(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の蓄電装置（13）と、１つまたは２つの発電機（10,16）を有し、
前記第１の蓄電装置（13）は、充電／分離モジュール（14）を介して第２の蓄電装置（15）と接続され、該第２の蓄電装置（15）からは専らスタータ（11）のみが給電され、この場合前記第１の蓄電装置（13）は、自動車搭載電源網の電圧給電のために用いられ、
前記１つまたは２つの発電機（10,16）は、２つの蓄電装置（13,15）の充電のために用いられ、
前記第１の蓄電装置（13）は、１つの発電機（10）または複数の発電機（10,16）と直接接続可能であり、
前記第２の蓄電装置（15）は、充電／分離モジュール（14）を介して１つの発電機（10）または複数の発電機（10,16）に接続可能であり、
前記充電／分離モジュール（14）は、所定のパラメータに依存して、前記蓄電装置（13,15）間の接続を中断させ、さらに第２の蓄電装置（15）と１つの発電機（10）もしくは複数の発電機（10,16）の間の接続を中断させ、
これらの中断は、充電／分離モジュール（14）によって形成されスイッチング手段を導通状態または非導通状態に置換える制御信号を用いて行われる、自動車における電圧給電用装置において、
前記２つの蓄電装置（13,15）の負極がアースに接続されており、
前記充電／分離モジュール（14）により、スタータと接続可能な第２の蓄電装置（15）が始動過程の期間中に、切換手段（22）を遮断状態におくことによってその他の搭載電源網から分離されるように構成されていることを特徴とする、自動車における電圧給電用装置。
【請求項２】
前記第２の蓄電装置（15）に、別の有利な短期形負荷が接続可能である、請求の範囲第１項記載の自動車における電圧給電用装置。
【請求項３】
前記蓄電装置（13,15）の定格電圧は異なっている、請求の範囲第１項又は２項記載の自動車における電圧給電用装置。
【請求項４】
第３の蓄電装置（18）が前記第２の発電機（16）に接続され、該発電機によって充電される、請求の範囲第１項〜第３項いずれか１項記載の自動車における電圧給電用装置。
【請求項５】
前記充電／分離モジュール（14）はパワースイッチ（22）を有しており、該パワースイッチ（22）は増幅回路（24）によって制御され、さらに該増幅回路（24）の制御信号に依存して導通状態か又は遮断状態におかれる、請求の範囲第１項〜第４項いずれか１項記載の自動車における電圧給電用装置。
【請求項６】
前記充電／分離モジュール（14）は付加的にスイッチング素子（83）を有しており、該スイッチング素子（83）は増幅回路によって制御される、請求の範囲第５項記載の自動車における電圧給電用装置。
【請求項７】
前記パワースイッチ（22）に逓昇調整器（29）が並列に接続されており、該調整器（29）の動作機能状態（導通、遮断）は前記増幅回路（24）により制御信号を用いて制御される、請求の範囲第５項又は第６項記載の自動車における電圧給電用装置。
【請求項８】
前記増幅回路（24）には、電流強度を表す信号、出力電圧を表す信号、パワースイッチ（22）の温度を表す信号、周囲温度を表す信号、機関の運転／停止状態を表す信号、入力電圧を表す信号、点火の投入接続／遮断を表す信号、のうちの少なくとも１つの信号が制御信号の形成のために供給される、請求の範囲第５項〜７項いずれか１項記載の自動車における電圧給電用装置。
【請求項９】
機関の運転／停止状態を表す信号が期間t1だけ遅延され、当該遅延された信号が前記増幅回路（24）に供給される、請求の範囲第８項記載の自動車における電圧給電用装置。
【発明の詳細な説明】
従来の技術
本発明は請求の範囲第１項の上位概念による自動車における電圧給電用装置に関する。
自動車における電圧の供給はこれまではおもに、発電機によって充電される唯１つのバッテリを用いて行われていた。しかしながら多数の電気的負荷を有する最近の自動車では場合によってもはや１つのバッテリでは電圧給電に対して足りなくなってきている。そのため２つの別個のバッテリが用いられる。この２つの別個のバッテリは相互に直列か又は並列に接続される。
自動車におけるたいていの電気的負荷は一定の値に制御された給電電圧を必要とするので、特に始動過程中に給電上の問題が生じる。なぜならスタータが僅かな内部抵抗しか有していないため、搭載電源が数百アンペアの高電流によって負荷されるからである。そのため始動過程中は搭載電源電圧が、例えば点火又は燃料噴射の正常な機能がもはや望めないような値に低減する。
