CN104093604B - 机动车辆的电能管理方法及实施该方法的机动车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机动车辆(1)的电气架构(2)的电能管理方法，所述电气架构包括：电能存储器(3)、车载网络(6)、发电机(5)、直流/直流变流器(4)、允许操控直流/直流变流器(4)和发电机(5)的控制设备(7)，其中：‑确定车载网络(6)是否由于安全性电气部件的启动而趋于电压下降，在肯定的情况下，‑确定最大规定电流，规定电压(UconsDC)大于发电机(5)输出的电压，‑操控变流器(4)至已确定的规定值，并且操控发电机(5)至车载网络(6)所需电压。本发明还涉及一种实施本方法的车辆。

Description

机动车辆的电能管理方法及实施该方法的机动车辆
技术领域
本发明涉及一种机动车辆电气架构的电能管理方法。
本发明还涉及一种实施这种方法的机动车辆。
背景技术
某些电压供应网络包含负责给一个或多个电气部件以永久或切换方式供应电压的电压和电流发电机，例如交流发电机和电能存储器(例如传统的汽车用电池)。这例如是车辆(可能为机动车辆)的车载网络的情况。在典型架构下存储器直接与发电机和车载网络连接。
同样地，车辆在运行时发动机运转，持续有能量在发电机、车载网络和发动机之间传递。这种传递发生在两个方向：
-发电机给存储器充电以及提供能量给车载网络，
-存储器提供一部分它的能量给车载网络。
此外，交流发电机驱动器的出现使得能够有被调制在最小电压和最大电压范围之间的输出电压导致确定调制输出电压的策略以得到车辆消耗的大幅增益。为此，车辆的生命阶段允许能量回收，像车辆的速度，车辆的减速都考虑到为了从每个阶段期间更好地限制车辆消耗的方面来确定合适的输出电压。
在车辆运行过程中，当密集消耗的电力消耗器件的启动引起供给需求时，这里有比发电机的响应时间更快的动力(例如交流发电机有150毫秒的典型响应时间)，该发电机没有能力提供所需的功率。
在这段时间中，与发电机并联的电能存储器在这个过渡阶段作为缓冲以及提供功率给上述供给需求。车载网络于是在其接线端有可能小于电气功能良好运行所需要的最小电压的电压。
此外，交流发电机产生有限功率的能力随着不同参数的变化而变化，例如发动机的转速，温度，接线端的电压。再有，机动车辆发电机的选择是其成本与其功率之间的平衡。总之，它的生产能力总是小于车站网络需要的最大值。
在这些情况下，发电机通常是为了发动机转速达到称之为饱和值的最大功率(于是说该发电机饱和了)，在这个情况下，电能存储器给车载网络供应补充的功率，施加在车载网络上的电压来自于电能存储器，这使电池充电的状态降级。
在发电机饱和因而不能供应必需的功率的情况下，电能存储器不再只用作缓冲而变成施加电压的发电机。由此电压有低于车载网络容许的最小阈值的风险。
在一个典型的电气架构中，电能存储器被永久地连接到发电机和车载网络使其对能量变化的依赖度高。这导致了一些不便：
-在充电阶段时，交流发电机提高能充电的调节电压。期间车载网络剩余的部分承载相同的电压从而导致过度消耗。例如交流发电机施加15V的电压给电能存储器充电，所有阻抗型电气部件或电子发动机将处于过度消耗保障需求的不必要的附加电功率，表现为燃料的过度消耗和二氧化碳(CO2)排放的增加。此外，该电压的升高导致车载网络部件的过早老化，例如照明装置或其他电子元件。
-某些车载网络的部件能够，当它们提出需求时，施加一个最小调节电压给所有车载网络。例如刮雨器启动时在接线端需要最小为14V的电压来确保最佳运行。该约束请求交流发电机调节到生成14V而且迫使电能存储器进行不一定需要的强制充电。
已知申请号FR1150072下的申请人的专利申请，电子器件构成直流/直流变流器，也被成为放置在机动车辆电气架构中的可逆直流/直流变流器。直流/直流变流器包括输入端子和输出端子，输入端子与交流发电机相连，输出端子与电池相连。直流/直流变流器包括四个运行模式：
-通过模式：直流/直流变流器作为闭合的开关。
-开放模式：直流/直流变流器作为断开的开关。
-对于直流/直流变流器中从输入端流向输出端的电流，输出端相对于输入端的升压或降压模式。
-对于直流/直流变流器中从输出端流向输入端的电流，输入端相对于输出端的升压或降压模式。
后两种运行模式允许从剩余的车载网络的电池接线端得到不同的电压。文件FR1150072提出了一个在能量回收阶段通过触发优选模式的电能管理策略示例，其中这个策略不一定是在更好限制车辆消耗方面最适合的，同时维持车载网络的电气部件的最佳供给。
故一直存在一种在更好限制车辆消耗方面的车辆电气架构的电能管理策略的改善需求，同时维持车载网络的电气部件的最佳供给。
发明内容
本发明同样涉及一种机动车辆的电气架构的电能管理方法，所述电气架构包括：电能存储器、包含电气部件的车载网络、具有连续可调的规定电压的发电机、直流/直流变流器，所述直流/直流变流器包括连接到所述电能存储器的输入端以及连接到所述车载网络和所述发电机的输出端、允许操控直流/直流变流器和发电机的电流和电压的控制设备，其特征在于：
-确定车载网络是否由于车载网络的安全性电气部件的启动而趋于电压下降，
在肯定的情况下，
-确定直流/直流变流器的最大规定电流，所述最大规定电流等于车载网络所需电流的一部分，确定直流/直流变流器的输出端处的规定电压，所述规定电压大于发电机输出的电压，
-在操控直流/直流变流器的已确定停止条件没有达到时，通过操控直流/直流变流器至已确定的最大规定电流和规定电压，并且操控发电机至等于车载网络所需电压的规定电压，来使电能存储器向车载网络放电。
在当车载网络没有由于车载网络的一个安全性电气部件的启动而趋于电压下降的情况下，确定所述车载网络是否由于车载网络的另一个电气部件的启动而趋于电压下降。
在确定车载网络由于车载网络的另一个电气部件的启动而趋于电压下降的情况下，验证直流/直流变流器是否处于通过运行模式。
在一个变型中，当以累计的方式达到停止条件时，验证以下所有条件：
-指示车载网络的电压得到满足的信息，
-指示发电机向车载网络施加规定电压的信息，
-指示安全性部件未启动的信息，
-指示车载网络的充电网络得到满足的信息。
优选地，当以上所有条件出现以交替方式达到停止条件时，验证指示电能存储器的电量不足的信息。
更优选地，当以上所有条件和/或所有信息以交替方式出现达到停止条件时，验证指示达到对直流/直流变流器进行操控的已确定持续时间的信息。
优选地，当达到停止条件时，(通过逐渐降低直流/直流变流器的最大规定电流)停止所述直流/直流变流器的运行。
更优选地，调节所述最大规定电流来保证发电机总是向车载网络施加其规定电压。
在一个变型中，所述方法包括唤醒请求的预先步骤和睡眠请求的最终步骤。
本发明的目的还在于提供一种装备了电气架构的机动车辆，所述电气架构包括：电能存储器、车载网络、具有连续可调的规定电压的发电机、直流/直流变流器，所述直流/直流变流器包括连接到所述电能存储器的输入端以及连接到所述车载网络和所述发电机的输出端、允许操控直流/直流变流器和发电机的电流和电压的控制设备，其特征在于，所述控制设备被配置为用于实施根据本发明的方法。
附图说明
本发明的其它特征和优势通过阅读以下特定实施例的说明可以体现，所示附图仅为说明之用而绝非用于限制本发明，图中：
-图1是装备了用于实施本发明方法的电气架构的机动车辆的示意图。
-图2是本发明方法的流程图示意图。
-图3a示出安全性电气部件的启动信号，图3b示出在有(曲线32)和没有(曲线31)本发明方法时车载网络的电压安全性电气部件启动的情况下车载网络的电压变化。
-图4示出流程图实例，其中是更进一步的验证交流发电机施加规定电压给车载网络和相应地默认调节直流/直流变流器的最大规定电流。
具体实施方式
图1示出装备了电气架构2的机动车辆1，所述电气架构包括被供有直流电流的车载网络6。车载网络6集合安全性及非安全性电气部件，所述安全性及非安全性电气部件表现为车辆的负载，并且容许供电电压在一定范围内变化，例如车载网络被供电时该范围在10.5V至16V之间。一些主要电气部件被认为是安全性电气部件其功能障碍会影响到车上乘客的安全，这里可以列举出动力转向***，电子稳定***，安全防抱死***。这些安全性部件被称为高功耗部件因为它们需要可能高达1kW的较大电功率。其它电气部件如车辆外部照明也被认为是安全性部件但是不需要大功率。在被认为是非安全性的主要电气部件中，可以列举出例如车辆内部照明，车载电脑，空调机组。
电气架构2还包括具有连续可调的规定电压的发电机5，例如受控交流发电机5，当其运行时，其规定电压UconsAlt可固定在最小阈值例如12V和最大阈值例如15V之间。交流发电机5送出直流电流。为此，其包括整流设备。交流发电机5的规定电压被适配至车载网络6良好运行所需要的电压。交流发电机5直接与车载网络6连接。滤波电容9可以有利地与交流发电机5并联。优选地，从在成本与功率之间平衡的原因考虑交流发电机5生产电能的能力低于车载网络6需要的最大电能。
电气架构2还包括电能存储器例如超低电压的电池3，如所谓的12V铅蓄电池。电池3能够送出的电压取决于其电量状态。传统上，电池3能够送出的电压在当它为低电量状态，换句话说约为0％时的最小电压约为11.8V和在当它为高电量状态，对于12V的电池，接近100％时的最大电压约为12.8V之间。
电气架构2还包括直流/直流变流器4(本文中也被称为DC-DC变流器)，其允许由电池3为车载网络6供能。直流/直流变流器4包括输入端子E和输出端子S。输入端子E与电池3的正极P相连。电池3包括与地线M相连的负极N。电池3还可装备布置在负极N上能够测量其电量状态的装置8。车载网络6借助地线M连接在输出端子S和电池3的负极N之间。交流发电机5也借助地线M连接在输出端子S和电池3的负极N之间。
电气架构2还包括确保对直流/直流变流器4和交流发电机5的操控的控制设备7。
直流/直流变流器4能够至少根据下述运行模式来***控：
-通过(passant)模式：直流/直流变流器4作为闭合的开关。
-断开模式：直流/直流变流器4作为断开的开关。
-对于直流/直流变流器4中从输入端子E流向输出端子S的电流，输出端子S相对于输入端子E的升压或降压模式，这可以为车载网络6提供电流。
直流/直流变流器4可以是可逆的直流/直流变流器，这种情况下它也根据下述模式来***控：
-对于直流/直流变流器4中从输出端子S流向输入端子E的电流，输入端子E相对于输出端子S的升压或降压模式，这可以向电池输送电流为其充电。
这些运行模式能够自主地获得电池的标注电压，所述电池的标注电压等于或不等于车载网络的标注电压。
这些运行模式允许电气架构2的电能的优化管理。根据该新型的电气架构2的电能管理，由电池3和直流/直流变流器4构成的组件被用做电能发电机，作为车辆1中已经存在的交流发电机5的补充。车载网络6因此由两个独立的电源供电。
由电池3和直流/直流变流器4构成的组件作为第二发电机的好处在于能够通过利用存储在电池3中的电能来优化车载网络6的电能效率。该存储的电能的成本低于交流发电机5从热发动机提取的能量，因为其优选在发动机不消耗燃料的能量回收阶段回收能量。
交流发电机5是主要能量来源，在其产能范围内给车载网络6供能。为了提供车载网络6良好运行所需的电能而通常提取热发动机的扭矩。交流发电机5被用做由电流随电压调节的发电机(génerateur de courant réguléen tension)，也即是说所述交流发电机向车载网络6施加规定电压UconsAlt。
由电池3和直流/直流变流器4构成的组件是第二电能来源，它被用来暂时减少从热发动机提取的扭矩，从而减少燃料消耗。由电池3和直流/直流变流器4构成的组件被用做纯电流发电机，以便不向车载网络6施加电压。
更确切地，图2示出本发明方法的流程图，其中步骤100和110分别对应上述方法的输入和输出步骤。
在初始状态(步骤100)，车载网络6被供应车载网络6所需的电压，URdB，所述电压等于交流发电机5的规定电压UconsAlt。车载网络6被供应车载网络6中启动的电气部件所需的电流IRdB。直流/直流变流器4可处于以上所述模式中的任一个。
