CN117134311A - 具有直流变压器的机动车和用于运行机动车的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动车(1)，该机动车具有高压电网(4)和低压电网(10)，以及将低压电网(10)与高压电网(4)连接的两个直流变压器(14、15)，低压电网(10)的运行电压低于高压电网(4)的运行电压，直流变压器(14、15)中的每一个具有用于调节为低压电网(10)的运行电压的调控单元，直流变压器在空间上分离地布置在机动车(1)中，直流变压器(14、15)的硬件调控器(17、18)通过具有至少一个通信线路(22)的通信连接(21)来连接，硬件调控器(17、18)中的至少一个设计用于将描述其调控运行的调控信息通过通信连接(21)发送至另外的硬件调控器(17、18)，接收调控信息的硬件调控器被设计用于在其调控运行中考虑该调控信息。

Description

具有直流变压器的机动车和用于运行机动车的方法

技术领域

本发明涉及一种机动车，该机动车具有：高压电网和低压电网，以及将低压电网与高压电网连接的两个直流变压器，低压电网的运行电压低于高压电网的运行电压，其中，直流变压器中的每一个均具有用于调节为低压电网的运行电压的调控单元，并且这些直流变压器在空间上分离地布置在机动车中。此外，本发明涉及一种用于运行这种机动车的方法。

背景技术

许多现代机动车、尤其是电动车辆和混合动力车辆使用至少两个车载电网、尤其是高压电网和低压电网。在此，低压电网的电压通常为传统对于车载电网已知的较低电压、例如12V或48V。通常在可电驱动的机动车中连接相应电机的高压电网使用明显较高的、例如超过200V、尤其是在350V到860V的范围内的运行电压值。高压电池通常连接到高压电网，高压电网可以由高压电池供电。

为了使来自高压电网的能量在低压电网中也是可用的，提出在高压电网和低压电网之间设置直流变压器(DC-DC变换器)。以该方式例如可设想，甚至省去低压电网中的自身的电池。直流电压调控器在此优选调节为，使得维持低压电网的运行电压、例如12V。这意味着，在负载需求高时，可以从高压电网输入更多的能量，而在负载需求低时，从高压电网提供较少的电功率给低压电网的耗电器，或也可以完全取消功率转移。原则上也可设想，至少在短时间内从低压电网补偿高压电网中的功率不足。

尤其鉴于设计用于全自动车辆驾驶的车辆功能(其可由相应的车辆系统提供，即所谓的“自动驾驶”)，机动车中的安全和冗余要求明显增加。例如，利用ASIL(AutomotiveSafety Integrity Level、汽车安全完整性等级)存在如下标准：机动车中的部件的安全要求可以遵循该标准。例如，通过ASIL标准定义不同的安全等级，其中，部件为了属于这些安全等级必须满足特定的安全要求。关于直流变压器，尤其是在自动驾驶的情况下，为此通常要求直流变压器满足关于可用性(故障安全性)的提高的安全要求。然而，为了进一步提高安全性，此时也提出了冗余的设计方案，在该设计方案中存在连接高压电网和低压电网的两个直流变压器。在此，直流变压器中的一个可以满足比另一个直流变压器更高的安全要求，从而可以设置例如ASIL变换器和QM变换器作为直流变压器。

对于在冗余方面的安全性还有利的是，两个直流变压器布置在机动车内的不同位置，从而例如在一个直流变压器由于事故而损坏的情况下，另一个直流变压器也不一定损坏。换言之，两个直流变压器在相同的低压电网中工作，但通常在不同的几何点上。

此外，低压电网上连接有各种不同的耗电器，这些耗电器在不同的时间点接通或关断。在使用两个直流变压器的情况下，这可能导致在这些直流变压器的调控时发生振荡，因为这两个直流变压器尝试从机动车内的不同位置、尤其即从不同的节点调控车载电网。如果调控尝试进行得太快，那么两个直流变压器可能会摆动，但如果调控太慢，则存在以下危险，即低压电网中的电压下降太大，并且安全相关的主要部件、例如转向装置和/或制动器不再能够被供应足够的电功率。当出现临界的、通常导致低压电网中的突然的高负载需求的行驶状态时，这尤其是重要的。

