[0001] 本发明涉及一种用于机动车的车载电网，以及一种具有这种车载电网的机动车。

[0002] 在具有内燃机的机动车中，为了为用于内燃机的电起动装置或者起动器以及机动车的另外的电装置供电而设置车载电网，其根据标准以12伏特运行。在起动内燃机的过程中，由起动器蓄电池经由车载电网为起动器提供电压，当例如通过相应的起动信号接通起动器时，该起动器起动内燃机。如果该内燃机起动，其驱动发电机，该发电机接着生成约12伏特的电压并且经由车载电网提供至车辆中的不同的电负载。该发电机在此又为通过起动过程加载的起动器蓄电池充电。如果经由车载电网充电蓄电池，则实际的电压能够为额定电压，例如14V或者14.4V。具有12V或14V电压的车载电网在本发明的范围内也被称为低电压车载电网。

[0003] 已知在电动和混合动力车辆中使用具有48V的额定电压的另外的车载电网，其在本发明的范围内也被称为高电压车载电网。

[0032] 图1示出了根据现有技术的车载电网1。在启动内燃机的过程中，由起动器蓄电池10经由车载电网1向起动器11提供电压，当例如通过相应的起动信号接通开关12时，该起动器启动内燃机(未示出)。如果内燃机起动，则其驱动发电机13，该发电机接着产生约12伏特的电压并且经由车载电网1提供给车辆中的不同的电负载14。发电机13在此又为通过起动过程加负载的起动器蓄电池10充电。

[0033] 图2示出了具有高电压子电网20、低电压子电网21和单向的、电势分离的DC/DC转换器22的车载电网1，其形成在高电压子电网20和低电压子电网21之间的耦合单元。该车载电网1能够是车辆的、尤其是机动车、运输车或者叉车的车载电网。

[0034] 该高电压子电网20例如是具有发电机23的48伏特车载电网，该发电机由内燃机(未示出)驱动。该发电机23被构造在该实施例中，根据车辆的电机的旋转运动产生电能量并且馈入高电压子电网20中。该高电压子电网20还包括蓄电池24，其例如能够被构造作为锂离子蓄电池并且其被设置为，将需要的运行电压输出至高电压子电网20。在高电压子电网20中安置另外的负载电阻25，其例如能够通过至少一个、优选地通过多个机动车的电负载形成，其通过高电压进行驱动。

[0035] 在低电压子电网21中存在起动器26，该低电压子电网设置在DC/DC转换器22的输出端，该起动器26被设置为接通开关27以起动内燃机，以及能量存储器28，其被设置为，为低电压子电网21提供12V或14V大小的额定电压。在低电压子电网21中安置另外的负载29，其通过低电压进行驱动。能量存储器28例如包括多个电流单池、例如这样的铅酸蓄电池，其在完全充电状态下(充电状态，SOC＝100％)通常具有12.8伏特的电压。在放电的蓄电池(充电状态，SOC＝0％)中，能量存储器28无负载地具有通常为10.8伏特的端子电压。在低电压子电网21中的车载电网电压在行驶运行中、分别根据能量存储器28的温度和充电状态约在10.8伏特和15伏特之间的范围中。

[0036] 该DC/DC转换器22在输入侧与高电压子电网20并且与发电机23相连接。该DC/DC转换器22在输出侧与低电压子电网21相连接。该DC/DC转换器22被构造为，接收在输入侧接收的、例如驱动高电压子电网的、例如在12和48伏特之间的直流电压，并且产生输出电压，其与输入侧所接收的电压不同，尤其是产生小于在输入侧所接收的电压的输出电压，例如12V或14V。

[0037] 图3示出了具有高电压子电网20和低电压子电网21的车载电网1，其通过双向的、电势分离的DC/DC转换器31相连接。所示出的车载电网1基本上如在图2中示出的车载电网地构造，其中发电机接入高电压子电网并且为了在子车载电网20、21之间的能量传输使用DC/DC转换器31，其被实施为电势分离的。在两个子车载电网20、21中还安置蓄电池24、28和负载25、29，如参见图2所描述的。在图3中示出的系统的区别基本上在于起动器的接入方式。在图2中示出的系统中，起动器26安置在低电压子电网21中并且由此DC/DC转换器22能够对于高电压子电网20的能量传输来说单向地设置在低电压子电网21中，而在图3示出的起动器发电机30的结构中其被放入高电压子电网20中。在这种情况下，DC/DC转换器31被实施为双向的，从而锂离子蓄电池24(如有必要)能够经由低电压子电网21被充电。该低电压车辆的起动辅助于是经由低电压接口和DC/DC转换器31来实现。

[0038] 图4示出了具有高电压子电网20和低电压子电网21的车载电网1，例如车辆、尤其是机动车、运输车或者叉车的车载电网1。该车载电网1尤其适于在具有48伏特发电机、14伏特起动器和推动力回收系统的车辆中使用。

[0039] 该高电压子电网20包括起动器发电机30，其能够起动内燃机(未示出)并且由其是可驱动的。该起动器发电机30被构造为，根据车辆的电机的旋转运动来产生电能量并且馈入高电压子电网20中。在高电压子电网20中安置另外的负载电阻25，其例如能够通过至少一个、优选地通过多个机动车的电负载形成，其通过高电压进行驱动。

[0040] 该高电压子电网20此外包括蓄电池40，其例如能够被构造作为锂离子蓄电池并且其被设置为，将48伏特的运行电压输出至高电压子电网。该锂离子蓄电池40在48伏特的额定电压下优选地具有约15Ah的最小电容，以能够存储所需的电能量。

[0041] 蓄电池40具有多个蓄电池单元41-1、41-2……41-n，其中多个蓄电池单元41配属于多个蓄电池单池，其通常串联并且部分地额外地彼此并联连接，以通过蓄电池40达到所需的功率和能量数据。单个蓄电池单池例如为具有2.8至4.2伏特的电压范围的锂离子蓄电池。

[0042] 蓄电池单元41-1、41-2……41-n配属于单电压抽头80-11、80-12、80-21、80-22、……80-n1、80-n2，通过其输送耦合单元33的电压。该耦合单元33具有以下任务，将蓄电池40的至少一个蓄电池单元41接通至用于其运行或者支持的低电压子电网21。

[0043] 耦合单元33将高电压子电网20与低电压子电网21相耦合，并且在其输出端为低电压子电网21提供所需的运行电压、例如12V或者14V。该耦合单元33的结构和功能将参照图5至7进行描述。

[0044] 低电压子电网21包括低电压负载29，其例如被设置以14V电压运行。根据一个实施方式设置，锂离子蓄电池40在停机的车辆中承担静态电流负载的供电，该静态电流负载作为负载25、29示出。例如能够设置，在此满足所谓的机场测试的要求，其中在六星期的停车时间后该车辆仍然是可起动的，并且其中在停车时间期间该低电压负载29的静态电流被提供至低电压子电网21，由此例如为防盗报警器件供电。

[0045] 在低电压子电网21中可选地安置高功率存储器28或者缓冲存储器，其能够短时间地提供非常高的功率，即优化成高功率。该高功率存储器28满足该目的，即在蓄电池单元41的切换过程中进一步避免过压。如果电容器被用作高功率存储器28，则其尺寸优选地为：

[0046]

[0047] 其中Imax为最大的车载电网电流，其应当在切换过程期间在车载电网中流动，tumschalt为持续时间，在其间不提供用于供电的蓄电池单元，并且ΔUmax为在切换过程期间的车载电网电压的最大允许的变化。

[0048] 图5示出了耦合单元33，其被实施作为单向的、电流不分离的直流电压转换器(DC/DC转换器)。该耦合单元33包括反向截止的开关44、45，其具有以下特性，其在状态“接通”下使仅在一个方向上的电流流动成为可能，并在第二状态“断开”下能够两种极性地吸收截止电压。其与如IGBT开关的简单的半导体开关实质上不同，因为其在反向方向上由于其内部的二极管而不能够吸收截止电压。根据电流流动方向在图5中显示两种不同的开关类型，即RSS_I 45和RSS_r 44，两者在其工艺方面没有区别，而是仅以不同的极性构造。反向截止的开关44、45的进一步结构的示例参照图8来描述。

[0049] 在耦合单元33中，蓄电池单元41的单抽头80分别输送至不同的反向截止开关RSS_I 45和RSS_r 44中的一个。该反向截止开关RSS_I 45在耦合单元33的输出侧与正极52连线，并且反向截止开关RSS_r 44在耦合单元33的输出侧连线至负极51。

[0050] 该耦合单元33包括正向截止的开关VSS 90，其例如能够为标准半导体开关。正向截止的开关90的进一步结构的示例参照图8进行描述。在耦合单元33中，蓄电池单元41的单抽头80分岔并且平行于反向截止的开关分别输送至正向截止的开关VSS 90。如果该开关90被接通，该正向截止的开关VSS 90将蓄电池单元41彼此并联连接。在此，在每两个蓄电池单元41之间安置正向截止的开关90，从而在n个蓄电池单元41中设置n-1个正向截止的开关VSS 90-1、VSS 90-2、……VSS 90-n-1。

