CN105392985B - 汽车电路网络中的开关系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车电路网络，其包括设置在发电机‑电池电路与起动机‑电池电路之间的开关部件(20)，发电机‑电池电路(8)和起动机‑电池电路(10)通过该开关部件而空间上在起动机(18)的区域内短路连接。起动机‑电池电路(10)在开关部件和起动机之间的横截面(10b)比在开关部件和电池(4)之间的横截面(10a)要大。

Description

汽车电路网络中的开关系统
技术领域
本发明涉及一种汽车的开关系统以及一种用于操控这样的开关系统的方法。
背景技术
汽车中的内燃机在停用状态下不提供任何扭矩。出于这一原因至今还不能够通过注入燃料而自主地起动这样的内燃机。这引起了，为了起动而必须对车辆内部的内燃机施加扭矩。这个扭矩通常由起动机或电机来提供。为了起动或驱动内燃机而需要这样的电机。
由汽车的电池来向内燃机的起动机供能。在起动的瞬间，即，在开动起动机时，其电感负荷是低欧的并且很高的电流从电池流经起动机。起动机的电感在起动的瞬间几乎引起了短路。由此引起的高电流导致电池极处的电池电压的跌落。在车辆通常的起动过程中，电池电压在较短时间后跌落到极限值以下。因此这导致了，汽车电路网络中的需要最小电压的其他用电器不再能得到足够的电能供应。
当内燃机借助于起动机来起动时，在起动过程中这种电压跌落在所有具有内燃机的运输工具(Fahrzeug)中都会发生。运输工具例如可以是汽车、轨道车辆或者飞机。此外就此主体的意义而言，船也是运输工具。
为了避免在起动过程中的电压跌落，特别是在现今为了节省燃料而常见的起停工作中的电压跌落，存在多种电压支持方案，例如使用后备电容器，使用额外的电池，还有使用起动电流限制系统。
起动电压或起动电流的限制系统常见为起动电压跌落限制器(SEB)、起动电流限制器(SCL)、起动电流控制器(SCC)、电压跌落限制器(VDL)或者类似的形式。这样的起动电流限制系统通过减少从电池流向起动机的电流来限制起动电压跌落。就此还是承受了电压直到既定的下限值的跌落。此外，造成了起动时间的延迟，因为起动机在起动过程中并没有得到电池所提供的全部可用电能，而是得到了受限的电能。
在利用常规电池的驱动过程中，电池电压在数毫秒后跌落到8伏特以下。这个初始的电压跌落作用在全部与电池连接的用电器。仅短暂地发生的初始的电压跌落能够例如通过上游连接的缓冲电容器来补偿。在常规的驱动过程中，电池的电压在起动后短时间地直接回复到9伏特以上，不过随后由此又重新跌落到9伏特以下。这个第二次的电压跌落不能够通过常规的缓冲电容器来补偿，因为其电容仅足够用于补偿第一次的电压跌落。缓冲电容器通常在第一次电压跌落后放电，并且在起动过程中的第二次电压跌落导致了在汽车电路网络内的问题。特别是电动机控制设备及气囊控制设备以及其他控制设备可能短暂地失灵，因为并不是每个控制设备都设计用于低于9伏特的这样低电压水平。
起动电流限制系统通常设置在电池与起动机之间。常规的汽车电路网络拓扑包含电池、起动机、发电机以及至少一个用电器网络。根据不同的设计，起动机和发电机分别通过分开的电路供电。但是这导致了增高的线路重量，因为尽管通常起动机和发电机在空间上彼此接近地设置，特别是在电动机室中彼此接近地设置，还是需要引导两个从电池到起动机或者到发电机的线路。
发明内容
基于这一理由，本发明的任务在于，提供一种有效的开关系统，该开关系统能够特别简单地安插到汽车电路网络拓扑中并且同时其自身引起了重量的节省。
该目的通过根据本发明所述的开关系统而达到，即开关系统包括第一开关部件，第一开关部件这样设置在汽车电路网络的发电机-电池电路与起动机-电池电路之间，即，使得发电机-电池电路和起动机-电池电路空间上能够在起动机的区域内短路连接，起动机-电池电路能够具有至少两个横截面，其中第一开关部件的连接部件和电池之间的或者与开关网络的输出端之间的电路横截面小于第一开关部件的连接部件与起动机之间的电路横截面。
获知的是，为了能够实现起动合闸电流限制，能够有利地利用在汽车中的关联于发电机-电池电路或起动机-电池电路的电路拓扑。通常，在电动机室内既设置起动机又设置发电机。起动机和发电机在空间上彼此接近。电池或者设置在电动机室内或者设置在行李箱内或汽车底盘下方,并且就此在空间上(与起动机和发电机上下间距离相比)较远地远离起动机或发电机。由于起动机-电池电路和发电机-电池电路都必须从电池引导到起动机或发电机，产生了双重的布线工作。根据本发明能够利用这个双重的布线工作来改变在起动机和电池之间的或者在发电机和电池之间的电路电阻。这由此而实现，即，使起动机-电池电路以及发电机-电池电路能够在空间上在起动机的区域内短路连接。通过短路连接这两个电路增大短路连接点和电池之间的总线横截面，特别是几乎使该横截面双倍化。这对于不同的目的而言能够是有意义的。
