CN112519705A - 用于操作机动车辆的车载电气网络的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作机动车辆(2)的具有第一电压电路(I)和第二电压电路(II)的车载电气网络(4)的方法，第一电压电路(I)的第一操作电压高于第二电压电路(II)中的第二操作电压，第一电压电路(I)通过直流电压转换器(8)连接到第二电压电路(II)，其中第一电压电路(I)具有电池(10)，以及第二电压电路(II)具有主电池(12)和辅助电压源(14)，以及其中借助于第一开关元件(16)和第二开关元件(18)，从主电池(12)和/或辅助电压源(14)向至少一个变速器控制单元(20)和/或集成的混合动力控制器(22)提供电能，以及至少变速器控制单元(20)和/或集成的混合动力控制器(22)与主电池(12)和/或辅助电压源(14)断开连接。

Description

用于操作机动车辆的车载电气网络的方法
技术领域
本发明涉及一种用于操作机动车辆的车载电气网络的方法。本发明还涉及一种计算机程序产品，一种用于机动车辆的车载电气网络，以及一种具有这种车载电气网络的机动车辆。
背景技术
车载电气网络应理解为指的是机动车辆(例如汽车)中所有电气组件的总和。
目前，12伏的车载电气网络几乎无法覆盖现代机动车辆为其舒适系统所需的功耗。“静态”消耗器几乎完全耗尽了交流发电机，交流发电机尤其是在低温下可输送达3kW的功率。对于其他动态消耗器(例如功能强大的电动压缩机)，电池电量不足。因此，添加了电压为48伏的第二部分车载电气网络，以补充12伏车载网络。
具有48伏工作电压的车载电气网络还提供了以下可能性，快速且经济高效地实施更简单的混合动力，以及通过对机动车辆的动力传动系统进行部分电气化，将有害排放物保持在法定限值以下。
使用48伏车载电气网络并不能代替以前已知的12伏车载网络，而是对其进行补充。机动车辆中许多已建立的组件可以继续以12伏的电压运行。因此，可以避免完全并且因此昂贵的转换为更高的电压。
在运行中，单向或双向直流(DC)电压转换器从48伏车载网络为12伏车载网络供电。
对于轻度混合动力形式的机动车辆的情况，动力传动系统具有电动马达，例如皮带驱动式起动发电机(BiSG)或变速器集成式马达发电机(TiMG)、逆变器，直流电压转换器和48伏电池。
因此，可以使用48伏车载电气网络将电动马达作为最高15kW的马达运行。然而，这要求发动机在所有行驶条件下，即使在低速下也要重启。
考虑到发动机启动要求和需要断开主电池的耦合，需要第二电池与DC/DC转换器的12V输出结合以便稳定车载电源电压，尤其是在启动内燃发动机时。然而，鉴于工作温度的波动，DC/DC转换器的12伏输出不能被认为是稳定的。
48伏电池可以是锂离子电池。然而，这种锂离子电池在低温下不能提供足够的电流来启动发动机。因此，常规的起动器由12伏铅酸电池供电。
线控换挡系统或线控驻车系统对操作安全性有特殊要求，在这些系统中，致动信号仅通过电传输。因此，需要一些系统冗余，以便例如在发生特定故障的情况下，可以用驻车系统或电子驻车制动器安全地驻车。
在专利JP 4913567 B2、US 2017/0015262 A1、JP 2018 061304 A、US 8219289B2、JP 2018 062253 A、DE 10 2017 223588 A1和US 2018/0290608 A1中公开了具有48伏锂电池和12伏铅电池的车载网络。
因此，需要确定可以增加这种车载电气网络的操作安全性的方式。
发明内容
本发明的目的通过一种用于操作具有第一电压电路和第二电压电路的机动车辆的车载电气网络的方法来实现，第一电压电路具有比第二电压电路中的第二操作电压高的第一操作电压，第一电压电路通过直流电压转换器连接到第二电压电路，其中第一电压电路具有电池，以及第二电压电路具有主电池和辅助电压源，以及其中借助于第一开关元件和第二开关元件，从主电池和/或辅助电压源向至少一个变速器控制单元和/或集成的混合动力控制器提供电能，以及在发生故障的情况下至少变速器控制单元和/或集成的混合动力控制器和/或防抱死制动(ABS)/电子驻车制动(EPB)系统与主电池和/或辅助电压源断开连接。
