CN113199940A - 用于操作机动车辆的车载电网的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操作机动车辆(2)的车载电网(4)的方法，车载电网(4)具有第一电压电路(I)和第二电压电路(II)，第一电压电路(I)的第一操作电压高于第二电压电路(II)的第二操作电压，第一电压电路(I)通过DC‑DC转换器(8)连接到第二电压电路(II)，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)，其特征在于，与DC‑DC转换器(8)并行的设有降压转换器(14)，降压转换器(14)向通过连接点(67)连接的机动车辆(2)的部件提供来自电池(10)的电能。

Description

用于操作机动车辆的车载电网的方法
技术领域
本发明涉及一种用于操作机动车辆的车载电网的方法。
背景技术
车载电网应理解为是指机动车辆(例如汽车)中所有电气部件的总和。
现在，12伏的车载电网几乎无法覆盖现代机动车辆为其舒适系统所需的功耗。尤其是在低温下的“静态”消耗器几乎完全耗尽了交流发电机，交流发电机提供高达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)，则电池电量不够。因此，添加了电压为48伏的第二部分车载电网，以补充12伏车载电网。
具有48伏工作电压的车载电网还提供了以下可能性：快速且经济高效地实现更简单的混合动力，并且通过对机动车辆的动力总成进行部分电气化，将有害排放物保持在法定限值以下。
使用48伏车载电网并不能代替以前已知的12V车载电网，而是对其进行补充。机动车辆中许多已设立的部件可以继续以12伏的电压单独运行。因此，可以避免完全且因此昂贵的向较高电压的转换。
在操作中，单向或双向DC-DC转换器从48伏车载电网为12伏车载电网供电。
对于轻度混合动力形式的机动车辆，动力传动系统具有电动马达(例如皮带驱动的起动器发电机(BiSG)或变速器集成式马达发电机(TiMG))、逆变器、DC-DC转换器和48伏电池。
因此，可以使用48伏车载电网将电动马达作为最高15kW的马达运行。但是，这要求发动机在所有行驶条件下(即使在低速下)重启。
考虑到发动机起动要求和解耦主电池的需要，需要第二电池与DC-DC转换器(直流-直流转换器)的12V(伏)输出结合，以便尤其是在起动内燃发动机时稳定车载电源。
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例如可以用停车系统或电动停车制动器来安全地停放机动车辆。
48伏电池可以是锂离子电池。但是，这种锂离子电池在低温下不能提供足够的电流来起动发动机。因此，传统的起动器由12伏铅酸电池供电。
DE 10 2018 215 605 A1公开了一种用于操作机动车辆的车载电网的方法，该车载电网具有第一电压电路和第二电压电路，该第一电压电路具有第一操作电压，该第一操作电压高于在第二电压电路中第二操作电压，第一电压电路通过DC-DC转换器连接到第二电压电路，并且第一电压电路具有电池，以及第二电压电路具有主电池，其特征在于第二电压电路具有附加的第三辅助电池，以及其中通过机动车辆的转换开关总成部件从主电池和/或辅助电池提供电能，并且主电池通过在起动模式下的隔离开关的方式与第二电压电路断开连接。
在DE 102019 125 067 A1中公开了用于运行具有第一电压电路和第二电压电路的机动车辆的车载电网的另一种方法，其中第一主电池和第二主电池具有基本相等的容量，并且其中通过开关总成从第一主电池和/或第二主电池向机动车辆的部件提供电能。
DE 10 20169 125 068 A1公开了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网的另一种方法，该第一电压电路具有电池并且该第二电压电路具有主电池和辅助电源，以及其中至少一个变速器控制单元和/或集成式混合动力控制单元通过第一开关元件和第二开关元件从主电池和/或辅助电源获得电操作功率，以及至少变速器控制单元和/或集成混合动力控制器与主电池和/或辅助电源断开。
但是，在所有可行的运行条件下，双向DC-DC转换器不能提供足够恒定的电压，以便尤其确保车载电网安全相关部件的运行安全性。
