CN107662563B - 机动车辆的包括转换器和高负载消耗装置的车载电气系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及机动车辆的包括转换器和高负载消耗装置的车载电气系统。提供了用于机动车辆的车载电气系统的方法和系统，所述车载电气系统包括一个或多个功率源和具有开关的电气子系统，响应于电参数(诸如高功率消耗装置的功率需求)，所述开关能够被致动以选择性地旁路DC/DC转换器和存储装置。在一个示例中，当高功率消耗装置具有低并且恒定的功率要求时，所述开关可以被设置为桥接DC/DC转换器和存储装置。另外，该方法包括选择性地控制功率源以便满足峰值功率需求，其中所述功率源在针对给定工况的最大效率下运转。

Description

机动车辆的包括转换器和高负载消耗装置的车载电气系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月29日提交的德国专利申请号102016213978.9的优先权。为了所有目的，以上引用的申请的整个内容以引用方式被并入本文。
技术领域
本公开涉及用于机动车辆的车载电气系统以及用于运转这种类型的车载电气系统的方法。
背景技术
US2014/0084817A1公开了一种用于包含超级电容器的动态系统中的能量和功率管理的方法。此外，电池和超级电容器的电压的总和在第一切换状态下被应用于消耗装置。在正常负载状态下，DC电压/DC电压转换器的次级侧被连接至消耗装置。
US2012/0261982A1公开了一种用于机动车辆的车载多电压电气系统。多个DC电压/DC电压转换器被使用，电容器与所述多个DC电压/DC电压转换器相关联。不同的运转状态能够通过拨动开关来实现。
US2014/026559A1公开了一种用于机动车辆的高功率车载电气系统。所述高功率车载电气系统具有高功率电气总线，由从车辆的电池获得其输入功率的转换器至少部分地向所述高功率电气总线供应功率。高功率电气总线能够与机动车辆电池至少部分地解耦(uncouple)。通过高功率电气总线向具有高电功率的消耗装置(例如主动(active)车轮悬架或主动底盘(chassis)或主动悬架)供应功率。
具有高电功率的消耗装置通常具有>1kW的最大功率消耗或>80A的最大电流消耗、300W的平均功率消耗或25A的平均电流消耗。
US8971073B2公开了用于桥接(旁路)网络中的多级DC电压/DC电压转换器与电池的系统和方法。没有电容器被使用。
US5,179,508公开了包含电池和DC电压/DC电压转换器的电压供应系统。所述DC电压/DC电压转换器始终处于功率通量，它不被桥接。
发明内容
然而，发明人在此已经认识到以上构造的问题。如果高功率消耗装置(例如，高负载消耗装置)正在非常低的功率需求下或在高恒定负载下运转，能量转换损失在(一个或多个)DC电压/DC电压(例如DC/DC)转换器中发生，所述能量转换损失消散成被转移到环境的热。另外，这些转换损失降低车辆的燃料效率，或者在插电式车辆(诸如电动车辆或插电式混合动力车辆)的情况下增加总耗能量。相应地，在本文中提供了一种系统来至少部分地解决以上问题。在一个示例中，所述系统包括用于机动车辆的车载电气系统，所述车载电气系统包含：电池；功率源，所述功率源被提供用于给所述电池充电；常规汽车电消耗装置；DC电压/DC电压转换器，所述DC电压/DC电压转换器在其初级侧(primary side)被连接至所述电池，并且所述DC电压/DC电压转换器在次级侧(secondary side)被连接至高负载消耗装置，以便形成具有能量存储装置的电气子系统；电气开关或机械开关，所述电气开关或机械开关将高负载消耗装置连接至能量存储装置，或经由上二极管连接到主要功率源(例如，电池或功率源)，其中通过DC电压/DC电压转换器的次级侧为所述能量存储装置进行充电，其中在第一切换位置中，高负载消耗装置经由所述上二极管通过主要电源被供应功率，且在所述开关的第二切换位置中，所述高负载消耗装置被连接至存储装置和DC/DC转换器的输出端，其中所述上二极管允许主要电源供应所述高负载消耗装置，但是阻止电流沿相反方向流动，以迫使任何再生电流被存储在能量存储装置中，其中下二极管被连接在所述能量存储装置与高功率负载之间，其中所述下二极管被实施为总是阻止电流从所述存储装置到由主要电源驱动的常规负载，但是沿相反方向传输电流以促进来自高功率负载的再生功率的回收；控制器，所述控制器在所述第一与所述第二切换位置之间控制并运转所述开关；以及用于检测所述高负载消耗装置的电功率的装置，所述用于检测所述高负载消耗装置的电功率的装置与所述高负载消耗装置相关联，并且在所述输出端处被连接至所述控制器。
以此方式，当高功率消耗装置的功率要求低(例如小于DC电压/DC电压转换器的额定功率的40％至60％)和/或恒定(例如电流值的波动小于高功率消耗装置的额定功率值的10％)时，DC电压/DC电压转换器可以被桥接。然而，当高功率消耗装置的功率要求高或快速地改变(例如电流值的波动在一秒内大于高功率消耗装置的额定功率值的10％)时，可以经由转换器向高功率消耗装置供应功率。在一个示例中，额定功率可以被定义为被允许流过消耗装置的最高功率(例如，最大值)输入。