このようなことを防止するために、ドイツ特許出願公開第3812577号公報から公知の自動車用搭載電源においては、スタータが一方のバッテリに接続され、これに対して定電圧の必要な壊れやすい負荷は他方のバッテリに接続されている。２つのバッテリは選択的に、唯１つの発電機か又は２つの別個の発電機から電圧を供給される。
しかしながらこの公知の自動車用搭載電源は、２つのバッテリの間の接続路を始動中に切り離すことができないという欠点を有している。そのためスタータと接続している方のバッテリにおける電圧の低下は、その他の残りの搭載電源に影響を与え得る。
さらにこの公知搭載電源の別の欠点は、スタータと接続しているバッテリの定格電圧が、他のバッテリの定格電圧よりも高くなることである。そのため放電された始動用バッテリの再充電を他のバッテリを用いて行うことは簡単にはできない。
発明の利点
これに対して請求の範囲第１項の特徴部分に記載の本発明による、自動車における電圧給電用装置は次のような利点を有する。すなわち２つの蓄電装置、例えば搭載電源用の通常のバッテリと、スタータ給電用のいわゆる始動用バッテリとが設けられ、スタータ並びにそれに所属の蓄電装置が始動過程中に充電／分離モジュールを介してその他の搭載電源並びに第１の蓄電装置から分離されるという利点を有する。それにより、スタータによって引き起こされる電圧の低下が他の搭載電源電圧へ影響を及ぼさなくなる。
スタータに配属された第２の蓄電装置の定格電圧を第１の蓄電装置の定格電圧よりも低く選定すれば、数度に亘る始動の試みの後で十分に放電された第２の蓄電装置を、充電／分離モジュールを介して第１の蓄電装置から簡単に再充電することができる。
充電／分離モジュールには搭載電源ないし測定量の多くが供給されるので、この充電／分離モジュールによって、切換ないし遮断を所定のパラメータに依存して自動的に行うことができる。
また充電／分離モジュールに付加的に逓昇（昇圧）調整器を配置すれば、始動用バッテリに搭載電源バッテリよりも高いか又は同じ定格電圧を持たせることも可能である。さらに搭載電源給電用のバッテリがほぼ放電状態の場合に、再始動試行用の蓄電装置を充電する手段が付加的に存在する。
図面
本発明は図面に示され、以下の明細書で詳細に説明される。
図１には、従来の搭載電源が示されている。
図２には、始動過程中の所属の電圧経過が示されている。
図３及び図５には、本発明による、自動車における電圧給電用装置が示されている。
図４及び図６には、始動過程中の所属の電圧経過が示されている。
図７及び図８には、図３及び図５に略示された充電／分離モジュールのブロック回路図が示されている。
図９には、充電／分離モジュールに対する回路例が示されている。
図10には、本発明による、自動車における電圧給電用装置の別の実施例が略示されている。
図11には、図10による装置において設定調整された始動過程中の電圧経過が示されている。
実施例の説明
図１には従来の搭載電源が略示されている。この場合発電機10は、スタータ11にも、抵抗として示されている負荷12及びバッテリ13にも電圧を供給している。
この場合発電機10の出力電圧はU1に制御される。通常は図１の左側に示された電圧配分状態のようにアースが0V,発電機の正の出力が12Vに設定調整される。
しかしながらスタータ11が操作された場合には、符号U1で示された発電機出力電圧は急激に低下する。なぜならスタータは非常に僅かな内部抵抗しか有していないからである。ここに生じる電圧配分状態は、図２中で時間ｔに関して示されている。
始動過程において生じる電圧低下が、符号12で示されている自動車の電気的な負荷へ影響を及ぼさないようにするために、図３に示されている本発明の実施例において、スタータ11が充電／分離モジュール14を介して発電機10に接続される。この場合スタータ11に並列に、付加的な蓄電装置（例えば当該実施例中ではバッテリ15）が接続されている。この蓄電装置は始動用バッテリとしても示される。
この装置において給電のために設定調整される電圧配分状態は図４に示されている。この図でも発電機の出力電圧が符号U1で示されている。スタータ11ないしバッテリ15において生じる電圧は符号U2で示されている。始動過程中にこの電圧U2は大きく低下する。しかしながらこの低下は電圧U1に影響を及ぼさない。なぜなら充電／分離モジュール14が、スタータ11及びバッテリ15とその他の搭載電源との間の接続路を切り離すからである。
充電／分離モジュール14の正確な構造と機能は、図７から図９に示され、以下の明細書に記載される。