因此，需要确定在不需要额外电压源的情况下可以增加这种车载电网的操作安全性的方法。
发明内容
本发明的目的通过一种用于操作机动车辆的车载电网的方法来实现，该车载电网具有第一电压电路和第二电压电路，该第一电压电路具有高于第二电压电路中的第二操作电压的第一操作电压，第一电压电路通过DC-DC电压转换器连接到第二电压电路，第一电压电路具有电池以及第二电压电路具有主电池，其中与DC-DC转换器并行的设有降压转换器，该降压转换器向通过连接点连接的机动车辆的部件提供来自电池的电能。
在这种情况下，降压变压器(也称为降压转换器(step-down converter)、降压调节器或降压型转换器(buckconverter))是指开关DC-DC转换器。降压转换器提供的电输出电压始终小于电输入电压的电平。结果，降压转换器将由第一电压电路中的电池提供的电压减小为第二电压电路中的电压的值。换句话说，DC-DC转换器和降压转换器在降压模式下并行操作，因此提供了操作电量供应的冗余。只有在升压模式下通过DC-DC转换器才能从第二电压电路对第一电压电路的电池充电。因此，使用设计更简单的降压转换器代替第二DC-DC转换器。
由此可以提高这种车载电网的操作安全性。
根据一个实施例，在发生故障的情况下断开在电池和部件之间建立电隔离连接的开关总成。这样，在发生与降压转换器或与降压转换器相连的部件有关的故障时，可以将电池与车载电网电隔离，从而使尽管有故障车载电网及其其他部件保持功能正常。因此，可以进一步提高这种车载电网的操作安全性。
根据一个实施例，开关总成是两极的。这样，在出现故障的情况下，可以实现与车载电网的完全隔离。因此，这种车载电网的操作安全性进一步提高。
根据一个实施例，部件之一是变速器控制单元和/或ABS/EPB系统(防抱死/电子驻车制动系统)和/或车载网络控制单元。变速器控制单元也可以是用于换挡(线控换挡或线控驻车)的控制单元和/或具有或不具有集成式混合动力控制器的变速器控制单元。因此，可以实现这些控制单元的操作电量供应的冗余。这抵消了故障，例如机动车辆变速器中的电控驻车锁/防盗器，电控驻车锁/防盗器由换挡的控制单元(线控换挡或线控驻车)和/或通过具有或不具有集成式混合动力控制器的换挡控制单元控制。换挡控制单元将驾驶员的挡位选择转换为信号，该信号传输至变速器控制单元并且由变速器控制单元(例如自动变速器的机械驻车锁/防盗器)执行。关于ABS/EPB系统，因此可以实现用于ABS/EPB系统的操作电量供应的冗余。这可以抵消例如由EPB/ABS控制单元激活的机动车辆的电动驻车制动器的故障。这确保了在电压电路之一发生故障的情况下，机械驻车锁/防盗锁和/或电子驻车制动器仍能完全正常工作。故障情况错误在此理解为在电压电路中发生物理故障。该故障情况表示掩盖了随后发生的潜在的对安全至关重要的故障，直到首先检测到并解决了该故障为止，且因此，在此过程中，驻车锁/防盗锁和/或电子驻车制动器的实际功能是完全可用的。这称为冗余。关于车载电网控制单元，也实现了该控制单元的操作电量供应的冗余。因此，可以进一步提高整个车载电网的供应安全性。替代地或附加地，可以以故障安全的方式向其他部件提供电能。因此，根据系统要求，可以针对任何期望的控制单元实现操作电量供应的冗余，以便抵消其中的对安全至关重要的故障。
根据另一实施例，开关总成在起动器操作期间或在主电池发生故障的情况下在机动车辆的第二电压电路中的至少一个预定部件处电隔离。以这种方式，特别是在起动器操作期间可以保护主电池，在该起动器操作中，机动车辆的内燃发动机被起动，从而确保了由主电池提供的电压不会击穿。
根据另一实施例，为了确定是否存在故障情况，在机动车辆的预定部件处产生预定的电压电平并且将其与预定的参考值进行比较，并且如果电压电平从参考值偏离，则判定存在故障情况。预定部件可以是例如电池管理系统和/或变速器控制单元。起动器运行期间，可以通过以预定方式打开和关闭在电池和部件之间建立电隔离连接的开关总成和/或在车辆的第二电压电路中电隔离至少一个预定部件的开关总成来产生电压电平。这使得检查故障情况是否存在特别容易。
本发明还包括计算机程序产品、车载电网和具有这种车载电网的机动车辆。
附图说明
现在将参考附图说明本发明。在附图中：
图1示出了机动车辆的车载电网的示意图；
图2显示了图1所示的车载电网的更多细节；
