CN105899406B - 用于控制车辆电网中多个电网之间电功率切换的控制单元及具有该控制单元的车用电网 - Google Patents

用于控制车辆电网中多个电网之间电功率切换的控制单元及具有该控制单元的车用电网 Download PDF

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Abstract

用于受控地连接车辆的多个电网支路的方法、用于实施该方法的控制单元以及车用电网。描述了控制单元(40)，用于在车辆的电网的第一电网支路、第二电网支路、第三电网支路和第四电网支路(10；11；20；30)之间的电功率切换。该控制单元(40)包括：第一切换设备、第二切换设备和第三切换设备(50)以及第一端子、第二端子、第三端子和第四端子(41；42；43；44)，所述第一端子、第二端子、第三端子和第四端子(41；42；43；44)被设立用于连接到第一电网支路、第二电网支路、第三电网支路和第四电网支路(10，20，30)。第一切换设备(50)连接在第一端子(41)与第四端子(44)之间，第二切换设备(51)连接在第四端子(44)与第三端子(43)之间，以及第三切换设备(52)连接在第二端子(42)与第三端子(43)之间。此外，描述了一种具有控制单元以及具有第一至第四电网支路的车用电网。

Description

用于控制车辆电网中多个电网之间电功率切换的控制单元及 具有该控制单元的车用电网
技术领域
本发明涉及车用电力供应技术领域，尤其涉及一种提供稳定电源的方法和控制单元。
背景技术
电网(Wiring systems, Bordnetz)被用于驱动机动车中的耗电部件(electricalconsuming units，又称为负载)。有些种类的耗电部件(诸如，电网电子装置或照明装置)对电压的压降(voltage drop-outs)或者尖峰(电压瞬间增加，voltage spikes)特别灵敏(particularly sensitive to)。当这类灵敏的耗电部件遭受压降或者尖峰，其功能至少会部分地发生损害。这时，会损害车辆运行和/或出现不期望的副作用，例如，机动车照明装置的短时变暗。
此外，特别是在现代车辆中存在动力/动态 (dynamic)的耗电部件，其运行可造成强烈的电压降落(heavy voltage drop-out)，例如起动/停止模块的起动电动机或者如在停车辅助系统(parking assistants)中被采用的电动转向装置的驱动部件。特别是，这些动力/动态耗电部件不仅在车辆的首次冷起动或在停车时被激活，而且在车辆运行期间也被激活。
在德国专利DE 10 2012 203 467 A1中描绘了一种具有多个子电网的电网拓扑结构(wiring system topology)，具有功能依赖于运行电压的其他类型的灵敏的负载，在对于相关负载而言无功能缺陷的情况下，运行电压在12-14伏特的负载可以是可变负载，只要在限制范围内。然而，可以发现有必要改进灵敏负载的设计，特别是在起动过程期间时。
因此，本发明的目的在于提供一种方法，以进一步改善车辆的电网中的电力供应。
发明内容
本发明目的通过独立权利要求的内容来解决。而且，说明书实施例还记载了从属权利要求的特征。
本发明提供了一种简单方法，其能够实现即使在具有高动态耗能(highlydynamic consumption, Verbrauchsdynamik)的耗电部件的情况下(特别是在起动过程中)也使电网稳定。本发明的方法适用于从静止状态的起动过程、所有行驶期间的起动过程、以及在车速大于20km/h时的起动过程。进一步地，能够提高在不同类型的起动过程中以及在恢复过程(Rekuperation)中的电压稳定性。进一步地，能够有效地运用现有的储能装置。相比现有技术，本发明提供的电网稳定性更稳健且更可靠，其中特别是避免了过载、例如电网支路中的至少一个另外的部件和/或其他储能装置过高的过充电或者运行温度。此外，可以减小由其运行可引起电网中的电压波动的耗电部件对感应耗电部件的干扰。
在这里所描述的行为方式的范围内设置，至少关于功能方面将车辆的电网拆开或者划分成多个电网支路(wiring system branches)。由于大而快的充电消耗(large andrapidly changing current consumption)会造成具有动态耗电部件的电网支路产生电压波动之外，因此可以设置与前述电压波动支路分隔开的电网支路以设置感应耗电部件(sensitive consuming units)。供给感应耗电部件的电压(即，分隔电网支路中的电压)比具有动态耗电部件的电网支路中的电压更稳定，这是因为本发明提供的电路拓扑结构可以将具有感应耗电部件的电网支路与其他电网支路(特别是，具有动态耗电部件的电网支路)至少存在部分解耦(partially decoupled)。特别是，具有感应耗电部件的电网支路可以通过与包括储能装置的电网支路耦合而有效获得支持，而其他具有动态耗电部件的电网支路由其他储能装置或者其他电源供给。本发明提供的控制单元用于控制多条电网支路之间的切换，并且用于控制具有感应耗电部件的电网支路与具有动态耗电部件和/或具有储能装置(或其他电源)的其他电网支路之间的耦合(coupling)或者去耦(decoupling,Abkopplung)。可以连接各电网支路，以便将动态耗电部件连接到电源或者储能装置上，并且以解耦方是将感应耗电部件与其他电源或者储能装置连接。此外，本发明还提供了一种电网，其中所提及的解耦通过这里所描述的控制单元来实现。
