电力结构的制作方法

1.本公开涉及电气和/或电子领域，具体地涉及电力结构，其尤其包括用于为例如载具内的各种电气设备和/或电子设备供电的电线或电缆。
2.更具体地，本公开涉及电力结构，其包括用于通过供电网络向多个节点控制器供电的具有不同电压的至少两个电源。本公开还涉及包括这种电力结构的载具。


背景技术：

3.以机动车领域为例，电力结构通常包括可用于至少为混合动力载具的电动机供电的48v的第一电池，以及可用于为诸如载具前灯、起动机、电子部件等的其它更多标准元件供电的12v的第二电池。待供电的不同元件通常分成多个组，每组由可称为区域控制器的电力输送点供电。因此，电力结构包括多个区域控制器，其作为用于为该结构的耗电装置供电的节点。
4.传统的电力结构通常使用径向连接线制成，即符合星形方案，以形成y形接法。在这种方案中，区域控制器可以由适当的电池单独供电，即由具有对于连接到相应区域控制器的耗电装置而言适当的电压的电池供电。这种结构的缺点在于，在电池或将电池连接到区域控制器的供电线发生故障的情况下，与其相连接的所有耗电装置都受到影响并关闭。
5.可以实现其它类型的结构以通过区域控制器向耗电装置供电，例如通过对电池与区域控制器之间的至少一些供电线进行加倍。在这种情况下，如果在向区域控制器供电的供电线中的一条供电线中有故障，则另一条冗余线将确保向区域控制器供电，从而维持与其连接的耗电装置的工作。然而，在电力结构中提供附加供电线作为冗余连接是非常昂贵的，尤其是由于供电线或电缆的显著横截面以及由于为了提供例如数十万机动载具而需要制造的重复电力结构的数量。
6.防止电池故障的另一种途径是提供具有高置信度的电池的电力结构，即具有比平均程度更可靠的电池。电池可以由机动车工业中已知的标准下的安全或可靠性级别来定义，该标准被命名为asil，作为机动车安全完整性级别(automotive safety integrity level)的首字母缩写。asil是由道路载具标准的功能安全性定义的风险分类方案。asil提供了一种分类(asil-a、asil-b、asil-c和asil-d)，有助于定义符合iso标准之一所需的安全要求。asil是通过查看载具运行场景的严重性、暴露和可控性并对潜在危害进行风险分析从而建立的。asil-d规定了产品(例如电池)的最高完整性要求，asil-a规定了最低完整性要求。因此，加了例如asil-b标记的电池将比加了asil-a标记的电池可靠和安全。然而，asil-b产品比asil-a产品昂贵。因此，如果结构必须被提供例如几十万次，则提高电池的asil级别以防止电力结构中的故障会变得非常昂贵。
7.此外，应当注意，如果具有例如asil-c级别的耗电装置连接到区域控制器，则区域控制器必须由具有至少相同asil级别的电池或由各自具有至少asil-b级别的两个电池供电。因此，可以理解，使用区域控制器为具有相对高asil级别的耗电装置供电会导致昂贵的电力结构。实际上，重要的是，包括电池和供电线的结构的电源中的简单故障不会导致由连
接到区域控制器的耗电装置(电力负载)提供的功能的损失。在提供较低成本的电力结构的同时满足这种要求是一个挑战。
8.文献us2020/0156476a1公开了一种电源系统，其可以适当地配置具有不同电压的多个电源系统。在上述文献中公开的电力结构接近于星形方案(y形接法)。
9.文献us5396970公开了一种电动踏板车，其从由安装在其上的电池驱动的电动机获得其驱动力。电源单元向需要高电压以发挥高驱动性能的电动机提供标称值48v的电力，并经由辅助电源向其他电气设备提供标称值12v的电力。
10.文献us2019/0009684a1涉及一种电力系统，其能够容易地解决设计变化，同时抑制从高电压的传导路径向低电压的传导路径的泄漏电流。
11.然而，由于在背景技术中提供的设备或系统不能解决前述问题，因此需要改进现有的公开内容以至少部分地克服前述缺点。特别地，适合于提出一种有效的，特别是有成本效益的，同时保持高安全性和可靠性的新方案。


技术实现要素：

12.为了解决这种问题，本公开提供了一种电力结构，其包括用于通过供电网络向多个节点控制器供电的具有不同电压的至少两个电源，各个节点控制器具有至少一个输出端口，所述至少一个输出端口用于与以所述电压中的一个电压工作的电力负载连接。根据本公开，该供电网络包括供电线，供电线将节点控制器以环形相互连接并从所述至少两个电源向所述节点控制器供电，并且各个节点控制器经由双向dc/dc转换器链接到供电线。
