CN105934861A

CN105934861A - 车载电网

Info

Publication number: CN105934861A
Application number: CN201580005814.7A
Authority: CN
Inventors: H·芬克
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: US20160339858A1; WO2015110576A1; EP3134949A1; DE102014201346A1; CN105934861B; KR20160113228A; EP3134949B1; KR101894979B1; JP6313473B2; US10562474B2; JP2017506309A

Abstract

本发明涉及一种用于机动车的车载电网(1)，其中，车载电网(1)具有用于至少一个低电压负载(29)的低电压子电网(21)、用于至少一个高电压负载(25)的高电压子电网(20)以及起动器发电机(30)，其中，高电压子电网(20)经由耦合单元(33)与低电压子电网(21)相连接，耦合单元被设置为从高电压子电网(20)提取能量并且输送至低电压子电网(21)，其中，高电压子电网(20)具有蓄电池(40)，蓄电池被设置为生成高电压并且输出至高电压子电网(20)，并且蓄电池具有至少两个带有单电压抽头(42)的蓄电池单元(41)，单电压抽头被引导至耦合单元(33)，其中，耦合单元(33)被设置为，选择性地将蓄电池单元(41)接通至低电压子电网(21)。此外，本发明涉及一种具有内燃机和这种车载电网的机动车。

Description

车载电网

技术领域

本发明涉及一种用于机动车的车载电网，以及一种具有这种车载电网的机动车。

背景技术

在具有内燃机的机动车中，为了为用于内燃机的电起动装置或者起动器以及机动车的另外的电装置供电而设置车载电网，其根据标准以12伏特运行。在起动内燃机的过程中，由起动器蓄电池经由车载电网为起动器提供电压，当例如通过相应的起动信号接通起动器时，该起动器起动内燃机。如果该内燃机起动，其驱动发电机，该发电机接着生成约12伏特的电压并且经由车载电网提供至车辆中的不同的电负载。该发电机在此又为通过起动过程加载的起动器蓄电池充电。如果经由车载电网充电蓄电池，则实际的电压能够为额定电压，例如14V或者14.4V。具有12V或14V电压的车载电网在本发明的范围内也被称为低电压车载电网。

已知在电动和混合动力车辆中使用具有48V的额定电压的另外的车载电网，其在本发明的范围内也被称为高电压车载电网。

发明内容

根据本发明的方法涉及一种用于机动车的车载电网，其中，所述车载电网具有用于至少一个低电压负载的低电压子电网、用于至少一个高电压负载的高电压子电网以及起动器发电机，其中，所述高电压子电网经由耦合单元与所述低电压子电网相连接，所述耦合单元被设置为从所述高电压子电网提取能量并且输送至所述低电压子电网，其中，所述高电压子电网具有蓄电池，所述蓄电池被设置为生成高电压并且输出至所述高电压子电网，并且所述蓄电池具有至少两个带有单电压抽头的蓄电池单元，所述单电压抽头被引导至所述耦合单元，其中，所述耦合单元被设置为，选择性地将所述蓄电池单元接通至所述低电压子电网。

本发明具有以下优势，通过该低电压子电网能够运行电负载，其被设置在低的第一电压上，并且高电压子电网供电高功率负载，即具有相对于第一电压更高的电压的子车载电网。低电压子电网的供电与在高电压子电网中的充电和放电过程重叠。经由高电压子电网的低电压子电网供电在此单向地进行，即耦合单元提供优选地仅在一个方向上的能量转换。

该车载电网能够在例如风力发电设备的静态的应用中，或者在例如混合动力和电动车辆的车辆中投入使用。尤其地，该车载电网在具有启停系统的车辆中使用。

所提出的系统、即车载电网和所述的控制器、例如蓄电池管理系统尤其适于在车辆中使用，该车辆具有48伏特发电机和14伏特起动器，其中该14伏特起动器优选地设置用于起停系统。

