CN105270295A - 用于机动车辆的车载电气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机动车辆特别是用于商用车辆的车载电气系统。车载电气系统(10)包括：第一子网络(11)，其中存在第一额定电压(U1)，并包括第一能量存储器(2)和由多个消耗器形成的第一负载电阻(4)；第二子网络(12)，其中存在第二额定电压(U2)，并包括发电机(5)和第二能量存储器(3)，其中第一和第二子网络(11、12)经由电压转换器(1)和辅助充电装置(13)构成的并联电路彼此联接，其中辅助充电装置(13)包括不可控的电流限制元件和与之串联的至少一个开关(15)。

Description

用于机动车辆的车载电气系统
技术领域
本发明涉及根据主技术方案的前序部分所述的用于机动车辆特别是用于商用车辆的车载电气系统。
背景技术
为了经由一个网络来供应多个消耗器，近来开发的用于机动车辆的车载电气系统，除了第一电压电平之外，还具有第二电压电平。第一和第二电压电平经由电压转换器彼此联接。具有较低功率消耗的消耗器一般连接至具有较低额定电压(例如24V)的第一子网络。此外，可以提供第一能量存储器。高功率消耗器、发电机和第二能量存储器可以连接至具有较高额定电压(例如48V)的第二子网络。在关键的操作情形中可以可选地通过第二子网络供电给低电压消耗器。
发电机可以是所谓的多电压发电机(MVG)，其根据存在于其励磁线圈处的电压，生成高或低电压，并向两个子网络供应电力。如果发电机设计为电起动发电机，例如，设计为曲柄轴起动发电机，它可以用于起动发动机。
一般而言，电压(DC/DC)转换器安装在这些子网络之间用于联接两个子网络，其能够在网络之间传递能量。该DC/DC转换器的一个特点是，它对于相应侧具有最大和最小输出和输入电压。例如，如果存储器安装在例如在车辆熄火时具有高自放电的车载电气系统中，或者以放电状态安装在车辆中，则它必须被充电或预调节。在具有铅酸电池的24V/12V网络的一个典型应用中，这经由发电机实施。如果存储器不是铅酸电池，或者如果在所涉及的车载电源系统中不存在发电机，则必须经由DC/DC转换器实施预充电。
该情况下的一个问题是由此相对于最小输出电压对用于输出电压范围的DC/DC转换器提出了升高的要求。因此，DC/DC转换器必须设计为用于较大的电压转换范围，虽然只是很少有必要切换最大的电压转换范围。然而，电压转换器具有复杂的设计，并且制造成本昂贵。例如，所需部件比如平滑电容器和存储线圈等不适于高温。另外，有必要采取措施来抑制干扰，因为具有非常陡峭的边缘的高电流在DC/DC转换器中被切换。
因此，在相关技术中，已经提供了线性调节器，其与电压转换器并联，以便缓解DC/DC转换器，从而能够将它设计得更小和更经济。线性调节器是稳健的，并且具有高温稳定性。可使用发动机冷却剂来冷却它们。它们的电磁干扰辐射是最小的。
这种设计从DE10262000A1是公知的。该相关技术描述了一种至少具有第一和第二电压电平以及发电机的用于机动车辆的车载电气系统，其中第一和第二电压电平经由第一联接装置彼此联接，其中第一联接装置包括线性调节器。该车载电气系统还包括第一控制装置，其控制考虑到第二电压电平的未来负载而控制线性调节器。
这种设计进一步从DE102005060129A1公知，其中电气消耗器进一步各自被分配有单独的优先级，并且电气消耗器根据它们的电气优先级被供电，使得消耗器功率之和不超过发电机的所定功率值。
然而，适当的线性调节器也是制造成本比较昂贵的，并且要求附加的控制努力。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种车载电气系统或者用于车载电气系统的两个子网络的改善的联接装置，由此可以避免常规车载电气系统或联接装置的缺点。本发明的目的特别是更简单且更节约成本地设计这种联接装置，其使得具有较高额定电压的子网络中的放电能量存储器的预充电经由其它子网络借助于联接装置成为可能。
