CN105393420B - 用于将至少一个次级能源耦合到能量供应网络、尤其是车辆车载电网上的方法 - Google Patents

用于将至少一个次级能源耦合到能量供应网络、尤其是车辆车载电网上的方法 Download PDF

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Abstract

用于将至少一个次级能源耦合到能量供应网络、尤其是车辆车载电网上的方法。提出一种用于将至少一个次级能源(12)耦合到能量供应网络(10)、尤其是车辆车载电网上的方法，在该能量供应网络上连接有负载(13)以及具有第一电压特性的初级能源(11)。所述至少一个次级能源(12)具有相应的第二电压特性，该第二电压特性具有与第一电压特性重合的工作电压范围。初级能源(11)和所述至少一个次级能源(12)能通过功率开关装置(18)连接到能量供应网络(10)的中间电路(17)的如下节点(14)上，在该节点上也连接有负载(13)。在接通相应的次级能源(12)之前这样调节由负载(13)获取的电流，使得在中间电路(17)的节点(14)上存在的电压等于要接通的次级能源(12)的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内。在电压相等时或当节点(14)上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源(12)通过功率开关装置与节点(14)导电连接。将负载所需电流调节到相应值上，其中，由初级能源(11)和次级能源(12)向负载(13)馈电。

Description

用于将至少一个次级能源耦合到能量供应网络、尤其是车辆 车载电网上的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将至少一个次级能源耦合到能量供应网络的方法以及一种能量供应网络、尤其是车辆车载电网，在所述能量供应网络上连接有负载和初级能源。
背景技术
按需要将不同能源在负载运行期间耦合到负载上通常需要至少一个电流调节器，以便在将无负载的次级能源接通到被负载加载的初级能源的瞬间避免高的补偿电流或开关电流。这种情况例如在车辆车载电网中出现，该车载电网包括初级能源、如燃料电池或高电压电池，其向连接到车载电网上的负载供电。这种负载例如可以是逆变器，所述逆变器向作为消耗器的(驱动)电机供电。作为电流调节器在这种车辆车载电网中通常使用DC/DC变换器。DC/DC变换器的任务在于通过电流调节或电压调节避免所述补偿电流，从而防止例如与逆变器输入端连接的中间电路电容器损坏。
然而，尤其是用于具有高功率的驱动领域中的DC/DC变换器随之带来显著成本、高重量以及大的空间需求。此外，还存在DC/DC变换器的运行与效率损失相联系的问题，所述效率损失尤其是降低电动车辆的能效。
发明内容
本发明的任务在于提出如下方法，所述方法能以减少的损耗并且在最小化结构耗费的同时实现次级能源与能量供应网络、尤其是车辆车载电网的接通和断开、即耦合和解耦。本发明的另一任务在于提供一种能量供应网络、尤其是车辆车载电网，该能量供应网络能够在使用多个能源时以最小损耗来运行。
所述任务通过根据本发明的方法以及根据本领域技术人员的能量供应网络来解决。提出一种用于将至少一个次级能源耦合到能量供应网络、尤其是车辆车载电网上的方法，在该能量供应网络上连接有负载以及具有第一电压特性的初级能源。所述至少一个次级能源具有相应的第二电压特性，该第二电压特性具有与第一电压特性重合的工作电压范围。初级能源和所述至少一个次级能源能通过功率开关装置连接到能量供应网络的中间电路的如下节点上，在该节点上也连接有负载。
在所述方法中，在接通(耦合)相应的次级能源之前这样调节由负载获取的电流或由负载获取的功率，使得中间电路的节点上存在的电压等于要接通的次级能源的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内。在电压相等时或当节点上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源通过功率开关装置与节点导电连接。接着，将负载所需的电流或负载所需的功率调节到相应值上，其中，由初级能源和次级能源向负载馈电。
