專利名稱：帶有變壓器的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)過(guò)的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)(汽車電路)。本發(fā)明特別涉及一種新型的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)現(xiàn)了可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。
背景技術(shù)：
機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)向機(jī)動(dòng)車中的多個(gè)控制儀器和信號(hào)元件提供電流。該電流從作為能量存儲(chǔ)器的蓄電池中獲取，或者在機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從發(fā)電機(jī)中獲取。通過(guò)繼電器或具有半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的電子配電器，可通過(guò)各個(gè)負(fù)荷電路向多個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用供應(yīng)來(lái)自于機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的電流。
具有14V電壓常規(guī)的車載網(wǎng)絡(luò)以12V的蓄電池電壓為基礎(chǔ)。將來(lái)的車載網(wǎng)絡(luò)利用36V蓄電池來(lái)提供。在從14V系統(tǒng)轉(zhuǎn)接到42V系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間中，兩個(gè)系統(tǒng)在機(jī)動(dòng)車中被并行地使用。
在圖1中示出了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的示意圖。在示出的車載網(wǎng)絡(luò)100中，發(fā)電機(jī)120、蓄電池150和啟動(dòng)器110并聯(lián)地連接。通常，一方面在發(fā)電機(jī)120和啟動(dòng)器110之間，另一方面在發(fā)電機(jī)120和蓄電池150之間的導(dǎo)線長(zhǎng)度130分別大約為1m。在此，啟動(dòng)器和發(fā)電機(jī)設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組上，并且分別通過(guò)短電纜來(lái)彼此連接。由于通過(guò)發(fā)電機(jī)提供的電流的波動(dòng)以及用于啟動(dòng)器電流的傳輸，導(dǎo)線橫截面大約為25mm2。
利用常規(guī)的電流分配點(diǎn)或配電器140，電流被輸送到機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)中的不同的負(fù)荷電路160。每個(gè)負(fù)荷電路160為一個(gè)或多個(gè)用戶提供電流。在大約為1m的負(fù)荷電路的導(dǎo)線長(zhǎng)度中，這些導(dǎo)線可以具有比導(dǎo)線130更小的橫截面，即大約5mm2。
在啟動(dòng)器110具有300A，短時(shí)甚至為600A的高電流消耗時(shí)，在機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)中的所有其他用戶的電流消耗明顯較低。在機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)中的用戶的典型的電流值達(dá)到大約100A的范圍內(nèi)，其中大約1.5A用于所有照明的停車燈；3A用于剎車燈和轉(zhuǎn)向燈；8A用于雨刷；并且8.5A用于霧燈和遠(yuǎn)光燈；超過(guò)10A用于近光燈以及空調(diào)裝置的乘客艙鼓風(fēng)機(jī)；18A用于帶有燃油泵的發(fā)動(dòng)機(jī)控制，以及直到20A用于座椅加熱的帶有電流消耗的正溫度系數(shù)(PTC)加熱器。
所有的負(fù)荷電路160通過(guò)過(guò)電流保護(hù)裝置防止短路，從而一旦發(fā)生短路時(shí)即中斷對(duì)各個(gè)負(fù)荷電路的電流供應(yīng)。借此，防止在各個(gè)負(fù)荷電路中的電纜和插塞式連接器過(guò)熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種改善的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)以及用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)的改善方法。
該目的將通過(guò)以下特征來(lái)實(shí)現(xiàn)，即變壓器和斷續(xù)器，其并聯(lián)地在電容器和蓄電池之間接通，并且為準(zhǔn)備機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程如此來(lái)控制，即變壓器將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)化為較高的電壓，并且斷續(xù)器中斷蓄電池和電容器之間的電連接。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面提出了機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、啟動(dòng)器和高容量的電容器，用于為機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程存儲(chǔ)電能。