-
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
-
Aktuelle Kraftwagenbordnetze oder Energiebordnetze bestehen aus einem Energiespeicher wie beispielsweise einer Blei-Säure-Batterie, einer Energiequelle wie bei verbrennungskraftmaschinenbetriebenen Kraftwagen Generatoren oder wie bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen Gleichstrom-Spannungswandler. An solch ein Bordnetz sind dann elektrische Verbraucher des Kraftwagens angeschlossen. In einem derartigen Bordnetzaufbau können Einfachfehler bereits zu einem Ausfall der Stromversorgung führen. Zu derartigen Einfachfehlern zählen zum Beispiel Unterbrechungen in der Leistungsverteilung, also beispielsweise in Leitungen oder Stromverteilern, und Kurzschlüsse oder Defekte in den Komponenten, welche für die Bereitstellung der elektrischen Energie verantwortlich sind.
-
Da zukünftig Fahrerassistenzsysteme im Rahmen des pilotierten beziehungsweise automatisierten und/oder teilautomatisierten Fahrens immer mehr Fahraufgaben vom Fahrer übernehmen, steigen auch die Anforderungen an die Verfügbarkeit der elektrischen Energieversorgung im Kraftwagen. Es wird eine zuverlässige, hochverfügbare oder ausfallsichere Spannungsversorgung benötigt. Einfachfehler, welche zu einem plötzlichen Spannungsverlust im Bordnetz führen, dürfen gar nicht oder nur mit einer minimalen Wahrscheinlichkeit auftreten.
-
Um dieses Ziel zu erreichen wird die typischerweise in Form eines primären Bordnetzes oder primären Bordnetzzweiges bestehende Energieversorgung um eine sekundäre Energieversorgung, ein sekundäres Bordnetz oder einen sekundären Bordnetzzweig, erweitert. Hierdurch können wichtige Systemkomponenten aus zwei unabhängigen Kanälen mit Spannung versorgt werden. Der sekundäre Bordnetzzweig hat dabei die Aufgabe, bei einem Fehler oder Ausfall des primären Bordnetzzweiges die Versorgung besonders wichtiger Systemkomponenten für eine begrenzte Zeit sicherzustellen. So kann das Fahrzeug trotz Defekts im primären Bordnetzzweig durch den Fahrer oder automatisiert in einen sicheren Zustand gebracht, beispielsweise abgebremst werden.
-
Die sekundäre Energieversorgung umfasst dabei in bekannten Konzepten einen Energiespeicher wie eine Batterie, einen Kondensator oder dergleichen, sowie eine Ladeschaltung mit einem Gleichstrom-Spannungswandler (DC/DC-Wandler), welcher die elektrische Energieversorgung des zweiten Bordnetzzweiges aus dem ersten Bordnetzzweig bereitstellt. Komponenten der Systeme, welche eine hohe Verfügbarkeitsanforderung an die elektrische Energieversorgung stellen, sind dann sowohl an die primäre, als auch an die sekundäre Energieversorgung angeschlossen. Dies kann durch eine Komponente dargestellt werden welche gleichzeitig an die primäre und die sekundäre Energieversorgung angeschlossen ist oder zwei oder mehrere Komponenten welche jeweils an unterschiedliche Energieversorgungzweige (primär oder sekundär) angeschlossen sind.
-
Der Gleichstrom-Spannungswandler der Ladeschaltung muss dabei die durchschnittliche Leistung im sekundären Bordnetzzweig für jede Betriebssituation sicherstellen. Aufgrund der großen Spreizung der Last im sekundären Bordnetzzweig zwischen regulärem, beispielsweise automatisiertem, Betrieb und extremen Betriebszuständen wie dauerhafte Dynamikmanöver im Fahrerfahrbetrieb, muss der Gleichstrom-Spannungswandler aufgrund der seltenen Ausnahmefälle deutlich größer dimensioniert werden als dies für den regulären Normalbetriebsfall zumeist notwendig ist. Typischerweise muss durch den Gleichstrom-Spannungswandler in einem solchen seltenen Ausnahmefall rund acht- bis zehnmal so viel Leistung bereitgestellt werden als im Normalbetriebsfall.
-
In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 10 2011 086 829 A1 ein Bordnetz mit einem ersten und einem zweiten Bordnetzzweig, welche über einen Gleichstrom-Spannungswandler sowie über einen Spannungsbegrenzungsschalter und einen Leistungsschalter miteinander gekoppelt sind. Über- oder unterschreitet nun eine Nominalspannung des ersten oder des zweiten Bordnetzzweiges vorgegebene Spannungsschwellwerte, so findet ein Energietransfer zwischen den beiden Bordnetzzweigen statt, wodurch eine verbesserte Spannungsstabilisierung ermöglicht wird.
-
Es ergibt sich die Aufgabe, eine ausfallsichere Energieversorgung im Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche eine gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, insbesondere eine erhöhte Effizienz und weniger Kühlung und Bauraum erfordert als dies bisher der Fall ist.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
-
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz oder Energiebordnetz für einen Kraftwagen. Das Bordnetz weist dabei einen ersten Bordnetzzweig mit einer ersten Normalbetriebsspannung und einen zweiten Bordnetzzweig mit einer zweiten Normalbetriebsspannung auf. Unter einer Normalbetriebsspannung kann hier die Spannung oder Nominalspannung im jeweiligen Bordnetzzweig verstanden werden, auf die der jeweilige Bordnetzzweig mit entsprechenden Komponenten im störungsfreien Regelbetrieb ausgelegt ist. Das Bordnetz weist auch eine Ladeschaltungseinrichtung zum Versorgen des zweiten Bordnetzzweiges mit elektrischer Energie aus dem ersten Bordnetzzweig auf, welche mit dem ersten und dem zweiten Bordnetzzweig elektrisch gekoppelt ist. Die beiden Bordnetzzweige sind dabei in der Ladeschaltungseinrichtung durch einen Spannungswandler und durch eine parallel zum Spannungswandler geschaltete Schalteinrichtung gekoppelt.
-
Vorliegend ist die zweite Normalbetriebsspannung größer als oder gleich hoch wie die erste Normalbetriebsspannung. Beispielsweise kann die zweite Normalbetriebsspannung um einen Betrag zwischen 0 und 3 Volt über der ersten Normalbetriebsspannung liegen. In einem Normalbetrieb, in welchem eine erste tatsächliche Betriebsspannung des ersten Bordnetzzweiges niedriger ist als eine zweite tatsächliche Betriebsspannung des zweiten Bordnetzzweiges, ist die Schalteinrichtung nun ausgelegt, einen Stromfluss von dem zweiten Bordnetzzweig in den ersten Bordnetzzweit durch die Schalteinrichtung hindurch zu sperren. Ist die zweite tatsächliche Betriebsspannung niedriger als die erste tatsächliche Betriebsspannung, so ist die Schalteinrichtung ausgelegt, einen Stromfluss von dem ersten Bordnetzzweig in den zweiten Bordnetzzweig durch die Schalteinrichtung hindurch zuzulassen. Unter einer tatsächlichen Betriebsspannung wird hier eine augenblicklich messbare Betriebsspannung des jeweiligen Bordnetzzweiges verstanden, welcher betriebsbedingt von einer vorgesehenen Normalbetriebsspannung abweichen kann. Beispielsweise ist sie typischerweise in einem Fehlerfall so.
-
Der Spannungswandler ist insbesondere ein Gleichstrom-Spannungswandler (DC/DC-Wandler). Der Spannungswandler kann dabei auf eine mittlere Leistung ausgelegt sein, welche geringer ist als die maximal in dem zweiten Bordnetzzweig durch Verbraucher umsetzbare elektrische Leistung. Insbesondere kann die durch den Spannungswandler bereitstellbare Leistung um einen Faktor 5, bevorzugt um einen Faktor 8 und nochmals bevorzugt um einen Faktor 10 geringer sein als eine maximal in dem zweiten Bordnetzzweig für einen (insbesondere seltenen) Regelbetriebsmodus der Verbraucher abrufbare durchschnittliche Leistung. Ein seltener Regelbetriebsmodus tritt beispielsweise in weniger als 25%, 10% oder 5% der gesamten Betriebszeit auf. Kurzzeitige Leistungsspitzen können aus der zusätzlichen Speichereinrichtung des zweiten Bordnetzzweig bereitgestellt werden.
