CN1918768A - 带有与发电机电流的缓冲装置分开的蓄电池的机动车车载网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动车车载网络，其包括发电机、蓄电池、高容量的电容器和配电器，用于可控制地向机动车的各个负载电路供应电流。发电机、蓄电池和高容量的电容器并联地连接。在蓄电池和配电器之间的电连接导线在导线长度小于2m时具有小于10mm²的横截面，在导线长度大于2m时具有小于40mm²的横截面。

Description

带有与发电机电流的缓冲装置分开的蓄电池的机动 车车载网络

技术领域

本发明涉及一种改进了的机动车车载网络(汽车电路)。本发明尤其涉及一种新颖的机动车车载网络，在该网络中，常规的蓄电池功能被彼此分开。

背景技术

机动车车载网络向机动车中的多个控制设备和信号元件供应电能。该电能或者来自于作为能量储存器使用的蓄电池或者在机动车发动机运行时来自于发电机。利用带有半导体开关的电子配电器或者继电器，可通过各个负载电路向多个独立的应用供应来自于机动车车载网络的电能。

具有14V电压的常规的车载网络基于12V的蓄电池电压。未来的车载网络配备有36V的蓄电池。在从14V系统转接到42V系统的转换时间中，两个系统在机动车中被并行地使用。

在图1中示出了常规设计的机动车车载网络的示意图。在示出的车载网络100中，发电机120、蓄电池150和启动器110并联地连接。通常，一方面在发电机120和启动器110之间，另一方面在发电机120和蓄电池150之间的导线长度130分别大约为1m。在此，启动器和发电机设置在发动机机组上，并且分别通过短电缆彼此连接。由于通过发电机供应的电流的波动，以及为了启动器电流的传输，导线的横截面大约为25mm²。

利用常规的电流分配点或者配电器140，电流被供应到机动车车载网络中的不同的负载电路160中。每个负载电路160向一个或多个用户供应电流。在大约为1m的负载电路的导线长度中，这些导线可以具有比导线130更小的横截面，即大约5mm²。

在启动器110具有300A，短时甚至为600A的高电流消耗时，在机动车车载网络中的所有其他用户的电流消耗明显较低。在机动车车载网络中的用户的典型的电流值达到大约100A的范围内，其中大约1.5A用于所有照明的停车灯；3A用于刹车灯和转向灯；8A用于雨刷；并且8.5A用于雾灯和远光灯；超过10A用于近光灯以及空调装置的乘客舱鼓风机；18A用于带有燃油泵的发动机控制，以及直到20A用于座椅加热的带有电流消耗的正温度系数(PTC)加热器。

所有的负载电路160通过过电流保护装置防止短路，从而一旦发生短路时即中断对各个负载电路的电流供应。借此，防止在各个负载电路中的电缆和插塞式连接器过热。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进了的机动车车载网络。

本发明的目的根据下面所述的特征实现，即发电机120、蓄电池150和高容量的电容器400并联地连接，并且在蓄电池150和配电器210之间的电连接导线240在导线长度L_Zul3小于2m时具有小于10mm²的横截面，在导线长度L_Zul3大于2m时具有小于40mm²的横截面。

根据本发明提出一种机动车车载网络，其包括发电机、蓄电池、高容量的电容器以及配电器，用于将能量可控制地输送给机动车负载电路。发电机、蓄电池、高容量的电容器彼此并联连接。蓄电池和配电器之间的电连接导线在导线长度小于2m时具有小于10mm²的横截面，并且在导线长度大于2m时具有小于40mm²的横截面。

