CN104335438A - 用于车辆车载电网的具有中间抽头的备份蓄存器 - Google Patents

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Abstract

具有第一子车载电网并且具有第二子车载电网的车辆，该第二子车载电网在至少一个第一节点(K1)处与第一子车载电网电连接，其中，第一子车载电网包括第一组电负载(V1)并且第二子车载电网包括第二组电负载(V2)，其中，第一子车载电网包括起动器(S)，第一子车载电网包括与起动器并联连接的车载电网蓄存器(SP1)，所述第一子车载电网包括在第一组负载和电车载电网蓄存器之间的第一开关(S1)，第二子车载电网包括第一直流电压调节器(DC1)，第二组电负载在第二节点(K2)处与电的备份蓄存器模块(SP2)并联连接，第一直流电压调节器的一个接口与第二节点连接，备份蓄存器模块具有电的中间抽头(KM)，以及该中间抽头经由第二开关(S2)与第一节点连接。

Description

用于车辆车载电网的具有中间抽头的备份蓄存器
技术领域
本发明涉及一种具有第一子车载电网并且具有第二子车载电网的车辆，该第二子车载电网在至少一个第一节点处与第一子车载电网电连接，其中，该第一子车载电网包括第一组电负载并且该第二子车载电网包括第二组电负载。
背景技术
车辆的电车载电网是具有多个有源和无源部件的复杂系统。例如，在文献DE 10 2007 017 187 A1中描述了一种具有发动机起动－停止功能的车辆的具有对电压敏感的负载的车载电网。经直流电压调节器和锁定元件支持该对电压敏感的负载。
文献DE 102 48 658 A1描述了通过并联超级电容模块在电压方面支持高功率负载。该超级电容模块特别是在内燃机起动期间支持对电压敏感的负载。
发明内容
本发明的目的是，描述一种改进的具有第一子车载电网并且具有第二子车载电网的车辆，该第二子车载电网在至少一个第一节点处与第一子车载电网电连接，其中，第一子车载电网包括第一组电负载并且第二子车载电网包括第二组电负载。
该目的通过根据权利要求1的车辆实现。由从属权利要求得出本发明的有利的实施方式和扩展方案。
根据本发明，第一子车载电网包括起动器、与起动器并联连接的车载电网蓄存器以及在第一组负载和电的车载电网蓄存器之间的第一开关，并且第二子车载电网包括第一直流电压调节器、电的备份蓄存器模块，该备份蓄存器模块在第二节点处与第二组电负载并联连接，其中，第一直流电压调节器的一个接口与第二节点连接，并且所述备份蓄存器模块具有电的中间抽头，该中间抽头经由第二开关与第一节点连接。
在本文献中，中间抽头被理解为，在整个备份蓄存器模块上出现的电势根据分压器原理在中间抽头上部分地、也就是说在较小的电势情况下作为整体出现的电势是可分接利用的。这意味着，备份蓄存器模块支持第二组电负载，就是说给第二组电负载供给电能和功率，并且备份蓄存器模块在第二开关闭合时经由中间抽头附加地支持第一组电负载。
根据本发明的一种特别优选的实施方式，备份蓄存器模块包括电串联的第一子蓄存器和第二子蓄存器。中间抽头处于第一子蓄存器和第二子蓄存器之间。
这两个子蓄存器可以构成为自给自足的能量蓄存器，这些能量蓄存器共同形成备份蓄存器模块或者是一个形成备份蓄存器模块的能量蓄存器的组成部分。
根据本发明的另一种实施方式，车辆具有由起动器可起动的内燃发电机单元，其中，车辆构成为具有发电机的内燃机动车，该发电机与第一节点或与第二节点连接，或者车辆构成为具有高压车载电网的混合动力车或插电式混合动力车，该高压车载电网经由第二直流电压调节器与第一节点连接，或者车辆构成为具有增程发动机并且具有高压车载电网的电动车，该高压车载电网经由第二直流电压调节器与第一节点连接。
