(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御された電圧の形成のための装置であって、発電機を有しており、該発電機は励磁巻線と整流器系を含んでおり、２つの端子Ｂ＋、Ｂ−を介してボルテージレギュレータと接続されており、前記端子Ｂ＋には整流され制御された発電機電圧が生じ、該発電機電圧は搭載電源への供給に用いられ、前記端子Ｂ−はアースに接続されており、
発電機１０の端子Ｂ＋が励磁巻線Ｅに接続されており、該励磁巻線Ｅを流れる電流ＩＥがスイッチング手段Ｔを用いて投入可能であり、前記スイッチング手段Ｔには信号ＵＳが供給可能であり、該信号ＵＳは、発電機１０の回転の開始を識別させ、励磁巻線Ｅを流れる電流通流をスイッチング手段Ｔのスイッチオンによってトリガさせる形式のものにおいて、
内燃機関の始動を識別させる信号が、ボルテージレギュレータ１３の構成部材である回路装置１４内で、供給された第２の信号に依存して形成され、
前記第２の信号は、内燃機関の始動の際に現れた加速を記録する加速センサの出力信号に相応して形成されるか、又は
搭載電源電圧の経過特性に依存して形成されるか、又は
相電圧ＵＰの振幅ないし周波数に依存して、層電圧の振幅ないし周波数が限界値を上回っているかどうかの条件を考慮して形成されるようにしたことを特徴とする、制御された電圧の形成のための装置。
【請求項２】
前記スイッチング手段Ｔは、ボルテージレギュレータ１３内に設けられた制御トランジスタである、請求の範囲第１項記載の制御された電圧の形成のための装置。
【請求項３】
前記第２の信号は、相電圧ＵＰの振幅から形成され、前記スイッチング手段Ｔの制御開始は前記第２の信号が限界値を超えた場合にのみ行なわれる、請求の範囲第１項記載の制御された電圧の形成のための装置。
【請求項４】
前記第２の信号は、相電圧から形成され、前記トランジスタＴの切換は、回転数に相応する、前記第２の信号の周波数が所定の回転数閾値を上回っている場合にのみ行われる、請求の範囲第１項記載の制御された電圧の形成のための装置。
【請求項５】
前記発電機電圧ＵＧないし搭載電源網電圧ＵＢの経過が評価され、該経過は始動過程期間中に特徴的な経過をとり、始動過程はこの経過から識別され、始動に対して典型的な電圧経過が識別された場合にのみ制御信号がトリガされる、請求の範囲第１項記載の制御された電圧の形成のための装置。
【請求項６】
相電圧ＵＰの経過から発電機の完全な励磁状態または所定の励磁状態を識別してそのような識別の後で通常の制御器作動状態を導入するスイッチング手段が設けられている、請求の範囲第１項〜５項いずれか１項記載の制御された電圧の形成のための装置。
【請求項７】
前記ボルテージレギュレータ内にマイクロプロセッサの手段が設けられており、該マイクロプロセッサは、制御に対して必要なバッテリ電圧またはバッテリ温度をシミュレーションし、該シミュレーションはレギュレータ内で測定された特性量又は車両タイプに依存して行われる、請求の範囲第１項〜６項いずれか１項記載の制御された電圧の形成のための装置。
【請求項８】
前記発電機の負荷状態がボルテージレギュレータのデューティー比ないしオン／オフ比の評価によって求められる、請求の範囲第１項〜７項いずれか１項記載の制御された電圧の形成のための装置。
【請求項９】
請求の範囲第１項〜８項のいずれかによる装置の少なくとも１つに使用されることを特徴とする、制御された電圧を形成するための方法。
【請求項１０】
始動を識別した後で、予備励磁を作用させる、電圧制御のための第１の手法を開始させ、所定の励磁状態に達した後又は選択可能な期間の経過した後で通常の制御手法に移行させる、請求の範囲第９項記載の方法。
【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、制御された電圧の形成のための装置及び方法に関する。
この種の装置は例えば自動車において用いられる。この場合は発電機が車両のエンジンないしは内燃機関によって駆動される。
