CN102112342A

CN102112342A - 车载电网系统

Info

Publication number: CN102112342A
Application number: CN2009801295479A
Authority: CN
Inventors: M.古斯特曼; M.斯塔尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2011-06-29
Also published as: WO2010012538A1; DE102008040810A1; US20110270489A1; EP2307240A1

Abstract

一种用于机动车（15）的车载电网系统（1），其具有车载电网（2），该车载电网（2）带有连接到其上的用电器（4，12，14）、连接到其上的能量生成装置（4，12，13）、以及至少一个能量存储器（7），其中能量存储器（7）能够通过开关装置（8）与车载电网（2）分离。设置有至少一个开关装置监控装置（20），该开关装置监控装置检查开关装置（8）的工作状态。

Description

车载电网系统

本发明涉及一种用于机动车的车载电网系统，具有至少一个车载电网以及至少一个能量存储器，其中所述车载电网带有至少一个连接到其上的用电器和/或至少一个连接到其上的电能生成装置，其中所述能量存储器可以通过开关装置从车载电网分离。本发明此外涉及一种机动车，尤其是一种混合动力车辆，其具有至少一个车载电网系统。此外，本发明涉及一种用于检验电开关装置的工作状态的方法，所述电开关装置将电能存储器与机动车车载电网可逆地连接。

在机动车的情况下，出于安全性考虑以及出于电能的更好的可存储性的原因，越来越大量地使用电池（蓄电池），其在正常工作状态中通过所谓的接触器（Schuetze）与车载电压网络连接。在车载电压网络上用本身已知的方式连接有用电器以及电能生成器，通常为发电机。在静止工作状态中，接触器相反被断开，使得电池与车载电压网络电分离（其中可能的是，一些选择出的用电器仍然与车辆电池连接，例如车载时钟等等）。由此，车辆电池例如可以被保护防止通过泄露电流而放电。然而，接触器的断开也可以在故障情况下进行，以便由此有效地防止短路出现。

这种接触器特别经常地使用在所谓的高压车载电网中。这种高压车载电网在相对于正常的12V或者24V的车辆车载电网电压提高的电压如诸如42V或者48V的情况下工作。这种高压车载电网越来越大量地用于运行功率特别大的电部件。例如，可以涉及电加热装置，或者也可以涉及混合动力车辆中的再生发电机或者牵引电动机。通过在机动车中制造的进一步技术发展，这种大功率电部件以及由此一同出现的高压车载电网得到越来越广泛的应用。

如果接触器、尤其是在高压车载电网中使用的接触器在负载下切换，会出现所谓的接触部粘合。为了防止这种接触部的粘合，目前通过控制电子设备来尝试在允许断开接触器之前将流过接触器的电流最小化。然而在一些情况中不可避免的是，接触器也在较高的负载下切换。

有缺陷的或者故障的硬件或者软件也会导致接触器的粘合。此外，在接触器的情况下也会由于老化、结构缺陷或者制造误差而出现接触器的故障。

为了提高设置有接触器的机动车的功能和安全性，需要的是能够可靠地识别接触器的可能的出现的故障。

目前已知的接触器在此仍然具有与以前一样的缺点。

因此，提出了借助至少一个开关装置监控装置来构建用于机动车的车载电网系统，该车载电网系统具有至少一个车载电网，该车载电网带有至少一个连接到其上的用电器和/或至少一个连接到其上的能量生成装置、以及至少一个能量存储器，其中能量存储器可以通过开关装置与车载电网分离，该开关装置监控装置检查开关装置的工作状态。开关装置尤其可以是一种电开关，其可以被断开和闭合。特别地，可以是一种接触器，其优选针对大电流和/或针对高的机动车车载电网电压来设计。能量存储器可以是存储装置，其尤其是可以中间存储电能。电能的中间存储例如可以通过物理方式和/或化学方式来进行，例如通过蓄电池（例如铅蓄电池、镍－镉蓄电池、镍－金属氢化物蓄电池、锂－离子蓄电池、锂－聚合物蓄电池或者电容器（例如金电容器））来进行。也可能的是，电能的中间存储通过机械方式、例如通过加速或者制动飞轮来进行。在实际的车载电网上连接有至少一个用电器或者至少一个电能生成装置。优选的是，尤其设置至少一个用电器以及至少一个电能生成装置。然而通常存在多个用电器并且必要时也存在多个电能生成装置。此外，在此可能的是，存在一个或者多个装置，其有时用作用电器并且有时用作电能生成装置。检查开关装置的工作状态的开关装置监控装置例如可以构建为电子电路，例如构建为单电路板计算机。电子开关装置监控装置可以构建为单独的装置或者在结构上集成在一个部件中，例如集成在开关装置中。也可能的是，开关装置监控装置集成到本来就存在的电子控制装置中，其方式是其例如设置有附加的电路逻辑或者附加的逻辑指令。开关装置监控装置优选基于检查多个部件的协作及其相互之间的影响。通过这种方式，可以实现关于开关装置的工作状态的特别可靠的说明。

