用于車(chē)輛的多個(gè)車(chē)載電力系統(tǒng)支路的受控連接的方法、用于執(zhí)行該方法的控制單元以及 ...的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及車(chē)輛電源的領(lǐng)域，并且具體地涉及允許穩(wěn)定的電壓供應(yīng)的方法和控制單元。
【背景技術(shù)】
[0002]為了操作耗電裝置(也表示為負(fù)載)，在機(jī)動(dòng)車(chē)輛中設(shè)置了車(chē)載電力系統(tǒng)。一些類(lèi)型的耗電裝置對(duì)于供應(yīng)電壓中的電壓驟降或電壓尖峰特別敏感，例如，車(chē)載電力系統(tǒng)電子裝置，甚或照明裝置。如果這種敏感耗電裝置遇到電壓驟降或電壓尖峰，則可以至少部分地?fù)p害它們的功能。在這種情況下，可以損害車(chē)輛的運(yùn)行，并且/或者出現(xiàn)不期望的負(fù)面影響，諸如，機(jī)動(dòng)車(chē)輛的照明裝置的短暫變暗。
[0003]此外，已知的是使用具有低內(nèi)阻和高電功率的蓄電池來(lái)吸收電壓尖峰或電壓驟降。然而，顯著的電壓驟降尤其出現(xiàn)在高突發(fā)性加載的情況下，盡管存在高電容和高功率(以及，由此導(dǎo)致的高空間要求和大重量)。
[0004]而且，尤其是在現(xiàn)代的車(chē)輛中，存在動(dòng)態(tài)的耗電裝置，耗電裝置的運(yùn)行可以引起嚴(yán)重的電壓驟降，比如，起動(dòng)/停止模塊的起動(dòng)電機(jī)或電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，諸如在停車(chē)助手中使用的。具體地，這些動(dòng)態(tài)耗電裝置不僅在初始冷起動(dòng)時(shí)或停車(chē)時(shí)被啟動(dòng)，在車(chē)輛運(yùn)行期間也被啟動(dòng)。
[0005]由于要確保在車(chē)輛的初始冷起動(dòng)與最終停車(chē)之間的運(yùn)行，例如，為了具有起動(dòng)/停止模塊的車(chē)輛的車(chē)載電力系統(tǒng)穩(wěn)壓，文獻(xiàn)DE 10248658 B4提出，除了耗電型車(chē)載電力系統(tǒng)蓄電池之外，提供另一儲(chǔ)能裝置，所述另一儲(chǔ)能裝置用于在發(fā)生電壓驟降時(shí)進(jìn)行備份。根據(jù)所述文獻(xiàn)，切換開(kāi)關(guān)(為詳細(xì)描述)在耗電型鉛酸蓄電池與第二儲(chǔ)能裝置之間切換，由該切換引起的電壓尖峰由功率分配器吸收。功率分配器基于脈沖寬度調(diào)制功率開(kāi)關(guān)。此外，第二儲(chǔ)能裝置由DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器操作，從而使得在用于車(chē)載電力系統(tǒng)穩(wěn)壓的功率部件上的總開(kāi)銷(xiāo)較高。在所述文獻(xiàn)中提出的方案因此會(huì)導(dǎo)致高成本。而且，所述文獻(xiàn)未揭示在切換開(kāi)關(guān)發(fā)生故障情況下的安全機(jī)構(gòu)的任何指示，從而，在切換開(kāi)關(guān)發(fā)生故障行為時(shí)，該文描述的電路可以導(dǎo)致電路部件毀滅，尤其會(huì)導(dǎo)致第二儲(chǔ)能裝置的過(guò)度充電，當(dāng)?shù)诙?chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)為超級(jí)電容器時(shí)，第二儲(chǔ)能裝置可在發(fā)生過(guò)度充電時(shí)破裂。
[0006]因此，本發(fā)明的目的在于演示一種能夠使上述問(wèn)題中的至少一個(gè)問(wèn)題得以解決的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]該目的借助于獨(dú)立權(quán)利要求項(xiàng)的主題來(lái)實(shí)現(xiàn)。特定實(shí)施例與附屬權(quán)利要求項(xiàng)的特征相結(jié)合。
[0008]本發(fā)明即使在具有強(qiáng)耗電動(dòng)態(tài)的耗電裝置的情況下也可以按照簡(jiǎn)單的方式對(duì)車(chē)載電力系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓。確保在穩(wěn)壓的情況下所需的開(kāi)關(guān)過(guò)程不會(huì)引起任何隱患。具體地，有效地使用現(xiàn)有的儲(chǔ)能裝置。此外，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，可以節(jié)省成本、結(jié)構(gòu)空間和重量。而且，可以省去引起高成本和高散熱的若干功率部件。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，可以實(shí)現(xiàn)明顯更魯棒的且更可靠的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)壓，尤其避免了車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的附加儲(chǔ)能裝置和/或至少一個(gè)其他部件的過(guò)載。此外，本發(fā)明允許極快速地切換附加儲(chǔ)能裝置。結(jié)果，即使在耗電裝置需要極大不同的電流的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)均勻的電壓供應(yīng)。具體地，用于控制和監(jiān)控的部件就其功能方面而目性價(jià)比尚且尚效。
