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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridkraftfahrzeug.
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Es ist bekannt, dass moderne Kraftfahrzeuge, wie insbesondere rein elektrisch angetriebene Elektrokraftfahrzeuge, zu deren Antrieb wenigstens ein, insbesondere als Elektromotor ausgebildetes, elektrisches Antriebsaggregat vorgesehen ist, oder teil- oder zeitweise elektrisch angetriebene Hybridkraftfahrzeuge, zu deren Antrieb wenigstens ein, insbesondere als Elektromotor ausgebildetes, elektrisches Antriebsaggregat sowie ein, insbesondere als Verbrennungsmotor ausgebildetes, weiteres Antriebsaggregat vorgesehen ist, regelmäßig ein in zwei Bereiche unterteiltes Bordnetz aufweisen.
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Die Abschnitte des Bordnetzes unterscheiden sich dabei im Wesentlichen in der an diesen jeweils anliegenden elektrischen Spannung, so dass ein entsprechendes Bordnetz in der Regel ein für eine erste elektrische Spannung ausgelegtes Hochvoltnetz, in welchem beispielsweise eine elektrische Spannung größer gleich 200 Volt (V) anliegt, sowie ein für eine im Vergleich zu der ersten Spannung des Hochvoltnetzes niedrigere zweite elektrische Spannung ausgelegtes Niedervoltnetz, in welchem beispielsweise eine elektrische Spannung von ca. 12 Volt (V) anliegt (12-Volt-Niedervoltnetz), umfasst. Sowohl das Hochvoltnetz als auch das Niedervoltnetz umfasst wenigstens einen entsprechenden Energiespeicher. An dem dem Hochvoltnetz zugehörigen Hochvoltenergiespeicher sind entsprechende Hochvoltverbraucher, wie insbesondere das elektrisch betriebene Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs, und an dem dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeicher entsprechende Niedervoltverbraucher, wie insbesondere ein Teil der Beleuchtungseinrichtung des Kraftfahrzeugs, angeschlossen.
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Es ist weiter bekannt, zwischen die jeweiligen das Bordnetz bildenden Netze, das heißt das Hochvoltnetz und das Niedervoltnetz, elektrische Wandlervorrichtungen zu schalten, welche jeweils zur Umwandlung der ersten elektrischen Spannung des Hochvoltnetzes in die zweite elektrische Spannung des Niedervoltnetzes, und umgekehrt, ausgebildet sind. Derart kann die im Vergleich zu dem dem Hochvoltnetz zugehörige Hochvoltenergiespeicher geringere Kapazität bzw. Leistungsfähigkeit des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers derart kompensiert werden, dass gegebenenfalls ein Energiefluss von dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher in den niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher möglich ist.
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Allerdings stellen übliche Bauarten entsprechender niedervoltnetzseitiger Niedervoltenergiespeicher technische Beschränkungen der möglichen Leistungsfähigkeit eines entsprechenden Bordnetzes dar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein verbessertes Bordnetz anzugeben.
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Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Bordnetz gelöst, welches umfasst wenigstens ein für eine erste elektrische Spannung ausgelegtes Hochvoltnetz, wobei das Hochvoltnetz wenigstens einen Hochvoltenergiespeicher umfasst, wenigstens ein für eine im Vergleich zu der ersten Spannung des Hochvoltnetzes niedrigere zweite elektrische Spannung ausgelegtes Niedervoltnetz, wobei das Niedervoltnetz wenigstens einen Niedervoltenergiespeicher umfasst, wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite zwischen den Hochvoltenergiespeicher und den Niedervoltenergiespeicher geschaltete elektrische Wandlervorrichtung, welche jeweils zur Umwandlung der ersten elektrischen Spannung des Hochvoltnetzes in die zweite elektrische Spannung des Niedervoltnetzes, und umgekehrt, ausgebildet ist, wobei, der Niedervoltenergiespeicher aus wenigstens einem auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierenden Speicherelement gebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, den dem Niedervoltnetz eines entsprechenden Bordnetzes zugehörigen Niedervoltenergiespeicher derart auszubilden, dass er aus wenigstens einem auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierenden Speicherelement ausgebildet ist respektive wenigstens ein auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierendes Speicherelement umfasst bzw. aufweist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind sonach diverse unterschiedliche Konfigurationen des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers denkbar, welchen gemeinsam ist, dass diese jeweils wenigstens ein auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierendes Speicherelement aufweisen. Etwaige weitere, den Niedervoltenergiespeicher bildende Speicherelemente können, müssen aber nicht gleichsam auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierend ausgebildet sein. Unter einem entsprechenden Speicherelemente ist im Allgemeinen eine elektrochemische Zelle als Teil einer Batterie zu verstehen.