13.由于上述电力结构的特征，在至少两个电源中的一个电源发生故障或者供电线的一部分(例如，在两个节点控制器之间)被切断的情况下，所有节点控制器可以有利地仍然被供电。此外，由于各个节点控制器配备了双向dc/dc转换器，可以总是将适当的电压提供给节点控制器的至少一个输出端口。因此，与其连接的电力负载将有利地继续被适当地供电，这在电力负载涉及具有关键作用(例如安全特征)的耗电装置的情况下尤其重要。
14.此外，本公开的电力结构允许并且在没有冗余供电线或至少利用最少的冗余供电线的情况下，利用相对低asil级别的电源确保良好的可靠性。因此，上述电力结构在可靠的同时特别节省成本。
15.在一个实施方式中，双向dc/dc转换器提供稳定的输出电压。
16.根据另一实施方式，本公开的电力结构可以在第一操作模式下工作，在该第一操作模式下，双向dc/dc转换器将电源中的一个电源的电压转换为与所述电源中的另一电源的电压相对应的电压。
17.在另一实施方式中，前述电力结构可以在第二操作模式下工作，在该第二操作模式下，双向dc/dc转换器将所述电源中的一个电源的电压转换为相同电压。
18.根据一个实施方式，相同的操作模式应用于所有节点控制器。
19.在一个实施方式中，操作模式，更具体地，上述操作模式中的至少一个操作模式，由与向节点控制器供电的电源最靠近的节点控制器控制。
20.在另一实施方式中，操作模式，更具体地，上述操作模式中的至少一个操作模式，由连接到节点控制器中的至少一个节点控制器的主单元控制。
21.优选地，节点控制器检测在供电网络的供电线中由电源提供的输入信号，以确定
节点控制器处的任何电源故障。
22.在一个实施方式中，节点控制器检测供电网络的供电线中由电源提供的输入信号，以确定节点控制器处的睡眠模式或唤醒模式。
23.优选地，睡眠模式是通过在供电网络内将由电源中的一个电源提供的高电压转换为较低电压，优选地转换为由所述电源提供的最低电压来定义的，并且唤醒模式是通过在供电网络内将由电源中的一个电源提供的低电压转换为较高电压，优选地转换为由所述电源提供的最高电压来定义的。
24.在另一实施方式中，睡眠模式和/或唤醒模式由节点控制器中的任一个节点控制器来控制，或由连接到节点控制器中的至少一个节点控制器的至少一个主单元来控制。
25.优选地，电源由电池提供。
26.更优选地，电源提供48v、24v和12v中的电压。
27.在另一实施方式中，电力结构还包括数据通信网络，该数据通信网络包括将节点控制器以环形相互连接并向节点控制器提供数据或信息的通信线路。
28.本公开进一步涉及一种载具，优选地机动载具，其包括根据所述电力结构的任何实施方式或根据其实施方式的任何可能的组合的电力结构。
29.其它实施方式和优点将在下文的详细描述中公开。
附图说明
30.本说明书中提供的公开内容和实施方式应被视为非限制性示例，并且将参照附图更好地理解，其中：
31.图1是根据背景技术的电力结构的示例的示意图，
32.图2是包括在图1的区域控制器中的dc/dc转换器的效果的示意图，
33.图3是根据本公开的电力结构的实施方式的示意图，
34.图4是包括在图3的节点控制器中的双向dc/dc转换器的效果的示意图，
35.图5是在图3的电力结构中发生的可能故障场景的示意图，并且
36.图6示出了图3所示实施方式的变型例。
具体实施方式
37.图1描绘了根据背景技术的电力结构1'的示例。在图1的示例中，电力结构1'包括具有其自身电压的两个可再充电电池11'、12'。例如，第一可再充电电池11'的电压v1可以是12v，第二电池的电压v2可以是24v。可再充电电池11'、12'经由供电线31'向区域控制器20'供电，这些供电线一起限定了供电网络30'。更具体地，各个区域控制器20'经由供电线31'直接连接到可再充电电池11'、12'中的一者。因此，供电网络30'包括形成星形方案的径向供电线31'，即设置有y形电连接。
38.各个区域控制器20'可以被视为集中器，一些耗电装置41'，42'可以经由区域控制器20'的输出端口21'、22'与其连接。因此，所有耗电装置41'、42'分布在区域控制器20'之间。各个区域控制器20'还包括dc/dc转换器25'，以从与其连接的可再充电电池11'、12'的电压v1、v2向输出端口21'、22'提供适当的电压。因此，耗电装置41'、42'被提供适当的电压。