为了确保线控换挡或线控驻车系统与机动车辆的ABS/EPB系统结合使用时最大可能的安全性，通过主电池和辅助电池实现了第二电压电路中操作能量供应的冗余。因此，在单个电源故障的情况下，可以使用驻车系统(由TCM操作)和/或电动驻车制动系统(EPB)安全地停放车辆。
根据一个实施例，辅助电压源是辅助电池。换句话说，辅助电池具有比主电池的容量小的容量。例如，辅助电池的容量可以是主电池的容量的1/5至1/10。这限制了机动车辆总重量的增加。
根据另一实施例，辅助电压源通过与直流电压转换器的导电连接形成。这意味着在主电池发生故障的情况下，可以使用直流电压转换器来代替主电池。因此，不需要额外的电池。
根据一个实施例，辅助电压源是超级电容器。与相同重量的蓄电池相比，超级电容器(Supercapacitor)(也称为超级电容(ultracapacitor))的能量密度仅为大约10％，但它们的功率密度大约是其能量密度的10至100倍。因此，超级电容器的充电和放电速度非常快。与陶瓷电容器、金属箔电容器和电解电容器不同，超级电容器不具有常规意义上的电介质。超级电容器的电容值来源于两种存储原理的总和，即通过在亥姆霍兹双层中进行电荷分离来静态存储电能，以及通过使用伪电容中的氧化还原反应通过法拉第电荷交换来电化学存储电能。以此方式，也可以限制机动车辆的总重量的增加。
根据另一设计，一旦检测到启动模式和/或一旦检测到车载网络中的故障就断开第一开关元件，以及变速器控制单元和/或集成的混合动力控制器由辅助电压供电。换句话说，第一开关元件在正常状态下处于闭合状态。当要启动内燃发动机时，通过断开第一开关元件来断开车载网络上的不必要负载，从而使主电池的全部功率可用。如果在变速器控制单元和/或集成的混合动力控制器中已经检测到故障，则同样将第一开关元件断开以将这些组件与车载网络断开连接。这可以进一步提高操作安全性。
根据另一实施例，在发生故障的情况下，闭合第二开关元件以开始充电过程，以及断开第二开关元件以终止充电过程和/或将辅助电压源从车载电源断开。换句话说，通过闭合第二开关元件，可以给辅助电池和/或超级电容器充电，然后辅助电池和/或超级电容器用作辅助电压源。为了终止充电并且防止不必要的放电，然后可以断开第二开关元件。这也可以进一步提高操作安全性。
重要的一点是两个开关元件在正常状态下是闭合的，因此对于线控换挡或线控驻车系统和/或与ABS/EPB系统的结合来说，两个电压源是同时可用的，并且然后在出现故障时关闭不工作的电压源，其中功能性电压源保持可用。这样可以防止发生故障时上述系统的电压损失。
本发明还涉及一种计算机程序产品，一种用于机动车辆的车载电气网络以及具有这种车载网络的机动车辆。
附图说明
现在将参考附图解释本发明。在附图中：
图1示出了根据第一示例性实施例的机动车辆的车载电气网络的示意图；
图2示出了根据第二示例性实施例的机动车辆的车载电气网络的示意图；
图3示出了根据第三示例性实施例的机动车辆的车载电气网络的示意图；
图4示出了根据第四示例性实施例的机动车辆的车载电气网络的示意图。
具体实施方式
首先将参考图1来解释第一示例性实施例。
图1示出了例如汽车的机动车辆2的车载电气网络4。
在本示例性实施例中的机动车辆2具有动力传动系统6。该动力传动系统6包括机动车辆2的所有组件，其产生动力以驱动机动车辆2并且将动力转移到道路上。
在本示例性实施例中，动力传动系统6被设计为轻度混合动力传动系统。换句话说，机动车辆2具有混合动力驱动并且被实现为混合动力电动车辆。混合动力驱动被理解为指的是内燃发动机(未示出)和用于机动车辆驱动的电动马达28的组合。
本示例性实施例中的内燃发动机是汽油发动机。在正常运行中，汽油发动机在氧过量(λ>1)的情况下运行。与此不同，内燃发动机也可以设计为稀燃模式下的柴油发动机以提高发动机效率。
电动马达28是具有转子和定子的旋转电动马达，其既可以用作马达，即作为部分牵引马达，也可以用作能源再生的发电机。电动马达28例如可以设计为直流马达、交流马达、同步马达、异步马达、无刷电动马达或这些马达类型的组合。
实施为轻度混合动力动力传动系统的动力传动系统6的电动马达28每吨车辆重量可输送15kW。在运行中，电动马达28仅辅助内燃发动机增加功率。如果有的话，纯电动驱动只能在有限的范围内进行。
内燃发动机和电动马达28可以以不同的方式一起工作：并联式(内燃发动机和电动马达28同时作用于运动部件)，串联式(仅其中一个马达直接作用于运动部件，而另一个马达提供功率，该功率被转换并且馈送给直接作用的马达)，或者作为功率分流混合动力。
在本示例性实施例中实施为轻度混合动力动力传动系统的动力传动系统6被实施为并联混合动力动力传动系统。
车载电气网络4具有第一电压电路I和第二电压电路II。在操作中，第一电压电路以高于第二电压电路II中的第二操作电压的第一操作电压进行操作。在本示例性实施例中，第一操作电压为48伏，第二操作电压为12伏。
第一电压电路I经由DC电压转换器8连接至第二电压电路II。在本示例性实施例中，DC电压转换器8被设计用于双向电压转换，从而用于增加电压和降低电压。
本示例性实施例中的第一电压电路I包括电池10和逆变器26。
在该示例性实施例中的电池10是锂离子电池，该锂离子电池导电连接到DC-DC转换器8。
逆变器26是双向逆变器。在电动马达28的发电机模式中，逆变器26将交流电压转换成直流电压，并且在应用为电动马达的情况下反过来，将直流电压转换成交流电压。为此目的，逆变器26在输入侧与电动马达28导电连接。逆变器26在输出侧还与直流电压转换器8导电连接。
本示例性实施例中的第二电压电路II包括作为主要组件的主电池12和辅助电压源，该辅助电压源在本示例性实施例中是辅助电池，该辅助电池的容量为主电池12的容量的1/5至1/10。本示例性实施例中的第二电压电路II包括第一开关元件16和第二开关元件18、变速器控制单元(TCM)20、集成的混合动力控制器(HFM)22(例如集成在变速箱控制单元中)、以及挡位选择控制单元(GSM)24、以及启动器30，挡位选择控制单元24用于在行车挡/空挡/倒车挡和驻车挡之间选择挡位，以允许变速箱中的电动驻车锁/防盗装置接合，从而固定车辆。该示例性实施例中的启动器30是常规的12V启动器。
挡位选择控制单元24由驾驶员致动，驾驶员因此表达希望接合行车挡/空挡/倒车挡或驻车挡。然后，挡位选择控制单元24将等效信号发送至变速器控制单元20，变速器控制单元20执行该命令。
其他组件是ABS/EPB系统32、动力传动系统控制单元(PCM)34、电动助力转向(EPAS)系统36、网关模块(GWM)38、车载网络控制单元(BCM)40、信息娱乐系统(IPC)42、保险丝组件44、第一保险丝46、第二保险丝48、第三保险丝50、EPB/ABS保险丝54、分配给第一主电池12的第一电池管理系统56a和分配给辅助电池的第二电池管理系统56b、以及分配给电池10的第三电池管理系统56c和功率分配单元58。
所列组件可能具有用于以下所述任务和功能的硬件和/或软件组件。
在正常状态下，第一开关元件16和第二开关元件18均闭合。
因此，第一开关元件16形成从主电池12经由保险丝50和保险丝46到变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22的导电连接，而第二开关元件18形成从辅助电压源14(在该示例性实施例中是辅助电池)经由保险丝46到变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22的导电连接。
如果在变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22中检测到启动模式和/或发生故障，则第一开关元件16断开并且变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22与主电池12断开连接。
当第二开关元件18闭合时，开始给辅助电池充电的充电过程，可以通过断开第二开关元件18来停止充电过程。此外以及可选地，因此可以将辅助电压源14从车载网络4断开连接以便在发生故障时节省带电能量。
在该示例性实施例中，在车载网络4出现故障的情况下，第一开关元件16由变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22控制，以及在故障情况下和辅助电池充电期间，第二开关元件18由车载网络控制单元40激活。
电压源的故障可以例如通过电池管理系统56a和56b经由车载网络控制单元40被检测和通信，以便随后相应地断开和闭合开关元件16和18和确保恒定电压供应下相应的安全运行状态。如果辅助电压源14中存在故障，则断开开关元件18并且变速器控制器22通过闭合的开关元件16由主电池12供电。以等效的方式，如果在主电池12中检测到故障，则断开开关元件16并且变速器控制器22通过闭合的开关元件18由辅助电压源14供电。因此，在故障的情况下总是确保变速器控制器22不会受到电压降的影响并且因此可以安全地接合驻车位置以固定车辆。在这种情况下，如图1所示，开关元件16可以由车载网络控制单元40或可选地由变速器控制单元22操作。
为此，例如可以经由机动车辆2的CAN总线来传输控制信号。
现在将另外参考图2来解释第二示例性实施例。
根据第二示例性实施例的车载网络4与根据第一示例性实施例的车载网络4的不同之处在于通过与DC电压转换器8的导电连接形成辅助电压源14。因此，也没有与辅助电池相关的第二电池管理系统56b。否则，以上关于车载网络4的结构和功能所作的评论也类似地适用于根据第二示例性实施例的车载网络4。
现在将另外参考图3来解释第三示例性实施例。
根据第三示例性实施例的车载网络4与根据第二示例性实施例的车载网络4的不同之处在于辅助电压源14是超级电容器。因此，也没有与辅助电池相关的第二电池管理系统56b。
另外，以上关于车载网络4的结构和功能所做的评论也类似地适用于根据第三示例性实施例的车载网络4。
现在将另外参考图4来解释第四示例性实施例。
根据第四示例性实施例的车载网络4与根据第三示例性实施例的车载网络4的不同之处在于变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22以及ABS/EPB系统32交换了它们在车载网络4中的位置。
另外，以上关于车载网络4的结构和功能所做的评论也类似地适用于根据第四示例性实施例的车载网络4。
现在将解释用于操作车载电气网络4的方法。
为了操作机动车辆2的具有第一电压电路I和第二电压电路II的车载网络4，借助于处于闭合状态的第一开关元件16，从主电池12向车辆2的组件(例如变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22或ABS/EPB系统32)提供电气操作能量，以及给以辅助电池形式或以超级电容器形式的辅助电压源14充电。
如果在该系统中辅助电池或超级电容器已充电或检测到故障，则车载网络控制单元40会生成相应的激活信号以断开第二开关元件18。开关元件16保持闭合。
在第一步骤中一旦检测到车载网络4本身的故障，在随后的步骤中，变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22或ABS/EPB系统32生成相应的激活信号以断开第一开关元件16。开关元件18保持闭合。
因此，在相应的故障情况下，始终为变速器控制单元20和/或集成的混合动力控制器22和/或ABS/EPB系统32确保恒定的电压供应。
因此增加了这种车载网络4的操作安全性。
附图标记列表
2 机动车辆
4 车载电气网络
6 动力传动系统
8 直流电压转换器
10 电池
12 主电池
14 辅助电压源
16 开关元件
18 开关元件
20 变速器控制单元
22 集成的混合动力控制器
24 挡位选择控制单元
26 逆变器
28 电动马达
30 启动器
32 防抱死制动/电子驻车制动系统
34 动力传动系统控制单元
36 电动助力转向系统
38 网关模块
40 车载网络控制单元
42 信息娱乐系统
44 保险丝组件
46 保险丝
48 保险丝
50 保险丝
54 EPB/ABS保险丝
56a 电池管理系统
56b 电池管理系统
56c 电池管理系统
58 功率分配单元
