CN101485061A - 使用超级电容给汽车中的用电设备供电的*** - Google Patents

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Abstract

本发明建议了一种用于给汽车的车载电力网络中的用电设备供电的***(100)，其中车载电力网络由至少两个车载电力网络区域(A，B)组成，第一车载电力网络区域(A)具有发电机(101)、汽车电池(102)和一个或多个第一类用电设备(103)，第二车载电力网络区域(B)具有双层电容器或所谓的超级电容(105)和一个或多个第二类用电设备(106)。在这两个车载电力网络区域(A，B)之间具有一个隔断装置(104)，特别是半导体二极管或功率开关，它使得电流可以从第一车载电力网络区域(A)流入第二车载电力网络区域(B)，并尽量阻止反向电流从第二车载电力网络区域(B)流到第一车载电力网络区域(A)。当第二车载电力网络区域(B)中的电压低于第一个门限值时发电机(101)的输出电压被提高，并且超级电容(105)被充电。

Description

使用超级电容给汽车中的用电设备供电的***
本发明涉及给汽车的车载电力网络中的用电设备供电的***。
在已知***中用于产生电压所需的发电机具有显著的功率消耗，消耗的功率必须由汽车的发动机提供。
本发明的目的在于降低由汽车发动机所提供的功率，为汽车的车载电力网络供给足够的电能。
上述任务由具有权利要求1所述特征的供电***完成。从属权利要求的主题给出本发明具有优点的实施方式。
本发明的主要内容在于，将汽车的车载电力网络中的用电设备划分为至少两种类型的用电设备组。第一组(不敏感)用电设备在电压相对剧烈波动和/或当电压相对较低时，例如在12伏车载电力网络中当电压下降到10伏以下和/或在约9伏与16伏之间波动时仍能可靠地工作。
第二组(敏感)用电设备只在电压围绕额定电压只有相对较小的波动时，例如在12伏车载电力网络中电压在约11伏与13伏之间波动时才可靠地工作。根据本发明，车载电力网络被划分为至少两个车载电力网络区域；在第一车载电力网络区域中放置不敏感的用电设备，在第二车载电力网络区域中放置敏感的用电设备。
从第二车载电力网络区域流入第一车载电力网络区域的电流根据本发明被第一和第二车载电力网络区域之间的一个隔断装置、最好是半导体二极管所阻断。在第一车载电力网络区域中发动机和汽车电池并联到第一组用电设备上，在第二车载电力网络区域中一个储能器、电池或电容器，最好是双层电容器或所谓的超级电容并联在第二组用电设备上。双层电容器在汽车运行时被持续地充电到一个电压上，此电压在电容器放电时维持敏感的用电设备工作。
在双层电容器不需要充电的阶段，发电机的电压降低到使得仍能保证第一级用电设备的工作(参见DE2006002985)。这时双层电容器上的电压高于第一组(不敏感)用电设备上的电压，并且隔断装置或二极管阻止双层电容器通过第一车载电力网络区域内的用电设备放电。反之，当为了重新给双层电容器充电而发电机输出电压升高时，隔断装置使得电流可以从发电机经过隔断装置或二极管流入到第二车载电力网络区域内。
双层电容器的充电状态或输出电压的监控通过充电控制装置或控制/功率单元完成，它如此控制发电机，使得发动机在电容器上的电压低于一个门限电压时提高用于充电的电压，接着重又降低此电压。
与现有技术不同，发电机可以如此被控制，使得它在汽车运行时只给不敏感的用电设备提供其工作所需的较低电压。而在现有技术中此电压一直要升高到能给敏感用电设备提供足够的工作电压。
通过本发明所述的解决方案，发电机的功率消耗可以在长时间内被降低，从而使汽车的燃料消耗和二氧化碳排放量明显降低。
在本发明的一个特别具有优点的实施方式中，超级电容的预充电和/或与车载电力网络的连接或分离通过一个独立的控制/功率单元完成。该控制/功率单元最好还在预充电操作期间进行超级电容的诊断，特别是进行电容量和/或电阻的确定。通过该措施超级电容可以完美地集成到汽车的车载电力网络中。
在本发明的一种改进方案中，在超级电容预充电或充电到第二车载电力网络区域的车载电力网络电压时，超级电容的温度被测量，并与一个最大值进行比较。作为替代或补充，从一个配置给所述超级电容的故障存储器中被读出，该故障存储器最好位于控制/功率单元内。根据本发明，如果当时超级电容的电容值即C值和/或电阻值即R值与所存储的与温度和充电电流有关的超级电容特性值的比较表明超级电容存在故障的话，故障存储器最好具有一个故障记录。基于这种诊断，可以避免由发生故障的超级电容而导致的车载电力网络故障。
在本发明所述***的一个优选的改进方案中，当超级电容低于温度最大值并且没有故障记录时，在超级电容与第二车载电力网络区域电气连接之前，超级电容被充电到第二车载电力网络区域的实际电压，或者被充电到尽可能接近第二车载电力网络区域的实际电压，接着超级电容稳定第二车载电力网络内的电压。通过此措施可以实现超级电容被平稳地连接到车辆的车载电力网络上。
在本发明的一个实施方式中，当接线端R和/或接线端15松动和/或车门关闭时间超过预定时间长度时，超级电容通过反馈到车载电力网络而放电到约9伏，然后从车载电力网络断开。这样实现了超级电容平稳地从车载电力网络上脱离，并且车载电力网络得以免于超级电容的高静态电流需要。
