CN102474126B - 机动车的多电压车载供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有混合或电力驱动的机动车的多电压车载供电系统，具有直流-直流变换器(DCDC)，具有与地电势不同的较高直流电压的高电压级和至少一个第一蓄能器(ES1)经由该直流-直流变换器与具有与地电势不同的较低电压的低电压级和至少一个第二蓄能器(ES2)连接，多电压车载供电系统具有充电接口(S)用于对外部设备充电，直流-直流变换器的至少一个变换器相能从低电压级分离且作为替代能与充电接口连接，第三蓄能器(ES3)能连接到充电接口以便在连接状态为第三蓄能器供应所述较低电压并且使得能够通过从第一蓄能器到第三蓄能器的能量流对第三蓄能器充电。

Description

机动车的多电压车载供电系统
技术领域
本发明涉及一种用于具有混合驱动或电力驱动的机动车的多电压车载供电系统，具有直流-直流变换器，具有与地电势不同的较高直流电压的高电压级和至少一个第一蓄能器经由该直流-直流变换器与具有与地电势不同的较低电压的低电压级和至少一个第二蓄能器连接。
背景技术
这样的具有直流-直流变换器(DC-DC converter)的多电压车载供电系统在现有技术中以多种形式已知。直流-直流变换器可以将不同电压的能量车载供电系统能量地连接。为了提高直流-直流变换器的功率密度以及为了提高其电流承载能力，直流-直流变换器经常多相地构造。优选涉及(下文中将以此为例)多个变换器相的并联。在对功率开关的触发在时间上错开以(360度除以变换器相的数量)的情况下，输出端子总线电容器上的电流脉动重叠，从而尤其是总线电容上的部件负载可以被降低。
在现有技术中，多电压车载供电系统还用于提高潜在最大功率(例如混合驱动，辅助机组的起电)。通常多相构造的高效直流-直流变换器将这些子车载供电系统连接。
发明内容
本发明要解决的问题是以经济的方式方法扩展多电压车载供电系统的功能性。
该问题通过根据权利要求1的多电压车载供电系统来解决。从属权利要求给出了本发明的优选实施方式和扩展方案。
与除了直流-直流变换器之外提供单独的充电器相比，本发明使得减少了昂贵的、沉重的和庞大的部件。因此可以降低总成本，并且所需要的结构空间最小化。此外还可以精简重量并因此节省发动机燃料。
现有技术中已知将充电器功能和结构地集成到机动车中。通过集成适当的充电器，在未来的机动车(尤其是城市用车辆)中可以以实用的方式方法对外部设备(例如小型电瓶车)进行充电。能够在机动车能量车载供电系统中对外部设备充电这种可能性提供了一个客户非常喜欢的功能。现有技术中已知的充电器经常包含自己的直流-直流变换器，经由该直流-直流变换器可以从机动车的能量车载供电系统对相应的外部设备充电。
根据本发明，使用为多电压车载供电系统的不同电压级总归被提供的直流-直流变换器的至少一个变换器相来对外部设备充电。
为此，在多电压供电系统中提供用于对外部设备充电的充电接口。其中，多电压供电系统以及尤其是直流-直流变换器或其布线被构造为使得直流-直流变换器的至少一个变换器相能从低电压级分离，并且作为代替能与充电接口连接。此外还提供要充电的第三蓄能器，第三蓄能器优选是外部设备的部件并且能连接到充电接口。这个第三蓄能器在连接到充电接口的状态下被供给以多电压供电系统的较低电压，并且因此使得能够通过从第一蓄能器到第三蓄能器的能量流对第三蓄能器充电。
多电压车载供电系统由此可以构造为具有仅仅一个高电压级和一个低电压级的双电压车载供电系统。
在最简单的情形下，直流-直流变换器被单相地实现。于是，直流-直流变换器的唯一一个变换器相能从低电压级分离，并且作为替代能与充电接口连接。
但是根据本发明的一优选实施方式，直流-直流变换器具有多个并联的变换器相。于是其优选能在至少第一和第二工作模式中工作。在第一工作模式中，直流-直流变换器的所有变换器相与第二蓄能器连接，而没有任何变换器相与充电接口连接。直流-直流变换器于是只能用于高电压级和低电压级之间的电压变换。而在第二工作模式中，直流-直流变换器的至少一个变换器相与第二蓄能器连接，直流-直流变换器的至少一个其他变换器相与充电接口连接。直流-直流变换器的变换器相因此部分用于对第三蓄能器充电，但是还部分用于高电压级和低电压级之间的电压变换。
为了降低部件负载(尤其是对于可选地在高电压级一侧上与第一蓄能器并联的总线电容器)，在第二工作模式中可以错开地触发变换器相。
较低电压(低电压级)优选是大约12伏特的机动车典型的车载供电系统电压。高电压级优选与机动车的电动车电池或者与机动车的混合驱动或电力驱动的电池连接。
至少一个变换器相与低电压级的上述分离以及其与充电接口的连接优选能通过唯一一个能电子控制的开关元件来进行。因此，工作模式可以特别简单地切换，转换可以同步进行。
如果直流-直流变换器具有不止两个变换器相，则可以通过适当的转换装置使得能够在“任务”直流电压变换和对外部设备充电之间可变地分配直流-直流变换器的总功率。因此例如在存在N个变换器相的情况下，可以选择性地将一个变换器相或两个变换器相或直至(N-1)个变换器相用于对外部设备充电，而其余变换器相还供直流电压变换使用。
用于将至少一个变换器相从低电压级断开并且将其连接到充电接口的(在可能的情况下被构造为单个能电子控制的开关元件的)转换装置优选与直流-直流变换器的变换器相一起集成到一设备部件中或一外壳中。还有可能设置有的总线电容器优选也一起集成到该设备部件中或该外壳中。
充电接口优选被实现为插塞接头或开关。外部设备可以特别容易地连接到插塞接头。尤其地，可能的插塞接头优选具有与充电插头标准化的外部设备兼容的标准化的充电插座。
根据本发明的一优选实施方式，能检测第三蓄能器连接到充电接口，并且能自动地根据这个检测来控制与低电压级的断开和与充电接口的连接。尤其地，优选上述转换装置(尤其是在其被构造为单个能电子控制的开关元件的情况下)能根据这个检测来控制。于是一旦要充电的外部设备连接到充电接口就可以自动地进行工作模式的切换。
附图说明
以下将借助于附图介绍本发明的优选实施例。从中可以了解到本发明的更多细节、优选实施方式和扩展方案。具体地，在附图中：
图1示意性地示出了基于多相直流-直流变换器的本发明的形式；
图2示意性地示出了基于单相直流-直流变换器的本发明的形式。
具体实施方式
以下描述的机动车被构造为混合动力车辆或电动车辆，包括具有高电压级(电动车电池)和低电压级(12伏特)的双电压车载供电系统，并且在高电压级和12伏特车载供电系统供电之间具有直流-直流变换器(以下称为DC-DC变换器)。
这个DC-DC变换器能在不同工作模式中工作。
第一工作模式(M1)是指：从高电压到12伏特的DC-DC变换，用于从电动车电池或从高电压系统为车载供电系统供电。
第二工作模式(M2)是指：通过将DC-DC变换器转换到充电工作方式，对车载设备充电(在停车时或在机动车行驶期间)。
对于这里所述的DC-DC变换器，第一和第二工作模式优选可以组合为第三工作模式(M3)。前提是：DC-DC变换器具有多个变换器相，DC-DC变换器(尤其是在第一工作模式M1中)借助于这些变换器相进行高电压级和低电压级之间的直流电压变换。其中上面提到的将DC-DC变换器转换到充电工作方式限于这些变换器相中几个。于是，第一部分的变换器相还执行根据模式M1的直流电压变换，其他部分的变换器相执行按照模式M2的充电。其中与“纯”模式M1相比，DC-DC功率降低，以支持充电功率。
对于转换装置的相应设计，可以改变在模式M3中用于充电操作的变换器相的数量。可以通过相应的分配变换器相或确定上述数量来控制在模式M3中为了支持充电功率，DC-DC功率要降低的程度。在存在N个变换器相的情况下，在模式M3中，在一个变换器相和(N-1)个变换器相之间用于对外部设备充电。
基本上，转换装置也可以被构造为使得完全将DC-DC变换器(既所有变换器相)转换到纯充电操作(模式M2)也是可能的。
为了实现组合模式M3而需要的装置通过如下地修改传统的多相DC-DC变换器来实现，即一方面设置有适当的转换装置来将单个变换器相从低电压级断开并且将其与充电接口连接，并且另一方面以软件实现根据上述工作模式(至少M1和M3，在可能的情况下还有M2)的转换/分离，并且相应地触发转换装置。
与在一个外壳中或甚至在两个外壳中提供两个分开的装置(用于车载供电系统的传统DC-DC变换器和单独的充电器)相比，在这样的装置中，用于并行或同时满足两个“任务”直流电压变换和对外部设备充电的硬件开销明显更低。
如果不需要充电操作，则由此可以进行对12伏特车载供电系统的支持，并且因此降低了DC-DC变换器的负荷。
在需要的情况下，能想到专门设置用于比12伏特高的电压的充电器相。
图1示出了一直流-直流变换器DCDC，其被构造为具有第一相P1和第二相P2的多相变换器，其中能利用至少一侧上的开关SW来断开这些相。变换器与通常包含蓄能器的能量车载供电系统连接。在本例中，ES1表示高电压车载供电系统中的蓄能器，ES2表示低电压车载供电系统中的蓄能器。第三蓄能器ES3能借助于插塞接头或开关S从直流-直流变换器分离。这个第三蓄能器ES3属于外部设备(例如电瓶车)，并且应在直流-直流变换器DCDC的模式M3中被充电。
一旦外部设备ES3经由插塞连接器S被连接，多相变换器DCDC就被开关SW断开。于是涉及两个单独的变换器级P1和P2。从ES1到ES2的能量传输可以降低地(仅仅还使用P1)继续。ES3可以(利用P2)从ES1充电。
变换器相的输入端/输出端连接到总线电容器。在ES1侧，总线电容器C1与ES1并联。总线电容器C2与ES2并联(与开关SW的开关位置无关)。总线电容器C3选择性地与ES2并联(在将ES2与P2连接的情况下)或者与ES3并联(在经由S将ES3与P2连接的情况下)。
通过错开地触发变换器级，可以减少总线电容器C1中的部件负载。
如果装置ES3不连接到S，则变换器DCDC优选又连接为多相变换器(参考模式M1)，即ES2又与P2连接。ES1到ES2的能量传输于是又可能具有完全的变换器功率。通过错开地触发，还降低了所有总线电容器中在这种操作中的部件负载。
对于所述配置还有利的是：利用附加蓄能器ES3可以支持子车载供电系统ES1和ES2。例如能想到以恒定的电流从ES2对ES1充电，以便不使ES2瞬时负荷。为了降低网络ES1中波动的电压(例如由瞬时高功率负载所导致的)，可以完全或部分地由ES3满足瞬时需要。
图2示出了只具有一个相P1’的单相直流-直流变换器DCDC’。通过开关SW’，这一个变换器相P1’可以选择性地用于直流电压变换(在将ES2与P1’连接的情况下)或者用于对连接到充电接口S的蓄能器ES3充电(在经由S将ES2与P1’连接的情况下)。
本发明使得能够实现最优的结构空间利用和重量最小化。根据现有技术所必需的两个装置(用于车载供电系统的传统DC-DC变换器和单独的充电器)的使用在费用和结构空间方面需求很大，即使这两个装置集成到一个外壳中。
本发明消除了现有技术的多个效率欠缺：认识到一方面即使在机动车中提供充电接口时相对很少的外部装置在其上被充电，因此通常仅仅很少使用只用于充电目的的变换器，并且另一方面在可能的情况下多相的变换器的整个功率仅仅很少用于连接现代多电压车载供电系统的子车载供电系统，有针对性地只简单地设置类似的部件，并且一起用于这两个不同的目的。因此经济效益也提高了。

Claims (10)

1.一种用于具有混合驱动或电力驱动的机动车的多电压车载供电系统，具有直流-直流变换器(DCDC)，其中具有与地电势不同的较高直流电压的高电压级和至少一个第一蓄能器(ES1)经由该直流-直流变换器与具有与地电势不同的较低电压的低电压级和至少一个第二蓄能器(ES2)连接，
其特征在于，
多电压车载供电系统具有充电接口(S)，用于对外部设备充电，
直流-直流变换器的至少一个变换器相能从低电压级分离，并且作为替代能与充电接口连接，
作为外部设备的部件的第三蓄能器(ES3)能连接到充电接口，以便在连接状态为第三蓄能器供应所述较低电压，并且使得能够通过从第一蓄能器到第三蓄能器的能量流对第三蓄能器充电。
2.根据权利要求1所述的多电压车载供电系统，其特征在于，直流-直流变换器被实现为是单相的。
3.根据权利要求1所述的多电压车载供电系统，其特征在于，
直流-直流变换器具有多个并联的变换器相(P1，P2)，并且能至少在第一工作模式和第二工作模式中工作，
在第一工作模式(M1)中，直流-直流变换器的所有变换器相与第二蓄能器连接，而没有任何变换器相与充电接口连接，
在第二工作模式(M3)中，直流-直流变换器的至少一个变换器相(P1)与第二蓄能器连接，并且直流-直流变换器的至少一个其他变换器相(P2)与充电接口连接。
4.根据权利要求3所述的多电压车载供电系统，其特征在于，在第二工作模式中，错开地触发变换器相。
5.根据权利要求1至4之一所述的多电压车载供电系统，其特征在于，所述较低电压是大约12伏特的机动车典型的车载供电系统电压。
6.根据权利要求1至4之一所述的多电压车载供电系统，其特征在于，高电压级与机动车的电动车电池连接。
7.根据权利要求1至4之一所述的多电压车载供电系统，其特征在于，能由单个能电子控制的开关元件(SW)来进行从低电压级的分离和与充电接口的连接。
8.根据权利要求1至4之一所述的多电压车载供电系统，其特征在于，充电接口被构造为插塞接头或开关。
9.根据权利要求1至4之一所述的多电压车载供电系统，其特征在于，能检测第三蓄能器与充电接口的连接，并且根据这个检测能自动控制从低电压级的分离和与充电接口的连接。
10.根据权利要求1至4之一所述的多电压车载供电系统，其特征在于，直流-直流变换器以及为了从低电压级的分离和与充电接口的连接而需要的转换装置(SW)以及在直流-直流变换器的变换器相的输入端和输出端上可能存在的电容器(C1，C2，C3)被集成到一个公共的外壳中。
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