CN110040016B - 用于机动车辆的供电装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于机动车辆(12)的供电装置(10)，具有DC/DC转换器(20)和控制装置(22)。该DC/DC转换器(20)具有与第一能量存储器(14)或第一能量源(18)电连接的第一端子(23，24)和与第二能量存储器(30)或负荷(32)电连接的第二端子(25，26)。该DC/DC转换器(20)形成为能够实现：在第一状态(Z1)中将第一端子(23，24)处的第一直流电压(U1)转换为第二端子(25，26)处的较低的第二直流电压(U2)，并且在第二状态(Z2)中不实现这一转换。该控制装置(22)形成为，通过DC/DC转换器(20)在第一状态(Z1)与第二状态(Z2)之间反复地来回切换来实现第二端子(25，26)处的供能。由此在供能时能够实现高效率。

Description

用于机动车辆的供电装置
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆的供电装置。
背景技术
DE 10 2013 219 293 A1示出一种车辆，该车辆具有高压车载电网、低压车载电网以及在这些车载电网之间的直流调节器。高压电网具有高压能量存储器，而低压电网具有低压能量存储器。在起始阶段中，直流调节器用于使低压能量存储器由于接通高压车载电网中的耗电器而受到负荷，并且随后评估低压能量存储器的响应。
US 2001/0011880 A1和US 2012/0292989 A1示出一种具有DC/DC调节器的电池充电设备。
US 2012/0200152 A1示出一种用于混合动力车辆的充电装置，该混合动力车辆具有DC/DC转换器，该DC/DC转换器用于高压电网与低压电网之间的转换。
US 5,558,071示出具有控制器的高效率DC/DC转换器。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的供电装置。
这个目的通过下述的用于机动车辆的供电装置来实现。通过在第一状态与第二状态之间的来回切换可以使DC/DC转换器在具有更高效率的工作范围内运行，并因此可以减少损耗。这造成相对于始终主动进行转换并同时在具有较低效率的工作范围内工作的DC/DC转换器的效率提升。
根据一个优选实施方式，该供电装置具有电压调节器，该电压调节器形成为将第二端子处的电压调节到预定的额定值，并且在该第一状态中向该电压调节器预先给出该预定的额定值。由此可以通过由电压调节器预先给出的电压向所连接的第二能量存储器充电。
根据一个优选实施方式，第二端子与第二能量存储器连接，尤其与可再充电的电池连接。在第一状态期间，第二能量存储器可以作为过剩能量的存储器使用，并且随后在第二状态中可以从第二能量存储器将这些能量输出到例如负荷或耗电器上。
根据一个优选实施方式，在该第一状态与该第二状态之间以如下频率进行来回切换：该频率低于10Hz，优选低于1Hz。由此在第一状态中可以提供高电流或高功率用于对第二能量存储器充电，并且在第二状态中第二能量存储器可以提供例如用于负荷所需的功率。在此可以固定地选择频率，但是也可以取决于状态选择频率，尤其取决于所需功率或能量存储器的充电状态。
根据一个优选实施方式，该控制装置形成为，取决于第二输出端处的瞬间所需电功率来确定该第一状态的持续时间与该第二状态的持续时间之间的适合的比率并且对应地控制该DC/DC转换器。持续时间的适配使DC/DC转换器能够在有利的范围中运行。
根据优选实施方式，该第一状态的持续时间与该第二状态的持续时间之间的比率在第一瞬间所需电功率的情况下低于在第二瞬间所需电功率的情况下，该第二瞬间所需电功率高于该第一瞬间所需电功率。这在高功率或高消耗中，通过第二状态能够实现良好的供电和更少的中断。
根据优选实施方式，该控制装置形成为，取决于第二输出端处的瞬间所需电功率来确定用于由该第一状态和该第二状态形成的周期的适合周期持续时间并且对应地控制该DC/DC转换器。这使DC/DC转换器能够在具有良好效率的特别有利的范围内运行。
