DE102014201440A1

DE102014201440A1 - Kraftfahrzeugbordnetz mit optimierter Durchschaltfunktion

Info

Publication number: DE102014201440A1
Application number: DE102014201440.9A
Authority: DE
Inventors: Heiko Haußmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler (9), einer Traktionsbatterie (8) und einem Traktionsnetz (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (9) einen ersten Betriebszustand (30) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannung (U1) des Traktionsnetzes (7) tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand (31) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz (7) durchschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler, einer Traktionsbatterie und einem Traktionsnetz, sowie ein Verfahren, das in einem Kraftfahrzeugbordnetz mit solch einem Spannungswandler angewendet wird.
Eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, oder ein Brennstoffzellenfahrzeug beinhaltet eine große Anzahl von Batteriezellen, die üblicher Weise in Modulen angeordnet sind, um die Anforderungen des Fahrzeugs an Leistung und Reichweite zu erfüllen. Einzelne Batteriezellen bzw. Batteriemodule werden elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sich die elektrischen Spannungen der Batteriezellen bzw. Batteriemodule summieren.
Die Reichweite von elektrischen Fahrzeugen kann vergrößert werden, indem mehr gespeicherte elektrische Energie im Fahrzeug mitgeführt wird. Der Energieinhalt einer Traktionsbatterie hängt von deren elektrischen Kapazität und elektrischer Spannung ab. Eine Reichweitenerhöhung kann entweder durch Erhöhung der elektrischen Kapazität der Traktionsbatterie, oder durch Erhöhung der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie erfolgen. Einer Reihenschaltung von Batteriezellen bzw. Batteriemodulen sind durch die Beschränkungen der Leistungselektronik jedoch Grenzen gesetzt. Derzeit liegt beispielsweise bei der Fahrzeug-Hochvoltinfrastruktur für Traktionsantriebe die Spannungsgrenze bei ca. 400–450 V. Die elektrische Spannung kann also nicht beliebig erhöht werden, da alle Bauteile im Traktionsnetz eine höchste zulässige Spannungsobergrenze haben.
Üblicher Weise werden alle Komponenten, die vom Traktionsnetz versorgt werden, so ausgelegt, dass die maximale Spannung an der Traktionsbatterie unterhalb der Spannungsobergrenze der Komponenten liegt. Somit können die Ausgänge der Traktionsbatterie direkt mit dem Traktionsnetz verbunden werden. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Spannung am Traktionsnetz bei normalem Betrieb im mittleren Bereich des Ladezustandes weit unterhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz liegt.
Es ist auch bekannt, die Reichweite eines Kraftfahrzeugs zu erhöhen, indem mehrere Batteriemodulstränge innerhalb einer Traktionsbatterie parallel verschalten werden und somit die elektrische Kapazität der Traktionsbatterie vergrößert wird. Dies erhöht zwar die Reichweite des Kraftfahrzeugs, aber der Nachteil der sich stark veränderten Spannung an der Traktionsbatterie bleibt erhalten. Auch bei dieser Lösung liegt die Spannung am Traktionsnetz bei normalem Betrieb im mittleren Bereich des Ladezustandes weit unterhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 889 349 ist eine Vorrichtung zur Fahrzeugstromversorgung bekannt, bei der ein Spannungswandler die Spannung einer Sekundärbatterie hochsetzt. Eine Verbindungseinheit ermöglicht ein umschalten zwischen einer Verbindung und einer Abtrennung der vom Spannungswandler hochgesetzten Spannung.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2012 200 577 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer Batterie. Die Batterie umfasst mehrere Batteriemodulstränge. Die Batteriemodulstränge weisen mehrere Batteriemodule auf, wobei ein Batteriemodul eine Koppeleinheit aufweist. Die Koppeleinheit wirkt als Spannungswandler und koppelt die Batteriemodule miteinander. Das Verfahren ermöglicht eine Versorgung einer Last mit einer vorbestimmten und im Wesentlichen konstanten Gesamtleistung. Batteriemodule der Batteriemodulstränge können jeweils in Reihe geschaltet sein. Dadurch sind die Ausgangsspannungen der Batteriemodule einer Reihenschaltung zu einer höheren Strangspannung summierbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeugbordnetz so zu verbessern, dass die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden werden.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbordnetz weist einen Spannungswandler, eine Traktionsbatterie und ein Traktionsnetz auf. Bei dem Kraftfahrzeugbordnetz kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeugbordnetz für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, oder ein Brennstoffzellenfahrzeug handeln.
Der Spannungswandler weist einen ersten Betriebszustand auf, in dem er als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannung des Traktionsnetzes tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem er als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet.
Die Spannung einer Traktionsbatterie ist über ihren Ladezustand nicht konstant, sondern sinkt mit sinkendem Ladezustand ab. Obgleich die Spannung einer vollständig geladenen Traktionsbatterie zu hoch für die Bauteile am Traktionsnetz sein kann, muss dies nicht gleichzeitig bedeuten, dass sie dies auch bei geringerem Ladezustand ist. Der Spannungswandler kann also so eingerichtet sein, dass er nur bei vollgeladener Batterie die Spannung am Traktionsnetz verkleinert und ab einem bestimmten Ladezustand die Spannung der Traktionsbatterie auf das Traktionsnetz durchschaltet.
Der Spannungswandler kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass er im ersten Betriebszustand die Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt.
Der Betriebszustand für das Durchschalten kann auf die Funktion des Durchschaltens hin optimiert werden, so dass Verluste bei Durchschalten reduziert werden.
Bei Plugin-Hybridfahrzeugen, d.h. bei Hybrid-Fahrzeugen, bei denen es möglich ist, die Traktionsbatterie extern zu laden, setzt der hybridische Betrieb in der Regel erst dann ein, wenn die Traktionsbatterie auf einen niedrigen Ladezustand entladen ist. Bei hybridischem Betrieb muss der Spannungswandler bei diesem beispielhaften Einsatz in einem Plugin-Hybridfahrzeug also nicht im ersten Betriebsmodus als Tiefsetzsteller arbeiten, sondern braucht nur durchzuschalten. Der Spannungswandler kann also in diesem beispielhaften Fall im hybridischen Betrieb im Wesentlichen im zweiten Betriebsmodus als Durchschalter arbeiten.
Der Spannungswandler weist gemäß eines Ausführungsbeispiels einen Schalter auf, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand, in dem der Spannungswandler als Tiefsetzsteller arbeitet, und dem zweiten Betriebszustand, in dem der Spannungswandler als Durchschalter arbeitet, ermöglicht.
Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann beispielsweise als Relais, insbesondere als Schütz ausgebildet sein.
Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann aber auch als Halbleiterschalter, beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildet werden.
Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann in einer weiteren Ausführungsform funktional in Transistoren des Spannungswandlers realisiert sein, welche auch die Funktion der Spannungswandlung übernehmen.
So kann der oben beschriebene Spannungswandler ein optimiertes Durchschalten der Eingangsspannung ermöglichen.
Ein beispielhaftes Kraftfahrzeugbordnetz weist eine Traktionsbatterie, ein Traktionsnetz und einen zwischen die Traktionsbatterie und das Traktionsnetz gekoppelten Spannungswandler auf, wie er oben beschrieben ist. Der Spannungswandler kann beispielsweise eingangsseitig direkt mit den Polen einer Traktionsbatterie verbunden werden. Ausgangsseitig kann der Spannungswandler direkt ein Traktionsnetz mit seinen Verbrauchern speisen.
Die Traktionsbatterie kann vorteilhafter Weise bei hohen Werten des Ladezustands eine elektrische Spannung aufweisen, die höher ist als die Grenzspannung des Traktionsnetzes. So kann in dem Kraftfahrzeugbordnetz eine Traktionsbatterie verwendet werden, die eine Spannung im vollgeladenen Zustand, aufweist, die über die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes liegt. Dadurch wird es ermöglicht, die maximale Spannung an der Traktionsbatterie so auszulegen, dass diese oberhalb der maximalen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz liegt.
Das Traktionsnetz kann eine Leistungselektronik (z.B. einen Umrichter) umfassen, die elektrische Energie aus dem Traktionsnetz für den Betrieb einer elektrischen Maschine umsetzt.
Mit dem Traktionsnetz kann ferner ein Niedervoltbordnetz über einen weiteren Spannungswandler gekoppelt sein, der zwischen das Traktionsnetz und das Niedervoltbordnetz gekoppelt ist, die elektrische Spannung des Traktionsnetzes auf das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes herabsetzt und elektrische Energie aus dem Traktionsnetz dem Niedervoltbordnetz zuführt. Bei dem Niedervoltbordnetz kann es sich beispielsweise um ein konventionelles 12V-Bordnetz handeln.
Das Traktionsnetz kann ferner weitere Verbraucher umfassen, die mit dem Traktionsnetz gekoppelt sind, beispielsweise einen Klimakompressor oder eine Heizung.
Im Falle eines Elektrofahrzeuges oder eines Plugin-Hybrids kann die Traktionsbatterie auch mittels eines externen Ladegeräts mit elektrischer Energie geladen werden. In diesem Fall kann der erfindungsgemäße Spannungswandler dazu dienen, die Spannung des Ladegeräts auf die Spannung der Traktionsbatterie hochzusetzen.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Traktionsbatterie, einem Traktionsnetz und einem wie oben beschriebenen Spannungswandler, der zwischen die Traktionsbatterie und das Traktionsnetz gekoppelt ist, umfasst: Ein Ermitteln der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie, ein Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass dieser in einen ersten Betriebszustand versetzt wird, in dem der Spannungswandler als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannungsgrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt, falls die elektrische Spannung der Traktionsbatterie über der Spannungsgrenze des Traktionsnetzes liegt, und ein Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass dieser in einen zweiten Betriebszustand versetzt wird, in dem der Spannungswandler als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet, falls die elektrische Spannung der Traktionsbatterie kleiner oder gleich ist der Spannungsgrenze des Traktionsnetzes. Das Verfahren kann von einer Steuerung ausgeführt werden. Der Spannungswandler kann entsprechende Steuersignale beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem, oder einer anderen Steuerzentrale wie beispielsweise einer Motorsteuerung erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz zeigt;
2 schematisch einen Spannungswandler gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt;
3 schematisch den Spannungsverlauf einer Traktionsbatterie in Abhängigkeit ihres Ladezustands zeigt; und
4 schematisch eine beispielhafte Fahrbetriebsauswahl eines Plugin-Hybridfahrzeugs in Abhängigkeit des Ladezustands einer Traktionsbatterie zeigt.
Ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs, in dem der erfindungsgemäße Spannungswandler eingesetzt werden kann, ist schematisch in 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 ist hier beispielhaft nach dem Prinzip des Parallel-Hybrid aufgebaut. Beim Parallel-Hybrid sind sowohl ein Verbrennungsmotor 2 als auch eine elektrische Maschine 3 über ein Getriebe 4 mechanisch an eine Antriebsachse 5 gekoppelt. Die vom Verbrennungsmotor 2 abgegebene mechanische Energie wird mittels der elektrischen Maschine 3 in elektrische Energie umgewandelt und mit Hilfe einer Leistungselektronik, insbesondere eines Umrichters 6 über einen ersten, erfindungsgemäßen Spannungswandler 9 in eine Traktionsbatterie 8 eingespeist. Die Traktionsbatterie 8 kann elektrische Energie über das Traktionsnetz 7 an die elektrische Maschine 3 bereitstellen. Umgekehrt kann vom Verbrennungsmotor 2 abgegebene mechanische Energie (oder auch rekuperativ aus der Antriebsachse 4 gewonnene mechanische Energie) der Traktionsbatterie 8 zugeführt werden. Mit dem Traktionsnetz 7 ist über einen zweiten Spannungswandler 10 ferner auch ein Niedervoltbordnetz 11 gekoppelt, das hier beispielhaft als 12V-Bordnetz ausgeführt ist. Mit dem Traktionsnetz 7 sind ferner weitere Hochvoltverbraucher 12 gekoppelt, hier beispielsweise ein Klimakompressor. Das Traktionsnetz 7, die Leistungselektronik 6 und die Hochleistungsverbraucher 12 werden von der Traktionsbatterie 8 gespeist und liegen auf einem Spannungsniveau, das durch den ersten Spannungswandler 9 vorgegeben wird. Der erste Spannungswandler 9 dieses beispielhaften Kraftahrzeugs 1, der zwischen die Traktionsbatterie 8 und das Traktionsnetz 7 gekoppelt ist, kann vorzugsweise durch den erfindungsgemäßen Spannungswandler realisiert.
