CN105916726B - 用于使车载电网运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使机动车的车载电网（1）运行的方法，其中所述车载电网（1）具有：低压子网（21），其具有至少一个低压耗电器（29）和起动器（26）；和高压子网（20），其具有至少一个高压耗电器（25）和发电机（23），其中所述高压子网（20）通过耦合单元（33）与低压子网（21）相连，所述耦合单元（33）被设立为从高压子网（20）汲取能量并且将该能量输送给低压子网（21），其中所述高压子网（20）具有如下电池组（40），所述电池组（40）被设立为产生高压并且将该高压发出给高压子网（20），而且所述电池组（40）具有至少两个带有被导向耦合单元（33）的线路段（80‑11、80‑12、…、80‑n2）的电池组单元（41‑1、41‑2、…41‑n）。在此，所述耦合单元（33）被设立为选择性地将所述电池组单元（41‑1、41‑2、…41‑n）接入给低压子网（21）。本发明也涉及一种具有内燃机和这样的车载电网（1）的机动车。

Description

用于使车载电网运行的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使机动车的车载电网运行的方法和一种具有这样的车载电网的机动车。
背景技术
在具有内燃机的机动车中，按标准用12伏特来运行的车载电网被设置用于给针对内燃机以及机动车的其它的电设备的电起动器（Starter）进行供应。在起动内燃机时，如果例如通过相对应的起动器信号使开关闭合，那么电压通过车载电网被起动器电池组提供给使内燃机起动的起动器。如果内燃机被起动，那么该内燃机驱动发电机，接着所述发电机产生为大约12伏特的电压并且通过车载电网将该电压提供给机动车中的不同的耗电器。在此，该发电机也重新给由于起动过程而被加载荷的起动器电池组充电。如果该电池组通过车载电网被充电，那么实际电压可在标称电压之上，例如为14V或者为14.4V。
公知的是：在电动车辆和混合动力车辆中使用具有为48V的标称电压的另一车载电网。
US 7,193,392表明了如下电池组包：如果所述电池组包在制动过程期间通过HEV发动机或者通过机动车的动能和势能被驱动为发电机，那么所述电池组包可从HEV发动机获得电荷。为了将单个的电池组电池（Batteriezelle）以电子的方式耦合到补偿转换器（Ausgleichskonverter）上，控制单元将能量提供给一对双向开关。该对开关被用于选择性地给各个电池组电池充电和放电。
US 6,909,201表明了用于机动车的车载电网的可转接的电压供应架构，其中只采用一种电池组配置，以便减小结构空间、成本和复杂度。如果给低压电网供应电流，则双向DC/DC转换器作为降压变压器起作用，而在另一运行模式下，如果给高压电网供应电流，则该双向DC/DC转换器也可作为升压变压器起作用。
US 8,129,952公开了一种具有变换电路和多个主终端（Hauptterminal）的电池组系统，所述多个主终端被配置为使得它们与充电单元、充电设备和多个可再充电的、彼此串联的、可再充电的电池组模块相连，所述电池组模块处于所述主终端之间。该电池组系统具有转接电路，所述转接电路被构建为使得所述电池组模块中的第一电池组模块被耦合到转接电路的输入端上。此外，所述模块还与补偿开关电路相连，其中该补偿开关电路被配置为使得该补偿开关电路由所述可再充电的电池组模块中的第一电池组模块来供应电能。
发明内容
本发明提供了一种用于使机动车的车载电网运行的方法，其中所述车载电网具有：带有至少一个低压耗电器和起动器的低压子网和带有至少一个高压耗电器和发电机的高压子网，其中该高压子网通过耦合单元与低压子网相连，所述耦合单元被设立为：从高压子网汲取能量并且将该能量输送给低压子网，其中该高压子网具有如下电池组：所述电池组被设立为产生高压并且将所述高压发出给高压子网；而且该高压子网具有带有被导向耦合单元的线路段的至少两个电池组单元，其中该耦合单元被设立为选择性地将电池组单元接入（zuschalten）给低压子网。在此设置：关于高压子网和/或关于低压子网无中断地进行如下转接过程，在所述转接过程中更换被接入给低压子网的电池组单元。
换句话说，在给高压子网的供应不中断的情况下和/或在给低压子网的供应不中断的情况下，将对于低压子网要排除的（wegzuschaltend）第一电池组单元转接到要接入给低压子网的第二电池组单元。
本发明有如下优点：可通过低压子网使根据低的第一电压来设计的耗电器运行，而针对高功率耗电器准备着高压子网、也就是说具有相对于第一电压被提高的电压的子网。低压子网的供应被叠加给高压子网中的充电和放电过程。在此，单向地进行通过高压子网的低压子网供应、也就是说耦合单元优选地只在一个方向上提供能量传输。
该车载电网不仅可在静止的应用中（例如在风力发电设施中）而且可以在机动车中（例如在混合动力车辆和电动车辆中）投入使用。尤其是可以在具有起动－停止系统（Start-Stopp-Systeme）的机动车中采用该车载电网。
所介绍的系统、也就是说车载电网和所属的控制设备（例如电池组管理系统）尤其是适合于在具有48伏特发电机和14伏特起动器的机动车中使用，其中该14伏特起动器优选地被设计用于起动/停止系统。在本公开内容的范畴下，具有12V或14V电压的车载电网被称作低压车载电网。具有为48V的标称电压的车载电网也被称作高压车载电网。
所介绍的系统尤其是适合于在如下机动车中使用，所述机动车具有用于辅助加速（boost（助推））和回收（recuperation）制动能量的系统（回收助推系统，BRS（Boost-Rekuperationssystem））。在回收助推系统中，在制动过程中、在下坡行驶时或者在滑翔运行（Segelbetrieb）时获得电能，以便由此来供应耗电器。该回收助推系统提高了系统的效率，使得可以节省燃料或可以减少排放。在此，高压子网中的电池组可以辅助内燃机，这被称作所谓的助推，或者所述高压子网中的电池组可以在低速时、例如在停车场停放和退出停车场（Ein- und Ausparken）时针对短的路段被用于纯电动行驶。
在本描述中，术语“电池组”和“电池组单元”与常见的语言惯用法适配地被用于蓄电池或蓄电池单元。该电池组包括可标明电池组电池、电池组模块、模块支路或者电池组包的一个或者多个电池组单元。在此，所述电池组电池优选地在空间上被合并而且以电路技术方式彼此相连、例如串行地或者并行地被接线成模块。多个模块可形成所谓的电池组直接转换器（BDC，battery direct converter），而多个电池组直接转换器可形成电池组直接逆变器（BDI，battery direct inverter）。
有利的是：可选择性地接入的电池组单元分别被设计用于提供低压。因此，例如为了辅助起动－停止系统，所述电池组单元可交替地被要求来提供低压，这导致电池组单元的使用寿命提高。
因为起动器被布置在低压子网中，所以该低压子网满足针对起动过程的要求、尤其是也满足针对冷起动过程的要求。在此，起动电流很大部分可由电池组来提供，例如超过50％、超过80％或者100％由电池组来提供。
根据优选的实施形式，耦合单元具有至少一个有反向截止能力的开关。优选地，所述有反向截止能力的开关适合于将可选择性地接入的电池组单元接入到低压子网或者排除所述可选择性地接入的电池组单元。所述开关具有如下特性：所述开关在状态“接通”下能够实现只在一个方向上的通过电流，而在状态“关断”下可接受两种极性的截止电压。
根据优选的实施形式，耦合单元具有至少一个有正向截止能力的开关。优选地，所述有正向截止能力的开关适合于将可选择性地接入的电池组单元彼此串联。
根据优选的实施形式，耦合单元被设立为将关于低压子网的至少两个电池组单元彼此并联。经此能够实现：在所述两个电池组单元的充电状态有强烈的偏差时，实现从具有较高的充电状态或提供较高的电压的那个电池组单元来供应低压子网。在所述电池组单元的充电状态相同或者相似时，从两个电池组单元来供应低压子网。
根据优选的实施形式，耦合单元被设立为将关于高压子网的至少两个电池组单元串联、也就是说彼此连接成一排。
附加地可以设置：低压子网具有至少一个第二蓄能器，所述至少一个第二蓄能器被优化用于以高功率来提供电能。特别优选的是例如基于双层电容器、尤其是所谓的超级电容器（supercapacitor）的电容器系统。尤其是在低温的情况下，借助于提供高电流的所述第二蓄能器给电池组卸载荷。借此，尤其是在锂离子电池组的情况下提供了决定性的优点。由于与在低压子网中采用第二蓄能器（在制造技术上和在成本技术上）联系在一起的花费，该系统优选地适合于在具有大的内燃机的机动车中采用，其中很高的冷起动功率是必要的。优选地，采用直接针对起动要求而优化地被设计的第二蓄能器，以便即使在高数目的冷起动或很大数目的起动/停止过程的情况下也确保总系统长的使用寿命、例如在10年的范围内或者更长的使用寿命。
优选地，车载电网具有用于控制耦合单元以切换电池组单元的控制设备。该控制设备例如可以是被分配给电池组的电池组管理系统，所述电池组管理系统例如包括其它的功能性的单元，所述其它的功能性的单元被设立为检测、处理关于电池组或电池组单元的温度、所提供的电压、所发出的电流和充电状态的测量数据，并且借助于这些参量来实现提高电池组系统的使用寿命、可靠性和安全性的管理功能。
用于控制耦合单元的控制设备可具有计算机程序，所述计算机程序可被存储在机器可读的存储介质上，比方说被存储在永久的或者可改写的存储介质上，或者与计算机装置相关联地例如被存储在便携式存储器（如CD-ROM、DVD、蓝光盘（Blu-ray Disk）、USB存储设备或者存储卡）上。附加地而且替换于此地，例如通过数据网络（如因特网）或者通信连接（诸如电话线路或者无线连接），该计算机程序还可以在计算机装置上、诸如在服务器（Server）或者云服务器（Cloud-Server）上被提供用于下载。
为了无中断地供应低压子网，优选地在实施如下步骤的情况下实现在被接入给低压子网的第一电池组单元到要接入给低压子网的第二电池组单元上之间的更换：
a)将在被接入的第一电池组单元与要接入的第二电池组单元之间的线路分开，
b)将要接入的第二电池组单元接入到低压子网，
c)从低压子网切断被接入的第一电池组单元，并且
d)将在从低压子网切断的第一电池组单元与被接入给低压子网的第二电池组单元之间的线路相连。
在此，优选地有延迟地、也就是说不同时地执行步骤b)和c)。
因此，有利地，在所有的转接过程中，从至少一个电池组单元来供应低压子网。经此，在没有附加的缓冲装置的情况下也可以避免低压子网中的电压扰动。此外，电池组在转接过程期间还作为蓄能器被提供给高压子网。在此，电压可短期地在标称值之下，然而在两个方向上的能量流、也就是说电池组的充电和放电是可能的。
优选地设置：在步骤a)中将在被接入的第一电池组单元与要接入的第二电池组单元之间的线路分开时，操纵至少一个有正向截止能力的开关。同样优选地设置：在将在从低压子网切断的第一电池组单元与被接入给低压子网的第二电池组单元之间的线路相连时操纵至少一个有正向截止能力的开关。
