CN104052096A - 用于交通工具的车载电网和交通工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于交通工具(40)的车载电网。所述车载电网(20、30)具有至少一个电源，所述电源为第一车载电网支路(2)和第二车载电网支路(5)供电。所述第一车载电网支路(2)具有至少一个具有接通电流需求的第一电负载(3)和与该第一电负载(3)串联的第一电感(4)。第二车载电网支路(5)具有至少一个具有最低电网电压需求的电网电压敏感的第二电负载(6)和与该第二电负载(6)串联或并联的第二电感(7)。所述第一车载电网支路(2)和第二车载电网支路(5)导电地相互并联，并且其中，第一电感(4)和第二电感(7)相互磁性耦连。

Description

用于交通工具的车载电网和交通工具
技术领域
本发明涉及一种用于交通工具的车载电网以及一种带有车载电网的交通工具。
背景技术
从专利文献DE102010042396A1中已知一种用于在电启动器运行过程中在蓄电池供电的车载电网中保持预定电压的方法，所述方法包括以下步骤，在第一时间间隔内串联地以限流电阻运行车载电网上的电启动器，用以限制流经电启动器的电流，并且在第二时间间隔内以减小的限流电阻运行车载电网上的电启动器，用以提高被电启动器转化的功率。在此，从第一时间间隔到第二时间间隔的过渡是基于在第一时间间隔内在限流电阻上所探测到的电气特征值来控制的。
发明内容
根据本发明的一个方面所要解决的技术问题在于，提供一种车载电网结构，所述车载电网结构在接通第一电负载时、例如在接通内燃机的启动器时成本低廉地减缓用于第二电负载的车载电网电压的下降，并且以成本低廉的方式这样改进现有车载电网结构，从而即使在第一电负载接通电流需求很大的情况下也能将电压波动限制在可接受的范围内。根据本发明的另一方面所要解决的技术问题在于，提供一种带有这种车载电网的交通工具。
本发明的实施方式涉及一种用于交通工具的车载电网。所述车载电网具有至少一个电源，例如至少一个电蓄能器形式的电源、尤其是至少一个电池、至少一个蓄电池和/或至少一个电容器、例如至少一个超级电容器，至少一个燃料电池和/或至少一个发电机形式的电源，所述电源为第一车载电网支路和第二车载电网支路供电。所述第一车载电网支路具有至少一个带有接通电流需求的第一电负载和与该第一电负载串联的第一电感。所述第二车载电网支路具有至少一个带有最低电网电压需求的电网电压敏感的第二电负载和与该第二电负载串联或并联的第二电感。第一车载电网支路和第二车载电网支路导电地相互并联，并且第一电感和第二电感相互磁性耦连。
这种将车载电网分为两个相互感应耦连的车载电网支路的划分具有这样的优点，在第一电感上的电流曲线由于第一电负载较大的电流增大而引起了第二电感上额外的感应电压，该感应电压减少或减缓了在接通第一电负载过程中在与第一车载电网支路并联的第二车载电网支路上工作电压过于剧烈的下降。
在此从这种考虑出发，即交通工具的内燃机通常借助电启动器启动。启动所需的能量通常从交通工具的车载电网中的电化学蓄能器中获得。因为这种电化学蓄能器所具有的蓄电能力有限，鉴于电启动器在启动过程的前几毫秒内具有很高的接通电流需求，电启动器可能使车载电网电压强烈波动，从而不可能再为第二电负载或其它电负载提供足够的车载电网电压。尤其那些由微处理器控制的电负载是电压敏感的，并且在稍微低于最低车载电网电压(例如7V)时就会至少在预设时间范围内在其性能方面受到限制或者失效。这种电压敏感的第二电负载可能是对交通工具运行和安全来说很重要的控制设备。
在上面所提到的文献中需要大量的传感器，用以在时间上减缓车载电网中的电压降，从而能够在车载电网中保持最低电压，与此相对地，这一点在所提到的实施方式中是通过简单地放大连接电负载的引线的导线感应性能来实现的，即通过提供相互磁性耦连的、带有更高电感的区域来实现的。这种设计在铺设和布置连至不同电负载的引线时要求尽可能小的变化。因此，引线电感提高的区域可以借助于例如预制好的将提高的引线电感相互耦连在其中的部件以简单且成本低廉的方式集成在电缆结构中。