-
In Betriebssituationen, in denen die Leistung des Gleichspannungswandlers durchschnittlich überschritten wird, kann Leistung über eine Schalteinrichtung aus dem ersten Bordnetzzweig bereitgestellt werden. Die Schalteinrichtung kann insbesondere durch rein passive Bauelemente realisiert sein. Die Schalteinrichtung kann beispielsweise eine Zehnerdiode umfassen. Die Ladeschaltung kann hier auch aus dem Spannungswandler und der parallel dazu verschalteten Schalteinrichtung bestehen. Spannungswandler und Schalteinrichtung können dabei bevorzugt eine Einheit bilden, das heißt in einem Gehäuse verbaut sein. Alternativ können sie auch getrennt voneinander verbaut werden.
-
Der Spannungswandler kann für einen Ladungserhalt eines Energiespeichers, beispielsweise einer Batterie, im zweiten Bordnetzzweig sorgen und stellt zugleich die Versorgung der Verbraucher im sekundären Bordnetzzweig für reguläre Fahrsituationen sicher. Der Spannungswandler kann auf einen in den regulären Fahrsituationen erforderlichen Leistungswert ausgelegt sein, beispielsweise auf einen Leistungswert, der in 70%, 80% oder 90% der Fahrsituationen unterschritten wird.
-
Die Schalteinrichtung kann auch so gestaltet sein, dass sie den Stromfluss vom primären Bordnetzzweig zum sekundären Bordnetzzweig und umgekehrt auf ein Anforderungssignal hin unterbinden kann. Wenn nun in extremen Fahrsituationen, z. B. im Fahrerfahrbetrieb, der Energiebedarf im sekundären Bordnetzzweig die Leistungsfähigkeit des Spannungswandlers übersteigt, wird die Schalteinrichtung für einen Strom von dem ersten in den zweiten Bordnetzzweig leitend und somit der Ladewandler überbrückt. Dadurch wird der sekundäre Bordnetzzweig direkt mit dem primären Bordnetzzweig gekoppelt und eine Unterversorgung der Verbraucher im zweiten Bordnetzzweig ausgeschlossen. Somit ist die Versorgung der Verbraucher im zweiten Bordnetzzweig mit elektrischer Energie sichergestellt. Zugleich kann der Spannungswandler in Bezug auf seine Ausgangsleistung wesentlich kleiner, beispielsweise um den Faktor 8 bis 10 kleiner ausgelegt werden, als dies im Stand der Technik möglich ist. Als Folge kann der Spannungswandler auch in einem besseren Wirkungsgradbereich betrieben werden und stellt entsprechend verringerte Anforderungen an Kühlung sowie Bauraum. Überdies werden die Herstellungskosten so reduziert.
-
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass bei einer Über- oder Unterspannung in einem der beiden Bordnetzzweige, also wenn die tatsächlichen Betriebsspannung des jeweiligen Bordnetzzweiges einen vorgegebenen Betriebsspannungsbereich verlässt, die Stromleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Bordnetzzweig durch die Schalteinrichtung unterbunden wird. Hierbei, also auch bei getrennten und/oder trennbaren Bordnetzzweigen, kann die Schalteinrichtung und der Spannungswandler über den zweiten Bordnetzzweig permanent, also dauerhaft und ununterbrechbar elektrisch gekoppelt sein.
-
Es wird somit bei hoher Bordnetzlast im zweiten Bordnetzzweig in extremen Betriebszuständen wie z. B. dauerhaften Dynamikmanövern im Fahrerfahrbetrieb eine Art Bypass zum Spannungswandler in Form einer unidirektionalen Stromleitung vom ersten Bordnetzzweig in den zweiten Bordnetzzweig realisiert beziehungsweise aktiviert. Bei einer Über- oder Unterspannung innerhalb des jeweiligen ersten oder zweiten Bordnetzzweiges kann der Bypass getrennt werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung ausgelegt ist, in dem Normalbetrieb einen Stromfluss von dem ersten Bordnetzzweig in den zweiten Bordnetzzweig durch die Schalteinrichtung hindurch zuzulassen.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine über die Ladeschaltungseinrichtung ladbarer Energiespeicher des zweiten Bordnetzzweiges an den Spannungswandler gekoppelt ist und mittels einer Trenneinrichtung, insbesondere eine Trenneinrichtung der Ladeschaltungseinrichtung, an die Schalteinrichtung und/oder den restlichen zweiten Bordnetzzweig gekoppelt ist. Bei der Trenneinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Schalter oder eine weitere Schalteinrichtung handeln. Durch die Trenneinrichtung kann insbesondere der zweite Energiespeicher inklusive Spannungswandler in Betriebszuständen, die keinen ausfallsicheren zweiten Bordnetzzweig erfordern, von dem zweiten Bordnetzzweig abgekoppelt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Bordnetzzweig zumindest einen elektrischen Verbraucher mit einer für den Normalbetrieb vorgegebenen Durchschnittsleistung aufweist und der Spannungswandler auf die vorgegebene Durchschnittsleistung ausgelegt ist. Der Spannungswandler kann hier auf die vorgegebene Durchschnittsleistung mit einer Toleranz von beispielsweise plus/minus 10 Prozent oder beispielsweise plus/minus 25 Prozent ausgelegt sein. Dabei ist der Spannungswandler dann nicht auf eine eventuell in einem Realbetrieb auftretende Spitzenleistung im zweiten Bordnetzzweig ausgelegt.
-
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung ausgelegt ist, die beiden Bordnetzzweige im Falle einer Über- oder Unterspannung in einem der Bordnetzzweige voneinander zu trennen. Der Spannungswandler und die Schalteinrichtung und/oder eine jeweilige Steuereinrichtung oder Logikschaltung von Spannungswandler und/oder Schalteinrichtung sind dabei ausgelegt, das Trennen trotz Ausfall des ersten Bordnetzzweigs und/oder des zweiten Bordnetzzweigs und/oder der Kommunikation mit anderen Komponenten, also unabhängig von dem ersten und/oder zweiten Bordnetzzweig und/oder der Kommunikation mit anderen Komponenten auszuführen.
-
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder abweichen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisches Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug.
-
Das Bordnetz 1 verfügt vorliegend über einen ersten Bordnetzzweig 2 sowie über einen zweiten Bordnetzzweig 3. Die beiden Bordnetzzweige 2, 3 sind über eine Ladeschaltungseinrichtung 4 zum Versorgen des zweiten Bordnetzzweiges 3 mit elektrischer Energie aus dem ersten Bordnetzzweig 2 gekoppelt. Die Ladeschaltungseinrichtung 4 umfasst dabei vorliegend einen Spannungswandler 5 sowie eine parallel zum Spannungswandler 5 geschaltete Schalteinrichtung 6. Der erste Bordnetzzweig 2 ist also mit dem zweiten Bordnetzzweig 3 elektrisch sowohl über den Spannungswandler 5 als auch parallel dazu mit der Schalteinrichtung 6 elektrisch gekoppelt.
-
Der erste Bordnetzzweig 2 umfasst im gezeigten Beispiel eine erste Energiespeichereinrichtung 8, beispielsweise eine Batterie, eine Energiequelle 9 für elektrische Energie, welche vorliegend als Generator ausgeführt ist, sowie einen ersten Verbraucher 10 und einen zweiten Verbraucher 11. Der zweite Verbraucher 11 ist im gezeigten Beispiel auch Teil des zweiten Bordnetzzweiges 3, wird also vom ersten Bordnetzzweig 2 und vom zweiten Bordnetzzweig 3 mit Energie versorgt.
-
Der zweite Bordnetzzweig 3 umfasst im gezeigten Beispiel eine zweite Energiespeichereinrichtung 12 sowie einen dritten Verbraucher 13. Im gezeigten Beispiel ist die zweite Energiespeichereinrichtung 12, bei der sich beispielsweise um eine Batterie oder einen Kondensator handeln kann, direkt, also ohne weitere Schaltelemente an den Spannungswandler 5 gekoppelt. Der zweite und der dritte Verbraucher 11, 13 sind im gezeigten Beispiel direkt an die Schalteinrichtung 6 gekoppelt.
-
Im vorliegenden Beispiel umfasst die Ladeschaltungseinrichtung 4 auch ein Trennelement 7, welches im zweiten Bordnetzzweig 3 beziehungsweise in dem dem zweiten Bordnetzzweig 3 zugeordneten Teil der Ladeschaltungseinrichtung 4 zwischen der zweiten Energiespeichereinrichtung 12 und dem Spannungswandler 5 einerseits und dem weiteren beziehungsweise restlichen Teil des zweiten Bordnetzzweiges 3 und der Schalteinrichtung 6 andererseits angeordnet ist.
-
Durch die Trenneinrichtung 7 kann der zweite Energiespeicher 12 inklusive Spannungswandler 5 in Betriebszuständen, die keinen ausfallsicheren zweiten Bordnetzzweig 3 erfordern, von dem zweiten Bordnetzzweig 3 abgekoppelt werden. In diesem Betriebszustand kann vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung 6 einen Stromfluss in beide Richtungen zulässt, so dass Verbraucher, wie der dritte Verbraucher 13 des zweiten Bordnetzzweiges 3 über die Schalteinrichtung 6 direkt mit Energie aus dem ersten Bordnetzzweig 2 versorgt werden. Alternativ kann die Trenneinrichtung 7 allerdings auch durch eine dauerhaft leitende Verbindung ersetzt werden.
-
Der Spannungswandler 5 sorgt im gezeigten Beispiel somit für den Ladungserhalt der zweiten Batterie 12 und stellt die Versorgung der Verbraucher 11, 13 im sekundären Bordnetzzweig 3 für reguläre Fahrsituationen sicher. Die Schalteinrichtung 6 ist dabei so gestaltet, dass sie den Stromfluss von dem ersten Bordnetzzweig 2 zum zweiten Bordnetzzweig 3 und auch umgekehrt auf ein Anforderungssignal unterbinden kann. Im Normalbetrieb ist die Schalteinrichtung 6 so angesteuert, dass sie einen Stromfluss von dem ersten Bordnetzzweig 2 in den zweiten Bordnetzzweig 3 zulässt, einen Stromfluss in die andere Richtung jedoch sperrt. Der zweite Bordnetzzweig 3 hat im Normalbetrieb eine im Vergleich zum ersten Bordnetzzweig 2 erhöhte Nominalspannung. Wenn somit in extremen Fahrsituationen, beispielsweise im Fahrerfahrbetrieb, der Energiebedarf im zweiten Bordnetzzweig 3 die Leistungsfähigkeit des Spannungswandlers 5 übersteigt, wird die Schalteinrichtung 6 leitend, wenn die Spannung im zweiten Bordnetzzweig 3 unter die Spannung des ersten Bordnetzzweiges 2 absinkt. Somit wird der Spannungswandler 5 überbrückt und der zweite Bordnetzzweig 3 mit dem ersten Bordnetzzweig 2 direkt gekoppelt. Dies erlaubt es, die Leistungsfähigkeit des Spannungswandlers 5 so zu wählen, dass bei einer Leistungsaufnahme eines oder mehrerer Verbraucher im zweiten Bordnetzzweig 3, welche die Leistungsfähigkeit des Spannungswandler 5 übertrifft, die Versorgung von Verbrauchern 11, 13 im zweiten Bordnetzzweig 3 nicht gefährdet ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bordnetz
- 2
- erster Bordnetzzweig
- 3
- zweiter Bordnetzzweig
- 4
- Ladeschaltungseinrichtung
- 5
- Spannungswandler
- 6
- Schalteinrichtung
- 7
- Trennelement
- 8
- erste Energiespeichereinrichtung
- 9
- Energiequelle
- 10
- erster Verbraucher
- 11
- zweiter Verbraucher
- 12
- zweite Energiespeichereinrichtung
- 13
- dritter Verbraucher
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011086829 A1 [0007]