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Die Ausbildung des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers aus wenigstens einem auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierenden Speicherelement, das heißt im Wesentlichen als wiederaufladbarer Lithium-Akkumulator bzw. Lithium-Batterie, ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da Lithium-Akkumulatoren im Vergleich zu herkömmlichen, insbesondere aus auf Blei oder Bleiverbindungen basierenden Speicherelementen gebildeten Niedervoltenergiespeichern eine höhere Leistungs- bzw. Energiedichte aufweisen. Gleichermaßen sind entsprechende aus auf Lithium und/oder Lithiumverbindungen basierenden Speicherelementen gebildete Niedervoltenergiespeicher im Vergleich zu herkömmlichen Niedervoltenergiespeichern (mit vergleichbaren elektrischen Eigenschaften) im Hinblick auf deren Gewicht vorteilhaft, da deutlich leichter, so dass entsprechende mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestattete Kraftfahrzeuge ebenso leichter sind, was sich grundsätzlich positiv auf den Energieverbrauch auswirkt.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bordnetzes besteht darin, dass durch die Verwendung wenigstens zweier entsprechender elektrischer Wandlervorrichtungen, welche insbesondere als Gleichstromwandler bzw. DC/DC-Wandler ausgebildet sind, auch bei einem Ausfall einer elektrische Wandlervorrichtung weiterhin noch wenigstens eine weitere funktionsfähige elektrische Wandlervorrichtung gegeben ist, über welche verschiedene an das Bordnetz, d. h. an das Hochvoltnetz oder das Niedervoltnetz angeschlossene Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden können. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass insbesondere für den Betrieb des mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestatteten Kraftfahrzeug sicherheitsrelevante Verbraucher weiterhin betrieben werden können, so dass das Kraftfahrzeug auch in derartigen Fällen eines Ausfalls einer elektrischen Wandlervorrichtung zumindest noch sicher abgestellt werden kann.
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Mögliche bevorzugte Konfigurationen des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers sind im Folgenden in nicht abschließender Weise aufgezählt.
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Sonach ist es bevorzugt, dass der Niedervoltenergiespeicher aus drei Speicherelementen basierend auf Lithium und einem Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat, oder drei Speicherelementen basierend auf Lithium und zwei Speicherelementen basierend auf einer Nickelmetallhydrid-Verbindung, oder drei Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat und zwei Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung, oder vier Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat und einem Speicherelement basierend auf Lithium, oder vier Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat und einem Speicherelement basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung (so genannten NMC-Speicherelementen bzw. NMC-Zellen), oder sechs Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat, oder einem Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat und drei Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung, oder drei Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung und einem Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat, oder vier Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung gebildet ist.
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Durch die konkrete Anzahl der den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente kann Einfluss auf dessen Innenwiderstand genommen, das heißt dessen Innenwiderstand gezielt eingestellt werden, wobei der Grundsatz gilt, dass eine geringere Anzahl an Speicherelementen im Vergleich zu einer höheren Anzahl an Speicherelementen zu einem geringeren Innenwiderstand des Niedervoltenergiespeichers führt. Gleichermaßen kann eine geringere Anzahl an den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelementen auch im Hinblick auf Kostenaspekte vorteilhaft sein. Die den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente sind üblicherweise in Serie geschaltet.
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Bei den vorgenannten Konfigurationen des Niedervoltenergiespeichers bzw. der den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente wird von einem 12-Volt-Niedervoltnetz als Teil des erfindungsgemäßen Bordnetzes ausgegangen. Im Falle einer Auslegung des Niedervoltnetzes als 24 Volt-Niedervoltnetz verdoppelt sich die jeweilige Anzahl der oben angegebenen, den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente, wobei die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Speicherelementtypen gleich bleiben.
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Der Hochvoltenergiespeicher ist gleichermaßen aus einer Anzahl an, insbesondere in Serie geschalteten, Speicherelementen gebildet. Dabei können die den Hochvoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente z. B. auf Lithium oder Lithiumverbindungen basieren.
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Die den Hochvoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente können als erste Speicherelemente, die den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente können als zweite Speicherelemente bezeichnet werden.
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Es ist möglich, dass der Niedervoltenergiespeicher zusätzlich zu den mehreren Speicherelementen wenigstens einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator, umfasst. Doppelschichtkondensatoren weisen typischerweise zwei Elektroden auf, zwischen welchen sich ein elektrisch leitfähiger Elektrolyt befindet. Nach Anlegen einer elektrischen Spannung sammeln sich an den Elektroden Ionen des Elektrolyten umgekehrter Polarität. Es bildet sich eine Ladungsträgerschicht aus unbeweglichen Ladungsträgern. Die Elektroden mit der Ladungsträgerschicht als Dielektrikum verhalten sich wie zwei Kondensatoren, die über den Elektrolyten in Serie geschaltet sind. Sie speichern die Energie im Gegensatz zu elektrochemischen Energiespeichern elektrostatisch. Doppelschichtkondensatoren weisen in der Regel kleine Innenwiderstände und eine hohe Anzahl an möglichen Lade- bzw. Entladezyklen auf. Mithin kann derart das Eigenschaftsprofil des Niedervoltenergiespeichers, insbesondere im Hinblick auf einen geringen Innenwiderstand, verbessert werden.
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Vorteilhaft ist der Kondensator im Sinne eines weiteren Speicherelements zu den den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelementen in Serie (Reihe) geschaltet. Derart kann die Nennspannung des Niedervoltenergiespeichers weiter erhöht werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, zu den den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelementen mehr als einen Kondensator in Serien- und/oder Parallelschaltung nachzuschalten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines Niedervoltenergiespeichers kann dieser aus drei jeweils auf einer Lithi-um-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen und einem diesen in Serie nachgeschalteten Doppelschichtkondensator und einen zu den drei jeweils auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen sowie dem diesen in Serie nachgeschalteten Doppelschichtkondensator weiteren Doppelschichtkondensator gebildet sein. Der Niedervoltenergiespeicher gemäß dieser Ausführungsform kann sonach (gedanklich) in zwei parallel zueinander geschaltete Teile aufgeteilt werden, wobei ein ersten Teil durch die drei jeweils auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen sowie dem diesen in Serie nachgeschalteten Doppelschichtkondensator und der zweite hierzu parallel geschaltete Teil durch den weiteren Doppelschichtkondensator gebildet ist.
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Es ist möglich, dass die erste elektrische Wandlervorrichtung eine höhere Leistung als die zweite elektrische Wandlervorrichtung aufweist. Grundsätzlich handelt es sich bei den, jeweils Bestandteile des erfindungsgemäßen Bordnetzes bildenden elektrischen Wandervorrichtungen vorteilhaft um Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), das heißt um Vorrichtungen bzw. elektrische Schaltungsanordnungen, welche dazu ausgebildet sind, eine elektrische Eingangsspannung (Eingangsgleichspannung) in eine elektrische Ausgangsspannung (Ausgangsgleichspannung) mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umzuwandeln. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann also über die elektrischen Wandlervorrichtungen eine hohe Eingangsspannung des Hochvoltnetzes, das heißt etwa eine in dem Hochvoltnetz anliegende elektrische Spannung von größer gleich 200 Volt, in eine im Vergleich niedrigere Ausgangsspannung des Niedervoltnetzes, das heißt etwa eine im Niedervoltnetz anliegende elektrische Spannung von 12 Volt, umgewandelt werden. Auch eine umgekehrte Umwandlung der im Niedervoltnetz anliegenden elektrischen Spannung als Eingangsspannung in eine im Hochvoltnetz anliegende elektrische Spannung als Ausgangsspannung ist möglich.
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Wie erwähnt, sind die Leistungen bzw. Leistungsaufnahmen der beiden elektrischen Wandlervorrichtungen vorteilhaft verschieden, wobei die Leistung bzw. Leistungsaufnahme der ersten elektrischen Wandlervorrichtung höher als die Leistung bzw. Leistungsaufnahme der zweiten elektrischen Wandlervorrichtung ist. Dies ist deshalb möglich, da über die erste elektrische Wandlervorrichtung insbesondere elektrische Hoch leistungsverbraucher, wie z. B. als Antriebsaggregat dienende Elektromotoren oder Anlasser, mit elektrischer Energie versorgt werden, wohingegen über die zweite elektrische Wandlervorrichtung, insbesondere im Rahmen des Energieflusses zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher, eine bestimmte Menge elektrischer Energie an das Niedervoltnetz bzw. den darin enthaltenen Niedervoltenergiespeicher abgebbar ist bzw. abgegeben wird.
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Dabei weist die erste elektrische Wandlervorrichtung beispielsweise eine Leistung im Bereich von 1–3 Kilowatt (kW), insbesondere 2 Kilowatt (kW) auf bzw. ist für diese ausgelegt, wohingegen die zweite elektrische Wandlervorrichtung beispielsweise eine Leistung im Bereich von nur 1–10 Watt (W), insbesondere 2 Watt (W), aufweist bzw. für diese ausgelegt ist.
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Wie bereits erwähnt, dient die zweite elektrische Wandlervorrichtung vorteilhaft dazu, zumindest zeitweise einen elektrischen Energiefluss (Stromfluss) aus dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz zu ermöglichen und somit über den niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher die Versorgung bestimmter, an das Niedervoltnetz angeschlossener Niedervoltverbraucher mit elektrischer Energie sicherzustellen. Als entsprechende Niedervoltverbraucher sind beispielsweise eine kraftfahrzeugseitig Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Standlicht, verschiedene Fahrerassistenzsysteme, worunter insbesondere auch sicherheitsrelevante Fahrerassistenzsysteme, wie z. B. Brems- oder Lenkassistenzsysteme, aber auch akustische und/oder visuelle kraftfahrzeugseitige Multimediaeinrichtungen, wie z. B. Radios, Fernseher oder Kommunikationseinrichtungen für Telefon, Internet etc., zu verstehen sind.
