CN106415975A - 车载电网以及用于运行车载电网的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机动车的车载电网（1），其中，车载电网（1）具有带有至少一个低压耗件（29）和起动器（26）的低压子网（21）以及带有至少一个高压耗件（25）和发电机（23）的高压子网（20），其中，高压子网（20）与低压子网（21）经过耦合单元（33）相连，该耦合单元被设定用于从高压子网（20）提取能量并且将该能量提供给低压子网（21），其中，高压子网（20）具有电池（40），该电池设定用于：产生高压并且将该高压输出给高压子网（20），并且该电池具有带有导引至耦合单元（33）的线路区段（80‑11、80‑12、...、80‑n2）的至少两个电池单元（41‑1、41‑2、... 41‑n）。在此设置的是，耦合单元（33）设定用于：提供至少一个第一和第二位型，其中，在第一位型中，从一个电池单元（41）供给高压子网（20）并且从至少一个电池单元（41）供给低压子网（21），并且其中，在第二位型（111）中，从所述电池（40）的多个电池单元（41）中供给高压子网（20）并且从一个单池单元（41）供给低压子网（21）。本发明还涉及用于运行这样的车载电网（1）的方法以及带有这样的车载电网（1）的机动车。

Description

车载电网以及用于运行车载电网的方法
背景技术
本发明涉及用于机动车的车载电网、用于运行车载电网的方法以及带有这样的车载电网的机动车。
在带有内燃机的机动车中，为了给用于内燃机的电的起动装置或起动器供电以及给机动车的其它的电的装置供电，设置了车载电网，该车载电网符合标准地利用12V运行。在内燃机起动时，经过所述车载电网从起动器电池给起动器提供电压，该电压起动内燃机，当例如通过相应的起动器信号将开关闭合时。如果内燃机起动，则该内燃机驱动电的发电机，该发电机然后产生大约12V的电压，并且该电压经过车载电网提供给在机动车中的各种电的耗件。在此，所述电的发电机也再次把通过起动过程所加载的起动器电池进行充电。如果所述电池经过车载电网充电，则实际的电压能够位于额定电压之上，例如在14V处或14.4V处。
公知的是，在电动车辆和混合动力车辆中，使用带有48V的额定电压的另一个车载电网。
US 2010/131217示出了多个能够组合连接的锂离子电池，所述锂离子电池分别包括单个的串联的电池模块，其中，该电池模块具有串联的电池单池。为了运行低压子网，设置了一个另外的电池，该电池借助直流电压转换器（DC/DC转换器）来运行。
US 6、747、438公开了电池的充电单元和放电单元，该充电单元和放电单元能够具有双向的DC/DC转换器或单向的DC/DC充电转换器，连同DC/DC放电转换器。充电单元和放电单元控制分别对于所采用的电池单池和对于电流供应单元/充电单元适配的电压和电流。所采用的电池单池包括并联的第一和第二电池单池。第一和第二电池单池的并联部与另一个类似的并联部进行并联。对于第一电池单池，使用高功率锂蓄电池，而对于第二电池单池采用具有高容量的铅蓄电池。
US 2012/235473示出了锂离子电池，该锂离子电池彼此相连并且向着终端串联，该终端连接至机动车的车载电网的多相电流发电器，以便维持住在电池单池上的电荷并且为了利用能量来提供机动车的电的耗件。所述终端与车载电网的驱动装置部件进行连接，以便给机动车在起动时利用短的和强的电流流动进行供应。
发明内容
本发明提供了用于机动车的车载电网，其中，车载电网具有带有至少一个低压耗件和起动器的低压子网以及带有至少一个高压耗件和发电机的高压子网，其中，高压子网与低压子网经过耦合单元相连，该耦合单元被设定用于从高压子网提取能量并且将该能量提供给低压子网，其中，高压子网具有电池，该电池设定用于：产生高压并且将该高压输出给高压子网，并且该电池具有带有导引至耦合单元的线路区段的至少两个电池单元。在此设置的是，耦合单元设定用于：提供至少一个第一和第二位型，其中，在第一位型中，从一个电池单元供给高压子网并且从至少一个电池单元供给低压子网，并且其中，在第二位型中，从所述电池的多个电池单元、优选地从所述电池的所有的电池单元中供给高压子网并且从一个单池单元供给低压子网。
本发明具有的优点在于，通过低压子网能够运行电的耗件，该耗件被设计至低的第一电压，并且高压子网、也即带有相对于第一电压提高的电压的子网供用于高功率耗件。低压子网的供电与在高压子网中的充电过程和放电过程叠加。基于高压子网的低压子网供电在此单向地进行，也即，耦合单元优选地仅在一个方向上提供能量转移。
车载电网能够应用在固定的用途中，例如在风力发电设备中，也能够应用在机动车中，例如混合动力车辆和电动车辆中。尤其，车载电网能够应用在具有起停系统的机动车中。
所介绍的系统也即车载电网和从属的控制器、例如电池管理系统尤其适用于应用在机动车中，该机动车具有48V发电机和14V起动器，其中，所述14V起动器优选地设计用于起停系统。带有12V或14V电压的车载电网在本公开的框架中被描述为低压子网。带有48V的额定电压的车载电网也描述为高压子网。
所介绍的系统尤其适用于应用在机动车中，该机动车具有用于在加速（推进）和制动能量的回收（再生）时进行辅助的系统（推进-回收-系统，BRS）。在推进-回收-系统中，在制动过程中、在下坡行驶中或在滑行运行中获取电能，以便由此给电的耗件进行供电。所述推进-回收-系统提高了系统的效率，从而能够节省燃料或能够减小排放。在此，电池在高压子网中能够辅助内燃机，这也描述为所谓的推进，或者在对于短的路段的低的速度中用于纯电的行驶，例如在入停车场和出停车场时。