借助于这种制造成本低廉的感应式电缆引线部件，在电感尺寸适宜的情况下，可以显著减少由于在第一车载电网支路上的第一电负载的高接通电流需求所造成的用于第二车载电网支路的电压波动，第二车载电网支路带有具有最低电网电压需求的电负载。
在此，在一种实施方式中，第二电感与第二电负载串联。
耦连和待耦连的电感都可以通过将铁磁材料用作共同的磁芯而被提高，在本发明的另一种实施方式中，围绕所述磁芯设有形式为初级线圈的第一电感和形式为次级线圈的第二电感，所述初级线圈由导向第一电负载的引线构成，次级线圈由导向第二电负载的引线构成。
由于在接通第一电负载的过程中有较高的感应电流，第一电感的匝数可以比第二电感的匝数小很多倍。其优点在于，导向具有较高接通电流需求的第一电负载的引线具有比导向至少一个第二电负载的引线明显更大的横截面。对于这种更细的用于第二车载电网支路上的第二电负载的引线，可以以简单的方式实现比导向第一电负载的引线明显更大的匝数，以便形成更高的引线电磁感应。
在本发明的一种实施方式中，第一电感和第二电感是反平行地相互磁性耦连或缠绕的。
在本发明的另一种实施方式中规定，在第二车载电网支路上的蓄能元件借助耦合电路被耦合接入。这种蓄能元件具有的优点在于其存储了可被快速调用的电荷，所述电荷例如在额定车载电网电压下可供使用，并且由此也可以首先提供给第二车载电网支路上的耦合电路的蓄能元件使用。
当在第一车载电网支路中出现电网电压波动时，可以通过第二车载电网支路上的耦合电路的放电电路从与第二电负载并联的蓄能元件中直接调用电荷。由此，在本发明的该实施方式中，除了第一电感和第二电感和第二车载电网支路上的磁性耦连之外还存在具有至少一个辅助的蓄能元件和至少一个辅助的放电电路的耦合电路。
在此，可以在通过第一电负载引发的电网电压波动时，自动向并联的第二电负载提供辅助蓄能元件所储存的电荷。因此，在本发明的这种实施方式中，第一电感和第二电感不是相互反平行地耦连，而是相互平行地耦连。
在用于耦合的另一种设计方式中，为耦合电路设有第一电网节点，通过该第一电网节点将蓄能元件与第二电感和放电电路相连接。此外，在该实施方式中，蓄能元件通过放电电路与第二车载电网节点相连，所述第二车载电网节点与第二电负载和阻抗元件共同作用，通过所述阻抗元件与车载电网电压极连接。
第二车载电网支路的这种稍微有些复杂的结构相对于本发明之前的实施方式具有这样的优点，即通过适当选择蓄能元件，可以在接通第一电负载时缓冲更大的电压波动。这种实施方式还具有这样的优点，即不需要额外的限流电阻和用于检测限流电阻特征值的传感器来控制第一电负载的接通电流的第二时间间隔。
进一步的改进可以通过以下方式实现，即放电电路与控制脉冲发生器共同作用。这种控制脉冲发生器本身又可以通过控制和调节单元被这样调节，从而使辅助的蓄能器在正常工作时保持充电，并且在检测到车载电网电压波动时，控制脉冲发生器才根据电压波动使放电电路通过控制脉冲控制触发或者定量和计量辅助蓄能元件对第二车载电网支路中并联的第二电负载的放电。
此外，在一种实施方式中，在第一车载电网支路上的第一电负载是内燃机的启动电机，而在第二车载电网支路上的第二电负载是电网电压敏感的控制单元，例如优选是ESP组件(电子稳定程序eletronic stability program)、ECU组件(发动机控制单元engine control unit)或自动变速器控制组件(AT-controlmodule,automatic transmission control module)。这些组件通常是微处理器控制的，并且因此相对于最低电网电压需求是电网电压敏感的。
本发明的另一方面涉及一种交通工具，所述交通工具具有由至少上述两个车载电网支路构成的车载电网。