図３に示されている実施例では、休止状態における所期の電圧配分が図られ、この所期の電圧配分によれば通常の搭載電源においては12V（U1）で、これに対してスタータ10においては10V（U2）である。この場合バッテリ15の定格電圧も10Vとなる。このような電圧配分により次のようなことが保証される。すなわち放電したバッテリ15が充電／分離モジュール14を介して発電機ないしバッテリ13によって迅速かつ確実に充電されることが保証される。
図５には、別の発電機16と別のバッテリ18が設けられている実施例が示されている。この場合負荷12,17,19が適切な形でバッテリ13,18に接続されている。
無負荷状態における所期の電圧配分は、電圧U1に対して＋12V、電圧U2に対して＋10V、アースにおいては0Vで電圧U3に対しては−12Vである。この場合このような電圧値に選定された上記電圧には他の電圧値も考えられ得る（例えば電圧U3を−24Vに定める）。しかしながら実質的にこの実施例ではスタータ11において存在する電圧U2は電圧U1よりも小さい。なぜならばバッテリ13からバッテリ15への迅速で確実な充電も可能にさせるためである。
図５による実施例の、始動の場合に設定調整される電圧経過は図６に示されている。この図からは電圧U2が始動過程中に大きく低下していることがわかる。電圧U1はほんの僅かだけ低下し、電圧U3は僅かだけ上昇している。このような電圧経過は充電／分離モジュール14を用いて達成される。この充電／分離モジュール14はスタータ11とバッテリ15を始動過程中に残りの搭載電源から切り離す。
図７には実施可能な充電／分離モジュールがブロック回路図で示されている。この充電／分離モジュールは発電機端子Ｄ＋に接続され、さらに２つのバッテリ13及び15の正極端子の間に設けられる。この２つのバッテリ13及び15の他の極はそれぞれバッテリ端子Ｂ−に接続される。
充電／分離モジュール14の個別の素子である逆流ダイオード20のアノードは搭載電源バッテリ13の正極に接続され、充電／分離モジュール14の個別の素子である電流検出器21の一方は逆流ダイオード20に接続され、他方はパワースイッチ22に接続されている。このパワースイッチ22は充電電圧検出器23を介して始動用バッテリ15の正極にも接続される。
充電／分離モジュール14の中央素子として増幅回路24が示されている。この増幅回路24には電流検出器21並びに充電電圧検出器23の信号が供給される。さらに増幅回路24は機関が止まっているのかあるいは動作しているのかを識別することのできる別の信号も受け取る。その他にも増幅回路24にはパワースイッチ22の温度と周囲温度とが供給される。これらの温度は２つの温度センサ27,28によって測定される。機関が止まっているか動作しているかの識別は、機関動作状態識別装置25において行われる。この場合この装置25の信号は、増幅回路24に供給される前に時間遅延装置26において場合によって遅延される。
図８には充電／分離モジュール14に対する別の実施例がブロック回路図で示されている。この場合この実施例と図７に示されている実施例との相違は、増幅回路24と始動用バッテリ15との間に直流電圧変換器（例えばいわゆる逓昇調整器）29が設けられていることである。この逓昇調整器は増幅回路24によって制御可能であり、低い電圧から比較的高い電圧を生ぜしめることができる。
パワースイッチ22は図８による実施例では直流電圧変換器29に並列に設けられている。このパワースイッチ22は増幅回路24の相応の制御において直流電圧変換器29のバイパスのために用いることができる。パワースイッチの制御はこの場合、増幅回路24に供給される測定量に依存して行われる。
さらに図８による実施例は付加的なスイッチング素子83を有する。このスイッチング素子83は増幅回路24による制御に応じて、始動に必要な負荷（モーターマネージメント、燃料噴射ポンプ）84をバッテリ13又は15に接続させる。このスイッチング素子の制御も、増幅回路24に供給される測定量に依存して行われる。
この測定量は図７の説明において記載された測定量に相応する。さらに付加的に２つのバッテリの電圧が測定され、端子KL.15において、点火が投入接続されたのか又は遮断されたのかが検出される。
図９には、充電／分離モジュール14の簡単な実施例の回路装置全体が示されている。この場合この回路装置は搭載電源バッテリ13と始動用バッテリ15との間に接続されており、その他にも発電機端子Ｄ＋に接続されている。
詳細には図９に示されている充電／分離モジュールの回路装置は、電流検出器21と、パワースイッチ22と、逆流ダイオード20と、電流制御用回路装置30と、電圧制御用回路装置40と、過熱保護回路50と、直流電圧変換器60として構成される、増幅回路用給電電圧生成回路装置とに分けることができる。