此外，機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)包括變壓器和斷續(xù)器，其并聯(lián)地在電容器和蓄電池之間連接。為準(zhǔn)備機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，變壓器和斷續(xù)器這樣來(lái)操作，即變壓器將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)化為較高的電壓，并且斷續(xù)器中斷蓄電池和電容器之間的電連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提出了用于利用機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)器動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的方法。機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、啟動(dòng)器和高容量的電容器，用于為機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程存儲(chǔ)電能。該方法檢測(cè)即將到來(lái)的啟動(dòng)過(guò)程，在該啟動(dòng)過(guò)程中，機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)利用啟動(dòng)器進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)中，并且給高容量電容器充電。為了電容器的充電，蓄電池與高容量的電容器之間的電連接被中斷并且蓄電池的電壓通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)化為更高的電壓。為了啟動(dòng)機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)器被提供來(lái)自于高容量的電容器的能量。
這是本發(fā)明的一個(gè)特定方面，即用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的啟動(dòng)能量不是直接來(lái)自于蓄電池，而是由高容量的電容器來(lái)提供。為了在不提高電容器容量的情況下提高用于啟動(dòng)過(guò)程的存儲(chǔ)在電容器中的能量，根據(jù)本發(fā)明，電容器以更高的電壓來(lái)充電。為了該目的，蓄電池電壓僅在充電過(guò)程中通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)化為較高電壓并輸送給電容器。
通過(guò)這種方式，能夠以簡(jiǎn)單的方式提高提供用于啟動(dòng)過(guò)程的能量?jī)?chǔ)備。汽車也能在“弱”蓄電池時(shí)可靠地啟動(dòng)?？蛇x地，電容器的容量能夠相應(yīng)地降低，即電容器在相同的儲(chǔ)存能量時(shí)能夠具有小的容量。
變壓器優(yōu)選地將蓄電池電壓從大約12.5V提高到大約16V。利用該電壓的提高，儲(chǔ)存在電容器中的能量能夠提高大概60％。另外，提高到16V具有另外的優(yōu)點(diǎn)，即提高的該數(shù)值的電壓的提高不與其他車載網(wǎng)絡(luò)的帶電組件另外地產(chǎn)生混亂。相反，電壓的進(jìn)一步提高有可能影響車載網(wǎng)絡(luò)的其他電子組件的運(yùn)行安全性。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，變壓器的激活和斷續(xù)器的開(kāi)啟由控制單元來(lái)控制。通過(guò)檢測(cè)隨即的啟動(dòng)過(guò)程，變壓器和斷續(xù)器被相應(yīng)地操縱。特別是電容器的充電過(guò)程能夠通過(guò)這種方式在啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)始之前短時(shí)間實(shí)施。
為了檢測(cè)即將到來(lái)的啟動(dòng)過(guò)程，在非運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，車門(mén)的打開(kāi)的狀態(tài)被檢測(cè)，優(yōu)選是檢測(cè)車門(mén)打開(kāi)/關(guān)閉的狀態(tài)，由此提供了充分的時(shí)間，以使得電容器充電，也可以在弱蓄電池時(shí)，實(shí)現(xiàn)可靠的啟動(dòng)過(guò)程。
根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，電容器的充電過(guò)程根據(jù)點(diǎn)火鑰匙的位置來(lái)執(zhí)行。優(yōu)選地，或者通過(guò)點(diǎn)火鑰匙開(kāi)關(guān)插入到點(diǎn)火鎖中，或者點(diǎn)火鑰匙在“點(diǎn)火開(kāi)”的位置。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)成功地啟動(dòng)或者發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流時(shí)，斷續(xù)器優(yōu)選地首先關(guān)閉。另外，發(fā)電機(jī)的電壓優(yōu)選地被檢測(cè)并且斷續(xù)器根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓的高低來(lái)關(guān)閉，例如在達(dá)到特定的電壓值時(shí)。因此，以簡(jiǎn)單的方式確定發(fā)動(dòng)機(jī)的有效的啟動(dòng)并且結(jié)束啟動(dòng)過(guò)程。
