CN102470810A - 用于车载电网的线路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车载电网（62）的线路装置，该车载电网（62）包括具有蓄能器的基础-车载电网（64）和具有额外的蓄能器的功率-车载电网（66）以及DC/DC-转换器（92），其中所述蓄能器和所述额外的蓄能器串联并且其中所述DC/DC-转换器（92）设置用于在所述基础-车载电网（64）与所述功率-车载电网（66）之间进行耦合。此外，本发明涉及一种用于运行车载电网（62）的方法。

Description

用于车载电网的线路装置
本发明涉及一种用于车载电网的线路装置以及一种用于运行车载电网的方法。
背景技术
对于能量车载电网-拓扑结构来说，知道了具有多电压发电机或者说能够转换电压的发电机以及布置在后面的双层电容器（double layer capacitor，DLC）或者超级电容器（ultra capacitor，UCAP）的变型方案，这些变型方案为可变的比14V通常30V到40V大的电压水平而设计。
由此可以提高能量车载电网的峰值效率，用于典型地对电能的回收或者说能量回收能力进行优化。这通过以较高的电压提高最大的发电机功率并且提供所提到的作为能量回收储存器的具有较高的用于进行峰值电荷消耗的能力的电容器之一这种方式来进行。因为超级电容器具有很高数目的用于实现较高的电压的串联的单电池（Zellen）并且DC/DC-转换器设计用于将主车载电网耦合到具有可变电压的用于提供通常比1.5kW大的功率P的功率-车载电网上，所以所提到的模块引起较高的成本。
此外存在着用于将高功率负载耦合到这样的能量车载电网的功率-车载电网上的可能性。但是这由于剧烈波动的在能量回收之前较小并且而后较高的电压而引起一些限制。同样知道拓扑结构-变型方案，对于所述拓扑结构-变型方案来说通过蓄能器（比如电容器或者第二电池）相对于已经存在的车载电网电池的串联的连接来提供较高的用于向高功率负载供电的电压。所述具有标准发电机和其它模块的能量车载电网的基础-车载电网仅仅细微地受到功率-车载电网中的这些变化的影响。
为了向额外的蓄能器供电，在这些拓扑结构中通常使用分开电势的DC/DC-转换器。因此获得可以这样的可能性，即可以以较高的电压并且以最小程度的比如对于较高的电流负荷来说通过电压波动引起的对其余的车载电网的反作用来向高功率负载供电。但是在这种情况下，用于获得这种单独的功能的额外开销较高。
从公开文献DE 10 2004 043 129 A1中公开了一种用于尤其为机动车车载电网供应电压的装置。在此，能够作为起动机-发电机运行的电机通过脉冲逆整流器和换向开关与电池及车载电网相连接。这种连接通过所述换向开关来隔开，使得电容器与所述脉冲逆整流器相连接。所述起动机-发电机不仅可以以发电机的运行方式而且可以以马达的运行方式运行。如果借助于所述起动机-发电机来实施电力制动，则可以额外地将电能反馈到电池或者电容器中。
发明内容
本发明涉及一种用于车载电网或者说能量车载电网的线路装置，所述车载电网或者说能量车载电网包括具有也可以称为第一蓄能器的蓄能器的基础-车载电网、具有也可以称为第二蓄能器的额外的蓄能器的功率-车载电网以及DC/DC-转换器，其中所述两个蓄能器也就是第一和第二蓄能器串联。所述DC/DC-转换器构造用于在所述基础-车载电网与所述功率-车载电网之间进行耦合。
由此所述车载电网一般包括构造为基础-车载电网的部分车载电网以及构造为功率-车载电网的部分车载电网。所述DC/DC-转换器可以相对于所述蓄能器中的至少一个蓄能器并联并且布置在所述两条部分车载电网之间。所述发电机可以作为另外的组件相对于所述蓄能器中的至少一个蓄能器并联。在所述线路装置运行时，所述蓄能器中的至少一个蓄能器可以由所述发电机来供给电能。此外，所述第一蓄能器比如构造为电池或者蓄电池。所述额外的或者说第二蓄能器比如构造为电容器（比如双层电容器、超级电容器、Ultra Capacitor）或者构造为蓄电池（比如铅酸蓄能器、锂离子蓄能器或者具有可选的贮存技术的蓄能器）。相应地将一个蓄能器分配给一条部分车载电网。可以规定，所述车载电网也构造为所述线路装置的一部分。在一种运用情况中，所述线路装置和车载电网设置用于机动车。
