DE102024001258B4 - Method for operating a vehicle electrical system and vehicle electrical system - Google Patents
Method for operating a vehicle electrical system and vehicle electrical systemInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung (1) für ein Fahrzeug.
Erfindungsgemäß wird die Bordnetzanordnung (1) in einem Normalbetriebsmodus betrieben, solange ein Gleichspannungswandler (5) alle aktivierten Niedervoltverbraucher (7.1 bis 7.n) eines Niedervoltbordnetzes (6) mit elektrischer Energie versorgen kann, wobei im Normalbetriebsmodus ein Ladeschalter (10) und ein Entladeschalter (11) zwischen dem Niedervoltbordnetz (6) und Batteriezellen (9) einer Niedervoltbatterie (8) geschlossen sind und der Gleichspannungswandler (5) eine Bordnetzspannung (U2) derart regelt, dass sie höher ist als eine vorgegebene Bordnetzmindestspannung (U_min) und höher ist als eine Batteriespannung (U1) oder gleich dieser Batteriespannung (U1) ist und maximal so hoch ist wie eine vorgegebene Batteriemaximalspannung (U_bat_max), wobei bei einem Auftreten einer Überlastung des Gleichspannungswandlers (5) im Normalbetriebsmodus in einen Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung gewechselt wird, indem der Ladeschalter (10) geöffnet wird und der Gleichspannungswandler (5) die Bordnetzspannung (U2) auf einen Spannungswert (Uh) einstellt oder regelt, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung (U_bat_max) und maximal so hoch ist wie eine vorgegebene Bordnetzmaximalspannung (U_max).
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine mittels des Verfahrens betreibbare Bordnetzanordnung (1) für ein Fahrzeug.
The invention relates to a method for operating a vehicle electrical system arrangement (1) for a vehicle.
According to the invention, the on-board electrical system (1) is operated in a normal operating mode as long as a DC-DC converter (5) can supply all activated low-voltage consumers (7.1 to 7.n) of a low-voltage on-board electrical system (6) with electrical energy, wherein in normal operating mode a charging switch (10) and a discharging switch (11) are closed between the low-voltage on-board electrical system (6) and battery cells (9) of a low-voltage battery (8) and the DC-DC converter (5) regulates an on-board voltage (U2) such that it is higher than a predetermined minimum on-board voltage (U_min) and higher than or equal to a battery voltage (U1) and is at most as high as a predetermined maximum battery voltage (U_bat_max), wherein if an overload of the DC-DC converter (5) occurs in normal operating mode, the system switches to an operating mode with higher DC-DC converter power by opening the charging switch (10) and the DC voltage converter (5) sets or regulates the on-board voltage (U2) to a voltage value (Uh) that is higher than the specified maximum battery voltage (U_bat_max) and is at most as high as a specified maximum on-board voltage (U_max).
The invention further relates to an on-board electrical system arrangement (1) for a vehicle that can be operated by means of the method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug.The invention relates to a method for operating a vehicle electrical system arrangement according to the features of the preamble of claim 1 and a vehicle electrical system arrangement.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
In der
Aus der
In der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug anzugeben.The invention is based on the objective of providing a method for operating a vehicle electrical system arrangement that is improved compared to the prior art, and a vehicle electrical system arrangement that is improved compared to the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5.The problem is solved according to the invention by a method for operating a vehicle electrical system arrangement with the features of claim 1 and a vehicle electrical system arrangement with the features of claim 5.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
In einem Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug, wobei die Bordnetzanordnung ein Hochvoltbordnetz und ein mit dem Hochvoltbordnetz über einen Gleichspannungswandler verbundenes Niedervoltbordnetz mit elektrischen Niedervoltverbrauchern aufweist und wobei Batteriezellen einer Niedervoltbatterie über eine Schalteinheit, die einen Ladeschalter zum Laden der Niedervoltbatterie über den Gleichspannungswandler und einen Entladeschalter zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Niedervoltverbraucher durch die Niedervoltbatterie aufweist, elektrisch mit dem Niedervoltbordnetz koppelbar oder gekoppelt sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bordnetzanordnung in einem Normalbetriebsmodus betrieben wird, solange der Gleichspannungswandler alle aktivierten elektrischen Niedervoltverbraucher mit elektrischer Energie versorgen kann.In a method for operating a vehicle electrical system, wherein the vehicle electrical system comprises a high-voltage electrical system and a low-voltage electrical system connected to the high-voltage electrical system via a DC-DC converter, with low-voltage electrical consumers, and wherein battery cells of a low-voltage battery can be electrically coupled or connected to the low-voltage electrical system via a switching unit comprising a charging switch for charging the low-voltage battery via the DC-DC converter and a discharge switch for supplying electrical energy to the low-voltage electrical consumers via the low-voltage battery, the invention provides that the vehicle electrical system is operated in a normal operating mode as long as the DC-DC converter can supply all activated low-voltage electrical consumers with electrical energy.
In diesem Normalbetriebsmodus sind der Ladeschalter und der Entladeschalter geschlossen und der Gleichspannungswandler regelt eine Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz derart, dass die Bordnetzspannung höher ist als eine vorgegebene Bordnetzmindestspannung des Niedervoltbordnetzes und höher ist als eine Batteriespannung der Niedervoltbatterie oder gleich dieser Batteriespannung ist und maximal so hoch ist wie eine vorgegebene Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie. Dabei regelt der Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung des Niedervoltbordnetzes nur dann so, dass sie gleich der Batteriespannung der Niedervoltbatterie ist, wenn diese Batteriespannung der Niedervoltbatterie gleich der vorgegebene Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie ist. In diesem Fall regelt der Gleichspannungswandler somit die Bordnetzspannung des Niedervoltbordnetzes so, dass die Bordnetzspannung des Niedervoltbordnetzes gleich der Batteriespannung der Niedervoltbatterie und gleich der vorgegebenen Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie ist.In this normal operating mode, the charging and discharging switches are closed, and the DC-DC converter regulates the on-board voltage in the low-voltage electrical system such that the on-board voltage is higher than a predefined minimum voltage of the low-voltage electrical system and higher than or equal to the battery voltage of the low-voltage battery, and at most equal to a predefined maximum voltage of the low-voltage battery. The DC-DC converter only regulates the on-board voltage of the low-voltage electrical system so that it equals the battery voltage of the low-voltage battery if this battery voltage is equal to the predefined maximum voltage of the low-voltage battery. In this case, the DC-DC converter thus regulates the on-board voltage of the low-voltage electrical system so that the on-board voltage of the low-voltage electrical system is equal to the battery voltage of the low-voltage battery and equal to the predefined maximum voltage of the low-voltage battery.
Der Gleichspannungswandler regelt die Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz insbesondere so, dass die Batteriespannung der Niedervoltbatterie in einem vorgegebenen Nennspannungsbereich gehalten wird.The DC/DC converter regulates the on-board voltage in the low-voltage on-board network, in particular so that the battery voltage of the low-voltage battery is kept within a specified nominal voltage range.
