CN103339370B - 汽车车载电网和用于运行汽车车载电网的方法 - Google Patents

汽车车载电网和用于运行汽车车载电网的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种汽车车载电网(1)，包括布置在汽车车载电网(1)的第一区域内的启动器(2)和第一能量存储器(4)以及布置在汽车车载电网(1)的第二区域内的发电机(6)和第二能量存储器(9)，其中，在汽车车载电网(1)的第一和第二区域之间布置有具有至少两个开关状态的开关元件(12)，其中，在第一开关状态中，电流只能沿从第一区域向第二区域的方向流动，并且在第二开关状态中，第一和第二区域相互连通，其中，第二能量存储器(9)通过DC/DC变压器(10)与发电机(6)相连，启动器(2)通过第二开关元件(13)直接与第二能量存储器(9)相连，本发明还涉及一种用于运行这种汽车车载电网(1)的方法。

Description

汽车车载电网和用于运行汽车车载电网的方法
本发明涉及一种汽车车载电网和一种用于运行汽车车载电网的方法。
现代汽车由于空转中的CO2排放问题而越来越多地装备启动-停止功能。在启动-停止功能中，发动机例如在机动车在红灯处停下时关闭，以便节省燃料和降低CO2排放。为了继续行驶，再通过启动器启动发动机。因为启动器为了启动发动机需要高达800A电流，所以机动车电池内阻上的电压为6V。车载电网中可供使用的接线柱电压短时间为12V-6V＝6V。除了在红灯处的启动-停止运行还已知的是，也可以在汽车行驶中在不使用时关闭发动机(内燃机)(“空转时关闭发动机”；“运动中的启动-关闭”)。无论如何应确保重新启动汽车。
由DE 10 2008 054 885 A1已知一种用于控制可连接负载的机动车车载电网的能量供应的设备，包括用于为启动器提供电能的第一能量存储器、用于产生发电机电压的发电机和第一可控式开关元件，所述第一可控式开关元件设置在第一能量存储器与发电机之间并且设计为，使得在机动车运行中只允许电流沿从第一能量存储器向发电机的方向流动。在此，开关元件还可以具有另一开关状态，在该状态下开关元件起到导线的作用。可控式开关元件优选是指场效应晶体管，尤其是MOSFET(金氧氧化物半导体场效应晶体管)。因为场效应晶体管能够以较小的门电压和最小的时间延迟开关，所以可迅速地对通过可控式开关元件或者车载电网内强烈的电压波动而造成的电流变化作出反应。例如，一个场效应晶体管或者并联的场效应晶体管可布置为，使得其本征二极管的导通方向与从第一能量存储器到发电机的方向一致。由此确保在晶体管截止时，电流不能从发电机流向第一能量存储器。另一方面，在晶体管截止时，一部分从第一能量存储器流向车载电网的电流也可以流过场效应晶体管的本征二极管。此外，所述设备包括用于为负载提供电能的另一能量存储器，其布置为，使得第一可控式开关元件布置在第一能量存储器与发电机和另一能量存储器之间。此外设有充电电路，其中，充电电路在机动车运行时设计为，使得第一能量存储器充电到电压UE1，所述电压UE1等于或者大于第二能量存储器的电压UE2并且小于发电机的电压。第一能量存储器优选设计为双层电容器并且第二能量存储器设计为电池。第一能量存储器为启动器提供用于热启动的电能和/或缓和负载造成的电压波动，其中，第二能量存储器在冷启动时为启动器提供电能。
由DE 10 2007 026 164 A1或者DE 103 59 486 A1同样已知汽车车载电网，其中由双层电容器提供启动器的启动能量。
本发明所要解决的技术问题在于，在电压稳定性方面改进按本发明所述类型的汽车车载电网以及提供一种用于运行这种汽车车载电网的方法。
该技术问题按本发明通过以下技术方案解决。