所提供的系统尤其适于在车辆中的应用，该车辆具有所谓的推动力回收系统(BRS)。在推动力回收系统(BRS)中，电能量在刹车中、在下坡中或者在滑行运行(Segelbetieb)中获得，以由此为电负载供电。该BRS提高了系统效率，使得能够节约燃料或者降低排放。在高电压子电网中的蓄电池既支持被称为所谓的助推器的内燃机，也在用于短程的低速度中甚至用于电行驶、例如在电的驶入车位和驶出车位中。

概念“蓄电池”和“蓄电池单元”在上文中、符合通常的语言习惯地用于蓄能池或蓄能池单元。蓄电池包括一个或多个蓄电池单元，其能够表示蓄电池单池、蓄电池模块、模块线路或蓄电池包。该些蓄电池单池在此优选地在空间上结合并且在电路技术上彼此连接，例如串联或并联连接成模块。多个模块能够形成所谓的蓄电池直接转换器(BDC：battery direct converter)，并且多个蓄电池直接转换器能够形成蓄电池直接逆变器(BDI：battery direct inverter)。

在从属权利要求中给出的方法的有利的改进和优化通过在从属权利要求中提及的方案是可行的。

因此，当可选择性地切换的蓄电池单元分别被设置用于提供低电压时，是有利的。该因此能够交替地需要该蓄电池单元，其提供低电压，例如支持启停系统，这会导致蓄电池单元的提高的使用寿命。

根据一个优选的实施方式，所述耦合单元具有反向截止的开关。有利地，该反向截止的开关适于用于低电压子电网的可选择性切换的蓄电池单元的接通和切断。该开关具有以下特性，其在状态“接通”下使仅在一个方向上的电流流动成为可能，并在状态“断开”下能够两种极性地吸收截止电压。

在用于低电压子电网的蓄电池单元的接通的过程中优选地操作至少一个反向截止的开关，尤其优选地是两个反向截止的开关。在用于低电压子电网的蓄电池单元的切断的过程中同样优选地操作至少一个反向截止的开关，尤其优选地是两个反向截止的开关。

根据一个优选的实施方式，所述耦合单元具有正向截止的开关。有利地，该正向截止的开关适于可选择性切换的蓄电池单元的串联连接。优选地设置，在在蓄电池单元之间的导线的分离的过程中操作至少一个正向截止的开关。同样优选地设置，在在蓄电池单元之间的导线的连接的过程中操作至少一个正向截止的开关。

根据一个优选的实施方式，所述耦合单元被设置为，将至少两个蓄电池单元关于所述低电压子电网彼此并联连接。由此这是能够实现的，即在两个蓄电池单元的显著偏离的充电状态下，实现由这样的蓄电池单元的对低电压子电网的供电，该蓄电池单元具有较高的充电状态或者提供较高的电压。在蓄电池单元的相同或者相似的充电状态下，该低电压子电网由两个蓄电池单元供电。

根据一个优选的实施方式，将至少两个蓄电池单元关于所述高电压子电网串联连接、即连接成一排。

此外能够设置，该低电压子电网具有至少一个电容器。该电容器优选地被设置用于，在已接通的蓄电池单元的切换过程中进一步稳定低电压。此外，该电容器优选地也适于作为能量存储器，其被设置为，至少短时间地产生低电压并且输出至低电压子电网。

当切换在这样的时间点进行，其中车载电网电流尽可能地小，则在低电压子电网中的电压中断能够进一步有利地减小。这例如能够通过用于车载电网电流的信号的分析和取决于此的耦合单元的开关的控制来实现。此外，能够通过负载管理系统来实现同步化，以短时间地、无舒适性受损地切断高功率负载、例如加热系统，以使得无额定值的电压中断的蓄电池单元的切换过程成为可能。

优选地，所述车载电网具有用于控制用于接通所述蓄电池单元的所述耦合单元的控制器。该控制器例如能够配属于对应于蓄电池的蓄电池管理系统，其例如包括另外的单元，其设置为获取、处理关于蓄电池或者蓄电池单元的温度、所提供的电压、提供的电流和充电状态的测量数据，并且据此预测蓄电池的健康状态。用于控制耦合单元的控制器能够具有计算机程序，该计算机程序能够存储在机器可读的存储介质上，如在永久的或者可再写的存储介质上，或者在计算机装置的分类中，例如在可携带的存储器中、如CD-ROM、DVD、蓝光盘、USB存储器或者存储卡中。附加地和替换地，该计算机程序能够在如服务器或者云-服务器上的计算机装置中供下载，例如经由如因特网的数据电网或者如电话线或者无线连接的通信连接。

根据本发明还给出的一种机动车，其具有内燃机和上面描述的车载电网。

本发明的优势

本发明提供了一种具有用于车辆的锂离子蓄电池系统的价格低廉的车载电网，其具有高电压子电网、低电压子电网以及具有低电压子电网的单向的供电的推动力回收系统。在此，能够相对于已知的系统取消电势分离的DC/DC转换器，以及铅酸蓄电池。此外，在低电压子电网中不需要独立的起动器。因此该系统相对于当前的在发展中的推动力回收系统通过降低的体积和通过小的重量而突出。此外，该推动力回收系统能够相对于当前的在发展中的推动力回收系统节约明显更多的能量，并且由此在较长的刹车过程或者下坡中在系统中回收更多的电能量。

附图说明

在附图中示出并且在下文中进一步描述本发明的多个实施例。附图中，

图1示出了根据现有技术的低电压子电网；

图2示出了具有高电压子电网、低电压子电网和单向的、电势分离的DC/DC转换器的车载电网；

图3示出了具有高电压子电网、低电压子电网和双向的、电势分离的DC/DC转换器的车载电网；

图4示出了具有高电压子电网、低电压子电网和单向的、电流不分离的DC/DC转换器的车载电网；

图5示出了在示例性的运行状态下的耦合单元；

图6示出了图5中的在另外的示例性的运行状态下的耦合单元；

图7示出了图5中的在另外的示例性的运行状态下的耦合单元；以及

图8示出了反向和正向截止的开关。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的车载电网1。在启动内燃机的过程中，由起动器蓄电池10经由车载电网1向起动器11提供电压，当例如通过相应的起动信号接通开关12时，该起动器启动内燃机(未示出)。如果内燃机起动，则其驱动发电机13，该发电机接着产生约12伏特的电压并且经由车载电网1提供给车辆中的不同的电负载14。发电机13在此又为通过起动过程加负载的起动器蓄电池10充电。

图2示出了具有高电压子电网20、低电压子电网21和单向的、电势分离的DC/DC转换器22的车载电网1，其形成在高电压子电网20和低电压子电网21之间的耦合单元。该车载电网1能够是车辆的、尤其是机动车、运输车或者叉车的车载电网。

该高电压子电网20例如是具有发电机23的48伏特车载电网，该发电机由内燃机(未示出)驱动。该发电机23被构造在该实施例中，根据车辆的电机的旋转运动产生电能量并且馈入高电压子电网20中。该高电压子电网20还包括蓄电池24，其例如能够被构造作为锂离子蓄电池并且其被设置为，将需要的运行电压输出至高电压子电网20。在高电压子电网20中安置另外的负载电阻25，其例如能够通过至少一个、优选地通过多个机动车的电负载形成，其通过高电压进行驱动。

在低电压子电网21中存在起动器26，该低电压子电网设置在DC/DC转换器22的输出端，该起动器26被设置为接通开关27以起动内燃机，以及能量存储器28，其被设置为，为低电压子电网21提供12V或14V大小的额定电压。在低电压子电网21中安置另外的负载29，其通过低电压进行驱动。能量存储器28例如包括多个电流单池、例如这样的铅酸蓄电池，其在完全充电状态下(充电状态，SOC＝100％)通常具有12.8伏特的电压。在放电的蓄电池(充电状态，SOC＝0％)中，能量存储器28无负载地具有通常为10.8伏特的端子电压。在低电压子电网21中的车载电网电压在行驶运行中、分别根据能量存储器28的温度和充电状态约在10.8伏特和15伏特之间的范围中。