I 第一电压电路
II 第二电压电路

Claims (14)

1.一种用于操作机动车辆(2)的车载电气网络(4)的方法，所述车载电气网络(4)具有第一电压电路(I)和第二电压电路(II)，所述第一电压电路(I)的第一操作电压高于所述第二电压电路(II)中的第二操作电压，所述第一电压电路(I)通过直流电压转换器(8)连接到所述第二电压电路(II)，其中所述第一电压电路(I)具有电池(10)，以及所述第二电压电路(II)具有主电池(12)和辅助电压源(14)，以及其中借助于第一开关元件(16)和第二开关元件(18)，从所述主电池(12)和/或所述辅助电压源(14)向至少一个变速器控制单元(20)和/或集成的混合动力控制器(22)提供电能，以及至少所述变速器控制单元(20)和/或所述集成的混合动力控制器(22)与所述主电池(12)和/或所述辅助电压源(14)断开连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述辅助电压源(14)是辅助电池。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述辅助电压源(14)通过与所述直流电压转换器(8)的导电连接而形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述辅助电压源(14)被实施为超级电容器。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中一旦检测到启动模式和/或一旦检测到所述车载网络(4)中的故障，就断开所述第一开关元件(16)，以及所述变速器控制单元(20)和/或所述集成的混合动力控制器(22)由所述辅助电压源(14)供电。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其中所述第二开关元件(18)闭合以开始充电过程，以及所述第二开关元件(18)断开以终止充电过程和/或一旦检测到故障，就将所述辅助电压源(14)与所述车载电气网络(4)断开连接。
7.一种计算机程序产品，其被设计为执行根据权利要求1至6之一所述的方法。
8.一种用于机动车辆(2)的车载电气网络(4)，具有第一电压电路(I)和第二电压电路(II)，所述第一电压电路(I)的第一操作电压高于所述第二电压电路(II)中的第二操作电压，所述第一电压电路(I)通过直流电压转换器(8)连接到所述第二电压电路(II)，其中所述第一电压电路(I)具有电池(10)，以及所述第二电压电路(II)具有主电池(12)和辅助电压源(14)，以及其中至少一个变速器控制单元(20)和/或集成的混合动力控制器(22)借助于第一开关元件(16)和第二开关元件(18)从所述主电池(12)和/或所述辅助电压源(14)被提供电能，以及至少所述变速器控制单元(20)和/或所述集成的混合动力控制器(22)与所述主电池(12)和/或所述辅助电压源(14)断开连接。
9.根据权利要求8所述的车载电气网络(4)，其中所述辅助电压源(14)是辅助电池。
10.根据权利要求8或9所述的车载电气网络(4)，其中所述辅助电压源(14)通过与所述直流电压转换器(8)的导电连接而形成。
11.根据权利要求8、9或10所述的车载电气网络(4)，其中所述辅助电压源(14)是超级电容器。
12.根据权利要求8至11之一所述的方法，其中所述第一开关元件(16)在检测到启动模式时和/或在检测到所述车载网络(4)中的故障时断开，以及所述变速器控制单元(20)和/或所述集成的混合动力控制器(22)由所述辅助电压源(14)供电。
13.根据权利要求12所述的车载电气网络(4)，其中所述第二开关元件(18)闭合以开始充电过程，以及所述第二开关元件(18)断开以终止充电过程和/或所述辅助电压源(14)在检测到故障时与所述车载电气网络(4)断开连接。
14.一种具有根据权利要求8至13中之一所述的车载电气网络(4)的机动车辆(2)。
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