在所述线路装置的一种变型方案中，所述两个蓄能器也就是所述第一蓄能器和所述额外的或者说第二蓄能器通过至少一条线路与所述发电机相连接。在此在第一种情况中所述第一蓄能器通常是所述电池和所述基础-车载电网通过第一开关与所述发电机相连接，并且所述额外的蓄能器以及所述功率-车载电网通过第二开关与所述发电机相连接。在第二种情况中，设置了可选的摆动开关或者转换开关，通过所述开关交替地要么所述第一蓄能器（电池）和所述基础-车载电网要么所述额外的蓄能器（电容器）和所述功率-车载电网与所述发电机相连接。在第三种情况中，省去所述发电机与第一蓄能器或者说基础-车载电网之间的开关，也就是说所述发电机固定地与所述额外的或者说第二蓄能器相连接并且因此与所述功率-车载电网相连接。
所述直流调节器或者说DC/DC-转换器一般可以构造为无电势的和/或双向的DC/DC-转换器。通过所述DC/DC-转换器，可以在所述部分车载电网之间转移能量。
所述线路装置可以具有用于影响在所述基础-车载电网内部流动的电流的方向的模块。由此在特定的运行状态中（比如重新起动时）可以防止用于加载其它车载电网组件的流到特定的车载电网分支（比如起动机）中的电流。这个模块可以集成在所述DC/DC-转换器中或者构造为单独的构件，比如构造为具有整流的功能或者说二极管功能或者二极管特征的线路。
此外，设置了一种用于运行车载电网的方法，其中所述车载电网包括具有蓄能器的基础-车载电网和具有额外的或者说第二蓄能器的功率-车载电网以及DC/DC-转换器。所述两个提到的蓄能器在此串联。所述基础-车载电网与所述功率-车载电网之间的耦合通过所述DC/DC-转换器来进行。
利用所述方法可以实现至少四种运行情况。在静态的第一种运行情况中，由所述DC/DC-转换器将能量从功率-车载电网转移到基础-车载电网中。在第二种运行情况中给所述电容器充电。在第三种运行情况中，在通过所述DC/DC-转换器来逆转能量的流向的情况下降低所述电池或者说所述第一蓄能器的充电电流并且提高所述电容器或者说所述第二蓄能器的充电电流。在第四种运行情况中通过所述DC/DC-转换器来支持从所述第二蓄能器中向所述基础-车载电网供电并且其用于使所述第一蓄能器卸荷。对所述车载电网来说，所述四种提到的运行情况或者运行方式可以交替地实施。
利用本发明，通过所述包括蓄能器的串联线路的线路装置的电子构件的所设置的连接来提供用于车载电网的在成本及效率方面得到优化的拓扑结构。利用所述线路装置尤其可以满足为提取电能而提高能量回收效率、在电压变化尽可能小的情况下提供得到提高的用于高功率负载的电压的要求并且除此以外也在非能量回收运行中实现了效率的提高。由此可以实现用于能量车载电网的拓扑结构，该拓扑结构在成本与效率（性能）之间的关系方面得到了优化并且可以满足对将来的能量车载电网的要求。
所述作为蓄能器或者说第一蓄能器的通常（i.d.R.）具有铅酸的基础-车载电网-电池以及所述典型地构造为超级电容器或者说锂离子-或者铅酸-蓄电池的额外的蓄能器可以作为一个结构单元或者作为两个分开的组件布置在机动车中的不同的结构空间中。在此从不同的有规律地通过所述线路装置的两个蓄能器来提供的电压级中向所述功率-车载电网和基础-车载电网的负载馈电。
在通过所述DC/DC-转换器的特殊的连接来进一步开发拓扑结构建议时，对于较高的车载电网负荷来说也仅仅需要所述DC/DC-转换器的较小的功率。此外，可以为起动/停止-运行产生额外的附加好处。利用所述DC/DC-转换器的在本发明的范围内设置的连接，可以将其尺寸降低到最低限度。此外用所述部分车载电网的所设置的能量供应也可以降低燃料消耗。