可能的是，用电器的至少一个构建为牵引电动机。优选的是，（牵引电动机的）用电器有时作为发电机工作。电动机的这种有时作为发电机的工作例如在机动车的混合驱动系统中是常见的。牵引电动机为了其工作需要高的电功率，并且由此出现高电压和/或大电流。就此而言，在机动车的情况下，设置高压车载电网通常证实为是不可避免的。然而，这种高压车载电网出于安全性原因、工作可靠性原因以及出于功能性原因应当尽可能借助可通过开关装置分离的能量存储器来实现。牵引电动机作为发电机的工作在混合动力车辆中通常在所谓的再生运行期间进行，其中车辆的动能被转换为电能，以便中间存储在能量存储器中。在此，受制于功能通常也出现高电压和/或大电流。

也可以是有意义的是，至少一个电能生成装置构建为发电机，其尤其是可以被内燃机驱动。在混合动力车辆情况下也常常遇到能量生成装置的这种构造。借助发电机，可以将燃料中包含的机械能或者化学能转换为电能。在混合动力车辆情况下，例如在存在专用发电机的情况下可能的是，很大程度上与混合动力车辆的当前工作状态无关地将内燃机所产生的机械功率转换为电能。由此例如可能的是，特别频繁地让内燃机在燃料效率特别高的转速或者扭矩范围中工作。

当开关装置可以具有至少两个开关状态、优选三个或者更多个开关状态时，可以得到有意义的实施形式。两个开关状态（或者在这些开关状态的两个中存在多个开关状态）尤其是可以为断开的开关位置（无限的电阻）以及闭合的开关位置（基本上等于零的电阻）。所提及的开关位置因此尤其可以证明是有利的，因为由此可以将形成的电损耗最小化。然而也可以证明是有意义的是，在开关状态的至少之一中将电阻连接到能量存储器和车载电网之间的连接中。特别地，在此可以涉及第三、第四等等开关状态。因为在一些开关状态中，这种串联电阻（Vorwiderstand）对于保护能量存储器是有意义的。车载电网系统的工作可靠性由此可以被再次提升。

可以是有意义的是，至少一个开关装置监控装置构建为负载测试装置并且优选具有负载测试源。在得知由于一个或多个用电器导致的车载电网的电负载情况下，开关装置监控装置例如可以通过在开关装置上出现的电压降来检查当前开关装置具有哪种工作状态。当接通一个或多个用电器时如果虽然开关装置被激励（切换）为“闭合”，然而例如由开关装置监控装置确定出沿着开关装置的高电压降，则由此可以得出的是，开关装置具有故障，例如腐蚀的开关接触表面形式的故障。当用电器的损耗特性特别准确地已知时，可以特别准确地确定当前的工作状态。为了提高开关装置监控装置的检查精度，在此可以设计特别的负载测试负载，其作为单独的用电器或者附加于当前运行的用电器作为负载施加到车载电网上。在此当然是有意义的是，其中负载测试负载连接到车载电网上的持续时间小到使得其他可能连接到车载电网上的用电器的损耗特性不会变化或者仅仅少量地变化。作为负载测试负载尤其可以考虑的是相对于地可以接通的电阻，例如电变频器的制动斩波器。

然而也可能的是，至少一个开关装置监控装置构建为馈电测试装置，并且优选具有馈电测试源。由此，也能够可靠地确定开关装置的工作状态。当能量存储器仅仅具有低的填充程度时，馈电测试可以是尤其适合的。在能量存储器的这种仅仅低的填充程度情况下，负载测试会由于缺少可用的电能而不能进行。有时也可能的是，在能量存储器的低的填充状态情况下负载测试甚至会导致损坏能量存储器。馈电测试源可以优选是如下的能量源：其电能输出特性是尽可能精确地已知的和/或尽可能地可再现的。

