CN104079180A - 用于运行机动车车载电网的能量供应单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行机动车车载电网的能量供应单元（1）的方法，该机动车车载电网至少具有第一子电网和第二子电网，所述第一子电网和第二子电网具有不同电压水平，其中电机（100）的第一定子绕组（101）通过第一转换器电路（W₁）与第一子电网连接，并且所述电机（100）的第二定子绕组（102）通过第二转换器电路（W₂）与第二子电网连接，并且其中通过以下方式在所述第一子电网与所述第二子电网之间进行直流变压，即所述转换器电路中的一个（W₁）作为逆变器运行而所述转换器电路中的另一个（W₂）作为整流器运行并且所述第一定子绕组（101）和所述第二定子绕组（102）作为变压器运行。

Description

用于运行机动车车载电网的能量供应单元的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行机动车车载电网的能量供应单元的方法，该机动车车载电网至少具有第一子电网和第二子电网，其具有不同的电压水平。

背景技术

机动车车载电网可以以具有至少两个子电网的所谓的两个或更多电压车载电网的形式来构造。例如当在有关的机动车中存在具有不同功率要求的耗电器时，使用这样的电网。在该情况下，子电网中的至少两个具有不同的电压水平，例如14V（所谓的低压子电网）和48V（所谓的高压子电网）。这些子电网例如可以通过直流变压器彼此连接。所述子电网中的至少一个具有发电机装置，该发电机装置为该子电网馈电。通过所述的直流变压器连接的第二或其他子电网于是又可以由具有发电机装置的子电网供电。

电机尤其可以被用于混合动力车辆中，以便不仅以电动机方式运行而且以发动机方式运行。内燃机在低转速时可以通过电机的电动机运行来支持，其中在低转速情况下该内燃机还未提供全转矩。在车辆减速时，通过电机的发电机运行可以将动能转换成电能。

在发电机运行中，电机必要时产生多相交流电，该多相交流电可以被整流以用于机动车车载电网。为了能够实现电机的电动机以及发电机运行，该电机可以配备有逆变器电路，该逆变器电路例如可以由例如MOSFET形式的电开关、所述的控制电路以及中间电容器构成。为了为电机的电动机和发电机运行保证高功率，该电机可以以高压子电网的比较高的第一电压来运行或为该高压子电网供电。

然而，逆变器电路和直流变压器的利用在此是费事的并且与高成本开销相联系。此外，逆变器电路和直流变压器的这两个单独的电路需要在机动车中总归非常受限制的结构空间。

因此值得期望的是，提供一种简单的、成本低的且节约空间的可能性，以便在机动车车载电网有不同子电网的情况下能够实现电机的发电机和电动机运行。

发明内容

根据本发明，提出一种具有权利要求1的特征的用于运行机动车车载电网的能量供应单元的方法。有利的扩展方案是从属权利要求以及以下说明的主题。

根据本发明，能量供应单元的电机具有两个定子绕组，所述定子绕组分别通过转换器电路与机动车车载电网的子电网连接。转换器电路例如可以具有有开关、尤其是MOSFET的半桥。尤其是，转换器电路分别类似于传统逆变器电路被构型。

转换器电路根据本发明被控制，使得能量供应单元用作直流变压器而定子绕组用作两个子电网之间的变压器。根据需要，在此两个转换器电路之一作为逆变器来控制，以便将相应的子电网的子电网直流电压转换成交流电压。该交流电压在两个定子绕组中的所属定子绕组中产生电流流动，该电流流动又在两个定子绕组中的另一定子绕组中感应交流电压。这两个定子绕组中的所述另一定子绕组作为整流器来控制，以便对所感应的交流电压整流并且馈入到另一子电网中。

根据本发明，不需要附加的单独的直流变压器，转换器电路的已经存在的组件和部件被用于整流、逆变和变换，由此最终能够实现直流变压。直流变压在本发明的意义下相应地通过被用于整流和逆变的相同组件并通过第一定子绕组和第二定子绕组来实现。根据本发明的方法因此在唯一的电路中结合逆变器电路和直流变压器的优点和功能。

因此不需要附加的部件和组件并且可以减小成本开销。仅仅定子绕组被加倍，这可以简单地且无需大开销地实现。在此，与仅具有一个定子绕组的传统电机相比，要么共享已经存在的定子绕组要么可以集成附加的定子绕组。集成开销和结构空间需求同样被减小。用于控制的、例如具有微控制器的计算单元不仅可以被用于控制整流和逆变，而且可以被用于控制变换。

本发明尤其适于用于机动车中的电机、例如他励同步电机。该原理可以在能量回收系统（BRS）的范畴内被用于电机（能量回收电机）中。

以下将第一子电网示例性地假定为高压车载电网，其利用第一子电网直流电压来运行，而将第二子电网假定为低压车载电网，其利用第二子电网直流电压来运行，其中第一子电网直流电压具有比第二子电网直流电压更大的电压值。

根据需要，第一子电网的第一子电网直流电压被向下转换并且传输到第二子电网中，或第二子电网的第二子电网直流电压被向上转换并且传输到第一子电网中。

优选地，第一转换器电路和第二转换器电路分别附加地作为降压转换器和/或升压转换器来控制。因此，这两个子电网的子电网直流电压的电压值可以彼此无关地灵活地设定。替代地或附加地，这些电压值也可以通过第一定子绕组和第二定子绕组的确定的绕组比来设定。绕组比可以类似于传统变压器按照两个直流电压的比例。例如，对于48V的第一直流电压值和12V的第二直流电压值得出4:1的绕组比。

通过控制两个转换器电路，补偿两个子电网直流电压与例如在不同电池充电状态下出现的标称值的偏差。合乎目的地，也可以利用两个相同的定子绕组并且完全通过第一转换器电路的降压转换器运行来实现第一子电网直流电压的向下转换。这尤其在应将传统电机以尽可能很少结构的改变用于根据本发明的方法时是适合的。

有利地，电机在第二运行模式中作为发电机来运行。在此，由电机提供的尤其多相的电流或尤其多相的输出电压通过转换器电路来整流。优选地，在第二运行模式中，电功率从电机被传输到第一子电网和/或第二子电网中。传输到第一子电网和第二子电网中的电功率可以彼此分离地通过对两个转换器电路的控制来设定。这样，例如在第一机动车车载电网中可以设定所期望的制动力矩，而例如在第二机动车车载电网中调节所期望的电池电压。此外，能够实现：电机可以将电功率直接传输到第一机动车车载电网和第二机动车车载电网中。这例如在电池故障的情况下在发电机应急运行中是有利的。

优选地，该电机在第三运行模式中作为电动机来运行。子电网之一的子电网直流电压在此通过转换器电路被逆变。有利地，在此电功率从该子电网被传输到电机中。该电机在此由子电网之一供电，尤其是由构造为具有较高子电网直流电压的高压车载电网的子电网供电。示例性地，第一子电网被假定为同一子电网。来自第一子电网的电功率被转换成机械功率以驱动机动车。该机械功率的高度通过第一转换器电路的控制来设定。

第二转换器电路在此被控制，使得没有功率被传输到第二子电网中。合乎目的地，第二转换器电路也可以被控制，使得在电动机运行中电功率从第一机动车车载电网被传输到电机以及第二子电网中。

在本发明的一种有利的扩展方案中，第二转换器电路可以例如通过开关元件与第二子电网连接或与第一子电网连接。如果第二转换器电路与第一子电网连接，则第二定子绕组附加地可以被用于在第一机动车车载电网与电机之间传输电能。在电动机和发电机运行中，在此可以分别将最大的可传输的电功率在第一机动车车载电网与电机之间传输。

如果第二转换器电路与第二机动车车载电网连接，则最大的可传输的电功率不再能够在第一机动车车载电网与电机之间被传输，取而代之可附加地将电功率传输到第二机动车车载电网中。

根据本发明的计算单元、例如机动车的控制设备尤其以程序技术方式被设立用于执行根据本发明的方法。

该方法以软件形式的实施也是有利的，因为这尤其是在实施的控制设备还被用于其它任务并且因此总归就存在时造成特别低的成本。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD以及其他等等。也可以通过计算机网络（互联网，企业内部网等）下载程序。

本发明的其他优点和扩展方案从说明书和附图中得到。

应理解的是，前面所述的并且下面还要阐述的特征不仅可以以相应说明的组合而且可以以其他组合或单独地应用，而不离开本发明的范围。

附图说明

本发明借助实施例在附图中示意性地被示出并且在下文中参照附图予以详细描述。

图1示意性地示出按照现有技术的具有能量供应单元的多电压车载电网的一种实施方式。

图2示出具有能量供应单元的多电压车载电网的一种实施方式，该能量供应单元被设立用于执行根据本发明的方法的一种实施方式。

图3以电路图方式示出能量供应单元的一种实施方式，该能量供应单元被设立用于执行根据本发明的方法的一种实施方式。

图4以电路图方式示出能量供应单元的另一实施方式，该能量供应单元被设立用于执行根据本发明的方法的另一实施方式。

具体实施方式

彼此对应的元件利用相同的附图标记来说明。为了清楚明了起见，这些元件未被重复地阐述。

在图1中示意性地示出了按照现有技术的具有机动车车载电网的能量供应单元的多电压车载电网的一种实施方式。在该例子中，机动车被构造为混合动力车辆。在具有简单的定子绕组的传统电机50之后连接有逆变器电路150。该电机50在该例子中应被构造为三相电机50。逆变器电路150用于对多相电流整流，在该例子中对三相电流整流，该多相电流由电机100在发电机运行中提供。此外，逆变器电路150能够实现将经整流的电流转换成三相电流，以便在电动机运行中运行电机50。

在电机50的发电机运行中，逆变器电路150为机动车车载电网的第一子电网N₁提供例如48V的第一子电网直流电压。借助该第一子电网直流电压可以运行多个耗电器，这些耗电器在图1a中象征性地被示出并且被称作V₁和V₂。这样的耗电器例如可以是混合动力车辆的电气驱动装置或被示出为V₂的蓄能器。

由于混合动力车辆中的大部分耗电器、例如内燃机的起动器、车用收音机或车载计算机以低于第一子电网直流电压的电压来运行，所以第一子电网直流电压通过直流变压器DC/DC被降低到用于第二子电网N₂的例如14V的第二子电网直流电压。以第二直流电压运行的耗电器在图1中象征性地被示出并且被称作V₃、V₄或V₅。

所使用的电压值48V和14V仅为例子。本发明也可以在其他电压状态（Spannungslagen）或随时间变化的电压的情况下被使用。

在图2中示意性地示出了具有能量供应单元1的多电压车载电网，该能量供应单元被设立用于执行根据本发明的方法的一种实施方式。在具有双定子绕组的电机10之后连接有两个转换器电路200。所述转换器电路200不仅用作逆变器电路，以便为第一子电网N₁供应第一子电网直流电压U1、例如48V，通过该第一子电网来运行耗电器V₁和V2，而且为第二子电网N₂供应第二子电网直流电压U₂、例如12V，通过该第二子电网来运行耗电器V₃、V₄、V₅。能量供应电路1能够在第一运行模式中实现在这两个子电网N₁与N₂之间传输电功率，能够在第二发电机运行中实现将电机100的电功率传输到子电网N₁和/或N₂上，并且能够在第三电动机运行中实现将第一机动车车载电网N₁的电功率传输到电机100上并且必要时传输到第二机动车车载电网N₂上。

能量供应单元1以及根据本发明的用于运行能量供应电路1的方法的一种实施方式借助图3来描述。

电机100在该例子中被实施为三相电机。该电机100具有第一定子绕组101和第二定子绕组102。定子绕组101或102中的每个各具有三个定子电感或相L_1a、L_1b、L_1c或L_2a、L_2b、L_2c。定子绕组101和102的定子电感分别被连接成三角形电路。此外，电机100此外具有励磁绕组L₃。

第一定子绕组101和第二定子绕组102分别与转换器电路W₁和第二转换器电路W₂连接。这两个转换器电路W₁和W₂的整体被称作200。第一转换器电路W₁与第一子电网N₁的端子P_1a和P_1b连接，在所述端子之间施加第一子电网直流电压U₁。第二转换器电路W₂与第二子电网N₂的端子P_2a和P_2b连接，在所述端子之间施加第二子电网直流电压U₂。

转换器电路W₁和W₂尤其类似于按照现有技术的逆变器电路150被构型。转换器电路W₁或W₂中的每个在此分别具有三个半桥B_1a、B_1b、B_1c或B_2a、B_2b、B_2c。所述半桥中的每个分别具有两个开关S_1a至S_1f或S_2a至S_2f，所述开关在该例子中被构造为MOSFET。第一转换器电路W₁的半桥中的每个B_1a、B_1b或B_1c分别通过中间抽头M_1a、M_1b、M_1c分别与第一定子绕组101的一个相端子E_1a、E_1b或E_1c连接。类似内容适用于第二转换器电路W₂的中间抽头M_2a、M_2b或M_2c和第二定子绕组102的相端子E_2a、E_2b或E_2c。

除了能量供应单元1之外，示出了计算单元，其尤其被构造为车辆的控制设备300，该计算单元以程序技术方式被设立用于执行根据本发明的方法的一种优选的实施方式。该控制设备300承担一般而言对电机100和转换器电路W₁和W₂的控制、或对各个部件的控制并且特别地对各个开关S_1a至S_1f和S_2a至S_2f的切换。

在变压器运行模式（第一运行模式）中，电功率在第一子电网N₁与第二子电网N₂之间经由第一转换器电路W₁和第二转换器电路W₂并且经由第一定子绕组101和第二定子绕组102来传输。

在下文中示例性地描述电功率从第一子电网N₁到第二子电网N₂的传输。类似内容适用于电功率向其他方向的传输。第一子电网N₁的第一子电网直流电压U₁借助第一转换器电路W₁转换成三相交流电压，其中第一转换器电路作为逆变器来运行或控制。控制设备300为此适宜地控制第一转换器电路W₁的开关S_1a至S_1f。该三相交流电压在第一定子绕组101中产生电流流动，该电流流动又在第二定子绕组102中感应三相交流电压。所感应的三相交流电压借助第二转换器电路W₂来整流并且馈入到第二子电网N₂中，其中第二转换器电路作为整流器来控制。控制设备300为此适宜地控制第二转换器电路W₂的开关S_2a至S_2f。通过以时钟控制的方式适宜地控制转换器电路W₁和W₂的各个开关可以设定第二子电网直流电压U₂。

电机100的励磁绕组L₃的励磁电流在此适宜地等于零，使得没有感应器电压在定子绕组101和102中被感应。电能的传输不仅可在转动的电机100中而且可以在停止的电机100中进行。

在第二发电机运行模式中，机械功率被转换成电功率，并且根据需要，被输出到具有第一子电网直流电压U₁的第一子电网N₁和/或具有第二子电网直流电压U₂的第二子电网N₂中。这两个所传输的电功率的高度通过对第一转换器电路W₁的开关S_1a至S_1f和对第二转换器电路W₂的开关S_2a至S_2f的控制以及对通过励磁绕组L₃的电流的控制来调节。

在第三电动机运行模式中，通过以时钟控制的方式适宜地切换第一转换器电路W₁的开关S_1a至S_1f，为电机100的相馈送电流，由此来自第一子电网N₁的电功率被转换成机械功率。所转换的电功率的高度可以通过对开关S_1a至S_1f的控制来设定。

根据需要，第二转换器电路W₂的开关S_2a至S_2f被控制，使得除了将电功率转换成机械功率之外同样将电功率从第一子电网N₁传输到第二子电网N₂中。所传输的功率的高度通过对第二转换器电路W₂的开关S_2a至S_2f的控制来调节。替代地，开关S_2a至S_2f也可以被控制，使得没有电功率从第一子电网N₁传输到第二子电网N₂中。

在图4中以电路图方式示出了能量供应单元1*的另一扩展方案，该能量供应单元被设立用于执行根据本发明的方法的另一实施方式。图4中的能量供应单元1*类似于图3中的能量供应单元1被构型。为了清楚明了起见，因此未在图4中重新示出所有附图标记。

图4中的能量供应单元1*与图3中的能量供应单元1的区别在于转换器电路W₂*。能量供应单元1*的半桥B_2a、B_2b、B_2c与能量供应单元1的半桥相同地被构型。不过，转换器电路W₂*具有两个开关元件S_a*和S_b*，其被控制设备300控制。借助这些开关元件S_a*和S_b*可以将转换器电路W₂*要么与第二子电网N₂的端子P_2a和P_2b连接，要么与第一子电网N₁的端子P_1a和P_1b连接。

如果转换器电路W₂*与第一机动车车载电网N₁连接，则在电动机和发电机运行模式中可以实现最大的可传输的电功率。

如果转换器电路W₂*与第二机动车车载电网N₁连接，则类似于图3控制能量供应电路1*。

Claims (12)

1.一种用于运行机动车车载电网的能量供应单元（1）的方法，该机动车车载电网至少具有第一子电网（N₁）和第二子电网（N₂），所述第一子电网（N₁）和第二子电网（N₂）具有不同电压水平，

- 其中，所述电机（100）的第一定子绕组（101）通过第一转换器电路（W₁）与所述第一子电网（N₁）连接，并且所述电机（100）的第二定子绕组（102）通过第二转换器电路（W₂）与所述第二子电网（N₂）连接，

- 其中，通过以下方式在所述第一子电网（N₁）与所述第二子电网（N₂）之间进行直流变压，即所述转换器电路中的一个（W₁）作为逆变器运行而所述转换器电路中的另一个（W₂）作为整流器运行并且所述第一定子绕组（101）和所述第二定子绕组（102）作为变压器运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，电功率在所述第一子电网（N₁）与所述第二子电网（N₂）之间通过所述第一转换器电路（W₁）和第二转换器电路（W₂）并且通过所述第一定子绕组（101）和所述第二定子绕组（102）来传输。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一转换器电路（W₁）和所述第二转换器电路（W₂）分别作为降压转换器和/或作为升压转换器运行。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，在第二运行模式中，所述转换器电路（W₁、W₂）作为整流器运行并且所述电机作为发电机运行。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在第二运行模式中，电功率从所述电机（100）被传输到所述第一子电网（N₁）和/或所述第二子电网（N₂）中。

6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，在第三运行模式中，所述转换器电路（W₁、W₂）作为逆变器运行并且所述电机作为电动机运行。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所述第三运行模式中，电功率从所述第一子电网（N₁）被传输到所述电机（100）中或电功率从所述第一子电网（N₁）不仅被传输到所述电机（100）中而且被传输到所述第二子电网（N₂）中。

8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述第一转换器电路（W₁）和所述第二转换器电路（W₂）被运行，使得所传输的电功率能够彼此分离地被设定。

9.根据上述权利要求之一所述的方法，其中，所述第二转换器电路（W₂）能够与所述第二子电网（N₂）或与所述第一子电网（N₁）连接。

10.一种计算单元（300），其被设立用于执行根据上述权利要求之一所述的方法。

11.一种计算机程序，其具有程序代码装置，所述程序代码装置在其在尤其是根据权利要求10所述的计算单元（300）上被实施时促使所述计算单元（300）执行根据权利要求1至9之一所述的方法。

12.一种机器可读的存储介质，具有存储在其上的根据权利要求11所述的计算机程序。