CN103620901A - 用于连接多电压车载电网的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出用于连接多电压车载电网的装置和方法，其中所述装置包括至少一个直流电压转换器（10），所述直流电压转换器可以将具有第一车载电网电压（U1）的第一车载电网（12）与具有第二车载电网电压（U2）的第二车载电网（14）耦合，其中，除所述直流电压转换器（10）之外设置至少一个充电装置（18）用于增大所述第二车载电网电压（U2）。

Description

用于连接多电压车载电网的装置和方法

技术领域

本发明从根据独立权利要求的前序部分所述的用于连接多电压车载电网的装置和方法出发。

背景技术

已经由EP 1145416 Bl已知一种用于变换电能的变流器。因此，在此提出，可以通过使用耦合电感来减小扼流圈大小。在此情况下，应如此确定所耦合的扼流圈的尺寸，使得分支路的负载电流相互补偿并且不导致扼流圈的磁负荷。于是仅仅各个分支路之间的差电流导致磁场。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于连接多电压车载电网的装置和方法，其特征在于简单的电路结构和简单的运行方式。所述任务通过独立权利要求的特征解决。

用于连接多电压车载电网的根据本发明的装置和根据本发明的方法与此相对地具有以下优点：即使当初级侧电压低于次级电压时，通过特别简单的措施，在直流电压转换器、尤其是双向扼流圈降压转换器的反向运行中也能够实现在初级侧上的储能器的充电。在此情况下可以取消昂贵的附加措施。在不同的车载电网拓扑的情况下，根据本发明，两个车载电网也能够安全和可靠地无电流峰值地彼此连接。

在一种符合目的改进方案中，设置至少一个电流源、优选恒流源作为充电装置。所述实现的特征在于特别简单的电路结构。

在一种符合目的改进方案中规定，设置至少一个另外的直流电压转换器作为充电装置。恰恰对于本来存在所述直流电压转换器的应用来说，充电功能可以通过该直流电压转换器一起被满足。

在一种符合目的改进方案中规定，充电装置包括用于调整充电电流的调整装置，优选是齐纳二极管。因此，能够实现与相应的应用情况的特别简单和成本有利的匹配。

根据本发明的用于连接多电压车载电网的方法包括至少一个直流电压转换器，所述直流电压转换器可以将具有第一车载电网电压的第一车载电网与具有第二车载电网电压的第二车载电网耦合。在将储能器接入到第二车载电网之前，至少一个充电装置将存在于第二车载电网中的中间回路电容充电到中间电压。

在一种符合目的改进方案中规定，在达到中间电压时通过直流电压转换器单独地或与充电装置一起对中间回路电容继续充电。

在一种符合目的改进方案中，当直流电压转换器的输出电压近似对应于中间回路电容的电压时，操控至少一个位于第二车载电网与直流电压转换器之间的保护元件。在这些电压关系的情况下，直流电压转换器可以在所谓的反向运行中继续将第二车载电网的电压增大到储能器的电压水平上。

在一种符合目的改进方案中，当直流电压转换器的输出电压近似对应于中间回路电容的电压时，去活充电装置。由此，可以特别简单地仅仅通过直流电压转换器受控制地增大电压。

在一种符合目的改进方案中，通过直流电压转换器单独地或与充电装置一起将中间回路电容充电到以下电压上，所述电压近似对应于储能器的静止电压。在几乎相同的电压水平时，在无干扰性的电流峰值的情况下实现耦合。

在一种符合目的改进方案中，直流电压转换器与充电装置并行地增大中间回路电容的电压。在快速的电压增大时可以不发生充电装置的有针对性的切断。

此外，所描述的方法提供以下可能性：在通过充电装置充电期间进行中间回路的诊断。因此可以确定出，是否存在接地短路或是否存在泄漏电流。此外，也可以确定哪一个电容20存在于中间回路中。也能够实现整个第二车载电网的诊断。为此，中间回路中的电压可以有针对性地被增大到已知的例如20V的非临界电压。随后，通过相应的总线系统询问第二车载电网中的所有控制设备和部件：它们是否同样测量到例如20V的非临界电压。然后才继续增大电压并且开启第二车载电网。

