CN102084574B - 用于车载电网的电压稳定化的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于尤其是机动车的车载电网(10)的电压稳定化的电路(20，50)，该电路(20，50)布置在要稳定的车载电网和第一储能器(E1)之间的电连接中。电路(20，50)包括二极管元件(24)，该二极管元件(24)包含多个并联的半导体开关(34)；检查和控制电路(33)，该检查和控制电路(33)确定流过二极管元件(24)的电流强度，并根据所确定的电流强度控制二极管元件(24)的半导体开关(34)；以及与二极管元件(24)和车载电网(10)电连接的第二储能器(E2)。

Description

用于车载电网的电压稳定化的电路

技术领域

本发明涉及一种尤其是可用在机动车中的用于车载电网的电压稳定化的电路。

背景技术

在具有短时高电流负载的现代机动车车载电网中，可能短时出现供电问题。例如在装备有起动停止功能的机动车中由于起动过程而导致电压扰动，其中该起动停止功能例如在交通灯处停车时引起发动机的关断以便节省燃料。这些电压扰动可能在不同的连接到车载电网上的设备处有功能丧失的后果。为了解决该问题，从现有技术中公知有不同的方案。

EP0987146B1公布了一种双蓄电池系统，该双蓄电池系统包括一个仅在起动阶段被加载的起动器蓄电池和一个用于车载电网的供电的车载电网蓄电池。起动器蓄电池仅为了充电而经过例如MOSFET的可控电子开关连接到车载电网上，否则与该车载电网断开，使得在起动阶段的电压扰动对于车载电网没有影响。

此外，从DE10301528A1中公知一种用于供应高功率负载的车载电网。根据该发明的车载电网包括两个储能器和一个可控的充电和断开单元。该充电和断开单元实现第一储能器和/或第二储能器与高功率负载的连接，以及第二储能器与车载电网的连接。为了确保高功率负载的无问题的运行，例如在发动机起动阶段将用于发动机起动的第一储能器与高功率负载脱耦，并且仅仅由第二储能器供应该高功率负载。以此方式使高功率负载与通常的车载电网中的电压扰动隔离。在DE10345310A1中公开一种类似的电路系统，其中通过两个反向串联的场效应晶体管实现第二储能器与高功率负载之间的可断开的连接。

此外还存在在起动瞬间通过第一断路继电器将用于发动机起动的起动器蓄电池与车载电网断开的技术方案。于是在起动时间，由第二蓄电池(支持蓄电池)支持车载电网，该第二蓄电池在起动之前经过第二断路继电器接入该车载电网。在这种电路系统中，在机动车的正常运行状态下，闭合第一断路继电器并断开第二断路继电器，使得经过起动器蓄电池供应车载电网。在车辆停止时也保留该能量供应。如果重新起动该车辆，则首先闭合第二断路继电器以连接支持蓄电池，然后断开第一断路继电器，使得仅仅经过支持蓄电池来供应车载电网。当此后借助起动器蓄电池起动发动机时，则由断开的第一断路继电器将起动器蓄电池中的电压降与车载电网断开。在进行了起动之后，闭合第一断路继电器并断开第二断路继电器，由此完全经过起动器蓄电池给车载电网供应能量，并且车辆因此过渡到正常的运行状态下。

发明内容

本发明所基于的任务在于，开发一种尤其是用于机动车的车载电网的电压稳定化的可靠和迅速的电路。

该任务通过具有用于车载电网的电压稳定化的电路和通过具有该电路的机动车来解决。

该任务通过本发明通过如下方式解决：用于尤其是机动车的车载电网的电压稳定化的电路布置在要稳定的车载电网和第一储能器之间的电连接中，包括以下的元件：包含单个半导体开关或多个并联半导体开关的二极管元件、确定流过二极管元件的电流强度并根据所确定的电流强度控制二极管元件的半导体开关的检查和控制电路、以及与二极管元件和车载电网电连接的第二储能器。术语“二极管元件”在这里表示满足二极管功能的电路元件，即通过该元件仅在一个方向实现电流流动。可以有利地将功率半导体、即为高电流(例如＞40A)设计的半导体器件用于二极管元件的半导体开关。在本发明的电路中，二极管元件承担上述第一断路继电器的功能，其方式是该二极管元件负责使得在第一储能器上出现的(例如在机动车中的起动过程中的)电压扰动不反作用到车载电网上。在此情况下，没有电流可以从第二储能器或车载电网流向第一储能器，因为该方向相当于二极管元件的阻断方向。

因此第一储能器一方面从车载电网脱耦，其中该脱耦自动和无延时地进行。二极管元件自主工作并且不需要来自外部的、例如通过其它控制设备(机身控制器或能量管理控制器)的操纵。在电压扰动期间通过第二储能器供应车载电网，使得确保足够的供电。由于例如在机动车车载电网中涌现的直至200A的高电流负荷，不能将诸如pn二极管或肖特基二极管那样的常规二极管用为本发明的二极管元件。在此情况下，根据二极管导通电压，会在二极管中产生过大的损失功率。因此，本发明的二极管元件包括一个半导体开关或由多个半导体开关组成的并联电路。

由确定流过二极管元件的电流的检查和控制电路操纵半导体开关，使得这些半导体开关允许电流从第一储能器流入车载电网，但是在反方向上则阻断。通过采用半导体开关来代替作为机电器件承受磨损现象的断路继电器，保证了高的循环强度，并且此外还保证了快速的响应时间。

因此，本发明的电路具有高的寿命，并且防止例如在机动车起动时的延迟。由于通过二极管元件的采用而不中断电流从第一储能器进入车载电网，因为在此方向上二极管元件导通，所以不需要车载电网的昂贵的能量供应保障。如果在机动车的车载电网中采用本发明的电路，其中在该机动车中设置用于起动发动机的起动器和通过该发动机运行的发电机，则此外还产生下面的优点。由于在本电路中不可能无意地断开从第一储能器通向车载电网的电连接(该无意断开例如在上述的第一断路继电器的情况下在控制装置中的软件或硬件故障时可能出现)，可以在二极管元件之前(也就是使二极管元件位于发电机和车载电网之间)靠近第一储能器地将需要用于车载电网供电的发电机布置在电连接中。这样的构造特别在集成的起动器/发电机元件的情况下是有利的，其中如上述那样的具有两个断路继电器的电路是不可能的，因为在此情况下，在错误地断开断路继电器时不会再通过发电机给车载电网供电。此外，在本发明的电路中，例如在机动车起动过程期间，避免了从第二储能器通向第一储能器的高的补偿电流，因为二极管元件在此方向上阻断。因此防止第二储能器的不希望的放电和电路的可能的损伤。

二极管元件包括分立构造的检查和控制电路。该检查和控制电路可以识别经过二极管元件的电流。对于导通方向上的电流，控制电路接通了半导体开关。如果在接入的瞬间第二储能器(例如支持蓄电池)的电压高于第一储能器(例如起动器蓄电池)的电压，则检查和控制电路的二极管功能用来避免电流方向的反向。由检查和控制电路识别电流反向时的电流过零，并由检查和控制电路阻断半导体开关，使得没有电流可在阻断方向上流动。

在替代的实施形式中，二极管元件还包括与半导体开关并联的二极管，尤其是肖特基二极管。在此情况下，即使当断开半导体开关时，微小的电流(例如在机动车车载电网的情况下I＜10A)可以从第一储能器经过二极管流入车载电网。经过检查和控制电路可以确定流过二极管的电流强度，并且当该强度超过预先规定的第一阈值时，可以由检查和控制电路闭合半导体开关。于是位于第一阈值之上的电流流经二极管和并联的半导体开关，由此避免在二极管上的高的功率损失。如果电流下降到可以不同于第一阈值的预先规定的第二阈值之下，则这由检查和控制电路识别，并且与此相应地断开半导体开关。位于阈值之下的电流于是完全流经二极管。

第二储能器优选是经过开关单元所连接的蓄电池。例如在机动车起动时在第一储能器上出现电压扰动时，蓄电池于是可以经过开关单元连接到车载电网上，以便给该车载电网供电。在此在机动车发动机起动的情况下，可以将点火开关的“端子(Klemme)50”信号用作为开关单元的控制信号。

在优选的实施形式中，该开关单元包括两个反向串联的半导体开关(尤其是功率半导体开关)，优选场效应晶体管。因此可以迅速和不复杂地通过闭合半导体开关来实现蓄电池的接入。为此特别提供场效应晶体管，尤其是可以经过低的栅极电压以最小的延迟开关的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。半导体开关的反向的串联电路在这里表示如下装置：在该装置中两个半导体开关的本征二极管的导通方向是互相相反的，使得在断开开关的情况下，电流不可能从蓄电池通向车载电网，或以相反的方向流动。在场效应晶体管中这相当于一种极性，在该极性下第一晶体管的源极与第二晶体管的源极相对立，或在该极性下第一晶体管的漏极与第二晶体管的漏极相对立。

用于电压稳定化的电路优选还包含用于控制开关单元的半导体开关的微控制器。在此情况下可以控制蓄电池的接入，其方式是微控制器确定经过开关单元的半导体开关的电压和时间上的电压降，将该电压和电压降与预先规定的值进行比较，并且必要时闭合半导体开关。因此不需要从外部的、例如在机动车发动机起动时的“端子50”信号那样的操纵。如果例如电压位于机动车车载电网中的通常12V之下，并出现具有1V/ms的电压变化的电压扰动，则接入蓄电池，并且蓄电池支持车载电网。蓄电池的这样的自主接入不可能用继电器实现，因为继电器具有太长的开关持续时间，因此在经过蓄电池实现车载电网的支持之前，电压会过度扰动。由于二极管元件同样自主地工作，所以车载电网的稳定化过程可以在没有从外部的附加的操纵的情况下执行，这实现了电路的简化的构造和缩短的响应时间。微控制器优选还具有用于监控二极管元件的半导体开关的温度的设备或功能性。因此在超温的情况下可以输出故障报告和相应地控制能量供应。在二极管元件半导体开关的紧迫故障时，例如在机动车车载电网的情况下，可以将能量供应转换到“Limp-Home(跛行回家)”运行(即紧急运行)，其中仅还给对于机动车的运行绝对必要的元件供电。

电路优选还包括用于例如通过测量蓄电池阻抗来检验蓄电池充电状态的设备。如果充电状态达到预先规定的临界点，则可以从第一储能器中或在机动车的情况下通过发电机使蓄电池重新充电。

在另一实施形式中，代替蓄电池也可以将超级电容器(Super-Cap)用作第二储能器。超级电容器是双层电容器，所述双层电容器可以用作为具有高存储密度的储能器，并可以具有从若干法拉直至几千法拉的电容值。超级电容器可以以最短的时间存储和重新输出能量，并因此可以迅速对于车载电网中的电压波动作出反应。由于当车载电网中的电压下降到在电容器上所建立的电压之下时，超级电容器自行放电，所以不需要用于超级电容器与车载电网连接的开关单元。仅仅需要将电容器设计为，使得在电容充满电时，所建立的电压大致相当于车载电网的运行电压。在由第一储能器承担车载电网供电的静止的或正常的运行阶段中，超级电容器可以重新经过第一储能器或在机动车的情况下经过发电机充电。

二极管元件的半导体开关优选是场效应晶体管，尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，例如功率MOSFET。由于可以用微小的栅极电压和最小的延时来开关场效应晶体管，因此可以迅速对于经过二极管元件的电流变化作出反应。并联的场效应晶体管可以被布置为，使得它们的本征二极管的导通方向相当于从第一储能器通向车载电网的方向。因此确保，当晶体管被阻断时，不能实现从第二储能器通向第一储能器的电流。另一方面，即使在晶体管被阻断的情况下，也可以由场效应晶体管的本征二极管承载一部分从第一储能器流向车载电网的电流。如果经过本征二极管的电流上升超过预先规定的阈值，以至于经过二极管的功率损失变得太大，并因此存在毁坏场效应晶体管的危险，则经过检查和控制元件导通地连接晶体管。如果例如在机动车起动过程中在第一能量源上的电压扰动，则通过阻断晶体管的方式防止从接入的第二能量源通向第一能量源的电流。

在另一实施形式中，用于车载电网的电压稳定化的电路布置在要稳定的车载电网和一个或多个与第一储能器连接的高电流负载之间的电连接中。因此第一储能器可以例如给多个高电流负载同时或相继地供应能量，使得确保这些高电流负载的功能性，其中通过本发明的电路可以避免车载电网中的电压扰动。

高电流负载之一优选是起动停止功能或EPS系统(ElectromechanicPowerassistedSteering(机电助力的转向)；伺服转向)或电动液压的制动器。在此也可以将第一储能器用于给以上元件的组合(或全部)供电。虽然迄今为止主要对于作为高电流负载的机动车的起动停止功能的示例性情况说明了本发明的作用方式和优点，但是这些作用方式和优点不局限于这种用途，而是可以用于任何方式的开关系统，尤其是这种具有高电流负载的开关系统。

本发明还涉及机动车，尤其是具有本发明的用于车载电网的电压稳定化的电路的汽车。机动车开关系统一般包括一系列的高电流负载，诸如起动器、电动液压的制动器、伺服转向(EPS)等等。因为经过机动车车载电网给对于车辆安全运行必不可少的控制和检查设备供电，所以必须在任何时间与在高电流负载上的可能的电压扰动无关地确保车载电网的安全供电。该任务由本发明实现，其中不需要从外部的、例如通过其它控制设备(机身控制器或能源管理控制器)的操纵，这实现了机动车开关系统的简单的构造和运行。例如可以将用于机动车中的装配的本发明的电路作为电子模块集成到主配电器中。该配电器含有用于分配发电机电流和蓄电池电流的冲压格栅(Stanzgitter)以及用于线路保险的熔断保险装置。当将二极管元件的半导体开关例如设计为具有从第一储能器进入车载电网的本征二极管导通方向的MOSFET时，则在短路时在该电流方向上不可能通过关断来保护晶体管。于是可以经过主配电器的熔断保险装置来实现该线路路径的保险。于是MOSFET的设计必须被实现为使得可以承载后面的最大熔断保险装置的短路电流。

附图说明

以下纯示例性地借助附图说明本发明，其中：

图1示出从现有技术中公知的用于车载电网的电压稳定化的电路的电路图；

图2示出根据本发明第一实施形式的用于车载电网的电压稳定化的电路的电路图；

图3示出图2中所示的本发明第一实施形式的用于车载电网的电压稳定化的电路的二极管元件的电路图；

图4示出根据本发明第二实施形式的用于车载电网的电压稳定化的电路的电路图；和

图5示出在没有电压稳定化和具有通过图4所示的本发明第二实施形式的电路的电压稳定化情况下车载电网上的时间的电压曲线。

具体实施方式

图1示出从现有技术中公知的用于机动车车载电网10的电压稳定化的电路11的电路图，该机动车车载电网10用于诸如控制和检查设备之类的电流负载16的能量供应。电路11布置在要稳定的车载电网10和与第一能量源E1(在此情况下为蓄电池)连接的起动器S之间的电连接中。起动器S用来起动机动车中的内燃机。此外，在电路11和车载电网10之间连接有EPS系统(EPS；伺服转向)和由内燃机驱动的用于发电的发电机G。电路11包括第一断路继电器12、第二断路继电器14、保险装置18以及经过断路继电器14和保险装置18与车载电网10连接的第二储能器E2(在此情况下是蓄电池)。例如通过用于阻抗测量的设备22检验蓄电池E2的充电状态。

图2示出根据本发明第一实施例的用于车载电网10的电压稳定化的电路20，该电路20布置在两个与第一储能器E1(在此实施形式中为蓄电池)连接的高电流负载(机动车的起动器S和EPS系统)和要稳定的车载电网10之间的电连接中。电路20包括二极管元件24、微控制器26、两个反向串联的功率MOSFET28，30、保险装置18以及经过保险装置18和两个功率MOSFET28，30与车载电网10连接的第二储能器E2(在此实施形式中为蓄电池)。由用于阻抗测量的设备22监控第二蓄电池E2的充电状态。微控制器26用于控制施加到功率MOSFET28，30的栅极G上的电压，并因此有针对性地开关MOSFET28，30。此外，微控制器26测量在两个MOSFET28，30上的电压和电压的时间曲线。

