CN107078535B - 用于机动车车载电网的多蓄能器系统 - Google Patents

用于机动车车载电网的多蓄能器系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种车载电网(200)，所述车载电网包括第一蓄能器(201)、第二蓄能器(202)、发电机(203)以及控制单元(230)，第一蓄能器在第一蓄能器(201)充满电时具有第一最大开路电压(101)，第二蓄能器在第二蓄能器(201)充满电时具有第二最大开路电压(104)，第二最大开路电压大于第一最大开路电压(101)，控制单元构造用于检测车辆(600)的回收运行。控制单元(230)进一步构造用于在车辆(100)处于回收运行中时使发电机(203)生成具有位于缓冲电压范围(105)中或之上的充电电压的电能。在此缓冲电压范围(105)介于第一最大开路电压(101)和第二最大开路电压(104)之间。

Description

用于机动车车载电网的多蓄能器系统
技术领域
本发明涉及用于在车辆的车载电网中提供多个电蓄能器的方法和相应装置。
背景技术
车辆(尤其是道路车辆、如轿车、货车或摩托车)通常具有车载电网，其构造用于由电能蓄能器(如低压电池)为车辆的一个或多个耗电器供应电能。
在车辆的车载电网中使用多个蓄能器可以是有利的，以便例如延长各个蓄能器的使用寿命，从而提高功率输出和/或以更高程度将车辆动能回收为电能并存储于车载电网中。尤其是在低压车载电网中(例如在约12V的车载电网电压下)除了铅蓄电池外也可使用一个或多个其它蓄能器(如一个或多个锂蓄电池)，以便存储由车辆发电机(如交流发电机)回收的电能。
发明内容
本文的技术任务在于提供用于车辆车载电网的蓄能器的有利组合。此外，本文的技术任务还在于以有利的方式运行车辆车载电网的蓄能器组合。
根据一个方面说明一种用于车辆(尤其是用于道路车辆、如轿车、货车或摩托车)的车载电网。该车载电网包括第一蓄能器和第二蓄能器。该第一蓄能器和第二蓄能器可彼此并联设置在车载电网中，必要时通过耦合元件设置在车载电网中，该耦合元件可完全或部分阻尼第一蓄能器和第二蓄能器之间的连接。
第一蓄能器在第一蓄能器充满电时具有第一最大开路电压并且第二蓄能器在第二蓄能器充满电时具有第二最大开路电压。在此，第二最大开路电压大于第一最大开路电压。在第一最大开路电压和第二最大开路电压之间的范围可用于将电能(必要时循环地)充入第二蓄能器中和/或从第二蓄能器中取出，在此充电电流或放电电流并不加载第一蓄能器。因此可提高第一蓄能器的使用寿命。
第二最大开路电压可小于或等于第一蓄能器的最大允许电压。由此可确保第一蓄能器不因车载电网电压升高至第二最大开路电压而损坏。必要时第二蓄能器也可具有高于第一蓄能器的最大允许电压的第二最大开路电压。由此存在保持未使用的第二蓄能器的容量区域。这对于第二蓄能器的使用寿命是有利的。
此外，第二蓄能器的第二最小开路电压可小于第一蓄能器的第一最大开路电压。因此在需要时两个蓄能器可同时用于吸收能量和/或为车载电网提供能量。
第一蓄能器可构造用于为车辆提供停车和/或起动电能。另一方面，第二蓄能器可构造用于以循环的方式存储和提供电能。优选地，第二蓄能器(与第一蓄能器相比)具有更高的循环稳定性。例如，第二蓄能器可设计用于在大于等于3000次完整循环中(相应于额定容量的至少3000次的放电电荷量)具有不超过20％的容量损失和最高50％的功率损失。
通过将任务明确分配给第一蓄能器和第二蓄能器能够使用针对相应任务优化的电池技术，并且在车载电网运行时避免第一或第二蓄能器的过度损坏/或使用寿命缩短。尤其是可最小化损坏并且最大化使用寿命。此外可使用针对相应任务成本优化的技术。总之可提供可靠且具有成本效益的车载电网。
通过将任务明确分配给第一蓄能器和第二蓄能器，可相应选择蓄能器的参数。尤其是基于任务分配，第二蓄能器可具有的额定容量等于第一蓄能器的额定容量的三分之一或更少。通常，用于循环蓄能器的蓄能器技术比用于停车能量的蓄能器技术更为昂贵。因此通过上述相对选择第一和第二蓄能器的参数可实现具有成本效益的车载电网。
通过将任务分配给第一蓄能器和第二蓄能器，可使用具有一个或多个下述特性的第二蓄能器。尤其是可使用具有最高25Ah额定容量的第二蓄能器。已表明上述容量足够用于循环吸收/释放电能(尤其是回收的电能)。因此可提供具有成本效益的第二蓄能器。
在回收时可提供具有处于缓冲电压范围中或之上的充电电压的电能，所述缓冲电压范围高于第一最大开路电压。第二蓄能器可在该缓冲电压范围中具有3Ah或更大的充电行程。由此可确保回收的电能能够尽可能完全被吸收。由此可减少车辆的能耗。
为了解决关于循环吸收/释放电能的任务，第二蓄能器可具有至少30的放电功率与总能量含量之比，尤其是在25℃的运行温度和50％的充电状态中。因此可确保也可在短时间吸收或提供相对大量的电能。
第二蓄能器可具有6.5毫欧或更小的内阻，尤其是在约50％的充电状态和约25℃的运行温度中。通过这种内阻可确保相对大量的回收电流也可完全用于为第二蓄能器充电。
第二蓄能器可在0℃或更低的运行温度时具有比第一蓄能器的电荷吸收能力更高的电荷吸收能力。通常，蓄能器的电荷吸收能力随着温度的下降而下降。这导致尤其是在相对低的运行温度时和相对短的车辆运行阶段中第一蓄能器可部分放电，该部分放电在行驶运行中不能再被完全充回。通过提高的电荷吸收能力，第二蓄能器也可在短的运行阶段中吸收相对大量的电能。该电能随后(例如在车辆的静止阶段中)可基于并联连接而至少部分地从第二蓄能器送给第一蓄能器。第一蓄能器因此也能够在短的运行阶段中并且在低的运行温度时可靠满足其关于提供停车能量和/或起动能量的任务。
第一蓄能器可包括一个或多个基于铅酸技术的电池单元。因此可有效地为分配给第一蓄能器的任务提供容量。此外可通过使用铅酸技术提供具有等于或小于约13V的第一最大开路电压的第一蓄能器。这种蓄能器因此可在车辆的12V/14V的低压车载电网中使用。