搭載電源バッテリ13は、例えば抵抗（分路抵抗）として構成可能な電流検出器21とパワースイッチ22と逆流ダイオード20とを介して始動用バッテリ15に接続される。この場合パワースイッチ22は電界効果トランジスタ29として構成されている。逆流ダイオード20のアノードと電界効果トランジスタ29のドレン電極との間にはさらに抵抗31が設けられている。
電流制御用回路装置30は、搭載電源バッテリと、電流検出器21とパワースイッチ22との間の接続点と、パワースイッチ22の電界効果トランジスタ29のドレン電極とに接続されており、同様に電圧制御用回路装置40と、過熱保護回路50と、直流電圧変換器60とも接続されている。
電流制御用回路装置30は、コンパレータとして接続されている第１の演算増幅器32を有している。この演算増幅器32の非反転入力側は抵抗33を介してバッテリ13に接続されている。また該演算増幅器32の反転入力側は抵抗34を介して、電流検出器21とパワースイッチ22との間の接続点に接続されており、その他にも抵抗35を介して当該演算増幅器32の出力側に接続されている。
演算増幅器32の非反転入力側とアースとの間には別の抵抗36と、該抵抗36に並列にコンデンサ37とが設けられている。演算増幅器32の給電電圧は符号Uxで示されている。この給電電圧Uxは後で説明する直流電圧変換器60を用いて生ぜしめられる。
演算増幅器32の出力側からは抵抗38を介してコンパレータとして接続される別の演算増幅器39への接続が導かれている。この別の演算増幅器39は抵抗45を介して帰還結合されている。またこの演算増幅器39は別の抵抗41を介して電界効果トランジスタ29に接続されている。
演算増幅器39の非反転入力側には抵抗ネットワーク42,43,44を介して給電電圧Uxから導出可能な基準電圧が供給される。抵抗42は可変に設定調整可能である。この場合考慮すべきことは、最大電流Imaxを超えないことである。
電圧制御用回路装置40はコンパレータとして接続される第１の演算増幅器46を有している。この演算増幅器46の反転入力側は抵抗47を介して出力側と帰還接続されている。抵抗48を介してこの演算増幅器46は電流制御用回路装置30と接続されており、さらに別の抵抗49を介してアースに接続されている。
演算増幅器46の反転入力側からは抵抗51がパワースイッチの電界効果トランジスタ29と逆流ダイオード20との間の接続点に導かれている。
演算増幅器46の出力側は抵抗52を介して、コンパレータとして接続される別の演算増幅器53に接続される。この演算増幅器53は抵抗54とコンデンサ55とを介して帰還結合される。
さらに演算増幅器53の非反転入力側は抵抗56を介してアースに接続される。演算増幅器53の反転入力側には抵抗57,58を介して、設定調整可能な電圧UDSminが供給される。この電圧UDSminは設定調整可能な抵抗58において給電電圧Uxから導出される。
演算増幅器53の出力側はダイオード59を介して電界効果トランジスタ29のドレン電極に接続されており、さらに別のダイオード61を介して過熱保護回路50に接続されている。
この過熱保護回路50は演算増幅器62からなっている。この演算増幅器62の出力側はダイオード61と接続されており、該演算増幅器62の入力側は抵抗63,64,65を介して直流電圧変換器に接続されている。この場合抵抗65に並列に、コンデンサ66が設けられており、演算増幅器62の非反転入力側にあるコンデンサ66の端子は、抵抗67を介してアースに接続され、また抵抗69を介して演算増幅器62の出力側に接続されている。
温度依存性の抵抗69は、抵抗63と64の接続点と、アースとの間に設けられている。この抵抗は例えばPTC抵抗である。このPTC抵抗の抵抗値は電界効果トランジスタ29の温度に依存して変化する。
直流電圧変換器60は集積された切換回路70を有している。この切換回路は２つのダイオード71,72を介して発電機端子Ｄ＋に接続されている。この集積された切換回路70の入力側の間にはコイル73と抵抗74が設けられている。この抵抗74は、コンデンサ75を介してアースに接続されている。集積された切換回路70の別の入力側ないし出力側は、コンデンサ76と抵抗77を介してアースに接続されている。また別の抵抗78とダイオード79とコンデンサ80が当該集積された切換回路70の出力側とアースとの間に設けられている。この場合抵抗78とダイオード79とコンデンサ80との間の接続点は過熱保護回路50に接続されている。この接続点においては演算増幅器の給電のための給電電圧Uxが生じる。この給電電圧Uxは例えば約26Vに設定調整可能である。