[0009]在本文所描述的方法的情況下，提供車(chē)輛的車(chē)載電力系統(tǒng)，該車(chē)載電力系統(tǒng)將至少根據(jù)功能分離成或細(xì)分為多個(gè)車(chē)載電力系統(tǒng)支路。第一車(chē)載電路系統(tǒng)支路包括動(dòng)態(tài)耗電裝置，由于高電流需量，具體地，由于突發(fā)性電流需量，該動(dòng)態(tài)耗電裝置可以引起電壓波動(dòng)。第二車(chē)載電路系統(tǒng)支路包括電力存儲(chǔ)裝置，比如，鋰蓄電池或包括至少一個(gè)超級(jí)電容器(“ supercap ”)的超級(jí)電容器布置。超級(jí)電容器布置可以包括一個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器，其中，在多個(gè)超級(jí)電容器的情況下，多個(gè)超級(jí)電容器可以并聯(lián)連接，優(yōu)選地，串聯(lián)連接。在電流需量發(fā)生突發(fā)性上升時(shí)，電力存儲(chǔ)裝置用于備份或向敏感耗電裝置供電。第三車(chē)載電路系統(tǒng)支路包括至少一個(gè)敏感耗電裝置，具體的，其功能由于電壓驟降或電壓尖峰而受損的耗電裝置，比如，車(chē)載電子裝置(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器或ECU、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)或車(chē)內(nèi)或車(chē)外照明裝置。術(shù)語(yǔ)“敏感耗電裝置”指對(duì)電壓驟降(或電壓尖峰)敏感并且在這種情況下(具體地，電壓驟降)可以引起失靈的耗電裝置，或出于安全原因必須對(duì)其功能進(jìn)行維修的耗電裝置。因此，敏感耗電裝置是指其功能對(duì)于電壓驟降或過(guò)度電壓增加敏感或其功能與在車(chē)輛運(yùn)行期間的安全有關(guān)的耗電裝置。
[0010]在第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路中，設(shè)置有第一電力存儲(chǔ)裝置，比如，起動(dòng)機(jī)電池，以及具體地，鉛酸蓄電池。在第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路中，電力存儲(chǔ)裝置表示為第二電力存儲(chǔ)裝置。稱(chēng)號(hào)“電力存儲(chǔ)裝置”意味著這些存儲(chǔ)裝置是為操作電力電子裝置或電力電氣裝置而設(shè)置的。電力存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)電能。
[0011]在電壓或電壓波動(dòng)處于標(biāo)稱(chēng)范圍內(nèi)的正常運(yùn)行期間，第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路點(diǎn)耦合至第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路，從而使得敏感負(fù)載由第一電力存儲(chǔ)裝置提供(或由對(duì)第一電力存儲(chǔ)裝置充電的發(fā)電機(jī)提供)。為了持續(xù)地對(duì)第一電力存儲(chǔ)裝置再充電，在第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路中，優(yōu)選地，在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中，設(shè)置發(fā)電機(jī)，具體地，由車(chē)輛的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)。在正常運(yùn)行期間，發(fā)電機(jī)運(yùn)行以便持續(xù)地對(duì)第一電力存儲(chǔ)裝置充電。因此，敏感耗電裝置獲得了基本上恒定的車(chē)載電力系統(tǒng)電壓。
[0012]術(shù)語(yǔ)“電力存儲(chǔ)裝置”是指輸出功率和/或存儲(chǔ)容量在極大程度上或基本上完全足以補(bǔ)償在車(chē)輛的車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的電壓驟降的儲(chǔ)電裝置。電力存儲(chǔ)裝置具有的標(biāo)稱(chēng)峰值電流為至少10A，優(yōu)選地，至少50A、100A，尤其優(yōu)選地，至少200A、500A或1200A。第一電力存儲(chǔ)裝置可以是長(zhǎng)期電力存儲(chǔ)裝置，諸如，尺寸如起動(dòng)機(jī)電池的鉛酸蓄電池，或者可以是一些其他電化學(xué)或靜電儲(chǔ)能裝置。這也適用于第二電力存儲(chǔ)裝置。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，第二電力存儲(chǔ)裝置可以短期存儲(chǔ)裝置，第二電力存儲(chǔ)裝置的容量比第一電力存儲(chǔ)裝置的容量明顯低，比如，至少2、10或20，尤其優(yōu)選地，至少50或100的因子。第二電力存儲(chǔ)裝置可以是例如超級(jí)電容器布置或鉛酸或NiMH蓄電池。第一電力存儲(chǔ)裝置可以是鉛酸或NiMH蓄電池，例如。當(dāng)將超級(jí)電容器布置用作第一或第二電力存儲(chǔ)裝置時(shí)，其優(yōu)選地具有至少 50F、300F、500F、1000F，優(yōu)選地，至少 5000F、10000F 或 12000F 的電容。
[0013]根據(jù)一種方法，按照如下的方式識(shí)別并且處理電壓驟降。如果啟動(dòng)了動(dòng)態(tài)耗電裝置，即，比如起動(dòng)機(jī)電機(jī)或電動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器，則也許第一電力存儲(chǔ)裝置提供的能量和發(fā)電機(jī)提供的能量不足以防止明顯的電壓驟降。中斷在動(dòng)態(tài)耗電裝置(即，干擾源)(一方面)與敏感耗電裝置(另一方面)之間的直接連接，以便防止在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的敏感耗電裝置受到在第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的動(dòng)態(tài)耗電裝置的影響。為了使該直接連接的中斷不會(huì)引起敏感耗電裝置所在的第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的電功率不足，連接第二電力存儲(chǔ)裝置所在的第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路。
[0014]—種類(lèi)似方法實(shí)現(xiàn)了將第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路連接至第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路以便防止電壓驟降，其中，將在第一與第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路之間的連接保留下來(lái)，并且將第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路的儲(chǔ)能裝置與第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路的儲(chǔ)能裝置串聯(lián)連接。上面提及的兩種方法的共同之處在于將第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路連接至第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路。在連接第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路的情況下，完全地(參見(jiàn)所提及的第一種方法)或不完全地(參見(jiàn)所提及的第二種方法)斷開(kāi)第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路。完全斷開(kāi)也稱(chēng)為MOSFET的完全開(kāi)路(complete opening)，在完全開(kāi)路的情況下，MOSFET的襯底二極管將源極端子連接至漏極端子。
[0015]原則上，出于供電或支持，可以借助于開(kāi)關(guān)裝置將第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路連接至第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路，從而使得在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的操作電壓對(duì)應(yīng)于在第二電力存儲(chǔ)裝置處的電壓。具體地，通過(guò)并聯(lián)連接相關(guān)的車(chē)載電力系統(tǒng)支路來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。作為替代實(shí)施方式，可以串聯(lián)連接第二電力存儲(chǔ)裝置，從而使得在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的電壓對(duì)應(yīng)于由串聯(lián)連接第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路和第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路引起的電壓。在串聯(lián)連接第一和第二電力存儲(chǔ)裝置的情況下，可以將第一電力存儲(chǔ)裝置接地，而將第二電力存儲(chǔ)裝置連接至第一電力存儲(chǔ)裝置的正極和第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路的正車(chē)載電力系統(tǒng)支路電位，反之亦然。此外，可以將第一電力存儲(chǔ)裝置連接至正車(chē)載電力系統(tǒng)支路電位，而將第二電力存儲(chǔ)裝置接地并且連接至第一電力存儲(chǔ)裝置的負(fù)極。由此，可以相對(duì)于電位將第二電力存儲(chǔ)裝置連接在第一電力存儲(chǔ)裝置的下方或上方。可以將并聯(lián)連接視為通過(guò)第二電力存儲(chǔ)裝置對(duì)第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路進(jìn)行電流備份?？梢詫⒋?lián)連接視為通過(guò)第二電力存儲(chǔ)裝置對(duì)第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的操作電壓進(jìn)行備份。
[0016]在電壓驟降的情況下，尤其是在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中出現(xiàn)電壓驟降的情況下，由此連接第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路(即，第二電力存儲(chǔ)裝置)。借助于切換開(kāi)關(guān)，優(yōu)選地借助于電子切換開(kāi)關(guān)，例如基于作為開(kāi)關(guān)裝置的M0SFET，來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。鑒于動(dòng)態(tài)負(fù)載(諸如，起動(dòng)/停止模塊和電動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器)的若干開(kāi)關(guān)循環(huán)，不言而喻的是，所使用的切換開(kāi)關(guān)必須是為這種大量切換過(guò)程而設(shè)計(jì)的。為此，基于半導(dǎo)體的切換開(kāi)關(guān)優(yōu)于機(jī)電切換開(kāi)關(guān)。