Bei einem Auftreten einer Überlastung des Gleichspannungswandlers im Normalbetriebsmodus wird in einen auch als PowerBoost-Modus bezeichneten Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung gewechselt, indem der Ladeschalter geöffnet wird und der Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz auf einen Spannungswert einstellt oder regelt, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung und maximal so hoch ist wie eine vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes. Der Entladeschalter bleibt dabei geschlossen. Dadurch kann die Niedervoltbatterie weiterhin dynamische elektrische Lasten puffern oder in Fehlerfällen, beispielsweise bei einem Ausfall des Gleichspannungswandlers, das Niedervoltbordnetz weiter versorgen. Durch das Öffnen des Ladeschalters wird eine Beaufschlagung der Niedervoltbatterie mit dem Spannungswert, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung, verhindert. Die Niedervoltbatterie wird dann nicht mehr geladen.If the DC-DC converter is overloaded during normal operation, it switches to a higher DC-DC converter operating mode, also known as PowerBoost mode. In this mode, the charging switch opens, and the DC-DC converter adjusts or regulates the low-voltage electrical system voltage to a value higher than the preset maximum battery voltage and no higher than the preset maximum voltage of the low-voltage electrical system. The discharge switch remains closed. This allows the low-voltage battery to continue buffering dynamic electrical loads or, in the event of a fault, such as a DC-DC converter failure, to continue supplying power to the low-voltage electrical system. Opening the charging switch prevents the low-voltage battery from being charged with a voltage higher than its preset maximum voltage. The low-voltage battery is then no longer charged.
Es ist beispielsweise vorgesehen, dass das Auftreten der Überlastung des Gleichspannungswandlers durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit ermittelt wird und/oder dass der Ladeschalter und/oder der Entladeschalter durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit betätigt werden und/oder dass der Gleichspannungswandler durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit gesteuert und/oder geregelt wird.For example, it is provided that the occurrence of the overload of the DC-DC converter is detected by a control and/or regulation unit and/or that the charging switch and/or the discharging switch is actuated by the control and/or regulation unit and/or that the DC-DC converter is controlled and/or regulated by the control and/or regulation unit.
Die vorgegebene Bordnetzmindestspannung und die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung werden oder sind insbesondere in Abhängigkeit von vorgegebenen Spannungsgrenzwerten der elektrischen Niedervoltverbraucher vorgegeben. Die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung ist höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung.The specified minimum and maximum on-board voltages are determined, in particular, by the voltage limits of the low-voltage electrical consumers. The specified maximum on-board voltage is higher than the specified maximum battery voltage.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass aus dem Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung in den Normalbetriebsmodus zurückgewechselt wird, wenn der Gleichspannungswandler nicht mehr voll ausgelastet ist und der Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung nicht mehr erforderlich ist, und/oder wenn ein Ladezustand der Niedervoltbatterie einen vorgegebenen Ladezustandsmindestgrenzwert unterschreitet. D. h. der Ladeschalter wird wieder geschlossen, der Entladeschalter bleibt weiterhin geschlossen, und der Gleichspannungswandler regelt die Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz wieder derart, dass die Bordnetzspannung höher ist als die vorgegebene Bordnetzmindestspannung des Niedervoltbordnetzes und höher ist als die Batteriespannung der Niedervoltbatterie oder gleich dieser Batteriespannung ist und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie.It is specifically designed that the system switches back from the operating mode with higher DC-DC converter power to the normal operating mode when the DC-DC converter is no longer fully loaded and the operating mode with higher DC-DC converter power is no longer required, and/or when the state of charge of the low-voltage battery falls below a predetermined minimum state of charge threshold. This means that the charging switch closes again, the discharging switch remains closed, and the DC-DC converter regulates the on-board voltage in the low-voltage electrical system so that the on-board voltage is higher than the predetermined minimum on-board voltage of the low-voltage electrical system and is higher than or equal to the battery voltage of the low-voltage battery, and is at most as high as the predetermined maximum battery voltage of the low-voltage battery.
Eine erfindungsgemäße Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug ist betreibbar mittels dieses Verfahrens. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Bordnetzanordnung das Hochvoltbordnetz, den Gleichspannungswandler, das mit dem Hochvoltbordnetz über den Gleichspannungswandler verbundene Niedervoltbordnetz mit den elektrischen Niedervoltverbrauchern, die Niedervoltbatterie und die Schalteinheit mit dem Ladeschalter zum Laden der Niedervoltbatterie über den Gleichspannungswandler und dem Entladeschalter zur elektrischen Energieversorgung der elektrischen Niedervoltverbraucher durch die Niedervoltbatterie aufweist. Die Batteriezellen der Niedervoltbatterie sind über die Schalteinheit elektrisch mit dem Niedervoltbordnetz koppelbar oder gekoppelt.An on-board electrical system arrangement according to the invention for a vehicle can be operated using this method. It is particularly provided that the on-board electrical system arrangement comprises the high-voltage on-board electrical system, the DC-DC converter, the low-voltage on-board electrical system connected to the high-voltage on-board electrical system via the DC-DC converter and including the low-voltage electrical consumers, the low-voltage battery, and the switching unit with the charging switch for charging the low-voltage battery via the DC-DC converter. The unit includes a switch and a discharge switch for supplying electrical energy to low-voltage electrical consumers via the low-voltage battery. The battery cells of the low-voltage battery can be electrically connected to, or are already connected to, the low-voltage vehicle electrical system via the switching unit.
Die Bordnetzanordnung ist im Normalbetriebsmodus betreibbar, solange der Gleichspannungswandler alle aktivierten elektrischen Niedervoltverbraucher mit elektrischer Energie versorgen kann, wobei im Normalbetriebsmodus der Ladeschalter und der Entladeschalter geschlossen sind und der Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz derart regelt, dass die Bordnetzspannung höher ist als die vorgegebene Bordnetzmindestspannung des Niedervoltbordnetzes und höher ist als die Batteriespannung der Niedervoltbatterie oder gleich dieser Batteriespannung ist und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie. Dabei regelt der Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung des Niedervoltbordnetzes nur dann so, dass sie gleich der Batteriespannung der Niedervoltbatterie ist, wenn diese Batteriespannung der Niedervoltbatterie gleich der vorgegebene Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie ist. In diesem Fall regelt der Gleichspannungswandler somit die Bordnetzspannung des Niedervoltbordnetzes so, dass die Bordnetzspannung des Niedervoltbordnetzes gleich der Batteriespannung der Niedervoltbatterie und gleich der vorgegebenen Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie ist.The electrical system can be operated in normal mode as long as the DC-DC converter can supply all activated low-voltage electrical consumers with electrical energy. In normal mode, the charging and discharging switches are closed, and the DC-DC converter regulates the on-board voltage in the low-voltage system such that the on-board voltage is higher than the specified minimum voltage of the low-voltage system and higher than or equal to the battery voltage of the low-voltage battery, and at most as high as the specified maximum voltage of the low-voltage battery. The DC-DC converter only regulates the on-board voltage of the low-voltage system so that it is equal to the battery voltage of the low-voltage battery if this battery voltage is equal to the specified maximum voltage of the low-voltage battery. In this case, the DC/DC converter regulates the on-board voltage of the low-voltage on-board network so that the on-board voltage of the low-voltage on-board network is equal to the battery voltage of the low-voltage battery and equal to the specified maximum battery voltage of the low-voltage battery.
Der Gleichspannungswandler regelt die Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz insbesondere so, dass die Batteriespannung der Niedervoltbatterie in einem vorgegebenen Nennspannungsbereich gehalten wird.The DC/DC converter regulates the on-board voltage in the low-voltage on-board network, in particular so that the battery voltage of the low-voltage battery is kept within a specified nominal voltage range.