由于本公开的构造，当DC电压/DC电压转换器被桥接时，系统的能量效率被增加。小尺寸的转换器然后可以被使用，例如210W的转换器可以代替具有300W额定功率的转换器被使用。转换器中的连续负载和热损失的连续发生不会发生。转换器可以仅在高功率要求的相对短的阶段中被使用，并且热损失仅在所述阶段中出现。这是有利的；能量(特别是燃料)被节省。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，要求保护的主题的范围由随附的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了具有常规汽车电消耗装置、转换器和在每种情况下子系统中的一个高功率消耗装置的电池辅助的车载电气系统的电路图的桥接构造。
图2示出了如在图1中但是现在具有两个不同电能源的电路图。
图3示出了用于通过电压调节运转来移除电源的如在图1-图2中的电路的基本图示。
图4示出了用于管理车辆电气系统的示例控制方法。
具体实施方式
包括DC/DC转换器和能量存储装置的一个或多个功率子系统可以被用来向车辆的功率网中的高性能电气系统供应功率。这种布局被用来稳定车辆的能量分布网络防止来自高功率电消耗装置的高动态干扰。如果(一个或多个)高功率消耗装置正在非常低的功率需求下或在高恒定负载下运转，能量转换损失在DC/DC转换器中发生，所述能量转换损失消散成热并且降低车辆的燃料效率。当高功率消耗装置的功率需求低或恒定时，不需要运转单独子系统中的消耗装置，因为消耗装置不引起干扰。
因此，根据本文中公开的实施例，包括旁路开关以在低或恒定功率需求期间从(一个或多个)高功率系统旁路所述DC/DC转换器和能量存储装置。当高功率消耗装置的功率需求变为高和/或瞬变的时，DC/DC转换器和能量存储装置被切换为激活。还包括二极管以将再生电流从高功率消耗装置引导到子系统能量存储装置，同时不允许能量存储装置和DC/DC转换器供应功率到常规消耗装置，该常规消耗装置由主要电源连接和供应，该主要电源包括交流发电机和起动器电池。当旁路所述DC/DC转换器时，这种构造增加了系统能量效率，并且允许更小的DC/DC转换器被使用，因为高恒定负载不必经过DC/DC转换器，而高恒定负载经过DC/DC转换器将使较大的DC/DC转换器成为必要。二极管在旁路模式期间将再生电流从高功率致动器引导到子系统的能量存储装置，因此车辆的主要能量存储装置不被充电，并且能量能够在子系统功率网中被直接重新使用。
一种示例高功率消耗装置包括主动底盘致动器或驱动系统致动器。底盘致动器的电源可以包括在动态模式(高度波动的负载，例如在蛇形穿桩期间)下的210W的最大所需功率、以及在恒定模式(恒定负载，例如行进绕过长弯曲)下的300W的最大所需功率。因此，代替被配置用于行进绕过弯曲，DC/DC转换器可以在尺寸上被减小以匹配蛇形穿桩期间的运转的功率需求，因为当行进绕过长弯曲时，DC/DC转换器可以被桥接。
高功率消耗装置的实际功率要求可以通过用于检测功率的装置来检测。该装置可以检测(例如)流过高功率消耗装置的电流。然后假设电压是已知的，例如电压可以是电池电压，并且然后通过乘法计算实际功率是可能的。然而，通过检测电流和电压来测量实际功率也是可能的。检测实际上被应用于高功率消耗装置的电压并且因此计算可以允许电流和实际功率被计算的实际电压降也是可能的。
基于用于检测功率的装置，产生被供应给控制电路(也被称为控制器)的控制信号是可能的。如果测量到的实际功率小于阈值功率值，则开关被移动到第一切换位置或被保持在所述第一切换位置中。然而，如果功率高于阈值功率值，则开关被保持在第二切换位置中或被移动到第二切换位置。此外，如果检测到快速改变的功率，例如，电流值可以波动多于高功率消耗装置的标称功率值的10％多于两次并且尤其在一秒内更频繁，第二切换位置同样被选择。在一些示例中，高功率消耗装置的标称功率值可以是如上面定义的高功率消耗装置的额定功率。
当高功率消耗装置(例如，致动器)通过外部力被机械地移动并且充当发电机时，本文中公开的实施例提供了要被回收的电能。例如，当高功率消耗装置(例如，致动器)是电动马达时是这样的情况。在主动底盘中，调整底盘部件的电动马达也经受可以由负载施加并且引起电动马达变换的排斥力，导致电功率的再生。电回收可以以此方式发生。存储在致动器中的感应能量或电容能量还可以在致动后放电。不管切换位置如何，该电能被供应给存储装置。
根据本公开，电能的这种回收发生，使得回收的电能始终传到存储装置。二极管具有电流始终被引导到存储装置的效果，所述存储装置可以是超级电容器。电能到达存储装置并且被存储在那里。当开关在第一切换位置中(即转换器被桥接)时，上二极管阻止沿电池的方向的返回电流。在这种情况下，下二极管沿向前偏置的方向运转，从而允许电流沿存储装置的方向流动。在第二切换位置中，切换舌状件短暂地关闭下二极管，并且再生电流直接流入存储装置。在该示例中不需要上二极管。
DC/DC转换器的效率程度取决于其输出功率和输出电压。当DC/DC转换器被用于负载或用于具有不同功率要求或水平的一组负载时，DC/DC转换器会在具有低效率程度的运转范围内运转。作为解决方案，当DC/DC转换器在具有低效率程度的范围内被运转时，DC/DC转换器能够被桥接或被断开。在其中，由具有增加的效率水平的合适尺寸的DC/DC转换器或由主要电功率源向需要功率的消耗装置直接供应功率。主要源可以包括发电机和/或电池。在一些示例中，主要源也可以包括DC/DC转换器，诸如在混合动力车辆中。DC/DC转换器的输出可以被连接至大电容器、或超级电容器组、或辅助电池。