通过上述这些措施，充电过程特别是在进一步降低二氧化碳排放量方面得到优化。
下面借助附图所示本发明的示例性实施方式例详细说明本发明所述的***。附图中：
图1示出由两个车内电网区域构成的车内电网，这两个区域通过一个二极管相互电气连接，以及
图2是一个流程图，它主要描述超级电容的预充电、与汽车的车载电力网络的连接和分离。
用于给用电设备103和106供电的本发明所述***、即根据本发明的车载电力网络100由两个车载电力网络区域A和B组成。第一车载电力网络区域A具有发电机101、汽车电池102和多个第一类用电设备103。第二车载电力网络区域B具有电容器或超级电容105形式的储能器和多个第二类用电设备106。
在超级电容的正极与第二车载电力网络区域B之间具有一个控制/功率单元107。它控制超级电容的诊断和预充电以及超级电容与第二车载电力网络区域的连接和分离。控制/功率单元107的工作原理在下面结合图2详细说明。
这两个车载电力网络区域A和B之间具有一个半导体二极管形式的隔断装置104，它使电流可以从第一车载电力网络区域A流入第二车载电力网络区域B，并且阻止反向电流从第二车载电力网络区域B流入第一车载电力网络区域A。
发电机101的输出电压在第二车载电力网络区域B内的电压低于第一个门限值时被提高，并对储能器或电容器105充电。
第一类用电设备103工作所需的工作电压在10伏至16伏的第一电压范围内，即它们是所谓的“不敏感”的用电设备。第二类用电设备106工作所需的工作电压在11伏至13伏的第二电压范围内，即它们是所谓的“敏感”用电设备。
如图1中“电压作为时间的函数”曲线所示，第一车载电力网络区域A的特征是具有约10伏至16伏之间的相对较高的电压波动(不稳定或波动区域)。相应地，第二车载电力网络区域B的特征是具有11伏至13伏之间的相对较小的电压波动(稳定区域)。
图2示出一个流程图200，它描述超级电容的预充电、与汽车车载电力网络的连接和分离。该流程图中的各步骤最好由控制/功率单元107执行，它为此具有优点地具有一个程控微处理器和相应的控制程序或软件。在状态201下控制/功率单元107或DBU，即“动态车载电力网络支持部件(Dynamische Boardnetzunterstützung)”处于待机状态，即不工作，并且超级电容105与第二车载电力网络区域B没有电气连接(开关S1断开)。
在步骤202中检查相应汽车的车门是否打开和/或它是否接通或引入电压到现有接线端R和/或15上。如果检查结果是肯定的，即“OK”，则控制/功率单元107被“唤醒”或转换到工作状态(状态203)。超级电容将通过DC/DC转换器108充电。如果检查结果是否定的，即“NOK”，则重新进行检查。
在“唤醒”控制/功率单元107之后，在步骤204中确定超级电容的实际温度并将其与一个最大温度值进行比较。此外还检查是否在控制/功率单元107中存在一个故障存储记录，该记录表明超级电容在过去曾处于代表超级电容有故障的状态。
如果在步骤204中的检查结果是否定的(“OK”状态)，则在步骤205中超级电容被充电或预充电到第一车载电力网络区域A的车载电力网络电压，最好是比第一车载电力网络区域A的车载电力网络电压低1伏。在此充电或预充电过程期间，确定超级电容或电容器的电阻R、电容C和充电时间t，并与参考值进行比较(步骤206)。如果比较结果是肯定的(“OK”状态)，即超级电容表现出性能未受损，则超级电容在预充电过程结束之后在步骤207中与车载电力网络相连接，并稳定第二车载电力网络区域B的电压。
在连接超级电容105期间，即在其稳定工作时，相应步骤208持续监测超级电容的温度和/或控制/功率单元中的功率电子器件的温度是否在最大可靠工作温度以下，以及超级电容匀称性是否仍保持。关于此匀称性，将检查超级电容模块的超级电容单元的极化是否在预定的限制之内。在采用有机电解液的超级电容情况下，它最好在2.3伏至3.0伏之间。如果监测结果是肯定的(“OK”状态)，则在步骤209中继续检查关闭汽车车门的时间是否比预定时间长度更长，和/或已知的接线端R和/或15是否断开或松动。
如果检查结果是肯定的，即“OK”，在步骤210中超级电容被放电到9伏，多余的电荷被反馈到车载电力网络中并且暂时将发电机卸载。
在超级电容的(部分)放电过程结束后，在步骤211中超级电容从车载电力网络脱离，并且超级电容对于第二车载电力网络区域B中的电压不再起稳压作用。
在接下来的步骤212中，检查汽车的CAN总线是否未激活。如果是这样的话，控制/功率单元107或DBU转入休眠模式(状态213)。
如果在步骤204中的监测结果是否定的，即“NOK”，则在步骤214中在控制/功率单元107的故障存储器中进行故障存储记录，并且超级电容105从车载电力网络脱离，超级电容被放电，并且给驾驶员提供相应的通知和附加指示：超级电容已被去激活或处于休眠模式。
如果步骤206和/或208的结果是否定的(NOK)，则也执行步骤214和215。步骤212和213跟在步骤215之后。

Claims (5)

1.用于给汽车的车载电力网络中的用电设备供电的***(100)，其中
-所述车载电力网络由至少两个车载电力网络区域(A，B)组成，第一车载电力网络区域(A)具有发电机(101)、汽车电池(102)以及一个或多个第一类用电设备(103)，第二车载电力网络区域(B)具有双层电容器或所谓的超级电容(105)以及一个或多个第二类用电设备(106)，
-在这两个车载电力网络区域(A，B)之间具有一个隔断装置(104)，特别是半导体二极管或功率开关，它使得电流可以从第一车载电力网络区域(A)流入第二车载电力网络区域(B)，并尽量阻止反向电流从第二车载电力网络区域(B)流到第一车载电力网络区域(A)，以及
-当第二车载电力网络区域(B)中的电压低于第一个门限值时发电机(101)的输出电压被提高，并且超级电容(105)被充电。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，超级电容(105)的预充电和/或与车载电力网络的连接或分离由一个独立的控制/功率单元(107)完成，该控制/功率单元最好还在预充电操作期间承担超级电容的诊断，特别是进行电容量和/或电阻的确定。
3.如权利要求1或2所述的***，其特征在于，在超级电容被预充电或充电到第二车载电力网络区域(B)的电网电压期间，测量超级电容的温度并将其与一个最大值进行比较，和/或从一个配置给所述超级电容的故障存储器中被读出，所述故障存储器最好位于所述控制/功率单元(107)中，其中如果过去所进行的超级电容(105)当时的电容值即C值和/或电阻值，即R值与所存储的与温度和充电电流有关的超级电容特征值的比较表明超级电容出现故障的话，故障存储器具有一个故障记录。
4.如权利要求3所述的***，其特征在于，当超级电容低于温度最大值并且没有故障记录时，在超级电容与第二车载电力网络区域(B)电气连接之前，超级电容(105)一直充电到第二车载电力网络区域(B)的实际电压，并稳定第二车载电力网络区域内的电压，其中当超级电容的电容值即C值和/或电阻值即R值表明超级电容发生了故障时，进行所述故障记录。
5.如以上权利要求中任一项所述的***，其特征在于，当接线端R和/或接线端15松动和/或车门关闭时间比预定的时间长度更长时，超级电容通过反馈到车载电力网络而放电到低于第一车载电力网络区域和/或第二车载电力网络区域的电网电压值的一个电压上，最好是低于约6伏至9伏，然后从车载电力网络电气脱离。
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