Beim Auftreten einer Überlastung des Gleichspannungswandlers im Normalbetriebsmodus ist in den auch als PowerBoost-Modus bezeichneten Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung wechselbar, durch Öffnen des Ladeschalters und Einstellen oder Regeln der Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz auf den Spannungswert, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes, durch den Gleichspannungswandler. Der Entladeschalter bleibt dabei geschlossen. Dadurch kann die Niedervoltbatterie weiterhin dynamische elektrische Lasten puffern oder in Fehlerfällen, beispielsweise bei einem Ausfall des Gleichspannungswandlers, das Niedervoltbordnetz weiter versorgen. Durch das Öffnen des Ladeschalters wird eine Beaufschlagung der Niedervoltbatterie mit dem Spannungswert, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung, verhindert. Die Niedervoltbatterie wird dann nicht mehr geladen.If the DC-DC converter becomes overloaded during normal operation, it can be switched to a higher DC-DC converter operating mode, also known as PowerBoost mode. This is achieved by opening the charging switch and adjusting or regulating the on-board voltage in the low-voltage electrical system to a voltage higher than the specified maximum battery voltage and not exceeding the specified maximum voltage of the low-voltage electrical system. The discharge switch remains closed during this process. This allows the low-voltage battery to continue buffering dynamic electrical loads or, in the event of a fault, such as a DC-DC converter failure, to continue supplying power to the low-voltage electrical system. Opening the charging switch prevents the low-voltage battery from being charged at a voltage higher than its specified maximum voltage. The low-voltage battery will then no longer be charged.
Die Bordnetzanordnung weist insbesondere die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit auf, welche ausgebildet ist zum Ermitteln des Auftretens der Überlastung des Gleichspannungswandlers und/oder zum Betätigen des Ladeschalters und/oder des Entladeschalters und/oder zum Steuern und/oder Regeln des Gleichspannungswandlers.The on-board electrical system includes, in particular, the control and/or regulation unit, which is designed to detect the occurrence of an overload of the DC-DC converter and/or to actuate the charging switch and/or the discharging switch and/or to control and/or regulate the DC-DC converter.
Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit ist beispielsweise ein Bestandteil eines Bordnetzmanagementsystems, des Gleichspannungswandlers oder der Niedervoltbatterie oder einer anderen Komponente, insbesondere Softwarekomponente, des Fahrzeugs. The control and/or regulation unit is, for example, a component of an on-board network management system, the DC-DC converter, the low-voltage battery, or another component, in particular a software component, of the vehicle.
Die vorgegebene Bordnetzmindestspannung und die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung sind insbesondere in Abhängigkeit von den vorgegebenen Spannungsgrenzwerten der elektrischen Niedervoltverbraucher vorgegeben. Die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung ist höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung.The specified minimum and maximum on-board voltages are determined primarily by the voltage limits of the low-voltage electrical consumers. The specified maximum on-board voltage is higher than the specified maximum battery voltage.
Die Bordnetzanordnung ist insbesondere ausgebildet zum Zurückwechseln aus dem Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung in den Normalbetriebsmodus, wenn der Gleichspannungswandler nicht mehr voll ausgelastet ist und der Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung nicht mehr erforderlich ist, und/oder wenn der Ladezustand der Niedervoltbatterie den vorgegebenen Ladezustandsmindestgrenzwert unterschreitet.The on-board electrical system is specifically designed to switch back from the operating mode with higher DC power to the normal operating mode when the DC power converter is no longer fully utilized and the operating mode with higher DC power is no longer required, and/or when the state of charge of the low-voltage battery falls below the specified minimum state of charge limit.
In einer möglichen Ausführungsform ist die Schalteinheit in der Niedervoltbatterie angeordnet, insbesondere innerhalb eines Batteriegehäuses der Niedervoltbatterie. In einer anderen möglichen Ausführungsform ist die Schalteinheit außerhalb der Niedervoltbatterie angeordnet. Beispielsweise ist sie dann in einer Leistungsverteileinheit angeordnet oder als eine solche Leistungsverteileinheit ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist diese Bordnetzanordnung auf.In one possible embodiment, the switching unit is arranged in the low-voltage battery, in particular within a battery housing of the low-voltage battery. In another possible embodiment, the switching unit is arranged outside the low-voltage battery. For example, it is then arranged in a power distribution unit or designed as such a power distribution unit.
A vehicle according to the invention has this on-board electrical system arrangement.
Die beschriebene Lösung ermöglicht eine Leistungssteigerung im Niedervoltbordnetz. Dadurch wird das Problem gelöst, dass bisher in bestimmten Situationen nur ein Teil der elektrischen Niedervoltverbraucher, insbesondere nur ein Teil der Komfortverbraucher im Niedervoltbordnetz, durch den Gleichspannungswandler mit elektrischer Energie versorgt werden kann, da in diesen Situationen die elektrische Leistung des Gleichspannungswandlers nicht ausreicht. Um dieses Problem zu lösen, könnte die elektrische Leistung des Gleichspannungswandlers vergrößert werden oder ein zusätzlicher Gleichspannungswandler installiert werden. Beide Lösungsmöglichkeiten wären jedoch mit einem größeren Bauraumerfordernis, einem höheren Gewicht und höheren Kosten verbunden. Zudem darf bei leistungsstarken Gleichspannungswandlern der Strom nicht beliebig groß werden, um hohe Kosten im Leitungssatz, insbesondere verursacht durch hohe Querschnitte, zu vermeiden.The described solution enables an increase in the power output of the low-voltage electrical system. This solves the problem that, previously, in certain situations, only some of the low-voltage electrical consumers, especially only some of the comfort consumers in the low-voltage electrical system, could be supplied with electrical energy by the DC-DC converter, as the electrical output of the DC-DC converter was insufficient in these situations. To solve this problem, the electrical output of the DC-DC converter could be increased. The existing transformer could be enlarged or an additional DC-DC converter installed. However, both solutions would require more space, increase weight, and raise costs. Furthermore, with high-power DC-DC converters, the current cannot be arbitrarily high to avoid excessive wiring costs, particularly those resulting from large cross-sections.
Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, Funktionseinschränkungen, insbesondere bei Komfortfunktionen des Fahrzeugs, bei einem Energieversorgungsmangel zu akzeptieren. Dies wäre jedoch mit entsprechenden Komforteinbußen verbunden.Another option would be to accept functional limitations, particularly regarding the vehicle's comfort features, in the event of a power supply shortage. However, this would entail a corresponding reduction in comfort.
Durch die hier beschriebene Lösung wird dieses Problem gelöst und gleichzeitig werden die Nachteile der anderen Lösungsmöglichkeiten vermieden. Wie oben beschrieben, wird dies erreicht, indem beim Auftreten einer Überlastung des Gleichspannungswandlers im Normalbetriebsmodus in den Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung gewechselt wird, wobei der Ladeschalter geöffnet wird und der Gleichspannungswandler die Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz auf den Spannungswert, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes, einstellt oder regelt.The solution described here solves this problem while simultaneously avoiding the disadvantages of other possible solutions. As described above, this is achieved by switching to a higher DC-DC converter operating mode when an overload occurs during normal operation. In this mode, the charging switch opens, and the DC-DC converter adjusts or regulates the on-board voltage in the low-voltage electrical system to a voltage value that is higher than the specified maximum battery voltage and at most equal to the specified maximum voltage of the low-voltage electrical system.
