CN110667496A

CN110667496A - 用于操控车辆车载电网中的电负载的装置以及车辆的车载电网

Info

Publication number: CN110667496A
Application number: CN201910584524.2A
Authority: CN
Inventors: A.亨克尔; C.格罗泽
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2020-01-10
Also published as: DE102018210844A1; EP3590770A1; EP3590770B1

Abstract

本发明涉及一种用于操控电负载、特别是车辆中的电负载的装置。为此目的，设置有多个分级布置的开关机构。各个开关机构可以例如设计为用于电动机的多路复用器、电压转换器或传动器级。即使在开关机构之一中发生故障，在电能量源和负载之间的多个开关机构的分级布置也能够实现电负载的可靠的切断。

Description

用于操控车辆车载电网中的电负载的装置以及车辆的车载电网

技术领域

本发明涉及一种用于操控电负载、特别是车辆中的电负载的装置。本发明还涉及一种车辆的车载电网。

背景技术

车辆的如今的车载电网主要构造为星形。在此，单个马达中央地（zentral）在带有保险装置的保险盒中得到防护。在这种拓扑结构中，每个单个马达通常具有自身的控制技术。

文献WO 2004/064475 A2公开了一种机动车的车载电网，其中负载被组合成单个车辆模块。车辆模块的多个负载可以借助于中央控制器通过总线连接来得到操控或调节。

发明内容

本发明涉及一种具有权利要求1的特征的用于操控电负载的装置和一种具有权利要求10的特征的用于车辆的车载电网。

因此规定：

一种用于操控电负载、特别是车辆车载电网中的电负载的装置。该装置包括第一开关机构和第二开关机构。第一开关机构包括第一输入端子和第一数量的一个或多个输出端子。第一开关机构的输入端子被设计为与电能量源耦联。此外，第一开关机构包括多个第一开关元件。第一开关元件分别布置在第一开关机构的输入端子和相应输出端子之间。第二开关机构包括第二数量的输入端子和第三数量的输出端子。第三数量的输出端子在此可以等于或多于第二开关机构的第二数量的输入端子。第一开关机构的至少一个输出端子与第二开关机构的输入端子电耦联。第二开关机构包括多个第二开关元件。第二开关元件中的每个开关元件分别布置在第二开关机构的输入端子和输出端子之间。第二开关机构的输出端子构造用于分别与电负载耦联。

此外规定：

一种用于车辆的车载电网，其具有根据本发明的用于操控电负载的装置，以及电能量源和多个电负载。电能量源与第一开关机构的输入端子电耦联。多个电负载分别与第二开关机构的输出端子电耦联。

本发明基于以下认知：随着车辆中的电负载数量的持续增加、例如用于自动调节车辆的不同机构元件的电动机，用于布线的成本以及还有用于相应的负载的防护显著上升。此外，用于每个单个马达的个体的操控电子装置也要求大的构件需求，并且由此要求高的成本。

因此，本发明的构思是借助于多个分级布置的开关机构来实现电压供应以及对车辆中的众多电负载的操控。在此，分级结构的各个开关机构可以设计为一种多路复用器，从而相应地由相应的开关机构的输入端来供应和操控多个负载。由此，可以显著降低用于操控大量电负载的电路耗费。

此外，即使在开关机构之一中发生阻止切断或使其难以进行的故障，通过先后连接的多个开关机构的分级布置也可以实现负载的可靠切断。以这种方式，可以增加车辆车载电网中的电负载的运行的可靠性。

根据应用情况，各个分级布置的开关机构可以具有众多不同的配置。以这种方式，可以灵活地适配能量供应和对车辆车载电网中的负载进行操控。

根据一种实施方式，第一开关机构和/或第二开关机构被设计用于将输入端子分别交替地与相应的开关机构的一组多个输出端子中的一个输出端子电耦联。通过交替地操控相应至多一个输出端子上的电负载，可以在此限制或最小化所连接的负载的最大功率需求。因此，输入端上可用的最大电功率可以有针对性地分配给多个电负载，而不会在此使输入端子或连接在输入端子上的能量源过载。开关机构的这种配置对应于多路复用器运行，其中输入端分别接入（aufschalten）到一组多个输出端的恰好一个输出端上。

根据一种替代性的实施方式，第一开关机构和/或第二开关机构被设计用于将输入端子同时与多个输出端子电耦联。以这种方式，可以同时向多个电负载提供施加在输入端子的电压或者提供在输入端子上的信号曲线，从而可以共同操控多个电负载。

