(57)【要約】【課題】短時間の高い電力ピークを必要とする電気機械（１）の使用状態も可能にするのに適した、少なくとも１個の電気機械（１）の制御のための回路構成を提供する。【解決手段】電気機械（１）はインバータ（２）及び少なくとも１個のスイッチ装置（３）を介して少なくとも２個の異なる電気エネルギー貯蔵装置（Ｉ、ＩＩ）に接続することができ、一方の貯蔵装置（Ｉ）は比較的長く持続する電力要求のための貯蔵装置として、他方の貯蔵装置（ＩＩ）は短時間の高い電力ピークのための貯蔵装置として設計されている。【選択図】図１
2006191787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の電気機械（１）の制御のための回路構成において、
電気機械（１）がインバータ（２）及び少なくとも１個のスイッチ装置（３）を介して少なくとも２個の異なる電気エネルギー貯蔵装置（Ｉ、ＩＩ）に接続することができ、一方の貯蔵装置（Ｉ）が比較的長く持続する電力要求のための貯蔵装置として、他方の貯蔵装置（ＩＩ）が短時間の高い電力ピークのための貯蔵装置（ＩＩ）として設計されている回路構成。
【請求項２】
長時間の電力要求のための貯蔵装置（Ｉ）が蓄電池からなることを特徴とする請求項１に記載の回路構成。
【請求項３】
短時間の高い電力ピークのための貯蔵装置（ＩＩ）がコンデンサユニットからなることを特徴とする請求項１に記載の回路構成。
【請求項４】
スイッチ装置（３）が、電力ダイオードを有する切換え可能な電力用半導体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項５】
電力ダイオードがスイッチング電力用半導体の一体の構成部分であることを特徴とする請求項４に記載の回路構成。
【請求項６】
スイッチ装置（３）が双方向に作動する電力用半導体スイッチからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項７】
スイッチ装置（３）がインバータ（２）のケース（４）の内部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項８】
電気機械（１）が電気モータ及び／又は発電機として使用し得るように構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項９】
電気機械（１）を電気モータとして使用するときは、短時間の高い電力ピークが貯蔵装置（ＩＩ）で充足され、貯蔵装置（Ｉ）は主として長く持続する電力要求で電気機械（２）の給電に寄与するように、スイッチ装置（３）が構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項１０】
電気機械（１）を発電機として使用するときは、２つの貯蔵装置（Ｉ、ＩＩ）への電気エネルギーの再充電が実現されるように、スイッチ装置（３）が構成されていることを特徴とする請求項８に記載の回路構成。
【請求項１１】
貯蔵装置（Ｉ）の電圧範囲と貯蔵装置（ＩＩ）の電圧範囲が重なり合い、主な使用時間帯で貯蔵装置（ＩＩ）の電圧が貯蔵装置（Ｉ）の電圧より著しく高いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の回路構成。
【請求項１２】
貯蔵装置（Ｉ）の電圧範囲が約２１〜２８ボルトに、貯蔵装置（ＩＩ）の電圧範囲が約２１〜４８ボルト、但し主として約２９ボルト〜４８ボルトにセットされていることを特徴とする請求項１１に記載の回路構成。
【請求項１３】
