JP6274861B2

JP6274861B2 - 電圧安定化装置

Info

Publication number: JP6274861B2
Application number: JP2013554860A
Authority: JP
Inventors: コカー、ヴィート; ゲルハート、マーティン
Original assignee: フレクストロニクスインターナショナルコルラートルトフェレレーッシェーギュータールシャシャーグ
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2018-02-07
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: CN103733472A; WO2012113758A1; JP2014508884A; US9688149B2; US20140042804A1; EP2493052A1

Description

関連出願

本出願は、２０１１年２月２２日に出願された欧州特許出願第ＥＰ１１１５５４０２．８号、発明の名称「Spannungsstabilisierungseinrichtung」の優先権を主張し、この文献の全体は、引用によって本願に援用される。

本発明は、電圧敏感コンシューマ機器（voltage-sensitive consumer）を安定させるための自動車電気系統（motor vehicle electrical system）の電圧安定化装置に関する。

以下に説明するタイプの電圧安定化装置は、特に、始動−停止システム（start-stop system）における電圧安定化のために用いられる。始動−停止システムの動作原理については、関連分野で多く記述されているため、ここでは詳細には説明しない。通常の始動プロセスでは、スタータが高パワーを要求する。これによって、自動車電気系統の電圧は、エンジンを始動させるときに、通常の１２Ｖから、最小６Ｖまで低下することがある。エンジンを停止後に再び始動（リスタート）させると、例えば、突然の電圧降下のために、オーディオ及びナビゲーションシステムもリスタートされることがある。特に、自動車の乗員が気付かないようなエンジンの静かな停止及び始動を保証することが特別に意図された始動−停止システムでは、このような電圧降下は、容認できない。

始動プロセスの間のこのような問題を回避するために、従来の自動車の始動−停止システムには、始動プロセスの間の電流を制御し、電圧敏感コンシューマ機器（voltage-sensitive consumer）における入力電圧より高い出力電圧を供給するための、スイッチング回路によってブリッジ可能なブーストコンバータとも呼ばれるＤＣ／ＤＣステップアップコンバータが設けられている。始動プロセスでは、電流は、自動車バッテリから単独的にＤＣ／ＤＣステップアップコンバータを介して流れ、これによって、自動車電気系統の少なくとも一部の電圧を安定させる。始動プロセスが終了すると、スイッチが閉じられ、電流は、スイッチング回路を経由し、ＤＣ／ＤＣステップアップコンバータは、解放される。既知の電圧安定化装置は、ＤＣ／ＤＣステップアップコンバータユニットの使用によってコストが高くなるという問題がある。

したがって、本発明の目的は、上述と同様の効果を有すると共に、より低コストで製造できる電圧安定化装置を提供することである。

上述の課題を解決するために、請求項１の特徴を有する電圧安定化装置を提案する。自動車電気系統の電圧安定化装置は、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器を安定化させることに役立ち、ＤＣ／ＤＣ変換器回路と、エネルギ蓄積デバイスと、エネルギ源と、１つの切換スイッチとを備え、ＤＣ／ＤＣ変換器回路は、自動車電気系統の通常の（図３、第２の）動作の間、入出力端子がエネルギ蓄積デバイスの正極及び負極の端子にそれぞれ直接に接続され、エネルギ蓄積デバイスは、ＤＣ／ＤＣ変換器回路によって充電可能であると共に必要に応じて、安定化電圧（Ｕ _ＳＴＡＢ）を上記電圧敏感コンシューマ機器（９）に供給可能であり、切換スイッチは、１回路２接点（単極双投）型であり、第１の動作状態と第２の動作状態とに応じて切り替え可能であり、第１の（図２、始動）動作状態では、エネルギ源の電圧降下が生じているときに、エネルギ源及びエネルギ蓄積デバイスの両方から、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器へ電力を供給し、第２の（図３、通常）動作状態では、エネルギ源から、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器へ電気接続すると供に、ＤＣ／ＤＣ変換器回路及びエネルギ蓄積デバイスから、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器への電気接続を切り離すように設計及び構成されている。
また、請求項１１の特徴を有する電圧安定化装置を提案する。自動車電気系統の電圧安定化装置は、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器を安定化させることに役立ち、エネルギ源と、エネルギ蓄積デバイスと、エネルギ蓄積デバイスの両端に結合されたＤＣ／ＤＣ変換器回路と、１つの切換スイッチとを備え、エネルギ源は、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器に動作電圧を供給し、ＤＣ／ＤＣ変換器回路は、自動車電気系統の通常の動作の間、エネルギ源の両端には結合されておらず、エネルギ蓄積デバイスは、自動車電気系統の通常（図３、第２）の動作の間、エネルギ源に電気接続されてＤＣ／ＤＣ変換器回路によって充電可能であり、切換スイッチは、１回路２接点（単極双投）型であり、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器とエネルギ蓄積デバイスとの間の電気的接続を可能にし、エネルギ蓄積デバイスが、必要に応じて、安定化電圧を電圧敏感コンシューマ機器に供給するように設計及び構成されている。

本発明の一実施形態では、特に始動プロセスによって生じる電圧降下の際にステップアップコンバータを経由させるバッテリ電流の経路変更（rerouting）に代えて、追加的なエネルギ源によって安定化電圧を供給し、この追加的なエネルギ源は、自動車電気系統（motor vehicle electrical system）（以下「自動車電気系統（vehicle electrical system）」と呼ぶ。）の「通常動作」の間に簡単にＤＣ／ＤＣ変換器回路によって再充電できる。ここで、「通常動作」とは、電圧降下がない自動車電気系統の動作を意味し、したがって、自動車の始動プロセスの前後の自動車電気系統の通常の状態を意味する。本発明の実施形態は、従来の電圧安定化装置と比較して、重要な利点を有する。例えば、本発明による電圧安定化装置の実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器回路に必要な電力、すなわちエネルギ蓄積デバイスを充電する電力をかなり小さなものにすることができる。この結果、電圧安定化装置の全体の寸法を小さくでき、製造コストを低減することができる。更なる利点として、電磁適合性（electromagnetic compatibility：ＥＭＣ）が向上する。

エネルギ蓄積デバイスは、キャパシタ、特にスーパーキャパシタ（supercapacitor／supercap）とも呼ばれる二重層キャパシタであることが好ましい。二重層キャパシタは、特に、擬似容量キャパシタ（pseudocapacitor）として設計することができる。なお、エネルギ蓄積デバイスとしてキャパシタの代わりにバッテリを使うことも想到できる。ＤＣ／ＤＣ変換器回路及びエネルギ蓄積デバイスは、好ましくは、並列接続され、これにより、自動車電気系統の通常動作では、ＤＣ／ＤＣ変換器回路は、エネルギ蓄積デバイスを充電でき、動作電圧は、エネルギ源、特に自動車バッテリによって、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器に供給される。切換スイッチは、リレーであってもよい。但し、原理的には、他のタイプのスイッチを使用することもできる。切換スイッチは、自動車電気系統の通常の動作の間、エネルギ源が単独で生成する動作電圧を電圧敏感コンシューマ機器に供給し、自動車電気系統に電圧降下が生じると、エネルギ蓄積デバイスの安定化電圧を追加的にコンシューマ機器に供給するように切り換えられるように構成することが好ましい。更に、エネルギ蓄積デバイスの充電を制御し、及び切換スイッチのスイッチングのタイミングを制御する制御デバイスを設けることが好ましい。制御デバイスは、好ましくは、マイクロコントローラを含み、正しいタイミングで切換スイッチを切り換え、ＤＣ／ＤＣ変換器によって、望ましい又は適切な電圧でエネルギ源を充電する。制御デバイスは、エネルギ蓄積デバイスの充電状態を監視し、エネルギ蓄積デバイスの最大充電電圧を定めることが可能であることが好ましい。更に、制御デバイスは、診断機能を有していてもよく、これにより例えば、電圧安定化装置の異常を検出し、適切な対策を導入することができる。

以下の図面に基づいて、本発明を詳細に説明する。

本発明の幾つかの実施形態に基づく電圧安定化装置の回路図である。本発明の幾つかの実施形態に基づく第１の動作状態における電圧安定化装置の回路図である。本発明の幾つかの実施形態に基づく第２の動作状態における電圧安定化装置の回路図である。

以下の記述は、当業者が本発明を製造及び利用できるようにするためのものであり、本発明及びその要求のコンテキストにおいて提供するものである。当業者にとって、ここに開示する実施形態を様々に変更できることは明らかであり、ここに開示する包括的な原理は、他の実施形態にも適用できる。したがって、本発明は、ここに開示する実施形態に限定されず、ここに説明する原理及び特徴に対応する最も広い範囲を含むと解釈される。

図１は、本発明の幾つかの実施形態に基づく電圧安定化装置（voltage stabilization apparatus）１の回路図である。電圧安定化装置１は、ＤＣ／ＤＣ変換器回路３と、エネルギ蓄積デバイス５と、切換スイッチ（changeover switch）７とを備え、ＤＣ／ＤＣ変換器回路３及びエネルギ蓄積デバイス５は、並列に接続されている。電圧安定化装置１は、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（voltage-sensitive consumer）９に電圧降下が生じた場合、安定化電圧Ｕ_ＳＴＡＢを供給する。ここで、電圧敏感コンシューマ機器とは、電圧降下のようなイベントで突然停止してしまう可能性がある、例えば、エンターテインメントデバイス又はインフォテインメントデバイス（例えば、カーラジオ及び他の娯楽制御デバイス（comfort control devices））である。このようなデバイスの中断は、許容されず、本発明によれば、安定化電圧を供給することによって防止される。

エネルギ源１１は、電圧敏感コンシューマ機器９に動作電圧Ｕ_Ｂを供給し、エネルギ源１１は、通常、バッテリ、特に自動車バッテリである。

切換スイッチ７は、好ましくは、リレーとして設計され、エネルギ蓄積デバイス５を電圧敏感コンシューマ機器９に接続又は切断する。図１では、単に一例として、１つのコンシューマ機器を示しているが、電圧安定化装置１によって複数のコンシューマ機器を安定化させることができる。切換スイッチ７は、２つのスイッチング状態を有することができ、第１のスイッチング状態１３では、コンシューマ機器９とエネルギ蓄積デバイス５とを直列に接続し、この結果、コンシューマ機器９と、エネルギ蓄積デバイス５と、エネルギ源１１とが閉じた電気回路を形成する。このスイッチング状態では、動作電圧Ｕ_Ｂ及び安定化電圧Ｕ_ＳＴＡＢの両方がコンシューマ機器に供給される。切換スイッチ７の第２のスイッチング状態１５では、エネルギ蓄積デバイス５がバイパスされ、この結果、エネルギ源１１が直接的に直列接続される。したがって、このスイッチング状態では、コンシューマ機器には、動作電圧Ｕ_Ｂだけが供給される。図１では、切り換えられるスイッチング状態を明瞭にするための接続線によって、２つのスイッチング状態１３、１５を図式的に表現している。

２つのスイッチング状態１３、１５の間の切換は、好ましくは、図示していない制御デバイスによって制御され、制御デバイスは、自動車電気系統の条件に応じて、特定の時点でスイッチングのタイミングを制御する。