概念“电池”和“电池单元”在匹配于通常的惯用语的本说明中用于蓄电池或蓄电池单元。
所述电池包括一个或多个电池单元，该电池单元能够指代电池单池、电池模块、模块系或电池组。在此，电池单池优选地空间地被总和并且线路技术地彼此相连，例如与模块串联或并联。多个模块能够形成所谓的电池直接转换器（BDC，battery direct Converter）并且多个电池直接转换器形成电池直接逆变器（BDI，battery direct inverter）。
优选地，选择地能够接入的电池单元、尤其电池模块分别设计用于提供低压。电池单元能够因而交替地被要求提供低压，例如为了辅助起停系统，这导致电池单元的提高的寿命。
因为起动器布置在低压子网中，则低压子网满足用于起动过程的尤其也用于冷起动过程的要求。在此，起动电流能够巨大部分地由高压电池的单元来提供，所述部分例如为大于50%、至大于80%或至100%。
按照一个优选的实施方式，所述耦合单元具有至少一个能够反向截止的开关。优选地，能够反向截止的开关适用于能够选择地接入的电池单元的相对于低压子网的接入和断开。此开关拥有的特性是：该开关在“接入”状态中实现仅沿一个方向的电流流动并且在“断开”状态中能够承受两个极性的截止电压（Sperrspannung）。
在将电池单元接入低压子网时，优选地促动至少一个能够反向截止的开关。尤其优选地，促动两个能够反向截止的开关。在将电池单元向相对于低压子网断开时，同样优选地促动至少一个能够反向截止的开关，尤其优选地促动两个能够反向截止的开关。
按照一个优选的实施方式，所述耦合单元具有至少一个能够向前截止的开关。优选地，能够向前截止的开关适用于：把能够选择地接入的电池单元彼此串联。
优选地设置了，在在两个电池单元之间的线路分离时，促动至少一个能够向前截止的开关。同样优选地设置了，在在所述电池单元之间的线路连接时，促动至少一个能够向前截止的开关。
按照一个优选的实施方式，将耦合单元设定用于：将至少两个电池单元关于低压子网彼此并联。尤其优选地，在第一位型中，至少两个、优选地所有电池单元关于低压子网彼此并联。经此实现的是，在电池单元的强烈偏离中的充电状态中，从这样的电池单元进行低压子网的供电，该电池单元具有更高的充电状态或提供更高的电压。在电池单元的相同的或类似的充电状态中，从电池单元中的每个中给低压子网供电。
按照一个优选的实施方式，将耦合单元设定用于：将至少两个电池单元关于高压子网串接地连接也即彼此串联。尤其优选地，在第二位型中，至少两个电池单元、优选地所有电池单元关于高压子网串接地连接。
额外能够设置的是，低压子网具有至少一个电容器，该电容器设定用于：在转变所接入的电池单元时稳定低压。
优选地，将耦合单元设定用于：提供至少一个另外的运行状态，其中，在所述另外的运行状态中，分别从多个、尤其两个、三个或四个电池单元来供给高压子网和低压子网。在此，所采用的电池单元优选地关于高压子网串接地连接并且关于低压子网并联。所述另外的运行状态能够通过多个由耦合设备提供的位型进行实施，正如进一步下文所具体阐释的那样。
额外能够设置的是，低压子网具有至少一个另外的能量储存器、例如缓冲存储器或高功率储存器，该高功率储存器对于利用高的功率提供电能是优化的。例如，这是电容器系统、例如双层电容器尤其是所谓的超级电容器（supercapacitor）的串联。借助这种另外的能量储存器将所述电池从尤其在低温时提供大电流进行减负。尤其，在锂离子电池的情况下由此提供了重要的优点。基于花费（该花费与在低压子网中采用所述另外的能量储存器相联系（在制造技术方面和成本技术方面）），所述系统也适用于应用在带有大的内燃机的机动车中，在该机动车中需要很大的冷起动功率。优选地，采用一个另外的能量储存器，该能量储存器直接地最佳地设计用于起动需求，以便保证总系统即便在大数量的冷起动过程或很大数量的起/停过程的情况中也有长的寿命，例如在10年或大于10年的范围中的寿命。
优选地，车载电网具有用于控制用于控制所述电池单元的耦合单元的控制器。所述控制器能够例如是配设给所述电池的电池管理系统，该电池管理系统例如包括另外的功能单元，该功能单元设定用于：采集、处理关于温度、所提供的电压、所输出的电流和电池的或电池单元的电荷状态的测量数据，并且借助这些参量来实现管理功能，该管理功能提高电池系统的寿命、可靠性和安全性。
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能够由机器读取的存储介质上，例如存储在永久的或能够重写的存储介质上，或在对于计算机设备的配设中例如存储在便携式存储器，例如CD- ROM、DVD、蓝光盘、U盘或存储卡上。作为对此的附加方案以及替代方案，所述计算机程序能够在计算机设备上、例如在服务器或云服务器上供用于下载（例如经过数据网络、例如因特网或经过通信连接、例如电话线路或无线连接）。
此外根据本发明说明一种机动车，其带有内燃机和之前所描述的车载电网。
在用于运行之前所描述的车载电网之一的根据本发明的方法中，实现将耦合单元控制用于依赖于机动车的运行阶段来设定第一或第二位型。
第一运行阶段能够特征在于：机动车停放或停车。第二运行阶段能够特征在于：机动车起动。第三运行阶段能够特征在于：将机动车在起停模式中运行，并且第四运行阶段能够特征在于：将机动车在行驶模式中运行。