在车辆的正常工作中，电池通过发电机来充电。充电电流通常通过发电机-电池电路从发电机流到电池。如果第一开关部件短路连接，充电电流额外地通过起动机-电池电路流到电池并且电路受到较小强度的负荷。这导致了在这两个电路上较小的热量产生。由此同样地减少功率损耗。
此外，可能的是在起动时，特别是在热起动时，首先仅使用起动机-电池电路。这个电路具有第一电路电阻。由于这个电路电阻，在起动情况下由电池流向起动机的电流受到限制。在刚刚起动后，例如在启动后几毫秒，特别是几百毫秒时，可以闭合第一开关部件。起动机电流能够因此既通过起动机-电池电路又通过发电机-电池电路流动。由于这两个电路的并联电路，减少了总电路电阻。因为在电池和起动机之间存在较小的线路电阻，起动机电流增大。这个电流能够这样设置，即，使得能够有足够高的起动机电流流动。
如前文所说明的，起动机和发电机都优选地设置在汽车的电动机室内。第一开关部件因此根据一种有利的实施例而同样地设置在车辆的电动机室内。这意味着，第一开关部件在空间上接近于发电机和起动机地设置，特别是，在空间上接近于起动机是有利的。
当根据一种实施例而将第一开关部件设置在起动机-电池电路的横截面缩小部时，因此能够实现优化的起动电流合闸限制。起动机-电池电路能够由至少两个电路横截面而构成。特别是能够使第一开关部件的连接部件和电池之间的或者与开关网络的输出端之间的电路横截面小于第一开关部件的连接部件与起动机之间的电路横截面。在起动时，如前文所述，在对于第一开关部件的相应控制的情况下，起动机电流首先仅流经起动机-电池电路。由于在起动机-电池电路的区域内减少的导体横截面，总电流因为线路电阻的升高而受到限制。额外地，第二开关部件在启动期间闭合并且第三开关部件能够额外地闭合。
因此能够这样设定这个限制，即，使电池电压不跌落到例如9伏特的电平以下。电池电压的下电平取决于控制设备和汽车电路网络拓扑内的用电器。根据控制设备或用电器所设置用于的不同电压下限，能够设定起动电流合闸限制的大小。这可以是9伏特的电压下限值，不过也可以在并不涉及12伏特的电池的其他汽车电路网络中，设定其他取值。
通过闭合第一开关部件，起动机-电池电路的横截面缩小的区域通过发电机-电池电路而短路连接并且电池电流能够通过这两个电路而从电池流到起动机。
根据一种实施例的横截面缩小可以是这样的，即，使得相对于第一开关部件与电池之间的电路而言或者相对于第一开关部件与开关网络的输出端之间电路而言，第一开关部件和起动机之间电路具有较大横截面。特别是，将第一开关部件电气上直接设置在横截面缩小区域内。横截面的缩小例如能够设置在两个再分导线(Teilleiter)的材料接合连接区域内，其中起动机-电池电路由至少这两个再分导线形成。特别是能够在设置在起动机-电池电路上的支点上施加第一开关部件。也可以如前述地实施横截面不缩小的起动机-电池电路。由此，免除了电压跌落限制，但是第一开关部件保持了自身的功能。
根据一种实施例，横截面至少缩小为导体横截面的一半。还可能的是，将导体横截面缩小至基本约四分之一至三分之一。特别是，可能从85mm2缩小到25mm2。然而其他取值也是有意义和可能的。
起动机电流在第一开关部件闭合后流经起动机-电池电路和发电机-电池电路。该电流必须能够由起动机-电池电路的一部分区段来负载，该部分区段处在第一开关部件和起动机之间。因此，将起动机-电池电路的这个部分区段内的电路电阻选择为尽可能地小，即，电路横截面在必要情况下尽量大。此外，将这个部分区段的导电性能设为高于起动机-电池电路的第一部分区段的导电性能。为了将电路电阻保持为尽可能小而建议，使第一开关部件这样连接到起动机-电池电路上，即，使第一开关部件与起动机之间的电路长度比第一开关部件与电池之间或与开关网络的输出端之间的电路长度更小。
在工作中，发电机电流从发电机流至电池。功率损失必须保持为尽量小。这意味着，选择尽量大的电路横截面。为了确保这一点，在工作中闭合第一开关部件，从而发电机电流能够从开关部件的连接点处既通过起动机-电池电路又通过发电机-电池电路而流至电池。
为了将发电机-电池电路的第一再分导线上的功率损耗保持为尽可能地小而建议，将第一开关部件这样连接到发电机-电池电路上，即，使第一开关部件与发电机之间的电路长度小于第一开关部件与电池之间的电路长度。
电池能够形成为以自身的其中一极在由第一开关部件与开关网络所组成的并联电路上。开关网络能够在输入端上与电池极连接，特别是与电池阳极连接。开关网络在输出侧既能够通过第一输出端与发电机电池电路连接并且也通过第二输出端与起动机-电池电路连接。能够在开关网络中分别设置一个开关部件，从而使电池或电池极能够分别与发电机-电池电路连接或与起动机电池电路连接。