为此，汽车车载电网包括布置在所述汽车车载电网的第一区域内的启动器和第一能量存储器以及布置在所述汽车车载电网的第二区域内的发电机和第二能量存储器，其中，在所述汽车车载电网的第一和第二区域之间布置有具有至少两个开关状态的开关元件，其中，在第一开关状态中，电流只能沿从所述第一区域向所述第二区域的方向流动，并且在第二开关状态中，所述第一和第二区域相互连通，其中，所述第二能量存储器通过DC/DC变压器与所述发电机相连，其中，所述启动器通过第二开关元件直接与所述第二能量存储器相连。通过DC/DC变压器可进行非常有规则的充电管理，因此第二能量存储器可非常简单地充电到所选的电压水平。相反，第二能量存储器可借助DC/DC变压器在启动阶段将用于车载电网负载的车载电网电压保持得非常稳定。通过第二开关元件现在还可以将第二能量存储器直接与启动器相连，因此不需要将DC/DC变压器置于较高的启动电流上，这减小了成本。
在一种实施形式中，所述第二能量存储器的额定电压大于所述发电机和第一能量存储器的额定电压，其中，所述启动器通过第二开关元件选择性地与第一开关元件或者直接与第二能量存储器相连。通过第二能量存储器的较高电压可以存储更多能量，这既提高了再启动性能，也提高了车载电网的电压稳定性。在此，DC/DC变压器将第二能量存储器的电压降低地转换至车载电网负载。通过选择性地连接作为转换开关工作的第二开关元件，防止了第二能量存储器的较高电压通过第一开关元件对第二区域产生反作用。
在一种备选实施形式中，所述第二能量存储器的额定电压小于或者等于所述发电机和第一能量存储器的额定电压，其中，所述第二能量存储器通过第二开关元件与启动器相连。在这种情况下，第二开关元件可设计为简单的开关，因为第一开关元件的二极管总是截止的，因为电压通过DC/DC变压器升高，所以直接处于启动器上的第二能量存储器电压总是小于第二区域内的车载电网负载上的电压。
在一种优选的实施形式中，所述第二能量存储器设计为至少一个电容器，更优选是双层电容器。在此也可以规定，能量存储器设计为电容器组，其中分别有多个电容器串接并且这些串接电路并联。然而也可以将第二能量存储器设计为电池。
所述第一能量存储器优选设计为电池，其在必要时由多个电池单元组成。原则上第一能量存储器可以由电容器构成。
在另一种实施形式中，所述第一开关元件设计为MOSFET。
在另一种实施形式中，所述第一能量存储器配属有诊断模块，能够根据所述诊断模块控制所述第一和/或第二开关元件。诊断模块例如可以检测到来自能量存储器的电流和/或确定SOC(充电状态)和/或SOH(健康状态)。如果诊断模块识别出故障(例如不充分的充电状态或者电池单元之间的导线断开)，则第二能量存储器与启动器相连。诊断模块同样可在第一能量存储器必须通过发电机充电时通过第一开关元件将第一和第二区域连通。在此，诊断模块可以直接接通开关元件或者将其数据提供给上级控制设备。
在另一种实施形式中，所述第二开关元件设计为电流分离的开关元件，以便可靠地排除对车载电网的反作用。所述第二开关元件例如设计为功率继电器。
在另一种实施形式中，所述汽车车载电网设计具有控制设备，借助所述控制设备能够进行启动-停止自动控制。所述启动-停止自动控制例如可集成在发动机控制装置中。在此，启动-停止自动控制优选也调取诊断模块的数据，因此例如在第一能量存储器的较差充电状态下将启动-停止自动控制去激活。
用于运行前述汽车车载电网的方法的特征在于，在第一能量存储器损坏时，借助第二开关元件将启动器直接与第二能量存储器相连，并且通过所述第二能量存储器提供启动能量。
在另一种实施形式中，在从第一能量存储器启动时，将第一开关元件接通至第一开关状态。由此使车载电网与启动器脱耦并且避免车载电网中的电压波动或电压降落。
在另一种实施形式中，为了通过被激励的发电机为第一能量存储器充电，将第一开关元件接通至第二开关状态。
以下根据优选实施例进一步阐述本发明。在附图中：
图1示出汽车车载电网的示意性框图并且
图2示出备选实施形式的汽车车载电网的示意性框图。
按照图1的汽车车载电网包括启动器2、启动器开关3、第一能量存储器4和诊断模块5，它们分别布置在汽车车载电网1的第一区域内。此外，汽车车载电网1包括发电机6、车载电网负载7、8、第二能量存储器9、DC/DC变压器10和保险装置11，它们分别布置在汽车车载电网1的第二区域内。汽车车载电网1还包括第一开关元件12和第二开关元件13。所述第一开关元件12包括两个开关状态，其功能性可通过二极管14和与二极管14并联设置的开关15表示。在第一开关状态中(开关15断开)，电流只能沿从第一区域向第二区域的方向流动(二极管功能)。在第二开关状态中(开关15闭合)，第一和第二区域连通。在此，第一开关元件12由真实的二极管14以及真实的开关15构成，或者由至少一个MOSFET构成，其本征二极管构成二极管14。第二开关元件13同样具有两个开关状态。在第一开关状态中，第二开关元件13连接第一能量存储器4与第一开关元件12。在第二开关状态中，第二开关元件13连接第一能量存储器4或者启动器2与第二能量存储器9。
第一能量存储器4设计为由多个电池单元16组成的电池。但是第一能量存储器4也可以设计为整体式电池。诊断模块5监测第一能量存储器4的功能性并且检测例如电池电压和/或电池电流和/或电池温度并且确定能量存储器4的SOC/SOH。在此，第一能量存储器4的电压水平例如为12V。
第二能量存储器9由电容器组构成，其中，各个单独的电容器串接并且各串接电路并联地连接。电容器在此优选设计为双层电容器。第二能量存储器9的电压水平例如为20至24V。
在此，汽车车载电网1的工作方式如下：
在正常的开关运行中，由第一能量存储器4为启动器2提供电能。为此，将第一开关元件12接通至第一开关状态并且将第二开关元件13也接通至第一开关状态。这相当于图1中的开关位置。如果随后闭合启动器开关3，则启动器2由第一能量存储器4通电。在此出现的第一能量存储器4的电压波动通过二极管14与具有车载电网负载7、8的第二区域脱耦，因为二极管14具有截止作用。通过第二能量存储器9为车载电网负载7、8供电，通过DC/DC变压器将第二能量存储器9的电压降低至车载电网负载7、8的电压水平。在启动器2启动未示出的发动机后，该发动机可以驱动发电机6。在成功启动发动机后再断开启动器开关3。DC/DC变压器10现在可以沿另一方向运行，因此通过发电机6使第二能量存储器9再次充电，为此DC/DC变压器10增大发电机电压。如果诊断模块5确定第一能量存储器4的SOC下降，则可将第一开关元件12接通至第二开关状态。这样可由发电机6为第一能量存储器4充电。
如果在启动过程之前或者之中诊断模块5检测到第一能量存储器4充电不足或者出现其它故障(例如电池电线断裂、两个电池单元16之间的连接断开等)，则将第二开关元件13接通至第二开关状态。由此使第二能量存储器9直接与第一能量存储器4和启动器2相连并且能够以其较高的电压(约20至24V)为启动器2供电。在此流动的较高启动电流不需要流经DC/DC变压器10，因此可将DC/DC变压器10的功率设置得较低。在启动过程中，车载电网负载7、8的供电同样通过第二能量存储器9进行，其中电压波动通过DC/DC变压器10补偿。
在此，对开关元件12、13的控制可通过诊断模块5和/或另一控制装置(例如发动机控制装置)进行。
此外需要注意，原则上也可以通过将第二开关元件13接通至第二开关状态来通过第二能量存储器9为第一能量存储器4充电。
在此，保险装置11防止DC/DC变压器10过载。取代保险装置11，也可以使用其它适当的断路元件，如大功率半导体开关或者继电器。保险装置既可以设计为不可逆式熔断器，也可以设计为可逆式保险装置(PTC)。
在图2中示出了一种备选的汽车车载电网1。在此，第二能量存储器9的额定电压小于/等于发电机6和第一能量存储器4的额定电压。在此，第一开关元件12与启动器2固定连接。第二开关元件13处于第二能量存储器9和启动器2之间。在第一能量存储器4出现故障时，闭合第二开关元件13，因此第二能量存储器9可以为启动器2通电。DC/DC变压器10将第二能量存储器9的电压提高。由此，二极管14在启动过程中总是沿截止方向极化，因此在开关15断开时可以排除启动过程对汽车车载电网1的第二区域的反作用。
附图标记清单
1 汽车车载电网
2 启动器
3 启动开关
4 第一能量存储器
5 诊断模块
6 发电机
7 负载
8 负载
9 第二能量存储器
10 DC/DC变压器
11 保险装置
12 第一开关元件
13 第二开关元件
14 二极管
15 开关
16 电池单元

Claims (10)

1.一种汽车车载电网(1)，包括布置在所述汽车车载电网(1)的第一区域内的启动器(2)和第一能量存储器(4)以及布置在所述汽车车载电网(1)的第二区域内的发电机(6)和第二能量存储器(9)，其中，在所述汽车车载电网(1)的第一和第二区域之间布置有具有至少两个开关状态的第一开关元件(12)，其中，在第一开关状态中，电流只能沿从所述第一区域向所述第二区域的方向流动，并且在第二开关状态中，所述第一和第二区域相互连通，其特征在于，所述第二能量存储器(9)通过DC/DC变压器(10)与所述发电机(6)相连，其中，所述启动器(2)通过第二开关元件(13)直接与所述第二能量存储器(9)相连。
2.按权利要求1所述的汽车车载电网，其特征在于，所述第二能量存储器(9)的额定电压大于所述发电机(6)和第一能量存储器(4)的额定电压，其中，所述启动器(2)通过第二开关元件(13)选择性地与第一开关元件(12)或者直接与第二能量存储器(9)相连。
3.按权利要求1所述的汽车车载电网，其特征在于，所述第二能量存储器(9)的额定电压小于或者等于所述发电机(6)和第一能量存储器(4)的额定电压，其中，所述第二能量存储器(9)通过第二开关元件与启动器(2)相连。
4.按前述权利要求之一所述的汽车车载电网，其特征在于，所述第二能量存储器(9)设计为至少一个电容器。
5.按权利要求1-3中任一项所述的汽车车载电网，其特征在于，所述第一能量存储器(4)设计为电池。
6.按权利要求1-3中任一项所述的汽车车载电网，其特征在于，所述第一开关元件(12)设计为MOSFET。
7.按权利要求1-3中任一项所述的汽车车载电网，其特征在于，所述第一能量存储器(4)配属有诊断模块(5)，能够根据所述诊断模块控制所述第一开关元件(12)和/或第二开关元件(13)。
8.按权利要求1-3中任一项所述的汽车车载电网，其特征在于，所述第二开关元件(13)设计为电流分离的开关元件。
9.按权利要求1-3中任一项所述的汽车车载电网，其特征在于，所述汽车车载电网(1)设计具有控制设备，借助所述控制设备能够进行启动-停止自动控制。
10.一种用于运行按前述权利要求之一所述的汽车车载电网的方法，其特征在于，在第一能量存储器(4)损坏时，借助第二开关元件(13)将启动器(2)直接与第二能量存储器(9)相连，并且通过所述第二能量存储器(9)提供启动能量。
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