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DE102020007869A1 - Elektrisches Bordnetzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug und dazugehöriges Verfahren - Google Patents

Elektrisches Bordnetzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug und dazugehöriges Verfahren Download PDF

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DE102020007869A1
DE102020007869A1 DE102020007869.9A DE102020007869A DE102020007869A1 DE 102020007869 A1 DE102020007869 A1 DE 102020007869A1 DE 102020007869 A DE102020007869 A DE 102020007869A DE 102020007869 A1 DE102020007869 A1 DE 102020007869A1
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DE
Germany
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voltage
sub
electrical system
board network
board
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102020007869.9A
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English (en)
Inventor
Urs Boehme
Stefan Seiffert
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetzsystem (1) für ein Fahrzeug (2), mit- einem Energiespeicher (5) zum Bereitstellen einer Batteriespannung (UBatt), und- einem ersten Teilbordnetz (3), welches mit dem Energiespeicher (5) elektrisch gekoppelt ist, um das erste Teilbordnetz (3) mit der Batteriespannung (UBatt) zu versorgen, aufweisend:- einen Gleichspannungswandler (6), welcher mit einer Eingangsseite (7) mit dem Energiespeicher (5) und mit einer Ausgangsseite (8) mit einem zweiten Teilbordnetz (4) elektrisch gekoppelt ist,- einen Wechselspannungsanschluss (9), welcher mit der Ausgangsseite (8) des Gleichspannungswandlers (6) elektrisch gekoppelt ist, wobei mit dem Wechselspannungsanschluss (9) eine Wechselspannung (UAC) einer Wechselstromquelle (10) zum Laden des Energiespeichers (5) bereitstellbar ist, und- eine Trennschalteinrichtung (13), welche zwischen der Ausgangseite (8) des Gleichspannungswandlers (6) und dem zweiten Teilbordnetz (4) verschaltet ist, zum Trennen des zweiten Teilbordnetzes (4) während eines Ladevorgangs des Energiespeichers (5) mit der Wechselspannung (UAC). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug. Das elektrisch betriebene Bordnetzsystem weist zumindest einen elektrischen Energiespeicher zum Bereitstellen einer Batteriespannung für das elektrische Bordnetzsystem auf. Ein erstes Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems ist mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt, um das erste Teilbordnetz mit der Batteriespannung zu versorgen.
  • Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzsystems eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher des elektrischen Bordnetzsystems ein erstes Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems mit einer Batteriespannung versorgt wird.
  • Elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wie beispielsweise rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge oder Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge oder Plug-in-Fahrzeuge, müssen zum Aufladen ihrer Fahrzeugbatterie mit einer externen Ladestation gekoppelt werden. Dabei kann beispielsweise mittels eines Bordladers eine Ladespannung von 400 V der Ladestation in eine Batteriespannung von 800 V hochtransformiert werden. Somit können insbesondere Fahrzeuge mit einer Spannungslage von 800 V effizienter geladen werden.
  • Diese Ladevorgänge erfolgen meistens als Gleichspannungsladevorgänge. Zum Laden einer Wechselspannungsquelle benötigen die Elektrofahrzeuge in sich geschlossene Geräte, um einen Wechselspannungsladevorgang durchzuführen. Diese in sich geschlossenen Geräte weisen oft bereits sowohl die PFC-Funktion als auch die galvanische Trennung auf, was für das Koppeln mit der externen Wechselspannungsquelle nötig ist.
  • Für das Gleichspannungsladen beziehungsweise für das Wechselstrom laden gibt es im Stand der Technik Bordlader, bestehend aus einer PFC-Funktion und einem galvanisch getrennten DC-DC-Wandler. Diese Bordlader weisen ein massives Gehäuse auf und befinden sich außerhalb einer Crash-Zone im Fahrzeug. Somit müssen diese Bordlader spezifischen Belastungen standhalten. Daher sind diese sehr massiv konstruiert und daher teure und schwere Komponenten.
