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課題・解決手段

本発明は、原動機付乗物のための電気系統(1)であって、電気系統は、少なくとも1つの低電圧消費機器(29)のための低電圧サブネットワーク(21)と、少なくとも1つの高電圧消費機器(25)のための高電圧サブネットワーク(20)と、始動発電機(30)と、を有し、高電圧サブネットワーク(20)は、結合ユニット(33)を介して低電圧サブネットワーク(21)と接続され、結合ユニット(33)は、高電圧ネットワーク(20)からエネルギーを取得して低電圧ネットワーク(21)に伝達するよう構成され、高電圧サブネットワーク(20)はバッテリ(40)を有し、バッテリ(40)は、高電圧を生成して高電圧サブネットワーク(20)へと出力するよう構成され、及び、結合ユニット(33)へと案内される個別電圧タップ(42)を備えた少なくとも2つのバッテリユニット(41)を有する、上記電気系統(1)に関する。結合ユニット(33)は、バッテリユニット(41)を低電圧サブネットワーク(21)へと選択的に接続するよう構成される。本発明はさらに、内燃機関と、このような電気系統と、を備えた原動機付乗物に関する。

概要

背景

内燃機関を備える原動機付車両には、内燃機関のための電気始動機又はスタータ、及び原動機付車両の他の電気装置への電力供給のために、標準的に12ボルトで駆動する電気系統が設けられている。内燃機関の始動時には、電気系統を介して、スタータバッテリによって電圧がスタータに供給される。このスタータは、例えば対応する始動信号によりスイッチが閉鎖された場合に、内燃機関を起動する。内燃機関が始動した場合には、内燃機関は発電機を駆動し、この発電機は、約12ボルトの電圧を生成して、電気系統を介して車両内の様々な電気消費機器に提供する。その際に、発電機は、始動過程によって負荷が掛かったスタータバッテリの再充電も行う。バッテリが電気系統を介して充電される場合には、実際の電圧が、公称電圧を上回っている可能性があり、例えば14V又は14.4Vでありうる。電圧が12V又は14Vの電気系統は、本開示の範囲においては低電圧電気系統と呼ばれる。

電気自動車及びハイブリッド自動車には、公称電圧が48Vの他の電気系統を実装することが知られており、本発明の範囲においては高電圧電気系統とも呼ばれる。

概要

本発明は、原動機付乗物のための電気系統(1)であって、電気系統は、少なくとも1つの低電圧消費機器(29)のための低電圧サブネットワーク(21)と、少なくとも1つの高電圧消費機器(25)のための高電圧サブネットワーク(20)と、始動発電機(30)と、を有し、高電圧サブネットワーク(20)は、結合ユニット(33)を介して低電圧サブネットワーク(21)と接続され、結合ユニット(33)は、高電圧ネットワーク(20)からエネルギーを取得して低電圧ネットワーク(21)に伝達するよう構成され、高電圧サブネットワーク(20)はバッテリ(40)を有し、バッテリ(40)は、高電圧を生成して高電圧サブネットワーク(20)へと出力するよう構成され、及び、結合ユニット(33)へと案内される個別電圧タップ(42)を備えた少なくとも2つのバッテリユニット(41)を有する、上記電気系統(1)に関する。結合ユニット(33)は、バッテリユニット(41)を低電圧サブネットワーク(21)へと選択的に接続するよう構成される。本発明はさらに、内燃機関と、このような電気系統と、を備えた原動機付乗物に関する。

目的

内燃機関が始動した場合には、内燃機関は発電機を駆動し、この発電機は、約12ボルトの電圧を生成して、電気系統を介して車両内の様々な電気消費機器に提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

原動機付乗物のための電気系統(1)であって、前記電気系統(1)は、少なくとも1つの低電圧消費機器(29)のための低電圧サブネットワーク(21)と、少なくとも1つの高電圧消費機器(25)のための高電圧サブネットワーク(20)と、始動発電機(30)と、を有し、前記高電圧サブネットワーク(20)は、結合ユニット(33)を介して前記低電圧サブネットワーク(21)と接続され、前記結合ユニット(33)は、前記高電圧ネットワーク(20)からエネルギーを取得して前記低電圧ネットワーク(21)に伝達するよう構成され、前記高電圧サブネットワーク(20)は、バッテリ(40)を有し、前記バッテリ(40)は、高電圧を生成して前記高電圧サブネットワーク(20)へと出力するよう構成され、及び、前記結合ユニット(33)へと案内される個別電圧タップ(42)を備えた少なくとも2つのバッテリユニット(41)を有し、前記結合ユニット(33)は、前記バッテリユニット(41)を前記低電圧サブネットワーク(21)へと選択的に接続するよう構成される、電気系統(1)。