也可能的是，至少一个开关装置监控装置具有至少一个测量装置，其来自包括电流测量装置、电压测量装置、电压差测量装置、电压变化测量装置以及电流变化测量装置的组。电流测量装置例如可以是如下测量装置：其测量流过开关装置的电流（还有电池电流）。测量本身可以通过已知的方法来进行。电压测量装置可以是如下的测量装置：其测量在车载电网中主要的电压，在能量存储器上施加的电压、在用电器和/或在电能生成装置上施加的电压。这样确定的电压也可以在开关装置监控装置中彼此比较。电压差测量装置可以是如下的测量装置：其测量在两个限定的点之间的电压降或者电压差。所述点例如可以是开关装置的输入侧以及输出侧。电压变化测量装置可以是如下的测量装置：其确定在确定的点上施加的电压的时间变化或者时间发展。相应地，也可以设计电流变化测量装置，其确定经过确定的点的电流的时间变化。当然也可能的是，例如在开关装置监控装置中将不同测量装置的多个测量值彼此结合，以便得到进一步改进的说明精度，或者得到更快地确定开关装置的工作状态。

当车载电网系统具有至少一个第二车载电网，该第二车载电网优选具有偏移的额定电压时，可以得到车载电网系统的另一有意义的实施形式。例如，车载电网系统可以具有42V或者48V的车载电网电压的高压车载电网，其特别适合于大功率用电器。附加的第二车载电网例如可以用12V或者24V的电压来运行。由此可能的是，可以特别简单地利用已经存在的机动车部件。由此，例如可以促进所提出的车载电网系统的特别快的广泛使用。优选的是，车载电网设置有开关装置，该车载电网具有较高的车载电网电压。然而也可能的是，第二车载电网（或者其他的车载电网）也设置有开关装置。

此外，提出了一种机动车，特别是一种混合动力车辆，其具有带有上述结构的至少一个车载电网系统。相应地构建的机动车于是类似地具有已经阐述的特性和优点。

此外，提出了一种用于检查电开关装置的工作状态的方法，该开关装置将电能存储器与机动车车载电网可逆地连接，所述开关装置构建为使得通过测量至少一个电压的时间变化、通过测量至少一个电流的时间变化、通过测量流过开关装置的电流和/或通过测量在开关装置上的电压差来确定开关装置的工作状态。所提出的方法也可以在上面阐述的构建可能性的意义中进一步形成。于是，其类似地具有已经结合车载电网系统所阐述的特性和优点。

下面借助实施例参照附图进一步阐述本发明。其中：

图1示出了带有闭合的接触器的混合动力车辆的高压车载电网的一个实施例；

图2示出了在接触器故障的情况下图1中所示的高压车载电网的不同测量曲线；

图3示出了带有闭合的接触器的混合动力车辆的高压车载电网的图1中所示的实施例；

图4示出了在接触器故障的情况下图3中所示的高压车载电网的不同测量曲线。

图1在示意性电路图中示出了用于混合动力车辆15的车载电网系统1。车载电网系统1在此具有额定电压为例如42V或者48V的高压车载电网2，以及额定电压为12V的标准电压车载电网3。高压车载电网2和标准电压车载电网3通过电压转换器4彼此电连接。根据高压车载电网2或者标准电压车载电网3的当前工作状态，电压转换器4没有功能（被关断），从标准电压车载电网3中获取电流并且将其转换到高压车载电网2的较高的工作电压，或者从高压车载电网2中获取电流并且将其转换到标准电压车载电网3的较低的电压水平上。在仅仅示意性地绘出的电压转换器4中可以设置一个（或者多个）断路开关5，以便能够将高压车载电网2和标准电压车载电网3可靠地彼此电分离。该或这些断路开关5当然也可以实施为电子开关，例如实施为晶体管、晶闸管、三端双向可控硅开关等等。

标准电压车载电网3在此仅仅被示意性地示出。与标准电压车载电网3关联的例如可以设置机动车发电机、起动装置、车辆电子设备、加速技术设备、电加热体、点火系统、燃料喷射系统、通风器以及车辆电池。