第二蓄能器可包括一个或多个下述组件或者说配置。例如多个下述组件可彼此并联设置。通过下面提到的组件可提供具有第二最大开路电压的第二蓄能器，该第二最大开路电压大于第一最大开路电压。此外，可提供具有第二最小开路电压的第二蓄能器，该第二最小开路电压小于第一最大开路电压。因此可提供如下第二蓄能器，其能够以循环方式吸收或释放电能(例如在车辆的(能量)回收运行中)，在此不加载第一蓄能器。必要时第二蓄能器的第二最大开路电压的值也可大于通常15.5－16V的最大系统电压。因此该电压范围可保持未使用。但这可在第二蓄能器没有运行至其最大开路电压时(即至充满电时)有利于第二蓄能器的使用寿命。
第二蓄能器尤其是可包括十个串联连接的基于镍金属氢化物技术的电池单元。替代或补充地，第二蓄能器可包括四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有金属氧化物阴极、尤其是镍锰钴(NMC)阴极和/或锰酸锂(LMO)阴极以及基于碳的阳极。替代或补充地，第二蓄能器可包括四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于碳的阳极。替代或补充地，第二蓄能器可包括六个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这六个电池单元具有金属氧化物阴极、尤其是镍锰钴(NMC)阴极和/或锰酸锂(LMO)阴极以及基于钛酸锂(LTO)的阳极。替代或补充地，第二蓄能器可包括八个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这八个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于钛酸锂(LTO)的阳极。
车载电网还可包括发电机，其构造用于生成用于车载电网的电能。发电机在此尤其是可暂时通过车辆的车轮和相连的传动系驱动，尤其是当车辆处于回收运行中时，在该回收运行中车辆的动能通过发电机转换为电能。发电机可构造用于生成具有不同电压的电能。尤其是可生成具有充电电压的电能，该充电电压位于缓冲电压范围中或之上，所述缓冲电压范围优选介于第一最大开路电压(尤其是大于第一最大开路电压)和第二最大开路电压之间。例如，缓冲电压范围可在必要时仅包括13V(尤其是大于13V)和16V之间的开路电压。因此可确保回收的电能仅被第二蓄能器吸收(在第一蓄能器充满电时)。由此在回收运行之后车载电网电压通常也大于第一最大开路电压(例如大于13V)。因此可在不实质性加载第一蓄能器的情况下从第二蓄能器中提取回收的电能。尤其是在车载电网电压位于缓冲电压范围中或之上时，可确保仅从第二蓄能器中提取电能。
车载电网可包括控制单元，该控制单元构造用于检测车辆的回收运行。例如可检测车辆制动踏板的操作和/或加速踏板角度小于或等于特定角度阈值并且内燃机因此处于拖曳运行中。控制单元还可构造用于在车辆处于回收运行中期间使发电机在必要时仅产生在缓冲电压范围中或之上的电能。如上所述可确保回收的电能主要由第二蓄能器吸收并且在回收之后再次由第二蓄能器送给车载电网。因此循环回收运行几乎不加载第一蓄能器。
车载电网可具有分离元件，该分离元件构造用于切断第二蓄能器和车载电网之间的电流。分离元件可具有电和/或机械开关。分离元件可关于第二蓄能器设置在接地侧或正极侧。控制单元可构造用于确定一个或多个分离条件的存在。此外，控制单元可构造用于在存在一个或多个分离条件时使分离元件切断第二蓄能器和车载电网之间的电流。
所述一个或多个分离条件可包括下述条件。在第一分离条件中，第一蓄能器具有等于或大于预定义的第一充电阈值(如充满电)的充电状态。此外，第二蓄能器可具有等于或大于预定义的第二充电阈值的充电状态。尤其是第二蓄能器可具有(例如至少以预定义的电压值)大于第一最大开路电压的开路电压。此外，在第一分离条件中，车辆处于静止阶段中。在这种情况下，可借助分离元件避免第一蓄能器通过第二蓄能器的电能过量充电。因此可保护第一蓄能器并且避免能量损失。
在第二分离条件中存在为车辆的紧急起动保留电能的指示。此外，车辆可处于静止状态中。例如可识别第二蓄能器的充电状态下降到预定义的阈值以下。在这种情况下可通过分离元件为紧急起动保留第二蓄能器的电能。为此目的，分离元件可为了激活车辆起动器而再次将第二蓄能器与车载电网连接。因此也可在较长的停车时间和/或高度停车放电后保证车辆起动。
在第三分离条件中存在应在第一蓄能器上和/或第二蓄能器上进行开路电压测量的指示。通过分离元件可分离第一蓄能器与第二蓄能器。因此可为相应蓄能器实施可靠的开路电压测量。
车载电网可具有可跨接的附加电阻(也称为耦合元件)，该附加电阻将车载电网分为具有第一蓄能器的第一部分和具有第二蓄能器的第二部分。可跨接的附加电阻例如可具有能通过电或机械开关跨接的电阻。为此该开关可并联于电阻设置。车辆起动器可设置在车载电网的第一部分中。另一方面，在车载电网电压扰动时具有不希望性能的一个或多个耗电器可设置在车载电网的第二部分中。通过可跨接的附加电阻能够阻尼在车载电网的第二部分中的车载电网电压波动(尤其是在发动机起动期间)。此外，与完全分离车载电网部分相反，可确保第一和第二蓄能器的电能始终供应于整个车载电网中。此外可确保即使在紧急运行中电能也可从发电机经过电阻传输给车载电网的第二部分。为此目的发电机可生成具有更高电压的电能，以便克服电阻。
控制单元可构造用于在车辆发动机起动之前的滑行运行中在起动器激活的情况下解除可跨接附加电阻的跨接。因此可阻尼在车载电网的第二部分中的电压扰动，从而减弱对在车载电网的第二部分中的耗电器的不利影响。另一方面还可确保对(尤其是安全关键性的)耗电器的可靠供电。
发电机可设置在车辆的第一区域中(通常紧邻车辆的内燃机)。第一区域在此包括车辆的前部区域或尾部区域。第二蓄能器于是也可设置在车辆的第一区域中。因此可减少发电机和第二蓄能器之间的线路电阻并由此提高在回收运行中的效率。此外可降低对第二蓄能器内阻的要求以及第二蓄能器的成本。
第一蓄能器可设置在车辆的第一区域中(即发电机和车辆起动器附近)。因此可确保以第一蓄能器的能量有效起动内燃机。另一方面，第一蓄能器可设置在车辆的第二区域中，该第二区域相应于车辆的与第一区域相反的区域(例如代替前部区域设置在尾部区域中或代替尾部区域设置在前部区域中)。通过蓄能器在车辆中的这种分布可为分布在车辆中的耗电器提供均匀的电压供应。此外，在行李和/或重量分布和/或安全性方面的分布式设置可以是有利的。
根据另一方面说明一种用于车辆的车载电网，所述车载电网包括第一蓄能器和第二蓄能器。第一蓄能器在此包括基于铅酸技术的电池单元。第二蓄能器包括一个或多个上述组件。因此可在车辆的回收运行中回收在缓冲电压范围中的电能并在第二蓄能器中接收并且再次释放，在此不会(实质性)不利影响第一蓄能器。
根据另一方面说明一种用于车辆的车载电网，所述车载电网包括第一蓄能器和第二蓄能器。该第一和/或第二蓄能器在此具有一个或多个本文所描述的特征。因此可为车辆提供具有成本效益且可靠的车载电网。
根据另一方面说明一种用于车辆的车载电网，所述车载电网包括第一蓄能器和第二蓄能器。此外该车载电网还包括发电机，其构造用于生成用于车载电网的电能。该发电机可设置在车辆的第一区域中(通常紧邻车辆的内燃机)。第一区域在此包括车辆的前部区域或尾部区域。第二蓄能器也可设置在车辆的第一区域中。由此可减少发电机和第二蓄能器之间的线路电阻并由此提高在回收运行中的效率。尤其是可降低对第二蓄能器内阻的要求和因此第二蓄能器的成本。
根据另一方面说明一种车辆(如轿车、货车或摩托车)。该车辆可包括本文所描述的车载电网。
根据另一方面说明一种控制单元，该控制单元可包括一个或多个本文所描述的特征。尤其是，该控制单元可构造用于控制发电机、分离元件和/或车载电网的耦合元件。该控制单元可分布在多个控制器上。例如分离元件可通过蓄能器的控制器来控制。发电机和/或耦合元件可通过用于车载电网的电源管理的控制器来控制。
根据另一方面说明一种方法，该方法例如可由本文所描述的控制单元来实施并且包括这样的特征，其相应于本文所描述的控制单元的特征。
应指出，本文中所描述的方法、装置和系统不仅可单独使用，而且也可结合其它本文所描述的方法、装置和系统来使用。另外，本文所描述的方法、装置和系统的任何方面可以多种方式相互组合。
附图说明
下面参考实施例详细说明本发明。附图如下：
图1为车载电网的蓄能器的示例性电压范围；
图2为车辆的车载电网中的示例性能量流；
图3为一种示例性车载电网的框图；
图4为一种包括耦合元件的示例性车载电网的框图；
图5为一种包括多个子车载电网的示例性车载电网的框图；
图6a、6b和6c为蓄能器在车辆中的示例性布置。
具体实施方式
如开头所述，本文涉及提供具有多个蓄能器的车辆车载电网。多个蓄能器尤其是用于尽可能多地将车辆动能回收为电能并供应给车载电网。
此外应以可靠方式提供停车和起动能量。此外应确保车载电网的各种蓄能器不因对车载电网的不同要求(循环吸收和释放回收能量、提供停车能量、提供起动能量、提供辅助能量等)受到实质性损坏并因此减少蓄能器的使用寿命。
图3示出一种包括多个蓄能器201、202的示例性车载电网200。该车载电网200尤其是包括第一蓄能器ES1 201和第二蓄能器ES2202。车载电网200还包括构造用于产生电能的发电机203。发电机203在此可通过车辆的内燃机(未示出)和/或通过动力传送系统的其它部件和/或车辆车轮来驱动。车载电网200还包括构造用于起动车辆的内燃机的起动器303。发电机203和起动器303可构造为组合起动器－发电机(如在图4中通过附图标记403所示)。此外，该车载电网还包括车辆的一个或多个耗电器305(如前照灯、照明装置、空调/加热元件等)，它们借助来自发电机203和/或蓄能器201、202的电能运行。
第一蓄能器201和第二蓄能器202彼此并联连接。第一蓄能器201例如基于铅酸技术。第一蓄能器201可具有液态电解质或通过玻璃纤维毡(AGM电池)或胶质(铅胶体电池)固定的电解质。通过铅酸电池实现的第一蓄能器201在其用于12V/14V车载电网的实施方式中具有六个串联连接的单元，这六个单元分别可包括多个并联连接的电极对和/或电池单元。
第二蓄能器202可以不同蓄能器技术构造。在一种优选示例中，第二蓄能器202的电压水平超过第一蓄能器201的电压水平。尤其是，第二蓄能器202的开路电压可超过第一蓄能器201的开路电压。这例如在图1中示出。尤其是，图1示出第一蓄能器ES1 201在充满电(100％)时的第一最大开路电压101。第二蓄能器ES2 202在充满电(100％)时具有第二最大开路电压104，该第二最大开路电压超过第一最大开路电压101。也就是说，第二蓄能器202通过吸收电能可比第一蓄能器201具有更高的开路电压。因此通过确定车载电网200中的电压可控制第一蓄能器201是吸收电能还是释放电能。尤其是可通过确定车载电网200中的电压基本上禁止通过第一蓄能器201循环吸收/释放电能。因此也可在循环回收制动能量并将能量送回车载电网200时避免实质性缩短基于铅酸技术的第一蓄能器201的使用寿命。
第二蓄能器202可包括一个或多个下述配置或者说组件。例如多个下述配置可彼此并联设置，以便提供第二蓄能器202。通过这些配置尤其是可确保存在超过第一蓄能器201的最大开路电压101的第二最大开路电压104。在此可使用具有不同蓄电池技术的蓄电池-电池单元(简称电池单元)。“电池单元”在下面指这样的单元，其具有相应蓄电池技术所特有的额定电压。物理上这种电池单元可包括多个并联的元件。第二蓄能器202可包括的示例性配置(尤其是用于12V低压车载电网)如下：
－十个串联连接的基于镍金属氢化物技术的电池单元；
－四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有金属氧化物阴极、尤其是镍锰钴(NMC)阴极和/或锰酸锂(LMO)阴极以及基于碳的阳极；
－四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于碳的阳极；
－六个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这六个电池单元具有金属氧化物阴极、尤其是镍锰钴(NMC)阴极和/或锰酸锂(LMO)阴极以及基于钛酸锂(LTO)的阳极；和/或
－八个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这八个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于钛酸锂(LTO)的阳极。
电池单元的阴极和阳极可分别包括尤其是用于改善电极特性的其它添加剂、如导电添加剂。这种添加剂的相应比例在此优选低于10％。对于具有更高电压、如24V或48V的车载电网可相应调整串联电池单元的数量。
通过上述配置可确保第一蓄能器201具有第一最大开路电压101，其小于第二蓄能器202的第二最大开路电压104。车载电网200因此可在回收情况下在介于第一最大开路电压101和第二最大开路电压104之间的电压范围105中或之上运行。电压范围105可称为缓冲电压范围105。缓冲电压范围105具有下极限电压102，该下极限电压通常大于或等于第一最大开路电压101。此外缓冲电压范围105具有上极限电压103，该上极限电压通常小于第二最大开路电压104。缓冲电压范围105可用于回收电能并且存储于第二蓄能器202中，并且随后将该电能再次供应至车载电网200用于一个或多个耗电器305的运行。在此基于缓冲电压范围105的位置基本上避免了第一蓄能器201循环吸收和释放电能，因此第一蓄能器201的使用寿命不因回收运行而实质性减少。
尤其是，车载电网200的发电机203能够在回收运行中产生具有充电电压的电能，该充电电压位于缓冲电压范围105中或之上。在此第二蓄能器ES2的充电状态和因此开路电压通常随着回收运行的持续进行而增加并且在密集的回收运行中也可能超过缓冲电压范围105。
第一蓄能器201可主要用作能量储存装置(例如用于停车运行或起动器)。另一方面，第二蓄能器202可致力于循环吸收/释放回收的电能。为此，第一蓄能器201的额定容量优选是第二蓄能器202的额定容量的至少三倍。换言之，在明确划分车载电网200中的蓄能器201、202的任务(能量储存vs.回收和循环负荷/功率缓冲)时，可使用相对小的第二蓄能器202，其额定容量仅相当于第一蓄能器201的额定容量的三分之一或更小。额定容量在此表示蓄能器从其充满电起在25℃时以恒定检测电流放电(根据相应蓄能器技术常见的检测方法)直至达到技术特定的下断路电压所释放的电荷。
图1示例性示出第一蓄能器201的第一额定容量111和第二蓄能器202的第二额定容量112。在一种优选示例中第二蓄能器202具有最大25Ah的第二额定容量112。
如上所述，第二蓄能器202可致力于电能的循环吸收和释放(例如通过在缓冲电压范围105之内运行)。在此情况下，第二蓄能器202设计用于吸收或释放尽可能高的功率。在一种优选示例中，第二蓄能器202在25℃和50％的充电状态中进行10秒放电时具有至少30(如40)的P/E比(放电功率与总能量含量之比)。例如，在以所用技术常见的电流、例如在锂离子技术中以简单的额定电流进行容量检测时，第二蓄能器202可在约25℃和约50％的充电状态中在下放电电压处具有约3kW的放电功率以及约100Wh的总能量含量。
此外，优选为第二蓄能器202使用具有相对高的循环稳定性的技术(尤其是比第一蓄能器201更高的循环稳定性)。例如，第二蓄能器202可设计用于在容量损失最高20％并且功率损失最大50％的情况下3000或更多次的完整循环(相当于至少3000次额定容量的放电电荷量)。
与第一蓄能器201所用的铅酸技术相比，所有上述用于第二蓄能器202的配置具有实质性改善的电荷吸收能力(在高于10℃的适当温度下)。所述改善的电荷吸收能力可在回收功能范围中使用，以便减少机动车的燃料消耗。
图2示出车载电网200的一种示例性运行。第二蓄能器202可部分地或仅在第一蓄能器201的充满电之上运行。尤其是第二蓄能器202可部分地或仅在缓冲电压范围105中运行。因此回收功能也可在第一蓄能器201不参与或仅少量参与的情况下进行。从而可避免或至少限制第一蓄能器201的显著部分放电运行。这有利地影响基于铅酸技术的第一蓄能器201的使用寿命。通过提高第二蓄能器202的电压水平，吸收的回收能量在回收阶段结束后被送至车载电网并且因此可基于发电机203的减少的驱动功率需求而降低燃料消耗。通过电压位置，第一蓄能器201在电荷量方面受到的负荷明显小于第二蓄能器202。
在回收时可通过车载电网的控制单元230(例如通过发电机203的控制器)提高车载电网电压210，以便生成在电压范围212至213中的电能。由发电机203尤其是可生成具有特定充电电压213的电能。充电电压213可位于图1的缓冲电压范围105中或之上。由发电机203回收的电能作为能量220被储存或作为能量221直接被送至车载电网200的耗电器305。能量220主要存储于第二蓄能器202中。但根据电压位置212、213，能量220的一(通常较小的)部分222可存储于第一蓄能器201中。随后可由蓄能器201、202为车载电网200提供能量225、224。
第二蓄能器202优选以这样的技术构造(例如以具有钛酸锂阳极的锂离子技术)，其即使在相对低的温度(例如0℃或以下)时仍具有与第一蓄能器201相比更好的电荷吸收能力。因此即使在外界温度较低(例如0℃或以下)时也可确保基于铅酸技术的第一蓄能器201的高充电状态。尤其是可通过第二蓄能器202的相对高的电荷吸收能力实现即使在短的充电阶段内由发电机203生成的能量220仍可被第二蓄能器202吸收。存储在第二蓄能器202中的能量可在晚些时候(如在停车时)通过并联电路的无源耦合在不使用有源能量转换元件的情况下传输给第一蓄能器201(图2中的能量223)。
换言之，铅酸技术通常导致第一蓄能器201在温度较低时相对差的电荷吸收能力。因此，在具有短充电周期的运行情况中(如短距离行驶)，从第一蓄能器201取出的能量225只能被不充分地补充充电，以致第一蓄能器201的充电状态基于短充电阶段而下降。通过第二蓄能器202的实质性充电(基于相对高的电荷吸收能力)，第二蓄能器202也可在停车时如同充电器那样作用于第一蓄能器201并为第一蓄能器201补充充电。因此可确保第一蓄能器201的较高充电状态并且因此延长第一蓄能器201的使用寿命。
通过使车载电网200在基本上高于第一蓄能器201的充满电状态的电压范围105中运行，显著减少了第一蓄能器201的电荷转换。这有利于第一蓄能器201的使用寿命。
可为第一蓄能器201配置被称为智能电池传感器(IBS)的控制器301，该控制器借助电压、电流和可选的温度监控第一蓄能器201的状态(参见图3)。第一蓄能器控制器301例如可确定关于第一蓄能器201的充电状态和效率的信息并提供给车辆上级控制器230。
第二蓄能器202可具有集成在蓄能器中的、称为电池管理系统(BMS)的控制器302。第二蓄能器控制器302可借助电压、电流和可能的温度监控第二蓄能器202的状态。此外，第二蓄能器控制器302例如可确定关于第二蓄能器202的充电状态和效率的信息并提供给上级控制器230。此外通过测量第二蓄能器202的电池单元组的子组电压，可获取电池单元312的平衡状态、即充电状态和/或功率状态的均匀分布，并且必要时可通过有源平衡装置(DC/DC转换器)或无源平衡装置(通过电阻与电池单元组的具有过高充电状态的子组的并联连接)进行补偿。
尤其是在第二蓄能器202以锂离子技术构造时，第二蓄能器202可具有机械或电子继电器形式的电分离元件304。该分离器元件304可由第二蓄能器控制器302和/或由控制单元230控制。通过该分离元件304，第二蓄能器202可在由安全或老化方面引起的临界状态中与车载电网200分开并且因此可避免进一步的后果。
替代或补充地，分离元件304可在车载电网200运行策略的范围中用于：
－在第一蓄能器201或总能量存储系统即将放电时保留用于发动机起动的能量储备。
－为第一蓄能器上的第一蓄能器控制器301和/或为第二蓄能器202的第二蓄能器控制器302提供开路电压测量的可能性，以便允许精确确定相应蓄能器201、202的充电状态。
－避免第一蓄能器201损坏(例如在下面所描述的运行情况中)。
一种示例性的运行情况是，当第一蓄能器201充满电并且第二蓄能器202的充电状态相对高时，打开分离元件304可以是有意义的。由于第一蓄能器201已经充满电，因此不能从第二蓄能器202向第一蓄能器201进行转移充电。但在基于铅酸技术的第一蓄能器201中，析气流会随着电压升高而超比例增加并且因此可导致第一蓄能器201损坏。因此可以有利的是，在停放车辆后借助分离元件或者说开关元件304将第二蓄能器202与车载电网200分开，以防止第一蓄能器201损坏。
如图3所示，可在车载电网200中通过相应线路连接两个蓄能器ES1 201和ES2 202的正极，并且负极分别与作为接地线的车身连接或通过相应线路直接彼此连接。耗电器305可以是永久连接或可通过开关元件分离的耗电器。为了简化显示，耗电器305在附图中仅显示为单个耗电器。
在图3所示示例中，在第一蓄能器201的接地线路中设置电池传感器301。第二蓄能器202除了电池单元312外还包括电池管理系统302和开关、即分离元件304。开关304可构造成电子或机械的并且必要时可设置在第二蓄能器202的壳体之外和/或集成在接地路径中。发电机203也可(如图4所示)构造为所谓的起动器发电机。在此情况下必要时可省却起动器303。
图4示出车载电网200，其中，总车载电网200可通过耦合元件401分为两个部分。尤其是可通过耦合元件401影响第一蓄能器201和第二蓄能器202之间的能量交换程度。耦合元件401设置在第一蓄能器201和第二蓄能器202之间。车载电网耗电器305、405可连接到两个车载电网分支之一中或必要时也可并联连接到两个车载电网分支或者说子车载电网中。哪个耗电器305、405连接到哪个车载电网分支中可取决于相应耗电器305、405的电压稳定性要求。要求电压具有较高稳定性的耗电器305可设置在第二蓄能器202的车载电网分支中，而对于电源电压的稳定性要求较低的耗电器405可设置在第一蓄能器201的车载电网分支中。
耦合元件401可借助可跨接的二极管和/或借助可跨接的附加电阻来实现。尤其是耦合元件401可包括阻尼元件(如电阻)，通过其来阻尼第一车载电网分支中、即第一蓄能器201的车载电网分支中的车载电网电压的波动，使得在第二车载电网分支中、即在第二蓄能器202的车载电网分支中出现相对减小的车载电网电压波动。为此可这样设计耦合元件401，使得耦合元件401虽然具有阻尼作用，但不分离第一和第二车载电网分支中的电位。
通过使用耦合元件401可在一个方向上(在使用二极管的情况下)或者说通过电阻可在强度方面影响能量流。当在耦合元件401中使用电子或机械开关时，可使所述车载电网分支彼此完全分离。耦合元件401的开关元件的选择在此通常依据起动系统303在电流需求方面的特征以及车载电网耗电器305、405在电压稳定性要求方面的特征和蓄能器201、202的特性。尤其是在所谓滑行运行中实现发动机停止功能时，在此确保在规定电压范围中为所有安全关键性的耗电器305、405供电。这可通过相应设计和控制耦合元件401来实现。
图5示出车载电网200通过并联或串联连接的蓄能器502以及通过车载电网扩展部503、504的进一步扩展，所述扩展部通过开关元件和/或DC/DC转换器耦合。这种扩展可结合本文所描述的方面使用。在此也可在基础车载电网501中使用图4中所示的耦合元件401。
图6a、6b和6c示出蓄能器201、202在车辆600中的示例性布置。为了实现在车辆600中有利的重量分布，第一蓄能器201在具有后置式驱动装置的车辆600中通常设置在车辆600的尾部区域中。如图6a所示，第二蓄能器202可在尾部区域中直接设置在第一蓄能器201旁。这因使用第二蓄能器202而具有较小更改范围的优点。另一方面产生相对大的从发电机203至第二蓄能器202的线路长度(当发电机203和内燃机601位于车辆600前部区域中时)。
在回收功能的背景下(在其范畴中应以最高效率传输尽可能高的电流)，发电机203和第二蓄能器202之间的连接线路长度十分重要。线路系统中的较大损耗提高了对于第二蓄能器202较小充电内阻方面的要求并因此导致更高成本。此外，图6a中所示的布置导致定位在前部区域中的高功率耗电器、如转向装置、制动系统和稳定性系统的线路过长。
在图6b所示布置中，第二蓄能器202紧邻发电机203设置。由此馈电线电阻通常减少1.5－2毫欧并且总线路电阻减少直至50％(与图6a所示布置相比)。此外，在车载电网稳定性方面产生这样的优点，即，在车辆600的前部区域中(即在第二蓄能器202附近)的耗电器305可直接获益于第二蓄能器202的稳定作用。
在图6c中示出另一种布置，其在回收潜力和所产生的对于第二蓄能器202的要求方面与图6b的布置类似。此外，通过将第一蓄能器201设置在车辆600的前部区域中(和因此在内燃机601以及起动器303附近)，产生起动器303的可用起动功率方面的优点。此外，基于减少的线路长度产生成本优势。另一方面，在车辆600的后部区域中的耗电器405的电压稳定性受到限制。此外，在回收情况下通常在第一蓄能器201上产生更高的电压，这可不利地影响第一蓄能器201的使用寿命并且这能够或必须通过相应线路和连接设计进行补偿。
如结合图1和2所说明的，在回收情况下车载电网电压210可升高到位于缓冲电压范围105中或之上的充电电压213。缓冲电压范围105在此优选高于第一最大开路电压101。此外应确保充电电压213和因此缓冲电压范围105中的电压不大于第一最大电压，从该第一最大电压起蓄能器201损坏。在具有固定电解质的铅酸电池中，第一最大电压通常为14.8－15.2V。在具有液态电解质的铅酸电池中第一最大电压为16.0V。发电机203可构造用于提供最大15.5－16.0V范围内的输出电压、即充电电压213。必要时也可使用更高的充电电压213，以便补偿线路不利尺寸时的高线路损耗。
下面说明车载电网200的示例性参数选择。第一蓄能器201上的充电电压可以是14.8V。发电机203的最大输出电流可以是250A。可以假设：第一蓄能器201充满电并且具有13V的第一最大开路电压101，并且在车辆尾部区域中的车载电网电流为40A，并且存在常见的线路电阻。第二蓄能器202的开路电压也约为13.0V。为了能够在回收情况下完全吸收由发电机203生成的电流，在上述假设下第二蓄能器202在常见的负载循环试验温度(20－30℃)中对于10秒持续时间的充电脉冲具有最大8.5毫欧的内阻。当使用功率更强的、具有400A最大电流的发电机203且其它边缘条件相同时，允许内阻减小到5毫欧。当第二蓄能器202设置在尾部区域中时(如图6a所示)并且发电机电压限制在15.5V时，关于内阻的要求提高到最大7.6毫欧(在250A输出电流时)或2.9毫欧(在400A输出电流时)。这些对于内阻的更高要求尤其是基于发电机203和第二蓄能器202之间的附加线路电阻产生。因此有利的是，第二蓄能器202紧邻发电机203设置。
约3Ah的充电行程(Ladungshub)可用于回收，以便能够在车辆600常见的负载试验循环中最大程度地利用回收阶段。该充电行程在图1中以附图标记113表示。在此应在缓冲电压范围105中(例如在13.0V至14.0V的范围中)提供充电行程，以避免第一蓄能器201的部分放电以及在第一蓄能器201上的持续过高的电压(这种电压可导致显著增加的析气流和对第一蓄能器201的相应损坏)。对于上述缓冲电压范围105产生13.5V的平均电压水平，这导致第二蓄能器202的内阻要求提高至最大6.5毫欧(250A发电机)或最大3.6毫欧(400A发电机)。
在本文中描述了多种用于提供车载电网200的措施，其以具有成本优势的方式实现了高度回收。尤其是描述了这样的车载电网200，其中，第二蓄能器202设置在车辆前部区域中、即紧邻发电机203以便吸收回收能量。另一方面，用于提供停车和起动能量的第一蓄能器201可设置在车辆前部或后部区域中。第一和第二蓄能器201、202可直接并联连接，或尤其是结合起动器发电机403设有耦合元件401并且与该耦合元件连接。
在优选示例中，第二蓄能器202包括一个或多个本文所描述的蓄能器配置。通常，第二蓄能器202的最大25Ah的总容量足够用于本文所描述的回收功能，因此第二蓄能器202可以低成本方式实现。如本文中所描述的，第二蓄能器202主要用于循环吸收和提供回收的电能，因此第二蓄能器202应具有尽可能高的、在25℃时至少30的P/E比(10秒放电与总能量含量之比)。为了能够在回收阶段中尽可能完全吸收生成的能量，第二蓄能器202可在开路电压范围13.0V至14.0V中具有3Ah的充电行程。此外，在从在50％能量含量时处于开路电压范围13.0V－14.0V中的开路电压起，在25℃时充电10秒的情况下，第二蓄能器202可具有最大6.5毫欧的关于充电的内阻。
对于本文所描述的功能划分，第一蓄能器201的容量至少可以是第二蓄能器202的容量的三倍。
本发明不局限于所显示的实施例。特别是应指出，说明书和附图仅应说明所提出方法、装置和系统的原理。

Claims (22)

1.用于车辆(600)的车载电网(200)，该车载电网(200)包括：
-第一蓄能器(201)，其在第一蓄能器(201)充满电时具有第一最大开路电压(101)；
-第二蓄能器(202)，其在第二蓄能器(202)充满电时具有第二最大开路电压(104)，第二最大开路电压(104)大于第一最大开路电压(101)；
-发电机(203)，其构造用于生成用于车载电网(200)的电能；和
-控制单元(230)，其构造用于检测车辆(600)的回收运行；并且在车辆(600)处于回收运行中期间使发电机(203)生成具有位于缓冲电压范围(105)中或之上的充电电压(213)的电能；所述缓冲电压范围(105)介于第一最大开路电压(101)和第二最大开路电压(104)之间；
其中，
-该车载电网(200)具有可跨接的附加电阻(401)，该附加电阻将车载电网(200)分为具有第一蓄能器(201)的第一部分和具有第二蓄能器(202)的第二部分；并且
-所述控制单元(230)构造用于在车辆(600)的滑行运行中在起动器(303)激活的情况下解除可跨接的附加电阻(401)的跨接，
其中，
-所述车载电网(200)具有分离元件(304)，该分离元件构造用于切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；并且
-所述控制单元(230)构造用于确定一个或多个分离条件的存在；并且在存在一个或多个分离条件时使分离元件(304)切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；
所述一个或多个分离条件包括一个或多个如下条件：
-第一分离条件，其中，第一蓄能器(201)具有等于或大于预定义的第一充电阈值的充电状态，第二蓄能器(202)具有等于或大于预定义的第二充电阈值的充电状态，并且车辆(600)处于静止阶段中；和/或
-第二分离条件，其中，存在为车辆(600)的紧急起动保留电能的指示；和/或
-第三分离条件，其中，存在应在第一蓄能器(201)上和/或第二蓄能器(202)上进行开路电压测量的指示。
2.根据权利要求1所述的车载电网(200)，其中，所述控制单元(230)构造用于在车辆(600)处于回收运行中期间使发电机(203)生成仅具有位于缓冲电压范围(105)中或之上的充电电压(213)的电能。
3.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，
-所述第一最大开路电压(101)等于或小于13V；和/或
-所述第二最大开路电压(104)等于或大于14V；和/或
-所述缓冲电压范围(105)具有在13V和14V之间的电压。
4.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，
-第一蓄能器(201)构造用于为车辆(600)提供停车和起动电能；和/或
-第二蓄能器(202)构造用于以循环方式存储和提供电能。
5.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，
-第一蓄能器(201)构造用于为车辆(600)提供停车和起动电能；和
-第二蓄能器(202)构造用于以循环方式在第二蓄能器(202)的额定容量(112)损失20％或小于20％和/或功率损失50％或小于50％的情况下以3000或大于3000次完整循环的循环方式存储和提供电能。
6.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，
-第二蓄能器(202)构造用于以循环方式在第二蓄能器(202)的额定容量(112)损失20％或小于20％和/或功率损失50％或小于50％的情况下以3000或大于3000次完整循环的循环方式存储和提供电能。
7.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，所述第二蓄能器(202)所具有的额定容量(112)等于第一蓄能器(201)的额定容量(111)的三分之一或小于三分之一。
8.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，所述第一蓄能器(201)包括基于铅酸技术的电池单元。
9.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，所述第二蓄能器(202)包括以下一项或多项
-十个串联连接的基于镍金属氢化物技术的电池单元；
-四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有除了磷酸铁锂阴极(LFP)的金属氧化物阴极以及基于碳的阳极；
-四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于碳的阳极；
-六个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这六个电池单元具有金属氧化物阴极以及基于钛酸锂(LTO)的阳极；和/或
-八个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这八个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于钛酸锂(LTO)的阳极。
10.根据权利要求9所述的车载电网(200)，其中，
所述金属氧化物阴极是镍锰钴(NMC)阴极和/或锰酸锂(LMO)阴极。
11.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，所述第二蓄能器(202)具有
-最高25Ah的额定容量(112)；和/或
-至少30的放电功率与总能量含量之比；和/或
-在缓冲电压范围(105)中3Ah或大于3Ah的充电行程(113)；和/或
-6.5毫欧或小于6.5毫欧的内阻。
12.根据权利要求11所述的车载电网(200)，其中，
所述第二蓄能器(202)在25℃的运行温度和50％的充电状态中具有至少30的放电功率与总能量含量之比。
13.根据权利要求11所述的车载电网(200)，其中，
所述第二蓄能器(202)在50％的充电状态、25℃的运行温度和/或缓冲电压范围(105)中具有6.5毫欧或小于6.5毫欧的内阻。
14.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，所述第二蓄能器(202)在0℃或小于0℃的运行温度时具有比第一蓄能器(201)的电荷吸收能力更高的电荷吸收能力。
15.根据权利要求1或2所述的车载电网(200)，其中，
-所述发电机(203)设置在车辆(600)的第一区域中；
-该第一区域包括车辆(600)的前部区域或尾部区域；并且
-第二蓄能器(202)设置在车辆(600)的第一区域中。
16.根据权利要求15所述的车载电网(200)，其中，所述第一蓄能器(201)设置在第一区域中；或者所述第一蓄能器设置在第二区域中，该第二区域相应于车辆(600)的与第一区域相反的区域。
17.用于车辆(600)的车载电网(200)，其中，所述车载电网(200)包括：
-第一蓄能器(201)，该第一蓄能器(201)包括基于铅酸技术的电池单元；和
-第二蓄能器(202)，该第二蓄能器(202)包括以下一项或多项
-十个串联连接的基于镍金属氢化物技术的电池单元；
-四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有除了磷酸铁锂阴极(LFP)的金属氧化物阴极以及基于碳的阳极；
