DE102007001673A1

DE102007001673A1 - Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102007001673A1
Application number: DE102007001673A
Authority: DE
Inventors: Stefan Demmer; Josef Dr. Krammer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher und eine erste Wandlereinrichtung zur Wandlung der Hochvoltspannung des Hochvolt-Spannungsnetzes auf eine vorbestimmte Niedervoltspannung eines Niedervolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher. Erfindungsgemäß ist eine zweite Wandlereinrichtung vorhanden, die parallel der ersten Wandlereinrichtung geschaltet ist und über die zumindest zeitweise ein vorbestimmter Energieeintrag in das Niedervolt-Spannungsnetz erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 101 02 243 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie an Verbraucher in einem Fahrzeug bekannt, wobei das Fahrzeug wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor aufweist. Dabei ist der elektrische Antriebsmotor über einen Umrichter mit einer Brennstoffzelleneinheit verbunden. Ferner ist die Brennstoffzelleneinheit mit einem ersten, einem zweiten und einen dritten Spannungsnetz unterschiedlicher Spannungsniveaus verbunden, wobei jedem Spannungsnetz zumindest ein elektrischer Speicher und/oder ein elektrischer Verbraucher zugeordnet ist/sind.
Aus der DE 103 14 360 A1 ist eine Spannungsversorgung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der zur Versorgung eines Spannungsbordnetzes und/oder für einen elektrischen Fahrzeugantrieb mindestens zwei Schaltkreise mit unterschiedlichen Spannungsniveaus geschaltet sind. Zur Energieeinspeisung ist mindestens eine Energiequelle vorhanden, wobei diese ein Energiewandler ist, der als ein Brennstoffzellen-Stack aus in Serie geschalteten Brennstoffzellenelementen ausgebildet ist. Der Brennstoffzellen-Stack weist einen Mehrfachspannungsabgriff auf, über den die für die Spannungskreise vorgesehenen jeweiligen Spannungsniveaus abgreifbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches eine alternative Ausgestaltung eines Mehrspannungsbordnetzes gewährleistet. Mit Vorteil soll das System gemäß der Erfindung im Hinblick auf Gewicht und Platzbedarf reduziert sein.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf der Niedervoltseite (z. B. 12 V) eines Bordnetzsystems aufgrund einer steigenden Anzahl elektrischer Verbraucher, die zum Teil auch während eines Fahrzeugstillstands mit Ruhestrom versorgt werden müssen, immer größere Batteriekapazitäten bereitgestellt werden müssen, um gesetzliche Anforderungen (wie z. B. Standlicht für eine vorbestimmte Zeitdauer zu gewährleisten) erfüllen zu können. Gleichzeitig wird bei einem Bordnetzsystem mit Hochvolt-Spannungsnetz zur Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine, dieses Hochvolt-Spannungsnetz beim Stillsetzen des Kraftfahrzeugs deaktiviert. Gemäß der Erfindung soll ein Teil, der durch die Abschaltung des Hochvolt-Spannungsnetzes potentiell vorhandenen Energie auch bei deaktiviertem Hochvolt-Spannungsnetz verfügbar gemacht werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind. Das erfindungsgemäße Bordnetzsystem dient der Spannungs- bzw. Energieversorgung von verschiedenen Verbrauchern, wobei Verbraucher unterschiedlicher Spannungsniveaus zu versorgen sind. Das erfindungsgemäße Bordnetzsystem umfasst einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrere Hochvoltverbraucher, insbesondere zur Versorgung einer elektrischen Antriebsmaschine für den Antrieb des Kraftfahrzeugs. Ferner weist das Bordnetzsystem eine erste Wandlereinrichtung zur Wandlung der Hochvoltspannung auf eine Niedervoltspannung zur Bereitstellung eines Niedervolt-Spannungsnetzes auf. Hierfür ist der Hochvolt-Energiespeicher, der beispielsweise als herkömmlicher elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet sein kann, mit einer insbesondere als DC/DC-Wandler ausgebildeten Wandlereinrichtung verbunden, die ausgangsseitig das Niedervolt-Spannungsnetz versorgt. Erfindungsgemäß ist der Hochvolt-Energiespeicher zusätzlich mit einer zweiten, vorzugsweise ebenfalls als DC/DC-Wandler ausgebildeten, Wandlereinrichtung verbunden, die ausgangsseitig ebenfalls mit dem Niedervolt-Spannungsnetz verbunden ist, und über die alleine oder zusätzlich eine (elektrische Leistungs-) Versorgung von Verbrauchern des Niedervolt-Spannungsnetzes gewährleist wird. Mit Vorteil sind die beiden Wandlereinrichtungen für unterschiedliche Leistungsniveaus ausgelegt. Dabei ist die erste Wandlereinheit für höhere elektrische Leistungen (beispielsweise im Bereich von 1,5 kW–2 kW) ausgelegt, während die zweite Wandlereinheit für ein niedriges Leistungsniveau (beispielsweise im Bereich bis 50 W) ausgelegt ist. Zwischen den Wandlereinrichtungen liegt leistungsmäßig demnach ein Faktor von zirka 25–50. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Wandlereinrichtung derart ausgebildet (bzw. leistungsmäßig derart ausgelegt), dass über sie die Energieversorgung einer vorbestimmten Auswahl von Ruhestromverbrauchern (Verbraucher bei stillgesetztem Kraftfahrzeug bzw. bei ausgeschalteter Zündung) des Niedervolt-Spannungsnetzes für eine vorbestimmte Zeitdauer gewährleistet ist.
Vorzugsweise ist die zweite Wandlereinrichtung in den Hochvolt-Energiespeicher baulich integriert (insbesondere sind beide in einem gemeinsamen und elektrisch nach außen isolierten Gehäuse angeordnet). Auf diese Weise kann die elektrische Sicherheit im Hinblick auf die zu gewährleistende Isolation bzw. die zu gewährleistende Berührungssicherheit auf einfache Weise verbessert werden. Über die eingangsseitig mit dem Hochvolt-Energiespeicher verbundene und ausgangsseitig mit dem Niedervolt-Spannungsnetz zu verbindende zweite Wandlereinrichtung kann der Hochvolt-Energiespeicher in einer ersten Ausführungsform dauernd, d. h. ohne eine (Ein-)Schaltung der zweiten Wandlereinrichtung in Abhängigkeit von irgendwelchen Ereignissen oder Betriebsparametern, an das Niedervolt-Spannungsnetz zu dessen Versorgung aktiv elektrisch angekoppelt sein.
In einer alternativen Ausführungsform ist eine mit der zweiten Wandlereinrichtung gekoppelte Steuereinrichtung vorgesehen, über die die Wandlereinrichtung in Abhängigkeit von einem Schaltbefehl ein- und ausschaltbar ist. Der Schaltbefehl kann dabei durch ein manuell zu bedienendes Schaltelement (z. B. ein Taster im Fahrzeuginnenraum) und/oder in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs (z. B. Signal „Zündung Aus", „Detektion Fahrzeug verlassen", „Timerfunktion in Abhängigkeit von einem Auslöseereignis" und/oder dergleichen) oder in Abhängigkeit von Fahrzeugbetriebszuständen, wie der Auslastung des Niedervolt-Spannungsnetzes (insbesondere der Auslastung bei nicht in Betrieb befindlichem Kraftfahrzeug durch so genannte Stand- bzw. Ruhefunktionen) erzeugt werden.
Mit Vorteil weist das Bordnetzsystem niederspannungsseitig einen (insbesondere als elektrochemischen Energiespeicher ausgebildeten) Niedervolt-Energiespeicher auf, der sowohl über die erste als auch über die zweite Wandlereinrichtung mit dem Hochvoltenergiespeicher gekoppelt ist.
Die erste und die zweite Wandlereinrichtung sind dabei parallel geschaltet, wobei im Falle einer Deaktivierung des Hochvolt-Energiespeichers im Sinne einer Abschaltung des Hochvolt-Spannungsnetzes, eine Energieversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes über den Hochvolt-Energiespeicher und die zweite Wandlereinrichtung – insbesondere auf einem erheblich niedrigeren Leistungsniveau (Faktor 25–50) – gewährleistet ist (eventuell zusätzlich zu dem ggf. vorhandenen und als Bordnetzbatterie ausgeführten Niedervolt-Energiespeicher). Auf diesem Weg kann auch während des stillgesetzten Fahrzeugs (bzw. während der Standzeit des nicht betriebenen Fahrzeugs) der ggf. vorhandene Niedervolt-Energiespeicher zeitweise aufgeladen werden. Zur Abschaltung des Hochvolt-Spannungsnetzes sind Trennmittel zur schaltbaren Unterbrechung des Hochvolt-Spannungsnetzes vorgesehen. Mit Vorteil sind die Trennmittel als steuerbare Trennschalter zur allpoligen Trennung des Hochvolt-Energiespeichers vom Hochvolt-Spannungsnetz ausgeführt. Insbesondere sind die Trennschalter in den Hochvolt-Energiespeicher baulich integriert. Auch durch diese Maßnahme wird die elektrische Sicherheit im Hinblick auf Isolationserfordernisse und Berührungssicherheit erhöht.
In der einzigen Zeichnungsfigur (1) ist eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzsystems für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Das Bordnetzsystem umfasst einen Hochvolt-Energiespeicher 2, eine erste Wandlereinrichtung 4 sowie eine zweite Wandlereinrichtung 6. Der Hochvolt-Energiespeicher 2 ist vorzugsweise in einem als Isolierstoffgehäuse ausgebildeten Gehäuse 20 angeordnet. Die beiden elektrischen Pole des Hochvolt-Energiespeicher 2 sind über, im gehäuseinneren angeordnete steuerbare Trennschalter T auf Anschlussklemmen A1, A2 des Isolierstoffgehäuses 20 geführt. Über die Anschlussklemmen A1, A2 wird ein Hochvolt-Spannungsnetz HV elektrisch mit Energie versorgt. Ein wesentlicher elektrischer Verbraucher im Hochvolt-Spannungsnetz HV ist eine elektrische Antriebsmaschine EM, die über den Hochvolt-Energiespeicher 2 energetisch versorgt wird, und die dem elektrischen Antrieb des, insbesondere als Hybridfahrzeug (mit elektrischer Antriebsmaschine und mit brennkraftmotorischer Antriebsmaschine) ausgebildeten Kraftfahrzeugs dient. Das Hochvolt-Spannungsnetz HV ist zusätzlich mit der, hier als DC/DC-Wandler ausgebildeten, ersten Wandlereinrichtung 4 gekoppelt. Ausgangsseitig speist die erste Wandlereinrichtung 4 ein Niedervolt-Spannungsnetz NV, welches gleichzeitig das herkömmliche Bordnetz (mit elektrischen Verbrauchern wie: Klimaanlage, Fahrzeugbeleuchtung, Heizeinrichtungen, elektrische Verstellsysteme und dergleichen) des Kraftfahrzeugs bildet. Im Niedervolt-Spannungsnetz NV ist mit Vorteil ein zusätzlicher Niedervolt-Energiespeicher 8 in Form einer herkömmlichen Bordnetzbatterie angeordnet. Aufgrund der erfindungsgemäßen zusätzlichen Energieversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes NV durch eine, nachfolgend näher beschriebene zusätzliche (parallele) Energieversorgung über den Hochvolt-Energiespeicher (auch bei abgeschaltetem Hochvolt-Spannungsnetz HV), kann auf den zusätzlichen Niedervoltenergiespeicher 8 verzichtet werden oder kann dieser im Vergleich zu einer herkömmlichen Bordnetzbatterie für den entsprechenden Bordnetzverbund erheblich kleiner dimensioniert ausgebildet sein.
Das beschriebene Hochvolt-Spannungsnetz HV wird in Abhängigkeit von vorbestimmten Größen durch gesteuerte Schaltung der Trennschalter T deaktiviert (bzw. aktiviert), so dass eine elektrische (Energie-)Versorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes NV über den Hochvolt-Energiespeicher 2 und die erste Wandlereinrichtung 4 ebenfalls abgeschaltet ist. Um eine ausreichende Energieversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes NV auch bei abgeschaltetem Hochvolt-Spannungsnetz HV gewährleisten zu können, wird die zweite Wandlereinrichtung 6 parallel zur ersten Wandlereinrichtung 4 zwischen Hochvolt-Energiespeicher 2 und Niedervolt-Spannungsnetz NV geschaltet. Hierdurch können kleinere Ströme (vorzugsweise im Milliampere-Bereich < 100 mA) in das Niedervolt-Spannungsnetz NV eingeprägt werden und so die Energieversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes NV sichergestellt werden. Die zweite Wandlereinrichtung 6 ist mit Vorteil ebenfalls in das gemeinsame Gehäuse 20 integriert. Die zusätzliche Energieversorgung des Niedervolt-Spannungsnetzes NV über die zweite Wandlereinrichtung 6 kann derart erfolgen, dass eine ständige Verbindung des Hochvolt-Energiespeichers 2 durch einfache Kopplung des Hochvolt-Energiespeichers 2 über die zweite Wandlereinrichtung 6 erfolgt. Alternativ kann die Kopplung auch schaltbar ausgeführt sein. Hierfür ist eine Steuereinrichtung 10 vorhanden, über die die zweite Wandlereinrichtung 6 (ein- und ausgeschaltet) geschaltet werden kann. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 10 ebenfalls in das Gehäuse 20 integriert und steuerungstechnisch an die Wandlereinrichtung 6 angebunden. Über die Steuereinrichtung 10 können ferner die Trennschalter T gemäß den entsprechenden Anforderungen geschaltet werden. Die Steuereinrichtung 10 kann durch den Hochvolt-Energiespeicher 2 und/oder über das Niedervolt-Spannungsnetz NV elektrisch energieversorgt sein. Ferner kann die Steuereinrichtung 10 derart ausgebildet sein, dass ein bidirektionales Energiemanagement stattfindet. So können Energieflüsse in beide Richtungen, also sowohl vom Hochvolt-Energiespeicher 2 bzw. vom Hochvolt-Spannungsnetz HV zum Niedervoltspannungsnetz NV als auch umgekehrt realisiert werden (insbesondere um zumindest teilweise Energiedefizite in dem einen oder dem anderen Spannungsnetz auszugleichen).