制御された電圧の形成、例えば自動車におけるエネルギー供給のためには、通常は発電機が用いられる。この発電機はＶベルトを介して車両のエンジンにより駆動される。この種の発電機は通常は、励磁電流の流れる励磁巻線を備えた三相発電機である。この場合ボルテージレギュレータが発電機に接続されており、これが励磁電流を次のように制御する。すなわち発電機の出力電圧が実質的に一定にそして発電機によって充電されるバッテリの定格電圧よりもやや高くなるように制御される。従来の発電機では、励磁電流は励磁ダイオードを介して出力結合され、発電機自身によって形成されている。この励磁電流の供給は端子Ｄ＋を介して行われ、これは発電機にもボルテージレギュレータにも存在する。
しかしながらジェネレータ−ボルテージレギュレータシステムも公知である。このシステムでは励磁ダイオードは必要ない。なぜなら励磁巻線が直接バッテリに接続されるからである。このようなＤ＋端子のない発電機は例えば欧州特許出願公開第０４０１７５８号明細書から公知である。発電機の出力電圧のレベルの制御は、この種の公知の発電機でもボルテージレギュレータを用いて行われる。このボルテージレギュレータはスイッチング素子として作用するトランジスタを介して励磁巻線を流れる電流を次のように制御する。すなわち発電機の出力電圧が実質的に一定となるように制御する。しかしながら公知のジェネレータ−ボルテージレギュレータシステムは、発電機の迅速な励磁を保証する別の処置は何も講じられていない。前記欧州特許出願公開第０４０１７５８号明細書からは単に次のようなことが開示されているだけである。すなわち、発電機の回転数が低くて発電機の出力電圧がバッテリ充電には十分でないような場合に、励磁巻線とアースとの間で付加的な接続が形成されそれによって励磁電流が高められることだけが開示されている。
発明の利点
そ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装置は次のような利点を有している。すなわち、２つの端子のみを介して相互に接続され、Ｄ＋端子、Ｌ端子、ＫＬ１５（イグニッションスイッチ出力側）端子は有していないボルテージレギュレータを含めた発電機を使用することができる。しかしも発電機の作動直後、つまり内燃機関の始動直後に発電機の迅速な励磁が行われることが保証される。この利点は、ボルテージレギュレータに、始動が行われたことを識別させる情報が供給されることによって得られる。それにより発電機のプラス端子から励磁巻線を介してアースへの接続が直ちに形成され、これを介して発電機の励磁の迅速なスタートを保証する予備励磁電流が流れる。
本発明のさらなる利点は従属請求項に記載の有利な実施例によって得られる。この場合有利には、始動の識別が様々な手段に基づいて実現可能である。例えば始動の識別は、始動過程の期間中に内燃機関の作動のもとで生じる加速を加速センサを用いて検出し、これを始動識別信号として用いることによって行うことが可能である。また別の有利な手段では、発電機の残留磁気を介して誘導された相電圧の振幅が始動識別のために評価され、励磁が限界値の達成後に開始される。さらに別の有利な手段では、残留磁気を介して誘導された相電圧の周波数が始動識別のために評価される。従って予め定められた回転数から励磁を開始させることが可能である。
さらに別の有利な手段では、始動期間中のそれ自体周知の搭載電源電圧の経過が評価され、この特徴的経過から、始動を指示して励磁電流を投入させる信号が形成される。
始動識別のすべての変化例では予備励磁状態から通常の制御動作状態への移行が少なくとも１つの所定の基準の達成のもとで行われる。そのような基準は、相電圧を評価することからなっていてもよい。この相信号からは回転数信号を得ることができ、この信号が所定の回転数閾値と比較されこの閾値に達した場合には通常の制御動作状態への移行が行われる。さらに制御のために必要とされる別の特性量、例えばバッテリ電圧またはバッテリ温度などがレギュレータにおいてシミュレータされる場合には、ボルテージレギュレータが拡張されても付加的な端子の必要はない。そのようなシミュレーションは、有利には車両タイプに依存する。このシミュレーションは有利には、いわゆる”エンドオブテーププログラム“との関係で適しており、これはレギュレータの製造時に行われるのではなく、システム全体の完成の後で初めて行われ、場合によっては用途毎に整合調整が行われる。
