Способ снабжения напряжением бортовой сети автомобиля - RU2711949C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу снабжения напряжением бортовой сети автомобиля, причем бортовая сеть включает в себя две частичные сети, связанные посредством преобразователя постоянного напряжения, в которых, соответственно, расположен электрический аккумулятор энергии.

К первой частичной сети с более низким напряжением (например, 24 В), как правило, подключены потребители с более низким потреблением мощности. Ко второй частичной сети с более высоким номинальным напряжением (например, 48 В) могут, наряду с электрической машиной для привода и/или для поддержки привода транспортного средства и вторым накопителем энергии, подключаться еще другие потребители высокой мощности.

Подобные бортовые сети, в частности, используются в полугибридных, гибридных и электрических транспортных средствах, причем обеспечение электрической машины для привода и/или для поддержки привода транспортного средства в отдельной частичной сети, как известно, предоставляет преимущество, состоящее в том, что электрическая машина должна приводиться в действие не от обычной бортовой сети, например, 12 В или 24 В, а может снабжаться независимым, как правило, более высоким рабочим напряжением. Кроме того, потребители в обычной частичной бортовой сети могут быть лучше защищены от колебаний напряжения, возникающих при работе электрической машины.

Подобная бортовая сеть раскрыта, например, в выложенной заявке AT 512 132 A1. Отсюда также известно, что потребители низкого напряжения в первой частичной сети могут снабжаться энергией через преобразователь постоянного напряжения из второй частичной сети, избирательно, посредством генераторного режима работы электрической машины или непосредственно из запаса энергии аккумулятора энергии во второй частичной сети.

Однако аккумуляторы энергии представляют собой сравнительно дорогостоящие и тяжелые компоненты, которые, кроме того, имеют высокие требования к пространству для размещения, так что известным способам снабжения напряжением на основе известных бортовых сетей и способов эксплуатации свойственны соответствующие недостатки, что касается затрат, веса и требуемого пространства для размещения.

Таким образом, задачей изобретения является создание улучшенного способа снабжения напряжением бортовой сети, с помощью которого недостатки известных способов могли бы быть преодолены или по меньшей мере снижены.

Эта задача решается способом с признаками независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения и применения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения и поясняются в последующем описании частично со ссылками на чертежи.

Изобретение основывается на техническом знании, что аккумулятор энергии в первой частичной сети может быть сконструирован меньшим, если первая частичная сеть преимущественно снабжается напряжением или электрической энергией из второй частичной сети, и первый аккумулятор энергии применяется только для кратковременного снабжения первой частичной сети в режиме движения и/или для снабжения первой частичной сети при остановленном транспортном средстве. Для предотвращения того, что первый аккумулятор энергии, особенно если он сконструирован уменьшенным, при остановленном транспортном средстве слишком сильно разрядится, например, ввиду собственного разряда аккумулятора энергии или ввиду тока покоя во второй частичной сети, предлагается подзаряжать его, периодически или по мере необходимости, посредством второго аккумулятора энергии также в остановленном состоянии транспортного средства.

В соответствии с изобретением предложен способ питания напряжением бортовой сети транспортного средства. Бортовая сеть включает в себя первую частичную сеть, в которой приложено первое номинальное напряжение и в которой размещены первый аккумулятор энергии для электрической энергии, а также несколько подключенных потребителей, которые образуют нагрузочное сопротивление. Бортовая сеть, кроме того, содержит вторую частичную сеть, в которой приложено второе номинальное напряжение и которая включает в себя электрическую машину, работающую в режиме двигателя и генератора для предоставления электрической приводной энергии, и второй аккумулятор энергии для электрической энергии. Второй аккумулятор энергии предпочтительно является тяговым аккумулятором энергии для снабжения электрической машины электрической приводной энергией, например, литий-ионным аккумулятором. Первая и вторая частичные сети связаны друг с другом через первый преобразователь постоянного напряжения. К бортовой сети могут подключаться дополнительные аккумуляторы энергии. Кроме того, бортовая сеть может включать в себя дополнительные частичные сети, например, бортовую сеть прицепа грузового автомобиля.