如已提到的，开关网络能够具有输入端。在这个也能够由两个彼此短路连接的连接点而构成的输入端上，能够连接电池极。在开关网络中能够设置在起动机-电池电路中的第二开关部件以及在发电机-电池电路的第三开关部件。开关部件实现了，使相应电路从电池断开。特别是在车辆停用状态下，能在起动机-电池电路或发电机-电池电路的区域内将电池极从汽车电路网络断开。
开关部件中的每一个即使具有较小的接触电阻，也构成了电池与发电机或与起动机之间的连接中的欧姆电阻。为了将开关网络中的功率损耗保持为较小而优选地使开关部件具有的电阻小于10mOhm、优选小于1mOhm、特别优选小于0.1mOhm。此外，开关网络的连接头和线路优选这样设计，即，在一个输入端与开关网络的相应输出端之间存在的电阻小于10mOhm，优选小于1mOhm,特别优选小于0.1mOhm。
通过适当地连接开关部件而可能的是，一方面确保在撞击情况下电池电路(起动机-电池电路/发电机-电池电路)的电流断路。另一方面，为了给电池充电而另外通过第一开关部件利用起动机-电池电路。额外地，能够通过至少部分地缩小横截面的起动机-电池电路实现起动电流合闸限制。
开关网络并不仅仅能够使用在像是载客汽车和载货汽车这样的具有内燃机的汽车中，而是也能使用在轨道车辆、飞机、船舶或类似工具中，无论其是否是纯电力驱动的或者内燃机驱动的。
开关网络优选地设置在电气电池附近，特别是车辆电池、尤其是汽车的起动机电池附近。通常该电池是12、24或48伏特的电池。
为了将开关网络与电池极之间的电气功率损耗保持为尽量小而建议，使输入端与电池阳极基本为短路连接。在开关网络与电池阳极连接的情况下，可能的是，通过开关网络既切换与发电机的电池电路又切换与起动机的电池电路。优选地，力求使开关网络与电池阳极之间尽可能紧密连接，从而避免了可能在开关网络与电池阳极之间的电路上发生与车身的或与电池阴极的短路连接。能够通过在车辆的停用状态下的断电而防止了漏泄电流以及功率损耗。特别是在发电机-电池电路的支路中设置的用电器也能够同样地断电。
当开关网络封装在一个壳体中时，能够由此实现在汽车电源中特别简单的安装。在该壳体中设置不同的开关部件并且优选地仅有这两个输出端以及输入端作为电接触元件从壳体中伸出。还可能的是，将信号电路引至壳体内或者在壳体处设有向外突出的信号接头。
为了能够确保不同的功能，可能的是，能够分开地操控单个开关部件。优选地，能够分开地操控每个单独的开关部件。通过操控第一开关部件，能够使两个电路在第一开关部件的区域内相互连接或者在发电机-电池线路与起动机-电池导体之间的连接线路区域内短路连接。
通过第三开关部件而实现了，使第一输出端与输入端短路连接。由此，例如可能的是，将电池极与发电机-电池电路短路连接。第二开关部件实现了输入端与第二输出端之间的短路连接。由此例如可能的是，使电池极与起动机-电池电路短路连接。
开关部件的打开和闭合通过控制设备的相应的控制脉冲而实现。控制设备优选设置在壳体的外部。也可以使控制设备作为开关网络的一部分。就此，控制设备能够设置在壳体中。控制设备能够构成为开关部件的一部分。控制设备可以设置在以所谓的“Master”的形式而工作的开关部件中。因此，各个其他的开关部件以这个“Masters”的所谓的“Slaves”的形式而工作。
为了实现在壳体外部的开关切换而建议，将用于切换开关部件的、优选为多芯的控制电路引导入到壳体中。因此能够从外部生成控制脉冲，该控制脉冲用于开闭壳体内部的开关部件。这带来了就控制设备的设置而言的尽可能大的灵活性并且实现了壳体自身的微型化。
开关网络的壳体能够一方面节省空间地并且另一方面电气适合地设置在车辆电池的极凹处(Polnische)中。因此，输入端直接在电池极处，优选在电池阳极处。可能的是，壳体形成为电池端子的一部分。另一方面，还是存在极凹处并且壳体在极凹处内的设置促成了最小化的空间需求。车辆拓扑因此不需要改变。
电池通常设有标准的极凹处。特别是DIN标准DIN EN 50342-2以及DIN 72311为极凹处以及在极凹处之间延伸的、电池的壳体偏移而给出了标准尺寸。就此极凹处是包含电池极的一个区域，该区域一方面通过电池的侧壁而限制且另一方面通过电池的外边缘来限制。极凹处优选地具有60mm至72.5mm的最大尺寸。极凹处的高度通常在30mm至40mm，优选地在35mm以下。在这个结构空间以内，能够优选地通过使用在极凹处之间延伸的纵向偏移来设置开关网络。开关网络空间布置在极凹处以内可以这样理解，即，由此意味着组件大部分设置在此处以内。如果组件一部分地处于极凹处以外然而大部分还是在极凹处以内，那么在空间上在极凹处以内这一定义的含义也包含了这种情况。