Durch die Öffnung des Ladeschalters im Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung kann der Gleichspannungswandler eine höhere Spannung stellen, welche unabhängig von der Niedervoltbatterie ist, da aufgrund des geöffneten Ladeschalters die Spannungsstellung des Gleichspannungswandlers nicht mehr abhängig ist von der Batteriespannung, und insbesondere nicht die Batteriemaximalspannung eingehalten werden muss. Durch die höhere Bordnetzspannung steht dem Niedervoltbordnetz bei gleichem Strom mehr Leistung zur Verfügung, wodurch mehr elektrische Niedervoltverbaucher aktiviert werden können, d. h. ein Fahrzeugnutzer kann beispielsweise mehr elektrische Funktionen gleichzeitig aktivieren.By opening the charging switch in the operating mode with higher DC-DC converter power, the DC-DC converter can provide a higher voltage, independent of the low-voltage battery. This is because, with the charging switch open, the DC-DC converter's voltage setting is no longer dependent on the battery voltage, and in particular, the battery's maximum voltage does not need to be maintained. Due to the higher on-board voltage, more power is available to the low-voltage electrical system at the same current, allowing more low-voltage electrical consumers to be activated. This means, for example, that a vehicle user can activate more electrical functions simultaneously.
Die höhere Bordnetzspannung wird ermöglicht, da die elektrischen Niedervoltverbraucher innerhalb eines Spannungsbereichs von der vorgegebenen Bordnetzmindestspannung bis zur vorgegebenen Bordnetzmaximalspannung betrieben werden können, wobei die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung größer ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung der Niedervoltbatterie. D. h. bisher wurde die Stellung der Spannung des Gleichspannungswandlers für das Niedervoltbordnetz nach oben begrenzt durch die vorgegebene Batteriemaximalspannung. Durch Öffnen des Ladeschalters kann nun vom Gleichspannungswandler der höhere Spannungswert gestellt werden, da durch den geöffneten Ladeschalter eine Beaufschlagung der Niedervoltbatterie mit diesem höheren Spannungswert, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung, und der zu einer Beschädigung der Niedervoltbatterie führen könnte, vermieden wird.The higher on-board voltage is made possible because the low-voltage electrical consumers can be operated within a voltage range from the specified minimum on-board voltage to the specified maximum on-board voltage, where the specified maximum on-board voltage is higher than the specified maximum voltage of the low-voltage battery. This means that previously, the voltage setting of the DC-DC converter for the low-voltage on-board system was limited by the specified maximum battery voltage. By opening the charging switch, the DC-DC converter can now set the higher voltage value, as opening the charging switch prevents the low-voltage battery from being subjected to this higher voltage, which is higher than the specified maximum battery voltage and at most equal to the specified maximum on-board voltage, and which could damage the low-voltage battery.
Durch den im Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung weiterhin geschlossenen Entladeschalter kann die Niedervoltbatterie weiterhin dynamische elektrische Lasten puffern oder in Fehlerfällen, beispielsweise bei einem Ausfall des Gleichspannungswandlers, das Niedervoltbordnetz weiter versorgen. Wenn die Niedervoltbatterie stark entladen ist oder keine Überlast im Niedervoltbordnetz vorliegt, kann der Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung wieder deaktiviert werden und der Ladeschalter wieder geschlossen werden.The discharge switch remains closed in the operating mode with higher DC-DC converter power, allowing the low-voltage battery to continue buffering dynamic electrical loads or, in the event of a fault, such as a DC-DC converter failure, to continue supplying power to the low-voltage electrical system. If the low-voltage battery is deeply discharged or there is no overload in the low-voltage electrical system, the operating mode with higher DC-DC converter power can be deactivated and the discharge switch closed again.
Beispielsweise sind der Ladeschalter und der Entladeschalter bereits in einer herkömmlichen Niedervoltbatterie integriert, so dass kein signifikanter Mehrbedarf an Bauraum und Gewicht erforderlich sind. Für die beschriebene Lösung können alternativ aber auch Niedervoltbatterien verwendet werden, welche den Ladeschalter und den Entladeschalter nicht aufweisen, beispielsweise indem die Schalteinheit mit dem Ladeschalter und dem Entladeschalter in eine zwischen die Niedervoltbatterie und das Niedervoltbordnetz zwischengeschaltete Leistungsverteileinheit oder in eine andere zwischengeschaltete Einheit integriert wird.For example, the charging and discharging switches are already integrated into a conventional low-voltage battery, so no significant additional space or weight is required. Alternatively, low-voltage batteries without integrated charging and discharging switches can also be used for the described solution. This can be achieved, for example, by integrating the switching unit with the charging and discharging switches into a power distribution unit or another intermediate unit connected between the low-voltage battery and the vehicle's low-voltage electrical system.
Durch die beschriebene Lösung kann der Fahrzeugnutzer mehr Komfortfunktionen im Niedervoltbordnetz aktivieren, so dass Komforteinbußen vermieden werden. Durch die beschriebene Lösung ist kein größerer oder zusätzlicher Gleichspannungswandler erforderlich, so dass eine entsprechende Einsparung von Kosten, Gewicht und Bauraum realisiert werden kann.The described solution allows the vehicle user to activate more comfort functions in the low-voltage electrical system, thus avoiding any reduction in comfort. This solution eliminates the need for a larger or additional DC-DC converter, resulting in significant savings in cost, weight, and installation space.
Die Schalteinheit ist insbesondere derart ausgebildet, dass die Niedervoltbatterie über den geschlossenen Ladeschalter nur geladen und über den geschlossenen Entladeschalter nur entladen werden kann, d. h. es ist insbesondere die entsprechende Stromflussrichtung über den Ladeschalter und den Entladeschalter sichergestellt. Dies kann beispielsweise durch eine Ausgestaltung des Ladeschalters und/oder des Entladeschalters als Halbleiterschalter und/oder durch einen Halbleiter, insbesondere eine Diode, zwischen dem Ladeschalter und dem Niedervoltbordnetz und/oder zwischen den Batteriezellen und dem Ladeschalter und/oder einen Halbleiter, insbesondere eine Diode, zwischen dem Entladeschalter und dem Niedervoltbordnetz und/oder zwischen den Batteriezellen und dem Entladeschalter realisiert werden.The switching unit is designed such that the low-voltage battery can only be charged via the closed charging switch and only discharged via the closed discharge switch; that is, the corresponding current flow direction via the charging switch and the discharge switch is ensured. This can be achieved, for example, by designing the charging switch and/or the discharge switch as a semiconductor switch and/or by using a semiconductor, in particular a diode, between the charging switch and the low-voltage electrical system and/or between the battery cells and the charging switch and/or by using a semiconductor, in particular a diode, between the discharge switch and the low-voltage electrical system. and/or between the battery cells and the discharge switch.
Der Spannungswert, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes, kann beispielsweise ein fest vorgegebener Wert sein oder beispielsweise situationsabhängig vorgegeben werden. Beispielsweise ist oder wird dieser Spannungswert derart vorgegeben, dass er höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung, aber kleiner ist als die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes. Dadurch ist beispielsweise ein, insbesondere kleiner, Sicherheitsvorhalt vorhanden, der verhindert, dass bei einem möglichen Auftreten von Phänomenen, die eine Überspannung hervorrufen, das Niedervoltbordnetz ausfällt. Der Spannungswert ist oder wird somit beispielsweise derart kleiner als die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes vorgegeben, dass dieser Sicherheitsvorhalt sichergestellt ist.The voltage value, which is higher than the specified maximum battery voltage and at most as high as the specified maximum voltage of the low-voltage electrical system, can be a fixed value or, for example, be set depending on the situation. For instance, this voltage value is set to be higher than the specified maximum battery voltage but lower than the specified maximum voltage of the low-voltage electrical system. This provides a safety margin, particularly a small one, which prevents the low-voltage electrical system from failing in the event of overvoltage phenomena. The voltage value is thus set lower than the specified maximum voltage of the low-voltage electrical system to ensure this safety margin.
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Hochvolt“ insbesondere eine Spannung von 48V oder höher verstanden. Entsprechend ist das Hochvoltbordnetz insbesondere ein Bordnetz mit einer Bordnetznennspannung, insbesondere Hochvoltbordnetznennspannung, von 48V oder höher, beispielsweise 400V oder 800V. Entsprechend wird unter einer Hochvoltbatterie im Kontext der vorliegenden Anmeldung insbesondere eine Batterie mit einer Batterienennspannung von 48V oder höher, beispielsweise 400V oder 800V, verstanden. Die Bordnetznennspannung, insbesondere Hochvoltbordnetznennspannung, des Hochvoltbordnetzes und somit die Batterienennspannung der Hochvoltbatterie im Kontext dieser Anmeldung kann somit insbesondere auch eine höhere Niedervoltspannung sein. Sie ist insbesondere höher als die Bordnetzspannung im Niedervoltbordnetz und insbesondere mindestens so hoch wie die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes, insbesondere höher als die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung des Niedervoltbordnetzes.In the context of this application, the term "high voltage" is understood to mean, in particular, a voltage of 48 V or higher. Accordingly, a high-voltage electrical system is understood to mean, in particular, an electrical system with a nominal voltage, especially a high-voltage electrical system, of 48 V or higher, for example, 400 V or 800 V. Similarly, a high-voltage battery in the context of this application is understood to mean, in particular, a battery with a nominal voltage of 48 V or higher, for example, 400 V or 800 V. The nominal voltage, especially the high-voltage electrical system, of the high-voltage electrical system, and thus the nominal voltage of the high-voltage battery in the context of this application, can therefore also be a higher low-voltage voltage. It is, in particular, higher than the electrical system voltage in the low-voltage electrical system and, in particular, at least as high as the specified maximum electrical system voltage of the low-voltage electrical system, and, in particular, higher than the specified maximum electrical system voltage of the low-voltage electrical system.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:
-
1 schematisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsform einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug, -
2 schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug, -
3 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug, -
4 schematisch einen Betrieb der erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung in einem Normalbetriebsmodus, und -
5 schematisch einen Betrieb der erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung in einem Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung.
-
1 schematically, an embodiment of a vehicle electrical system arrangement known from the prior art, -
2 schematically a model of an embodiment of a vehicle electrical system arrangement according to the invention, -
3 schematically a further embodiment of a vehicle electrical system arrangement according to the invention, -
4 schematically depicts the operation of the on-board network arrangement according to the invention in a normal operating mode, and -
5 schematically, an operation of the on-board network arrangement according to the invention in an operating mode with higher DC voltage converter power.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are marked with the same reference symbols in all figures.
Anhand der
Jede der dargestellten Ausführungsformen der Bordnetzanordnung 1 weist ein Hochvoltbordnetz 2, eine mit dem Hochvoltbordnetz 2, insbesondere über Schütze 3, elektrisch verbundene oder verbindbare Hochvoltbatterie 4, einen auch als DC/DC-Wandler bezeichneten Gleichspannungswandler 5, ein mit dem Hochvoltbordnetz 2 über den Gleichspannungswandler 5 verbundenes Niedervoltbordnetz 6 mit elektrischen Niedervoltverbrauchern 7.1 bis 7.n und eine Niedervoltbatterie 8 mit elektrisch seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen 9 auf. Das Hochvoltbordnetz 2, die Hochvoltbatterie 4 und die elektrischen Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n sind in den
Das Hochvoltbordnetz 2 weist beispielsweise eine Hochvoltbordnetznennspannung von 48V oder höher auf, beispielsweise 800 V oder 400 V auf.The high-voltage electrical system 2, for example, has a nominal high-voltage electrical system voltage of 48V or higher, for example 800V or 400V.
Das Niedervoltbordnetz 6 weist beispielsweise eine Niedervoltbordnetznennspannung von 12 V auf. Eine jeweilige tatsächliche vom Gleichspannungswandler 5 gestellte Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 kann jedoch von dieser Niedervoltbordnetznennspannung nach unten oder nach oben abweichen, d. h. kleiner oder größer sein als die Niedervoltbordnetznennspannung.The low-voltage electrical system 6, for example, has a nominal low-voltage electrical system voltage of 12 V. The actual electrical system voltage supplied by the DC-DC converter 5 is... However, U2 of the low-voltage electrical system 6 can deviate downwards or upwards from this low-voltage electrical system nominal voltage, i.e. be smaller or larger than the low-voltage electrical system nominal voltage.
Der Gleichspannungswandler 5 wandelt eine vom Hochvoltbordnetz 2, insbesondere von der Hochvoltbatterie 4, bereitgestellte Bordnetzspannung des Hochvoltbordnetzes 2 in die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 um.The DC/DC converter 5 converts the on-board voltage of the high-voltage on-board network 2, in particular from the high-voltage battery 4, into the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6.
Der Gleichspannungswandler 5 hat insbesondere die Aufgabe, eine statische elektrische Last im Niedervoltbordnetz 6 zu versorgen und zudem die Niedervoltbatterie 8, genauer gesagt deren Batteriezellen 9, zu laden. Die Niedervoltbatterie 8 versorgt insbesondere nur dynamische Lasten, beispielsweise kurzzeitig hohe Stromanforderungen der elektrischen Lenkeinrichtung oder der elektrischen Bremseinrichtung, und sorgt außerdem dafür, dass in Fällen, in denen der Gleichspannungswandler 5 keine elektrische Versorgung sicherstellen kann, zumindest alle sicherheitsrelevanten elektrischen Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n weiterhin mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Funktion bekommt insbesondere ein ASIL-Level (Automotive Safety Integrity Level), d. h eine von ISO 26262 spezifizierte Sicherheitsanforderungsstufe für sicherheitsrelevante Systeme in Kraftfahrzeugen, aus Gründen der funktionalen Sicherheit. Ein möglicher Grund, der zum Ausfall des Gleichspannungswandlers 5 führen kann, ist beispielsweise ein Hochvolt-Sicherheitsproblem, welches zum Öffnen der Schütze 3 in der Hochvoltbatterie 4 und damit zum sofortigen Ausfall des Gleichspannungswandlers 5 führt.The DC-DC converter 5 is primarily responsible for supplying a static electrical load in the low-voltage electrical system 6 and also for charging the low-voltage battery 8, more precisely its battery cells 9. The low-voltage battery 8 primarily supplies only dynamic loads, such as short-term high current demands from the electric power steering or the electric braking system, and also ensures that, in cases where the DC-DC converter 5 cannot guarantee an electrical supply, at least all safety-relevant low-voltage electrical consumers 7.1 to 7.n continue to be supplied with electrical energy. This function is specifically assigned an ASIL level (Automotive Safety Integrity Level), i.e., a safety requirement level for safety-related systems in motor vehicles specified by ISO 26262, for reasons of functional safety. One possible reason that could lead to the failure of the DC-DC converter 5 is, for example, a high-voltage safety problem, which leads to the opening of the contactors 3 in the high-voltage battery 4 and thus to the immediate failure of the DC-DC converter 5.
Im Folgenden wird eine Betriebsweise für die aus dem Stand der Technik bekannte und beispielhaft in
Damit die Niedervoltbatterie 8 in einem Fahrbetrieb des Fahrzeugs nicht entladen wird bzw. in ihrem Nennspannungsbereich gehalten wird, stellt der Gleichspannungswandler 5 eine passende Spannung, welche dazu führt, dass im statischen Lastbetrieb ein Strom nicht aus der Niedervoltbatterie 8 fließt, sondern die Niedervoltbatterie 8 geladen wird und alle elektrischen Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n versorgt werden.To prevent the low-voltage battery 8 from being discharged during vehicle operation or to keep it within its nominal voltage range, the DC/DC converter 5 provides a suitable voltage, which ensures that in static load operation no current flows from the low-voltage battery 8, but rather the low-voltage battery 8 is charged and all low-voltage electrical consumers 7.1 to 7.n are supplied.
Abhängig von einem Ladezustand der Niedervoltbatterie 8 und anderen Faktoren liefert die Niedervoltbatterie 8 eine Batteriespannung U1 als Gleichspannung. Im Niedervoltbordnetz 6 muss sich im statischen Lastbetrieb die Spannung zwischen einer vorgegebenen Bordnetzmindestspannung U_min und einer vorgegebenen Bordnetzmaximalspannung U_max des Niedervoltbordnetzes 6 bewegen, damit alle elektrischen Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n im Niedervoltbordnetz 6 versorgt werden können. Die vorgegebene Bordnetzmindestspannung U_min und die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung U_max werden oder sind insbesondere in Abhängigkeit von vorgegebenen Spannungsgrenzwerten der elektrischen Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n vorgegeben. Diese Vorgabe erfolgt beispielsweise durch entsprechende Normen.Depending on the state of charge of the low-voltage battery 8 and other factors, the low-voltage battery 8 supplies a battery voltage U1 as a DC voltage. In the low-voltage electrical system 6, the voltage must remain between a predetermined minimum electrical system voltage U_min and a predetermined maximum electrical system voltage U_max during static load operation so that all low-voltage electrical consumers 7.1 to 7.n in the low-voltage electrical system 6 can be supplied. The predetermined minimum electrical system voltage U_min and the predetermined maximum electrical system voltage U_max are, or are, specified in particular depending on predetermined voltage limits of the low-voltage electrical consumers 7.1 to 7.n. This specification is made, for example, by relevant standards.
Der Gleichspannungswandler 5 regelt die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 so, dass der durch die vorgegebene Bordnetzmindestspannung U_min und die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung U_max begrenzte Spannungsbereich eingehalten wird, und orientiert sich dabei an der Batteriespannung U1. Durch eine stets etwas höhere Spannungsstellung im Vergleich zur Batteriespannung U1 wird sichergestellt, dass die Niedervoltbatterie 8 im statischen Lastbetrieb nicht entladen wird und in einem vorgesehenen Ladezustand gehalten werden kann. Allerdings darf eine vorgegebene Batteriemaximalspannung U_bat_max der Niedervoltbatterie 8 nicht überschritten werden, damit die Niedervoltbatterie 8 nicht überladen wird. Diese vorgegebene Batteriemaximalspannung U_bat_max ist kleiner als die vorgegebene Bordnetzmaximalspannung U_max.The DC-DC converter 5 regulates the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6 so that the voltage range limited by the specified minimum on-board voltage U_min and the specified maximum on-board voltage U_max is maintained, and is guided by the battery voltage U1. By consistently maintaining a slightly higher voltage compared to the battery voltage U1, it is ensured that the low-voltage battery 8 is not discharged during static load operation and can be kept at a specified state of charge. However, a specified maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8 must not be exceeded to prevent overcharging. This specified maximum battery voltage U_bat_max is lower than the specified maximum on-board voltage U_max.
In dieser Betriebsweise, die, zumindest bezüglich der Spannungsregelung der Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6, dem Normalbetriebsmodus für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Bordnetzanordnung 1 entspricht, regelt somit der Gleichspannungswandler 5 die Bordnetzspannung U2 im Niedervoltbordnetz 6 derart, dass die Bordnetzspannung U2 höher ist als die vorgegebene Bordnetzmindestspannung U_min des Niedervoltbordnetzes 6 und höher ist als die Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 oder gleich dieser Batteriespannung U1 ist, und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Batteriemaximalspannung U_bat_max der Niedervoltbatterie 8. Dabei regelt der Gleichspannungswandler 5 die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 nur dann so, dass sie gleich der Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 ist, wenn die Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 gleich der vorgegebene Batteriemaximalspannung U_bat_max der Niedervoltbatterie 8 ist. In diesem Fall regelt der Gleichspannungswandler 5 somit die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 so, dass die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 gleich der Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 und gleich der vorgegebenen Batteriemaximalspannung U_bat_max der Niedervoltbatterie 8 ist.In this operating mode, which, at least with regard to the voltage regulation of the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6, corresponds to the normal operating mode for the embodiments of the on-board network arrangement 1 according to the invention, the DC-DC converter 5 regulates the on-board voltage U2 in the low-voltage on-board network 6 such that the on-board voltage U2 is higher than the predetermined minimum on-board voltage U_min of the low-voltage on-board network 6 and is higher than or equal to the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8, and is at most as high as the predetermined maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8. The DC-DC converter 5 regulates the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6 so that it is equal to the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 only if the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 is equal to the predetermined maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8. The given maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8 is used. In this case, the DC-DC converter 5 regulates the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6 so that the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6 is equal to the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 and equal to the given maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8.
Es gilt somit:
Ein Überladen der Niedervoltbatterie 8 kann zu einer Einschränkung ihrer Lebensdauer führen, birgt die Gefahr der Batteriebeschädigung und stellt ein Sicherheitsrisiko für Fahrzeuginsassen dar, da beispielsweise die Gefahr eines so genannten Thermal Runaway bei einer als Lithium-Batterie ausgebildeten Niedervoltbatterie 8 besteht.Overcharging the low-voltage battery 8 can lead to a reduction in its service life, poses a risk of battery damage and represents a safety risk for vehicle occupants, as there is, for example, the risk of a so-called thermal runaway in a low-voltage battery 8 designed as a lithium battery.
Problematisch ist die beschriebene Betriebsweise in bestimmten Situationen, in denen eine Leistung des Gleichspannungswandlers 5 nicht ausreicht, um alle elektrischen Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n im Niedervoltbordnetz 6 mit elektrischer Energie zu versorgen, so dass dann mit dieser Betriebsweise nur ein Teil der elektrischen Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n, insbesondere der Komfortverbraucher, versorgt werden können.The described operating mode is problematic in certain situations where the power output of the DC-DC converter 5 is insufficient to supply all low-voltage electrical consumers 7.1 to 7.n in the low-voltage on-board network 6 with electrical energy, so that only a portion of the low-voltage electrical consumers 7.1 to 7.n, in particular the comfort consumers, can be supplied using this operating mode.
Um dieses Problem zu lösen, könnte die elektrische Leistung des Gleichspannungswandlers 5 vergrößert werden oder ein zusätzlicher Gleichspannungswandler installiert werden. Beide Lösungsmöglichkeiten wären jedoch mit einem größeren Bauraumerfordernis, einem höheren Gewicht und höheren Kosten verbunden. Zudem darf bei leistungsstarken Gleichspannungswandlern 5 der Strom nicht beliebig groß werden, um hohe Kosten im Leitungssatz, insbesondere verursacht durch hohe Querschnitte, zu vermeiden.To solve this problem, the electrical power of the DC-DC converter 5 could be increased, or an additional DC-DC converter could be installed. However, both solutions would require more installation space, increase weight, and raise costs. Furthermore, with high-power DC-DC converters 5, the current cannot be arbitrarily high to avoid excessive costs in the wiring harness, particularly those caused by large cross-sections.
Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, Funktionseinschränkungen, insbesondere bei Komfortfunktionen des Fahrzeugs, bei einem Energieversorgungsmangel zu akzeptieren. Dies wäre jedoch mit entsprechenden Komforteinbußen verbunden.Another option would be to accept functional limitations, particularly regarding the vehicle's comfort features, in the event of a power supply shortage. However, this would entail a corresponding reduction in comfort.
Durch die im Folgenden beschriebene Lösung wird dieses Problem gelöst und gleichzeitig werden die Nachteile der oben genannten anderen Lösungsmöglichkeiten vermieden.The solution described below solves this problem while simultaneously avoiding the disadvantages of the other solutions mentioned above.
Dies wird erreicht, indem beim Auftreten einer Überlastung des Gleichspannungswandlers 5 im in
Durch die hier beschriebene Lösung können eine Bauraum-, Gewicht- und Kosteneinsparung und eine Erhöhung der nutzbaren Komfortfunktionen realisiert werden.The solution described here allows for savings in installation space, weight and costs, as well as an increase in usable comfort functions.
Der hier beschriebenen Lösung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass durch eine höhere Bordnetzspannung U2, innerhalb des Spannungsbereiches von der vorgegebenen Bordnetzmindestspannung U_min bis zur vorgegebenen Bordnetzmaximalspannung U_max des Niedervoltbordnetzes 6, mehr elektrische Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n, insbesondere mehr Komfortverbraucher, versorgt werden können, da bei gleichem Strom die maximal verfügbare Leistung, die der Gleichspannungswandler 5 abgeben kann, erhöht wird.The solution described here is based on the understanding that a higher on-board voltage U2, within the voltage range from the specified minimum on-board voltage U_min to the specified maximum on-board voltage U_max of the low-voltage on-board network 6, allows more low-voltage electrical consumers 7.1 to 7.n, in particular more comfort consumers, to be supplied, since the maximum available power that the DC-DC converter 5 can deliver is increased at the same current.
Da bei der bisherigen Betriebsweise der Bordnetzanordnung 1 gemäß
Die Änderung der Ausgestaltung der Bordnetzanordnung 1 betrifft das Vorsehen eines Ladeschalters 10 zum Laden der Niedervoltbatterie 8, genauer gesagt deren Batteriezellen 9, über den Gleichspannungswandler 5 und eines Entladeschalters 11 zur elektrischen Energieversorgung der Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n durch die Niedervoltbatterie 8. Es ist somit eine den Ladeschalter 10 und den Entladeschalter 11 umfassende Schalteinheit 12 als Eingangsschaltung für die Niedervoltbatterie 8 vorgesehen, über welche die Batteriezellen 9 der Niedervoltbatterie 8 elektrisch mit dem Niedervoltbordnetz 6 koppelbar oder gekoppelt sind.The modification of the design of the on-board electrical system 1 concerns the provision of a charging switch 10 for charging the low-voltage battery 8, more precisely its battery cells 9, via the DC-DC converter 5, and a discharge switch 11 for supplying electrical energy to the low-voltage consumers 7.1 to 7.n from the low-voltage battery 8. Thus, a switching unit 12 comprising the charging switch 10 and the discharge switch 11 serves as the input circuit for the low-voltage battery 8. provided, via which the battery cells 9 of the low-voltage battery 8 can be electrically connected or coupled to the low-voltage on-board network 6.
Bei der Ausführungsform gemäß
Die Änderung der Betriebsweise für den Fall der Überlastung des Gleichspannungswandlers 5 betrifft das oben bereits erwähnte Wechseln beim Auftreten einer Überlastung des Gleichspannungswandlers 5 im in
Die Betriebsweise der Bordnetzanordnung 1 gemäß den
- Die Bordnetzanordnung 1 wird im in
4 gezeigten Normalbetriebsmodus betrieben, solange der Gleichspannungswandler 5 alle aktivierten Niedervoltverbraucher 7.1 bis 7.n mit elektrischer Energie versorgen kann. In diesem Normalbetriebsmodus sind der Ladeschalter 10 und der Entladeschalter 11 geschlossen und der Gleichspannungswandler 5 regelt die Bordnetzspannung U2 im Niedervoltbordnetz 6 wie oben beschrieben, d. h. insbesondere derart, dass die Bordnetzspannung U2 höher ist als die vorgegebene Bordnetzmindestspannung U_min des Niedervoltbordnetzes 6 und höher ist als die Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 oder gleich dieser Batteriespannung U1 ist und maximal so hoch ist wie die vorgegebene Batteriemaximalspannung U_bat_max der Niedervoltbatterie 8.
- The on-board network arrangement 1 is shown in the
4 The normal operating mode shown is operated as long as the DC-DC converter 5 can supply all activated low-voltage consumers 7.1 to 7.n with electrical energy. In this normal operating mode, the charging switch 10 and the discharging switch 11 are closed, and the DC-DC converter 5 regulates the on-board voltage U2 in the low-voltage on-board network 6 as described above, i.e., in particular, such that the on-board voltage U2 is higher than the specified minimum on-board voltage U_min of the low-voltage on-board network 6 and is higher than or equal to the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 and is at most as high as the specified maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8.
Dabei regelt der Gleichspannungswandler 5 die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 nur dann so, dass sie gleich der Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 ist, wenn die Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 gleich der vorgegebene Batteriemaximalspannung U_bat_max der Niedervoltbatterie 8 ist. In diesem Fall regelt der Gleichspannungswandler 5 somit die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 so, dass die Bordnetzspannung U2 des Niedervoltbordnetzes 6 gleich der Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 und gleich der vorgegebenen Batteriemaximalspannung U_bat_max der Niedervoltbatterie 8 ist.The DC-DC converter 5 regulates the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6 so that it is equal to the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 only if the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 is equal to the specified maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8. In this case, the DC-DC converter 5 thus regulates the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6 so that the on-board voltage U2 of the low-voltage on-board network 6 is equal to the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 and equal to the specified maximum battery voltage U_bat_max of the low-voltage battery 8.
Es gilt somit im Normalbetriebsmodus:
Der Gleichspannungswandler 5 regelt die Bordnetzspannung U2 im Niedervoltbordnetz 6 insbesondere so, dass die Batteriespannung U1 der Niedervoltbatterie 8 in einem vorgegebenen Nennspannungsbereich gehalten wird.The DC/DC converter 5 regulates the on-board voltage U2 in the low-voltage on-board network 6, in particular so that the battery voltage U1 of the low-voltage battery 8 is kept within a specified nominal voltage range.
Beim Auftreten einer Überlastung des Gleichspannungswandlers 5 im Normalbetriebsmodus, d. h. wenn der Gleichspannungswandler 5 das Niedervoltbordnetz 6 wegen Überlast nicht vollständig versorgen kann, wird in den in
Es gilt somit im Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung:
Dadurch kann der Gleichspannungswandler 5 weitere elektrische Lasten im Niedervoltbordnetz 6 versorgen und der Fahrzeugnutzer somit mehr elektrische Funktionen aktivieren.This allows the DC/DC converter to supply 5 additional electrical loads in the low-voltage electrical system 6, thus enabling the vehicle user to activate more electrical functions.
Der Entladeschalter 11 bleibt dabei geschlossen. Dadurch kann die Niedervoltbatterie 8 weiterhin dynamische elektrische Lasten puffern oder in Fehlerfällen, beispielsweise bei einem Ausfall des Gleichspannungswandlers 5, das Niedervoltbordnetz 6 weiter versorgen.The discharge switch 11 remains closed. This allows the low-voltage battery 8 to continue to be charged. buffer dynamic electrical loads or, in the event of faults, for example in the event of a failure of the DC voltage converter 5, continue to supply the low-voltage on-board network 6.
Durch das Öffnen des Ladeschalters 10 wird eine Beaufschlagung der Niedervoltbatterie 8 mit dem Spannungswert Uh, der höher ist als die vorgegebene Batteriemaximalspannung U_bat_max, verhindert. Die Niedervoltbatterie 8 wird dann nicht mehr geladen, steht aber für sicherheitskritische Situationen oder dynamische Manöver weiterhin zur Verfügung und kann durch den geschlossenen Entladeschalter 11 immer noch Strom abgeben.Opening the charging switch 10 prevents the low-voltage battery 8 from being charged with a voltage Uh that exceeds the specified maximum battery voltage U_bat_max. The low-voltage battery 8 is then no longer charged, but remains available for safety-critical situations or dynamic maneuvers and can still supply current through the closed discharge switch 11.
In diesem Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung ist die Regelung der Bordnetzspannung U2 somit durch das Öffnen des Ladeschalters 10 unabhängig von der Niedervoltbatterie 8 und deren Beschränkungen, insbesondere unabhängig von deren vorgegebener Batteriemaximalspannung U_bat_max, und kann dadurch nach oben geregelt werden, ohne die oben beschriebenen Gefahren für die Niedervoltbatterie 8 bei einer zu hohen Spannungsstellung zu riskieren. Durch den Entladeschalter 11, der geschlossen bleibt, kann dennoch weiterhin sichergestellt werden, dass die Niedervoltbatterie 8 dynamische Lasten puffern kann und bei Fällen, in denen beispielsweise der Gleichspannungswandler 5 ausfällt, das Niedervoltbordnetz 6 versorgen kann.In this operating mode with higher DC-DC converter power, the regulation of the on-board voltage U2 is thus independent of the low-voltage battery 8 and its limitations, in particular independent of its specified maximum battery voltage U_bat_max, by opening the charging switch 10. This allows the voltage to be increased without risking the dangers to the low-voltage battery 8 described above in the event of excessive voltage. The discharge switch 11, which remains closed, ensures that the low-voltage battery 8 can still buffer dynamic loads and supply the low-voltage on-board network 6 in cases where, for example, the DC-DC converter 5 fails.
Beispielsweise sind der Ladeschalter 10 und der Entladeschalter 11 bereits in einer herkömmlichen Niedervoltbatterie 8 integriert, so dass für die beschriebene Lösung kein signifikanter Mehrbedarf an Bauraum und Gewicht erforderlich sind. Für die beschriebene Lösung können alternativ aber auch Niedervoltbatterien 8 verwendet werden, welche den Ladeschalter 10 und den Entladeschalter 11 nicht aufweisen, beispielsweise indem die Schalteinheit 12 mit dem Ladeschalter 10 und dem Entladeschalter 11 in eine zwischen die Niedervoltbatterie 8 und das Niedervoltbordnetz 6 zwischengeschaltete Leistungsverteileinheit 13 oder in eine andere zwischengeschaltete Einheit integriert wird, wie in
Durch die beschriebene Lösung kann der Fahrzeugnutzer mehr Komfortfunktionen im Niedervoltbordnetz 6 aktivieren, so dass Komforteinbußen vermieden werden. Durch die beschriebene Lösung ist kein größerer oder zusätzlicher Gleichspannungswandler erforderlich, so dass eine entsprechende Einsparung von Kosten, Gewicht und Bauraum realisiert werden kann.The described solution allows the vehicle user to activate more comfort functions in the low-voltage electrical system 6, thus avoiding any reduction in comfort. This solution eliminates the need for a larger or additional DC-DC converter, resulting in significant savings in cost, weight, and installation space.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Betriebsmodus mit höherer Gleichspannungswandlerleistung beendet wird, d. h. aus dem in
Es ist beispielsweise vorgesehen, dass das Auftreten der Überlastung des Gleichspannungswandlers 5 durch eine hier nicht dargestellte Steuerungs- und/oder Regelungseinheit ermittelt wird und/oder dass der Ladeschalter 10 und/oder der Entladeschalter 11 durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit betätigt werden und/oder dass der Gleichspannungswandler 5 durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit gesteuert und/oder geregelt wird. Die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit ist beispielsweise ein Bestandteil eines Bordnetzmanagementsystems, des Gleichspannungswandlers 5 oder der Niedervoltbatterie 8 oder einer anderen Komponente, insbesondere Softwarekomponente, des Fahrzeugs.For example, it is provided that the occurrence of an overload of the DC-DC converter 5 is detected by a control and/or regulation unit (not shown here), and/or that the charging switch 10 and/or the discharging switch 11 are actuated by the control and/or regulation unit, and/or that the DC-DC converter 5 is controlled and/or regulated by the control and/or regulation unit. The control and/or regulation unit is, for example, a component of an on-board power supply management system, the DC-DC converter 5, the low-voltage battery 8, or another component, in particular a software component, of the vehicle.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- BordnetzanordnungOn-board electrical system arrangement
- 22
- HochvoltbordnetzHigh-voltage electrical system
- 33
- SchützSchütz
- 44
- HochvoltbatterieHigh-voltage battery
- 55
- GleichspannungswandlerDC/DC converter
- 66
- NiedervoltbordnetzLow-voltage electrical system
- 7.1 bis 7.n7.1 to 7.n
- NiedervoltverbraucherLow-voltage consumers
- 88
- NiedervoltbatterieLow-voltage battery
- 99
- BatteriezellenBattery cells
- 1010
- Ladeschaltercharging switch
- 1111
- Entladeschalterdischarge switch
- 1212
- SchalteinheitSwitching unit
- 1313
- LeistungsverteileinheitPower distribution unit
Claims (10)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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| DE102024001258.3A DE102024001258B4 (en) | 2024-04-18 | 2024-04-18 | Method for operating a vehicle electrical system and vehicle electrical system |
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Family Applications (1)
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Citations (5)
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2024
- 2024-04-18 DE DE102024001258.3A patent/DE102024001258B4/en active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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