因而，描述了一种控制单元，用于控制车辆电网中的第一电网支路、第二电网支路、第三电网支路和第四电网支路之间的电功率切换。
控制单元包括第一切换设备、第二切换设备和第三切换设备。此外，控制单元包括第一端子、第二端子、第三端子和第四端子。这些端子用于连接电网支路，例如，这些端子可被设计为电插接接触部(electrical plug-in, Steckkontakt)或者旋接接触部(screwedcontact, Schraubkontakt)或者也可被设计为导通至相关电网支路(或者其至少一个部件)的线路段。
第一切换设备连接在第一端子与第四端子之间。第二切换设备连接在第四端子与第三端子之间。第三切换设备连接在第二端子与第三端子之间。特别地，这些切换设备是串联地连接在相关端子之间或连接相关端子。通过这三个切换设备(switching devices)可以控制四个电网支路之间的分离或者连接。因此，将切换设备设置在端子之间或以可控方式将端子连接起来。特别地，这些端子或切换设备处于正电压平面中，而(共同的)接地电势被设置为参考电势。得到的拓扑结构可以被视为五极网络，该五极网络包括四个端子和接地(或相对应的接地端子)。
第一切换设备可以具有二极管。该二极管与第一切换设备并联(connected inparallel with)。该二极管的导通方向(forward direction)从第一端子指向第四端子。可替选地或者可组合地，第二切换设备可以具有二极管。该二极管与第二切换设备并联(connected in parallel with)。最后提到的二极管的导通方向从第三端子指向第四端子。一个二极管将第一端子与第四端子连接，其中导通方向从第一端子指向第四端子。另一个二极管将第三端子与第四端子连接，其中其导通方向从第三端子指向第四端子。
该二极管可以是与切换设备并联的分立器件(discrete component)。当切换设备本身并不作为固有特征而具有这样的二极管，例如电机械开关、双极性晶体管、IGBT(绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，具有绝缘栅的双极性晶体管)或者场效应晶体管(特别是MOSFET)(其源极端子并不直接与晶体管的衬底连接)的形式的切换设备时，情况特别是如此。该二极管可以被设置在切换设备之内或者也可以被设置在切换设备之外，其中该二极管连接到相关的端子上。该二极管此外还可以被设置为衬底二极管(特别是被设置为反向二极管)，所述衬底二极管被设置在晶体管、特别是如MOSFET的场效应晶体管的衬底中。作为切换设备优选使用具有反向二极管作为并联的二极管的MOSFET(特别是n-MOSFET)，但其中，例如当在开关的使用寿命中预期(即根据应用)小于大约1百万次开关循环时，也可以使用电机械开关。
实施为MOSFET的切换设备(特别是第一切换设备)可以具有与第一端子连接的源极，并且可以具有与第四端子连接的漏极。另一实施为MOSFET的切换设备(特别是第二切换设备)可以具有与第三端子连接的源极，并且可以具有与第四端子连接的漏极。切换设备的漏极彼此连接，其中第四端子与其连接部位连接。MOSFET具有反向二极管，该反向二极管的导通方向指向第四端子。第三切换设备可以被设计为电机械开关或者被设计为半导体开关。与第三切换设备并联的二极管是可选的，并且必要时可以被略去。也可以布置两个二极管与第三切换设备并联。这些二极管可以反串联方式互相连接在一起。与第三切换设备并联的一个或者多个二极管的导通方向可以朝第三端子指向或者可以背离第三端子指向。
切换设备可以是电机械开关或者半导体开关。特别是，切换设备是场效应晶体管、双极性晶体管或者IGBT。控制单元的切换设备可以是不同的类型的或是相同类型的。切换设备的类型可以是前文提到的实施方案中的类型。特别是，第三切换设备可以被设计为电机械开关。第一切换设备和/或第二切换设备优选地被设计为半导体开关，特别是被设计为MOSFET，其中在具体实施形式中，第一和第二切换设备中的至少一个可以被设计为电机械开关。
控制单元可以配备有切换电路，该切换电路设定切换设备的切换状态。该切换电路与切换设备的控制输入端连接，用于设定切换设备的切换状态。该切换电路被设立为设定切换设备的如下切换状态中的至少一个：
(a)放电保护状态(discharge protection state)，在该放电保护状态中，第三切换设备是断开的(开路, open)，而第一切换设备和第二切换设备是断开的(开路, open)或者是闭合的(closed)。
在该状态中，连接到第二端子上的储能装置被保护以免深度放电(即以免欠压/降低电压)。此外，由此防止储能装置的进一步放电。
当例如在第二端子上的电压在预给定的限制条件之下或者充电状态(SOC，Stateof Charge)在预给定的限制条件之下时，设定该放电保护状态。为此，可以设置电压检测单元，该电压检测单元与第二端子连接，以便在那里确定相对于接地的电压。该电压检测单元与该切换电路连接，以便将相关的电压值传送给该切换电路。
(b)过压保护状态(overvoltage protection state)，在该过压保护状态中，第一切换设备、第二切换设备和第三切换设备是闭合的；或者在该过压保护状态中，第三切换设备是断开的，而第一切换设备和第二切换设备是闭合的。可替选地，在该状态中，第一切换设备和第三切换设备是断开的，而第二切换设备是闭合的。
在该状态中，连接在第二端子上的储能装置被保护以免过量充电(即以免过压)。此外由此防止对该储能装置进一步充电。此外，储能装置还通过将功率传输给其他端子来放电，特别是通过功率输出给第三端子(或者也给第一端子)来放电。
