用于运行机动车车载电网用的能量供给单元的方法专利检索- 直流功率输入变换为直流功率输出专利检索查询-专利查询网

用于运行机动车车载电网用的能量供给单元的方法
申请号	CN201410139819.6	申请日	2014-04-09	公开(公告)号	CN104104257A	公开(公告)日	2014-10-15
申请人	罗伯特·博世有限公司;			发明人	S.延森;
摘要	本发明涉及用于运行机动车车载电网的能量供给单元的方法，所述机动车车载电网带有具有不同电压水平的至少一个第一子网和第二子网，其中能量供给单元包括电机，其经由变换器电路与第一子网和第二子网连接。在第一运行模式中，变换器电路的可切换的开关元件断开，该开关元件将变换器电路与第二子网连接，变换器电路作为逆变器电路被操控并且电机以电动机方式或发电机方式被运行。在第二运行模式中，变换器电路的可切换的开关元件闭合，变换器电路作为直流电压变换器被操控并且在第一子网和第二子网的电压水平之间进行直流电压变换。
权利要求	1.用于运行机动车车载电网的能量供给单元（1）的方法，所述机动车车载电网带有具有不同电压水平的至少一个第一子网（N1）和第二子网（N2），其中 -能量供给单元（1）包括电机（100），其经由变换器电路（200）与第一子网（N1）和第二子网（N2）连接，其中在第一运行模式中 -该变换器电路（200）的可切换的开关元件（S）断开，该开关元件将变换器电路（200）与第二子网（N2）连接， -该变换器电路（200）作为逆变器电路被运行并且 -该电机（100）以电动机方式或发电机方式被运行，并且其中在第二运行模式中 -该变换器电路（200）的可切换的开关元件（S）闭合， -该变换器电路（200）作为直流电压变换器被运行并且 -在第一子网（N1）和第二子网（N2）的电压水平之间进行直流电压变换。 2.根据权利要求1所述的方法，其中在第一运行模式中，通过作为逆变器电路操控的变换器电路（200）在第一子网（N1）和电机（100）之间传输电功率。 3.根据权利要求1或2所述的方法，在第二运行模式中，通过作为直流电压变换器操控的变换器电路在第一子网（N1）和第二子网（N2）之间传输电功率。 4.根据上述权利要求之一所述的方法，其中所传输的电功率通过时钟控制地操控该变换器电路（200）的开关（S1，S2，S3，S4，S5，S6）来调节。 5.根据上述权利要求之一所述的方法，其中在第一运行模式中电机（100）的多相输出电压被整流成第一子网（N1）的第一子网直流电压或者第一子网（N1）的第一子网直流电压被逆变成多相电压。 6.根据上述权利要求之一所述的方法，其中在第二运行模式中，第一子网（N1）的第一子网直流电压通过作为直流电压变换器操控的变换器电路（200）被变换成第二子网（N2）的第二子网直流电压（U2），或者第二子网（N2）的第二子网直流电压通过作为直流电压变换器操控的变换器电路（200）被变换成第一子网（N1）的第一子网直流电压。 7.根据上述权利要求之一所述的方法，其中经变换的子网直流电压的电压值通过时钟控制地操控该变换器电路（200）的开关（S1，S2，S3，S4，S5，S6）来调节。 8.根据上述权利要求之一所述的方法，其中在第二运行模式中，该变换器电路（200）的开关（S2，S5）和电机（100）的定子电感（L1）作为直流电压变换器运行。 9.根据上述权利要求之一所述的方法，其中该变换器电路（200）具有至少两个可切换的开关元件（S1，S2，S3），其中在第一运行模式中所述至少两个可切换的开关元件（S1，S2，S3）断开并且其中在第二运行模式中所述至少两个可切换的开关元件（S1，S2，S3）时间上错开地被闭合。 10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少两个可切换的开关元件（S1，S2*）中的每一个分别与该变换器电路（200）的各一个半桥（B1，B2，B3）的中间抽头（M1，M2，M3）连接。 11.计算单元（300），其被设立用于执行根据上述权利要求之一所述的方法。 12.带有程序代码装置的计算机程序，当所述程序代码装置在尤其是根据权利要求11所述的计算单元（300）上被实施时，所述程序代码装置促使计算单元（300）执行根据上述权利要求1至10之一所述的方法。 13.机器可读存储介质，具有存储于其上的根据权利要求12所述的计算机程序。 14.用于在机动车车载电网的能量供给单元（1）中使用的电机（100），所述机动车车载电网带有具有不同电压水平的至少一个第一子网（N1）和第二子网（N2），所述电机经由变换器电路（200）与第一子网（N1）和与第二子网（N2）连接，以及具有根据权利要求11所述的计算单元（300）。