電気機械（１）が車両の駆動機械及び／又は発電機からなることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の回路構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の特徴に基づく少なくとも１個の電気機械の制御のための回路構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＥ１９９３５８７３Ａ１は駆動用電池、電気モータ及びこれと無関係に動作する内燃機関を有するハイブリッドカーのための回路構成を開示する。一方では蓄電池による電気モータの駆動のため、他方では蓄電池の充電のために使用される回路構成は、直流電圧中間回路及び第１のインバータを有し、インバータは電気モータに接続されている。さらに回路構成に第２のインバータがあり、一方では直流電圧中間回路に、他方では車両のブレーキ操作時に蓄電池に充電するために内燃機関に配属された発電機に接続される。また停車時に蓄電池を充電するための電源接続用スイッチ回路が設けられている。上記のハイブリッドカーでこの回路構成により、蓄電池が走行運転中も停車時も充電できるようになっている。
【０００３】
内燃機関、モータ又は発電機として使用できる電気機械、電気エネルギー貯蔵装置及び電気エネルギー貯蔵装置例えば蓄電池の充電状態をチェックして、この電気エネルギー貯蔵装置の所定の充電状態への到達を識別する制御装置を備えた自動車用電動駆動装置がＤＥ１０２２６３０８Ａ１により公知である。
【０００４】
モータ操作時に電気エネルギー貯蔵装置から電気機械に電力が供給されるか、又は発電機操作時に電気エネルギーが電気エネルギー貯蔵装置に供給される。さらに自動車の車載回路網に少なくとも１個の電気負荷機器があり、特に発電機操作時に電気エネルギー貯蔵装置が所定の充電状態に達すると、この負荷機器が電気駆動装置に接続され、過剰の電気エネルギーを消費する。
【特許文献１】ドイツ国特許出願公開公報ＤＥ１９９３５８７３Ａ１
【特許文献２】ドイツ国特許出願公開公報ＤＥ１０２２６３０８Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
公知の技術的解決策では、例えば短時間の高い駆動電力ピークを必要とする車両の運転状態をいかにして適切に処理できるかが明らかでない。このような運転状態は例えば追い越し操作時の加速又は上り坂で現れ、駆動装置の適当なトルク増加を伴う。以下で説明する発明がここで登場する。
【０００６】
本発明の根底にあるのは、短時間の高い電力ピークを必要とする電気機械のこのような使用状態も保証するのに適した、少なくとも１個の電気機械の制御のための回路構成を提供するという課題である。またこの回路構成をハイブリッドカーでの利用のために構成するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題の解決は主請求項の特徴によって明らかであり、発明の有利な実施態様と改良が従属請求項に見られる。
【０００８】
本発明の根底にあるのは、負荷機器例えば電気モータの必要な短時間の高い電力ピークのために、在来の蓄電池はほとんど不適当であるという認識である。
【０００９】
そこで、ハイブリッドカーの電気機械の制御のために好適に適用可能な本発明に基づく回路構成は、次の特徴を有する。即ち電気機械はインバータ及び少なくとも１個のスイッチ装置を介して少なくとも２個の異なる電気エネルギー貯蔵装置Ｉ及びＩＩに接続することができ、一方の貯蔵装置Ｉは比較的長く持続する電力要求のための貯蔵装置として、他方の貯蔵装置ＩＩは短時間の高い電力ピークのための貯蔵装置として設計されている。
【００１０】
発明の好適な一実施態様として、長く持続する電力要求のための貯蔵装置Ｉは蓄電池例えば在来の電池からなり、短時間の高い電力ピークのための貯蔵装置ＩＩはコンデンサユニット例えばいわゆるSupercapsからなる。
【００１１】
上記の処置によって、必要に応じて短時間のあいだ電気機械に高い電力を供給する可能性が開かれることが特に有利である。同様に貯蔵装置Ｉないし蓄電池でははるかに少ないエネルギー変換が行われるから、その寿命の大幅な向上が記録される。
【００１２】
スイッチ装置に関しては、一方では電力ダイオードを有するスイッチング電力用半導体でスイッチ装置を構成することができる。その場合電力ダイオードは切換え可能な電力用半導体の一体の構成部分であることが好ましい。他方ではスイッチ装置を双方向切換え可能な電力用半導体スイッチから構成することもできる。
【００１３】