这些目的通过具有主要技术方案的特征的车载电气系统得以实现。本发明的有利的特定实施例和应用是从属技术方案的主题，并且在以下描述中参考附图来更详细地描述。
根据本发明的用于机动车辆特别是用于商用车辆的车载电气系统依据相关技术具有：第一子网络，其中存在第一额定电压；和第二子网络，其中存在第二额定电压(U2)。第一子网络可以包括第一能量存储器和由多个消耗器形成的第一负载电阻。第二子网络可以包括发电机例如起动发电机，以及第二能量存储器。两个子网络都接地。在该情况下，第一额定电压(U1)通常低于第二额定电压(U2)。
此外，在本发明的范围内，存在这样的可能性，即发电机是设计为用于发电机操作模式或再生操作模式并且用于起动机动车辆的内燃发动机的电机。具体而言，发电机可以是曲柄轴起动发电机。第二能量存储器设计成存储由发电机生成的电荷，并且可以例如是超级电容器存储器或锂离子蓄积器。
根据本发明的一般方面，两个子网络的彼此联接经由由电压转换器和辅助充电装置构成的并联电路来实施，其中辅助充电装置包括不可控的电流限制元件和与之串联的至少一个开关。电压转换器，以下也称为DC/DC转换器，优选设计成相对于子网络具有用于相应侧的最小和最大输出和输入电压。
因此，提供了对于电压转换器的可切换旁路，其中辅助充电装置或辅助充电电路可以有利地以特别简单且节约成本的方式得到实施。旁路可以按需要经由开关打开和闭合。
电流限制元件可以是欧姆电阻，其使特别简单且节约成本的设计成为可能。
电流限制元件或电阻优选设计成使得，当经由辅助充电装置连接两个子网络时，子网络中的能量存储器和消耗器可以在预定操作极限内以较低的额定电压得到操作。因此，例如，电阻必须选择成足够大，以使连接两个子网络时发生的电流峰值不超过位于子网络中的部件的预定电流极限。电流限制元件的设计可以借助于模拟或者通过实验来实施。消除了如使用线性调节器时将存在的附加控制努力。
根据一个优选的特定实施例，辅助充电装置可以包括第二开关，其配置为与第一开关和电流限制元件串联。该变型在第一开关发生故障的情况下提供附加保护的优点，以便在第一开关失效时防止两个子网络不再能够借助于旁路得到联接或者经由旁路变为或成为非故意地彼此联接。
相对于辅助充电装置的一个电气开关或多个电气开关的设计，本发明并不局限于特定设计或类型的开关。
用于根据本发明的实施方式的一个可能性为，第一开关和第二开关被实施为半导体开关或IGBT，各自具有并联连接的二极管，其中第一开关的二极管配置为与第二开关的二极管反向串联。二极管的反向串联配置可以理解为是指二极管的正向彼此相反。在该情况下，辅助充电装置因此由电流限制元件和串联连接的两个并联电路构成，两个并联电路各自由半导体开关和二极管构成，其中二极管相对于彼此反向串联。该实施例变型组合了半导体开关的优异开关性能以及开关失效时的保护性的优点，并且二极管的无源开关特点确保了当半导体开关闭合时，不会发生高电压网络中的能量存储器放电为低于其它子网络的低电压的电压。此外，紧急操作模式(其中第一子网络由第二子网络供电)可以成为可能。
在一个有利变型中，第一开关是n沟道MOSFET，并且第二开关是与第一n沟道MOSFET反向串联连接的n沟道MOSFET。n沟道MOSFET晶体管已经具有反向串联连接的续流二极管。两个n沟道MOSFET的反向串联连接因此确保了两个子网络不会在开关闭合的情况下以及电位存在差异时非故意地连接，并且如果半导体开关闭合则发生高电压网络的能量存储器放电到低于其它子网络的低电压的电压。
在本发明的另一变型中，辅助充电装置的第二开关设计为无源开关，优选设计为二极管，其配置为与第一开关和电流限制元件串联。再次，将第二开关实施为二极管的优点是，由于二极管的无源开关特性，当第一开关闭合时，不会发生存储器放电到低于低电压的电压。然而，紧急操作模式(其中第一子网络由第二子网络供电)不再可行。
为了保护部件，有利的是，电流限制元件相对于第一子网络配置在第一开关和第二开关之前。然而，串联连接的顺序一般可以任意地选择。
最后，在本发明的范围内，存在这样的可能性，即在第一子网络中设置有外部充电接口，用于连接外部充电装置或外部快速起动支持终端。该实施例变型的特定优点是，第二子网络中的已放电能量存储器可以经由第一子网络的外部充电接口得到充电，使得在例如第二子网络中除了起动发电机之外没有设置附加的常规起动器的情况下，能够从车辆自身的多电压车载电气系统恢复机动车辆的驱动发动机的起动能力。通过在具有较低额定电压的子网络中设置外部充电接口，能够例如使用另一车辆的常规低电压电池或常规低电压车载电气系统(其是更常见的)作为外部充电装置或作为快速起动支持终端。
车载电气系统可以还包括测量装置，用于检测第一子网络中的电压，以及用于检测第二子网络中的电压。根据检测到的电压值，可以可选地经由电压转换器或辅助充电装置实施联接。例如，如果具有较高额定电压的子网络中的电压下降为低于预定阈值，或者如果检测到电压转换器的故障，则可以通过闭合辅助充电装置的一个开关或多个开关(如果存在两个)来打开旁路。
在该情况下，必须指出的是，在本发明的范围内存在可能性来从控制单元居中地控制电压转换器和/或辅助充电装置的开关，两个子网络的电流电压值传输至所述控制单元。替代地，例如，辅助充电装置也可以实施成使得，它根据两个子网络的电压值自主地打开或闭合辅助充电装置的开关。根据该变型，辅助充电装置可以有利地进一步包括用于测量电压的装置，以便确定两个子网络中的电压。
本发明进一步涉及车辆特别是商用车辆，其包括根据前述技术方案中任一项所述的车载电气系统。
附图说明
下面参考附图来描述本发明的附加详情和优点。
图1示出了一个示例性实施例的车载电气系统；
图2A示出了另一示例性实施例的车载电气系统；
图2B示出了用于表示图2A的示例性实施例的辅助充电装置的功能的表；
图3A示出了另一示例性实施例的车载电气系统；
图3B示出了用于表示图3A的示例性实施例的辅助充电装置的功能的表；
图4示出了另一示例性实施例的车载电气系统；并且
图5示出了时序图，用于表示使用外部起动支持件对图4的车载电气系统的操作。
相同的或功能上等同的元件在所有图中以相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示意性地示出了车辆特别是商用车辆的车载电气系统10的一个示例性实施例。车载电气系统10具有两个子网络11、12：
-第一子网络11，其中存在第一网络电压U1(例如24V)，并且其包括第一能量存储器2和负载电阻4。负载电阻4由至少一个优选由多个消耗器形成。第一子网络11中的消耗器要求恒定的电源电压，特别是具有相对较恒定的功率要求。此外，第一子网络2具有传感器8，用于监测第一子网络11中的电压。以下，使用用语“车载电气系统”，或仅适用“网络”，来代替子网络。
-此外，还有第二子网络12，其中存在第二网络电压U2(例如48V)，并且其中设置有起动发电机。起动发电机5设计为用于起动机动车辆的内燃发动机(未示出)，并且用于发电机操作模式或再生操作模式。在车载电气系统10中，起动发电机5进一步生成网络电压，并为连接至车载电气系统10的消耗器9供应电流。
在第二子网络12中，进一步设置有第二能量存储器3。第二能量存储器3设计成存储在发电机操作模式或再生操作模式中由起动发电机5生成的电荷。能量存储器3设计为超级电容器存储器。在第二子网络12中，也可以进一步可选地连接一个或多个消耗器9。
附图标记8和7各自表示两个子网络的接地点。两个子网络因此接地。
车载电气系统10还包括电压转换器(DC/DC转换器)1，其以自身公知方式双向地联接第一子网络11与第二子网络12。
对车载电气系统10的控制经由控制器17来实施，所述控制器17经由相应的信号和测量线19(它们在图中由虚线示出以便使它们与电流承载线区别开)连接至车载电气系统10的相应部件，特别是电压转换器1、辅助充电电路13和电压测量点8、9，以便确保第一子网络11的供电具有所需的稳定性。此外，控制器17经由控制线(未示出)连接至起动发电机5，以便控制其功率输出。控制器17可以进一步经由控制线连接至个体消耗器(未示出)，以便按需要与它们断开或连接。
控制单元17例如设计成根据由电压测量点8、9接收到的测量信号和/或根据能量存储器2、3向电压转换器1的充电状态，向电压转换器1输出控制信号。电压转换器1被构造成根据由控制单元接收到的控制信号，将能量从第一子网络11传递至第二子网络12，且反之亦然。这样，能量可以经由电压转换器特别是从第一能量存储器2传递至第二能量存储器3，且反之亦然。
存储电容器3也可以经由双向工作的DC/DC转换器1从能量存储器2被充电。如果存储电容器3的能量在起动时不足，则一旦经由测量点8测得的存储电容器3处的电压下降为低于能量存储器2的电压时，存在可能性来使用起动发电机经由辅助充电电路13从能量存储器2取得用于起动的能量。
前述辅助充电电路13与电压转换器1并联，使得第一和第二子网络(11、12)经由由电压转换器1和辅助充电电路13构成的平行连接部彼此联接。辅助充电装置13由电阻14和与之串联的至少一个开关15形成。辅助充电电路，即辅助充电电路的开关15、16，也由控制单元17控制，使得两个子网络11、12可以可选地经由电压转换器1或辅助充电电路13联接。如果两个子网络11、12的联接经由辅助充电电路13建立，则电阻14用于限制充电电流。
可以可选地设置第二开关16(由虚线框示出)，以便在开关中存在隔离故障的情况下，防止网络11、12的非故意连接。
此外，在第一子网络11中设置有外部充电接口18，经由它能够向车载电气系统10连接外部电源。
对于用于内燃发动机的起动发电机5由第二车载电气系统12供电并且该网络12的能量存储器3被放电的应用情况来说，起动能力于是也可以再次经由预充电电路13建立。因此，如果发动机例如由48V子网络12起动，则不需要新的辅助起动装置；相反，可以采用现有的12V/24V装置和措施。
为了非集中地控制充电操作，有必要知道车载电气系统11、12的电压。因此，在车载电气系统11、12中需要适当的测量点。这可以例如借助于内部控制装置测量来实施，其然后例如经由车辆总线系统，或借助于如图1中所示的离散测量装置8、9(其连接至车辆控制器)，分配它们的测量值。
以下描述附加的示例性实施例。具有相同附图标记的部件对应于图1的部件。
图2A所示示例性实施例20的特定特征是，辅助充电电路23的开关由第一n沟道MOSFET开关25和与之反向串联的第二n沟道MOSFET开关26形成。这种n沟道MOSFET具有反向并联的集成续流二极管，使得在两个n沟道MOSFET25、26的反向串联的情况下，相应的二极管具有相反的正向。两个反向串联n沟道MOSFET的配置再次防止了在开关中存在隔离故障的情况下发生的网络11、12的非故意连接。
当然，替代实施例也是可能的，其只具有一个开关，其中开关25于是必须被选择，使其二极管在图2A中配置成使其正向为从第一子网络11向第二子网络12。
图2B示出了对于多个操作状态的n沟道MOSFET开关25、26的开关状态。控制单元17打开开关25、26，以断开两个车载电气系统11、12。如果存储器2被充电而存储器3被放电，存储器3可以由存储器2充电。为此目的，两个子网络11、12经由辅助充电电路23联接。控制单元17因此闭合开关25、26。辅助充电电路因此也可以被称为预充电电路。
在正常操作期间，即子网络12中的电压高于子网络11中的电压，两个开关25、26再次被打开；经由DC/DC转换器1建立联接。
如果检测到电压转换器的故障，第一子网络11的消耗器4也可以替代地经由辅助充电电路23被供电。对于该紧急操作模式还闭合开关25、26。