根据一个优选实施方式，用于由该第一状态和该第二状态形成的周期的周期持续时间在第一瞬间所需电功率的情况下高于在第二瞬间所需电功率的情况下的周期持续时间，该第二瞬间所需电功率高于该第一瞬间所需电功率。由此可以实现，在DC/DC转换器的较低的第一瞬间所需电功率的情况下脉冲持续时间不会变得太短。
根据优选实施方式，该供电装置与第二能量存储器和负荷相连接，其中该负荷连接至该第二能量存储器，并且取决于从该第二能量存储器到该负荷的电流的测量来获取该瞬间所需电功率。通过这个测量可以对发生改变的负荷作出快速反应。
根据优选实施方式，该供电装置与该第二储能器连接，并且取决于对该第二能量存储器的电压的测量来获取该瞬间所需电功率。由此也考虑到了在测量从该第二能量存储器到该负荷的电流时可能未被确定的综合作用。
根据优选实施方式，该供电装置与第二能量存储器连接，并且取决于该第二能量存储器的充电状态来获取瞬间所需电功率。
根据优选实施方式，不仅取决于从该第二能量存储器到该负荷的电流的测量，而且取决于对该第二能量存储器的电压的测量或第二能量存储器的充电状态来获取该瞬间所需电功率。例如可以使用更大的数值或使用平均值。这产生了对功率的更快的匹配。考虑到第二能量存储器的充电状态和流向负载的电流是有利的，因为在充分充电状态下也可能出现高负荷并且因此可能出现流向负荷的高电流。通过DC/DC转换器提供所需电功率使第二能量存储器放电更少并且保护该第二能量存储器。
根据优选实施方式，DC/DC转换器具有预设的第一运行点，在该第一运行点中效率为最大，并且在第一状态中DC/DC转换器在第一运行点中运行。
根据优选实施方式，该DC/DC转换器在该第一状态中以定时工作以产生第二直流电压，该定时的频率高于在该第一状态与该第二状态之间切换的频率。当切换频率与定时频率大小相似时，由于干扰，在状态Z1与Z2之间转换受到具有定时的DC/DC转换的不利影响。
根据优选实施方式，一种机动车辆具有这样的供电装置。该供电装置特别适合电动车辆，因为在电动车辆中能量效率对于行驶里程是重要的。
总体上，本发明在此公开下述1和13的技术方案，下述2-12为本发明的优选技术方案：
1.一种用于机动车辆的供电装置，
该供电装置具有DC/DC转换器和用于该DC/DC转换器的控制装置，
该DC/DC转换器具有第一端子和第二端子，所述第一端子形成为用于与第一能量存储器或能量源电连接，所述第二端子形成为用于与第二能量存储器或负荷电连接，
该DC/DC转换器形成为能够实现：在第一状态中将所述第一端子处的第一直流电压转换为所述第二端子处的较低的第二直流电压，并且在第二状态中不将所述第一端子处的该第一直流电压转换为所述第二端子处的较低的第二直流电压，并且该控制装置被形成为通过该DC/DC转换器在该第一状态与该第二状态之间反复地来回切换来实现在所述第二端子处的供能。
2.根据前述1所述的供电装置，该供电装置具有电压调节器，该电压调节器形成为将所述第二端子处的电压调节到预定的额定值，并且其中在该第一状态中向该电压调节器预先给出该预定的额定值。
3.根据前述1-2之一所述的供电装置，其中所述第二端子与第二能量存储器连接，尤其与可再充电的电池连接。
4.根据前述1-3之一所述的供电装置，其中在该第一状态与该第二状态之间以如下频率进行来回切换：该频率低于10Hz，优选低于1Hz。
5.根据前述1-4之一所述的供电装置，其中该控制装置形成为，取决于第二输出端处的瞬间所需电功率来获取该第一状态的持续时间与该第二状态的持续时间之间的适合的比率并且对应地控制该DC/DC转换器。
6.根据前述5所述的供电装置，其中该第一状态的持续时间与该第二状态的持续时间之间的比率在第一瞬间所需电功率的情况下低于在第二瞬间所需电功率的情况下的比率，该第二瞬间所需电功率高于该第一瞬间所需的电功率。
7.根据前述1-6之一所述的供电装置，其中该控制装置形成为，取决于第二输出端处的瞬间所需电功率来获取用于由该第一状态和该第二状态形成的周期的适合的周期持续时间并且对应地控制该DC/DC转换器。
8.根据前述7所述的供电装置，其中用于由该第一状态和该第二状态形成的周期的周期持续时间在第一瞬间所需电功率的情况下高于在第二瞬间所需电功率的情况下的周期持续时间，该第二瞬间所需电功率高于该第一瞬间所需电功率。
9.根据前述5至8之一所述的供电装置，该供电装置与第二能量存储器和负荷连接，该负荷连接至该第二能量存储器，其中取决于对从该第二能量存储器到该负荷的电流的测量来获取该瞬间所需电功率。
10.根据前述5至9之一所述的供电装置，该供电装置与第二能量存储器连接，其中取决于对该第二能量存储器的电压的测量来获取该瞬间所需电功率。
11.根据前述5至10之一所述的供电装置，该供电装置与第二能量存储器连接，并且其中取决于该第二能量存储器的充电状态来获取该瞬间所需电功率。
12.根据前述1-11之一所述的供电装置，其中该DC/DC转换器在该第一状态中以定时工作从而生产该第二直流电压，该定时的频率高于在该第一状态与该第二状态之间切换的频率。
13.一种机动车辆，该机动车辆带有根据前述1-12之一所述的供电装置。
附图说明
本发明的其他细节和有利改进从以下描述的且在图中所示的、但绝不应被视为对本发明限制的实施例以及从属权利要求中得出。在附图中：
图1以示意性图示示出具有用于能量存储器的供电装置的机动车辆，
图2示出在电流上记录的效率的曲线图，
图3示出在DC/DC转换器的两个状态之间变化的图示，并且
图4示出在DC/DC转换器的两个状态之间变化的另一个图示。
具体实施方式
图1以示意性图示示出机动车辆12。机动车辆12具有能量存储器14和可以连接到能量存储器14上的负荷16，其中能量存储器14以第一电压U1工作，优选例如200伏特、400伏特或800伏特的高电压。机动车辆12具有另一个能量存储器30和可以连接到这个能量存储器30上的负荷32，其中能量存储器30以第二电压U2工作，该第二电压优选低于第一电压U1。第二端子25、26优选设置为用于连接车载电网。能量存储器30优选具有高效率和高循环稳定性。第二电压U2例如为12伏特、24伏特或48伏特。该供电装置10具有控制装置22和DC/DC转换器20。DC/DC转换器20被设置或连接在能量存储器14与能量存储器30之间。DC/DC转换器20具有第一端子23、24和第二端子25、26，这些第一端子用于与能量存储器14连接，这些第二端子用于与能量存储器30连接。第一端子23、24优选与用于能量源18的端子51、52连接，该能量源例如为充电站或家用电流端口。为了进行DC/DC转换，DC/DC转换器20也可以与能量源18共同工作。
DC/DC转换器20形成为能够在第一状态Z1中将第一端子23、24处的第一直流电压U1转换为第二端子25、26处的较低的第二直流电压U2，并且在第二状态Z2中不将第一直流电压U1转换为较低的第二直流电压。因此，可以通过DC/DC转换器20向能量存储器30充电，并且可以向能量存储器30或负荷32供能。状态Z1也可以被称为具有高电负荷或功率的工作点，并且状态Z2被称为在切断状态中的工作点。
控制装置22用CTRL标出。通过控制装置22能够如此控制DC/DC转换器20：通过DC/DC转换器20在第一状态Z1与第二状态Z2之间反复地来回切换能够向能量存储器30充电。
供电装置10优选具有电压调节器28，该电压调节器标为U_CTRL。电压调节器28形成为将第二端子25、26处的电压U2调节到预先给出的额定值U2_S，并且优选在第一状态Z1中向电压调节器28预先给出额定值U2_S。
为了测量能量存储器30处的电压，测量装置31任选地设置在能量存储器30处。
为了测量从能量存储器30到负荷32的电流，任选地设置有测量装置33。
可以向控制装置22输送通过测量装置31、33获取的测量信号，因此该控制装置可以确定DC/DC转换器20的瞬间所需电功率或在基本上恒定的电压下的瞬间所需电流。
图2示出一个图表，在该图表中用线71示意性记录了针对不同电流强度I的典型DC/DC转换器20的效率。效率η由第二端子25、26处的电功率与第一端子23、24处的电功率之间的比率得出并且最大是1。在图1中的端子25处示例性记录了电流I1、I2，并且这些电流在恒定的电压U2下与电功率成正比。可以看到，DC/DC转换器20在较低的电流I2,1下比在较高的电流I2,2下具有更低的效率η。在电流I2,2下效率η拥有最大值，并且有利的是在具有电流I2,2的第一状态Z1中或在这个运行点中运行DC/DC转换器20。总体上有利的是，尽可能以高电流或高电功率运行DC/DC转换器。效率η的图表取决于所使用的DC/DC转换器20。然而对于很多这样的转换器，在DC/DC转换器20的低功率的情况下的低效率η是典型的。例如对于适合的DC/DC转换器是升降压转换器(Boost-Buck Converter)、级联升降压转换器(cascaded Buck-Boost Converter)、降压转换器(Buck Converter)以及正激转换器(Forward Converter)。这些DC/DC转换器部分地以DC/DC转换器20的至少一个开关器的定时来工作。为了减少干扰噪声，这个定时的频率优选高于20kHz。DC/DC转换器中的定时的频率在此优选地明显大于第一状态Z1与第二状态Z2之间的转换的频率。
图3示出电流I1或I2，该电流可以在DC/DC转换器的第二端子25或26处测量。电流I1对应于DC/DC转换器20的持续状态Z1，例如取决于负荷32的实际功率需求来选择该状态，以便减少或完全防止能量存储器30的放电。在选择状态Z1作为持续状态的情况下，电流I1可能是相对较小的，并且因此DC/DC转换器以相对较小并且因此较差的效率工作。替代对应于线61的持续供电，可以进行对应于线62的定时的或脉冲式的供电，其中在第一状态Z1和第二状态Z2之间反复地来回切换。为了带来对能量存储器30或负荷32的对应的能量供应，在状态Z1期间电流I2的大小必须大于持续供电时。这使DC/DC转换器20能够以更好的效率运行并因此减少损耗。
在第一状态Z1与第二状态Z2之间的来回切换优选以如下频率进行：该频率低于10Hz，优选低于1Hz。周期持续时间T在10Hz的频率下为0.1秒，而在1Hz的频率下为1秒。在很低的负荷32时较长的周期持续时间T是可能的，例如10秒、30秒、60秒或60分钟。可以替代地或附加地取决于能量存储器30的充电状态来影响周期持续时间。在状态Z1期间通常不向负荷32供应全部能量，而是使能量存储器30作为缓冲器工作并且至少部分地接收能量。在状态Z2期间能量存储器30可以随后再次输出能量并向输送到负荷32。
优选通过控制装置22基于在第二输出端25、26处的瞬间所需电功率来获取第一状态Z1的持续时间T1与第二状态Z2的持续时间T2之间的比率。这可以例如通过测量流向负荷32的电流来实现，或可以测量能量存储器30处的实际电压，该实际电压反映能量存储器30的充电状态并且因此反映所需电功率。在具有相关联的充电状态测定(其确定表征充电状态的值)的能量存储器30中，可以优选根据表征能量存储器30的充电状态的值确定第二端子25、26处的瞬间所需电功率。优选将充电状态保持在具有下限和上限的预设窗口中，其中当达到下限时开始功率输送，并且当达到上限时再次终止功率输送。这导致更少的充电循环以及能量存储器的更长的使用寿命。称之为所谓的SOC引导式控制(SOC，state ofcharge，充电状态)。
在观察图3的线61和62时，为了供应相同的能量，在时间t内线61的积分与在时间t内线62的积分应相对应。
控制装置22优选形成为，基于瞬间所需电功率来获取周期持续时间T，并且对应地控制DC/DC转换器20。因此可以有利的是，与在仅较低的功率(其中仅很少情况需要进行功率输送)的情况下相比，在所需高功率的情况下在状态Z1与Z2之间的来回切换更频繁。
图4示出了用于在状态Z1与Z2之间变化的第二实施例，参见线64，并且用线63示出了持续通电。在该实施例中在持续通电63时仅需要低电流强度I1。为了通过定时通电64实现对应的能量输送，短脉冲是必需的，并且随后在状态Z2中运行DC/DC转换器20持续相对更长的持续时间T2。与图3的图表相比，可以看出在图4中所需低电流强度或功率下优选周期持续时间更长，并且持续时间T1与持续时间T2之间的比率更小。周期持续时间的增加是有利的，因为否则就会为状态Z1提供很短的持续时间T1，而这会导致不必要的开关损耗。
当然，在本发明范围内可以有各种各样的变化和修改。
附图标记清单：
10 供电装置
12 机动车辆
14 能量存储器
16 负荷
18 能量源
20 DC/DC转换器
22 控制装置
23，24 第一端子
25，26 第二端子
28 电压调节器
30 能量存储器
31 用于电压的测量装置
32 负荷
33 用于电流的测量装置
51，52 用于能量源的端子
61，62 图表中的线
63，64 图表中的线
71 效率线
I1 在持续充电时的电流
I2 在脉冲式充电时的电流
T1 脉冲持续时间
T2 脉冲间隔持续时间
T 脉冲和脉冲间隔周期持续时间
U1 高电压