该DC/DC转换器22在输入侧与高电压子电网20并且与发电机23相连接。该DC/DC转换器22在输出侧与低电压子电网21相连接。该DC/DC转换器22被构造为，接收在输入侧接收的、例如驱动高电压子电网的、例如在12和48伏特之间的直流电压，并且产生输出电压，其与输入侧所接收的电压不同，尤其是产生小于在输入侧所接收的电压的输出电压，例如12V或14V。

图3示出了具有高电压子电网20和低电压子电网21的车载电网1，其通过双向的、电势分离的DC/DC转换器31相连接。所示出的车载电网1基本上如在图2中示出的车载电网地构造，其中发电机接入高电压子电网并且为了在子车载电网20、21之间的能量传输使用DC/DC转换器31，其被实施为电势分离的。在两个子车载电网20、21中还安置蓄电池24、28和负载25、29，如参见图2所描述的。在图3中示出的系统的区别基本上在于起动器的接入方式。在图2中示出的系统中，起动器26安置在低电压子电网21中并且由此DC/DC转换器22能够对于高电压子电网20的能量传输来说单向地设置在低电压子电网21中，而在图3示出的起动器发电机30的结构中其被放入高电压子电网20中。在这种情况下，DC/DC转换器31被实施为双向的，从而锂离子蓄电池24(如有必要)能够经由低电压子电网21被充电。该低电压车辆的起动辅助于是经由低电压接口和DC/DC转换器31来实现。

图4示出了具有高电压子电网20和低电压子电网21的车载电网1，例如车辆、尤其是机动车、运输车或者叉车的车载电网1。该车载电网1尤其适于在具有48伏特发电机、14伏特起动器和推动力回收系统的车辆中使用。

该高电压子电网20包括起动器发电机30，其能够起动内燃机(未示出)并且由其是可驱动的。该起动器发电机30被构造为，根据车辆的电机的旋转运动来产生电能量并且馈入高电压子电网20中。在高电压子电网20中安置另外的负载电阻25，其例如能够通过至少一个、优选地通过多个机动车的电负载形成，其通过高电压进行驱动。

该高电压子电网20此外包括蓄电池40，其例如能够被构造作为锂离子蓄电池并且其被设置为，将48伏特的运行电压输出至高电压子电网。该锂离子蓄电池40在48伏特的额定电压下优选地具有约15Ah的最小电容，以能够存储所需的电能量。

蓄电池40具有多个蓄电池单元41-1、41-2……41-n，其中多个蓄电池单元41配属于多个蓄电池单池，其通常串联并且部分地额外地彼此并联连接，以通过蓄电池40达到所需的功率和能量数据。单个蓄电池单池例如为具有2.8至4.2伏特的电压范围的锂离子蓄电池。

蓄电池单元41-1、41-2……41-n配属于单电压抽头80-11、80-12、80-21、80-22、……80-n1、80-n2，通过其输送耦合单元33的电压。该耦合单元33具有以下任务，将蓄电池40的至少一个蓄电池单元41接通至用于其运行或者支持的低电压子电网21。

耦合单元33将高电压子电网20与低电压子电网21相耦合，并且在其输出端为低电压子电网21提供所需的运行电压、例如12V或者14V。该耦合单元33的结构和功能将参照图5至7进行描述。

低电压子电网21包括低电压负载29，其例如被设置以14V电压运行。根据一个实施方式设置，锂离子蓄电池40在停机的车辆中承担静态电流负载的供电，该静态电流负载作为负载25、29示出。例如能够设置，在此满足所谓的机场测试的要求，其中在六星期的停车时间后该车辆仍然是可起动的，并且其中在停车时间期间该低电压负载29的静态电流被提供至低电压子电网21，由此例如为防盗报警器件供电。

在低电压子电网21中可选地安置高功率存储器28或者缓冲存储器，其能够短时间地提供非常高的功率，即优化成高功率。该高功率存储器28满足该目的，即在蓄电池单元41的切换过程中进一步避免过压。如果电容器被用作高功率存储器28，则其尺寸优选地为：

C = \frac{I_{\max} \cdot t_{u m s c h a l t}}{{ΔU}_{\max}}

其中I_max为最大的车载电网电流，其应当在切换过程期间在车载电网中流动，t_umschalt为持续时间，在其间不提供用于供电的蓄电池单元，并且ΔU_max为在切换过程期间的车载电网电压的最大允许的变化。

图5示出了耦合单元33，其被实施作为单向的、电流不分离的直流电压转换器(DC/DC转换器)。该耦合单元33包括反向截止的开关44、45，其具有以下特性，其在状态“接通”下使仅在一个方向上的电流流动成为可能，并在第二状态“断开”下能够两种极性地吸收截止电压。其与如IGBT开关的简单的半导体开关实质上不同，因为其在反向方向上由于其内部的二极管而不能够吸收截止电压。根据电流流动方向在图5中显示两种不同的开关类型，即RSS_I 45和RSS_r44，两者在其工艺方面没有区别，而是仅以不同的极性构造。反向截止的开关44、45的进一步结构的示例参照图8来描述。

在耦合单元33中，蓄电池单元41的单抽头80分别输送至不同的反向截止开关RSS_I 45和RSS_r 44中的一个。该反向截止开关RSS_I 45在耦合单元33的输出侧与正极52连线，并且反向截止开关RSS_r 44在耦合单元33的输出侧连线至负极51。

该耦合单元33包括正向截止的开关VSS 90，其例如能够为标准半导体开关。正向截止的开关90的进一步结构的示例参照图8进行描述。在耦合单元33中，蓄电池单元41的单抽头80分岔并且平行于反向截止的开关分别输送至正向截止的开关VSS 90。如果该开关90被接通，该正向截止的开关VSS 90将蓄电池单元41彼此并联连接。在此，在每两个蓄电池单元41之间安置正向截止的开关90，从而在n个蓄电池单元41中设置n-1个正向截止的开关VSS 90-1、VSS90-2、……VSS 90-n-1。

以附图标记73示出通过蓄电池单元41供电高电压子电网的电流路径。所有的正向截止的开关90在此是闭合的。

该高电压子电网20的电压位参照低电压子电网21的接地取决于一个或多个蓄电池单元41接通至何处。不在运行状态下，电势中的一个然而具有量，其以高电压和低电压的总和的大小超过电压界限，即在48伏特电网和14伏特电网的情况以62伏特。然而也能够出现相对于低电压子电网21的接地的负电势。

图6示出了低电压子电网21例如由蓄电池单元41-2经由接入的反向截止的开关RSS_I 45-i、RSS_r 44-i供电。由正极52经由反向截止的开关RSS_I 45-i、经由第二导通的蓄电池单元41-2并且经由另外的反向截止的开关RSS_r 44-i引导第一电流路径71至负极51

正向截止的开关90的应用使得，用于供电低电压子电网21的两个或多个子蓄电池41能够并联连接。在该情况下，正向截止的开关90被控制为状态“断开”。在并联连接的蓄电池单元41的不同的电压水平的情况下，实现能量流仅由这样的子蓄电池41至低电压子电网21，其具有较高的电压水平。由具有较高电压位的子蓄电池41至具有较低电压位的子蓄电池41的能量流通过反向截止的开关44、45中断，其配属于具有低的电压的子蓄电池41。在子蓄电池41的并联连接期间，正向截止的开关90被切断并且发电机在理想情况下不馈入能量至高电压子电网20中。

根据一个实施方式，如此设置车载电网或者控制系统，使得蓄电池40仅能够在接通的正向截止的开关90的情况下以能量供给起动器-发电机30。为了蓄电池40的充电，不强制正向截止的开关90必须接通，因为正向截止的开关90的内部的二极管能够传输充电电流。优选地，当不出现用于低电压子电网21的供电的并联运行时，正向截止的开关90于是一直接通，以降低在正向截止的开关90的内部的损耗功率。

起动器-发电机30的运行取决于耦合单元33的运行和低电压子电网的供电。在接通的蓄电池单元41中得出通过低电压子电网和由(如有必要的情况下)起动器-发电机30馈入整个蓄电池40中的充电电流(发电机运行)或者通过其从整个蓄电池40中提取的放电电流(电动机运行)，该蓄电池单元供电低电压子电网21。只要不超过蓄电池单元的允许的界限、例如单池的最大允许的放电电流，则能够彼此独立地观察该过程。由于至少一个蓄电池单元41一直经由所述的开关44、45、90接通耦合单元33，因此可靠地供电该低电压子电网21。由于低电压子电网21的多重冗余的供电，能够以所提出的结构构造系统，其具有在低电压子电网21中的电能量的非常高的可用性。

图7示出了低电压子电网21例如由蓄电池单元41-1、41-2经由接入的反向截止的开关RSS_I 45-i、RSS_I 45-j、RSS_r 44-i、RSS_r 44-j供电。由正极52经由反向截止的开关RSS_I 45-i、经由第二导通的蓄电池单元44-2并且经由另外的反向截止的开关RSS_r 44-i引导第一电流路径71至负极51。此外由正极52经由反向截止的开关RSS_I45-j、经由第一导通的蓄电池单元41-1并且经由另外的反向截止的开关RSS_r 44-j引导第二电流路径72至负极51。当开关90-1是断开的时，第一蓄电池单元41-1和第二蓄电池单元41-2关于低电压子电网21并联连接。

图8示出了反向截止的开关44、45和正向截止的开关90的可能的结构。流通方向在此以I给出。反向截止的开关RSS_r 44例如包括IGBT、MOSFET或者双极型晶体管101和与其串联连接的二极管103。在图8中示出了MOSFET 101，其具有一起示出的、内部的二极管102。串联连接至该MOSFET 101的二极管103相反于MOSFET101的内部的二极管102的方向地极化。反向截止的开关RSS_r 44使得电流在流通方向I上以相反的方向流过或截止。该反向截止的开关RSS_I 45对应于RSS_r 44，仅以相反的极性构造，从而流通和截止方向交换。正向截止的开关90包括MOSFET、IGBT或者双极型晶体管101，其中其内部的二极管102被一起示出。开关RSS_I 45、RSS_r 44和VSS90尤其地也通过几乎不可察觉的延迟在开关过程中突出，即允许非常短的切换时间段。通过合适的控制电路，在开关的切断和接通之间的时间延迟能够被非常精确地调节。

本发明并不限制于在此描述的实施例和在此强调的方面。相反地在通过权利要求给定的范围之内的多种修改是可能的，其在本领域技术人员的处理范围中。

Claims

1.一种用于机动车的车载电网(1)，其中，所述车载电网(1)具有用于至少一个低电压负载(29)的低电压子电网(21)、用于至少一个高电压负载(25)的高电压子电网(20)以及起动器-发电机(30)，其中，所述高电压子电网(20)经由耦合单元(33)与所述低电压子电网(21)相连接，所述耦合单元被设置为从所述高电压子电网(20)提取能量并且输送至所述低电压子电网(21)，其中，所述高电压子电网(20)具有蓄电池(40)，所述蓄电池被设置为生成高电压并且输出至所述高电压子电网(20)，并且所述蓄电池具有至少两个带有单电压抽头(42)的蓄电池单元(41)，所述单电压抽头被引导至所述耦合单元(33)，其中，所述耦合单元(33)被设置为，选择性地将所述蓄电池单元(41)接通至所述低电压子电网(21)。

2.根据权利要求1所述的车载电网(1)，其特征在于，所述蓄电池单元(41)分别被设置用于提供低电压。

3.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，其特征在于，所述耦合单元(33)具有反向截止的开关(44、45)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，其特征在于，所述耦合单元(33)具有正向截止的开关(90)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，其特征在于，所述耦合单元(33)被设置为，将至少两个蓄电池单元(41)关于所述低电压子电网(21)彼此并联连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，其特征在于，所述耦合单元(33)被设置为，将至少两个蓄电池单元(41)关于所述高电压子电网(20)串联连接。

7.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，其特征在于，所述低电压子电网(21)具有电容器(28)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，其特征在于，所述车载电网(1)具有用于控制用于接通所述蓄电池单元(41)的所述耦合单元(33)的控制器。

9.一种机动车，具有内燃机和根据权利要求1至8中任一项所述的车载电网(1)。