CN105075060A - 用于对用电器稳定地供电的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由缓冲存储器(40)对在正常运行中由能量存储器(10)供电的用电器(20)稳定地供电的装置(30)。所述装置(30)包括一个直流变换器(35)、多个可控制的切换元件(S1，..，S5)和一个用于根据所述装置(30)的输入电压(U1)控制所述多个可控制的切换元件(S1，..，S5)的切换状态(1；0)的控制单元(34)。装置(30)构成用于，a)当输入电压(U1)大于预定的第一边界电压(Ugs1)时，在正常运行下绕过具有损耗功率的构件直接由能量存储器(10)对用电器(20)供电，其中第一边界电压(Ugs1)是用电器的用于对其供电的最低电压；b)当输入电压(U1)下降预定的第一边界电压(Ugs1)之下时，通过由能量存储器(10)馈电的直流变换器(35)对用电器(20)供电，其中，直流变换器(35)将输入电压转换为用电器的运行电压；并且c)当输入电压下降到预定的第二边界电压(Ugs2)之下直到缓冲存储器(40)的电压(U3)达到预定的第二边界电压(Ugs2)时，由缓冲存储器(40)对直流变换器(35)馈电，其中，预定的第二边界电压(Ugs2)是直流变换器(35)的用于其运行的最低电压。

Description

用于对用电器稳定地供电的装置

技术领域

本发明涉及一种用于由缓冲存储器对在正常运行中由能量存储器供电的用电器稳定地供电的装置。尤其是所述装置涉及对连接到车辆车载电网上的用电器稳定地供电。

背景技术

对用电器、例如暂时存在于车辆中的测量技术系统稳定地通过设置作为缓冲存储器的缓冲蓄电池或缓冲电容器进行供电。基于不仅在能量消耗中而且在充电时高的容量和短时间可达到的高的电流，作为缓冲存储器大多使用以所谓的超级电容器(也称为Ultracap或Supercap)形式的电化学的电容器。通过缓冲存储器应该保证，用电器在通过能量存储器供电的电压低于对于运行用电器必需的最低电压的情况下时不会不期望地失灵或示出未定义的行为。缓冲存储器通常这样确定尺寸，使得能够实现用电器的短时间的运行，从而所述用电器可以进入确定的状态中或可以被置于确定的状态中。能量存储器在该针对车辆的示例中可以是车辆蓄电池，所述车辆蓄电池在供电线夹上提供的电压基于车辆中动态的过程可能波动。但原则上，该问题可能在其他应用中出现。简单起见，在本说明书中参考在车辆中的应用，然而其中该应用不应被视为限制。

为了阻止在低于对于用电器运行必需的最低电压时也由缓冲存储器对其他构件供电，这将强烈缩短用于对用电器稳定地供电的时间，在用电器和缓冲存储器连接到其上的节点与能量存储器或其他构件之间设置二极管。二极管的存在随之带来，通过电压降造成原则上应该避免的不希望的损耗功率(热量)。此外通过缓冲存储器可供给用电器的电压幅度减少了在二极管上下降的电压。因此基于用电器的必需的最低电压可能只利用缓冲存储器的小的工作范围。

为了可以独立于能量存储器的电压对用电器提供恒定大小的电压，在提到的节点和能量存储器之间也可以设置直流变换器。通过所述直流变换器，由能量存储器提供的电压(通常)向上(step-up)转换，由此可以提高缓冲存储器的工作范围。然而在运行中，直流变换器也造成作为热量而放出的不断的损耗功率。

发明内容

本发明的任务是，给出一种结构上和/或功能上改善的装置，以用于由缓冲存储器以在正常运行中由能量存储器供电的用电器稳定地供电。

该任务通过按照权利要求1的特征的装置解决。有利的构造方案由从属权利要求得出。

提出一种用于由缓冲存储器对在正常运行中由能量存储器供电的用电器稳定地供电的装置，所述装置包括一个直流变换器、多个可控制的切换元件和一个用于根据所述装置的输入电压控制所述多个可控制的切换元件的切换状态的控制单元。

所述装置构成用于，当输入电压大于预定的第一边界电压时，在正常运行下绕过具有损耗功率的构件直接由能量存储器对用电器供电，其中，第一边界电压是用电器的用于对其供电的最低电压。由此只要所述用电器的供电的稳定不是必需的，所述用电器可以以稳压装置的最小化的损耗运行。

所述装置进一步构成用于，当输入电压下降到预定的第一边界电压之下时，通过由能量存储器馈电的直流变换器对用电器供电，其中，直流变换器将输入电压转换为用电器的运行电压。当通过能量存储器不再能提供用电器的最低电压时，才激活直流变换器。所述直流变换器首先由能量存储器馈电，从而还无须激活缓冲存储器以用于稳定用电器的供电。这因此能够实现，将缓冲存储器的激活在时间上向后推移。

所述装置此外构成用于，当输入电压下降到预定的第二边界电压之下直到缓冲存储器的电压达到预定的第二边界电压时，由缓冲存储器对直流变换器供电，其中，预定的第二边界电压是直流变换器的用于其运行的最低电压。缓冲存储器因此通过所述装置经由直流变换器与用电器连接。在此当由能量存储器提供的电压不再足够运行直流变换器时，才进行该连接。

提出的装置因此能够实现缓冲存储器的较迟的放电开始，这能够实现对用电器较长地供电。此外缓冲存储器可以相比于已知的解决方案较深地放电，这同样能够实现用电器对较长地供电。此外，缓冲存储器基于不存在二极管而可以充电到较高的电压，这附加地随之带来放大的电压幅度(Spannungshub)并且进一步能够实现对用电器较长地供电。每个措施本身单独以及结合地随之带来缓冲存储器最大化的缓冲能力。

结果是，利用该装置运行的用电器与能量存储器的波动或失灵无关地进行优化的稳定。在正常运行中不产生损耗功率。此外不会产生临界的用电器电压状态。

所述装置可以包括可控制的第三切换元件，用电器通过所述第三切换元件可直接与能量存储器连接，由此用电器在正常运行中在绕过具有损耗功率的构件的情况下可由能量存储器供电。由此所述装置的放热最小。

所述装置可以包括可控制的第四切换元件，所述第四切换元件连接在直流变换器的输出端和所述装置的输出端之间，其中，直流变换器通过第四切换元件可与用电器连接。如果第四切换元件闭合，则第三切换元件打开，从而用电器和能量存储器之间的直接连接分开。

所述装置可以包括可控制的第一切换元件，所述第一切换元件连接在直流变换器的输入端和所述装置的输入端之间，其中，直流变换器通过第一切换元件可与能量存储器连接，由此当输入电压下降到预定的第一边界电压之下时，用电器可通过由能量存储器馈电的直流变换器供电。

所述装置可以包括可控制的第二切换元件，所述第二切换元件连接在直流变换器的输入端和用于缓冲存储器的连接端之间，由此当输入电压下降到预定的第二边界电压之下时，用电器可通过由缓冲存储器馈电的直流变换器供电。

所述装置可以这样构成，使得第一和第二切换元件在正常运行中不包括相同的切换状态，其中正常运行包括除了安全切断之外的所有的运行状态，在所述安全切断中，所述装置的所有切换元件切换为截止。这表示，当第一切换元件闭合时，第二切换元件打开，并且反之亦然。由此保证，只有能量存储器或缓冲存储器与直流变换器的输入端连接。这可以通过对应地操控所述两个切换元件或通过设置为硬件的电路保证，从而第一和第二切换元件可以利用仅一个控制信号置于相应的切换状态中。

