JP5972404B2

JP5972404B2 - 車両用車載電源

Info

Publication number: JP5972404B2
Application number: JP2014560307A
Authority: JP
Inventors: ライヒョウディアク; ギルヒマークス
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: WO2013131783A1; EP2822808B1; US20150115707A1; CN104349931A; EP2822808B8; DE102012203467A1; EP2822808A1; JP2015511107A; US9855849B2; CN104349931B

Description

本発明は、車両用車載電源及び車載電源を備えた車両に関する。

DE 10 2009 008 255から、自動車又は商用車両の車載エネルギー源の安定化方法が知られている。この方法の実行中、第１車載電源分岐に第１電圧が加わる。この場合、この車載電源分岐には、第１電気エネルギー蓄積器と、この第１電気エネルギー蓄積器を給電するための発電機と、少なくとも１つの第１負荷とが接続されている。第２車載電源分岐には、第１電圧よりも高い第２電圧が加わる。この場合、第２車載電源分岐には、第２電気エネルギー蓄積器と、第２電気エネルギー蓄積器を給電するための充電ユニットと、少なくとも１つの第２負荷とが接続されている。充電ユニットは、第１車載電源分岐にも接続されている。さらに第１電気エネルギー蓄積器及び第２電気エネルギー蓄積器は、第２電圧を発生させるために互いに直列に結線されている。充電ユニットの出力電圧と出力電流を制御するために、少なくとも第１電圧及び第２電圧が個々の測定素子によって検出され、それによって第２電気エネルギー蓄積器のための充電電流が決定され生成される。ついで、検出された第１電圧及び／又は第２電圧は、以下のように非線形素子によって調整される。即ち充電ユニットが第２の蓄積器を、第１電圧が上昇しすぎたときには、第１車載電源分岐からのエネルギー取り出しを増加させながら充電し、第１電圧が急に落ち込んだときには、第１車載電源分岐からのエネルギー取り出しを低減させながら充電する。

本発明の課題は、車両用車載電源及び車載電源を備えた車両において、電圧安定化をさらに改善できるようにすることである。

この課題は、独立請求項に記載された特徴によって解決される。従属請求項には有利な実施形態が示されている。

本発明の１つの観点によれば車両用車載電源には、第１電気エネルギー蓄積器及び第１電気負荷を含み第１動作電圧Ｕ₁を有する第１車載電源分岐が設けられている。また、この車載電源には、第２電気エネルギー蓄積器を含み第２動作電圧Ｕ₂を有する第２車載電源分岐が設けられている。さらにこの車載電源には、第３電気負荷を含み第３動作電圧Ｕ₃を有する第３車載電源分岐が設けられている。しかもこの車載電源には、少なくとも第１車載電源分岐と第２車載電源分岐との間で、エネルギーを双方向に伝送するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータも設けられている。さらにこの車載電源には、第１切替装置も設けられている。この場合、第１電気エネルギー蓄積器と第２電気エネルギー蓄積器とは、第１動作電圧Ｕ₁と第２動作電圧Ｕ₂とが合わさって第３動作電圧Ｕ₃を供給することができるよう、第１切替装置を介して電気的に互いに直列に接続可能である。

１つの実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１車載電源分岐と第２車載電源分岐と第３車載電源分岐との間で、双方向にエネルギーを伝送するように構成されている。なお、以下では、第１車載電源分岐と第２車載電源分岐と第３車載電源分岐との間における双方向のエネルギー伝達とは、電気エネルギーがここで挙げた３つの車載電源分岐のうち少なくとも１つの車載電源分岐から、残りの２つの車載電源分岐のうち少なくとも一方へ、電気エネルギーが伝送されることを意味する。そしてこのことは、上述の車載電源分岐すべてについて当てはまり、即ち上述の車載電源分岐間のエネルギー交換を、いずれの方向であっても行うことができる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータによる双方向のエネルギー伝達を間接的に行うこともでき、即ちＤＣ／ＤＣコンバータによって、さらに別の車載電源分岐と電気的に接続された車載電源分岐へ、エネルギー伝達を行うことができ、これによってその別の車載電源分岐へもエネルギーを伝達することができる。

上述の実施形態による車載電源によって、車両の様々な動作状態において電圧安定化をいっそう改善することができる。この場合、電圧の安定化を、特に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることによって実現することができ、これについてはあとで詳しく説明する。さらにここで有利であるのは、第１動作電圧Ｕ₁と第２動作電圧Ｕ₂に加えて、第３動作電圧Ｕ₃を供給するために必要とされる電気エネルギー蓄積器の個数を低減できることである。このことは、第１動作電圧Ｕ₁と第２動作電圧Ｕ₂とを合成することで第３動作電圧Ｕ₃を供給することによって実現される。この場合、第１動作電圧Ｕ₁を供給する第１電気エネルギー蓄積器と、第２動作電圧Ｕ₂を供給する第２電気エネルギー蓄積器とが、第１切替装置を介して電気的に互いに直列に接続されると、それら第１及び第２の電気エネルギー蓄積器が合わさって、第３動作電圧Ｕ₃が供給される。このようにすれば、第３動作電圧Ｕ₃を供給するために、第３車載電源分岐内に固有の電気エネルギー蓄積器を設ける必要がなくなる。

１つの実施形態によれば、第１動作電圧Ｕ₁及び第２動作電圧Ｕ₂について、Ｕ₂＞Ｕ₁の関係が成り立つ。例えばＵ₁は１２Ｖであり、Ｕ₂は３６Ｖである。このようにすれば、第１電気エネルギー蓄積器と第２電気エネルギー蓄積器とを直列接続したときに、４８Ｖの第３動作電圧Ｕ₃を供給することができる。

さらにこの場合、第３車載電源分岐に、電気機械特にスタータジェネレータを設けることもできる。さらにこの電気機械を、例えば車両の電気駆動機械として構成することができ、つまりそれ相応の動作のときに、車両用駆動装置を成すモータとすることができる。

別の実施形態によれば、この車載電源にはさらに、第４電気負荷を含み第４動作電圧Ｕ₄を有する第４車載電源分岐が設けられている。さらにこの場合、第４車載電源分岐に第３電気エネルギー蓄積器を設けることもできる。第４動作電圧Ｕ₄は、有利には第１動作電圧Ｕ₁と一致しており、つまり有利にはＵ₁＝Ｕ₄が成り立つ。例えば第１動作電圧Ｕ₁及び第４動作電圧Ｕ₄を、それぞれ１２Ｖとすることができる。

１つの実施形態によれば、この車載電源には第２切替装置が設けられており、この第２切替装置を介して、第１車載電源分岐と第４車載電源分岐とを電気的に結合可能である。ここでは、そして以下の説明においても、「電気的に結合可能」とは、電気的に結合された個々のコンポーネントを相互に電気的に接続可能である、ということである。これによって上述の実施形態によれば、第１車載電源分岐と第４車載電源分岐との間で、エネルギー交換を行うことができる。さらに有利にはこのことによって、車載電源動作時の電圧の安定化をいっそう改善することができる。

別の実施形態によれば、第１電気エネルギー蓄積器と第２電気エネルギー蓄積器とを、第１切替装置及び第２切替装置を介して、電気的に互いに直列に接続可能である。

さらに第１車載電源分岐に、車両内燃機関のスタータ及び／又はスタータジェネレータを設けることもできる。このスタータを例えば、ピニオンスタータ又はベルトスタータとして構成することができる。また、第４車載電源分岐に発電機を設けることもできる。

１つの実施形態によれば、第１電気エネルギー蓄積器、第２電気エネルギー蓄積器、及び有利には第３電気エネルギー蓄積器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、並びに第１切替装置及び第２切替装置は、コントロールユニットとも称する制御ユニットの構成要素である。これによって、ここで挙げたコンポーネントを、制御ユニットの形態をとる単一のモジュールとして供給することができる。その際、この制御ユニットは、有利には４つの端子を有する。

さらに有利であるのは、第１切替装置の動作制御のために構成された第１動作制御ユニットと、第２切替装置の動作制御のために構成された第２動作制御ユニットと、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作制御のために構成された第３動作制御ユニットを、車載電源に設けることである。この車載電源の１つの実施形態によれば、第１動作制御ユニットと第２動作制御ユニットと第３制御ユニットは、制御ユニットの構成要素である。

第１切替装置及び／又は第２切替装置を、リレー及び半導体スイッチ例えばＭＯＳＦＥＴスイッチから成るグループの中から選択するのが有利である。このようにすれば、車載電源の個々のコンポーネントの電気的な結合もしくは分離を、対応する切替装置を介して簡単かつ信頼性を伴って行うことができる。

さらに別の実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは同期変換器として構成されている。このようにすれば、第１車載電源分岐と第２車載電源分岐と第３車載電源分岐並びに場合によっては第４車載電源分岐との間のエネルギー伝達を、簡単に実現することができる。

第１電気エネルギー蓄積器、第２電気エネルギー蓄積器、及び／又は第３電気エネルギー蓄積器は例えば、少なくとも１つの蓄電池、例えば少なくとも１つのリチウムイオン電池、又は少なくとも１つの鉛酸蓄電池、及び少なくとも１つのコンデンサ特に少なくとも１つの電気二重層コンデンサから成るグループから選択される。

さらに第１電気負荷、第２電気負荷、及び／又は第４電気負荷を、ダイナミックな大電流負荷として構成することができる。

車載電源のさらに別の実施形態によれば、第１電気エネルギー蓄積器及び第２電気エネルギー蓄積器を、１つの共通のデバイスユニットとして構成することができる。この場合、第１電気エネルギー蓄積器は、第２電気エネルギー蓄積器内の２つの電圧タップを介して接続可能である。この実施形態では、共通のデバイスユニットは４つの端子を有している。

さらに別の実施形態によれば、第３電気エネルギー蓄積器及び第２電気エネルギー蓄積器は、１つの共通のデバイスユニットとして構成されている。この場合、第３電気エネルギー蓄積器は、第２電気エネルギー蓄積器内の２つの電圧タップを介して接続可能である。この実施形態では、共通のデバイスユニットは４つの端子を備えている。

さらに第１電気エネルギー蓄積器及び第３電気エネルギー蓄積器１４を、１つのデバイスユニットとして構成することができる。この実施形態によれば、第３電気エネルギー蓄積器は、第１電気エネルギー蓄積器内の１つの電圧タップを介して接続可能である。この実施形態の場合、共通のデバイスユニットは３つの端子を有している。

さらに発電機及び第１電気機械を、１つの共通のデバイスユニットとして構成することができる。この場合、発電機は、電気器の１つの電圧タップを介して接続可能である。

さらに本発明は、既述の実施形態のいずれか１つによる車載電源を含む車両にも関する。この車両は、有利にはハイブリッド型電気車両として構成されている。特にこの車両を、マイクロハイブリッド型電気車両又はマイルドハイブリッド型電気車両として構成することができる。ここでマイクロハイブリッド型電気車両とは典型的には、車両を駆動させるためにモータがそのまま使用されるのではない車両のことであるのに対し、マイルドハイブリッド型電気車両の場合、典型的にはモータが車両の駆動装置としてそのまま動作する。その際、マイクロハイブリッド型電気車両のモータは、典型的には約２．７〜４ｋＷ／ｔのパワーウェイトレシオのパワーを有している。また、マイルドハイブリッド型電気車両は、典型的には約６〜１４ｋＷ／ｔのモータパワーを有している。

この車両は例えば自動車であり、特に自家用車又はトラックであり、さらにスタート／ストップシステムを有することができ、このシステムは、車両内燃機関を自動的に及び／又は手動で遮断もしくは始動するように構成されている。

本発明による車両は、本発明による車載電源と関連して既に挙げた利点を有しており、それらの利点については繰り返しを避けるため、ここでもう一度説明はしない。なお、スタート／ストップシステムを備えた車両の場合には特に、電圧の安定化が極めて重要である。その理由は、内燃機関の始動は高い電力消費を意味し、そのことによって車載電源において電圧の急激な落ち込みが発生する可能性があるからである。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

本発明の第１実施形態による車載電源のブロック回路図本発明の第２実施形態による車載電源のブロック回路図本発明の第３実施形態による車載電源のブロック回路図本発明による車載電源の基本回路図

図１には、本発明の第１実施形態による車両の車載電源１のブロック回路図が示されており、ここでは車両は詳しくは描かれていない。車載電源１を例えば車両特に自家用車又はトラックの構成要素とすることができる。

車載電源１には、第１動作電圧Ｕ₁を有する第１車載電源分岐２が設けられており、図示の実施形態では、第１車載電圧Ｕ₁は１２Ｖである。第１車載電源分岐２は、一例として１２Ｖ蓄電池例えば１２Ｖリチウムイオン蓄電池の形態をとる第１電気エネルギー蓄積器３を有している。さらに第１車載電源分岐２は、動的負荷を成す第１電気負荷４を有している。第１電気負荷４は例えば、この図には詳しくは描かれていない車両内燃機関のスタータとして構成することができる。

さらに車載電源１には、第２動作電圧Ｕ₂を有する第２車載電源分岐５も設けられている。図示の実施形態では、第２動作電圧Ｕ₂は３６Ｖである。第２車載電源分岐５には第２電気エネルギー蓄積器６が設けられており、これは例えば３６Ｖリチウムイオン蓄電池又は３６Ｖ電気二重層コンデンサとして構成されている。

車載電源１にはさらに、第３動作電圧Ｕ₃を有する第３車載電源分岐７も設けられている。図示の実施形態の場合、第３車載電源分岐７は第３電気負荷８並びに車両の電気機械１１を有している。電気機械１１は複数の動作状態を有しており、それらの動作状態に応じて電気機械１１は車両のスタータジェネレータ又はモータを成す。したがって電気機械１１は動作状態に応じて、可変のトルクを供給することができるし、もしくは電気エネルギーを発生させることができ、あるいは車両の駆動装置の機能を果たすことができる。この場合、電気機械１１の動作状態は、詳しくは示されていない制御ユニットによって設定される。

さらに車載電源１はＤＣ／ＤＣコンバータ９を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、双方向の直流電圧変換器として構成されており、この変換器は、例えば第１電圧から第２電圧への変換及びその逆の変換を行うことができる。このため図示の実施形態の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、エネルギーを双方向に伝達するための同期変換器として構成されている。

さらに車載電源１は第１切替装置１０を有している。図示の実施形態の場合、第１切替装置１０は半導体スイッチとして、ノーマリ−オフ形のｎチャネルＭＯＳＦＥＴスイッチの形態で構成されている。

第１電気エネルギー蓄積器３と第２電気エネルギー蓄積器６とは、第１動作電圧Ｕ₁と第２動作電圧Ｕ₂とが合わさって第３動作電圧Ｕ₃を供給することができるよう、第１切替装置１０を介して電気的に互いに直列に接続可能である。このようにして図示の実施形態によれば、第１電気エネルギー蓄積器３と第２電気エネルギー蓄積器６の直列接続によって、第３車載電源分岐７に４８Ｖの第３動作電圧Ｕ₃を供給することができる。

図示の実施形態によれば第１切替装置１０は、ソース側では第１車載電源分岐２のプラス経路と、ドレイン側では第２車載電源分岐５のマイナス経路と接続されている。このようにして第１電気エネルギー蓄積器３のプラス極を成す第１端子２３を、第１切替装置１０を介して、第２電気エネルギー蓄積器６のマイナス極を成す端子２８と電気的に接続することができる。

この場合、第１切替装置１０が閉じられた状態にあるこの切替装置１０の第１切替位置において、第１電気エネルギー蓄積器３の第１端子２３は、第２電気エネルギー蓄積器６の第２端子２８と接続されてる。第１切替装置１０が開かれた状態にあるこの切替装置１０の第２切替位置において、第１電気エネルギー蓄積器３の第１端子２３は、第２電気エネルギー蓄積器６の第２端子２８から電気的に分離される。

第１電気エネルギー蓄積器３のマイナス極を成す第２端子２４は、基準電位と電気的に接続されている。さらに第２電気エネルギー蓄積器６のプラス極を成す第１端子２７は、第３車載電源分岐７と接続されている。

さらに第１切替装置１０は、ソース側で、第１電気負荷４の第１端子２１と、並びにＤＣ／ＤＣコンバータ９の一次側に設けられた第１端子２５と接続されている。第１切替装置１０は、ドレイン側で、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の二次側に設けられた第２端子２６と接続されている。さらにこの第２端子２６は、第２電気エネルギー蓄積器６の第２端子２８と接続されている。また、第１端子２５は、第１電気エネルギー蓄積器３の第１端子２３並びに第１電気負荷４の第１端子２１とも接続されている。

さらにＤＣ／ＤＣコンバータ９の一次側には第３端子４２も設けられており、この端子は基準電位と電気的に接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の二次側には第４端子４３も設けられており、この端子は、第２電気エネルギー蓄積器６の第１端子２７及び第３電気負荷８の第１端子２９並びに電気機械１１の第１端子３１と接続されている。第２電気エネルギー蓄積器６の第１端子２７も、第３電気負荷８の第１端子２９及び電気機械１１の第１端子３１と接続されている。

第１電気負荷４の第２端子２２及び第３電気負荷８の第２端子３０並びに電気機械１１の第２端子３２は、基準電位と電気的に接続されている。

さらに車載電源１は、第１切替装置１０の動作を制御するように構成された第１動作制御ユニット１９を有している。第１動作制御ユニット１９によって第１切替装置１０が開閉され、つまり図示の実施形態によれば、そのために適切な電圧がｎチャネルＭＯＳＦＥＴのゲートに加えられて、導電チャネルが形成されるか、又はチャネルが阻止される。また、車載電源１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の動作を制御するように構成された第３動作制御ユニット２０も有している。第３動作制御ユニット２０によって特に、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介した車載電源分岐２，５，７間のエネルギー伝達方向を決定することができる。それとともにＤＣ／ＤＣコンバータ９の制御モードを決定することができ、つまりＤＣ／ＤＣコンバータ９を電圧制御で動作させるのか、又は電流制御で、或いは電力制御で動作させるのか、を決定することができる。

この場合、第１動作制御ユニット１９及び第３動作制御ユニット２０は、詳しくは示されていないさらに別の車両コンポーネントと接続されており、特に車両における別の制御ユニットと接続されている。その目的は、車両の個々の動作状態に応じて、第１切替装置１０もしくはＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御するための制御信号を発生させるためである。

また、図示の実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ９、第１切替装置１０、第１動作制御ユニット１９、並びに第３動作制御ユニット２０は、コントロールユニット（ＣＵ）とも称される制御ユニット１８の構成要素である。

図示の実施形態の場合、第１電気エネルギー蓄積器３の第１端子２３は、４極のうち極Ｉを成している。４極のうち極ＩＩは、第１切替装置１０のドレイン側で形成されている。第２電気エネルギー蓄積器６の第２端子２８は、４極のうち極ＩＩＩを成しており、第２電気エネルギー蓄積器６の第１端子２７は４極のうち極ＩＶを成している。

図２には、本発明の第２実施形態による車両の車載電源１のブロック回路図が示されており、ここでは車両は詳しくは描かれていない。図１と同じ機能を果たすコンポーネントには同じ参照符号が付されており、それらについては以下では繰り返して説明しない。

図示の実施形態によれば車載電源１には、第１車載電源分岐２及び第２車載電源分岐５並びに第３車載電源分岐７に加えて、第４動作電圧Ｕ₄を有する第４車載電源分岐１２が設けられている。図示の実施形態の場合、第４動作電圧Ｕ₄は１２Ｖであり、つまり第１車載電源分岐２と第４車載電源分岐１２とは、図示の実施形態では等しい公称電圧を有している。

第４車載電源分岐１２は、第４電気負荷１３及び第３電気エネルギー蓄積器１４を有している。さらに第４車載電源分岐１２内には、発電機１７も配置されている。

車載電源１はさらに第２切替装置１５を有しており、図示の実施形態の場合、第２切替装置１５は半導体スイッチとして、ノーマリ−オフ形のｎチャネルＭＯＳＦＥＴスイッチの形態で構成されている。

第１車載電源分岐２と第４車載電源分岐１２は、第２切替装置１５を介して電気的に接続可能である。このため第２切替装置１５は、ソース側では第１車載電源分岐２と、ドレイン側では第４車載電源分岐１２と接続されている。特に第２切替装置１５はドレイン側で、第３電気エネルギー蓄積器１４の第１端子３５及び第４電気負荷１３の第１端子３７並びに発電機１７の第１端子３９と接続されている。第３電気エネルギー蓄積器１４の第２端子３６及び第４電気負荷１３の第２端子３８並びに発電機の第２端子４０は、基準電位と電気的に接続されている。

車載電源１はさらに、第２切替装置１５の動作を制御するように構成された第２動作制御ユニット４１を有している。第２動作制御ユニット４１によって、第２切替装置１５が開閉される。この場合、第１車載電源分岐２は、第２切替装置１５が閉じられた状態にあるこの切替装置の１５の第１切替位置において、第４車載電源分岐１２と電気的に接続される。第２切替装置１５が開かれた状態にあるこの切替装置１５の第２切替位置において、第１車載電源分岐２は第４車載電源分岐１２と電気的に分離される。

さらに第２切替装置１５はドレイン側で、第１切替装置１０のソース側と接続されている。これによって図示の実施形態によれば、第１電気エネルギー蓄積器３と第２電気エネルギー蓄積器６とを、第１切替装置１０及び第２切替装置１５を介して、電気的に互いに直列に接続可能である。

図示の実施形態によれば車載電源１はさらに、詳しくは示されていない車両内燃機関のスタータ１６を有しており、ここではスタータ１６は第１車載電源分岐２内に配置されている。スタータ１６は第１端子３３を有しており、この端子３３は特に、第２切替装置１５のソース側と電気的に接続されている。さらにスタータ１６は第２端子３４を有しており、この端子３４は基準電位と電気的に接続されている。

図示の実施形態の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ９、第１切替装置１０、第２切替装置１５、第１動作制御ユニット１９、第２動作制御ユニット４１、並びに第３動作制御ユニットは、制御ユニット１８の構成要素である。別の実施形態によれば、ここで挙げたコンポーネントは、車載電源１全体にわたり分散されて配置される。

図２に示されている実施形態によれば、第３電気エネルギー蓄積器１４と第２電気エネルギー蓄積器６とは、第１切替装置１０を介して切替可能に接続されている。さらに第１電気エネルギー蓄積器３と第３電気エネルギー蓄積器１４とは、第２切替装置１５を介して切替可能に接続されている。この場合、第２電気エネルギー蓄積器６と第３電気エネルギー蓄積器１４の幾何学的配置に、利点を見出すことができる。図示のトポロジーによれば、第２電気エネルギー蓄積器６と第３電気エネルギー蓄積器１４との間の経路中には、第１切替装置１０だけしか配置されていない。

第２電気エネルギー蓄積器６の充電量に対する第３電気エネルギー蓄積器１４の充電量の適切な比率は、典型的には１／３であり、第３電気エネルギー蓄積器１４の充電と、第２電気エネルギー蓄積器６の充電とが合わさって、１００パーセントになる。この場合、第２電気エネルギー蓄積器６と第３電気エネルギー蓄積器１４を、４端子を備えた１つの共通のユニットとして構成することができる。

第１電気エネルギー蓄積器３と第３電気エネルギー蓄積器１４の幾何学的配置にも、利点を見出すことができる。この場合、第１電気エネルギー蓄積器３と第３電気エネルギー蓄積器１４との間の経路中には、第２切替装置１５だけしか配置されていない。第３電気エネルギー蓄積器１４の充電と第１電気エネルギー蓄積器３の充電との適切な比率は、典型的には１／３或いはそれ以下であり、第３電気エネルギー蓄積器１４における充電は、第１電気エネルギー蓄積器３の充電が合わさって、１００パーセントになる。第１電気エネルギー蓄積器３と第３電気エネルギー蓄積器１４を、３端子を備えた１つの共通のユニットとして構成することができる。

図示の実施形態の場合、第１電気エネルギー蓄積器３の第１端子２３は、４極のうちの１つの極Ｉを成している。４極のうち極ＩＩは、第２切替装置１５のドレイン側で形成されている。第２電気エネルギー蓄積器６の第２端子２８は、４極のうち極ＩＩＩを成しており、第２電気エネルギー蓄積器６の第１端子２７は４極のうち極ＩＶを成している。

図３には、本発明の第３実施形態による車両の車載電源１のブロック回路図が示されており、ここでは車両は詳しくは描かれていない。図１及び図２と同じ機能を果たすコンポーネントには同じ参照符号が付されており、それらについては以下では繰り返して説明しない。

図３に示されている第３実施形態が図２に示した第２実施形態と異なる点は、第２切替装置１５がソース側で、第１切替装置１０のソース側と接続されていることである。これによって図示の実施形態によれば、第１電気エネルギー蓄積器３と第２電気エネルギー蓄積器６とが、第１切替装置１０のみを介して、電気的に互いに直列に接続可能となる。

さらに第１車載電源分岐２、第２車載電源分岐５、第３車載電源分岐７、及び／又は第４車載電源分岐１２には、図１〜図３に示した電気負荷に加えて、さらに別の電気負荷を設けることも可能であり、つまり第１車載電源分岐２、第２車載電源分岐５、第３車載電源分岐７、及び第４車載電源分岐１２に、それぞれ少なくとも１つの電気負荷を設けることができ、ただし図示の実施形態によれば、第２車載電源分岐５には電気負荷は設けられていない。

図１〜図３に示した車載電源トポロジーは、ＭＣＰ（Multi Combined Powernet）と称されることもあり、これは第１車載電源分岐２及び第２車載電源分岐５として構成された少なくとも２つの部分回路網Ａ及びＢの組み合わせである。図示の実施形態の場合、回路網Ａの公称電圧は１２Ｖであり、回路網Ｂの公称電圧は３６Ｖである。この場合、回路網Ａを付加的な回路網Ｂと直列に接続可能にすることによって、各部分回路網の拡張が達成される。切替動作は、コントロールユニット即ち制御ユニット１８によってコントロールされる。回路網Ａと回路網Ｂとが直列接続された結果、図示の実施形態では４８Ｖの公称電圧レベルをもつ第３車載電源分岐７として、新たな回路網Ｃが形成される。図示のＭＣＰトポロジーは例えば、想定可能な電気駆動型車両特に電気走行駆動型車両例えばマイクロハイブリッド型電気車両又はマイルドハイブリッド型電気車両において用いられる。この場合、典型的には、それぞれ少なくとも１つの電圧変換器、負荷、駆動部及び発電機並びに２つの電気エネルギー蓄積器が用いられる。

図３に示されているトポロジーの場合、エネルギーシステムＥｓｙｓ１とも称する第１車載電源分岐２は、例えば１２Ｖリチウムバッテリとして実装される電気エネルギー蓄積器と、少なくとも１つの動的負荷例えばスタータとから成る。エネルギーシステムＥｓｙｓ２とも称する第２車載電源分岐５は、例えば３６Ｖリチウムバッテリとして実装される電気エネルギー蓄積器から成る。エネルギーシステムＥｓｙｓ３とも称する第４車載電源分岐１２は、図示の実施形態の場合、オプションとして設けられ、例えば１２Ｖリチウムバッテリとして実装される第３電気エネルギー蓄積器１４と、オプションとして設けられる発電機１７と、少なくとも１つの動的負荷とから成る。スタータジェネレータもしくは車両の電気駆動機械として構成可能な電気機械１１は、エネルギーシステムＥｓｙｓ４とも称される独立した第３車載電源分岐７の構成要素である。Ｅｓｙｓ４には、少なくとも１つの動的負荷も含まれている。

電気機械１１及び発電機１７を、１つのユニットとして実現することができる。この実施形態によれば発電機１７は、電気機械１１内の相応の電圧タップである。Ｅｓｙｓ３内又は択一的にＥｓｙｓ１内で発電機１７を使用することによって、システムの冗長性及び可用性が高められる。

さらに第１電気エネルギー蓄積器３及び第２電気エネルギー蓄積器６を、１つのデバイスユニット内で実現することができる。この場合、第１電気エネルギー蓄積器３は、共通のデバイスユニット内の２つの電圧タップを介して接続可能である。第１電気エネルギー蓄積器３と第２電気エネルギー蓄積器６を、４端子を備えた１つの共通のユニットとして構成することができる。

さらに第１電気エネルギー蓄積器３及び第３電気エネルギー蓄積器１４を、１つのデバイスユニット内で実現することができる。この場合、第３電気エネルギー蓄積器１４は、共通のデバイスユニット内の電圧タップである。この実施形態の場合、第１電気エネルギー蓄積器３と第３電気エネルギー蓄積器１４は、３端子を備えた１つの共通のユニットとして実装される。

さらに第２電気エネルギー蓄積器６及び第３電気エネルギー蓄積器１４を、１つのデバイスユニット内で実現することができる。この場合、第３電気エネルギー蓄積器１４は、この共通のデバイスユニット内の２つの電圧タップを介して接続可能である。この実施形態の場合、第２電気エネルギー蓄積器６と第３電気エネルギー蓄積器１４は、４端子を備えた１つの共通のユニットとして実装される。

第１電気エネルギー蓄積器３の充電のための蓄積器容量が、第２電気エネルギー蓄積器６並びに第３電気エネルギー蓄積器１４の充電のための蓄積器容量よりも著しく大きいと有利である。このように構成することによって、エネルギーシステムＥｓｙｓ１が優勢となり、このトポロジー内において安定的に優先される。第１電気エネルギー蓄積器３をこのように構成することによって、システムの冗長性及び可用性並びに電圧安定性が高められる。

さらに有利であるのは、第１電気エネルギー蓄積器３の内部オーム抵抗をできるかぎり小さく設計することであり、例えば約５ｍΩまたはそれ以下とすることである。このようにすることで、車両のエンジンが例えばピニオンスタータの形態のスタータ１６を介して始動されたとき、Ｅｓｙｓ１内における電圧の落ち込みが最小限に抑えられる。スタータ１６を使用することによって、システムの冗長性及び可用性が高められる。第１電気エネルギー蓄積器３の内部抵抗が著しく小さいことによって、場合によっては第３電気エネルギー蓄積器１４並びに第２切替装置１５を省略することができる。

スタータジェネレータを用いた信頼性の高い発電機動作のために、スタータジェネレータは、Ｅｓｙｓ１もしくはＥｓｙｓ３及びＥｓｙｓ２から成る複数の電気エネルギー蓄積器と結合される。なぜならば、さもなければＥｓｙｓ４において電源の崩壊が発生する可能性があるからである。そのようなケースでは、動的負荷つまり第３電気負荷８は、スタータジェネレータが供給可能なエネルギーよりも多くのエネルギーを必要とすることになる。第２電気エネルギー蓄積器６を第１電気エネルギー蓄積器３と電気的に直列に接続するために、第１切替装置１０が閉じられる。

ＭＯＳトランジスタとして実装されている第１切替装置１０において、図示の実施形態にも同様に存在するボディダイオードは、第３電気負荷８の方向へダイオードを通して電流を流すことができ、これによって回路網Ｃを支援する。この場合、第１切替装置１０を、場合によっては開放していても良い。

第２電気エネルギー蓄積器６の代わりに、又は第２電気エネルギー蓄積器６の一部分として、回路網Ａから回路網Ｂへの電気的な接続を、ＤＣ／ＤＣ変換器即ちＤＣ／ＤＣコンバータ９によって行うことができる。この目的でＤＣ／ＤＣコンバータは、Ｅｓｙｓ１からＥｓｙｓ２へエネルギーを伝達する。したがって回路網Ｃは、回路網Ａ及び回路網Ｂからエネルギーを取り出すことができる。

第１切替装置１０の切替状態とは無関係に、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介してＥｓｙｓ２からＥｓｙｓ１へエネルギーを伝達することができる。これは例えば、エンジン始動時、第１電気負荷４の形態の大電流負荷ないしはＥｓｙｓ１に配置されたスタータ１６によって、Ｅｓｙｓ１及びＥｓｙｓ３において電圧の急激な落ち込みが引き起こされる場合である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９によるこのエネルギー供給は、第２切替装置１５の形態の付加的なスイッチによってシステムＥｓｙｓ３がＥｓｙｓ１から切り離されている場合は、少なくとも良い。オプションとして用いられる第３電気エネルギー蓄積器１４は、第１電気エネルギー蓄積器３の充電状態に関係なく、敏感な負荷のために、つまり図示の実施形態では第４電気負荷１３のために、エネルギーを供給可能である。Ｅｓｙｓ１内でクリティカルな電圧の急激な落ち込みが発生した場合には、第２切替装置１５を開くことができる。この場合、第４電気負荷に対し、第３電気エネルギー蓄積器１４を介して、実質的に一定のエネルギー供給が維持される。さらに拡張して、オプションとして用いられる発電機１７がＥｓｙｓ３に組み込まれる。この発電機は、第２切替装置１５が閉じられているときに、第３電気エネルギー蓄積器１４を充電することができる。

特に図３に示されているトポロジーは、冗長的なエネルギーの流れを作り上げることが可能であり、次にこれについて説明する。

回路網Ａもしくは第１電気エネルギー蓄積器３を、回路網Ｃのスタータジェネレータによって充電することができ、このとき、第１切替装置１０は閉じられており、第２切替装置１５は開いておくか、又は閉じておくことができる。

これに加え、回路網Ａもしくは第１電気エネルギー蓄積器３を、ＤＣ／ＤＣコンバータ９によって充電することができ、このとき、第１切替装置１０は開かれているか又は閉じられており、第２切替装置１５は開かれているか又は閉じられている。

さらに回路網Ａもしくは第１電気エネルギー蓄積器３を、発電機１７によって充電することができ、このとき、第１切替装置１０は開かれているか又は閉じられており、第２切替装置１５は閉じられている。

回路網Ｂもしくは第２電気エネルギー蓄積器６を、スタータジェネレータによって充電することができ、このとき、第１切替装置１０は閉じられており、第２切替装置１５は開かれているか又は閉じられている。

さらに回路網Ｂもしくは第２電気エネルギー蓄積器６を、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して充電することができ、このとき、第１切替装置１０は開かれているか又は閉じられており、第２切替装置１５は開かれているか又は閉じられている。

また、回路網Ｃもしくは第３電気負荷８を、スタータジェネレータによって給電することができ、このとき、第１切替装置１０は開かれているか又は閉じられており、第２切替装置１５は開かれているか又は閉じられている。

さらに回路網Ｃもしくは第３電気負荷８を、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して給電することができ、このとき、第１切替装置１０は閉じられているか又は開かれており、第２切替装置１５は開かれているか又は閉じられている。

回路網Ａ*もしくはＡ#とも称される第４車載電源分岐１２もしくは第３電気エネルギー蓄積器１４を、発電機１７によって充電することができ、このとき、第１切替装置１０は開かれているか又は閉じられており、第２切替装置１５は開かれているか又は閉じられている。

さらに回路網Ａ*もしくは第３電気エネルギー蓄積器１４を、第１電気エネルギー蓄積器３によって充電することができ、このとき、第１切替装置１０は開かれているか又は閉じられており、第２切替装置１５は閉じられている。

理想的な第２切替装置１５が閉じた状態にあるとき、回路網Ａ及びＡ*は電圧に関して実質的に等しい。

上記のエネルギーの流れの記述によれば、回路網Ａの三重の冗長性が可能となり、回路網Ａのシステム優先順位が機能可用性及び機能信頼性の観点から明確に示されている。

制御ユニット１８は、システム内のエネルギーの流れを制御又は調整する。システム及び車両状態を求めることによって、回路網Ａ，Ａ*，Ｂ，Ｃにおける所期の公称電圧状態が調整され管理される。

これによれば、Ｅｓｙｓ１とＥｓｙｓ２の直列接続によって重要な利点が得られる。このようにすることで、例えばリチウムイオン電池を、図１に示されているように、最小限のシステムコンフィギュレーションであっても、節約することができ、その結果、コスト上の利点が得られるようになる。

さらに有利であるのは、この装置構成の冗長的な振る舞いである。Ｅｓｙｓ２及び／又はＤＣ／ＤＣコンバータ９が故障しても、システムはバックアップモードで動作する。優先されたシステムＥｓｙｓ１及び場合によってはＥｓｙｓ３は、制約を受けずに維持され続け、このことは機能信頼性の観点で有利である。

さらに、２つの冗長的な発電機と２つの冗長的なスタータを組み込むオプションも、可用性の観点から有利である。

第３電気エネルギー蓄積器１４を使用すれば、回路網Ａ*における電圧安定化の利点が得られ、回路網Ａ*において敏感な負荷を駆動することができ、その結果、やはり可用性の利点が得られるようになる。

第１電気エネルギー蓄積器３を使用すれば、回路網Ａにおける回生の利点が得られ、このことによってフレキシブルなエネルギーの流れを支援することができ、これも可用性の利点と結び付くものである。

第３電気エネルギー蓄積器１４を使用すれば、回路網Ａ*における回生の利点が得られ、このことによってやはりフレキシブルなエネルギーの流れを支援することができ、これも可用性の利点と結び付くものである。

第２電気エネルギー蓄積器６を使用すれば、回路網Ｃにおける回生の利点が得られ、これによってもフレキシブルなエネルギーの流れを支援することができ、これは可用性の利点と結び付くものである。

図示の車載電源トポロジーにおけるＥｓｙｓ１とＥｓｙｓ２との直列接続のさらに別の利点は、回路網Ｃから回路網ＡもしくはＡ*への短絡の際に得られる。その際に有利であるのは、殊にエンジン回転数がゼロのとき、１２Ｖ回路網即ち回路網Ａもしくは回路網Ａ*における過充電が回避されることである。この場合、短絡はＥｓｙｓ２内でしか起こらない。結果として発生する大きい電流の流れを、この回路網経路内のヒューズ及び／又はリレーによって、例えばこのリレーを開放することによって、制限することができる。

また、エンジン回転数がゼロではないときでも、このような短絡に際して、Ｅｓｙｓ１もしくはＥｓｙｓ３のクリティカルではない過充電を達成することができる。この目的で、第１電気エネルギー蓄積器３の内部抵抗が、電気機械１１の内部抵抗よりも著しく小さくなるように設計する。このようにすることで、回路網ＡもしくはＡ*における電圧が最初はごく僅かに高められ、この電圧は、電気機械１１内部の短絡検出メカニズムを介して、クリティカルでない値に持続的に保持することができ、つまり電気機械１１は、車載電源１にもっと大きなシステム損傷が生じるのを回避する目的で、Ｅｓｙｓ１もしくはＥｓｙｓ３へのエネルギーの流れをストップする。さらにＤＣ／ＤＣコンバータ９を、短絡エネルギーを少なくとも部分的にＥｓｙｓ２もしくはＥｓｙｓ３に送り戻すように、動作させることができる。第３電気エネルギー蓄積器の過充電保護も実現することができ、その場合には第１切替装置１０が開かれ、ＤＣ／ＤＣコンバータ９が非アクティブ状態にされ、発電機の充電電流が制限されるように第３電気エネルギー蓄積器の過充電保護を行う。

さらに、ＭＣＰトポロジーを用いて電位分離を行うトポロジーも実現可能である。これに加え、アース経路中にもスイッチを配置することができ、つまり図１〜図３に示した相応の車載電源コンポーネントを、アース経路中ないしはマイナス経路中に配置することもできる。また、過充電及び短絡に対するさらなるシステム保護のために、第１電気エネルギー蓄積器３、第２電気エネルギー蓄積器６、及び／又は第３電気エネルギー蓄積器１４の経路中に、ヒューズ及び／又は別のスイッチを組み込むこともできる。

このようにすることで、例えば４８Ｖの電圧レベルを得るためのリチウムイオン電池の個数の削減、例えば４８Ｖの電圧レベルを得るための空間容積の削減、例えば４８Ｖの電圧レベルを得るための重量の削減などによって、コスト上の利点が得られるようになる。

Ｅｓｙｓ１とＥｓｙｓ３の並列接続に対する別の選択肢として、Ｅｓｙｓ１とＥｓｙｓ３の直列接続も可能である。しかも有利なことに、４８Ｖ回路網に依存することなく、並びにエンジン始動或いは個々の車両状態に左右されることなく、敏感な負荷を動作させるために１２Ｖ回路網内で安定した電圧レベルを得ることができる。また、１２Ｖ回路網及び４８Ｖ回路網におけるスタータの冗長構成及び／又は発電機の冗長構成によって、可用性並びに機能信頼性が高められる。さらに、スタータ、発電機、個々の電気エネルギー蓄積器、並びに個々の電気負荷によるシステムの最適な整合によって、コスト上の利点が得られる。さらにシステムに関連するインピーダンスに着目すると、エンジン回転数がゼロのときでも、エンジン回転数がゼロでないときでも、４８Ｖ回路網と１２Ｖ回路網との間のどのような短絡もコントロールすることができる。

図４には、本発明による車載電源の基本回路図が示されている。これまでに示した図面と同じ機能を果たすコンポーネントは同じ参照符号で表されており、それらについては以下では繰り返して説明しない。

図４に描かれているように、第１エネルギーシステムＥｓｙｓ１を成す第１車載電源分岐２と、第２エネルギーシステムＥｓｙｓ２を成す第２車載電源分岐５と、第４エネルギーシステムＥｓｙｓ４を成す第３車載電源分岐７と、第３エネルギーシステムＥｓｙｓ３を成す第４車載電源分岐１２との間におけるエネルギー交換を、制御ユニット１８によって行うことができる。制御ユニット１８は、これら４つのエネルギーシステムＥｓｙｓ１，Ｅｓｙｓ２，Ｅｓｙｓ３，Ｅｓｙｓ４を互いに接続し、それによって４つのシステム間でエネルギー交換ができるようにしている。この場合、第１車載電源分岐２と、第２車載電源分岐５と、第３車載電源分岐７と、第４車載電源分岐１２と、制御ユニット１８との間のエネルギー伝達は、図４では結合ラインＡ′，Ｂ′，Ｃ′，Ｄ′によって概略的に表されている。

１車載電源
２車載電源分岐
３電気エネルギー蓄積器
４負荷
５車載電源分岐
６電気エネルギー蓄積器
７車載電源分岐
８負荷
９ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０切替装置
１１電気機械
１２車載電源分岐
１３負荷
１４電気エネルギー蓄積器
１５切替装置
１６スタータ
１７発電機
１８制御ユニット
１９動作制御ユニット
２０動作制御ユニット
２１端子
２２端子
２３端子
２４端子
２５端子
２６端子
２７端子
２８端子
２９端子
３０端子
３１端子
３２端子
３３端子
３４端子
３５端子
３６端子
３７端子
３８端子
３９端子
４０端子
４１動作制御ユニット
４２端子
４３端子
Ａ′ 結合ライン
Ｂ′ 結合ライン
Ｃ′ 結合ライン
Ｄ′ 結合ライン

Claims

車両用車載電源（１）において、
第１電気エネルギー蓄積器（３）及び第１電気負荷（４）を含み第１動作電圧Ｕ₁を有する第１車載電源分岐（２）と、
第２電気エネルギー蓄積器（６）を含み第２動作電圧Ｕ₂を有する第２車載電源分岐（５）と、
第３電気負荷（８）を含み第３動作電圧Ｕ₃を有する第３車載電源分岐（７）と、
少なくとも前記第１車載電源分岐（２）と前記第２車載電源分岐（５）との間で、エネルギーを双方向に伝送するように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ（９）と、
第１切替装置（１０）と
が設けられており、
前記第１動作電圧Ｕ₁と前記第２動作電圧Ｕ₂とが合成されて前記第３動作電圧Ｕ₃が供給されるように、前記第１電気エネルギー蓄積器（３）と前記第２電気エネルギー蓄積器（６）とが、前記第１切替装置（１０）を介して電気的に互いに直列に接続可能であり、
第４電気負荷（１３）を含み第４動作電圧Ｕ ₄ を有する第４車載電源分岐（１２）が設けられており、
前記第４車載電源分岐（１２）はさらに第３電気エネルギー蓄積器（１４）も含み、
第２切替装置（１５）が設けられており、該第２切替装置（１５）を介して、前記第１車載電源分岐（２）と前記第４車載電源分岐（１２）とを電気的に結合可能であり、
前記第１車載電源分岐（２）はさらに車両内燃機関のスタータ（１６）も含み、前記第４車載電源分岐（１２）はさらに発電機（１７）も含む、
ことを特徴とする、車両用車載電源（１）。
Ｕ₂＞Ｕ₁である、請求項１記載の車載電源。
前記第３車載電源分岐（７）はさらに電気機械（１１）も含む、請求項１又は２記載の車載電源。
前記第１電気エネルギー蓄積器（３）と前記第２電気エネルギー蓄積器（６）とを、前記第１切替装置（１０）及び前記第２切替装置（１５）を介して、電気的に互いに直列に接続可能である、請求項１から３のいずれか１項記載の車載電源。
前記第１電気エネルギー蓄積器（３）、前記第２電気エネルギー蓄積器（６）、前記第３電気エネルギー蓄積器（１４）、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（９）、前記第１切替装置（１０）、及び前記第２切替装置（１５）は、制御ユニット（１８）の構成要素である、請求項１から４のいずれか１項記載の車載電源。
前記第１切替装置（１０）及び／又は前記第２切替装置（１５）は、リレー及び半導体スイッチから成るグループから選択されている、請求項１から５のいずれか１項記載の車載電源。
請求項１から６のいずれか１項記載の車載電源（１）を含んでおり、ハイブリッド型電気車両として構成されている車両。