其他符合目的的改进方案由其他从属权利要求和说明书得出。

附图说明

在图中示出并且随后更详细描述多个实施例。

图1示出用于所谓的能量回收系统（Boost Recuperation System）的第一车载电网拓扑，

图2示出具有直流电压转换器和实施为DLC的储能器连同在起动回路和消耗器车载电网之间的退耦元件的车载电网拓扑，

图3示出具有附加的直流电压转换器的实施例，

图4示出用于连接两个车载电网的电路技术实现，

图5示出用于连接两个车载电网的第一加速场景的时间变化曲线以及

图6示出用于连接两个车载电网的第二加速场景的时间变化曲线。

具体实施方式

在将来的多电压车载电网中，使用直流电压转换器或者DC/DC转换器，其保证在具有不同的电压电平（Spannungslage）U1、U2的不同车载电网回路12、14之间的能量传递。通常，直流电压转换器10是具有第一车载电网电压U1——通常是14V的传统的消耗器车载电网（第一车载电网12）以及具有相对于第一车载电网电压U1更高的第二车载电网电压U2——例如48V或60V的另一车载电网回路（第二车载电网14）之间的接口。

代表多个可能的车载电网体系结构，示例性地简要阐述图1至3的车载电网体系结构。

因此，图1示出具有能够反馈的发电机34（RSG）和并联接线的储能器38（例如48V高功率存储器，如锂离子电池）的所谓能量回收系统。发电机34和储能器38是具有第二车载电网电压U2的第二车载电网14的组成部分。具有例如约12V或者14V的第一车载电网电压U1的第一车载电网12包括连接到地的起动器36、并联连接的负载40和同样并联连接的电池32。连接到地的直流电压转换器10将第一车载电网12与具有相对于第一车载电网电压U1更高的例如在48V或60V的数量级内的第二车载电网电压U2的第二车载电网14连接。发电机38在所谓的能量回收系统中可以是这种例如在制动时将电能馈入车载电网14的发电机。

图2示出DC/DC-DLC模块和在用于所谓的起动-停止-滑行（Start-Stop-Coasting：SSC）的起动回路和消耗器车载电网之间的退耦元件。在第一车载电网12中，起动器36和电池32并联接线并且能够通过分离装置17如开关与第二车载电网14退耦。在第二车载电网14中，发电机34和负载40并联对地接线。第二车载电网14的第二车载电网电压U2被输送给直流电压转换器10的次级侧SEK，而直流电压转换器10的初级侧PR通过电容器15连接到地。电容器15用作储能器并且例如实施为双层电容器（DLC）。

在根据图3的拓扑中，直流电压转换器10将第一车载电网和第二车载电网12、14耦合。在第一车载电网12中，电池32和负载40并联连接到地。在第二车载电网14中，电容20连接到地。与直流电压转换器10并联地，另一直流电压转换器19连接两个车载电网12、14。

图4中示出作为直流电压转换器10的例子的双向扼流圈降压转换器连同第一保护元件和第二保护元件21、22和充电装置18的典型的电路技术结构。直流电压转换器10被实施为n相的双向扼流圈降压转换器。为此，在较高电压侧HS，n个MOSFET HS1至HSn并联接线。所述MOSFET的漏极连接端位于相同的电势上并且通过端子HS从直流电压转换器10中引出。其他MOSFET LS1至LSn分别与每一个MOSFET HSl至HSn串联。所述其他MOSFET的源极连接端位于相同的电势上并且通过端子LS引出并且通过第二保护元件22通过端子KL31连接到地24。在串联连接的MOSFET HS1，LS1；HSn，LSn之间，电势分别通过扼流圈并且然后合并地通过所谓的端子KL30与第一车载电网12电接触。

在初级侧在直流电压转换器10的端子HS和第二车载电网14之间布置第一保护元件21。第一保护元件21的输出端作为端子KL60引出。第二车载电网14的额定电压或者第二车载电网电压U2具有相对于第一车载电网电压U1更高的额定电压，例如60V。在第二车载电网14中，发电机34和储能器32——例如电池并联地连接到地。在储能器32上施加电压Ub。储能器32能够通过开关30与第二车载电网14连接。第二车载电网14的示意性绘出的中间回路电容20由与第二车载电网14连接的消耗器或者电组件——例如发电机34的电容得出。

在直流电压转换器10的接地路径中设置第二保护元件22。保护元件21、22构建为例如开关装置，诸如半导体开关、继电器等。在该实施例中涉及两个反并联接线的半导体开关，诸如MOSFET。由此，可以在故障情况下可靠地避免第一车载电网和第二车载电网12、14之间所不期望的电流流动，如例如可能通过直流电压转换器10的MOSFET的本征二极管出现的电流流动。在保护元件21、22中绘出的电阻用于对称化并且优选实施为高阻的。

直流电压转换器10通过所谓的端子KL30与第一车载电网12连接，所述第一车载电网具有例如12/14V高度的第一车载电网电压U1。在第一车载电网12上示例性地连接起动器36、储能器32和负载40。

根据图4，设置充电装置18用于给第二车载电网14的中间回路电容20充电。充电装置18示例性地构建为恒流源。第一开关装置26用于此，所述第一开关装置可以示例性地实施为晶体管，在所述实施例中实施为NPN晶体管。通过第一开关装置26操控第二开关装置28的基极，所述第二开关装置在所述实施例中实施为PNP晶体管。第一晶体管26的集电极通过电阻27与第二晶体管28的基极连接。在第二晶体管28的集电极处出现所期望的以恒定电流IK形式的充电电流。恒定电流IK被输送给第一保护元件21，更确切地说，输送给两个反并联接线的功率半导体例如MOSFET之间。作为用于调整电流的装置的齐纳二极管30与第二晶体管28的基极连接并且通过另一电阻29与第二晶体管28的发射极连接。此外，齐纳二极管30和另一电阻29与直流电压转换器10的输出端或者与第一保护元件21的输入端导电连接。齐纳二极管30是电流负反馈的，用于调整恒定电流IK，所述恒定电流例如可以在大约1A的数量级内移动。

作为替代的充电装置18'，另一直流电压转换器19可以被设置在第一车载电网12——通过二极管连接——和第一保护元件21之间，所述另一直流电压转换器又导电连接在第一保护元件21的两个串联连接的MOSFET之间。

用于对第二车载电网14的中间回路电容20充电的充电装置18的电路是本发明的基本核心并且在下面根据如在图5中所示的典型的加速场景进行阐述。

在系统的静止状态中，两个保护元件21、22以及用于第二车载电网14的储能器38的开关30断开。第二车载电网14因此被切换为无电压的。

在系统起动时，首先将直流电压转换器10的第二保护元件22闭合，以便将直流电压转换器10与地24连接。在下一步骤中，在闭合开关30之前使第二车载电网14中的电压电平匹配于第二车载电网14的储能器38的静止电压，以便在储能器38接入时在连接在第二车载电网14中的部件34（这些部件的电容的和构成中间回路电容20）的现有电容20上不出现电流峰值。通过插入用于对第二车载电网14的中间回路电容20充电的充电装置18的电路，可以实现可切换的恒流源的功能。

中间回路电容20的充电如在图5中所示的那样分成三个阶段：

阶段1：通过操控第一开关装置26，接通作为恒流源起作用的充电装置18。恒定电流Ik流动。所述恒定电流通过第一保护元件21的上面的MOSFET的本征二极管通过端子KL 60流入第二车载电网14。

由此，第二车载电网电压U2增大并且由此中间回路电容20处的电压也从0V增大到将近第一车载电网电压U1（例如12V，KL30处的电压），使得中间回路电容20被充电。第一保护元件21仍保持断开。在直流电压转换器10的输出端HS处的电压U_HS恒定地保持在第一车载电网电压U1的例如12V的电压水平上。在第二车载电网电压U2接近直流电压转换器10的输出端HS处的电压U_HS之后，实现从阶段1到阶段2的转变。

阶段2：直流电压转换器10在第一保护元件21仍断开的情况下被置于运行中，并且直流电压转换器10的输出端HS处的电压U_HS受控制地升高直到例如约25V的中间电压Uz。为此，例如线性地增大电压U_HS，直至达到中间电压Zu。然后，电压U_HS保持在中间电压Uz的水平上。充电装置18的恒流源保持接通，使得中间回路电容20处的电压或者第二车载电网电压U2被缓慢地一起带走（mitführen）。当第二车载电网电压U2达到保持在中间电压Uz的水平上的电压U_HS时，阶段2结束。现在，借助充电装置18，第二车载电网电压U2的电压水平已被提高超过第一车载电网电压Ul的电压水平。为此，直流电压转换器10可以直接用于第二车载电网电压U2的继续的电压增大，因为现在直流电压转换器10的初级电压不再低于次级电压。因此，充电装置18有针对性地与中间回路电容20结合地用于第二车载电网电压U2的所期望的电压增大，所述中间回路电容用作电压存储器。如果需要，在第二车载电网14中合适的电压存储器可以通过附加构件设置。

阶段3：一旦输出端HS处的电压U_HS与第二车载电网电压U2已经接近，则闭合第一保护电路21。同时，还切断充电装置18的恒流源。直流电压转换器10现在处于主动反向运行中。该直流电压转换器将第二车载电网电压U2增大到储能器38的静止电压Ub上，其方式是，对中间回路电容20充电。一旦已经达到第二车载电网14的储能器38的静止电压Ub与第二车载电网电压U2之间的电压相等（阶段3结束），就可以闭合储能器32的开关32，而无干扰。系统现在可投入使用。

根据图6的替代的充电方法与根据图5的充电方法不用之处在于：充电装置18在达到例如稍微高于25V的中间电压Uz时也保持激活。从该时刻起，充电装置18和直流电压转换器10并行地对中间回路电容20充电。在中间回路电容20处的第二车载电网电压U2达到储能器38的静止电压Ub之后，可以闭合开关30并且因此接入储能器38。

重要的是，实现多级的充电方案。在第一阶段中，将第二车载电网14的中间回路电容20充电到中间电压Uz上。如此选择中间电压Uz，使得从该中间电压Uz起，直流电压转换器10能够继续对中间回路电容20充电。如果达到接近端子KL30处的第一车载电网电压U1的中间电压Uz，则接入直流电压转换器10。从该时刻起，受控制地继续提高、例如斜坡状地提高直流电压转换器10的输出端处的电压U_HS。由直流电压转换器10在端子HS处输出的电流流入充电装置18——第一保护装置21的下面的MOSFET的本征二极管截止——并且与充电装置18的充电电流Ik一起受限制地通过上面的MOSFET的本征二极管和端子KL60流入第二车载电网14。

因为恒流源18保持接通，所以中间回路电容20处的电压、第二车载电网电压U2被缓慢地一起带走。如果中间回路电容20处的电压U2达到直流电压转换器10处的电压U_HS，则可以闭合第一保护元件21或者第一保护元件的开关装置，即使两个MOSFET导通，用于连接端子HS和端子KL60。由此保证，没有均衡电流流动或仅仅很小的均衡电流流动。根据图5，现在切断恒流源18。直流电压转换器10处于主动反向运行中并且将第二车载电网电压U2增大到第二车载电网14中的储能器38的静止电压Ub上。一旦在第二车载电网电压U2与静止电压Ub之间存在电压相等，就可以通过闭合开关30将储能器38接入到第二车载电网14。系统现在已经用于正常运行。

替代地，在根据图5的实施例中，第二车载电网电压U2能够已经被提高到目标电压Ub而不是提高到中间电压Uz。于是将会取消阶段3。

特别优选地，多级操控适合，因为在第二车载电网电压U2的继续电压增大期间，可以动用直流电压转换器10的本来存在的监视功能性。在此情况下，直流电压转换器10的输出端HL处的电压、电流或还有电压上升可以被监视，并且必要时也可以用于故障诊断和保护功能。

此外，所描述的方法提供以下可能性：在通过充电装置充电期间进行中间回路的诊断。

因此，因此可以确定出，是否存在接地短路或是否存在泄漏电流。此外，也可以确定哪一个电容20存在于中间回路中。也能够实现整个第二车载电网的诊断，例如根据中间回路中电压变化曲线和/或电流变化曲线的分析处理。为此，可以将中间回路中的第二车载电网电压U2有针对性地增大到已知的例如20V的非临界电压Ut。随后，第二车载电网14中的所有或仅仅一定的控制设备和部件通过相应的总线系统被询问，它们是否同样测量到例如20V的非临界电压Ut。然后才继续增大第二车载电网电压U2并且开启第二车载电网14。非临界电压Ut也许也可能与中间电压Uz一致。

由于小的电路耗费以及效率优势，在这种车载电网体系结构中通常使用双向扼流圈降压转换器作为直流电压转换器10，如在图4中示意性表示的那样。可以使用具有n个能够分别通过两个开关装置双向操控的扼流圈的n相直流电压转换器10，所述扼流圈被顺序地操控。然而，装置和方法的使用并不限于此。扼流圈降压转换器由原理决定地可以将能量仅仅从较高的电压电平（初级侧）转移到较低的电压电平（次级侧）上。在双向扼流圈降压转换器的情况下，可以在向后或反向运行中替代地将能量从次级侧的低电压电平转换到初级侧的较高的电压电平上，然而在任何情况下不允许初级电压低于次级电压。通过设置充电装置18、18'可靠地实现这点。

如果端子KL60处的电势（第二车载电网电压U2）低于直流电压转换器10的端子KL30的电势（第一车载电网电压Ul），则未更详细示出的上面的半桥晶体管的本征二极管变为导通，使得在两个车载电网12、14之间将会出现从KL30向KL60的不受控制的电流流动。为了防止该电流流动，需要在直流电压转换器10的端子KL60回路中的第一保护元件21，所述第一保护元件例如可以被实施为继电器或反并联的半导体开关。通常使用由两个反并联的半导体开关组成的背对背组合作为开关元件，这附加地提供以下可能性：在第一开关装置26短路的情况下，防止在两个车载电网12、14之间的（从端子KL60向端子KL30的）不受控制的电流流动。

在车辆的静止状态中，出于安全原因，第二车载电网14通过断开开关30而与第二车载电网14的储能器38分离，并且因此被切换为无电压的。在重新接入该储能器38之前，基于在第二车载电网14中的现有中间回路电容20（例如发电机34的中间回路电容20），在闭合开关30之前，必须首先受控制地提高第二车载电网电压U2。

在结合例如图2的车载电网中的（在更高的电压电平上的）双层电容器DLC使用双向扼流圈降压转换器10的情况下，也存在以下必要性：对电容器15从0V（完全放电）出发充电（例子：在起动器电池32被中断（abgeklemmt）的情况下在较长时间的停车阶段之后机动车（Kfz）的初次投入运行、重新投入运行）。由于扼流圈转换器（在此：反向运行-仅仅升压转换）不能够用于此，所以运行的充电装置18也能够被设置用于对电容器15从电压0V充电到高于第一车载电网电压U1。

装置和方法的目的是，通过简单的电路措施使得例如被实施为双向扼流圈降压转换器的直流电压转换器10能够在反向运行中（次级侧向初级侧）可以对初级侧上的储能器32充电，即使初级侧电压低于次级电压。在这种情况下，可以取消在其他部件中的所需要的附加措施，并且因此实现成本优势。

装置和方法尤其适合用于机动车的多电压车载电网12、14的耦合，因为在那里越来越多地使用高功率消耗器。然而，该应用不限制于此。 

Claims (15)

1.用于连接多电压车载电网的装置，所述装置包括至少一个直流电压转换器（10），所述直流电压转换器可以将具有第一车载电网电压（U1）的第一车载电网（12）与具有第二车载电网电压（U2）的第二车载电网（14）耦合，其特征在于，设置至少一个充电装置（18）用于在接入用于对所述第二车载电网（14）馈电的储能器（38）之前增大所述第二车载电网电压（U2）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述充电装置（18）增大所述第二车载电网电压（U2），其方式是，所述充电装置对存在于所述第二车载电网（14）中的中间回路电容（20）充电。

3.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述充电装置（18）将所述第二车载电网电压（U2）至少增大到中间电压（Uz），其中，所述直流电压转换器（10）被接入用于所述第二车载电网电压（U2）的继续电压增大。

4.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述直流电压转换器（10）和所述第二车载电网（14）之间布置至少一个保护元件（21），尤其是两个反并联接线的半导体开关。

5.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述充电装置（18）至少部分地通过所述保护元件（21）将充电电流（Ik）输送给所述第二车载电网（14）。

6.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，当所述第二车载电网电压（U2）大致达到所述直流电压转换器（10）的输出端（HS）处的电压（U_HS）时，闭合所述保护元件（21），所述直流电压转换器可以与所述第二车载电网（14）连接。

7.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置开关（30），其中当所述第二车载电网电压（U2）大致对应于储能器（38）的静止电压（Ub）时，通过所述开关将所述储能器（38）与所述第二车载电网（14）连接。

8.用于连接多电压车载电网的方法，包括至少一个直流电压转换器（10），所述直流电压转换器可以将具有第一车载电网电压（Ul）的第一车载电网（12）与具有第二车载电网电压（U2）的第二车载电网（14）耦合，其特征在于，在接入用于对所述第二车载电网（14）馈电的储能器（38）之前，至少一个充电装置（18）增大所述第二车载电网电压（U2）。

9.根据以上方法权利要求所述的方法，其特征在于，所述充电装置（18）对存在于所述第二车载电网（14）中的中间回路电容（20）充电，用于增大所述第二车载电网电压（U2）。

10.根据以上方法权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二车载电网电压（U2）在达到大于所述第一车载电网电压（Ul）的中间电压（Uz）时，通过所述直流电压转换器（10）和/或所述充电装置（18）继续增大所述第二车载电网电压（U2）。

11.根据以上方法权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述充电装置（18）将所述第二车载电网电压（U2）增大到确定的电压（Ut），在所述确定的电压时，鉴于符合规定的运行，对至少一个连接在所述第二车载电网（14）上的消耗器（34）或所述第二车载电网（14）本身进行检查。

12.根据以上方法权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当在所述直流电压转换器（10）的能够与所述第二车载电网（14）连接的输出端（HS）处的电压（U_HS）近似对应于所述第二车载电网电压（U2）时，操控至少一个位于所述第二车载电网（14）和直流电压转换器（10）之间的保护元件（21）。

13.根据以上方法权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当在所述直流电压转换器（10）的能够与所述第二车载电网（14）连接的输出端（HS）处的电压（U_HS）近似对应于所述第二车载电网电压（U2）时，去活所述充电装置（18）。

14.根据以上方法权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述直流电压转换器（10）和/或所述充电装置（18）将所述第二车载电网电压（U2）增大到能够被接入到所述第二车载电网（14）的所述储能器（38）的静止电压（Ub）。

15.根据以上方法权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当所述第二车载电网电压（U2）近似对应于所述储能器（38）的静止电压（Ub）时，将所述储能器（38）与所述第二车载电网（14）连接。

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