具有冗余的车辆供电系统和用于控制供电系统的方法与流程

本发明涉及一种具有冗余的车辆供电系统和一种用于控制供电系统的方法。特别地，本发明涉及一种包括用于确保可靠的供电操作的冗余功能的供电系统。

背景技术：

在现代车辆中，减少内燃机的排放以符合环境法规变得越来越重要。由于减少的燃料消耗直接导致减少的排放，因此希望找到用于进一步降低车辆的燃料消耗的先前未开发的路径。

减少燃料消耗的一种方法是将先前由内燃机提供动力的车辆的功能转换为电动的，即从机械领域迁移到电气领域的功能。

而且，需要电力的车辆的功能越来越多，对供电系统提出了更高的要求。例如，许多车辆可以作为混合动力车辆操作，其中用于推进的动力部分地由车辆电池和电动机提供。还有越来越多的需要可靠的供电的关键安全系统和/或驾驶员辅助系统。

对于许多应用，存在于车辆中的12v供电系统不再足以提供所需的功率并且不再足以提供各种车辆系统所需的可靠性。

用于增加现有12v系统的可靠性和容量的一种方法是在车辆中提供额外的电池，或者用作主电池的备用电池，或者用于与第二电池并联运行。然而，额外的12v电池会给车辆增加显著且不合需要的重量、成本和复杂性。

至少由于上述原因，需要一种用于车辆的改进的供电系统。

技术实现要素：

鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供一种用于车辆的改进的供电系统。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于车辆的供电系统。该系统包括：电池组，包括至少两个并联的电池单元串，每个电池串形成具有第一输出电压的电池；开关机构，被配置为将所述至少两个电池中的一个连接到第一电池组输出端子，其中所述第一电池组输出端子连接到第一功率消耗器；以及多通道dc/dc转换器，其输入端连接到第一电池组输出端，多通道dc/dc转换器，其包括多个输出，其中多个输出中的至少一个被配置为提供第二电压，第二电压低于第一电压，并且其中多通道dc/dc转换器的至少一个输出连接到第二功率消耗器。

本发明基于以下认识：通过提供具有电池单元的冗余串的一个电池可以实现具有冗余功能的供电系统，并且其中供电系统还包括多通道dc/dc转换器。因此，无论电压要求如何，供电系统都能够向所有车辆负载供电。此外，如果一个电池组发生故障，则可以控制开关机构以将另一个电池组连接到电池组的输出端子以向负载提供功率，从而提供冗余而无需额外的电池。

因此，所描述的系统在供电链中产生冗余，随着关键负载从机械域迁移到电域，这变得越来越重要。通过利用电池组中的并行性和dc/dc转换器设计来实现冗余。通过稍微增加电池和dc/dc转换器的复杂性，与必须复制供电系统的组件相比，可以以显著降低的成本实现冗余。

根据本发明的一个实施例，开关机构可以包括用于每个电池的一个开关，以便将相应的电池单独地连接到第一电池组输出端子。因此，电池中的一个或多个可以连接到电池组输出端子。通过将多个电池与电池组输出并联连接，电池组的容量增加并且负载在几个电池之间平衡。

根据本发明的一个实施例，多通道dc/dc转换器被配置为在第一输出上提供第一功率电平并且在多通道dc/dc转换器的第二输出上提供不同于第一功率电平的第二功率电平。因此，dc/dc转换器的输出可以分成单独的组，以提供关于所提供的功率的额外冗余。此外，以不同的功率输出并联运行多个输出，可以在不同的输出功率水平下达到dc/dc转换的高效率。例如，对于低功率使用情况，需要单独的专用输出以实现高效率。

根据本发明的一个实施例，第一电压优选为48v，而第二电压为12v和/或5v。可以假设车辆的电压通过连接到电池的发电机的方式在48v电平上生成。因此，电池组可以直接向车辆的任何48v系统提供功率，而dc/dc转换器需要形成诸如其他车辆系统所需的12v和5v的较低电压。因此，与仅具有12v供电系统的传统汽车相比，dc/dc转换器取代了交流发电机。

根据本发明的一个实施例，电池组可以包括第二输出端子，该第二输出端子被配置为将电池组连接到第二功率消耗器。

根据本发明的一个实施例，供电系统还可包括将第一输出端子连接到第一负载的第一线束和将第二输出端子连接到第二负载的第二线束。因此，可以针对48v能量的分配实现冗余。第一和第二线束的使用也可以用于负载的集群，从而为诸如自动驾驶应用的关键负载实现高安全完整性。

根据本发明的一个实施例，多通道dc/dc转换器可以包括第一控制单元和第二控制单元，每个控制单元被配置为控制多通道dc/dc转换器的至少一个输出上的电压输出。因此，也可以在dc/dc转换器中提供冗余，其中第一和第二控制单元中的每一个可以被布置为独立地控制dc/dc转换器的每个输出。