以下、図２及び図３を用いて、電圧安定化装置１の動作原理について説明する。図２は、第１の動作状態における電圧安定化装置１の回路図を示している。

第１の動作状態は、特に自動車の始動プロセスに起因する電圧フリッカ又は電圧降下の間に、上述した制御デバイスによって導入される。この場合、切換スイッチ７は、コンシューマ機器９と、接続点１７との間の直列接続を実現することによって、エネルギ蓄積デバイス５を電流回路に切換え、接続点１７は、ＤＣ／ＤＣ変換器回路３とエネルギ蓄積デバイス５の正極との間にあり、エネルギ源１１の他方の接続点１９は、フリーの状態にある。これによって、コンシューマ機器の電圧Ｕ_Ｖは、低下せず、エネルギ蓄積デバイス５によって安定化されることが確実になる。このように、安定化電圧Ｕ_ＳＴＡＢは、コンシューマ機器９における電圧降下を相殺するように動作する。

図２から明らかなように、電圧安定化装置１の第１の動作状態では、電流は、エネルギ源１１から、エネルギ蓄積デバイス５を介して、安定化される負荷、すなわち、コンシューマ機器９に供給される。このようにして、低下した動作電圧Ｕ_Ｂは、エネルギ蓄積デバイス５の安定化電圧Ｕ_ＳＴＡＢによって持ち上げられ、安定化電圧Ｕ_ＳＴＡＢの大きさは、充電プロセスの間、制御デバイスによって「調整可能（adjustable）」である。

図３は、第２の動作状態における電圧安定化装置１の回路図を示している。

第２の動作状態は、電圧降下が生じていないとき、又は既に終了しているとき、すなわち、特に、自動車の始動プロセスの前又は後の「通常動作」の間に制御デバイスによって導入される。この場合、切換スイッチ７は、エネルギ源１１の接続点１９とコンシューマ機器９との間の接続を実現し、これによりコンシューマ機器９は、エネルギ源１１に直接的に接続され、エネルギ蓄積デバイス５は、言わば、スイッチオフの状態になる。この場合、電流は、エネルギ蓄積デバイス５を介さず、エネルギ源１１からコンシューマ機器９に直接的に流れる。この結果、コンシューマ機器には、動作電圧Ｕ_Ｂ（すなわち、実質的にＵ_Ｖ−Ｕ_Ｂ）のみが印加される。

図３に示す第２の動作状態では、エネルギ蓄積デバイス５は、エネルギ源１１からＤＣ／ＤＣ変換器回路３によって充電され、充電プロセスは、好ましくは、通常、マイクロコントローラを有する制御デバイスによって制御される。制御デバイスは、好ましくは、エネルギ蓄積デバイス５の充電状態を監視し、最大充電電圧を定めることができる。

このように、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器９に安定化電圧を必要に応じて確実に供給でき、更に、ＤＣ／ＤＣ変換器回路３を介してエネルギ源１１によって再充電可能なエネルギ蓄積デバイス５を使用することによって、より小さいＤＣ／ＤＣ変換器回路を使用することができ、これによって、本発明に基づく電圧安定化装置１の実施形態の必要な組立空間及びコストを削減することができる。

１電圧安定化装置
３ＤＣ／ＤＣ変換器回路
５エネルギ蓄積デバイス
７切換スイッチ
９電圧敏感コンシューマ機器
１１エネルギ源
１３第１のスイッチング状態
１５第２のスイッチング状態
１７接続点
１９接続点
Ｕ_ＳＴＡＢ安定化電圧
Ｕ_Ｂ動作電圧
Ｕ_Ｖコンシューマ機器電圧
本発明の構造及び作用の原理の理解を容易にするために、詳細を含む特定の実施形態を参照して本発明を説明した。このような特定の実施形態及びその詳細への参照は、添付の特許請求の範囲の範囲を限定することを意図するものではない。例示のために選択された実施形態は、特許請求の範囲によって画定される本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、様々に変更できることは、当業者にとって明らかである。

Claims

少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）を安定化させる自動車電気系統の電圧安定化装置（１）において、
ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）と、エネルギ蓄積デバイス（５）と、エネルギ源（１１）と、１つの切換スイッチ（７）とを備え、
上記ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）は、上記自動車電気系統の通常の動作の間、入出力端子が上記エネルギ蓄積デバイス（５）の正極及び負極の端子にそれぞれ直接に接続され、
上記エネルギ蓄積デバイス（５）は、上記ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）によって充電可能であると共に必要に応じて、安定化電圧（Ｕ _ＳＴＡＢ）を上記電圧敏感コンシューマ機器（９）に供給可能であり、
上記切換スイッチ（７）は、１回路２接点（単極双投）型であり、第１の動作状態と第２の動作状態とに応じて切り替え可能であり、
上記第１の動作状態では、エネルギ源（１１）の電圧降下が生じているときに、上記エネルギ源（１１）及び上記エネルギ蓄積デバイス（５）の両方から、少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）へ電力を供給し、
上記第２の動作状態では、上記エネルギ源（１１）から、上記少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）へ電気接続すると供に、上記ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）及び上記エネルギ蓄積デバイス（５）から、上記少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）への電気接続を切り離すように設計及び構成されている電圧安定化装置。
上記エネルギ蓄積デバイス（５）は、キャパシタである請求項１記載の電圧安定化装置。
上記キャパシタは、二重層キャパシタである請求項２記載の電圧安定化装置。
上記ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）及び上記エネルギ蓄積デバイス（５）は、並列に接続されている請求項１乃至３いずれか１項記載の電圧安定化装置。
上記自動車電気系統の通常の動作では、エネルギ源（１１）が単独で、上記少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）に動作電圧（Ｕ_Ｂ）を供給する請求項１乃至４いずれか１項記載の電圧安定化装置。
上記切換スイッチ（７）は、リレーとして設計されている請求項１乃至５いずれか１項記載の電圧安定化装置。
上記切換スイッチ（７）は、上記自動車電気系統の通常の動作の間、エネルギ源（１１）が単独で生成する動作電圧（Ｕ_Ｂ）を上記電圧敏感コンシューマ機器（９）に供給し、上記自動車電気系統に電圧降下が生じると、上記エネルギ蓄積デバイス（５）の安定化電圧（Ｕ_ＳＴＡＢ）を追加的にコンシューマ機器（９）に供給するように切り換えられる請求項１乃至６いずれか１項記載の電圧安定化装置。
上記エネルギ蓄積デバイス（５）は、上記自動車電気系統の通常の動作の間、上記ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）によって単独で充電可能である請求項１乃至７いずれか１項記載の電圧安定化装置。
上記エネルギ蓄積デバイス（５）の充電を制御し、及び上記切換スイッチ（７）のスイッチングのタイミングを制御する制御デバイスを更に備える請求項１乃至８いずれか１項記載の電圧安定化装置。
上記制御デバイスは、上記エネルギ蓄積デバイス（５）の充電状態を監視し、該エネルギ蓄積デバイス（５）の最大充電電圧を定めることが可能である請求項９記載の電圧安定化装置。
少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）を安定化させる自動車電気系統の電圧安定化装置（１）において、
エネルギ源（１１）と、エネルギ蓄積デバイス（５）と、該エネルギ蓄積デバイス（５）の両端に結合されたＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）と、１つの切換スイッチ（７）とを備え、
上記エネルギ源（１１）は、上記少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）に動作電圧（Ｕ_Ｂ）を供給し、
上記ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）は、上記自動車電気系統の通常の動作の間、上記エネルギ源（１１）の両端には結合されておらず、
上記エネルギ蓄積デバイス（５）は、上記自動車電気系統の通常の動作の間、上記エネルギ源（１１）に電気接続されて上記ＤＣ／ＤＣ変換器回路（３）によって充電可能であり、
上記切換スイッチ（７）は、１回路２接点（単極双投）型であり、上記少なくとも１つの電圧敏感コンシューマ機器（９）と上記エネルギ蓄積デバイス（５）との間の電気的接続を可能にし、上記エネルギ蓄積デバイス（５）が、必要に応じて、安定化電圧（Ｕ_ＳＴＡＢ）を上記電圧敏感コンシューマ機器（９）に供給するように設計及び構成されている電圧安定化装置。