在步骤b)中将要接入的第二电池组单元接入时，优选地操纵至少一个有反向截止能力的开关、特别优选地操纵两个有反向截止能力的开关。在步骤c)中切断被接入的第一电池组单元时，同样优选地操纵至少一个有反向截止能力的开关、特别优选地操纵两个有反向截止能力的开关。
根据优选的实施形式，在步骤b)中将要接入的第二电池组单元接入到低压子网之后并且在步骤c)中从低压子网切断被接入的第一电池组单元之前，被接入的第一电池组单元与要接入的第二电池组单元关于低压子网并联。
根据优选的实施形式，被接入的第一电池组单元与要接入的第二电池组单元在它们之间有相连的线路的情况下关于高压子网串联。此外优选地，被切断的第一电池组单元与被接入的第二电池组单元还在它们之间有相连的线路的情况下关于高压子网串联。
为了在实施步骤a)、b)、c)和d)时无中断地供应低压子网，按照一实施形式设置：在步骤a)中将电池组单元之间的所有线路分开，而在步骤d)中将电池组单元之间的所有线路相连。在此，可在两个任意的电池组单元之间进行更换。
按照其中在相邻的电池组单元之间进行更换的可替换的实施形式设置：与在步骤a)中将相邻的电池组单元之间的线路分开同时地操纵用于在步骤b)中接入要接入的第二电池组单元的有反向截止能力的开关，使得要接入的第二电池组单元的正极电地高欧姆地被连接。为了在步骤b)中接入要接入的第二电池组单元而有延迟地操纵另一有反向截止能力的开关，使得相邻的电池组单元并联。此后，优选地在另一延迟之后，在步骤c)中从低压子网切断被接入的第一电池组单元。在不相邻的电池组单元之间的更换需要多个中间转接过程，其中所述中间转接过程在相邻的电池组单元之间进行。
为了无中断地供应高压子网，优选地在相继实施如下步骤的情况下实现在被接入给低压子网的第一电池组单元到要接入给低压子网的第二电池组单元上之间的更换：
e)从低压子网切断被接入的第一电池组单元，
f)将要接入的第二电池组单元接入到低压子网。
在此，有延迟地、也就是说不同时地执行步骤e)和f)。
在步骤e)中切断被接入的第一电池组单元时，优选地操纵至少一个有反向截止能力的开关，特别优选地操纵两个有反向截止能力的开关。在步骤f)中接入要接入的第二电池组单元时，优选地操纵至少一个有反向截止能力的开关，特别优选地操纵两个有反向截止能力的开关。
在具有高压子网的无中断的供应的实施形式中，优选地设置：低压子网具有电压缓冲装置或者高性能蓄能器（Hochleistungsenergiespeicher），以便在耦合单元中的转接过程中给低压子网供应电流，使得在低压子网中不出现不容许地高的电压扰动。如果采用高性能蓄能器，那么所述高性能蓄能器可以在耦合单元的持续时间短的转接过程中毫无问题地缓冲低压子网中的电压。如果电容器被用作电压缓冲装置，那么该电容器优选地如下被确定尺寸：
，其中
是应该在转接过程期间在低压子网中流动的最大车载电网电流，是在其期间没有电池组单元针对供应而准备好的持续时间，而是车载电网电压在转接过程期间的最大容许的改变。因此，该电容器适合作为电的电荷存储器，所述电的电荷存储器被设立为至少短期地产生低压并且将所述低压发出给低压子网。
此外，根据具有高压子网的无中断的供应的实施形式，优选地确定低压子网的电流强度，并且如果该电流强度在所限定的阈值之下，那么实施所述转接过程。因此，用于低压子网电流的信号被分析，而且这样操控耦合单元的开关，使得如果低压子网的电流强度在所限定的阈值之下，则只可以进行更换。如果在这种其中车载电网电流尽可能微小的时间点进行更换，那么可进一步减小低压子网中的电压扰动。
根据实施形式设置：在转接过程之前切断低压耗电器。有利地，可以进一步减小低压子网中的电压扰动，其方式是进行与耗电器管理系统的同步，以便在没有舒适性损失的情况下短时间地切断低压耗电器（诸如供热系统），以便在没有值得重视的电压扰动的情况下能够实现电池组单元的转接过程。
本发明的优点
本发明提供了一种用于使针对机动车的具有锂离子电池组系统的成本有利的车载电网运行的方法，所述车载电网具有高压子网、低压子网和带有低压子网的单向供应的回收助推系统。在这种情况下，相对于公知的系统可以取消电位分开的（potentialtrennend）DC/DC转换器以及铅酸电池组。因而，该系统的特点在于被减小的体积而且在于相对于当前处于研发中的回收助推系统的较小的重量。此外，该回收助推系统还可以在适当的设计中相对于当前处于研发中的回收助推系统存储明显更多的能量，并且由此可以在更长的制动过程或者下坡行驶中回收系统中的更多电能。
附图说明
本发明的实施例在附图中被示出并且在随后的描述中进一步被解释。
图1示出了根据现有技术的低压车载电网，
图2示出了具有高压子网和低压子网和单向的、电位分开的DC/DC转换器的车载电网，
图3示出了具有高压子网和低压子网和双向的、电位分开的DC/DC转换器的车载电网，
图4示出了按照第一实施形式的具有高压子网和低压子网和单向的、电流（galvanisch）不分开的DC/DC转换器的车载电网，
图5示出了按照第二实施形式的具有高压子网和低压子网和单向的、电流不分开的DC/DC转换器的车载电网，
图6示出了在示例性的运行状态下的耦合单元，
图7示出了来自图6的在另一示例性的运行状态下的耦合单元，
图8示出了来自图6的在另一示例性的运行状态下的耦合单元，并且
图9示出了有反向截止能力的和有正向截止能力的开关。
在本发明的实施例的随后的描述中，相同的或者相似的部件和要素用相同的或者相似的参考符号来标明，其中在个别情况下省去对所述部件或者要素的重复描述。所述附图只示意性地示出了本发明的主题。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的车载电网1。在起动内燃机时，如果例如通过相对应的起动器信号使开关12闭合，那么电压通过车载电网1被起动器电池组10提供给使内燃机（未示出）起动的起动器11。如果内燃机被起动，那么该内燃机驱动发电机13，接着所述发电机13产生为大约12伏特的电压并且通过车载电网1将该电压提供给机动车中的不同的耗电器14。在此，该发电机13也重新给由于起动过程而被加载荷的起动器电池组10充电。
图2示出了具有高压子网20和低压子网21和单向的、电位分开的DC/DC转换器22的车载电网1，所述DC/DC转换器22形成了在高压子网20与低压子网21之间的耦合单元。车载电网1可以是机动车、运输车辆或者叉车的车载电网。
高压子网20例如是具有可由内燃机（未示出）来运行的发电机23的48伏特车载电网。在该实施例中，发电机23被构造为根据机动车的发动机的转动运动来产生电能并且将所述电能馈入到高压子网20中。此外，高压子网20还包括电池组24，所述电池组24例如可以被构造为锂离子电池组并且所述电池组24被设立为将必要的工作电压输出给高压子网。其它的高压耗电器25、尤其是负载电阻被布置在高压子网20中，所述其它的高压耗电器25例如可通过机动车的至少一个、优选地通过多个以高压来运行的耗电器来形成。
起动器26和开关27处于被布置在DC/DC转换器22输出侧上的低压子网21中，以便使内燃机起动，以及高性能存储器28处于被布置在DC/DC转换器22上输出侧的低压子网21中，所述高性能存储器28被设立为针对低压子网21提供大小为例如12V或者14V的低压。用低压来运行的其它的耗电器29被布置在低压子网21中。高性能存储器28例如包括电流电池、尤其是铅酸电池组的这种电流电池，所述铅酸电池组在被充满电的状态（充电状态（state of charge），SOC＝100％）下通常具有为12.8伏特的电压。在被放电的状态（充电状态，SOC＝0％）下，高性能存储器28在没有被加载荷的情况下具有通常为10.8伏特的端电压。在行驶运行时，根据高性能存储器28的温度和充电状态，低压子网21中的车载电网电压比方说在10.8伏特到15伏特之间的范围内。
DC/DC转换器22在输入侧与高压子网20相连，并且与发电机23相连。DC/DC转换器22在输出侧与低压子网21相连。DC/DC转换器22被构造为：接收例如在12伏特到48伏特之间的在输入侧所接收到的直流电压（例如用来运行高压子网20的直流电压），而且产生与在输入侧所接收到的电压不同的输出电压、尤其是产生小于在输入侧所接收到的电压（例如12V或者14V）而且对应于低压子网21的电压的输出电压。
图3示出了具有高压子网20和低压子网21的车载电网1，所述高压子网20和低压子网21通过双向的、电位分开的DC/DC转换器31相连。所示出的车载电网1基本上如在图2中所示出的车载电网1那样被构造，其中来自图2的起动器26与来自图2的发电机23内连为高压子网20中的起动器发电机30，而且电位分开地实施的DC/DC转换器31针对在子网20、21之间的能量传输投入使用。此外，蓄能器24、28和耗电器25、29被布置在两个子网20、21中，如关于图2所描述的那样。
在图3中所示出的系统基本上通过起动器26的内连而被区分。在图2中所示出的系统中，起动器26被布置在低压子网21中，而且DC/DC转换器22经此可单向地被设计用于从高压子网20到低压子网21的能量传送，而在图3中所示出的架构中，在高压子网20中采用起动器发电机30。在这种情况下，DC/DC转换器31双向地被实施，使得电池组24、尤其是锂离子电池组必要时可通过低压子网21来充电。接着，通过低压接口（未示出）和DC/DC转换器31来进行机动车的起动辅助。
图4示出了在其上可实施按照本发明的方法的车载电网1，所述车载电网1具有高压子网20和低压子网21。车载电网1适于在机动车、运输车辆或者叉车中使用。该车载电网1尤其是适合于在具有48伏特发电机、14伏特起动器和回收助推系统的机动车中使用。
高压子网20包括可由内燃机（未示出）来运行的发电机23。发电机23被构造为：根据机动车的发动机的转动运动来产生电能并且将所述电能馈入到高压子网20中。其它的高压耗电器25被布置在高压子网20中，所述其它的高压耗电器25例如可通过机动车的至少一个、优选地通过机动车的多个用高压来运行的耗电器来形成。
此外，高压子网20还包括电池组40，所述电池组40例如可以被构造为锂离子电池组并且所述电池组40被设立为将为48伏特的工作电压输出给高压子网20。在为48伏特的标称电压的情况下，锂离子电池组40优选地具有为大约15Ah的最小容量，以便可存储必要的电能。
电池组40具有多个电池组单元41-1、41-2、…41-n，其中多个电池组电池被分配给这些电池组单元41-1、41-2、…41-n，所述多个电池组电池通常串联并且部分附加地彼此并联，以便利用电池组40来实现所要求的功率数据和能量数据。各个电池组电池例如是具有从2.8伏特至4.2伏特的电压范围的锂离子电池组。
线路段80-11、80-12、80-21、80-22…80-n1、80-n2被分配给所述电池组单元41-1、41-2、…41-n，尤其是电压通过所述线路段80-11、80-12、80-21、80-22…80-n1、80-n2被输送给耦合单元33。耦合单元33有如下任务：将电池组40的电池组单元41-1、41-2、…41-n中的至少一个连通到低压子网21上，以运行或者辅助该低压子网21，而且关于高压子网20将电池组单元41-1、41-2、…41-n适当地接线。