如果车辆也具有内燃发动机，那么就是说车辆除了第一子车载电网和第二子车载电网之外也可以具有高压车载电网，该高压车载电网经由直流电压调节器与两个子车载电网电连接。内燃发动机不必用作牵引机，而是可以如在具有增程辅助发动机的电池驱动的电动车中那样也用作辅助机组。
根据本发明的另一种方案，第一子车载电网和第一子蓄存器具有12伏至14伏之间的额定电压势并且第二子车载电网具有12伏至60伏之间的额定电压势。
据此，第二组电负载具有比第一组电负载高的额定电压势。备份蓄存器模块的额定电压势对应于第二组电负载的额定电压势，并且第一子蓄存器的额定电压势对应于第一组电负载的额定电压势。
有利的是，备份蓄存器模块由超级电容电池构成，或者备份蓄存器模块由锂离子电池构成。
不仅超级电容电池、而且锂离子电池具有高的可循环性和高的载流能力，该高的可循环性和高的载流能力使得超级电容电池以及锂离子电池特别适合作为备份蓄存器部件。
根据本发明的另一种实施方式，车辆可处于行驶运行，在该行驶运行中，第一开关闭合并且第二开关打开，或者第一开关打开并且第二开关闭合；车辆可处于起动运行，在该起动运行中，第一开关打开并且第二开关闭合；以及车辆可处于平衡运行，在该平衡运行中，第一开关闭合并且第二开关闭合。
这意味着，在行驶运行中，第一开关闭合并且第二开关打开，车载电网蓄存器支持第一组电负载并且备份蓄存器模块支持第二组电负载。在该行驶运行中，车载电网蓄存器在第一节点处达到足够高的电势时可充电，并且备份蓄存器模块在第二节点处达到足够高的电势时可充电。如果在行驶运行中第一开关打开并且第二开关闭合，那么备份蓄存器模块支持第二组电负载并且第一子蓄存器支持第一组电负载。
在起动运行中起动器被操作，其中第一开关打开并且第二开关闭合。在起动期间在车载电网蓄存器上产生电压降低，第一组电负载与该车载电网蓄存器脱联。取而代之，第一组电负载由第一子蓄存器支持。在此，该第一子蓄存器可能被显著放电或充电。在起动之后，第一开关闭合并且第二开关同样保持闭合，这被称为平衡运行。在平衡运行中，第二子蓄存器经由第二节点处的电势下降被放电或者经由第二节点处的电势升高被充电，直到第一子蓄存器和第二子蓄存器具有可相比拟的相对的充电状态。此后，第二开关打开，为此建立行驶运行。
本发明基于下述构思：
提供具有内燃发动机的车辆，该内燃发动机具有传统的12伏能量车载电网用于供给电能。插电式混合动力车和电池电动车具有带有传统的12伏能量车载电网和高压车载电网的电气化的动力传动系，其中，该高压车载电网配置为对动力传动系供电并且12伏车载电网配置为对其他的电负载供电。
传统的12伏车载电网结构几乎不能通过将其他负载、特别是高功率负载集成到车载电网中来实现例如电转向系统、电摆动稳定系统或者混合动力车辆的起动系统的挑战。
因此建议，在用于高功率负载的48伏的电压势时实施车载电网的灵巧的扩展并且将该电压等级与12伏等级连接，以便能够满足高功率负载和起动系统的要求，同时遵守车载电网分支的稳定标准。
附图说明
下面，借助附图描述本发明的优选实施例。由此得出本发明的其他细节、优选实施方式以及扩展方案。详细地示意性示出：
图1示出具有带中间抽头的备份蓄存器的车辆的方案；
图2示出具有带中间抽头的备份蓄存器的车辆的方案；
图3示出在具有中间抽头的备份蓄存器上的与运行相关的电压曲线。
具体实施方式
图1和图2示出车辆的具有两个低压车载电网的结构。该车辆可以或者构成为仅具有一个内燃机和一个发电机的车辆(ICEV)，其中，发电机(G)位于节点(K1)的电势上(参见图1)或者发电机(G’)位于节点(K3)的电势上(参见图2)。根据图1和图2中的备选实施方式，车辆可以实施为具有电气化动力传动系的车辆，就是说实施为插电式混合动力车(PHEV)、实施为混合动力车(HEV)或者实施为具有增程发动机的电池电动车(BEV)，其分别具有一个带有高压直流电压调节器(DC 2)的高压车载电网，该高压直流电压调节器也被称为第二直流电压调节器。直流电压调节器(DC2)具有低压侧的接口，该接口位于节点(K1)的电势上。
根据图1和图2，在节点(K1)处连接有第一子车载电网，该第一子车载电网包括电负载(V1)、第一开关(S1)、电能蓄存器、车载电网蓄存器(SP1)和起动器。在该实施例中，第一子车载电网具有12伏的额定电压势(Nennspannungslage)。不限制一般性，车载电网蓄存器可以实施为铅酸电池或者实施为锂离子电池。电负载(V1)包括车辆技术的传统的电负载，如雨刷、座位加热器、控制器等。
根据图1和图2，第二子车载电网在节点(K1)处与第一双向直流电压调节器(DC1)、第二开关(S2)、高功率电负载(V2)和备份蓄存器(SP2)连接。从节点(K1)出发，与第一直流电压调节器(DC1)并联地用第二开关(S2)连接电路径，该电路径在备份蓄存器(SP2)上具有分压的抽头(KM)。第一直流电压调节器的一个接口与节点(K1)连接并且另一接口与备份蓄存器和高功率负载的电势(K3)连接。
抽头(KM)将蓄存器(SP2)分成第一子蓄存器(SP2a)和第二子蓄存器(SP2b)。与备份蓄存器(SP2)并联连接的是高功率负载(V2)。第二子车载电网具有20伏至60伏之间的额定电压势，在该实施例中具有48伏的额定电压势。不限制一般性，备份蓄存器实施为超级电容模块，该超级电容模块在第一子蓄存器的设计上包括具有12伏额定电压势的超级电容子模块并且在第二子蓄存器的设计上包括具有36伏额定电压势的超级电容子模块。各超级电容子模块分别由单电池额定电压势相同的多个超级电容电池串联构成。在大约2伏的电池额定电压势时，第一子蓄存器由六个超级电容电池构成并且第二子蓄存器由18个超级电容电池构成。代替超级电容电池，也可以使用锂离子电池。与备份蓄存器的运行状态无关，形成第一子模块的各超级电容电池具有称为第一子模块电压的基本上相同的单电池电压，并且形成第二子模块的各超级电容电池具有称为第二子模块电压的基本上相同的单电池电压。
作为高功率负载(V2)可以概括为要求短时间高的功率需求的那些负载。这是例如电的底盘部件，如车辆的在驾驶操作、例如在高速下躲避时的电动摆动稳定装置或者电动转向装置。在图1中，可选的发电机(G)设计为12伏发电机；在图2中，可选的发电机设计为具有例如36-52伏的工作范围的48伏发电机。
起动器(S)在图1和图2中同样要求短时间高的功率需求，集成在第一子车载电网中并且未被高功率负载(V2)包括。
在常规的行驶运行中，第一开关(S1)可以闭合并且第二开关(S2)可以打开。这意味着，第一子车载电网的负载(V1)由车载电网蓄存器馈电并且在电压方面得以支持，并且附加地或者经由第二直流电压调节器(DC2)从高压车载电网被供给电能或者由发电机(G)供给电能。
第二子车载电网的高功率负载由备份蓄存器(SP2)馈电并且在电压方面得以支持，并且附加地经由第二直流电压调节器(DC2)和第一直流电压调节器(DC1)由高压车载电网供给电能，或者根据图1由发电机(G)经由第一直流电压调节器(DC1)，或者根据图2由发电机(G’)供给电能。