此外，本发明的一种实施方式还涉及一种交通工具，所述交通工具带有用于交通工具内燃机的启动/关闭***，其中，所述启动/关闭***设计用于自动关闭和启动内燃机。由两个车载电网支路构成的车载电网实现了频繁且对交通工具安全没有不利影响地启动/关闭内燃机，所述两个车载电网支路可以通过其引线的磁性耦连的电感缓冲车载电网的电压波动。
附图说明
现在根据附图对本发明的实施方式进行更详尽的阐述。在附图中：
图1示出带有处于车载电网中的电负载的交通工具的示意图；
图2示出根据本发明第一实施方式的车载电网的原理简图；
图3示出根据本发明第二实施方式的车载电网的原理简图；
图4示例性示出当接通启动电机时的最初100毫秒内在车载电网中的电压和电流变化曲线图。
具体实施方式
图1示意性示出汽车形式的交通工具40，该交通工具带有处于车载电网20中的电负载3和6。在本发明的该实施方式中，所述车载电网20具有第一车载电网支路2和第二车载电网支路5。在第一车载电网支路2中布置有设计为第一电负载3的启动电机19，所述启动电机例如在启动/关闭操作中借助启动/关闭***23启动内燃机22。
这种启动电机19在最初的几毫秒内具有可达数百安培的较高接通电流需求。车载电网20连同其两个车载电网支路2和5由形式为电蓄能器1的电源提供电流和电压。
在每个启动过程中，由于用于启动电机19的达每毫秒数百安培的较大的接通电流升高量产生了车载电网支路2和5中的电压波动。为了抵消或者抑制车载电网支路2和5中的这种电压波动，在第一车载电网支路2中与第一电负载3串联地布置有第一电感4，所述第一电感通过磁芯12与第二电感7耦连，所述第二电感与第二电负载6串联地布置在第二车载电网支路5中。
在本发明的该实施方式中，这种第二电负载6是带有微处理器的控制单元21。这种微处理器是电网电压敏感的，并且具有最低车载电网电压需求(例如7V)，不应低于该最低车载电网电压需求，从而即使在多次启动/关闭交通工具40的操作中也能确保控制单元21的功能性。
通过在此以点表示的、第一电感4和第二电感7的反平行磁性耦连，在第一车载电网支路2中的每毫秒数百伏特的较大电流升高产生了在第二车载电网支路5的第二电感7上的感应电压，所述感应电压抵消并且由此缓冲了在第二车载电网支路5中的车载电网电压的下降。
在图1中从原理上示意性示出了内燃机22、蓄能器1、启动电机19和启动/关闭***23在车载电网支路2中的共同作用，而在图2中示出了根据本发明的第一实施方式的车载电网20的原理图。
在图2中借助双点划线示出了蓄能单元和车载电网的每个支路的边界。所述车载电网20在此具有与第二车载电网支路5并联布置的第一车载电网支路2，该车载电网由电化学蓄能器1供电。所述电化学蓄能器1连接在车载电网电压极7和接地极26上，在这两极之间形成了车载电网电压UB。
仅被示意性示出的电化学蓄能器1可以在其复合内阻Ri上加载处于车载电网电压极17与接地电极26之间的车载电网电压UB的内部源电压Ui。然而通过这种既有电阻部分也有电容和电感部分的复合内阻Ri，在接通电流升高较大时无法维持车载电网电压。
为了抵消这种电压波动，在根据图2的实施方式中将车载电网20分为两个并联的车载电网支路。在此，第一车载电网支路除了带有启动电机19的第一电负载3之外还具有布置了启动继电器24的并联支路，所述启动继电器可以由启动/关闭***23控制，其中，所述启动继电器24触发串联的磁性开关25，所述磁性开关同样是自动启动/关闭***23的一部分，并且将引线8接通至第一电负载3，其中，所述引线8具有复合导线电阻RL。所述复合导线电阻RL的电感部分可以通过使初级线圈10形成第一电感而加强，所述第一电感与第一电负载3串联地布置在第一车载电网支路2中。
这种初级线圈10可以基于较高电流而具有明显小于第二电感7的匝数，所述第二电感设计为导向第二电负载6的引线9的次级线圈11，并且具有比初级线圈10明显更多的匝数。由于在第一车载电网支路2上的较高接通电流需求，利用通过次级线圈中的共同磁芯12实现的磁性耦连产生感应电压，所述感应电压抵消了车载电网电压的下降。
由此，通过这种电路可以至少将第一车载电网支路2中的车载电网电压保持在一定电压水平上，所述电压水平相当于在额定电池电压为12V时第二电负载6的最低车载电网电压需求(例如为7V)。与之相关地，额定电池电压Ub理解为受到不随时间而变的恒定负载的电池电压。
图3示出根据本发明的第二实施方式的车载电网30的原理图。具有与图2相同功能的部件被标注以相同的附图标记且不作特别说明。
所述电化学蓄能器1保持不变，并且第一车载电网支路2相应于图2地构造。只是在第二车载电网支路5上的电压供应会进一步通过设置辅助的耦合电路41而被改善。所述耦合电路41包括第二电感7、电容器27形式的辅助蓄能元件13、放电电路15和第一电网节点14以及第二电网节点18，通过其将耦合电路41集成在第二车载电网支路内。第二电感7利用接头通过电导线42连接在接地极26上，并且利用第二接头与第一电网节点14相连。辅助的蓄能元件13利用第一接头通过电导线43连接在接地极26上，并且利用第二接头通过电导线44与第一电网节点14相连。放电电路15布置在第一电网节点14与第二电网节点18之间，并且通过电导线45或46相连。
第二电网节点18与第二电负载连接，并且通过阻抗元件16与车载电网电压极相连。
通过将这种耦合电路41集成在第二车载电网支路5中，在第二车载电网支路5内存在辅助的蓄能元件13(在此由电容器27构成)可供使用，所述电容器通过第一电网节点与第二电感7共同作用。
这种辅助的蓄能元件13能够将电容器27的存储电荷相对迅速地提供给第二电负载6以便补偿第二车载电网支路5内的电压波动。由此缓冲了电压波动，因为呈控制单元21形式的第二电负载6通过第二电网节点18连接在第二车载电网支路5内，而放电电路15与辅助的蓄能元件13相连。
图4示出了在接通启动电机时的最初100毫秒内在车载电网中的电压和电流变化曲线图，所述曲线图借助模拟获得。为此，横坐标表示单位为秒的时间t，而在左侧的纵坐标表示单位为安培(A)的电流i和单位为每秒转数(rpm)的转速n，并且在右侧的纵坐标表示单位为伏特(V)的电压，其中，电压范围是从0到14V，而电流范围是从0到1200A。
如曲线a所示，启动电机的转速n在最初100毫米内从0上升到400rpm。为此如曲线b所示，在最初6毫秒内从电化学蓄能器中获得高达1000A的电流。启动电机的接通电流在最初100毫秒内降至400A。这种每6毫秒1000A的接通电流急剧升高导致如曲线d所示的电池电压的波动，其中，所述电池电压首先在最初的6毫秒内从12V降至8V，随后在最初的100毫秒内升高到约10V。
急剧的电流升高在第一车载电网支路上的作用最为强烈，如曲线c所示，在第一车载电网支路上的电压下降，在没有采取如图2所示的根据本发明实施方式的措施的情况下会下降到远低于6V以下，并且在8毫秒内保持在7V以下。这对于一些控制单元来说是不可接受的，因此如曲线e所示，例如可以通过在图2和图3中所示的、所使用的和磁性耦连的引线电感这样减小所述压降，以便不会低于第二电负载的电路内部的电压(7V)。
尽管在之前的说明书中示出了至少一个示例性的实施形式，但可以进行各种修改和变化。所述的实施形式仅仅是例子，并不用于以任何方式限制本申请的保护范围、适用性或配置。之前的说明为技术人员提供了一个用于转化成至少一种示例性实施形式的提纲，其中，可以对在示例性实施形式中说明的元件的功能和布置进行大量的修改，只要不背离权利要求书所述技术方案及其等同技术方案的保护范围。
附图标记清单
1 电化学蓄能器
2 第一车载电网支路
3 第一电负载
4 第一电感
5 第二车载电网支路
6 第二电负载
7 第二电感
8 导向第一电负载的引线
9 导向第二电负载的引线
10 初级线圈
11 次级线圈
12 共同的磁芯
13 蓄能元件
14 第一电网节点
15 充电和放电电路
16 阻抗元件
17 车载电网电压极
18 第二电网节点
19 启动电机
20 车载电网(第一实施方式)
21 控制单元
22 内燃机
23 启动/关闭***
24 启动继电器
25 磁性开关
26 接地极
27 电容器
30 车载电网(第二实施方式)
40 交通工具
41 耦合电路
42至46 电导线

Claims (14)

1.一种用于交通工具的车载电网，该车载电网包括：
-至少一个电源；
-第一车载电网支路(2)，其中，所述第一车载电网支路(2)具有至少一个具有接通电流需求的第一电负载(3)和与该第一电负载串联的第一电感(4)；
-第二车载电网支路(5)，其中，所述第二车载电网支路(5)具有至少一个具有最低电网电压需求的对于电网电压敏感的第二电负载(6)和与该第二电负载(6)串联或者并联的第二电感(7)；
其中，所述第一车载电网支路(2)和第二车载电网支路(5)导电地并联，并且其中，所述第一电感(4)和第二电感(7)相互磁性耦连。
2.根据权利要求1所述的车载电网，其中，所述第二电感(7)与第二电负载(6)串联。
3.根据权利要求1或2所述的车载电网，其中，所述至少一个电源具有至少一个电蓄能器(1)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的车载电网，其中，所述第一电感(4)具有由导向第一电负载的引线(8)构成的初级线圈(10)，而第二电感具有由导向第二电负载的引线(9)构成的次级线圈(11)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的车载电网，其中，所述第一电感(4)的匝数小于第二电感(7)的匝数。
6.根据上述权利要求中任一项所述的车载电网，其中，所述第一电感(4)和第二电感(7)具有共同的磁芯(12)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的车载电网，其中，所述第一电感(4)和第二电感(7)相互反平行地磁性耦连。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的车载电网，其中，所述第一电感(4)和第二电感(7)相互平行地磁性耦连，并且第二车载电网支路(5)具有耦合电路，其中，蓄能元件(13)相对于第二电负载(6)并联地布置在耦合电路中，所述蓄能元件通过第一电网节点(14)与第二电感(7)和放电电路(15)相连，其中，第二电负载通过第二电网节点(18)与耦合电路的放电电路(15)相连，并且通过第一电网节点(14)与蓄能元件(13)相连，并且其中，在电网电压波动时，所述蓄能元件(13)抵消所述电网电压波动。
9.根据权利要求8所述的车载电网，其中，在第二车载电网支路(5)内的所述耦合电路的放电电路(15)与控制脉冲发生器共同作用。
10.根据上述权利要求中任一项所述的车载电网，其中，在所述第一车载电网支路(2)中的第一电负载(3)是内燃机的启动电机(19)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的车载电网，其中，在所述第二车载电网支路(5)中的第二电负载(6)是对于电网电压敏感的控制单元(21)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的车载电网，其中，在所述第二车载电网支路(5)中的第二电负载(6)是对于电网电压敏感的ESP组件、ECU组件或者自动变速器控制组件。
13.一种带有根据上述权利要求中任一项所述的车载电网(20、30)的交通工具。
14.根据权利要求13所述的交通工具，其中，所述交通工具具有用于交通工具(40)的内燃机(22)的启动/关闭***(23)，其中，所述启动/关闭***(23)设计用于自动地关闭和启动内燃机(22)。
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