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DE102020007866A1 - Elektrisches Bordnetzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, sowie Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Bordnetzsystems, sowie Fahrzeug - Google Patents

Elektrisches Bordnetzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, sowie Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Bordnetzsystems, sowie Fahrzeug Download PDF

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DE102020007866A1
DE102020007866A1 DE102020007866.4A DE102020007866A DE102020007866A1 DE 102020007866 A1 DE102020007866 A1 DE 102020007866A1 DE 102020007866 A DE102020007866 A DE 102020007866A DE 102020007866 A1 DE102020007866 A1 DE 102020007866A1
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DE
Germany
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electrical system
voltage
vehicle
battery module
vehicle electrical
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Application number
DE102020007866.4A
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English (en)
Inventor
Urs Boehme
Andreas Maier
Markus Orner
Frank lmrecke
Patrick Heber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetzsystem (2) für ein Fahrzeug (1), mit
- zumindest einem elektrischen Energiespeicher (5), welcher zumindest ein erstes Batteriemodul (6) und ein zweites Batteriemodul (7) aufweist,
- einer Anschlussseite (8) des Bordnetzsystems (2) zum Koppeln mit einer Ladequelle (9), und
- einem ersten Teilbordnetz (3) zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher (5), aufweisend:
- einen ersten Gleichspannungswandler (12) des Bordnetzsystems (2), wobei der erste Gleichspannungswandler (12) mit einer Eingangsseite (14) mit der ersten und zweiten Anschlussklemme (10, 11) und mit einer Ausgangsseite (15) mit einem zweiten Teilbordnetz (4) des Bordnetzsystems (2) verschaltet ist, und
- einen zweiten Gleichspannungswandler (13) des Bordnetzsystems (2), wobei der zweite Gleichspannungswandler (13) mit einer Eingangsseite (16) mit dem elektrischen Energiespeicher (5) und mit einer Ausgangseite (17) mit dem zweiten Teilbordnetz (4) verschaltet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (1) und ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher, welcher zumindest ein erstes Batteriemodul und ein zweites Batteriemodul aufweist. Das elektrische Bordnetzsystem weist eine Anschlussseite zum Koppeln mit einer bordnetzexternen Ladequelle mittels einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme der Anschlussseite auf. Das elektrische Bordnetzsystem weist ein erstes Teilbordnetz zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher auf.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetzsystem.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzsystems, wobei das elektrische Bordnetzsystem mit einer bordnetzexternen Ladequelle gekoppelt wird, wobei mit der bordnetzexternen Ladequelle eine Eingangsspannung einem elektrischen Energiespeicher des elektrischen Bordnetzes bereitgestellt wird. Ein erstes Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems wird mit dem elektrischen Energiespeicher des elektrischen Bordnetzsystems gekoppelt, so dass das erste Teilbordnetz mit einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers versorgt wird.
  • Elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wie Elektrofahrzeuge, Plug-in-Fahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, werden an Ladesäulen beziehungsweise Ladestationen mit einer Ladespannung elektrisch geladen. Insbesondere weisen die elektrisch angetriebenen Fahrzeuge eine Spannungslage von 800 V auf. Die üblichen DC-Ladesäulen weisen eine maximale Spannung von 500 V auf. Somit werden Systeme benötigt, um 800 V-Fahrzeuge an 500 V-Ladesäulen effizient laden zu können.
  • Beispielsweise offenbaren die DE 10 2015 117 744 A1 , die DE 10 2015 106 771 A1 und die DE 10 2015 126 773 A1 Batteriesysteme. Dabei ist die Fahrzeugbatterie in mehrere Teilmodule aufgeteilt, wobei die einzelnen Teilmodule jeweils einen Mittelabgriff aufweisen, so dass hier eine entsprechende Spannung abgegriffen werden kann.
  • Beispielsweise betreffen die DE 10 2016 008 263 A1 , die DE 10 2018 000 401 A1 und WO 2019/141494 A1 Umschaltbatterien beziehungsweise Speichereinrichtungen mit einer umschaltbaren Batterieanordnung. Somit können ebenfalls höhere Spannungen für das elektrisch betriebene Fahrzeug bereitgestellt werden.
  • Des Weiteren zeigt die DE 10 2019 007 868 A1 eine Speichereinrichtung, die es ermöglicht, dass entweder ein erster Teilstrang oder ein zum ersten Teilstrang in Reihe geschalteter zweiter Teilstrang eines elektrischen Energiespeichers mit einer Ladespannung geladen wird.
  • Die DE 10 2015 101 187 A1 offenbart einen Hochvolt-Ladebooster zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule. Mit Hilfe dieses Hochvolt-Ladeboosters kann ein 800 V-Fahrzeug an einer 400 V-Ladesäule geladen werden.
  • Die Nachteile im Stand der Technik liegen insbesondere in den großen, teuren, kompakten Boost-Wandlern, welche mit einer aufwändigen Filterung (IMV-Anforderung) konzipiert werden müssen. Insbesondere zeigen die Umschaltbatterien im Stand der Technik Alterungseffekte, da die einzelnen Batteriemodule mit einem negativen Ausgleichsstrom beaufschlagt werden können. Des Weiteren sind hohe Filteraufwände im Stand der Technik vorgesehen, um die IMV-Anforderungen erfüllen zu können. Insbesondere bei den Umschaltbatterien mit mehreren Teilmodulen muss für einen Umschaltvorgang der Ladestrom auf null reduziert werden, um den Umschaltvorgang durchführen zu können. Dadurch kann ein Ladevorgang abgebrochen werden.
  • Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen DC-Ladevorgang an einer DC-Ladesäule dahingehend zu verbessern, indem eine Stromunterbrechung während des Ladevorgangs verhindert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bordnetzsystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit
    • - zumindest einem elektrischen Energiespeicher, welcher zumindest ein erstes Batteriemodul und ein zweites Batteriemodul aufweist,
    • - einer Anschlussseite des elektrischen Bordnetzsystems zum Koppeln mit einer bordnetzexternen Ladequelle mittels einer ersten Anschlussklemme und einer zweiten Anschlussklemme der Anschlussseite, und
    • - einem ersten Teilbordnetz zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher, aufweisend:
    • - einen ersten Gleichspannungswandler des elektrischen Bordnetzsystems, wobei der erste Gleichspannungswandler mit einer Eingangsseite mit der ersten und zweiten Anschlussklemme und mit einer Ausgangsseite mit einem zweiten Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems verschaltet ist, und
    • - einen zweiten Gleichspannungswandler des elektrischen Bordnetzsystems, wobei der zweite Gleichspannungswandler mit einer Eingangsseite mit dem elektrischen Energiespeicher und mit einer Ausgangseite mit dem zweiten Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems verschaltet ist.
  • Durch das vorgeschlagene elektrische Bordnetzsystem können negative Ausgleichsströme in den beiden Batteriemodulen und somit insbesondere in dem elektrischen Energiespeicher verhindert werden. Durch die Kopplung des zweiten Teilbordnetzes mit dem ersten und/oder zweiten Gleichspannungswandler und durch die Kopplung des zweiten Gleichspannungswandlers mit dem elektrischen Energiespeicher kann auf zusätzliche Komponenten zum Versorgen des zweiten Teilbordnetzes verzichtet werden. Durch die Verschaltung zwischen den beiden Gleichspannungswandlern und dem elektrischen Energiespeicher und dem zweiten Teilbordnetz kann eine Stromumkehrung in einem der beiden Batteriemodule während eines DC-Ladevorgangs vermieden werden. Insbesondere ermöglicht das elektrische Bordnetzsystem bei einem durchgeführten DC-Ladevorgang, eine Unterbrechung des Ladevorgangs beziehungsweise eine Stromunterbrechung zu verhindern. Somit kann es zu keinem Ladeabbruch kommen.