Согласно обобщенным аспектам, способ содержит следующие этапы:

В режиме движения автомобиля первая частичная сеть снабжается напряжением из второй частичной сети через первый преобразователь постоянного напряжения, причем первый аккумулятор энергии может применяться для покрытия пиков нагрузки. Электрическая энергия для снабжения первой частичной сети может при этом отбираться либо из второго аккумулятора энергии, либо предоставляться электрической машиной, если она находится в генераторном режиме. Иными словами, снабжение первой частичной сети электрической энергией, если возможно, всегда осуществляется через вторую частичную сеть. Первый аккумулятор энергии служит только в качестве буфера при пиках нагрузки, то есть в фазах, на которых вторая частичная сеть не может предоставить достаточно энергии для первой частичной сети, или когда энергоснабжение первой частичной сети посредством второй частичной сети нарушается. Таким образом, только при пиках нагрузки или в случаях, когда кратковременно энергия не может предоставляться из второй частичной сети, предоставляется энергия из первого аккумулятора энергии для обслуживания требований нагрузки в первой частичной сети, так что первый аккумулятор энергии, как правило, только кратковременно необходим для снабжения потребителей в первой частичной сети. Это предоставляет преимущество, состоящее в том, что первый аккумулятор энергии может рассчитываться на меньшие объемы энергии аккумулятора и, таким образом, может быть выполнен как более экономичный, с меньшим весом и конструктивно компактный компонент.

В режиме отсутствия движения транспортного средства, т.е. при остановленном транспортном средстве, первая частичная сеть снабжается напряжением через первый аккумулятор энергии. В остановленном транспортном средстве требование нагрузки потребителя бортовой сети, как правило, очень невелико по сравнению с режимом движения.

В соответствии с изобретением, кроме того, осуществляется подзарядка первого аккумулятора энергии энергией из второго аккумулятора энергии, причем подзарядка первого аккумулятора энергии осуществляется периодически и/или тогда, когда контролируемый параметр, который является мерой для состояния заряда первого аккумулятора энергии, указывает спадание ниже заданного минимального состояния заряда первого аккумулятора энергии.

В частности, эта подзарядка первого аккумулятора энергии осуществляется также в режиме отсутствия движения, то есть при остановленном транспортном средстве. За счет этого при длительных периодах остановки транспортного средства может предотвращаться слишком сильный саморазряд аккумулятора энергии или слишком сильный разряд из-за токов покоя в первой частичной сети, в частности, когда первый аккумулятор энергии рассчитан на меньшие объемы аккумулирования энергии. Слишком сильный разряд может привести к тому, что запуск устройства управления транспортного средства или запуск транспортного средства, если стартер расположен в первой частичной сети, более невозможен. Слишком сильный разряд может, кроме того, негативно влиять на срок службы первого аккумулятора энергии.

Под термином “режим отсутствия движения” понимается состояние транспортного средства, при котором транспортное средство остановлено или припарковано, т.е. состояние, при котором приводные двигатели и зажигание выключены. В этом состоянии вторая частичная сеть и преобразователь постоянного напряжения, как правило, деактивированы.

Остановка транспортного средства может, например, распознаваться через блокировку стопорного устройства транспортного средства, выключение зажигания и/или через другие подходящие параметры, из которых может быть выведено, что водитель остановил транспортное средство, и, вероятно, повторный режим движения непосредственно не предстоит.