常规的行驶运行在图3中被标记为(A)。横轴(1)表示时间，纵轴表示电压。曲线(3)表示形成第一子蓄存器的各电池的单电池电压势、也就是说第一子模块电压，曲线(4)表示形成第二子蓄存器的各电池的单电池电压势、也就是说第二子模块电压。在常规的行驶运行(A)中，这两个单电池电压势由于开关(S2)打开而基本是可相比拟的。
在通过起动器(S)的功率要求时，根据图1和图2，第一开关(S1)打开并且第二开关(S2)闭合。这就是说，起动器在起动瞬时虽然由车载电网蓄存器供电，但与第一子车载电网脱联。该运行被称为起动运行。负载(V1)由第一子模块(SP2a)馈电并且在电压方面得以支持。这意味着，可能发生第一子模块(SP2a)的与第二子模块(SP2b)无关的放电。因此，形成第一子模块的各超级电容电池与形成第二子模块的各超级电容电池相比具有较低的充电状态和较小的单电池电压。该状态被称为不平衡。在形成第一子模块的各超级电容电池与形成第二子模块的各超级电容电池相比具有较高的充电状态和较高的单电池电压时的状态也是不平衡的。
半导体开关可以用作开关(S1)和(S2)。在从常规行驶运行调整起动运行时有利的是，首先闭合第二开关(S2)，之后理想地在以毫秒量级的时间窗口中打开第一开关(S1)，使得电负载(V1)连续地在电压方面得以支持。
在图3中，起动运行被标记为(B)。随着时间的增加，在形成第一子蓄存器的各电池的单电池电压势和形成第二子蓄存器的各电池的单电池电压势之间发生漂移。
在操作起动器(S)之后，在图1和图2中，第一开关(S1)闭合。第二开关(S2)也首先保持闭合。在第一开关(S1)闭合时和在第二开关(S2)闭合时的状态被标记为平衡，并且在图3中被显示为运行方式(C)。
在平衡时，在不平衡的子蓄存器(SP2a)和(SP2b)之间力求充电均衡。在平衡的状态中，所有的形成两个子蓄存器的超级电容电池具有可相比拟的单电池电压。
如果形成第一子蓄存器的超级电容电池与形成第二子蓄存器的超级电池电容相比具有较低的充电状态和较小的单电池电压，那么在图1和图2中平衡可以通过第二子蓄存器的有针对性的放电实现。第二子蓄存器(SP2b)的放电可以经由第二直流电压调节器到第一子车载电网中。该放电将一直维持，直到形成第二子蓄存器的电池的单电池电压已经达到形成第一子蓄存器的电池的单电池电压。
备选地，如果形成第一子蓄存器的超级电容电池与形成第二子蓄存器的超级电容电池相比具有较高的充电状态和较高的单电池电压，那么平衡通过第二子蓄存器的有针对性的充电实现。那么，第二子蓄存器可以在第二开关闭合时经由第一直流电流调节器、通过在中间抽头(KM)和第二节点(K2)之间施加充电电势、通过第一直流电流调节器进行充电。充电将一直维持，直到形成第二子蓄存器的电池的单电池电压已经达到形成第一子蓄存器的电池的单电池电压。根据图2，用于平衡的充电可以备选地经由发电机(G’)进行。
根据图3实现平衡(C)，其中第二子蓄存器在该实施例中被放电，用于使第二子模块电压均衡到第一子模块电压。
在图1和图2中的平衡状态下，第二开关(S2)打开。因此，在平衡状态下，第一开关(S1)闭合并且第二开关(S2)打开。这符合在常规的行驶运行中的设置并且在图3中被标记为(A)。在平衡状态下，备份蓄存器可以经由双向直流电压调节器(DC1)通过在节点(K3)处施加充电电势被充电。这里，充电功率源自第一子车载电网或者附加地经由第二直流电压调节器(DC2)源自高压车载电网或者在图1的情况下经由发电机(G)。在图2的情况下，充电功率也可以源自发电机(G’)。仅在平衡状态下，两个子蓄存器是可有效充电的，因为要不然在超级电容电池串联连接时会在较强充电的超级电容电池上出现充电电势的强烈下降，以使较弱充电的超级电容电池加荷。以这种方式也会进一步加强不平衡状态。
