CN104969439A - 用于运行机动车的车载电网的供电单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行机动车的车载电网（30、31）的供电单元（100）的方法，其中供电单元（1）具有：带有定子绕组（21）和转子绕组（22）的电机（20），配设给转子绕组（22）的、用于规定流过转子绕组（22）的电流的发电机调节器（40），和带有整流器元件的整流器（30），其中通知车载电网（100）的即将发生的配置变化，并且然后改变流过转子绕组（22）的电流的大小。

Description

用于运行机动车的车载电网的供电单元的方法

技术领域

本发明涉及用于运行机动车的车载电网（Bordnetz）的供电单元的方法，以及用于执行所述方法的运算单元。

背景技术

用于机动车车载电网的发电机设备可以具有：带有转子绕组（励磁绕组）和定子绕组的他励电机（一般地为交流发电机），后接于定子绕组的整流器（一般地为变流器）和发电机调节器（所谓的场调节器），所述发电机调节器借助于通过转子绕组的电流（励磁电流）来调节由电机所产生的电压。这样的发电机设备使用在机动车车载电网的不同情况下。

如例如在DE 10 2009 046 955 A1中解释的那样，为了进行整流，使用主动的桥式变流器是有利的，因为其与被动的或不受控的二极管变流器相比具有更低的损失功率。

通过调节励磁电流，可以调节输出电压，以保证车载电网的运行。电压调节的任务是在强变化的发电机转速和不同负载的情况下，将车载电网电压保持在恒定的水平上。在此，调节速度通过转子绕组的时间常数来限制，所述时间常数在量级上处于数百毫秒。在例如因关闭较大的消耗器而突然导致车载电网内的负载降低（Load Dump）时，首先发生发电机电压的明显升高，因为通过励磁电流对电压的调节仅以相应的时间延迟才可以实现。在转速较高和去除较大的负载时，在此情况下会不允许地出现高的电压值。此电压峰值可能损坏电子部件并且可能导致控制器的故障。

在二极管变流器中电压保护通常通过变流器二极管自身进行，因为在那里损失的能量可以被转换为热，而与所述二极管变流器相比，对于通常的主动的开关元件、例如MOSFET，附加的保护策略是需要的。

在载荷去除时，例如上面的或下面的变流器支路的一些或全部开关元件可能完全地或暂时地被短路，如也例如在所提及的DE 10 2009 046 955 A1中所论述的那样。在此可以节拍发送相应的控制信号，使得不低于最小的电压水平且不超过最大的电压水平。但在半波长内多次节拍发送控制信号具有缺点，因为为此例如对于每个相都要求评估电路，并且为了保持车载电网电压设置了相应的中间回路电容。

在通常的12V的电池中，电压钳制效果通过将多余的能量转换为化学能而产生（所谓的排气），而在基于锂（例如锂离子）的现代电池中（对于12V或48V的车载电网或也对于带有超过60V、例如几百伏（例如300V至400V）的电压的高压车载电网），过高的电压水平是成问题的且应该避免。这些电池因此在过电压（überspannung）时通过相应的电路自动同车载电网分离，且可以不用作过压保护。同样，在此过低的电压水平也是成问题的，因此在欠电压（Unterspannung）时也会发生同车载电网自动分离。

因此希望的是在带有主动的变流器电路且同时带有可分离的电池的车载电网中，提供尽可能简单的过电压保护或欠电压保护。

发明内容

根据本发明提出了具有权利要求1所述特征的、用于运行机动车的车载电网的供电单元的方法。有利的设计方案是从属权利要求以及如下说明的对象。

本发明提供了如下简单的可行方案，即通过将车载电网的即将发生的配置变化通知给供电单元，且然后相应地减小或增大励磁磁场或有效的励磁电流的大小，由此减小或完全抑制车载电网的过电压或欠电压。因此，在发生配置变化前，优选地已初始化励磁磁场的大小的减小或增大。配置变化特别地是能量消耗的减小或增大，和/或是能量存储装置特别是电池同车载电网分离或接到车载电网上。

车载电网的配置变化，如能量消耗的减小或增大，例如因接通或关掉消耗器或因逐渐增大或减小功率接收（例如加热）或因能量存储装置的分离或接入而导致的能量消耗的减小或增大，通常由相应的控制单元（例如用于车载电网管理的控制单元或用于电池充电管理的控制单元）控制，从而本发明可以以简单的方式通过这些控制单元与发电机调节器的通信实现。控制单元现在将即将发生的配置变化优选地以提前时间通知给发电机调节器，然后所述发电机调节器与此相应地调整励磁磁场，即在由于配置变化而期望过电压的情况下减小励磁磁场，且在由于配置变化而期望欠电压的情况下增大励磁磁场。提前时间优选地在300 ms和500 ms之间。在规定提前时间时，优选地考虑转子绕组的时间常数和数据传输时间和/或数据处理时间。由此可以有利地降低电压波动，特别是过电压和欠电压。