レギュレータに存在するＤＦ信号（これはボルテージレギュレータのデューティ比ないしオン／オフ比を表す）の評価によって励磁電流のレベルに対する尺度が得られ、それに伴って発電機の負荷限界状態が推定される。この情報は有利にはレギュレータにおいて準備されるので、付加的な入力端子を介して供給する必要はない。ＤＦ信号の評価は、電圧余裕度の識別を可能にし、さらに付加的に現存の余裕電圧へのさらなる負荷の接続を結びつける可能性を提供する。
障害の影響によって誤った励磁電流の投入がエンジン停止時にトリガされた場合には、このことが相信号の評価によて識別され、有利には数秒単位の所期の期間経過後に時限素子の作動によって励磁電流が遮断される。それにより不所望なバッテリ放電が避けられる。
本発明によれば、従来の発電機系に比べて端子数が少なくて済み、それに伴って所要の接続線路の数も少なく制御線路も全く存在しないので、対障害性の向上が保証され、システム自体も電磁障害に対して不感である。
図面
図１には本発明の実施例が示されており、この実施例は以下の明細書で詳細に説明される。
実施例
図１には自動車における電圧供給システムの主要構成部が示されている。個々の構成部の１つとして符号１０で示されているのは三相発電機である。これは図には示されていない内燃機関によって駆動されており、相巻線Ｕ，Ｋ，Ｗを含んでいる。これらの巻線は共通接点ＭＰで相互に接続されている。相巻線の出力側からは発電機の回転のもとで相電圧ＵＰが送出される。これらの相巻線は、ツェナーダイオードＺ１〜Ｚ６を含んでいる整流器ブリッジ１１と接続されている。この整流器ブリッジ１１は一方ではアースに接続され、他方は端子Ｂ＋に接続されている。この端子Ｂ＋に発電機から送出される整流された出力電圧ＵＧが生じる。
発電機１０の励磁巻線Ｅは、ブラシ保持器１２を介して端子Ｂ＋とボルテージレギュレータ１３の端子ＤＦに接続されている。このボルテージレギュレータ１３の端子ＤＦと端子Ｄ−（これはブラシ保持器を介してアースに接続されている）との間にはスイッチングトランジスタＴが設けられている。このトランジスタＴを介して、励磁巻線Ｅを流れる励磁電流ＩＥが制御可能である。トランジスタＴのベースは、回路ブロック１４と接続されている。この回路ブロック１４ではセンサ信号が評価され、これによって発電機が回転しているか否か、または内燃機関の始動が行われているか否かが識別される。複数の信号が評価ないしは準備される評価ブロックは符号１５で示されている。別の回路ブロック１６は、符号ＵＳで示されているセンサ信号の出力のために用いられる。この回路ブロック１６にはさらに相電圧ＵＰが供給される。この相電圧ＵＰは例えば相巻線Ｖから取り出され、相応の端子を介してブラシ保持器１２ないしボルテージレギュレータ１３に転送される。回路ブロック１４は、全体でトランジスタＴの制御をとりおこなう。レギュレータ１３の端子Ｂ＋ないし励磁巻線Ｅの所属端子は、一緒に発電機端子Ｂ＋に接続される。この場合発電機１０内部の接続はブラシ保持器１２を介して行われる。ボルテージレギュレータ１３の端子Ｂ＋と端子ＤＦの間にはさらにダイオードＤ１が設けられている。回路ブロック１４，１５，１６はマイクロプロセッサとして構成されていてもよく、ボルテージレギュレータ１３の制御部の構成部材であってもよい。
三相発電機１０のさらなる構成部としてコンデンサＣｌが、ツェナーダイオードＺ１，Ｚ２，Ｚ３のカソードとアースとの間に設けられている。また相巻線Ｗと接続して相電圧ＵＰを供給する付加的な端子Ｗが設けられていてもよい。
