CN102273047A - 用于具有起动停止系统的车辆的车载网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于具有起动停止系统的车辆的车载网络(10)。该车载网络(10)包括具有控制设备SG和开关元件S1，S2，S3的中央模块(10.1)，其中该中央模块(10.1)包括用于连接所述车载网络的其它组件的连接点Port A，Port B，Port C，Port D，Port E，Port F。在第一连接点Port A上连接所述车载网络的发电机G，在第二连接点Port B上连接起动机S，在第三连接点Port C上连接至少一个蓄能器(电容器DLC)，在第四连接点Port D上连接另一蓄能器(电池B)并在第五连接点Port E上连接所述车载网络的电负载(电阻R1)。

Description

用于具有起动停止系统的车辆的车载网络
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于具有起动停止系统的车辆的车载网络。此外本发明还涉及用于控制这种车载网络的方法。
背景技术
为了降低燃料消耗并减少机动车排放量，日益增强地开发新颖的技术方案并成批使用。技术途径在于所谓的起动停止系统(Start-Stopp-System)。在这种系统中，每当车辆例如在红灯前或堵车中暂时停顿时，车辆的马达总是在特定的前提条件下暂时停转。用于降低燃料消耗的另一技术途径在于车辆滑移和制动阶段期间的电能复原。在此例如在滑移和制动阶段期间发电机电压被提高，由此发电机向车载网络提供提高的功率，然后该提高的功率可以存储在车辆的蓄能器中。也已经存在利用更高的电压在复原阶段期间附加地获取电能的途径。此外例如可以使用具有可变输出电压的发电机，这种发电机由DE 10 2004 043129A1公知。在这种系统中经常首先使用电容器作为电荷存储器。总之这些技术革新也导致下文中简短描述的对电车载网络的新要求和期待。在起动内燃机时，特别是在冬天在低温的情况下，需要高功率并因此需要高电流。根据车辆内燃机的功率，所需的峰值电流可以为几个100A到大约1000A。这种高电流迄今由车载网络的电池提供。但是这种系统配置具有如下缺点，这些缺点不但在现代起动停止系统时而且在传统的起动设备时都须注意。由于在起动车辆时的高峰值电流，在车辆的车载网络中出现电压扰动，所述电压扰动不利地对车载网络的电和电子组件产生影响。因此本身不包含用于跨接临界电压降的缓冲器装置的这样的设备(例如信息娱乐设备)经常至少短时失效。特别是在起动停止系统的相对频繁的起动停止过程中，这导致驾驶舒适性的大大下降。此外在车载网络中使用的电池针对在非常低的温度下马达起动的要求被设计。但是为了大多在驾驶实践中发生的运行状态，电池由此是尺寸过大的。因为目前通常总是还符合标准地使用铅酸电池作为车辆电池，所以这对车辆的重量具有不利影响。大的车辆重量又不利地影响燃料消耗。在车辆中在空间上布置电池时，电压降在电池和车辆起动机之间的连接中发挥特别重要的作用。为了避免太大的电压降，这种连接线路必须具有尽可能小的电阻。因此它具有大横截面，而这使它重，不灵活并昂贵。这在高的铜原材料成本的情况下使得车辆价格昂贵。当出于空间需求的原因并为了重量优化将电池布置在车辆尾部区域而将具有起动机的马达布置在车辆前部区域时，此外还增大出现电磁干扰的风险。在配备有起动停止系统的车辆中较频繁的起动和停止阶段导致与传统的车载网络相比电池的更高的负荷。这通过车载网络的设计并不能完全得到补偿。从而在起动停止系统中通常必须考虑到电池的较短寿命。对于电能的复原(Rekuperation)，例如在制动和滑移阶段期间，传统的铅酸电池仅非常受限地适用。为了可以至少部分地应付已述的影响，在合适的功率存储器中中间存储获取的电能。于是电流可以从这个功率存储器提取用于起动或输送给车载网络的其它负载。但是如果在车载网络中存在电池和/或电容器形式的多个蓄能器并且这些蓄能器通过开关元件或继电器可以相互耦合，则存在特别在不同充电状态或不同电压水平时在这些蓄能器联接的情况下高平衡电流流动的风险。由于蓄能器的比较低的内阻，流动的平衡电流的电流强度可以为几个100安培。这种强电流可能损害蓄能器和开关触点的寿命并构成车载网络稳定性方面的风险。
发明内容
本发明所基于的任务是，提供一种用于具有起动停止系统的车辆的改进的车载网络和用于控制该车载网络的方法。该任务通过具有权利要求1的特征的车载网络得以解决。用于控制该车载网络的根据本发明的方法由权利要求8和其它从属权利要求得出。本发明以以下认识为出发点，即通过使用至少两个蓄能器、一方面是传统的电池和另一方面是具有高容量的电容器，和将其与可选地作为降压变压器或升压变压器待运行的变压器电路逻辑连接，可以提供特别可靠并运行安全的车载网络。