此外，如上所述，第二子网络12的已放电能量存储器3的外部充电可以通过经由外部充电接口18连接外部能量源来实施。如果控制装置17检测到外部充电接口18处的外部能量源，则两个开关25、26也由它闭合。
图3A所示示例性实施例30的特定特征是，辅助充电电路33的第二开关是二极管36。第一开关35可以是常规的可电气地致动的开关或半导体开关，例如n通道MOSFET开关。二极管是无源开关，并在第一子网络11的方向上阻断。
再次，将第二开关实施为二极管36的优点是，由于二极管的无源开关特点，所以当第一开关35闭合时，不会发生第二子网络12的存储器3放电到第一子网络11的电压以下的电压。然而，紧急操作模式(其中第一子网络11由第二子网络12供电)不再可行。
图3B再次示出了对于多个操作状态的二极管36和第一开关35的开关状态。
为了主动地断开车载电气系统11、12，控制单元17打开开关35，并且二极管阻断。此外，当第一开关35闭合时，车载电气系统11、12可以被动地断开。如果高电压网络12中的电压高于低电压网络11(其为正常情况)中的电压，则为这种情况。然而，如果子网络12中的电压下降为低于子网络11的电压，则二极管36是导通的。
如果存储器2被充电而存储器3被放电，则存储器3可以再次由存储器2充电，或者可以借助于外部充电接口18经由外部充电方式来充电。为此目的，两个子网络11、12通过闭合开关35经由辅助充电电路23联接。然而，二极管只在子网络12中的电压达到子网络11的电压时才是导通的。
在车载电气系统30的正常操作期间，子网络11、12的联接经由电压转换器建立。开关35因此是打开的，而二极管是阻断的。以上已经指出的是，紧急操作模式对于该示例性实施例来说是不可能的。
图4示出了图3A的示例性实施例的变型，其中第一开关35和二极管36的顺序已经被互换。此外，在图4中，外部充电装置40连接至外部充电接口18，例如经由外部起动电缆41连接至另一车辆。
图5示出了时序图，用于表示使用外部起动支持件40对图4的车载电气系统的操作。
控制单元在它检测到外部充电装置40已经连接至充电接口18时停用电压转换器1，并且随后闭合辅助充电电路33的开关35。这由开关状态曲线53示出，其表明开关35从打开状态53a切换至闭合状态53b。因此，在两个子网络11、12中存在相同的电位(U1)54。
作为结果，子网络12中的能量存储器3被充电，使得其电压55增加，如曲线段55a所示。该系统状态在底部时序图51中作为预充电状态51a示出。二极管状态由时序图52示出。在预充电阶段51a期间，二极管是导通的，见曲线段52a。
如果子网络12中的电压达到电压U1，则二极管自动地切换至阻断状态。在预充电完成之后，发动机起动51b可以在子网络12中由电气起动器实施，例如由起动发电机5实施，其由第二子网络的能量存储器3(其现在被充电)供电。起动程序引起车载电气系统纹波55b，使得二极管36由于车载电气系统电压55b的下降而暂时变为导通52b，直到子网络12中的电压再次达到电平(U1)。
尽管已经参考某些示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应该清楚的是，可以实施多种变化，并且可以将等同方案用作替代方案，而不背离本发明的范围。另外，可以实施多种变型，以便使某情形或某材料适应于本发明的理论，而不背离相关的范围。因此，本发明并不局限于所公开的特定示例性实施例，相反，本发明应包括落于所附权利要求书范围内的所有示例性实施例。
附图标记列表
1：电压转换器(DC/DC转换器)
2、3：能量存储器
4：负载电阻，消耗器
5：起动发电机
6、7：子网络的接地点
8：电压测量点
9：负载电阻，消耗器
10：车载电气系统
11：低电压子网络
12：高电压子网络
13：辅助充电装置
14：电阻
15、16：开关
17：控制装置
18：外部充电接口
19：信号线路
20：车载电气系统
23：辅助充电装置
25、26：N沟道MOSFET
30：车载电气系统
33：辅助充电装置
35：开关
36：二极管
40：外部能量源
41：外部起动电缆
51：系统状态曲线
51a：预充电阶段
51b：发动机起动阶段
52：二极管状态曲线
52a：预充电阶段期间的二极管状态
52b：起动发动机时的二极管状态
53：开关状态
53a：开关打开状态
53b：开关闭合状态
54：两个子网络连接时的共享电位
55：高电压子网络的电压曲线
55a：预充电阶段期间的电压曲线
55b：起动发动机时的电压曲线

Claims (11)

1.一种用于机动车辆特别是用于商用车辆的车载电气系统(10；20；30)，包括：
第一子网络(11)，其中存在第一额定电压(U1)，并包括第一能量存储器(2)和由多个消耗器形成的第一负载电阻(4)；
第二子网络(12)，其中存在第二额定电压(U2)，并包括发电机(5)和第二能量存储器(3)，
其特征在于，第一和第二子网络(11、12)经由由电压转换器(1)和辅助充电装置(13；23；33)构成的并联电路彼此联接，其中辅助充电装置(13；23；33)包括不可控的电流限制元件和与之串联的至少一个开关(15；25；35)。
2.根据权利要求1所述的车载电气系统(10；20；30)，其特征在于，所述电流限制元件是欧姆电阻(14)。
3.根据权利要求1或2所述的车载电气系统(10；20；30)，其特征在于，所述辅助充电装置包括第二开关(16；26；36)，所述第二开关配置为与第一开关(15；25；35)和电流限制元件串联。
4.根据权利要求3所述的车载电气系统，其特征在于，第一开关和第二开关被实施为半导体开关，各自具有并联连接的二极管，其中第一开关的二极管配置为与第二开关的二极管反向串联。
5.根据权利要求3所述的车载电气系统(20)，其特征在于，第一开关是n沟道MOSFET(25)，并且第二开关是与第一n沟道MOSFET反向串联连接的n沟道MOSFET(26)。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的车载电气系统(30)，其特征在于，辅助充电装置包括至少一个无源的第二开关，优选为二极管(36)，其配置为与第一开关(35)和电流限制元件串联。
7.根据前述权利要求中任一项所述的车载电气系统，其特征在于，第一额定电压(U1)低于第二额定电压(U2)。
8.根据权利要求7所述的车载电气系统，其特征在于，
(a)电流限制元件相对于第一子网络(11)配置在第一开关和第二开关之前；并且/或者
(b)第一子网络(11)包括外部充电接口(18)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的车载电气系统，其特征在于测量装置(8、9)，用于检测第一子网络(11)中的电压并且用于检测第二子网络(12)中的电压，其中如果具有较高额定电压的子网络中的电压下降为低于预定阈值，或者如果检测到电压转换器(1)的故障，则辅助充电装置的至少一个开关闭合。
10.根据前述权利要求中任一项所述的车载电气系统，其特征在于，
(a)发电机(5)是设计为用于发电机操作模式或再生操作模式并且用于起动机动车辆的内燃发动机的电机；并且/或者
(b)发电机(5)是曲柄轴起动发电机；并且/或者
(c)第二能量存储器(3)，优选地超级电容器存储器或锂离子蓄积器，被设计成存储由发电机(5)生成的电荷；并且/或者
(d)电压转换器(1)双向地连接第一子网络(11)与第二子网络(12)，并且设计成根据第一能量存储器(2)的充电状态和/或第二能量存储器(3)的充电状态，经由电压转换器(1)在第一子网络(11)和第二子网络(12)之间传递能量。
11.一种车辆，特别是商用车辆，包括根据前述权利要求中任一项所述的车载电气系统。
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