  • Beispielsweise gibt es galvanisch isolierte PFC-Schaltungen mit einer Ausgangsspannung von 48 V. Dabei sind die Ausgleichsströme jedoch durch die niedrigen Spannungen von 48 V sehr hoch. Daher müssen die Leitungen und elektronischen Komponenten hohen Leistungen standhalten, wodurch diese ebenfalls groß, teuer und schwer ausgestaltet sind.
  • Beispielsweise offenbart die DE 10 2015 101 187 A1 einen Hochvolt-Booster zum Laden einer Gleichstrom-Traktionsbatterie an einer Gleichstrom-Ladesäule. Dabei wird mit Hilfe eines Konverters eine erste Spannungslage in eine zweite Spannungslage hochtransformiert, wenn die erste Spannungslage von der zweiten Spannungslage abweicht.
  • Ein Nachteil bei den Varianten des AC-Ladens im Stand der Technik sind die oft nur sehr geringen Ladeströme dabei. Zumindest sind die AC-Ladevorgänge nicht effizient.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen AC-Ladevorgang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs effizienter zu gestalten, indem die AC-Ladespannung höher gewählt werden kann und dadurch der AC-Ladestrom gering gehalten werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bordnetzsystem 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 zum Bereitstellen einer Batteriespannung für das elektrische Bordnetzsystem, und
    • - einem ersten Teilbordnetz, welches mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist, um das erste Teilbordnetz mit der Batteriespannung zu versorgen, aufweisend:
    • - einen Gleichspannungswandler des elektrischen Bordnetzsystems, welcher mit einer Eingangsseite mit dem elektrischen Energiespeicher und mit einer Ausgangsseite mit einem zweiten Teilbordnetz des elektrisches Bordnetzsystems elektrisch gekoppelt ist,
    • - einen Wechselspannungsanschluss des elektrischen Bordnetzsystems, welcher mit der Ausgangsseite des Gleichspannungswandlers elektrisch gekoppelt ist, wobei mit dem Wechselspannungsanschluss eine Wechselspannung einer fahrzeugexternen Wechselstromquelle zum Laden des elektrischen Energiespeichers bereitstellbar ist, und
    • - eine Trennschalteinrichtung des elektrischen Bordnetzsystems, welche zwischen der Ausgangseite des Gleichspannungswandlers und dem zweiten Teilbordnetz verschaltet ist, zum Trennen des zweiten Teilbordnetzes während eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers mit der Wechselspannung des Wechselspannungsanschlusses.
  • Durch das vorgeschlagene Verfahren kann ein AC-Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs effizienter durchgeführt werden. Insbesondere kann die Leistung beim AC-Laden des elektrischen Energiespeichers durch den Wechsel auf eine höhere Spannung größer sein als die Leistung im zweiten Teilbordnetz. Dies beruht darauf, dass das zweite Teilbordnetz mit Hilfe der Trennschalteinrichtung vom restlichen elektrischen Bordnetzsystem abgetrennt wird. Somit können höhere AC-Spannungen im Gleichspannungswandler bereitgestellt werden, so dass dieser diese hohe Wechselspannung in eine entsprechend hohe Gleichspannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers umwandeln kann. Insbesondere wird der Gleichspannungswandler neben dem eigentlichen Versorgen des zweiten Teilbordnetzes ebenso zum Umwandeln der Wechselspannung verwendet. Durch die Mehrfachverwendung beziehungsweise durch die mehrfache Funktionalität des Gleichspannungswandlers ergibt sich eine galvanische Trennung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem zweiten Teilbordnetz.
  • Durch das Abtrennen des zweiten Teilbordnetzes beim AC-Ladevorgang können höhere Spannungen und damit geringere Ströme für den AC-Ladevorgang verwendet werden. Insbesondere kann mit Hilfe des Gleichspannungswandlers das zweite Teilbordnetz mit einer geringeren Spannung im Vergleich zu dem ersten Teilbordnetz betrieben werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem zweiten Teilbordnetz um ein 48-V-Bordnetz oder um ein 24-V-Bordnetz oder um ein 12-V-Bordnetz. Insbesondere handelt es sich bei dem zweiten Teilbordnetz um ein zum Niedervoltbordnetz (12-V-Bordnetz) des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs verschiedenes Bordnetz. Durch die Abtrennung des zweiten Teilbordnetzes mit Hilfe der Trennschalteinrichtung können AC-Spannungen von bis zu 60 V verwendet werden, ohne dass die Isolation und/oder die Komponenten des zweiten Teilbordnetzes überlastet werden.