当从负载切换到多个电源时，负载会经历能够对所述负载的功能有消极影响的电压跳变。在一个示例中，这些电压跳变可以通过在切换被启动之前平衡所述源的电压以及移除通过并联互连的功率源和调整输出电压中的一个或多个来减轻。
在一个示例中，具有多个DC/DC转换器或功率源的架构包括用于依据DC/DC转换器的效率程度选择最合适的源的策略，并且进一步包括允许在所述源之间的转变而无电压的破坏性改变的控制策略。本公开可应用于具有常规驱动、混合动力驱动和电动驱动的车辆、以及用于飞行器和船舶中的车载电气系统。
在一个实施例中，开关可以是转换开关或旁路开关，所述转换开关或旁路开关促进通过能量存储装置和DC/DC转换器，或者主要电源，供应功率到高负载消耗装置。
在上面描述的用于控制车载电气系统的方法中，高功率消耗装置的功率要求被连续地监测或以短时间间隔被监测。在一个示例中，这可以包括使用用于检测功率的装置来测量(例如，采样)功率水平，并且产生向控制器传递高功率消耗装置的实际功率要求的信号。控制器可以确定阈值功率值，并且比较高功率消耗装置的实际功率与阈值功率值。基于该比较，控制器可以调整开关的位置并且调整旁路所述DC/DC转换器的功率量。在一个示例中，如果通过用于检测功率的装置测量到的实际功率小于阈值功率值，控制器发送将开关移动到第一切换位置的信号。然而，如果通过用于检测功率的装置测量到的实际功率高于阈值功率值，则控制器发送将开关移动到第二切换位置的信号。
类似地，控制器可以确定功率值的阈值改变速率，并且比较高功率消耗装置的功率的实际改变速率与功率值的阈值改变速率。基于该比较，控制器可以调整开关的位置并且调整旁路所述DC/DC转换器的功率量。在一个示例中，如果通过用于检测功率的装置测量到的功率的实际改变速率小于功率值的阈值改变速率，控制器发送将开关移动到第一切换位置的信号，使得电能可以旁路所述DC/DC转换器和存储装置。然而，如果通过用于检测功率的装置测量到的功率的实际改变速率高于功率值的阈值改变速率，则控制器可以发送将开关移动到第二切换位置的信号，使得电能被传递通过DC/DC转换器和存储装置。以此方式，当高功率消耗装置的功率要求在短时间段内波动(例如，在一秒内多于其额定功率的10％)时，开关可以被致动到第二切换位置，并且高功率消耗装置通过DC/DC转换器和存储装置接收功率。
图1示出了被分成三个区域17、18和19的电路。在第一区域17中存在发电机20，所述第一区域17也被称为主要区域或分布网络。发电机20与电池22并联连接。电池22以及此外三个常规汽车电消耗装置23、24和25被提供在主要区域17中。消耗装置23、24和25可以经由开关(未图示)连接和断开。在一些示例中，消耗装置23、24和25可以包括风挡刮水器马达、光源、用于座椅调整的电动马达等等。
主要区域17经由连接线26被连接至区域18(也被称为上子系统)并且被连接至区域19(也被称为下子系统)。在所描绘的实施例中，子系统18和19在物理上完全相同。因此，以下描述适用于上子系统18和下子系统19两者。DC电压/DC电压转换器30(也被称为DC/DC转换器或转换器)包括具有两个接线端(connection)极的初级侧(例如，在图1中的转换器30的左侧)和具有两个接线端极的次级侧(例如，在图1中的转换器30的右侧)。DC电压/DC电压转换器30的额定功率为例如300W。
初级侧的下极和次级侧的下极被连接至彼此，并且此外被连接至地电位。初级侧与电池22并联连接。存储装置32(在一个示例中，超级电容器)与转换器30的次级侧并联连接。超级电容器可以允许快速充电和相对低的损失。此外，在子系统18中存在高功率消耗装置34，也被称为高负载消耗装置。此处，高功率消耗装置34可以是(例如)被用于主动底盘的高功率电动马达。高功率电动马达通过下接线端被连接至地，并且通过机械或电气开关被连接到主要电源或与DC/DC转换器并联的能量存储装置。开关38具有第一下切换触点40，所述第一下切换触点40允许高功率负载34被转换器30和存储装置32驱动。开关38额外地具有第二上切换触点42，所述第二上切换触点42允许高功率负载34被主要电源经由上二极管39驱动。上二极管39经由连接线26被连接至主要电源，并且上二极管39可以被称为主要二极管。
上二极管39的极性为使得所述上二极管39允许功率直接从电池22被供应给高功率消耗装置34，从而旁路所述转换器30。在所示出的示例性实施例中，地电位被连接至电池22的负极侧，并且连接线26被连接至电池22的正极侧。相应地，上二极管39的阳极被连接至连接线26；阴极被连接至第二切换触点42。因此，电流仅能够流向高功率消耗装置34，但是不能沿相反方向流动(例如，从高功率消耗装置34流向电池22)。由高功率消耗装置34产生的电能因此被上二极管39阻止，并且不能到达电池22。
下二极管41被布置在第一切换触点40与切换舌状件36之间。当切换舌状件36在第二切换位置中时(此处未图示)，下二极管41被短路，而无需转换器30的桥接。下二极管41被取向为使得它在正常电压供应的情况下阻止功率从存储装置32或从转换器30到高功率消耗装置34的供应，但是在再生地产生电功率(即将所述电功率传到存储装置32)的情况下以接通状态模式运转。
用于检测功率的装置44与高功率消耗装置34相关联。装置44检测高功率消耗装置34的实际功率要求。这能够例如通过检测流过消耗装置34的电流并且基于基本上对应于转换器30或电池22的输出电压(例如，12V)的电压来执行。实际功率然后能够通过将电流乘以电压来计算。然而，此外，实际上被应用于高功率消耗装置34的电压也能够被直接测量，使得改善的功率检测是可能的。然而，仅使用一个电压测量来估计实际上流过高功率消耗装置34的电流也是可能的，因为被实际地应用于高功率消耗装置34的电压取决于流过所述高功率消耗装置34的电流的水平。
除了能量存储装置32外或代替能量存储装置32，另外的能量存储设备33(例如电容器模块或锂离子电池)也能够与高功率消耗装置34并联地被提供。
此外，控制电路(例如，控制器)46被提供在子系统18和19中。控制电路46控制开关38的切换位置。控制电路从用于检测功率的装置44接收其输入信号。用于功率的阈值(例如，阈值功率值或阈值)通过控制电路46来确定。此外，控制电路46检测功率随着时间的改变(例如，功率消耗的改变速率)。在一个示例中，控制电路46可以核实在指定的短时间间隔内的实际功率值(例如，通过采样)。只要功率要求或正在被使用的实际功率在阈值之下，(如在图1中示出的)第一切换位置被选择。这里，转换器30通过供应路径中的导电上二极管39的相互连接而被桥接，并且转换器30被旁路。然而，如果高功率消耗装置34的实际功率要求在阈值之上，控制电路46将开关38运转到第二切换位置，这在图2中被图示；在这种情况下，切换舌状件36被连接至转换器的次级侧，并且被连接至存储装置32。
控制电路还具有在开关38被设定使得高功率负载由主要电源驱动并且能量存储装置被充电(包括能量存储装置包含存储的电能的量高于阈值)时停用DC/DC转换器30的任务。
如所描述的，当高功率消耗装置的功率要求低时，DC电压/DC电压转换器可以被桥接。在一个示例中，高功率消耗装置的低功率要求可以被定义为功率要求小于DC电压/DC电压转换器的额定功率的40％至60％。在其中，如果高功率消耗装置正在汲取小于DC/DC转换器的额定功率的40％-60％，转换器则会正在以降低的效率运转并且能够被桥接，因为电源能够更有效地满足功率要求而无需转换器。在其他示例中，高功率消耗装置的低功率要求可以被定义为功率要求小于高功率消耗装置的额定功率的40％至60％，这也可以引起转换器以降低的效率运转。
当高功率消耗装置的功率要求恒定时(例如小于高功率消耗装置的额定功率值的10％的电流值的波动)，DC/DC转换器也可以被桥接。
在当高功率消耗装置的功率要求高(例如，在两个示例中，在高功率消耗装置或DC/DC转换器的额外功率的40％至60％之上)或快速改变(例如，在一秒内波动大于高功率消耗装置的额定功率值的10％)时的工况下，可以经由转换器向高功率消耗装置供应功率。
控制器46决定哪个电功率源向负载供应功率。功率源可以包括电池22、发电机20、或DC/DC转换器30。每个可以在相应的输出端处被选择性地永久连接至大电容器、超级电容器、或电池。
两个准则可以被控制器46使用，以便决定选择哪一个功率源用于向消耗装置供应功率。第一准则可以包括如果该源被充分地定规格为供应所需的功率峰值则作出为所需的功率选择具有最高程度的效率的源的决定。第二准则可以包括如果消耗装置需要高功率峰值，则控制器46可以选择能够以更高程度的可能性供应此类峰值的源。例如，发电机和常规的铅蓄电池不能始终供应高峰值电流，但是由DC/DC转换器和超级电容器组成的功率源能够更有效且更可靠地供应高峰值电流。因此，当某些消耗装置被激活时，这种类型的源被选择。
如果高功率消耗装置34所要求的功率在短时间间隔内改变，例如在一秒内改变多于两次并且更具体地在一秒内更频繁地改变多于高功率消耗装置34的额定功率的10％，第二切换位置也被选择。响应于功率在半秒或十分之一秒内改变两次并且更具体地在半秒或十分之一秒内更频繁地改变多于高功率消耗装置34的额定功率的10％，高功率消耗装置34可以被切断。
特别是在混合动力车辆的情况下，具有多个DC/DC转换器作为主要功率源是可能的。例如，当车辆是插电式混合动力车辆或纯电动汽车(BEV)并且低电压供应系统由家用供应系统(插座)或由驱动系统供应时，是这样的情况。在这种情况下，控制器46为所需的功率选择具有最高程度的效率的源。关于实施例的进一步细节将会参照图3进行描述。
所需的功率可以通过测量到的电压和电流来计算。它也能够利用前馈方法来识别。在这种情况下，控制器46监测一个或多个消耗装置的激活。如果消耗装置被激活，其负载(该负载已经被知晓并且被存储)被用来决定哪一个电功率源是最合适的。该方法具有以下优点：它使用额外的传感器并不花费时间来计算功率。一个或多个功率源依据由控制器46作出的决定来进行选择。取决于构思的选定的实现，这通过使用机械开关或半导体开关进行源选择或通过当多个源如上面图示的那样被并联连接时升高选定的源的输出电压来完成。当源以此方式被选择时，降低其余源的输出电压同样是可能的。如果(一个或多个)开关被配置使得DC/DC转换器不供应高功率消耗装置，并且能量存储装置被充电，则控制器停用DC/DC转换器以进一步提高系统效率。如果DC/DC转换器被重新激活，则开关被配置成使得DC/DC转换器可以与能量存储装置并联供应功率到高功率消耗装置。
如果通过使用机械开关或半导体开关桥接一个或多个源来选择源，输出电压能够被预先设定，使得负载经历供应电压的极小改变或没有改变。旧源的输出电压同样能够被设定，使得转变平滑地运行。在转变已经发生之后，选定的源的输出电压能够被调节到最佳电压。该电压能够关于效率的程度、电消耗装置的使用寿命或其他准则被选择为最佳的。当调节电压时，电压/时间梯度应当被选择，使得消耗装置的功能不被不利地影响。在转变已经发生之后，将会被桥接的功率源能够被完全断开以便避免由于低负载功率的损失。