当第二端子上的电压在预给定的限制条件之上时，设定过压保护状态。为此，可以使用电压检测单元。此外，当在第三端子上的电压在预给定的限制条件之上时，设定过压保护状态。在这种情况下，第一切换设备和第三切换设备已断开(are opened)或者是断开的(are open)。
(c)载荷保护状态(loading protection state, Belastungsschutzzustand)，在载荷保护状态中，第一切换设备和/或第二切换设备是断开的。在该状态中，防止功率(或电荷)被传输给连接在第一端子上的储能装置。经此，减低了充电频度，由此延长了连接在第一端子上的储能装置的使用寿命。通过第一切换设备的切换状态可以限定何时给前面提到的存储器充电并且何时中断充电。
(d)充电状态(charging state)，在该充电状态中，第一切换设备是闭合的。经此，在状态(c)的意义下限制充电状态，其中仅在充电状态中可以充电并且在断开的第一切换设备(即不存在充电状态)的情况下，中断充电，以便通过减小数目的充电过程来保护储能装置(特别是连接到第一端子上的铅酸电池)。当充电指令由上级的控制单元(其与切换电路连接)输出时，设定充电状态。
(e)回收状态(recovery state)，在回收状态中，第一切换设备是断开的，而第二切换设备和第三切换设备是闭合的。在该状态中，功率可以从可连接有例如发电机(或者起动器发电机)的第三端子被传输给其他端子，例如被传输给第二或者第四端子。功率可以从第三端子被传输给负载或者被传输给储能装置，所述负载或者储能装置连接到第二或者第四端子上。在这种情况下，发电机(或起动器发电机)可以产生经由控制单元被传输给负载或者储能装置的电功率、例如被回收的功率。该功率典型地在3-5kW的范围中(在12V-14V的运行电压的情况下)或者(在40V或更大的运行电压的情况下)也直至8kW或者20kW(或者也更大)，以便产生用于车辆的制动力并且这样将车辆的动能转换为电功率。
当车辆在产生回收功率的情况下被制动时，特别是借助于连接到第三端子上的发电机被制动时，设定为回收状态。
(f)预定状态(default state)，在预设状态中，第一切换设备是断开的，而第二切换设备和第三切换设备是闭合的。
断开第一切换状态能够防止第二储能装置对第一储能装置进行放电，从而避免第一储能装置的充电电流发生中断。还能够实现在电网处于空闲状态中(即在缺省状态中,in the default state)时，由第二储能装置供电。
该状态可以在开车前设置，也可以在车辆关闭后设置。该状态对应于车辆的空闲模式(idling mode)。
(g)助推状态(boot state, Boostzustand)，在该助推状态中，第一切换设备是闭合的，第二切换设备是断开的并且第三切换设备是闭合的。
该状态能够实现将第二端子上的(或从储能装置连接到第二端子上的)电力传输给第三端子(特别是连接到第三端子上的电机，该电机可作为发动机工作、即助推发动机(Booster-Motor))。电功率可以被传输给助推发动机，从而使该助推发动机产生牵引力(traction power)。当附加的电驱动器被激活时，设定助推状态。附加的电驱动器被设计为助推发动机。
(h)首次起动状态，在该首次起动状态中，第一切换设备(50)是断开的，而第二切换设备和第三切换设备(51，52)是闭合的。
在这种情况下，功率(例如，来自连接到第二端子上的电池)从第二端子被传输给第三端子，特别是功率被传输给连接到第三端子上的起动器或者连接到第三端子上的起动器发电机或者连接到第三端子上的助推发动机，该助推发动机产生牵引力并且被用作电机。可替选地，第一储能装置可用于驱动起动器，因为第一储能装置和起动器都在相同的电网支路中(连接在第一端子上)。根据运行参数(例如，内燃机的温度)，可以实现提到的第一方案或者提到的替选方案。
可替选地，与第三端子相连的起动器发电机和第一端子上的起动器可以同时地或同步地实现内燃机的起动过程，为此目的，相应的切换设备被设置为闭合。
当车辆(特别是其内燃机)起动时，设定该状态。
(i)辅助起动状态(supplementary start state)，在辅助起动状态中，第二切换设备是闭合的，而第一切换设备和第三切换设备是闭合的。此外，这能够实现(与之无关地)将功率从第二端子传输给第四端子，例如，以便将功率从连接到第二端子上的储能装置传输给连接到第四端子上的感应耗电部件。
当车辆(特别是其内燃机)起动时，特别是在运动的车辆情况中，优选地在速度处于预定范围(例如，大约50km/h或者20km/h或者也为5km/h之下)的情况下，设定该状态。
在起动过程中，起动器可以从第一储能装置获得功率。作为该方案的变体，第三端子上的起动器可以用于起动。在这种情况下，起动器从第二储能装置获得功率。
(j)快速起动状态(fast-start state)，在快速起动状态中，第一切换设备、第二切换设备和第三切换设备(50-52)是闭合的。
这能够产生从第一端子和第二端子到第三端子的电流(flow of power)。经此，电力可以从连接到第一端子上的储能装置被传输给起动器或起动器发电机和/或助推发动机，以及电力从连接到第二端子上的(另一)储能装置被传输给起动器或起动器发电机和/或助推发动机，所述起动器或起动器发电机和/或助推发动机被连接到第三端子上。
当车辆运动(特别是以速度G运动)并且内燃机起动时，设定快速起动状态。速度G的限制大于辅助起动状态的限制，并且速度G为至少20km/h、50km/h、80km/h或者90km/h或者也为至少120km/h。另一限制是，当大于前面提到的限制时，优选地不实施起动程序。可替选地，快速起动状态也可以被设定为与速度G无关地。
特别是，通过检测第一储能装置和第二储能装置的充电状态、电压、最大可调用的电流或者内电导，以作为执行能力(degree of performance capacity,Leistungsfaehigkeitsmass))的参考。内电导特别是相关的储能装置的内电导，但也可以是相关的储能装置的内电导与其他部件(例如切换设备和/或电接触元件和/或电线路)之和。对于所提到的变量的至少一个，确定其是否在预先确定的限制条件之上、是否在预先确定的限制条件之下或者是否在预先确定的区间之外。如果情况如此，则使能快速起动状态，并且根据相对应的指令设定快速起动状态，或直接设定快速起动状态。所提到的变量可以由储能器状态检测单元(特别是与控制切换设备切换状态的切换电路连接的储能器状态检测单元) 来确定。储能器状态检测单元可以与至少一个电流传感器连接，所述电流传感器检测在控制单元中(特别是在端子上或者在储能装置上)流动的电流，和/或储能器状态检测单元可以与至少一个电压检测设备连接，所述电压检测设备检测在控制单元中的电压或者电势，特别是检测在储能装置之一上或在端子之一上的电压或者电势。
如果探测到第一储能装置和/或第二储能装置能够实施起动过程或提供起动的能量，可以将行驶车辆中的内燃机熄火(ausstellen)，其中当第一储能装置和/或第二储能装置不能实施起动过程或通过提供能量而被辅助时，则内燃机的熄火将被阻断。第一储能装置和/或第二储能装置是否能够实施或辅助起动过程要根据在前文中提到的变量来确定，特别是通过与预先确定的有关限制条件进行比较来确定。这在之前已确定储能装置能够用于重新起动内燃机时能够在车辆行驶的情况下实现将内燃机熄火并且滑行(即无驱动地缓慢行驶)。在重新起动时，特别是设定快速起动状态。首先，优选地仅仅使用储能装置中的一个(即第一储能装置或者第二储能装置)，以便为起动器(即该起动器优选地连接到第三端子上)供给。此外，特别是当已确定一个(或者两个)起动过程利用仅仅一个储能装置尝试不成功时，可以使用两个储能装置，以便共同执行起动过程。
优选地，控制单元具有储能器状态检测单元，该储能器状态检测单元与切换电路连接。此外，储能器状态检测单元还与电流传感器和/或电压检测设备连接，并且被配置用于确定储能装置中至少一个的性能程度，特别是根据电流传感器的数据或电压检测设备的数据来确定。储能器状态检测单元或者切换电路(switching arrangement)被配置特别用于在位于预给定的限制条件之上的性能程度的情况下，产生内燃机关断建议。切换电路设定辅助起动状态(i)或者快速起动状态(j)，优选地切换电路在获得内燃机接通指令(switch-on command)时进行前述设定。控制单元可选地包括用于连接到上级的发动机控制单元的输入端，该发动机控制单元产生内燃机关断指令(switch-off command)和内燃机接通指令(switch-on command)。此外，控制单元可选地提供输出端，该输出端能够输出内燃机关断建议(switch-off recommendation)，特别是关于上级的发动机控制单元的关断建议。此外，控制单元优选地具有速度输入端，控制单元通过该速度输入端可以获得车辆的速度数据。控制单元在激活(activating, Ansteuerung)所述状态(i)和(j)(或者其他状态)时可以设置附加的待满足条件，例如，该条件是速度在预给定的限制条件之上(或者在预给定的限制条件之下)。
为了产生关断建议而性能程度(degree of performance capacity)必须在其之上的限制条件优选地与车辆的速度有关，特别是该速度是来自速度输入端上的速度。速度越大，则限制条件越高，因为在较高的速度的情况下，内燃机的不成功的起动尝试比在低的速度的情况下更关键。可替选地或者与速度组合地，可以使用行驶路线的即将出现的下坡作为影响限制条件的变量。
性能程度反映了在储能装置中可调用能量量(quantity of energy)，特别是反映了可调用能量量对于何种数目的内燃机起动过程是足够的。前面提到的限制条件可以对应于如下能量量的整数倍：所述能量量由储能装置提供以用于执行起动过程，必要时加上预先确定的安全裕量(safety margin)。例如，当速度大于80km/h时，整数倍至少可以是4；当速度大于40km/h且不大于80km/h时，整数倍至少可以是3；潜在地，当速度在40km/h以下时，整数倍至少可以是2。作为上述速度值的替代，通常可以使用多个(即2、3或者更多)不同的速度区间(闭区间或者开区间)，其关联不同的正整数N，其中数目N对应于前面提到的多倍。
此外，控制单元可以具有活动输入端，在活动输入端上可以接收到反映内燃机的活动状态的信号。这里所描述的输入端和输出端可以是接口、特别是总线接口，并且特别是实体上集成为一个或者多个接口元件。
如果检测到由第一电网支路(或由第一端子)发出的在预先确定的限制条件之上的电流(特别是到第二或者第三电网支路或第二或第三端子)，或者如果测量到在第四端子上的在预先确定的限制条件之下的电压，则第二切换设备被断开。结果，连接有起动器或者起动器发电机的第三端子只不断地接收来自第二储能装置的功率，其中第一储能装置被去负荷并且可以通过第四端子为第四电网支路供给。第一切换设备在这种情况下保持闭合。如果在第四端子上连接有灵敏的负载或者感应耗电部件，则确保其供电并且避免电压降落，因为感应耗电部件因第二切换设备断开而与起动器(作为干扰性负载)去耦并作为第一储能装置形式自己(分离的)供给电压。