U2 低电压
Z1 第一状态
Z2 第二状态

Claims (14)

1.一种用于机动车辆(12)的供电装置(10)，
该供电装置(10)具有DC/DC转换器(20)和用于该DC/DC转换器(20)的控制装置(22)，
该DC/DC转换器(20)具有第一端子(23，24)和第二端子(25，26)，所述第一端子(23，24)形成为用于与第一能量存储器(14)或能量源(18)电连接，所述第二端子(25，26)形成为用于与第二能量存储器(30)和负荷(32)电连接，该负荷(32)连接至该第二能量存储器(30)，
该DC/DC转换器(20)具有将所述第一端子(23，24)处的第一直流电压(U1)转换为所述第二端子(25，26)处的较低的第二直流电压(U2)的第一状态(Z1)和不将所述第一端子(23，24)处的该第一直流电压(U1)转换为所述第二端子(25，26)处的较低的第二直流电压(U2)的第二状态(Z2)，并且该控制装置(22)被形成为通过该DC/DC转换器(20)在该第一状态(Z1)与该第二状态(Z2)之间反复地来回切换来实现在所述第二端子(25，26)处的供能；
其中该控制装置(22)被形成为将该DC/DC转换器(20)运行在该第一状态(Z1)中，以基于该第二直流电压(U2)和比在所述第二端子(25，26)处瞬间所需电功率对应的电流值大的电流的电功率向所述第二端子(25，26)供能。
2.根据权利要求1所述的供电装置，该供电装置具有电压调节器(28)，该电压调节器(28)形成为将所述第二端子(25，26)处的电压(U2)调节到预定的额定值(U2_S)，并且其中在该第一状态(Z1)中向该电压调节器(28)预先给出该预定的额定值(U2_S)。
3.根据前述权利要求之一所述的供电装置，其中所述第二端子(25，26)与可再充电的电池连接。
4.根据权利要求1或2所述的供电装置，其中在该第一状态(Z1)与该第二状态(Z2)之间以低于10Hz的频率进行来回切换。
5.根据权利要求1或2所述的供电装置，其中该控制装置(22)形成为，取决于第二输出端(25，26)处的瞬间所需电功率来获取该第一状态(Z1)的持续时间与该第二状态(Z2)的持续时间之间的适合的比率并且对应地控制该DC/DC转换器。
6.根据权利要求5所述的供电装置，其中该第一状态(Z1)的持续时间与该第二状态(Z2)的持续时间之间的比率在第一瞬间所需电功率的情况下低于在第二瞬间所需电功率的情况下的比率，该第二瞬间所需电功率高于该第一瞬间所需的电功率。
7.根据权利要求1或2所述的供电装置，其中该控制装置(22)形成为，取决于第二输出端(25，26)处的瞬间所需电功率来获取用于由该第一状态(Z1)和该第二状态(Z2)形成的周期的适合的周期持续时间并且对应地控制该DC/DC转换器(20)。
8.根据权利要求7所述的供电装置，其中用于由该第一状态(Z1)和该第二状态(Z2)形成的周期的周期持续时间在第一瞬间所需电功率的情况下高于在第二瞬间所需电功率的情况下的周期持续时间，该第二瞬间所需电功率高于该第一瞬间所需电功率。
9.根据权利要求1或2所述的供电装置，该供电装置与第二能量存储器(30)和负荷(32)连接，该负荷连接至该第二能量存储器(30)，其中取决于对从该第二能量存储器(30)到该负荷(32)的电流的测量来获取该瞬间所需电功率。
10.根据权利要求1或2所述的供电装置，该供电装置与第二能量存储器(30)连接，其中取决于对该第二能量存储器(30)的电压的测量来获取该瞬间所需电功率。
11.根据权利要求1或2所述的供电装置，该供电装置与第二能量存储器(30)连接，并且其中取决于该第二能量存储器(30)的充电状态来获取该瞬间所需电功率。
12.根据权利要求1或2所述的供电装置，其中该DC/DC转换器在该第一状态中(Z1)以定时工作从而生产该第二直流电压(U2)，该定时的频率高于在该第一状态(Z1)与该第二状态(Z2)之间切换的频率。
13.根据权利要求4所述的供电装置，其中在该第一状态(Z1)与该第二状态(Z2)之间以低于1Hz的频率进行来回切换。
14.一种机动车辆，该机动车辆带有根据前述权利要求1-13之一所述的供电装置。
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