CN105934362B - 车载电网和用于运行车载电网的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于机动车的车载电网，其具有用于至少一个低压负载的低压子电网和用于至少一个高压负载的高压子电网和起动器‑发电机，高压子电网通过耦合单元与低压子电网连接，车载电网具有蓄电池，蓄电池设置用于产生高电压并且输入到高压子电网中，并且蓄电池具有至少两个蓄电池单元，蓄电池单元具有单电压抽头，单电压抽头被引导到耦合单元，耦合单元设置用于提供至少一个第一运行状态和第二运行状态，在第一运行状态中，高压子电网由蓄电池的所有蓄电池单元供电并且低压子电网由一个蓄电池单元供电，并且在第二运行状态中，高压子电网由一个蓄电池单元供电并且低压子电网由至少一个蓄电池单元供电。此外还涉及车载电网运行方法及机动车。

Description

车载电网和用于运行车载电网的方法
技术领域
本发明涉及一种用于机动车的车载电网，以及一种具有所述车载电网的机动车。
背景技术
在具有内燃机的机动车中，车载电网设置用于给内燃机的电起动机或起动器以及机动车的其他电子装置供电，所述车载电网根据标准地以12伏运行。在内燃机起动时，通过车载电网由起动机蓄电池给起动机提供电压，当例如通过相应的启动信号使开关闭合时，所述起动机使内燃机起动。如果内燃机被起动，那么所述内燃机驱动发电机，所述发电机接着产生大约12伏的电压并且通过车载电网提供给车辆中的不同负载。在此，发电机也再次给通过起动过程而负荷的起动蓄电池充电。如果蓄电池经由车载电网来充电，那么实际的电压也可以超过额定电压、例如处于14V或者处于14.4V。具有12V或14V的车载电网在本公开文件的范围内也称为低压车载电网。
已知的是，在电动车和混合动力车中使用具有48V的额定电压的另外的车载电网，所述另外的车载电网在本发明中也称为高压车载电网。
发明内容
本发明提供一种用于机动车的车载电网，其中，车载电网具有用于至少一个低压负载的低压子电网和用于至少一个高压负载的高压子电网和起动器-发电机，其中，高压子电网经由耦合单元与低压子电网连接，所述耦合单元设置用于从高压子电网提取能量并且将能量输送到低压子电网，其中，高压子电网具有蓄电池，所述蓄电池设置用于产生高电压并且输入到高压子电网并且具有至少两个具有单电压抽头的蓄电池单元，所述单电压抽头被引导到耦合单元，其中，耦合单元设置用于提供至少一个第一运行状态和至少一个第二运行状态，其中，在第一运行状态中，高压子电网由蓄电池的所有蓄电池单元供电并且低压子电网由一个蓄电池单元供电，并且在第二运行状态中，高压子电网由一个蓄电池单元供电并且低压子电网由至少一个蓄电池单元供电。
本发明具有的优点是，即通过低压子电网可以使处于低的第一电压的低压负载运行，并且高压子电网、即具有相对于第一电压增高的电压的车载子电网被提供用于高压负载。低压子电网的供电是将高压子电网中的充电过程和放电过程进行叠加。通过高压子电网对低压子电网的供电在此单向地进行，也就是说，耦合单元优选地仅仅沿着一个方向提供能量切换。
车载电网可以不仅在静态应用中、例如在风力设备中而且在车辆中、例如在混合动力车和电动车中使用。车载电网特别是可以使用在具有起停(Start-Stop)***的车辆中。
所述***、即车载电网和对应的控制单元、例如蓄电池管理***特别是适用于使用在具有48伏发电机和14伏起动机的车辆中，其中，14伏起动机优选地设计用于起停***。
所述***特别是适用于使用在具有助力回收*** (Boost-Rekuperationssystem，BRS)的车辆中。在助力回收*** (BRS)中，电能在制动过程中、在下坡行驶中或者在滑行运行中被获得，以便由此给负载供电。BRS提高了***的效率，从而可以节省燃料或者可以减少废气排放。在此，高压子电网中的蓄电池可以支持内燃机，这称为所谓的助力(Boost)，或者在低的速度下用于短的路程甚至用于纯电动行驶，例如在电动地停车和驶出停车场时被使用。
概念“蓄电池”和“蓄电池单元”在本说明书中调整通常的语言惯用法地被用作蓄能池或者蓄能池单元。蓄电池包括一个或多个蓄电池单元，所述蓄电池单元可以称为单体蓄电池、蓄电池模块、模块组或蓄电池组。在此，单体蓄电池优选地空间上组合并且电路技术上彼此连接、例如串联或并联连接成模块。因此，多个模块可以构成所谓的蓄电池直接换流器(BDC，battery direct converter)，多个蓄电池直接换流器构成蓄电池直接逆变器(BDI，battery direct inverter)。
在独立权利要求中给出的内容的有利的进一步方案和改进方案通过从从属权利要求中执行的措施实现。
因此有利的是，选择性地接通的蓄电池单元分别设计用于提供低压。蓄电池单元由此可以交替地被要求用于提供低压，例如以便支持起停***，这导致提高了蓄电池单元的使用寿命。
根据一个优选的实施方式，耦合单元具有至少一个能反向截止的开关。能反向截止的开关优选地适用于接通和断开一个至低压子电网的可选择性接通的蓄电池单元。所述开关具有下述的特性，即所述开关在“接通”状态中实现仅仅沿着一个方向的电流并且在“断开”状态中可以在两极上获得截止电压。