通过根据本发明的解决方案提供的车载网络的特征在于，通过适当地控制在车载网络中设置的多个蓄能器总是有足够大的起动能量可供使用，以便可以根据马达温度和/或环境温度实施至少一个、优选多个起动过程。通过监控和必要时限制起动机电流，尽管提高数量的起动过程，此外可以在配备有起动停止系统的车辆中实现高负荷起动机的足够大的寿命。通过使用多电压发电机或与升压转换器相连接的发电机可以在复原运行中特别有效地回收使用车辆的制动能量。
其它优点由说明书、从属权利要求和附图得出。
附图说明
下面参考附图更详细地阐明本发明的实施方式。在此：
图1示出车载网络的简化框图；
图2示出车载网络的另一实施例；
图3示出车载网络的另一实施例；
图4示出用于阐明起动过程的车载网络的框图；
图5示出用于阐明复原运行的车载网络的框图；
图6示出用于阐明冷起动的车载网络的框图；
图7示出用于阐明蓄能器的充电过程的框图；
图8示出具有多通道(mehrkanalig)实施变型方案的框图；
图9示出在根据图8的多通道实施时根据时间的电压曲线。
具体实施方式
图1示出了用于具有起动停止系统的车辆的车载网络(Bordnetz)10的简化框图。示出了车载网络10的对于理解本发明重要的组成部分。车载网络10包括发电机G和起动机S。至少一个电池B和至少一个电容器DLC被设置作为用于存储电荷的蓄能器。电容器DLC优选是具有大容量的电容器，特别是双层电容器。电阻R1表示车载网络的电负载。如在传统的车载网络中常见的那样，发电机G，起动机S，电池B，电容器DLC和电阻R1通过其连接线路之一与车载网络的接地端子相连接。发电机G的自由端子通过Port(端口)A与开关元件S2的第一端子和电容器DLC的自由端子相连接，该电容器DLC的自由端子位于Port C处。起动机S的自由端子通过PortB与开关元件S2的第二端子和电感L1的第一端子相连接。电感L1的第二端子与开关元件S1的第一端子相连接。电阻R1的自由端子通过Port E位于开关元件S1的第二端子处。电池B的自由端子通过Port D同样位于开关元件S1的第二端子处。整流器元件元件GL1、优选半导体二极管，位于电感L1的第一端子和地之间。此外，开关元件S3位于电感L1的第一端子和地之间。开关元件S1，S2，S3可通过控制设备SG控制，该控制设备SG的控制信号通过Port F被输送。所述的组件S1，S2，S3，GL1，L1联合为中央模块10.1。控制设备SG优选是控制车辆的起动停止运行和/或车辆的复原运行的功能模块。发电机G优选是所谓的多电压发电机，该多电压发电机根据车载网络的运行状态可以产生具有不同电压水平的输出电压。在正常运行中，发电机G例如可以提供大约14V的输出电压，该输出电压对应于车载网络10的标称电压。在车辆的复原运行中，发电机10提供更高的输出电压，该输出电压大约在14V和32V之间。通过选择更高的输出电压可以在发电机G的大致相同的结构尺寸的情况下通过复原更有效地形成能量获取，也即复原更多的制动能量。通过发电机G获取的复原能量优选被存储在第一蓄能器DLC中，该第一蓄能器DLC被设计用于比车载网络10的标称电压高的运行电压。在中央模块10.1中布置的组件构成变压器电路。有利地，该变压器电路可以在第一运行状态中用作升压变压器并在第二运行状态中用作降压变压器。在用作降压变压器时蓄能器DLC的更高的电压水平被转换到车载网络的标称电压，以对第二蓄能器、电池B充电。在用作升压变压器时，车载网络的标称电压被提高到更高的电压水平，以便利用该更高的电压从第二蓄能器、电池B尤其对第一蓄能器DLC充电。以这种方式可以实现，第一蓄能器总是得到足够充电，以操作起动机S并成功地起动车辆的马达。适当地如此选择蓄能器的容量，使得在那里存储的能量足以能够实现至少一个、但优选多个起动过程。变压器电路的运行类型的控制通过控制设备SG进行。车载网络10还包括用于在第一蓄能器DCL处进行电压测量的测量装置VDCL。所测量的电压优选由控制设备SG分析。在其它实施变型方案中，电荷存储器B也可以在中央模块10.1之外与车载网络相连接。在这种应用中取消PortD。此外，蓄能器DLC也可以在中央模块10.1之外与发电机G相连接。在这种情况下取消Port C。
图2示出具有附加开关元件S4的车载网络20。开关元件S4的端子通过Port B与起动机S相连接。开关元件S4可以采取两个开关位置。在第一开关位置中，开关元件的开关构件(Schaltglied)与电感L1的第一端子相连接。因此通过开关元件S4，建立电感L1的第一端子(通过Port B)与起动机S的远离地的端子之间的连接。在第二开关位置中，开关元件S4的开关构件通过Port D与电池B相连接。因此在这个开关位置中存在起动机S的远离地的端子与电池B之间的电连接。此外在图2中示出的车载网络20还包括在电感L1的第二端子与地之间连接的整流器元件元件GL3。最后，车载网络20还包括各一个整流器元件元件GL2，GL4，其分别与开关元件S2并联或与开关元件S1并联。
图3示出另一实施变型方案，其中表示车载网络电负载的电阻R2连接在Port C上并且可以通过这种方式从电容器DLC提取能量。
与传统的车辆不同，现代的配备有起动停止系统的车辆必须显著更频繁地被起动。出于能源节省和环境保护的原因，这种车辆的驱动马达在每次停止时都应被关断并且然后再次可靠地被起动。为了能够运行安全并耐久地实现这一点，需要完善地(ausgefeilt)控制车载网络。为了保证在蓄能器DLC中存储的能量足够用于驱动马达的可靠的重新起动，根据本发明优选设置用于蓄能器DLC处的电压的阈值SCHWELLEC。只有当在蓄能器DLC处所测得的电压超过阈值SCHWELLEC时，才允许通过从蓄能器DLC的能量输送的、起动机S的起动过程。在此，阈值SCHWELLEC可以有利地可变地被设计，以便例如考虑马达的温度和/或环境温度。由此例如可以导致，在冷起动的情况下比在热起动时有更多能量可供使用。如果在首先为起动机S的供电而确定的蓄能器DLC处太低的电压被确定，则该蓄能器可以通过从第二蓄能器(电池B)输送能量而再次被充电。蓄能器DLC的充电在此通过以下方式实现，即通常大约为14V的车载网络标称电压通过借助中央模块10.1中的变压器的升压变压而被提高到更高的值，例如大约32V。如果在利用从蓄能器DLC对起动机S的供电的起动过程中通过电压测量确定出蓄能器处的电压下降到车载网络的标称电压的水平，则可以将蓄能器DLC有利地与蓄能器电池B相连接，以便提供足够的起动能量用于起动器S。通过控制设备SG进行为此所需的对各种不同的开关元件的控制。尽管频繁的起动过程，为了达到起动机的尽可能长的寿命，根据本发明设置起动机电流的电流限制，以便不使起动机S过载。电流限制有利地通过两点调节实现。此外开关元件S2通过控制设备SG相应地以时钟的方式(taktweise)被控制。在根据本发明构成的车载网络中优选使用半导体开关元件作为开关元件。在所述开关元件中优选地可以集成测量装置用于检测电流强度。在此，例如可以是具有低电阻值的测量电阻，在该测量电阻处在电流流过时出现对应于电流强度的电压降，该电压降可以比较容易地通过测量装置检测。
下文中参考图4至图7阐明车辆的不同运行状态，所述图4至图7同样再次分别以简化的示图的方式示出具有起动停止装置的车辆的车载网络。
下文中根据图4阐明具有来自蓄能器DLC的能量供应的热起动。在起动时，发电机G是非激活的。时钟控制开关元件S2，以便可以从蓄能器DLC为起动机S供应电流。开关元件S3可以作为空转被使用。可替代地，二极管GL1可以接管空转功能。在起动过程期间开关元件S1被打开。
参考图5简短阐明复原运行和正常运行。在复原运行时，开关元件S1被闭合。发电机G被调整到更高的输出电压。发电机G的输出电压施加在蓄能器DLC处并对其充电。时钟控制开关元件2，以便将由发电机G提供的高电压降低到较低的电压水平，利用其例如可以将蓄能器B充电到大约14V的电压。在正常运行中，开关元件S1被闭合。开关元件S2同样闭合。从而蓄能器DLC可以一起缓冲由蓄能器B供应的车载网络(负载R1)。
参考图6阐明所谓的冷起动。在对蓄能器DLC充电时，这样控制开关元件S2，使得用于起动机S的起动电流可以首先从蓄能器DLC提取。在此如果蓄能器DLC处的电压下降到蓄能器B的电压之下，则可以闭合开关元件，使得起动机S附加地从蓄能器B被供应。发电机G在起动过程中是非激活的。
下面参考图7描述蓄能器DLC的充电。在闭合开关元件S1之后，蓄能器DLC可以从包括蓄能器B的车载网络被充电到大约14V的其额定电压。而如果蓄能器DLC应该被充电到更高的电压，则必须进行升压变压。为此对开关元件S3进行时钟控制。然后开关元件S2可以在同步整流的意义上被控制。如果在针对开关元件S2的实施变型方案中使用MOSFET晶体管，则也可以使用其衬底二极管用于整流。
在特别有利的实施变型方案(图8)中多通道地设计电路装置。示出的例子显示了双通道实施方式。在第一通道的情况下，在发电机G和蓄能器B之间布置开关元件S2.1，整流器元件元件GL1.1，电感L1.1和开关元件S1.1。在第二通道的情况下，在发电机G和蓄能器B之间布置开关元件S2.2，整流器元件元件GL1.2，电感L1.2和开关元件S1.2。所述开关元件又可以由在图8中未示出的控制设备SG控制。如在图9中示出的电压曲线所示，可以通过多通道的实施方式和各个通道的时间延迟的时钟控制有利地减少电压或电流曲线的波动。图9示例性地示出了在蓄能器B处根据时间t的充电电压U的曲线。

Claims (20)

1.用于具有起动停止系统的车辆的车载网络(10)，其特征在于，设置具有能由控制设备(SG)控制的开关元件(S1，S2，S3，S4)的中央模块(10.1)，其中该中央模块(10.1)包括用于连接所述车载网络的其它组件的连接点(PortA，Port B，Port C，Port D，Port E，Port F)。
2.根据权利要求1所述的车载网络，其特征在于，在第一连接点(Port A)上连接所述车载网络的发电机(G)，在第二连接点(Port B)上连接起动机(S)，在第三连接点(Port C)上连接至少一个蓄能器(电容器DLC)，在第四连接点(Port D)上连接另一蓄能器(电池B)并在第五连接点(Port E)上连接所述车载网络的电负载(电阻R1)。
3.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于，在所述连接点(A，C)和所述连接点(D，E)之间布置变压器电路。
4.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于，所述变压器电路能被接为升压变压器。
5.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于，所述变压器电路能被接为降压变压器。
6.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于，测定所述蓄能器(DLC)的存储容量，使得在所述蓄能器(DLC)中存储的能量足以能够实现所述起动机(S)的至少一个、优选多个起动过程。
7.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于，在所述蓄能器(DLC)处设置用于电压测量的测量装置(VDLC)。
8.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于，作为开关元件(S1，S2，S3，S4)设置具有集成电流测量装置的半导体开关元件。
9.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于，所述控制设备(SG)是用于车辆的起动停止运行和/或复原运行的功能模块。
10.根据前述权利要求之一所述的车载网络，其特征在于多通道实施。
11.用于控制前述权利要求之一所述的车载网络的方法，其特征在于，预先给出所述蓄能器(DLC)处的电压的阈值(SCHWELLEC)并且只有当在所述蓄能器(DLC)处测量的电压超过所述阈值(SCHWELLEC)时才允许通过从所述蓄能器(DLC)的能量输送的、起动机的起动过程。
12.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述阈值(SCHWELLEC)的大小根据环境温度和/或马达温度而确定。
13.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，检测所述蓄能器(DLC)处的电压，将所测量的电压和所述阈值(SCHWELLEC)进行比较并且在未超过所述阈值(SCHWELLEC)的情况下通过所述车载网络对所述蓄能器(DLC)充电。
14.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在利用从所述蓄能器(DLC)的能量输送的起动机(S)的起动过程期间测量所述蓄能器(DLC)处的电压并且在所述蓄能器(DLC)处的电压下降到车载网络电压的值的情况下通过控制开关元件(S1)将所述蓄能器(电池B)与所述蓄能器(DLC)相连接。
15.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在开始所述起动机(S)的起动过程之前测量所述蓄能器(DLC)处的电压(VDLC)，将所测量的电压值和阈值(SCHWELLEC)进行比较，并且在未超过所述阈值(SCHWELLEC)的情况下打开开关元件(S2)，闭合开关元件(S1)，使得所述蓄能器(电池B)与所述起动机(S)相连接并且对所述起动过程所需要的能量能够从所述蓄能器(电池B)提取。
16.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在开始所述起动机(S)的起动过程之前测量所述蓄能器(DLC)处的电压(VDLC)，如果所述蓄能器(DLC)处的电压(VDLC)高于所述蓄能器(电池B)处的电压(VB)，则从所述蓄能器(DLC)至少提取所述起动机(S)的开动电流，并且如果所述蓄能器(DLC)处的电压下降到所述蓄能器(电池B)的电压，则为此连接所述蓄能器(电池B)。
17.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为了提高寿命的目的，在所述起动机(S)的起动过程中通过所述起动机(S)限制电流。
18.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过两点调节引起起动机电流的电流限制。
19.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过开关元件(2)的时钟控制引起起动机电流的电流调节。
20.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述开关元件(S1，S2)被控制，使得所述蓄能器(电池B)由发电机(G)利用所述车载网络的标称电压充电，并且在所述蓄能器(DLC)的复原运行中利用处于所述车载网络的标称电压之上的电压充电。
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