根据本发明的一个实施例，dc/dc转换器的第一控制单元可以被配置为控制多通道dc/dc转换器的输出的第一子集，并且第二控制单元被配置为控制多通道dc/dc转换器的输出的第二子集，第二子集与第一子集不同。因此，每个控制单元可以例如被配置为控制具有单独功率要求的特定输出子集，以提高dc/dc转换器的效率。

根据本发明的一个实施例，开关机构还可以被配置为将第一电池串与第二电池串并联连接，并将并联耦合的电池串连接到电池组输出端子。这可以通过在电池组内部布置的单独开关来实现，以便如果例如增加功率要求则并联连接两个电池。它也可以通过其他类型的开关布置来实现。

根据本发明的一个实施例，开关机构还可以包括控制电路，其被配置为确定电池是否有故障，并且如果确定电池有故障，则控制开关机构以将故障电池与电池组输出端子断开连接并将可操作电池连接到电池组输出端子。

根据本发明的一个实施例，dc/dc转换器包括至少两个单独的并且冗余的输入/输出通道。因此，可以实现dc/dc转换器的完全冗余。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制车辆的供电系统的方法。供电系统包括电池组，电池组包括至少两个并联的电池单元串，每个串形成具有第一输出电压的电池，开关机构连接到电池组并且被配置为将至少两个电池中的一个连接到电池组输出端子，其中电池组输出端子连接到第一功率消耗器；以及多通道dc/dc转换器，其具有连接到电池组输出端子的输入端子，多通道dc/dc转换器包括多个输出。该方法包括控制多通道dc/dc转换器以在输出的至少一个上提供第二电压，第二电压低于第一电压，其中多通道dc/dc转换器的至少一个输出连接到第二功率消耗器。

根据本发明的一个实施例，该方法还可以包括控制多通道dc/dc转换器以在第一输出上提供第一功率电平并且在多通道dc/dc转换器的第二输出上提供不同于第一功率电平的第二功率电平。因此，通过以优化的功率电平操作多通道dc/dc转换器的每个输出，可以实现提高的转换效率。

根据本发明的一个实施例，该方法还包括确定电池是否有故障，并且如果确定电池有故障，则控制开关机构以将故障电池与电池组输出端子断开连接并将可操作电池连接到电池组输出端子。

本发明第二方面的效果和特征很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面所述的那些。

当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了下面描述的实施例之外的实施例。

附图说明

现在将参考示出本发明的示例实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的供电系统；

图2是概述根据本发明的实施例的方法的一般步骤的流程图；以及

图3示意性地示出了根据本发明的实施例的供电系统。

具体实施方式

在本详细描述中，将参考用于车辆的供电系统来描述根据本发明的系统和方法的各种实施例。

图1示意性地示出了用于车辆的供电系统100。该系统包括电池组102，电池组102包括至少两个并联的电池单元串，每个串形成具有第一输出电压的电池104a-b。在本说明书中，描述了一种48v供电系统，其中由第一和第二电池输出第一电压，并且因此由电池组输出的第一电压是48v。电池组还包括开关机构106、108，其被配置为将至少两个电池中的一个连接到第一电池组输出端子110。开关机构优选地集成在电池组102中并且在这里示出为两个单独的开关106、108，其被布置为将相应的电池104a、104b单独地连接到第一电池组输出端子110。可以优选地控制开关以并联连接两个电池104a-b，从而增加电池组102的容量并实现平衡的电池老化。然而，在一些应用中，可能希望通过仅将电池106、108中的一个连接到电池组输出端子110来实现甚至更可靠的冗余解决方案，从而确保otter电池可用作备用电池。此外，即使电池组在此示出为包括两个并联电池104a-b，同样可以在同一电池组内并联提供额外的电池。

第一电池组输出端子110连接到第一功率消耗器112，其是直接连接到电池组102的48v功率消耗器，并且还连接到车辆的发电机124，向电池组102提供48v功率。发电机例如，124可以是带集成的起动发电机(bisg)。

供电系统100还包括多通道dc/dc转换器114，其具有连接到第一电池组输出端子110以接收48v电压的输入端子(116)。多通道dc/dc转换器114包括多个输出118a-d，其中多个输出118a-d中的至少一个被配置为提供第二电压，第二电压低于第一电压。第二电压在此为12v，使得dc/dc转换器114的至少一个输出提供针对传统12v电池的替代，从而消除针对单独的12v电池的需要。多通道dc/dc转换器114的输出118a还连接到至少一个第二功率消耗器120、122，其可以是车辆中的多个传统12v负载中的一个。多通道dc/dc转换器114还可以提供其他电压，例如5v。从多通道dc/dc转换器114的每个输出118a-d输出的功率不是固定的，但可以是零功率和最大功率之间的所有功率，其中最大功率是针对其来设计输出的功率。功率消耗器120、122还可以被称为由dc/dc转换器114供电的负载。连接到dc/dc转换器的相同输出的负载接收相同的电压，而连接到dc/dc转换器114的不同输出的负载可以接收不同的电压和/或不同的功率。

48v系统通常在包括混合动力推进系统的车辆中提供，其中48v系统用于为车辆的一个或多个电动机提供动力以用于辅助车辆推进。然而，其他方便特性的负载也可以从传统的12v系统迁移到48v，例如风幕加热、空调系统的压缩机等。特别是，可能需要将具有高功率要求的负载移动到48v供电。48v负载通常直接连接到电池组102，而12v负载经由dc/dc转换器114连接。

dc/dc转换器114还被配置为提供某些安全关键的12v车辆负载(例如转向和制动)所需的高瞬态功率。dc/dc转换器114的增加的峰值功率容量允许12v车辆供电被移除，并且通常用作12v供电的重铅酸电池的移除将显著减少供电系统的重量和成本。

供电系统还包括控制电路(未示出)，其被配置为控制开关机构106、108和多通道dc/dc转换器114。控制电路可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一个可编程设备中的一个或多个。控制电路还可以或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在控制电路包括可编程设备(例如上述微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下，处理器还可包括控制可编程设备的操作的计算机可执行代码。

此外，可以并行提供第二组控制电路(未示出)，以便还为电池组102的控制功能提供完全冗余。以类似的方式，可以提供dc/dc转换器114的控制逻辑中的冗余和将dc/dc转换器114中的相位分离成两个单独的存储体，以实现供电系统100中的完全冗余。

图2是概述根据本发明的实施例的方法的一般步骤的流程图。该方法包括控制200多通道dc/dc转换器114以在输出228a中的至少一个上提供第二电压，其中第二电压低于第一电压。该方法可以进一步包括控制202dc/dc转换器114以在第一输出118a上提供第一功率电平和在多通道dc/dc转换器114的第二输出118b上提供不同于第一功率电平的第二功率电平。可以基于连接到相应输出118a-b的负载120、122的要求来调整和控制相应的功率水平。

此外，该方法包括确定204电池104a-b中的一个是否有故障，并且如果确定电池104a-b有故障，则控制206开关机构106、108以将故障电池与电池组输出端子断开连接并且将操作电池连接到电池组输出端子110。应当注意，所描述的方法步骤不一定按顺序执行，步骤中的一个或多个可以并行执行，作为供电系统100的整个控制过程的一部分。

图3示意性地示出了本发明的一个实施例，其中电池组102包括第二输出端子302。借助于第二输出端子302，第一和第二线束可以连接到相应的第一和第二输出端子110、302。

此外，dc/dc1和dc/dc2指的是dc/dc转换器114的两个独立且冗余的通道，每个通道能够独立地向安全关键负载120、122提供供电电压。因此，提供冗余的附加水平，其中线束分配系统对于需要非常高可靠性的功能是冗余的，例如高度自动化的驱动系统。dc/dc转换器114可以被视为连接到电池组102的多个负载之一。因此，所描述的系统确保为所有类型的单点故障(例如，串损、电缆损耗或dc/dc损耗)输送功率。

参考图3，可以处理以下单点故障：

-对于电池104a-b之一中的内部单元故障，开关故障或电池监控系统控制故障，可以使用开关机构106、108断开连接电池104a-b中的一个。即，电池组102的至少一个电池104a-b必须仍然能够为安全关键负载提供足够的功率。

-对于电池组102处或dc/dc转换器114处的松动螺母或电缆故障(例如，开路或短路)，电池组102和dc/dc转换器114之间的冗余连接确保功率仍然可以输送。

-对于dc/dc转换器114中的内部故障，冗余和单独的通道确保如果在dc/dc转换器114中发生故障，则dc/dc转换器114的至少一半仍然起作用。

-对于dc/dc转换器114处的松动螺母或电缆故障(例如，开路或短路)，在dc/dc转换器114的输出侧，到安全关键负载120、122的冗余连接确保功率输送。

-对于安全关键负载120、122中的内部故障(例如，开路或短路)，安全关键负载120、122在设计上是冗余的，在外部具有两个单独的连接。冗余转向系统将例如使用两个马达和两个控制单元，使得即使负载120122中的一个丢失也能确保功能。

尽管已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。而且，应该注意，供电系统的部分可以以各种方式省略、互换或布置，供电系统还能够执行本发明的功能。

另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。