在接通至低压子电网的蓄电池单元时，优选地至少一个能反向截止的开关、特别优选地两个能反向截止的开关***控。在断开至低压子电网的蓄电池单元时，优选地至少一个能反向截止的开关、特别优选地两个能反向截止的开关同样***控。
根据一个优选的实施方式，耦合单元具有至少一个能正向截止的开关。能正向截止的开关优选地适用于使可选择性接通的蓄电池单元串联连接。优选地设置，在断开两个蓄电池单元之间的线路时，至少一个能正向截止的开关***控。同样优选地设置，在使两个蓄电池单元之间的线路连接时，至少一个能正向截止的开关***控。
根据一个优选的实施方式，耦合单元设置用于使至少两个蓄电池单元关于低压子电网彼此并联连接。特别优选地在第二运行状态中，使至少两个、优选地所有蓄电池单元关于低压子电网彼此并联连接。由此实现了，在两个蓄电池单元的充电状态不同的情况下，低压子电网由具有较高的充电状态或者提供较高的电压的那一个蓄电池单元进行供电。在两个蓄电池单元的充电状态相同或相似的情况下，低压子电网由这两个蓄电池单元供电。
根据一个优选的实施方式，耦合单元设置用于使至少两个蓄电池单元关于高压子电网串联连接、特别是彼此串联连接。特别优选地在第一运行状态中使至少两个蓄电池单元关于高压子电网串联连接。
附加地可以设置，低压子电网具有至少一个电容器。电容器优选地设置用于在变换被接通的蓄电池单元时稳定低压。此外，电容器优选地也适合作为蓄能器，所述蓄能器设置用于至少暂时地产生电压并且馈送到低压子电网中。
当在车载电网电流尽可能小的时间点上进行切换时，可以进一步有利地减少低压子电网中的电压扰动。这可以例如通过分析用于车载电网电流的信号并且根据所述信号控制耦合单元的开关来实现。此外，也可以实现与负载管理***同步，以便暂时在不使舒适性受损的情况下断开高压负载、例如加热***，以便在无值得注意的电压扰动的情况下实现蓄电池单元的切换过程。
耦合单元优选地设置用于提供至少一个另外的运行状态，其中，在所述另外的运行状态中，高压子电网由多个、特别是两个、三个或四个蓄电池单元供电并且低压子电网由多个、特别是两个、三个或四个并联的蓄电池单元供电。
车载电网优选地具有用于控制耦合单元的控制单元以接通蓄电池单元。控制单元可以例如分配给蓄电池管理***，所述蓄电池管理***分配给蓄电池，所述蓄电池管理***例如包括另外的单元，所述另外的单元设置用于检测和处理关于温度的测量数据、所提供的电压、输出的电流和蓄电池或蓄电池单元的充电状态，并且由此例如得出关于蓄电池健康状态的信息。用于控制耦合单元的控制单元可以具有计算机程序，所述计算机程序执行根据本发明的方法中的一个。
此外，根据本发明提出一种具有内燃机和前述任一个车载电网的机动车。
在根据本发明的用于运行前述任一个车载电网的方法中，根据机动车的运行阶段对耦合单元进行控制以设定第一运行状态和第二运行状态。
第一运行阶段是停止的车辆或停泊的车辆，和/或第二运行阶段是机动车起动，和/或第三运行阶段是机动车的起停运行，和/或第四运行阶段是机动车的行驶运行。
优选地，第二运行状态在第一运行阶段中、即在车辆停止或停泊时被调节。
优选地实现在第二运行阶段中使多个、优选地所有蓄电池单元关于高压子电网串联连接。第二运行阶段可以特别是机动车的起动状态，例如也是机动车的冷起动状态，其中，后者所述的冷起动状态可以通过确定的持续时间的结束来确定，例如在10分钟、20分钟、 1小时、2小时、12小时或24小时结束之后来确定。
优选地实现在第四运行阶段中、即在机动车行驶运行时使多个、优选地所有蓄电池单元关于高压子电网串联连接。
优选地，第三运行阶段包括起动运行状态和停止状态。优选地，在起动运行状态中根据在第二阶段中的设定来选择设定，并且在停止运行状态中根据在第一阶段中的设定来选择设定。
优选地，下述的蓄电池单元用于给低压子电网供电，该蓄电池单元在给定的时间点上具有最高的充电状态。也特别优选的是，在第一运行状态中实现低压子电网由具有最高充电状态的蓄电池单元供电。在研究用于具有蓄电池单元的所述串联电路的车载电网的最优运行策略时进行下述考虑。在此从以下出发，在相同程度老化的单体蓄电池中，单体蓄电池的内电阻和容量在相同的参考条件下、即在基本上相同的温度和相同的充电状态下是几乎相同的。
最大可输出功率在相同程度老化的单体蓄电池中由那个具有最小充电状态的单体蓄电池来限定。
最大可提取能量在相同程度老化的单体蓄电池中由具有最小充电状态的单体蓄电池来限定。
充电过程中的最大允许功率在相同程度老化的单体蓄电池中由具有最高充电状态的单体蓄电池来限定。
最大可供应能量在相同程度老化的单体蓄电池中由具有最高充电状态的单体蓄电池来限定。
因为蓄电池***在助力回收***中应该能够在制动过程中随时储存尽可能多的能量，并且同时应该能够尽可能好地支持助力过程，所以可以得出下述的要求，即蓄电池单元和位于其中的单体蓄电池应该都尽可能具有相同的充电状态，以便尽可能好地实现所提出的要求。
除了用于高压子电网的要求以外，对所述***也提出用于在低压子电网中的起动过程的要求。为了借助于由高功率蓄能器和蓄电池构成的组合尽可能好地满足所述要求，在给定的时间点上具有最高充电状态的蓄电池单元优选地用于给低压子电网供电。
对于选择耦合单元的开关状态方面的要求可以通过利用下述的运行策略来实现：给低压子电网的供电始终由当前具有最高充电状态的蓄电池单元来实现。因为给低压子电网的低压子电网被叠加到高压子电网中的充电和放电过程并且低压子电网供电单向地进行，所以通过所述选择规则确保了，具有最高充电状态的蓄电池单元比其他蓄电池单元更快地放电或者更慢地充电。这导致使蓄电池单元的充电状态平衡。
为了在蓄电池单元相同的充电状态中不设置从一个蓄电池单元非常快地变换到下一个蓄电池单元，引入用于充电状态的差Δ SOCumschalt的阀值、例如具有0.5％和20％之间、优选地1％和5％之间、特别优选地大约2％的限定的值的差ΔSOCumschalt，该阀值必须被超过，以便给低压子电网的供电从一个蓄电池单元变换到下述的蓄电池单元，该蓄电池单元与当前用于给低压子电网供电的蓄电池单元相比具有相应的较高的充电状态。供电时的切换始终在当前具有最高充电状态的蓄电池单元上进行，并且即使当此时用于给低压子电网供电而接通的蓄电池单元具有一个下述的充电状态，所述充电状态比具有最高充电状态的那个蓄电池单元的充电状态低至少Δ SOCumschalt时，也可以进行所述切换。
本发明的优点
本发明提供一种具有用于机动车的锂离子蓄电池***的成本低廉的车载电网，所述车载电网具有高压子电网、低压子电网和具有给低压子电网单向供电的助力回收***。在此，与公知的***相比取消了电位分开的直流电压转换器(DC/DC转换器)以及铅酸蓄电池。此外，在低压子电网中不需要单独的起动器。因此，所述***的特点在于与当前处于发展中的BRS***相比减小的体积和减少的重量。此外，助力回收***可以在适当的设计中与当前处于发展中的BRS***相比储存明显更多的能量并且由此在较长的制动过程或者下坡时重新利用***中的电能。
根据本发明的用于选择耦合单元的开关状态的规则实现了，即蓄电池在车载电网的不同运行状态中能够以最优的方式实现所需的目的。特别是确保了给低压子电网供电。在此，所述供电尽可能不间断地、即尽可能无电压扰动地进行。如果在耦合单元的切换阶段期间暂时不能不间断地给低压子电网供电，那么尽管如此低压子电网中的电压扰动被限制在可容许公差的值上。此外，蓄电池也在较长的停止时间中提供足够的电能。蓄电池也可以在起停运行的停阶段期间给高压负载供电。
此外，确保了给高压子电网供电，也就是说，蓄电池对于所需的运行状态基本上不间断地给高压子电网提供电能。在储存电能方面最优化是指，即可以在制动过程中重新利用尽可能多的电能，并且蓄电池在此能够以尽可能高的功率来充电。在提供电能方面最优化是指，即蓄电池通过提供具有所需电压和功率的电能实现起动过程，并且可以为助力运行提供尽可能多的电能。
附图说明
本说明的实施例在附图中示出并且在下述的说明中来详细说明。附图中：
图1示出根据现有技术的低压车载电网，
图2示出具有高压子电网和低压子电网和单向的、电位分开的直流电压转换器的车载电网，
图3示出具有高压子电网和低压子电网和双向的、电位分开的直流电压转换器的车载电网，
图4示出具有高压子电网和低压子电网和单向的、未电隔离的直流电压转换器的车载电网，
图5示出了在一个示例性的运行状态中的耦合单元，
图6示出了在一个另外的示例性的运行状态中的出自图5的耦合单元，
图7示出了在一个另外的示例性的运行状态中的出自图5的耦合单元，
图8示出了在一个另外的示例性的运行状态中的出自图5的耦合单元，
图9示出了可反向截止的和可正向截止的开关，
图10示出了根据运行阶段调节运行状态，
图11示出了在第一运行阶段中的运行状态及其特性，
图12示出了在第二运行阶段中的运行状态及其特性，
图13示出了在第三运行阶段中的运行状态及其特性，
图14示出了在第四运行阶段中的运行状态及其特性。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的车载电网1。在内燃机起动时，通过车载电网1由起动器蓄电池10给起动器11提供电压，当例如通过相应的起动器信号接通开关12时，所述起动器将内燃机(未示出)起动。如果内燃机被起动，所述内燃机驱动发电机13，所述发电机接着产生大约12伏的电压并且通过车载电网1提供给机动车中的不同的负载14。在此，发电机13也再次给通过起动过程而负荷的起动蓄电池充电。
图2示出具有高压子电网20和低压子电网21和单向的、电位分开的直流电压转换器22的车载电网1，所述直流电压转换器构成高压子电网和低压子电网之间的耦合单元。车载电网1可以车辆、特别是机动车、运输车辆或叉车的车载电网。
高压子电网20例如是具有发电机23的48伏车载电网，所述发电机能够由内燃机(未示出)驱动。发电机23在所述实施例中构造为根据车辆的发动机的旋转运动产生电能并且输入到高压子电网20 中。此外，高压子电网20包括蓄电池24，所述蓄电池可以例如构造为锂离子蓄电池，并且所述蓄电池设置用于将所需的运行电压输入到高压子电网20中。在高压子电网20中布置另外的负载电阻，所述负载电阻可以例如由机动车的至少一个、优选地多个高压负载25 构成，所述高压负载利用高压来驱动。