另外，提出一种用于将至少一个次级能源与能量供应网络、尤其是车辆车载电网解耦的方法，在该能量供应网络上除了所述至少一个次级能源外还连接有负载以及具有第一电压特性的初级能源，其中，所述至少一个次级能源具有相应的第二电压特性，该第二电压特性具有与第一电压特性重合的工作电压范围。初级能源和所述至少一个次级能源通过功率开关装置连接在能量供应网络的中间电路的如下节点上，在该节点上也连接有负载，其中，该能量供应网络构造为：在接通相应的次级能源之前调节由负载获取的电流，使得在中间电路的节点上存在的电压等于要接通的次级能源的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内；在电压相等时或当节点上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源通过功率开关装置与节点导电连接；并且负载所需的电流被调节到相应值上，其中，由初级能源和次级能源向负载馈电，和/或该能量供应网络构造为：在断开相应的次级能源之前调节由负载获取的电流，使得在中间电路的节点上存在的电压等于要断开的次级能源的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内；在电压相等时或当节点上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源通过功率开关装置与节点电分离；并且负载所需的电流被调节到相应值上，其中，仅由初级能源向负载馈电。
在断开相应的次级能源之前这样调节由负载获取的电流或由负载获取的功率，使得中间电路节点上存在的电压等于要断开(解耦)的次级能源的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内。在电压相等时或当节点上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源通过功率开关装置与节点电分离。然后将负载所需的电流或负载所需的功率调节到相应值上，其中，仅由初级能源向负载馈电。
该方法基于下述考虑：代替到目前为止进行的电流调节器控制，在开关过程中这样匹配由初级能源供电的负载，使得其电平与次级副蓄能器的标称开路电压一致或处于该开路电压周围的预定电压范围内并且因此可进行接通或断开，而完全不产生或不产生高的补偿电流或开关电流。由此消除了损坏连接到中间电路上的负载或功率开关装置的危险。该原理可用于不同开关过程并且能实现借助功率开关装置直接耦合不同能源。包括分别配置给初级能源和所述至少一个次级能源的可控开关组件的功率开关装置在此直接相互切换各电源、即将电源直接与中间电路的节点连接或将其与中间电路节点分离。
与传统的DC/DC变换器相比，用于实现本发明所需的功率开关装置明显更加简单地构造并且尤其是几乎无损耗地工作。功率开关装置可包括多个开关元件，这些开关元件能实现相应能源与中间电路节点之间的电连接或切断。
本发明还提供一种能量供应网络、尤其是车辆车载电网。该能量供应网络包括负载、具有第一电压特性的初级能源以及至少一个次级能源，其中，所述至少一个次级能源具有相应第二电压特性，该第二电压特性具有与第一电压特性重合的工作电压范围。初级能源和所述至少一个次级能源可通过功率开关装置连接到能量供应网络的中间电路的如下节点上，在该节点上也连接有负载。所述能量供应网络还包括用于调节由负载获取的电流或由负载获取的功率的单元。
在如此构造的能量供应网络中，用于将多个选择性地连通到中间电路上的电源的损耗可以保持得非常小。此外，可省却到目前为止使用的尺寸大且昂贵的DC/DC变换器，由此可节约成本、重量和安装空间。通过包括开关元件的功率开关装置也可提高能量供应网络的可靠性。
根据该方法的一种符合目的实施方案，负载调节在这样短的时间段内进行，使得不能感觉到负载中断。这例如在车辆中意味着，负载在数量级少于100毫秒、尤其是少于10毫秒的极短时间内完全变化或仅部分变化。这类似于在传统的手动内燃机变速器中操作离合器，区别在于，负载变化可快速得多地进行并且因此车辆乘员不能感觉到负载变化。
根据另一种符合目的的实施方案，在初级能源的接线柱上或在其它适合的位置上测量第一电压并且在所述至少一个次级能源的接线柱上或在其它适合的位置上测量第二电压，其中，通过负载调节将初级能源的电压匹配于要接通的次级能源的开路电压。只要所述两个测得的电压相等时，借助功率开关装置接通次级能源。
由上述说明已经清楚的是，负载调节通过影响负载的工作点来实现。
能量供应网络的特征还在于，所述能量供应网络的功率开关组件包括分别配置给初级能源和所述至少一个次级能源的可控开关组件。开关组件分别包括至少一个半导体开关元件或接触器。原则上也可使用其它开关元件。相应开关组件的选择和设计与相配的能源有关。例如在一些电源中要求避免流入到其中的电流，以防止损坏或不可控的状态。由此一些开关元件优选地或在特定的互连中使用，而在其它电源中对于所用开关元件没有特别措施或要求。
初级能源例如可以是燃料电池或可再充电的电池。次级能源可以是可再充电的电池、太阳能模块、燃料电池和类似物。