说明书全文	用于运行机动车车载电网用的能量供给单元的方法技术领域 [0001] 本发明涉及用于运行机动车车载电网用的能量供给单元的方法，所述机动车车载电网带有具有不同电压水平的至少一个第一子网和第二子网。背景技术 [0002] 机动车车载电网可以以带有至少两个子网的所谓的双或多电压车载电网来构造。如果在所涉及的机动车中存在带有不同功率需求的耗电器，则例如采用这种网络。在该情况下，子网中的至少两个具有不同的电压水平，例如14V（所谓的低压子网）和48V（所谓的高压子网）。这些子网例如可以通过直流电压变换器相互连接。子网中的至少一个具有发电机装置，该发电机装置对子网馈电。经由所述直流电压变换器连接上的第二或另外的子网于是可以又从带有发电机装置的该子网被供电。 [0003] 电机尤其是可以在混合动力车辆中被使用，以便以电动机方式以及以发电机方式被运行。内燃机可以在低转速情况下通过电机的电动机式运行来支持，其中在该低转速情况下该内燃机还未提供其完全转矩。在车辆减速的情况下，可以通过电机的发电机式运行将动能转化成电能。 [0004] 在发电机式运行中电机必要时产生多相交流电，其可以针对机动车车载电网被整流。为了能够实现电机的电动机式以及发电机式运行，该电机可以被装备逆变器电路，其例如可以由电开关（例如以MOSFET形式）、所属的操控电路以及中间电容组成。为了对于电机的电动机式运行以及发电机式运行保证高功率，电机可以以高压子网的比较高的第一电压来运行或者对该高压子网供电。 [0005] 但是无论逆变器电路还是直流电压变换器的使用在此都是麻烦的并且与高的成本耗费相关联。此外，逆变器电路和直流电压变换器的两个分离的电路还要求在机动车中本来就非常受限的结构空间。 [0006] 因此值得期望的是提供简单、成本低并且节省空间的可能性，在机动车车载电网的不同子网情况下实现电机的发电机式以及电动机式运行。发明内容 [0007] 按照本发明建议一种带有权利要求1的特征的、用于运行机动车车载电网用的能量供给单元的方法。有利的扩展方案是从属权利要求以及后面的描述的主题。 [0008] 能量供给单元具有电机和连接于该电机上的变换器电路，其又与第一子网连接并且经由开关元件与多电压车载电网的第二子网连接。通过装备有这种开关元件的变换器电路的按照本发明的使用，可以将该变换器电路在第一运行模式中作为逆变器电路来运行或操控。在该情况下，该变换器电路拥有与传统逆变器电路相同的功能和优点并且尤其是能够类似于传统逆变器电路地被构成。在此，不仅能够实现电机的发电机式运行，其中该电机给机动车车载电网的第一子网供电，而且能够实现电机的电动机式运行，其中电机从第一子网被供电。 [0009] 在第二运行模式中，将变换器电路作为直流电压变换器运行或操控。在此，变换器电路以及必要时电机的相同的部件被使用并且被操控为使得在第一子网和第二子网的电压水平之间进行直流电压变换。按照本发明，相应地将变换器电路的尤其是为传统逆变器电路的部件和组件的已经存在的部件和组件也用于直流电压变换。由此，不需要附加的组件和部件并且可以减少成本耗费。集成耗费和结构空间需求同样被减少。 [0010] 本发明的能量供给单元相应地能够实现电机的发电机式运行以及电动机式运行并且能够实现机动车车载电网的多个子网的运行。本发明的能量供给单元因此将逆变器电路和直流电压变换器的优点和功能统一在一个唯一的电路中。 [0011] 例如具有微控制器的用于操控变换器电路的计算单元可以用于控制整流和逆变以及用于控制直流电压变换。此外，能够实现：电机可以将电功率直接传输到第一子网中以及第二子网中。这在电池故障情况下例如在发电机式紧急运行中是有利的。 [0012] 本发明尤其是对于电机、例如外部激励同步电机适用于在机动车中使用。该原理可以在能量回收系统（BRS,Boost-Rekuperations-System）的范畴中在电机（能量回收电机）中被使用。 [0013] 本发明的计算单元、例如机动车的控制设备尤其是以程序技术被设立用于执行本发明方法。计算单元优选构成带有电机的结构单元，以便整体上构成“智能的”电机。 [0014] 该方法以软件形式的实施是有利的，因为尤其是当进行执行的控制设备还被用于另外的任务并且因此原本就存在时，这引起特别少的成本。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD以及其他等等。经由计算机网络（因特网、内联网等等）下载程序也是可能的。 [0015] 本发明的另外的优点和扩展方案从说明书和附图中得到。 [0016] 可以理解，上面提到的并且后面还要阐述的特征不仅可以以分别说明的组合、而且也可以以其他组合或者单独地使用，而不脱离本发明的范畴。 [0017] 借助附图中的实施例来示意性示出本发明并且在后面参照附图详尽地予以描述。附图说明 [0018] 图1示意性示出了根据现有技术的带有能量供给单元的多电压车载电网的实施方式。 [0019] 图2示出了带有能量供给单元的多电压车载电网的实施方式，所述能量供给单元被设立用于执行本发明方法的实施方式。 [0020] 图3以电路图方式示出了能量供给单元的实施方式，该能量供给单元被设立用于执行本发明方法的实施方式。 [0021] 图4以电路图方式示出了按照本发明方法的实施方式的能量供给单元的直流电压变换的充电阶段（图4a）和放电阶段（图4b）。 [0022] 图5示意性示出了两个图表，所述图表可以在按照本发明方法的实施方式的能量供给单元的直流电压变换的充电阶段和放电阶段的过程中被确定。 [0023] 图6以电路图方式示出了带有三个开关元件的能量供给单元的实施方式，所述能量供给单元被设立用于执行本发明方法的另一实施方式。 [0024] 图7以电路图方式示出带有五相电机的能量供给单元的另一实施方式，所述能量供给单元被设立用于执行本发明方法的另一实施方式。具体实施方式 [0025] 彼此对应的元件用相同的参考标记说明。出于清楚起见，它们不被重复地阐述。 [0026] 在图1中示意性示出了根据现有技术的具有机动车车载电网的能量供给单元的多电压车载电网的实施方式。在该例子中，机动车被构造为混合动力车辆。在电机100之后连接有逆变器电路150。在该例子中电机100应当被构造为三相电机100。逆变器电路150用于对多相电流（在该例子中是三相电流）进行整流，所述电流由电机100在发电机式运行中提供。此外，逆变器电路150能够实现经整流的电流至三相电流的转换，以便使电机 100在电动机式运行中运行。 [0027] 在电机100的发电机式运行中，逆变器电路150提供例如48V的、机动车车载电网的第一子网N1的第一子网直流电压。借助该第一子网直流电压可以运行多个电组件，它们在图1中象征性示出并且被表示为V1和V2。这种电组件例如可以是混合动力车辆的电驱动装置或者被表示为V2的能量存储器。 [0028] 因为在混合动力车辆中的大多数电组件、例如内燃机起动装置、汽车收音机或车载计算机以小于第一子网直流电压的电压被运行，因此第一子网直流电压通过直流电压变换器DCDC而被减小成第二子网N2的第二子网直流电压、例如14V。以第二子网直流电压运行的电组件在图1中象征性地被示出并且被表示为V3，V4或V5。 [0029] 所使用的电压值48V和14V仅仅是例子。在其他电压水平的情况下或者在时间上可变化的电压情况下，也可以使用本发明。 [0030] 在图2中示意性示出了带有能量供给单元1的多电压车载电网的实施方式，该能量供给单元1被设立用于执行本发明方法的实施方式。在电机100之后连接有变换器电路200。变换器电路200用作逆变器电路以便在第一直流电压极U1处提供第一子网直流电压，电组件V1和V2可以以该第一子网直流电压运行。变换器电路200此外用作直流电压变换器，以便将第一子网直流电压转换成第二子网直流电压，组件V3，V4，V5以该第二子网直流电压运行，并且在第二直流电压极U2处提供第二子网直流电压。变换器电路150此外可以在带有第一子网直流电压和带有第二子网直流电压的两个机动车车载电网之间传输电能。 [0031] 能量供给单元1以及用于运行能量供给单元1的本发明方法的实施方式借助图3来描述。 [0032] 在该例子中，电机100被实施为三相电机。