-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
In Bordnetzanordnungen für zukünftige Kraftfahrzeuge können Bordnetze mit zwei bzw. drei Spannungsebenen zur Versorgung der elektrischen Verbraucher vorhanden sein. Hierbei kann ein Niedervoltbordnetz, das eine elektrische Gleichspannung mit einer Nennspannung von 14 Volt bereitstellt, und ein Mittelvoltbordnetz, das eine elektrische Gleichspannung mit einer Nennspannung von 48 Volt bereitstellt, vorgesehen sein. Ebenso kann eine entsprechende Hochvoltquelle in der Bordnetzanordnung vorgesehen sein, die eine elektrische Gleichspannung mit einer Nennspannung über 60 Volt zur Verfügung stellt. Hierbei stellen die angegebenen Nennspannungswerte für die Bordnetze nur typische Werte dar. In der Praxis schwanken die Spannungswerte des Niedervoltnetzes üblicherweise zwischen 10 und 16 Volt. Dies gilt in gleicher Weise für das Mittelvoltbordnetz.
-
Bei Bordnetzen, die mit einer elektrischen Spannung unter 60 Volt betrieben werden, müssen normative bzw. gesetzliche Anforderungen bezüglich eines Berührungsschutzes erfüllt werden. Zudem müssen für das Niedervoltbordnetz mindestens zwei Energiequellen vorhanden sein, sobald sicherheitsrelevante Systeme auf diese Spannungsebene zurückgreifen. In heutigen Niederspannungsbordnetzen werden beispielsweise ein 14 Volt-Generator und eine 14 Volt-Starterbatterie verwendet. Bei einem Entfall des 14 Volt-Generators missen neben dem 14 Volt-Speicher noch weitere 14 Volt-Quellen installiert sein. Dies kann je nach Topologie dazu führen, dass ein zusätzlicher Speicher, ein weiterer Generator oder ein entsprechender Spannungswandler, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, im Kraftfahrzeug verbaut werden müssen, um die 14 Volt-Versorgung im Fehlerfall gewährleisten zu können. Das bedeutet, dass mehr Bauraum für die zusätzlichen Komponenten im Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt werden muss.
-
Die
DE 10 2008 027 062 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, einem elektrischen Verbraucher und einem kapazitiven Energiespeicher. Der elektrische Widerstand des elektrischen Verbrauchers nimmt hierbei zumindest über einen Teilbereich mit abnehmender am Verbraucher abfallender Spannung ab. Der kapazitive Energiespeicher wird hierbei über den Verbraucher vorgeladen, wobei auf diese Weise ein gleichmäßiger Vorladestrom erreicht werden kann.
-
Die
DE 197 10 073 A1 betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor Überspannungen. Die elektrische Anlage weist ein von einem elektrischen Generator gespeistes Bordnetz und daran angeschlossene elektrische Einrichtungen auf. Dabei wird der Spannungswert am Generatorausgang überwacht. Tritt hier eine Überspannung auf, so wird diese überschüssige elektrische Spannung in zumindest zwei elektrischen Widerständen umgesetzt.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bordnetzanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche besonders effektiv betrieben werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bordnetzanordnung gemäß Patentanspruch 1. Demnach wird erfindungsgemäß bereitgestellt eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten Bordnetz zum Bereitstellen einer ersten elektrischen Spannung, einem zweiten Bordnetz zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Spannung, wobei die zweite elektrische Spannung im Vergleich zu der ersten elektrischen Spannung einen höheren Wert aufweist, und einer Begrenzungseinrichtung mit einem Lastzweig, der mit dem zweiten Bordnetz koppelbar ist und über den zum begrenzen des Werts der zweiten elektrischen Spannung ein Spannungsabfall erzeugbar ist, wobei der Lastzweig einen Spannungsabgriff aufweist, der mit dem ersten Bordnetz verbindbar ist und an dem über den Spannungsabfall an dem zweiten Bordnetz eine elektrische Spannung mit einem Wert der ersten elektrischen Spannung zur Versorgung des ersten Bordnetzes bereitstellbar ist.