[0051] 以附图标记73示出通过蓄电池单元41供电高电压子电网的电流路径。所有的正向截止的开关90在此是闭合的。

[0052] 该高电压子电网20的电压位参照低电压子电网21的接地取决于一个或多个蓄电池单元41接通至何处。不在运行状态下，电势中的一个然而具有量，其以高电压和低电压的总和的大小超过电压界限，即在48伏特电网和14伏特电网的情况以62伏特。然而也能够出现相对于低电压子电网21的接地的负电势。

[0053] 图6示出了低电压子电网21例如由蓄电池单元41-2经由接入的反向截止的开关RSS_I 45-i、RSS_r 44-i供电。由正极52经由反向截止的开关RSS_I 45-i、经由第二导通的蓄电池单元41-2并且经由另外的反向截止的开关RSS_r 44-i引导第一电流路径71至负极51

[0054] 正向截止的开关90的应用使得，用于供电低电压子电网21的两个或多个子蓄电池41能够并联连接。在该情况下，正向截止的开关90被控制为状态“断开”。在并联连接的蓄电池单元41的不同的电压水平的情况下，实现能量流仅由这样的子蓄电池41至低电压子电网
21，其具有较高的电压水平。由具有较高电压位的子蓄电池41至具有较低电压位的子蓄电池41的能量流通过反向截止的开关44、45中断，其配属于具有低的电压的子蓄电池41。在子蓄电池41的并联连接期间，正向截止的开关90被切断并且发电机在理想情况下不馈入能量至高电压子电网20中。

[0055] 根据一个实施方式，如此设置车载电网或者控制系统，使得蓄电池40仅能够在接通的正向截止的开关90的情况下以能量供给起动器-发电机30。为了蓄电池40的充电，不强制正向截止的开关90必须接通，因为正向截止的开关90的内部的二极管能够传输充电电流。优选地，当不出现用于低电压子电网21的供电的并联运行时，正向截止的开关90于是一直接通，以降低在正向截止的开关90的内部的损耗功率。

[0056] 起动器-发电机30的运行取决于耦合单元33的运行和低电压子电网的供电。在接通的蓄电池单元41中得出通过低电压子电网和由(如有必要的情况下)起动器-发电机30馈入整个蓄电池40中的充电电流(发电机运行)或者通过其从整个蓄电池40中提取的放电电流(电动机运行)，该蓄电池单元供电低电压子电网21。只要不超过蓄电池单元的允许的界限、例如单池的最大允许的放电电流，则能够彼此独立地观察该过程。由于至少一个蓄电池单元41一直经由所述的开关44、45、90接通耦合单元33，因此可靠地供电该低电压子电网21。由于低电压子电网21的多重冗余的供电，能够以所提出的结构构造系统，其具有在低电压子电网21中的电能量的非常高的可用性。

[0057] 图7示出了低电压子电网21例如由蓄电池单元41-1、41-2经由接入的反向截止的开关RSS_I 45-i、RSS_I 45-j、RSS_r 44-i、RSS_r 44-j供电。由正极52经由反向截止的开关RSS_I 45-i、经由第二导通的蓄电池单元44-2并且经由另外的反向截止的开关RSS_r 44-i引导第一电流路径71至负极51。此外由正极52经由反向截止的开关RSS_I 45-j、经由第一导通的蓄电池单元41-1并且经由另外的反向截止的开关RSS_r 44-j引导第二电流路径72至负极51。当开关90-1是断开的时，第一蓄电池单元41-1和第二蓄电池单元41-2关于低电压子电网21并联连接。

[0058] 图8示出了反向截止的开关44、45和正向截止的开关90的可能的结构。流通方向在此以I给出。反向截止的开关RSS_r 44例如包括IGBT、MOSFET或者双极型晶体管101和与其串联连接的二极管103。在图8中示出了MOSFET 101，其具有一起示出的、内部的二极管102。串联连接至该MOSFET 101的二极管103相反于MOSFET101的内部的二极管102的方向地极化。反向截止的开关RSS_r 44使得电流在流通方向I上以相反的方向流过或截止。该反向截止的开关RSS_I 45对应于RSS_r 44，仅以相反的极性构造，从而流通和截止方向交换。正向截止的开关90包括MOSFET、IGBT或者双极型晶体管101，其中其内部的二极管102被一起示出。开关RSS_I 45、RSS_r 44和VSS 90尤其地也通过几乎不可察觉的延迟在开关过程中突出，即允许非常短的切换时间段。通过合适的控制电路，在开关的切断和接通之间的时间延迟能够被非常精确地调节。

[0059] 本发明并不限制于在此描述的实施例和在此强调的方面。相反地在通过权利要求给定的范围之内的多种修改是可能的，其在本领域技术人员的处理范围中。