在一个示例中，一种用于机动车辆的车载电气系统包括电池22和转换器30，所述转换器30在初级侧被连接至电池22，并且在次级侧被连接至存储装置32，以便形成电气子系统，并且被连接至高负载电阻器，使得它能够通过开关38来切换。开关38具有切换舌状件36、第一切换触点40和第二切换触点42，所述切换舌状件36被连接至高负载消耗装置34，所述第一切换触点40被连接至存储装置32，所述第二切换触点42经由上二极管39被连接至初级侧。高负载消耗装置34在第一切换位置中经由上二极管39被连接至初级侧，并且在第二切换位置中被连接至存储装置32和次级侧。下二极管41被连接在切换舌状件36与第一切换触点40之间。控制器46在第一切换位置与第二切换位置之间控制并运转开关38的切换位置。用于检测高负载消耗装置34的实际电功率44的装置与高负载消耗装置34相关联，并且在输出端处被连接至控制器46。
现在转向图2，它示出了类似于图1的电路的电路。因此，之前在图1中介绍的相同部件在图2中被类似地编号，并且不被重新介绍。图2对应于图1，但具有以下例外：代替由发电机20向12V车载电气系统供应功率，功率现在由上DC/DC转换器21a或下DC/DC转换器21b选择性地供应，如混合动力和电动车辆中也可以是这样的情况。转换器21a和21b中的一个可以通过开关47(也被称为功率源开关)被连接至连接线26。在所描绘的图2中示出的实施例中，DC/DC转换器21a经由开关47被连接至连接线26，而DC/DC转换器21b不被连接至连接线26。控制装置48对开关47进行控制；关于控制电路(例如，控制器)44作出的说明也可以适用于控制装置48。
当DC/DC转换器21a被解耦时，由DC/DC转换器21a供应功率的负载由DC/DC转换器21b或由主要电功率源供应功率。如在上面描述的，主要电功率源能够包括发电机(例如，图1的发电机20)和电池22中的一个或多个，或它能够是由高电压系统供应功率的DC/DC转换器。这些是从电源移除DC/DC转换器以便改变整个系统或车辆的效率程度的两个基本方法。
如在图1中图示的，DC/DC转换器21a或DC/DC转换器21b能够从使用常规开关(例如，图1的开关38或图2的开关47)的电源中移除。在这种情况下，从电源中移除的DC/DC转换器可以被完全关闭，以便避免无负载损失。在这种情况下，主要电功率源或第二DC/DC转换器将会接管功率的供应。为了在DC/DC转换器被移除时避免负载经受电压波动，新DC/DC转换器或主要功率源可以被控制使得当转变发生时负载两端的电压保持恒定。如果主要功率源以此方式被控制，它被尽可能慢地控制到新电压以便避免消耗装置的其余部分经受电压波动。如果主要功率源接管功率的供应，它然后能够被缓慢地调节回到其原始电压。
图1-图2示出了控制从DC/DC转换器到高功率负载和能量存储装置的功率流的常规开关。当DC/DC转换器以此方式被桥接时，双极晶体管或MOSFETs同样能够被用作开关。如果开关经配置使得高功率负载(例如，消耗装置)不由DC/DC转换器供应并且能量存储装置被完全充电，则DC/DC转换器可以被停用。
图3示出了被配置为描绘从电源移除DC/DC转换器以便改善整个系统或车辆的效率程度的第二方法的电路。图3示出了包括与图1-图2的电路的类似性的电路。因此，之前在图1-图2中介绍的相同部件在图3中被类似地编号，并且不被重新介绍。
图3示出了被配置为从包括两个转换器30a和30b的电源选择性地移除DC/DC转换器的电路。两个不同的电功率源(顶部转换器30a和底部转换器30b)被并联连接。转换器30a和30b的输出电压如在上面描述的那样进行设定，并且考虑以下注意事项。
每个DC/DC转换器30(例如，转换器30a、30b)具有被连接至其两个输出极中的一个的相应的二极管50(例如，二极管50a、50b)，当主要电功率源的电压或另一个DC/DC转换器的输出电压大于它自己的输出电压时，所述相应的二极管防止电流流入相应的DC/DC转换器(例如，30a和30b)。在这种情况下，当主要源的输出电压或第二DC/DC转换器的输出电压大于其输出电压时，DC/DC转换器被从电源移除。在这种情况下，转换器从电源有效地获得，好像它通过开关被连接至负载。该方法具有以下优点：当选定的源(主要源或第二DC/DC转换器)饱和(达到其最大功率)时，输出电压自动下降。在这种情况下，其余源接管功率到负载的供应，而不存在电源的中断或负载两端的电压的快速改变。在一个示例中，其余源可以能够提供额外的功率，超出饱和的选定的源所正在提供的，以便满足功率需求。
在一些示例中，转换器30a和/或转换器30b可以被耦接到未在图3中示出的额外的部件。例如，能量存储装置(诸如装置32)和高功率负载/消耗装置(诸如消耗装置34)可以被电耦接到转换器30a和/或转换器30b，类似于以上关于图1和图2描述的系统。进一步地，额外的相应的二极管(诸如二极管41)可以耦接到每个转换器以仅允许从高功率负载到能量存储装置的回收，而不允许能量存储装置驱动在其子线网(subnet)上的那些之外的其他负载(高功率负载或其他)。