可以设置，当速度达到如上提到的那样限制条件速度之上时，起动过程由在第三电网支路中的起动器/发电机实施。为了给起动过程提供能量，可以使用第二储能装置。此外，为了能够不受干扰地给第四电网支路供电，可以断开第二切换装置，由此避免由起动过程引起的影响。由于从第二储能装置获取用于起动过程的能量，所以首先第二储能装置的性能程度(依据充电状态、端电压、老化状态、温度和/或内阻)被检验。如果性能程度足够(在预给定的限制条件之上)，那么第二开关被断开并且起动过程被执行。此外，要满足的性能程度越高，则车辆的速度越大。这保证了，利用第二储能装置特别是在高速度的情况下可以可靠地实施多于一个的起动过程(紧紧相随)。当第一(或者还有接着的)起动过程并未导致成功地起动内燃机时，出现紧紧相随的起动过程。第一储能装置的性能程度以相同的方式被检验，以便确保第一储能装置可以为第四电网支路供给，而第二切换装置是断开的。如果第二和/或第一储能装置的性能程度在此意义下并不足够，则没有输出内燃机关断建议被发出或内燃机并不熄火。因此，在性能程度过低的情况下没有得到具有关断的内燃机的前进状态。
要满足的性能程度越高，则车辆的速度越大。这保证了，特别是在高速度的情况下利用第二储能装置可以可靠地实施多于一个的起动过程(多个连续的启动过程)。当第一(或者还有接着的)起动过程并未导致成功地起动内燃机时，出现多个连续的起动过程。
另一可能性是，在两个端子之间并且特别是在端子与切换设备之间设置电流传感器。电流传感器可以具有与切换电路连接的输出端。可以设置电流传感器，该电流传感器连接在第一端子与第一切换设备之间。可替选地或者可组合地，在第三端子与第三切换设备之间可以连接电流传感器。可存在电流传感器的位置在图1中用X表征。
借助电流传感器例如可以监控电流路径和/或切换状态或切换设备。此外，可以监控储能装置，特别是监控其性能，例如依据充电状态、老化状态、温度、内阻和/或端电压来监控，以便例如确定性能程度。
也就是说，特别是针对滑行运行的性能的确定(在发动机关断的情况下)适用于第四电网支路的所有部件。这包括：电储能器、切换设备、接触部、电连接、线路、电机和控制单元本身。
此外，控制单元可以具有DC/DC转换器。该DC/DC转换器优选地连接在第一端子与第二端子之间。DC/DC转换器优选地是双向转换器。该DC/DC转换器可以辅助在第一端子与第二端子之间的功率交换，特别是以便将功率从所提到的端子中的一个传输给储能装置，该储能装置连接到所提到的端子的另一个上。利用DC/DC转换器可以给第一储能装置充电，特别是从第二储能装置来充电。此外，也可以将充电电流沿着相反的方向由DC/DC转换器来传输，特别是以便给第二储能装置预充电。优选地，在DC/DC转换器上游或者下游连接有至少一个电流传感器，特别是以便检测流经转换器的电流。
此外，描述了一种车用电网，其配备有如这里所描述的控制单元。借助于该控制单元可控地将车用电网的电网支路分离或连接。
车用电网包括第一电网支路、第二电网支路、第三电网支路和第四电网支路。第一电网支路与第一端子连接。第二电网支路与第二端子连接。第三电网支路与第三端子连接。第四电网支路与第四端子连接。在电网支路与相关的端子之间的连接可以是可松脱的或者不可松脱的电连接，例如一方面为插接或旋接连接而另一方面为焊接连接。
特别是为了连接第一储能装置，可以使用能够实现距其他部件的空间距离大于1米的线路。所述线路优选地由铝或者也由铜构成。
在第一电网支路中设置内燃机起动器，特别是小齿轮起动器。此外，在第一电网支路中，设置有例如为起动器电池形式的电储能装置。起动器电池特别是被实施为铅蓄电池(或者也被实施为锂离子蓄电池)。
此外，在第一电网支路中，设置有运行电压可变的至少一个耗电部件。如下耗电部件被视为运行电压可变的耗电部件：在其运行连续地或者暂时地没有被干扰的情况下，所述耗电部件的供给电压可以变化。例如，室内照明装置或者空调设备的电部件(或者车窗加热器)可以被供给可变的电压，其中尽管输出功率随着电压变化，但运行基本上不受变化的供给电压干扰。这样，运行电压可变的耗电部件由于可变的供给电压在运行中也可以具有(短时)停机(Aussetzer)，但所述停机对车辆的与安全有关的功能无影响。例如，如果室内照明装置或者空调设备短时(例如，在大约100ms、大约1s内或者在大约10s内)故障，则在故障之后驾驶员又可以在光学上被定向，而不会由于故障形成安全问题。空调设备或者车窗加热器是电能量的转换器，其输出变量具有积分特性(热或者冷大约随着时间积累)。运行电压可变的耗电部件因此也是电能量的转换器，其减少功率(Minderleistung)或者故障在一时间段中由于积分特征并未导致显著变化的输出变量(例如室内温度)。
在第二电网支路中，设置另一电储能器。该另一电储能器可被设计为锂蓄电池或者被设计为超级电容器装置，其中也考虑铅蓄电池。超级电容器装置配备有至少一个超级电容器(“Supercap”)。超级电容器装置可以包括一个或者多个超级电容器，其中在多个超级电容器的情况下这些超级电容器可以并联连接并且优选可以串联连接。此外，超级电容器装置可以包括DC/DC转换器，以便依据电容器电压产生偏离电容器电压的输出电压，以便至少部分地补偿电容器电压的降低。该转换器可以对应于这里所描述的转换器，其端子必要时必须被修改。
其他电储能器可以具有比在第一电网支路中的电储能器更小的储能量。此外，在第二电网支路中还可选地设置运行电压可变的至少一个耗电部件。在这方面所提到的运行电压可变的耗电部件被考虑作为第二电网中的运行电压可变的耗电部件(室内照明装置、空调设备的电部件、电加热器、车窗加热器等)。