-
Das erste Bordnetz kann beispielsweise ein Niedervoltbordnetz sein, des mit einer elektrischen Gleichspannung mit einer Nennspannung von 14 Volt betrieben wird. Das zweite Bordnetz kann beispielsweise ein Mittelvoltbordnetz sein, das mit einer elektrischen Gleichspannung mit einer Nennspannung von 48 Volt, insbesondere einer Nennspannung kleiner 60 Volt, betrieben wird. Das zweite Bordnetz bzw. das Mittelvoltbordnetz umfasst üblicherweise eine Begrenzungseinrichtung, mit der die elektrische Spannung, die in dem zweiten Bordnetz bereitgestellt wird, gegenüber einer erhöhten elektrischen Spannung bzw. gegenüber Spannungsspitzen begrenzt wird. Zu diesem Zweck ist üblicherweise ein entsprechender Lastzweig parallel zwischen den Versorgungsanschluss und den Masseanschluss des zweiten Bordnetzes schaltbar. Tritt eine erhöhte elektrische Spannung in dem zweiten Bordnetz auf, so kann dieser Lastzweig zugeschaltet werden, damit über den Lastzweig ein entsprechender Spannungsabfall erzeugt wird. Ein solcher Lastzweig beinhaltet üblicherweise ein Widerstandselement oder mehrere elektrische Widerstandselemente, welche einen linearen oder einen nicht-linearen elektrischen Widerstand aufweisen können.
-
In dem Lastzweig wird ein zusätzlicher Spannungsabgriff bereitgestellt, der mit dem ersten Bordnetz verbunden werden kann. Durch eine entsprechende Dimensionierung der elektrischen Widerstandselemente in dem Lastzweig kann ein solcher Spannungsabfall erzeugt werden, der an dem Spannungsabgriff eine elektrische Spannung bereitstellt, deren Wert dem der ersten elektrischen Spannung entspricht, mit der das erste Bordnetz versorgt wird. Somit kann auf besonders einfache und effektive Weise eine zusätzliche Spannungsversorgung für das erste Bordnetz bzw. das Niedervoltbordnetz bereitgestellt werden. Hierbei wird die Begrenzungseinrichtung so modifiziert, dass sie einerseits zur Spannungsbegrenzung des zweiten Bordnetzes begrenzt werden kann und unabhängig davon eine elektrische Spannung für das erste Bordnetz bei Bedarf zur Verfügung gestellt werden kann. Somit kann der Einbau von zusätzlichen Energiequellen in dem ersten Bordnetz entfallen, da durch den Spannungsabgriff eine redundante Energieversorgung über einen unabhängigen Pfad zur Verfügung gestellt wird.
-
Bevorzugt weist die Begrenzungseinrichtung eine Stabilisierungseinrichtung auf, mit der der Wert der elektrischen Spannung zur Versorgung des ersten Bordnetzes stabilisierbar ist. Um das erste Bordnetz bei einem Ausfall einer dortigen Energiequelle besonders sicher und redundant mit elektrischer Energie versorgen zu können, wird mit Hilfe der Begrenzungseinrichtung eine stabilisierte elektrische Spannung bereitgestellt. Die dazu verwendete Stabilisierungseinheit kann mit Hilfe von bekannten elektrischen Bauelementen entsprechend einfach und kompakt aufgebaut werden. Die Stabilisierungseinheit kann ebenso zur Stabilisierung der elektrischen Spannung in dem zweiten Bordnetz verwendet werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Begrenzungseinrichtung eine Messeinrichtung zum Erfassen des Werts der ersten elektrischen Spannung des ersten Bordnetzes und/oder der zweiten elektrischen Spannung des zweiten Bordnetzes. Üblicherweise umfasst die Begrenzungseinrichtung eine entsprechende Messeinrichtung, mit der die elektrische Spannung in dem zweiten Bordnetz gemessen bzw. erfasst werden kann. Hierbei umfasst die Begrenzungseinrichtung zusätzlich eine entsprechende Messungseinrichtung, mit der die elektrische Spannung in dem ersten Bordnetz überprüft bzw. erfasst werden kann. Ebenso kann eine bereits vorhandene Messeinrichtung so ausgebildet sein, dass sie die elektrische Spannung in dem ersten Bordnetz erfassen kann. Somit kann auf besonders einfache Weise festgestellt werden, ob eine ausreichende elektrische Versorgung in dem ersten Bordnetz vorhanden ist. Unterschreitet beispielsweise die elektrische Spannung in dem ersten Bordnetz einen entsprechenden Schwellwert, so kann mit der Begrenzungseinrichtung an deren Spannungsabgriff eine elektrische Spannung für das erste Bordnetz zur Verfügung gestellt werden. Somit kann sowohl die elektrische Spannung in dem ersten Bordnetz als auch in dem zweiten Bordnetz besonders einfach und sicher überwacht werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Bordnetzanordnung einen Spannungswandler, mit dem die elektrische Spannung einer Hochvoltquelle in die erste elektrische Spannung zur Versorgung des ersten Bordnetzes und/oder in die zweite elektrische Spannung zur Versorgung des zweiten Bordnetzes wandelbar ist. Eine solche Hochvoltquelle, die eine elektrische Gleichspannung mit einer Nennspannung über 60 Volt bereitstellt, wird üblicherweise in Fahrzeugen mit Elektro- bzw. Hybridantrieb verwendet. Hierbei kann durch den Spannungswandler besonders einfach die elektrische Spannung zur Versorgung des ersten Bordnetzes und/oder die elektrische Spannung zur Versorgung des zweiten Bordnetzes zur Verfügung gestellt werden.
-
Bevorzugt sind die Begrenzungseinrichtung und der Spannungswandler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Ebenso ist es denkbar, dass die Begrenzungseinrichtung in den Spannungswandler integriert wird. Auf diese Weise kann eine besonders Bauraum sparende Anordnung erreicht werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Bordnetz und das zweite Bordnetz mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Mehrspannungsbatterie, verbunden. Dadurch, dass die beiden Bordnetze jeweils mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden sind, kann eine Stabilisierung der elektrischen Spannung in dem jeweiligen Bordnetz erreicht werden. Hierbei sind die jeweiligen Bordnetze bevorzugt mit einer so genannten Mehrspannungsbatterie verbunden, die einen Anschluss für das jeweilige Bordnetz aufweist.
-
Schließlich weist die Bordnetzanordnung eine Kommunikationsleitung zum Datenaustausch des ersten Bordnetzes, des zweiten Bordnetzes und der Begrenzungseinrichtung auf. Die Kommunikationsleitung kann zusätzlich mit den Energiequellen des ersten und des zweiten Bordnetzes und der Hochvoltquelle verbunden sein. Somit können die elektrischen Energieflüsse innerhalb der Bordnetze durch eine übergeordnete Steuereinrichtung überwacht und gesteuert werden. Auf diese Weise kann die Bordnetzanordnung besonders sicher und effektiv betrieben werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung mit einem ersten Bordnetz, einem zweiten Bordnetz, einer Begrenzungseinrichtung und einer Energiequelle, die über eine Kommunikationsleitung mit einer Steuereinrichtung verbunden sind;
-
2 eine ausschnittsweise, schematische Darstellung der Begrenzungseinrichtung der Bordnetzanordnung;
-
3 eine Bordnetzanordnung, die einen Spannungswandler aufweist; und
-
4 eine Bordnetzanordnung, die eine Mehrspannungsbatterie umfasst.
-
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Bordnetzanordnung 10 für ein Kraftfahrzeug, die ein erstes Bordnetz 12 und ein zweites Bordnetz 14 umfasst. Hierbei wird in dem ersten Bordnetz 12 eine elektrische Spannung von einer ersten Energiequelle 16 bereitgestellt, mit der ein entsprechender Verbraucher 18 in dem ersten Bordnetz 12 betrieben werden kann. Ebenso weist das zweite Bordnetz 14 eine entsprechende Energiequelle 20 auf, mit der ein entsprechender Verbraucher 22 in dem zweiten Bordnetz 14 betrieben werden kann. Die Energiequellen 16 und 20 können beispielsweise in Form von entsprechenden Batterien bzw. Akkumulatoren realisiert werden.
-
In der Bordnetzanordnung 10 weist die elektrische Spannung des zweiten Bordnetzes 14 eine im Vergleich zu der elektrischen Spannung in dem ersten Bordnetz 12 eine elektrische Spannung mit einem höheren Wert auf. Beispielsweise kann das erste Bordnetz 12 ein Niedervoltbordnetz sein, das mit einer elektrischen Gleichspannung von 14 Volt betrieben wird. Das zweite Bordnetz 14 ist bevorzugt ein Mittelvoltbordnetz, das mit einer elektrischen Gleichspannung von 48 Volt, insbesondere einer elektrischen Gleichspannung unter 60 Volt, betrieben wird. Die Bordnetzanordnung 10 weist zusätzlich eine Energiequelle 24 auf, mit der eine elektrische Spannung für das zweite Bordnetz 14 bereitgestellt wird. Die elektrische Energiequelle 24 kann beispielsweise ein entsprechender Generator sein. Des Weiteren weist die Bordnetzanordnung 10 eine Begrenzungseinrichtung 26 auf, mit der die elektrische Spannung am Ausgang der Energiequelle 24 begrenzt werden kann.