起动器26以及蓄能器28位于布置在直流电压转换器22的输出侧上的低压子电网21中，起动器设置用于接通开关27以便使内燃机起动，所述蓄能器设置用于为低压子电网21提供例如14伏高的低压。在低压子电网21中布置另外的低压负载29，所述低压负载利用低压来驱动。蓄能器28例如包括直流单体蓄电池、特别是下述铅酸蓄电池，所述铅酸蓄电池在完全充电的状态(充电状态， SOC＝100％)中通常具有12.8伏的电压、在蓄电池放电(充电状态， SOC＝0％)的情况下，蓄能器28无负载地具有典型地10.8伏的端电压。低压子电网21中的车载电网电压在行驶运行中根据蓄能器28 的温度和充电状态处于大约10.8伏和15伏之间的范围内。
直流电压转换器22在输入侧与高压子电网20并且与发电机23 连接。直流电压转换器22在输出侧与低压子电网21连接。直流电压转换器22构造用于接收输入侧上所接收的直流电压、例如使高压子电网运行的例如12和48伏之间的直流电压并且产生不同于输入侧上所接收的直流电压的输出电压，特别是产生小于输入侧上所接收的直流电压的例如12V或14V的输出电压。
图3示出具有高压子电网20和低压子电网21的车载电网1，所述高压子电网和低压子电网通过双向的电位分开的直流电压转换器 31连接。所示的车载电网1基本上如同图2中所示的车载电网那样地构造，其中，发电机连接在高压子电网中，并且直流电压转换器31用于车载子电网20，21之间的能量转换，所述直流电压转换器构造为电位分开的。如同参考图2所述的那样，此外在两个子电网20， 21中布置负载25，29。图3中所示的***的不同之处基本上在于起动器的连接。在图2中所示的***中，起动器26布置在低压子电网 21中，并且由此直流电压转换器22可以设计用于单向地从高压子电网20将能量输送到低压子电网21中，而在图3中所示的结构中，起动器发电机30使用在高压子电网20中。在所述情况中，直流电压转换器31构造为双向的，从而蓄电池24必要时可以通过低压子电网21来充电。
图4示出具有高压子电网20和低压子电网21的车载电网1、例如车辆、特别是机动车、运输车或叉车的车载电网1。车载电网1 特别是适用于使用在具有48伏发电机、14伏起动器和助力回收***的车辆中。
高压子电网20包括起动器发电机30，所述起动器发电机可以使内燃机起动(未示出)起动并且能够由所述内燃机驱动。起动器发电机30构造用于根据车辆的发动机的旋转运动产生电能并且输入到高压子电网20中。负载电阻布置在高压子电网20中，所述负载电阻可以例如由机动车的至少一个、优选地多个高压负载25构成，所述负载以高压运行。
此外，高压子电网20包括蓄电池40，所述蓄电池可以构造为锂离子蓄电池，并且所述蓄电池设置用于将48伏的运行电压输送给高压子电网20。锂离子蓄电池40在48伏的额定电压下优选地具有大约15Ah的最小容量，以便可以储存所需的电能。
蓄电池40具有多个蓄电池单元41-1，41-2，...41-n，其中，给蓄电池单元41分配多个单体蓄电池，所述单体蓄电池通常串联连接并且部分附加地并联连接，以便利用蓄电池40实现所要求的功率数据和能量数据。各个单体蓄电池例如示出具有2.8至4.2伏的电压范围的锂离子蓄电池。
给蓄电池单元41-1，41-2，...41-n分配单电压抽头80-11，80-12， 80-21，80-22，...80-n1，80-n2，通过所述单电压抽头供应耦合单元 33的电压。耦合单元33设置用于将蓄电池40的蓄电池单元41中的至少一个连接到低压子电网21上以驱动或支持所述低压子电网，并且适合关于高压子电网20连接该蓄电池单元。
耦合单元33使高压子电网20与低压子电网21耦合并且在输出侧将所需的运行电压、例如12V或14V提供给低压子电网21。耦合单元33的结构和功能原理参考图5至7来说明。
低压子电网21包括低压负载29，所述低压负载例如设计用于在 14V下运行。根据实施方式设置，锂离子蓄电池40承担在车辆停止时给表示为负载25，29的静止电流负载供电。例如可以设置，在此实现所谓的机场测试的要求，其中，在六周的停车时间之后还能够使车辆起动，其中，蓄电池在停车时间期间将静止电流提供给低压子电网21中的低压负载29，以便例如为防盗警报装置供电。
在低压子电网21中可选地布置一个蓄能器28，所述蓄能器可以暂时地输出非常高的功率，即优化为最高效率并且用作缓冲存储器。蓄能器28实现了下述目的，即进一步避免了在切换蓄电池单元41 时的过压。如果电容器用作蓄能器28，那么其大小优选地确定为：
其中，Imax是在切换过程期间可以在车载电网中流动的最大车载电网电流，tumschalt是没有蓄电池单元41用于供电的持续时间，并且ΔUmax是车载电网电压在切换过程期间的最大允许改变量。
图5示出耦合单元33，所述耦合单元构造为单向的、不电隔离的直流电压转换器(DC/DC转换器)。耦合单元33包括可反向截止的开关44，45，该开关具有下述的特性，即该开关在“接通”的状态中实现在一个方向的电流流动并且在“断开”的第二状态中可以在两极上获得截止电压。这是与简单的半导体开关、例如IGBT开关基本上不同之处，因为所述半导体开关在反向方向上由于其固有的二极管而不能获得截止电压。由于根据电流方向，在图5中设置两个不同的开关类型、即RSS_I 45和RSS_r 44，所述开关类型在其制造上不是必须不同的，而是构造为仅仅具有不同的极性。对于可反向截止的开关44，45的详细结构的实例参考图9来说明。