本发明在一种设计方案中展示一种线路拓扑结构和运行策略，利用所述线路拓扑结构和运行策略可以以得到优化的开销实现多种节省方案。在此尤其提高发电机电压，用于提高发电机效率。在惯性运行中，在向所述电气的蓄能器中的至少一个蓄能器充电时，可以提高能量回收潜力，用于利用所贮存的能量以便后来用于支持所述车载电网。同样可以在起动/停止-运行中进行车载电网支持。由此在红灯之后重新起动马达时在车载电网侧由所述DC/DC-转换器对所述起动机产生的电压波动进行补偿。用本发明同样可以满足关于防止所述基础-车载电网-电池的反接的可能的要求。此外，可以在更高的电势上向高电流负载供电。利用本发明可以实现用于效率优化的机动车-车载电网的拓扑方案。
所描述的线路装置构造用于实施所介绍的方法的所有步骤。在此该方法的单个步骤也可以由所述线路装置的单个组件来实施。此外，所述线路装置的功能或者所述线路装置的单个组件的功能可以作为所述方法的步骤来实现。此外可以将所述方法的步骤作为所述线路装置的单个组件或者整个线路装置的功能来实现。
本发明的其它优点和设计方案从说明书和附图中获得。
不言而喻，前面提到的和下面还要解释的特征不仅能够在相应说明的组合中而且也能够在其它的组合中或者单独地使用，而不离开本发明的范围。
附图说明
附图示出如下：
图1是从现有技术中知道的用于机动车的第一车载电网的示意图；
图2是从现有技术中知道的用于机动车的第二车载电网的示意图；
图3是按本发明的用于车载电网的线路装置的第一种实施方式的在三种不同的运行情况中的示意图；
图4是按本发明的用于车载电网的线路装置的第二种实施方式的示意图；并且
图5是按本发明的用于车载电网的线路装置的第三种实施方式的示意图。
具体实施方式
在此借助于实施方式在附图中示意性地示出了本发明并且下面参照附图详细地对本发明进行说明。
在此连续地并且全面地对附图进行说明，相同的附图标记表示相同的组件。
在图1中示意性地示出的从现有技术中知道的车载电网2包括设计用于14V的工作电压的主车载电网4以及这里设计用于14V到42V的工作电压的功率-车载电网6。所述主车载电网4和功率-车载电网6通过DC/DC-转换器8彼此相连接。
对于这里的车载电网2来说规定，所述主车载电网4具有电池10、起动机12和其它的负载14。所述功率-车载电网6则包括发电机16、超级电容器20以及设置用于进行转向的第一高功率负载22和构造用于进行加热的第二高功率负载24，在此为所述发电机16分配了调整机构18。
图2以示意图示出了从现有技术中知道的第二车载电网30，该第二车载电网30同样具有设计用于14V的工作电压的主车载电网32和设计用于大于14V的工作电压的功率-车载电网34。此外，这条车载电网30包括发电机36、分开电势的DC/DC-转换器38以及超级电容器40，其中所述发电机36与所述DC/DC-转换器串联。所述主车载电网32作为组件具有一个电池42、多个负载44、46、48、一个起动机50和另一个特殊负载52，该特殊负载52通过额外的DC/DC-转换器54与所述主车载电网32的其余的组件相连接。所述功率-车载电网34包括所述超级电容器40和一个高功率负载56，该高功率负载56在这里构造为电子的助力转向机构的模块。
图3以示意图示出了按本发明的线路装置60的第一种实施方式。在此图3a示出了该线路装置60的第一种运行情况，图3b示出了该线路装置60的第二种运行情况并且图3c示出了该线路装置60的第三种运行情况。
在图3中示出的线路装置60具有车载电网62的第一种实施方式，该车载电网62又划分为基础-车载电网64和功率-车载电网66。所述基础-车载电网64包括多个负载68、70、72、一个起动机74和一个特殊负载76，其中在负载中仅仅示出了三个这样的负载68、70、72。所述功率-车载电网66在这里包括一个高功率负载78。但是所述功率-车载电网66也可以设有多个负载或者说没有负载。
作为所述线路装置60的这里所介绍的实施方式的其它组件，设置了发电机80、这里构造为电池82的第一蓄能器和这里构造为电容器84典型地构造为超级电容器或者说UCAP的第二或者说额外的蓄能器。一条线路在这里具有第一开关86和第二开关88。检验机构90构造用于检查并且由此控制并且/或者调整所述线路装置60。在此所述电池82和电容器84以及由此两个蓄能器串联。在所述基础-车载电网64与所述功率-车载电网66之间作为额外的组件布置了DC/DC-转换器92。