根据一种实施方式，第二开关机构的每个输入端子与第一开关机构的输出端子电耦联。特别地，第二开关机构的第二数量的输入端子可以对应于第一开关机构的第一数量的输出端子。此外，多个第二开关机构也可以共同连接在第一开关机构上。在这种情况下，第一开关机构具有比第二开关机构之一上的输入端子更多的输出端子。

根据一种实施方式，第一开关机构或第二开关机构包括直流电压转换器。特别地，相应的开关机构可以包括例如降压斩波器（stepdown converter）。为此，除了相应开关机构中的开关元件之外，还可以设置其它的构造元件、例如电感、分压器或者类似物。

根据一种实施方式，第一开关机构包括用于电动机的控制电路。例如，第一开关机构可以通过第一开关机构的开关元件以预先给定的占空比得到操控来实现电动机的脉宽调制操控。此外，例如也可以通过相应的电路配置、例如B6桥或者类似物将在输入端子上提供的直流电压转换为交流电压。

根据一种实施方式，第一开关机构和/或第二开关机构包括传感器机构。传感器机构可以设计用于检测所连接的电负载中的表征性的电参量。例如，传感器机构可以检测到通往所连接的负载的电流。此外，也可以通过传感器机构来获取所连接的电负载的功率消耗。当然，也可以检测任何其它电参量，例如电压、功率因数或者类似量。

所检测到的表征性的电参量可以存储在内部或外部存储器中。以这种方式，例如可以将较早检测到的表征性的参量与当前检测到的表征性的参量进行比较。这允许例如分析所连接的电负载。以这种方式，例如可以识别（identifiziert）所连接的电负载中的老化效应或可能的故障。特别地，也可以在探测预先确定的极限值时，例如当超过用于电流或电功率的预先给定的阈值时去除激活所连接的电负载，即将其切断。例如，可以在使用先前获取的和存储的表征性的参量的情况下来获取阈值。

根据一种实施方式，第一开关机构和第二开关机构分别设计用于将能量源的去线导体（Hinleiter）和返回导体（Rückleiter）都切换至电负载。例如，在直流电压源中，正供应线和负供应线都可以单独切换。类似地，在交流电压源的情况下，交流电压源的所有相线分别也可以单独切换。

根据一种替代性的实施方式，第一开关机构和第二开关机构分别设计用于仅将能量源的导体切换到电负载。此外，该装置可以包括共同的接地反馈（Massenrückführung）。以这种方式，可以最小化用于开关机构中必要的开关元件的成本。

第一和第二开关机构的开关元件可以是例如基于半导体开关的开关元件，例如晶体管、特别是MOSFET或具有绝缘栅极连接（IGBT）的双极晶体管。然而，此外机械的开关元件也是可能的。特别地，第一开关机构的开关元件也可以与第二开关机构中的开关元件不同。

只要有意义，以上设计方案和改型方案能够彼此任意组合。本发明的另外的设计方案、改型方案和实施方案也包括非明确提到的的组合，所述组合为先前或者在下文中参照实施例所描述的、本发明的特征的组合。在此本领域的技术人员尤其还将作为对本发明的相应基本形式的改进或增加而增加单个方面。

附图说明

下面借助于附图来对本发明的其它特征和优点进行解释。在此示出：

图1示出了根据一种实施方式的用于操控电负载的装置的框图的示意图；

图2示出了根据另一种实施方式的用于操控电负载的装置的框图的示意图；

图3示出了根据又另一种实施方式的用于操控电负载的装置的框图的示意图，并且

图4示出了根据另一种实施方式的用于操控电负载的装置的框图的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于操控电负载41至44的装置1的框图的示意图。装置1包括第一开关机构10和第二开关机构20。电能量源30可以连接在第一开关机构10的输入端10a上。该电能量源30可以是例如车辆的低压车载电网。例如，车辆的低压车载电网30具有12伏、24伏或48伏的电压。当然此外，偏离上述电压的值也是可能的。此外，原则上也可以在第一开关机构10的输入端10a上提供交流电压。

开关机构10还具有第一数量的一个或多个输出端子10b。在输入端子10a和输出端子10b之间分别设置开关元件11。开关元件11可以是例如半导体开关元件或然而也可以是机械开关元件。特别地，例如MOSFET或IGBT可以作为半导体开关元件。开关元件11在此可以连接或断开例如输入端子10a和输出端子10b之间的电连接。特别地例如输入端子10a的一个端子可以同时与输出端子10b的至多一个端子电连接。以这种方式，例如，多个输出端子10b可以交替地与输入端子10a电耦联。

然而此外，原则上也可以将多个或必要时甚至所有输出端子10b同时与输入端子10a电耦联。在此不言而喻，当连接电能量源30的正和负供应电压时，输入端子10a的正连接点分别仅与输出端子10b的正连接点连接，并且类似地，输入端子10a上的负端子也仅与输出端子10b的负端子电连接。