また本発明が定めるところでは、スイッチ装置をインバータのケースの内部に配置することができ、それによって製作費が減少され、インバータの回路に割当てられた冷却剤、電源電圧等を共同で利用することもできる。なお、電気機械の制御のために必要なすべての信号はインバータにある。
【００１４】
また電気機械を電気モータ及び／又は発電機として使用し得るように構成することを提案する。このような電気機械はいわゆるスタータ発電機としても知られている。
【００１５】
電気機械が電気モータとして使用される使用例では、スイッチ装置は短時間の高い電力ピークを貯蔵装置ＩＩで充足することができ、貯蔵装置Ｉは主として長時間の電力要求で電気機械の給電に寄与するように構成されている。
【００１６】
短時間に多量のエネルギーが変換される使用例では、スイッチ装置は貯蔵装置Ｉから貯蔵装置ＩＩへのエネルギー変換の移転が実現されるように構成されている。
【００１７】
これに対して電気機械が発電機として使用される使用例では、スイッチ装置は２つの貯蔵装置Ｉ、ＩＩの再充電が行われるように構成されている。
【００１８】
本発明においては、電気機械を自動車の駆動機械及び／又は発電機とすることができる。
【００１９】
さらに車両の車載回路網又は貯蔵装置Ｉの電圧範囲と貯蔵装置ＩＩの電圧範囲が重なり合い、主な使用時間帯で貯蔵装置ＩＩの電圧が貯蔵装置Ｉより著しく高く選定されるように構成することができる。
【００２０】
その場合貯蔵装置Ｉの車載回路網電圧範囲は約２１ボルト〜２８ボルト、貯蔵装置ＩＩの電圧範囲は約２１ボルト〜４８ボルト、但し主として約２９ボルト〜４８ボルトにセットすることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
まず初めに図１はとりわけ非同期機又は同期機の形の少なくとも１個の単独の電気機械１の制御のための回路構成を示す。その場合電気機械１は周知のように在来のインバータ２（その必要条件と機能は当業者の熟知するところである）と、さらに少なくとも１個のスイッチ装置３を介してエネルギー供給部に接続することができる。
【００２３】
エネルギー供給部は本発明に基づき２個の異なる電気エネルギー貯蔵装置Ｉ、ＩＩからなり、一方の貯蔵装置Ｉは長時間の電力要求のための貯蔵装置として、他方の貯蔵装置ＩＩは短時間の高い電力ピークのための貯蔵装置として設計されている。
【００２４】
電気機械１を電気モータとして使用するときは、上記のスイッチ装置３によって、短時間の高い電力要求が貯蔵装置ＩＩで充足され、貯蔵装置Ｉは主として長時間の電力要求で給電に寄与することが保証される。
【００２５】
またスイッチ装置３は、電気モータとして使用される電気機械１により短時間で多量のエネルギーが変換される使用例で、貯蔵装置Ｉから貯蔵装置ＩＩへ電気エネルギーの移転が実現されるように構成されている。
【００２６】
長く持続する電力要求のための貯蔵装置Ｉはとりわけ在来の蓄電池からなる。なお蓄電池の概念は単一の蓄電池だけを意味するのではなく、１つの蓄電池ブロックを構成する複数の個別蓄電池も包含する。蓄電池として鉛蓄電池も、ニッケルメタルハイブリッド、亜鉛、ナトリウム・塩化ニッケル、リチウムイオン蓄電池等も考えられる。
【００２７】
これに対して短時間の高い電力ピークのための貯蔵装置ＩＩは高性能なコンデンサユニット等からなる。これは貯蔵装置Ｉと比較して通常高い電圧レベルを有するが、しかしエネルギー含有量が少ない。この場合“Supercaps”とも呼ばれる高出力コンデンサを使用することが好ましい。この高出力コンデンサは、現在の開発状態においては、おおむねアルミニウム電極を内容とし、これに活性炭粉末をかぶせたものである。このような“Supercaps”の利点は、所望の短時間のエネルギー需要を特に効果的にまかなうことができることに認められる。また上記の“Super- caps”に関連して、３〜５分以内に充電でき、充電サイクル数２００万回に及ぶ寿命が有利であると考えられる。蓄電池と異なり、この場合は化学的過程でなく純物理的作用原理が利用されるから、この種の高出力蓄電池はほとんど損耗しない。
【００２８】