所述装置可以包括可控制的第五切换元件，所述第五切换元件连接在直流变换器的输出端和用于缓冲存储器的连接端之间，由此可以对缓冲存储器充电。第五切换元件可以以给定的间隔闭合，如果用电器不被提供能量的话。第五切换元件可以以给定的间隔闭合，如果用电器不通过直流变换器、而是直接由能量存储器提供能量的话。第五切换元件可以以给定的间隔闭合，如果用电器通过直流变换器提供能量的话。当然，当缓冲存储器应该通过闭合第五切换元件充电时，直流变换器的输入端和所述装置的输入端之间的连接也必须闭合，以便为直流变换器提供能量。换句话说，这表示，第一切换元件也必须闭合。

切换元件的控制通过控制单元进行。这表示，所述控制单元为了实施该任务必须被供应电压。为此控制单元由所述装置的输入端或由缓冲存储器供应电压。因此确保，控制单元不仅在第一次的运行和还空的缓冲存储器的情况下而且在空的能量存储器和缓冲运行的情况下起作用一直到最后。

控制单元可以构成用于检测输入电压。控制单元可以构成用于，检测直流变换器的输出电压。控制单元可以构成用于在测量技术上检测缓冲存储器的电压。根据至少一个所述电压，控制单元可以构成用于，确定切换元件、即第一至第五切换元件的切换状态(闭合或打开)。

缓冲存储器可以是电化学的电容器、例如超级电容器或超级电容。它们包括高的能量密度和用于快速的充电和放电的可能性。缓冲存储器可以这样确定尺寸，使得所述缓冲存储器在其放电开始之后能够实现为用电器供电大约一分钟。原则上，缓冲存储器的大小与相应的应用适配。

缓冲存储器可以是装置的组成部分。缓冲存储器也可以是与所述装置分开的构件。

附图说明

以下借助在附图中的实施例解释本发明。图中：

图1示出线路布置，其示出用于由缓冲存储器对在正常运行中由能量存储器供电的用电器稳定地供电的按照本发明的装置，以及

图2示出描述所述装置的不同的运行状态的表格。

具体实施方式

图1示出能量存储器10、要供电的用电器20和用于对用电器稳定地供电的装置30的线路布置。用于对用电器稳定地供电的装置30接着称为稳压装置。用电器20、例如暂时使用的测量装置在正常运行中由能量存储器10、例如车辆蓄电池供电。正常运行的特征在于，在能量存储器10的蓄电池电桩线夹11上施加的电压大于对于运行用电器20必需的最低电压。

稳压装置30包括一个输入端31和一个输出端32。能量存储器10以其蓄电池电桩线夹连接到输入端31(IN)上。用电器20的供电输入端21与输出端32(OUT)连接。缓冲存储器40与稳压装置30的输入端33连接。缓冲存储器以另一个连接端与参考电位连接。缓冲存储器40是电化学的电容器，即所谓的超级电容器(Supercap)或超级电容(UltraCap)。在图1中示出的实施例中，缓冲存储器40不是稳压装置30的构件。在一种备选的构造形式中，缓冲存储器也可能是稳压装置30的一部分。

稳压装置30包括一个控制单元34、一个直流变换器35以及五个可控制的切换元件S1至S5。切换元件S1，..，S5例如是半导体切换元件、例如MOSFET。也可以使用其他切换元件类型。切换元件S1、S5的相应的切换状态(导通或截止)通过控制单元34控制。在图2的以下说明中，切换为导通的切换元件以“1”表征，切换为截止的切换元件以“0”表征。控制单元34此外具有用于测量技术地检测稳压装置30内部中的不同电压U1、U2、U3的器件。这些器件也可能设置在一个单独的测量单元中，其中，所述测量的结果然后必须传输到控制单元34上。此外，控制单元34可选地为了控制直流变换器35而与所述直流变换器连接(控制信号s4)。控制单元34通过稳压装置30的供电输入端38由缓冲存储器40供应电压，缓冲存储器40与所述供电输入端连接。作为直流变换器(DC/DC转换器)例如可以使用升压变换器。