在耦合单元 33中，蓄电池单元41的单电压抽头80被分别引导到所述不同的可反向截止的开关RSS_I 45和RSS_r 44中的一个。可反向截止的开关RSS_I 45在耦合单元 33的输出侧与正极52连接，并且可反向截止的开关RSS_r 44在耦合单元 33的输出侧与负极51 连接。
耦合单元 33包括可正向截止的开关VSS 90，该开关可以例如是标准半导体开关。对于可正向截止的开关90的详细结构的实例参考图9来说明。在耦合单元 33中，蓄电池单元41的单抽头被分接并且与可反向截止的开关并联地分别被引导到一个可正向截止的开关 VSS 90。如果可正向截止的开关VSS 90接通，那么可正向截止的开关VSS 90使蓄电池单元41彼此串联。在此，在各两个蓄电池单元 41之间布置一个可正向截止的开关VSS 90，从而在n个蓄电池单元 41中设置n-1个可正向截止的开关VSS 90-1，VSS 90-2，…VSS 90-n-1。
以附图标记73示出用于给高压子电网供电的通过蓄电池单元41 的电流路径。所有的可正向截止的开关90在此被接通。根据一个实施方式，车载电网或控制***设置为，仅仅当所有的可正向截止的开关90接通时，蓄电池40才能将能量供应给起动器发电机30。为了给蓄电池40充电，不必强制地接通可正向截止的开关90，因为可正向截止的开关90的固有的二极管可以引导充电电流。当不进行用于给低压子电网21供电的并联运行，以便减小可正向截止的开关90 内部的损耗功率时，可正向截止的开关90则优选地始终被接通。
此外，可正向截止的开关90的使用实现了两个或更多个蓄电池单元41并联连接以用于给低压子电网21供电。在所述情况中，相关的可正向截止的开关90如参考图8所述地被控制在“断开”的状态中。在并联的蓄电池单元41的不同电压水平下实现了仅仅由具有较高电压水平的蓄电池单元41使能量流到低压子电网21。从具有较高电压电位的蓄电池单元41向具有较低电压电位的蓄电池单元41 中的能量流通过可反向截止的开关44，45来阻止，所述可反向截止的开关分配给具有较小电压的蓄电池单元41。在蓄电池单元41并联期间，可正向截止的开关90被断开，并且发电机理想地不将能量输入到高压子电网20中。
图6示出例如由蓄电池单元41-2通过接通的可反向截止的开关 RSS_I 45-i，RSS_r 44-i给低压子电网21供电。在此，电流路径71 从正极52经过一个可反向截止的开关RSS_I 45-i经过接通的第二蓄电池单元41-2经过另一个的可反向截止的开关RSS_r 44-i被引导至负极51。在此，其他的可反向截止的开关44，45被断开。
高压子电网20关于低压子电网21的接地线的电压电位与哪个或哪些蓄电池单元41被接通有关。然而，在任何运行状态下电势中的一个不具有超过高压和低压的总和的值，也就是说，在48伏电网和14伏电网的情况下超过62伏。然而可以产生关于低压子电网21 的接地线的负电势。
起动器发电机30的运行与耦合单元33的运行和给低压子电网 21供电无关。在接通的给低压子电网21供电的蓄电池单元41中，通过低压子电网电流和由起动器发电机30输入到整个蓄电池40中的充电电流(发电机运行)或者通过从整个蓄电池40提取的放电电流(发动机运行)实现叠加。如果不超过单体蓄电池的允许极限、例如单体蓄电池的最大允许放电电流，则所述过程视为彼此无关。为了可靠地给低压子电网21供电，所述蓄电池单元41中的至少一个始终通过耦合装置33的对应的开关44，45，90接通。基于多次冗余地给低压子电网21供电，利用前述的结构构造***，所述***具有在低压子电网21中非常高的电能可支配性。
图7示出例如由蓄电池单元41-1，41-2通过接通的可反向截止的开关RSS_I 45-i，RSS_I 45-j，RSS_r 44-i，RSS_r 44-j给低压子电网21供电。在此，第一电流路径71从正极52经过可反向截止的开关RSS_I 45-i经过第二蓄电池单元41-2并且经过另外的可反向截止的开关RSS_r 44-i被引导至负极51。此外，另一个电流路径71从正极52经过可反向截止的开关RSS_I 45-j经过接通的第一蓄电池单元 41-1经过另外的可反向截止的开关RSS_r44-j被引导至负极51。
图8示出例如由蓄电池单元41-1，41-2通过接通的可反向截止的开关RSS_I 45-i，RSS_I 45-j，RSS_r 44-i，RSS_r 44-j和打开的可正向截止的开关VSS 90-1给低压子电网21供电，该可正向截止的开关位于蓄电池单元41-1，41-2之间。第一电流路径72从正极52经过可反向截止的开关RSS_I 45-i经过第一蓄电池单元41-1并且经过另外的可反向截止的开关RSS_r 44-j被引导至负极51。此外，另一个电流路径71从正极52经过可反向截止的开关RSS_I 45-j经过接通的第二蓄电池单元41-2经过另外的可反向截止的开关RSS_r 44-i被引导至负极51。当可正向截止的开关VSS 90-1被打开时，第一蓄电池单元41-1和第二蓄电池单元41-2关于低压子电网并联。在此，蓄电池单元41-1的正极被高欧姆地电接通。
对于应该通过不间断地给高压子电网20供电来实现切换蓄电池单元41的情况，可正向截止的开关90必须保持接通。因此，给出第一切换方法，其中，在第一步骤a)中，分配给被接通的蓄电池单元41的可反向截止的开关44，45被断开。在第二步骤b)中接着实现了通过延迟将待接通的蓄电池单元41接通至低压子电网21，所述延迟的持续时间基本上与所使用的开关44，45的特性有关。
当例如在图7中应该从蓄电池单元 41-2切换到41-1上时，分配给首先引导电流的蓄电池单元 41-2的可反向截止的开关45-j，44-i被断开，并且另外的可反向截止的开关45-i，44-j被接通。如果耦合单元33 同步地获得用于开关45-i，45-j，44-i，44-j的切换指令，则基于可反向截止的开关的功能方式，低压子电网的正极52在功率开关的接通阶段期间与两个蓄电池单元的较高的电势连接，并且负极51在接通阶段期间与两个蓄电池单元的较低的电势连接。因此能够短暂地将与低压子电网的规格相比基本上较高的电压施加到低压子电网21 上。在图7中的实例中，由于串联的蓄电池单元41短暂地将蓄电池单元41-1，41-2的部分电压的总和提供给低压子电网21。为了避免所述过压，在耦合装置33进行切换时采取下述方式：
-这样进行切换，以使得当前导电的蓄电池单元、在所示的实例中为蓄电池单元41-2的可反向截止的开关44-i，45-j首先被断开，并且在使目前为止导电的蓄电池单元41-2不再导电之后，使应承担给低压子电网21供电的蓄电池单元41-1的可反向截止的开关44-j，45-i接通。所述的原理也称为“先断后通(Break-before-Make)”。
断开和接通之间的延迟是需要的，因为否则低压子电网21中的电压在所有开关过程中的过渡阶段期间会升高到不允许的高数值，在图7中所示的情况中，升高到蓄电池单元41-1和41-2的电压的总和、即两倍的数值。当耦合装置33以延迟时间被接通，然而这意味着，低压子电网21的供电短暂地中断。为了避免不允许的电压干扰，根据一些时候方式借助于蓄能器28进行缓冲。如果电容器用作蓄能器28，则优选地例如参考图4说明对所述电容器的确定尺寸。
当所述切换在使车载电网电流尽可能小的时间点上进行时，低压子电网21的电压干扰可以进一步有利地减小。这可以例如通过分析用于车载电网电流的信号或者用于与所述车载电网电流相关地对耦合单元的开关的控制的信号来实现。此外，也可以实现与负载管理***同步，以便短暂地在不使舒适性受损的情况下断开高压负载、例如供热***，以便在没有额定的电压干扰的情况下实现蓄电池单元的切换过程。
对于给低压子电网21的供电不应中断的其他情况，设置一个另外的切换方法，其中，在第一步骤c)中，所有可正向截止的开关 90的被断开。起动器发电机30在切换阶段中不将能量输入到高压子电网中并且也不在助力运行中工作。在第二步骤d)中通过延迟将对应的待接通的蓄电池单元或蓄电池单元41接通，所述延迟的持续时间基本上与所使用的开关的特性有关。在可选的第三步骤(e)中实现了，如果设置变换接通到低压子电网21的蓄电池单元41，则接通的第一蓄电池单元41-1从低压子电网21断开。在此，所述变换也可以在不直接相邻的蓄电池单元41之间进行。在第四步骤d)中，可正向截止的开关90又被接通。在再次建立连接之后，结束两个蓄电池单元的并联或者从第一蓄电池单元向第二蓄电池单元的切换，而不使给低压子电网21的供电中断。
切换方法的选择与控制***有关，例如与应该给哪个子电网优先供电有关。作为另外的可能性可以设置，在高压子电网中不需要蓄电池的全部功率或全部电压的运行阶段中，过渡到具有降低的电压的运行中。然后可以利用耦合单元33实现不间断地给低压子电网供电。
图9示出可反向截止的开关44，45和可正向截止的开关90的可能的结构。在此，开关的通流方向以I给出。可反向截止的开关 RSS_r 44例如包括IGBT、MOSFET或双极晶体管101和与所述双极晶体管串联的二极管103。在图9中示出MOSFET，其具有同样示出的固有的二极管102。与MOSFET 101串联的二极管103与 MOSFET 101的固有的二极管102的方向相反地布置极。可反向截止的开关RSS_r 44使电流沿着通流方向I流过并且沿着相反方向被截止。可反向截止的开关RSS_I 45相应于RSS_r 44，仅仅以相反的极性构造，从而调换了通流方向和截止方向。可正向截止的开关90 包括IGBT、MOSFET或双极晶体管101，其中，所述双极晶体管的固有的二极管102同样地示出。开关RSS_I 45、RSS_r 44和VSS 90 的特别之处尤其也在于在开关过程中几乎无明显的延迟，也就是说，允许非常短的切换持续时间。通过适合的控制电路可以非常准确地调节开关断开和接通之间的延迟时间。
图10示出根据不同的运行阶段调节开关状态。在图10中示出四个不同的运行阶段102，103，104，105，对所述运行阶段的探测或调节导致耦合装置的开关状态的切换101。第一运行阶段102是***的被动状态、例如停止的车辆或者停驻的车辆。第二运行阶段103 是***的起动阶段、例如机动车起动。第三运行阶段104是***的起停阶段、例如机动车的起停运行。第四运行阶段105是***的激活状态、例如车辆的行驶运行。
根据图10至14的蓄电池例如包括四个蓄电池单元，所述蓄电池单元可以分别给高压子电网提供12V的电压。在此，耦合单元设置用于至少提供下述的运行状态：
表格示出蓄电池的结构，所述结构可以通过耦合装置调整。XsYp 是指X个单体蓄电池串联连接并且Y个单体蓄电池并联连接。例如 2s1p是指两个蓄电池单元的串联电路，并且1s2p是两个蓄电池单元的并联电路。