在观察用于车载电网的优化的运行策略时，采用下述的考虑。在此，从中得到的是，在均匀地老化的单池中，单池的内电阻和容量在相同的参照条件中也即在基本上相同的温度和相同的充电状态中近似相同。
对于电池单池的串联，适用下述的论断：
能够最大输出的功率在均匀地老化的单池中通过带有最小充电状态的那些单池来限定。
能够最大取用的能量在均匀地老化的单池中通过带有最小充电状态的单池来限定。
在充电过程中的最大可靠的功率在均匀地老化的单池中通过带有最高充电状态的单池来限定。
能够最大供给的能量在均匀地老化的单池中通过带有最高充电状态的单池来限定。
因为在推进-回收-系统中的电池系统应能够随时地在制动过程中存储尽可能多的能量并且应同时能够尽可能好地辅助推进过程，则从中能够导出的要求是：所有的电池单元和位于其里面的单池应具有尽可能相同的充电状态，以便尽可能好地满足所设定的要求。
优选地，在第一运行阶段中设定第二位型。
第二运行阶段能够尤其是机动车的起动状态，也例如是机动车的冷起动状态，其中，后者能够通过经定义的持续时间的经过来定义，例如在经过10min、20min、1h、2h、12h或24h之后。因为起动器布置在低压子网中，则在第二运行阶段中优选地设定第一位型，以便给起动器提供最大可能的功率。
带有起停模式的第三运行阶段包括起动模式和停止模式。在起动模式中，优选地，选择第一位型，并且在停止模式中优选地选择第二位型，从而在起停模式中交替地设定第一位型和第二位型。
优选地，在第四运行阶段中设定第二位型。
额外于对于高压子网的要求，也对所述系统设定了用于在低压子网中的起动过程的要求。为了使得这些要求借助由高功率储存器和电池的组合而尽可能好地被满足，则优选地将以下电池单元用于给低压子网供电，该电池单元在所给定的时刻处具有最高的充电状态。
因此，低压子网的供电优选地从以下电池单元中进行，该电池单元在给定的时刻处具有最高的充电状态。因为低压子网的供电相对于在高压子网中的充电过程和放电过程叠加并且低压子网供电单向地进行，则通过这种挑选规定所确保的是，带有最高的充电状态的电池单元相比其它的电池单元更快地放电或更慢地充电。这导致电池单元的充电状态的对称化。
为了使得在电池单元的相同的充电状态中不会设定从一个电池单元至下一个电池单元的很快速的转变，引入用于充电状态的差ΔSOCumschalt的、例如用于带有在0.5%和20%之间优选地在1%和5%之间尤其优选地大约2%的经定义的值的差ΔSOCumschalt的阈值，必须超过该阈值，以便将低压子网的供电从一个电池单元转变到这样的电池单元，该电池单元具有比实际用于给低压子网供电的电池单元的相应更高的充电状态。在供电时的转接进行到这样的电池单元上，该电池单元实际具有最高的充电状态。当实际为了低压子网的供电而连通的电池单元具有以至少ΔSOCumschalt小于带有最高的充电状态的那个电池单元的充电状态的充电状态时，进行所述转接。
发明优势
本发明提供了在花费上有利的车载电网和用于运行用于机动车的尤其带有锂离子电池系统的该车载电网的方法，该车载电网具有高压子网、低压子网和带有低压子网的单向的供电的推进-回收-系统。在此，相对于公知的系统，能够省去分离电位的直流电压转换器（DC/DC转换器）以及铅酸电池。所述系统因此特征在于减小的体积和相对于实际位于开发中的推进-回收-系统的更小的重量。此外，推进-回收-系统能够在合适的设计中相对于实际位于开发中的推进-回收-系统存储明显更多的能量并且由此在较久的制动过程中或下坡行驶中在系统中回收更多的电能。
根据本发明的对于挑选耦合单元的开关状态的规定促成的是，所述电池在车载电网的不同的运行阶段中能够以优化的方式满足所需的任务。尤其，确保了低压子网的供电。所述供电尽可能没有中断地进行，也即尽可能不带有电压下降地进行。如果在耦合单元的转接阶段期间，短期地低压子网的没有中断的供电是不可能的，则在低压子网中的电压下降仍然被限定到能够容忍的值。此外，所述电池即便在较长的静止时间的情况中也足够地提供电能。所述电池也能够在起停运行中在停止阶段期间给高压耗件供电。
同时，确保了高压子网的供电，也即，所述电池给高压子网基本上没有中断地提供电能。在储存电能方面，优化表示的是：能够在制动过程中回收尽可能多的电能并且在此能够用尽可能高的功率来充电所述电池。在提供电能方面，优化表示的是，所述电池通过利用所需的电压和功率提供电能实现了起动过程，并且对于推进运行能够提供尽可能多的电能。
附图说明
本发明的实施例在附图中表明并且在后面的说明书中作进一步解释。图示：
图1是按照现有技术的低压子网，
图2是带有高压子网和低压子网和单向的分离电位的DC/DC转换器的车载电网，
图3是带有高压子网和低压子网和双向的分离电位的DC/DC转换器的车载电网，
图4是按照第一实施方式的带有高压子网和低压子网和单向的电地不分离的DC/DC转换器的车载电网，
图5是按照第二实施方式的带有高压子网和低压子网和单向的电地不分离的DC/DC转换器的车载电网，
图6是在示例的位型中的耦合单元，
图7是在另一个示例的位型中的图6中的耦合单元，
图8是在另一个示例的位型中的图6中的耦合单元，
图9是能够反向截止的和能够向前截止的开关，
图10是机动车的可能的运行阶段，
图11是在第一运行阶段中的位型，
图12是在第二运行阶段中的位型，
图13是在第三运行阶段中的位型，以及
图14是在第四运行阶段中的位型。
在本发明的实施例的下述说明中，利用相同的或相似的附图标记指代相同的或相似的组件和元件，其中，在单个情况中省去了这些组件或元件的重复说明。在相同的元件在附图中多次出现的情况中，为了改善理解，其附图标记能够逐一编号。但是，在上下文中，为清楚起见，再者偶尔省去逐一编号。所述附图仅示意地展示了本发明的主题。
具体实施方式
图1示出按照现有技术的车载电网1。在内燃机起动时，经过所述车载电网1从起动器电池10给起动器11提供电压，该电压起动所述内燃机（未示出），当例如通过相应的起动器信号将开关12闭合时。如果所述内燃机起动，则该内燃机驱动电的发电机13，该发电机然后产生大约12V的电压，并且该电压经过车载电网1提供给在机动车中的各种电的耗件14。在此，所述电的发电机13也再次把通过起动过程所加载的起动器电池10进行充电。
图2示出了带有高压子网20和低压子网21和单向的分离电位的DC/DC转换器22的车载电网1，该DC/DC转换器在高压子网20和低压子网21之间形成了耦合单元33。车载电网1能够是机动车、运输车或叉车的车载电网。
高压子网20例如是48V车载电网，其带有电的发电机23，该发电机能够由内燃机（未示出）驱动。发电机23在该实施例中构造用于：依赖于机动车的马达的转动运动来产生电能并且将该电能供给到高压子网20中。高压子网20还包括电池24，该电池例如能够构造为锂离子电池并且该电池设定用于：把所需的工作电压输出给高压子网20。在高压子网20中布置有另外的高压耗件25作为负载电阻，该高压耗件能够例如通过机动车的至少一个、优选地通过多个电的耗件来形成，利用所述高压来运行所述耗件。
用于起动所述内燃机的起动器26和开关27以及能量储存器28位于在输出侧布置在DC/DC转换器22处的低压子网21中，该能量储存器设定用于：为低压子网21提供在例如12V或14V的大小中的低压。在低压子网21中布置有低压耗件29，利用低压运行该低压耗件。能量储存器28例如包括电的单池，尤其是铅酸电池的这样的单池，该单池在完全充电的状态（充电状态，SOC=100%）中通常具有12.8V的电压。
在被放电的状态中（充电状态，SOC=0%），能量储存器28未被加载地具有典型地10.8V的钳位电压。在低压子网21中的车载电网电压在行驶运行中位于大约在在10.8V和15V之间的范围中（分别按照能量储存器28的充电状态和温度）。
DC/DC转换器22在输入侧与高压子网20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构造用于：接收在输入侧接收的直流电压、例如是被借以运行高压子网20的例如在12和48V之间的直流电压并且产生输出电压，该输出电压不同于在输入侧所接收的电压，尤其产生这样的输出电压，该输出电压小于在输入侧所接收的电压，例如为12V或14V，并且对应于低压子网21的电压。
图3示出了带有通过双向的分离电位的DC/DC转换器31相连的高压子网20和低压子网21的车载电网1。所展示的车载电网1基本上如同在图2中展示的车载电网1那样构造，其中，图2中的起动器26与图2中的作为在高压子网20中的起动器发电机30的发电机23进入连接并且对于在子网20、21之间的能量转移而采用双向地设计的DC/DC转换器31。此外，在子网20、21之间布置有电池24、能量储存器28以及耗件25、29，正如参照图2所说明的那样。
基本上，在图3中所示的系统通过起动器26的接入进行区分。虽在在图2中所示的系统中，起动器26布置在低压子网21中，并且经此，DC/DC转换器22能够单向地设计用于从高压子网20到低压子网21中的能量输送，而在在图3中所示的架构中，起动器发电机30装在高压子网20中。在该情况中，DC/DC转换器31双向地设计，从而电池24、尤其锂离子电池必要时能够经过低压子网21来充电。然后，机动车的起动辅助是经过低压接口（未示出）和DC/DC转换器31来进行的。
图4示出了按照本发明的第一实施方式的带有高压子网20和低压子网21的车载电网1，例如是机动车、运输车或叉车的车载电网1。车载电网1尤其适用于应用在带有48V发电机、14V起动器和推进-回收-系统的机动车中。
高压子网20包括电的发电机23，该发电机能够由内燃机（未示出）驱动。发电机23构造用于：依赖于机动车的马达的转动运动来产生电能并且将该电能供给到高压子网20中。在高压子网20中布置有高压耗件25，该高压耗件通过机动车的一个、优选多个电的耗件来形成，利用所述高压来运行所述耗件。
高压子网20此外包括电池40，该电池例如能够构造为锂离子电池并且该电池设定用于：把48V的工作电压输出给高压子网20。锂离子电池40在48V的额定电压时优选地具有大约15Ah的最小容量，以便能够存储所需的电能。
电池40具有多个电池单元41-1、41-2、...41-n，其中，为所述电池单元41分别配设多个电池单池，该电池单池通常串接地且部分地额外地彼此并联，以便利用电池40获得所要求的功率数据和能量数据。单个的电池单池例如是带有从2.8V至4.2V的电压范围的锂离子电池。
为电池单元41-1、41-2、...41-n配设线路区段80-11、80-12、80-21、80-22、...80-n1、80-n2，所述电压经过所述线路区段被提供给耦合单元33。耦合单元33具有的任务是：把电池40的电池单元41-1、41-2、...41-n中的至少一个接通至低压子网21以用于其运行或辅助，并且电池单元41-1、41-2、...41-n关于高压子网20合适地连接。
由此，耦合单元33将高压子网20与低压子网21耦合并且在在输出侧提供给低压子网21所需的工作电压，例如12V或14V。耦合单元33的结构和工作方式参照图6至8进行说明。
低压子网21包括低压耗件29，该低压耗件例如设计用于在12V或14V的电压时的运行。按照一个实施方式设置的是，电池40承担了在机动车停放时的耗件25、29的供电。例如能够设置的是，在此，满足所谓的机场测试的要求，其中，在六周的耐用时间之后机动车还能够起动，并且其中，电池40在耐用时间期间此外也提供静态电流给在低压子网21中的低压耗件29，由此例如给盗窃报警设备供电。
此外，在低压子网21中布置有起动器26，该起动器设定用于：起动内燃机（未示出），当开关27闭合时。
在低压子网21中作为任选方案能够布置有缓冲存储器28，该缓冲存储器能够短时地输出功率。缓冲存储器28满足的另外的目的是：进一步避免了在电池单元41-1、41-2、...41-n的转接时的过压。能够将锂离子电池用作缓冲存储器28。
图5示出了按照第二实施方式的带有高压子网20和低压子网21的车载电网1。车载电网1适合用在带有48V发电机、14V起动器和推进-回收-系统的机动车中，尤其用于带有大的内燃机的机动车中，在该机动车中在冷起动时需要巨大的起动功率。
在图5中所示的车载电网1基本上如同在图4中所示的车载电网1那样构造，带有的区别是，取代缓冲存储器28而采用高功率储存器280，该高功率储存器在所展示的实施方式中包括多个电容器281的连接。电容器281例如是双层电容器、尤其是超级电容器。在低压子网21中的高功率储存器280对于利用大功率提供电能是优化的。
图6示出了耦合单元33，该耦合单元构造为单向的、电地不分离的直流电压转换器（DC/DC转换器）。耦合单元33包括能够反向截止的开关RSS 44、45，此开关拥有的特性是：该开关在一个状态“接入”中实现仅沿一个方向的电流流动并且在第二状态“断开”中能够承接两个极性的截止电压。这是与简单的半导体开关、例如IGBT开关的明显的不同，因为这些半导体开关在反向上由于其固有的二极管而不能够承受截止电压。基于与电流流动方向的依赖性，在图6中绘出了两个不同的开关类型，即RSS_l 45和RSS_r 44，所述开关类型在其制造中不区分，而是仅利用不同的极性进行建造。用于能够反向截止的开关RSS 44、45的更具体的结构的示例参照图9来说明。
在耦合单元33中，电池单元41-1、41-2、...41-n的线路区段80-11、80-12、...、80-n2与不同的能够反向截止的开关RSS_l 45和RSS_r 44中的各一个相连。能够反向截止的开关RSS_l 45在耦合单元33的输出侧连接至正极52，并且能够反向截止的开关RSS_r 44在耦合单元33的输出侧连接至负极51。
耦合单元33包括能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1，该开关例如能够是标准半导体开关。用于能够反向截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1的更具体的结构的示例参照图9来说明。在耦合单元33中，电池单元41-1、41-2、...41-n的线路区段80-12、...、80-n1被分支并且平行于能够反向截止的开关RSS 44、45提供给各一个能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1。能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1将电池单元41-1、41-2、...41-n彼此串接，当能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1闭合时。在此，在各两个电池单元41-1、41-2、...41-n之间布置有能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1，从而在n个电池单元41-1、41-2、...41-n的情况下设置了n-1个能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...90-n1。
利用附图标记73展示了通过电池单元41-1、41-2、...41-n用于高压子网20的供电的电流路径。在图6中，全部的能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1闭合。为了清楚起见，在附图中，利用比不导引电流的电路的更粗的线条来展示导引电流的线路。
关于低压子网21的接地端的高压子网20的电压位置依赖于：接通了哪个或哪些电池单元41-1、41-2、...41-n。但是，在任何位型中，所述电位中的一个电位均不具有这样的数值，该数值超过在高压和低压的总和的大小中的电压限度，也即，在48V网和14V网中在大约62V中。但是，能够出现相对于低压子网21的接地端的负的电位。
图7示出了低压子网21的例如从电池单元41-2中经过所接入的能够反向截止的开关RSS_l 45-i、RSS_r 44-i的供电。在此，电流路径71从正极52经过能够反向截止的开关RSS_l 45-i、经过接通的第二电池单元41-2、经过另外的能够反向截止的开关RSS_r 44-i导引至负极51。