电机100的定子电感（相）L1，L2和L3被连接成三角连接。应注意，电机100还具有另外的组成部分，例如转子或激励绕组，其出于清楚起见未被示出。 [0033] 变换器电路200具有三个半桥B1，B2和B3。这三个半桥B1，B2和B3中的每一个分别具有两个开关S1，S4或S2，S5,或S3，S6。开关S1至S6例如可以构造为MOSFET。在其两个开关之间，每个半桥B1，B2和B3分别具有中间抽头M1，M2或者M3。经由其各自的中间抽头M1，M2或者M3，各自的半桥B1，B2或B3与电机100的相端子之一E1，E2或E3连接。在输出侧，半桥B1，B2或B3与第一子网N1的直流电压极U1和接地极U0连接。此外，中间电容C1与半桥B1，B2或B3并联连接。 [0034] 变换器电路200的上面描述的部分类似于根据现有技术的逆变器电路150地构造。通过时钟控制地切换开关S1至S6，对电机100的相通电。在电机100的电动机式运行中，通过对应地操控开关S1至S6将来自第一子网N1的电功率变换成机械功率。在发电机式运行中，机械功率被变换成电功率并且输出到第一子网N1中。 [0035] 在本发明意义上，变换器电路200具有开关元件S，半桥中的第一半桥的中间抽头通过所述开关元件与第二子网N2的第二直流电压极U2连接。在该特定的例子中，开关元件 S 与半桥B1的中间抽头M1连接。此外，滤波电容器C 在输出侧并联连接在第二直流电压极U2与接地极U0之间。 [0036] 通过开关元件S的有利的使用，变换器电路200不仅可以被用作逆变器电路，而且可以被用作直流电压变换器。在此，电功率可以从第一子网N1传输到第二子网N2中并且反之亦然。 [0037] 如果开关元件S断开，则变换器电路200用作逆变器电路并且在第一直流电压极U1和接地极U0之间提供第一子网直流电压。 [0038] 如果开关元件S闭合，则在第二直流电压极U2和接地极U0之间提供第二子网直流电压。滤波电容器C 以及开关S1至S6中的分别两个合乎目的地被操控的开关在此构成直流电压变换器。 [0039] 半桥之一的两个开关合乎目的地被选择并且被操控，所述半桥之一不与开关元件S 连接。通过时钟控制地操控各自的开关而交替地出现线圈的充电阶段和放电阶段。 [0040] 有利地，该线圈被构造为电机100的三个定子电感L1，L2，L3之一。因此不必要，将另外的线圈集成到能量供给单元1中，并且不需要附加的部件。电机100的已经存在的定子绕组L1至L3相应地被用作该直流电压变换器的线圈。 [0041] 除了能量供给单元1还示出了计算单元，所述计算单元尤其是被构造为车辆的控制设备300，其在程序技术上被设立用于执行本发明方法的优选的实施方式。该控制设备300承担电机100以及一般而言变换器电路200、或者单个部件的操控，以及各个开关S1至* S6和特别是开关元件S 的切换。计算单元300是电机100的组成部分并且连同其以及连同变换器电路200构成结构单元。 [0042] 各自开关的操控和充电阶段或放电阶段借助图4和5被阐述。图4a和4b示出图3的能量供给单元1。出于清楚起见，在图4a和4b中仅仅示出对于充电阶段或放电阶段重要的参考标记。在图4的例子中，半桥B2的开关S2和S5被操控。开关S2和S5、滤波电容器* C 和定子线圈L1用作直流电压变换器。 [0043] 在图4a中示出了能量供给单元1的充电阶段。流过电流的线路在此被加粗地强调。在此，开关元件S 和开关S2闭合，其余开关断开。带有电流强度I1的电流可以从第一直流电压极U1经由开关S2、中间抽头M2和相端子E2流至电机100的定子电感L1。带有电流 * 强度I2的电流可以从定子电感L1经由相端子E1和开关元件S 流至滤波电容器C 中。电流强度I3的电流流至第二直流电压极U2。在该充电阶段中，定子电感L1被充电。 [0044] 在图4b中示出了能量供给单元1的放电阶段。在此，开关S2被断开并且开关S5被闭合。开关元件S 保持闭合，其余开关断开。第一子网N1的第一子网直流电压不再施加于定子电感L1。定子电感L1维持电流流动并且放电。在此，电流强度I4的电流从接地极U0经由开关S5、中间抽头M2和相端子E2流至定子电感L1。带有电流强度I2或I3的电流类似于图4a地流动。 [0045] 第二子网N2的在第二直流电压极U2处出现的第二子网直流电压可以通过充电阶段和放电阶段的持续时间的比例并且因此通过开关S2和S5的时钟控制的操控来调节。滤波电容器C 用于平滑第二子网直流电压。 [0046] 在图5中，在上部图表31中绘出了电流强度I相对于时间t的变化曲线。在时刻t0开始充电阶段，开关S2被闭合并且开关S5被断开。点线在此描述电流强度I1的电流。在时刻t1开始放电阶段，开关S2被断开，并且开关S5被闭合。电流强度I1的电流不再能够流动。因为定子电感L1维持电流流动，因此现在电流强度I4的电流流动，通过点划线来描述。在时刻t2又开始充电阶段，类似于时刻t0。在时刻t3又开始放电阶段，类似于时刻t1。实线描述了电流强度I2的电流，其不仅在充电阶段期间、而且在放电阶段期间流动。虚线描述电流强度I3的电流，其在充电阶段以及在放电阶段期间流至第二直流电压极U2。通过滤* 波电容器C，电流强度I3可以在充电阶段和放电阶段期间基本上保持恒定。 [0047] 在图表32中，绘出了电压U相对于时间t的变换曲线。第二子网直流电压（其在充电阶段和放电阶段期间在第二直流电压极U2处被提供）被示出为实线并且用UB表示。虚线描述第二子网直流电压的电压额定值U，例如14V。通过滤波电容器C，对第二子网直流电压UB进行平滑，使得第二子网直流电压UB的电压值在充电阶段和放电阶段期间仅仅不显著地偏离电压额定值U。 [0048] 也可以设想的是，与开关S5并联地连接空转二极管。在该情况下不需要时钟控制地操控开关S5。如果开关S5例如被构造为MOSFET，则这种空转二极管原理决定地存在。类似地适用于开关S4或S6。 [0049] 从第二子网直流电压至第一子网直流电压的功率流动、也即功率传输的方向的反转可以通过如下方式来实现：将开关元件S 闭合并且将开关S2和S5相反地断开和闭合。 [0050] 在图6中，示意性示出了能量供给单元1的另外的扩展方案，其被设立用于执行本发明方法的另外的实施方式。 [0051] 本发明不局限于可切换的开关元件。变换器电路200优选也可以具有多个可切换的开关元件。在图6中，在此3个半桥B1、B2或B3中的每一个分别通过其中间抽头M1、M2或M3分别经由开关元件S1、S2或S3与第二直流电压极U2连接。相端子E1、E2或E3中的每一个因此分别经由开关元件S1、S2或S3与第二直流电压极U2连接。 [0052] 由此，要传输的功率可以均匀地分布到开关S1至S6和定子电感L1至L3上，使得各个部件由于出现的损耗功率引起的热负荷被减少。开关元件S1至S3在时间上错开地被闭合。在开关元件S1至S3之一闭合期间，半桥之一的开关对按照上面描述的原理被操控，所述半桥之一不与闭合的开关元件连接。如果例如开关元件S3闭合，则可以操控半桥B1的开关S1和S4或者半桥B2的开关S2和S5。 [0053] 通过这种方式，可以“周而复始地”操控开关，使得其热负荷被减少。这种装置的另外的优点在于，能量供给单元1能够利用第一子网N1以及利用第二子网N2直接运行。由此在第二子网N2的发电机式的持续供电阶段中取消附加的电压变换，由此可以减少功率损耗。 [0054] 在图7中示意性示出了能量供给单元1的另一扩展方案，其被设立用于执行本发明方法的实施方式。 [0055] 本发明的使用不限于3相电机。图7示出了本发明的能量供给单元1’，其具有带有五个定子电感L1’、L2’、L3’、L4’和L5’的5相电机100’。在该例子中，该5相电机100’被构造成五角星形连接形式。 [0056] 变换器电路200’具有五个半桥B1’,B2’,B3’B4’和B5’。五个半桥B1’至B5’中的每一个分别具有两个开关S1’至S10’。半桥B1’至B5’中的每一个分别经由中间抽头M1’，M2’，M3’，M4’或M5’与电机100’的相端子E1’,E2’,E3’E4’或E5’连接。 [0057] 类似于图4，相端子E1’,E2’,E3’E4’或E5’中的每一个经由所属半桥B1’,B2’,B3’B4’或B5’的各自的中间抽头M1’，M2’，M3’，M4’或M5’通过开关元件S1、S2、S3、S4或S5与第二直流电压极U2连接。开关的激活类似于三相电机100的上面描述的情况地进行。

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