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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinheit insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten und einem zweiten Anschlusspol, zwischen denen eine von der Spannungsversorgungseinheit bereitgestellte Spannung abgreifbar ist, wenigstens zwei Spannungsversorgungselementen, die zwischen die Anschlusspole geschaltet sind und die dazu ausgebildet sind, jeweils eine elektrische Spannung bereitzustellen, wobei die Spannungsversorgungselemente mittels Verbindungsmitteln elektrisch derart miteinander verbunden sind, dass sich die von den Spannungsversorgungselementen bereitgestellten einzelnen Spannungen addieren.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Spannungsversorgungsnetz für ein Kraftfahrzeug mit einer Spannungsversorgungseinheit der oben beschriebenen Art.
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Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Spannungsversorgungseinheit der oben beschriebenen Art zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine.
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Stand der Technik
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Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeug-Antriebstechnik ist es allgemein bekannt, zwei unabhängige Gleichspannungsnetze vorzusehen, wobei ein Hochspannungsbordnetz in Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen eine Spannung von mehr als 60 V bereitstellt, das galvanisch von einem Massepotential getrennt ist. Ferner ist es allgemein bekannt, dass zusätzlich zu dem Hochspannungsbordnetz ein Niederspannungsbordnetz bereitgestellt wird zum Versorgen von Steuergeräten mit einer Spannung von weniger als 60 V, wobei das Niederspannungsbordnetz mit dem Massepotential verbunden ist. Die galvanische Trennung des Hochspannungsbordnetzes von dem Massepotential dient dabei u. a. dazu, dass ein Anwender bei Berührung eines unter Spannung stehenden Teils des Hochspannungsbordnetzes keinen gefährlichen elektrischen Spannungen ausgesetzt wird.
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Das Niederspannungsbordnetz ist üblicherweise an ein Massepotential des Kraftfahrzeugs angeschlossen, das üblicherweise auf dem Karosseriepotential liegt und dem Erdpotential entspricht.
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Nachteilig bei den bekannten Hochspannungs- und Niederspannungsbordnetzen für Kraftfahrzeuge ist es, dass die notwendige Potentialtrennung des Hochspannungsnetzes von dem Massepotential einen hohen technischen Aufwand darstellt und entsprechend mit hohen Kosten verbunden ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte Spannungsquelle bereitzustellen, die eine hohe Spannung liefert und gleichzeitig einen sicheren Schutz für den Anwender bietet.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spannungsversorgungseinheit insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten und einem zweiten Anschlusspol, zwischen denen eine von der Spannungsversorgungseinheit bereitgestellte Spannung abgreifbar ist, wenigstens zwei Spannungsversorgungselementen, die zwischen die Anschlusspole geschaltet sind und die dazu ausgebildet sind, jeweils eine elektrische Spannung bereitzustellen, wobei die Spannungsversorgungselemente mittels Verbindungsmitteln elektrisch derart miteinander verbunden sind, dass sich die von den Spannungsversorgungselementen bereitgestellten einzelnen Spannungen addieren, wobei die Verbindungsmittel elektrisch mit einem Massepotential verbunden sind, um ein Bezugspotential für die Spannungsversorgungseinheit zu bilden.
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Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Spannungsversorgungsnetz für ein Kraftfahrzeug mit einer Spannungsversorgungseinheit der oben genannten Art.
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Schließlich wird die obige Aufgabe gelöst durch eine Kraftfahrzeug-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine zum Bereitstellen von Antriebsleistung und mit einer Spannungsversorgungseinheit der oben genannten Art zum Bereitstellen von elektrischer Energie für die elektrische Maschine.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung kann eine Spannungsquelle bereitgestellt werden, die zwischen den Anschlusspolen eine notwendige Hochspannung bereitstellt, wobei die jeweiligen Anschlusspole eine niedrige Spannung zum Masse- bzw. Bezugspotential aufweisen und somit bei Berührung der Anschlusspole durch einen Anwender dieser nicht der gefährlichen Hochspannung ausgesetzt wird.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass zwischen den Anschlusspolen die notwendige Hochspannung bereitgestellt wird und die Spannung zu dem Massepotential geringer, insbesondere halb so groß ist wie die Spannung zwischen den einzelnen Anschlusspolen, so dass ein Benutzer, der üblicherweise mit dem Massepotential verbunden ist, bei Berührung lediglich der niedrigen Spannung ausgesetzt wird, die zwischen einem jeweiligen Anschlusspol und dem Massepotential anliegt. Auf eine galvanische Trennung der Anschlusspole der Spannungsversorgungseinheit zu dem Massepotential kann bei einer derartigen Spannungsquelle verzichtet werden und trotzdem die nötige Sicherheit gewährleistet werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit ist es, dass ohne zusätzliche technische Mittel sowohl eine hohe Spannung zwischen den Anschlusspolen als auch eine niedrige Spannung zwischen einem jeweiligen Anschlusspol und dem Massepotential bereitgestellt wird.
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Die Spannungsversorgungseinheit ist vorzugsweise als Batterie, Kondensator oder Hybridkondensator ausgebildet.
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Es ist auf diese Weise möglich, auf vorhandene Spannungsversorgungseinheiten für Kraftfahrzeuge zurückzugreifen, um eine derartige Spannungsversorgungseinheit bereitzustellen.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn die Spannungsversorgungselemente durch einzelne Zellen oder Gruppen von Zellen der Batterie gebildet sind.
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Dadurch kann mit einfachen Mitteln die Spannungsversorgungseinheit für ein Kraftfahrzeug mit zwei unabhängigen Spannungsversorgungselementen und den entsprechenden Anschlusspolen bereitgestellt werden.
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Es ist weiterhin allgemein bevorzugt, wenn die Spannungsversorgungselemente jeweils einen negativen Pol und einen positiven Pol aufweisen, zwischen denen die jeweilige Spannung der Spannungsversorgungselemente bereitgestellt ist und wobei der negative Pol des ersten Spannungsversorgungselementes mit dem positiven Pol des zweiten Spannungsversorgungselementes verbunden ist.
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Auf diese Weise ist eine einfache Reihenschaltung der Spannungsversorgungselemente realisierbar, wodurch sich die Spannungen der Spannungsversorgungselemente addieren und eine hohe Spannung zwischen den beiden Anschlusspolen der Spannungsversorgungseinheit bereitgestellt wird.
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Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn der jeweils andere Pol der Spannungsversorgungselemente mit anderen Spannungsversorgungselementen verbunden ist, insbesondere mit diesen in Reihe geschaltet ist.
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Durch diese Zusammenschaltung ist es möglich, mit handelüblichen Batterieelementen eine beliebige Teilspannung zwischen den Anschlusspolen und dem Bezugspotential zu realisieren.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der jeweils andere Pol der Spannungsversorgungselemente mit jeweils einem Anschlusspol der Spannungsversorgungseinheit verbunden ist.
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Durch diese Maßnahme kann die entsprechende Teilspannung des Spannungsversorgungselementes zwischen dem Anschlusspol und dem Massepotential angelegt werden und ohne weiteren technischen Aufwand die Spannungsversorgungselemente zusammengeschaltet werden.
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Es ist allgemein bevorzugt, wenn die Spannungen der Spannungsversorgungselemente so gewählt sind, dass sie einen vordefinierten Wert, insbesondere einen sicherheitskritischen Wert nicht überschreiten.
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Durch diese Maßnahme kann auf eine galvanische Trennung verzichtet werden, ohne dass die Spannungen zwischen den Anschlusspolen und dem Bezugspotential eine Gefahr für einen Anwender darstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Spannungen der Spannungsversorgungselemente identisch.
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Dadurch kann eine maximale Hochspannung zwischen den Anschlusspolen erreicht werden, wobei die einzelnen Spannungen der Spannungsversorgungselemente einen vordefinierten Schwellenwert nicht überschreiten.
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Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Spannungen der beiden Spannungsversorgungselemente unterschiedliche Werte aufweisen, um insbesondere unterschiedliche Versorgungsspannungen für unterschiedliche elektrische Verbraucher bereitzustellen.
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Dadurch können ohne weitere technische Maßnahmen Versorgungsspannungen für unterschiedliche Spannungsnetze bzw. elektrische Verbraucher des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einem Hybrid-Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor und eine elektrische Maschine aufweist;
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2 zeigt in schematischer Form ein Schaltbild eines Hochspannungsbordnetzes und eines Niederspannungsbordnetzes eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Stand der Technik;
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3 zeigt in schematischer Form ein Schaltbild eines Hochspannungsbordnetzes mit einer Spannungsversorgungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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4 zeigt in schematischer Form eine Batterie mit zwei Batteriezellen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug schematisch dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Kraftfahrzeug 10 weist einen Antriebsstrang 12 auf, der im vorliegenden Fall eine elektrische Maschine 14 und einen Verbrennungsmotor 16 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 18L, 18R des Fahrzeugs 10.
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Der Verbrennungsmotor 16 ist über eine Kurbelwelle 20 mit der elektrischen Maschine 14 verbunden bzw. verbindbar, wobei der Verbrennungsmotor 16 und die elektrische Maschine 14 an einer Abtriebswelle 22 ein Drehmoment t bereitstellen, die mit einer einstellbaren Drehzahl dreht. Die Abtriebswelle 22 ist mit einer Getriebeeinheit 24 verbunden bzw. verbindbar, um das Drehmoment t auf die angetriebenen Räder 18R, 18L zu übertragen. Die Kurbelwelle 20 und die Abtriebswelle 22 weisen im vorliegenden Fall jeweils eine Kupplung 26, 28 auf, um den Verbrennungsmotor 16 mit der elektrischen Maschine 14 bzw. die elektrische Maschine 14 mit der Getriebeeinheit 24 zu verbinden.
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Der Antriebsstrang 12 kann dazu eingerichtet sein, das Fahrzeug 10 alleine mittels der elektrischen Maschine 16 anzutreiben (Elektrofahrzeug). Alternativ kann die elektrische Maschine 16 wie in dem vorliegenden Fall Teil eines Hybrid Antriebsstrangs 12 sein.
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Die Kurbelwelle 20 ist mittels der Kupplung 26 mit einem Rotor der elektrischen Maschine 14 verbunden bzw. verbindbar, um eine Drehzahl bzw. ein Drehmoment auf die elektrische Maschine 14 zu übertragen. Der Rotor der elektrischen Maschine 14 ist mit der Abtriebswelle 22 verbunden, um das Drehmoment t auf die Getriebeeinheit 24 zu übertragen. Das Drehmoment t wird dabei durch die Summe der von dem Verbrennungsmotor 16 und der elektrischen Maschine 14 bereitgestellten einzelnen Drehmomente gebildet.
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Im motorischen Betrieb erzeugt die elektrische Maschine 14 ein Antriebsmoment, das den Verbrennungsmotor 16, zum Beispiel in einer Beschleunigungsphase, unterstützt. Im generatorischen bzw. Rekuperationsbetrieb erzeugt die elektrische Maschine 14 elektrische Energie, die im Allgemeinen dem Fahrzeug 10 zur Verfügung gestellt wird.
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Der Verbrennungsmotor 16 wird durch einen Kraftstofftank 30 mit Kraftstoff versorgt.
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Die elektrische Maschine 14 kann ein- oder mehrphasig ausgebildet sein und wird mittels einer Leistungselektronik 32 bzw. eines Inverters 32 angesteuert und mit elektrischer Energie versorgt. Die Leistungselektronik 32 ist mit einer Energieversorgungseinheit 34 wie einer Gleichspannungsversorgung (z. B. Akkumulator bzw. Batterie) 34 des Fahrzeugs 10 verbunden und dient dazu, eine von der Energieversorgungseinheit 34 bereitgestellte Spannung in Wechselstrom im Allgemeinen bzw. in eine Anzahl von Phasenströmen für die Phasen der elektrischen Maschine 14 umzurichten. Die Energieversorgungseinheit 34 ist mit einem Batteriesteuergerät 36 verbunden, das dazu ausgebildet ist, die Energieversorgung der elektrischen Maschine 14 über die Leistungselektronik 32 und den Ladezustand der Energieversorgungseinheit 34 zu steuern. Die Leistungselektronik 32 ist ferner dazu ausgebildet, im Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine 14, die Energieversorgungseinheit 34 durch die von der elektrischen Maschine 14 erzeugte elektrische Energie aufzuladen.
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Die Energieversorgungseinheit 34, die Leistungselektronik 32 und das Batteriesteuergerät 36 sind Teil eines Hochspannungsbordnetzes 38 des Kraftfahrzeugs 10.
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Das Kraftfahrzeug 10 weist ferner eine Niederspannungsversorgungseinheit 40 (z. B. Batterie) auf, die ein Niederspannungsbordnetz 42 des Kraftfahrzeugs 10 mit einer entsprechenden Spannung versorgt. Das Hochspannungsbordnetz 38 ist mittels eines Gleichspannungswandlers 44 mit dem Niederspannungsbordnetz 42 verbunden, um elektrische Energie zwischen den beiden Bordnetzen 38, 42 auszutauschen.
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2 zeigt in schematischer Form eine Schaltung des Hochspannungsbordnetzes 38 und des Niederspannungsbordnetzes 42, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
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Das Hochspannungsbordnetz 38 wird durch eine Batterie 46 bzw. Gleichspannungsquelle 46 mit elektrischer Energie versorgt. Die Gleichspannungsquelle 46 weist einen positiven und einen negativen Pol auf, zwischen denen die entsprechende Hochspannung 48 bereitgestellt wird. Die Gleichspannungsquelle 46 kann auch als Kondensator, insbesondere als Doppelschichtkondensator oder als Hybridkondensator mit Eigenschaften eines Kondensators und einer Batterie ausgebildet sein.
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Das Niederspannungsbordnetz 42 ist mit einem Massepotential 50 verbunden, das als Bezugspotential für das Niederspannungsbordnetz 42 dient. Dieses Massepotential 50 liegt üblicherweise auf dem Karosseriepotential und entspricht dem Erdpotential.
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Das Hochspannungsbordnetz 38 ist von dem Massepotential 50 galvanisch getrennt, so dass Spannungen 52, 54 zwischen den einzelnen Polen der Batterie 46 und dem Massepotential 50 undefiniert sind, aber typischerweise dem halben Wert der Hochspannung 48 der Batterie 46 entsprechen.
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Ein Anwender, der mit einem der beiden Hochspannungspotentiale 52, 54 in Kontakt tritt und sich auf dem Erdpotential 50 befindet, verschiebt das Hochspannungspotential 52, 54 derart, dass der berührte Teil ebenfalls auf das Erdpotential 50 verschoben wird. Mit anderen Worten stellt sich bei Berührung an dem entsprechenden Leiter ein Erdpotential ein und der jeweils andere Pol des Hochspannungsbordnetzes 38 wird auf die entsprechende Hochspannung 48 hochgesetzt bzw. heruntergesetzt. Nachteilig an den bekannten Hochspannungsbordnetzen ist es, dass die notwendige Potentialtrennung zur Absicherung der Anwender einen hohen technischen Aufwand darstellt und entsprechend mit hohen Kosten verbunden ist.
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3 zeigt in schematischer Form das Niederspannungsbordnetz 42 und das Hochspannungsbordnetz 38 mit einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit.
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Die Energieversorgungseinheit des Hochspannungsbordnetzes 38 ist in 3 schematisch dargestellt und allgemein mit 56 bezeichnet. Das Hochspannungsbordnetz 38 und das Niederspannungsbordnetz 42 sind im Wesentlichen identisch mit den entsprechenden Bordnetzen aus 2. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede erläutert sind.
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Die Energieversorgungseinheit 56 weist ein erstes Energieversorgungselement 58 und ein zweites Energieversorgungselement 60 auf. Die Energieversorgungselemente 58, 60 weisen jeweils einen positiven und einen negativen Spannungspol auf, zwischen denen jeweils eine elektrische Spannung 62, 64 bereitgestellt ist. Die Energieversorgungselemente 58, 60 sind in Reihe geschaltet, so dass sich die elektrischen Spannungen 62, 64 zu einer Gesamtspannung 66 addieren, die das Hochspannungsbordnetz 38 mit der entsprechenden Spannung 66 versorgt. Dabei ist der negative Spannungspol des ersten Energieversorgungselementes 58 mit dem positiven Spannungspol des zweiten Energieversorgungselements 60 durch Verbindungsmittel 68 elektrisch verbunden. Die Verbindungsmittel 68 sind elektrisch mit dem Massepotential 50 verbunden, das für die Energieversorgungseinheit 56 ein Bezugspotential bildet.
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Dadurch dass das Massepotential 50 mit dem Verbindungsmittel 68 elektrisch verbunden ist, liegen die von den Energieversorgungselementen 58, 60 bereitgestellten elektrischen Spannungen 62, 64 gegenüber dem Massepotential 50 an, so dass ein Anwender, der mit einem elektrischen Element des Hochspannungsbordnetzes 38 in Kontakt gerät, lediglich einer geringen Spannung 62, 64, die kleiner ist als die Gesamtspannung 66 des Hochspannungsbordnetzes 38, ausgesetzt wird.
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Die Spannungen 62, 64 der Energieversorgungselemente 58, 60 werden vorzugsweise so gewählt, dass sie unterhalb eines kritischen, gesundheitsgefährdenden Wertes von üblicherweise 60 V liegen. Sofern die Spannungen 62, 64 derart gewählt werden, kann mit der Energieversorgungseinheit 56 das Hochspannungsbordnetz 38 mit einer Hochspannung von bis zu 120 V versorgt werden. Bei einer derartigen Verbindung des Massepotentials 50 mit der Energieversorgungseinheit 56 kann auf eine Potentialtrennung verzichtet werden, ohne dass zusätzliche Sicherungsmaßnahmen ergriffen werden müssen.
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In 4 ist die Energieversorgungseinheit 56 in einer bevorzugten Ausführungsform als Hochspannungsbatterie dargestellt. Die Hochspannungsbatterie 56 weist zwei Batteriezellen 70, 72 auf, die mittels der Verbindungsmittel 68 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Hochspannungsbatterie 56 weist einen positiven Anschlusspol 74 und einen negativen Anschlusspol 76 auf, zwischen denen die Gesamtspannung 66 bereitgestellt wird. Die Batteriezellen 70, 72 weisen jeweils einen positiven Pol 78 und einen negativen Pol 80 auf, zwischen denen die Spannungen 62, 64 bereitgestellt sind. Die Verbindungsmittel 68 sind mit dem Massepotential 50 elektrisch verbunden. Alternativ zu den Batteriezellen 70, 72 können zwischen die Anschlusspole 74, 76 und die Verbindungsmittel 68 auch Gruppen von Batteriezellen geschaltet sein, die insbesondere elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Dadurch dass die Batteriezellen 70, 72 über die Verbindungsmittel 68 elektrisch miteinander verbunden sind, addieren sich die einzelnen Spannungen 62, 64 zu der Gesamtspannung 66, die zwischen dem positiven Anschlusspol 74 und dem negativen Anschlusspol 76 der Batterie 56 abfällt. Da eine Batterie üblicherweise aus mehreren Batteriezellen besteht, ist eine Aufteilung der Batterie 56 in die zwei Batteriezellen 70, 72 kostengünstig und mit geringem technischem Aufwand realisierbar, wobei die batterieinterne elektrische Verbindung 68 der Batteriezellen 70, 72 untereinander durch einfache Mittel mit dem Massepotential 50 verbunden werden kann. Dadurch wird erreicht, dass der Anwender bei einer Berührung von einzelnen Systemkomponenten maximal einer einfachen ungefährlichen Spannung, die von einer jeweiligen der Batteriezellen 70, 72 bereitgestellten Spannung 62, 64 entspricht, ausgesetzt wird.
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Eine derartige Spannungsversorgungseinheit kann vorzugsweise für Hybridantriebssysteme Verwendung finden. Grundsätzlich ist eine derartige Spannungsversorgungseinheit jedoch für alle Hochspannungssysteme anwendbar.