这是本发明的一个特定方面，即实现电流电压波动的平滑，该电流由发电机供应，不是常规地由蓄电池供应，而是由高容量的电容器供应。因此，蓄电池不必设置在车载网络的发电机和用户之间。此外，不再是蓄电池而是高容量的电容器提供用于启动过程的能量。在蓄电池和配电器之间的连接导线中不再流通高电流，从而可以实现较小的横截面。因此，在蓄电池和配电器之间的电连接导线不必承受大的电流，并且可以实现明显小的导线横截面。当蓄电池设置在发动机舱中时，通常使用25mm²的导线横截面，当蓄电池设置在汽车尾部时，使用95mm²的导线横截面，而根据本发明，当蓄电池设置在发动机舱中时，导线横截面可以小于10mm²，在蓄电池设置在汽车尾部时，导线横截面可以小于40mm²。因此，机动车车载网络可以以较小的重量和较低的费用实现。

高容量的电容器被优选地设置在配电器中。因此，发电机和电容器或者启动器和电容器之间的电连接必须被设计只用于较高的电流负载，而在机动车中的蓄电池的布置从现有的车载网络的从前的限制中解放出来，并且能够任意地设置。

发电机和配电器之间的电连接导线优选地具有小于10mm²的横截面，特别优选地具有大约5mm²的横截面。

在导线长度最大为2m，优选地为1m时，蓄电池和配电器之间的电连接导线优选地具有大约5mm²的横截面。在该导线长度时，蓄电池可以设置在机动车的发动机舱中，其中可以使用特别小的导线横截面。

根据本发明的另一个实施例，在导线横截面最大约为25mm²时，配电器和蓄电池之间的导线长度最大为4m。在该导线长度时，蓄电池可以设置在机动车的所有位置，特别是汽车尾部，其中与常规的大约95mm²的导线横截面相比，仅需要最大约为25mm²的导线横截面。

本发明的其他有利的设计方案在从属权利要求中示出。

附图说明

接下来，根据优选的实施例联系到附图对本发明进行说明。图中示出：

图1常规的机动车车载网络的结构；

图2根据本发明的机动车车载网络的结构；

图3根据本发明的本发明机动车车载网络的详细结构；以及

图4用于常规的汽车蓄电池的等效电路图。

具体实施方式

图2以示意性的方式示出了根据本发明的机动车车载网络的结构。启动器110和发电机120通过单独的输入线路220与配电器210连接。同样，蓄电池150通过输入线路240与配电器210连接。当机动车发动机运行，发电机120向机动车车载网络200提供电流时，蓄电池150储存在发动机运行时由发电机120提供的能量。为了使发动机启动，通过在蓄电池150中的化学反应产生电能，并提供给启动器110。

配电器210可控制地将各个负载电路230连接到机动车车载网络。

不同于常规的机动车车载网络100，在根据本发明的机动车车载网络200中的蓄电池150可以任意地在机动车中布置，而不必使用具有大的导线横截面的导线连接。在根据图1的常规的车载网络100中，输入线路130具有1m的长度L_Zul，25mm²的横截面时，根据本发明的输入线路220在相同的长度时仅具有大约5mm²的横截面。从电流分配点分出的负载电路在大约1m的长度L_Zul2时，具有5mm²的横截面。

在蓄电池150靠近在机动车舱中的电流分配点140设置时，蓄电池与电流分配点的电连接在最大约为1m的长度L_Zul3时，具有约为5mm²的横截面。

可选地，带有电流分配点的蓄电池设置在机动车的尾部。在该布置时，在常规的车载网络100中，从电流分配点140或者蓄电池150和通到该电流分配点或者该蓄电池的所有连接导线都相当的长。同时，必须加大导线横截面，从而在较长的导线长度带有相应较高的电阻时，避免在导线中热量的产生。出于这个原因，常规的方法是将长度L_Zul1大约为4m时的导线130的横截面增大到大约95mm²，并且负载电路160的导线的横截面在长度L_Zul2为大约5m时增大到大约25mm²。

根据本发明可以明显地减小该横截面。为了该目的，配电器210和蓄电池150在空间上彼此分开设置。同时，由常规的蓄电池执行的用于对发电机120的电压波动进行补偿的缓冲功能转移到配电器210中。利用该布置，最大长度大约为1m的所有导线可以具有5mm²数量级的横截面。仅仅在蓄电池150设置在机动车的尾部而配电器210还保留在机动车的发动机舱中时，配电器210和蓄电池150之间的较长的导线连接才是必须的。长度L_Zul3大约为4m时的导线横截面大约为25mm²。

根据各自的应用，可以这样地进一步降低导线横截面，即根据本发明执行了主动式电流监控，其用于控制配电器210中的保护动作。在特定的时间响应中，特别是在快速的增长而超过预设的值时，在负载电路130中流通电流的主动式监控将允许切断负载电路。

与之相反，常规的导线的横截面通常设计用于两倍的额定电流，从而可以应付在负载电路中短暂的电流峰值，而导线不会热过载。利用微处理器控制的控制单元，根据本发明的电流监控允许过电流保护更精确地适合于短时的过载峰值和短路行为。借此，横截面以及机动车车载网络的重量和费用可以以简单的方式降低。

根据本发明的车载网络的进一步细节在图3中示出。在图3中示出的实施例中，蓄电池150优选地设置在汽车的尾部。

配电器210包括多个半导体开关410，其可控制地连接各个负载电路412和机动车车载网络，也就是说，接通或者中断对各个负载电路的能量供应。带有智能电源控制(smart power control)的特别的半导体开关被应用于此类半导体开关。这类半导体开关，例如“International I.R.Rectifier”公司的元件98 0268测量在接通的负载电路中流通的电流。在所述的半导体元件中，与测量的电流成比例的电流通过前述的半导体元件的单独的接线端输出。由每个半导体开关410测量的电流输送给配电器的控制器440。设置在配电器210的内部或者与之分开的控制器为每个负载电路单独地监测允许的电流。

对于每个负载电路所允许的电流值可优选地在控制器440中为每个负载电路412单独地调节。根据优选的实施例，在控制器440中设置不同的电流水平和不同的“触发”特征，其可为每个负载电路412个别地选择。考虑到允许的过电流，一旦用于负载电路412的测量的电流超过为其设定的最大值时，控制器440促使半导体开关410切断电连接。

这种半导体开关允许可逆的中断过程，在该中断过程中，负载电路可以例如无需更换保险丝而再次工作。此外，主动式电流监控可以在短路发生时实现快速的反应。因此，非常高的短路电流仅仅流通几毫秒。从而，在各个负载电路中，高电流流通较长时间时，每个负载电路的导线和插塞式连接件被设计为不必在意短路故障。

在控制器440中的各个负载电路的“智能的”监测允许短时的过电流，而不中断对负载电路输送能量的电连接。因此，响应特性可以这样地单独设计，即特别是匹配于各个负载电路的功能和电流需求(和短时过电流需求)。同时，必须考虑到发动机启动或开启灯、加热器时的短时的过电流。

保护功能应该防止在负荷电流电路中出现过电流或者短路，以及导致导线和插塞式连接件的热过载。热过载由转换的能量引起，也就是说，电流强度与出现过流的时间的乘积。可以完全允许的是，即允许在负载电路中每秒流通十倍的额定电流，而不会出现损害。这种过电流必须由控制器440识别为无问题。相反地，在这样的过电流时，有可能导致保险丝被切断，并且无可挽回地中断电流(直到更换保险丝)。

例如在电动机启动时，出现具有多倍于额定电流值的短时过电流。在电动机启动时，转子开始有点不灵活或者被卡住，特别是在较低的环境温度时。相当于几倍额定电流的过电流发生在几个100ms中。即使在用于加热吹入机动车乘客舱中的空气的电子PTC加热器中，在大约10秒的时间间隔内的启动时，可能出现相当于两倍额定电流的电流。由于该过电流在极短的时间里出现，所以对导线和插塞式连接件是没有问题的。

常规的保险丝通常被调整到大于两倍的额定电流的响应电流。但是，这种类型的常规保险丝也可以持久地承受过电流，该过电流相当于1.8倍的额定电流。与之相反，根据本发明的电子保险装置可以识别该种类型的过电流，并且在超出时间标准之后，例如10秒钟之后可以切断电连接。因此，各个负载电路可以以其几何尺寸针对实际额定电流来设计，从而使导线横截面和插塞式连接件可以不需要长时间地承受两倍额定电流。

根据本发明的控制器440也可以利用附加的温度传感器适应当前的环境温度。在低的环境温度时，基于较好的冷却，可以允许较高的电流。因此，过电流识别和负载电路的切断优选地根据温度实现，即根据优选的实施例通过使用的电流的上限和检测的环境温度间的预设的依存关系实现。

根据另一个有利的实施例，控制器可以根据外部信号断开负载电路412。在负载电路的用户中的干扰例如可以通过单独的传感器识别，并且由该干扰而产生的对机动车的危险可以提前排除。

在图3中仅仅举例地示出作为用户的PTC加热器510和分散式配电器520。分散式配电器520同样可以通过多个半导体开关525接通和中断下级负载电路。该负载电路仅仅是举例性的。对于本领域技术人员是显而易见的，机动车的每个电用户可以直接通过负载电路412，或者间接通过分散式配电器520控制。

根据本发明，高容量的电容器400设置在配电器210中，其与发电机120和蓄电池150并联连接。很小结构空间的电容器400具有高电容量。对于机动车，优选地使用在450F到600F范围内的容量。目前，双层电容器甚至能够达到几千F的电容量。

双层电容器达到几倍于铝电解液电容器的能量密度，以及几倍于铅蓄蓄电池的功率密度。当电能电化学地存储在蓄电池中时，在电容器中的电能直接以正电荷和负电荷的形式储存在电容器的极板上，并且在电极表面上不需要化学反应。这种双层电容器，例如EPCOS公司带有标识“UtraCap”的双层电容器储存电能，并且将电能再次高效率的输出。与蓄电池相比，这些双层电容器可以无损害地以非常高的电流充电和放电。此外，这些双层电容器在非常低的温度和低电压值下也可以实现其可靠的功能。双层电容器没有延迟地输出高功率和损失极小地释放达到400A的放电电流。

通过高容量电容器400与发电机120和启动蓄电池150的并联连接可以实现几个优点。蓄电池150不再负责启动过程，而是由高容量的电容器400负责。在启动过程之前，通过蓄电池150对电容器400充电。接下来，电容器400释放储存的能量到启动器110。因此启动过程可以更可靠地实现，因为电容器在低温下也可以短时间释放大量能量。相反地，常规的机动车在低温下经常出现启动问题，因为在蓄电池150中的化学反应不允许大电流。

根据本发明的特别有利的实施例，启动动作可以不用通过提高电容器的容量，而是通过提高存储于其中的能量的方法而进一步改善。为了该目的，变压器310根据本发明连接在蓄电池150和电容器400之间，用于准备启动过程。变压器310将蓄电池150供应的电压转换为高电压。借此，电容器可以以相同的容量吸收更大量的能量。储存在电容器中的大量的能量可以根据接下来的方程式确定：

                E＝1/2·C·U².

同时，断续器320连接到蓄电池150和电容器400之间的电连接中，并且并联连接于变压器310。断续器切断蓄电池和电容器之间的直接电连接，从而可以供应给电容器非常高的电压。

通过根据本发明的带有变压器和断续器的装置300，为启动过程而提供的能量以简单的方式明显地提高。因而，在具有很少的能量储备水平的弱的蓄电池时，也可以进一步实现机动车的有效启动。

接下来举例性地描述启动过程，在该启动过程中应用到根据本发明的变压器。

在机动车处于静止状态时，也就是发动机和点火装置关闭时，变压器(DC/AC变压器)310关闭，并且在配电器210和蓄电池150之间的电连接通过开关320产生。从而，电容器400与蓄电池150并联连接，并且以蓄电池电压U_BATT充电。在常规的车载网络中以大约12.5V，而在未来的车载网络中以大约42V。

在内燃机的启动过程之前，变压器310被激活，并且开关320被同时断开。如果需要，个别负载电路被优选地通过配电器210切断。特别是这类的负载电路412被切断，该电路具有高的电流需求。根据一个特殊的实施例，切断可以通过控制器440基于蓄电池的电压水平执行，从而在较弱的蓄电池时确保可靠的启动。

现在，变压器产生输出电压，该电压施加给电容器，其中输出电压高于蓄电池电压。在蓄电池电压为12.5V时，提高的输出电压例如为16V。从而，电压高于蓄电池电压3.5V，并且电容器相应较大强度地充电。借此，在电容器中存储的能量大约比在常规的12V充电电压时所储存的能量高60％。

借此，即使蓄电池电压在12V以下的弱蓄电池时，也可以提供用于启动过程的足够的能量储备。当变压器总是以16V的电压对电容器充电时，总是提供相同的能量用于启动过程，而不依赖于蓄电池的功率。

通过变压器实现的优点可以被转变为提高用于启动过程的能量储备或者可以用于降低电容器的容量。因此，在储存相同的能量时，电容器的小容量对于可靠的启动过程也是足够的。

在电容器400中的能量的进一步提高可以通过在常规的车载网络中进一步将充电电压提高到高于16V来实现。对16V充电电压的限制有一个优点，即该电压的提高不与其他车载网络的带电组件另外地产生混乱。目前，机动车车载网络的带电组件和电子元件设计最大为16V的工作电压。因此，电容器400的充电电压自身优选地遵循车载网络的带电组件的设计和电容器的电压稳定性。在将来的带有42V系统电压的车载网络中，假若短时的电压提高由其他的带电组件没有问题的承受，那么电容器可以以明显较高的电压充电。

可选地，在变压器的特别高的输出电压时，任何与其他车载网络元件的混乱可以通过利用半导体开关410分别切断所有负载电路或者用户排除，并且实现特别可靠的启动过程。

电容器的充电按时地在启动过程开始之前执行。为了启动电容器400的充电过程，可以使用多个触发器。例如，当点火钥匙被插入或者点火开关的位置在“点火开”时，驾驶员可以启动充电。可选地，充电过程可以通过打开车门启动。借此，可以检测任意车门的打开和驾驶员车门的打开，并且作为充电的触发信号来使用。当机动车车门被作为用于充电过程的开始的启动事件使用时，提供了比点火钥匙位置的检测更多的时间。

在点火钥匙位置为“启动”时，变压器被关闭。在启动过程继续时，开关320保持断开。一旦内燃机自己运行，开关320被接通，并且车载网络被再次设定到大约12.5V的电压。

电容器400不仅仅实现启动过程的改善，而且此外可以承担常规蓄电池150的缓冲作用。在图4中示出了常规的蓄电池150的等效电路图。

蓄电池150的等效电路图600示出，即蓄电池不仅仅具有化学能量储存器610的功能，而且还具有缓冲电容器620的功能。该电容器作用在铅蓄电池的内部结构中产生。

常规的蓄电池的电容器作用至今被用于平滑由发电机120导致的电压波动。

在机动车发动机运转时，发电机120产生交流电，该交流电通过二极管整流。在当今的机动车车载网络中，蓄电池150在空间上这样设置，即其设置在负载电路412中的发电机120和用户之间。首先，通过蓄电池容量C_Batt和在发电机120和蓄电池150R_Zul1之间的电连接导线的输入线路电阻的结合形成低通。该低通起到平滑由发电机产生的电流的电压波动的作用。

根据本发明，该功能由具有高容量的电容器400承担。

当常规的车载网络被这样地设计时，即在发电机和蓄电池之间的电连接导线上可以流通大电流，以平衡电压波动时，能量存储和能量缓冲功能根据本发明通过在机动车中的分开的模块承担。当电容器400负责电压波动的缓冲时，蓄电池150提供用于启动过程的能量。因此，蓄电池可以利用简单的方式远离发电机和配电器设置，而不需要用于与蓄电池连接的电导线连接240的常规费用。相反地，如举例性地联系到图2所描述的，横截面可以降低到明显较小的值。借此，机动车车载网络变得较轻以及更加廉价。

缓冲功能通过发电机-蓄电池-配电器-用户的布置顺序并结合调整低通来实现。低通一方面由发电机和蓄电池之间的输入线路电阻R_Zul1，另一方面由蓄电池的容量C_Batt构成。此外，较小的导线横截面提供较高的输入线路电阻R_Zul1并且因此根据低通的时间常量Tau的方程式改进低通作用：

               Tau＝R_Zul1·C_Batt

总体上，根据本发明的新的机动车车载网络相对于常规的车载网络具有许多优点。启动蓄电池不再承担启动功能，其遭受很小的脉冲负荷和电流负荷的影响，鉴于低温的状况，还必须仅仅满足降低的需求，并且蓄电池可以具有降低的储存容量。利用变压器，能量以及启动可靠性可以被提高。导线具有较小的横截面，从而实现费用和质量的优点，特别是在蓄电池安装在机动车的尾部中时。

Claims (12)

1.机动车车载网络，包括发电机(120)、蓄电池(150)、高容量的电容器(400)和配电器(210)，用于可控制地向机动车的各个负载电路(230)供应电能，其特征在于，所述发电机(120)、蓄电池(150)和高容量的电容器(400)并联地连接，并且在所述蓄电池(150)和所述配电器(210)之间的电连接导线(240)在导线长度(L_Zul3)小于2m时具有小于10mm²的横截面，在导线长度(L_Zul3)大于2m时具有小于40mm²的横截面。

2.根据权利要求1所述的机动车车载网络，其中，所述高容量的电容器(400)设置在所述配电器(210)的附近。

3.根据权利要求1所述的机动车车载网络，其中，所述高容量的电容器(400)设置在所述配电器(210)的内部。

4.根据权利要求1或2所述的机动车车载网络，其中，在所述发电机(120)和所述配电器(210)之间的电连接导线(220)具有小于10mm²的横截面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的机动车车载网络，其中，在所述发电机(120)和所述配电器(210)之间的所述电连接导线(220)具有约5mm²的横截面。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的机动车车载网络，其中，在所述发电机(120)和所述配电器(210)之间的所述电连接导线(220)具有小于2m，优选地小于1.5m的导线长度(L_Zul1)。

7.根据权利要求6所述的机动车车载网络，其中，在所述发电机(120)和所述配电器(210)之间的所述电连接导线(220)具有最大为大约1m的导线长度(L_Zul1)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的机动车车载网络，其中，在所述蓄电池(150)和所述配电器(210)之间的电连接导线(240)在导线长度(L_Zul3)最大约为2m时具有最大约为5mm²的横截面。

9.根据权利要求8所述的机动车车载网络，其中，所述蓄电池(150)和所述配电器(210)安装在机动车的发动机舱中。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的机动车车载网络，其中，在所述蓄电池(150)和所述配电器(210)之间的所述电连接导线(240)在导线长度(L_Zul3)最大约为4m时具有最大约为25mm²的横截面。

11.根据权利要求10所述的机动车车载网络，其中，所述蓄电池(150)设置在机动车尾部，而所述配电器(210)设置在机动车的发动机舱中。

12.根据权利要求1至12中任一项所述的机动车车载网络，其中，所述高容量的电容器(400)连接在所述发电机(120)和所述配电器(210)之间。

Images