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CN104661856A - 用于机动车的耦合蓄能器设备 - Google Patents

用于机动车的耦合蓄能器设备 Download PDF

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CN104661856A CN201380049526.2A CN201380049526A CN104661856A CN 104661856 A CN104661856 A CN 104661856A CN 201380049526 A CN201380049526 A CN 201380049526A CN 104661856 A CN104661856 A CN 104661856A
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Abstract

机动车具有发电机、电消耗器、第一电蓄能器以及与第一电蓄能器并联的第二电蓄能器，其中，两个电蓄能器在电压范围内具有至少部分重叠的恒稳电压特性曲线，第一蓄能器具有与充电状态相关的第一充电内阻特性曲线，第二蓄能器具有与充电状态相关的第二充电内阻特性曲线，第一蓄能器具有与充电状态有关的第一放电内阻特性曲线并且第二蓄能器具有与充电状态有关的第二放电内阻特性曲线。从而第一充电内阻特性曲在整个相对的充电状态区域中朝向较高的电阻方向在第二充电内阻特性曲线之上延伸，第一放电内阻特性曲线在整个相对的充电状态区域中朝向较高的电阻方向在第二放电内阻特性曲线之下延伸，并且所述两个蓄能器互相电压中性地电路连接。

Description

用于机动车的耦合蓄能器设备
技术领域
本发明涉及一种机动车，该机动车具有发电机、电消耗器、第一电蓄能器以及与第一电蓄能器并联的第二电蓄能器，其中，所述两个电蓄能器在电压范围内具有至少部分重叠的恒稳电压特性曲线，所述第一蓄能器具有与充电状态相关的第一充电内阻特性曲线，所述第二蓄能器具有与充电状态相关的第二充电内阻特性曲线，所述第一蓄能器具有与充电状态有关的第一放电内阻特性曲线并且所述第二蓄能器具有与充电状态有关的第二放电内阻特性曲线。
背景技术
按照文件DE 10 2009 008 177 A1，在具有多个电消耗器的机动车中，电能供应由一个或者多个电池或者发电机来确保。提出一种具有两个蓄能器的车载电网架构，该车载电网架构能通过耦合元件能电气并联。该耦合元件根据点火装置的状态进行调整，以便在车辆的任何运行状态中确保消耗器的高的可用性以及在马达起动时、特别是在马达-起动-停止功能时，避免车载电网中的起动电压扰动。
文献DE 10 2010 062 116 A1描述了一种用于具有两个永久并联的蓄能器的车辆的双蓄能器车载电网，所述两个蓄能器的电压特性曲线部分重叠。
发明内容
本发明的任务在于，描述一种改进的机动车，该机动车具有发电机、电消耗器、第一电蓄能器以及与第一电蓄能器并联的第二电蓄能器，其中，所述两个电蓄能器在电压范围内具有至少部分重叠的恒稳电压特性曲线，所述第一蓄能器具有与充电状态相关的第一充电内阻特性曲线，所述第二蓄能器具有与充电状态相关的第二充电内阻特性曲线，所述第一蓄能器具有与充电状态有关的第一放电内阻特性曲线并且所述第二蓄能器具有与充电状态有关的第二放电内阻特性曲线。
该任务通过按照权利要求1所述的机动车得到解决。
本发明有利的实施形式和进一步扩展方案由从属权利要求得到。
按照本发明，所述第一充电内阻特性曲线在整个相对的充电状态区域上朝向较高的电阻方向基本上在第二充电内阻特性曲线之上延伸，并且所述第一放电内阻特性曲线在整个相对的充电状态区域上朝向较高的电阻方向基本上在第二放电内阻特性曲线之下延伸，其中，所述两个蓄能器互相电压中性地电路连接。
所述充电内阻特性曲线的或者所述放电内阻特性曲线的所描述的相对位置可以在相对充电状态区域的边缘区域中(也就是说，在相对充电状态为0％处和靠近0％处以及在相对充电状态(state-of-charge，SoC)为100％处和靠近100％处)具有反常性，该反常性在这些边缘区域中示出与描述的主要曲线走向所不同的曲线走向。本发明的优点和效果不受所述反常性影响，从而所述反常性没有限制本发明。作为例子例如可以提及，在铅酸电池作为第一蓄能器的情况下充电状态临近0％处放电内阻特性曲线强烈地上升，该上升可能超过作为第二蓄能器的锂离子电池在充电状态临近0％处朝向较高的电阻方向的放电内阻特性曲线。然而，铅酸电池的放电内阻特性曲线朝向较高的电阻方向基本上在锂离子电池的放电内阻特性曲线之下延伸，对此结合了对本发明重要的特性。
此外，电阻特性曲线的考虑涉及温度范围，在应用于汽车制造中的情况下，该温度范围视为用于蓄能器的典型的温度范围，也就是说，从大约-20℃到大约+60℃。
电压中性的电路连接意味着，在所述两个蓄能器之间基本上存在直接的电流连接。特别是，传输电压(spannungsvermitteln)或者耦合电压的部件(如开关、继电器或者直流调整器)不必处于所述两个蓄能器之间。因此，通过所述两个蓄能器的并联连接，所述两个蓄能器在任何运行点中都具有相同电位。该电压本身被称作耦合电压。
根据本发明的一种优选的实施形式，第一电蓄能器在大致充满电的状态时具有恒稳电压，该恒稳电压基本上相当于第二蓄能器的处于低区域至中区域的相对充电状态。
这意味着，所述两个蓄能器如此实施，使得第一蓄能器的充满电的状态导致如下的耦合电压，在所述耦合电压中，第二蓄能器处于低充电状态区域至中充电状态区域。低充电状态区域至中充电状态区域例如可以用5％-60％的相对充电状态来标明。
此外，这意味着如下技术优点，即，当机动车包括控制器和电池传感器时，电池传感器配设给第二蓄能器，并且能借助电池传感器和/或控制器通过第二蓄能器的充电电流和放电电流的时间积分确定第二蓄能器的充电状态。
根据本发明的一种优选的变型方案，通过所述控制器能调整蓄能器设备的发电机式的充电电流并且能调整蓄能器设备的与消耗器相关的放电电流，其中，第二电蓄能器在时间曲线中在预定的理论充电状态区域中运行并且所述理论充电状态区域基本上处于第二蓄能器的低充电状态区域至中充电状态区域中。
因此，第二蓄能器在预定的充电状态区域中运行，该预定的充电状态区域处于第二蓄能器的低充电状态至中充电状态的区域中。这意味着，第一蓄能器在该运行中大致充满电。
此外，非常有利的是，在机动车具有制动能量回收功能的情况下在回收阶段中能通过控制器调整发电机式的充电电流，该发电机式的充电电流在时间曲线中导致第二蓄能器的如下充电状态，即，该第二蓄能器的充电状态朝向较高的充电状态方向处于理论充电状态区域之上，并且在不是回收阶段的行驶阶段中，由控制器如此调整发电机式的充电电流和与消耗器相关的放电电流，使得充电电流和放电电流将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中引导到理论充电状态区域中或者将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中保持在理论充电状态区域中。
如果机动车备选于或者附加于制动能量回收功能而具有马达停止-起动自动装置，则本发明的一种有利的变型方案在于，马达停止-起动阶段通过控制器能调整放电电流，该放电电流在时间曲线中导致第二蓄能器的如下的充电状态，该充电状态朝向较高的充电状态方向处于理论充电状态区域之下，并且当在不是马达停止-起动阶段的行驶阶段中由控制器如此调整发电机式的充电电流和与消耗器相关的放电电流，使得充电电流和放电电流将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中引导到理论状态区域中或者将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中保持在理论充电状态区域中。
本发明基于如下阐述的考虑：
出发点在于，传统的车辆具有单个铅酸电池作为用于基本车载电网的蓄能器，其中，机动车必要时装备有微混合动力功能、如制动能量回收功能(BER)连同自动的马达停止-起动自动装置(MSA)。
用于传统的车载电网的运行策略可以在于，最大化铅酸电池(BSB)的使用寿命。这对于本领域技术人员已知的BSB工艺中特别是能在BSB持久地充满电的情况下、亦即在应用满充电策略的情况下实现。然而，为了开启也利用BSB来回收从动能所转化的电能的可能性，选择BSB的有针对性地部分充电的运行，该运行可能对BSB的使用寿命可能产生不利影响。当BSB的充电状态附加地由于频繁的停止阶段而通过MSA并且通过在车辆的停放和空转阶段中过度的放电而下降时，这可能在不利的运行状态中察觉为特别不利的。
现代双电池构思具有不同化学工艺的蓄能器、例如具有铅酸电池与锂离子电池(LiB)的组合。
在电压中性地并联连接的蓄能器中、亦即在直接的电流连接中，出现对于各蓄能器共用的电压，该共用的电压被称作耦合电压。
对于这样的蓄能器设备提出一种机智的且同时鲁棒性的运行策略。该运行策略能实现应用蓄能器设备的所述两种蓄能器的特定的优点。
附图说明
以下描述本发明的一种优选的实施例。由此得到本发明的其它细节、优选的实施形式和进一步扩展方案。图中示意性地：
图1示出在耦合蓄能器系统中的两个蓄能器的恒稳电压位置，
图2示出所述两个蓄能器与相对充电状态有关的恒稳电压特性曲线，
图3示出所述两个蓄能器的充电内阻特性曲线，以及
图4示出所述两个蓄能器的放电内阻特性曲线。
具体实施方式
按照实施例，机动车的电气车载电网除了内燃机式驱动的发电机之外包括用于内燃机的起动器和多个电消耗器。在车载电网中，至少两个并联的电蓄能器不仅用作能量源而且用于作为能宿。所述电蓄能器优选具有直接电流连接，亦即，各蓄能器可以持久并联地运行。特别是在各蓄能器之间必须没有使用电压耦合的元件，如直流调整器、断路器、继电器等等。此外，考虑包括两个持久并联的蓄能器的系统，该系统本身被称为耦合蓄能器系统。
所述两个蓄能器的每个蓄能器都具有与蓄能器的相应的相对充电状态相关的恒稳电压特性曲线。所述两个蓄能器如此选择，使得在相对充电状态的整个区域上，第一蓄能器(1)的恒稳电压特性曲线(Ur)与第二蓄能器(2)的恒稳电压特性曲线至少部分相交，参见在图1中划阴影线示出的电压的重叠区域(3)。这意味着，相应地存在一个蓄能器的如下的充电状态区域，该充电状态区域配设有相应的恒稳电压特性曲线的相应另一个蓄能器所不覆盖的电压区域，并且相应地存在一个蓄能器的相应如下充电状态区域，该充电状态区域配设有相应的恒稳电压特性曲线的相应另一个蓄能器同样覆盖的电压区域。第一蓄能器(4)的恒稳电压特性曲线的曲线和第二蓄能器(5)的恒稳电压特性曲线的曲线在图2中相对于蓄能器的相对的充电状态示出。
两个蓄能器分别具有与充电状态有关的充电内阻特性曲线和与充电状态有关的放电内阻特性曲线。内阻用R表示。第一蓄能器的充电内阻特性曲线(在图3中为6)基本上在从0％的充电状态(SoC)到100％的SoC的整个相对的充电状态区域中朝向较高的电阻方向处于第二蓄能器的充电内阻特性曲线(在图3中为7)之上。所述放电内阻特性曲线显示一种相反的曲线，也就是说，第一蓄能器的放电内阻特性曲线(在图4中为8)基本上在整个充电状态区域中处于第二蓄能器的放电内阻特性曲线(在图4中为9)之下。
示例性地在没有普遍性限制的情况下，作为用于耦合蓄能器系统的蓄能器，以湿法工艺或者AGM工艺的铅-酸电池(BSB)可以列举为第一蓄能器，该第一蓄能器具有从10.5伏到约13.0伏的恒稳电压位置，并且锂离子电池(LiB)可以列举为第二蓄能器。例如，所述LiB例如由电化学的氧化还原系列锂-磷酸铁(LiFePO4)/石墨的四个电池(恒稳电压位置从10.4伏到14.0伏)的串联电路构建，或者由电化学的氧化还原系列锂-镍-锰-钴(Li-NxMyCz)/石墨的四个电池(恒稳电压位置从12.6伏到16.4伏)的串联电路构建，或者由电化学的氧化还原系列锂-镍-锰-钴(Li-NxMyCz)/锂-钛酸盐(LixTiyOz)的六个电池(恒稳电压位置从12.0伏到15.6伏)构建。第二蓄能器也可以实施为超级电容。
另外，在没有限制于所示的变型方案之一的情况下，考虑LiB与锂-磷酸铁/石墨系统的实施方式。在此，提出一种例如LiB的额定容量为5-20Ah和BSB的额定容量为70-90Ah的系统。
LiB配设有电池传感器，该电池传感器单向地与车辆的控制器交换信息。所述电池传感器特别是重复地测量第二蓄能器的充电电流和放电电流。由此，通过电池传感器或者通过控制器以第二蓄能器的电流的时间积分的形式(该电流由充电电流和放电电流形成)特别是在蓄能器设备运行期间能实现与时间相关地确定第二蓄能器的充电状态。
在耦合蓄能器系统中，在每个运行时刻由于直接的电流连接而存在相同的电位，该电位被称为耦合电压。
所述BSB在从大约0％到100％的充电状态区域中具有从大约10.5伏到13.0伏的恒稳电压区域。所述LiB在从大约0％到80％的充电状态区域中具有从大约10.4伏到13.2伏的恒稳电压区域，其中，从大约25％到80％的整个充电状态区域几乎处于13.2伏的恒稳电压位置。在恒稳电压为13.0伏时，LiB的充电状态大约处于15％。
目的在于，按照图1的LiB在理论充电状态带(3)中运行，该理论充电状态带处于从大约5％到60％的低充电状态区域至中充电状态区域中。对此，BSB的充电状态持久地处于充满电的区域中。
特别是在具有用于制动能量回收(BER)的回收功能和具有内燃机的自动的马达停止-起动功能(MSA)的车辆中，该理论充电状态带提供技术优点。
在BER中，通过由马达的传动轴短时间获取提高的转矩来达到发电机输出端上的电压的短期提升。在此，短期的获取针对牵引阶段和制动阶段，在所述牵引阶段和制动阶段中马达在没有自身驱动的情况下通过车辆的动能联动(mitschleppen)。代替将动能转化为在车辆的制动设备中的热，所述多余的动能可以转换为电能并且储存在耦合蓄能器系统中。耦合蓄能器系统的电流吸纳(Stromaufnahme)越有利，该转换就越高效地进行。
在MSA功能的情况下，内燃机在连续的行驶运行期间在车辆的停止阶段中(例如在交通灯处的红灯阶段中)被停止并且在后续的行驶阶段开始时又自动起动。在MSA停止阶段期间，发电机不输出电功率，从而电消耗器由耦合蓄能器系统馈电。
在没有普遍性限制的情况下，所述耦合蓄能器系统的最大充电电压为14.80伏。在所述BSB的情况下，在超过恒稳电压位置400-500mV起的过电位()时值得一提地(nennenswert)出现电池的充电，在LiB的情况下，例如在超过恒稳电压位置<100mV的过电位时已经出现电池的充电。
因此，利用耦合蓄能器系统在选择的理论状态带中达到，在进入回收阶段时，LiB基于充电内阻特性曲线而具有高的电流吸纳并且全部回收能量由LiB吸纳。如果所述回收阶段导致LiB的如下充电状态，该充电状态超出该充电状态带，则LiB可以主动放电，以便被重新引导至处于理论充电状态带中的充电状态，由此减轻发电机的负荷。所述在发电机上输出的电功率下降并且LiB通过电消耗器放电。
在通过具有MSA功能而自动停止马达连同紧接着的热起动时，两个蓄能器以消耗器电流为50-100A的数量级来部分放电。在耦合蓄能器系统由于车辆的起动器而紧接着存在高电流负载的情况下，BSB的低的放电内阻将导致BSB短期强烈的放电。BSB的电压扰动通过LiB得到支持，LiB具有比BSB明显更低的速率放电，也就是说，所述耦合电压比在通常单个BSB的情况下经历明显更小的电压扰动。LiB的支持电压的功能基于：LiB在马达停止阶段开始时处于理论充电状态带中并且在通常的MSA运行的情况下马达停止阶段运行之后在实施热起动时具有剩余充电状态，该剩余充电状态支持耦合电压。
如果MSA停止阶段连同紧接着的马达起动导致LiB的低于充电状态带的充电状态，LiB可以主动充电，以便又被引导至处于在理论充电状态带中的充电状态。这优选通过回收发生。较低的耦合电压在这个状态中有利于回收的效率，因为在回收阶段期间可施加的电压导致较高的充电过电位。以有帮助的方式，在回收阶段之外附加地提高在发电机输出端上输出的功率，以便提高LiB的充电电流并且将LiB引回到理论充电状态带中。
通过耦合蓄能器系统在充电状态带中的运行能使用一种简单且鲁棒的运行策略。这仅仅要求LiB在行驶运行期间的充电数据表和能在输出端功率方面调节的发电机。为了将LiB保持在理论充电状态带中，可以应用一种简单的PI调节器。
该运行策略联合BSB和LiB的特定的优点。一方面，BSB的低的放电内阻在靠近BSB的充满电的状态时是有利的，以便确保在热起动时短期高的电流输出。在此，LiB支持车载电网中的电压以防起动电压扰动，因为所述LiB由于其低充电状态至中充电状态而具有比BSB更高的恒稳电压，该恒稳电压作为用于BSB的过电位而起作用。
在回收时，LiB处于部分放电的状态中，也就是说，在与充满电的BSB相比低的充电内阻时具有电流吸纳能力。所述回收在该运行状态中是非常高效的。

Claims (6)

1.机动车，具有发电机、电消耗器、第一电蓄能器以及与第一电蓄能器并联的第二电蓄能器，其中，所述两个电蓄能器在电压范围内具有至少部分重叠的恒稳电压特性曲线，所述第一蓄能器具有与充电状态相关的第一充电内阻特性曲线，所述第二蓄能器具有与充电状态相关的第二充电内阻特性曲线，所述第一蓄能器具有与充电状态有关的第一放电内阻特性曲线并且所述第二蓄能器具有与充电状态有关的第二放电内阻特性曲线。
其特征在于，
—所述第一充电内阻特性曲线在整个相对的充电状态区域中朝向较高的电阻方向在第二充电内阻特性曲线之上延伸，
—所述第一放电内阻特性曲线在整个相对的充电状态区域中朝向较高的电阻方向在第二放电内阻特性曲线之下延伸，并且
—所述两个蓄能器互相电压中性地电路连接。
2.根据权利要求1所述的机动车，其特征在于，
—第一电蓄能器在大致充满电的状态中具有恒稳电压，该恒稳电压基本上相当于第二蓄能器的处于相对充电状态的低区域至中区域的充电状态。
3.根据权利要求2所述的机动车，其特征在于，
—所述机动车包括电池传感器和至少一个控制器，
—电池传感器配设给第二蓄能器，并且
—通过第二蓄能器的充电电流和放电电流的时间积分，第二蓄能器的充电状态能借助电池传感器和/或所述至少一个控制器来确定。
4.用于根据权利要求3所述的机动车的方法，其中，
—能通过所述至少一个控制器调整蓄能器设备的发电机式的充电电流，
—其中，能调整蓄能器设备的与消耗器相关的放电电流，
—充电电流和放电电流在时间曲线中将第二蓄能器保持在理论充电状态区域中，并且
—所述理论充电状态区域处于第二蓄能器的基本上中充电状态中。
5.根据权利要求4所述的用于机动车的方法，其中，机动车具有制动能量回收功能，
—其中，在回收阶段中能通过所述至少一个控制器调整发电机式的充电电流，该发电机式的充电电流在时间曲线中导致第二蓄能器的如下充电状态，该充电状态朝向较高的充电状态方向处于理论充电状态区域之上，并且
—在不是回收阶段的行驶阶段中，通过所述至少一个控制器如此调整发电机式的充电电流和与消耗器相关的放电电流，使得充电电流和放电电流将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中引导到理论充电状态区域中或者将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中保持在理论充电状态区域中。
6.根据权利要求4或5所述的用于机动车的方法，其中，机动车具有马达停止-起动自动装置，
—其中，在马达-停止-起动阶段中，通过所述至少一个控制器调整放电电流，该放电电流在时间曲线中导致第二蓄能器的充电状态，第二蓄能器的充电状态朝向较高的充电状态方向处于理论充电状态区域之下，并且
—在不是回收阶段的行驶阶段中，由所述至少一个控制器如此调整发电机式的充电电流和与消耗器相关的放电电流，使得充电电流和放电电流将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中引导到理论充电状态区域中或者将第二电蓄能器的充电状态在时间曲线中保持在理论充电状态区域中。
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