請求項2

前記バッテリユニット(41)は各々低電圧を提供するために設計されることを特徴とする、請求項1に記載の電気系統(1)。

請求項3

前記結合ユニット(33)は、逆阻止能力を有するスイッチ(44、45)を有することを特徴とする、請求項1〜2のいずれか1項に記載の電気系統(1)。

請求項4

前記結合ユニット(33)は、順阻止能力を有するスイッチ(90)を有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気系統(1)。

請求項5

前記結合ユニット(33)は、前記低電圧サブネットワーク(21)に対して少なくとも2つのバッテリユニット(41)を互いに並列に接続するよう構成されることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気系統(1)。

請求項6

前記結合ユニット(33)は、前記高電圧サブネットワーク(20)に対して少なくとも2つのバッテリユニット(41)を直列に接続するよう構成されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気系統(1)。

請求項7

前記低電圧サブネットワーク(21)は、コンデンサ(28)を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気系統(1)。

請求項8

前記電気系統(1)は、前記バッテリユニット(41)の接続のために前記結合ユニット(33)を制御する制御装置を有することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気系統(1)。

請求項9

内燃機関と、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気系統(1)と、を備えた原動機付乗物。

技術分野

0001

本発明は、原動機付乗物のための電気系統、及び、このような電気系統を備える原動機付乗物に関する。

背景技術

0002

内燃機関を備える原動機付車両には、内燃機関のための電気始動機又はスタータ、及び原動機付車両の他の電気装置への電力供給のために、標準的に12ボルトで駆動する電気系統が設けられている。内燃機関の始動時には、電気系統を介して、スタータバッテリによって電圧がスタータに供給される。このスタータは、例えば対応する始動信号によりスイッチが閉鎖された場合に、内燃機関を起動する。内燃機関が始動した場合には、内燃機関は発電機を駆動し、この発電機は、約12ボルトの電圧を生成して、電気系統を介して車両内の様々な電気消費機器に提供する。その際に、発電機は、始動過程によって負荷が掛かったスタータバッテリの再充電も行う。バッテリが電気系統を介して充電される場合には、実際の電圧が、公称電圧を上回っている可能性があり、例えば14V又は14.4Vでありうる。電圧が12V又は14Vの電気系統は、本開示の範囲においては低電圧電気系統と呼ばれる。

0003

電気自動車及びハイブリッド自動車には、公称電圧が48Vの他の電気系統を実装することが知られており、本発明の範囲においては高電圧電気系統とも呼ばれる。

課題を解決するための手段

0004

本発明は、原動機付乗物のための電気系統であって、電気系統は、少なくとも1つの低電圧消費機器のための低電圧サブネットワークと、少なくとも1つの高電圧消費機器のための高電圧サブネットワークと、始動発電機と、を有し、高電圧サブネットワークは、結合ユニットを介して低電圧サブネットワークと接続され、結合ユニットは、高電圧ネットワークからエネルギーを取得して低電圧ネットワークに伝達するよう構成され、高電圧サブネットワークはバッテリを有し、バッテリは、高電圧を生成して高電圧サブネットワークへと出力するよう構成され、及び、結合ユニットへと案内される個別電圧タップを備えた少なくとも2つのバッテリユニットを有し、結合ユニットは、バッテリユニットを低電圧サブネットワークへと選択的に接続するよう構成される、上記電気系統を提供する。

0005

本発明は、低電圧サブネットワークによって、第1の低い電圧が指定された電気消費機器が駆動され、高出力消費機器のためには、高電圧サブネットワーク、即ち第1の電圧に対して電圧が上げられているサブ電気系統が提供されるという利点を有する。低電圧サブネットワークへの電力供給は、高電圧サブネットワーク内での充電過程及び放電過程と重なっている。高電圧サブネットワークを介した低電圧サブネットワークへの電力供給は単方向に行われ、即ち、結合ユニットは、好適に一方向にのみエネルギー転送を提供する。