图3显示了验证矩阵。
具体实施方式
首先将参考图1。
图1示出了诸如汽车的机动车辆2的车载电网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包含机动车辆2产生动力来驱动机动车辆2并将动力传递到道路上的所有部件。
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是指内燃发动机(未示出)和用于机动车辆2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，汽油发动机在氧气过量(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电动旋转马达，电动马达28既可以作为马达(即部分牵引马达)运行，也可以作为用于能量回收的发电机运行。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高达15kW。在运行中，电动马达28仅辅助内燃发动机增加功率。虽然如此，纯电动驱动仅在有限的程度上是可能的。
内燃发动机和电动马达28可以以不同的方式一起工作：并行(内燃发动机和电动马达28同时作用在运动部件上)、串行(仅其中一个马达直接作用在运动部件上，而另一台马达提供动力，该动力被转换并馈送到直接作用的马达)、或者作为动力分配混合动力。
在本示例性实施例中被实现为轻度混合动力传动系统的动力传动系统6被实现为并行的混合动力传动系统。
车载电网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伏以及第二操作电压为12伏。
第一电压电路I经由DC-DC转换器8连接至第二电压电路II。本示例性实施例中的DC-DC转换器8被设计用于双向电压转换，因此均用于升高电压和降低电压。
在本示例性实施例中的第一电压电路I包含电池10和逆变器26以及隔离开关总成66。
在该示例性实施例中的电池10是锂离子电池，该锂离子电池导电地电连接到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，并且在用作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导电地电连接。此外，逆变器26在输出侧与DC-DC转换器8导电地电连接并且逆变器26由被集成到变速器控制单元20的混合动力控制器22控制或调节。
隔离开关总成66在一侧设置在DC-DC转换器8和逆变器26的高压输出以及在另一侧设置在电池10，并且在断开状态下将电池10从DC-DC转换器8和逆变器26电隔离开。隔离开关总成66以常开的方式设计。
在本示例性实施例中的第二电压电路II包含作为基本部件的具有上游保险丝48的主电池12、降压转换器14、第一开关总成16、第二开关总成18、具有保险丝50、54的保险丝总成44、带有上游保险丝46的变速器控制单元(TCM)20、集成式混合动力控制器(HFM)22和挡位选择控制单元(GSM)24，它们可使电控驻车锁/防盗锁接合到变速器，从而确保机动车辆2和起动器30。
换挡控制单元24由驾驶员致动，从而表达出他/她选择驾驶/空挡/倒车或驻车的愿望。然后，换挡控制单元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。
其他部件是ABS/EPB系统32、动力传动系统控制模块(PCM)34、EPAS系统(电动助力转向系统)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、分配给主电池12以检测主电池12的荷电状态的主电池传感器56、电池管理系统(BECM)60和配电单元58。
在该示例性实施例中，降压转换器14与DC-DC转换器8并行连接，并且被设计用于单向电压转换，即仅用于降低电压，在该示例中用于将第一电压电路的电压降低到第二电压电路II的电压。在该示例性实施例中，降压转换器14直接经由连接点67电连接至电池10，并且因此绕过隔离开关总成66以确保经由降压转换器14的连续供电。因此，在本示例性实施例中对于变速器控制单元20，DC-DC转换器8和降压转换器14在降压操作中并行作用，并且因此提供了操作电量供应的冗余。与本示例性实施例相反，还可以通过冗余电池电量供应为其他或不同的部件提供电能。