此外，用于操控电负载的装置1还包括第二开关机构20。第二开关机构20具有多个输入端子20a和多个输出端子20b。第二开关机构的输入端子20a与第一开关机构10的输出端子10b电连接。在这里所示的实施例中，第一开关机构10具有与第二开关机构20所具有的输入端子20a相同数量的输出端子10b。因此，第一开关机构10的每个输出端子10b与第二开关机构20的输入端子20a连接。此外，第一开关机构10原则上也可以具有比存在于第二开关机构20上的输入端子20a更多的输出端子10a。在这种情况下，例如，多个第二开关机构20也可以与第一开关机构10耦联。原则上，第二开关机构20上的所有输入端子20a也不必与第一开关机构10的输出端子10b电连接。

此外，根据这里和下面的图中描述的第一和第二开关机构10、20的配置仅仅代表一种示例性的实施方式，其具有第一开关机构的一个输入端子10a和两个输出端子10b，以及第二开关机构20的两个输入端子20a和四个输出端子20b以及四个连接在其上的负载41至44。此外，当然，具有更多或更少输入-或输出端子以及负载的任何其它配置都是可能的。

类似于第一开关机构10，第二开关机构20也包括开关元件21，所述开关元件可以连接或断开第二开关机构20的输入端子20a和输出端子20b之间的电连接。在此，根据配置，也可以实现与最多一个输出端子20b的交替连接或者也实现输入端子20a与多个输出端子20b的同时连接。

通过上述配置，现在可以通过第一开关机构10和第二开关机构20从电能量源30向连接在第二开关机构20的输出端子20b上的电负载41至44提供电能。电负载41-44可以是例如电动机、灯或者类似物。特别地例如，用于调节车辆中的座椅、用于电的车窗玻璃升降器、电地打开或关闭车门、调节外部-或内部镜子或任何其它应用的电动机是可能的。

此外可以在第一开关机构10和/或第二开关机构20中设置检测至少一个表征性的电参量的传感器装置（未示出）。例如，可以检测电负载41-44的电流或电功率消耗。检测到的电参量必要时也可以暂存在内部或外部存储器中。以这种方式，可以将较早检测到的电参量与当前检测到的电参量进行比较。如果当前表征性的电参量偏离先前的存储值或者有时也偏离预先给定的固定极限值时，则有时可能探测到故障功能或者类似情况。在这种探测到的故障功能的情况下，必要时可以触发警报和/或可以去除激活或切断所连接的电负载41-44。特别地，第一开关机构10中的开关元件11和第二开关机构20中的开关元件21可以同时打开，用于切断或去除激活相应的电负载。以这种方式，在第一开关机构10或第二开关机构20中出现故障功能时，可以确保电的能量供应本身于是被中断。

为了操控第一开关机构10中的开关元件11和/或第二开关机构20中的开关元件21，相应的开关机构10、20可以通过数据连接与中央的控制机构（未示出）连接。特别地，必要时检测到的表征性的参量也可以通过该数据连接传递（weitergeleitet）到中央的控制机构。

图2示出了根据另一种实施方式的用于操控电负载41至44的装置1的框图的示意图。根据图2的实施方式与先前描述的实施方式的不同之处仅在于，在根据图2的实施方式中，仅电能量源30的导体通过第一开关机构10和第二开关机构20切换。电能量源30的另一导体通过中央接地连接直接与电负载41至44连接。

图3示出了根据另一种实施方式的用于操控电负载41至44的装置1的框图的示意图。根据图3的实施方式与先前描述的实施方式的不同之处尤其在于，第一开关机构10产生用于操控电负载、特别是所连接的电的马达41至44的控制信号。例如，可以为此提供脉宽调制的电压-或电流脉冲。特别地，为此例如可以基于脉宽调制的控制信号来操控第一开关机构的开关元件11。由第一开关机构10提供的电压或电流在第二开关机构20处提供。然后，第二开关机构20可以将所提供的电压-或电流信号在一个或多个所连接的电负载41至44、特别是所连接的电的马达处提供。以这种方式，例如可以在第一开关机构10中设置用于电的马达的操控信号的中央产生，并且借助于第二开关机构20将由第一开关机构10提供的信号提供给封闭待操控的马达41至44。以这种方式，特别是可以省去用于每个单个马达41至44的单独的控制电路。