上面描述的控制器(例如，控制电路46和/或控制装置48)可以是电子控制器，包含存储可由处理器执行以控制如上面描述的各种开关的切换位置的指令的存储器。在此类示例中，控制电路46和控制装置48可以包含单个控制单元，或可以包含彼此通信的独立控制单元。控制电路46和/或控制装置48可以与车辆的控制器(诸如发动机或动力传动系统控制模块)通信。在其他示例中，控制电路46和/或控制装置48(例如)可以是基于输入信号相对于参考信号控制相应开关的被动装置。在一个示例中，控制电路46可以从装置44接收电压、电流或功率测量作为输入信号，并且基于输入信号相对于参考信号调整开关38的位置，在一个示例中所述参考信号可以是消耗装置的最大额定功率。
现在转向图4，它示出了用于为电路选择功率源的示例控制方法。用于执行方法500和本文中包括的其余方法的指令可以由控制器基于存储在控制器的存储器上的指令并且结合从发动机系统的传感器(诸如在上面参照图1描述的传感器)接收的信号来执行。控制器可以根据在下面描述的方法采用发动机系统的发动机致动器来调整发动机运转。在一个示例中，控制器(例如，图1-图2的控制电路46)可以接收由高功率消耗装置(例如，图1-图2的高功率消耗装置34)消耗的实际功率的指示。在一些示例中，所消耗的实际功率的指示可以通过用于测量电功率的装置(例如，图1-图3的装置44)来测量。响应于由高功率消耗装置消耗的实际功率的指示，控制器可以比较所消耗的实际功率与功率阈值。如果由高功率消耗装置消耗的实际功率小于功率阈值，那么控制器可以向开关(例如，图1-图2的开关38)发送命令信号，以便将开关移动到第一切换位置，使得DC/DC转换器(例如，图1-图2的DC/DC转换器30)和存储装置(例如，图1-图2的存储装置32)可以被桥接。以此方式，当高功率消耗装置的功率需求能够满足而无需激活DC/DC转换器和存储装置时，DC/DC转换器和存储装置可以被旁路。因此，DC/DC转换器的尺寸可以被减小，同时仍然满足电气系统要求，并且效率可以增加。
方法500在502处开始，在502处，该方法包括确定被包括在车辆电气系统中的高功率消耗装置和功率源的电参数。在504处，确定电参数可以包括确定被包括在车辆系统中的高功率消耗装置的峰值功率需求。在一个示例中，高功率消耗装置的峰值功率需求可以是可以预期高功率消耗装置在运转期间需要的最大功率。在506处，确定电参数也可以包括确定高功率消耗装置的功率消耗。在一个示例中，这可以包括使用用于测量功率的装置(诸如之前描述的图1-图3的装置44)测量实际功率。在508处，确定电参数也可以包括确定高功率消耗装置的功率需求是否是瞬变的。在一个示例中，这可以包括确定高功率消耗装置的实际功率消耗是否正在一定量的时间内快速地改变(例如，波动)。在510处，确定其他电参数可以包括确定功率源的效率。应认识到，多于一个功率源可以被包括在电气系统中。在512处，确定额外的电参数可以包括确定功率源的输出电压。如之前描述的，功率源的示例可以包括电池(例如，图1-图3的电池22)、发电机(例如，图1-图2的发电机20)和DC/DC转换器(例如，图2的DC/DC转换器21a和21b)中的一个或多个。多个功率源可以使用开关(例如，图2的开关47)或使用如在图3中示出的电压调节被选择性地电耦接至电气子系统(例如，图1-图2的子系统18和19)。
在514处，该方法包括确定高功率消耗装置的功率需求是否低并且恒定。在一个示例中，低功率要求可以被定义为小于高功率消耗装置的额定功率的40％至60％的功率要求。在其他示例中，恒定功率要求可以被定义为波动小于高功率消耗装置的额定功率值的10％的功率要求。以此方式，在(一个或多个)DC/DC转换器中发生的在低功率要求下消散成被转移到环境的热的能量转换损失可以被避免。另外，与此类转换损失相关联的燃料经济性的降低也可以被避免。
如果(一个或多个)的高功率消耗装置的功率需求低并且恒定，那么该方法继续到516，在516处，该方法包括将旁路开关维持在第一切换位置中。在第一切换位置中，DC/DC转换器和存储装置被旁路或被桥接，并且直接来自功率源的功率供应给高功率消耗装置而不经过DC/DC转换器或存储装置。
如果高功率消耗装置的功率需求不低并且恒定，那么程序进入到518，在518处，该程序包括将旁路开关移动到第二切换位置。在第二切换位置中，DC/DC转换器和存储装置不被旁路或被桥接，而是被激活并且来自功率源的功率在到达高功率消耗装置之前经过DC/DC转换器和存储装置。以此方式，响应于高功率消耗装置的瞬变电需求或高功率需求，DC/DC转换器和存储装置可以被运转为向高功率消耗装置输送合适量的功率。
在520处，该方法包括确定电气系统是否包括多于一个功率源。如之前描述的，功率源可以包括电池、发电机和DC/DC转换器中的一个或多个。如果电气系统不包括多于一个功率源，该方法结束。如果电气系统确实包括多于一个功率源，那么该方法继续到522，在522处，该方法包括确定激活的功率源是否满足高功率消耗装置的功率需求和最高效率。在一些示例中，效率可以被定义为总输出功率与输入功率的比。通常，电源的效率在全负载和标称输入电压(例如，12V)下被指定。如之前描述的，在502处确定功率源的效率。如果激活的功率源在所有可用效率的最高效率下满足电气系统中的功率消耗装置的所有功率需求，那么该方法进入到524，在524处，该方法包括继续从当前激活的功率源供应功率。该方法然后结束。
如果激活的功率源在最高可用效率下不满足功率需求，那么该程序进入到526，在526处，该程序包括从替代功率源向高功率消耗装置供应功率。在一个示例中，这可以包括从电源移除一个或多个功率源。在一些示例中，控制器可以向功率源开关(例如，图2的开关47)发送命令信号，以便电解耦一个功率源并且电耦接另一个功率源。在其他示例中，诸如在图3的电压调节器构造中，功率源之间的切换可以是自动的，以便调节向高功率消耗装置供应功率的功率源。
以此方式，当高功率消耗装置的功率需求低和/或恒定时，(一个或多个)DC/DC转换器可以被桥接，由此降低在(一个或多个)DC/DC转换器中发生的能量转换损失。因此，可以避免在低功率要求下被消散成热并且被转移到环境的能量转换损失。通过降低能量转换损失，燃料经济性可以增加。选择具有最高效率的DC/DC转换器也将减少能量使用，尤其是在插电式车辆同时通过公共线路正在插头充电的情况下。选择性地利用(一个或多个)DC/DC转换器或主要电源作为子线网的功率源的技术效果是：当电源基于其较高效率或由于其产生降低量的损失而被选择使用时，电源系统的总体效率可以增加。进一步地，这允许实施较小尺寸的转换器。通过在低和/或恒定负载下桥接转换器(和存储装置，如果适用的话)降低与转换器中的连续负载和连续热损失相关联的退化的可能性。
注意，本文中包括的示例控制和估计程序能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。在本文中所公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件相结合的控制器的控制系统执行。在本文中所描述的具体程序可以代表任意数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。因此，所描述的各种动作、操作和/或功能可以按所示顺序、并行地被执行，或者在被省略的一些情况下被执行。同样，实现在本文中所描述的本发明的示例实施例的特征和优点不一定需要所述处理顺序，而是为了便于图释和说明而提供了所述处理顺序。取决于所使用的特定策略，所示出的动作、操作和/或功能中的一个或多个可以被重复执行。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示被编入发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非临时性存储器中的代码，其中通过结合电子控制器执行包括各种发动机硬件部件的系统中的指令而使所描述的动作得以实现。
应认识到，在本文中所公开的配置和程序本质上是示范性的，并且这些具体的实施例不被认为是限制性的，因为许多变体是可能的。例如，上述技术能够应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其他发动机类型。本公开的主题包括在本文中所公开的各种系统和构造和其他的特征、功能和/或性质的所有新颖的且非显而易见的组合和子组合。
以下权利要求特别指出被认为是新颖的且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可能涉及“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应当被理解为包括一个或多个这种元件的结合，既不要求也不排除两个或多个这种元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可通过修改现有权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求而要求保护。这些权利要求，无论与原始权利要求相比范围更宽、更窄、相同或不相同，都被认为包括在本公开的主题内。

Claims (17)

1.一种用于机动车辆的车载电气系统，其包含：
主要电源；
至少一个常规汽车电消耗装置，所述至少一个常规汽车电消耗装置以可切换的方式被连接至所述主要电源；
DC电压/DC电压转换器，所述DC电压/DC电压转换器在初级侧被连接至所述主要电源，并且所述DC电压/DC电压转换器在次级侧被连接至高负载消耗装置；
开关，所述开关将所述高负载消耗装置连接至能量存储装置或者经由上二极管连接到主要电源，所述能量存储装置连接到所述DC电压/DC电压转换器的所述次级侧并且由所述DC电压/DC电压转换器充电，其中所述上二极管允许所述高负载消耗装置由所述主要电源驱动，但不允许所述常规汽车电消耗装置由所述能量存储装置和所述DC电压/DC电压转换器驱动，其中下二极管将所述高负载消耗装置连接到所述能量存储装置并且被配置为允许能量从所述高负载消耗装置回收，同时不允许所述能量存储装置和所述DC电压/DC电压转换器供应功率到由所述主要电源驱动的所述常规汽车电消耗装置；
控制器，所述控制器控制并运转所述开关；以及
用于检测所述高负载消耗装置的电功率的装置，所述用于检测所述高负载消耗装置的电功率的装置与所述高负载消耗装置相关联，并且在输出端处被连接至所述控制器。
2.根据权利要求1所述的车载电气系统，其中所述初级侧的两个接线端中的一个被连接至所述DC电压/DC电压转换器的所述次级侧的两个接线端中的一个，并且其中所述主要电源包括交流发电机和起动器电池。
3.根据权利要求1所述的车载电气系统，其中所述控制器被配置为当所述高负载消耗装置的功率要求大于功率阈值时将所述开关设置为将所述高负载消耗装置连接到所述能量存储装置，并且被配置为当所述功率要求小于所述功率阈值时将所述开关设置为将所述高负载消耗装置连接到所述主要电源，其中所述功率阈值是所述高负载消耗装置的额定功率的40％至60％之间的值。
4.根据权利要求1所述的车载电气系统，其中所述控制器被配置为当所述高负载消耗装置的功率改变速率要求大于功率改变速率阈值时，将所述开关设置为将所述高负载消耗装置连接到所述能量存储装置。
5.根据权利要求1所述的车载电气系统，其中所述能量存储装置是超级电容器、锂离子电池、或经配置为供应和吸收瞬态电功率的其他能量存储装置。
6.根据权利要求1所述的车载电气系统，其中所述高负载消耗装置是主动底盘或驱动系统致动器。
7.根据权利要求1所述的车载电气系统，其中所述主要电源包含发电机。
8.根据权利要求1所述的车载电气系统，其中所述主要电源包含第二DC/DC转换器。
9.一种车辆电气系统，其包含：
第一功率源；
至少一个第一常规汽车电消耗装置，所述至少一个第一常规汽车电消耗装置以可切换的方式被连接至所述第一功率源；
第二功率源；
至少一个第二常规汽车电消耗装置，所述至少一个第二常规汽车电消耗装置以可切换的方式被连接至所述第二功率源；
具有第一开关的电气子系统，所述第一开关可致动以将所述第一功率源电耦接至所述电气子系统但不将所述第二功率源电耦接至所述电气子系统，或者将所述第二功率源电耦接至所述电气子系统但不将所述第一功率源电耦接至所述电气子系统，
其中所述电气子系统还包含第三转换器、能量存储装置、高功率消耗装置、用于检测功率值的装置、和第二开关；
其中所述第三转换器在初级侧经由所述第一开关连接到所述第一功率源或所述第二功率源，并且所述第三转换器在次级侧连接到所述高功率消耗装置；
其中所述第二开关将所述高功率消耗装置连接至所述能量存储装置或者经由上二极管连接到所述第一开关，所述能量存储装置连接到所述第三转换器的所述次级侧并且由所述第三转换器充电，其中所述上二极管允许所述高功率消耗装置由所述第一功率源或所述第二功率源驱动，但不允许所述至少一个第一常规汽车电消耗装置和所述至少一个第二常规汽车电消耗装置由所述能量存储装置和所述第三转换器驱动，其中下二极管将所述高功率消耗装置连接到所述能量存储装置并且被配置为允许能量从所述高功率消耗装置回收，同时不允许所述能量存储装置和所述第三转换器供应功率到所述至少一个第一常规汽车电消耗装置和所述至少一个第二常规汽车电消耗装置；并且
其中所述用于检测功率值的装置与所述高功率消耗装置相关联。
10.根据权利要求9所述的车辆电气系统，其中所述第一功率源包括第一转换器和第一电池，并且所述第二功率源包括第二转换器和第二电池。
11.根据权利要求9所述的车辆电气系统，其中所述第二开关经由控制器可致动以将所述第三转换器和所述能量存储装置从所述高功率消耗装置解耦或将所述第三转换器和所述能量存储装置耦接到所述高功率消耗装置。
12.根据权利要求11所述的车辆电气系统，其中当所述第二开关被致动以将所述第三转换器和所述能量存储装置耦接到所述高功率消耗装置时，未被配置为在耦接到所述第三转换器的所有能量存储装置被充电时供应负载的所述第三转换器被停用。
13.根据权利要求11所述的车辆电气系统，其中响应于所述高功率消耗装置的实际功率消耗大于功率阈值和/或响应于功率的改变速率大于功率的改变速率阈值，所述第二开关被致动为将所述第三转换器和所述能量存储装置耦接到所述高功率消耗装置。
14.根据权利要求11所述的车辆电气系统，其中响应于所述高功率消耗装置的实际功率消耗小于功率阈值和/或响应于功率的改变速率小于功率的改变速率阈值，所述第二开关被致动为将所述第三转换器和所述能量存储装置从所述高功率消耗装置解耦。
15.根据权利要求10所述的车辆电气系统，其中响应于所述第一功率源的第一效率和所述第二功率源的第二效率，调整所述第一开关。
16.一种用于机动车辆的车载电气系统，其包含：
主要电功率源，所述主要电功率源产生主要输出电压，并且包含电池和被提供用于给所述电池充电的发电机；
第一DC/DC转换器，所述第一DC/DC转换器产生第一输出电压，并且被耦接至第一二极管；
第二DC/DC转换器，所述第二DC/DC转换器产生第二输出电压，并且被耦接至第二二极管；
主要二极管，当所述第一输出电压或所述第二输出电压大于所述主要输出电压时，所述主要二极管用于防止由所述主要电功率源驱动的常规汽车电负载被所述第一DC/DC转换器或所述第二DC/DC转换器驱动；
当所述主要输出电压或所述第二输出电压大于所述第一输出电压时，所述第一二极管用于防止电流流入所述第一DC/DC转换器；
当所述主要输出电压或所述第一输出电压大于所述第二输出电压时，所述第二二极管用于防止电流流入所述第二DC/DC转换器；
能量存储装置，其连接到所述第一DC/DC转换器并且由所述第一DC/DC转换器充电，
第三二极管，其将高功率负载连接到所述能量存储装置并且用于仅允许从所述高功率负载到所述能量存储装置的回收而不允许所述能量存储装置驱动除在所述能量存储装置的子线网上的那些之外的其他负载。
17.根据权利要求16所述的车载电气系统，其中，除非产生所述第一输出电压和所述第二输出电压中的较高者的所述转换器饱和，不然产生所述第一输出电压和所述第二输出电压中的较低者的所述转换器被从电源中移除。
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