Согласно первому примеру выполнения, для подзарядки первого аккумулятора энергии в режиме отсутствия движения первый преобразователь постоянного напряжения и вторая частичная сеть кратковременно активируются для процесса подзарядки. Как уже упомянуто, в режиме отсутствия движения вторая частичная сеть, находящиеся в ней компоненты и первый преобразователь постоянного напряжения обычно деактивированы. Чтобы, однако, иметь возможность переносить энергию для подзарядки из второго аккумулятора энергии к первому аккумулятору энергии, преобразователь постоянного напряжения и вторая частичная сеть должны быть активированы на время переноса энергии, включая необходимые для этого устройства управления, например, устройство управления для управления первым преобразователем постоянного напряжения. Этот вариант предоставляет преимущество, состоящее в том, что никакие дополнительные компоненты не требуются, чтобы сделать возможной подзарядку первого аккумулятора энергии также при остановленном транспортном средстве. Однако недостатком данного варианта является то, что активация второй частичной сети и преобразователя постоянного напряжения ставит под напряжение подключенные к второй частичной сети компоненты, и они могут потреблять ток. Это представляет возможный источник опасности, особенно тогда, когда номинальным напряжением во второй частичной сети является высокое напряжение.

Эти недостатки могут быть устранены, если подзарядка в режиме отсутствия движения осуществляется согласно второму примеру выполнения. Согласно второму примеру выполнения, второй аккумулятор энергии через второй преобразователь постоянного напряжения может соединяться непосредственно с первым аккумулятором энергии, причем для подзарядки первого аккумулятора энергии в режиме отсутствия движения второй преобразователь постоянного напряжения активируется, чтобы первый аккумулятор энергии через второй преобразователь постоянного напряжения непосредственно соединить с вторым аккумулятором энергии и снабжать энергией из второго аккумулятора энергии.

Согласно этому варианту, ток подзарядки направляется из второго аккумулятора энергии не через вторую частичную сеть и первый преобразователь постоянного напряжения в первую частичную сеть, а через второй преобразователь постоянного напряжения и провод, который соединяет второй преобразователь постоянного напряжения непосредственно с первым аккумулятором энергии, так что первый преобразователь постоянного напряжения и вторая частичная сеть не должны активироваться для процесса подзарядки и предпочтительным образом не активируются.

В предпочтительном варианте этого примера выполнения второй преобразователь постоянного напряжения размещен на втором аккумуляторе энергии и/или конструктивно встроен во второй аккумулятор энергии. Этот вариант предоставляет преимущество, состоящее в том, что второе номинальное напряжение, которое предпочтительно выше, чем первое номинальное напряжение, во время процесса подзарядки во втором аккумуляторе энергии остается закрытым, так как напряжение заряда посредством второго преобразователя постоянного напряжения непосредственно на втором аккумуляторе энергии преобразуется в напряжение заряда первого аккумулятора энергии или номинальное напряжение первой частичной сети.

Второй преобразователь постоянного напряжения может быть рассчитан по мощности меньшим, чем первый преобразователь постоянного напряжения, так как посредством него, как правило, должны компенсироваться только токи покоя в первой частичной сети и собственный разряд первого аккумулятора энергии. Тем самым, второй преобразователь постоянного напряжения может быть выполнен экономичным образом.

Согласно другому аспекту изобретения, автомобиль может быть полугибридным, гибридным или электрическим транспортным средством. Номинальное напряжение в первой частичной сети может составлять, например, 12 В (легковые автомобили) или 24 В (грузовые автомобили). Номинальное напряжение второй частичной сети предпочтительно больше, чем номинальное напряжение первой частичной сети и может составлять, например, 48 В или быть высоковольтным напряжением. Однако конкретный выбор уровней напряжения обеих частичных сетей не имеет значения для осуществления изобретения.

Емкость первого аккумулятора энергии предпочтительно меньше, чем емкость второго аккумуляторы энергии. Первый аккумулятор энергии может быть кислотной батареей или свинцовым аккумулятором. Следует, однако, подчеркнуть, что и другие типы аккумуляторов возможны для первого аккумулятора энергии, так как соответствующий изобретению способ делает возможным конструктивное выполнение аккумулятора в первой частичной сети менее мощным.

Другой аспект изобретения относится к автомобилю, в частности грузовому автомобилю, имеющему бортовую сеть, как описано выше, и устройство управления, которое выполнено с возможностью осуществления способа снабжения напряжением бортовой сети, как описано выше.

Дальнейшие детали и преимущества изобретения будут описаны ниже со ссылками на приложенные чертежи, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - блок-схема бортовой сети с двумя частичными сетями;

Фиг.2 - блок-схема бортовой сети с двумя частичными сетями и дополнительным преобразователем постоянного напряжения согласно форме выполнения изобретения;

Фиг.3A и 3В - способ снабжения напряжением первой частичной сети через вторую частичную сеть в режиме движения транспортного средства согласно форме выполнения изобретения;

Фиг.4 - способ снабжения напряжением первой частичной сети в режиме отсутствия движения транспортного средства согласно форме выполнения изобретения;

Фиг.5A - подзарядка аккумулятора энергии в первой частичной сети в режиме отсутствия движения согласно форме выполнения изобретения; и

Фиг.5B - подзарядка аккумулятора энергии в первой частичной сети в режиме отсутствия движения согласно другой форме выполнения изобретения.

Одинаковые или эквивалентные компоненты на всех чертежах обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Фиг.1 схематично показывает пример выполнения для бортовой сети 1 транспортного средства, в частности, грузового автомобиля. Бортовая сеть 1 имеет, известным образом, две частичных сети 2, 3.

Первая частичная сеть 2, в которой приложено первое сетевое напряжение U1, например 24 В, включает в себя первый аккумулятор 5 энергии, например, в форме кислотной батареи, и нагрузочное сопротивление. Нагрузочное сопротивление образовано посредством по меньшей мере одного, как правило, посредством нескольких потребителей 9. Потребителям в первой частичной сети 2 требуется постоянное питающее напряжение.

Бортовая сеть включает в себя, кроме того, вторую частичную сеть 3, в которой приложено второе сетевое напряжение U2, например 48 В, и в которой предусмотрена электрическая машина 8, которая может работать в режиме генератора и в режиме электродвигателя 8, например, стартер-генератор, которая через инвертор 7 подключена к частичной сети 3. Электрическая машина 8 предоставляет в режиме двигателя приводную мощность для трансмиссии. Во второй частичной сети 3, кроме того, предусмотрен второй аккумулятор 6 энергии. Второй аккумулятор 6 энергии выполнен с возможностью накопления электрического заряда, выработанного электрической машиной 8 в режиме генератора или режиме рекуперации. В режиме двигателя электрическая машина 8 снабжается электрической энергией из аккумулятора 6 энергии. Аккумулятор 6 энергии может быть выполнен, например, как литий-ионный аккумулятор. Во второй частичной сети 3 могут, кроме того, опционально также подключаться один или несколько потребителей (не показаны). Обе частичные сети 2 и 3 могут быть связаны по массе.

Бортовая сеть 1 содержит, кроме того, преобразователь постоянного напряжения (DC/DC-преобразователь) 4, который связывает известным образом первую частичную сеть с второй частичной сетью, так что энергия из второй частичной сети 3 может передаваться в первую частичную сеть 2. Преобразователь 4 постоянного напряжения может также быть выполнен двунаправленным.

Управление бортовой сетью 1 осуществляется с помощью блока 11 управления, который через соответствующие сигнальные и измерительные провода 12 соединен с соответствующими компонентами бортовой сети 1, чтобы обеспечивать снабжение первой частичной сети 2 с требуемой стабильностью. Кроме того, блок управления через провода управления (не показаны) соединен с электрической машиной 8, чтобы управлять ее отдачей мощности. Блок управления может, кроме того, через провода управления соединяться с отдельными потребителями (не показано), чтобы их, по мере необходимости, отключать или подключать.

Блок 11 управления, в частности, выполнен с возможностью управления снабжением напряжением обеих частичных сетeй 2, 3. Если транспортное средство находится в режиме движения, то первая частичная сеть 2 снабжается напряжением из второй частичной сети 3 через преобразователь 4 постоянного напряжения, который для этого управляется соответствующим образом блоком 11 управления. Снабжение первой частичной сети в режиме движения представлено на Фиг. 3A и 3B.

Электрическая энергия для снабжения первой частичной сети 2 может при этом отбираться либо из второго аккумулятора 6 энергии, что показано на Фиг.3A, либо предоставляться от электрической машины, если она находится в режиме генератора, что представлено на Фиг.3B. Жирные стрелки схематично иллюстрируют при этом поток энергии, что также справедливо для Фиг. 4, 5A и 5B.

Согласно показанному на Фиг.3A варианту, аккумулятор 6 энергии снабжает как электрическую машину 8, которая находится в режиме двигателя, энергией, так и первую частичную сеть 2. Согласно показанному на Фиг.3B варианту, электрическая энергия, которая была выработана машиной 8 в режиме генератора, может подаваться как к аккумулятору 6 энергии, так и в первую частичную сеть.

В режиме движения осуществляется, таким образом, снабжение первой частичной сети 2 электрической энергией, если возможно, всегда через вторую частичную сеть 3. Аккумулятор 5 энергии в первой частичной сети служит только в качестве буфера в случае пиков нагрузки, т.е. в фазах, на которых вторая частичная сеть 3 не может предоставить достаточно энергии для первой частичной сети 2, или если энергоснабжение первой частичной сети 2 через вторую частичную сеть 3 нарушено. Таким образом, только при пиках нагрузки или в случаях, когда кратковременно энергия не может предоставляться из второй частичной сети, предоставляется энергия из первого аккумулятора 5 энергии для обслуживания требований нагрузки в первой частичной сети. Первый аккумулятор 5 энергии, таким образом, рассчитывается на сравнительно малый объем аккумулирования энергии. Первый аккумулятор 5 энергии в режиме движения периодически или при спадании ниже минимального количества заряда вновь подзаряжается энергией из второй частичной сети 3.

В режиме отсутствия движения, т.е. при остановленном или выключенном приводном двигателе, преобразователь 4 напряжения и блок 11 управления, как правило, деактивированы. В режиме отсутствия движения первая частичная сеть при требовании нагрузки может снабжаться напряжением посредством первого аккумулятора 5 энергии, что представлено на Фиг.4. Примером такого требования нагрузки может быть запуск устройств управления для возобновления режима движения или запуск электродвигателя стартера, который может находиться в первой частичной сети.

Кроме того, в остановленном состоянии контролируется состояние заряда первого аккумулятора энергии. Если состояние заряда первого аккумулятора 5 энергии спадает ниже предопределенного порогового значения минимального состояния заряда, например, на основе тока покоя в первой частичной сети 2 или на основе собственного разряда аккумулятора 5 энергии, то запускается процесс подзарядки. При этом в режиме отсутствия движения первый аккумулятор 5 энергии снова заряжается энергией из второго аккумулятора 6 энергии.

Первая возможность выполнения процесса подзарядки представлена на Фиг.5A.

В режиме отсутствия движения, согласно показанному на Фиг.5A варианту, блок 11 управления и преобразователь 4 постоянного напряжения во время процесса подзарядки активируются, так что энергия может протекать от второго аккумулятора 6 энергии в первый аккумулятор 5 энергии.

Необходимые объемы энергии в остановленном состоянии типично достаточно малы, так что интервалы до подзарядки несмотря на малую емкость первого аккумулятора 5 энергии могут оказываться большими, а времена подзарядки несмотря на это быть короткими.

На Фиг.2 показана другая форма выполнения бортовой сети 1. Особенность состоит в том, что второй аккумулятор 6 энергии через дополнительный преобразователь 10 постоянного напряжения может соединяться непосредственно с первым аккумулятором 5 энергии. Дополнительный преобразователь постоянного напряжения по сравнению с преобразователем 4 постоянного напряжения рассчитывается меньшим по мощности и, тем самым, более экономичным. Дополнительный преобразователь 10 постоянного напряжения конструктивно встроен во второй аккумулятор 5 энергии, так что при активации дополнительного преобразователя 10 постоянного напряжения электрическая энергия, которая накоплена в аккумуляторе 6 энергии, непосредственно преобразуется с понижением во втором аккумуляторе энергии в номинальное напряжение U1 и затем по проводу 11 может передаваться к первому аккумулятору 5 энергии, чтобы заряжать его.

Согласно этому варианту, снабжение первой частичной сети в режиме движения осуществляется таким же образом, как в первом примере выполнения, и представлено на Фиг.3A и 3B. Повторный заряд разряженного первого аккумулятора 5 энергии в режиме отсутствия движения осуществляется, однако, теперь согласно показанному на Фиг.5B варианту.

Если контроль состояния заряда первого аккумулятора 5 энергии в режиме отсутствия движения показывает, что состояние заряда первого аккумулятора 5 энергии снизилось ниже предопределенного порогового значения для минимального состояния заряда, то запускается процесс подзарядки. При этом дополнительный преобразователь 10 постоянного напряжения активируется, и первый аккумулятор 5 энергии заряжается энергией непосредственно из второго аккумулятора 6 энергии по проводам 11.

Согласно этому варианту, таким образом, для подзарядки первого аккумулятора 5 энергии первый преобразователь постоянного напряжения и вторая частичная сеть 3 не требуется активировать, так что подключенные к ним компоненты не могут потреблять никакого тока.

Посредством второго преобразователя 10 постоянного напряжения первый аккумулятор 5 энергии может непосредственно питаться низким напряжением, например 24 В, из второго аккумулятора 6 энергии.

Хотя изобретение было описано со ссылками на определенный пример выполнения, для специалиста в данной области техники должно быть очевидно, что могут выполняться различные изменения, и могут применяться эквиваленты в качестве замены, без отклонения от объема изобретения. Дополнительно может осуществляться множество модификаций без отклонения от соответствующего объема изобретения. Следовательно, изобретение не должно ограничиваться раскрытыми примерами выполнения, а должно включать в себя все примеры выполнения, которые охватываются объемом приложенных пунктов формулы изобретения. В частности, изобретение также испрашивает защиту для предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения независимо от пунктов, на которые они ссылаются.

Список ссылочных позиций

1 бортовая сеть

2 первая частичная бортовая сеть

3 вторая частичная бортовая сеть

4 преобразователь постоянного напряжения

5 аккумулятор энергии

6 аккумулятор энергии

7 инвертор

8 электрическая машина

9 электрический потребитель

10 преобразователь постоянного напряжения

11 блок управления

12 провода управления

Реферат

Изобретение относится к электрооборудованию автомобилей. В способе снабжения напряжением бортовой сети автомобиля, в режиме движения снабжают первую частичную сеть напряжением из второй частичной сети через первый преобразователь постоянного напряжения. Первый аккумулятор энергии применяется для покрытия пиков нагрузки. В режиме отсутствия движения снабжают первую частичную сеть напряжением посредством первого аккумулятора. Подзаряжают первый аккумулятор энергией из второго аккумулятора в режиме отсутствия движения. Подзарядка первого аккумулятора осуществляется периодически и/или тогда, когда контролируемый параметр, который является мерой для состояния заряда первого аккумулятора энергии, указывает спадание ниже заданного минимального состояния заряда первого аккумулятора. Для подзарядки первого аккумулятора в режиме отсутствия движения первый преобразователь постоянного напряжения и вторая частичная сеть активируются для процесса подзарядки. Улучшается снабжение сети. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула