用于车辆的多个车载电力系统支路的受控连接的方法、用于执行该方法的控制单元以及 ...的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及车辆电源的领域，并且具体地涉及允许稳定的电压供应的方法和控制单元。
【背景技术】
[0002]为了操作耗电装置(也表示为负载)，在机动车辆中设置了车载电力系统。一些类型的耗电装置对于供应电压中的电压骤降或电压尖峰特别敏感，例如，车载电力系统电子装置，甚或照明装置。如果这种敏感耗电装置遇到电压骤降或电压尖峰，则可以至少部分地损害它们的功能。在这种情况下，可以损害车辆的运行，并且/或者出现不期望的负面影响，诸如，机动车辆的照明装置的短暂变暗。
[0003]此外，已知的是使用具有低内阻和高电功率的蓄电池来吸收电压尖峰或电压骤降。然而，显著的电压骤降尤其出现在高突发性加载的情况下，尽管存在高电容和高功率(以及，由此导致的高空间要求和大重量)。
[0004]而且，尤其是在现代的车辆中，存在动态的耗电装置，耗电装置的运行可以引起严重的电压骤降，比如，起动/停止模块的起动电机或电动转向系统的驱动器，诸如在停车助手中使用的。具体地，这些动态耗电装置不仅在初始冷起动时或停车时被启动，在车辆运行期间也被启动。
[0005]由于要确保在车辆的初始冷起动与最终停车之间的运行，例如，为了具有起动/停止模块的车辆的车载电力系统稳压，文献DE 10248658 B4提出，除了耗电型车载电力系统蓄电池之外，提供另一储能装置，所述另一储能装置用于在发生电压骤降时进行备份。根据所述文献，切换开关(为详细描述)在耗电型铅酸蓄电池与第二储能装置之间切换，由该切换引起的电压尖峰由功率分配器吸收。功率分配器基于脉冲宽度调制功率开关。此外，第二储能装置由DC/DC电压转换器操作，从而使得在用于车载电力系统稳压的功率部件上的总开销较高。在所述文献中提出的方案因此会导致高成本。而且，所述文献未揭示在切换开关发生故障情况下的安全机构的任何指示，从而，在切换开关发生故障行为时，该文描述的电路可以导致电路部件毁灭，尤其会导致第二储能装置的过度充电，当第二储能装置实现为超级电容器时，第二储能装置可在发生过度充电时破裂。
[0006]因此，本发明的目的在于演示一种能够使上述问题中的至少一个问题得以解决的方法。
【发明内容】
[0007]该目的借助于独立权利要求项的主题来实现。特定实施例与附属权利要求项的特征相结合。
[0008]本发明即使在具有强耗电动态的耗电装置的情况下也可以按照简单的方式对车载电力系统进行稳压。确保在稳压的情况下所需的开关过程不会引起任何隐患。具体地，有效地使用现有的储能装置。此外，与现有技术相比较，可以节省成本、结构空间和重量。而且，可以省去引起高成本和高散热的若干功率部件。与现有技术相比较，可以实现明显更鲁棒的且更可靠的网络稳压，尤其避免了车载电力系统支路中的附加储能装置和/或至少一个其他部件的过载。此外，本发明允许极快速地切换附加储能装置。结果，即使在耗电装置需要极大不同的电流的情况下，也可以实现均匀的电压供应。具体地，用于控制和监控的部件就其功能方面而目性价比尚且尚效。
[0009]在本文所描述的方法的情况下，提供车辆的车载电力系统，该车载电力系统将至少根据功能分离成或细分为多个车载电力系统支路。第一车载电路系统支路包括动态耗电装置，由于高电流需量，具体地，由于突发性电流需量，该动态耗电装置可以引起电压波动。第二车载电路系统支路包括电力存储装置，比如，锂蓄电池或包括至少一个超级电容器(“ supercap ”)的超级电容器布置。超级电容器布置可以包括一个或多个超级电容器，其中，在多个超级电容器的情况下，多个超级电容器可以并联连接，优选地，串联连接。在电流需量发生突发性上升时，电力存储装置用于备份或向敏感耗电装置供电。第三车载电路系统支路包括至少一个敏感耗电装置，具体的，其功能由于电压骤降或电压尖峰而受损的耗电装置，比如，车载电子装置(例如，发动机控制器或ECU、发动机控制单元)或车内或车外照明装置。术语“敏感耗电装置”指对电压骤降(或电压尖峰)敏感并且在这种情况下(具体地，电压骤降)可以引起失灵的耗电装置，或出于安全原因必须对其功能进行维修的耗电装置。因此，敏感耗电装置是指其功能对于电压骤降或过度电压增加敏感或其功能与在车辆运行期间的安全有关的耗电装置。