开关总成16在操作期间由变速器控制单元20控制，并且开关总成18在操作期间由电池管理系统(BECM)60致动以便特别是将开关总成18打开，这将在后面详细说明。应当注意的是，在正常操作期间，开关总成16和开关总成18均闭合。
开关总成16仅在起动器操作模式下和/或在已检测到影响变速器控制单元20的故障情况(例如主电池12故障)的情况下打开以起动起动器30，从而起动内燃发动机。另外，在本示例性实施例中，主电池12与变速器控制单元20电隔离，即主电池12在起动过程中不供应车载电网4的不必要的部件。这在该关键过程期间节省了主电池12。
相比之下，开关总成18仅在发生故障时打开。特别地，这是影响降压转换器14和/或所连接的系统的故障情况。
现在另外参考图2。
具体地，示出了分配给电池管理系统60(BECM)的其他部件。在本示例性实施例中，它们是电源管理单元64(PMB)、分配给电池10的电池传感器70(CSC)和电流传感器68、以及到BUS(总线)系统的接口62，在本示例性实施例中BUS系统是CAN(控制器局域网)总线。
在该本示例性实施例中，电动马达28被设计为皮带驱动的起动器发电机(BiSG)。
此外，从图2可以看出，本示例性实施例中的开关总成18是两极的。因此，在发生故障的情况下可以实现与车载电网4的完全隔离。
在降压转换器操作中，DC-DC转换器8和降压转换器14并行工作，其中在DC-DC转换器8发生故障的情况下，其功能也可以通过降压转换器14执行。
在这种故障的情况下，断开原本闭合的开关总成18，从而使DC-DC转换器8电隔离。在该示例性实施例中，部件变速器控制单元20、ABS/EPB系统32和车载网络控制单元40然后通过降压转换器14供应电能。
另一方面，在本示例性实施例中，开关总成16在起动器操作期间或在主电池12发生故障的情况下断开，以便使主电池12从变速器控制单元20电隔离。
现在另外参考图3。
示出了验证矩阵72，该验证矩阵72用于确定导致开关总成16或开关总成18断开的相应故障情况。
为了确定是否存在故障情况，在机动车辆2的预定部件上产生预定的电压电平V1、V2，并且将其与预定的参考值进行比较，并且如果电压电平V1、V2偏离了该参考值，则得出故障情况。
预定部件是主电池传感器56以及电池管理系统60和变速器控制单元20。
如果开关总成16和开关总成18分别闭合并且不存在故障情况，则在主电池传感器56和电池管理系统60以及变速器控制单元20处设置第一电压电平V1。
如果开关总成16断开并且开关总成18闭合并且没有故障情况存在，则在主电池传感器56处设置第一电压电平V1，并且在电池管理系统60和变速器控制单元20处设置第二电压电平V2。
如果开关总成16是闭合的并且开关总成16断开并且没有故障情况存在，则在主电池传感器56处设置第一电压电平V1，并且在电池管理系统60处设置第二电压电平V2并且在变速器控制单元20处设置第一电压电平V1。
当机动车辆2被调试时，在自检阶段可以产生并检查不同的电压电平V1、V2。开关总成16和开关总成18可以以任何顺序的步骤被激活，以便产生相应的电压电平V1、V2。
换句话说，与本示例性实施例不同，步骤的顺序也可以不同。此外，与本示例性实施例不同，也可以跳过或省略各个步骤。如果电压电平V1、V2根据开关总成18和开关总成16的状态而不同，则诊断出操作电压供给中的故障，并且如上所述采取适当的措施来保持操作电压。
因此，通过使用明显更简单的降压转换器14代替第二DC-DC转换器，可以实现操作电量供应的冗余。
附图标记列表
2机动车辆
4车载电网
6动力传动系统
8DC-DC转换器
10电池
12主电池
14降压转换器
16开关总成
18开关总成
20变速器控制单元
22集成到变速器控制单元的混合动力控制器
24在驾驶/空挡/倒车或驻车之间换挡的控制单元(线控换挡或线控驻车控制单元)
26逆变器
28电动马达
30起动器
32ABS/EPB系统
34动力传动控制单元
36EPAS系统
38网关模块
40车载网络控制单元
42信息娱乐系统
44保险丝总成
46保险丝
48保险丝
50保险丝
54保险丝
56主电池传感器
58配电单元
60电池能量控制模块(BECM)
62接口
64PMB电源管理模块(PMM)