第一切换元件S1连接在稳压装置30的输入端31和直流变换器35的输入端36之间。第一切换元件S1因此以一个连接端与能量存储器10的供电线夹11连接。第二切换元件S2连接在稳压装置30的输入端33和直流变换器35的输入端36之间。第二切换元件S2因此以一个连接端与缓冲存储器40连接。第三切换元件S3连接在稳压装置30的输入端31和稳压装置30的输出端32之间。第三切换元件S3由此可以在能量存储器10和用电器20之间建立直接的连接、即不具有损耗功率的构件的连接。第四切换元件S4连接在直流变换器35的输出端37和稳压装置30的输出端32之间，从而直流变换器35可通过第四切换元件S4与用电器20连接。第五切换元件S5连接在直流变换器35的输出端37和稳压装置30的输入端33之间，由此直流变换器35可与缓冲存储器40连接。

通过控制装置34来检测稳压装置30的输入电压U1，其中，代表电压U1的信号以m1表征。电压U1对应于在稳压装置30的输入端31上的电压并且借此对应于在供电线夹11上施加的电压。此外通过控制装置34检测在直流变换器的输出端37上的输出电压U2。代表电压U2的信号以m2表征。最后通过控制装置34检测电压U3，其中，代表电压U3的信号以m3表征。电压U3借此对应于缓冲存储器40的电压。

为了控制切换元件S1，..，S5，通过控制单元34至少处理电压U1，其中，为此进行与预定的边界电压的比较(即在控制单元34中存储的阈值)。第一边界电压Ugs1通过对于用电器20运行必需的最低电压、必要时加上安全边际(Sicherheitsmarge)定义。第一边界电压可以处于大约10V，如果从以下事实出发的话，即，用电器20可以以9至16V之间的电压运行。第二边界电压Ugs2通过对于运行直流变换器35必需的最低电压、必要时加上安全边际来定义。第二边界电压Ugs2根据直流变换器35的实现并且可以处于大约5V。在示出的实施例中从如下事实出发，即，直流变换器35可以以5至16V之间的输入电压运行。在输出侧，直流变换器35应该可以提供10至16V之间的电压。

在稳压装置30的充电运行中(在图2的表格中的行1)，用电器20不加载电压(“输出端关断”)并且缓冲存储器40通过能量存储器10充电(“对缓冲存储器充电”)。为此切换元件S1和S5切换为导通(“1”)并且切换元件S2、S3和S4切换为截止(“0”)。电压U1取决于由能量存储器10提供的电压并且可以接受5至16V之间的电压，所述电压对应于直流变换器35的运行范围，缓冲存储器40通过所述直流变换器充电。因为目的是，对缓冲存储器40充电直到最大可能的容量，所述由直流变换器产生最大的输出电压U2。U2和U3因此是16V。

稳压装置30的正常运行在图2的表格中行2中示出。在正常运行中，用电器20由能量存储器10供应电压(“输出端接通”)，为此切换元件S3应切换为导通的。基于用电器20与能量存储器10的直接连接存在最小的损耗功率。为了对用电器20供电，直流变换器的运行不是必需的(“在不运行直流变换器的情况下”)。仅对于缓冲存储器40的可选的维护充电(“对缓冲存储器维护充电”)，直流变换器35才必须以预定的间隔与切换元件S1和S5的导通切换(“1”)相结合地运行。切换元件S2和S4在正常运行中总是切换为截止(“0”)。

用于正常运行，电压U1必须大于第一边界电压Ugs1，亦即大于对于运行用电器20需要的电压。电压U1可以因此在10至16V之间的范围内波动。用于维护充电，缓冲存储器40以直流变换器35的最大地可能的输出电压加载，即U2和U3是16V。

在图2中的表格的行3中示出稳压装置30的“稳定的正常运行”。在该稳定的正常运行中，用电器20由能量存储器10供应电压(“输出端接通，通过直流变换器”)，尽管电压U1下降到对于运行用电器20需要的电压之下，即U1小于第一边界电压Ugs1。对用电器的供电现在通过直流变换器35进行，所述直流变换器由能量存储器10馈电，条件是，电压U1大于第二边界电压Ugs2，即大于直流变换器35的最低输入电压。U1因此必须处于5至10V之间。为此切换元件S3切换为截止(“0”)，以便断开在用电器20和能量存储器10之间的直接连接。同样切换元件S2切换为截止(“0”)，因为没有进行由缓冲存储器40的供电。切换元件S1和S4切换为导通(“1”)，以便通过直流变换器35能够实现供电。

