CN114123650A - 供能装置、用于给至少一个电气负载供电的方法以及车辆 - Google Patents

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Abstract

一种用于车辆(100)的供能装置(102)，其包括：至少一个负载接口(110、112)，用于连接至少一个电气负载(104、108)；发电机(114)；电池机构(116)；和开关机构(118)，其构成为在正常状态下将发电机(114)与电池机构(116)连接并且将电池机构(116)与负载接口(110、112)连接；以及在紧急状态下将发电机(114)与负载接口(110、112)连接并且将电池机构(116)与负载接口(110、112)分离。此外，供能装置(102)包括用于将开关机构(118)置成紧急状态的控制机构(120)。

Description

供能装置、用于给至少一个电气负载供电的方法以及车辆
技术领域
本方案涉及一种供能装置、一种用于给至少一个电气负载供电的方法以及一种车辆。
背景技术
为了给车辆的车载电网进行冗余供能可以规划附加的电池，或者在电动卡车的情况下由不同的电池单体借助于DC/DC转换器生成电压。
发明内容
在该背景下，本方案的任务在于，实现改善的供能装置、改善的用于给至少一个电气负载供电的方法以及改善的车辆。
该任务通过本申请的供能装置、用于给至少一个电气负载供电的方法以及车辆解决。
利用提出的方案可实现的优点在于，可以将已经在车辆中安装的发电机附加地用于确保车辆车载电网的供能的安全。
为此，相应的用于车辆的供能装置具有如下特征：
至少一个负载接口，用于将至少一个电气负载连接至供能装置；
发电机；
电池机构；
开关机构，其构成为：在正常状态下将发电机与电池机构导电连接，以便给电池机构充电，并且将电池机构与负载接口导电连接，以便给负载供以电能；并且该开关机构构成为：在紧急状态下将发电机与负载接口导电连接，以便给负载供以电能，并且将电池机构与负载接口电气分离；以及
控制机构，其构成为提供控制信号，该控制信号用于响应于代表电池机构的故障状态的故障信号使开关机构由正常状态转变到紧急状态。
车辆可以是用于客运的车辆或者卡车。供能装置可以是车辆的车载电网或这样的车载电网的一部分。电气负载可以是车辆的例如控制装置、传感器或电机。电池机构可以包括至少一个电池。电池机构可以用于提供对于电气负载的运行需要的电能。发电机可以与车辆的发动机、例如内燃机耦接并且被用来提供电能以便馈送到电池中。正常状态可以代表供能装置的如下状态，在该状态下电池机构可以提供足够的电能。紧急状态可以代表供能装置的如下状态，在该状态下不确保通过电池机构足够地供能，例如因为电池机构具有故障。开关机构可以包括多个例如以功率晶体管形式的电气开关。在正常状态下，开关机构可以构成为如此连接供能装置的电气线路，使得由电池机构给电气负载供以电能。相反，在紧急状态下，开关机构可以构成为如此连接供能装置的电气线路，使得直接由发电机给电气负载供以电能。在该情况下，电池机构可以不仅与发电机而且与电气负载电气分离，其中可选地，还可以存在与发电机和/或电气负载的接地连接。因此可以断开电路。控制机构可以是开关机构的一部分或者在开关机构之外实现。控制机构可以包括用于检测电池机构的故障状态的传感器或者与这样的传感器耦接。
按照一个实施方式，电池机构可以具有两个串联连接的电池。这样的串联连接例如经常在卡车中见到。特别是在24V车载电网的情况下(如在卡车中那样)需要两个串联连接的电池。在轿车中通常仅仅安装一个12V电池，或者两个单独的、非串联连接的电池，其中的一个电池仅仅用作起动器电池，另一个电池用于剩余的负载。
发电机可以具有用于将发电机与车辆的发动机耦接的发电机轴。例如，发电机可以通过三角皮带与发动机的轴耦接。因此发电机可如其典型地在配备有内燃机的车辆中那样使用。
供能装置可以具有电压调节器，电压调节器构成为调节由发电机提供的电压。在此，电压调节器的动态范围可以匹配于负载的功率消耗的预期的载荷变化。有利地，相应的电压调节器典型地已经安装在包括发电机的车辆中。因为电气负载直接由发电机供电，所以有利的是，电压调节器的动态范围匹配于在车辆运行中预期的电压波动。为此，电压调节器例如可以包括足够大尺寸的电容器。有利地，电压调节器可以构成为：在不存在用作缓冲器的另一电池的情况下调节电压。
开关机构可以构成为：在紧急状态下将电池机构与发电机电气分离。通过这种方式例如可以避免电池机构的进一步损坏或者阻止例如由于短路导致的能量损耗。