66隔离开关总成
67连接点
68电流传感器(EMC)
70电池传感器(CSC电池传感器电路)
72验证矩阵
I第一电压电路
II第二电压电路
V1电压电平
V2电压电平

Claims (14)

1.一种用于操作机动车辆(2)的车载电网(4)的方法，所述车载电网(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)的第二操作电压，所述第一电压电路(I)通过DC-DC转换器(8)连接到所述第二电压电路(II)，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)，其特征在于，与所述DC-DC转换器(8)并行的设有降压转换器(14)，所述降压转换器(14)向通过连接点(67)连接的所述机动车辆(2)的部件提供来自所述电池(10)的电能。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在发生故障的情况下断开在所述电池(10)和所述部件之间建立电隔离连接的开关总成(18)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述开关总成(18)是两极的。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述部件之一是变速器控制单元(20)和/或ABS/EPB系统(32)和/或车载网络控制单元(40)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，开关总成(16)在起动器操作期间或在所述主电池(12)发生故障的情况下在所述机动车辆(2)的所述第二电压电路(16)中的至少一个预定部件处电隔离。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其中，为了确定是否存在故障情况，在所述机动车辆(2)的预定部件处产生预定的电压电平(V1、V2)并且将所述电压电平(V1、V2)与预定的参考值进行比较，并且如果所述电压电平(V1、V2)从所述参考值偏离，则得出存在故障情况。
7.一种体现为执行根据权利要求1至20之一的方法的计算机程序产品。
8.一种用于机动车辆(2)的车载电网(4)，所述车载电网(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)的第二操作电压，所述第一电压电路(I)通过DC-DC转换器(8)连接到所述第二电压电路(II)，以及所述第一电压电路(I)具有电池(10)以及所述第二电压电路(II)具有主电池(12)，其特征在于，与所述DC-DC转换器(8)并行的设有降压转换器(14)，所述降压转换器(14)向通过连接点(67)连接的所述机动车辆(2)的部件提供来自所述电池(10)的电能。
9.根据权利要求8所述的车载电网(4)，其中，在发生故障的情况下断开在所述电池(10)和所述部件之间建立电隔离连接的开关总成(18)。
10.根据权利要求8或9所述的车载电网(4)，其中，所述开关总成(18)是两极的。
11.根据权利要求8、9或10所述的车载电网(4)，其中，所述部件之一是变速器控制单元(20)和/或ABS/EPB系统(32)和/或车载网络控制单元(40)。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的车载电网(4)，其中，开关总成(16)在起动器操作期间或在所述主电池(12)发生故障的情况下在所述机动车辆(2)的所述第二电压电路(16)中的至少一个预定部件处电隔离。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的车载电网(4)，其中，为了确定是否存在故障情况，在所述机动车辆(2)的预定部件处产生预定的电压电平(V1、V2)并且将所述电压电平(V1、V2)与预定的参考值进行比较，以及如果所述电压电平(V1、V2)从所述参考值偏离，则得出存在故障情况。
14.一种具有根据权利要求8至13中的一项所述的车载电网(4)的机动车辆(2)。
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