图11示出在第一运行阶段102中、即在车辆停止时的蓄电池***的结构。
第一结构110是1s4p，也就是说，一个蓄电池单元接通到高压子电网，并且所有、即四个蓄电池单元关于低压子电网并联。所述结构在第一运行阶段102中是优选的。当高压子电网的静止运行通过可仅仅由一个蓄电池单元提供的电压实现时，则所述结构被设定。在结构110中实现了将由一个蓄电池单元提供的能量供应114给高压子电网。附加地可以实现使这些蓄电池单元平衡115，也就是说，平衡各个蓄电池单元的充电。在蓄电池单元并连成1s4p结构110时，实现了自动地使具有最高充电状态的蓄电池单元放电，并且所述结构适应于使这些蓄电池单元平衡。
在第二结构111 、即2s1p+1s2p中，其中，在两个相邻的蓄电池单元之间的一个可正向截止的开关被断开，所述蓄电池单元的四个可反向截止的开关被接通，实现了以降低的电压、在此以一半的高压给高压子电网供电116。所述蓄电池单元的平衡117通过在给低压子电网的供电中进行变换来实现。在变换蓄电池单元时能够不中断地给低压子电网的供电118。
在第三结构112、即1s1p+1s3p中，其中，在三个相邻的蓄电池单元之间的两个可正向截止的开关被断开，并且所述蓄电池单元的六个可反向截止的开关被接通，实现了以降低的电压、在此以四分之三的高压给高压子电网供电119 。所述蓄电池单元的平衡120通过在给低压子电网的供电121中进行变换来实现。在此能够不中断地给低压子电网的供电121。
当虽然能够以降低的电压给高压子电网供电，但是所述电压必须高于可由一个蓄电池单元提供的低压时，则优选地设定第二或第三结构111，112。在除了第一结构110以外的所有结构中，蓄电池单元的平衡通过变换下述的蓄电池单元进行，该蓄电池单元被引入给低压子电网供电。所述变换可以或者通过短暂地中断由一个蓄电池单元给低压子电网的直接供电并且由此通过用于缓冲车载电网的措施、例如借助于电容器来实现，或者通过不中断地给低压子电网供电来实现。然而在后者所述的情况中在切换阶段中必须接受的是，高压子电网中的电压被暂时限制，例如限制到三分之二。
如果应该在第一运行阶段102中以高压给高压子电网供电，则可以设定第四结构113、即4s1p。在所述的结构中，实现了以蓄电池单元的电压总和给给高压子电网供电122，附加地可以通过在给低压子电网的供电中进行变换实现使蓄电池单元平衡123。由一个唯一的蓄电池单元实现给低压子电网供电124。在变换被接通的蓄电池单元时，中断地给低压子电网进行供电124，或者干扰了高压供电122。
在第四结构113中在停止阶段期间由具有最高充电状态的蓄电池单元实现给低压子电网供电。通过所述选择规则确保了，使具有最高充电状态的蓄电池单元比其他蓄电池单元更快地放电。
在图12中示出在第二运行阶段103、例如机动车的起动中对开关状态的设定。为了使***在高压子电网一侧可以输出所述***的最大可能功率，所述蓄电池单元串联成结构120，也就是说，在所述实例中以四个蓄电池单元串联成4s1p。由此实现了以蓄电池的最大可能功率给高压子电网供电121，由具有最大充电状态(state of charge，SOC)的蓄电池单元给低压子电网供电122。在此，选择具有最大充电状态的蓄电池单元。此外，实现了对蓄电池单元的SOC- 差进行优化。
图13示出用于第三运行状态104、例如起停运行的蓄电池***的结构。第三运行状态104具有停止运行131和起动运行132。在停止运行131中适用于对第一运行阶段102相同的说明，所述说明参考图11被描述。因此，对蓄电池***的结构的选择优选地根据相同的标准实现。如果高压子电网在停止运行131中以低压可以是足够的，则优选地设定结构1s4p。给高压负载供电133通过由一个蓄电池单元提供的功率实现。给低压负载供电134由具有最大SOC的蓄电池单元实现。此外，实现了对蓄电池单元的SOC差进行优化135 并且关于获得用于起动的实际功率进行优化136。为了接着的起动运行，变换到结构132。在此，实现了输出137用于通过蓄电池起动的最大功率，由具有最大SOC的蓄电池单元给低压子电网供电138并且对蓄电池单元的SOC差进行优化139。
图14示出在第四运行阶段105、例如在行驶状态中的蓄电池***的结构。第四运行阶段105具有助力运行状态141和回收运行状态142，以及下述的运行状态143，在该运行状态中，起动器发电机不将能量输入到车载电网中，以及下述的运行状态144，在该运行状态中，起动器发电机仅仅将少的、例如低于12V或低于24V的电能输入到车载电网中。
在助力运行状态141中，蓄电池***应该将尽可能高的功率输送到起动器发电机上，并且在回收运行状态142中能够以尽可能高的功率充电。在所述两个运行方式141，142中附加地应该可以提供或者接收尽可能多的能量。因此，在所述两个运行方式141，142 中设定结构4s1p。在助力运行状态141中，在此实现了通过蓄电池输出145对于助力最大的功率，由具有最大SOC的蓄电池单元给低压子电网供电146并且对蓄电池单元的SOC差进行优化147。在回收运行状态142中，实现了通过蓄电池以最大功率进行充电148，由具有最大SOC的蓄电池单元给低压子电网供电149并且对蓄电池单元的SOC差进行优化150。