-
Das erste Bordnetz 12, das zweite Bordnetz 14, die Energiequelle 24 und die Begrenzungseinrichtung 26 sind über eine Kommunikationsleitung 28 mit einer Steuereinrichtung 30 verbunden. Die Kommunikationsleitung 28 kann hierbei als entsprechendes Bus-System oder als diskrete Datenleitung ausgebildet sein. Über diese Kommunikationsleitung 28 erfolgt mit Hilfe der Steuereinrichtung 30 bzw. einer Einrichtung des Bordnetzmanagements die Koordination der Energieflüsse zwischen den einzelnen Komponenten der Bordnetzanordnung 10. Die Steuereinrichtung 30 kann, wie in 1 dargestellt, zentral angeordnet sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Steuereinrichtung 30 dezentral auf die einzelnen Komponenten der Bordnetzanordnung 10 aufgeteilt ist.
-
2 zeigt eine ausschnittsweise, schematische Darstellung der Begrenzungseinrichtung 26 der Bordnetzanordnung 10. Mit der Begrenzungseinrichtung 26 kann die elektrische Spannung einer Versorgungsleitung 32 des zweiten Bordnetzes 14 im Bezug zu einer Masseleitung 34 überwacht werden. Zu diesem Zweck umfasst die Begrenzungseinrichtung 26 eine entsprechende Messeinrichtung 36, die elektrisch mit der Versorgungsleitung 32 verbunden ist. Sobald von der Messeinrichtung 36 an der Versorgungsleitung 32 eine erhöhte elektrische Spannung bzw. entsprechende Spannungsspitzen festgestellt werden, wird durch eine Ansteuereinrichtung 38 ein Schaltelement 52 angesteuert. Durch das Schließen des Schaltelements 52 wird ein Lastzweig 40 der Begrenzungseinrichtung 26 parallel zwischen die Versorgungsleitung 32 und die Masseleitung 34 des zweiten Bordnetzes 14 geschaltet. Dadurch wird ein Spannungsabfall an einem Lastelement 42 des Lastzweiges 40 erzeugt. Dieses Lastelement 42 kann aus einem oder mehreren elektrischen Widerstandselementen bestehen, wobei die elektrischen Widerstände der Widerstandselemente linear oder nicht-linear sein können.
-
Zudem umfasst die Begrenzungseinrichtung 26 einen Spannungsabgriff 44, der über das Schaltelement S1 mit einer Versorgungsleitung 44 des ersten elektrischen Bordnetzes 12 verbunden werden kann. Um eine entsprechende elektrische Spannung zur Versorgung des ersten Bordnetzes 12 bereitzustellen, ist der elektrische Widerstand des Lastelements 42 so ausgebildet, dass durch einen Spannungsabfall an dem Lastelement 42 am Spannungsabgriff 44 eine elektrische Spannung mit einem Wert bereitgestellt wird, die dem Wert der elektrischen Spannung des ersten Bordnetzes 12 entspricht. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Begrenzungseinrichtung 26, beispielsweise bei einem Ausfall der Energiequelle 16, das erste Bordnetz 12 mit elektrischer Energie versorgt werden. Zudem weist die Begrenzungseinrichtung 26 eine Stabilisierungseinheit 48 auf, mit der die elektrische Spannung an dem Spannungsabgriff 44 stabilisiert werden kann. Mit der Stabilisierungseinheit 48 kann ebenso die elektrische Spannung in dem zweiten Bordnetz 14 stabilisiert werden. Die Stabilisierungseinheit 48 kann mit bekannten Bauelementen kostengünstig und kompakt aufgebaut werden.
-
Sollte es nun notwendig sein, das erste Bordnetz 12 mit elektrischer Energie zu versorgen, so wird der Lastzweig 40 durch Schließen des Schaltelements S2 aktiviert und zusätzlich das Schaltelement S1 geschlossen. Die Schaltelemente S1 und S2 werden hierbei von der Ansteuereinrichtung 38 angesteuert. Die Schaltelemente S1 und S2 können beispielsweise mit Hilfe von Halbleiterschaltern bzw. Transistoren realisiert werden. Die Messeinrichtung 36 ist zusätzlich mit der Versorgungsleitung 46 verbunden, um den Wert der Spannung in dem ersten Bordnetz 12 zu überwachen. Fällt die elektrische Spannung der Versorgungsleitung 46 unter einen vorgegebenen Schwellwert, so kann, wie zuvor beschrieben, durch Zuschalten des Lastzweigs 40 und der Stabilisierungseinheit 48 eine elektrische Spannung an den Spannungsabgriff 44 bereitgestellt werden. Ebenso ist es denkbar, dass die Begrenzungseinrichtung 26 eine Kommunikationseinrichtung 50 aufweist, die mit der Kommunikationsleitung 28 verbunden ist. Somit kann Kommunikationseinrichtung 50 über die Kommunikationsleitung 28 entsprechende Steuerbefehle an der Steuereinrichtung 30 erhalten, durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente S1 und S2 durch die Ansteuereinrichtung 38 bewirkt werden kann.
-
3 zeigt eine weitere Variante einer Bordnetzanordnung 10, wobei die Begrenzungseinrichtung 26 mit einem zusätzlichen Spannungswandler 52 in einem gemeinsamen Gehäuse 54 angeordnet ist. Die in 3 dargestellte Bordnetzanordnung 10 stellt ein so genanntes Dreispannungsbordnetz dar, das eine zusätzliche Hochvoltquelle 56 aufweist. Solche Dreispannungsbordnetze werden üblicherweise in Elektrofahrzeugen verwendet. Die elektrische Spannung am Ausgang der Hochvoltquelle 56 wird mittels des Spannungswandlers 52 in eine elektrische Spannung mit einem Wert gewandelt, der dem Wert der elektrischen Spannung in dem zweiten Bordnetz 14 entspricht.
-
Der Spannungswandler 52 kann beispielsweise ein entsprechender Gleichspannungswandler bzw. DC/DC-Wandler sein. Die Begrenzungseinrichtung 26 begrenzt die elektrische Spannung am Ausgang des Spannungswandlers 52. Auf diese Weise kann durch die Begrenzungseinrichtung 26 sichergestellt werden, dass an der Versorgungsleitung 32 des zweiten Bordnetzes 14 keine unbegrenzten elektrischen Spannungen auftreten. In der Versorgungsleitung 32 ist zusätzlich ein Sicherungstrennelement 58 vorgesehen, dass bei entsprechenden Fehlerfällen eine unter Umständen notwendige Trennung der Versorgungsleitung 32 und dem zweiten Bordnetz 14 vornehmen kann. Die Bordnetzanordnung 10 weist den Vorteil auf, dass in einem Fehlerfall, wenn die Versorgungsleitung 32 durch das Sicherheitstrennelement 58 von dem zweiten Bordnetz 14 getrennt wurde, trotzdem mit Hilfe der Begrenzungseinrichtung 26 eine elektrische Spannung zur Versorgung des ersten Bordnetzes 12 bereitgestellt werden kann.
-
4 zeigt eine Bordnetzanordnung 10 gemäß 3, wobei die Versorgungsleitung 32 des zweiten Bordnetzes 14, die Versorgungsleitung 46 des ersten Bordnetzes 12 und der gemeinsame Masseanschluss 34 mit den jeweiligen Anschlüssen einer Mehrspannungsbatterie 60 verbunden sind. Durch die jeweilige elektrische Spannung, welche an den Teilspannungsabgriffen der Mehrspannungsbatterie 60 bereitgestellt wird, können die elektrischen Spannungen in dem ersten Bordnetz 12 und dem zweiten Bordnetz 14 gestützt werden. Durch die Begrenzungseinrichtung kann zudem eine entsprechende Stabilisierung der elektrischen Spannung in dem ersten Bordnetz 12 und dem zweiten Bordnetz 14 garantiert werden.
-
Durch die Verwendung der Begrenzungseinrichtung 26 muss in der Bordnetzanordnung 10 keine zusätzliche Spannungsversorgung für das erste Bordnetz 12 bereitgestellt werden. Somit können Kosten reduziert werden und Bauraum kann eingespart werden. Die Begrenzungseinrichtung 26 kann sowohl in Zweispannungsbordnetzen als auch in Dreispannungsbordnetzen eingesetzt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Bordnetzanordnung
- 12
- Bordnetz
- 14
- Bordnetz
- 16
- Energiequelle
- 18
- Verbraucher
- 20
- Energiequelle
- 22
- Verbraucher
- 24
- Energiequelle
- 26
- Begrenzungseinrichtung
- 28
- Kommunikationsleitung
- 30
- Steuereinrichtung
- 32
- Versorgungsleitung
- 34
- Masseleitung
- 36
- Messeinrichtung
- 38
- Ansteuereinrichtung
- 40
- Lastzweig
- 42
- Lastelement
- 44
- Spannungsabgriff
- 46
- Versorgungsleitung
- 48
- Stabilisierungseinheit
- 50
- Kommunikationseinrichtung
- 52
- Spannungswandler
- 54
- Gehäuse
- 56
- Hochvoltquelle
- 58
- Sicherungstrennelement
- 60
- Mehrspannungsbatterie
- S1
- Schaltelement
- S2
- Schaltelement
-
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 102008027062 A1 [0004]
- DE 19710073 A1 [0005]