图3示出根据图2中所示的本发明第一实施形式的二极管元件24的电路图。二极管元件24包括六个与二极管并联的功率MOSFET34，但是在图3中仅示出其中两个。MOSFET34具有几毫欧的接通电阻并且被设计为使得200A的电流可以无问题地流经六个MOSFET34的并联电路。在此情况下，每一个MOSFET34会承载33A的电流，从而经过晶体管34的电压降(33mV)和损耗功率(1.1W)都不严重。此外在图3中示出包括两个比较器K1和K2、触发器元件FF以及电荷泵LP的检查和控制电路33。电荷泵LP包含施密特触发器ST、两个电容器38a和b、三个二极管36以及两个MOSFETT1，T2。此外，微控制器26配备有用于功率MOSFET34的温度测量的设备27。作为防止由比较器K1，K2和触发器元件FF所组成的布线发生故障这一情况的保险，例如可以双倍地用两组并联的半导体开关(例如在本情况下用各自具有3个MOSFET的两个组)实施该布线。

图4示出根据本发明第二实施形式的用于车载电网10的电压稳定化的电路50的电路图。电路50包括如在图3中所示那样构造的二极管元件24，和具有110F电容的超级电容器40(Super-Cap)。

如上所述，在本发明的电路20，50中，发电机G可以布置在二极管元件24之前(在图2和4中的二极管元件24的左侧)，因为不可能由二极管元件24无意地中断从发电机G通向车载电网10的电流(与图1所示的具有断路继电器12的电路11不同)。因此本电路20，50也可以用在将起动器S和发电机G构造为集成单元的机动车中。

以下借助图1至4阐述从现有技术中公知的电路和本发明电路的作用方式。

在图1中所示的从现有技术中公知的电路11中，在机动车的正常运行状态下，闭合断路继电器12并断开断路继电器14。因此通过第一蓄电池E1和发电机G给车载电网10供电。当机动车处于停止状态时，保留该供电。在起动时闭合第二断路继电器14，并在此之后断开第一断路继电器12，使得通过第二蓄电池E2给车载电网10供电。如果现在经过起动器S用第一蓄电池E1起动发动机时，则蓄电池E1中的电压降经过断开的第一断路继电器12与车载电网10断开。在实现了发动机起动之后，重新闭合第一断路继电器12并断开第二断路继电器14。在这种电路构造中可能出现上面已经描述的问题。本发明第一实施形式的电路20用以下的方式解决这些问题。

如果机动车处于静止状态下，则微小的车载电网电流(＜～5A)流经功率MOSFET34的本征二极管(参阅图3)。如果电流上升超过预先规定的阈值(大约5A)，则由于超过在本征二极管34两端施加的阈电压U_D，检查和控制电路33的比较器K1切换到1。将随后的具有短的门电路延迟时间的触发器FF设置到1。该设置到1的触发器FF激活电荷泵LP。由于在电流上升时必须很迅速地接通功率MOSFET34，以防止MOSFET的本征二极管的损伤或毁坏，因此需要电荷泵LP的极短的响应时间。例如可以如下实现该响应时间：经过晶体管T1将充电的电容器38a提高到车载电网10的运行电压上，以便接通功率MOSFET34的栅极G。平行于此地，可以经过施密特触发器ST和经过晶体管T2所连接的第二电容器38b进行连续的电荷泵送，以便抵制在栅极线路上由于泄漏电流所导致的电压降。在本征二极管两端施加的电压降低到比较器K1的阈电压之下，由此比较器的输出端重新返回到零。但是功率MOSFET34的栅极G保持接通，因为触发器FF保留状态1。在电流换向时，经过比较器K2进行功率半导体的阻断。当经过功率半导体的电流具有其过零时，该比较器K2识别经过该功率半导体的电压的过零。在电压为0V时，比较器K2的输出端返回到1，并重新设置触发器。随着触发器的输出端的这种过渡，晶体管T1和T2被关断。因此，经过电容器38a和38b施加到功率MOSFET34的栅极G上的电压返回到零，并且功率MOSFET34被阻断。因此除了比较器K2之外，没有电路部分再汲取静止电流。由于功率MOSFET34被阻断，并且功率MOSFET34的本征二极管的导通方向相当于从第一蓄电池E1通向第二蓄电池E2的电流方向，因此中断电流的反向，即中断从第二蓄电池E2通向第一蓄电池E1的电流。因此，二极管元件24起到如二极管那样的作用，但是没有如在常规的pn二极管或肖特基二极管情况下的导通电压上的损失。

在通过“端子50”信号进行发动机起动时，可以自动将第二蓄电池E2接入到车载电网上。但是此外，也存在如下的可能性：由微控制器26来确定经过功率MOSFET28，30的电压和时间上的电压降(参阅图2)。如果电压下降到车载电网的正常运行电压以下，并且时间上的电压降超过预先规定的值，例如1V/ms，则可以经过微控制器26自动地接通功率MOSFET28，30，使得经过第二蓄电池E2给车载电网10供电。

如果采用超级电容器40代替第二蓄电池E2，则不需要其它的开关单元来接入第二储能器。在图4所示的本发明第二实施形式中，二极管元件24具有上述的作用方式和图3所示的构造。超级电容器40是完全充电的并且具有与车载电网10的运行电压一致的电压。如果车载电网10的电压下降到该值以下，则在车载电网10和因此自动放电的超级电容器40之间产生电势降。因此由超级电容器40给车载电网10供电，并因此补偿在第一蓄电池E1上的电压扰动。如果电压扰动的阶段(例如发动机的起动阶段)结束，则可以经过发电机G或第一蓄电池E1使超级电容器40重新完全充电。

图5示出通过本发明第二实施形式的电路50来平滑在机动车起动时的车载电网10中的电压扰动。一旦车载电网10中的电压由于起动过程而下降，则通过超级电容器40给车载电网输送电流。因此可以抵御电压扰动，并可以实现与没有本发明第二实施形式的电路50的车载电网10相比更为光滑的电压分布。因此在任何时间都确保车载电网10的所有元件的足够的供电。

Claims (17)

1.一种用于机动车的车载电网(10)的电压稳定化的电路(20，50)，该电路(20，50)布置在要稳定的车载电网和第一储能器(E1)之间的电连接中，其特征在于，所述电路包括：

-二极管元件(24)，其包含一个或多个并联的半导体开关(34)；

-检查和控制电路(33)，该检查和控制电路(33)确定流过二极管元件的电流强度，并根据所确定的电流强度控制二极管元件的半导体开关；和

-与二极管元件和车载电网(10)电连接的第二储能器(E2)，

其中检查和控制电路被配置为操纵一个或多个半导体开关，使得所述一个或多个半导体开关允许电流从第一储能器流入车载电网，但是在反方向上则阻断。

2.按照权利要求1的电路，其中所述二极管元件还包括与所述半导体开关并联的二极管。

3.按照权利要求2的电路，其中所述二极管包括肖特基二极管。

4.按照权利要求1至3之一的电路，其中所述第二储能器是经过开关单元连接的蓄电池。

5.按照权利要求4的电路，其中所述开关单元包括两个反向串联的半导体开关(28，30)。

6.按照权利要求5所述的电路，其中所述半导体开关(28，30)包括场效应晶体管。

7.按照权利要求5或6的电路，其中所述开关单元还包括用于控制开关单元的半导体开关的微控制器(26)。

8.按照权利要求7的电路，其中所述微控制器还具有用于监控二极管元件的半导体开关的温度的设备或功能性(27)。

9.按照权利要求4的电路，该电路还包括用于检验蓄电池充电状态的设备(22)。

10.按照权利要求9的电路，其中所述用于检验蓄电池充电状态的设备(22)包括用于测量蓄电池阻抗的设备。

11.按照权利要求1至3之一的电路，其中所述第二储能器是超级电容器。

12.按照权利要求1至3之一的电路，其中二极管元件的半导体开关是场效应晶体管。

13.按照权利要求12的电路，其中二极管元件的半导体开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

14.按照权利要求1至3之一的电路，其中所述电路布置在要稳定的车载电网和一个或多个与第一储能器连接的高电流负载之间的电连接中。

15.按照权利要求14的电路，其中所述高电流负载之一是起动停止功能或EPS系统或电动液压的制动器。

16.一种具有按照以上权利要求之一的电路的机动车。

17.按照权利要求16的机动车，所述机动车包括汽车。