本发明适合于所有类型的机动车车载电网，因此特别适用于通常的12V或48V车载电网，但也适用于带有高于60V的允许接触电压的电压的高压车载电网。即使在以下车载电网中本发明也显示出特别的优点，在所述车载电网中电机还可以电动机模式地运行。于是在此例如通过本发明可以在配置变化前及时由电动机模式运行转换为发电机模式运行。

可以规定励磁磁场的减小和/或增大的大小，其中对于不同的情况有利地规定多个值。例如，可以总体上事先与车载电网有关地确定功率输出的期望的变化，例如500 W作为具有300 W至800 W的功率接收的高功率消耗器的中间值，或作为电池分离或电池接入的额定功率的50%。进一步优选地，根据期望的消耗变化规定励磁磁场的减小和/或增大的大小。为此，例如上面提到的控制单元除了告知即将发生的配置变化的类型外还告知随之而来的能量消耗的变化或车载电网电压的变化。

控制能量存储装置的分离和接入的控制单元为此优选地具有测量装置，所述测量装置被构造用于确定能量存储装置的当前的功率接收或功率输出和/或能量存储装置的充电状态。当前的功率接收或功率输出表征了在能量存储装置分离时的能量流的变化，因为从能量存储装置到消耗器（也可以包括处于电动机模式运行中的电机）的消失的能量流或从电机到能量存储装置的消失的能量流现在必须通过电机补偿。与车载电网内的当前电压相比，充电状态表征了在接入能量存储装置时的能量流的变化，因为在带有低于或高于车载电网电压的电压输出的充电状态中，从车载电网到能量存储装置的能量流或相反的能量流必须由电机补偿。

控制能量消耗的减小和增大的控制单元为此优选地具有存储装置，在所述存储装置内存储了关于被控制的能量消耗器的、优选地在接入过程和持续运行之间分离的、通常的功率接收的信息。合适地，在此仅考虑带有超过100 W的额定功率的高功率消耗器。

根据本发明的另一有利的实施方式，提出了在如下情况下的措施，即如果发电机设备不能完全避免由于配置变化导致的过电压或欠电压，例如因为电机暂时（例如由于低转速）不能为车载电网提供足够的电流。此措施包括例如减小或增大消耗器的瞬时电流消耗，特别是通过对控制能量消耗的减小和增大的控制单元进行相应的控制。

优选地使用电压走势模型，所述电压走势模型区分车载电网内的功率消耗器和电流消耗器，且考虑到消耗器的电感。由此，可以较准确地确定所需的励磁电流变化和必要时规定的提前时间。进一步优选地，电压走势模型还考虑了电机的电感，以便最优地抑制电压波动。于是，例如可以如此规定励磁电流，使得电机和消耗器的各电感的效应在一定程度上被消除且电压近乎保持恒定。

根据本发明的运算单元，例如机动车的控制器，特别是场调节器和/或所述控制单元的场调节器，特别地在程序技术上被设置用于执行根据本发明的方法。

以软件的形式实施所述方法也是有利的，因为这种情况特别地导致成本低，特别是当执行的控制器还用于其他任务且因此所述控制器总是存在时。用于提供计算机程序的合适的数据载体特别是软盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等。也可以通过计算机网络（Internet、Intranet等）下载程序。

本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中得到。

应理解的是，前述的和在接下来还要解释的特征不仅可以以各给出的组合的方式使用，而且可以以其他组合的方式或单独地使用，而不偏离本发明的范围。

根据实施例在附图中示意性地示出了本发明且在下文中参考附图详细描述了本发明。

附图说明

图1示意性地示出了机动车的车载电网，如本发明可以涉及的车载电网。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的优选实施方式的车载电网，且总体上以100标记。车载电网100作为供电单元具有发电机设备1，所述发电机设备带有可作为交流发电机20运行的电机，所述电机带有定子绕组21和转子绕组22。转子绕组22通过发电机调节器或场调节器40优选节拍式地供电。交流发电机20可以例如构造为齿形电极发电机。发电机设备还具有整流器或变流器30，所述变流器被构造用于对由交流发电机生成的交流电压进行整流，且作为车载电网电压提供给连接部B+和B-。变流器30具有主动的开关元件，例如MOSFET，且以已知的方式运行。发电机设备1或变流器30为此具有整流器控制单元（未示出）。就电机的电动机模式运行而言，整流器也可以作为逆变器运行。