在运行状态143，144中，其中，起动器发电机不将能量输入到车载电网中或者仅仅将少的电能输入到车载电网中，以便当较长的时间不进行回收阶段时满足能量需求，原则上可以设定所有四个结构1s4p、2s1p+1s2p、1s1p或4s1p，这通过附图标记151和152 示出。在所述的阶段中，发动机功率143，144不适用于或者极少适用于与停止的车辆的运行阶段相关的说明。如果高压子电网的电压在所述运行阶段中可以下降直至低压，则优选地设定1s4p结构。接着所述结构的车载电网几乎如同标准低压车载电网那样地工作，其中，发电机符合平均的车载电网负载。
利用所述的工作方式，耦合装置的用于所有四个不同的运行阶段102，103，104，105的开关状态根据确定的规则来设定。在所述说明使可选方案或替换方案公开的部分中，通过边界条件在高压子电网的特别的实施方案中提出唯一性，例如高压子电网也可以用低压驱动的可能性。
当高压子电网不是用于给高压负载供电，而是用于对起动器发电机的最大功率进行优化时，则特别是也关注于运行状态1s4p。发电机则可以在适当的功率下在低压下被驱动，并且所有蓄电池单元的并联电路导致设定具有与根据目前的现有技术的低压子电网类似的功能。发电机可以直接提供平均的车载电网电流，蓄电池在所述状态中用作缓冲存储器。如果所有蓄电池单元通过耦合单元的开关与低压子电网供应装置并联，则具有最高充电状态的蓄电池单元自动地放电，并且自动地调节蓄电池单元的平衡。如果从所述状态起例如在助力运行中提供起动器发电机的高功率，或者可以在回收过程中能够以这样高的功率输回能量，以使得这在起动器发电机的低压运行中不能实现，那么蓄电池通过在耦合单元中改变开关状态来改造成4s1p结构。在使用耦合装置的较快的半导体开关时，为此所需的开关时间可以保持非常小的。
本发明不局限于在此所述的实施例和其中采用的方面。确切地说，在通过权利要求给出的范围内可以实现大量变型，所述变型处于专业涉及的范围内。

Claims (10)

1.一种用于机动车的车载电网(1)，其中所述车载电网(1)具有用于至少一个低压负载(29)的低压子电网(21)和用于至少一个高压负载(25)的高压子电网(20)和起动器-发电机(30)，其中，所述高压子电网(20)经由耦合单元(33)与所述低压子电网(21)连接，其中，所述车载电网(1)具有蓄电池(40)，所述蓄电池设置用于产生高电压并且馈送到所述高压子电网(20)并且具有至少两个带有单电压抽头的蓄电池单元(41)，所述单电压抽头被引导到所述耦合单元(33)，
所述耦合单元(33)具有能反向截止的开关(44，45)，
其中，所述耦合单元(33)设置用于提供至少一个第一运行状态和至少一个第二运行状态，其中，在所述第一运行状态中，所述高压子电网(20)由所述蓄电池(40)的所有蓄电池单元(41)供电并且所述低压子电网(21)由一个蓄电池单元(41)供电，并且在所述第二运行状态中，所述高压子电网(20)由一个蓄电池单元(41)供电并且所述低压子电网(21)由至少一个蓄电池单元(41)供电，在所述第二运行状态中，至少两个蓄电池单元(41)关于所述低压子电网(21)经由接入的所述能反向截止的开关(44，45)彼此并联连接。
2.根据权利要求1所述的车载电网(1)，其特征在于，设置所述蓄电池单元(41)分别用于提供低电压。
3.根据前述权利要求中任一项所述的车载电网(1)，其特征在于，所述耦合单元(33)具有能正向截止的开关(90)。
4.根据权利要求3所述的车载电网(1)，其特征在于，在每两个蓄电池单元(41)布置有能正向截止的开关(90)。
5.根据权利要求1或2所述的车载电网(1)，其特征在于，在所述第一运行状态中，至少两个蓄电池单元(41)关于所述高压子电网(20)串联连接。
6.根据权利要求1或2所述的车载电网(1)，其特征在于，所述耦合单元(33)设置用于提供至少一个另外的运行状态，其中，在所述另外的运行状态中，所述高压子电网(20)由多个蓄电池单元(41)供电并且所述低压子电网(21)由多个并联连接的蓄电池单元(41)供电。
7.一种机动车，具有内燃机和根据权利要求1至6中任一项所述的车载电网(1)。
8.一种用于运行根据权利要求1至6中任一项所述的车载电网(1)的方法，其中，根据机动车的运行阶段(102、103、104、105)实施用于设定第一运行状态和第二运行状态的耦合单元的控制。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述运行阶段包括第一运行阶段(102)、第二运行阶段(103)、第三运行阶段(104)和第四运行阶段(105)，所述第一运行阶段(102)是停止的车辆或停泊的车辆，和/或所述第二运行阶段(103)是机动车起动，和/或所述第三运行阶段(104)是机动车的起停运行，和/或所述第四运行阶段(105)是机动车的行驶运行。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述第一运行状态中，所述低压子电网(21)的供电由具有最高充电状态的蓄电池单元(41)实现。
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