車両搭載電源としてバッテリ１７が示されており、このバッテリの正極は発電機端子Ｂ＋と接続されており、負極はアースに接続されている。バッテリ１７の正極はさらに端子ＫＬ３０と接続されている。これはイグニッションスイッチ１８を介して端子ＫＬ１５と接続されており、そのためスタータ１９と接続される。負荷は符号２０で示されており、これらはスイッチング手段２１を介してバッテリ１７の正極に接続される。
搭載電源網に対する補足形態として、端子ＫＬ１５からチャージコントロールランプ２２に接続がなされていてもよい。この接続線はランプ／リレー制御部２３を介してアースに接続される。このランプ／リレー制御部２３はさらに端子ＫＬ１５と接続され、制御入力側ＳＥを有している。この入力側を介して制御信号が供給可能である。このランプ／リレー制御部２３に並列にリレー２４が設けられる。
図に示されている、車両搭載電源網に対する制御された出力電圧形成のための装置は、発電機１０と搭載電源との間にただ２つの接続部しか有していない。詳細には端子Ｂ＋と共通のアース端子Ｄ−である。この端子Ｂ＋からは制御され整流された発電機１０の出力電圧ＵＧが搭載電源への供給のためにとりだされる。従来の搭載電源網には存在していた端子Ｄ＋は省かれる。励磁巻線Ｅに対する供給電圧ないしは励磁電流ＩＥの形成のための電圧は、発電機内部で端子Ｂ＋を介してとりだされる。この励磁巻線とアースとの間の接続は、トランジスタＴのベースに相応の制御信号が供給される限りこのトランジスタＴを用いて形成される。発電機が停止した場合にはトランジスタＴは遮断され、励磁電流は流れない。内燃機関の始動が行われた場合には発電機も回転を開始し、励磁電流が求められる。この予備励磁に対する電流は、ボルテージレギュレータが内燃機関の始動を識別すると同時に直接端子Ｂ＋から供給される。この始動の識別に対しては種々の変化例が可能である。これらは以下で説明する。
第１の変化例では、始動過程期間中に生じた加速が加速センサＳを用いて記録される。この加速センサＳは内燃機関における特に高い加速値が生じる箇所に設けられている。この加速センサの出力信号はボルテージレギュレータのブロック１５に供給される。これは例えば次のような電圧かまたは次のような電圧として処理される。すなわちセンサ電圧ＵＳと称されボルテージレギュレータのトランジスタＴのベースに供給されこれを導通接続させる電圧として処理される。加速センサ自体はボルテージレギュレータ内に集積化されていてもよい。
第２の変化例では、残留磁気を介して誘導された相電圧ＵＰの振幅が評価される。この相電圧は例えば相巻線Ｖからとりだされ、回路１４へ供給される。この相電圧の振幅が限界値に達した場合にはボルテージレギュレータ１３のトランジスタＴが制御開始され、励磁電流が投入される。このレギュレータ内にすでにある相電圧ないし相信号は付加的な線路や端子を何も必要としない。
第３の変化例では相電圧の周波数が評価される。残留磁気を介して誘導される相電圧の周波数は、発電機の回転数に依存している。この周波数の評価によって回転数が求められ、これが所定の閾値と比較される。相電圧の周波数が限界値を超えると回路１４内で次のような電圧が形成される。すなわちトランジスタＴのベースに供給されこれを導通状態にもたらす電圧が形成される。
第４の変化例では、端子Ｂ＋における電圧経過が評価される。この電圧の始動過程期間中の経過はいくつかの特徴的な最大値と最小値を有している。所期の電圧経過が識別された場合には、始動過程が行われていなければならない。この所期の電圧経過の識別も回路装置１４において実施される。始動が識別された場合にはトランジスタＴの制御開始と励磁電流ＩＥの投入が行われる。
これまでに説明してきた始動識別のための種々の変化例はすべて、内燃機関の始動直後に十分な励磁電流ＩＥを励磁巻線Ｅに流すために用いられる。発電機１０が完全な励磁状態に達した後では、励磁電流の制限が行われなければならない。それによって発電機の出力電圧ＵＧは所望の値を超えない。その後ボルテージレギュレータは予備励磁作動状態から通常の制御動作状態に移行する。この予備励磁状態から通常の制御動作状態への切換は例えば相信号の評価を介して行われる。既に前記変化例２と３において説明した相電圧の振幅も相電圧の周波数も発電機の回転数に依存する。それ故に相信号の評価は回転数の検出も可能にする。相信号から求められた回転数がさらなる次のような閾値、すなわち励磁電流の投入に対して用いられる閾値よりも高い閾値に達した場合には、これがレギュレータ１３に記録され、レギュレータ１３自身は通常の制御動作状態に移行する。この通常の制御動作状態ではトランジスタＴが励磁電流ＩＥを次のように制御する。すなわち一定の出力電圧ＵＧが発電機端子Ｂ＋に生じるように制御する。