除了该实施方式之外，根据一种备选的实施方式，在常规的行驶运行中根据图1和图2第一开关(S1)打开并且第二开关(S2)闭合。例如，如果混合动力车在常规的行驶运行中处于驱动装置在内燃机停机时被馈电的状态中，则这便是有利的。然后，备份蓄存器给高功率负载(V2)供电并且第一子蓄存器给电负载(V1)供电。因此，在这种情况下，起动运行的开关配置(也就是说第一开关(S1)打开并且第二开关(S2)闭合)已经在常规的行驶运行中被预设。这提供对两个开关(S1)和(S2)的切换精度的要求较低的优点。例如可以使用继电器。
图1和图2中的结构提供了以下优点，即，与车辆类型ICEV、PHEV、HEV或BEV无关地，在两个子车载电网中高的供电质量时在第一子车载电网(V1)中维持稳定的电压势的情况下，在第二子车载电网中高功率负载(V2)是可被供电的。该供电质量也在起动内燃机时得以维持，这根据车辆的运行方式通过结合开关位置地连接两个子车载电网来保证。

Claims (6)

1.具有第一子车载电网并且具有第二子车载电网的车辆，所述第二子车载电网在至少一个第一节点(K1)处与第一子车载电网电连接，其中，第一子车载电网包括第一组电负载(V1)并且第二子车载电网包括第二组电负载(V2)，
其特征在于，
所述第一子车载电网包括起动器(S)，
所述第一子车载电网包括与所述起动器并联连接的车载电网蓄存器(SP1)，
所述第一子车载电网包括在第一组负载和电车载电网蓄存器之间的第一开关(S1)，
所述第二子车载电网包括第一直流电压调节器(DC1)，
所述第二组电负载在第二节点(K2)处与电的备份蓄存器模块(SP2)并联连接，
所述第一直流电压调节器的一个接口与第二节点连接，
所述备份蓄存器模块具有电的中间抽头(KM)，以及
所述中间抽头经由第二开关(S2)与第一节点连接。
2.根据权利要求1所述的车辆，其特征在于，
所述备份蓄存器模块具有电串联的第一子蓄存器(SP2a)和第二子蓄存器(SP2b)，以及
所述中间抽头位于第一子蓄存器和第二子蓄存器之间。
3.根据权利要求1或2所述的车辆，其特征在于，
所述车辆具有由起动器可起动的内燃机单元，以及
所述车辆构成为具有发电机(G)的内燃机动车，所述发电机与第一节点或与第二节点连接，或者
所述车辆构成为具有高压车载电网的混合动力车(HEV)或插电式混合动力车(PHEV)，所述高压车载电网经由第二直流电压调节器(DC2)与第一节点连接，或者
所述车辆构成为具有增程发动机并且具有高压车载电网的电动车，所述高压车载电网经由第二直流电压调节器(DC2)与第一节点连接。
4.根据前述权利要求之一所述的车辆，其特征在于，
所述第一子车载电网和所述第一子蓄存器分别具有9伏至16伏之间的额定电压势，以及
所述第二子车载电网具有12伏至60伏之间的额定电压势。
5.根据前述权利要求之一所述的车辆，其特征在于，
所述备份蓄存器模块构成为超级电容电池，或者
所述备份蓄存器模块由锂离子电池构成。
6.根据前述权利要求之一所述的车辆，其特征在于，
车辆可处于行驶运行，在该行驶运行中，第一开关闭合并且第二开关打开，或者，第一开关打开并且第二开关闭合；
车辆可处于起动运行，在该起动运行中，第一开关打开并且第二开关闭合；以及
车辆可处于平衡运行，在该平衡运行中，第一开关闭合并且第二开关闭合。
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