EP 3 751 715 A1涉及一种用于电池系统的控制系统。在此，N相直流变压器具有N个单相直流变压器。不同的微控制器控制不同份额的N个单相直流变压器。微控制器通过数据连接进行连接。在此，微控制器可以通过数据连接来同步，用以共同控制N个单相直流变压器，其中，在另外的运行模式中，两个份额的自动控制也可以彼此独立地进行。

JP 2013/090519 A公开了一种电源系统，该电源系统具有多个并联的直流变压器，其中，应该避免由于数字控制中的同步脉冲的传输延迟而导致的在接通直流变压器的各个开关元件时的差异。在此，主控制器向第一从控制器和第二从控制器输出同步脉冲，其中，主控制器可以由于延迟时间而加速输出。

CN 105059129 A涉及一种电动车辆中的混合电源。相应的车辆供电系统包括多个直流变压器。能量管理模块与多个直流变压器和监控装置通信。这些直流变压器以如下方式同步，即直流变压器在通过能量管理模块驱动时同时切换。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于尤其是在高动态负载事件的情况下在低压电网中实现更高的车载电网稳定性的可能性。

为了实现该目的，在开头所述类型的机动车中根据本发明规定，直流变压器的硬件调控器/硬件控制器通过具有至少一个通信线路的通信连接来连接，其中，硬件调控器中的至少一个硬件调控器被设计用于将对其调控运行进行描述的调控信息通过通信连接发送至另外的硬件调控器，而接收调控信息的硬件调控器被设计用于在其调控运行中考虑该调控信息。

在此，本发明针对性地提供随时间高动态反应的、设置在直流变压器中的硬件调控器，其例如可以设计为微控制器、FPGA和/或ASIC，并且可以以尽可能小的延迟对负载要求的高动态变化做出反应。在该情况下具体地可以规定，硬件调控器设计用于执行在控制层级的范围内的预控制，其中，直流变压器经由总线系统与能量管理控制器连接，能量管理控制器设计用于，根据经由总线系统从直流变压器得到的数据在上级的时间尺度上预设控制策略。因此，本发明的核心构思是，已经在高动态的预控级别上设置在相应的硬件调控器之间的通信连接、尤其是有线的通信连接，以便在例如突然出现的负载要求或负载波动的情况下，在尽可能短的时间内实现硬件调控器的控制策略的尤其是相互的协调，使得尽可能避免振荡/摆动过程。换言之，调控目标是，尤其是在高动态事件的情况下，例如在约1μs至10ms的时间尺度上实现相互协调的调控运行，和/或尤其是在没有振荡/摆动过程的情况下尽可能快速、稳定地实现低压电网中的运行电压。

在本发明的范围内已经认识到，即使当两个直流变压器的控制策略——例如借助能量管理控制器——已经相互协调，但是由于尤其是在关键的行驶情况下可能产生负载要求的高动态性，基于最初借助硬件调控器的独立的(预控制)运行也可能出现不期望的影响/故障情况。例如，在现有技术中已知的是，通过总线系统等将直流变压器彼此连接和/或将直流变压器与能量管理控制器连接，然而由于通信可能出现最大20ms、在一些情况下甚至更大的特定延迟时间。该延迟时间并不总能确保适当的反应。

因此，本发明提出了一种在两个尤其是设置用于预控制的硬件调控器之间的附加的、非常快速的、离散的且高度可用的通信连接，从而使得这些硬件调控器也在该时间尺度上不能在低压电网上单独地调控，而是可以相互通信。以该方式，尤其是在自动驾驶车辆中为低压电网提供了增加的车载电网稳定性，并且因此提供更高的可用性。

在此特别有利地，硬件调控器和通信连接可以设计为，使得直到一个硬件调控器的调控信息在另外的硬件调控器中存在的持续时间短于100μs、尤其是短于50μs。这是比例如能够通过总线系统实现的通信明显更快的通信。

在此适宜地，通信连接——尤其是通过使用至少两个通信线路——可以是双向的。在此，至少两个通信线路中的每一个可以被分配有一个传输方向，以便实现尽可能不受干扰的传输。以该方式特别有利地实现了，硬件调控器彼此发送调控信息，并且在调控运行中分别考虑这些调控信息。

至少一个发送硬件调控器可以设计用于以模拟或脉宽调制的方式传输调控信息。在此尤其可以使用专有的通信协议。当硬件调控器以数字方式工作时，以脉宽调制的方式进行传输是特别适宜的，这是因为可以省去带来附加延迟时间的数模转换。然而，如果硬件调控器总归至少部分以模拟的方式工作，则调控信息的模拟传输也可以是适宜的。

然而特别有利地可以规定，至少一个发送硬件调控器也设计用于将用于驱动相应的直流变压器的部件、尤其是驱动半导体开关的调控信号作为调控信息传输至另外的硬件调控器。以该方式，另外的硬件调控器的调控输出作为直接描述调控的调控信息且对于另外的接收硬件调控器可直接理解的输入来提供，而没有由于附加需要的信号处理而引起的时间损耗。换言之，因此不仅可以通过通信连接非常快速地传送调控信息，而且附加地也可以实现由接收硬件调控器在较少的几个处理步骤中进行处理，这是因为在传输意义中，调控信息已经以正确的“语言”存在。因此，至少一个接收硬件调控器相应设计用于，例如以如下方式使用并且相应考虑附加的调控输入，即，通过削弱自身的调控反应或必要时至少部分补偿另外的调控反应。硬件调控器、例如微芯片的设计架构可以根据具体期望的调控而简单地进行适配。

尤其在该情况下还要注意，由于直流变压器优选在不同的位置/部位处连接到低压电网，如果在直流变压器之一中首先观察到负载要求中的陡峭侧面，那么在调控信息的这种极快传输的情况下必要时甚至可以实现对另外的直流变压器的一种“预先警告”。因此，在这些情况下可想到的是，通过另外的直流变压器的硬件调控器进行在高动态过程方面的预期调控。

如果调控信号不应该(仅)作为调控信息被传输，则适宜地也可以使用专有的传输协议来传输(必要时另外的)调控信息。

在本发明的范围内也可想到的、但不太优选的是，硬件调控器形成主从架构，其中尤其地，多个直流变压器中的满足较高安全要求的直流变压器的硬件调控器设计为主硬件调控器(Master)。原则上，甚至可以设置外部的主硬件调控器，但由于进一步引入了延迟而是不太优选的。因此，在主从架构中使用通过离散的、尤其是附加于总线而设置的通信连接实现的快速且高度可用的通信，以便在更快的时间尺度上、尤其在预控制中相应实现公共的预先控制策略，从而作为调控信息尤其可想到向从硬件调控器传输指令。

在适宜的改进方案中也可以尽可能使用离散的、快速的且高度可用的通信连接。因此可以规定，在借助另外的直流变压器的硬件调控器和/或附加地连接到通信连接的安全装置识别直流变压器之一的故障时，进行识别的硬件调控器和/或安全装置设计用于通过通信连接将去激活信号发送至具有故障的直流变压器。因此，如果确定了直流变压器之一的硬件调控器之一的不可信的调控信息和/或另外的指示故障情况的调控信息/附加的故障情况信号，则可以将该直流变压器去激活。附加地例如可以切换到低压电网的紧急运行，尤其是如果剩余的直流变压器并未被设计用于从高压电网提供在低压电网中的可想到的最大功率。换言之，如果直流变压器中的一个具有缺陷和/或在不利的范围内调控，则可以在故障情况下使用通信连接来关闭该直流变压器。

在本发明的范围内也可以适宜地规定，直流变压器中的一个比另外的直流变压器满足更高的安全要求。例如，直流变压器中的一个可以满足根据ASIL等级的安全要求，而另外的直流变压器仅满足常规的质量管理安全要求。附加地或替代地，直流变压器中的一个、尤其是满足更高安全要求的一个直流变压器可以连接到给高压电网供电的高压电池的电池接触器或与该电池接触器相邻。在此尤其可想到的是，将满足更高安全要求的直流变压器耦联在高压电池的电池接触器之后，从而即使在高压电池与高压电网分离的情况下，甚至当高压电网必要时必须临时被去激活时，高压电池也能够通过直流变压器给低压电网供电并且维持至少一部分机动车功能。

如已经提到的那样，直流变压器可以适宜地安装在机动车内的不同的部位处。因为例如在机动车上出现涉及一个直流变压器的仅一个区域——例如由于碰撞——受损的情况下，而另外的直流变压器仍然是可用的，则通过直流变压器的空间分离可以提供功能安全性的进一步改进。尤其地，直流变压器中的一个可以布置在机动车的后部区域中，并且直流变压器中的一个可以布置在机动车的前部区域中，例如布置在发动机舱中。

在此，两个直流变压器不一定必须设计用于提供在低压电网中最大所需的功率。优选地，直流变压器中的每个可以设计用于，单独提供足以运行低压电网中的安全相关的耗电器的功率和/或在低压电网中可能需要的最大峰值功率的一半。在此，在实践中证实的是，低压电网中的最大可想到的负载要求的一半至少基本上足以用于——例如在直流变压器中的一个发生故障的情况下——继续运行所有安全相关的耗电器。然后，例如可以使舒适功能、例如多媒体系统、座椅加热装置等去激活。在此，通过两个直流变压器提供峰值功率的一半是优选的，这是因为两个直流变压器共同地在任何情况下都被设计用于提供最大峰值功率。

通信连接可以包括常见的金属导线、例如铜导线作为至少一个通信线路。然而也可想到，将就此可能更快的光纤线路用作至少一个通信线路。这尤其是当通过使用光学转换器导致的延迟小于在使用常见的金属通信线路时的时间损耗的情况下是适宜的。多个线路可以设置为电缆。

除了机动车以外，本发明还涉及一种用于运行根据本发明的类型的机动车的方法，其中，硬件调控器中的至少一个将描述其调控运行的调控信息经由通信连接发送给另外的硬件调控器，并且接收调控信息的硬件调控器在其调控运行中考虑这些调控信息。关于根据本发明的机动车的所有实施方案相应适用于根据本发明的方法，从而也可以利用该方法得到已经提及的优点。

附图说明

本发明的另外的优点和细节由下面描述的实施例并且借助附图得到。

其中：

图1示出了根据本发明的机动车的原理图；

图2示出了在两个并联的直流变压器的预控制的范围内的通信结构。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的机动车1的原理图。机动车1设计为电动车辆并且具有用于驱动机动车1的电机2，该电机经由变换器3连接到高压电网4，高压电网的运行电压例如可以在350V至860V的范围内。高压电网4由高压电池5供电，高压电池通过电池接触器6连接到高压电网。高压电池5可以通过电机2充电，但也可以通过在此未详细示出的车辆侧充电装置充电，该车辆侧充电装置可以是另外的高压耗电器7的一部分。在此未详细示出的其他可想到的高压耗电器7包括空调压缩机、电加热装置等。

机动车1也设计为自主车辆，并且因此具有设计用于全自动引导机动车1的车辆系统8，该车辆系统尤其是包括用于实现相应的车辆引导功能的相应控制器9。控制器9连接到低压电网10，该低压电网当前在12V的运行电压中运行。另外的耗电器连接到低压电网10，其中，仅明确示出了一个能量管理控制器11，而其他的低压耗电器12、13可以分成安全关键或安全相关的耗电器12和非安全关键或非安全相关的耗电器或者说安全关键性或相关性较弱的耗电器13、例如用于舒适功能的耗电器。安全关键或安全相关的、尤其是对于机动车1的运行必需的耗电器12例如包括机动车1的制动系统和转向系统，而耗电器13例如可以包括多媒体系统、座椅加热装置等。

在当前情况下，针对低压电网10没有示出电池，但是该电池可以存在，但不是必须的。因为低压电网10经由两个直流变压器14、15与高压电网4连接，从而从该高压电网可以提供用以满足低压电网10中的负载要求的功率。在此，直流变压器14、15中的每一个可以提供在低压电网10中的可想到的最大峰值功率的一半，因为已经证实，这一半的功率也足以满足安全关键的或安全相关的耗电器12(也包括控制器8、11)的可想到的最大负载要求。

直流变压器15满足比直流变压器14更高的安全要求、例如与特定的ASIL等级相关联的安全要求。由于冗余和因此增加的功能安全性的原因而设置的直流变压器14可以是满足针对常规质量管理而规定的安全要求的直流变压器14、例如QM转换器。在此，直流变压器15甚至在电池接触器6后面耦联到高压电网4，因此即使在高压电池5与高压电网4分离时也仍然可以提供功率。

直流变压器14、15布置在机动车1中的不同位置处，如也在图1中示意性示出的那样。例如，直流变压器14、15中的一个可以安装在机动车1的前部区域中，例如安装在发动机舱中，而另外的直流变压器15、14可以安装在机动车1的后部区域中，例如安装在行李舱下方的底部中。

直流变压器14、15通过总线系统16(另外的通信参与者也连接至该总线系统)例如借助FlexRay总线和/或CAN总线与能量管理控制器11连接，该能量管理控制器在调控为用于直流变压器14、15的低压电网10的运行电压时，在较慢的时间尺度上预设一般的控制策略。然而，为了也可以对低压电网10中的负载要求的突然出现或突然消失的高动态变化作出反应，在快速的第二时间尺度上，在每个直流变压器14、15中借助相应在图2中示出的硬件调控器17、18设置预控制。硬件调控器17、18通过相应的调控信号(如所示的那样)驱动相应的直流变压器14、15的部件19、20、例如功率半导体开关。例如可以通过脉宽调制的调控信号或模拟的调控信号进行驱动。

为了避免由于借助硬件调控器17、18实施独立、快速的调控而产生的振荡，尤其是摆动过程并且为了能够实现协调运行，硬件调控器17、18通过也在图1中示出的快速的、离散的且高度可用的通信连接21进行连接，该通信连接附加于总线系统16被设置并且能够实现更快的传输时间。如从图2可看到的那样，通信连接21作为双向通信连接——当前借助两个通信线路22——直接且非间接地连接硬件调控器17和18，通信线路中的每一个例如可以被分配一个通信方向。在此处所述的设计方案中，硬件调控器17、18的调控信号不仅用于驱动部件19、20，而且还作为调控信息通过通信连接21作为附加的输入提供给相应另外的硬件调控器17、18，例如作为模拟信号或作为脉宽调制信号。也就是说，相对于现有技术，硬件调控器17、18具有另一输出端和另一输入端，其中，在相应的接收硬件调控器17、18的调控运行中，附加地考虑通信连接的通过该另一输入端接收的调控信息。根据期望的调控特性，硬件调控器17、18的设计针对性地以如下方式进行，即，直接一起处理并且因此考虑另外的硬件调控器的另外的输入、即调控信息。以该方式也可以在极短的时间尺度上、在此在预控制的范围内实现改进的协调。例如，经由通信线路22的传输时间可以短于100μs。

在此，在这种情况下还要注意的是，通信连接21也可以进一步用于例如也在故障情况下或在不可信的运行中以尽可能快速的方式使直流变压器14、15中的一个去激活。虽然原则上可想到为此也将安全装置连接至通信连接21，但也可以规定，在通常优选设计为微芯片的硬件调控器17、18内检查所接收到的调控信息的可信度，并且将特殊的去激活信号通过通信连接21回送至另外的硬件调控器17、18，这导致去激活。

虽然在此示出的、将调控信号用作调控信息的设计方案是在传输速度和直接的可处理性方面特别有利的设计方案，但原则上也可想到其他的可能性，例如使用经由通信连接21进行的具有特别是专有的通信协议的主从架构。

Claims (11)

1.一种机动车(1)，该机动车具有高压电网(4)和低压电网(10)以及将低压电网(10)与高压电网(4)连接的两个直流变压器(14、15)，其中，低压电网(10)的运行电压低于高压电网(4)的运行电压，直流变压器(14、15)中的每一个均具有用于调节为低压电网(10)的运行电压的调控单元，直流变压器(14、15)在空间上分离地布置在机动车(1)中，其特征在于，直流变压器(14、15)的硬件调控器/硬件控制器(17、18)通过具有至少一个通信线路(22)的通信连接(21)来相互连接，其中，硬件调控器(17、18)中的至少一个硬件调控器被设计用于将描述其调控运行的调控信息通过通信连接(21)发送至另外的硬件调控器(17、18)，接收调控信息的硬件调控器(17、18)被设计用于在其调控运行中考虑该调控信息。

2.根据权利要求1所述的机动车(1)，其特征在于，通信连接(21)——尤其是通过使用至少两个通信线路(22)而——是双向的。

3.根据权利要求2所述的机动车(1)，其特征在于，硬件调控器(17、18)相互发送调控信息，并且分别在调控运行中考虑该调控信息。

4.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，至少一个发送硬件调控器(17、18)被设计用于以模拟或脉宽调制的方式传输调控信息，和/或至少一个发送硬件调控器(17、18)被设计用于也将用于驱动相应的直流变压器(14、15)的部件(19、20)、尤其是半导体开关的调控信号作为调控信息传输至另外的硬件调控器(17、18)，和/或被设计用于使用专有的传输协议。

5.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，硬件调控器(17、18)形成主从架构，其中，尤其地，直流变压器(14、15)中的满足更高的安全要求的直流变压器(14、15)的硬件调控器(17、18)被设计为主硬件调控器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，在借助另外的直流变压器(14、15)的硬件调控器(17、18)和/或附加地连接到通信连接(21)的安全装置识别到直流变压器(14、15)之一的故障时，进行识别的硬件调控器(17、18)和/或安全装置被设计用于通过通信连接(21)将去激活信号发送至具有故障的直流变压器(14、15)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，硬件控制器设计为微芯片。

8.根据前述权利要求中任一项所述的机动车，其特征在于，硬件调控器(17、18)设计用于执行在控制层级的范围内的预控制，其中，直流变压器(14、15)经由总线系统(16)与能量管理控制器(11)连接，能量管理控制器被设计用于，根据经由总线系统(16)从直流变压器(14、15)获得的数据在上级的时间尺度上预设控制策略。

9.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，直流变压器(14、15)中的一个直流变压器比另外的直流变压器(14、15)满足更高的安全要求，和/或直流变压器(14、15)中的一个、尤其是满足更高安全要求的直流变压器(14、15)连接到给高压电网(4)供电的高压电池(5)的电池接触器(6)或与该电池接触器相邻。

10.根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)，其特征在于，直流变压器(14、15)中的每一个直流变压器均被设计用于单独提供足以运行低压电网(10)中的安全关键的耗电器的功率和/或在低压电网(10)中可能需要的最大峰值功率的一半，和/或两个直流变压器(14、15)共同设计用于提供最大峰值功率。

11.一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的机动车(1)的方法，其中，硬件调控器(17、18)中的至少一个将描述其调控运行的调控信息经由通信连接(21)发送到另外的硬件调控器(17、18)，并且接收调控信息的硬件调控器(17、18)在其调控运行中考虑该调控信息。