包括车载电网架构的车辆和用于运行车辆的方法
【专利摘要】一种车辆，其包括混合动力传动系并且包括低压车载电网(1)，所述低压车载电网具有电消耗器(2)、蓄能器(4)和用于内燃机的起动机(5)，并且其中，所述低压车载电网具有支持蓄能器(3)和在所述支持蓄能器和其它低压车载电网之间的第一开关(6)。
【专利说明】包括车载电网架构的车辆和用于运行车辆的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包括混合动力传动系和低压车载电网的车辆，所述低压车载电网具有电消耗器、蓄能器和用于内燃机的起动机。
【背景技术】
[0002]车辆的车载电网是复杂的电气系统。在文献DE 10 2007 017 187 Al中例如说明一种包括具有马达起动停止功能的车辆的电压敏感的消耗器的车载电网。电压敏感的消耗器通过直流电压调节器和拦截元件(Sperrelement)来支持。
[0003]文献DE 102 48 658 Al说明一种通过超级容量电容器或超级容量模块的并联电路对功率敏感的消耗器和大功率消耗器的与电压相关的支持。
【发明内容】
[0004]本发明的任务在于，说明一种具有混合动力传动系和低压车载电网的改善的车辆，所述低压车载电网具有电消耗器、蓄能器和用于内燃机的起动机。
[0005]该任务通过按照权利要求1的车辆来解决。本发明有利的实施形式和进一步扩展方案由从属权利要求得出。
[0006]按照本发明，低压车载电网具有支持蓄能器和在支持蓄能器与其他低压车载电网之间的第一开关。
[0007]附加地，所述车辆具有双向的直流电压调节器，所述直流电压调节器具有第一接口和第二接口，其中，第一接口与支持蓄能器连接并且第二接口与低压车载电网连接。
[0008]低压车载电网的第二开关引起，直流电压调节器的第二接口和蓄能器能与所述其他低压车载电网电分离。
[0009]混合动力传动系的内燃机的起动机位于蓄能器和直流电压调节器的第二接口之间。
[0010]通过起动机可以在车辆行驶运行期间起动内燃机(起动)，从而牵引能量也能从内燃机的力提供。
[0011]在车辆行驶运行期间闭合第一开关和第二开关，在起动之前断开第二开关，在起动之后闭合第二开关，在车辆靠惯性行驶期间使支持蓄能器部分地放电并且此后断开第一开关，在车辆的停车运行期间断开第一开关，并且在车辆的起步期间通过直流调节器对支持蓄能器充电并且此后闭合第一开关。
[0012]这表示，在行驶运行中起动内燃机时消耗器与蓄能器的电位解耦并且由支持蓄能器支持。
[0013]当车辆在靠惯性行驶阶段中从行驶运行转入到静止状态中时(也称为车辆渐渐停止)，则使支持蓄能器放电并且第一开关断开。因此在车辆非行驶运行的阶段期间的支持蓄能器和其余低压车载电网之间不存在直接的电连接。这例如在功率优化的支持蓄能器的情况下是有利的。
[0014]当车辆在起步阶段中从静止状态转入到行驶运行中时(也称为车辆唤醒)，则通过直流电压调节器对支持蓄能器预充电并且闭合第一开关。
[0015]借此在行驶运行开始时，支持蓄能器处于低压车载电网的电位并且尤其是在第二开关断开时的起动期间来支持消耗器。
[0016]备选地，所述车辆也可以具有包括大功率消耗器和附加蓄能器的扩展的车载电网并且具有双向的直流电压调节器，所述双向的直流电压调节器具有第一接口和第二接口，其中，第一接口与支持蓄能器连接并且第二接口与扩展的车载电网连接。
[0017]特别有利的是，低压车载电网包括第二开关，并且蓄能器通过该第二开关能与其他低压车载电网电分离。起动机与蓄能器并联。
[0018]在车辆的行驶运行期间，闭合第一开关和第二开关，在起动之前断开第二开关，在起动之后闭合第二开关，在车辆靠惯性行驶期间使支持蓄能器和附加蓄能器部分地放电并且此后断开第一开关，在车辆的停车运行期间断开第一开关，在车辆的起步期间通过直流调节器对支持蓄能器充电并且此后闭合第一开关，并且在所述起步期间通过直流电压调节器对附加蓄能器充电。
[0019]这表示，在行驶运行中起动内燃机时，消耗器与蓄能器的电位解耦并且由支持蓄能器支持。大功率消耗器由附加蓄能器支持。
[0020]当车辆在靠惯性行驶阶段中从行驶运行转入到静止状态中时(也称为车辆渐渐停止)，则使支持蓄能器和附加蓄能器放电并且此后断开第一开关。因此在车辆非行驶运行的阶段期间的支持蓄能器和其余低压车载电网之间不存在直接的电连接。这在例如功率优化的支持蓄能器的情况下是有利的。
[0021]当车辆在起步阶段中从静止状态转入到行驶运行中时(也称为车辆唤醒)，则支持蓄能器通过直流电压调节器预充电并且闭合第一开关。此后进行附加蓄能器通过直流电压调节器的预充电。
[0022]借此在行驶运行开始时，支持蓄能器处于低压车载电网的电位并且尤其是在第二开关断开时的起动期间支持消耗器。附加蓄能器在行驶运行开始时处于可预先确定的电位，以便与电压相关地支持大功率消耗器。
[0023]本发明基于以下阐述的考虑:
[0024]存在如下车辆，所述车辆具有以传统的12伏特的能量车载电网以用于电能供应。
[0025]传统的12伏特构架不能满足通过大功率消耗器的未来挑战，所述大功率消耗器例如是行驶机构系统(电摆动稳定装置、电主动转向装置)或在混合动力车辆或具有马达停止起动功能的车辆中的马达起动系统。
[0026]因此提出，将常见的车辆电网在构架上扩展一电压等级到用于大功率消耗器的48伏特上，并且为12伏特的车载电网配设动态的支持蓄能器和两个开关。
[0027]对于所述两个开关提出一种运行策略，该运行策略能随着车辆静止状态的结束实现对动态的支持蓄能器充电。该充电称为预充电。
[0028]按照这种方式有助于例如在起动和在驾驶操纵时稳定车辆中的能量供应。
[0029]当作为动态的附加蓄能器例如使用超级电容器时，可最小化所使用的蓄能器的总重量并且铅蓄电池能较小地确定尺寸。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]以下借助【专利附图】
【附图说明】本发明的优选的实施例。由此产生本发明的其他细节、优选的实施形式和进一步扩展方案。
[0031]示意性地详细示出:
[0032]图1示出具有车载电网架构的车辆；
[0033]图2示出具有车载电网架构和车载电网扩展的车辆。
【具体实施方式】
[0034]图1示出具有低压车载电网(I)的车辆。高压车载电网(12)通过高压调节器(11)连接到该低压车载电网上。高压调节器构成为双向的直流电压调节器。
[0035]高压车载电网具有车辆的电气化传动系并且将车辆类型的确定为混合动力车辆(HEV> hybrid electric vehicle)、插入式混合动力车辆(PHEV、plugin hybrid electricvehicle)或包括作为增程器(Range-Extender)的内燃机的电动车。这些车辆类型对于本领域技术人员已知。
[0036]低压车载电网具有多个电消耗器(2)和优选能量优化的电蓄能器(4)，所述电蓄能器可以构成为次级的锂离子蓄电池或作为铅酸蓄电池。
[0037]此外，低压车载电网具有支持蓄能器(3)，所述支持蓄能器优选构成为功率优化的电蓄能器、例如作为具有在12伏特的额定电压位置的超级电容器堆。
[0038]电蓄能器和支持蓄能器分别具有与低压车载电网的电位电连接或可电连接的较高的电位和与车辆的接地线电接通的较低的电位。
[0039]此外，低压车载电网具有第一开关出)，所述第一开关将支持蓄能器的较高的电位与低压车载电网的电位连接并且支持蓄能器能通过所述第一开关与低压车载电网电分离。
[0040]作为HEV或PHEV，按照图1或2的车辆还具有发电机(10、G)，低压车载电网可通过所述发电机经由发电机的电输出端馈送电功率，并且可通过所述发电机经由发电机的机械输入端接收内燃机(9、ICE)的机械功率。内燃机能由与低压车载电网电连接的起动机(5、S)起动。
[0041]消耗器、蓄能器、支持蓄能器并且附加地发电机和起动机分别与低压车载电网的电位电连接或可电连接并且分别与车辆的电接地线电接通。
[0042]此外，在图1中的车辆具有直流电压调节器(8)，所述直流电压调节器具有电的第一接口并且具有电的第二接口。直流电压调节器(8)实施为双向的。
[0043]电的第一接口直接与支持蓄能器的较高的电位电连接。电的第二接口与低压车载电网的电位连接。
[0044]此外，低压车载电网具有第二开关(7)。电的消耗器和支持蓄能器的较高的电位通过第二开关能与蓄能器的较高的电位电连接。因此在断开的状态中的第二开关引起蓄能器与低压车载电网的电解耦。在第二开关断开时，与低压车载电网的该电解耦也适用于直流电压调节器(8)的电的第二接口并且适用于起动机。
[0045]在图1中的第二开关闭合时，在蓄能器之间、并且在起动机和直流电压调节器的第二接口之间存在电连接。直流电压调节器的第一接口与支持蓄能器电连接并且当第一开关(6)闭合时与消耗器电连接。
[0046]按照图1的车辆能够以特别有利的方式实现第一开关和第二开关的运行策略:
[0047]在通常的行驶运行时，第一开关和第二开关闭合。如果在行驶运行期间出现消耗器(2)的高电功率需求或必须起动内燃机，则电消耗器由蓄能器和支持蓄能器供应电功率。
[0048]如果在行驶运行期间，内燃机必须由起动机起动(在HEV或PHEV时的起动)，则第一开关保持闭合，第二开关在起动期间断开。在起动之后第二开关闭合。这导致，消耗器
(2)在起动期间能由支持蓄能器供应电功率并且由支持蓄能器的较高的电位的电压位置来支持。
[0049]在内燃机的按照规定的起动期间，所述起动在少于1秒的时间标度上持续，蓄能器(4)上的电压扰动(einbrechen)，因为起动机为了使内燃机转动从蓄能器吸收电功率。尤其是在起动过程开始时出现通过起动机的励磁绕组的短路电流，所述励磁绕组导致在蓄能器上的在数毫秒的时间标度上的特别强烈的电压扰动、即所谓的起动电压扰动。
[0050]由于第二开关断开，支持蓄能器及消耗器与起动电压扰动电解耦。通过支持蓄能器的电连接和直流电压调节器(8)的第一接口至起动机和至蓄能器的功率传输基于通常直流电压调节器的时间上的敏感度相比于起动电压扰动的时间标度可忽略。
[0051]如果按照图1的车辆被停放并且转入到静止状态中，则例如通过车辆的靠惯性行驶或通过经由直流电压调节器对蓄能器充电使功率优化的支持蓄能器至少部分地放电。第一开关(6)此后断开，第二开关保持闭合。
[0052]超级电容器的至少部分的放电有利地影响其使用寿命。而例如实施为铅酸蓄电池的蓄能器(4)应该在车辆的使用寿命期间具有尽可能高的充电状态，以便同样延长其使用寿命。第一开关和第二开关的运行策略辅助这一点。
[0053]如果按照图1的车辆从静止状态进入行驶运行中，则在车辆的起步或唤醒期间，支持蓄能器通过直流电压调节器从蓄能器预充电。此后第一开关闭合。借此支持蓄能器是准备好运行的并且充好电的，以便在第二开关断开的情况下支持低压车载电网。该预充电也可以通过调节器(11)从高压车载电网进行。
[0054]从图1出发在图2中示出另一种实施形式。
[0055]按照图2的车辆具有大功率消耗器(13)。示例例如是电摆动稳定装置或电主动转向装置。大功率消耗器的特征在于，通过低压车载电网对该消耗器的供电仅在低压车载电网中流过高的电流强度时才可足够可靠地保证。然而这可能导致低压车载电网中的希望的电压扰动。出于这个原因，通过扩展的车载电网(车载电网扩展、2)的大功率消耗在相比于低压车载电网更高的额定电压位置的情况下被供电。
[0056]为了产生车载电网扩展的相比于低压车载电网更高的电压位置，在图3和4中代替直流电压调节器(8)使用直流电压调节器(8’)。该直流电压调节器实施为双向的。第一接口直接与支持蓄能器的较高的电位电连接。调节器(8’)的第二接口与车载电网扩展电连接并且借此处于扩展的车载电网的电位上。
[0057]附加地，在扩展的车载电网中将功率优化的附加蓄能器(14)并联于大功率消耗器。例如这可以是具有在大约48伏特的额定电压位置的超级电容器堆或锂离子蓄电池。
[0058]借此按照图2的车辆能够以特别有利的方式实现第一开关和第二开关的运行策略:
[0059]在通常的行驶运行中第一开关和第二开关闭合。如果在行驶运行期间出现扩展的车载电网(2)中的大功率消耗器的高电功率需求(例如以电主动转向装置的突然的转向操纵)，则在扩展的车载电网中的电压由附加蓄能器(14)来支持。此外，通过调节器(8’)发生电功率从低压车载电网的传输。在进一步行驶运行中，此外通过调节器(8’)从低压车载电网进行对附加蓄能器的充电。
[0060]如果在通常的行驶运行中必须起动内燃机(在HEV、PHEV或在电动车的增程器中的起动)，则第二开关(7)断开，第一开关(6)保持闭合。电消耗器(2)由蓄能器供应电功率并且在其电压位置方面由支持蓄能器来支持。
[0061]在起动之后闭合第二开关。这导致，消耗器(2)在起动期间能由支持蓄能器供应电功率并且由支持蓄能器的较高电位的电压位置来支持。
[0062]在内燃机的在少于I秒的时间标度上持续的按照规定的起动期间，蓄能器⑷上的电压扰动，因为起动机为了使内燃机转动从蓄能器吸收电功率。尤其是在起动过程开始时出现通过起动机的励磁绕组的短路电流，所述励磁绕组导致在蓄能器上在数毫秒的时间标度上的特别强烈的电压扰动、即所谓的起动电压扰动。
[0063]由于第二开关断开，支持蓄能器和消耗器与起动电压扰动电解耦。通过支持蓄能器的电连接和直流电压调节器(8’)的第一接口至起动机和至蓄能器的功率传输基于通常的直流电压调节器的时间上的敏感度相比于起动电压扰动时间标度能忽略。
[0064]如果按照图2的车辆被停放并且转入静止状态中，则例如通过在消耗器(2)和/或大功率消耗器(13)消耗能量的情况下的车辆靠惯性行驶或通过对蓄能器(4)充电使功率优化的附加蓄能器和功率优化的支持蓄能器至少部分地放电。附加蓄能器例如从48伏特放电至38伏特，支持蓄能器从12伏特放电至8伏特。此后断开第一开关(6)，第二开关保持闭合。
[0065]超级电容器的至少部分的放电有利地影响其使用寿命。而例如实施为铅酸蓄电池的蓄能器(4)应该在车辆的使用寿命期间具有尽可能高的充电状态，以便同样延长其使用寿命。第一开关和第二开关的运行策略辅助这一点。
[0066]如果按照图2的车辆从静止状态进入行驶运行中，则在车辆的起步或唤醒期间，支持蓄能器通过直流电压调节器(8’)从附加蓄能器预充电。这即使从附加蓄能器的部分放电的状态(在例如36伏特时)出发基于较高的额定电压位置是可能的。此后闭合第一开关。借此支持蓄能器是准备好运行并且充好电的，以便在第二开关断开的情况下支持低压车载电网。所述预充电也可以通过调节器(11)从高压车载电网进行。
[0067]在支持蓄能器的预充电之后闭合第一开关和第二开关，即在支持蓄能器和蓄能器之间可相比拟的电位的情况下。第一开关的闭合导致支持蓄能器和蓄能器之间为了出现共同的相同的电位而少的电位补偿。闭合第一开关而不通过调节器(8’)对功率优化的支持蓄能器预充电可能意味着第一开关和第二开关之间的极高的电流。在预充电之后，在车辆起步期间附加蓄能器从低压车载电网通过直流电压调节器(8’)充电。因为蓄能器是能量优化的并且附加蓄能器是功率优化的，附加蓄能器的充电不意味着低压车载电网中的显著的电压下降。
[0068]在这种运行策略方面有利的是，在车辆起步期间，两个功率优化的蓄能器(3)和
(14)被预充电并且在充电的状态中转入到车辆的行驶运行中。
[0069]因此在行驶运行中，低压车载电网通过支持蓄能器来支持并且扩展的车载电网通过附加蓄能器支持。在起动时第二开关的断开意味着将起动电压扰动限制于蓄能器上。
[0070]因此对于图1和2中的所有消耗器在所有运行情况中确保稳定的电压供应。
[0071]此外，通过调节器(8’ )并且没有电流经过开关地进行预充电。因此所述预充电能以受控制的方式实施并且监控或以对于开关经济的方式。
[0072]此外，在图1/图2中使用所述一个/多个功率优化的蓄能器能实现，能量优化的蓄能器相比于具有仅一个蓄能器(4)的常规车辆车载电网减小尺寸。因为该蓄能器例如实施为具有典型高重量的铅蓄电池，尽管集成有一个/多个功率优化的蓄能器，这可能还是意味着车辆的重量节省。例如超级电容器的关于功率的密度相对这样高，使得所述一个/多个超级电容器的重量通过由于铅蓄电池的关于能量的低密度的重量节省被过度补偿。因此特别有利的是，蓄能器设计为能量优化的并且支持蓄能器和附加蓄能器分别设计为功率优化的。
【权利要求】
1.车辆，包括混合动力传动系并且包括低压车载电网(I)，所述低压车载电网具有电消耗器(2)、蓄能器(4)和用于内燃机的起动机(5)， 其特征在于， -所述低压车载电网具有支持蓄能器(3)， -所述低压车载电网在所述支持蓄能器与其它低压车载电网之间具有第一开关(6)。
2.按照权利要求1所述的车辆， 其特征在于， -所述车辆具有双向的直流电压调节器(8)， -所述直流电压调节器具有第一接口和第二接口， -第一接口与所述支持蓄能器连接，并且 -第二接口与所述低压车载电网连接。
3.按照权利要求2所述的车辆， 其特征在于， -所述低压车载电网具有第二开关(7)，并且 -通过利用所述第二开关，直流电压调节器的第二接口和蓄能器能与所述其它低压车载电网电分离。
4.按照权利要求3所述的车辆， 其特征在于， -起动机位于蓄能器和直流电压调节器的第二接口之间。
5.按照权利要求1所述的车辆， 其特征在于， -所述车辆具有包括大功率消耗器(13)并且包括附加蓄能器(14)的扩展的车载电网(Ia), -所述车辆具有双向的直流电压调节器(8’)， -所述直流电压调节器具有第一接口和第二接口， -第一接口与支持蓄能器连接，并且 -第二接口与所述扩展的车载电网连接。
6.按照权利要求所述的车辆5， 其特征在于， -所述低压车载电网具有第二开关(7)，并且 -通过所述第二开关，蓄能器能与所述其它低压车载电网电分离。
7.按照权利要求6所述的车辆， 其特征在于， -起动机与蓄能器并联。
8.用于运行按照权利要求4所述的车辆的方法， 其具有如下步骤， -在行驶运行时闭合第一开关和第二开关， -在起动之前断开第二开关， -在起动之后闭合第二开关， -在车辆靠惯性行驶期间使支持蓄能器部分地放电并且此后断开第一开关， -在车辆的静止状态期间断开第一开关， -在车辆的起步期间通过直流调节器对支持蓄能器充电并且此后闭合第一开关。
9.用于运行按照权利要求7所述的车辆的方法， 其具有如下步骤， -在行驶运行时闭合第一开关和第二开关， -在起动之前断开第二开关， -在起动之后闭合第二开关， -在车辆靠惯性行驶期间使支持蓄能器和附加蓄能器部分地放电并且此后断开第一开关， -在车辆的静止状态期间断开第一开关， -在车辆的起步期间通过直流调节器对支持蓄能器充电并且此后闭合第一开关，并且 -在车辆的起步期间通过直流电压调节器对附加蓄能器充电。
【文档编号】B60R16/03GK104271404SQ201380023820
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2012年3月28日
【发明者】H·普罗布斯泰勒 申请人:宝马股份公司