开关部件能够由单独的开关的并联线路而构成，这些并联线路能够也具有单独的开关并且并联连接。也可能的是，将反串联开关(antiseriellen Schalter)例如以对向连接的晶体管的形式设置在开关部件中。因此，开关部件能够既单向地又双向地接通电流。优选地，也能够将二极管设置在开关部件中，从而例如能够实现使电流流通方向仅在一个方向上。这样的二极管例如可以至少是在半导体中总是存在的相应的内部二极管(bodydioden)。额外地，为了释放半导体而能够优选地以新的、其他部件的形式来使用空载二极管。
根据一种实施例而建议，使开关部件具有至少一个电子开关。该电子开关例如能够以半导体开关的形式而构成。其可以例如是晶体管开关、MOSFET开关、IGBT开关或者类似物。也能够设置例如接触器或继电器这样的电气开关。
开关部件也能够由分别由至少一个二极管和开关组成的并联电路而构成。优选地，第二开关部件和第三开关部件分别具有至少一个二极管，其通路方向指向电池的方向。第一开关部件能具有由至少一个二极管和开关所组成的并联电路。该二极管的通路方向能够从起动机-电池电路或第二输出端指向发电机-电池电路的方向或第一输出端。
通过该第一开关的二极管能够避免了，在第一开关打开期间，电流从发电机-电池电路流向起动机-电池电路和/或起动机。
如前文说明的一样，开关部件能够由多个开关构成。因此也建议，使开关部件由能够分开切换的至少两个开关所组成的并联电路而构成。特别是，为了合理地驱动起动机-电池电路或发电机-电池电路而需要有高导电性能和/或低接触电阻。在起动内燃机的情况下，通常几百安培的电流从电池流向起动机。半导体开关必须设计用于这样高的电流并且通过该开关而造成的功率损耗应该尽可能地小。更有利地可以是，使多个半导体并联地连接，从而通过单个半导体开关的并联电路而以总合的形式提供所期望的接触电阻。也能够通过多个半导体开关的并联连接来在必要情况下补偿单个半导体开关的故障。此外，能够通过开关部件内的半导体开关的串联连接，改变开关部件的接触电阻，这特别对于起动合闸电流限制而言是相关的。因此能够例如在开始时仅在开关部件内闭合少量半导体开关并且一个接一个地接通更多半导体开关。
就此特别可能的是，在预起动的阶段，也就是在以电流完全加载起动机之前，对通常连接到发电机-电池电路的缓冲电容器进行充电。就此，能够例如在预起动的期间内，为了给电容器充电而闭合第三开关部件或者闭合第二开关部件及第一开关部件。为了得到尽可能均匀的充电电流，能够以脉冲的形式来闭合和打开第三开关部件或第二开关部件，和/或以脉冲的形式闭合和打开第一开关部件。因此能够影响到充电电流并且尽可能保护性地为电容器充电。在预起动之后能够通过首先(必要情况下也以脉冲的方式)闭合第二开关部件来为起动机接通起动电流。为了减少电池和起动机之间的电路电阻，能够在第二起动阶段内闭合第一开关部件。
也可能的是，使电池、起动机和用电器之间的电流是能够以脉冲的形式来开断的。通过脉冲形式地开闭开关部件能够调整出关联于起动合闸电流限制的平均电阻值。
开关系统能够既具有发电机-电池电路又具有起动机-电池电路。电池极通过电池电路与开关网络的输入端连接。开关网络的第一输出端与发电机-电池电路连接，并且开关网络的第二输出端与起动机-电池电路的第一部分连接。在起动机和发电机的区域内，特别是在电动机室内，例如在电池座盘或者在偏压电流配电盘中，设置第一开关部件。第一开关部件优选地通过使用至少一个发电机-起动机-连接电路而将起动机-电池电路与发电机-电池电路连接起来，特别是通过第一开关部件在起动机-电池电路和发电机-电池电路上的直接接触。起动机-电池电路的横截面改变的区域内连接第一开关部件，该第一开关部件与发电机-电池电路连接。该系统提供了在电池与起动机之间或与发电机之间设置的开关功能。
在本发明的系统中，开关网络优选在空间上接近电池地设置，特别是与电池小于50cm地设置。为了在电池电路上特别少的功率损耗而建议在电池极与输入端之间小于50cm的电路长度。此外，针对于电池极与输入端之间的电路区段的短路易发性应保持为尽可能地小，这一点也能够额外通过较小的线路长度而实现。
设置开关网络的优选位置是电池座盘或偏压电流配电盘。在其中能够将开关网络尽量直接接近电池地设置。
在系统中能够如前文所述地一样设置控制电路。就此将该控制电路设置为，取决于车辆的状态来切换单个开关部件。因此能够实现起动机-电池电路和/或发电机-电池电路的电流断路。因此能够通过在车辆停用状态下将这些电路与电池阳极断开而例如减少或避免了漏泄电流熔蚀。此外能够通过根据需要地将起动机-电池电路的部分电路与发电机-电池电路的部分电路并联连接，改变起动机与电池之间或发电机与电池之间的电路电阻。
例如可能的是，在车辆停用状态下，至少打开第二开关，优选地打开第二开关和第三开关。