39.图2描绘了包括在图1的电力结构1'的区域控制器20'中的dc/dc转换器25'的示例。dc/dc转换器25'能够将输入电压转换成不同于输入电压的输出电压。如图2的示例所示，dc/dc转换器25'可以将48v的第一电压转换为12v的第二电压。或者，其可以将12v的第一电压转换成例如24v的第二电压。图1的电力结构1'通常可以在机动载具中实现，并且在相同电压(例如12v)下工作的耗电装置41'、42'通常可以不全部位于提供其需要的适当电压(即12v)的电池的相同位置或附近。因此，区域控制器20'的dc/dc转换器25'可以向由其供电的耗电装置41'、42'提供适当的电压。
40.图1的电力结构1'具有已经在本说明书的上述背景部分中提出的若干问题。本公开旨在克服这些问题的至少一部分。因此，在下面详细描述的图3至图6中示出了新的电力结构1。
41.图3是本公开的电力结构1的实施方式的示意图。虽然使用了“电力”来限定电力结构1，但是应当理解，其可以涉及电力和/或电子结构。电力结构1包括用于通过供电网络30向多个节点控制器20供电的(分别)具有不同电压v1、v2的至少两个电源11、12。
42.节点控制器也可以被称为区域控制器或分区控制器。节点控制器20作为关键元件出现，特别是在汽车工业中，并且为更先进的能力开辟了道路。其可以被认为是例如载具中的节点，其分割电气和电子结构，并且用作载具物理部分内的诸如各种传感器、外围设备和致动器的电力装置的所有功率分配(和数据连接需求，如果有的话)的集中器。上述电力装置是可称为电力负载41、42的耗电装置。在这种电力结构1中使用节点控制器20简化了布线，这可以允许较多的线束组件被自动化，从而降低成本。
43.例如如图3所示，各个节点控制器20配备有至少一个输出端口21、22，输出端口用于与以上述电压v1、v2中的一个电压工作的电力负载41、42连接。
44.与图1所示的背景技术的电力结构1'相比，本公开的电力结构1配备有至少以下特征：
45.供电网络30包括供电线31，该供电线将节点控制器20连接成环，并将来自上述至少两个电源11、12的电力提供给节点控制器20，以及
46.各个节点控制器20经由双向dc/dc转换器25链接到供电线31。
47.供电线31从第一个节点控制器20到最后一个节点控制器20连续地链接各个节点控制器20，最后将最后一个节点控制器20连接到第一个节点控制器。因此，供电网络30沿着具有环形形状的供电线31连接各个节点控制器20，即该供电线可以被认为是闭合供电线。
48.优选地，为了通过供电网络30向节点控制器20供电，电源11、12经由至少供电线段32、33连接到供电网络30。在图3、图5和图6的示例中，第一电源11经由供电线段33连接到供电线31，而第二电源12经由供电线段32以及经由节点控制器20中的一个节点控制器，特别是节点控制器20的dc/dc转换器25连接到供电线31。在这两种情况下，前述供电线段32、33可被视为供电网络30的一部分，使得供电网络30包括供电线31和供电线段32、33。应当理解，可以使用诸如供电线段32的供电线段将超过一个电源连接到节点控制器20，优选地连接到其dc/dc转换器25。
49.根据本公开并且如图4中示意性描绘的，这些dc/dc转换器是双向dc/dc转换器25，使得其各自能够将第一电压v1转换成第二电压v2并且将上述第二电压v2转换成上述第一电压v1。因此，与作为单向转换器的背景技术(图2)的dc/dc转换器25'相比，包括在本公开
的节点控制器20中的双向dc/dc转换器25可以被视为双向转换器。优选地，双向dc/dc转换器25由作为主机的节点控制器20控制。
50.根据前述内容，本公开还可以被归结为一种电力结构1，该电力结构包括由供电线31以环形相互连接的多个节点控制器20，供电线31向所述节点控制器20提供来自具有不同电压v1、v2的至少两个电源11、12的电力；各个节点控制器20配备有至少一个输出端口21，22，输出端口用于与以所述电压v1、v2中的一个电压工作的电力负载41、42连接，并且各个节点控制器经由可以由该节点控制器20控制的双向dc/dc转换器25链接到供电线31。
51.由于本电力结构1的特征，即使在至少两个电源中的一个发生故障和/或如果供电线31的区段中的一个区段由于任何原因而被损坏或切断，节点控制器也可被供电。此外，由于在节点控制器中设置了双向dc/dc转换器25，所以可以总是将适当的电压提供给任何节点控制器20的任何输出端口21、22。因此，连接到节点控制器20的电力负载41、42将继续正常操作。如果其必须确保重要的功能，例如安全任务，则继续正常工作是特别重要的。此外，如图3、图5和图6所示，电力结构1不需要冗余供电线，并且可以用具有比具有最高asil级别的电力负载41、42低的asil级别的电源11、12来供电，同时确保了有效的可靠性。换句话说，电力结构1看起来特别节省成本和可靠。
52.图5是与图3所示实施方式相同的电力结构1中可能发生的可能故障情况的示意图。为了更好地区分可能彼此相同的节点控制器20，图5的示例中所示的四个节点控制器20由附图标记20a、20b、20c和20d标识。在本示例中，已经考虑到故障在第一电源11的级别在电力结构1中发生。这种故障位于虚线椭圆内，虚线椭圆标记有表示十字的象形图以指示存在故障。故障可能在电源11中或在将电源11连接到供电线31的供电线段33内。由于电力结构1的特征，可以注意到，假定节点控制器20a至20b可以经由第二电源12来被进一步供电，第二电源12连接到节点控制器20a，特别是经由节点控制器20a的双向dc/dc转换器25连接到供电线31，则这样的故障不影响节点控制器20a至20b的工作。由于这种双向dc/dc转换器25存在于各个节点控制器20中，所以由剩余的可用第二电源12提供的电压v2仍然可以有利地由任何节点控制器20转换成应该由第一电源11提供的电压v1。实际上，由于双向dc/dc转换器25是双向的转换器，无论在双向dc/dc转换器25的输入处接收到什么电压值，电压v1、v2都可以分别被转换为例如电压v2、v1。
53.作为上述故障的另选或补充，如果在将节点控制器20a、20b、20c和20d相互链接的供电线31的区段中的任一区段中发生另一故障，则节点控制器仍将不受故障的影响。实际上，如果例如位于节点控制器20a与20d之间的供电线段由于任何原因被切断，则节点控制器20a、20b、20c和20d中的每一者仍然可以例如由第二电源12通过供电网络30的剩余部分供电，特别是通过连续地链接节点控制器20a、20b、20c和20d的供电线段供电。
54.因此，这些故障情形示出了本公开的电力结构1是可靠的，并且提供了显著的工作安全性，其确保了对各个节点控制器20的电力负载41、42的供电，而不需要冗余供电线段等。这意味着本公开允许合理化电力结构1内的连接线的数量，同时增加其安全级别或至少维持在最低所需级别。
55.根据一个实施方式，节点控制器20中的至少一个节点控制器的双向dc/dc转换器25提供稳定的输出电压。因此，由双向dc/dc转换器25输出的电压保持恒定，而与施加到容纳前述双向dc/dc转换器25的节点控制器20的电力负载41、42无关。
56.在一个实施方式中，双向dc/dc转换器25将电源11、12中的一个电源的电压v1、v2转换为与电源11、12中的另一电源的电压v2、v1相对应的电压。这种方案可以被称为第一操作模式。例如，双向dc/dc转换器25可以将48v的第一电压转换为12v的第二电压，并且由于其双向功能，因此也可以将12v的第二电压转换为48v的第一电压。应当理解，上述电压值是作为非限制性示例提供的。
57.在一个实施方式中，节点控制器20旨在经由其双向dc/dc转换器25在其输出端口21、22的各个输出端口处提供预定电压，而与其在输入处接收的电源电压无关。
58.在另一实施方式或第二操作模式中，双向dc/dc转换器25将电源11、12中的一个电源的电压v1、v2转换为相同的电压v1、v2。例如，双向dc/dc转换器25也可以将12v输入电压转换为12v输出电压。在这种情况下，仍然可以认为存在转换，特别是如果双向dc/dc转换器25将非稳定输入电压v1(或v2)转换为相同值v1(或v2)的稳定电压。
59.优选地，相同的操作模式，即上述第一操作模式或第二操作模式，不仅应用于节点控制器20中的一个或一些节点控制器，而且应用于电力结构1的所有节点控制器20。
60.更优选地，任何操作模式(即第一操作模式和/或第二操作模式)由与向节点控制器供电的电源11、12最靠近的节点控制器20控制。因此，在电源11、12中的一个电源发生故障的情况下，在供电线31限定的环内，与有故障的电源靠近的节点控制器20可以首先检测到故障。在多个节点控制器20可以被认为是作为所谓的最靠近的节点控制器的候选的情况下，可以选取其中一个节点控制器来控制操作模式。