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In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann eine Steuereinrichtung, welche zur Steuerung eines elektrischen Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltenergiespeicher, und umgekehrt, ausgebildet ist, vorgesehen sein, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltenergiespeicher, und umgekehrt, unter Berücksichtigung wenigstens einer Randbedingung ausgebildet ist. Mithin sind sämtliche über die beiden elektrischen Wandlervorrichtungen erfolgenden Energieflüsse zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher über die Steuereinrichtung steuerbar, welche hierfür z. B. geeignete Steueralgorithmen umfasst. Entsprechend kommuniziert die Steuereinrichtung zweckmäßig mit den beiden elektrischen Wandlervorrichtungen, insbesondere um mit diesen entsprechende Steuerbefehle auszutauschen. Wie erwähnt, kann ein Energiefluss sowohl von dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher in Richtung des niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeichers, aber auch umgekehrt möglich sein.
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Als entsprechende Randbedingung, deren Vorliegen insbesondere über die Steuereinrichtung überprüfbar ist, kommt beispielsweise eine bestimmte Mindestenergiemenge oder Höchstenergiemenge und/oder eine bestimmte Mindestspannung oder Höchstspannung in dem Niedervoltenergiespeicher und/oder dem Niedervoltnetz in Frage, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltenergiespeicher derart ausgebildet ist, dass in dem Niedervoltenergiespeicher eine bestimmte Mindestenergiemenge und/oder Mindestspannung nicht unterschritten wird oder eine bestimmte Höchstenergiemenge und/oder Höchstspannung nicht überschritten wird, und/oder wenigstens ein Betriebszustand des das Bordnetz umfassenden Kraftfahrzeugs in Betracht.
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Sonach kann die Steuereinrichtung oder eine mit dieser kommunizierende Überprüfungsvorrichtung, wie z. B. eine geeignete Komparatorschaltung, kontinuierlich oder diskontinuierlich zu bestimmten Zeitpunkten die vorhandene elektrische Energiemenge und/oder anliegende elektrische Spannung in dem Niedervoltenergiespeicher und/oder dem Niedervoltnetz ermitteln und diese mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren elektrischen Mindestenergiemenge oder Höchstenergiemenge und/oder einer vorgegebenen oder vorgebbaren elektrischen Mindestspannung oder Höchstspannung in dem Niedervoltenergiespeicher oder dem Niedervoltnetz im Sinne eines Ist-Wert-Soll-Wert-Vergleichs vergleichen. Unter- oder überschreitet der aktuelle Wert der in dem Niedervoltenergiespeicher oder Niedervoltnetz vorhandenen elektrischen Energiemenge bzw. anliegenden elektrischen Spannung einen entsprechenden Ober- oder Untergrenzwert im Sinne entsprechender Schwellwerte, bedingt die Steuereinrichtung über die elektrischen Wandlervorrichtungen, insbesondere über die zweite elektrische Wandlervorrichtung, einen Energiefluss zwischen dem Hochvoltnetz bzw. dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltnetz bzw. dem Niedervoltenergiespeicher derart, dass in dem Niedervoltenergiespeicher und/oder dem Niedervoltnetz eine bestimmte Mindestenergiemenge und/oder Mindestspannung nicht unterschritten wird oder eine bestimmte Höchstenergiemenge und/oder Höchstspannung nicht überschritten wird. Ein entsprechender Energiefluss zwischen dem Hochvoltnetz bzw. dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltnetz bzw. Niedervoltenergiespeicher kann bereits erfolgen, wenn sich der aktuelle Wert der dortigen elektrischen Energiemenge bzw. der dort anliegenden elektrischen Spannung dem jeweiligen Mindest- oder Höchstwert annähert, wodurch die Unter- oder Überschreitung entsprechender Grenzwerte noch sicherer verhindert werden kann.
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Selbstverständlich kommuniziert die Steuereinrichtung hierfür mit geeigneten Erfassungsmitteln, welche zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Erfassung diverser elektrischer Parameter, insbesondere des Niedervoltnetzes oder dem Niedervoltenergiespeicher, ausgebildet ist. Entsprechende Parameter betreffen insbesondere die elektrische Energiemenge und/oder die elektrische Spannung in dem Niedervoltnetz oder dem Niedervoltenergiespeicher.
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Beispielsweise kann eine entsprechende niedervoltnetzseitige bzw. niedervoltenergiespeicherseitige Mindestenergiemenge in Form eines bestimmten als Randbedingung dienenden Ruhestroms vorliegen, welcher Ruhestrom in dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher stets vorzuhalten ist, um den Betrieb bestimmter niedervoltnetzseitig angeschlossener Verbraucher unter allen Umständen sicherzustellen. Dies trägt, sofern die Verbraucher, wie z. B. entsprechende Fahrerassistenzsysteme, wie Brems- oder Lenkassistenzsysteme, oder ein Standlicht, für den Betrieb des mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestatteten Kraftfahrzeugs sicherheitsrelevant sind, zu erheblichen sicherheitstechnischen Vorteilen bei.
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Denkbar ist es auch, dass eine entsprechende Randbedingung wenigstens einen Betriebszustand des das Bordnetz umfassenden Kraftfahrzeugs betrifft. Unter Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ist beispielsweise ein Fahr- oder Standbetrieb zu verstehen. Sonach ist es mit besonderem Vorteil möglich, wenn das mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestattete Kraftfahrzeug steht bzw. abgestellt ist, was z. B. über bestimmte Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs, wie z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Zündung etc., ermittelbar ist, den vorgenannten Ruhestrom in dem Niedervoltnetz bzw. dem Niedervoltenergiespeicher über einen gegebenenfalls notwendigen Energiefluss zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher sicherzustellen.
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Vorteilhaft ist die oder eine Steuereinrichtung zur Steuerung wenigstens einer der elektrischen Wandlervorrichtungen, insbesondere der zweiten elektrischen Wandlervorrichtung, ausgebildet. Wiederum in Abhängigkeit des Vorliegens bestimmter Randbedingungen ist somit eine Ansteuerung, welche insbesondere ein Ein- oder Abschalten der elektrischen Wandlervorrichtung(en) betrifft, möglich. Als entsprechende Randbedingungen können die vorstehend genannten, die elektrische Energiemenge und/oder elektrischen Spannung in dem Niedervoltnetz und/oder dem Niedervoltenergiespeicher betreffenden Randbedingungen verwendet werden. Beispielsweise ist es also möglich, die zweite elektrische Wandlervorrichtung einzuschalten, wenn die elektrische Spannung in dem Niedervoltnetz eine vorgegebene oder vorgebbare elektrische Mindestspannung im Sinne eines unteren Grenz- oder Schwellwerts, z. B. 12 Volt, unterschreitet. Umgekehrt kann die zweite elektrische Wandlervorrichtung ausgeschaltet werden, wenn die elektrische Spannung in dem Niedervoltnetz eine vorgebbare oder vorgegebene elektrische Höchstspannung im Sinne eines oberen Grenz- oder Schwellwerts, z. B. 14 Volt, überschreitet.
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In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann der Hochvoltenergiespeicher mit den elektrischen Wandlervorrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Mithin sind der Hochvoltenergiespeicher und die elektrischen Wandlervorrichtungen baulich in einem Gehäuse integriert und stellen eine besonders hoch integrierte und kompakte Baueinheit des erfindungsgemäßen Bordnetzes dar, das heißt sie tragen auch zu einer kompakteren Ausführung des erfindungsgemäßen Bordnetzes bei. Das Gehäuse kann aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Kunststoff, ausgebildet sein, was im Hinblick auf regelmäßig zu gewährleistende sicherheitstechnische Aspekte, wie z. B. der Berührungssicherheit gegen Stromschläge, vorteilhaft ist.
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Daneben betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches ein, wie vorstehend beschriebenes Bordnetz umfasst. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridelektrokraftfahrzeug. Obige Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Bordnetz gelten sonach analog für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, wobei
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1 eine Prinzipdarstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Prinzipdarstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine Prinzipdarstellung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Bordnetzes 1 eines Kraftfahrzeugs 2 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 2 ist ein Elektrokraftfahrzeug, d. h. es wird rein elektrisch über einen oder mehrere, jeweils als Antriebsaggregate dienende Elektromotoren 9 angetrieben.
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Ersichtlich ist das Bordnetz 1 in ein Hochvoltnetz 3 und ein Niedervoltnetz 4 unterteilt. Das Hochvoltnetz 3 weist ein Spannungsniveau von ca. 250 Volt, das Niedervoltnetz 4 weist ein Spannungsniveau von ca. 12 Volt auf. Sowohl in dem Hochvoltnetz 3 als auch in dem Niedervoltnetz 4 sind entsprechende wiederaufladbare Energiespeicher angeordnet. Entsprechend umfasst das Hochvoltnetz 3 einen Hochvoltenergiespeicher 5 und das Niedervoltnetz 4 einen Niedervoltenergiespeicher 6.
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Dabei ist der Hochvoltenergiespeicher 5 aus mehreren in Serie geschalteten, jeweils auf Lithium basierenden Speicherelementen 7, welche auch als Zellen bezeichnet werden können, gebildet. Der Niedervoltenergiespeicher 6 ist auch aus mehreren in Serie geschalteten, jeweils auf Lithium basierenden Speicherelementen 8 gebildet.
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Eine bevorzugte Konfigurationen des Niedervoltenergiespeichers 6 ist hierbei die Ausführung aus drei Speicherelementen 8 basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung (so genannten NMC-Speicherelementen bzw. NMC-Zellen) und einem Speicherelement 8 basierend auf Lithium-Titanat. Alternative mögliche Konfigurationen des Niedervoltenergiespeichers 6 wurden bereits oben genannt.
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An das Hochvoltnetz 3 sind entsprechende Hochvoltverbraucher bzw. Hochleistungsverbraucher, wie z. B. der das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs 2 bildende Elektromotor 9, angeschlossen, welcher über das Hochvoltnetz 3 und somit über den Hochvoltenergiespeicher 5 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die elektrische Verbindung zwischen dem Hochvoltenergiespeicher 5 und den Hochleistungsverbrauchern ist über die Betätigung, d. h. öffnen und Schließen, elektrischer Schaltmittel 11 trennbar und wieder herstellbar. Derart kann es z. B. verhindert werden, dass auch außerhalb des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs 2 eine Hochspannung, d. h. insbesondere die jeweilige Spannung des Hochvoltnetzes 3, an dem Elektromotor 9 anliegt.
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An das Niedervoltnetz 4 sind entsprechende Niedervoltverbraucher 10, wie z. B. in Form von als Brems- oder Lenkassistenzsystemen ausgebildete Fahrerassistenzsystemen, einer Beleuchtungseinrichtung des Kraftfahrzeugs 2, d. h. insbesondere des Standlichts des Kraftfahrzeugs 2, diverser Multimediaeinrichtungen, wie z. B. Radio, Fernsehen, etc. angeschlossen, welche über das Niedervoltnetz 4 und somit über den Niedervoltenergiespeicher 6 mit elektrischer Energie (Strom) versorgt werden.
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Ersichtlich umfasst das Bordnetz 1 zwei parallel geschaltete, jeweils als Gleichstromwandler bzw. DC/DC-Wandler ausgebildete elektrische Wandlervorrichtungen 12, 13. Die elektrische Wandlervorrichtung 12 wird im Weiteren als erste elektrische Wandlervorrichtung, die elektrische Wandlervorrichtung 13 im Weiteren als zweite elektrische Wandlervorrichtung bezeichnet.
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Die elektrischen Wandlervorrichtungen 12, 13 sind dabei in dem Hochvoltnetz 3 angeordnet. Insbesondere ist die elektrische Wandlervorrichtung 13 samt dem Hochvoltenergiespeicher 5 in einem gemeinsamen Gehäuseteil 14 aus einem elektrisch isolierenden Material, d. h. Kunststoff, angeordnet. Demzufolge ist der Hochvoltenergiespeicher 5 und die elektrische Wandlervorrichtung 13 zu einer gemeinsamen Baueinheit integriert.
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Die elektrischen Wandlervorrichtungen 12, 13 unterscheiden sich in ihrer Leistung bzw. Leistungsaufnahme, wobei die erste elektrische Wandlervorrichtung 12 im Allgemeinen eine höhere Leistung bzw. Leistungsaufnahme als die zweite elektrische Wandlervorrichtung 13 aufweist. Die Leistung bzw. Leistungsaufnahme der ersten elektrischen Wandlervorrichtung 12 beträgt z. B. ca. 2 Kilowatt (kW), die Leistung bzw. Leistungsaufnahme der zweiten elektrischen Wandlervorrichtung 13 beträgt z. B. lediglich ca. 10 Watt (W).
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Dem Bordnetz 1 ist ferner eine Steuereinrichtung 15 zugehörig bzw. zugeordnet. Die Steuereinrichtung 15 ist insbesondere zur Steuerung eines elektrischen Energieflusses im Sinne eines Austauschs bestimmter Mengen elektrischer Energie zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher 5 und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher 6, und umgekehrt, ausgebildet. Im Rahmen der Steuerung des Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher 5 und dem Niedervoltenergiespeicher 6 kann die Steuereinrichtung 15 bestimmte Randbedingungen berücksichtigen, d. h. die Steuerung des Energieflusses in Abhängigkeit des Vorliegens oder Nichtvorliegens entsprechender Randbedingungen vornehmen.
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Eine entsprechende Randbedingung kann beispielsweise eine bestimmte Mindestenergiemenge oder Höchstenergiemenge und/oder eine bestimmte Mindestspannung oder Höchstspannung in dem Niedervoltenergiespeicher 6 betreffen. Hierbei ist die die Steuereinrichtung 15 zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher 5 und dem Niedervoltenergiespeicher 6 derart ausgebildet ist, dass in dem Niedervoltenergiespeicher 6 eine bestimmte Mindestenergiemenge und/oder Mindestspannung nicht unterschritten wird oder eine bestimmte Höchstenergiemenge und/oder Höchstspannung nicht überschritten wird. Die Mindestenergiemenge bzw. Höchstenergiemenge wie auch die Mindestspannung bzw. die Höchstspannung liegen der Steuereinrichtung 15 als entsprechende Grenzwerte vor und werden seitens der Steuereinrichtung 15 als Sollwerte mit den als Istwerten zu erachtenden, aktuell gegebenen Energiemengen bzw. elektrischen Spannungen in dem Niedervoltnetz 4 bzw. dem Niedervoltenergiespeicher 6 verglichen. Hierbei erfolgt eine Ansteuerung der elektrischen Wandlervorrichtungen 12, 13 insbesondere dann, wenn der seitens der Steuereinrichtung 15 durchgeführte Istwert-Sollwert-Vergleich ein Unter- oder Überschreiten eines entsprechenden Istwertes mit einem entsprechenden Sollwert ergibt.
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Insbesondere ist es möglich, den seitens des Niedervoltnetzes 4 bzw. in dem Niedervoltenergiespeicher 6 stets vorzuhaltenden Ruhestrom, welcher den grundsätzlichen Betrieb der an das Niedervoltnetz 4 angeschlossenen Verbraucher 10 ermöglicht, sicherzustellen. Der Ruhestrom, welcher mit einer bestimmten Mindestenergiemenge in dem Niedervoltenergiespeicher 6 verknüpft ist, kann sonach auch durch einen Energiefluss von dem Hochvoltenergiespeicher 5 in den Niedervoltenergiespeicher 6 gewährleistet werden.
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Ermittelt z. B. die Steuereinrichtung 15, dass in dem Niedervoltenergiespeicher 6 eine Unterschreitung der für den Ruhestrom erforderlichen Energiemenge gegeben ist, kann diese die elektrische Wandlervorrichtung 13 ansteuern und so eine bedarfsgerechte Energiemenge aus dem Hochvoltenergiespeicher 5 an den Niedervoltenergiespeicher 6 übertragen werden. Für den Austausch entsprechender Energiemengen zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher 5 und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher 6 kommt vorteilhaft ausschließlich die zweite elektrische Wandlervorrichtung 13 zur Verwendung. Selbstverständlich umfasst oder kommuniziert die Steuereinrichtung 15 hierzu mit geeigneten Erfassungsmitteln zur Erfassung der in dem Hochvoltnetz 3, dem Niedervoltnetz 4, dem Hochvoltenergiespeicher 5 sowie dem Niedervoltenergiespeicher 6 aktuell anliegenden bzw. vorhandenen elektrischen Spannungen bzw. elektrischen Energiemengen.
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Als entsprechende von der Steuereinrichtung 16 berücksichtigbare Randbedingung kann ferner, d. h. alternativ oder zusätzlich, auch ein Betriebszustand des das Bordnetz 1 umfassenden Kraftfahrzeugs 2 verwendet werden. Mithin kann die Steuereinrichtung 15 eine Ansteuerung der elektrischen Wandlervorrichtung 13 z. B. nur ermöglichen, wenn das Kraftfahrzeug 1 steht bzw. abgestellt ist. Hierzu kann die Steuereinrichtung 15 z. B. mit kraftfahrzeugseitigen Erfassungsmitteln zur Erfassung der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Betriebszustandes der Elektromotoren, der Zündung etc. kommunizieren, so dass diese eindeutig den aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 2 ermitteln kann. Beispielsweise ist es möglich, dass, wenn die Steuereinrichtung 15 ermittelt, dass das Kraftfahrzeug 2 abgestellt wurde, den oben genannten Ruhestrom in dem Niedervoltnetz 4 bzw. die dazu in dem Niedervoltenergiespeicher 6 vorzuhaltende elektrische Energiemenge aus dem Hochvoltnetz 3 bzw. dem Hochvoltenergiespeicher 5 bereitzustellen.
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Die Steuereinrichtung 15 ist zur Steuerung wenigstens einer der elektrischen Wandlervorrichtungen 12, 13, insbesondere der zweiten elektrischen Wandlervorrichtung 13, ausgebildet. Mithin kann die Steuereinrichtung 15 die elektrischen Wandlervorrichtungen 12, 13 in unterschiedliche Betriebszustände versetzen, d. h. insbesondere ein- und ausschalten. Es ist demnach möglich, insbesondere die zweite elektrische Wandlervorrichtung 13 nur zu bestimmten Zeitpunkten anzuschalten und somit einen Energiefluss zwischen dem Hochvoltnetz 3 und dem Niedervoltnetz 4 respektive dem darin angeordneten Hochvoltenergiespeicher 5 und Niedervoltenergiespeicher 6 zu ermöglichen. Unter Berücksichtigung des Vorliegens einer entsprechenden Randbedingung, wie z. B. der aktuell in dem Niedervoltnetz 4 bzw. dem Niedervoltenergiespeicher 6 anliegenden elektrischen Spannung kann sonach ein Einschalten der zweiten elektrischen Wandlervorrichtung 13 erfolgen, wenn in dem Niedervoltnetz 4 und/oder dem Niedervoltenergiespeicher 6 ein Unterschreiten einer Mindestspannung, von z. B. 12 Volt, angezeigt ist. Gleiches gilt, sofern ein Überschreiten einer Höchstspannung, von z. B. 14 Volt, in dem Niedervoltnetz 4 und/oder dem Niedervoltenergiespeicher 6 erfasst wurde.
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Zu beachten ist, dass bei abgestelltem Kraftfahrzeug 2 ein Energiefluss zum Zwecke des Ladens bzw. Nachladens des Niedervoltenergiespeichers 6 über die zweite elektrische Wandlervorrichtung 13 regelmäßig nicht zweckmäßig ist, da in diesem Fall die Gefahr besteht, dass außerhalb des Hochvoltnetzes 3 eine entsprechend hohe elektrische Spannung anliegt, was aus sicherheitstechnischen Aspekten zu verhindern ist. Gleichermaßen ist der Wirkungsgrad eines entsprechenden Ladevorgangs unzureichend hoch, so dass entsprechende Ladevorgänge in der Regel uneffizient sind.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Bordnetzes 1 eines Kraftfahrzeugs 2 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bordnetzes 1 besteht in der Ausführung des niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeichers 6, welcher hier nicht allein aus auf Lithium bzw. Lithiumverbindungen basierenden Speicherelementen 8 gebildet ist, sondern zusätzlich mehrere Doppelschichtkondensatoren 16 umfasst.
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Der Niedervoltenergiespeicher 6 ist sonach vorzugsweise aus drei Speicherelementen 8 basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung und einem Speicherelement 8 basierend auf Lithium-Titanat gebildet, welchen Speicherelementen 8 sechs in Reihe geschaltete Doppelschichtkondensatoren 16 parallel geschaltet sind, ausgebildet.
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Der Niedervoltenergiespeicher 6 ist sonach zur Gewährleistung des Betriebs der an das Niedervoltnetz 4 angeschlossenen Verbraucher 10 vorgesehen. Die Doppelschichtkondensatoren 16 können bedarfsweise, d. h. etwa bei Ausfall der ersten elektrischen Wandlervorrichtung 12, zugeschaltet werden, um möglicherweise auftretende Spannungsspitzen, insbesondere im Niedervoltnetz 4, auszugleichen.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Bordnetzes 1 eines Kraftfahrzeugs 2 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu den in den 1, 2 gezeigten Ausführungsformen besteht wiederum in der Konfiguration des Niedervoltenergiespeichers 6. Der in 3 gezeigte Niedervoltenergiespeicher 6 ist durch drei Speicherelemente 8 basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung, welchen in Reihe ein Doppelschichtkondensator 16 nachgeschaltet ist und einem zu den drei auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen 8 und dem diesen in Reihe nachgeschalteten Doppelschichtkondensator 16 parallel geschalteten weiteren Doppelschichtkondensator 16 gebildet. Der Niedervoltenergiespeicher 6 kann sonach gedanklich in zwei parallel zueinander geschaltete Teile aufgeteilt werden, wobei der erste Teil durch die drei auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen 8 in Reihe mit einem Doppelschichtkondensator 16 und der zweite Teil durch den dazu parallel geschalteten weiteren Doppelschichtkondensator 16 gebildet ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip ist es grundsätzlich möglich, ein entsprechendes Bordnetz 1 gewichtsmäßig leichter aufzubauen, was sich dadurch begründet, dass durch den möglichen Energiefluss zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher 5 und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher 6 der Niedervoltenergiespeicher 6 in seiner Kapazität kleiner bemessen werden kann. So kann beispielsweise ein entsprechender Niedervoltenergiespeicher 6 mit einer Kapazität im Bereich von 1–6 Amperestunden (Ah), insbesondere nur ca. 2 Amperestunden (Ah), und einer maximalen Stromstärke von ca. 150 Ampere (A) verwendet werden, wohingegen konventionelle Niedervoltenergiespeicher mindestens eine Kapazität von ca. 44 Amperestunden aufweisen müssen. Durch die kleinere Dimensionierung der Niedervoltenergiespeicher 6 ergeben sich Gewichtseinsparungen von bis zu 70% (betrachtet man ein Gewicht eines konventionellen Niedervoltenergiespeichers von ca. 14 Kilogramm (kg) und ein Gewicht eines erfindungsgemäß einsetzbaren Niedervoltenergiespeichers 6 von ca. 4 Kilogramm).
