CN103229385B - 用于汽车的蓄能装置 - Google Patents

Abstract

一种用于汽车的蓄能装置，其具有第一蓄电器以及与第一蓄电器并联连接的第二蓄电器，第一蓄电器具有第一电压特征曲线（5）和第一电阻特征曲线（11），该第一电压特征曲线根据第一蓄电器的相对充电状态（1）确定第一蓄电器的静态电压（2），该第一电阻特征曲线根据第一蓄电器的相对充电状态（1）确定第一蓄电器的与第一蓄电器充电过程有关的内阻（10），该第二蓄电器具有第二电压特征曲线（8）和第二电阻特征曲线（12），该第二电压特征曲线根据第二蓄电器的相对充电状态（1）确定第二蓄电器的静态电压（2），该第二电阻特征曲线根据第二蓄电器的相对充电状态（1）确定第二蓄电器的与第二蓄电器充电过程有关的内阻（10），其中由第一电压特征曲线覆盖的电压值范围（7）与由第二电压特征曲线覆盖的电压值范围（8）部分重叠（9），并且第一电阻特征曲线和第二电阻特征曲线具有正好一个交点（13）。

Description

用于汽车的蓄能装置

技术领域

本发明涉及一种用于汽车的蓄能装置。

背景技术

由于用于舒适和安全功能的电负载的数目不断增加并且由于传统铅酸蓄电池作为蓄电器积极参与混合车辆功能，将来的在现代汽车中、尤其在轿车中常规的14V车载电网的实现将来会极大改变。例如，实现越来越多的功能，如在车辆运行期间发动机的自动停止和起动以及在车辆的惯性滑行中有效的制动能回收。由此得到的对蓄电器的挑战由于高电流范围中更为频繁的放电阶段而尖锐化，放电阶段归因于在现代车辆中电气化的附加总成。例如，在此起动电负载或机电负载如用于主动转向机的电动机或冷却循环泵。为了提高负载功能的可用性并且延长蓄电器的使用寿命，铅酸蓄电池例如通过合适的蓄电器代替或者为车载电网补充另一蓄电器并且扩展成双蓄电器式车载电网。

车载电网中的这种蓄能装置在现有技术中作为双蓄电器式车载电网来阐述。例如在文献US6844634B2中，铅酸蓄电池与锂离子蓄电池的并联作为车辆中用于产生和调节电功率的基础来描述。在此情况下，两个蓄电池的两个传感器与控制设备的相互作用是重要的。

发明内容

本发明的任务是，提出一种改进的具有两个蓄电器的用于汽车的蓄能装置。

该任务通过用于汽车的蓄能装置来解决，其具有第一蓄电器以及与第一蓄电器并联连接的第二蓄电器，该第一蓄电器具有第一电压特征曲线和第一电阻特征曲线，该第一电压特征曲线根据第一蓄电器的相对充电状态确定第一蓄电器的静态电压，该第一电阻特征曲线根据第一蓄电器的相对充电状态确定第一蓄电器的与第一蓄电器充电过程有关的内阻，该第二蓄电器具有第二电压特征曲线和第二电阻特征曲线，该第二电压特征曲线根据第二蓄电器的相对充电状态确定第二蓄电器的静态电压，该第二电阻特征曲线根据第二蓄电器的相对充电状态确定第二蓄电器的与第二蓄电器充电过程有关的内阻，由第一电压特征曲线覆盖的电压值范围与由第二电压特征曲线覆盖的电压值范围部分重叠，并且第一电阻特征曲线和第二电阻特征曲线具有正好一个交点。

根据本发明，蓄能装置的特征在于由第一蓄电器的电压特征曲线(在此称作第一电压特征曲线)覆盖的电压值范围与由第二蓄电器的电压特征曲线(在此称作第二电压特征曲线)覆盖的电压值范围部分重叠。这两个电压值范围的部分重叠在本文的范围中可理解为，除了这两个电压值范围的非空的交集之外分别存在电压值范围的非空的子集，该子集不是另一个电压范围值的子集。此外，在充电时第一电压蓄电器的内阻特征曲线(称作第一电阻特征曲线)和在充电时第二蓄电器的内阻特征曲线(称作第二电阻特征曲线)具有正好一个交点。

本发明的优点在于，这两个蓄电器在其电压位置和其相对充电状态方面形成相互作用。根据基尔霍夫定理，在任何时刻，蓄能装置的充电电流或放电电流通过这两个蓄电器的相应的充电电流或放电电流之和来确定。在基尔霍夫定理的应用的意义下，这两个蓄电器的并联构成一个节点。在此假定遵守针对电流流动的两个方向的符号约定，即充电电流作为一个流动方向(一个符号)而放电电流作为另一流动方向(另一符号)。通过相互作用可以使汽车中的蓄能装置运行的技术开销最小化。汽车中的蓄能装置运行的技术开销在本文的上下文中例如包括用于这两蓄电器的电压和电流监控的电池传感器或这两个蓄电器的充电电流和放电电流的调节。这样的调节在汽车技术中常常被称作蓄电器的电池策略并且以软件模式在控制设备上实施。

这两个蓄电器的特别的相互作用能够实现如在本文的实施例中所阐述的具有高功能性的简单工作策略的实施。

也特别有利的是，通过这两个蓄电器的相互作用可以使蓄能装置的使用寿命优化。

根据本发明的一种优选的实施形式，第一电阻特征曲线在处在交点处的相对充电状态值上方的相对充电状态中处于第二电阻特征曲线之上方。在这两个电阻特征曲线的交点处相对充电状态的值在本文的进一步描述中称作临界充电状态。换言之，第一电阻特征曲线的电阻值对于大的充电状态值而言(大于在两个电阻特征曲线的交点处的临界充电状态)大于第二电阻特征曲线的电阻值。

该实施形式的特别优点在于，在将较大充电电压施加在蓄能装置上的情况下(该充电电压例如可以由车载电网发电机产生)，第二蓄电器具有比第一蓄电器更小的充电电阻。这至少在第一蓄电器的相对充电状态在临界充电状态上方并且第二蓄电器的相对充电状态在临界的充电状态下方时适用。例如在用于制动能回收的现代功能中常常出现的短时脉冲因此引起对第二蓄电器的优先充电。

根据本发明的另一变型方案，蓄能装置(或其所包含的蓄电器)设计为，由第二电压特征曲线覆盖的电压值范围包含比由第一电压特征曲线所覆盖的电压值范围更高的电压值。

根据本领域技术人员已知的能斯脱等式假定这两个电压特征曲线在更大的电压值的方向上并且在更大的相对充电状态值的方向上连续单调上升地走向。由于过电压电势引起的可能的偏差在本文的上下文中不起限制性作用。在其变化过程中，这两个电压特征曲线不相交。

这两个电压特征曲线的特点导致，在由于并联而决定的这两个蓄电器的相同电压位置中，第一蓄电器的相对充电状态大于第二蓄电器的相对充电状态。

这两个电压特征曲线的特征具有优点：当没有较大的充电电压施加在蓄能装置上时，优选第一蓄电器由第二蓄电器充电。在本文的进一步描述中，该效应被称作内部转移充电。此外，只有当第一蓄电器既未充满电而第二蓄电器也未完全放电时，充电电流才可以从第二蓄电器流向第一蓄电器(即进行内部转移充电)，换言之，这意味着，由这两个蓄电器的并联决定的这两个蓄电器的相同电压位置处在这两个电压特征曲线的部分重叠的区域中。

根据本发明的另一改进方案，蓄能装置可以设计为，第一蓄电器实施为铅酸蓄电池，而第二蓄电器实施为锂离子蓄电池或超级电容器。

在此情况下，特别有利的是，与锂离子蓄电池或超级电容器相比，铅酸蓄电池优选在更高的相对充电状态下运行。铅酸蓄电池的使用寿命首先近似地随着关于较长的使用时间段所平均的相对充电状态而延长。只要蓄能装置的这种工作策略被选择为使得铅酸蓄电池在相对充电状态中接近完全充电地运行，则确保蓄能装置的优化的可用性。汽车制造商的保修成本和车主的维护成本降低。

根据本发明的一种优选的实施形式，这两个蓄电器的并联实施为电压中性的(spannungsneutral)。

利用这两个蓄电器的并联结构的电压中性的实施，在本文中描述如下实施形式，其中在任何运行时刻在连接元件或耦合元件上都没有电压降或没有明显的电压降。例如就此而言，固定的接线、简单的开关和/或继电器可以视为电压中性的布线。在电压中性的意义下，尤其是转换电压的部件如例如直流-直流变换器或将两个蓄电器部分去耦的开关控制装置不属于此，它们在运行期间引起这两个电存储器的电压位置的分开。

因此利用这种并联可以实现巨大的成本优点并且采用简单的工作策略。工作策略的简单性也进一步反映到成本优点中，使得在蓄能装置运行中对蓄电器电压的检测足以确定这两个蓄电器之一的相对充电状态。例如如果检测在铅酸蓄电池的极之间的静态电压，则通过两个蓄电器的两个电压特征曲线相对彼此的已知位置以足够的精度一同确定锂离子蓄电池的相对充电状态。

本发明基于如下所述的构思：两个电化学蓄电器可以在没有转换电压的耦合元件的情况下直接耦合，这两个蓄电器根据其充电状态具有其电压特征曲线不同但彼此协调的特性。这两个蓄电器的特征实现，无需通过DC-DC转换器或开关控制装置进行费事的连接。这意味着，与稳定车载电网的作用结合，扩展技术上容易实现的理想的蓄电器用以提高短时循环能力，伴随有停车中提高的舒适负载可用性、高效的短时电荷吸收能力和用于存储来自制动能回收功能的能量的高充电效率，而不需昂贵的电子部件。例如，可以通过12V额定电压的铅酸电池与14V额定电压的锂离子电池的电阻性连接、有线连接可以实现耦合。在此，理想地补充例如铅酸蓄电池的典型优点如良好的冷起动能力和有利的成本收益比。

附图说明

以下借助附图描述本发明的优选实施例。由此得到本发明的其他细节、优选的实施形式和改进方案。具体示意性示出：

图1：用于汽车的两个蓄电器的电压特征曲线，

图2：用于汽车的两个蓄电器的电阻特征曲线。

具体实施方式

图1示出第一蓄电器的电压特征曲线5的变化过程，该第一蓄电器可以实施为具有12V的额定电压的铅酸电池，该变化过程在纵坐标2的方向上根据第一蓄电器的相对充电状态1而绘制。在此情况下，示出在该蓄电器的放电3与该蓄电器的充满电4之间的相对充电状态的范围，而未示出可能的深放电的范围。此外，图1示出沿纵坐标绘制的第二蓄电器的类似电压特征曲线6的变化过程，该第二蓄电器可以实施为具有14V的额定电压的次级锂离子电池。这两个电压特征曲线表明处在平衡状态中的蓄电器的静态电压，这意味，示出在不带负载或外部充电电压的电池极之间的并且在对于形成热和化学平衡而言足够长的时时间段之后的电压。由第一电压特征曲线5覆盖的电压范围7和由第二电压特征曲线6覆盖的电压范围8具有交集9，也就是说，并非由第一电压特征曲线覆盖的整个电压范围都在比由第二电压特征曲线覆盖的电压范围大的电压值中。

借助在用于汽车的蓄能装置中的电压特征曲线对两个蓄电器的选择通过借助电阻特征曲线进行的选择来补充。图2示出沿纵坐标10的方向绘制的第一蓄电器在充电过程期间的内阻的变化过程11。该变化过程在放电3与充满电4之间的范围中比照相对充电状态1而绘制。以类似方式和方法，示出第二蓄电器的内阻的变化过程12。这两个电阻特征曲线的交点关联有相对充电状态的值13，该值称作临界充电状态。在汽车的工作策略中和在汽车的能量管理中，该临界充电状态可以用作控制和调节参数。对于蓄能装置的简单工作策略而言，仅仅铅酸电池的充电状态例如利用电池传感器通过电压测量来检测。蓄能装置的例如13.3V的充电电压足以将铅酸电池充满电，其中锂离子电池在铅酸电池实现充满电之后处于已部分放电的状态中并且优选在临界的充电状态之下。如果铅酸电池在相对充电状态中在临界充电状态之上，这在短时充电脉冲情况下优选引起锂离子电池充电，该充电脉冲例如为了将在汽车的滚动阶段中的制动能作为电化学结合能回收而施加在蓄能装置上。由此，利用锂离子电池的较高的充电效率，并且铅酸电池对于其耐久性有利地被较少循环。

由于与铅酸电池相比锂离子电池的自放电较少并且由于根据图1的这两个电压特征曲线的位置(第二电压特征曲线在纵坐标的方向上在第一电压特征曲线上方)，在车辆停车中，铅酸电池被锂离子电池补充充电。当铅酸电池的相对充电状态小于临界充电状态的值时出现称作内部转移充电的效应。由于这两个电压特征曲线部分重叠，只要锂离子电池未完全放电就会出现电荷从锂离子电池到铅酸电池的转移。通过内部转移充电，降低铅酸电池在较低充电状态中的停留时间并且因此提高铅酸电池的使用寿命。此外，在冷起动情况下，由在停车中未减小或几乎未减小的高充电状态引起的铅酸电池的高冷起动能力得以实现。蓄能装置有助于提高汽车发动机成功和尽可能快的冷起动的可能性。但在此情况下，没有观察到在发动机冷起动之前的长停车时间或在两个蓄电器中的微短路，微短路导致这两个蓄电器深放电。如果舒适和安全负载短时对电功率有高需求，则该蓄能装置使车载电压稳定，而不需使用昂贵的直流－直流变换器，因为两个蓄电器并行地放电并且因此与使用这两个蓄电器中的仅仅一个蓄电器相比减小在蓄能装置上和在车载电网中产生的电压干扰。

Claims (3)

1.用于汽车的蓄能装置，其具有第一蓄电器以及与第一蓄电器并联连接的第二蓄电器，该第一蓄电器具有第一电压特征曲线(5)和第一电阻特征曲线(11)，该第一电压特征曲线根据第一蓄电器的相对充电状态(1)确定第一蓄电器的静态电压(2)，该第一电阻特征曲线根据第一蓄电器的相对充电状态(1)确定第一蓄电器的与第一蓄电器充电过程有关的内阻(10)，该第二蓄电器具有第二电压特征曲线(6)和第二电阻特征曲线(12)，该第二电压特征曲线根据第二蓄电器的相对充电状态(1)确定第二蓄电器的静态电压(2)，该第二电阻特征曲线根据第二蓄电器的相对充电状态(1)确定第二蓄电器的与第二蓄电器充电过程有关的内阻(10)，其特征在于，由第一电压特征曲线覆盖的电压值范围(7)与由第二电压特征曲线覆盖的电压值范围(8)部分重叠(9)，并且第一电阻特征曲线和第二电阻特征曲线具有正好一个交点(13)，第一电阻特征曲线在与所述交点相配的相对充电状态的值上方的相对充电状态的范围中处于第二电阻特征曲线上方，由第二电压特征曲线覆盖的电压值范围与由第一电压特征曲线覆盖的电压值范围相比包含更高的电压值。

2.根据权利要求1所述的蓄能装置，其特征在于，第一蓄电器实施为铅酸蓄电池，而第二蓄电器实施为锂离子蓄电池或超级电容器。

3.根据权利要求1或2所述的蓄能装置，其特征在于，所述两个蓄电器的并联电路实施为电压中性的，其中，在任何运行时刻在连接元件或耦合元件上都没有电压降或没有明显的电压降。