簡単に製造可能である。このパワーエレクトロニクスモジュールは、スタータまたはスイッチリレーに集積されてもよいし、後付けデバイスとして市販されているものを適用してもよい。ここでは、少なくとも１つのパワースイッチと第２の集積回路とが構成される。

特に有利な実施形態では、制御回路は、少なくとも１つのパワースイッチを、第１の制御期間中は、第１の抵抗値による線形領域での動作に対する第１の制御信号によって、また、第１の制御期間に直接に続く第２の制御期間中は、第１の抵抗値とは異なる第２の抵抗値による線形領域での動作に対する第２の制御信号によって、交番的に駆動するように構成されている。このようにすることにより、例えば、或る制御期間中にはパワースイッチを完全にもしくはほぼ完全に導通させて充分なパワーを利用することができるし、別の制御期間中には大きな抵抗値が設定されることにより電流を制限して平均して許容限界値以下の電流が生じるようにすることができる。

ここで、特に有利には、制御回路は、電流限界値を可変に設定し、かつ、この可変に設定された電流限界値にしたがって第１の制御期間の長さ（持続時間）と第２の制御期間の長さ（持続時間）とを適合させるように構成されている。第１の制御期間の長さおよび第２の制御期間の長さを変化させることにより、平均の電流限界値を設定することができる。例えば、第１の制御期間中の第１の抵抗値が第２の制御期間中の第２の抵抗値よりも低い場合、第１の制御期間を延長するかおよび／または第２の制御期間を短縮することによって、より高い電流制限値が適用される。

電流制限回路は温度センサを有するように構成できる。この場合、制御回路は、温度センサによって測定された温度にしたがって電流限界値を設定するように構成される。こうした温度センサにより、コールドスタートとウォームスタートとを区別することができる。内燃機関が暖まっている場合の点火は内燃機関が冷えている場合の点火に比べて簡単かつ迅速に行える。したがって、ウォームスタートに対しては、コールドスターに対するよりも低い電流制限値を設定できる。当該温度センサは、電流制限値は超過されないものの、電流値が持続的に高く、電流制限回路ないしこれに後置接続されている電気負荷が強く加熱される場合などに、付加的な保護機能部としても用いられる。このようなケースでは、少なくとも所定の時間にわたって電流を持続的に遮断することができる。

有利には、電流制限回路はローカルな電圧供給回路を有しており、このローカルな電圧供給回路は、制御回路と電流センサ（もしくは温度センサ）とに給電電圧を供給するように構成されている。有利には、ローカルな電圧供給回路は、電流制限回路の入力側に接続されており、かつ、電流制限回路の入力側に印加される給電電圧源の電圧から給電電圧を形成するように構成されている。これにより、電流制限回路は最小数の端子を備えればよく、外部の給電電圧を必要とせずに実現される。

電流センサとして、電流路に配置された小さな抵抗での電圧測定回路を用いてもよいし、ホールセンサを用いてもよい。有利には、電流センサは、２つのホールセンサを有しており、かつ、これら２つのホールセンサの出力信号の差として電流を求めるように構成されている。差分測定により、外部磁界による測定誤りを排除することができる。有利には、２つのホールセンサは、電流制限回路の入力側と出力側とのあいだの接続線路に対して相互に反対側に配置される。

特に有利には、接続線路は、２つのホールセンサの４つずつの側辺のうち少なくとも２つずつの側辺に沿って延在している。これにより、電流センサの有効信号の強度が２倍となり、正確な測定が達成される。なぜなら、各線路区間が測定すべき磁界へ寄与するからである。同様に、接続線路が各ホールセンサの４つの側辺のうち３つの側辺に沿うように、ミアンダ状もしくはＳ字状に、各ホールセンサを配置してもよい。ここで、２つのホールセンサの開放された第４の側辺どうしは、反対方向を向いている。これにより、測定精度がさらに向上する。

本発明の第２の特徴は、前述した電流制限回路が給電電圧に対する入力側と電気スタータとのあいだに接続されている、内燃機関を備えた車両用のスタータ装置である。これにより、内燃機関の始動時の始動電流を制限することができる。

本発明の第３の特徴は、内燃機関と前述した第２の特徴のスタータ装置とを備えた車両である。

本発明を良く理解してもらうために、以下に幾つかの実施例に則して詳細に説明する。

本発明の電流制限回路を備えた車両のスタータシステムを示す図である。 本発明の電流制限回路のブロック図である。 本発明の電流制限回路の電流センサの２つのバリエーションを示す２つの部分図である。

図１には、本発明による電流制限回路１３を備えた車両のスタータシステムが示されている。給電電圧源として、スタータリレー１２を介して電流制限回路１３に接続されたスタータバッテリ１１が用いられる。電流制限回路１３は出力側で電気スタータ１４に接続されており、この電気スタータ１４が（図示されていない）内燃機関を始動する。内燃機関が始動される場合、適切な制御信号によってスタータリレー１２が閉成され、スタータバッテリ１１のバッテリ電圧が電流制限回路１３を介して電気スタータ１４へ供給され、この電気スタータ１４への給電が行われる。電気スタータ１４は始動の時点できわめて大きな電流ピークを引き起こすので、電流制限回路１３はスタータバッテリ１１からスタータ１４へ流れる電流を制限する。

図２には、本発明による電流制限回路１３のブロック図が示されている。電流制限回路１３は電流制限回路１３の入力側から電流制限回路１３の出力側へ通じる接続線路を有し、この接続線路に、有利にはパワートランジスタとして構成されているパワースイッチ２３が接続されている。トランジスタは線形領域および飽和領域を有する。線形領域ではトランジスタがトランジスタのゲートまたはベースにかかる制御電圧を介して設定可能な抵抗値を有するオーム抵抗としてモデリングされる。このように、１つのトランジスタが線形領域内の２つの異なる抵抗値のあいだで切り替えられる。

接続線路のわきにもしくは接続線路の周囲に電流センサ２２が配置されており、この電流センサ２２は制御回路２１に接続されており、そこへ測定値を送出する。制御回路２１は、図示の実施例では、最適なドライバ段２４を介してパワースイッチ２３に接続されており、当該ドライバ段２４にはパワースイッチ２３の制御入力側を駆動するための充分な電力が供給される。さらに、制御回路２１は温度センサ２５に接続されており、この温度センサ２５は制御回路２１に温度測定値を出力する。制御回路２１は、接続線路を通って流れる電流をそのつどの周囲条件に適合させるように構成されている。このように、内燃機関が高温になっていると、容易に点火を行え、これにより、電気スタータに対する電流が僅かしか必要なく、相応に電流限界値を低下させることができる。電流制限回路１３は、最適な通信インタフェース２７を介して、例えば、ＣＡＮバス、ＬＩＮバスもしくはその他のバスを介して、他のコンポーネント、例えば自動車電子機器と通信する。内部給電回路２６により、電流制限回路１３の種々の電気的なブロックへローカルでの給電が行われる。内部給電回路２６は接続線路に接続されており、入力側でのローカルな給電の形成に必要な電気エネルギを受け取る。

図３には、本発明の電流制限回路に対する電流センサの２つの実施例が２つの部分図で示されている。部分図ａ）には、電流センサ２２が２つのホールセンサ２２ａ，２２ｂとして構成された電流制限回路１３が示されており、ここでは、ホールセンサ２２ａ，２２ｂは、電流Ｉをスタータバッテリからスタータへ流すための接続線路の向かい合う側に配置されている。ホールセンサ２２ａ，２２ｂは障害磁界に対して不感の差分方式の電流センサを形成する。差分方式の電流センサの出力信号は個々のホールセンサ２２ａ，２２ｂの出力信号の差として形成される。

部分図ｂ）には、電流センサの改善された実施例が示されている。この実施例の電流センサも接続線路の向かい合う側に配置された２つのホールセンサ２２ａ，２２ｂによって差分方式で形成されているが、部分図ａ）の実施例とは異なって、当該接続線路は、ミアンダ状にホールセンサ２２ａ，２２ｂの周囲およびセンサ間を延在している。つまり、当該接続線路は、ホールセンサ２２ｂの４つの側辺のうち２つずつの側辺のわきを延在している。２つのホールセンサは図示の実施例では第１の方向に並んで配置されている。接続線路は、第１の部分においては、第１の方向で、回路の第１の長辺側を通って、ホールセンサ２２ｂを通過し、第２の部分においては、第１の部分に対して垂直に折れた第２の方向で、２つのホールセンサ２２ａ，２２ｂ間を延在し、第３の部分では、再び第１の方向に沿って、回路の第１の長辺に対向する回路の第２の長辺側を通って、ホールセンサ２２ａを通過する。こうした配置の利点は電流センサの２つのホールセンサ２２ａ，２２ｂの出力信号の差として形成される出力信号が２倍になるということにある。出力信号が２倍になることによって、接続線路内を流れる電流の正確かつ誤りのない測定が達成される。このコンセプトをさらに発展させた実施例では、付加的に、接続線路がホールセンサ２２ａ，２２ｂの外側を向いた（回路の短辺側の）側辺のわきを通るようにすることもできる。つまり、２つのホールセンサ２２ａ，２２ｂの各４つの側辺のうち３つの側辺を接続線路が取り巻くようにして、さらに測定精度を向上させることもできる。

Claims (9)

1. 給電電圧源（１１）のための入力側と出力電流のための出力側とを備えた電流制限回路（１３）であって、
   当該電流制限回路（１３）は、
   制御回路（２１）と、
   当該電流制限回路（１３）の前記入力側から当該電流制限回路（１３）の前記出力側へ流れる電流を測定して測定値を前記制御回路（２１）の測定値入力側へ出力するように構成された電流センサ（２２）と、
   当該電流制限回路（１３）の前記入力側と前記出力側とのあいだに接続され、前記制御回路（２１）の制御出力側に接続された制御入力側を有する少なくとも１つのパワースイッチ（２３）と
   を有しており、
   前記制御回路（２１）は、前記測定値が所定の電流限界値よりも大きい場合に、当該電流制限回路（１３）の前記入力側から当該電流制限回路（１３）の前記出力側へ流れる電流を制限するように構成されており、
   前記制御回路（２１）は、さらに、前記少なくとも１つのパワースイッチ（２３）を線形領域内で駆動するように構成されている、
   電流制限回路において、
   前記制御回路（２１）は、前記少なくとも１つのパワースイッチ（２３）を、第１の制御期間中は、第１の抵抗値による線形領域での動作に対する第１の制御信号によって、また、前記第１の制御期間に直接に続く第２の制御期間中は、前記第１の抵抗値とは異なる第２の抵抗値による線形領域での動作に対する第２の制御信号によって、交番的に駆動するように構成されている
   ことを特徴とする電流制限回路（１３）。
2. 前記制御回路（２１）は、前記電流限界値を可変に設定し、かつ、該可変に設定された電流限界値にしたがって前記第１の制御期間の長さと前記第２の制御期間の長さとを変化させるように構成されている、請求項１記載の電流制限回路（１３）。
3. 前記電流制限回路が１つまたは複数の温度センサ（２５）を有しており、前記制御回路は、前記１つまたは複数の温度センサ（２５）によって測定された温度に基づいて前記電流限界値を設定するように構成されている、請求項２記載の電流制限回路（１３）。
4. 前記電流制限回路がローカルな電圧供給回路（２６）を有しており、該ローカルな電圧供給回路は、前記制御回路（２１）と前記電流センサ（２２）とに給電電圧を供給するように構成されており、かつ、前記電流制限回路（１３）の前記入力側に接続されており、かつ、前記電流制限回路（１３）の前記入力側に印加される前記給電電圧源（１１）の電圧から給電電圧を形成するように構成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電流制限回路（１３）。
5. 前記電流センサ（２２）は、２つのホールセンサ（２２ａ，２２ｂ）を有しており、かつ、該２つのホールセンサ（２２ａ，２２ｂ）の出力信号の差として電流を求めるように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電流制限回路（１３）。
6. 前記２つのホールセンサ（２２ａ，２２ｂ）は、前記電流制限回路（１３）の前記入力側と前記電流制限回路（１３）の前記出力側とのあいだの接続線路に対して相互に反対側に配置されている、請求項５記載の電流制限回路（１３）。
7. 前記接続線路は、前記２つのホールセンサ（２２ａ，２２ｂ）の４つずつの側辺のうち少なくとも２つずつの側辺に沿って延在している、請求項６記載の電流制限回路（１３）。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の電流制限回路（１３）が給電電圧に対する入力側と電気スタータとのあいだに接続されている
   ことを特徴とする内燃機関を備えた車両用のスタータ装置。
9. 内燃機関と請求項８記載のスタータ装置とを備えていることを特徴とする車両。

Images