在车载电网100内设置了能量存储器2，例如基于锂的电池，以便特别地存储通过发电机设备1馈送到车载电网100内的电能。电池2接在电池充电控制单元3之前，所述电池充电控制单元被设置用于在车载电网中过电压和/或欠电压的情况下使得电池同车载电网分离，和/或当不存在过电压和/或欠电压时使得分离的电池又接入车载电网。控制电池2分离和接入的电池充电单元3还被设置用于将即将发生的分离过程或接入过程作为车载电网100的配置变化通知给发电机调节器40，从而所述发电机调节器40可以相应地影响通过转子绕组22的电流，即减小或增大所述电流。在此意义下，电池充电控制单元3作为过电压检测单元或欠电压检测单元运行。在此，优选地延迟分离过程，以便通过电池还获得一定的过电压保护。但分离过程也可以不延迟地进行。接入过程也被延迟，以便不产生过电压。但接入过程也可以不延迟地进行。电池充电控制单元3还被设置用于将连同即将发生的分离过程或连接过程以及与之相关联的能量消耗的变化通知给发电机调节器40。电池充电控制单元3具有测量装置，例如电压表、功率接收传感器或充电状态传感器，所述测量装置被构造用于确定当前的车载电网电压以及电池2的当前的功率接收或功率输出和/或电池2的充电状态。由这些数值可确定与即将发生的分离过程或连接过程相关联的能量流的变化。特别地，电池充电控制单元3识别流入或是流出电池的电流。此电流流动以分离结束。结果是，这基本上意味着，通过电机的电动机模式运行必须提供具有相同大小和方向的电流。

在车载电网100内还整合了消耗器6，特别是高功率消耗器，如车窗玻璃采暖装置、停车采暖装置（Standheizung）、座椅加热器、空调设备等。消耗器可接通且可关掉，如通过开关元件7表示的那样，且如需要也可以在其功率接收方面做出改变，这通过箭头8来表示。车载电网控制单元9被设置用于控制消耗器6。控制能量消耗的减小和增大的车载电网单元9还被设置用于将消耗器6的即将发生的控制作为车载电网100的配置变化通知给发电机调节器40，从而所述发电机调节器相应地可以影响（即减小或增大）通过转子绕组22的电流。在此，延迟消耗器的即将发生的控制，以便以此方式至少降低过电压和欠电压。车载电网单元9还被设置用于将连同消耗器6的即将发生的控制以及与之相关联的能量消耗的变化通知给发电机调节器40。车载电网控制单元9具有存储装置，例如微处理器和非易失性的存储器，在所述存储装置内存储了关于在持续运行中和在接入过程中受控制的能量消耗器6的（在功率接收变化时优选地对于不同功率级的）平均的功率接收的信息。

即将发生的配置变化也可以决定电机从电动机模式运行切换到发电机模式运行，以便例如减小欠电压。

Claims (14)

1. 用于运行机动车的车载电网（100）的供电单元（1）的方法，

其中，所述供电单元（1）具有：带有定子绕组（21）和转子绕组（22）的电机（20），配设给所述转子绕组（22）的、用于规定流过所述转子绕组（22）的电流的发电机调节器（40），和带有整流器元件的整流器（30），

其中，将所述车载电网（100）的即将发生的配置变化通知给所述供电单元（1），并且然后改变流过所述转子绕组（22）的电流的大小，其中，所述车载电网（100）的配置变化包括能量存储装置（3）、特别是电池同所述车载电网（100）分离和/或接到所述车载电网（100）上。

2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述车载电网（100）的配置变化包括在所述车载电网（100）内的消耗器（6）的能量消耗的减小和/或增大。

3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述车载电网（100）的配置变化包括所述消耗器（6）的关掉或接通。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当由于配置变化而期望出现过电压时，减小流过所述转子绕组（22）的电流的大小。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当由于配置变化而期望出现欠电压时，增大流过所述转子绕组（22）的电流的大小。

6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述车载电网（100）的配置变化在通知后以提前时间被执行。

7. 根据权利要求6所述的方法，其中，根据所述转子绕组（22）的时间常数规定所述提前时间，和/或其中所述提前时间介于250 ms和750 ms之间。

8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，流过所述转子绕组（22）的电流的大小被以一改变值改变，并且根据所述配置变化规定所述改变值。

9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用基于锂的电池作为能量存储装置（3）。

10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据所述车载电网（100）的通知的即将发生的配置变化减小或增大在所述车载电网（100）内的消耗器（6）的能量消耗。

11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，考虑到所述车载电网（10）内的电感而改变流过所述转子绕组（22）的电流的大小。

12. 运算单元（40、3、9），所述运算单元被设置用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

13. 计算机程序，所述计算机程序被设置用于执行根据权利要求1至11中任一项所述方法的所有步骤。

14. 机器可读取的存储介质，具有存储在其上的、根据权利要求13所述的计算机程序。