0006

電気系統は、例えば風力発電所のような定置型の適用においても、例えばハイブリッド自動車及び電気自動車等の車両でも、使用されうる。特に、電気系統は、スタートストップシステムを有する車両で使用されうる。

0007

紹介されるシステム、即ち、電気系統と、これに属する制御装置、即ち例えばバッテリ管理システムとは、特に、48V系発電機及び14V系スタータを有する車両での使用に適しており、その際に、14V系スタータは、好適にスタートストップシステムのために設計されている。

0008

紹介されるシステムは、特に、所謂ブースト回生システム(BRS)を有する車両での使用に適している。ブースト回生システム(BRS)では、制動過程において、山道走行の際に、又は、コースティング惰性)駆動(Segelbetrieb)時に電気エネルギーが獲得され、この電気エネルギーが電気消費機器に供給される。BRSによってシステムの効率が向上し、従って、燃料が節約され又は排気量が削減されうる。その際に、高電圧サブネットワーク内のバッテリは、内燃機関をサポートすることが可能であり、このことは所謂ブースト(Boost)と呼ばれ、又は、上記バッテリは、短い区間を低速で、純粋に電気で走行するために使用され、例えば電動駐車する際又は駐車場から出る際に使用されうる。

0009

「バッテリ」及び「バッテリユニット」という概念は、本明細書では、通常の言語使用に合わせて、蓄電池又は蓄電ユニットのために利用される。バッテリは、1つ以上のバッテリユニットを含み、このバッテリユニットは、バッテリセルバッテリモジュールモジュール線、又はバッテリパックを表しうる。その際に、バッテリセルは、好適に空間的にまとめられて、回路技術により互いに接続され、例えば直列又は並列に接続されてモジュールとなる。複数のモジュールは、所謂バッテリダイレクトコンバータ(BDC:battery direct converter)を形成し、複数のバッテリダイレクトコンバータは、バッテリダイレクトインバータ(BDC:battery direct inverter)を形成しうる。

0010

独立請求項で示される主題の有利な発展形態及び改良例は、独立請求項に記載された措置によって可能である。

0011

従って、選択的に接続可能なバッテリユニットが各々、低電圧を提供するために設計される場合には有利である。即ち、例えばスタートストップシステムをサポートするために低電圧を提供するように、バッテリユニットが代わる代わる要求され、これにより、バッテリユニットの寿命が長くなる。

0012

好適な実施形態によれば、逆阻止能力を有する少なくとも1つのスイッチを有する。好適に、逆阻止能力を有するスイッチは、選択的に接続可能なバッテリユニットを低電圧サブネットワークへと接続し又は当該低電圧サブネットワークから分離するために適している。このスイッチは、「オン」状態では、一方向にのみ電流の流れを可能にし、「オフ」状態では、両方の極性逆電圧受け入れられるという特性を有する。

0013

バッテリユニットが低電圧サブネットワークに接続される際には、好適に、逆阻止能力のある少なくとも1つのスイッチが、特に好適に、逆阻止能力を有する2つのスイッチが作動される。低電圧サブネットワークからバッテリユニットが分離される際にも同様に、好適に逆阻止能力のある少なくとも1つのスイッチが、特に好適に、逆阻止能力を有する2つのスイッチが作動される。

0014

好適な実施形態によれば、結合ユニットは、順阻止能力を有する少なくとも1つのスイッチを有する。好適に、順阻止能力を有するスイッチは、選択的に接続可能なバッテリユニットを直列に接続させるために適している。好適に、2つのバッテリユニットの間の線が切断される際に、順阻止能力を有する少なくとも1つのスイッチが作動されることが構想される。同様に、上記2つのバッテリユニットの間の線が接続される際には、順阻止能力を有する少なくとも1つのスイッチが作動されることが構想される。

0015

好適な実施形態によれば、結合ユニットは、低電圧サブネットワークに対して少なくとも2つのバッテリユニットを互いに並列に接続するよう構成される。これにより、2つのバッテリユニットの充電状態が著しく異なっている際には、より高い充電状態を有し又はより高い電圧を提供するバッテリユニットから、低電圧サブネットワークへの電力供給が行われる。バッテリユニットの充電状態が同じであり又は類似している際には、低電圧サブネットワークは、両方のバッテリユニットから電力供給される。

0016

好適な実施形態によれば、結合ユニットは、高電圧サブネットワークに対して少なくとも2つのバッテリユニットを直列に、即ち互いに一列に接続するよう構成される

0017

さらに、低電圧サブネットワークが少なくとも1つのコンデンサを有することが構想されうる。コンデンサは、好適に、接続されるバッテリユニットの変更の際に低電圧を引き続き安定化させるよう構成される。さらに、コンデンサは好適に、少なくとも短期間の間低電圧を生成して低電圧サブネットワークへと出力するよう構成されたエネルギー貯蔵器としても適している。

0018

電気系統電流が可能な限り小さい時点に上記切り替えが行われる場合には、低電圧サブネットワークでの電圧降下が有利にさらに減らされる。このことは、例えば、電気系統電流のための信号の評価、及び、当該評価に依存した、結合ユニットのスイッチの駆動によって行われうる。さらに、消費機器管理システムとの同期化も、例えば暖房システム等の高出力消費機器を短時間の間快適性を失わずに停止させるために、重大な電圧降下を起こさずにバッテリユニットの切り替え過程を可能とするために、行われうる。

0019

好適に、電気系統は、バッテリユニットの接続のために結合ユニットを制御する制御装置を有する。制御装置は、例えば、バッテリに対応付けられたバッテリ管理システムに対応付けられ、バッテリ管理システムは、例えば、バッテリ又はバッテリユニットの温度と、提供された電圧と、放出された電流と、充電状態と、についての測定データを収集し、処理し、これに基づき例えば、バッテリの健康状態について言明を行うよう構成された更なる別のユニットを備える。結合ユニットを制御する制御装置は、コンピュータプログラムを有してもよく、このコンピュータプログラムは、例えば、永久記憶媒体若しくは書き換え可能な記憶媒体等の、機械読み取り可能な記憶媒体に格納されてもよく、又は、コンピュータ装置付属品に格納されてもよく、例えば、CD−ROM、DVD、ブルーレイ(Blu−ray、登録商標ディスク、USBスティック、若しくは、メモリカード等の、携帯可能なメモリに格納されてもよい。追加的又は代替的に、コンピュータプログラムは、例えばインタネット等のデータネットワークを介した又は電話線若しくは無線接続等の通信接続を介した、ダウンロードのために、例えばサーバ又はクラウドサーバ等のコンピュータ装置上に提供されてもよい。

0020

本発明によれば、さらに、内燃機関と、以前に記載された電気系統と、を備えた原動機付乗物が示される。

発明の効果

0021

本発明は、車両のためのリチウムイオンバッテリシステムの安価な電気系統を提供し、この電気系統は、高電圧サブネットワークと、低電圧サブネットワークと、低電圧サブネットワークに対して単方向に電力供給するブースト回生システムと、を有する。その際に、公知のシステムに対して、絶縁型DC/DCコンバータ、及び、鉛蓄電池を無くすことが可能である。さらに、低電圧サブネットワーク内に別体のスタータが必要ではない。従って本システムは、容積が減って、現在開発中のブースト回生システムに対して軽量化されていることにより卓越している。さらに、ブースト回生システムは、適切な設計において、現在開発中のブースト回生システムに対して明らかにより多くのエネルギーを貯蔵し、これにより、より長い制動過程又は山道走行の際に、より多くの電気エネルギーをシステム内で回収することが可能である。

図面の簡単な説明

0022

本発明の実施例が図面に示され、以下の明細書の記載において詳細に解説される。
従来技術による低電圧サブネットワークを示す。
高電圧サブネットワーク、低電圧サブネットワーク、及び単方向型の絶縁型DC/DCコンバータを備えた電気系統を示す。
高電圧サブネットワーク、低電圧サブネットワーク、及び双方向型の絶縁型DC/DCコンバータを備えた電気系統を示す。
高電圧サブネットワーク、低電圧サブネットワーク、及び単方向型の非絶縁型DC/DCコンバータを備えた電気系統を示す。
例示的な駆動状態における結合ユニットを示す。
他の例示的な駆動状態における図5の結合ユニットを示す。
更に別の例示的な駆動状態における図5の結合ユニットを示す。
逆阻止能力を有するスイッチ及び順阻止能力を有するスイッチを示す。

実施例

0023

図1は、従来技術による電気系統1を示している。内燃機関の始動時には、電気系統1を介して、スタータバッテリ10によって電圧がスタータ11に提供される。このスタータ11は、例えば、対応する始動信号によってスイッチ12が閉鎖された場合には、内燃機関(図示せず)を始動させる。内燃機関が始動した場合には、内燃機関は発電機13を駆動し、この発電機13は、約12ボルトの電圧を生成して、電気系統1を介して車両内の様々な電気消費機器14に提供する。その際に、発電機13はさらに、始動過程により負荷が掛かったスタータバッテリ10を再充電する。

0024

図2は、高電圧サブネットワーク20と、低電圧サブネットワーク21と、単方向型の絶縁型DC/DCコンバータ22と、を備えた電気系統1を示しており、単方向型の絶縁型DC/DCコンバータ22が、高電圧サブネットワーク20と低電圧サブネットワーク21との間の結合ユニットを形成する。電気系統1は、車両、特に原動機付乗物(Kraftfahrzeug)、輸送車、又はフォークリフトの電気系統であってもよい。

0025

高電圧サブネットワーク20は、例えば、内燃機関(図示せず)により駆動可能な発電機23を備えた48V系電気系統である。発電機23は、本実施例では、車両の原動機回転運動に従って電気エネルギーを生成して、高電圧サブネットワーク20に供給するよう構成される。高電圧サブネットワーク20はさらに、例えばリチウムイオンバッテリとして構成可能なバッテリ24を備え、このバッテリ24は、必要な駆動電圧を高電圧サブネットワークに出力するよう構成される。高電圧サブネットワーク20には、更なる別の負荷抵抗25が配置され、この負荷抵抗25は例えば、高電圧で駆動される、原動機付乗物の少なくとも1つの電気消費機器によって、好適には複数の電気消費機器によって形成されうる。

0026

DC/DCコンバータ22の出力側に配置された低電圧サブネットワーク21には、内燃機関を始動させるためにスイッチ27を閉鎖するよう構成されたスタータ26と、低電圧サブネットワーク21のための、例えば12V又は14Vの低電圧を提供するよう構成されたエネルギー貯蔵器28と、が配置されている。低電圧サブネットワーク21には、低電圧で駆動される更なる別の消費機器29が配置されている。エネルギー貯蔵器28は、例えばガルバニック電池を含み、特に、完全に充電された状態(SOC(state of charge)=100%)で通常は12.8ボルトの電圧を有する鉛蓄電池によるガルバニック電池を含む。バッテリが放電された際(SOC(state of charge)=0%)には、エネルギー貯蔵器28は、負荷が掛かっていない状態で、典型的に10.8ボルトの端子電圧を有する。低電圧サブネットワーク21での電気系統電圧は、走行駆動時には、温度、及び、エネルギー貯蔵器28の充電状態に従って、およそ10.8〜15ボルトの範囲内にある。

0027

DC/DCコンバータ22は、入力側では、高電圧サブネットワーク20及び発電機23と接続されている。DC/DCコンバータ22は、出力側では、低電圧サブネットワーク21と接続されている。DC/DCコンバータ22は、入力側で受信される直流電圧、即ち例えば、高電圧サブネットワークがそれで駆動する例えば12〜48Vの直流電圧を受信して、入力側で受信される電圧とは異なる出力電圧を生成し、特に、入力側で受信される電圧よりも小さい例えば12V又は14Vの出力電圧を生成するよう構成される。

0028

図3は、高電圧サブネットワーク20と低電圧サブネットワーク21とを備えた電気系統1を示し、高電圧サブネットワーク20と低電圧サブネットワーク21とは、双方向型の絶縁型DC/DCコンバータ31によって接続されている。示される電気系統1は、実質的には図2で示した電気系統のように構成されているが、ここでは、発電機が、高電圧サブネットワークに組み込まれており、サブネットワーク20、21間でのエネルギー転送のために、絶縁型に構成されたDC/DCコンバータ31が使用される。さらに、両方のサブネットワーク20、21に、バッテリ24、28と消費機器25、29とが、図2について記載したように配置されている。実質的には、図3で示すシステムは、スタータが組み込まれていることが異なっている。図2で示したシステムではスタータ26が低電圧サブネットワーク21に配置され、これによりDC/DCコンバータ22が、高電圧サブネットワーク20から低電圧サブネットワーク21へのエネルギー転送のために単方向型に設計されるのに対し、図3で示される構成では、始動発電機30が高電圧サブネットワーク20で使用される。この場合、DC/DCコンバータ31は双方向型に実現され、従って、リチウムイオンバッテリ24が、場合により、低電圧サブネットワーク21を介して充電されうる。その場合には、低電圧車両の始動補助は、低電圧インタフェース、及び、DC/DCコンバータ31を介して行われる。

0029

図4は、高電圧サブネットワーク20及び低電圧サブネットワーク21を備えた電気系統1、即ち例えば、車両、特に、原動機付乗物、輸送車、又はフォークリフトの電気系統1を示している。電気系統1は、特に、48V系発電機と、14V系スタータと、ブースト回生システムと、を備えた車両での使用に適している。

0030

高電圧サブネットワーク20は、始動発電機30を備え、この始動発電機30は、内燃機関(図示せず)を始動させることが可能であり、かつ内燃機関によって駆動されうる。始動発電機30は、車両の原動機の回転運動に従って電気エネルギーを生成して、高電圧サブネットワーク20に供給するよう構成される。高電圧サブネットワーク20には、他の負荷抵抗25が配置されており、この負荷抵抗25は、例えば、高電圧で駆動される、原動機付乗物の少なくとも1つの電気消費機器、好適には複数の消費機器により形成されうる。

0031

高電圧サブネットワーク20は、例えばリチウムイオンバッテリとして構成可能なバッテリ40をさらに含み、このバッテリ40は、48Vの駆動電圧を高電圧サブネットワークに出力するよう構成される。リチウムイオンバッテリ40は、公称電圧が48ボルトの際に、必要な電気エネルギーを貯蔵しうるために、好適に約15Ahの最小容量を有する。

0032

バッテリ40は、複数のバッテリユニット41‐1、41‐2、…41‐nを有し、その際に、このバッテリユニット41には、複数のバッテリセルが対応付けられており、この複数のバッテリセルは、要求される電力データ及びエネルギーデータをバッテリ41によって実現するために、通常では互いに直列に接続され、部分的に更に互いに並列に接続される。

0033

バッテリユニット41‐1、41‐2、…41‐nには、個別の電圧タップ80‐11、80‐12、80‐21、80−22、…80‐n1、80‐n2が対応付けられており、これら個別の電圧タップ80‐11、80‐12、80‐21、80‐22、…80‐n1、80‐n2を介して、結合ユニット33に電圧が伝達される。結合ユニット33は、バッテリ40のバッテリユニット41の少なくとも1つを低電圧サブネットワーク21へと、当該低電圧サブネットワークの駆動又はサポートのために接続し、さらに、上記少なくとも1つのバッテリユニット1を高電圧サブネットワーク20対して適切に接続するというタスクを有する。

0034

結合ユニット33は、高電圧サブネットワーク20を低電圧サブネットワーク21と結合し、出力側で、低電圧サブネットワーク21に、例えば12V又は14Vの必要な駆動電圧を提供する。結合ユニット33の構成及び機能形態は、図5〜7の関連において記載される。

0035

低電圧サブネットワーク21は、例えば14Vの電圧での駆動のために設計された低電圧消費機器29を備える。一実施形態によれば、リチウムイオンバッテリ40は、乗物(Fahrzeug)が停止している際に、消費機器25、29として示される停動電流消費機器への電力供給を行うことが構想される。例えば、ここでは、所謂飛行場検査要件が満たされるということが構想可能であり、その際に、6週間の停止時間の後で飛行機は未だ始動可能であり、バッテリは、例えば盗難警報装置に電力供給するために、上記停止時間の間低電圧サブネットワーク21内の低電圧消費機器29に停動電流を提供する。

0036

任意に、低電圧サブネットワーク21には、短期間で非常に大きな電力を出力することが可能な、即ち高出力に対して最適化された大電力貯蔵器28又は一時貯蔵器が配置される。大電力貯蔵器28は、バッテリユニット41の切り替えの際の過電圧が大幅に回避されるという目的を満たす。大電力貯蔵器28としてコンデンサが使用される場合には、その大きさは、好適に以下のとおりである。

0037

0038

但し、Imaxは、切り替え過程の間に電気系統を流れられる最大電気系統電流であり、tumschaltは、電力供給のためにバッテリユニット41が提供されない時間であり、ΔUmaxは、切り替え過程の間の電気系統電圧の最大許容変化量である。