-四个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这四个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于碳的阳极；
-六个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这六个电池单元具有金属氧化物阴极以及基于钛酸锂(LTO)的阳极；和/或
-八个基于锂离子技术的电池单元的串联电路，这八个电池单元具有磷酸铁锂阴极(LFP)以及基于钛酸锂(LTO)的阳极，
其中，
-该车载电网(200)具有可跨接的附加电阻(401)，该附加电阻将车载电网(200)分为具有第一蓄能器(201)的第一部分和具有第二蓄能器(202)的第二部分；并且
-控制单元(230)构造用于在车辆(600)的滑行运行中在起动器(303)激活的情况下解除可跨接的附加电阻(401)的跨接，
其中，
-所述车载电网(200)具有分离元件(304)，该分离元件构造用于切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；并且
-所述控制单元(230)构造用于确定一个或多个分离条件的存在；并且在存在一个或多个分离条件时使分离元件(304)切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；
所述一个或多个分离条件包括一个或多个如下条件：
-第一分离条件，其中，第一蓄能器(201)具有等于或大于预定义的第一充电阈值的充电状态，第二蓄能器(202)具有等于或大于预定义的第二充电阈值的充电状态，并且车辆(600)处于静止阶段中；和/或
-第二分离条件，其中，存在为车辆(600)的紧急起动保留电能的指示；和/或
-第三分离条件，其中，存在应在第一蓄能器(201)上和/或第二蓄能器(202)上进行开路电压测量的指示。
18.根据权利要求17所述的车载电网(200)，其中，
所述金属氧化物阴极是镍锰钴(NMC)阴极和/或锰酸锂(LMO)阴极。
19.用于车辆(600)的车载电网(200)，其中，所述车载电网(200)包括：
-第一蓄能器(201)；和
-第二蓄能器(202)；
-所述第二蓄能器(202)具有的额定容量(112)等于第一蓄能器(201)的额定容量(111)的三分之一或小于三分之一；和/或
-所述第二蓄能器(202)在0℃或小于0℃的运行温度时具有比第一蓄能器(201)的电荷吸收能力更高的电荷吸收能力；和/或
-所述第二蓄能器(202)具有最高25Ah的额定容量(112)；和/或
-所述第二蓄能器(202)具有至少30的放电功率与总能量含量之比；和/或
-所述第二蓄能器(202)对于车辆(600)的回收运行具有3Ah或大于3Ah的充电行程(113)；和/或
-所述第二蓄能器(202)具有6.5毫欧或更小的内阻，
其中，
-该车载电网(200)具有可跨接的附加电阻(401)，该附加电阻将车载电网(200)分为具有第一蓄能器(201)的第一部分和具有第二蓄能器(202)的第二部分；并且
-控制单元(230)构造用于在车辆(600)的滑行运行中在起动器(303)激活的情况下解除可跨接的附加电阻(401)的跨接,
其中，
-所述车载电网(200)具有分离元件(304)，该分离元件构造用于切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；并且
-所述控制单元(230)构造用于确定一个或多个分离条件的存在；并且在存在一个或多个分离条件时使分离元件(304)切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；
所述一个或多个分离条件包括一个或多个如下条件：
-第一分离条件，其中，第一蓄能器(201)具有等于或大于预定义的第一充电阈值的充电状态，第二蓄能器(202)具有等于或大于预定义的第二充电阈值的充电状态，并且车辆(600)处于静止阶段中；和/或
-第二分离条件，其中，存在为车辆(600)的紧急起动保留电能的指示；和/或
-第三分离条件，其中，存在应在第一蓄能器(201)上和/或第二蓄能器(202)上进行开路电压测量的指示。
20.根据权利要求19所述的车载电网(200)，其中，
-所述第二蓄能器(202)在25℃的运行温度和50％的充电状态中具有至少30的放电功率与总能量含量之比。
21.根据权利要求19所述的车载电网(200)，其中，
-所述第二蓄能器(202)在50％的充电状态、25℃的运行温度中具有6.5毫欧或更小的内阻。
22.用于车辆(600)的车载电网(200)，其中，所述车载电网(200)包括：
-第一蓄能器(201)；
-第二蓄能器(202)；
-发电机(203)，其构造用于生成用于车载电网(200)的电能；并且
-所述发电机(203)设置在车辆(600)的第一区域中；
-该第一区域包括车辆(600)的前部区域或尾部区域；并且
-第二蓄能器(202)设置在车辆(600)的第一区域中，
其中，
-该车载电网(200)具有可跨接的附加电阻(401)，该附加电阻将车载电网(200)分为具有第一蓄能器(201)的第一部分和具有第二蓄能器(202)的第二部分；并且
-控制单元(230)构造用于在车辆(600)的滑行运行中在起动器(303)激活的情况下解除可跨接的附加电阻(401)的跨接，
其中，
-所述车载电网(200)具有分离元件(304)，该分离元件构造用于切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；并且
-所述控制单元(230)构造用于确定一个或多个分离条件的存在；并且在存在一个或多个分离条件时使分离元件(304)切断第二蓄能器(202)和车载电网(200)之间的电流；
所述一个或多个分离条件包括一个或多个如下条件：
-第一分离条件，其中，第一蓄能器(201)具有等于或大于预定义的第一充电阈值的充电状态，第二蓄能器(202)具有等于或大于预定义的第二充电阈值的充电状态，并且车辆(600)处于静止阶段中；和/或
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