另外，可以设置唤醒请求的预先步骤101，在该步骤过程中询问需要启动程序，以及睡眠请求的最终步骤109，在该步骤过程中询问需要关闭程序。
步骤102中，确定车载网络6是否由于车载网络6的安全性电气部件的启动而趋于电压下降。优选地，在步骤102确定车载网络6是否由于大功率安全性电气部件的启动而趋于电压下降。事实上，如图3b中的曲线31所示，大功率安全性电气部件的启动会导致车载网络6上的电压急剧下降而单独的交流发电机5不能保障能够补偿车辆的电力需求：车载网络的电压水平下降到12V以下并在本示例中保持在12.5V以下。如果承认安全性电气部件的激活会自动导致车载网络的电压下降，则有效启动安全性电气部件的相关信息，即车载网络6是否趋于电压下降，可能就足够。有关于车载网络的最小电压URdB的信息可能会引起电力需求的降级运行甚至功能丧失。
在肯定的情况下，(从102步骤开始的“是”分支)，转到105步骤，在该步骤中确定直流/直流变流器4的最大规定电流Imax等于车载网络6所需的电流IRdb的一部分，直流/直流变流器4的输出端子S处的规定电压UconsDC大于发电机5的规定电压UconsAlt。发电机5的规定电压UconsAlt对应于车载网络6所需的电压URdB。
直流/直流变流器4的最大规定电流Imax是有限的，以便使电池3的电量状态维持能够保障车辆的所有电力需求。直流/直流变流器4的最大规定电流Imax总是小于被车载网络6消耗的电流IRdB。
为了简化直流/直流变流器4的规定电流Imax的管理，直流/直流变流器4的规定电流可以是静态定值，例如50％的最大电流可以供应给交流发电机5。作为一种更复杂的变型，可以设置动态的最大规定电流Imax，也即是说根据例如电池3的电量状态和/或车载网络6需要的电流等参数来调整最大规定电流Imax。
选择直流/直流变流器4输出端子S上的规定电压UconsDC大于由交流发电机5输出的规定电压UconsAlt，验证直流/直流变流器4被用做纯电流发电机而且车载网络6的电压由交流发电机5的规定电压供应。纯电流发电机是指提供恒定的电流无论电压值又称为规定电压UconsDC为多少，从没有达到因为规定电流Imax小于车载网络的消耗。
从步骤105转到步骤106，其中，通过操控直流/直流变流器4至已确定的最大规定电流Imax和规定电压UconsDC并且操控交流发电机5至电压UconsAlt，该电压等于车载网络所需的电压URdB，来使电池3向车载网络6放电。
图3b中，曲线32示出本发明方法的实施引起车载网络6的电压。在这种情况下，交流发电机5维持它的运行和直流/直流变流器4的启动与电池3一起提供补充的功率。此外直流/直流变流器4有很短的响应时间，通常低于1毫秒，能够更快地恢复交流发电机5与车载网络6的电压一样的规定电压的典型变化确保启动的电气需求。
步骤107中验证确定的控制直流/直流变流器4的停止条件达到。
优选地，确定的控制直流/直流变流器4的停止条件当验证到累计满足(或者说依赖于“与”逻辑)以下条件时达到：
-指示车载网络6的电压得到满足的信息，
-指示交流发电机5向车载网络6施加规定电压UconsDC的信息，交流发电机5还调节车载网络6的电压，
-指示安全性部件未启动的信息，
-指示车载网络6的充电网络得到满足的信息。这条信息被认为让人满意的尤其交流发电机5没有饱和时。
更优选地，确定的控制直流/直流变流器4的停止条件当交替满足(或者说依赖于“或”逻辑)上述所有条件时达到，验证：
-信息指示电池3的电量不足或者说低于临界阈值Sc。电能的临界阈值Sc与能够保障车辆的所有电能需求的维持在电池3中的电量有关，例如车辆在长期停止后的启动。电池3持有的电量可以通过例如代表物理量的测定知道，也即是电量图例如电池的电量状态。
更优选地，确定的控制直流/直流变流器4的停止条件当交替满足(或者说依赖于“或”逻辑)上述所有条件和/或上述信息时达到，验证
-信息指示达到确定期限对直流/直流变流器4的控制。
由此，尽管停止条件没有达到，进程还是继续。当停止条件达到时，转到步骤108，其中停止对直流/直流变流器4适用规定电流和电压。有好处地，为了避免由于组件停止运行而引起的新的电压下降和直流/直流变流器4的突变当停止对其适用规定值可能会过早地重启进程，停止直流/直流变流器4的运行通过逐渐减小它的最大规定电流Imax。
接着步骤102下来，在否的情况下，也即是说如果车载网络6没有由于车载网络6的一个安全性电气部件的启动而有电压下降的倾向，可以预先步骤103验证是否车载网络6有由于车载网络6的另一个电气部件的启动而有电压下降的倾向。其它的电气部件包含非安全性电气部件和必要的话如果没有在步骤102中经过验证的非安全性电气部件。这个验证尤其能够通过检测直流/直流变流器4在传递模式时的功能来实现在不考虑本发明方法的情况下预备控制直流/直流变流器4在传递模式以防靠近车载网络的电压下降使电能存储器3暂时支***流发电机5来给车载网络6供电。
在车载网络6有由于另一个电气部件的启动而有电压下降倾向的情况下(步骤103中的“是”分支)，转到步骤104其中验证车载网络6的电压是否低于临界阈值电压Uc。临界阈值电压Uc对应于不足以保障车辆电力需求的导致降级模式或甚至功能缺失的电压阈值。
在肯定的情况下，处于在直流/直流变流器在传递模式运行时不足以支***流发电机5来给车载网络6供电的情况下。于是有必要转到步骤105。
为了限制过早地转到步骤105，可以预备考虑过滤从步骤104转到步骤105的触发标准，除临界阈值电压Uc，临界期限Tc以外，其中车载网络6的电压需要低于临界阈值电压Uc，为了触发转到步骤105。
通过步骤103和104展示的这种措施更加经济地使用电流而且能够限制步骤105仅在实际需要时执行于是将在某种意义上优化电能。
在一种变型中，预备确保交流发电机5始终给车载网络6注入其规定电压UconsAlt的控制步骤106。在交流发电机5没有给给车载网络6注入其规定电压UconsAlt的情况下，直流/直流变流器4的最大规定电流Imax因此被修正。
这个变型在图4中通过流程图实例展示，其中步骤400和500分别对应于步骤106的输入和输出步骤。在步骤41中验证是否车载网络6的电压高于交流发电机5的规定电压UconsAlt。在否定的情况下，(从步骤41开始的“否”分支)转到使用直流/直流变流器4的确定的规定电流和电压的步骤44。在肯定的情况下，(从步骤41开始的“是”分支)在步骤42中验证是否交流发电机5产生基本为零的电流。在肯定的情况下，处于电池3和直流/直流变流器4构成的组件作为稳压电流发电机运行的情况，这是我们不希望的情况。在这种情况下，(从步骤42开始的“是”分支)，行进到步骤43来通过递减电流dI来减小最大规定电流Imax，在步骤44中确定的规定电流和电压使得交流发电机5重新变成给车载网络6施加电压的发电机。步骤42可以包含处理电流信息的预先步骤，以便过滤瞬时使电流为零的事件，例如交流发电机5规定电压的降低，但是并不能代表一种由电池3和直流/直流变流器4构成的组件作为稳压电流发电机运行以及避免过早转到步骤43的情况。
在一种变型中，交流发电机5能够被另一个连续可调的电压发电机取代，该发电机在最小规定电压和最大规定电压之间可调，为直流/直流变流器类型或甚至是交流起动机类型。
在另一种变型中，电能存储器还可以为电容或超级电容类型。
本发明方法能够减小电压下降的过渡阶段的持续时间并且比传统的电气架构更快地响应安全功能，尤其是大功率的安全功能启动。本发明的方法能够保障车辆的一个或多个安全性电气需求以及舒适性需求以及车载网络的质量，也即是保障这些电气组件的供应电压水平。
本发明还能够实现减少燃料和保障车辆电气需求之间的平衡。

Claims (10)

1.一种机动车辆(1)的电气架构(2)的电能管理方法，所述电气架构包括：电能存储器(3)、包含电气部件的车载网络(6)、具有连续可调的规定电压(UconsAlt)的发电机(5)、直流/直流变流器(4)，所述直流/直流变流器包括连接到所述电能存储器(3)的输入端(E)以及连接到所述车载网络(6)和所述发电机(5)的输出端(S)、允许操控直流/直流变流器(4)和发电机(5)的电流和电压的控制设备(7)，其特征在于：
-确定车载网络(6)是否由于车载网络的安全性电气部件的启动而趋于电压下降，
在肯定的情况下，
-确定直流/直流变流器(4)的最大规定电流(Imax)，所述最大规定电流等于车载网络(6)所需电流(IRdb)的一部分，确定直流/直流变流器(4)的输出端(S)处的规定电压(UconsDC)，所述直流/直流变流器的输出端处的规定电压大于发电机(5)输出的电压(UconsAlt)，
-在操控直流/直流变流器(4)的已确定停止条件没有达到时，通过操控直流/直流变流器(4)至已确定的最大规定电流(Imax)和规定电压(UconsDC)，并且操控发电机(5)至等于车载网络(6)所需电压(URdB)的规定电压(UconsAlt)，来使电能存储器(3)向车载网络(6)放电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在当车载网络(6)没有由于车载网络的一个安全性电气部件的启动而趋于电压下降时，确定所述车载网络(6)是否由于车载网络(6)的另一个电气部件的启动而趋于电压下降。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定车载网络(6)是否由于车载网络(6)的另一个电气部件的启动而趋于电压下降，验证直流/直流变流器(4)是否处于通过运行模式。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当以累计的方式达到停止条件时，验证以下所有条件：
-指示车载网络(6)的电压得到满足的信息，
-指示发电机(5)向车载网络(6)施加规定电压(UconsDC)的信息，
-指示安全性部件未启动的信息，
-指示车载网络(6)的充电网络得到满足的信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当以交替方式达到停止条件时，验证指示电能存储器(3)的电量不足的信息。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当以交替方式达到停止条件时，验证指示达到对直流/直流变流器(4)进行操控的已确定持续时间(T)的信息。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，当达到所述停止条件时，通过逐渐降低直流/直流变流器的最大规定电流(Imax)停止所述直流/直流变流器(4)的运行。
8.根据权利要求1、2、3、5和6中任一项所述的方法，其特征在于，调节所述最大规定电流(Imax)来保证发电机(5)总是向车载网络(6)施加其规定电压(UconsDC)。
9.根据权利要求1、2、3、5和6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括唤醒请求的预先步骤(101)和睡眠请求的最终步骤(109)。
10.一种装备了电气架构(2)的机动车辆(1)，所述电气架构包括：电能存储器(3)、车载网络(6)、具有连续可调的规定电压(UconsAlt)的发电机(5)、直流/直流变流器(4)，所述直流/直流变流器包括连接到所述电能存储器(3)的输入端(E)以及连接到所述车载网络(6)和所述发电机(5)的输出端(S)、允许操控直流/直流变流器(4)和发电机(5)的电流和电压的控制设备(7)，其特征在于，所述控制设备(7)被配置为用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。
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