在起动时，特别是在起停工作中的热起动时，常常需要的是避免电压跌落到低于9伏特以下。为了实现这点，必须对从电池到起动机的电流进行控制。在起动的最初一百毫秒中，优选地在起动的第一秒中，特别是在起动的最初两秒中，有非常高的电流从电池流向起动机。为了减少该电流而建议，在起动过程开始时至少仅闭合第二开关部件。也可能的是，在开始起动时闭合第二开关部件和第三开关部件。只有在经过一定的起动时间后才可以接通第一开关部件。也可能的是，在起动开始时闭合第一开关部件、第二开关部件和第三开关部件。
开关部件的打开和闭合能够取决于电池的充电状态(SOC)或电池的电池状态(State-Of-Health)而进行。因此能够例如在较小的电池电压情况下,即，在较差的SOC的情况下，通过脉冲式地切换第二开关部件来顾及到电压跌落。也可以为了尽可能保护性地为电池充电，较晚地或者也脉冲式地接通第一开关部件。
也能够通过控制电路来监控开关部件的状态。在一个开关故障时，特别是在第二开关或第三开关故障时，能够通过闭合相应的其他开关以及闭合第一开关来跨接过故障的开关并且因此避免了故障。
在发电机-电池电路中或在发电机-电池电路与开关网络连接的线路中能够设置汽车的第一部分用电器。
汽车第二部分的用电器能够直接连接到电池阳极，而无需通过开关网络来保险连接。这些用电器能够例如是安全关键的用电器，在这些用电器中必须强制性地避免断路情况。
本发明的其他主体是根据本发明所述的方法。开关部件取决于车辆状态地开闭实现了适配地控制电池与起动机或电池与发电机之间的电阻，并且因此实现了对于发电机-电池电路中的电流以及对于起动机-电池电路中的电流的影响。
附图说明
接下来根据示出了实施例的附图而进一步说明本发明。在附图中：
图1示出了具有开关网络的常规的汽车电路网络拓扑；
图2示出了具有开关网络的汽车电路网络拓扑的细节图；
图3a示出了在汽车的静止位置中开关的位置；
图3b示出了在汽车的预起动阶段中的开关位置；
图3c示出了汽车的第一起动阶段内的开关位置；
图3d示出了汽车的第二起动节段内的开关位置。
具体实施方式
图1示出了汽车的电路网络拓扑2。该电路网络拓扑具有汽车电池4，该汽车电池具有阳极4a和阴极4b。阴极4b通常与汽车的车身连接。在空间上以及电路上最直接接近于电池4的阳极4a处设置电子开关网络6。该开关网络6实现了灵活地切换其上连接的电池电路(例如起动机-电池电路10和/或发电机-电池电路8)，以及特别是实现了在意外情况下或者在停用状态下的电流断路。
与开关网络6并联地，能够将用电器网络(示意性地以电阻7来表示)与电池阳极4a连接起来。该用电器网络7特别包括绝对不能从电池断开的、安全关键的用电器。
开关网络6具有输入端6a以及第一输出端6b和第二输出端6c。
输入端6a与电池阳极4a短路连接。第一输出端6b与发电机-电池电路8连接。第二输出端6c与起动机-电池电路10连接。这两个电路8、10能够以扁平线缆和/或圆形线缆的形式而形成，特别是以实心的铝线和/或铜线的形式而形成。发电机-电池电路8直接与发电机12连接。此外，发电机-电池电路8的支路能够设有另一个用电器网络14。这些用电器例如能够是舒适型用电器，在撞击情况下以及在车辆停用状态下，不需要以电池4的电功率来供给这些舒适型用电器。另外，能够在发电机-电池电路8上设有外部的起动支持点16。
与发电机-电池电路8并联地，设有与起动机18连接的起动机-电池电路10。
起动机-电池电路10优选为两个部分区段组成。第一部分区段10a设置在开关网络6的输出端6c与第一开关部件20之间。第二部分区段10b设置在第一开关部件20与起动机18之间。起动机-电池电路10在第一开关部件20的连接区域内具有横截面变化。第一部分区段10a与第二部分区段10b相比能够具有较小的导体横截面。第一开关部件20的连接部件能够以连接螺栓的形式从起动机-电池电路10引出来。横截面变化能够设置在这两个部分区段10a和10b之间的材料接合连接的区域内。这两个部分区段10a、10b能够由相同的金属或不同的金属构成。因此能够例如使部分区段10b具有比部分区段10a更高的传导性能。然而优选地，这两个部分区段由铜、铜合金、铝或铝合金形成。特别适合的是99.5铝或者纯铝。
在所示出的情况下，地面到电池阴极4b的回路通过车身而实现，然而也可以通过分开的地线而实现。特别在高压网络中通过独立的线路来实现地面回路。
如在图2中所示出的，开关网络6具有两个开关部件22和24，这些开关部件分别将电池极4a或者与线路8或者与线路10连接起来。所示出的是，开关网络6与开关部件20之间在空间上分离，通过这个空间上的分离，能够改变起动机18与电池4之间的电路电阻或者发电机12与电池4之间的电路电阻。开关网络6的开关22、24能够封装在以虚线表示的壳体中。
开关网络6优选地在空间上接近于电池4而设置。电池极4a与开关网络6之间的线路长度选择为尽可能短的，优选地小于50cm。开关部件20相反地在空间上接近于起动机18和/或发电机12地设置。
开关部件20-24能够以电气开关的形式而构成，例如以继电器或接触器的形式而构成，也能够以半导体开关的形式而构成。开关部件20-24能够特别由半导体开关的并联电路而构成。
为了影响开关部件20-24的开关状态，特别是打开或闭合这些开关部件以及优选地为了与车辆中已有的控制设备进行通信而设置未示出的控制电路。
在车辆的停用状态下，开关部件22和24是打开的。这意味着，电池阳极4a与两个电路8、10电气隔离。这两个电路8、10是没有电压的，并且避免了在这些电路8、10上，特别是在各个接触点处通过漏泄电流熔蚀而形成腐蚀。
当应该起动车辆时，可以至少闭合开关24并且由电池4以电功率来供给起动机18。开关部件22能够就此同样地闭合。在起动时用电器14的电压跌落能够通过后备电容器28而减少。然而已证实，后备电容器28仅能够限制起动过程中的第一次电压跌落。
然而通常电池电压在没有对起动机电流的电流限制情况下会多次跌落到9伏特以下，以至于后备电容器28仅有限地起到了帮助。为了实现对于启动电流的限制，设置开关部件20。在起动时打开开关部件20。电流通过电路10的减小的横截面从电池流向起动机18。在第一起动阶段内，除了通过横截面缩小的起动机电路10a而进行电流限制以外，额外地优选使后备电容器28来负责用电器14的电压稳定。在第一起动阶段以后，能够闭合开关部件20。电流既通过电路10又通过电路8地从电池4向起动机18流动。
在工作期间，充电电流从发电机12流到电池4。通过开关部件20而能够也利用充电过程中的电路10并且因此减少功率损耗。此外，如果电路8或10损坏，在应急运行中，能够通过开关部件20分别跨接故障电路。
在起动情况下，通过脉冲式地开闭开关部件20-24也能够实现，改变电阻并且因此进一步限制从电池4到起动机18的起动合闸电流。
开关20-24的示例性的工作状态在图3a-3d中示出。
图3a-3d示出了在工作状态中的根据图2的汽车电路网络拓扑2。可见，在图3a中所示出的汽车的静止工作状态下开关部件20-24是打开的。开关部件22、24从电池4上断开了起动机-电池电路10以及发电机-电池电路8。从电池4上转开的汽车电路网络的部件全都是断电的。漏泄电流熔蚀因此是不可能发生的。
当使用者意图起动车辆时，该使用者习惯性地转动在打火锁内的打火钥匙或者按下车辆内的起-停按钮。在此时，开始如图3b中所示的预起动阶段。在预起动阶段内，开关部件22至少部分地闭合。就此，开关部件22的脉冲式工作是特别可能的。通过适合地设置开关部件22的时间上的平均电阻而实现了，对于电池4与备用电容器28之间的电流进行调整。对于保护备用电容器28而有意义的是，将从电池4流到备用电容器28的电流设计为斜坡状的。其他电流走向也是可以的。特别是，通过优选为脉冲式的开关部件22而这样调整电流走向，即，为后备电容器28充电。然而应该这样测定充电电流，即，使后备电容器28尽可能小地受到负载。对于开关部件22的开闭的脉冲宽度调制就此是有利的。在图3b中示出的预起动阶段通常持续几百毫秒。在预起动阶段过后后备电容器28是充满电的。
接下来的是如图3c中所示出的第一起动阶段。在图3c中示出，在第一起动阶段内开关部件22和24是闭合的，然而开关部件20却是打开的。通过在起动机-电池电路10的部分区段10a中的横截面缩小，能够使得仅有受限的电流从电池4流到起动机18。相对于在常规的起动机-电池电路上的电阻而言，在该起动机-电池电路10上的电阻升高。特别是，在部分区段10a内的电路横截面相对于常规导体横截面而言减少到约三分之一。
如图3c中示出的，电池4和发电机12之间的连接是闭合的。这由于发电机12已经在第一起动阶段中提供了电流而实现。特别是发电机12与起动机18机械耦合。通过在第一起动阶段中开动起动机18就已经使发电机12提供能量，该能量又能再用于起动。此外，能够为了给起动机18供给能量而由后备电容器28来使用电能。
第一起动阶段可以持续50至500毫秒，不过也可以更长，在第一起动阶段后接着是图3d中示出的第二起动阶段。在第二起动阶段中，除了开关部件22、24以外额外地也闭合开关部件20。在电池4和开关部件22的连接部件之间，起动机-电池电路10与发电机-电池电路8并联连接。在电池4与开关部件20的连接部件之间的总电阻因此相对于在图3c中示出的第一起动阶段中的电路电阻而言减小。电流能够从电池4既通过横截面缩小的起动机-电池电路10又并联地通过发电机-电池电路8而流动。此外，电流能够直接从发电机12经开关部件20流到起动机18。
通过在部分区段10a使起动机-电池电路10的横截面缩小三分之二而实现了减重。特别是通过开关部件20-24而造成的超出重量小于通过横截面缩小而实现的起动机-电池电路10的减少重量。