在第三电网支路中设置运行电压可变的至少一个耗电部件，例如空调设备的电部件或者车辆室内照明装置或者其他运行电压可变的耗电部件如这里所描述的那样，例如可以在第二电网支路中存在的类型的运行电压可变的耗电部件。此外在第三电网支路中设置(电机械)发电机。该发电机可以为照明发电机或者起动器发电机形式，或者通常可以是产生例如牵引力的电机，例如以便辅助驱动装置或者使车辆运动，特别是为助推发动机形式。
起动器或者起动器发电机也可以被视为运行电压可变的耗电部件，因为所述起动器或者起动器发电机即使在电压降落(直至标称运行电压的-60%、-30%或者-20%)的情况下也可以实施其功能。标称运行电压特别是可以为12伏特或者14伏特。
在第四电网支路中，耗电部件被设置有最小运行电压。该耗电部件也被视为灵敏的负载或者感应耗电部件。该耗电部件例如是(附加的)电动转向装置或转向增强装置、车辆照明装置、驾驶舱显示装置或者驾驶舱照明装置、内燃机控制装置或者车载电子装置。感应耗电部件实施车辆中的与安全或者运行有关的功能，所述与安全或者运行有关的功能涉及行驶、制动、转向以及(向外)用信号通知，也就是实施为了车辆的符合规定的运行(在主检验的意义下的交通工具的规则性或在德国StVZO(道路交通规则)第29章节中的安全测试方面)所需的功能，以及还有驾驶员辅助系统。例如发动机控制电子装置是具有最小运行电压的耗电部件，因为电压降落可导致对于车辆的安全运行所需的发动机控制功能至少暂时故障或者误操作。而室内照明装置在电压降落时尽管在功能方面被减小，但发光强度的减小并不与安全有关。必要时，当由于电压降落而暂时中断运行时(如在如音乐设备、导航设备等的娱乐电子装置中)，实现舒适功能的耗电部件也可以被视为感应耗电部件。
第二电网支路的储能装置可以是短时储能器，其容量明显小于第一电网的储能装置的容量，例如为第一电网支路的储能装置的容量的至少1/2、1/10或者1/20或者特别优选地为至少1/50或者1/100。第二电网支路的储能装置可以是超级电容器装置或者是锂或者NiMH蓄电池，其中在小范围内也可以使用铅蓄电池。第一电网支路的储能装置可以是铅或者NiMH蓄电池。在使用超级电容器装置的情况下，超级电容器装置优选地有为至少50F、300F、500F、1000F、优选地为至少5000F、10000F或者12000F的电容。
这里所描述的控制单元特别是可以被设置用于在60伏特之下的电压，例如用于具有12伏特、14伏特、24伏特或者48伏特作为标称电压的电网支路。
第一(或者还有第三)电网支路中的耗电部件、即具体而言为内燃机的起动器或者起动器/发电机此外还可以是电机(用于产生牵引力和/或用于回收)或者电驱动装置，该电驱动装置特别是要求大于50安培、100安培、200安培、500安培或者1000安培以运行，例如是电动转向装置。
附图说明
图1是具有根据本发明的控制单元的实施形式的车用电网的示意图。
具体实施方式
图1是车用电网的示意图，该车用电网具有第一电网支路10、第二电网支路20、第三电网支路30和第四电网支路11。电网支路10、20、30和11借助控制单元40彼此连接。第一电网支路10包括(运行电压可变的)耗电部件12或起动器耗电部件12'以及例如为铅酸蓄电池形式的第一电储能装置14。第一电储能装置14被用作起动器电池。耗电部件12或12'是适合于在电网中产生电压降落的具有高电流要求的电耗电部件。耗电部件12'被设计为用于内燃机的起动电动机，特别是被设计为皮带起动器(Riemenstarter)或者小齿轮起动器。
在第二电网支路中，设置为例如被设计为锂蓄电池的第二储能装置22。可替选地，超级电容器装置可以作为第二储能装置22。在第二电网支路20内的耗电部件24是可选的部件。耗电部件24例如可以被实现为数据控制装置或者状态监控装置，所述数据控制装置或者状态监控装置与第二储能装置22关联，以便监控、控制或者调节第二储能装置22的至少一个运行参数、例如充电状态。
第三电网30包括发电机32(例如照明发电机(Lichtmaschine)或者起动器/发电机或者电机，特别是用于将电功率转换成牵引力或相反地用于回收)以及耗电部件34。用附图标记32特别是标明助推发动机，所述助推发动机产生牵引力和被设计为电机。
耗电部件34对应于运行电压可变的耗电部件。
控制单元40与第一电网支路10、第二电网支路20、第三电网支路30和第四电网支路11连接。特别是，控制单元将这四个电网彼此连接。控制单元在这种情况下将供给电势、即这四个电网支路的正供给电势受控地彼此连接。这些电网支路在如在图1中所示的拓扑结构中有共同的其他供给电势、即接地。为了将这些电网支路10、20、30、11连接到控制单元40，控制单元包括第一端子41、第二端子42、第三端子43和第四端子44。第一端子41被设立用于与第一电网支路10连接，第二端子42被设立用于与第二电网支路20连接，第三端子43被设立用于与第三电网支路30连接并且第四端子44被设立用于与第四电网支路11连接。
四个被设置为功率端子的端子41-44被实施为电接触部，例如被实施为插接接触部和/或旋接接触部，并且特别是基于其横截面和材料被设立为传输为至少50安培、特别是至少100安培并且优选地为至少200安培或者至少600或者1000安培的电流强度。
控制单元40包括第一切换设备50、第二切换设备51和第三切换设备52。第一切换设备、第二切换设备和第三切换设备分别被设计为MOSFET(n-MOSFET)。可替选地，第三切换设备52被设计为电机械的可控开关，例如被设计为继电器(功率继电器)或者接触器(Schuetz)。在第一切换设备50中，此外还绘出了二极管50'，该二极管50'特别是被设计为衬底二极管(优选地被设计为反向二极管)。二极管50'被示出，以便允许从第一电网支路10到第四电网支路11的可能的电流流动，当在第三电网支路30中的电压(在考虑到相关的二极管的导通电压的情况下)相对应地小于在第一电网支路10中的电压(并且第二切换设备51是闭合的)时，该电流流动在没有操控切换设备50的情况下(或在断开的切换状态下)也进行。与第二切换设备51并联地也设置二极管51'，所述二极管51'的导通方向从第三端子43通向第四端子44。通过这些二极管，也在没有操控切换设备51的情况下(或在断开的切换状态下)，电流从第二端子42流向第四端子44。为此，切换设备50应是断开的。
因而当第四电网支路11中的电压小于第一电网支路10中的电压时，第四电网支路11由第一电网支路10的电压(即由第一储能装置14)供电，而与第一切换设备50的切换状态无关。当第四电网支路11中的电压小于第三电网支路30中的电压时，第四电网支路11由第三电网支路10的电压(即由其第二储能装置22)供电，而与第二切换设备51的切换状态无关。相反的流动方向只在切换设备50或51闭合时是可能的。第三切换设备52可开关地将第二端子与第三端子连接。结果，在第四电网支路11的第三切换设备52闭合时，电流可以从第二电网支路20获得。在第四电网支路11中，耗电部件15被设置有最小运行电压。
呈分立二极管形式的二极管可以与第三切换设备52并联，或者衬底二极管(特别是反向二极管)可以与第三切换设备并行地起作用。在最后提到的情况下，第三切换设备是具有反向二极管的MOSFET(特别是n-MOSFET)。与第三切换设备52并行的二极管有从第二端子42指向第三端子43的导通方向。结果，也在没有操控第三切换设备52的情况下(或在断开的切换状态下)，电流可以从第二电网支路流入第三电网支路。
可选的DC-DC转换器70将第一端子与第二端子以双向方式(bidirectionalmanner)连接，使得在高电压电平时或者在能量过剩时(或在高充电状态下)在第二电网支路20中电流可以从第二电网支路20经由DC-DC转换器流出。此外，当第二电网支路20具有小的电压电平时，电流可以在相反的方向上流动。如下电压称作高电压电平：该电压在预给定的上限制条件之上，例如第二储能装置22的最大电压。如下电压称作小的电压电平：所述电压在第二储能装置22的预给定的下限制条件之下。DC-DC转换器具有控制输入端80。
切换设备50-52分别包括与切换电路60连接的控制输入端、特别是栅极端子。切换电路60控制第一、第二和第三切换设备50、51和52的电路状态。
在图1中所示的为五极形式的拓扑结构具有极A-E。极A处于控制单元40到第一电网支路10的过渡部上。极C处于控制单元40到第二电网支路20或到第二储能装置22的正端子的过渡部上。极B处于控制单元40到第三电网支路30的过渡部上。极D被设置为电网支路10、20、30和11的接地端子。极E处于控制单元40到第四电网支路11的过渡部上。
电流传感器被设置在如下部位上：所述部位用十字形记号表征，以便检测在那里流动的电流。此外，可以设置电压检测设备(为了更好的概览而未示出)，所述电压检测设备与至少一个车载电压电网的(正)端子连接。优选地，所有电网支路与这样的电压检测设备连接。电压检测设备和电流传感器有与切换电路60的信号输入端连接的输出端。切换电路60被设立为处理相关的信号并且依据所述信号控制切换设备50-52。电压检测设备可以具有A/D 转换器，所述A/D转换器被设置在切换电路60中。A/D转换器经由信号线路与电网支路的相关的(正)接触部位连接，以便检测其相对于接地的电势或者差动地检测其电势。电流传感器可以被接在第二切换设备和第三端子之间、在第三切换设备与第三端子之间以及在一方面为第二和第三切换设备与另一方面为第三端子之间。
参考符合列表
10、20、30、11　 第一至第四电网支路
12　 　运行电压可变的耗电部件(可选地)
12'　　 耗电部件(起动电动机或者起动器(例如小齿轮起动器))
14　 第一储能装置
22　　 第二储能装置
24、34　 　运行电压可变的耗电部件
32　　 起动器或起动器/发电机或具有助推发动机的起动器/发电机
40　 　控制单元
41-44　　 第一至第四端子
50-52　　 第一至第三切换设备
50'、51'　　 二极管
60　　 切换电路
70　　 DC/DC转换器
80　　 数据输入端
A-E　 　极
X　　 电流传感器的示例性部位

Claims (13)

1.用于控制车辆电网中第一电网支路(10)、第二电网支路(20)、第三电网支路(30)和第四电网支路(11) 之间的电功率切换的控制单元(40)，其包括：
第一切换设备(50)，
第二切换设备(51)，
第三切换设备(52)，
第一端子(41)、第二端子(42)、第三端子(43)和第四端子(44) ，被配置分别连接第一电网支路(10)、第二电网支路(20)、第三电网支路(30)和第四电网支路(11) ，其中
第一切换设备(50)被连接在第一端子(41)与第四端子(44)之间，
第二切换设备(51)被连接在第四端子(44)与第三端子(43)之间，
第三切换设备(52)被连接在第二端子(42)与第三端子(43)之间，以及
切换电路(60)，所述切换电路(60)与所述第一切换设备(50)、第二切换设备(51)和第三切换设备(52)的控制输入端连接，用于设定所述第一切换设备(50)、第二切换设备(51)和第三切换设备(52)的切换状态，其中所述切换电路(60)被设立为设定所述第一切换设备(50)、第二切换设备(51)和第三切换设备(52)的如下切换状态中的至少一个：
(a)放电保护状态，在所述放电保护状态中，第三切换设备(52)是断开的，而所述第一切换设备(50)和第二切换设备(51)是断开的或者是闭合的；
(b)过压保护状态，在所述过压保护状态中，所述第一切换设备(50)、所述第二切换设备(51)和所述第三切换设备(52)是闭合的，或者在所述过压保护状态中，所述第三切换设备(52)是断开的，而所述第一切换设备(50)和所述第二切换设备(51)是闭合的，或者在所述过压保护状态中，所述第一切换设备(50)和所述第三切换设备(52)是断开的，而所述第二切换设备(51)是闭合的；
(c)载荷保护状态，在所述载荷保护状态中，所述第一切换设备（50）和/或所述第二切换设备(51)是断开的，
(d)充电状态，在所述充电状态中，
所述第一切换设备(50)和所述第三切换设备(52)是闭合的，或者
在所述充电状态中，所述第一切换设备(50)是断开的，而所述第二切换设备(51)和所述第三切换设备(52)是闭合的，或者
在所述充电状态中，所述第一切换设备(50)和所述第二切换设备(51)是闭合的，而所述第三切换设备(52)是断开的，或者
在所述充电状态中，所述第一切换设备(50)、所述第二切换设备(51)和所述第三切换设备(52)是闭合的；
(e)回收状态，在所述回收状态中，所述第一切换设备(50)是断开的，而所述第二切换设备(51)和所述第三切换设备(52)是闭合的；
(f)预定状态，在所述预定状态中，所述第一切换设备(50)是断开的，而所述第二切换设备(51)和所述第三切换设备(52)是闭合的；
(g)助推状态，在所述助推状态中，所述第一切换设备(50)是闭合的，所述第二切换设备(51)是断开的并且所述第三切换设备(52)是闭合的；
(h)首次起动状态，在所述首次起动状态中，所述第一切换设备(50)是断开的，而所述第二切换设备(51)和所述第三切换设备(52)是闭合的；
(i)辅助起动状态，在所述辅助起动状态中，所述第二切换设备(51)是闭合的，而所述第一切换设备(50)和所述第三切换设备(52)是闭合的；以及
(j)快速起动状态，在所述快速起动状态中，所述第一切换设备(50)、所述第二切换设备(51)和所述第三切换设备(52)是闭合的。
2.根据权利要求1所述的控制单元(40)，其中，第一切换设备(50)具有二极管(50')，所述二极管(50')与第一切换设备(50)并联，并且所述二极管(50')的导通方向从第一端子(41)指向第四端子(42)；和/或其中第二切换设备(51)具有另外的二极管(51')，所述另外的二极管(51')与第二切换设备(51)并联，并且所述二极管(51')的导通方向从第三端子(43)指向第四端子(44)。
3.根据权利要求1所述的控制单元(40)，其中，所述切换设备是电机械开关或者半导体开关。
4.根据权利要求1所述的控制单元(40)，其中，所述切换设备是场效应管、双极性晶体管或者IGBT。
5.根据权利要求1所述的控制单元(40)，其还具有储能器状态检测单元和储能装置，所述储能器状态检测单元与切换电路(60)连接并且所述储能器状态检测单元与电流传感器和/或电压检测设备连接，以便确定所述储能装置中的至少一个的性能程度，其中所述储能器状态检测单元或者所述切换电路(60)被配置为，当性能程度在预给定的限制条件之上时产生发动机关断建议，其中所述切换电路(60)被配置为，在获得发动机接通指令时，通过能够连接到上级的发动机控制单元的输入端设定辅助起动状态(i)或者快速起动状态(j)。
6.根据权利要求5所述的控制单元(40)，其中，所述控制单元还具有速度输入端，其中，来自速度输入端的第一速度值的限制条件小于第二速度值的限制条件，第二速度值大于第一速度值。
7.根据权利要求1至6任一项所述的控制单元(40)，其还具有在所述第一端子(41)与所述第一切换设备(50)之间的电流传感器和/或在所述第三端子(43)与所述第三切换设备(52)之间的电流传感器。
8.根据权利要求1至6任一项所述的控制单元(40)，其还具有DC/DC转换器(70)，所述DC/DC转换器(70)连接在所述第一端子(41)与所述第二端子(42)之间，其中在所述DC/DC转换器(70)的上游或者下游连接有电流传感器，以便检测通过转换器DC/DC转换器的电流。
9.车用电网，其具有根据权利要求1至8任一项所述的控制单元(40)，其还包括：
- 第一电网支路(10)，其连接至第一端子(41)；
- 第二电网支路(20)，其连接至第二端子(42)；
- 第三电网支路(30)，其连接至第三端子(43)；以及
- 第四电网支路(11)，其连接至第四端子(44)；其中，
在所述第一电网支路(10)中，设置发动机起动器(12')和起动器电池，
在第二电网支路(20)中，设置有为锂蓄电池或者超级电容器装置形式的另一电储能器(22)；
在第三电网支路(30)中，设置有为照明发电机或者起动器发电机形式的发电机(32)，以及设置有运行电压可变的至少一个耗电部件，以及
在第四电网支路(11)中，具有带有最小运行电压的耗电部件(15)。
10.根据权利要求9所述的车用电网，其中，所述起动器电池是铅蓄电池形式的电储能器。
11.根据权利要求9所述的车用电网，其中，在第二电网支路(20)中，还设置有运行电压可变的至少一个耗电部件。
12.根据权利要求9所述的车用电网，其中，在第三电网支路(30)中的耗电部件为空调设备的电部件或者车辆内部照明装置。
13.根据权利要求9所述的车用电网，其中，在第四电网支路(11)中的所述耗电部件(15)为电动转向装置、车辆照明装置、发动机控制装置或者车载电子装置。
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