在所述线路装置60的所描述的实施方式中，所述电池82分配给所述基础-车载电网64并且所述超级电容器84分配给所述功率-车载电网66。所述电容器84相对于所述DC/DC-转换器92并联。所述分开电势的DC/DC-转换器92构造用于使所述两个蓄能器充电对称。
此外，对于所述线路装置60来说，所述基础-车载电网64设计用于14V的工作电压，并且所述功率-车载电网66设计用于以大于14V的电压进行的运行过程。所述发电机80具有更高的额定电压，并且因此也可以称为所谓的多电压发电机80。利用该发电机80来向所述电池82和具有更高的效率的电容器84馈电。运行管理在按本发明的方法的一种实施方式中设置用于运行车载电网62并且应该通过所述检验机构90来实现。在此比如将所述发电机80的电压情况转换到合适的电压值并且因此根据所述两个开关86、88的位置从所述发电机80的工作点转换，其中向所述两个蓄能器中的至少一个蓄能器供给能量。
在正常的运行中，所述第二开关88闭合并且所述第一开关86断开。所述发电机80将更高的电压馈入到所述功率-车载电网66中，在此同样向通常构造为UCAP的电容器84和所述电池82充电，其中这两个组件串联。由于更高的电压，能量产生的效率得到了提高。因此由于更高的功率输出，可以使用具有更小的重量和更小的成本的更小的发电机结构。
对于在图3a中示范性地示出的第一种运行情况来说，通过线条100来表示能量的流动。在这第一种也称为静态的运行情况的运行情况中，能量在第一开关86断开时从所述发电机80出发经过闭合的第二开关88和所述DC/DC-转换器92流向电池82。在第一种运行情况中，给所述电容器84（UCAP）充电。通过所述DC/DC-转换器92来将能量从所述功率-车载电网66转移到所述基础-车载电网64中，由此避免所述电容器84过量充电。在第一种运行情况中，全部的功率由所述DC/DC-转换器92承担，该DC/DC-转换器92使功率从所述电容器84旁边经过。
在第二种示范性地在图3b中示出的运行情况中，给所述电容器84充电。为此切断所述DC/DC-转换器92。能量的流动在图3b中通过线条102来表示。因此，能量102从所述发电机80出发经过第二开关88流往所述电容器84并且接下来流往所述电池82。
在实施第三种通过图3c示意性地示出的运行情况中，实现所谓的峰值功率运行。在此比如在能量回收时规定，短时间将很多能量储存到所述两个蓄能器中。能量的流动在这种运行情况中在图3c中通过线条104来示出，该线条104分支为两条部分线条106、108。在这第三种运行情况中，能量从所述发电机80出发经过所述第二个闭合的开关88流往所述电容器84。如通过所述第一部分线条106表示的一样，仅仅所述能量中的第一部分在经过所述电容器84之后流往所述电池82，以便该电池82不会过量充电。所述能量的第二部分如通过部分线条108表示的一样从所述电容器84出发经过所述DC/DC-转换器92重新流往所述电容器84。由此获得这样的结果，即向所述电容器84供给较大量的能量并且由此向其充电。
为了避免所述电容器84过量充电，将DC/DC-转换器92装在所述部分电路之间。在此，所述DC/DC-转换器92用于在静态的运行中-一旦所述电容器84已经达到其额定电压-就将能量从所述功率-车载电网62转移到所述基础-车载电网64中。可选可以通过所述开关86、88的合适的转换来调节所述两个蓄能器的所期望的充电状态。为了保证车载电网的供给并且为了改进效率，在特定的运行情况或者工作点中可能有利的是，将发电机80的能量直接馈入到所述基础-车载电网64的14V级中。
为了在此提高所述车载电网62的峰值功率消耗并且保证功率-车载电网中的负载的供电，调转所述DC/DC-转换器92的能量流向，从而将能量从基础-车载电网64转移到所述功率-车载电网66中。由此降低电池82的充电电流，在使用具有受到限制的充电可接受性的铅蓄电池这种情况下，有利于提高为所述电容器84设置的充电电流，因为所述所述电容器84更好地适合于承载较高的功率。
在能量回收运行中，在第二开关88闭合并且第一开关86断开时，必要时可以通过所述基础-车载电网82中的电池82的最大的电荷消耗尤其在温度较低时限制最大的峰值功率。通过所述DC/DC-转换器92的运行，可以在提供从所述基础-车载电网64朝所述功率-车载电网66的方向的能流的情况下来提高能量回收功率。
利用借助于图3所描绘的拓扑结构，来降低用于电容器84的成本。该电容器84现在一定具有少量的单电池（Zellen），因为其直接安放在所述基础-车载电网64的14V级上。此外，可以直接从所述功率-车载电网66中同时向高功率负载供电。所述DC/DC-转换器92的功率与其它拓扑结构相比可以选择得非常小。如果同时对所述两个蓄能器充电，那么所述DC/DC-转换器92就仅仅设置用于对称。所述第一开关86尤其用于对所述线路装置60进行保险，并且可以在故障情况下闭合。
对于从现有技术中知道的车载电网2（图1）来说，所述功率-车载电网6中的电压在正常运行时必须调节得较小，因为必须得到足够的回旋余地，用于在能量回收的情况中能够在超级电容器20中接收能量，与这种车载电网2相反，对于用图3提出的拓扑结构来说在正常的运行中可以在发电机80上遵守高得多并且均匀得多的电压水平并且由此提高效率。
按本发明的线路装置110的在图4中示意性地示出的第二种实施方式同样包括一个发电机80、两个串联的蓄能器比如一个电池82和一个电容器84以及一条车载电网112，该车载电网112又包括一个基础-车载电网114和一个功率-车载电网116。在此，所述基础-车载电网114除了所述电池82之外还具有一个起动机74以及各种不同的负载68、70、72、76。所述功率-车载电网112在这里所描述的实施方式中具有所述电容器84以及一个或者多个高功率负载78。在所述基础-车载电网114与所述功率-车载电网116之间连接了一个被隔离的DC/DC-转换器92。出于安全原因并且在特殊的运行情况中，可以通过可选的换向开关120来将发电机功率直接馈入到所述基础-车载电网114中。
按本发明的线路装置122的在图5中示意性地示出的第三种实施方式与所述线路装置110的在图4中示意性地示出的第二种实施方式的区别在于一个额外的构件，该构件在这里构造为具有二极管特征的开关元件124并且在所述基础-车载电网114的内部连接在所述起动机74和电池82与其它的负载68、70、72、76之间。
对于用图4和5介绍的车载电网拓扑结构来说，所述DC/DC-转换器92构造用于对所述两个蓄能器以及由此电池82或者说机动车电池与可以构造为超级电容器或者双层电容器的电容器84的电位差进行补偿。
由这两个蓄能器构成的串联线路通过所述发电机80来馈电。与常规的车载电网相比，对于相同的车载电网功率来说，在此需要较小的发电机电流。这一方面根据工作点将发电机80的效率提高了大约10%，并且同样能够利用较小的比如具有120A而不是180A的载荷电流的发电机型式。这样的情况也适用于图3的线路装置60。
通过被隔离的DC/DC-转换器92的特殊的连接，尤其降低所需要的用于向所述车载电网114供电的转换器功率。在此在整个发电机电流130IG的静态的运行中（扣除通过所述高功率负载78所需要的电流）通过所述DC/DC-转换器92的初级侧流动并且而后为进行供电而流入到所述基础-车载电网114中。所述DC/DC-转换器92的初级电流132IP因此直接有助于所述基础-车载电网114的供电。加载在所述初级侧（和所述第二蓄能器）上的电压和这种初级电流132IP在所述DC/DC-转换器92的内部转换为次级电流134IS和电压并且由此同样向所述基础-车载电网114供电。
为了比如以14V向所述基础-车载电网114的负载供应2500W，在所述基础-车载电网114中流动着180A的载荷电流。如果现在所述发电机80以22V运行，那么大约120A对于发电机电流130IG来说就已足够。这种发电机电流130IG作为初级电流132IG通过所述隔离地构成的DC/DC-转换器92的初级侧来流动并且而后为进行供电而流入到所述车载电网114中。