所示出的汽车电路网络拓扑此外带来了对于开关部件22、24而言的既定冗余。如果开关部件22、24其中的一个故障，还能够通过闭合开关部件20并且跨接相应故障的开关部件22或24而在应急运行模式中驱动车辆。
借助于横截面减小而实现了，限制起动电流并且因此减少了或避免了电池电压跌落。这促成了汽车电路网络中、特别是在用电器7和/或用电器14的区域内的提高的舒适性。
相对于使用单个开关而言，能够减少各个开关部件20-24的总导电性能以及断流容量，因为断流容量分散到三个开关部件上。
最后，通过分散分布的开关部件20和22、24能够实现更好的散热。在开关部件20中的功率损耗与开关部件22、24中的功率损耗相比，产生在空间上不同的位置。
此外如图3d示出的，在行驶运行中线路电阻减小。特别是在行驶运行中为了通过发电机12给电池4充电，除了总是存在的发电机-电池电路8的线路横截面以外也提供了起动机-电池电路10的部分区段10a。因此减少了功率损耗并且电池4能够更好地得到充电。
未示出的控制电路还监控开关部件20-24的状态。例如如果开关部件22故障，能够通过闭合开关部件20、24来跨接开关部件22。另一方面还可能的是，能够通过闭合开关部件20、22来跨接开关部件14。

Claims (36)

1.一种汽车电路网络的开关系统，所述开关系统包括：
-第一开关部件，所述第一开关部件这样设置在汽车电路网络的发电机-电池电路与起动机-电池电路之间，即，使得发电机-电池电路和起动机-电池电路空间上能够在起动机的区域内短路连接，起动机-电池电路能够具有至少两个横截面，其中第一开关部件的连接部件和电池之间的或者与开关网络的输出端之间的电路横截面小于第一开关部件的连接部件与起动机之间的电路横截面。
2.根据权利要求1所述的开关系统，其特征在于，所述第一开关部件设置在电动机室的区域内。
3.根据权利要求1所述的开关系统，其特征在于，所述第一开关部件设置在汽车的发动机室里面或上面。
4.根据权利要求1所述的开关系统，其特征在于，所述第一开关部件连接在所述起动机-电池电路的横截面缩小部。
5.根据权利要求4所述的开关系统，其特征在于，所述横截面缩小部这样设置，即，相对于所述起动机-电池电路至少在所述第一开关部件与电池之间的部分区段和/或在所述第一开关部件与开关网络的输出端之间的部分区段，所述起动机-电池电路在所述第一开关部件与所述起动机之间具有更大的横截面。
6.根据权利要求4所述的开关系统，其特征在于，所述横截面缩小部至少造成了导体横截面的减半。
7.根据权利要求6所述的开关系统，其特征在于，所述横截面缩小部引起了导体横截面从至少85mm2到至少25mm2的缩小。
8.根据权利要求1所述的开关系统，其特征在于，所述第一开关部件这样连接到所述发电机-电池电路上，即，使得在所述第一开关部件与所述发电机之间的电路长度小于在所述第一开关部件与所述电池之间的电路长度和/或小于在所述第一开关部件与所述开关网络的输出端之间的电路长度，以及/或者所述第一开关部件这样连接到所述起动机-电池电路，即，使得所述第一开关部件与所述起动机之间的电路长度小于在所述第一开关部件与所述电池之间的电路长度和/或小于所述第一开关部件与所述开关网络的输出端之间的电路长度。
9.根据权利要求1所述的开关系统，其特征在于，在所述第一开关部件与所述电池之间与所述第一开关部件并行地设置开关网络。
10.根据权利要求9所述的开关系统，其特征在于，所述开关网络在所述起动机-电池电路中具有第二开关部件并且在所述发电机-电池电路中具有第三开关部件。
11.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，所述第二开关部件和所述第三开关部件能够与电池阳极基本上短路连接。
12.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，所述开关网络封装在壳体内。
13.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，能够分别分开地操控所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件。
14.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，将用于切换开关网络的所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件的、多芯的控制电路引入到壳体中。
15.根据权利要求12所述的开关系统，其特征在于，所述壳体调整匹配于车辆电池的极凹处。
16.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，所述开关网络在空间上接近于电池而设置。