控制机构可以构成为：提供用于响应于故障信号关断至少一个负载的关断信号。通过这种方式可以减轻发电机的负担。例如，非危及安全或与安全相关度不大的负载适于被关断。
供能装置可以包括故障识别机构，该故障识别机构构成为识别电池机构的故障状态。此外，故障识别机构可以构成为：如果识别到故障状态，那么提供故障信号。例如，故障识别机构可以包括电压测量器。
开关机构可以包括：用于将开关机构与发电机连接的发电机连接端；至少一个用于将开关机构与第一负载接口连接的第一负载连接端；用于将开关机构与电池机构连接的第一电池连接端和第二电池连接端；以及至少一个用于将开关机构与第二负载接口连接的第二负载连接端。通过这种方式，开关机构可以如此设置在发电机、电池机构与负载之间，以至于视存在正常状态还是存在紧急状态而定，开关机构可以释放或中断发电机、电池机构与负载之间的相关电气线路。
供能装置有利地可以用于车辆中。相应的车辆除了所述供能装置之外还具有用于驱动车辆的发动机和至少一个电气负载。在此，发动机可与供能装置的发电机机械耦接并且该至少一个电气负载与供能装置的至少一个负载接口导电连接。
在此，电气负载可以实施为用于危及安全的电气负载的控制装置和/或实施为用于发动机的起动器。例如，电气负载可以实施为用于制动系统的控制装置和/或实施为用于自动地控制车辆的控制装置。有利地，通过这种方式，如果电池机构具有故障状态，那么也可以给用于确保车辆的安全运行所需的负载供以电能。
发动机可以构成为在怠速运行下提供第一动能。典型地，在怠速运行下提供的动能低于为了驱动车辆而提供的能量。发电机可以构成为：在使用第一动能的情况下提供第一电能，该第一电能相应于至少一个负载的最大能量消耗或最大能量吸收。为此，可以相应地确定发电机的尺寸。通过这种方式也可以在车辆的停止状态下给电气负载或至少给这个或这些在紧急状态下要供电的电气负载供以足够电能。
可选地，可以在该故障状态下实施怠速转数的适应性提高，以便覆盖电气系统中的能量需求。此外，供能装置可以构成为响应于紧急状态在怠速运行下提高发动机的转数。因此可以在故障状态期间实现转数的适应性提高。
相应的方法包括如下步骤：
响应于电池机构的无故障状态，将发电机与电池机构导电连接以便给电池机构充电，并且将电池机构与负载接口导电连接以便给负载供以电能；以及
响应于电池机构的故障状态，将发电机与负载接口导电连接以便给负载供以电能，并且将电池机构与负载接口电气分离。
例如，可以响应于故障状态实施车辆的启停自动装置的关闭。
例如，可以在使用所述开关机构的情况下实现该方法的步骤。
附图说明
在下面的说明中参照附图详细阐述这里提出的方案的实施例。附图中：
图1：示出具有按照一个实施例的供能装置的车辆的示意图；以及
图2：示出按照一个实施例的用于给至少一个电气负载供电的方法流程图。
具体实施方式
在本方案的有利实施例的以下说明中，对于在不同附图中示出的和作用相似的元件使用相同或相似的附图标记，其中省去了对这些元件的重复说明。
图1示出具有按照一个实施例的供能装置102的车辆100的示意图。仅仅示例性地，车辆100是卡车。车辆100具有至少一个电气负载104，典型地，具有多个电气负载。例如，电气负载104是用于车辆100的制动系统的控制装置或者用于控制车辆100的功能的控制装置。这样的控制装置例如也可以是用于自动化地控制车辆100的控制装置或者一般地是用于车辆100的一个电气负载的控制装置。此外，车辆100具有发动机106。例如，该发动机106实施为用于使车辆100移动的驱动马达。在此例如涉及内燃机。在该情况下，该车辆具有用于起动该发动机106的起动器形式的另一电气负载108。电气负载104、108对于其运行需要电能。该电能由供能装置102通过至少一个负载接口、按照该实施例通过第一负载接口110和第二负载接口112提供。
按照该实施例，供能装置102包括发电机114、电池机构116、开关机构118以及控制机构120。
电池机构116包括至少一个电池122、按照该实施例可选地包括两个串联连接的电池122。例如，电池122分别是12V、225Ah、1150A电池，如其典型地在车辆中使用的那样。如果车辆100实施为轿车，那么电池机构116典型地不包括两个串联连接的电池。在电池机构116的无故障状态下，电池机构116构成为给至少一个电气负载104、108供以电能。这也称为正常状态。在电池机构116的故障状态下，电池机构116可能不能给电气负载104、108足够地供以电能。该状态也称为紧急状态。在该情况下，供能装置102构成为：在绕过电池机构116的情况下直接由发电机114提供需要的电能以给至少一个电气负载104、108供电。
发电机114与发动机106机械耦接，例如，发电机114的发电机轴通过三角皮带与发动机106的发动机轴连接。通过这种方式，在发动机106运行时可以将由发动机106提供的动能由发电机114转换为电能。在正常状态下，将由发电机114提供的电能馈送到电池机构116中，从而可以给电池122充电。在紧急状态下，由发电机提供的电能被用来给电气负载104、108中的至少一个供电。
开关机构118构成为：根据是存在正常状态还是存在紧急状态来确保通过电池机构116或发电机114给电气负载104、108供电。如果存在正常状态，那么开关机构118构成为将发电机114与电池机构116导电连接。由此可以给电池机构116充电或再充电。此外开关机构118构成为：在正常状态下，将电池机构116与第二负载接口112导电连接。由此可以直接由电池机构116给该至少一个电气负载104、108供以电能。在紧急状态下，开关机构118构成为：在绕过电池机构116的情况下将发电机114与第二负载接口112导电连接。由此直接由发电机114给该至少一个电气负载104、108供能。此外，开关机构118构成为将电池机构116与第二负载接口112电气分离。可选地，开关机构118构成为：在紧急运行中将电池机构116与发电机电气分离。
控制机构120构成为：在正常状态与原始状态之间切换开关机构118。为此，控制机构120构成为将相应的控制信号124提供给开关机构118。按照一个实施例，控制机构120构成为：响应于故障信号126提供适于将开关机构118由正常状态转变到紧急状态的控制信号124，该故障信号126代表电池机构116的故障状态。可选地，控制机构120构成为：响应于代表电池机构116的无障碍状态的信号提供适于将开关机构118由紧急状态转变到正常状态的控制信号124。
可选地，供能装置102包括故障识别机构128，该故障识别机构构成为识别电池机构116的故障状态并且提供显示故障状态的故障信号126。为此，故障识别机构128通过适合的方式与电池机构116耦接。例如，故障识别机构128构成为：将电池机构116内部的短路或电池机构116的处于规范之下的输出电压识别为故障状态。
按照一个实施例，供能装置102包括电压调节器130，该电压调节器构成为调节由发电机114提供的电压。可选地，电压调节器130至少在紧急状态下构成为如此调节由发电机114提供的电压，以至于提供的电压匹配于在紧急运行下直接由发电机114供以电能的至少一个负载的功率消耗的预期的载荷变化。为此，按照一个实施例，根据预期的载荷变化设计该电压调节器130的动态范围。
可选地，控制机构120构成为在紧急运行下提供用于关断至少一个负载104、108的关断信号132。例如，控制机构120构成为响应于故障信号126提供关断信号132。这有利地影响电压调节器130的所需的动态范围。
按照一个实施例，发电机114在其功率方面如此设计，以至于在怠速工况下运行的发动机106的输入到发电机114中的动能足以提供足够的电能，以便可以在紧急运行下满足该至少一个在紧急运行下要供电的电气负载的最大能量消耗。
按照所示的实施例，开关机构118具有发电机连接端140、示例性的两个第一负载连接端142、第一电池连接端144、至少一个第二电池连接端146、在此示例性的三个单独的第二电池连接端146以及至少一个第二负载连接端148、示例性的三个第二负载连接端148。发电机114通过电气线路与发电机连接端140且可选地与起动器108连接。该至少一个电气负载104通过电气线路和可选的保险机构150、在此是中间连接的保险盒与第一负载连接端142连接。按照该实施例，示出两个电气线路，例如用于将两个单独的电气负载104与示出的两个第一负载连接端142连接。第一电池连接端144通过电气线路与电池机构116的第一极连接并且一个或多个第二电池连接端146通过一个或多个电气线路与电池机构116的第二极连接。按照所述的实施例，第二负载连接端148中的一个通过电气线路与起动器108以及可选地与发动机106连接；另一第二负载连接端148通过电气线路与电气负载104连接，并且另一第二负载连接端148通过电气线路与另一电气负载104连接。按照该实施例，第一负载接口110包括第一负载连接端142以及可选的发电机连接端140，并且第二负载接口112包括第二负载连接端148。
按照一个实施例，开关机构118构成为：在正常状态下将发电机连接端140和第一负载连接端148与第一电池连接端144连接。此外，开关机构118构成为：在正常状态下将一个或多个第二电池连接端146与第二负载连接端148连接。此外，开关机构118构成为：将发电机连接端140与第二负载连接端148之间、例如通过连接线路151的直接电气连接中断。
按照一个实施例，开关机构118包括电池开关152，给该电池开关配置发电机连接端140和第一负载连接端142。此外，开关机构118可选地包括另一电池开关154，给该另一电池开关配置第二电池连接端146和第二负载连接端148。电池开关152、154也可以实施为共同的电路，其包括用于连接各连接端140、142、144、146、148的多个开关。
按照一个实施例，开关机构118构成为：在紧急状态下将发电机连接端140和第一负载连接端142与第一电池连接端144之间的电气连接中断。附加或替换地，开关机构118构成为：在该状态下将第二电池连接端146与第二负载连接端148之间的电气连接中断。此外，开关机构118构成为将发电机连接端140与第二负载连接端148直接地、例如通过连接线路151连接，以便能实现通过发电机114给电气负载104、108的直接供能。
按照一个实施例，车辆100具有的冗余的车载电网，其仅仅通过发电机114供电。例如在所有类型车辆的自动化或自动行驶的过程中必要或者至少有意义的是提供冗余。这些冗余应如此设计，以至于车辆100不能进入危及安全或不可控的状态中。因此转变为，多重地在车辆100中放置各系统、如例如电气制动系统EBS或ABS(防抱死系统)，其示例性地通过至少一个电气负载104标明。为了使得在单重故障的情况下不导致连锁故障，足够独立地设计各控制装置、例如至少一个电气负载104的供电。为此，按照所述方案，有利地不需要的是，规划附加的电池，或者在电动卡车作为车辆100的情况下由不同电池单体借助于DC/DC转换器生成电压。取而代之的是，充分利用如下事实：发电机114与电池相同地具有电压源特征。
有利地，所述方案可以通过简单地适配车载电网中的传统布线来实现。为此，按照一个实施例，在系统层面上需要如下匹配：
发电机114的电压调节器130的动态足以在也称为独立运行的紧急状态下满足负载104、108的电流变化。
电池开关152在至少一个电池122发生故障的情况下、亦即在紧急状态下打开其触点。
发电机114的输出电流在怠速中覆盖负载104、108的电流需求。必要时将非危及安全的辅助负载关断。可选地，在怠速运行下在故障状态期间提高发动机106的转数，以便确保足够的供能。
安全相关的负载、如例如转速表连接在电池开关152之后，从而它们在分离时仍然被供电。
图2示出按照一个实施例的用于给至少一个电气负载供电的方法流程图。该方法例如可以结合根据图1所述的供能装置实现。
该方法可以提高车载电网的可用性，就此而言，电气负载(其例如呈具有必要时降级的电压质量和/或提高的波动性的控制装置的形式)还可以稳定地给逻辑装置和/或传感装置/执行装置供电。
响应于电池机构的无故障状态或在电池机构的无故障状态期间，在步骤201中将发电机与电池机构导电连接。附加地，将电池机构与负载接口导电连接，以便给负载供以电能。
响应于电池机构的故障状态或在电池机构的故障状态期间，在步骤203中将发电机与负载接口导电连接，以便给负载供以电能。此外，将电池机构与负载接口电气分离。对于该紧急模式，将关断内燃机的舒适/效率功能停用，以便例如还能行驶到下一工厂，而不依赖起动器电池。
附图标记列表：
100 车辆
102 供能装置
104 电气负载
106 发动机
108 起动器
110 第一负载接口
112 第二负载接口
114 发电机
116 电池机构
118 开关机构
120 控制机构
122 电池
124 控制信号
126 故障信号
128 故障识别机构
130 电压调节器
132 关断信号
140 发电机连接端
142 第一负载连接端
144 第一电池连接端
146 第二电池连接端
148 第二负载连接端
150 保险盒
151 连接线路
152 电池开关
154 另一电池开关
201 连接步骤
203 连接和分离步骤。

Claims (14)

1.一种用于车辆(100)的供能装置(102)，其中所述供能装置(102)具有如下特征：
至少一个负载接口(110、112)，用于将至少一个电气负载(104、108)连接至供能装置(102)；
发电机(114)；
电池机构(116)；
开关机构(118)，所述开关机构构成为：在正常状态下将发电机(114)与电池机构(116)导电连接，以便给电池机构(116)充电，并且将电池机构(116)与负载接口(110、112)导电连接，以便给负载(104、108)供以电能；并且所述开关机构构成为：在紧急状态下将发电机(114)与负载接口(110、112)导电连接，以便给负载(104、108)供以电能，并且将电池机构(116)与负载接口(110、112)电气分离；和
控制机构(120)，所述控制机构构成为提供控制信号(124)，用于响应于代表电池机构(116)的故障状态的故障信号(126)将开关机构(118)从正常状态置成紧急状态。
2.根据权利要求1所述的供能装置(102)，其中，该电池机构(116)具有单个电池(122)或两个串联连接的电池(122)。
3.根据上述权利要求之一所述的供能装置(102)，其中，发电机(114)具有发电机轴，用于将发电机(114)与车辆(100)的发动机(106)耦接。
4.根据上述权利要求之一所述的供能装置(102)，其包括电压调节器(130)，所述电压调节器构成为：在没有用作缓冲器的另一电池的情况下调节由发电机(114)提供的电压，其中该电压调节器(130)的动态范围匹配于负载(104、108)的功率消耗的预期的载荷变化。
5.根据上述权利要求之一所述的供能装置(102)，其中，开关机构(118)构成为在紧急状态下将电池机构(116)与发电机(114)电气分离。
6.根据上述权利要求之一所述的供能装置(102)，其中，控制机构(120)构成为提供用于响应于故障信号(126)关断至少一个负载(104、108)的关断信号(132)。
7.根据上述权利要求之一所述的供能装置(102)，其包括故障识别机构(128)，所述故障识别机构构成为识别电池机构(116)的故障状态并且提供故障信号(126)。
8.根据上述权利要求之一所述的供能装置(102)，其中，开关机构(118)包括：用于将开关机构(118)与发电机(114)连接的发电机连接端(140)；至少一个用于将开关机构(118)与第一负载接口(110)连接的第一负载连接端(142)；用于将开关机构(118)与电池机构(116)连接的第一电池连接端(144)和第二电池连接端(146)；和至少一个用于将开关机构(118)与第二负载接口(112)连接的第二负载连接端(148)。
9.一种车辆(100)，其包括如下特征：
根据上述权利要求之一所述的供能装置(102)；
用于驱动车辆(100)的发动机(106)，其中该发动机(106)能够与供能装置(102)的发电机(114)机械耦接；
至少一个电气负载(104、108)，所述电气负载与供能装置(102)的至少一个负载接口(110、112)导电连接。
10.根据权利要求9所述的车辆(100)，其中，电气负载(104、108)实施为用于车辆(100)的危及安全的电气负载的控制装置和/或实施为用于发动机的起动器。
11.根据权利要求9或10所述的车辆(100)，其中，发动机(106)构成为在怠速运行下提供动能，并且发电机(114)构成为在使用所述动能的情况下提供电能，所述电能相应于负载(104、108)的最大能量消耗。
12.根据权利要求11所述的车辆(100)，其中，供能装置(102)构成为响应于紧急状态在怠速运行下提高发动机(106)的转数。
13.一种用于给包括发电机(114)和电池机构(116)的车辆(100)的至少一个电气负载(104、108)供以电能的方法，其中，该方法包括如下步骤：
响应于电池机构(116)的无故障状态，将发电机(114)与电池机构(116)导电连接(201)，以便给电池机构(116)充电，并且将电池机构(116)与负载接口(110、112)导电连接，以便给负载(104、108)供以电能；并且
响应于电池机构(116)的故障状态，将发电机(114)与负载接口(110、112)导电连接(203)，以便给负载(104、108)供以电能，并且将电池机构(116)与负载接口(110、112)电气分离。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述步骤(203)包括关闭车辆(100)的启停自动装置。
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