[0010]在第一车载电力系统支路中，设置有第一电力存储装置，比如，起动机电池，以及具体地，铅酸蓄电池。在第二车载电力系统支路中，电力存储装置表示为第二电力存储装置。称号“电力存储装置”意味着这些存储装置是为操作电力电子装置或电力电气装置而设置的。电力存储装置存储电能。
[0011]在电压或电压波动处于标称范围内的正常运行期间，第一车载电力系统支路点耦合至第三车载电力系统支路，从而使得敏感负载由第一电力存储装置提供(或由对第一电力存储装置充电的发电机提供)。为了持续地对第一电力存储装置再充电，在第一车载电力系统支路中，优选地，在第三车载电力系统支路中，设置发电机，具体地，由车辆的内燃机驱动的交流发电机。在正常运行期间，发电机运行以便持续地对第一电力存储装置充电。因此，敏感耗电装置获得了基本上恒定的车载电力系统电压。
[0012]术语“电力存储装置”是指输出功率和/或存储容量在极大程度上或基本上完全足以补偿在车辆的车载电力系统支路中的电压骤降的储电装置。电力存储装置具有的标称峰值电流为至少10A，优选地，至少50A、100A，尤其优选地，至少200A、500A或1200A。第一电力存储装置可以是长期电力存储装置，诸如，尺寸如起动机电池的铅酸蓄电池，或者可以是一些其他电化学或静电储能装置。这也适用于第二电力存储装置。在一个具体的实施例中，第二电力存储装置可以短期存储装置，第二电力存储装置的容量比第一电力存储装置的容量明显低，比如，至少2、10或20，尤其优选地，至少50或100的因子。第二电力存储装置可以是例如超级电容器布置或铅酸或NiMH蓄电池。第一电力存储装置可以是铅酸或NiMH蓄电池，例如。当将超级电容器布置用作第一或第二电力存储装置时，其优选地具有至少 50F、300F、500F、1000F，优选地，至少 5000F、10000F 或 12000F 的电容。
[0013]根据一种方法，按照如下的方式识别并且处理电压骤降。如果启动了动态耗电装置，即，比如起动机电机或电动转向驱动器，则也许第一电力存储装置提供的能量和发电机提供的能量不足以防止明显的电压骤降。中断在动态耗电装置(即，干扰源)(一方面)与敏感耗电装置(另一方面)之间的直接连接，以便防止在第三车载电力系统支路中的敏感耗电装置受到在第一车载电力系统支路中的动态耗电装置的影响。为了使该直接连接的中断不会引起敏感耗电装置所在的第三车载电力系统支路中的电功率不足，连接第二电力存储装置所在的第二车载电力系统支路。
[0014]—种类似方法实现了将第二车载电力系统支路连接至第一车载电力系统支路以便防止电压骤降，其中，将在第一与第三车载电力系统支路之间的连接保留下来，并且将第二车载电力系统支路的储能装置与第一车载电力系统支路的储能装置串联连接。上面提及的两种方法的共同之处在于将第二车载电力系统支路连接至第三车载电力系统支路。在连接第二车载电力系统支路的情况下，完全地(参见所提及的第一种方法)或不完全地(参见所提及的第二种方法)断开第一车载电力系统支路。完全断开也称为MOSFET的完全开路(complete opening)，在完全开路的情况下，MOSFET的衬底二极管将源极端子连接至漏极端子。
[0015]原则上，出于供电或支持，可以借助于开关装置将第二车载电力系统支路连接至第三车载电力系统支路，从而使得在第三车载电力系统支路中的操作电压对应于在第二电力存储装置处的电压。具体地，通过并联连接相关的车载电力系统支路来实现连接。作为替代实施方式，可以串联连接第二电力存储装置，从而使得在第三车载电力系统支路中的电压对应于由串联连接第一车载电力系统支路和第二车载电力系统支路引起的电压。在串联连接第一和第二电力存储装置的情况下，可以将第一电力存储装置接地，而将第二电力存储装置连接至第一电力存储装置的正极和第三车载电力系统支路的正车载电力系统支路电位，反之亦然。此外，可以将第一电力存储装置连接至正车载电力系统支路电位，而将第二电力存储装置接地并且连接至第一电力存储装置的负极。由此，可以相对于电位将第二电力存储装置连接在第一电力存储装置的下方或上方。可以将并联连接视为通过第二电力存储装置对第三车载电力系统支路进行电流备份。可以将串联连接视为通过第二电力存储装置对第三车载电力系统支路中的操作电压进行备份。
[0016]在电压骤降的情况下，尤其是在第三车载电力系统支路中出现电压骤降的情况下，由此连接第二车载电力系统支路(即，第二电力存储装置)。借助于切换开关，优选地借助于电子切换开关，例如基于作为开关装置的M0SFET，来实现连接。鉴于动态负载(诸如，起动/停止模块和电动转向驱动器)的若干开关循环，不言而喻的是，所使用的切换开关必须是为这种大量切换过程而设计的。为此，基于半导体的切换开关优于机电切换开关。
[0017]假设切换开关实现为两个开关装置的形式，这两个开关装置交替地断开和闭合。设置保护机构，以便防止这两个开关装置同时闭合(或断开)。
[0018]该保护机构或用于这两个开关装置的可靠驱动机构是本文所论述的主题的其中一个实质方面。假设这两个开关装置分别由驱动装置驱动。其中一个驱动装置接收来自这两个驱动装置中的另一个的开关状态信号，以便能够防止同时闭合。该开关状态信号表示一个开关装置的开关状态，从而使得在另一个开关装置的驱动装置处存在有关第一次提及的开关装置实际上是否闭合或断开的信息。具体地，存在有关第一驱动装置实际上是否驱动第一开关装置闭合或断开的信息。可以将驱动装置视为驱动器，并且可以实现为例如用于功率MOSFET的栅极驱动器。
[0019]该机构可以在不使用(附加的)功率部件的情况下实现简单且可靠的安全机构，该安全机构防止，比如，第一电力存储装置的过度充电、在电力存储装置处的过电流或开关装置的过载、或车载电力系统崩溃。接收开关状态信号的驱动装置对设计来连接或分开第二车载电力系统支路的开关装置进行驱动。
[0020]因此，描述了一种用于车载电力系统的多个车载电力系统支路的受控连接的方法。其车载电力系统支路以受控的方式连接的车载电力系统优选地是车辆的车载电力系统。受控连接涉及在车载电力系统支路之间的受控中断和产生导电连接。该多个车载电力系统支路具体包括第一、第二和第三车载电力系统支路，这些车载电力系统支路可以如本文所描述的包含在内。如果在第三车载电力系统支路中出现标称或非临界供应状态，则在第一车载电力系统支路与第三车载电力系统支路之间交换电功率。经由第一开关装置在第一与第三车载电力系统支路之间交换电功率。第一开关装置按照可电耦合的方式连接第一与第三车载电力系统支路。术语“标称供应状态”是指电流、电压和/或温度，具体地，储能装置的(具体地，储能装置的单独的电池或单独的电容器的)电荷状态(SOC)或健康状态(S0H)，处于标准区间的状态，该标准区间表示电力存储装置的尺寸确定。
[0021]具体地，将来自第三车载电力系统支路中的发电机的能量作为电功率提供给第一车载电力系统支路中的第一电力存储装置，具体地是作为对储能装置充电的电能。同样，可以将电能从第一车载电力系统支路转移到第三车载电力系统支路，比如，以便对第三车载电力系统支路中的发电机进行备份，从而使得在第三车载电力系统支路中的敏感耗电装置接收来自第三车载电力系统支路中的发电机的电能和/或来自第一车载电力系统支路的电能，具体地，瞬态或短暂能量提升。
[0022]尤其是如果在第三车载电力系统支路中的敏感耗电装置处(S卩，在第三车载电力系统支路自身中)发生过低电压，具体地，电压骤降，则临界供应状态发生。这由第一(或第三)车载电力系统支路中的动态耗电装置(例如，起动机或电动转向系统)导致。如果存在临界供应状态，则在第二车载电力系统支路和第三车载电力系统支路之间交换电功率。在这种情况下，经由第二开关装置交换电功率。第二开关装置按照可电耦合的方式连接第二和第三车载电力系统支路。第一开关装置优选地在通过第二开关装置连接之前断开。
[0023]具体地，经由第二开关装置将来自第二车载电力系统支路的电能提供至第三车载电力系统支路。在这种情况下，第二车载电力系统支路用作附加能量源，以便对第三车载电力系统支路进行备份以及获得在该处的更高操作电压可靠性。在一些实施例中，在临界供应状态中，将第一车载电力系统支路与第三车载电力系统支路断开，以便将第一车载电力系统支路种的动态耗电装置(即，干扰源)与敏感耗电装置所在的第三车载电力系统支路断开。
[0024]为了按照受控的方式根据供应状态来连接多个车载电力系统支路，监测第三车载电力系统支路中的供应状态。监测第三车载电力系统支路中的供应状态有多种可能性。下面提出了这些可能性，具体地，涉及在第三车载电力系统支路中的电压监测、或监测流经第一开关装置(以及具体地，从第三车载电力系统支路流入第一车载电力系统支路，反之亦然)的电流或其时间梯度。具体地，监测第三车载电力系统支路中的该至少一个敏感耗电装置的供应状态。此外，可以监测在第一或第三车载电