(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のエネルギー蓄積器（８２）を有する基本車載システム（６４）と、
付加的な第２のエネルギー蓄積器（８４）を有する車載電力システム（６６）と、
絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）と、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とに並列接続され、エネルギーを前記第１のエネルギー蓄積器（８２）に供給するジェネレータ（８０）と、
を含む車載システム（６２）用の回路装置であって、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とは直列接続されており、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）は、前記基本車載システム（６４）と前記車載電力システム（６６）とを結合するために設けられており、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）は、前記第１のエネルギー蓄積器（８２）および前記第２のエネルギー蓄積器（８４）のうち少なくとも１つに対して並列接続されており、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）および前記第２のエネルギー蓄積器（８４）に大量のエネルギーが短時間で蓄積されるピーク出力動作時には、前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）に流れるエネルギーの流れ方向を反転させると、前記第１のエネルギー蓄積器（８２）の充電電流が低減し、かつ、前記第２のエネルギー蓄積器（８４）の充電電流が増大する、
ことを特徴とする回路装置。
【請求項２】
第１のエネルギー蓄積器（８２）を有する基本車載システム（１１４）と、
付加的な第２のエネルギー蓄積器（８４）を有する車載電力システム（１１６）と、
絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）と、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とに並列接続され、エネルギーを前記第１のエネルギー蓄積器（８２）に供給するジェネレータ（８０）と、
を含む車載システム（１１２）用の回路装置であって、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とは直列接続されており、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）は、前記基本車載システム（１１４）と前記車載電力システム（１１６）とを結合するために設けられており、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）は、前記第１のエネルギー蓄積器（８２）および前記第２のエネルギー蓄積器（８４）のうち少なくとも１つに対して並列接続されており、
前記ジェネレータ（８０）を流れるジェネレータ電流（１３０）が１次電流（１３２）として前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）の１次側に流れ、前記１次電流（１３２）にさらに前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）の２次電流（１３４）が加えられ、前記１次電流（１３２）と前記２次電流（１３４）とが合わさって負荷電流（１３６）として前記基本車載システム（１１４）に給電するように構成されている、
ことを特徴とする回路装置。
【請求項３】
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とは、少なくとも１つの回路を介して前記ジェネレータ（８０）に接続されている、
請求項１または２記載の回路装置。
【請求項４】
前記第２のエネルギー蓄積器（８４）は電気２重層コンデンサとして構成されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項５】
前記回路装置は、前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）に流れる電流の方向および絶対値を調整するためのモジュールを有する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項６】
第１のエネルギー蓄積器（８２）を有する基本車載システム（６４）と、
付加的な第２のエネルギー蓄積器（８４）を有する車載電力システム（６６）と、
絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）と、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とに並列接続され、エネルギーを前記第１のエネルギー蓄積器（８２）に供給するジェネレータ（８０）と、
を含む車載システム（６２）の動作方法であって、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とは直列接続されており、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）によって、前記基本車載システム（６４）と前記車載電力システム（６６）とを結合し、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）は、前記第１のエネルギー蓄積器（８２）および前記第２のエネルギー蓄積器（８４）のうち少なくとも１つに対して並列接続されており、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）および前記第２のエネルギー蓄積器（８４）に大量のエネルギーが短時間で蓄積されるピーク出力動作時には、前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）に流れるエネルギーの流れ方向を反転させて、前記第１のエネルギー蓄積器（８２）の充電電流を低減させ、かつ、前記第２のエネルギー蓄積器（８４）の充電電流を増大させる、
ことを特徴とする動作方法。
【請求項７】
第１の静的動作形態において、前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）によってエネルギーを前記車載電力システム（６６）から前記基本車載システム（６４）へ伝送する、
請求項６記載の動作方法。
【請求項８】
第２の動作形態において、前記第２のエネルギー蓄積器（８４）に充電する、
請求項６または７記載の動作方法。
【請求項９】
前記ピーク出力動作時には、前記エネルギーのうち第１の一部分が前記第２のエネルギー蓄積器（８４）を通過した後に前記第１のエネルギー蓄積器（８２）へ流れ、前記エネルギーのうち第２の一部分は前記第２のエネルギー蓄積器（８４）から前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）を介して前記第２のエネルギー蓄積器（８４）へ再び流れるようにする、
請求項６から８までのいずれか１項記載の動作方法。
【請求項１０】
第１のエネルギー蓄積器（８２）を有する基本車載システム（１１４）と、
付加的な第２のエネルギー蓄積器（８４）を有する車載電力システム（１１６）と、
絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）と、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とに並列接続され、エネルギーを前記第１のエネルギー蓄積器（８２）に供給するジェネレータ（８０）と、
を含む車載システム（１１２）の動作方法であって、
前記第１のエネルギー蓄積器（８２）と前記第２のエネルギー蓄積器（８４）とは直列接続されており、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）によって、前記基本車載システム（１１４）と前記車載電力システム（１１６）とを結合し、
前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）は、前記第１のエネルギー蓄積器（８２）および前記第２のエネルギー蓄積器（８４）のうち少なくとも１つに対して並列接続されており、
前記ジェネレータ（８０）を流れるジェネレータ電流（１３０）が１次電流（１３２）として前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）の１次側に流れ、前記１次電流（１３２）にさらに前記絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（９２）の２次電流（１３４）が加えられ、前記１次電流（１３２）と前記２次電流（１３４）とが合わさって負荷電流（１３６）として前記基本車載システム（１１４）に給電するようにする、
ことを特徴とする動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車載システム用の回路装置と、車載システムの動作方法とに関する。
【０００２】
先行技術
車載電気システムのトポロジーに関しては、多電圧ジェネレータないしは電圧切替方式のジェネレータと、該ジェネレータに後置接続された電気２重層コンデンサ（double layer capacitor、DLC）またはスーパーキャパシタ（ultra capacitor、UCAP）を有し１４Ｖ以上の可変の電圧レベルのために構成された車載電気システムが公知であり、このような車載電気システムは通常、３０Ｖ〜４０Ｖの可変の電圧レベルのために構成されている。
【０００３】
このような構成により、典型的には電気エネルギーの再生ないしは回生能力を最大限にするため、車載電気システムのピーク出力可能量を増大させることができる。このピーク出力可能量の増大を実現するためには、比較的高い電圧の場合にジェネレータ最大出力を増大させ、上述のキャパシタのうちいずれかを、ピーク充電取り込み能力が上昇した回生蓄積器とする。スーパーキャパシタは、高電圧を実現するために非常に多数の直列のセルを有し、出力Ｐを生成するために主車載システムを、電圧が可変である車載電力システムに結合するためのＤＣ／ＤＣコンバータは、通常は１．５ｋＷ以上に構成されているため、これらのモジュールによってコストが高くなる。
【０００４】
さらに、このような車載電気システムの車載電力システムに高出力負荷を結合する手段もあるが、電圧が大きく変動し、回生前には低く回生後は高くなるため、この手段では制限が課される。また、エネルギー蓄積器（たとえばキャパシタまたは第２バッテリー）を既存の車載電源バッテリーに直列接続することにより、高出力負荷に給電するための電圧を高くするトポロジー構成も公知である。標準的なジェネレータと別のモジュールとを有する、この車載電気システムの基本車載システムは、車載電力システムにおける上述のような変更を行うことによる、この基本車載システム変更はごく僅かである。
【０００５】
このようなトポロジーでは、上述の追加されたエネルギー蓄積器に給電するために、通常は電位分離ＤＣ／ＤＣコンバータが使用される。このようにして、給電電圧を上昇させ、かつ、たとえば高い電流負荷の場合に瞬時電圧降下が発生することに起因して車載システムの残りの部分に及ぼされる反作用を最小限に抑えて、高出力負荷に給電電圧を供給できるようになる。しかし、このような特異な機能を実現するためにかかる付加的な手間は、比較的大きくなる。
【０００６】
ＤＥ１０２００４０４３１２９Ａ１から、とりわけ車両用の車載システム用の、電圧供給装置が公知である。この電圧供給装置では、スタータジェネレータとして動作可能な電気機器がパルスインバータと切替スイッチとを介してバッテリーと車載システムとに接続されている。この接続が前記切替スイッチによって開放されることにより、キャパシタとパルスインバータとが接続される。前記スタータジェネレータは、ジェネレータ動作もモータ動作も行うことができる。さらに、前記スタータジェネレータを用いて発電制動が行われる場合、バッテリーやキャパシタに電気エネルギーを供給し戻すことも可能である。
【０００７】
発明の概要
本発明は、エネルギー蓄積器を有する基本車載システムと付加的なエネルギー蓄積器を有する車載電力システムとＤＣ／ＤＣコンバータとを含む車載システム用ないしは車載電気システム用の回路装置に関する。前記基本車載システムのエネルギー蓄積器は第１のエネルギー蓄積器と称され、前記付加的なエネルギー蓄積器は第２のエネルギー蓄積器と称することができ、両エネルギー蓄積器すなわち第１のエネルギー蓄積器と第２のエネルギー蓄積器とが直列接続されている。前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記基本車載システムと車載電力システムとを結合するために構成されている。
【０００８】
この構成により、車載システムは通常、基本車載システムとして構成された車載サブシステムと、車載出力システムとして構成された車載サブシステムとを有する。前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記第１のエネルギー蓄積器および第２のエネルギー蓄積器のうち少なくとも１つに並列接続し、前記２つの車載サブシステム間に配置することができる。ジェネレータは別の構成要素として、前記第１のエネルギー蓄積器および前記第２のエネルギー蓄積器のうち少なくとも１つに並列接続することができる。前記回路装置の動作時には、前記第１のエネルギー蓄積器および前記第２のエネルギー蓄積器のうち少なくとも１つに、前記ジェネレータから電気エネルギーを供給することができる。さらに、前記第１のエネルギー蓄積器は、たとえばバッテリーまたは蓄電池として構成される。前記付加的なエネルギー蓄積器ないしは第２のエネルギー蓄積器はたとえばキャパシタとして（たとえば電気２重層コンデンサ、スーパーキャパシタとして）構成されるか、または蓄電池として（たとえば鉛酸蓄積器、Ｌｉイオン蓄積器、または、別の代替的な蓄積技術による蓄積器として）構成されている。各１つのエネルギー蓄積器はそれぞれ１つの車載サブシステムに対して設けられている。前記車載システムが前記回路装置の一部とされた構成も可能である。一用途では、前記回路装置と前記車載システムとは自動車用に構成される。
【０００９】
前記回路装置の一実施形態では、前記２つのエネルギー蓄積器、すなわち第１のエネルギー蓄積器と付加的な第２のエネルギー蓄積器とが、少なくとも１つの回路を介して前記ジェネレータに接続されている。その際には第１のケースでは、通常はバッテリーである前記第１のエネルギー蓄積器と前記基本車載システムとが第１のスイッチを介して前記ジェネレータに接続され、前記付加的なエネルギー蓄積器と前記車載電力システムとは第２のスイッチを介して該ジェネレータに接続される。第２のケースでは、オプションである双極スイッチ（Kippschalter）または切替スイッチが設けられ、該双極スイッチまたは切替スイッチを介して、前記第１のエネルギー蓄積器（バッテリー）および前記基本車載システムと、前記付加的なエネルギー蓄積器（キャパシタ）および前記車載電力システムとが交互に、前記ジェネレータに接続されるように構成される。第３のケースでは、前記ジェネレータと前記第１のエネルギー蓄積器ないしは前記基本車載システムとの間のスイッチが省略される。すなわち、前記ジェネレータは前記付加的なエネルギー蓄積器ないしは第２のエネルギー蓄積器に固定的に接続され、ひいては前記車載電力システムに固定的に接続される。
【００１０】
前記直流コンバータないしはＤＣ／ＤＣコンバータは、通常は浮動型（potentialfrei）および／または双方向のＤＣ／ＤＣコンバータとして構成される。このＤＣ／ＤＣコンバータを介して、両車載サブシステム間でエネルギーが伝送される。
【００１１】
前記回路装置は、基本車載システム内部に流れる電流の方向を調整するためのモジュールを有することができる。このモジュールにより、所定の動作状態（たとえば再始動時）において、所定の車載システム分岐（たとえばスタータ）に電流が流れて車載システムの別の回路部品に負荷がかかるのを阻止することができる。このモジュールはＤＣ／ＤＣコンバータに組み込むか、または別体の部品とすることができ、たとえば整流機能ないしはダイオード機能またはダイオード特性を有する回路として該モジュールを構成することができる。
【００１２】
本発明ではさらに、エネルギー蓄積器を有する基本車載システムと付加的なエネルギー蓄積器ないしは第２のエネルギー蓄積器を有する車載電力システムとＤＣ／ＤＣコンバータとを含む車載システムの作動方法も開示する。上述の２つのエネルギー蓄積器は相互に直列接続される。基本車載システムと車載電力システムとはＤＣ／ＤＣコンバータによって結合される。
【００１３】
この方法により、少なくとも４つの動作形態を実施することができる。第１の静的動作形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータによって車載電力システムからエネルギーが基本車載システムへ伝送される。第２の動作形態では、キャパシタの充電が行われる。第３の動作形態では、エネルギーが流れる方向がＤＣ／ＤＣコンバータによって反転された状態で、バッテリーないしは第１のエネルギー蓄積器の充電電流を低減させ、キャパシタないしは第２のエネルギー蓄積器の充電電流を増大させる。第４の動作形態では基本車載システムを第２のエネルギー蓄積器内のエネルギーによって支援し、ＤＣ／ＤＣコンバータによって第１のエネルギー蓄積器にかかる負荷を低減する。１つの前記車載システムに対して、上記４つの動作形態または動作方式を交互に実施することができる。
【００１４】
本発明では、複数のエネルギー蓄積器の直列接続体を含む前記回路装置の電子部品の上述の接続構成により、車載システムのトポロジーの費用対効率が最大限になる。前記回路装置によってとりわけ、電気エネルギーを得るための回生電力の上昇と、可能な限り小さい電圧変動で高出力負荷に対してより高い電圧を供給することという要求を満たすことができ、さらに、非回生動作中の効率を上昇させることもできる。このことにより、コストと性能（Performance）との比率が最適化され、将来の車載電気システムに課される要件をカバーできる、車載電気システムのトポロジーを実現することができる。
【００１５】
エネルギー蓄積器ないしは第１のエネルギー蓄積器である基本車載システムバッテリーは、通常は鉛酸を含み、前記付加的なエネルギー蓄積器は典型的にはスーパーキャパシタないしはＬｉイオン蓄電池または鉛酸蓄電池として構成されており、該基本車載システムバッテリーと該付加的なエネルギー蓄積器とを１つのユニットとして車両内に配置するか、または２つの別体の部品として車両内の異なる取付スペースに配置することができる。車載電力システムおよび基本車載システムの負荷の給電はそれぞれ異なる電圧レベルから行われ、これらの複数の異なる電圧レベルは通常、前記回路装置の２つのエネルギー蓄積器によって生成される。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータの特別な接続によってトポロジー構成を発展させる場合の該ＤＣ／ＤＣコンバータの所要電力は、車載システムの負荷が高くてもごく僅かであり、さらに、スタートストップ運転においても付加価値を得ることができる。本発明で実施されるＤＣ／ＤＣコンバータの接続構成により、該ＤＣ／ＤＣコンバータのサイズを最小限にすることができる。さらに、車載サブシステムの本発明のエネルギー供給により、燃料消費量の低減も実現することができる。
【００１７】
実施形態では本発明は、最適な手間で削減を実現する幾つかのアプローチを行うことができる、回路トポロジーと動作ストラテジーとを実現する。その際にはとりわけ、ジェネレータ効率を上昇させるためにジェネレータ電圧を上昇させることができる。前記電気エネルギー蓄積器のうち少なくとも１つが充電される慣性運転時には、回生性能を向上させ、この回生によって蓄積されたエネルギーを後で車載システムの支援に利用することができ、また、スタートストップ運転時に車載システムを支援することもできる。このことにより、赤信号の後にエンジンを再始動させるときにスタータによって生じる瞬時電圧降下が、車載システム側でＤＣ／ＤＣコンバータによって補償される。基本車載システムバッテリーの逆極性接続保護に関して課される可能性のある要件も、本発明によって満たすことができる。さらに、高電流負荷の給電をより高い電圧レベルで実現することもできる。本発明により、自動車用車載システムの効率を最大限にするためのトポロジー構成を実現することができる。
【００１８】
上述の回路装置は、前出の方法のすべてのステップを実施するように構成されている。その際には、前記方法の個々のステップを、前記回路装置の個々の構成要素によって実施することもできる。さらに前記回路装置の動作または該回路装置の個々の構成要素の動作を、前記方法のステップに置き換えることもできる。さらに、前記方法の各ステップを、前記回路装置の個々の構成要素の機能または該回路装置全体の機能として実現することも可能である。
【００１９】
明細書および図面から、本発明のさらなる利点および実施形態を導き出すことができる。
【００２０】
上記の特徴および後でさらに説明する特徴は、それぞれ示した組み合わせだけでなく、別の組み合わせまたは単独でも、本発明の枠を逸脱することなしに使用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術から公知である、第１の自動車用車載システムの概略図である。
【図２】従来技術から公知である、第２の自動車用車載システムの概略図である。
【図３】車載システム用の本発明の回路装置の第１の実施形態を３つの異なる動作形態で示す概略図である。
【図４】車載システム用の本発明の回路装置の第２の実施形態の概略図である。
【図５】車載システム用の本発明の回路装置の第３の実施形態の概略図である。
【００２２】
本発明の実施形態
図面において、本発明を複数の実施形態で概略的に示しており、以下では図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２３】
図面の各図の内容は相互に一貫して包括的になっており、同一の参照番号は同一の構成要素を表す。
【００２４】
図１に、従来技術から公知の車載システム２を概略的に示しており、該車載システム２は主車載システム４と車載電力システム６とを含む。主車載システム４は１４Ｖの動作電圧に対して構成されており、車載電力システム６は同図では、１４〜４２Ｖの動作電圧に対して構成されている。主車載システム４と車載電力システム６とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して相互に接続されている。
【００２５】
同図に示された車載システム２では、主車載システム４はバッテリー１０とスタータ１２と別の負荷１４とを有する。車載電力システム６はジェネレータ１６とスーパーキャパシタ２０と、操舵用に設けられた第１の高出力負荷２２と暖房用に構成された第２の高出力負荷２４とを含み、前記ジェネレータ１６に対して制御装置１８が設けられている。
【００２６】
図２に、従来技術から公知の第２の車載システム３０を概略的に示す。この第２の車載システム３０も、１４Ｖの動作電圧に対して構成された主車載システム３２と、１４Ｖを上回る動作電圧に対して構成された車載電力システム３４とを含む。この第２の車載システム３０はさらに、ジェネレータ３６と、電位分離ＤＣ／ＤＣコンバータ３８と、スーパーキャパシタ４０とを含み、該ジェネレータ３６と該電位分離ＤＣ／ＤＣコンバータ３８とは直列接続されている。主車載システム３２は構成要素として、バッテリー４２と、複数の負荷４４，４６，４８と、スタータ５０と、別の特殊負荷５２とを含み、該特殊負荷５２は付加的なＤＣ／ＤＣコンバータ５４を介して、該主車載システム３２の他の回路部品に接続されている。車載電力システム３４は、前記スーパーキャパシタ４０と、ここでは電動パワーステアリングのモジュールとして構成された高出力負荷５６とを有する。
【００２７】
図３に、本発明の第１の実施形態の回路装置６０を概略的に示す。図３ａは第１の動作形態の場合の回路装置６０を示し、図３ｂは第２の動作形態の場合の回路装置６０を示し、図３ｃは第３の動作形態の場合の回路装置６０を示す。
【００２８】
図３に示された回路装置６０は第１の実施形態の車載システム６２を有し、該車載システム６２もまた、基本車載システム６４と車載電力システム６６とに分割される。基本車載システム６４は複数の負荷６８，７０，７２とスタータ７４と特殊負荷７６とを有し、同図では該複数の負荷のうち３つのみ６８，７０，７２を示す。同図では、前記車載電力システム６６は１つの高出力負荷７８を有するが、車載電力システム６６には複数の負荷を備えることができ、また負荷を備えなくてもよい。
【００２９】
同図の実施形態の回路装置６０の別の構成要素として、ジェネレータ８０と、第１のエネルギー蓄積器と、第２のエネルギー蓄積器ないしは付加的なエネルギー蓄積器とが設けられている。同図では、前記第１のエネルギー蓄積器はバッテリー８２として構成されており、前記第２のエネルギー蓄積器ないしは付加的なエネルギー蓄積器はキャパシタ８４として、典型的にはスーパーキャパシタないしはＵＣＡＰとして構成されている。ここでは、回路は第１のスイッチ８６と第２のスイッチ８８とを有する。コントロール装置９０が、前記回路装置６０を監視して制御および／または調整するために構成されている。その際には、バッテリー８２とキャパシタ８４と直列接続される。したがって、両エネルギー蓄積器が相互に直列接続される。基本車載システム６４と車載電力システム６６との間に、付加的な構成要素としてＤＣ／ＤＣコンバータ９２が接続されている。
【００３０】
上述の実施形態の回路装置６０では、バッテリー８２は基本車載システム６４に対して設けられており、スーパーキャパシタ８４は車載電力システム６６に対して設けられている。前記キャパシタ８４はＤＣ／ＤＣコンバータ９２に並列接続されている。電位分離型のＤＣ／ＤＣコンバータ９２は、前記２つのエネルギー蓄積器の充電の対称化を行うために構成されている。
【００３１】
さらに、前記回路装置６０では基本車載システム６４は１４Ｖの動作電圧に対して構成されており、車載電力システム６６は１４Ｖを上回る電圧で動作するように構成されている。ジェネレータ８０の公称電圧はより高くされているため、このジェネレータ８０はいわゆる多電圧ジェネレータ８０とも称することができる。このジェネレータ８０によって、バッテリー８２およびキャパシタ８４への給電効率がより上昇する。本発明の方法の一実施形態では、車載システム６２を動作させるための動作マネージメントが実施され、この動作マネージメントは前記コントロール装置９０によって実施される。その際にはたとえば、ジェネレータ８０の電圧レベルを適切な電圧値に切り換え、これに応じて、該ジェネレータ８０の動作点が両スイッチ８６，８８のスイッチング位置に依存して切り換えられ、両エネルギー蓄積器のうち少なくとも１つにエネルギーが供給される。
【００３２】
通常動作時には、第２のスイッチ８８が閉成され、第１のスイッチ８６は開放されている。前記ジェネレータ８０は、上昇した電圧を前記車載電力システム６６に供給し、これによって、通常はＵＣＡＰとして構成されたキャパシタ８４と、直列接続されたバッテリー８２とが、均等に充電される。この上昇した電圧によって、エネルギー生成の効率が上昇し、このエネルギー生成効率の上昇に応じて、出力電力が上昇することにより、質量がより小さくコストがより低い、より小型のジェネレータを使用することができる。
【００３３】
図３ａに一例として示された第１の動作形態では、エネルギーの流れを線１００によって示している。この第１の動作形態は静的動作形態とも称され、この第１の動作形態では第１のスイッチ８６が開放された状態で、ジェネレータ８０からエネルギーが、閉成された第２のスイッチ８８とＤＣ／ＤＣコンバータ９２とを介してバッテリー８２へ流れる。第１の動作形態では、キャパシタ８４（ＵＣＡＰ）が充電される。このＤＣ／ＤＣコンバータ９２によって、車載電力システム６６から基本車載システム６４へエネルギーが伝送され、このことにより、キャパシタ８４が過充電されるのが回避される。第１の動作形態では、電力はすべてＤＣ／ＤＣコンバータ９２に引き継がれ、該ＤＣ／ＤＣコンバータ９２によって電力はキャパシタ８４を通らない。
【００３４】
図３ｂに一例として示された第２の動作形態では、キャパシタ８４の充電が行われる。このキャパシタ８４を充電するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２が遮断される。図３ｂにおいて、エネルギーの流れを線１０２によって示す。したがって、エネルギー１０２はジェネレータ８０から第２のスイッチ８８を介してキャパシタ８４へ流れ、その後、バッテリー８２へ流れる。
【００３５】
図３ｃに概略的に示された第３の動作形態を実施する際には、いわゆるピーク出力動作を実施する。その際には、たとえば回生時に、大量のエネルギーを両エネルギー蓄積器に短時間で蓄積する。図３ｃでは、この動作形態の場合のエネルギーの流れを線１０４によって示しており、該線１０４は２つの部分線１０６，１０８に分岐している。この第３の動作形態では、エネルギーはジェネレータ８０から、閉成された第２のスイッチ８８を介してキャパシタ８４へ流れる。第１の部分線１０６によって示されているように、このエネルギーの一部である第１の部分のみが、キャパシタ８４を通過してバッテリー８２に流れ、このことによってバッテリー８２が過充電されることがない。前記エネルギーの他の一部である第２の部分は、部分線１０８によって示されているように、キャパシタ８４からＤＣ／ＤＣコンバータ９２を通って、再び該キャパシタ８４へ流れる。このことにより、キャパシタ８４に供給されるエネルギー量が多くなり、ひいてはキャパシタ８４の充電量が多くなる。
【００３６】
キャパシタ８４の過充電を回避するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２が両部分システム間に設置される。その際にはＤＣ／ＤＣコンバータ９２は、静的動作時にキャパシタ８４が公称電圧に達したときに直ちに、車載電力システム６２から基本車載システム６４へエネルギーを伝送するのに使用される。その代わりに選択的に、スイッチ８６，８８を適切に切り換えることにより、両エネルギー蓄積器の充電状態が所望の充電状態に調整されるようにすることができる。車載システムの給電を保証して効率を改善するためには、所定の動作形態または所定の動作点において、ジェネレータ８０のエネルギーを基本車載システム６４の１４Ｖレベルに直接供給するのが有利である。
【００３７】
その際に車載システム６２のピーク電力の取込量を増大させ、かつ車載電力システム内の負荷の給電を保証するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２のエネルギーが流れる方向を反転させることにより、基本車載システム６４から車載電力システム６６へエネルギーが伝送されるようにする。このことにより、バッテリー８２の充電電流が低減し、充電容量が制限されている鉛蓄電池の場合には、キャパシタ８４のための充電電流が増大する。というのも、キャパシタ８４は高電力を取り込むのに適しているからである。
【００３８】
第２のスイッチ８８が閉成され第１のスイッチ８６が開放される回生動作時には、とりわけ低温の場合、基本車載システム８２内のバッテリー８２の最大充電受容量によって最大ピーク出力が制限される場合がある。ＤＣ／ＤＣコンバータ９２の動作によって、エネルギーの流れ方向を基本車載システム６４から車載電力システム６６への方向にしてエネルギーを供給することにより、回生電力の増大を実現することができる。
【００３９】
図３を参照して上記で説明したトポロジーにより、キャパシタ８４にかかるコストを低減することができる。このキャパシタ８４の所要セル数は少なくなる。というのもこのキャパシタ８４は、基本車載システム６４の１４Ｖレベルに直接上げられるからである。またそれと同時に、高出力負荷の給電を車載電力システム６６から直接行うこともでき、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２の出力を、他のトポロジーより非常に低く選択することができる。両エネルギー蓄積器を同時に充電する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は対称化を行うためだけに設けられる。第１のスイッチ８６はとりわけ、回路装置６０を保護するために使用され、妨害時に閉成することができる。
【００４０】
従来技術から公知の車載システム２（図１）では、回生時にはスーパーキャパシタ２０内にエネルギーを取り込めるように十分な余裕を持たせなければならないため、通常動作時の車載電力システム６における電圧を比較的低く調整しなければならないが、図３において開示したトポロジーでは、このような従来技術の車載システム２と比較して、通常動作時にはジェネレータ８０において大幅に高くかつより均質な電圧レベルを維持できるようになり、このことによって効率を向上させることができる。
【００４１】
図４に概略的に示された、本発明の第２の実施形態の回路装置１１０も、ジェネレータ８０と、相互に直列接続された、たとえばバッテリー８２およびキャパシタ８４である２つのエネルギー蓄積器と、車載システム１１２とを有し、この車載システム１１２もまた、基本車載システム１１４と車載電力システム１１６とを含む。この構成では、基本車載システム１１４はバッテリー８２の他に、スタータ７４と、複数の種々の負荷６８，７０，７２，７６とを有する。ここで説明した実施形態では、前記車載電力システム１１２は前記キャパシタ８４と、１つまたは複数の高出力負荷７８とを有する。基本車載システム１１４と車載電力システム１１６との間に、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２が接続されている。安全上の理由から、特殊な動作時には、オプションである切替スイッチ１２０によってジェネレータ出力を前記基本車載システム１１４に直接供給することができる。
【００４２】
図５に概略的に示された、本発明の第３の実施形態の回路装置１２２が、図４に概略的に示された第２の実施形態の回路装置１１０と相違する点は、付加的な回路部品である。この付加的な回路部品は、この実施例ではダイオード特性を有するスイッチング素子１２４であり、基本車載システム１１４内においてスタータ７４とバッテリー８２と他の負荷６８，７０，７４，７６との間に接続されている。
【００４３】
図４および５において開示された車載システムトポロジーでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は、両エネルギー蓄積器の電位差を補償し、ひいては、バッテリー８２ないしは車両用バッテリーと、スーパーキャパシタまたは電気２重層コンデンサとして構成することができるキャパシタ８４との間の電位差を補償するために構成されている。
【００４４】
これら２つのエネルギー蓄積器から成る直列接続体は、ジェネレータ８０を介して給電される。このような構成では、車載システムの出力が等しい場合、必要とされるジェネレータ電流は従来の車載システムと比較して低くなる。このことにより、ジェネレータ８０の効率は動作点に依存して約１０％高くなり、場合によっては、たとえば１８０Ａの代わりに１２０Ａの負荷電流を有するより小型の型式のジェネレータを使用することもできる。図３の回路装置６０にも同じことが当てはまる。
【００４５】
絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ９２のこのような特別な接続構成により、とりわけ、車載システム１１４の給電に必要なコンバータ出力が低くなる。その際には、静的動作時に、（高出力負荷７８に必要な電流を除いた）ジェネレータ全電流１３０ ＩＧは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２の１次側を流れ、その後に基本車載システム１１４へ流れて給電に使用される。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２の１次電流１３２ ＩＰがそのまま、基本車載システム１１４の給電に直接寄与する。１次側（と第２のエネルギー蓄積器と）に印加される電圧と、この１次側電流１３２ ＩＰとは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２内において２次電流１３４ ＩＳと電圧とに変換され、これによっても基本車載システム１１４が給電される。
【００４６】
たとえば基本車載システム１１４の負荷に１４Ｖかつ２５００Ｗで給電するためには、該基本車載システム１１４には１８０Ａの負荷電流が流れる。ここでジェネレータ８０が２２Ｖで動作する場合、ジェネレータ電流１３０ ＩＧには約１２０Ａで十分である。このジェネレータ電流１３０ ＩＧは１次電流１３２ ＩＰとして、絶縁型に構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ９２の１次側に流れ、その後に車載システム１１４に流れて給電に使用される。
【００４７】
１次電流１３２ ＩＰの他にさらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２の２次電流１３４ ＩＳも加わり、この１次電流１３２ ＩＰと２次電流１３４ ＩＳとが合わさって負荷電流１３６として、車載システム１１４の給電を行う。このことにより、たとえば２５００Ｗの車載システムに給電するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２の必要な出力電力は（１８０Ａ−１２０Ａ）×１４Ｖ＝８４０Ｗとなる。
【００４８】
回生時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は非作動状態にされる。その際には、ジェネレータ電流１３０ ＩＧはバッテリー８２より上方のキャパシタ８４に流れ、回生エネルギーを蓄積する。このような動作時には、所望のジェネレータ電流１３０ ＩＧに達するまで、ジェネレータ目標電圧を連続的に上昇させる。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ９２を組み込むことにより、回生電力をさらに増大させることができる。この場合、車載システム１２２の給電やバッテリー８２の充電に必要とされる電流よりも、ジェネレータ電流１３０ ＩＧを高く調整する。この付加的な電流は、逆方向に動作するＤＣ／ＤＣコンバータ９２によってさらに、キャパシタ８４にも蓄積される。
【００４９】
基本車載システム１１４を支援するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は補足としてダイオード機能を有するか、またはその代わりにスイッチ１２４を有することができる。これを図５に示す。再始動時にバッテリー８２において電圧が降下した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２によって基本車載システム１１４に安定的に給電することができる。この場合には、実際の車載システムの安定化と対照的に、基本車載システム１１４によってバッテリー８２に負荷がかかることがなくなる。ダイオード機能は同時に、基本車載システム１１４の構成要素の逆極性接続保護にもなる。ジェネレータ８２に取り付けられる切替スイッチ１２０はオプションであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２に不具合が生じた場合、または不所望の動作状況が生じた場合には、該切替スイッチ１２０はフォールバックレベルとして機能する。
【００５０】
図３，４および５に示された実施形態の回路装置６２，１１２は、第１のエネルギー蓄積器と、第２の付加的なエネルギー蓄積器とを含み、該第１の蓄積器はたとえばバッテリー８２として構成され、該第２の蓄積器は同図では一例としてキャパシタ８４（スーパーキャパシタ）として構成される。このような回路装置６２，１１２では通常、他の適切なエネルギー蓄積器を使用することもでき、第１のエネルギー蓄積器を蓄電池とするか、たとえばスタータジェネレータ等であるジェネレータとするか、または、能動的なブースト機能ないしは増幅機能を有するジェネレータとすることができる。第２のエネルギー蓄積器にはとりわけ、種々の種類のキャパシタ８４を使用することができ、たとえば電気２重層コンデンサを使用することができ、また場合によっては、蓄電池を使用することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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