図７〜図９に示された充電／分離モジュールを、図３又は図５による、自動車における電圧給電用装置と関連させて用いることにより次のようなことが保証される。すなわち負荷12,17,19が始動過程中においても一定の電圧U1ないしU3のもとにおかれることが保証される。スタータは、固有のバッテリ15か又は他の、スタータ用（高電流放電用）に設計仕様された始動用蓄電装置によって給電される。その他の残りの搭載電源は従来のバッテリ13を用いて給電され得る。またこのバッテリ13の代わりに、従来とは異なったバッテリを使用することもできる。すなわちもはや高い始動電流用に設計仕様される必要のない単に固定サイクルのバッテリ（これはトラクションバッテリとしても表される）として設計仕様されるべき他のバッテリも使用可能である。それにより２つの蓄電装置を相互に無関係に選定することが可能となる。
通常の動作中は、スタータ11並びに所属のバッテリないし始動用蓄電装置が充電／分離モジュール14を介してその他の搭載電源と接続される。この場合バッテリ15ないし始動用蓄電装置は発電機10によって充電されるか又はバッテリ13から充電され得る。始動過程中は充電／分離モジュール14によって自動的に、スタータないし始動用バッテリとその他の搭載電源との間の接続路が切り離される。それによりスタータに要する高電流による、通常の搭載電源中の電圧低下は引き起こされない。
充電／分離モジュール14には自動車の状態に関する多くの情報が提供されるので、スタータ11と始動用バッテリ15並びにその他の搭載電源との間の接続を最適な形で自動的に切り離したり回復させたりすることが可能である。これにより“インテリジェンス”充電／分離モジュール方式が形成される。
図３及び図４に示された電圧給電用装置においては始動用バッテリ15の定格電圧が搭載電源バッテリ13の定格電圧より小さい。始動過程の終了後に充電／分離モジュール14によって始動用バッテリとその他の搭載電源との接続が形成されると、始動用バッテリ15は非常に迅速かつ確実に充電される。機関の休止状態ではバッテリ15のみから比較的高い定格電圧で充電される。
直流電圧変換器が付加的に設けられている、図８による充電／分離モジュールを用いる場合は、始動用蓄電装置として、搭載電源バッテリよりも高いか又は同じ定格電圧を有するバッテリを用いることもできる。それにより変換器29は始動用バッテリ15充電のための充電電圧を適時に高める。
さらに付加的なスイッチング素子83により、適切な制御が行われた場合には、バッテリ13が放電状態であっても始動が次のことから可能となる。すなわち始動に必要な負荷84が始動過程中にバッテリ15から給電電圧を受け取ることによって可能となる。
しかしながらそれに対して充電／分離モジュールなしで動作する本発明による実施例では、さらに付加的な別個の充電装置、例えば公知手法のようにソケットないしコンセントを介して給電部に接続可能であるバッテリ充電器などを有している。この別個の充電装置は当該充電／分離モジュールの機能を部分的に引き継ぐものであり、図10に示されている。この実施例では発電機10が搭載電源の電気的な負荷12並びに蓄電装置81の一部に接続されている。
この蓄電装置81（これは例えば（６＋１）個のセルを有するバッテリからなる）は、次のように接続される。すなわちバッテリの６つのセルは通常の搭載電源の給電用に用いられ、残りの１つののセル（７番目のセル）は始動時にのみ投入されるように接続される。この７番目のセルの再充電は前述したような別個の充電装置82を介して行われる。この充電装置82は当該７番目のセルの正電極81aと、該セルの負電極ないし他のセルの正電極81bとの間に接続される。その実施例では通常の搭載電源電圧は12Vで、これに対してスタータにおいて降下する電圧は14Vである。
始動機関中は電圧の低下が生じるが、この電圧低下は通常の搭載電源の場合のように12Vからではなく14Vから始まるため比較的僅かで済む。（電圧経過が時間に関して示されている）図11に示されているように電圧の最小値は通常の搭載電源系（波線部分）よりも約2V高い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図８】
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【図９】
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