在图1中所示的高压车载电网2具有高压电池单元6，其中高压电池7和电接触器8构建为完整的单元。电接触器8具有三个不同的断路开关9a、9b、9c，它们连接到三个不同的线路分支10a、10b、10c中。线路分支10c对应于地线路。高压电池7于是可以通过电接触器8的断路开关9a、9b、9c与其余车载电网系统1无电势地电分离。线路分支10a对应于高压电池7的电压极（正极）。附加地还设置了线路分支10b，其中连接有串联电阻11。在高压电池7的非常低的充电状态中，可以选择该带有串联电阻11的线路分支10b，以便避免过大的充电电流，该充电电流会损坏高压电池7。

在高压车载电网2中此外设置有牵引电动机12，借助该牵引电动机可以至少部分地驱动混合动力车辆15。为此，牵引电动机12从高压车载电网2提取相应的电功率。如果混合动力车辆15被延迟，则牵引电动机12作为发电机工作。由此，将混合动力车辆15的动能转换为电能，该电能可以中间存储在高压电池单元6中（再生运行）。在那里存储的电能例如可以在以后的时刻使用，以便重新加速混合动力车辆15。

此外，在高压车载电网2中设置有发电机13。发电机13例如与内燃机（在此未示出）的曲轴机械连接。如果混合动力车辆15例如借助内燃机以恒定的行驶速度移动，则通常有内燃机的未被利用的机械驱动功率可供使用。内燃机的未被利用的机械驱动功率可以借助发电机13转换为电能，并且中间存储在高压电池单元6中。由此可能的是，在能量效率特别高的转速和扭矩范围中运行内燃机，使得混合动力车辆15在较长的时段上来看需要较少的燃料。

最后，在车载电网1的高压车载电网2中还可以看到测试电阻14，借助该测试电阻可以将高压车载电网2（并且在电接触器8的断路开关9a、9b、9c的相应开关位置情况下还有高压电池7）以限定的电负载来加负载。附加地或者可替选地，当然也可以将牵引电动机12和/或电压转换器4（必要时还有其他的用电器）用作电负载。

如在图1中所示的那样，在高压车载电网2的情况下设置有不同的测量点16、17、18、19。测量点U₀（18）对应于高压电池单元6的地线路分支10c的电压水平。地端子U₁（16）对应于高压电池7的正极的电压水平。地端子U₂（17）对应于连接在高压车载电网2中的用电器4、12、14或者电能源4、12、13的电压水平。此外，还设置有测量点I₁（19），借助该测量点可以检测高压电池电流，即高压电池单元6以其来充电或者放电的电流。测量值可以被输送给在此仅仅示意性示出的电子控制电路20，该控制电路监控高压车载电网2的工作状态。特别地，控制电路20也可以激励断路开关9a、9b、9c以及电压转换器4。

在高压电池单元6的电接触器8断开的情况下（图1），会出现不同的测量结果，它们分别指示电接触器8的缺陷。这种缺陷例如可以在于，一个（或者多个）断路开关9a、9b、9c未闭合，或者相应的开关9a、9b、9c的接触面具有接触困难（例如因为其起氧化皮）。在图2中示出对指示这种故障的测量结果的选择（子图2a、2b、2c、2d）。在图2中分别沿着横坐标21示出了时间t，并且沿着纵坐标22示出了测量点16、17、18、19的测量值。

当例如在闭合的电接触器8的情况下（断路开关9a、9c，必要时还有9b是闭合的），高压电池7的电压U₁（16）以及在用电器或者能量供给装置4、12、13、14上的电压U₂（17）强烈地彼此偏差时（图2a），则这表明电接触器8的缺陷。

同样，当在闭合的电接触器8情况下虽然在该时刻接通了用电器4、12、14或者电能供给单元4、12、13但电池电流I₁（19）保持在低水平上时，这表明电接触器8的缺陷。其指明电池电流I₁（19）带有符号（高压电池单元6的充电/放电）。

图2c示出另一信号。在此，当在开关时刻t₀（23）接通一个或者多个用电器4、12、14时，在虽然闭合电接触器8但高压电池电压U₁（16）和高压车载电网输出电压U₂（17）彼此强烈偏离地开始的情况下，其也表明电接触器8的缺陷。

在图2d中示出了当在开关时刻t₀（23）接通一个或者多个电能供给单元4、12、13时，在闭合的电接触器8情况下有缺陷的电接触器8如何可以起作用。虽然电接触器8闭合，当随后可以出现与高压电池电压U₁（16）相比高压车载电网电压U₂（17）的增大。

在图3中示出了图1中已经示出的混合动力车辆15的车载电网系统1。不同于图1所示的车载电网系统1，在图3所示的车载电网系统1中，高压电池单元6的电接触器8断开。为此，电接触器8的断路开关9a、9b、9c分别被置于断开开关状态中。

当例如由于电接触器8在负载下的开关过程而使得其电接触部彼此粘合时，虽然接触器8断开也会出现在高压电池单元6和高压车载电网2的其他部件4、12、13、14之间的至少部分的电连接。因此，特别是在测量点16、17、18、19上得到典型的电流曲线或者电压曲线，它们指示电接触器8的缺陷。对这种指示电接触器8的电缺陷的电流曲线或者电压曲线的选择在图4中示出。在图4的子图4a、4b、4c、4d中在此分别示出单个的测量值。沿着横坐标21分别示出时间变化t，沿着纵坐标22分别示出相应的测量点16、17、18、19的大小。

当例如如图4a所示，虽然接触器8断开，但是与对高压车载电网2以用电器4、12、14或者供电装置4、12、13加负载无关地，高压电池电压U₁（16）和高压车载电网输出电压U₂（17）基本上保持相同，则这表明了电接触器8不再可以（完全）断开。

电接触器8的故障还可以通过如下方式显示：虽然接触器8断开，但保持显著大小的电池电流I₁（19），如在图4b中所示的那样。

当虽然在开关时刻t₀（23）时接通高压车载电网2中的用电器4、12、14，或者接通高压车载电网2中的电能供给装置4、12、13时，但高压电池电压U₁（16）和高压车载电网输出电压U₂（17）保持在相同水平上时（参见图4c或者图4d），通常同样存在电接触器8的故障。

Claims

1.一种用于机动车（15）的车载电网系统（1），其具有至少一个车载电网（2），该车载电网（2）带有至少一个连接到其上的用电器（4，12，14）和/或至少一个连接到其上的能量生成装置（4，12，13）、以及至少一个能量存储器（7），其中能量存储器（7）能够通过开关装置（8）与车载电网（2）分离，其特征在于至少一个开关装置监控装置（20），该开关装置监控装置检查开关装置（8）的工作状态。

2.根据权利要求1所述的车载电网系统（1），其特征在于，用电器（4，12，14）中的至少一个构建为牵引电动机（12），并且优选能够有时作为发电机（12）工作。

3.根据权利要求1或2所述的车载电网系统（1），其特征在于，至少一个电能生成装置（13）构建为发电机（13），其尤其是能够被内燃机驱动。

4.根据上述权利要求之一所述的车载电网系统（1），其特征在于，开关装置（8）可以具有至少两个开关状态、优选三个或者更多个开关状态（10a，10b，10c）。

5.根据上述权利要求之一所述的车载电网系统（1），其特征在于，至少一个开关装置监控装置（20）构建为负载测试装置（4，12，14）并且优选具有负载测试负载（14）。

6.根据上述权利要求之一所述的车载电网系统（1），其特征在于，至少一个开关装置监控装置（20）构建为馈电测试装置（4，12，13），并且优选具有馈电测试源。

7.根据上述权利要求之一所述的车载电网系统（1），其特征在于，至少一个开关装置监控装置（20）具有至少一个测量装置，该测量装置来自包括电流测量装置（19）、电压测量装置（16，17，18）、电压差测量装置（16，17，18）、电压变化测量装置（16，17，18）以及电流变化测量装置（19）的组。

8.根据上述权利要求之一所述的车载电网系统（1），其特征在于，具有至少一个第二车载电网（3），该第二车载电网优选具有偏移的额定电压。

9.一种机动车（15），特别是一种混合动力车辆，其特征在于，具有根据权利要求1至8之一所述的至少一个车载电网系统（1）。

10.一种用于检查电开关装置（8）的工作状态的方法，该开关装置将电能存储器（7）与机动车车载电网（2）可逆地连接，其特征在于，通过测量至少一个电压（16，17，18）的时间变化、通过测量至少一个电流强度（19）的时间变化、通过测量流过开关装置的电流（19）和/或通过测量在开关装置（16，17，18）上的电压差来确定开关装置（8）的工作状态。