[0017]假設(shè)切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)為兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的形式，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置交替地?cái)嚅_(kāi)和閉合。設(shè)置保護(hù)機(jī)構(gòu)，以便防止這兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置同時(shí)閉合(或斷開(kāi))。
[0018]該保護(hù)機(jī)構(gòu)或用于這兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的可靠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本文所論述的主題的其中一個(gè)實(shí)質(zhì)方面。假設(shè)這兩個(gè)開(kāi)關(guān)裝置分別由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置接收來(lái)自這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置中的另一個(gè)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，以便能夠防止同時(shí)閉合。該開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)表示一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而使得在另一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的驅(qū)動(dòng)裝置處存在有關(guān)第一次提及的開(kāi)關(guān)裝置實(shí)際上是否閉合或斷開(kāi)的信息。具體地，存在有關(guān)第一驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)際上是否驅(qū)動(dòng)第一開(kāi)關(guān)裝置閉合或斷開(kāi)的信息?？梢詫Ⅱ?qū)動(dòng)裝置視為驅(qū)動(dòng)器，并且可以實(shí)現(xiàn)為例如用于功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器。
[0019]該機(jī)構(gòu)可以在不使用(附加的)功率部件的情況下實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且可靠的安全機(jī)構(gòu)，該安全機(jī)構(gòu)防止，比如，第一電力存儲(chǔ)裝置的過(guò)度充電、在電力存儲(chǔ)裝置處的過(guò)電流或開(kāi)關(guān)裝置的過(guò)載、或車(chē)載電力系統(tǒng)崩潰。接收開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)設(shè)計(jì)來(lái)連接或分開(kāi)第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路的開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0020]因此，描述了一種用于車(chē)載電力系統(tǒng)的多個(gè)車(chē)載電力系統(tǒng)支路的受控連接的方法。其車(chē)載電力系統(tǒng)支路以受控的方式連接的車(chē)載電力系統(tǒng)優(yōu)選地是車(chē)輛的車(chē)載電力系統(tǒng)。受控連接涉及在車(chē)載電力系統(tǒng)支路之間的受控中斷和產(chǎn)生導(dǎo)電連接。該多個(gè)車(chē)載電力系統(tǒng)支路具體包括第一、第二和第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路，這些車(chē)載電力系統(tǒng)支路可以如本文所描述的包含在內(nèi)。如果在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中出現(xiàn)標(biāo)稱(chēng)或非臨界供應(yīng)狀態(tài)，則在第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路與第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路之間交換電功率。經(jīng)由第一開(kāi)關(guān)裝置在第一與第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路之間交換電功率。第一開(kāi)關(guān)裝置按照可電耦合的方式連接第一與第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路。術(shù)語(yǔ)“標(biāo)稱(chēng)供應(yīng)狀態(tài)”是指電流、電壓和/或溫度，具體地，儲(chǔ)能裝置的(具體地，儲(chǔ)能裝置的單獨(dú)的電池或單獨(dú)的電容器的)電荷狀態(tài)(SOC)或健康狀態(tài)(S0H)，處于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間的狀態(tài)，該標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間表示電力存儲(chǔ)裝置的尺寸確定。