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 10102243 A1 [0002]
- DE 10314360 A1 [0003]

Claims

Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug umfassend: – einen Hochvolt-Energiespeicher (2) zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes (HV) für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher, – eine erste Wandlereinrichtung (4) zur Wandlung der Hochvoltspannung des Hochvolt-Spannungsnetzes (HV) auf eine vorbestimmte Niedervoltspannung eines Niedervolt-Spannungsnetzes (NV) für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher, gekennzeichnet durch eine zweite Wandlereinrichtung (6), die parallel der ersten Wandlereinrichtung (4) geschaltet ist, und über die zumindest zeitweise ein vorbestimmter Energieeintrag in das Niedervolt-Spannungsnetz (NV) erfolgt.
Bordnetzsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Niedervolt-Energiespeicher (8), der über die erste und/oder die zweite Wandlereinrichtung (4; 6) mit dem Hochvolt-Energiespeicher (2) verbindbar ist.
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Wandlereinrichtung (4; 6) als DC/DC-Wandler ausgebildet ist/sind.
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinrichtung (6) in den Hochvolt-Energiespeicher (2) beziehungsweise in ein gemeinsames Gehäuse (20) baulich integriert ist.
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinrichtung (6) derart mit dem Niedervolt-Spannungsnetz (NV) verbunden ist, dass zeitlich ununterbrochen ein vorbestimmter Strom beziehungsweise eine vorbestimmte Energiemenge in das Niedervolt-Spannungsnetz (NV) eingeprägt wird.
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche 1–4, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (10) zur Schaltung der zweiten Wandlereinrichtung (6), derart, dass in Abhängigkeit von einem Schaltbefehl der Hochvolt-Energiespeicher (2) mit dem Niedervolt-Spannungsnetz (NV) verbindbar ist.
Bordnetzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) in den Hochvolt-Energiespeicher (2) beziehungsweise in ein gemeinsames Gehäuse (20) baulich integriert ist.
Bordnetzsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass durch Deaktivierung der Zündung und/oder durch das Erkennen des Verlassens des Fahrzeugs und/oder durch einen ausgelösten Timer der Hochvolt-Energiespeicher (2) mit dem Niedervolt-Spannungsnetz (NV) verbindbar ist.
Bordnetzsystem nach Anspruch 6–8, gekennzeichnet durch eine manuell betätigbare Bedieneinrichtung durch deren Betätigung der Hochvolt-Energiespeicher (2) mit dem Niedervolt-Spannungsnetz (NV) verbindbar ist.
Bordnetzsystem nach Anspruch 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass die Verbindung des Hochvolt-Energiespeichers (2) mit dem Niedervolt-Spannungsnetz (NV) in Abhängigkeit von Fahrzeug-Betriebszuständen, insbesondere in Abhängigkeit von der Auslastung des Niedervolt-Spannungsnetz (NV), erfolgt.
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvolt-Energiespeicher (2) derart ausgebildet ist, dass ausschließlich über diesen eine Energieversorgung einer elektrischen Antriebsmaschine (EM) für einen elektrischen Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs gewährleist ist, insbesondere der Hochvolt-Energiespeicher (2) eine Hochvolt-Spannungsversorgung im Bereich größer 100 Volt gewährleistet.
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedervolt-Energiespeicher (8) als Energiespeicher zur Versorgung eines 12-Volt-Bordnetzes ausgebildet ist.
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, vorzugsweise in den Hochvolt-Energiespeicher (2) beziehungsweise in ein gemeinsames Gehäuse (20) baulich integrierte, Schaltmittel (T) zur elektrischen Trennung des Hochvolt-Energiespeichers (2) vom Hochvolt-Spannungsnetz (HV).
Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass elektrische Energieflüsse bidirektional zwischen Hochvolt-Spannungsnetz (HV) beziehungsweise Hochvolt-Energiespeicher (2) und Niedervolt-Spannungsnetz (NV) möglich sind.
Kraftfahrzeug mit einem Bordnetzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche.