CN106255622A - 用于将基础车载电网与尤其与安全相关的分网连接的装置 - Google Patents

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Abstract

建议一种用于将基础车载电网与尤其与安全相关的分网连接的装置，包括至少一个第一开关机构(34)和第二开关机构(36)，经由该开关机构基础车载电网(10)和分网(20a)可以直接地耦联，至少一个直流电压转换器(32)和第一接头(33)和另一个接头(35)，其中，第一接头(33)在第一开关机构(34)和第二开关机构(36)之间电接触，其中，直流电压转换器(32)的另一个接头(35)可以经由第三开关机构(38)与基础车载电网(10)连接，其中，直流电压转换器(32)的另一个接头(35)可以经由第四开关机构(39)与蓄能器(40)连接。

Description

用于将基础车载电网与尤其与安全相关的分网连接的装置
本发明涉及一种按照独立权利要求的类型的用于将基础车载电网与尤其与安全相关的分网连接的装置。这种类型的装置已经由WO2002/080334A1已知。因此在一个具有集成的起动器发电机的实施例中设置36V蓄电池，12V蓄电池以及双层电容器。集成的起动器发电机经由连接部对42V车载电网供电和经由42/14V转换器对14V网供电。在这些网上连接有负载。双层电容器可以经由开关与集成的起动器发电机和42V车载电网连接。但是双层电容器仅仅在小的电压范围上使用。
本发明的任务是，给出一种装置和一种方法，用于尤其是对与安全相关的分网可靠地供给电能。这个任务通过独立权利要求的特征解决。
本发明的优点
与此相对地，按照独立权利要求的特征的按照本发明的装置和按照本发明的方法具有优点，即实现尤其对与安全相关的分车载电网的可靠的供电。通过设置至少一个第一和第二开关机构，经由该开关机构可以将基础车载电网和分网直接地耦联以及通过设置直流电压转换器，经由该直流电压转换器必要时对蓄能器就其电压水平进行匹配，可以可靠地对电安全的负载安全地供电。优选地，为此将负载划分成具有不同的安全重要性的负载组。本发明可以用于对机动车的供电。此外也可以在其它的技术领域中使用，其中电负载必须以高的可靠性进行供电。此外本发明负责使具有不同的电压水平（电压状况）的蓄电器，例如双层电容器可以在车载电网内运行。此外按照本发明的装置和按照本发明的方法防止，与安全相关的和电压敏感的负载受电压干扰影响它们的功能。按照本发明的装置和按照本发明的方法的特征此外尤其在于，可以实现用于冗余的、与安全相关的负载的双通道的供电。同样可以实现用于与安全相关的负载的容错的供电，该负载仅仅是单一（单套地）存在（设置）的。供电的可配置性在故障情况下是可可能的。
该结构的特征在于高的灵活性。极其不同的运行状态可以被优化。因此负载或负载组可以在故障情况下脱开耦联。此外可能是，在车载电网中的不同的电蓄能器可以通过电流分离被运行。此外可以在电压敏感的负载中实现对电压干扰的补偿。此外保证在运行高负荷负载情况下以高的动态电流支持车载电网。该装置的可标度的和模块化的结构对成本的降低作出贡献。此外该装置可以作为特殊设备尤其在机动车中实施。
在有利的扩展方案中可以实现装置的不同的运行方式。由此产生另外的辅助功能。因此装置例如可以在合适的控制下承担对蓄能器，例如双层电容器，的储存管理。这种蓄能器可以借助于该装置与基础车载电网的发电机电压或蓄能器的电压相独立地充电或放电。
在一个有利的扩展方案中，相应的控制保证，或者仅仅基础车载电网或者仅仅分网或者但是整个机动车车载电网可以为了防止电压干扰例如在起动过程期间被支持。
在一个有利的扩展方案中规定，实现与安全相关的分网与基础车载电网的脱耦和保证来自蓄能器的供电。这在故障情况下提高安全性。
在一个有利的扩展方案中规定，在相应的控制下可以实现分网的脱耦和由蓄能器对基础车载电网的支持。这可以尤其当在负载中出现短路时是必要的。
在一个有利的扩展方案中规定，蓄能器被与安全相关的分网脱开耦联并且对与安全相关的分网的供电可以由基础车载电网经由直接的电流的耦联实现。由此进一步提高该结构的安全性。
在一个有利的扩展方案中规定，对与安全相关的分网的供电可以由基础车载电网经由直流电压转换器实现，以便进行电压匹配。由此以特别合适的方式和方法对电压关键的负载供电。
在一个有利的扩展方案中规定，整个车载电网在不使用直流电压转换器下由蓄能器支持。这同样对整个车载电网的可供使用性的提高作出贡献。
另外的有利的扩展方案由另外的从属权利要求和由说明书得到。
附图
按照本发明的将基础车载电网与与安全相关的分网连接的装置的实施例在附图中示出并且在以下进行详细解释。附图中所示：
图1基础车载电网的示例性的设计方案的框图，基础车载电网通过多功能模块与与安全相关的分网连接，其具有对负载的相应的控制，
图2是在一种状态下的多功能模块，在该状态下蓄能器被充电和分网直接地与基础车载电网耦联，
图3是在一种状态下的多功能模块，在该状态下基础车载电网和分网由蓄能器支持，
图4是在一种状态下的多功能模块，在该状态下分网的供电仅仅由蓄能器保证，
图5是在一种状态下的多功能模块，在该状态下分网被脱开耦联和基础车载电网通过蓄能器支持，
图6是在一种状态下的多功能模块，在该状态下分网脱开耦联和蓄能器由基础车载电网充电，
图7是在一种状态下的多功能模块，在该状态下分网仅仅由基础车载电网支持，
图8是在一种状态下的多功能模块，在该状态下基础车载电网直接地通过蓄能器支持，
图9是在一种状态下的多功能模块，在该状态下基础车载电网和分网直接地通过蓄能器支持，
图10是在一种状态下的多功能模块，在该状态下分网仅仅由基础车载电网支持，以及
图11是按照图1的布局的备选设计方案的框图，其中，基础车载电网与一个高伏特车载电网耦联。
基础车载电网10包括至少一个起动器12，发电机14，蓄能器16以及示例性地表示地负载18，该负载实施成所谓的舒适性负载。起动器12，发电机14，蓄能器16和负载18分别相互并联地相对于接地连接。这些部件是基础车载电网10的组成部分，该基础车载电网例如在汽车中在14V下运行。与安全相关的负载22，24以合适的方式和方法如以下描述地如此地连接在与安全相关的分网20中，即在故障情况下也可靠地实现用于与安全相关的负载22，24的能量输入。与安全相关的分网20可以划分成与安全相关的第一分网20a，其由多功能模块30经由第二路径23供电和可以经由开关机构26与基础车载电网10脱开耦联。与安全相关的第二分网20b作为与安全相关的分网20b的另一个组成部分经由第一路径21直接地与基础车载电网10连接。特别重要的负载22被冗余地设计。冗余的负载22a，22b分别相对于接地连接。冗余的负载22b经由第一路径21直接地由基础车载电网10供电并且是与安全相关的第二分网20b的组成部分。另一个冗余的负载22a作为与安全相关的分网20的组成部分经由多功能模块30供电。多功能模块30经由连接路径11与基础车载电网10连接。与安全相关的分网20a经由第二路径23与多功能模块30连接。此外在分网20中设置一个要容错地供电的负载24，但是它不是冗余地设计的。开关机构26，28的合适的布置保证，不仅要容错地供电的负载24而且第一冗余的负载22a可以不仅经由基础车载电网10而且通过多功能模块30供电。为此开关机构28可以将要容错地供电的负载24与多功能模块30的输出端连接。另一个开关机构26布置在第一路径21与开关机构28和要容错地供电的负载24的公共的电位之间。多功能模块30的一个接头经由连接路径11位于基础车载电网10的电位上，即例如在14V。在多功能模块30中布置直流电压转换器33。直流电压转换器32优选地实施成3路直流电压转换器。一个第三输出端与另一个蓄能器40连接。蓄能器40相对于接地连接。作为蓄能器40，例如使用双层电容器或具有合适的电压特性的蓄电池。
在图2中详细示出多功能模块30的结构。在多功能模块30中设置第一开关机构34和第二开关机构36，它们串联连接。直流电压转换器32的接头33接触在第一开关机构34和第二开关机构36之间。直流电压转换器32的另一个接头35可以经由第四开关机构39与蓄能器40连接。第一开关机构34可以经由连接路径11在直流电压转换器32和基础车载电网10之间建立连接。第二开关机构36可以经由第二路径23在直流电压转换器32和分网20之间建立连接。此外第三开关机构38设置在多功能模块30的基础车载电网侧的输入端，即连接路径11，和直流电压转换器32的另一个接头35之间。
按照图2的实施例示出一种状态，在该状态下蓄能器40被充电。为此第一开关机构34和第四开关机构39被闭合。能量流动42，其通过相应的箭头表示，应该象征性地表示，基础车载电网10将能量经由直流电压转换器32提供到蓄能器40中。直流电压转换器32能够相应于在基础车载电网10中或在蓄能器40上的确定的电流和/或电压值按照选择的充电策略将蓄能器40带到希望的电压水平上。蓄能器40可以借助于多功能模块30独立于发电机电压或在基础车载电网10的蓄能器16上的电压地充电或放电。这通过合适地使用直流电压转换器32来保证，因为在蓄能器40上的电压可以依据充电情况大大地不同于基础车载电网10。此外在图2中示出的对开关机构34，36，38，39的控制中，第一分网20a，其包括与安全相关的负载22a，24，直接地与基础车载电网10耦联。由此实现从基础车载电网10经由第一开关机构34，第二开关机构36也进入第一分网20a中的能量流动42。
在图3中现在可以看见与图2相反的运行。在那里除了第三开关机构38，全部的开关机构34，36，39也被闭合。但是现在直流电压转换器32控制从蓄能器40不仅经由连接路径11进入基础车载电网10中而且经由第二路径23进入分网20a的能量流动42。由此蓄能器40支持两个网10，20a。这例如可以发生，即如果通过燃烧机的起动过程电压短期地被干扰到例如9V上，但是与安全相关的负载22，24不会被这种电压干扰影响，例如通过面临的重置。其它的情况是对电动转向机构，电子稳定程序或电子制动力放大器的同时的干预，它们同样可以短期地产生非常高的动态电流。
在按照图4的控制中，现在第一开关机构34和第三开关机构38被打开。第二开关机构36以及第四开关机构39被闭合。在这种运行方式中经由第二路径23使第一分网20a仅仅由蓄能器40供电。为此，直流电压转换器32如此地调整电压比，即实现由蓄能器40经由直流电压转换器32和被闭合的第二开关机构36仅仅进入分网20中的能量流动42。在此处蓄能器40的任务是，如果例如发生基础车载电网10的失灵或功能故障，对具有与安全相关的负载22a，24的第一分网20a经由直流电压转换器32供电。
在按照图5的实施例中示出这样的情况，第一分网20a必须被脱开耦联，例如在第一分网20a中的负载22a，24中的短路情况下。为此，第二开关机构36和第三开关机构38被打开。蓄能器40经由直流电压转换器32支持基础车载电网10或可以例如也在发电机14和/或蓄能器16失灵的情况下对其供电。为此图1的开关机构26也被闭合和开关机构28被打开，以便实现第一分网20a或第二路径23的完全的脱耦。
在按照图6的实施例中，第一开关机构34和第四开关机构39被闭合。第二开关机构36和第三开关机构38被打开。在这种状态下第二路径23又脱开耦联。蓄能器40由基础车载电网10经由连接路径11，第一开关机构34，直流电压转换器32和第四开关机构39充电。
在按照图7的实施例中，第一开关机构34和第四开关机构39被打开。第二开关机构36和第三开关机构38被闭合。在多功能模块30的这种控制中，第二路径23仅仅由基础车载电网10支持。这尤其对这样的情况是有利的，在该情况下在基础车载电网10中存在低压，蓄能器40被放电，但是第二路径23或具有与安全相关的负载22a，24的第一分网20a必须用额定电压供电。由此相应的能量流动42从基础车载电网10经由第三开关机构38和直流电压转换器32以及第二开关机构36进入第二路径23中。
在按照图8控制多功能模块30时，基础车载电网10经由连接路径11直接地通过蓄能器40支持。为此第三开关机构38和第四开关机构39被闭合。第一开关机构34和第二开关机构36被打开。第二路径23与多功能模块30脱开耦联。由此基础车载电网10直接地与蓄能器40连接，而直流电压转换器32不连接在它们之间。这种控制是可以设想的，如果蓄能器40的电压位于基础车载电网10的范围中并且如上所述短期的电流峰值被预期的话，蓄能器40可以优选地缓冲该电流峰值，以防止电压干扰。
在按照图9控制多功能模块30时，现在不仅基础车载电网10而且分网20可以直接地通过蓄能器40支持。为此全部开关机构34，36，38，39被闭合。但是直流电压转换器32被被动地（闲置地）连接，由此经由直流电压转换器32没有实现能量流动42。这个开关位置又是可以设想的，如果蓄能器40的电压位于基础车载电网10的范围中和短期的电流峰值被预期的话，蓄能器40可以缓冲该电流峰值，以防止电压干扰。
在按照图10控制多功能模块30时，第一分网20a或第二路径23仅仅由基础车载电网10支持。为此第一开关机构34和第二开关机构36被关闭。第三开关机构38和第四开关机构39被打开。由此基础车载电网10提供在分网20的方向上的能量流动42。分网20因此直接地以电流的方式与基础车载电网10耦联，多功能模块30或相应的直流电压转换器32被脱开耦联。为此直流电压转换器32被闲置地连接，由此没有实现经由直流电压转换器32的能量流动42。
按照图11的实施例以高伏特车载电网50补充图1的实施例，高伏特车载电网50相对于基础车载电网10具有提高的电压水平，例如48V。高伏特车载电网50具有高伏特蓄能器52和示例性地示出的高伏特负载52例如加热器，空调或类似物。此外高伏特车载电网50可以包括电机56(例如用于电动机动车，混合动力机动车或反馈和驱动辅助的电动机作为所谓的助力回收***(BRS)的一部分)。高伏特车载电网50可以经由另一个直流电压转换器58与基础车载电网10连接。高伏特车载电网50可以由此同样经由连接路径11对多功能模块30或第二路径23供电。但是多功能模块30的运行方式原则上没有改变。
示例性地，该装置以14V基础车载电网10的示例示出。备选地，发电机14也可以通过不仅可按电动机方式而且可按发电机方式运行的电机替代。在基础车载电网10中此外也可以设置其它的部件，它们具有另一种电压高度或也具有另一种结构。分网20优选地在与分车载电网10相同的电压水平上运行。在此重要的是，保证对与安全相关的部件22，24的可靠的供电，即使在许多上述的故障状况下。已经表明，在多功能设备30的所述结构中可以实现一系列的改善车载电网的质量的运行状态，其中，在任何情况下可以保证对与安全相关的负载22，24的可靠的供电。
通过描述的装置可以实现一种用于对与安全相关的电负载22，24供电的可标度的和模块化的车载电网布局。
负载被划分成具有不同的安全重要性的负载组(参见冗余的负载22a，22b;要容错地供电的负载24，但是它们将不被冗余地实施)。与安全相关的分网20由第一分网20a组成，其至少可以经由开关机构26和多功能模块30与基础车载电网10脱开耦联。此外与安全相关的分网20由第二分网20b组成，其经由第一路径21始终与第一基础车载电网10耦联。在该第二分网20b中包含与安全相关的负载22b，它们优选被冗余地设计。
优选地，该装置可以在汽车领域中使用。此外也可以在其它的技术领域中使用，在这些技术领域中电负载必须以高的可靠性供电。此外该装置负责，电储存器16，40可以以不同的电压水平，尤其是在双层电容器情况下在车载电网内运行。此外防止，与安全相关的和电压敏感的负载由于电压干扰在其功能上被影响。此外描述的布局保证对冗余的、与安全相关的负载22，24的双通道的供电。同样可以实现对与安全相关的负载24的容错的供电，它们仅仅单一地（单套地）存在。该供电可以在故障情况下灵活地配置。此外负载22，24或负载组可以在故障情况下被脱开耦联。在车载电网中的不同的电蓄能器16，40的运行可以在使用直流电压转换器32下经由电流的分离来进行。此外针对电压敏感的负载，电压干扰可以被灵活地补偿。此外在运行高负荷负载时保证以高的动态电流对车载电网的支持。
描述的开关机构26，28，34，36，38，39例如可以是半导体开关或常规的继电器。特别优选地，也可以在相应的电路中使用相应的开关元件，其已经是直流电压转换器32的组成部分，以便进行基础车载电网10和/或分网20和/或蓄能器40的耦联。由此多功能模块30的电子元部件的数量在总数上可以被减少。示出的图2至10尤其用于说明多功能模块30的不同的功能。
蓄能器16例如是常规的铅酸电池，如其是基础车载电网10的通常的组成部分那样。相反，蓄能器40的特性被如此地选择，即电压干扰或电压峰值可以被补偿。但是也通过蓄能器40对分车载电网20的可靠的供电是重要的。作为蓄能器40，优选地可以使用双层电容器(DLC)或也使用锂离子蓄电池。
描述的装置尤其是适合在汽车车载电网中使用，但是它不限于此。

Claims (11)

1.用于将基础车载电网(10)与至少一个尤其与安全相关的分网(20，20a，20b)连接的装置，包括至少一个第一开关机构(34)和第二开关机构(36)，经由该开关机构基础车载电网(10)和分网(20a)可以被直接地耦联，至少一个具有第一接头(33)和另一个接头(35)的直流电压转换器(32)，其中，第一接头(33)在第一开关机构(34)和第二开关机构(36)之间电接触，具有第三开关机构(32)，经由该开关机构直流电压转换器(32)的另一个接头(35)可以与基础车载电网(10)连接，以及具有第四开关机构(39)，经由该开关机构直流电压转换器(32)的另一个接头(35)可以与蓄能器(40)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在对分网(20a)供电期间第二和第四开关机构(36，39)被闭合，由此实现从蓄能器(40)经由直流电压转换器(32)进入分网(20a)中的能量流动。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，为了支持分网(20a)，第一，第二，第三和第四开关机构(34，36，38，39)被闭合，其中，直流电压转换器(32)被去激活。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，为了支持至少分网(20a)，至少第二开关机构(36)和第四开关机构(39)被闭合，其中，实现从蓄能器(40)也经由直流电压转换器(32)进入分网(20a)中的能量流动(42)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，通过第二开关机构(36)被打开，实现分网(20a)的脱耦。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，通过第四开关机构(39)被闭合，实现经由蓄能器(40)对基础车载电网(10)的支持，以及第一开关机构(34)和/或第三开关机构(38)被闭合，由此实现直接地和/或经由直流电压转换器(32)进入基础车载电网(10)的能量流动(42)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，蓄能器(40)经由直流电压转换器(32)与基础车载电网(10)和/或与分网(20a)耦联，以稳定电压。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，基础车载电网(10)包括至少一个另外的蓄能器(16)，分网(20，20a，20b)包括至少一个与安全相关的第一分网(20a)，在该分网中布置与安全相关的负载(22a，24)，和与安全相关的第二分网(20b)，在该分网中布置与安全相关的负载(22b)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置至少一个开关机构(26，28)，用于将安全关键的、单一存在的负载(24)与蓄能器(40)和/或与基础车载电网(10)分开或连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置至少两个开关机构(26，28)，经由它们可以将至少一个布置在与安全相关的第一分网(20a)中的负载(24)选择地与蓄能器(40)和/或与基础车载电网(10)连接。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，与安全相关的负载(22a，22b)中的至少一个被冗余地实施，其中，冗余的负载中的一个(22b)与基础车载电网(10)连接，尤其是没有布置在其之间的开关机构，而冗余的负载中的另一个(22a)可以与另一个蓄能器(40)连接。
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