[0021]具體地，將來(lái)自第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的發(fā)電機(jī)的能量作為電功率提供給第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的第一電力存儲(chǔ)裝置，具體地是作為對(duì)儲(chǔ)能裝置充電的電能。同樣，可以將電能從第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路轉(zhuǎn)移到第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路，比如，以便對(duì)第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的發(fā)電機(jī)進(jìn)行備份，從而使得在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的敏感耗電裝置接收來(lái)自第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的發(fā)電機(jī)的電能和/或來(lái)自第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路的電能，具體地，瞬態(tài)或短暫能量提升。
[0022]尤其是如果在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的敏感耗電裝置處(S卩，在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路自身中)發(fā)生過(guò)低電壓，具體地，電壓驟降，則臨界供應(yīng)狀態(tài)發(fā)生。這由第一(或第三)車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的動(dòng)態(tài)耗電裝置(例如，起動(dòng)機(jī)或電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng))導(dǎo)致。如果存在臨界供應(yīng)狀態(tài)，則在第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路和第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路之間交換電功率。在這種情況下，經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)裝置交換電功率。第二開(kāi)關(guān)裝置按照可電耦合的方式連接第二和第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路。第一開(kāi)關(guān)裝置優(yōu)選地在通過(guò)第二開(kāi)關(guān)裝置連接之前斷開(kāi)。
[0023]具體地，經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)裝置將來(lái)自第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路的電能提供至第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路。在這種情況下，第二車(chē)載電力系統(tǒng)支路用作附加能量源，以便對(duì)第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路進(jìn)行備份以及獲得在該處的更高操作電壓可靠性。在一些實(shí)施例中，在臨界供應(yīng)狀態(tài)中，將第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路與第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路斷開(kāi)，以便將第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路種的動(dòng)態(tài)耗電裝置(即，干擾源)與敏感耗電裝置所在的第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路斷開(kāi)。
[0024]為了按照受控的方式根據(jù)供應(yīng)狀態(tài)來(lái)連接多個(gè)車(chē)載電力系統(tǒng)支路，監(jiān)測(cè)第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的供應(yīng)狀態(tài)。監(jiān)測(cè)第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的供應(yīng)狀態(tài)有多種可能性。下面提出了這些可能性，具體地，涉及在第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的電壓監(jiān)測(cè)、或監(jiān)測(cè)流經(jīng)第一開(kāi)關(guān)裝置(以及具體地，從第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路流入第一車(chē)載電力系統(tǒng)支路，反之亦然)的電流或其時(shí)間梯度。具體地，監(jiān)測(cè)第三車(chē)載電力系統(tǒng)支路中的該至少一個(gè)敏感耗電裝置的供應(yīng)狀態(tài)。此外，可以監(jiān)測(cè)在第一或第三車(chē)載電