通过能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1而可行的是，将两个或多个电池单元41-1、41-2、...41-n为了给低压子网21供电而进行并联。在该情况中，能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1中的几个或全部被控制到状态“断开”中。在电池单元41-1、41-2、...41-n的并联期间，能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1断开，并且发电机23理想地不将能量供给到高压子网20中。
按照一个实施方式，车载电网1或控制器如此地设定，使得电池40仅在能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1接入时能够利用能量来供应发电机23。对于电池40的充电，能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1不必强制地接入，因为能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1的固有的二极管102能够导引充电电流。优选地，能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1始终在以下情况中就接入，即当对于低压子网21的供电而言没有并行运行发生时，以便降低在能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1内的损耗功率。
发电机23的运行不依赖于耦合单元33的运行和低压子网21的供电。在这里所接通的给低压子网21供电的电池单元41-2中，得到了通过低压子网电流和必要时从发电机23供应到整个电池40中的充电电流（在发电机运行时）或通过从整个电池40提取的放电电流（在马达运行时）的叠加。只要不超过电池单池的允许的限度，例如单池的最大允许的放电电流，则能够将这些过程彼此独立地看待。为了保险地给低压子网21供电，始终电池单元41-1、41-2、...41-n中的至少一个经过从属的能够反向截止的开关RSS 44、45和耦合设备33的能够向前截止的开关VSS 90-1、90-2、...、90-n1被接入。由于低压子网21的多次冗余的供电，则利用所介绍的架构能够建立这样的系统，该系统具有在低压子网21中的电能的很高的可供支配性。
图8示出了低压子网21的供电，该供电例如从电池单元41-1、41-2中经过所接入的能够反向截止的开关RSS_l 45-i、RSS_l 45-j、RSS_r 44-i、RSS_r 44-j进行。第一电流路径71从正极52经过能够反向截止的开关RSS_l45-i、经过接通的第二电池单元41-2并且经过另外的能够反向截止的开关RSS_r 44-i导引至负极51。此外，另一个电流路径72从正极52经过能够反向截止的开关RSS_l 45-j、经过接通的第一电池单元41-1、经过另外的能够反向截止的开关RSS_r 44-j导引至负极51。因为能够向前截止的开关VSS 90-1打开，则第一电池单元41-1和第二电池单元41-2关于低压子网21并联。
在并联的电池单元41-1、41-2的不同的电压水平中，进入低压子网21中的能量流动仅从具有较高的电压水平的那个电池单元41-1、41-2中进行。从带有较高的电压位置的电池单元41-1、41-2到带有较低的电压位置的电池单元41-1、41-2中的能量流动通过能够反向截止的开关RSS 44、45来禁止，该开关配设给带有较小的电压位置的电池单元41-1、41-2。
图9示出了能够反向截止的开关44、45和能够向前截止的开关90的可能的结构。能够反向截止的开关44、45的和能够向前截止的开关90的允过方向就此用I说明。
能够反向截止的开关RSS_r44例如包括IGBT、MOSFET 101或双极晶体管以及与此串联的二极管103。在图9中展示了带有其固有的二极管102的MOSFET 101。与MOSFET 101串联的二极管103背向着MOSFET 101的固有的二极管102的方向而极化。能够反向截止的开关RSS_r44使得电流在允过方向I上通过并且在相反的方向上截止。能够反向截止的开关RSS_l 45对应于RSS_r44，只不过构造有反转的极性，从而交换了允过方向和截止方向。
能够向前截止的开关VSS 90包括MOSFET 101，其中，其固有的二极管102一同被展示，作为替代方案是IGBT或双极晶体管。能够反向截止的开关RSS_l 45、RSS_r44和能够向前截止的开关VSS 90的特征尤其也在于几乎不能够察觉的在开关过程中的延迟，也即允许很短的转接持续时间。经过合适的操控电路，能够很准确地设定在能够反向截止的开关RSS_l 45、RSS_r44和能够向前截止的开关VSS 90的断开和接入之间的时间延迟。
下述的表格示出了电池40的位型110、111、112、113，该位型能够经过耦合设备33来设定。在此，位型XsYp表示：在串联中的X个电池单元41以及在并联中的Y个电池单元41。例如，2s1p表示关于高压子网20的两个电池单元41的串联，并且1s2p表示关于低压子网21的两个电池单元41的并联。表格所基于的电池40（未示出）例如包括四个电池单元41，所述电池单元能够给高压子网20和/或低压子网21各提供直到12V的电压。
在图10中展示了四个不同的运行阶段102、103、104、105，所述运行阶段的侦测或设定能够导致在耦合设备33中的转接过程101。第一运行阶段102是所述系统的被动阶段，在该阶段中例如会将机动车停放或停车。第二运行阶段103是机动车的起动阶段。第三运行阶段104是机动车的起停模式。第四运行阶段105是系统的主动阶段，例如机动车的行驶模式。
图11示出了在第一运行阶段102中的开关状态的设定，或者换而言之，在第一运行阶段102中的电池的可行的和优选的位型110、111、112、113。
第一位型110是1s4p，该位型例如按照之前所描述的表格能够理解为配设给高压子网20的一个电池单元41以及所有其它的也即在这里是四个关于低压子网21并联的电池单元41。在第一位型110中，利用能够由电池单元41提供的能量来给高压子网20供电。在电池单元41与第一位型110的并联中，带有最高的充电状态的电池单元41的放电自动地进行，并且设定了电池单元41的电荷平衡。
如果高压子网20应在第一运行阶段102中供电，则第二位型111也即4s1p能够被设定，这是优选的。
在第二位型111中，利用电池单元41的总电压来给高压子网20供电。额外地，电池单元41的电荷平衡能够经过低压子网21的供电的转变来进行。低压子网21的供电从唯一的电池单元41中进行。在所接入的电池单元41进行转变时，低压子网21的供电不是没有中断地进行。
低压子网21的供电在第二位型111中在停放阶段期间优选地从具有最高的充电状态的那个电池单元41中进行。通过这种挑选规则确保的是，带有最高的充电状态的电池单元41比另外的电池单元41更快速地放电。如果这种电池单元41的充电状态到达下部的极限值，则切换到接下来的电池单元41。
在第三位型112、即2s1p + 1s2p中（其中，关断在两个相邻的电池单元41之间的能够向前截止的开关VSS 90并且接入这些电池单元41的四个能够反向截止的开关RSS 44、45），高压子网20的供电利用经降低的电压、在此例如是利用最大可能的电压的四分之三来进行。电池单元41的电荷平衡经过低压子网21的供电的转变而可行。低压子网21的供电在电池单元41转变时没有中断地可行。
在第四位型113、即1s1p + 1s3p中（在该位型中，关断在三个相邻的电池单元41之间的两个能够向前截止的开关VSS 90并且接入这些电池单元41的六个能够反向截止的开关RSS 44、45），高压子网20的供电利用经降低的电压、在此例如是利用额定电压的四分之三来进行。电池单元41的电荷平衡能够经过在低压子网21的供电中的转变来进行。在此，低压子网21的供电经过所接入的电池单元41的转变能够没有中断。
当虽然能够利用经降低的电压来给高压子网20供电，但是此电压必要地高于能够由电池单元41提供的低压时，于是就优选地设定第三和第四位型112、113。在除了第一位型110以外的所有的位型111、112、113中，电池单元41的电荷平衡通过被考虑用于给低压子网21供电的那个电池单元41的转变来执行。这样的转变能够要么以低压子网21的来自电池单元41的直接的供电的短的中断来进行并且由此以用于车载电网1的缓冲（例如借助电容器28）的相应的措施来进行，要么以低压子网21的没有中断的供电来进行。但是，在最后提到的情况中，在转接阶段中必须忍受的是，短时地限定在高压子网20中的电压，例如限定到三分之二。
在图12中展示了在第二运行阶段103中的开关状态的设定。在此，将电池单元41接通到第一位型110中，也即在带有四个电池单元41的示例中接通为1s4p。在第一位型110中，电池40能够为了机动车的起动来输出最大可行的功率。低压子网21的供电从带有最大的充电状态的电池单元41中进行。此外，电池单元41的充电状态差的优化例如参照图11来说明。
图13展示了在第三运行阶段104中的开关状态的设定。第三运行阶段104具有停止模式131和起动模式132。在停止模式131中优选地设定第二位型111。在此，高压子网20的供电通过电池40来进行。在此，优选地，低压子网21的供电从带有最小的充电状态的电池单元41中进行。经此，得到了获得用于机动车的起动的功率能力的优化。在起动模式132中，设定了带有例如参照图11说明的特性的第一位型110。
图14展示了在第四运行阶段105中的开关状态的设定。第四运行阶段105具有推进模式141和回收模式142以及这样的模式143（该模式的特征在于：发电机30不将能量供应到车载电网1中）和另外的模式144，该模式的特征在于：发电机30仅将小的电能（例如少于12V或24V）供应至车载电网1中。
在推进模式141中，电池系统应将尽可能高的功率输出至发电机30。在回收模式142中，应能够利用尽可能高的功率来给电池系统充电。额外地，在推进模式141和回收模式142中，应能够提供或接收尽可能多的能量。因此，在推进模式141中和在回收模式142中优选地设定第二位型111，即4s1p。在推进模式141中，低压子网21的供电从带有最大的充电状态的那个电池单元41中进行，并且产生了电池单元41的充电状态差的优化。在回收模式142中，低压子网21的供电从带有最大的充电状态的那个电池单元41中进行，并且产生了电池单元41的充电状态差的优化。