  • Bei dem zweiten Teilbordnetz kann es sich um ein bestimmungsgemäßes Teilbordnetz für das elektrische Bordnetzsystem handeln. Insbesondere weist das erste Teilbordnetz eine Spannungslage von 800 V auf. Die Spannungslagen in dem zweiten Teilbordnetz können beispielsweise bei 400 V oder bei bei 48 V liegen. Somit können mit Hilfe des zweiten Teilbordnetzes zusätzliche Fahrzeugkomponenten betrieben werden. Beispielsweise kann mit Hilfe des zweiten Teilbordnetzes ein aktives Fahrwerk des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer Spannung von 48 V versorgt werden. Insbesondere kann mit Hilfe des zweiten Teilbordnetzes ein weiterer Nebenverbrauch des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wie ein 12 V-DC-DC-Wandler, ein Zuheizer, ein Kältemittelverdichter oder bereits bestehende Komponenten der 48 V-Ebenen, versorgt werden.
  • Insbesondere ermöglicht die Verwendung des zweiten Gleichspannungswandlers die Spannungsversorgung des zweiten Teilbordnetzes. Insbesondere ermöglicht der zweite Gleichspannungswandler, dass während des Ladens eines der beiden Teilbatteriemodule das andere Batteriemodul nicht durch Verbraucher belastet werden muss und so die gesamte Batterie beziehungsweise der elektrische Energiespeicher stabilisiert werden kann. Durch Verwendung der beiden Gleichspannungswandler können trotz eines Ladevorgangs des ersten und/oder zweiten Batteriemoduls alle Verbraucher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit Energie versorgt werden.
  • Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Elektrofahrzeug, wie ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Bei dem elektrischen Energiespeicher handelt es sich insbesondere um eine Traktionsbatterie oder Batterieanordnung oder um eine Fahrzeugbatterie oder um eine Hochvoltbatterie. Insbesondere dient der elektrische Energiespeicher bestimmungsgemäß zum elektrischen versorgen und/oder antreiben einer Antriebseinheit oder einem Antriebsaggregat oder einem elektrischen Antriebsmotor des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs zur Fortbewegung.
  • Bei dem elektrischen Bordnetzsystem handelt es sich insbesondere um das gesamte Bordnetz des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs. Insbesondere weist das elektrische Bordnetzsystem die zumindest zwei Teilbordnetze auf. Insbesondere sind das erste Teilbordnetz und das zweite Teilbordnetz bestimmungsgemäß für das elektrische Bordnetzsystem ausgebildet. Insbesondere bilden das erste Teilbordnetz und das zweite Teilbordnetz das elektrische Bordnetzsystem.
  • Bei der bordnetzexternen Ladequelle handelt es sich insbesondere um eine Gleichspannungsladequelle oder um eine DC-Ladesäule oder um eine DC-Ladestation oder um eine Ladeinfrastruktur. Mit Hilfe der bordnetzexternen Ladequelle wird eine Gleichspannung (beispielsweise 400 V beziehungsweise 500 V) zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass zwischen dem Ausgang des ersten Gleichspannungswandlers und dem zweiten Teilbordnetz eine Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit und/oder ein Gleichrichtereinheit verschaltet ist, insbesondere der erste Gleichspannungswandler und/oder der zweite Gleichspannungswandler als bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgebildet ist. Mittels der Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit und/oder der Gleichrichtereinheit kann eine Wechselstromladung des elektrischen Energiespeichers durchgeführt werden. Über die Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit und die Gleichrichtereinheit kann der erste Gleichspannungswandler über einen Wechselspannungsanschluss mit einer Wechselspannung einer externen Wechselspannungsquelle versorgt werden. Mit Hilfe des ersten Gleichspannungswandlers kann diese Wechselspannung in eine entsprechende Gleichspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umgewandelt werden. Somit kann nicht nur über die externe Ladequelle der elektrische Energiespeicher mit einer Gleichspannung versorgt werden, sondern auch über diesen zusätzliche zwei mit einer Wechselspannung versorgt werden. Somit ergeben sich zum Laden des elektrischen Energiespeichers mehrere Funktionen.
  • Damit ein Wechselspannungsladevorgang mit Hilfe des ersten Gleichspannungswandlers durchgeführt werden kann, ist insbesondere der erste Gleichspannungswandler als bidirektionaler Spannungswandler ausgebildet. Ebenso kann der zweite Gleichspannungswandler ebenfalls als bidirektionaler Spannungswandler ausgebildet werden, so dass mit Hilfe des zweiten Teilbordnetzes der elektrische Energiespeicher mit einer Spannung versorgt werden kann.
  • Bei der Gleichrichtereinheit handelt es sich insbesondere um einen Wechselspannungsfilter beziehungsweise einen Netzfilter. Mit der Gleichrichtereinheit können elektrische Störungen herausgefiltert werden. Insbesondere dient die Gleichrichtereinheit zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit während des Wechselspannungsladens. Mit Hilfe der Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit kann ein Leistungsfaktor für den Ladevorgang erhöht werden. Insbesondere kann die Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit einen aktiven oder passiven Leistungsfaktorkorrekturfilter beinhalten.
  • Insbesondere können die Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit und die Gleichrichtereinheit in einem Gehäuse beziehungsweise in einer Einheit integriert werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der ersten Anschlussklemme und einem ersten Potential des ersten Batteriemoduls ein erstes Trennelement und ein erster Halbleiterschalter und zwischen der zweiten Anschlussklemme und einem zweiten Potential des zweiten Batteriemoduls ein zweites Trennelement und ein zweiter Halbleiterschalter verschaltet sind. Insbesondere befinden sich das erste Trennelement und der erste Halbleiterschalter in dem positiven Spannungszweig zwischen der ersten Anschlussklemme und dem ersten Batteriemodul. Insbesondere ist die erste Anschlussklemme mit dem positiven Potential der Ladequelle verschaltet, und der erste Halbleiterschalter ist an dem positiven Potential des ersten Batteriemoduls verschaltet. Insbesondere sind das erste Trennelement und der erste Halbleiterschalter in Reihe zueinander verschaltet. Dahingehend sind das zweite Trennelement und der erste Halbleiterschalter in dem negativen Spannungszweig zwischen der Ladequelle und dem elektrischen Energiespeicher verschaltet. Dabei ist das zweite Trennelement an dem negativen Potential der Ladequelle angeschlossen, und der zweite Halbleiterschalter ist an dem negativen Potential des zweiten Batteriemoduls verschaltet.
  • Bei dem ersten und zweiten Trennelement kann es sich insbesondere um Schütze handeln. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten und zweiten Trennelement um Trennschalter. Bei dem ersten und zweiten Halbleiterschalter handelt es sich insbesondere um Schaltelemente beziehungsweise Schalteinheiten, wie beispielsweise IGBT, MOSFET, Transistoren, Bipolartransistoren oder um Feldeffekttransistoren. Ebenso kann es sich bei den Halbleiterschaltern um Thyrestoren handeln.
  • Mit Hilfe des ersten und zweiten Trennelements kann die Ladequelle von dem elektrischen Bordnetzsystem getrennt beziehungsweise entkoppelt werden. Insbesondere erfolgt die Trennung der Ladequelle mit dem elektrischen Bordnetzsystem bei einer Beendigung des DC-Ladevorgangs oder beim AC-Ladevorgang oder bei einer Fortbewegungsfahrt des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Trennelement und dem ersten Halbleiterschalter ein erster Knotenpunkt und zwischen dem zweiten Trennelement und dem zweiten Halbleiterschalter ein zweiter Knotenpunkt ausgebildet sind, wobei zwischen dem ersten Knotenpunkt und dem zweiten Knotenpunkt ein dritter Halbleiterschalter und ein vierter Halbleiterschalter verschaltet sind, insbesondere zwischen dem dritten Halbleiterschalter und dem vierten Halbleiterschalter ein erster Mittelabgriff und zwischen einem zweiten Potential des ersten Batteriemoduls und einem ersten Potential des zweiten Batteriemoduls ein zweiter Mittelabgriff ausgebildet sind, wobei der erste Mittelabgriff und der zweite Mittelabgriff elektrisch gekoppelt sind. Mit anderen Worten befindet sich der erste Knotenpunkt in dem positiven Spannungszweig zwischen dem elektrischen Energiespeicher und der Ladequelle, und der zweite Knotenpunkt befindet sich im negativen Spannungszweig zwischen der Ladequelle und dem elektrischen Energiespeicher. Zwischen dem ersten und zweiten Knotenpunkt wird ein zusätzlicher Zweig verschaltet, welcher die beiden in Reihe verschalteten dritten und vierten Halbleiterschalter aufweist. Insbesondere kann der Zweig beziehungsweise Strang zwischen dem ersten und zweiten Knoten als quasi „parallele“ Verschaltung zwischen der Ladequelle und dem elektrischen Energiespeicher angesiedelt sein. Dabei kann die quasi die Ladequelle als Strang bezeichnet werden und der elektrische Energiespeicher als weiterer Strang, so dass die drei Stränge (Ladequelle Strang zwischen ersten Knoten und zweiten Knoten und elektrischer Energiespeicher als parallel verschaltet anzusehen sind.
  • Bei dem dritten und vierten Halbleiterschalter kann es sich ebenfalls um einen IGBT oder um einen MOSFET oder um einen Thyristor oder um einen Transistor oder um ein Schaltelement handeln.
  • Der zweite Mittelabgriff ist mit anderen Worten zwischen dem Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers verschaltet. Somit ist insbesondere der zweite Mittelabgriff mit dem negativen Potential des ersten Batteriemoduls und mit dem positiven Potential des zweiten Batteriemoduls verschaltet. Durch die Verbindung des ersten Mittelabgriffs mit dem zweiten Mittelabgriff kann mit Hilfe des dritten und vierten Halbleiterschalters entweder das erste Batteriemodul oder das zweite Batteriemodul über die Ladequelle elektrisch geladen werden. Je nachdem welches Batteriemodul geladen werden soll, wird entweder der dritte oder der vierte Halbleiterschalter leitend geschaltet beziehungsweise aktiv geschaltet. Sollte keines der beiden Halbleiterschalter (dritter und vierter) aktiv sein, so können beide Batteriemodule zusammen mit der Ladequelle mit einer Gleichspannung (von beispielsweise 800 V) geladen werden. Insbesondere wird entweder das erste Batteriemodul mit einer Ladespannung von 400 V geladen oder das zweite Batteriemodul mit einer Ladespannung mit 400 V geladen. Somit ergeben die beiden in Reihe verschalteten Batteriemodule in Summe eine Spannung von 800 V, welche für das erste Teilbordnetz bereitgestellt werden kann.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen einem ersten Potential des ersten Batteriemoduls und dem ersten Teilbordnetz ein drittes Trennelement und zwischen einem zweiten Potential des zweiten Batteriemoduls ein viertes Trennelement zum Trennen des ersten Teilbordnetzes von dem elektrischen Energiespeicher verschaltet sind. Insbesondere handelt es sich bei dem dritten und vierten Trennelement um ein Schütz oder einen Trennschalter. Mit Hilfe des dritten und vierten Trennelements kann das erste Teilbordnetz abgetrennt werden beziehungsweise spannungsfrei geschaltet werden. Insbesondere wird bei dem Ladevorgang des ersten und/oder zweiten Batteriemoduls oder bei einem Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers das erste Teilbordnetz mit Hilfe der beiden Trennelemente von elektrischem Bordnetzsystem abgetrennt. Beim Laden beziehungsweise bei der Versorgung des ersten Teilbordnetzes mit einer Spannung von 800 V werden das dritte und vierte Trennelement geschlossen. Somit kann das erste Teilbordnetz mit einer Spannung, insbesondere mit einer Spannung von 800 V, versorgt werden.
  • Insbesondere handelt es sich bei den angegebenen Spannungswerten im keine absolute Werte. Die Spannungswerte können aufgrund von Messtoleranzen um 5%, insbesondere 10%, abweichen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem elektrischen Bordnetzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche oder einer Weiterbildung daraus. Insbesondere handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wie beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug oder ein Plug-in-Fahrzeug oder ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Insbesondere weist das Fahrzeug das elektrische Bordnetzsystem auf. Dabei kann das elektrische Bordnetzsystem des Fahrzeugs aus mehreren Teilbordnetzen bestehen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzsystems, wobei
    • - das elektrische Bordnetzsystem mit einer bordnetzexternen Ladequelle gekoppelt wird, wobei mit der bordnetzexternen Ladequelle eine Eingangsspannung einem elektrischen Energiespeicher des elektrischen Bordnetzsystems bereitgestellt wird,
    • - ein erstes Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems mit dem elektrischen Energiespeicher des elektrischen Bordnetzsystems gekoppelt wird, sodass das erste Teilbordnetz mit einer Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers versorgt wird, wobei
    • - ein zweites Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems, welches mit einem ersten Gleichspannungswandler des elektrischen Bordnetzsystems und mit einem zweiten Gleichspannungswandler des elektrischen Bordnetzsystems elektrisch gekoppelt ist, mit einer ersten Gleichspannung des ersten Gleichspannungswandlers und/oder mit einer zweiten Gleichspannung des zweiten Gleichspannungswandler versorgt wird.
  • Durch das vorgeschlagene Verfahren kann zum einen ein 800 V-Bordnetz (erstes Teilbordnetz) mit einer Spannung von 800 V versorgt werden. Ebenfalls kann ein 48 V-Bordnetz (zweites Teilbordnetz) mit einer entsprechenden Spannung versorgt werden. Insbesondere kann das zweite Teilbordnetz kontinuierlich mit einer Spannung versorgt werden. Dazu wird das zweite Teilbordnetz entweder mit dem ersten Gleichspannungswandler und/oder mit dem zweiten Gleichspannungswandler mit einer Spannung versorgt. Ebenso dienen die beiden Gleichspannungswandler zur kontinuierlichen Versorgung der beiden Batteriemodule mit einer Spannung. Insbesondere wird während eines Ladevorgangs eines der beiden Batteriemodule das andere Batteriemodul mit Hilfe eines der beiden Gleichspannungswandler mit einer zur Ladespannung geringeren Spannung geladen.
  • Insbesondere kann mittels des vorgeschlagenen Verfahrens eine Stromumkehrung zwischen den Batteriemodulen und den Bordnetzen verhindert werden, so dass ein Alterungseffekt des elektrischen Energiespeichers verhindert werden kann. Insbesondere kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens erreicht werden, dass während eines DC-Ladevorgangs eine minimale Ladespannung aus der Ladequelle gezogen wird, selbst ein Umschaltvorgang zwischen den Batteriemodulen durchgeführt wird. Somit kann ein eventueller Abbruch des Ladevorgangs aufgrund einer Unterbrechung des Ladestroms durch die Ladequelle verhindert werden.
  • Insbesondere kann das soeben geschilderte Verfahren mit einem elektrischen Bordnetzsystem nach einem der vorherigen Aspekte oder einem Ausführungsbeispiel daraus durchgeführt werden. Insbesondere wird das soeben geschilderte elektrische Bordnetz mit einem Verfahren nach einem der vorherigen Aspekte durchgeführt.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erstes Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers während eines ersten Ladevorgangs mit der Eingangsspannung geladen wird, wobei während des ersten Ladevorgangs ein zweites Batteriemoduls des elektrischen Energiespeichers mit dem zweiten Gleichspannungswandler mit einer Hilfsspannung versorgt wird oder das zweite Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers während eines zweiten Ladevorgangs mit der Eingangsspannung geladen wird, wobei während des zweiten Ladevorgangs das erste Batteriemodul des elektrischen Energiespeichers mit dem ersten Gleichspannungswandler mit der Hilfsspannung versorgt wird. Somit kann erreicht werden, dass während eines Ladevorgangs eines der Batteriemodule über die externe Ladequelle das nicht mit der Ladequelle versorgte Batteriemodul zumindest mit der Hilfsspannung geladen wird. Somit kann eine Stromumkehrung des nicht geladenen Batteriemoduls verhindert werden. Ebenso können durch das weiterhin Laden des nicht mit der externen Ladequelle verbundenen Batteriemoduls mit Hilfe der Hilfsspannung Alterungseffekte des jeweiligen Batteriemoduls verhindert werden. Somit werden beide Batteriemodule kontinuierlich mit einer Spannung versorgt.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einem Wechsel zwischen den beiden Ladevorgängen überprüft wird, ob das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul mit der Eingangsspannung versorgt werden, und falls das nicht der Fall ist, dann werden das erste Batteriemodul und das zweite Batteriemodul mit der Hilfsspannung des zweiten Gleichspannungswandlers elektrisch versorgt. Da es bei einem Wechsel zwischen den Ladevorgängen von dem ersten Batteriemodul auf das zweite Batteriemodul oder von dem zweiten Batteriemodul auf das erste Batteriemodul kurzzeitig zu einer Ladeunterbrechung mit der Ladequelle kommt, werden die beiden Batteriemodule trotzdem mit Hilfe der Hilfsspannung des zweiten Gleichspannungswandlers versorgt. Somit kann zum einen erreicht werden, dass die beiden Batteriemodule nicht in eine Stromumkehrung gelangen und dass beiden Batteriemodule nicht mit zusätzlichen Verbrauchern angeschlossen werden, um Alterungseffekte der Batteriemodule zu verhindern. Des Weiteren wird bei dem Wechsel zwischen den beiden Ladevorgängen mit Hilfe des ersten Gleichspannungswandlers kontinuierlich ein Ladestrom aus der externen Ladequelle entnommen. Somit kann verhindert werden, dass es zu keiner Unterschreitung des Ladevorgangs kommt, da durch die zusätzliche Energieabnahme durch den ersten Gleichspannungswandler eine Unterbrechung des Ladestroms durch die Ladequelle verhindert werden kann. Somit kann der Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs effizienter durchgeführt werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass mit der bordnetzexternen Ladequelle eine Gleichspannung als Eingangsspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt wird oder mit dem ersten und/oder dem zweiten Gleichspannungswandler eine Wechselspannung einer bordnetzexternen Wechselstromquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Mit anderen Worten werden somit zumindest zwei Varianten zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitgestellt. Entweder es folgt über die Ladequelle ein Gleichspannungs-Ladevorgang oder über die Wechselstromquelle erfolgt ein Wechselspannungs-Ladevorgang. Somit kann je nach aktueller Beschaffenheit der externen Ladequelle der elektrische Energiespeicher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs geladen werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Bordnetzsystems sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen für das Verfahren und das Fahrzeug anzusehen. Ebenso können Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des elektrischen Bordnetzsystems und des Fahrzeuges angesehen werden. Insbesondere sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele einzelner Aspekte als vorteilhafte Ausführungsbeispiele der anderen Aspekte anzusehen.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
    • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Bordnetzsystems; und
    • 2 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Bordnetzsystems.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug 1, welches ein elektrisches Bordnetzsystem 2 aufweist. Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 1 handelt es sich beispielsweise um ein Elektrofahrzeug oder um ein Plug-in-Fahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug. Mit Hilfe des elektronischen Bordnetzsystems 2 können sämtliche elektronischen Komponenten und/oder Systeme des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 gesteuert, versorgt oder betrieben werden. Insbesondere handelt es sich bei dem elektronischen Bordnetzsystem 2 um ein bestimmungsgemäßes Bordnetz des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1.
  • Das elektronische Bordnetzsystem 2 weist zumindest ein erstes Teilbordnetz 3 und ein zweites Teilbordnetz 4 auf. Insbesondere sind die beiden Teilbordnetze 3, 4 bestimmungsgemäß als Bestandteile des elektronischen Bordnetzsystems 2 vorgesehen. Insbesondere bildet das erste und zweite Teilbordnetz 3, 4 das elektronische Bordnetzsystem 2. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Teilbordnetz 3 um ein Bordnetz mit einer Spannungslage von 800 V zur Versorgung eines elektrischen Antriebsstrangs des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1.
  • Bei dem zweiten Teilbordnetz 4 kann es sich beispielsweise um ein 400 V-Bordnetz oder um ein 48 V-Bordnetz oder um 12 V-Bordnetz oder um ein 24 V-Bordnetz handeln. Insbesondere können mit Hilfe des zweiten Teilbordnetzes 4 Nebenverbraucher des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1, wie beispielsweise ein 12 V-DC-DC-Wandler, ein Zuheizer, ein Kältemittelverdichter oder weitere, elektronische Niedervolt-Komponenten des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 elektrisch versorgt und/oder betrieben werden.
  • Insbesondere weist das elektronische Bordnetzsystem 2 zumindest einen elektrischen Energiespeicher 5 auf. Bei dem elektrischen Energiespeicher 5 kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie oder um eine Traktionsbatterie oder um einen Hochvoltspeicher handeln. Der elektrische Energiespeicher 5 weist zumindest ein erstes Batteriemodul 6 und ein zweites Batteriemodul 7 auf. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher 5 aus mehreren Batteriemodulen bestehen. Insbesondere sind das erste und das zweite Batteriemodul 6, 7 in Reihe zueinander verschaltet. Um den elektrischen Energiespeicher 5 laden zu können, weist das elektrische Bordnetz 2 eine Anschlussseite 8 auf. Mit Hilfe der Anschlussseite 8 kann das elektrische Bordnetzsystem 2 mit einer bordnetzexternen Ladequelle 9 mittels einer ersten Anschlussklemme 10 und einer zweiten Anschlussklemme 11 elektrisch gekoppelt beziehungsweise angeschlossen werden. Bei der bordnetzexternen Ladequelle 9 kann es sich beispielsweise um eine Gleichspannungsladequelle oder um eine DC-Ladesäule handeln. Mit Hilfe der bordnetzexternen Ladequelle 9 wird insbesondere eine Eingangsspannung UE bereitgestellt. Bei der Ladequelle 9 handelt es sich insbesondere um eine DC-Ladesäule mit einer Spannungslage von entweder maximal 500 V oder bei speziellen 800 V-Ladesäulen bis maximal 920 V.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 5 um eine umschaltbare Batterie, so dass entweder das erste Batteriemodul 6 oder das zweite Batteriemodul 7 mit Hilfe der Eingangsspannung UE geladen werden kann. Dabei weisen die beiden Batteriemodule 6, 7 beispielsweise eine Spannungslage von bis zu 500 V auf. Insbesondere bilden die beiden in Reihe geschalteten Batteriemodule 6, 7 eine höhere Spannung als die Eingangsspannung UE. Insbesondere bilden die beiden Batteriemodule 6, 7 in Summe eine Spannung größer 500 V, insbesondere eine Spannung von 800 V. Somit kann mit Hilfe der in Reihe verschalteten Batteriemodule 6, 7 das erste Teilbordnetz 3 versorgt werden.
  • Insbesondere kann das erste Teilbordnetz 3 mit dem elektrischen Energiespeicher 5 gekoppelt werden. Das zweite Teilbordnetz 4 wird entweder mit einem ersten Gleichspannungswandler 12 und/oder mit einem zweiten Gleichspannungswandler 13 des elektrischen Bordnetzsystems 2 mit Energie versorgt. Insbesondere ist der erste Gleichspannungswandler 12 mit einer Eingangsseite 14 mit der ersten und zweiten Anschlussklemme 10, 11 verbunden. Somit ist der erste Gleichspannungswandler 12 über die erste Anschlussklemme 10 mit dem positiven Potential der Ladequelle 9 verbunden und mit Hilfe der zweiten Anschlussklemme 11 mit dem negativen Potential der Ladequelle 9 verbunden. Somit kann der erste Gleichspannungswandler 12 direkt mit der Ladequelle 9 elektrisch gekoppelt werden. Mit der Ausgangsseite 15 des ersten Gleichspannungswandlers 12 kann der erste Gleichspannungswandler 12 direkt mit dem zweiten Teilbordnetz 4 verbunden werden.
  • Der zweite Gleichspannungswandler 13 kann mit seiner Eingangsseite 16 mit dem elektrischen Energiespeicher 5 verbunden beziehungsweise verschaltet werden. Insbesondere ist die Eingangsseite 16 des zweiten Gleichspannungswandlers 13 mit dem positiven Potential des elektrischen Energiespeichers und mit dem negativen Potential des elektrischen Energiespeichers 5 verschaltet. Somit greift der Gleichspannungswandler 13 die Spannung der Reihenschaltung der Batteriemodule 6, 7 ab.
  • Mit der Ausgangsseite 17 des zweiten Gleichspannungswandlers 13 ist der zweite Gleichspannungswandler 13 mit dem zweiten Teilbordnetz 4 verschaltet. Somit kann insbesondere das zweite Teilbordnetz 4 mit einer ersten Gleichspannung U1 des ersten Gleichspannungswandlers 12 und/oder mit einer zweiten Gleichspannung U2 des zweiten Gleichspannungswandlers 13 versorgt werden. Insbesondere sind die beiden Gleichspannungen U1, U2 identisch. Das erste Teilbordnetz 3 kann wiederum mit Hilfe des elektrischen Energiespeichers 5 mit einer Batteriespannung UBatt versorgt werden. Beispielsweise ist zwischen dem Ausgang 15 des ersten Gleichspannungswandlers 12 und dem zweiten Teilbordnetz 4 eine Leistungskorrekturfiltereinheit 18 und/oder eine Gleichrichtereinheit 19 verschaltet. Insbesondere können die Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit 18 und die Gleichrichtereinheit 19 mit einer Einheit integriert werden (wie es in 1 gezeigt ist). Mit Hilfe der Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit 18 und der Gleichrichtereinheit 19 kann eine Wechselspannung UAC einer bordnetzexternen Wechselstromquelle 20 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 5 bereitgestellt werden. Insbesondere wird die bereitgestellte Wechselspannung UAC mit Hilfe des ersten Gleichspannungswandlers 12, welcher insbesondere bidirektional ausgebildet ist, in eine Gleichspannung zum Versorgen des elektrischen Energiespeichers 5 umgewandelt. Somit können die Gleichspannungswandler 12, 13 neben der Versorgung des zweiten Teilbordnetzes 4 auch zur Versorgung des elektrischen Energiespeichers 5 während eines AC-Ladevorgangs verwendet werden.
  • Dabei können zwei Fälle beziehungsweise Varianten vorliegen, entweder kann bei einem AC-Ladevorgang der elektrische Energiespeicher 5 über den ersten Gleichspannungswandler 12 oder über den zweiten Gleichspannungswandler 13 mit einer Gleichspannung versorgt werden. Dabei können entweder der erste Gleichspannungswandler 12 und/oder der zweite Gleichspannungswandler 13 bidirektional ausgebildet sein. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 5 gleichzeitig mit dem ersten Gleichspannungswandler 12 und dem zweiten Gleichspannungswandler 13 geladen werden. Dazu muss aber die Bedingung erfüllt sein, dass die Summenleistung beider Gleichspannungswandler 12, 13 auf die Leistung der Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit 18 ausgelegt ist.
  • Insbesondere sind zwischen der ersten Anschlussklemme 10 und dem positiven Potential des ersten Batteriemoduls 6 ein erstes Trennelement T1 und ein erster Halbleiterschalter S1 verschaltet. Insbesondere sind das erste Trennelement T1 und der erste Halbleiterschalter S1 in Reihe verschaltet. Somit sind das erste Trennelement T1 und der erste Halbleiterschalter S1 in dem positiven Spannungszweig zwischen dem positiven Potential der Ladequelle 9 und dem positiven Potential des ersten Batteriemoduls 6 verschaltet. In dem negativen Spannungszweig beziehungsweise negativen Spannungspfad zwischen der Ladequelle 9 und dem zweiten Batteriemodul 7 sind ein zweites Trennelement T2 und ein zweiter Halbleiterschalter S2 verschaltet. Diese beiden sind ebenfalls in Reihe zueinander verschaltet. Bei den beiden Trennelementen T1, T2 handelt es sich insbesondere um Schütze oder um Trennschalter. Mit Hilfe der Trennelemente T1, T2 können insbesondere das elektrische Bordnetzsystem 2 und insbesondere das elektrisch angetriebene Fahrzeug 1 von der Ladequelle 9 spannungsfrei getrennt beziehungsweise entkoppelt werden.
  • Insbesondere bilden das erste Trennelement T1 und der erste Halbleiterschalter S1 einen Eingangspfad, welcher am positiven Potential der Ladequelle 9 angeschlossen ist, des elektrischen Bordnetzes T2. Das zweite Trennelement T2 und der zweite Halbleiterschalter S2 bilden den Ausgangspfad, insbesondere an dem negativen Potential der Ladequelle 9 des elektrischen Bordnetzsystems 2.
  • Zwischen dem ersten Trennelement T1 und dem ersten Halbleiterschalter S1 ist ein erster Knotenpunkt K1 ausgebildet und zwischen dem zweiten Trennelement T2 und dem zweiten Halbleiterschalter S2 ist ein zweiter Knotenpunkt K2 ausgebildet. Diese beiden Knoten K1, K2 sind wiederum mit einem Spannungspfad beziehungsweise mit einem Strompfad miteinander verbunden. Insbesondere ist dieser Strompfad parallel betrachtet zu der Ladequelle 9 verschaltet. Zwischen dem ersten Knotenpunkt K1 und dem zweiten Knotenpunkt K2 sind ein dritter Halbleiterschalter S3 und ein vierter Halbleiterschalter S4 in Reihe zueinander verschaltet. Zwischen diesen beiden Halbleiterschaltern S3 und S4 ist ein erster Mittelabgriff M1 gebildet. Ebenso ist zwischen dem ersten Batteriemodul 6 und dem zweiten Batteriemodul 7 zwischen dem negativen Potential des ersten Batteriemoduls 6 und dem positiven Potential des zweiten Batteriemoduls 7 ein zweiter Mittelabgriff M2 gebildet. Insbesondere sind der erste Mittelabgriff M1 und der zweite Mittelabgriff M2 zueinander verschaltet.
  • Beispielsweise handelt es sich bei den Halbleiterschaltern S1, S2, S3, S4 um IGBTs, MOSFETs, Transistoren, Schaltelementen oder um Feldeffekttransistoren.
  • Insbesondere kann mit Hilfe der beiden Trennelemente T1, T2 und der Halbleiterschalter S1 bis S4 entweder der komplette elektrische Energiespeicher 5 mit der Eingangsspannung UE geladen werden oder jeweils nur eines der Batteriemodule 6, 7 einzeln mit der Eingangsspannung UE geladen. Insbesondere übernimmt der zweite Gleichspannungswandler 13 beim Laden von nur einem der Batteriemodule 6, 7 die Aufgabe, das zweite Teilbordnetz 4 zu versorgen. Dabei greift der zweite Gleichspannungswandler 13 direkt an der Ladequelle 9 Energie ab. Zudem kann über diese konstante Leistungsentnahme an der Ladequelle 9 vermieden werden, dass während des Umschaltvorgangs beim Laden vom Batteriemodul 6 oder vom Batteriemodul 7 oder umgekehrt der an der Ladequelle 9 entnommene Strom auf null geregelt werden muss. Dies könnte an der Ladequelle 9 im schlimmsten Fall zu einem Abbruch des Ladevorgangs führen. Ferner kann über die beiden Gleichspannungswandler 12, 13 auch der gesamte elektrische Energiespeicher 5 mit einer Spannung versorgt werden. Dies gewährleistet, dass die Batteriemodule 6, 7, die nicht mit der Ladequelle 9 geladen werden, nicht entladen werden. Beispielsweise können die Gleichspannungswandler 12, 13 wahlweise gekoppelt oder isoliert ausgeführt werden. Insbesondere handelt es sich bei dem Gleichspannungswandler 12, 13 um Spannungswandler oder um DC-DC-Wandler oder um Boost-Wandler. Wenn es sich bei dem zweiten Teilbordnetz 4 um ein 48 V-Bordnetz handelt, ist die isolierende Variante der Gleichspannungswandler 12, 13 zu bevorzugen. Insbesondere ermöglicht es die in 1 schematisch dargestellte Schaltung, eine Leitfähigkeit des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 an der Ladequelle 9 zu ermöglichen, ohne dabei die Reihenschaltung der Batteriemodule 6, 7 trennen zu müssen oder die komplette Ladeleistung an der Ladequelle 9 über eine Spannung zu übertragen.
  • Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Bordnetzsystem 2 eine Stromumkehrung in dem elektrischen Energiespeicher 5 vermieden werden, indem das erste oder zweite Teilbordnetz 3, 4 über einen Spannungswandler direkt von der Eingangsspannung UE der Ladequelle 9 versorgt wird. Dabei kann die Leistung des Spannungswandlers 12, 13 größer als die Leistung des jeweiligen Bordnetzes 3, 4 sein. Insbesondere ist das Batteriemodul 6, 7, welches nicht mit der Ladequelle 9 verbunden ist, mit einem geringeren Strom geladen. Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler 12, 13 entweder ein eigenes dafür instruiertes Gerät sein, eine Untergruppe eines bestehenden Geräts (zum Beispiel Bordloader) oder ein bereits bestehender Spannungswandler einer HV-Architektur des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1.
  • Um das erste Teilbordnetz 3 von den restlichen Komponenten des elektrisches Bordnetzsystems 2 abtrennen zu können, kann zwischen dem ersten Potential des ersten Batteriemoduls 6 und dem ersten Teilbordnetz 3 ein drittes Trennelement T3 zwischen einem zweiten Potential des zweiten Batteriemoduls 7 und dem ersten Teilbordnetz 3 ein viertes Trennelement T4 ausgebildet sein. Bei den beiden Trennelementen T3, T4 handelt es sich um ähnliche Trennelemente wie das erste und zweite Trennelement T1, T2. Mit Hilfe der beiden Trennelemente T3, T4 kann das erste Teilbordnetz 3 von dem elektrischen Energiespeicher 5 abgetrennt werden.
  • Insbesondere dient das dritte Trennelement T3 zum Abtrennen des positiven Spannungszweiges und das vierte Trennelement T4 insbesondere zum Abtrennen des negativen Spannungszweiges zum ersten Teilbordnetz 3. Insbesondere ist das dritte Trennelement T3 an dem positiven Potential des ersten Batteriemoduls 6 und das vierte Trennelement T4 am negativen Potential des zweiten Batteriemoduls 7 angeschlossen beziehungsweise verschaltet.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der jeweiligen Ladevorgänge, welche mit dem elektrischen Bordnetzsystem 2 realisiert werden können, dargestellt.
  • Bei einem DC-Ladevorgang mit einer Eingangsspannung UE, die der Summe beider Batteriemodule 6, 7 entspricht, beispielsweise 80 V, werden die beiden Trennelemente T1, T2 geschlossen. Der Gleichspannungswandler 12 und/oder der zweite Gleichspannungswandler 13 versorgen dabei das zweite Teilbordnetz 4. Besonders vorteilhaft ist, wenn dabei die Trennelemente T3, T4 geöffnet sind, um die Kapazität der Y-Kapazität des ersten Teilbordnetzes 3 während des DC-Ladevorgangs nicht in Eingriff zu haben. Somit können die Anforderungen der maximalen Energie oder Ladung in der gesamten Y-Kapazität erfüllt werden. Im ersten Teilbordnetz 3 dürfen sich daher nur Komponenten befinden, die während des DC-Ladevorgangs nicht benötigt werden (beispielsweise der elektrische Antrieb des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1).
  • Beispielsweise werden beim Laden des ersten Batteriemoduls 6 die beiden Trennelemente T1, T2 geschlossen, und der erste Halbleiterschalter S1 und der vierte Halbleiterschalter sind aktiv beziehungsweise leitend. Somit erfolgt über den ersten Halbleiterschalter S1 und den vierten Halbleiterschalter S4 ein Stromfluss zwischen der Ladequelle 9 und dem ersten Batteriemodul 6. Somit wird das erste Batteriemodul 6 mit der Eingangsspannung UE geladen. Dabei sind die beiden Trennelemente T3, T4 geöffnet, so dass das erste Teilbordnetz 3 sicher vom restlichen elektrischen Bordnetzsystem 2 getrennt ist. Während das erste Batteriemodul 6 mit der Ladequelle 9 geladen wird, kann mit Hilfe des zweiten Gleichspannungswandlers 13 das zweite Batteriemodul 7 mit einer Hilfsspannung UH versorgt werden. Somit kann ein Entladen des zweiten Batteriemoduls 7 während des Ladevorgangs des ersten Batteriemoduls 6 verhindert werden. Das zweite Teilbordnetz 4 kann dabei mittels des ersten Gleichspannungswandlers 12 mit der ersten Gleichspannung U1 versorgt werden. Der erste Gleichspannungswandler 12 kann dabei eine Spannung von der Ladequelle 9 abgreifen.
  • Bei einem Ladevorgang des zweiten Batteriemoduls 7 sind ebenfalls die beiden Trennelemente T1, T2 geschlossen, und nun sind aber die Halbleiterschalter S3, S2 leitend beziehungsweise aktiv. Das erste Teilbordnetz 3 ist ebenfalls hierbei vom Rest abgetrennt. Somit entsteht ein Stromfluss von der Ladequelle 9 über die Halbleiterschalter S3, S2, so dass das zweite Batteriemodul 7 mit der Eingangsspannung UE geladen werden kann. Dabei wird in analoger Weise, wie beim Ladevorgang des ersten Batteriemoduls 6, das nun nicht mit der Ladequelle 9 verbundene erste Batteriemodul 6 mit Hilfe der Hilfsspannung UH mit dem zweiten Gleichspannungswandler 13 elektrisch versorgt.
  • Somit wird jeweils bei einem Laden von einer der beiden Batteriemodule 6, 7 das andere Batteriemodul 6, 7 mit Hilfe der Hilfsspannung UH mit Spannung versorgt.
  • Um die beiden Batteriemodule 6, 7 abwechselnd laden zu können, erfolgt ein Wechsel beziehungsweise Ladevorgangswechsel von dem ersten Batteriemodul 6 auf das zweite Batteriemodul 7 oder umgekehrt. Beispielsweise wird nun der Fall geschildert, bei welchem ein Wechsel des Ladens von dem ersten Batteriemodul 6 auf das zweite Batteriemodul 7 geschildert wird. Dabei wird zunächst der vierte Halbleiterschalter S4 geöffnet. In diesem Zustand wird keiner der beiden Batteriemodule 6, 7 (Teilbatterien) geladen. Über den ersten Gleichspannungswandler 12 wird das zweite Teilbordnetz 7 versorgt. Sofern die Leistung des Spannungswandlers 12 größer als der Leistungsbedarf des zweiten Teilbordnetzes 4 ist, kann über den zweiten Gleichspannungswandler 13 der elektrische Energiespeicher 5 (Batteriemodul 6 und Batteriemodul 7) geringfügig geladen werden. Somit kann diese Zwischenzeit überbrückt werden. Anschließend wird der dritte Halbleiterschalter S3 geschlossen, und das Batteriemodul 7 wird geladen. Der Wechsel zwischen dem zweiten Batteriemodul 7 auf das erste Batteriemodul 6 erfolgt in analoger Weise wie soeben geschildert, jedoch wird zunächst der dritte Halbleiterschalter S3 geöffnet und anschließend der vierte Halbleiterschalter S4 geschlossen.
  • Somit dienen insbesondere die beiden Halbleiterschalter S3, S4 zum taktenden, wechselnden Laden der Batteriemodule 6 und 7. Somit erfolgt mit den beiden Halbleiterschaltern S3, S4 der Wechsel zwischen dem Ladevorgang des ersten Batteriemoduls 6 oder des zweiten Batteriemoduls 7.
  • Wenn kein Ladevorgang des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 1 durchgeführt wird, und sich also das elektrisch angetriebene Fahrzeug 1 in Bewegung befindet, so werden die beiden Trennelemente T1, T2 geöffnet, so dass das elektrische Bordnetzsystem 2 von der Ladequelle 9 entkoppelt ist und die beiden Trennelemente T3, T4 geschlossen werden, so dass durch den elektrischen Energiespeicher 5 das erste Teilbordnetz 3 mit gespeicherter Energie versorgt werden kann. Beispielsweise können der dritte und vierte Halbleiterschalter S3, S4 unabhängig voneinander ansteuerbar ausgeführt sein. Die beiden Gleichspannungswandler 12, 13 sind insbesondere direkt im elektrisch angetriebenen Fahrzeug 1 integriert. Die Leistung des ersten Gleichspannungswandlers 12 ist größer (oder mindestens gleich) der Leistungsaufnahme des zweiten Teilbordnetzes 4 während eines DC-Ladevorgangs bei kleiner 500 V. Das erste Teilbordnetz 3 hat die Summenspannung beider Batteriemodule 6, 7 als Betriebsspannung. Das zweite Teilbordnetz 4 ist von seiner Betriebsspannung unabhängig vom ersten Teilbordnetz 3 und kann gewählt werden. Insbesondere sind hierbei die beiden Gleichspannungswandler 12, 13 bidirektional ausgeführt.
  • Somit kann mit dem soeben geschilderten elektrischen Bordnetzsystem 2 eine Ladefähigkeit eines 800 V-Fahrzeugs 1 an einer 400 V Ladesäule mit geringem Aufwand (keine taktenden Halbleiter, keine EMV-Entstörung) realisiert werden. Während des Umschaltvorgangs beim Laden eines der beiden Batteriemodule 6, 7 (und umgekehrt) kann der Ladequelle 9 ein minimaler Strom entnommen werden. Somit wird ein Ladeabbruch aufgrund einer Unterbrechung der Stromentnahme vermieden. Insbesondere kann eine Stromumkehrung in einem der unbenutzten Batteriemodule 6, 7 während des DC-Ladevorgangs des anderen Batteriemoduls 6, 7 verhindert werden. Dadurch können Alterungseffekte des elektrischen Energiespeichers 5 vermieden werden. Insbesondere wird das unbenutzte Batteriemodul 6, 7 während des Ladevorgangs des anderen Batteriemoduls 6, 7 mit einem geringen Strom mit Hilfe der Hilfsspannung UH versorgt. Die beiden Halbleiterschalter S3, S4 werden pro DC-Ladevorgang nur einmal geschalten (keine erhöhte Lebensdaueranforderung an die beiden Halbleiterschalter S3, S4). Die Gleichspannungswandler 12, 13 können galvanisch gekoppelt oder galvanisch getrennt ausgeführt sein (nur galvanisch getrennt, sofern das zweite Teilbordnetz 4 unter 60 V liegt). Eine allpolige galvanische Trennung der Ladeanschlüsse ist möglich, sofern sie nicht genutzt werden über die Halbleiterschalter S1 bis S4 und insbesondere die isolierenden Gleichspannungswandler 12, 13.
  • Die 2 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des elektrischen Bordnetzes 2 aus der 1. Dabei ist ebenfalls eine Schaltanordnung des elektrischen Bordnetzes 2 wie aus 1 dargestellt. Die Bezeichnungen und/oder Elemente sind dieselben wie die in 1. Jedoch weist dieses Ausführungsbeispiel nur einen Gleichspannungswandler, nämlich den ersten Gleichspannungswandler 12, auf. Somit können alle Funktionalitäten und/oder Ausführungen, wie sie in 1 geschildert wurden, ebenfalls ausgeführt werden. Der einzige Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der aus 1 ist der, dass während des Ladevorgangs des ersten Batteriemoduls 6 oder des zweiten Batteriemoduls 7 das jeweils andere Batteriemodul 6, 7 nicht mit Hilfe der Hilfsspannung UH geladen werden kann. Somit wird stets nur eines der beiden Batteriemodule 6, 7 mit Energie versorgt. Der Vorteil, dass während des Ladevorgangs eines der beiden Batteriemodule 6, 7 mit Hilfe des Gleichspannungswandlers 12 ein konstanter Ladestrom aus der Ladequelle 9 gezogen wird, bleibt bestehen. Durch die Reduzierung auf nur einen Gleichspannungswandler können eine Kostenreduzierung und eine Reduzierung der benötigten Komponenten und/oder Auslegungen erreicht werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisch angetriebenes Fahrzeug
    2
    elektrisches Bordnetzsystem
    3
    erstes Teilbordnetz
    4
    zweites Teilbordnetz
    5
    elektrischer Energiespeicher
    6
    erstes Batteriemodul
    7
    zweites Batteriemodul
    8
    Anschlussseite
    9
    Ladequelle
    10
    erste Anschlussklemme
    11
    zweite Anschlussklemme
    12
    erster Gleichspannungswandler
    13
    zweiter Gleichspannungswandler
    14
    Eingangsseite des ersten Gleichspannungswandler
    15
    Ausgangsseite des ersten Gleichspannungswandlers
    16
    Eingangsseite des zweiten Gleichspannungswandler
    17
    Ausgangsseite des zweiten Gleichspannungswandlers
    18
    Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit
    19
    Gleichrichtereinheit
    20
    Wechselstromquelle
    AC
    Wechselspannung
    UE
    Eingangsspannung
    U Batt
    Batteriespannung
    UH
    Hilfsspannung
    K1, K2
    erster und zweiter Knotenpunkt
    S1 bis S4
    erster bis vierter Halbleiterschalter
    T1 bis T4
    erstes bis viertes Trennelement
    M1, M2
    erster und zweiter Mittelabgriff
  • 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 102015117744 A1 [0005]
    • DE 102015106771 A1 [0005]
    • DE 102015126773 A1 [0005]
    • DE 102016008263 A1 [0006]
    • DE 102018000401 A1 [0006]
    • WO 2019/141494 A1 [0006]
    • DE 102019007868 A1 [0007]
    • DE 102015101187 A1 [0008]

Claims (10)

  1. Elektrisches Bordnetzsystem (2) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (1), mit - zumindest einem elektrischen Energiespeicher (5), welcher zumindest ein erstes Batteriemodul (6) und ein zweites Batteriemodul (7) aufweist, - einer Anschlussseite (8) des elektrischen Bordnetzsystems (2) zum Koppeln mit einer bordnetzexternen Ladequelle (9) mittels einer ersten Anschlussklemme (10) und einer zweiten Anschlussklemme (11) der Anschlussseite (8), und - einem ersten Teilbordnetz (3) zum Koppeln mit dem elektrischen Energiespeicher (5), gekennzeichnet, durch - einen ersten Gleichspannungswandler (12) des elektrischen Bordnetzsystems (2), wobei der erste Gleichspannungswandler (12) mit einer Eingangsseite (14) mit der ersten und zweiten Anschlussklemme (10, 11) und mit einer Ausgangsseite (15) mit einem zweiten Teilbordnetz (4) des elektrischen Bordnetzsystems (2) verschaltet ist, und - einen zweiten Gleichspannungswandler (13) des elektrischen Bordnetzsystems (2), wobei der zweite Gleichspannungswandler (13) mit einer Eingangsseite (16) mit dem elektrischen Energiespeicher (5) und mit einer Ausgangseite (17) mit dem zweiten Teilbordnetz (4) des elektrischen Bordnetzsystems (2) verschaltet ist.
  2. Elektrisches Bordnetzsystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang (14) des ersten Gleichspannungswandlers (12) und dem zweiten Teilbordnetz (4) eine Leistungsfaktorkorrekturfiltereinheit (18) und/oder eine Gleichrichtereinheit (19) verschaltet ist, insbesondere der erste Gleichspannungswandler (12) und/oder der zweite Gleichspannungswandler (13) als bidirektionaler Gleichspannungswandler ausgebildet ist.
  3. Elektrisches Bordnetzsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Anschlussklemme (10) und einem ersten Potential des ersten Batteriemoduls (6) ein erstes Trennelement (T1) und ein erster Halbleiterschalter(S1) und zwischen der zweiten Anschlussklemme (11) und einem zweiten Potential des zweiten Batteriemoduls (7) ein zweites Trennelement (T2) und ein zweiter Halbleiterschalter (S2) verschaltet sind.
  4. Elektrisches Bordnetzsystem (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Trennelement (T1) und dem ersten Halbleiterschalter (S1) ein erster Knotenpunkt (K1) und zwischen dem zweiten Trennelement (T2) dem zweiten Halbleiterschalter (S2) ein zweiter Knotenpunkt (K2) ausgebildet sind, wobei zwischen dem ersten Knotenpunkt (K1) und dem zweiten Knotenpunkt (K2) ein dritter Halbleiterschalter (S3) und ein vierter Halbleiterschalter (S2) verschaltet sind, insbesondere zwischen dem dritten Halbleiterschalter (S3) und dem vierten Halbleiterschalter (S4) ein erster Mittelabgriff (M1) und zwischen einem zweiten Potential des ersten Batteriemoduls (6) und einem ersten Potential des zweiten Batteriemoduls (7) ein zweiter Mittelabgriff (M2) ausgebildet sind, wobei der erste Mittelabgriff (M1) und der zweite Mittelabgriff (M2) elektrisch gekoppelt sind.
  5. Elektrisches Bordnetzsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten Potential des ersten Batteriemoduls (6) und dem ersten Teilbordnetz (3) ein drittes Trennelement (T3) und zwischen einem zweiten Potential des zweiten Batteriemoduls (7) und dem ersten Teilbordnetz (3) ein viertes Trennelement (T4) zum Trennen des ersten Teilbordnetzes (3) von dem elektrischen Energiespeicher (5) verschaltet sind.
  6. Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Bordnetzsystem (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzsystems (2), wobei - das elektrische Bordnetzsystem (2) mit einer bordnetzexternen Ladequelle (9) gekoppelt wird, wobei mit der bordnetzexternen Ladequelle (9) eine Eingangsspannung (UE) einem elektrischen Energiespeicher (5) des elektrischen Bordnetzsystems (2) bereitgestellt wird, - ein erstes Teilbordnetz (3) des elektrischen Bordnetzsystems (2) mit dem elektrischen Energiespeicher (5) des elektrischen Bordnetzsystems (2) gekoppelt wird, sodass das erste Teilbordnetz (3) mit einer Batteriespannung (UBatt) des elektrischen Energiespeichers (5) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - ein zweites Teilbordnetz (4) des elektrischen Bordnetzsystems (2), welches mit einem ersten Gleichspannungswandler (12) des elektrischen Bordnetzsystems (2) und mit einem zweiten Gleichspannungswandler (13) des elektrischen Bordnetzsystems (2) elektrisch gekoppelt ist, mit einer ersten Gleichspannung (U1) des ersten Gleichspannungswandlers (12) und/oder mit einer zweiten Gleichspannung (U2) des zweiten Gleichspannungswandler (13) versorgt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Batteriemodul (6) des elektrischen Energiespeichers (5) während eines ersten Ladevorgangs mit der Eingangsspannung (UE) geladen wird, wobei während des ersten Ladevorgangs ein zweites Batteriemodul (7) des elektrischen Energiespeichers (5) mit dem zweiten Gleichspannungswandler (13) mit einer Hilfsspannung (UH) versorgt wird, oder das zweite Batteriemodul (7) des elektrischen Energiespeichers (5) während eines zweiten Ladevorgangs mit der Eingangsspannung (UE) geladen wird, wobei während des zweiten Ladevorgangs das erste Batteriemodul (6) des elektrischen Energiespeichers (5) mit dem ersten Gleichspannungswandler (12) mit der Hilfsspannung (UH) versorgt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel zwischen den beiden Ladevorgängen überprüft wird, ob das erste Batteriemodul (6) und das zweite Batteriemodul (7) mit der Eingangsspannung (UE) versorgt werden, und falls dies nicht der Fall ist, dann werden das erste Batteriemodul (6) und das zweite Batteriemodul (7) mit der Hilfsspannung (UH) des zweiten Gleichspannungswandlers (13) elektrisch versorgt.
  10. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der bordnetzexternen Ladequelle (9) eine Gleichspannung als Eingangsspannung (UE) zum Laden des elektrischen Energiespeicher (5) bereitgestellt wird oder mit dem ersten und/oder dem zweiten Gleichspannungswandler (12, 13) eine Wechselspannung (UAC) einer bordnetzexternen Wechselstromquelle (20) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (5) in eine Gleichspannung umgewandelt wird.
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