由直流变换器35提供的电压U2为10至16V。如果从如下前提出发，即，在进入“稳定的正常运行”之前电压不是跳跃式地、而是逐渐地降低到10V之下，则可以为了避免电压跳跃而将电压U2调节到10V。如果对于用电器的电压跃变是可容忍的，则电压也可以调节到16V。同样电压U2可以在从10V到16V的斜坡中连续提高。相应的控制借助信号s1通过控制单元34进行。缓冲存储器40的维护充电在稳定的正常运行中在该实施例中不发生，即切换元件S5切换为截止(“0”)。电压U3借此对应于缓冲存储器40的电压，所述缓冲存储器事先充电到16V。在一种变型中，在稳定的正常运行中也可以实施如上所述的维护充电。

在图2中的表的行4中示出稳压装置30的“稳定的缓冲运行”。在该稳定的缓冲运行中，用电器20不再由能量存储器10、而是由缓冲存储器40供应电压(“输出端接通，通过缓冲存储器”)，因为电压U1下降到对于运行直流变换器35需要的电压之下，即U1小于第二边界电压Ugs2。因此U1小于5V。对用电器的供电通过直流变换器35进行，所述直流变换器由缓冲存储器40馈电。为此切换元件S1、S3和S5切换为截止(“0”)，而切换元件S2和S4切换为导通(“1”)。

所述稳定的缓冲运行是可能的，只要缓冲存储器40的电压U3大于对于运行直流变换器35需要的最低电压，即U3必须大于第二边界电压Ugs2并且借此大于5V。由直流变换器35提供的电压U2可以在10至16V之间。如之前的稳定的正常运行中，为了避免电压跳跃可以将电压U2调节到10V。如果用电器20事先以10V运行并且对于用电器20的电压跃变是可容忍的，则电压也可以调节到16V。同样在该情况中电压U2可以在从10V到16V的斜坡中连续提高。相应的控制借助信号s1通过控制单元34进行。缓冲存储器40的维护充电在稳定的紧急运行中在该实施例中不发生，即切换元件S5切换为截止(“0”)。

如果缓冲存储器的电压U3基于持续的放电下降到第二边界电压Ugs2之下，则进行安全切断，在所述安全切断中用电器20不再可以被供应电压(“输出端关断，安全切断”)。在图2中的表格的行5中示出的该状态中，所有切换元件S1至S5切换为或切换到截止(“0”)。在直流变换器35的输出端上的电压U2为0V。电压U1在这里总是还小于第二边界电压Ugs2并且为0至5V之间。

提出的装置30因此能够实现缓冲存储器40的较迟的放电开始，这能够实现对用电器20较长地供电。此外，缓冲存储器40可以放点一直到对于运行直流变换器的最低电压并且借此相比于已知的解决方案显著较深地放电，这同样能够实现对用电器20较长地供电。此外缓冲存储器40可以充电到最大可能的电压，这附加地随之带来增大的电压幅度并且能够实现对用电器20进一步更长地供电。每个措施本身单独以及结合地随之带来缓冲存储器40的最大化的缓冲能力。

结果是，利用该装置运行的用电器与能量存储器的波动或失灵无关进行优化的稳定。在正常运行中不产生损耗功率。此外不会产生临界的用电器电压状态。

附图标记列表

10能量存储器

11能量存储器10的供电线夹

20用电器

21用电器20的供电输入端

30对用电器20稳定地供电的装置

31装置30的输入端(IN)

32装置30的输出端(OUT)