Das beispielhafte Kraftfahrzeug 1 kann in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden. In einem ersten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 mittels Leistung aus dem Verbrennungsmotor verbrennerisch gefahren. Ein Teil der durch den Verbrennungsmotor erzeugten Energie wird zur generatorischen Gewinnung von elektrischer Energie verwendet. Mit dieser generatorisch erzeugten elektrischen Energie werden Niedervoltverbraucher des Niedervoltnetzes 11 und Hochvoltverbraucher 12 versorgt. In einem zweiten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 mittels Leistung aus dem Verbrennungsmotor verbrennerisch gefahren und generatorisch erzeugte elektrische Energie wird der Traktionsbatterie 8 zugeführt, um diese zu laden. In einem dritten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 rein elektrisch mit Energie aus der Traktionsbatterie 8 gefahren. In einem vierten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 mittels Leistung aus dem Verbrennungsmotor „verbrennerisch“ gefahren und elektrische Energie aus der Traktionsbatterie 8 wird zur Unterstützung des verbrennerischen Fahrens (Boosten) verwendet. In einem fünften Betriebszustand wird elektrische Energie rekuperativ gewonnen und der Traktionsbatterie 8 zugeführt.
2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform für den ersten Spannungswandler 9 des Kraftfahrzeugs der 1, der zwischen Traktionsbatterie (8 in 1) und Traktionsnetz (7 in 1) geschaltet ist und ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Spannungswandler 9 nimmt über Anschlüsse 21 eine Quellspannung Ubatt entgegen. Die Anschlüsse 21 sind beispielsweise mit den beiden Polen einer Traktionsbatterie (8 in 1) gekoppelt. Der Spannungswandler 9 weist einen ersten schaltenden Transistor T1 und eine antiparallelgeschaltete erste Diode D1 auf, die zusammen ein erstes Schaltelement 22 bilden. Der Spannungswandler 9 weist ferner einen zweiten schaltenden Transistor T2 und eine antiparallelgeschaltete zweite Diode D2 auf, die zusammen ein zweites Schaltelement 23 bilden. Die beiden Schaltelemente 22, 23 werden mittels Steuersignalen 24 von einer Ansteuerung 20 angesteuert. Die beiden Transistoren T1 und T2 können z.B. jeweils als ein Feldeffekttransistor (FET), insbesondere als MOSFET, oder als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgeführt werden. Alternativ zu den Transistoren T1, T2 könnten auch abschaltbare Thyristoren eingesetzt werden. Die Transistoren T1, T2 werden von der Ansteuerung 20 mit einem Steuersignal 24 auf dem Fachmann bekannte Weise angesteuert, wodurch diese in sehr kurzen Abständen zwischen dem leitenden und isolierenden Zustand wechseln. Die Steuersignale 24 können beispielsweise ein dem Fachmann bekanntes Steuerverfahren für Spannungswandler mittels Pulsweitenmodulation (PWM) oder Pulsfrequenzmodulation (PFM) realisieren. Je nach Schaltzustand der Schalteinheiten 22 und 23 wird einer Spule L1 entweder elektrische Energie aus der Quellspannung Ubatt (z.B. von der Traktionsbatterie 8 in 1) zugeführt, oder elektrische Energie aus der Spule L1 entnommen und einer Last (z.B. dem Traktionsnetz 7 aus 1) an einem Ausgang 25 des Spannungswandlers 9 mit einer Ausgangsspannung U1 bereitgestellt. Der Spannungswandler 9 kann so als Tiefsetzsteller arbeiten.
In einem ersten Schaltzustand ist Transistor T1 geschlossen und Transistor T2 offen. In diesem ersten Schaltzustand fließt Strom von der Traktionsbatterie (8 in 1) über die Spule L1 in das Traktionsnetz (7 in 1). In einem zweiten Schaltzustand sind beide Transistor T1 und T2 offen. In diesem zweiten Schaltzustand fließt Strom über die Spule L1 und Diode D2 in das Traktionsnetz (7 in 1), wobei an Diode D2 hohe Verluste entstehen. In einem dritten Schaltzustand ist Transistor T1 offen und Transistor T2 geschlossen. In diesem dritten Schaltzustand fließt Strom über die Spule L1 und Transistor T2 ohne Verluste ins Traktionsnetz (7 in 1). In einem vierten Schaltzustand sind beide Transistor T1 und T2 beide offen. Dieser vierte Schaltzustand entspricht dem zweiten Schaltzustand.
Mittels der Steuersignale 24 kann ein Tastverhältnis gesteuert werden, das bei einem Tiefsetzsteller den Proportionalitätsfaktor bestimmt, mit dem die Quellspannung Ubatt in die Ausgangsspannung U1 überführt wird.
Zur zusätzlichen Glättung der Ausgangsspannung U1 ist in dem Ausführungsbeispiel ein Glättungskondensator C1 zum Ausgang 25 des Spannungswandlers 9 parallel geschaltet.
Der Spannungswandler 9 dieses Ausführungsbeispiels weist einen Schalter S1 auf, der es ermöglicht, zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand zu wechseln. Im ersten Betriebszustand (offener Schalter S1) arbeitet der Spannungswandler 9 als Tiefsetzsteller und setzt die Quellspannung Ubatt auf eine Ausgangsspannung U1 tief. Im zweiten Betriebszustand (geschlossener Schalter S1) arbeitet der Spannungswandler 9 als Durchschalter und schaltet die Quellspannung Ubatt ohne Tiefsetzung zum Ausgang 25 durch, so dass die Ausgangsspannung U1 gleich der Quellspannung Ubatt ist. Der Schalter S1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Schütz ausgebildet, der mittels eines elektrischen Steuersignals geschaltet werden kann. Alternativ könnte der Schalter S1 auch als Feldeffekttransistor, insbesondere als MOSFET realisiert werden. Ein MOSFET hat den Vorteil, dass der Schalter S1 einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
In noch einer alternativen Ausführungsform kann der Schalter S1 funktional auch durch die Transistoren (T1, T2 in 1) eines Spannungswandlers realisiert werden, welche die Funktion Tiefsetzung der Quellspannung übernehmen. In dieser Ausführungsform wird Transistor T1 dauerhaft geschlossen und Transistor T2 geöffnet. In diesem Fall ergibt sich das Tiefsetzverhältnis, mit dem die Quellspannung Ubatt in die Ausgangsspannung U1 überführt wird, durch die Verluste an der Spule L1.
Der Schalter S1 wird mittels elektrischer Signale einer Steuereinheit (nicht gezeigt) angesteuert. Diese Steuereinheit kann beispielsweise auch die Vorgaben für die Spannungswandlung für die Ansteuerung 20 vorgeben, beispielsweise den Proportionalitätsfaktor der Spannungswandlung. Der Spannungswandler kann entsprechende Steuersignale beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem, oder einer anderen Steuerzentrale wie beispielsweise einer Motorsteuerung erhalten. Die entsprechenden Steuersignale können dem Spannungswandler über ein elektronischen Kommunikationspfad wie beispielsweise ein Fahrzeugbussystem auf dem Fachmann bekannte Weise bereitgestellt werden. Die Steuerzentrale kann die Steuerung des Spannungswandlers in Abhängigkeit von anderen Zustandsgrößen vornehmen, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands der Traktionsbatterie, die dem Batteriemanagementsystem bekannt ist.
Der Spannungswandler 9 dieses Ausführungsbeispiels kann bidirektional betrieben werden. In einer Richtung setzt der Spannungswandler 9 eine hohe Spannung der Traktionsbatterie 8 auf eine niedrigere Spannung des Traktionsnetzes 7 herab und speist elektrische Energie aus der Traktionsbatterie 8 in das Traktionsnetz 7 ein. In einer umgekehrten Richtung setzt Spannungswandler 9 eine niedrige Spannung des Traktionsnetzes 7 auf eine höhere Spannung der Traktionsbatterie 8 hoch und führt elektrische Energie aus dem Traktionsnetz der Traktionsbatterie 8 zu.
3 zeigt schematisch den Spannungsverlauf einer Traktionsbatterie in Abhängigkeit ihres Ladezustands. Der Ladezustandswert (auch genannt „State of Charge“, kurz SoC) ist ein Kennwert für den Ladezustand von Batterien. Der Ladezustandswert kennzeichnet die noch verfügbare Ladungsmenge einer Batterie im Verhältnis zum Nominalwert, d.h. von der verfügbaren Ladungsmenge im vollgeladenen Zustand. Der Ladezustandswert wird in Prozent vom Nominalwert angegeben. Ein Ladezustandswert von 50 % bedeutet beispielsweise, dass die Batterie noch eine Restladung von 50 % bezogen auf die Vollladung von 100 % hat. Ein Batteriemodul mit einer nominalen Kapazität von 28 Ah hat beispielsweise bei einem Ladezustandswert von 50 % nur noch eine entnehmbare Ladungsmenge von 14 Ah. Der Ladezustandswert eines Batteriemoduls kann auf die dem Fachmann bekannte Weise ermittelt werden, beispielsweise durch Spannungsmessung, auf stromintegrativer Basis, durch Messung der Impedanz, bei Batterien mit flüssigem Elektrolyt auf chemischer Basis, oder bei NiMH-Akkus mittels der Abhängigkeit des Ladezustandswertes vom inneren Druck. Die Methode der Spannungsmessung benutzt zur Bestimmung des Ladezustandswertes vorgegebene Entladekurven. Bei der stromintegrativen Methode wird der Ladezustandswert über den Batteriestrom während einer Integrationszeit ermittelt. Ferner ist auch eine Kombination zweier oder mehrerer der genannten Verfahren möglich.