0039

図5は、双方向型の非絶縁型直流電圧コンバータ(DC/DCコンバータ)として実現された結合ユニット33を示している。結合ユニット33は、逆阻止能力を有するスイッチ44、45を含み、この逆阻止能力を有するスイッチ44、45は、「オン」状態では、一方向にのみ電流の流れを可能とし、「オフ」という第2の状態では、両方の極性の逆電圧を受け入れられるという特性を有する。このことは、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)スイッチのようなシングル半導体スイッチとの基本的な違いである。なぜならば、IGBTスイッチは、逆方向には、その固有ダイオードに基づき逆電圧を受け入れられないからである。電流フローの方向に対する依存性に基づいて、図5には、2つの異なる種類のスイッチ、即ちRSS_I45及びRRS_r44が示されており、これらスイッチRSS_I45及びRRS_r44は、その製造において異なっている必要は無く、極性のみ異なって作成されている。逆阻止能力を有するスイッチ44、45の詳細な構成の一例は、図8との関連で記載される。

0040

結合ユニット33では、バッテリユニット41の個別タップ80が各々、逆阻止能力を有する異なるスイッチRSS_I45とRRS_r44のうちの一方に案内されている。逆阻止能力を有するスイッチRSS_I45は、結合ユニット33の出力側で正極52と接続され、逆阻止能力を有するRRS_r44は、結合ユニット33の出力側で陰極51へと接続される。

0041

結合ユニット33は、順阻止能力を有するスイッチVSS90を備え、この順阻止能力を有するスイッチVSS90は、例えば標準の半導体スイッチでありうる。順阻止能力を有するスイッチ90の詳細な構成の一例は、図8との関連で記載される。結合ユニット33内では、バッテリユニット41の個別タップが、枝のように分かれており、逆阻止能力を有するスイッチに対して並列に、各順阻止能力を有するスイッチVSS90へと案内されている。順阻止能力を有するスイッチVSS90は、スイッチ90が閉鎖される場合には、バッテリユニット41を互いに直列に接続させる。その際に、2つのバッテリユニット41の間に順阻止能力を有するスイッチVSS90が配置されており、従って、n個のバッテリユニット41n‐1が存在する際には、順阻止能力を有するスイッチVSS90‐1、VSS90‐2、…、VSS90‐n‐1が設けられる。

0042

符号73によって、高電圧サブネットワークに電力供給するための、バッテリユニット41を通る電流経路が示される。その際に、順阻止能力を有する全てのスイッチ90が閉鎖されている。

0043

低電圧サブネットワーク21のアースに対する高電圧サブネットワーク20の電圧レベルは、どのバッテリユニット41が接続されるかに依存する。しかしながら、どの駆動状態においても、電位のうちの一方は、高電圧と低電圧との和の高さである電圧限界値を超える値を有さず、即ち、48V系ネットワークと14V系ネットワークの際に約62ボルトを超える値を有さない。しかしながら、低電圧サブネットワーク21のアースに対して負電位が生じる可能性はある。

0044

図6は、例えばバッテリユニット41‐2からの、作動された逆阻止能力を有するスイッチRSS_l45‐i、RSS_r44‐iを介した、低電圧サブネットワーク21への電力供給を示す。その際に、正極52から電流経路71が、逆阻止能力を有するスイッチRSS_l45‐iを介して、接続された第2のバッテリユニット41‐2を介して、逆阻止能力を有する他のスイッチRSS_r44‐iを介して負極51へと通じている。

0045

順阻止能力を有するスイッチ90を利用することによって、低電圧サブネットワーク21に電力供給するために、2つ以上の下位バッテリ41を並列に接続することが可能となる。この場合には、順阻止能力を有するスイッチ90が、状態「オフ」へと制御される。並列に接続されたバッテリユニット41の電圧レベルが異なる際には、低電圧サブネットワーク21へのエネルギーの流れは、電圧レベルがより高い下位バッテリ41のみから生じる。電圧レベルがより高い下位バッテリ41から、電圧レベルがより低い下位バッテリ41へのエネルギーの流れは、電圧がより低い下位バッテリ41に対応付けられた逆阻止能力を有するスイッチ44、45によって阻止される。下位バッテリ41が並列に接続される間、順阻止能力を有するスイッチ90は停止され、発電機は、理想的に、高電圧サブネットワーク20にはエネルギーを供給しない。

0046

一実施形態によれば、電気系統又は制御システムは、順阻止能力を有するスイッチ90が作動された場合にのみバッテリ40が始動発電機30にエネルギーを供給できるように、構成される。バッテリ40の充電のために、順阻止能力を有するスイッチ90は必ずしも作動されている必要はない。なぜならば、順阻止能力を有するスイッチ90の固有のダイオードが充電電流を案内出来るからである。好適に、順阻止能力を有するスイッチ90は、低電圧サブネットワーク21への電力供給のための並行駆動が行われない場合には常に作動され、従って、順阻止能力を有するスイッチ90内での損失電力が低減される。

0047

始動発電機30の駆動は、結合ユニット33の駆動、及び、低電圧サブネットワーク21への電力供給に依存しない。低電圧サブネットワーク21に電力供給する接続されたバッテリユニット41では、低電圧サブネットワーク電流、及び場合によっては、始動発電機30によってバッテリ40全体に供給される充電電流(発電機駆動)による、又は、バッテリ全体40から取得される放電電流モータ駆動(Motorbetrieb))による重複が生じる。バッテリセルの許容限界値、例えば、セル最大許容放電電流を越えない限り、これらの過程は、互いに独立したものとして見なされる。低電圧サブネットワーク21に確実に電力供給するために、常に少なくとも1つのバッテリユニット41が、対応するスイッチ44、45、90を介して結合ユニット33へと接続される。低電圧サブネットワーク21への電力供給が何重にも重複して行われることに基づいて、上記紹介した構造によって、低電圧サブネットワーク21内での電気エネルギーの利用可能性が非常に高いシステムが構築される。

0048

図7は、例えばバッテリユニット41‐1、41‐2からの、作動された逆阻止能力を有するスイッチRSS_l45‐i、RSS_l45‐j、RSS_r44‐i、RSS_r44‐jを介した、低電圧サブネットワーク21への電力供給を示す。正極52から、第1の電流経路71が、逆阻止能力を有するスイッチRSS_l45‐iを介して、第2の接続された第2のバッテリユニット44‐2を介して、逆阻止能力を有する他のスイッチRSS_r44‐iを介して負極51へと通じている。さらに、正極52から、他の電流経路72が、逆阻止能力を有するスイッチRSS_l45‐jを介して、接続された第1のバッテリユニット41‐1を介して、逆阻止能力を有する更なる別のスイッチRSS_r44‐jを介して負極51へと通じている。スイッチ90‐1が開放される場合には、第1のバッテリユニット41‐1及び第2のバッテリユニット41‐2は、低電圧サブネットワーク21に対して並列に接続される。

0049

図8は、逆阻止能力を有するスイッチ44、45及び順阻止能力を有するスイッチ90の可能な構成を示している。その際に、スイッチの導通方向はIで示される。逆阻止能力を有するスイッチRSS_r44は、例えば、IGBT、MOSFET(metal oxide semiconductor field−effect transistor、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)、又はバイポーラトランジスタ101と、これに対して直列に接続されたダイオード103と、を含む。図8では、固有のダイオード102が一緒に示されたMOSFETが示されている。MOSFET101に対して直列に接続されたダイオード103は、MOSFET101の固有のダイオード102の方向とは逆に極性が与えられている。逆方向阻止能力を有するスイッチRSS_r44は、導通方向Iに電流を通し、逆方向に対しては電流を阻止する。逆阻止能力を有するスイッチRSS_l45は、RSS_r44と対応しているが、極性のみ反対の極性で構成されており、従って、導通方向とブロック方向とが交換される。順阻止能力を有するスイッチ90は、MOSFET、IGBT、又はバイポーラトランジスタ101を含み、その際に、その固有のダイオード102も一緒に示されている。スイッチRSS_l45、RSS_r44、及び、VSS90は特に、切り替え過程の際の殆ど気付かない程度の遅延によっても卓越しており、即ち、非常に短い切り替え時間を可能とする。適切な駆動回路を介して、スイッチの停止と作動との間の時間差が非常に厳密に設定されうる。

0050

本発明は、本明細書で思案された実施例、及びそこで強調された観点には限定されない。むしろ、請求項により示された範囲において、当業者の行為に範囲に収まる複数の変更が可能である。

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