33用于缓冲存储器40的输入端

34控制单元

35直流变换器

36直流变换器的输入端

37直流变换器的输出端

38用于控制单元34的供电输入端

40缓冲存储器

S1第一切换元件

S2第二切换元件

S3第三切换元件

S4第四切换元件

S5第五切换元件

U1所述装置在输入端31上的输入电压

U2直流变换器35的输出电压

U3缓冲存储器40的电压

Ugs1第一边界电压

Ugs2第二边界电压

m1测量信号，其代表所述装置在输入端31上的输入电压U1

m2测量信号，其代表直流变换器的输出电压U2

m3测量信号，其代表缓冲存储器40的电压U3

s1用于直流变换器的控制信号

Claims (11)

1.用于由缓冲存储器(40)对在正常运行中由能量存储器(10)供电的用电器(20)稳定地供电的装置(30)，其中，所述装置(30)包括一个直流变换器(35)、多个可控制的切换元件(S1，..，S5)和一个用于根据装置(30)的输入电压(U1)控制所述多个可控制的切换元件(S1，..，S5)的切换状态(1；0)的控制单元(34)，其中，所述装置(30)构成用于，

a)当输入电压(U1)大于预定的第一边界电压(Ugs1)时，在正常运行下绕过具有损耗功率的构件直接由能量存储器(10)对用电器(20)供电，其中，第一边界电压(Ugs1)是用电器的用于对其供电的最低电压；

b)当输入电压(U1)下降到预定的第一边界电压(Ugs1)之下时，通过由能量存储器(10)馈电的直流变换器(35)对用电器(20)供电，其中，直流变换器(35)将输入电压转换为用电器的运行电压；并且

c)当输入电压下降到预定的第二边界电压(Ugs2)之下直到缓冲存储器(40)的电压(U3)达到预定的第二边界电压(Ugs2)时，由缓冲存储器(40)对直流变换器(35)馈电，其中，预定的第二边界电压(Ugs2)是直流变换器(35)的用于其运行的最低电压。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括可控制的第三切换元件(S3)，用电器(20)通过所述第三切换元件可直接与能量存储器(10)连接，由此用电器(20)在正常运行中在绕过具有损耗功率的构件的情况下可由能量存储器供电。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括可控制的第四切换元件(S4)，所述第四切换元件连接在直流变换器(35)的输出端(37)和所述装置的输出端(32)之间，其中，直流变换器(35)通过第四切换元件(S4)可与用电器(20)连接。

4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置包括可控制的第一切换元件(S1)，所述第一切换元件连接在直流变换器(35)的输入端(36)和所述装置的输入端(31)之间，其中，直流变换器(35)通过第一切换元件(S1)可与能量存储器(10)连接，由此当输入电压(U1)下降到预定的第一边界电压(Ugs1)之下时，用电器(20)可通过由能量存储器(10)馈电的直流变换器(35)供电。

5.按照权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述装置包括可控制的第二切换元件(S2)，所述第二切换元件连接在直流变换器(35)的输入端(36)和用于缓冲存储器(40)的连接端(33)之间，由此当输入电压(U1)下降到预定的第二边界电压(Ugs2)之下时，用电器(20)可通过由缓冲存储器(40)馈电的直流变换器(35)供电。

6.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述第一和第二切换元件(S1、S2)在正常运行中不包括相同的切换状态(1；0)，其中，正常运行具有除了安全切断之外的所有的运行状态，在所述安全切断中，所述装置的所有切换元件(S1，..，S5)切换为截止。

7.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述装置包括可控制的第五切换元件(S5)，所述第五切换元件连接在直流变换器(35)的输出端(37)和用于缓冲存储器(40)的连接端(33)之间，由此可以对缓冲存储器(40)充电。

8.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述控制单元(34)由缓冲存储器供应电压。

9.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述控制单元(34)构成用于，在测量技术上检测直流变换器的输入电压(U1)、输出电压(U2)和缓冲存储器(40)的电压并且根据这些电压确定各切换元件(S1、S5)的切换状态(1；0)。

10.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述缓冲存储器(33)是电化学的电容器(超级电容器、超级电容)。

11.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述缓冲存储器(40)是所述装置的组成部分。