17.根据权利要求16所述的开关系统，其特征在于，所述开关网络在空间上与电池间距小于50cm地设置。
18.根据权利要求16所述的开关系统，其特征在于，所述开关网络使电池极与输入端之间的电路长度小于50cm地设置。
19.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，所述开关网络设置在电池座盘或偏压电流配电盘中。
20.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，所述开关网络设置在电池的极凹处中。
21.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件具有：至少一个电子开关，或者电气开关，或者反串联开关。
22.根据权利要求21所述的开关系统，其特征在于，所述电子开关是半导体开关、晶体管开关、MOSFET开关、IGBT开关，所述电气开关是继电器。
23.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，由以至少两个能够分开操控的开关所组成的并联电路构成所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件。
24.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，能够脉冲式地切换所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件。
25.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，使控制电路与所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件连接，并且所述控制电路取决于车辆状态来切换所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件。
26.根据权利要求25所述的开关系统，其特征在于，所述控制电路在车辆停用状态下至少打开所述第二开关部件。
27.根据权利要求26所述的开关系统，其特征在于，所述控制电路在车辆停用状态下打开所述第二开关部件和第三开关部件。
28.根据权利要求27所述的开关系统，其特征在于，所述控制电路在所述车辆的内燃机起动时，在小于2秒的第一起动阶段中，首先仅闭合所述第二开关部件以及所述第三开关部件，并且在经过所述第一起动阶段后额外地闭合所述第一开关部件。
29.根据权利要求28所述的开关系统，其特征在于，所述车辆的内燃机起动是热起动。
30.根据权利要求28所述的开关系统，其特征在于，所述控制电路在所述车辆的内燃机起动时，在小于1秒的第一起动阶段中，首先仅闭合所述第二开关部件以及所述第三开关部件，并且在经过所述第一起动阶段后额外地闭合所述第一开关部件。
31.根据权利要求25所述的开关系统，其特征在于，所述控制电路监控所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件的状态并且在所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件中的其中一个的故障状态下通过接通相应的至少一个其他的所述第一开关部件、所述第二开关部件和所述第三开关部件来电跨接故障的所述第一开关部件、所述第二开关部件或所述第三开关部件。
32.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，所述发电机-电池电路与第一部分的用电器连接。
33.根据权利要求10所述的开关系统，其特征在于，与所述开关网络并联地，第二部分用电器与所述电池连接。
34.一种用于控制根据权利要求10至33中任意一项所述的开关系统的方法，其中
-在车辆停用状态下，至少打开所述第二开关部件和/或所述第三开关部件，和/或
-在车辆的内燃机起动时，在小于1秒的第一起动阶段中，首先仅闭合所述第二开关部件以及所述第三开关部件，并且在经过所述第一起动阶段后额外地闭合所述第一开关部件。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述车辆的内燃机起动是热起动。
36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，在所述第二开关部件故障情况下，通过闭合所述第一开关部件和所述第三开关部件来跨接所述第二开关部件，并且在所述第三开关部件故障情况下，通过闭合所述第一开关部件和所述第二开关部件来跨接所述第三开关部件。
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