内燃機関の停止の際には、発電機の駆動も終了され、発電機回転数は低下する。それにより最小励磁電力の静止状態に移行する。それに対しては、２つの基準の１つ、相電圧ＵＰ＜１Ｖ（これは回転数のゼロに相応する）、または加速センサの非作動状態が評価される。相電圧ＵＰ＜１Ｖまたは加速センサが非作動状態ならば、エンジンの停止状態が識別され、励磁電流がトランジスタＴの遮断状態への切換によって遮断される。
特に始動過程の間の相信号を強化するために、発電機の回転子に付加的に磁石を設けてもよい。これは例えば漂遊磁束の補償のために既に周知である。
発電機電流が障害かその他のエラーのためにエンジン停止状態のもとで投入された場合には、時限素子（これは例えばレギュレータ内に集積される）によって数秒後に励磁電流を再遮断させてもよい。停止されたエンジンの識別は可能である。なぜなら相信号が現れないかまたは相電圧が形成されないからである。相信号の欠落は回路装置１４に記録される。それにより時限素子がスイッチオンされ、これは所期の期間経過後にトランジスタＴを遮断状態に切換る。これにより励磁電流がバッテリを放電させることが回避される。
さらなる制御変化例において、発電機出力電圧ＵＧがバッテリ電圧またはバッテリ温度に依存して制御される場合には、バッテリ電圧及び／またはバッテリ温度に関する相応の情報が存在するはずであり、従来方式のボルテージレギュレータではこれらの情報が付加的な端子を介して供給される。しかしながらこれらの付加的な端子は、バッテリ電圧及び／またはバッテリ温度がレギュレータ内の既存データから算出ないしシミュレーションできる場合には省略可能である。このシミュレーションはレギュレータ１３内の評価装置で実施可能である。これは例えばマイクロプロセッサとして構成される。この装置はボルテージレギュレータ内の既存のセンサ情報の考慮の下でシミュレーションを実行する。このシミュレーションは通常は車両タイプに依存して行われ、例えばエンドオブテーププログラミングとして実施されてもよい。その場合はレギュレータの製造時ではなく発電機に組み込まれた後でもしくは車両に組み込まれた後でプログラミングないしは整合調整される。
端子ＤＦに現れるＤＦ信号（これはレギュレータのデューティ比（オン／オフ比）を表す）の評価によって、励磁電流ＩＥのレベルに対する尺度が得られる。それにより発電機の負荷限界を識別することができる。この場合は励磁電流と発電機電流のレベル間で線形的な関係が成り立つ。
ボルテージレギュレータ１３とブラシ保持器１２の間の端子ＤＦは固有の端子として外部に導出される必要はない。なぜなら搭載電源網には複数の負荷が存在し、これらは搭載電源網の中で余裕出力のもとに接続されるべきだからである。
従って供給電圧ＵＧの評価は、余裕エネルギーの有無に関する識別のために実施することができる。高い供給電圧は、この余裕度がまだ残っていて負荷の接続が可能であることを示唆している。比較的低い供給電圧は、エネルギーの余裕度がもはや残ってなく負荷は遮断されるべきであることを示唆している。
前述した電圧供給システムではどんな制御線路も必要ないので、保護回路が備えてなければならない僅かな端子しか存在しない。総体的にレギュレータは電磁的な漂遊磁気に対しても不感である。すなわち電磁整合性が従来システムに比べて向上している。
前述の、制御された電圧を形成するための装置は、車両搭載電源網での要求に最適に適合した電圧制御方法も可能にする。
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