61.在一个实施方式中，如图6中示意性示出的，任何操作模式(即，第一操作模式和/或第二操作模式)由连接到节点控制器20中的至少一个节点控制器的主单元50控制。通常，主单元50可以是电子控制单元(ecu)，即负责控制至少一个特定功能或设备的小实体。在图6所示的示例中，主单元50连接到节点控制器20中的一个节点控制器，更具体地连接到节点控制器20的输入端口23。
62.根据另一实施方式，节点控制器20旨在检测输入信号，例如在供电网络30的供电线31中由电源11、12提供的电压信号。这样的特征为节点控制器20提供了一种可能的方式来确定任何电源故障，特别是检测节点控制器20处的故障(即使故障发生在节点控制器外部，例如在电源内，在供电线段中，或在供电网络中的其它位置)。另选地，这种特征为节点控制器20提供了一种在节点控制器20处确定睡眠模式或唤醒模式的可能方式。睡眠模式可以被认为是低功率模式，唤醒模式可以被认为是高功率模式。
63.优选地，睡眠模式是通过在供电网络30内将由电源11、12中的一个电源提供的高电压转换为较低电压来定义的。较低的电压可以优选是由电源11、12输送的最低电压。更优选地，唤醒模式通过在供电网络30内将由电源11、12中的一个电源提供的低电压转换成更高电压，例如转换成由电源11、12输送的最高电压来定义的。
64.睡眠模式和唤醒模式中的至少一者可以由节点控制器20中的任一个节点控制器控制，或者例如如图6所示由连接到节点控制器20中的至少一个节点控制器的至少一个主单元50控制。
65.在一个实施方式中，离开睡眠模式可以由节点控制器20和主单元50中的至少一者来检测。假设电力结构1是在机动载具内实现的，这种检测可以由专用输入启动，该专用输入可以承载例如当机动载具的用户启动载具时触发的唤醒信号。检测睡眠模式或唤醒模式
中的任一个的节点控制器20或主单元50可以通知其他节点控制器20它们应当切换到适当的模式。供电网络30，特别是将所有节点控制器20彼此连续连接的供电线31，可以用于这种目的。
66.因此，有利地，假设当节点控制器20检测到供电网络30内、尤其是与其连接的供电线31内的电压变换或转换(例如，从v1到v2或从v2到v1)时，节点控制器20中的任一个节点控制器可解译这样的信息，则不需要添加用于传输允许将节点控制器20切换到适当模式(即睡眠模式或唤醒模式)的信息的特定线路或网络。使用供电网络30来承载这种信息(即，用于切换到睡眠模式或唤醒模式的命令)所带来的主要优点之一在于，信息以非常快速的方式，几乎瞬时地从一个节点控制器20发送到其它节点控制器。特别地，传输比使用例如基于多路复用通信的专用并行数据网络快得多。应当注意，在用户想要启动机动载具引擎的上述示例中，唤醒节点控制器20的信息速度是决定因素。实际上，一旦用户例如通过转动点火键或按下起动按钮而激活了用于起动发动机的系统，延迟起动机动载具是无法想象的。
67.优选地，电源11、12提供48v、24v和12v中的电压，更优选地提供48v的至少一个电压和12v的至少一个电压。
68.根据在图6中作为附加可能性集成的另一实施方式，电力结构1还包括数据通信网络40，该数据通信网络40包括通信线路41，该通信线路41将节点控制器20以环形相互连接并向节点控制器20提供数据或信息。数据通信网络40可以是多路复用数据通信网络。
69.为了更好地区分图6中所示的通信线路41和供电线31，通信线路41被用象形图标记，该象形图表示信封，象征着数据消息传输。相反，供电网络30的供电线31已经用表示闪电的另一象形图标记。数据通信网络40的通信线路41可用于承载对节点控制器20有用的大量数据或信息。与供电线31相反，通信线路41不需要以高速率传输所述数据或信息。因此，通信线路41特别方便用于承载复用数据。
70.最后并且如图3中示意性地描绘的，本公开进一步涉及一种载具60，具体地机动载具，该载具包括根据其任何实施方式或根据其实施方式的任何可能的组合的电力结构1。
71.虽然已经参照特定示例性实施方式描述了本公开主题的概述，但是在不脱离本说明书中公开的本公开的实施方式的更宽精神和范围的情况下，可以对这些实施方式进行各种修改和改变。