耦合单元33将高压子网20与低压子网21相耦合并且在输出侧将必要的工作电压（例如12V或者14V）提供给低压子网21。耦合单元33的结构和作用方式关于图6至8被描述。
低压子网21包括例如被设计用于在12V或者14V电压的情况下运行的低压耗电器29。根据实施形式设置：电池组40（例如锂离子电池组）在机动车停车时承担对被示出为耗电器25、29的静止电流耗电器（Ruhestromverbraucher）的供应。例如可以设置：在这种情况下满足所谓的机场测试的要求，其中机动车在六周服务期限（Standzeit）之后还是可起动的，并且其中电池组40在该服务期限期间提供低压子网21中的低压耗电器29的静止电流，以便例如给防盗警报设施供应。
此外，起动器26被布置在低压子网21中，所述起动器26被设立为：如果开关27闭合，则使内燃机（未示出）起动。
高性能存储器28或者缓冲存储器可选地被布置在低压子网21中，所述高性能存储器28或者缓冲存储器短时间地可发出很高的功率、也就是说被优化到高功率上。高性能存储器28满足如下目的：进一步避免在转接电池组单元41-1、41-2、…41-n时的过压。电容器可被用作高性能存储器28。
图5示出了按照另一实施形式的具有高压子网20和低压子网21的车载电网1，按照本发明的方法可被实施到所述车载电网1上。该车载电网1适合于在具有48伏特发电机、14伏特起动器和回收助推系统的机动车中使用，尤其是适合于具有大的内燃机的机动车，其中，巨大的起动功率在冷起动时是必要的。
在图5中所示出的车载电网1基本上如在图4中所示出的车载电网1那样被构造，所述在图5中所示出的车载电网1具有如下区别：采用第二蓄能器280，而不是可选的高性能存储器28，所述第二蓄能器280在所示出的实施形式中包括多个电容器281的接线。电容器281例如是双层电容器、尤其是超级电容器。低压子网21中的第二蓄能器280被优化用于以高功率来提供电能。
图6示出了耦合单元33，所述耦合单元33被实施为单向的、电流不分开的直流电压转换器（DC/DC转换器）。耦合单元33包括有反向截止能力的开关RSS 44、45，所述有反向截止能力的开关RSS 44、45具有如下特性：所述有反向截止能力的开关RSS 44、45在状态“接通”下能够实现只在一个方向上的通过电流，而在第二状态“关断”下可接受两种极性的截止电压。这是与简单的半导体开关（诸如IGBT开关）的重要的区别，因为所述简单的半导体开关在反向方向上由于它们的本征二极管而不能接受截止电压。由于与通过电流方向的关系，两个不同的开关类型、也就是RSS_l 45和RSS_r 44被绘制在图6中，所述两个不同的开关类型不必在它们的制造方面相互区别，而是仅以不同的极性来建造。针对有反向截止能力的开关RSS 44、45的更详细的结构的例子关于图9被描述。
在耦合单元33中，电池组单元41-1、41-2、…41-n的线路段80-11、80-12、…、80-n2分别与所述不同的有反向截止能力的开关RSS_l 45和RSS_r 44之一相连。有反向截止能力的开关RSS_l 45在耦合单元33的输出侧被连接到正极52上，而有反向截止能力的开关RSS_r 44在耦合单元33的输出侧被连接到负极51上。
耦合单元33包括例如可以是标准半导体开关的有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1。针对有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1的更详细的结构的例子关于图9被描述。在耦合单元33中，电池组单元41-1、41-2、…41-n的线路段80-12、…、80-n1被分岔并且与有反向截止能力的开关RSS 44、45并行地被分别输送给有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1。如果所述有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1闭合，那么所述有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1将电池组单元41-1、41-2、…41-n彼此串联。在此，有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1被布置在各两个电池组单元41-1、41-2、…41-n之间，使得在n个电池组单元41-1、41-2、…41-n的情况下设置了n-1个有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n-1。
用参考符号73示出了经过电池组单元41-1、41-2、…41-n的用于供应高压子网20的电流路径。在图6中，所有的有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1都闭合。此外，为了清楚，在附图中了用比不导电的线路更粗的线示出导电的线路。
高压子网20的针对低压子网21的接地的电压电平（Spannungslage）与如下情况有关：电池组单元41-1、41-2、…41-n中的哪个或哪些被接入。然而，不在运行状态下，所述电位之一具有如下数值，所述数值超过了大小为高压与低压的总和、也就是说在48伏特电网和14伏特电网的情况下为大约62伏特的电压极限。然而，相对于低压子网21的接地可出现负电位。
图7示出了示例性地从电池组单元41-2通过所接通的有反向截止能力的开关RSS_l 45-i、RSS_r 44-i给低压子网21的供应。用参考符号71示出了从正极52经过有反向截止能力的开关RSS_l 45-i经过所连通的第二电池组单元41-2经过另一有反向截止能力的开关RSS_r 44-i到负极51的电流路径。
通过有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1可能将用于供应低压子网21的两个或者更多电池组单元41-1、41-2、…41-n并联。在这种情况下，所述有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1被控制到状态“关断”下。在并联的电池组单元41-1、41-2、…41-n的电压水平不同的情况下，实现只从那些具有较高的电压水平的电池组单元41-1、41-2、…41-n到低压子网21中的能量流。从具有较高的电压电平的电池组单元41-1、41-2、…41-n到具有较低的电压电平的电池组单元41-1、41-2、…41-n中的能量流通过如下有反向截止能力的开关RSS 44、45来抑制，所述有反向截止能力的开关RSS 44、45被分配给具有较低的电压电平的电池组单元41-1、41-2、…41-n。在电池组单元41-1、41-2、…41-n并联期间，有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1被关断，并且发电机23理想地不将能量馈入到高压子网20中。
根据实施形式，车载电网1或控制设备被设立为使得电池组40能够只在有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1接通时给发电机23供应能量。针对电池组40的充电，所述有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1不必强制地被接通，因为所述有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1的本征二极管可引导充电电流。优选地，每当针对低压子网21的供应不进行并行运行时，所述有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1总是被接通，以便减小在所述有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1之内的损耗功率。
发电机23的运行与耦合单元33的运行和低压子网21的供应无关。在这里所连通的给低压子网21供应的电池组单元41-2中，得到通过低压子网电流与必要时从发电机23被馈入到整个电池组40中的充电电流（在发电机运行时）或通过从整个电池组40汲取的放电电流（在发动机运行时）的叠加。只要不超过电池组电池的容许的极限（例如电池的最大容许的放电电流），所述过程就可被看作彼此无关。为了安全地给低压子网21供应，所述电池组单元41-1、41-2、…41-n中的总是至少一个电池组单元通过耦合单元33的所属的有反向截止能力的开关RSS 44、45和有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1被接入。由于给低压子网21的多次冗余的供应，可利用所介绍的架构来构造如下系统，所述系统具有低压子网21中的电能的很高的可用性。
为了无中断地供应高压子网20，所谓的“先断后通（break before make）”原理被应用在转接过程中。在这种情况下，导电的电池组单元41-2的有反向截止能力的开关45-i、44-i被切断。在到目前为止导电的电池组单元41-2的有反向截止能力的开关45-i、44-i不再引导电流之后，应该承担低压子网21的供应的那个电池组单元41-1、41-2、…41-n的有反向截止能力的开关44、45被接通。经此避免了：在低压子网21中出现不容许地高的电压。这也意味着：没有电池组单元41-1、41-2、…41-n短时间地被提供用于供应低压子网21。
转接持续时间被保持得尽可能短。这通过如下方式来实现：采用关于图9被描述的半导体开关（诸如MOSFET）的快速切换。通过适当的操控电路很精确地调整有反向截止能力的开关44、45的关断与接通之间的时间延迟。
而如果针对有反向截止能力的开关44-i、45-i的切换指令会同步地来到，那么会出现如下状态：由于有反向截止能力的开关44、45的作用方式，低压子网21的正极在切换阶段期间与所述两个电池组单元41-1、41-2、…41-n的较高的电位相连，在图7中的例子中因此与电池组单元41-1的正极相连。借此，会短时间地将比低压子网21的规范允许的电压高得多的电压施加到低压子网21上。
图8示出了来自图6的在另一示例性的运行状态下的耦合单元33。从电池组单元41-1、41-2通过所接通的有反向截止能力的开关RSS_l 45-i、RSS_l 45-j、RSS_r 44-i、RSS_r 44-j来供应低压子网21。用参考符号71来示出的第一电流路径从正极52经过有反向截止能力的开关RSS_l 45-i经过所接通的第二电池组单元41-2并且通过另一有反向截止能力的开关RSS_r 44-i通到负极51。此外，用参考符号72来示出的另一电流路径从正极52经过有反向截止能力的开关RSS_l 45-j经过所连通的第一电池组单元41-1经过另一有反向截止能力的开关RSS_r 44-j通到负极51。因为有正向截止能力的开关VSS 90-1断开，所以第一电池组单元41-1和第二电池组单元41-2关于低压子网21并联。
在图8中所示出的状态出现在所描述的方法的步骤b)之后。其它的有正向截止能力的开关VSS 90-2、…、90-n1在所示出的实施形式中被接通，但是在所述方法的可替换的实施形式中也可在步骤b)之后被关断。
为了达到在图8中所示出的状态，从图7中的状态出发，有反向截止能力的第一开关RSS_l 45-j与有正向截止能力的第一开关VSS 90-1的切换过程同时被接通。在该状态下，电池组40还有为36V的总电压，所述为36V的总电压可供48V高压子网20支配并且能够实现高压子网20中的双向的能量流。在该状态下，包括n个电池组单元的电池组40被配置为n-1个电池组单元41-2、…41-n的串联电路，在所述n-1个电池组单元41-2、…41-n的串联电路中，第一电池组单元41-1的负极与n-1个电池组单元41-2、…41-n-1的负极电相连。在该过渡阶段中，第一电池组单元41-1的正极高欧姆地电切换。以短的延迟时间来接通第一电池组单元41-1的有反向截止能力的第二开关RSS_r 44-j。因此，由于反向截止能力的特性以及通过电流对方向的限制，所述第一和第二电池组单元41-1、41-2通过有反向截止能力的开关RSS 45-j、45-i、44-j、44-i并联。在所述电池组单元41-1、41-2的并联期间，低压子网21在充电状态有强烈的偏差时由具有较高的充电状态或者较高的电压的那个电池组单元41-1、41-2来供应。在电池组单元41-1、41-2的大约相同的充电状态或者电压和低压子网21中的较高的车载电网负载的情况下，由两个电池组单元41-1、41-2来供应。
紧接在所示出的并联之后，第二电池组单元41-2可通过被分配给所述第二电池组单元41-2的有反向截止能力的开关RSS 45-i、44-i被切断，而且由第一电池组单元41-1来供应低压子网21。借此，结束从第二电池组单元41-2到第一电池组单元41-1的换向（Kommutierung），而不曾中断低压子网21的供应。有正向截止能力的开关VSS 90-1可以重新被接通，而且高压子网20以全标称电压重新准备好。所描述的转接概念针对在两个紧邻的电池组单元41-1、41-2、…41-n之间的转接起作用。如果基于运行策略而希望更换到不紧邻的电池组单元41-1、41-2、…41-n，那么快速连续地执行多个转接过程。
为了达到在图8中示出的状态，从图7中的状态出发可替换地关断所有的有正向截止能力的开关VSS 90-1、90-2、…、90-n1。在该阶段中，发电机23不将能量馈入到高压子网20中并且也不在助推运行中工作。以短的延迟时间来接通属于第一电池组单元41-1的有反向截止能力的开关RSS 45-j、44-j。于是，第一和第二电池组单元41-1、41-2通过有反向截止能力的开关44、45（如所示出的那样）并联。虽然已经关于图8描述了低压子网21的供应在两个相邻的电池组单元41-1、41-2、…41-n之间的转接，然而可以用所描述的方法在没有限制的情况下执行任意的电池组单元41-1、41-2、…41-n到任意的另一电池组单元41-1、41-2、…41-n的转接。
图9示出了有反向截止能力的开关RSS 44、45和有正向截止能力的开关VSS 90的可能的结构。在此，用l来说明有反向截止能力的开关RSS 44、45和有正向截止能力的开关VSS 90的导通方向。
有反向截止能力的开关RSS_r 44例如包括IGBT、MOSFET 101或者双极型晶体管和与其串联的二极管103。在图9中示出了MOSFET 101，所述MOSFET 101具有一起被示出的本征二极管102。与MOSFET 101串联的二极管103跟MOSFET 101的本征二极管102的方向相反地被极化（polen）。有反向截止能力的开关RSS_r 44使电流在导通方向l上导通，并且在相反的方向截止。有反向截止能力的开关RSS_l 45对应于RSS_r 44，仅用相反的极性来建造，使得导通方向和截止方向被互换。
有正向截止能力的开关VSS 90包括MOSFET 101、IGBT或者双极型晶体管，其中其本征二极管102一起被示出。尤其是，有反向截止能力的开关RSS_l 45、RSS_r 44和有正向截止能力的开关VSS 90的特点也在于：在切换过程中几乎不可察觉的延迟，也就是说允许很短的转接持续时间。通过适当的操控电路可以很精确地调整在有反向截止能力的开关RSS_l 45、RSS_r 44的关断和接通与有正向截止能力的开关VSS 90的关断和接通之间的时间延迟。
本发明并不限于这里所描述的实施例和其中所突出的方面。更确切地说，在本领域技术人员处理的范畴中的多个变型方案都可能在通过权利要求书所说明的范围之内。

Claims (8)

1.用于使机动车的车载电网（1）运行的方法，其中所述车载电网（1）具有：低压子网（21），所述低压子网（21）具有至少一个低压耗电器（29）和起动器（26）；和高压子网（20），所述高压子网（20）具有至少一个高压耗电器（25）和发电机（23），其中所述高压子网（20）通过耦合单元（33）与低压子网（21）相连，所述耦合单元（33）被设立为从高压子网（20）汲取能量并且将所述能量输送给低压子网（21），其中所述高压子网（20）具有如下电池组（40）：所述电池组（40）被设立为产生高压并且将所述高压发出给高压子网（20），而且所述电池组（40）具有至少两个带有被导向耦合单元（33）的线路段（80-11、80-12、…、80-n2）的电池组单元（41-1、41-2、…41-n），其中所述耦合单元（33）被设立为选择性地将电池组单元（41-1、41-2、…41-n）接入给低压子网（21），其特征在于，关于高压子网（20）和/或关于低压子网（21）无中断地进行如下转接过程：在所述转接过程中，被接入给低压子网（21）的电池组单元（41-1、41-2、…41-n）被更换，
其中在被接入给低压子网（21）的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）到要接入给低压子网（21）的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）上之间的更换时，在无中断供应低压子网（21）的情况下实施如下步骤：
a)将在被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）与要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）之间的线路分开，
b)将要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）接入到低压子网（21），
c)从低压子网（21）切断被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n），并且
d)将在从低压子网（21）切断的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）与被接入给低压子网（21）的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）之间的线路相连，
其中所述耦合单元（33）具有有反向截止能力的开关（44、45），而且在步骤b)中将要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）接入到低压子网（21）时和/或在步骤c)中从低压子网（21）切断被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）时，至少一个有反向截止能力的开关（44、45）被操纵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耦合单元（33）具有有正向截止能力的开关（90、90-1、90-2、…、90-n1），而且在步骤a)中将在两个电池组单元（41-1、41-2、…41-n）之间的线路分开时和/或在步骤d)中将在所述两个电池组单元（41-1、41-2、…41-n）之间的线路相连时，至少一个有正向截止能力的开关（90、90-1、90-2、…、90-n1）被操纵。
3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，在步骤b)中将要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）接入到低压子网（21）之后并且在步骤c)中从低压子网（21）切断被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）之前，被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）和要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）关于低压子网（21）并联。
4.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于，被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）和要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）在它们之间有相连的线路的情况下关于高压子网（20）串联。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在被接入给低压子网（21）的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）到要接入给低压子网（21）的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）上之间的更换时，在无中断供应高压子网（20）的情况下相继实施如下步骤：
e)从低压子网（21）切断被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n），
f)将要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）接入到低压子网（21）。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述耦合单元（33）具有有反向截止能力的开关（44、45），而且在步骤e)中从低压子网（21）切断被接入的第一电池组单元（41-1、41-2、…41-n）时和/或在步骤f)中将要接入的第二电池组单元（41-1、41-2、…41-n）接入到低压子网（21）时，至少一个有反向截止能力的开关（44、45）被操纵。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述低压子网（21）的电流强度被确定，而且如果所述电流强度在所限定的阈值之下，那么所述转接过程被实施。
8.根据权利要求5至6之一所述的方法，其特征在于，在所述转接过程之前，低压耗电器（29）被切断。
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