在运行模式143、144中（在所述运行模式中，发电机30不将能量供应到车载电网1中或仅将小的电能供应到车载电网1中，例如用以覆盖能量需求，当较长时间地不进行回收模式142时），原则上能够设定所有四个位型110、111、112、113。在这些运行模式143、144中（在所述运行模式中，发电机30不将能量供应到车载电网1中或仅将小的电能供应到车载电网1中），适用对于第一运行阶段102所涉及的论断。如果在高压子网20中的电压能够下降至低压，则优选的是设定第一位型110。然后，其车载电网1几乎如同标准低压子网那样表现出特性，在该标准低压子网中，发电机30覆盖平均的车载电网负载。
利用所说明的实现方式，对于机动车的所个四个不同的运行阶段102、103、104、105能够按照经定义的规定来设定耦合设备33的开关状态。在所述说明还允许任选方案或替代方案的地方，能够通过以上所述的用于观察对于车载电网1的优化的运行策略的考虑来建立明确性，例如办法是：也利用低压来运行所述高压子网20。
第一位型110尤其也引人注意，当高压子网20不被用于高压耗件25的供电而是用于发电机30的最大功率的优化时。然后，发电机30能够在低压中在适度的功率中运行，并且所有的电池单元41的并联促成的是，利用与按照背景技术的与低压子网21相似的功能来设定车载电网1。发电机30能够提供平均的车载电网电流，并且电池40在这种状态中用作缓冲存储器。如果所有的电池单元41经过所述耦合单元33为了低压子网21的供电而并联，则自动地将带有最高的充电状态的那个电池单元41放电，并且自动地设定电池单元41的电荷平衡。如果以这种状态为出发点，提供发电机30的大功率（例如在推进模式141中），或者能够在回收过程中利用如此高的功率来回馈能量，即这在发电机30的低压运行中不能够被实现，则电池40经过在耦合单元33中的开关状态的改变而改型到第二位型111上。在使用耦合设备33的所说明的快速的半导体电路时，能够很小地保持为此必要的转换时间。
本发明不限于这里所描述的实施例和此处所强调的方面。其实，在通过权利要求所给出的范围内，位于本领域技术人员的实践中的多个变型方案是可行的。

Claims (11)

1. 用于机动车的车载电网（1），其中，车载电网（1）具有带有至少一个低压耗件（29）和起动器（26）的低压子网（21）以及带有至少一个高压耗件（25）和发电机（23）的高压子网（20），其中，高压子网（20）与低压子网（21）经过耦合单元（33）相连，该耦合单元被设定用于从高压子网（20）提取能量并且将该能量提供给低压子网（21），其中，高压子网（20）具有电池（40），该电池设定用于：产生高压并且将该高压输出给高压子网（20），并且该电池具有带有导引至耦合单元（33）的线路区段（80-11、80-12、...、80- n2）的至少两个电池单元（41-1、41-2、... 41-n），其中，耦合单元（33）设定用于：提供至少一个第一和第二位型（110、111），其中，在第一位型（110）中，从一个电池单元（41）供给高压子网（20）并且从至少一个电池单元（41）供给低压子网（21），并且其中，在第二位型（111）中，从所述电池（40）的多个电池单元（41）中供给高压子网（20）并且从一个单池单元（41）供给低压子网（21）。
2. 按照权利要求1所述的车载电网（1），其特征在于，在第一位型（110）中，至少两个电池单元（41）关于低压子网（21）彼此并联。
3. 按前述权利要求中任一项所述的车载电网（1），其特征在于，在第二位型（111）中，至少两个电池单元（41）关于高压子网（20）串联。
4. 按前述权利要求中任一项所述的车载电网（1），其特征在于，将耦合单元（33）设定用于：提供至少一个另外的运行状态，其中，在所述另外的运行状态中，分别从多个、尤其两个、三个或四个电池单元（41）中供给高压子网（20）和低压子网（21）。
5. 具有根据权利要求1至4中的任一项所述的内燃机和车载电网（1）的机动车。
6. 用于运行按照权利要求1至4中任一项所述的车载电网的方法，其中，用于设定第一和第二位型（110、111）进行的耦合单元（33）的控制是依赖于机动车的运行阶段（102、103、104、105）来进行的。
7. 按照权利要求6所述的方法，其中，第一运行阶段（102）的特征在于，机动车停止或停车，并且其中，在第一运行阶段（102）中，设定第二位型（111）。
8. 按照权利要求6或7所述的方法，其中，第二运行阶段（103）的特征在于，机动车被起动，并且其中，在第二运行阶段（103）中，设定第一位型（110）。
9. 按照权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，第三运行阶段（104）的特征在于，在启停模式中运行机动车，并且其中，在第三运行阶段（103）中，交替地设定第一位型（110）和第二位型（111）。
10. 按照权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，第四运行阶段（105）的特征在于，在行驶模式中运行所述机动车，并且其中，在第四运行阶段（105）中，设定第二位型（111）。
11. 按照权利要求6至10中任一项所述的方法，其特征在于，在第二位型（111）中，低压子网（21）的供电从具有最高的充电状态的那个电池单元（41）中进行。
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