其他有利的設(shè)計(jì)方案在從屬權(quán)利要求中示出。


接下來(lái)，根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例聯(lián)系到附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。圖中示出圖1常規(guī)的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；圖2根據(jù)本發(fā)明的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；圖3根據(jù)本發(fā)明的本發(fā)明機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；以及圖4用于常規(guī)的汽車蓄電池的等效電路圖。
具體實(shí)施例方式
圖2以示意性的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。啟動(dòng)器110和發(fā)電機(jī)120通過(guò)單獨(dú)的輸入線路220與配電器210連接。同樣，蓄電池150通過(guò)輸入線路240與配電器210連接。當(dāng)機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)120向機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)200提供電流時(shí)，蓄電池150儲(chǔ)存在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由發(fā)電機(jī)120提供的能量。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)在蓄電池150中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，并提供給啟動(dòng)器110。
配電器210可控制地將各個(gè)負(fù)載電路230連接到機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)。
不同于常規(guī)的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)100，在根據(jù)本發(fā)明的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)200中的蓄電池150可以任意地在機(jī)動(dòng)車中布置，而不必使用具有大的導(dǎo)線橫截面的導(dǎo)線連接。在根據(jù)圖1的常規(guī)的車載網(wǎng)絡(luò)100中，輸入線路130具有1m的長(zhǎng)度LZul，25mm2的橫截面時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的輸入線路220在相同的長(zhǎng)度時(shí)僅具有大約5mm2的橫截面。從電流分配點(diǎn)分出的負(fù)載電路在大約1m的長(zhǎng)度LZul2時(shí)，具有5mm2的橫截面。
在蓄電池150靠近在機(jī)動(dòng)車艙中的電流分配點(diǎn)140設(shè)置時(shí)，蓄電池與電流分配點(diǎn)的電連接在最大約為1m的長(zhǎng)度LZul3時(shí)，具有約為5mm2的橫截面。
可選地，帶有電流分配點(diǎn)的蓄電池設(shè)置在機(jī)動(dòng)車的尾部。在該布置時(shí)，在常規(guī)的車載網(wǎng)絡(luò)100中，從電流分配點(diǎn)140或者蓄電池150和通到該電流分配點(diǎn)或者該蓄電池的所有連接導(dǎo)線都相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)。同時(shí)，必須加大導(dǎo)線橫截面，從而在較長(zhǎng)的導(dǎo)線長(zhǎng)度帶有相應(yīng)較高的電阻時(shí)，避免在導(dǎo)線中熱量的產(chǎn)生。出于這個(gè)原因，常規(guī)的方法是將長(zhǎng)度LZul1大約為4m時(shí)的導(dǎo)線130的橫截面增大到大約95mm2，并且負(fù)載電路160的導(dǎo)線的橫截面在長(zhǎng)度LZul2為大約5m時(shí)增大到大約25mm2。
根據(jù)本發(fā)明可以明顯地減小該橫截面。為了該目的，配電器210和蓄電池150在空間上彼此分開(kāi)設(shè)置。同時(shí)，由常規(guī)的蓄電池執(zhí)行的用于對(duì)發(fā)電機(jī)120的電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)木彌_功能轉(zhuǎn)移到配電器210中。利用該布置，最大長(zhǎng)度大約為1m的所有導(dǎo)線可以具有5mm2數(shù)量級(jí)的橫截面。僅僅在蓄電池150設(shè)置在機(jī)動(dòng)車的尾部而配電器210還保留在機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)艙中時(shí)，配電器210和蓄電池150之間的較長(zhǎng)的導(dǎo)線連接才是必須的。長(zhǎng)度LZul3大約為4m時(shí)的導(dǎo)線橫截面大約為25mm2。
根據(jù)各自的應(yīng)用，可以這樣地進(jìn)一步降低導(dǎo)線橫截面，即根據(jù)本發(fā)明執(zhí)行了主動(dòng)式電流監(jiān)控，其用于控制配電器210中的保護(hù)動(dòng)作。在特定的時(shí)間響應(yīng)中，特別是在快速的增長(zhǎng)而超過(guò)預(yù)設(shè)的值時(shí)，在負(fù)載電路130中流通電流的主動(dòng)式監(jiān)控將允許切斷負(fù)載電路。
與之相反，常規(guī)的導(dǎo)線的橫截面通常設(shè)計(jì)用于兩倍的額定電流，從而可以應(yīng)付在負(fù)載電路中短暫的電流峰值，而導(dǎo)線不會(huì)熱過(guò)載。利用微處理器控制的控制單元，根據(jù)本發(fā)明的電流監(jiān)控允許過(guò)電流保護(hù)更精確地適合于短時(shí)的過(guò)載峰值和短路行為。借此，橫截面以及機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的重量和費(fèi)用可以以簡(jiǎn)單的方式降低。
根據(jù)本發(fā)明的車載網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在圖3中示出。在圖3中示出的實(shí)施例中，蓄電池150優(yōu)選地設(shè)置在汽車的尾部。
配電器210包括多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)410，其可控制地連接各個(gè)負(fù)載電路412和機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，也就是說(shuō)，接通或者中斷對(duì)各個(gè)負(fù)載電路的能量供應(yīng)。帶有智能電源控制(smart power control)的特別的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)被應(yīng)用于此類半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。這類半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，例如“International I.R.Rectifier”公司的元件98 0268測(cè)量在接通的負(fù)載電路中流通的電流。在所述的半導(dǎo)體元件中，與測(cè)量的電流成比例的電流通過(guò)前述的半導(dǎo)體元件的單獨(dú)的接線端輸出。由每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)410測(cè)量的電流輸送給配電器的控制器440。設(shè)置在配電器210的內(nèi)部或者與之分開(kāi)的控制器為每個(gè)負(fù)載電路單獨(dú)地監(jiān)測(cè)允許的電流。
對(duì)于每個(gè)負(fù)載電路所允許的電流值可優(yōu)選地在控制器440中為每個(gè)負(fù)載電路412單獨(dú)地調(diào)節(jié)。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，在控制器440中設(shè)置不同的電流水平和不同的“觸發(fā)”特征，其可為每個(gè)負(fù)載電路412個(gè)別地選擇?？紤]到允許的過(guò)電流，一旦用于負(fù)載電路412的測(cè)量的電流超過(guò)為其設(shè)定的最大值時(shí)，控制器440促使半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)410切斷電連接。
這種半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)允許可逆的中斷過(guò)程，在該中斷過(guò)程中，負(fù)載電路可以例如無(wú)需更換保險(xiǎn)絲而再次工作。此外，主動(dòng)式電流監(jiān)控可以在短路發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的反應(yīng)。因此，非常高的短路電流僅僅流通幾毫秒。從而，在各個(gè)負(fù)載電路中，高電流流通較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，每個(gè)負(fù)載電路的導(dǎo)線和插塞式連接件被設(shè)計(jì)為不必在意短路故障。
在控制器440中的各個(gè)負(fù)載電路的“智能的”監(jiān)測(cè)允許短時(shí)的過(guò)電流，而不中斷對(duì)負(fù)載電路輸送能量的電連接。因此，響應(yīng)特性可以這樣地單獨(dú)設(shè)計(jì)，即特別是匹配于各個(gè)負(fù)載電路的功能和電流需求(和短時(shí)過(guò)電流需求)。同時(shí)，必須考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或開(kāi)啟燈、加熱器時(shí)的短時(shí)的過(guò)電流。
保護(hù)功能應(yīng)該防止在負(fù)荷電流電路中出現(xiàn)過(guò)電流或者短路，以及導(dǎo)致導(dǎo)線和插塞式連接件的熱過(guò)載。熱過(guò)載由轉(zhuǎn)換的能量引起，也就是說(shuō)，電流強(qiáng)度與出現(xiàn)過(guò)流的時(shí)間的乘積?？梢酝耆试S的是，即允許在負(fù)載電路中每秒流通十倍的額定電流，而不會(huì)出現(xiàn)損害。這種過(guò)電流必須由控制器440識(shí)別為無(wú)問(wèn)題。相反地，在這樣的過(guò)電流時(shí)，有可能導(dǎo)致保險(xiǎn)絲被切斷，并且無(wú)可挽回地中斷電流(直到更換保險(xiǎn)絲)。
例如在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)具有多倍于額定電流值的短時(shí)過(guò)電流。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子開(kāi)始有點(diǎn)不靈活或者被卡住，特別是在較低的環(huán)境溫度時(shí)。相當(dāng)于幾倍額定電流的過(guò)電流發(fā)生在幾個(gè)100ms中。即使在用于加熱吹入機(jī)動(dòng)車乘客艙中的空氣的電子PTC加熱器中，在大約10秒的時(shí)間間隔內(nèi)的啟動(dòng)時(shí)，可能出現(xiàn)相當(dāng)于兩倍額定電流的電流。由于該過(guò)電流在極短的時(shí)間里出現(xiàn)，所以對(duì)導(dǎo)線和插塞式連接件是沒(méi)有問(wèn)題的。
常規(guī)的保險(xiǎn)絲通常被調(diào)整到大于兩倍的額定電流的響應(yīng)電流。但是，這種類型的常規(guī)保險(xiǎn)絲也可以持久地承受過(guò)電流，該過(guò)電流相當(dāng)于1.8倍的額定電流。與之相反，根據(jù)本發(fā)明的電子保險(xiǎn)裝置可以識(shí)別該種類型的過(guò)電流，并且在超出時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)之后，例如10秒鐘之后可以切斷電連接。因此，各個(gè)負(fù)載電路可以以其幾何尺寸針對(duì)實(shí)際額定電流來(lái)設(shè)計(jì)，從而使導(dǎo)線橫截面和插塞式連接件可以不需要長(zhǎng)時(shí)間地承受兩倍額定電流。
根據(jù)本發(fā)明的控制器440也可以利用附加的溫度傳感器適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境溫度。在低的環(huán)境溫度時(shí)，基于較好的冷卻，可以允許較高的電流。因此，過(guò)電流識(shí)別和負(fù)載電路的切斷優(yōu)選地根據(jù)溫度實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例通過(guò)使用的電流的上限和檢測(cè)的環(huán)境溫度間的預(yù)設(shè)的依存關(guān)系實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)另一個(gè)有利的實(shí)施例，控制器可以根據(jù)外部信號(hào)斷開(kāi)負(fù)載電路412。在負(fù)載電路的用戶中的干擾例如可以通過(guò)單獨(dú)的傳感器識(shí)別，并且由該干擾而產(chǎn)生的對(duì)機(jī)動(dòng)車的危險(xiǎn)可以提前排除。
在圖3中僅僅舉例地示出作為用戶的PTC加熱器510和分散式配電器520。分散式配電器520同樣可以通過(guò)多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)525接通和中斷下級(jí)負(fù)載電路。該負(fù)載電路僅僅是舉例性的。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，機(jī)動(dòng)車的每個(gè)電用戶可以直接通過(guò)負(fù)載電路412，或者間接通過(guò)分散式配電器520控制。
根據(jù)本發(fā)明，高容量的電容器400設(shè)置在配電器210中，其與發(fā)電機(jī)120和蓄電池150并聯(lián)連接。很小結(jié)構(gòu)空間的電容器400具有高電容量。對(duì)于機(jī)動(dòng)車，優(yōu)選地使用在450F到600F范圍內(nèi)的容量。目前，雙層電容器甚至能夠達(dá)到幾千F的電容量。
雙層電容器達(dá)到幾倍于鋁電解液電容器的能量密度，以及幾倍于鉛蓄蓄電池的功率密度。當(dāng)電能電化學(xué)地存儲(chǔ)在蓄電池中時(shí)，在電容器中的電能直接以正電荷和負(fù)電荷的形式儲(chǔ)存在電容器的極板上，并且在電極表面上不需要化學(xué)反應(yīng)。這種雙層電容器，例如EPCOS公司帶有標(biāo)識(shí)“UtraCap”的雙層電容器儲(chǔ)存電能，并且將電能再次高效率的輸出。與蓄電池相比，這些雙層電容器可以無(wú)損害地以非常高的電流充電和放電。此外，這些雙層電容器在非常低的溫度和低電壓值下也可以實(shí)現(xiàn)其可靠的功能。雙層電容器沒(méi)有延遲地輸出高功率和損失極小地釋放達(dá)到400A的放電電流。
通過(guò)高容量電容器400與發(fā)電機(jī)120和啟動(dòng)蓄電池150的并聯(lián)連接可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。蓄電池150不再負(fù)責(zé)啟動(dòng)過(guò)程，而是由高容量的電容器400負(fù)責(zé)。在啟動(dòng)過(guò)程之前，通過(guò)蓄電池150對(duì)電容器400充電。接下來(lái)，電容器400釋放儲(chǔ)存的能量到啟動(dòng)器110。因此啟動(dòng)過(guò)程可以更可靠地實(shí)現(xiàn)，因?yàn)殡娙萜髟诘蜏叵乱部梢远虝r(shí)間釋放大量能量。相反地，常規(guī)的機(jī)動(dòng)車在低溫下經(jīng)常出現(xiàn)啟動(dòng)問(wèn)題，因?yàn)樵谛铍姵?50中的化學(xué)反應(yīng)不允許大電流。
根據(jù)本發(fā)明的特別有利的實(shí)施例，啟動(dòng)動(dòng)作可以不用通過(guò)提高電容器的容量，而是通過(guò)提高存儲(chǔ)于其中的能量的方法而進(jìn)一步改善。為了該目的，變壓器310根據(jù)本發(fā)明連接在蓄電池150和電容器400之間，用于準(zhǔn)備啟動(dòng)過(guò)程。變壓器310將蓄電池150供應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換為高電壓。借此，電容器可以以相同的容量吸收更大量的能量。儲(chǔ)存在電容器中的大量的能量可以根據(jù)接下來(lái)的方程式確定E＝1/2·C·U2.
同時(shí)，斷續(xù)器320連接到蓄電池150和電容器400之間的電連接中，并且并聯(lián)連接于變壓器310。斷續(xù)器切斷蓄電池和電容器之間的直接電連接，從而可以供應(yīng)給電容器非常高的電壓。
通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的帶有變壓器和斷續(xù)器的裝置300，為啟動(dòng)過(guò)程而提供的能量以簡(jiǎn)單的方式明顯地提高。因而，在具有很少的能量?jī)?chǔ)備水平的弱的蓄電池時(shí)，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車的有效啟動(dòng)。
接下來(lái)舉例性地描述啟動(dòng)過(guò)程，在該啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)用到根據(jù)本發(fā)明的變壓器。
在機(jī)動(dòng)車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)和點(diǎn)火裝置關(guān)閉時(shí)，變壓器(DC/AC變壓器)310關(guān)閉，并且在配電器210和蓄電池150之間的電連接通過(guò)開(kāi)關(guān)320產(chǎn)生。從而，電容器400與蓄電池150并聯(lián)連接，并且以蓄電池電壓UBATT充電。在常規(guī)的車載網(wǎng)絡(luò)中以大約12.5V，而在未來(lái)的車載網(wǎng)絡(luò)中以大約42V。
在內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程之前，變壓器310被激活，并且開(kāi)關(guān)320被同時(shí)斷開(kāi)。如果需要，個(gè)別負(fù)載電路被優(yōu)選地通過(guò)配電器210切斷。特別是這類的負(fù)載電路412被切斷，該電路具有高的電流需求。根據(jù)一個(gè)特殊的實(shí)施例，切斷可以通過(guò)控制器440基于蓄電池的電壓水平執(zhí)行，從而在較弱的蓄電池時(shí)確?？煽康膯?dòng)。
現(xiàn)在，變壓器產(chǎn)生輸出電壓，該電壓施加給電容器，其中輸出電壓高于蓄電池電壓。在蓄電池電壓為12.5V時(shí)，提高的輸出電壓例如為16V。從而，電壓高于蓄電池電壓3.5V，并且電容器相應(yīng)較大強(qiáng)度地充電。借此，在電容器中存儲(chǔ)的能量大約比在常規(guī)的12V充電電壓時(shí)所儲(chǔ)存的能量高60％。
借此，即使蓄電池電壓在12V以下的弱蓄電池時(shí)，也可以提供用于啟動(dòng)過(guò)程的足夠的能量?jī)?chǔ)備。當(dāng)變壓器總是以16V的電壓對(duì)電容器充電時(shí)，總是提供相同的能量用于啟動(dòng)過(guò)程，而不依賴于蓄電池的功率。
通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)可以被轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣哂糜趩?dòng)過(guò)程的能量?jī)?chǔ)備或者可以用于降低電容器的容量。因此，在儲(chǔ)存相同的能量時(shí)，電容器的小容量對(duì)于可靠的啟動(dòng)過(guò)程也是足夠的。
在電容器400中的能量的進(jìn)一步提高可以通過(guò)在常規(guī)的車載網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步將充電電壓提高到高于16V來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)16V充電電壓的限制有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即該電壓的提高不與其他車載網(wǎng)絡(luò)的帶電組件另外地產(chǎn)生混亂。目前，機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)的帶電組件和電子元件設(shè)計(jì)最大為16V的工作電壓。因此，電容器400的充電電壓自身優(yōu)選地遵循車載網(wǎng)絡(luò)的帶電組件的設(shè)計(jì)和電容器的電壓穩(wěn)定性。在將來(lái)的帶有42V系統(tǒng)電壓的車載網(wǎng)絡(luò)中，假若短時(shí)的電壓提高由其他的帶電組件沒(méi)有問(wèn)題的承受，那么電容器可以以明顯較高的電壓充電。
可選地，在變壓器的特別高的輸出電壓時(shí)，任何與其他車載網(wǎng)絡(luò)元件的混亂可以通過(guò)利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)410分別切斷所有負(fù)載電路或者用戶排除，并且實(shí)現(xiàn)特別可靠的啟動(dòng)過(guò)程。
電容器的充電按時(shí)地在啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)始之前執(zhí)行。為了啟動(dòng)電容器400的充電過(guò)程，可以使用多個(gè)觸發(fā)器。例如，當(dāng)點(diǎn)火鑰匙被插入或者點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的位置在“點(diǎn)火開(kāi)”時(shí)，駕駛員可以啟動(dòng)充電?？蛇x地，充電過(guò)程可以通過(guò)打開(kāi)車門(mén)啟動(dòng)。借此，可以檢測(cè)任意車門(mén)的打開(kāi)和駕駛員車門(mén)的打開(kāi)，并且作為充電的觸發(fā)信號(hào)來(lái)使用。當(dāng)機(jī)動(dòng)車車門(mén)被作為用于充電過(guò)程的開(kāi)始的啟動(dòng)事件使用時(shí)，提供了比點(diǎn)火鑰匙位置的檢測(cè)更多的時(shí)間。
在點(diǎn)火鑰匙位置為“啟動(dòng)”時(shí)，變壓器被關(guān)閉。在啟動(dòng)過(guò)程繼續(xù)時(shí)，開(kāi)關(guān)320保持?jǐn)嚅_(kāi)。一旦內(nèi)燃機(jī)自己運(yùn)行，開(kāi)關(guān)320被接通，并且車載網(wǎng)絡(luò)被再次設(shè)定到大約12.5V的電壓。
電容器400不僅僅實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程的改善，而且此外可以承擔(dān)常規(guī)蓄電池150的緩沖作用。在圖4中示出了常規(guī)的蓄電池150的等效電路圖。
蓄電池150的等效電路圖600示出，即蓄電池不僅僅具有化學(xué)能量?jī)?chǔ)存器610的功能，而且還具有緩沖電容器620的功能。該電容器作用在鉛蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生。
常規(guī)的蓄電池的電容器作用至今被用于平滑由發(fā)電機(jī)120導(dǎo)致的電壓波動(dòng)。
在機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)120產(chǎn)生交流電，該交流電通過(guò)二極管整流。在當(dāng)今的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)中，蓄電池150在空間上這樣設(shè)置，即其設(shè)置在負(fù)載電路412中的發(fā)電機(jī)120和用戶之間。首先，通過(guò)蓄電池容量CBatt和在發(fā)電機(jī)120和蓄電池150RZul1之間的電連接導(dǎo)線的輸入線路電阻的結(jié)合形成低通。該低通起到平滑由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流的電壓波動(dòng)的作用。
根據(jù)本發(fā)明，該功能由具有高容量的電容器400承擔(dān)。
當(dāng)常規(guī)的車載網(wǎng)絡(luò)被這樣地設(shè)計(jì)時(shí)，即在發(fā)電機(jī)和蓄電池之間的電連接導(dǎo)線上可以流通大電流，以平衡電壓波動(dòng)時(shí)，能量存儲(chǔ)和能量緩沖功能根據(jù)本發(fā)明通過(guò)在機(jī)動(dòng)車中的分開(kāi)的模塊承擔(dān)。當(dāng)電容器400負(fù)責(zé)電壓波動(dòng)的緩沖時(shí)，蓄電池150提供用于啟動(dòng)過(guò)程的能量。因此，蓄電池可以利用簡(jiǎn)單的方式遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)和配電器設(shè)置，而不需要用于與蓄電池連接的電導(dǎo)線連接240的常規(guī)費(fèi)用。相反地，如舉例性地聯(lián)系到圖2所描述的，橫截面可以降低到明顯較小的值。借此，機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)變得較輕以及更加廉價(jià)。
緩沖功能通過(guò)發(fā)電機(jī)-蓄電池-配電器-用戶的布置順序并結(jié)合調(diào)整低通來(lái)實(shí)現(xiàn)。低通一方面由發(fā)電機(jī)和蓄電池之間的輸入線路電阻RZul1，另一方面由蓄電池的容量CBatt構(gòu)成。此外，較小的導(dǎo)線橫截面提供較高的輸入線路電阻RZul1并且因此根據(jù)低通的時(shí)間常量Tau的方程式改進(jìn)低通作用Tau＝RZul1·CBatt總體上，根據(jù)本發(fā)明的新的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于常規(guī)的車載網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)點(diǎn)。啟動(dòng)蓄電池不再承擔(dān)啟動(dòng)功能，其遭受很小的脈沖負(fù)荷和電流負(fù)荷的影響，鑒于低溫的狀況，還必須僅僅滿足降低的需求，并且蓄電池可以具有降低的儲(chǔ)存容量。利用變壓器，能量以及啟動(dòng)可靠性可以被提高。導(dǎo)線具有較小的橫截面，從而實(shí)現(xiàn)費(fèi)用和質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，特別是在蓄電池安裝在機(jī)動(dòng)車的尾部中時(shí)。
權(quán)利要求
1.機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其包括發(fā)電機(jī)(120)、蓄電池(150)、啟動(dòng)器(110)和高容量的電容器(400)，用于為機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程存儲(chǔ)電能，其特征在于，變壓器(310)和斷續(xù)器(320)，其并聯(lián)地連接在所述電容器(400)和所述蓄電池(150)之間，并且為準(zhǔn)備機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程如此來(lái)控制，即所述變壓器(310)將所述蓄電池(150)的電壓(UBatt)轉(zhuǎn)換為較高的電壓，并且所述斷續(xù)器(320)中斷所述蓄電池(150)與所述電容器(400)之間的電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，所述蓄電池(150)在充電狀態(tài)中的電壓(UBatt)在大約12.5V的范圍內(nèi)，并且所述變壓器(310)將所述蓄電池(150)的電壓(UBatt)提高幾伏特，優(yōu)選地是提高到大約16V。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其包括用于激活所述變壓器(310)和用于開(kāi)啟所述斷續(xù)器(320)的控制單元(440)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，所述控制單元(440)起到激活所述變壓器(310)和開(kāi)啟所述斷續(xù)器(320)的作用，用于在機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)始之前的短時(shí)間內(nèi)對(duì)所述電容器(400)進(jìn)行充電。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，所述控制單元(440)根據(jù)檢測(cè)車門(mén)的打開(kāi)狀態(tài)來(lái)激活所述變壓器(310)和開(kāi)啟所述斷續(xù)器(320)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，所述控制單元(440)與用于檢測(cè)車門(mén)打開(kāi)/關(guān)閉狀態(tài)的傳感器連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項(xiàng)所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，所述控制單元(440)取決于檢測(cè)的點(diǎn)火鑰匙的位置來(lái)激活所變壓器(310)和開(kāi)啟所述斷續(xù)器(320)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，所述控制單元(440)在檢測(cè)到點(diǎn)火鑰匙位置為“點(diǎn)火開(kāi)”時(shí)激活所述變壓器(310)并開(kāi)啟所述斷續(xù)器(320)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，一旦機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程開(kāi)始，所述控制單元(440)在所述斷續(xù)器(320)開(kāi)啟時(shí)切斷所述變壓器(310)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項(xiàng)所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，一旦啟動(dòng)過(guò)程成功地完成，所述控制單元(440)關(guān)閉所述斷續(xù)器(320)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其中，所述控制單元(440)監(jiān)控所述發(fā)電機(jī)(120)的電壓，并且根據(jù)所述發(fā)電機(jī)(120)電壓的水平來(lái)關(guān)閉所述斷續(xù)器(320)。
12.一種利用機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)來(lái)啟動(dòng)機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，所述機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)電機(jī)(120)、蓄電池(150)、啟動(dòng)器(110)和高容量的電容器(400)，用于為機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程存儲(chǔ)電能，其特征在于包括下列步驟檢測(cè)即將來(lái)臨的啟動(dòng)過(guò)程，在該啟動(dòng)過(guò)程中，機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)利用所述啟動(dòng)器(110)轉(zhuǎn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)高容量的所述電容器(400)充電，其中，中斷所述蓄電池(150)和所述高容量電容器(400)之間的電連接，并且所述蓄電池(150)的電壓(UBatt)通過(guò)所述變壓器(310)轉(zhuǎn)換為較高的電壓，并且向所述啟動(dòng)器(110)供應(yīng)來(lái)自于所述高容量的電容器(400)的能量，用于啟動(dòng)機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，檢測(cè)機(jī)動(dòng)車車門(mén)的打開(kāi)狀態(tài)用于檢測(cè)即將來(lái)臨的啟動(dòng)過(guò)程。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，駕駛員車門(mén)的打開(kāi)狀態(tài)被檢測(cè)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12到14中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述檢測(cè)點(diǎn)火鑰匙的位置來(lái)檢測(cè)即將到來(lái)的啟動(dòng)過(guò)程。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，點(diǎn)火鑰匙位置“點(diǎn)火開(kāi)”被檢測(cè)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12到16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，一旦所述啟動(dòng)器(110)被激活，所述蓄電池(150)的電壓(UBatt)到較高數(shù)值的轉(zhuǎn)換結(jié)束。
18.根據(jù)權(quán)利要求12到17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，一旦機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)由自身動(dòng)力來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，所述蓄電池(150)與所述發(fā)電機(jī)電連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，根據(jù)所述發(fā)電機(jī)(120)的電壓水平來(lái)確定，機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)是否由自身動(dòng)力來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)動(dòng)車車載網(wǎng)絡(luò)，其包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、啟動(dòng)器和高容量的電容器，用于為機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程存儲(chǔ)電能。此外，車載網(wǎng)絡(luò)包括變壓器和斷續(xù)器，其并聯(lián)地在電容器和蓄電池之間連接。為準(zhǔn)備機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，變壓器和斷續(xù)器這樣來(lái)操作，即變壓器將蓄電池的電壓轉(zhuǎn)化為較高的電壓，并且斷續(xù)器中斷蓄電池和電容器之間的電連接。
文檔編號(hào)H02J7/14GK1918767SQ200580005063
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月16日
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