  • Insbesondere kann durch die Abtrennung des zweiten Teilbordnetzes eine AC-Spannung zwischen 60 V und 100 V gewählt werden. Somit verringern sich die Ladeströme während des AC-Ladevorgangs, wodurch kleinere Kabelquerschnitte verwendet werden können. Ebenso werden die ohmschen Verluste reduziert.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzsystems eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher des elektrischen Bordnetzes ein erstes Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzes mit einer Batteriespannung versorgt wird. Mit einem Gleichspannungswandler des elektrischen Bordnetzsystems wird ein zweites Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzsystems mit einer Gleichspannung versorgt, und mit einem Gleichspannungswandler wird eine Wechselspannung einer fahrzeugexternen Wechselstromquelle in eine Ladespannung für einen elektrischen Energiespeicher umgewandelt, wobei bei einem Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers mit der Ladespannung das zweite Teilbordnetz spannungsfrei geschaltet wird.
  • Insbesondere wird das soeben geschilderte Verfahren mit einem elektrischen Bordnetzsystem nach einem der vorherigen Aspekte oder einer Weiterbildung daraus durchgeführt.
  • 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;
    • 2 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Bordnetzsystems;
    • 3 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Bordnetzsystems; und
    • 4 ein schematisches Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen elektrischen Bordnetzsystems.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Bordnetzsystems 1 eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 2. Bei dem elektrisch angetriebenen Fahrzeug 2 kann es sich beispielsweise um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug oder um ein Plug-in-Fahrzeug handeln. Insbesondere ist das elektrisch angetriebene Fahrzeug 2 als vollelektrisch betriebenes Fahrzeug ausgebildet.
  • Das elektrische Bordnetzsystem 1 ist insbesondere bestimmungsgemäß als gesamtes Bordnetz des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 2 ausgebildet. Das elektrische Bordnetzsystem 1 kann aus zumindest zwei oder mehreren Teilbordnetzen bestehen. Insbesondere weist das elektrische Bordnetzsystem 1 ein erstes Teilbordnetz 3 und ein zweites Teilbordnetz 4 auf. Das erste und zweite Teilbordnetz 3, 4 sind insbesondere bestimmungsgemäß für das elektrische Bordnetzsystem 1 vorgesehen. Insbesondere bilden das erste Teilbordnetz 3 und das zweite Teilbordnetz 4 das elektrische Bordnetzsystem beziehungsweise das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs 2.
  • Des Weiteren weist das elektrische Bordnetzsystem 1 zumindest einen elektrischen Energiespeicher 5 auf. Der elektrische Energiespeicher 5 kann beispielsweise eine Traktionsbatterie oder eine Fahrzeugbatterie oder eine Hochvoltbatterie sein. Insbesondere kann der elektrische Energiespeicher 5 aus mehreren Teilmodulen beziehungsweise Teilbatterien bestehen. Insbesondere dient der elektrische Energiespeicher 5 zur Bereitstellung einer Batteriespannung UBatt . Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher 5 um einen Energiespeicher mit einer Spannungslage von 800 V handeln. Mit Hilfe des elektrischen Energiespeichers 5 wird insbesondere das erste Teilbordnetz 3 mit der Batteriespannung UBatt versorgt.
  • Insbesondere kann mittels des elektrischen Energiespeichers 5 und des elektrischen Bordnetzsystems 1 ein elektrischer Antriebsstrang oder ein elektrisches Antriebsaggregat oder ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs 2 für eine Fortbewegungsfahrt des Fahrzeuges 2 angetrieben und/oder gesteuerte und/oder elektrisch versorgt werden.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Teilbordnetz 3 um ein 800-V-Bordnetz. Das zweite Teilbordnetz 4 ist insbesondere als 48-V-Bordnetz ausgebildet. Mit Hilfe des ersten Teilbordnetzes 3 kann insbesondere der Antriebsstrang beziehungsweise der Antriebsmechanismus des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 2 angetrieben werden. Insbesondere können zum zweiten Teilbordnetz 4 ein aktives Fahrwerk, eine Frontscheibenheizung, ein 12-V-Spannungswandler, ein Heizelement, ein elektrischer Kältemittelverdichter oder andere Verbraucher mit niedrigen Spannungen des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 2 umfassen.
  • Insbesondere beinhaltet das erste Teilbordnetz 3 Komponenten, die für Spannungen der Fahrzeugbatterie (elektrischer Energiespeicher 5) ausgelegt sind. Hierzu könnten beispielsweise der Kältemittelverdichter und der elektrische Antrieb dazugehören. Ebenso kann es sich bei dem ersten Teilbordnetz 3 um ein 400-V-Bordnetz handeln.
  • Des Weiteren weist das elektrische Bordnetzsystem 1 zumindest einen Gleichspannungswandler 6 auf. Bei dem Gleichspannungswandler 6 kann es sich beispielsweise um einen DC-DC-Wandler oder um einen Spannungswandler oder um einen Boost-Wandler oder um einen Spannungshochsetzer handeln.
  • Mit Hilfe des Gleichspannungswandlers 6 kann das zweite Teilbordnetz 4 mit einer geringeren Spannung im Vergleich zu der Batteriespannung UBatt versorgt werden. Dazu wird eine Eingangsseite 7 des Gleichspannungswandlers 6 mit dem elektrischen Energiespeicher 5 verschaltet. Die Ausgangsseite 8 des Gleichspannungswandlers 6 ist mit dem zweiten Teilbordnetz 4 verschaltet.
  • Eine weitere Funktionalität des elektrischen Bordnetzsystems 1 ist die Möglichkeit eines Wechselstromladevorgangs (AC-Ladevorgang) des elektrischen Energiespeichers 5. Dazu kann ein Wechselspannungsanschluss 9 des elektrischen Bordnetzsystems 1 mit der Ausgangsseite 8 des Gleichspannungswandlers 6 elektrisch gekoppelt beziehungsweise verschaltet werden. Mit Hilfe des Wechselspannungsanschlusses 9 kann eine Wechselspannung UAC einer fahrzeugexternen Wechselstromquelle 10 bereitgestellt werden. Bei der fahrzeugexternen Wechselspannungsquelle 10 kann es sich beispielsweise um eine AC-Ladestation oder um einen Hausanschluss oder um eine Wechselstromquelle handeln. In diesem Fall arbeitet der Gleichspannungswandler 6 bidirektional. Zum einen kann der Gleichspannungswandler 6 zum Versorgen des zweiten Teilbordnetzes 4 über den elektrischen Energiespeicher 5 erfolgen, und zum anderen kann der Gleichspannungswandler 6 zum Umwandeln der Wechselspannung UAC in eine Ladespannung zum Laden des elektrischen Energiespeichers 5 verwendet werden.
  • Zwischen der Ausgangsseite 8 des Gleichspannungswandlers 6 und dem Wechselspannungsanschluss 9 ist eine Gleichrichtereinrichtung 11 und ein Leistungsfaktorkorrekturfilter verschaltet. Insbesondere handelt es sich bei der Gleichrichtereinrichtung 11 um einen Wechselstromfilter (Netzfilter). Bei dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 kann es sich um eine PFC (Power Factor Correction)-Filtereinheit handeln. Mit dieser können Störungen in dem Wechselstrom reduziert beziehungsweise gefiltert werden. Die Gleichrichtereinrichtung 11 und der Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 können in einer Einheit integriert werden (wie es in der 1 zu sehen ist). Insbesondere kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 galvanisch gekoppelt ausgeführt werden, sofern die DC-Ausgangsspannung zwischen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 und dem Gleichspannungswandler 6 kleiner als die AC-Eingangsspannung ist. Insbesondere kann dann der Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 als Buck-PFC ausgeführt werden.
  • Insbesondere übernimmt der Gleichspannungswandler 6 die AC-Ladefunktion mit einer galvanischen Trennung. Dabei kann aber die Ausgangsspannung beziehungsweise die Wechselspannung UAC durch die direkte Kopplung zum zweiten Teilbordnetz 4 maximal auf die Spannung des zweiten Teilbordnetzes 4 (48 V) begrenzt werden. Um wie im Stand der Technik trotzdem höhere Leistungen generieren zu können, wird der Strom entsprechend höher. Dieser hohe Strom würde sich nachteilig in der Bauraumgröße des Leistungsfaktorkorrekturfilters 12, bei den Leitungsquerschnitten und den ohmschen Verlusten während des Ladevorgangs auswirken. Ein weiterer Nachteil ist, dass dabei der Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 entweder galvanisch getrennt ausgeführt werden muss, um mögliche DC-Ableitströme bei einem Isolationsfilter zu unterbinden oder dass im elektrisch angetriebenen Fahrzeug 2 ein DC-Fehlerstromfehlersensor verbaut sein muss. Dies würde zu deutlich höheren Kosten und Bauraumverschwendung führen.
  • Um diesen Nachteilen nun entgegenwirken zu können, wird insbesondere zwischen der Ausgangsseite 8 des Gleichspannungswandlers 6 und dem zweiten Teilbordnetz 4 eine Trennschalteinrichtung 13 verschaltet. Mit Hilfe der Trennschalteinrichtung 13 kann das zweite Teilbordnetz 4 während eines AC-Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers 5 getrennt beziehungsweise spannungsfrei geschaltet werden. Insbesondere kann die Trennschalteinrichtung 13 ein erstes Trennelement S3 zum Trennen eines ersten Spannungspfades des zweiten Teilbordnetzes 4 und ein zweites Trennelement S4 zum Trennen eines zweiten Spannungspfades des zweiten Teilbordnetzes 4 aufweisen. Insbesondere dient das erste Trennelement S3 zum Trennen des positiven Potentials zwischen dem Gleichspannungswandler 6 und dem Teilbordnetz 4, und das zweite Trennelement S4 dient zum Abtrennen des negativen Potentials zwischen dem Gleichspannungswandler 6 und dem Teilbordnetz 4. Insbesondere handelt es sich bei den beiden Trennelementen S3, S4 um Schutzschalter beziehungsweise Trennschalter beziehungsweise Schütze.
  • Mit Hilfe dieser beiden Trennschalter S3, S4 kann das Teilbordnetz 4 während eines AC-Ladevorgangs spannungsfrei geschaltet werden. Dadurch kann der Ladevorgang mit geringeren Strömen durchgeführt werden, da eine höhere Spannung (60 V bis 100 V gewählt werden kann). Insbesondere können durch die geringeren Ströme kleinere Kabelquerschnitte verwendet werden, wodurch die ohmschen Verluste reduziert werden, und insbesondere kann die Baugröße des Leistungsfaktorkorrekturfilters 12 klein gehalten werden. Beispielsweise können somit Ladeleistungen von bis zu 11 kW erreicht werden.
  • Insbesondere kann mit dem vorgeschlagenen elektrischen Bordnetzsystem 1 eine HV-Architektur bereitgestellt werden mit einem 48-V-Bordnetz und einer Buck-PFC mit einer Ausgangsspannung von bis zu größer 60 V AC.
  • Somit wird die AC-Ladefunktion für dieses Ausführungsbeispiel durch das Zusammenfügen der galvanisch gekoppelten PFC 12 und den Trennschaltern beziehungsweise Trennelementen S3, S4 ausgeführt. Da der Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 während einer Fortbewegungsfahrt des elektrisch betriebenen Fahrzeugs 2 unterhalb von 60 V liegt, kann dieser problemlos in einem Crash-Bereich des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs platziert beziehungsweise eingebaut werden. Durch die geringen DC-Ausgangsströme des Leistungsfaktorkorrekturfilters 12 kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 kleiner, leichter und günstiger gestaltet werden. Zudem kann der Leistungssatz zwischen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 und dem Gleichspannungswandler 6 mit einem geringeren Querschnitt versehen werden. Insbesondere kann der Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 galvanisch gekoppelt ausgeführt werden. Eine DC-Fehlerstromerkennung ist in diesem Fall nicht notwendig.
  • Beispielsweise kann das zweite Teilbordnetz 4 (48-V-Bordnetz) Verbraucher und Leitungen versorgen, welche auf eine Spannungslage kleiner 60 V ausgelegt sind. Solch ein Bordnetz verfügt in der Regel keine Leistungen im Minus-Pfad, sondern verwendet hierfür die metallische Karosserie des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 2 zur Erdung.
  • In allen möglichen Zuständen des elektrischen Bordnetzsystems 1, außer dem AC-Laden, das heißt beim Fahren, DC-Laden, Pre-Conditioning, sind die Schaltelemente S1, S2 und die Trennelemente S3, S4 geschlossen. Über den Gleichspannungswandler 6 (galvanische Isolierung) werden die Batteriespannung UBatt mit einer Spannung unter 60 V und die Verbraucher im zweiten Teilbordnetz 4 versorgt. Im AC-Ladevorgang sind die Trennelemente S3, S4 geöffnet. Somit ist das zweite Teilbordnetz 4 abgetrennt und spannungsfrei. Die AC-Ladefunktion wird durch die Buck-PFC dargestellt. Zur Reduzierung der strombelasteten Leistungen des Leistungsfaktorkorrekturfilters 12 und des Gleichspannungswandlers 6 kann nun eine Spannung größer 60 V zwischen dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 und dem Gleichspannungswandler 6 eingestellt werden. Somit kann eine größere Leistung übertragen werden und/oder die Kosten und Bauteile können kleiner gestaltet werden. Ein typischer Leistungswert sind beispielsweise 11 kW. Dabei kann die Spannung zwischen 60 und 100 V gewählt werden.
  • Beispielsweise kann der Rückleiter des zweiten Teilbordnetzes 4 (Spannungspfad mit dem zweiten Trennelement S4) entweder durch eine Karosserie dargestellt werden oder durch eine Leitung mit einer Isolation bis zu 60 V. Die anderen Leitungen zwischen dem Gleichspannungswandler 6 und dem Teilbordnetz 4 und auch weitere Komponenten darin sind mit einer Isolation bis zu 60 V auszulegen.
  • Um eine galvanisch gekoppelte PFC zu erreichen, können die Leitungen und Schütze mit einer verstärkten Isolationsfestigkeit versehen werden. Damit soll vermieden werden, dass ein Isolationsfehler des DC-Ladevorgangs zu einem Fehlerstrom führt, der einen DC-Anteil besitzt. Durch solch einen DC-Fehlerstromanteil bestünde die Gefahr, dass ein Schutzschalter (Typ A) in der Haustechnik erblinden würde, das heißt nicht mehr ausgelöst würde. Die Anforderungen der verstärkten Isolation reichen bis in den Gleichspannungswandler 6 hinein, wo der Transformator ebenfalls diese Anforderungen erfüllen muss. Der Transformator stellt somit die Grenze der verstärkten Isolationsanforderung um das erste Teilbordnetz 3 dar. Insbesondere sind die Isolationen der Leitungen und Komponenten sowie der Schaltelemente auf die Batteriespannung des elektrischen Energiespeichers 5 auszulegen.
  • Die nachfolgenden Figuren (2 bis 4) zeigen weitere mögliche Ausführungsbeispiele des elektrischen Bordnetzsystems 1. Dabei werden die einzelnen Ausführungsbeispiele mit einem zusätzlichen zweiten Gleichspannungswandler dargestellt.
  • Beispielsweise zeigt die 2 ein schematisches Blockschaltbild des elektrischen Bordnetzsystems 1 mit einem zusätzlichen zweiten Gleichspannungswandler 13. Bei dem zweiten Gleichspannungswandler 13 handelt es sich um eine ähnliche Ausgestaltung wie bei dem ersten Gleichspannungswandler 6. Insbesondere handelt es sich bei dem zweiten Gleichspannungswandler 13 um einen isolierenden DC-DC-Wandler. Der zweite Gleichspannungswandler 13 wird direkt mit der Batteriespannung UBatt von dem elektrischen Energiespeicher 5 versorgt. Insbesondere dient der zweite Gleichspannungswandler 13 dazu, bei dem AC-Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 5 das zweite Teilbordnetz 4 mit Spannung zu versorgen. Somit kann trotz der Abtrennung des zweiten Teilbordnetzes zu dem ersten Gleichspannungswandler 6 das zweite Teilbordnetz mit Energie versorgt werden. Insbesondere kann die Leistungsaufnahme des zweiten Teilbordnetzes 4 gering gehalten werden, wodurch der zweite Gleichspannungswandler 13 klein dimensioniert werden kann (beispielsweise 100 Watt). Der zweite Gleichspannungswandler 13 kann beispielsweise direkt in dem elektrischen Energiespeicher 5 platziert beziehungsweise verortet werden. Die Ausgangsspannung des zweiten Gleichspannungswandlers 13 kann beispielsweise 48 V oder 12 V betragen. Die 12 V werden dann verwendet, wenn die 12-V-Batterie direkt versorgt werden soll unter Umgehung des 48-V-Spannungswandlers innerhalb des zweiten Teilbordnetzes 4.
  • Die 3 zeigt ein weiteres Blockschaltbild des elektrischen Bordnetzsystems 1. Dabei wird hierbei im Gegensatz zu 2 der zweite Gleichspannungswandler 13 anderweitig platziert beziehungsweise verortet. Ebenfalls dient hier der zweite Gleichspannungswandler 13 bei einem AC-Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers 5 trotz der Unterbrechung zu dem zweiten Teilbordnetz 4 zur Versorgung des zweiten Teilbordnetzes 4 mit einer entsprechenden Spannung. Dabei kann der zweite Spannungswandler 13 mit dem ersten Teilbordnetz 3 verbunden sein oder im ersten Teilbordnetz 3 verortet beziehungsweise integriert sein. Dabei kann der zweite Gleichspannungswandler 13 eine eigenständige Komponente sein oder in einer weiteren HV-Komponente des ersten Teilbordnetzes 3 integriert werden. Die Leistungsaufnahme ist ebenfalls frei wählbar und sollte mindestens 100 W betragen. Die Ausgangsspannung des zweiten Gleichspannungswandlers 13 ist hier ebenfalls wahlweise 48 V oder 12 V.
  • Die 4 zeigt in einem weiteren schematischen Blockschaltbild des elektrischen Bordnetzsystems 1 eine weitere Variation des zweiten Gleichspannungswandlers 13 zur Versorgung des zweiten Teilbordnetzes 4. Dabei wird in diesem Ausführungsbeispiel der zweite Gleichspannungswandler 13 mit der Wechselspannung UAC des Wechselspannungsanschlusses 9 versorgt. Somit dient hier der zweite Gleichspannungswandler 13 zur galvanisch getrennten Überbrückung der Trennung zwischen dem ersten Gleichspannungswandler 6 und dem zweiten Teilbordnetz 4. Insbesondere bietet sich an, den zweiten Gleichspannungswandler 13 in diesem Fall zusammen mit dem Leistungsfaktorkorrekturfilter 12 in einem Gehäuse beziehungsweise Gerät auszuführen. Da während des AC-Ladevorgangs die Leistungsaufnahme im zweiten Teilbordnetz 4 sehr gering ist, kann der zweite Gleichspannungswandler 13 klein gehalten werden (beispielsweise 100 W). Die Ausgangsspannung des zweiten Gleichspannungswandlers 13 kann ebenso 48 V oder 12 V betragen.
  • Die Funktionalität bezüglich des AC-Ladevorgangs und der Versorgung des ersten Teilbordnetzes 3 ist in den 2, 3 und 4 analog zu den Beschreibungen aus 1.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisches Bordnetzsystem
    2
    elektrisch angetriebenes Fahrzeug
    3
    erstes Teilbordnetz
    4
    zweites Teilbordnetz
    5
    elektrischer Energiespeicher
    6
    erster Gleichspannungswandler
    7
    Eingangsseite des ersten Gleichspannungswandlers
    8
    Ausgangsseite des ersten Gleichspannungswandlers
    9
    Wechselspannungsanschluss
    10
    Wechselstromquelle
    11
    Gleichrichtereinrichtung
    12
    Leistungsfaktorkorrekturfilter
    13
    Trennschalteinrichtung
    14
    zweiter Gleichspannungswandler
    UAC
    Wechselspannung
    UBatt
    Batteriespannung
    S1, S2
    Schaltelemente
    S3, S4
    Trennelemente
  • 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 102015101187 A1 [0007]

Claims (4)

  1. Elektrisches Bordnetzsystem (1) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (2), mit - zumindest einem elektrischen Energiespeicher (5) zum Bereitstellen einer Batteriespannung (UBatt) für das elektrische Bordnetzsystem (1), und - einem ersten Teilbordnetz (3), welches mit dem elektrischen Energiespeicher (5) elektrisch gekoppelt ist, um das erste Teilbordnetz (3) mit der Batteriespannung (UBatt) zu versorgen, gekennzeichnet, durch - einen Gleichspannungswandler (6) des elektrischen Bordnetzsystems (1), welcher mit einer Eingangsseite (7) mit dem elektrischen Energiespeicher (5) und mit einer Ausgangsseite (8) mit einem zweiten Teilbordnetz (4) des elektrisches Bordnetzsystems (1) elektrisch gekoppelt ist, - einen Wechselspannungsanschluss (9) des elektrischen Bordnetzsystems (1), welcher mit der Ausgangsseite (8) des Gleichspannungswandlers (6) elektrisch gekoppelt ist, wobei mit dem Wechselspannungsanschluss (9) eine Wechselspannung (UAC) einer fahrzeugexternen Wechselstromquelle (10) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (5) bereitstellbar ist, und - eine Trennschalteinrichtung (13) des elektrischen Bordnetzsystems (1), welche zwischen der Ausgangseite (8) des Gleichspannungswandlers (6) und dem zweiten Teilbordnetz (4) verschaltet ist, zum Trennen des zweiten Teilbordnetzes (4) während eines Ladevorgangs des elektrischen Energiespeichers (5) mit der Wechselspannung (UAC) des Wechselspannungsanschlusses (9).
  2. Elektrisches Bordnetzsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschalteinrichtung (13) ein erstes Trennelement (S3) zum Trennen eines ersten Spannungspfades des zweiten Teilbordnetzes (4) und ein zweites Trennelement (S4) zum Trennen eines zweites Spannungspfades des zweiten Teilbordnetzes (4) aufweist.
  3. Elektrisches Bordnetzsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ausgangsseite (7) des Gleichspannungswandlers (6) und dem Wechselspannungsanschluss (9) eine Gleichrichtereinrichtung (11) und ein Leistungsfaktorkorrekturfilter (12) verschaltet sind.
  4. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzsystems (1) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs (2), wobei - mit zumindest einem elektrischen Energiespeicher (5) des elektrischen Bordnetzsystems (1) ein erstes Teilbordnetz (3) des elektrischen Bordnetzsystems (1) mit einer Batteriespannung (UBatt) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, durch - mit einem Gleichspannungswandler (6) des elektrischen Bordnetzsystems (1) ein zweites Teilbordnetz (4) des elektrischen Bordnetzsystems (1) mit einer Gleichspannung versorgt wird, und - mit dem Gleichspannungswandler (6) eine Wechselspannung (UAC) einer fahrzeugexternen Wechselstromquelle (10) in eine Ladespannung für den elektrischen Energiespeicher (5) umgewandelt wird, wobei - bei einem Ladevorgang des elektrischen Energiespeichers (5) mit der Ladespannung das zweite Teilbordnetz (4) spannungsfrei geschaltet wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102021208812A1 (de) 2021-08-12 2023-02-16 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mobile Arbeitsmaschine mit mehreren Gleichspannungsnetzen
DE102024121359B3 (de) 2024-05-29 2025-07-31 GM Global Technology Operations LLC Hochspannungs-zu-niederspannungs-leistungsumsetzungssystem für elektrische integrität und entladung des hochspannungssystems nach aufprall

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