负载可以是控制元件、尤其是DC/DC变换器或AC/DC变换器，其中，在控制元件上连接有至少一个消耗器。消耗器例如可以是能够以发动机或发电机形式运行的电机或其它消耗器。
附图说明
下面参考附图中的实施例详细说明本发明。图中：
图1示出常见的、用于车辆中的能量供应网络的示意图；
图2示出根据本发明构造的、设置用于使用在车辆中的能量供应网络的示意图；
图3示出根据本发明构造的能量供应网络的示意图，在其中示出功率开关装置的示例性实施方案；
图4示出电压电流曲线图，其说明本发明方法所基于的原理。
具体实施方式
图1示意性示出常见的、用于车辆中的能量供应网络10的示意图。该能量供应网络10在下面被称为车辆车载电网或车载电网。车载电网10在本实施例中仅示例性地包括初级能源11、如燃料电池，以及次级能源12、如电池。初级能源11通过如DC/DC变换器形式的电流调节器27耦合到中间电路17上。次级能源12(始终)直接与中间电路17连接。在中间电路17上还连接有一个负载13。该负载13在本实施例中是AC/DC变换器，该AC/DC变换器在输出侧与三相电机形式的消耗器25连接。
电流调节器27的任务在于在初级能源11和次级能源12之间进行负载分配。
电流调节器27的尺寸和安装空间取决于负载13和连接到负载上的消耗器25的电流要求或功率要求。当消耗器25是车辆电驱动装置时，则产生限制的尺寸连同相应重量和空间要求。随着尺寸增大，将电流调节器27安装到车辆中变得困难。此外，电流调节器27的运行与损耗相联系，因为电流调节器27在为负载13供电期间始终必须运行，即使次级能源12无需为负载13供电。
在图2中所示的、根据本发明的能量供应网络中，电流调节器27被功率开关装置18代替。功率开关装置18包括配置给初级能源11的第一可控开关组件15以及配置给次级能源12的第二可控开关组件16。在最简单的情况下，每个所述开关组件15、16分别具有一个各自的、如半导体开关元件(MOSFET或IGBT)或接触器形式的开关元件。
功率开关装置18能实现动态负载分配。在此，次级能源12的接通和断开通过功率开关装置18结合在开关过程之前借助在图2中未详细示出的控制单元对负载13进行的负载调节来实现。与常见的电流调节器27相比，功率开关装置18可以明显更为紧凑且重量减轻地提供。此外，损耗也明显低于电流调节器，因为在功率开关装置的运行中仅产生相应开关组件15、16的开关元件的导通损耗。这尤其在接触器和半导体开关元件中是非常低的。
图3示出根据本发明构造的能量供应网络的示意图，在其中示出功率开关装置18的一种示例性设计。又假设初级能源11是燃料电池并且次级能源12是电池，尽管其它情况也是可能的。
配置给初级能源11的第一可控开关组件15包括MOSFET形式的第一开关元件S1。开关组件15设置在中间电路17的节点14和初级能源11之间。在初级能源11的接线柱上还连接有第一测量装置19，其包括电流测量器件20和电压测量器件21。
配置给次级能源12的第二可控开关组件16连接在节点14和次级能源12之间。第二开关组件16包括两个MOSFET形式的、反串联连接的半导体开关S2、S3。当应建立次级能源12与节点14的电连接时，反串联连接的半导体开关S2、S3导通。基于MOSFET的设计和原则上存在的体二极管，开关元件S2、S3需要以所显示的方式互连，以便在停用状态中可靠地不仅防止电流从节点14流向能源12而且可靠地防止沿相反方向的流动。另外，在次级能源12的接线柱上连接有第二测量装置22，其包括电流测量器件23和电压测量器件24。
该图还示出，负载13(又以AC/DC变换器的形式)与中间电路电容器26连接到中间电路17的节点14上。另外示出控制单元28，其包括用于开关组件15、16的开关元件S1、S2、S3的驱动器。控制单元28连接到车辆总线上以便与其它控制仪和/或传感器交换数据。
能源11、12上存在的电流和电压的由测量装置22、24(尤其是连续地)测定的电流值及电压值传输给控制单元29。该控制单元以下述方式调节负载13，以便将次级能源12接入到中间电路17或与之断开，而在开关过程期间不产生补偿电流或开关电流。
图4示出电压电流曲线图，在其中示出初级能源11(燃料电池)和次级能源12(电池)的示意性U-I特征曲线。在下述说明中，简化地假设次级能源12的充电状态(SOC)恒定。这意味着，考虑次级能源12的一个唯一的U-I特征曲线(在此SOC＝100％)。所述U-I特征曲线以K2标记。
首先假设负载13仅由初级能源11供电。这意味着，初级能源11通过开关组件15与中间电路17的节点14并且与负载13连接。根据负载13(或连接到负载上的消耗器25)的工作状态产生特定电流l1，其中，根据该电流l1在初级能源11的接线柱上出现相应于燃料电池特征曲线K1的电压U1。该工作点以P1标记。
然后假设通过负载13或消耗器25的负载要求增大，以致负载13不仅应通过初级能源11供电，而且也应附加地通过次级能源12供电。次级能源的开路电压在图4中以U2标记。不难看出，在电压U1和U2之间产生电压差ΔU，从而若无其它预防措施将会在激活开关组件16以连接次级能源12与节点14时产生补偿电流。
为了避免该补偿电流，这样进行负载13的负载调节，使得在(通过导通开关组件16)接通次级能源12之前使在中间电路17的节点14上存在的电压等于要接通的次级能源12的开路电压U2，或者备选地处于该开路电压周围的预定电压范围内。这意味着，这样减小由负载13获取的电流，使得电压U1等于电压U2或在所述备选方案中处于电压U2周围的预定电压范围内。前种情况是图4中的电流l1'处。当能源11、12的电压在本实施例中彼此相等(即U2＝U1')时，操作(导通)开关组件16，从而次级能源12现在也与节点14导电连接。接着，通过控制单元重新进行负载13的负载调节，以便提供负载运行所需的电流，该电流现在按比例地由初级能源11和次级能源12提供并且由在电压为U3时的l1”和l2'之和(点P1”和P2)得出。
当通过负载13的电流例如基于消耗器25的减小的功率要求又可以减小时或出于其它原因(例如达到预规定的电池充电状态下限时)，不再可以从次级能源12进一步获取电流，则次级能源12以相反的方式与节点14断开。这意味着，这样减小通过负载13的电流，使得节点14上的电压等于次级能源12的开路电压U2或处于该电压U2周围的预定电压范围内。只要达到该状态时，就将开关组件16切换为截止。然后可重新调节负载，使得通过负载13的电流再次提高，其中，现在仅由初级能源11提供电流。
负载13的负载变化在实践中可这样快速地进行，使得车辆乘员不能感觉到该变化。所描述的转换过程可在少于100毫秒、尤其是甚至在少于10毫秒的时间段内进行。基于系统惯性，车辆乘员不能感觉到负载波动。
在上述说明中参考燃料电池和电池说明了能量供应网络。原则上也可使用其它能源。例如该方法可借助两个电池作为初级能源和次级能源来实施。所述电池在此选择性地可以是低电压电池或高电压电池。次级能源也可以是太阳能电池。相应电源选择性地可仅构造用于输出电流或用于输出和吸收电流(蓄电池)。在此必须使用匹配于电源的开关组件。
只要初级能源和次级能源具有在一个电压范围内重合的电压特性，该方法就能够实施。重合的电压范围越大，则运行中可用的功率谱就越大。
在所描述方法的一种未示出的变型方案中，该方法也可借助多于两个的电源来实现。在接通或断开相应次级能源时以上述方式进行所描述的负载变化。
当然，所提出的方法也可在车辆车载电网以外用在其它能量供应网络中。
附图标记列表
10 能量供应网络
11 初级能源
12 次级能源
13 负载
14 节点
15 第一可控开关组件
16 第二可控开关组件
17 中间电路
18 功率开关装置
19 第一测量装置
20 电流测量
21 电压测量
22 第二测量装置
23 电流测量
24 电压测量
25 消耗器
26 中间电路电容器
27 电流调节器
28 控制单元
29 用于能源耦合的控制单元

Claims (15)

1.用于将至少一个次级能源(12)耦合到能量供应网络(10)上的方法，在该能量供应网络上连接有负载(13)以及具有第一电压特性的初级能源(11)，其中，所述至少一个次级能源(12)具有相应的第二电压特性，该第二电压特性具有与第一电压特性重合的工作电压范围，并且初级能源(11)和所述至少一个次级能源(12)能通过功率开关装置连接到能量供应网络(10)的中间电路(17)的如下节点(14)上，在该节点上也连接有负载(13)，在所述方法中：
a)在接通相应的次级能源(12)之前调节由负载(13)获取的电流，使得在中间电路(17)的节点(14)上存在的电压等于要接通的次级能源(12)的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内；
b)在电压相等时或当节点(14)上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源(12)通过功率开关装置与节点(14)导电连接；并且
c)将负载所需的电流调节到相应值上，其中，由初级能源(11)和次级能源(12)向负载(13)馈电。
2.用于将至少一个次级能源(12)与能量供应网络(10)解耦的方法，在该能量供应网络上除了所述至少一个次级能源(12)外还连接有负载(13)以及具有第一电压特性的初级能源(11)，其中，所述至少一个次级能源(12)具有相应的第二电压特性，该第二电压特性具有与第一电压特性重合的工作电压范围，并且初级能源(11)和所述至少一个次级能源(12)通过功率开关装置连接在能量供应网络(10)的中间电路(17)的如下节点(14)上，在该节点上也连接有负载(13)，在所述方法中：
a)在断开相应的次级能源(12)之前调节由负载(13)获取的电流，使得在中间电路(17)的节点(14)上存在的电压等于要断开的次级能源(12)的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内；
b)在电压相等时或当节点(14)上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源(12)通过功率开关装置与节点(14)电分离；并且
c)将负载所需的电流调节到相应值上，其中，仅由初级能源(11)向负载(13)馈电。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述能量供应网络(10)是车辆车载电网。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，负载调节在短的时间段内进行，使得不能感觉到负载中断。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述负载调节在少于100毫秒的数量级内进行。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在初级能源(11)的接线柱上测量第一电压并且在所述至少一个次级能源(12)的接线柱上测量第二电压，其中，通过步骤a)中的负载调节将初级能源(11)的电压匹配于要接通的次级能源(12)的开路电压。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，负载调节通过影响负载(13)工作点来实现。
8.能量供应网络，所述能量供应网络包括：负载(13)、具有第一电压特性的初级能源(11)以及至少一个次级能源(12)，其中，所述至少一个次级能源(12)具有相应的第二电压特性，该第二电压特性具有与第一电压特性重合的工作电压范围，其中，初级能源(11)和所述至少一个次级能源(12)能通过功率开关装置连接到能量供应网络(10)的中间电路(17)的如下节点(14)上，在该节点上也连接有负载(13)，所述能量供应网络还包括用于调节由负载(13)获取的电流的单元，其中，该能量供应网络构造为：在接通相应的次级能源(12)之前调节由负载(13)获取的电流，使得在中间电路(17)的节点(14)上存在的电压等于要接通的次级能源(12)的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内；在电压相等时或当节点(14)上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源(12)通过功率开关装置与节点(14)导电连接；并且负载所需的电流被调节到相应值上，其中，由初级能源(11)和次级能源(12)向负载(13)馈电，和/或该能量供应网络构造为：在断开相应的次级能源(12)之前调节由负载(13)获取的电流，使得在中间电路(17)的节点(14)上存在的电压等于要断开的次级能源(12)的开路电压或处于该开路电压周围的预定电压范围内；在电压相等时或当节点(14)上存在的电压处于预定的电压范围内时，次级能源(12)通过功率开关装置与节点(14)电分离；并且负载所需的电流被调节到相应值上，其中，仅由初级能源(11)向负载(13)馈电。
9.根据权利要求8所述的能量供应网络，其特征在于，所述能量供应网络是车辆车载电网。
10.根据权利要求8所述的能量供应网络，其特征在于，功率开关组件包括分别配置给初级能源(11)和所述至少一个次级能源(12)的可控开关组件(15、16)。
11.根据权利要求8至10之一所述的能量供应网络，其特征在于，所述开关组件(15、16)分别包括至少一个半导体开关元件(S1、S2、S3)或接触器。
12.根据权利要求8至10之一所述的能量供应网络，其特征在于，所述初级能源(11)是燃料电池或可再充电的电池。
13.根据权利要求8至10之一所述的能量供应网络，其特征在于，所述次级能源(12)是可再充电的电池或太阳能模块或燃料电池。
14.根据权利要求8至10之一所述的能量供应网络，其特征在于，所述负载(13)是控制元件，在控制元件上连接有至少一个消耗器。
15.根据权利要求14所述的能量供应网络，其特征在于，所述控制元件是DC/DC变换器或AC/DC变换器。
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