上記の構成と逆に電気機械１が発電機として使用される使用例では、スイッチ装置３は２つの貯蔵装置Ｉ、ＩＩの再充電も実現されるように構成されている。
【００２９】
好ましい実施形態によれば、それぞれ１個の電力ダイオードを備えた周知の、従って詳しく説明または図示しないスイッチング電力用半導体、例えばいわゆる“ＭＯＳＦＥＴ”（金属酸化物半導体）又は“ＩＧＢＴ”（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）はスイッチ装置３として実証済みであり、その場合電力ダイオードは電力用半導体の一体の構成部分であることが好ましい。
【００３０】
また、スイッチ装置３を、周知の双方向動作可能な電力用半導体スイッチから構成することもできる。この電力用半導体スイッチは電流を２つの方向に導くことができるから、高度の制御自由度が得られる。
【００３１】
図１でさらに明らかなように、インバータ２とスイッチ装置３はとりわけ共通のケース４の中に配置されている。すでに上記で説明したように、それによって製作費が減少され、さらにインバータ２の回路に割当てられた冷却剤、電源電圧等を共同で利用できる利点があり、しかも電気機械１の制御のために必要なすべての信号がインバータ２にすでに存在するのである。
【００３２】
図２は本発明に基づく回路構成の好ましい応用例を示す。即ち回路構成は内燃機関６及び少なくとも１個の電気機械１を有する自動車５のハイブリッド駆動装置に組み込まれており、電気機械１は駆動機械及び／又は発電機として使用することができる。
【００３３】
図によれば車両５のドライブトレイン７での内燃機関６と電気機械１の並列配置が示されている。この場合周知のクラッチ装置８による内燃機関６の機械的切断も、トランスミッション９、とりわけマニュアルトランスミッションも設けられている。
【００３４】
ドライブトレインのこの構造によって様々な駆動方式を実現することが可能であり、電気機械１を単独で、又は内燃機関６と組み合わせて使用することができる。後者の使用例では、電気機械は内燃機関６の駆動電力の補強のために利用され、こうして特に貯蔵装置ＩＩにより場合によって必要な短時間の高い電力ピークを充足することができる。
【００３５】
電気機械１は発電機としても使用でき、こうしてエネルギー貯蔵装置Ｉ及びＩＩの充電に適している利点がある。
【００３６】
貯蔵装置Ｉ（蓄電池）の車載回路網電圧範囲と貯蔵装置ＩＩ（コンデンサユニット）の電圧範囲は重なり合うが、車両運転の主な時間帯で貯蔵装置ＩＩの電圧は貯蔵装置Ｉより著しく高い。
【００３７】
このことに関連して、貯蔵装置Ｉの車載回路網電圧範囲は約２１ボルト〜２８ボルト、貯蔵装置ＩＩの電圧範囲は約２１ボルト〜４８ボルト、但し主として２９ボルト〜４８ボルトにセットすることが好ましい。
【００３８】
本発明に基づく回路構成のその他の応用例、例えばもっぱら電気的に運転される車両の電気機械１の、本発明に基づく回路構成による制御（詳しく図示せず）が可能である。
【００３９】
またこのような回路構成を、内燃機関６により運転される詳しく図示しない発電設備、例えば非常発電設備の制御のために使用することも可能である。その場合万一の駆動電力需要の増加を充足する電気モータを組み込み、こうして非常発電設備の内燃機関６が絶えず一定の回転数で、例えばその効率に関して最良点で運転されることによって、万一のエネルギー消費の増加にこの回路構成で良く対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に基づく回路構成の概略図を示す。
【図２】内燃機関と電気機械を有する車両のハイブリッド駆動装置のドライブトレインで使用される図１の回路構成を示す。
【符号の説明】
【００４１】
Ｉ  電気エネルギー貯蔵装置、蓄電池
ＩＩ  電気エネルギー貯蔵装置、コンデンサ
１  電気機械
２  インバータ
３  スイッチ装置
４  ケース
５  ハイブリッドカー
６  内燃機関
７  ドライブトレイン
８  クラッチ装置
９  トランスミッション
【図１】
2006191787.tif 000003
【図２】
2006191787.tif 000004