图4示出了根据用于操控电负载41至44的装置1的另一种实施方式的框图的示意图。根据图4的实施方式与先前描述的实施方式的不同之处尤其在于，第一开关机构10和/或第二开关机构20可以设计为电压转换器。特别地，第一开关机构10和/或第二开关机构20可以包括直流电压转换器、优选地降压斩波器（Tiefsetzsteller）（stepdown converter）。为此，必要时在第一开关机构10和/或第二开关机构20中可以设置其它的构造元件、诸如电感、分压器、晶体管或者类似物。通过对第一开关机构10或第二开关机构20中的开关元件11或21的相应的时钟控制（takten），由电能量源30提供的电压可以被转换为较低的电压。以这种方式，即使对于具有较高电压的车载电网，也可以分别向电负载供应较低的输入电压。例如，可以在第一开关机构10的输入端子10a处提供第一电压U1（例如48伏）。第一开关机构10将该电压转换为较低电压U2（例如24伏）。该较低的电压U2可以直接提供或者必要时也可以通过另一开关机构在一个或多个负载处提供。此外，第一开关机构的输出电压U2必要时可以借助于第二开关机构20转换成另一较低的电压U3（例如12伏）。该较低的电压U3也可以直接或间接地通过另一开关机构在一个或多个电负载处提供。

上面已经基于两个分级布置的开关机构10、20描述了本发明。然而，此外原则上具有多于两个开关机构的分级结构，例如三个或更多个分级布置的开关机构也是可能的。

应当理解，作为用于电动机的多路复用器（Multiplexer）、电压转换器和传动器的开关机构的上述配置也可以彼此任意组合。此外，除了先前描述的具有直流电压源30的应用之外，替代性地也可以在第一开关机构10的输入端处实现交流电压源。

总之，本发明涉及一种用于操控电负载、特别是车辆中的电负载的装置。为此，设置多个分级布置的开关机构。各个开关机构可以设计为例如用于电动机的多路复用器、电压转换器或传动器级。即使在开关机构之一中发生故障，在电能量源和负载之间的多个开关机构的分级布置于是也能够实现电负载的可靠切断。

Claims

1. 用于操控车辆车载电网中的电负载（41-44）的装置（1），所述装置具有：

第一开关机构（10），所述第一开关机构具有输入端子（10a）和第一数量的输出端子（10b）；和

第二开关机构（20），所述第二开关机构具有第二数量的输入端子（20a）和第三数量的输出端子（20b），

其中，所述第一开关机构（10）的输入端子（10a）被构造用于与电能量源（30）耦联，并且

所述第一开关机构（10）包括多个第一开关元件（11），所述第一开关元件布置在所述第一开关机构（14）的输入端子（10a）和相应输出端子（10b）之间；并且

其中，所述第一开关机构（10）的至少一个输出端子（10b）与所述第二开关机构（20）的输入端子（20a）电耦联，

所述第二开关机构（20）包括多个第二开关元件（41），所述第二开关元件分别布置在所述第二开关机构（20）的输入端子（20a）和输出端子（20b）之间，并且

所述第二开关机构（20）的输出端子（20b）被构造用于分别与电负载（41-44）耦联。

2.根据权利要求1所述的装置（1），其中，所述第一开关机构（10）和/或所述第二开关机构（20）被构造用于将输入端子（10a、20a）分别交替地与一组多个输出端子中的一个输出端子（10b、20b）电耦联。

3.根据权利要求1所述的装置（1），其中，所述第一开关机构（10）和/或所述第二开关机构（20）被构造用于将输入端子（10a、20a）同时与多个输出端子（10b、20b）电耦联。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其中，所述第二开关机构（20）的每个输入端子（20a）与所述第一开关机构（10）的输出端子（10b）电耦联。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其中，所述第一开关机构（10）或所述第二开关机构（20）包括直流电压转换器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其中，所述第一开关机构（10）包括用于电动机的控制电路。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其中，所述第一开关机构（10）和/或所述第二开关机构（20）包括传感器机构，所述传感器机构被设计用于检测所连接的电负载（41-44）的表征性的电参量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置（1），其中，所述第一开关机构（10）和所述第二开关机构（20）分别被构造用于将所述能量源（30）的去线导体和返回导体切换至所述电负载（41-44）。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置（1），其中，所述第一开关机构（10）和所述第二开关机构（20）分别被设计用于将所述能量源（30）的导体切换至所述电负载（41-44），并且其中，所述装置（1）包括共同的接地反馈。

10.车辆的车载电网，其具有：

根据权利要求1至9中任一项所述的装置（1），

电能量源（30），其与所述第一开关机构（10）的输入端子（10a）电耦联，和

多个电负载（41-44），所述电负载分别与所述第二开关机构（20）的输出端子（20b）电耦联。