作为所述初级电流132IP的补充加上所述DC/DC-转换器92的次级电流134IS，这两种电流一起作为载荷电流136IL来向所述车载电网114供电。所述DC/DC-转换器92的所需要的输出功率由此以（180A-120A）*14V=840W这种方式来获得，用于比如供给2500W的车载电网。
在能量回收情况下，所述DC/DC-转换器92停用。所述发电机电流130IG而后通过所述电池82上方的电容器84来流动并且就这样储存回收能量。发电机额定电压在这种运行中逐渐提高，直至达到所期望的发电机电流130IG。通过双向的DC/DC-转换器92的安装，还可以进一步提高能量回收功率。在这种情况下，而后将发电机电流130IG调节得高于用于向所述车载电网122供电并且用于向所述电池82充电所需要的程度。这种额外的电流通过反向运行的DC/DC-转换器92额外地储存到所述电容器84中。
为了支持所述基础-车载电网114，所述DC/DC-转换器92可以补充地具有二极管功能或者作为替代方案具有开关124，这在图5中示出。如果在重新起动时所述电池82上的电压波动，那么所述基础-车载电网114就可以通过所述DC/DC-转换器92稳定地得到供电。相对于当前的车载电网稳定作用，所述电池82在这种情况下没有通过所述基础-车载电网114来加荷。所述二极管功能同时代表着用于所述基础-车载电网114的组件的反接保护。安装在发电机82上的换向开关120是可选的并且在所述DC/DC-转换器92失灵时或者在不利的运行情况中作为复位级（Rückfallebene）起作用。
线路装置62、112的在图3、4和5中示出的实施方式包括示范性地构造为电池82的第一蓄能器以及这里示范性地构造为电容器84（超级电容器）的额外的第二蓄能器。通常在这样的线路装置62、112中也可以使用其它合适的蓄能器。因此可以将所述第一蓄能器构造为蓄电池或者发电机比如起动机发电机或者具有主动的加力功能或者说放大功能的发电机。对于所述第二蓄能器来说，尤其可以使用不同的类型的电容器84比如双层电容器但是必要时也可以使用蓄电池。

Claims (9)

1.用于车载电网（62、112）的线路装置，所述车载电网（62、112）包括具有蓄能器的基础-车载电网（64、114）、具有额外的蓄能器的功率-车载电网（66、116）以及DC/DC-转换器（92），其中所述蓄能器和所述额外的蓄能器串联，并且其中所述DC/DC-转换器（92）设置用于在所述基础-车载电网（64、114）与所述功率-车载电网（66、116）之间进行耦合。
2.按权利要求1所述的线路装置，该线路装置具有发电机（80），该发电机（80）相对于所述蓄能器和所述额外的蓄能器并联。
3.按权利要求2所述的线路装置，其中所述蓄能器与所述额外的蓄能器通过至少一条线路与所述发电机（80）相连接。
4.按前述权利要求中任一项所述的线路装置，其中所述额外的蓄能器构造为双层电容器。
5.按前述权利要求中任一项所述的线路装置，该线路装置具有用于影响通过所述DC/DC-转换器（92）流动的电流的方向和大小的模块。
6.用于运行车载电网（62、112）的方法，所述车载电网（62、112）包括具有蓄能器的基础-车载电网（64、114）和具有额外的蓄能器的功率-车载电网（66、116）以及DC/DC-转换器（92），其中所述蓄能器与所述额外的蓄能器串联，并且其中所述基础-车载电网（64、114）与所述功率-车载电网（66、116）之间的耦合通过所述DC/DC-转换器（92）来进行。
7.按权利要求6所述的方法，其中在静态的第一种运行情况中由所述DC/DC-转换器（92）将能量从功率-车载电网（66、116）转移到基础-车载电网（64、114）中。
8.按权利要求6或7所述的方法，其中在第二种运行情况中给所述额外的蓄能器充电。
9.按权利要求6到8中任一项所述的方法，其中在第三种运行情况中降低所述蓄能器的充电电流并且提高所述额外的蓄能器的充电电流。
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