Bei maximalem Ladezustand SoC (gleich oder nahe 100 %) liegt die Spannung der Traktionsbatterie beispielhaft bei einer Ladeschlussspannung von Ubattmax = 550 V. Diese Ladeschlussspannung Ubattmax ist größer als die Spannungsobergrenze Umax eines Traktionsnetzes, die hier beispielhaft als Umax = 400 V angenommen wird. Der Spannungswandler arbeitet in diesem Bereich hoher Ladezustandswerte in einem Betriebsmodus, in dem er die Spannung Ubatt auf die maximal erlaubte Grenzspannung Umax tiefsetzt. Mit abnehmendem Ladezustand SoC sinkt die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie ab. Bei einem Ladezustand von etwa 70 % erreicht die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie die Spannungsobergrenze Umax des Traktionsnetzes von 400 V. Ab hier ist ein Tiefsetzen der Spannung Ubatt der Traktionsbatterie nicht mehr erforderlich. Der Spannungswandler wird in seinen zweiten Betriebsmodus geschaltet, in dem er die Traktionsspannung Ubatt ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet. Mit zunehmender Entleerung der Traktionsbatterie fällt die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie weiter ab, bis sie bei vollständiger Entleerung der Traktionsbatterie eine Entladeschlussspannung von Ubattmin von hier beispielhaften 300 V erreicht. Ein erfindungsgemäßer Spannungswandler arbeitet demnach in zwei Betriebszuständen. Bei einer Spannung der Traktionsbatterie, die größer ist als die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes, arbeitet der Spannungswandler in einem ersten Betriebszustand, in dem er die Spannung der Traktionsbatterie auf die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt. Dieser Betriebszustand ist im Diagramm der 3 durch Doppelpfeil 30 gekennzeichnet. Bei einer Spannung der Traktionsbatterie, die kleiner ist als die (oder gleich ist zur) Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes, arbeitet der Spannungswandler in einem zweiten Betriebszustand, in dem er die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet. Dieser Betriebszustand ist im Diagramm der 3 durch Doppelpfeil 31 gekennzeichnet. In 3 ist ferner auch eine Nominalspannung Ubattnom der Traktionsbatterie eingezeichnet, die hier beispielhaft Ubattnom = 384 V beträgt.
4 zeigt schematisch eine beispielhafte Fahrbetriebsauswahl eines Plugin-Hybridfahrzeugs in Abhängigkeit des Ladezustands SoC einer Traktionsbatterie. Die Traktionsbatterie wird durch externes Laden bis zu einem maximalen Ladezustand von 95 % aufgeladen. Bis zu einem Ladezustand von 25 % erfolgt ein rein elektrischer Fahrbetrieb. Dieser rein elektrische Fahrbetrieb ist in 4 durch den Doppelpfeil 32 gekennzeichnet. Zwischen einem Ladezustand von 25 % und einem minimalen Ladezustand von 10 % erfolgt ein hybridischer Fahrbetrieb. Dieser hybridische Fahrbetrieb ist in 4 durch einen Doppelpfeil 33 gekennzeichnet. Ein Vergleich der Fahrzustände der 4 mit den Schaltbereichen des Spannungswandlers aus 3 zeigt, dass ein erfindungsgemäßer Spannungswandler im hybridischen Fahrbetrieb in seinem zweiten Betriebszustand (31) gehalten werden kann, in dem er als Durchschalter arbeitet und die Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung an das Traktionsnetz übergibt.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Verbrennungsmotor
3: elektrische Maschine
4: Getriebe
5: Antriebsachse
6: Umrichter (Leistungselektronik)
7: Traktionsnetz
8: Traktionsbatterie
9: erster Spannungswandler
10: zweiter Spannungswandler
11: Niedervoltbordnetz
12: Hochvoltverbraucher (z.B. Klimakompressor)
20: Ansteuerung
21: Anschlüsse für Quellspannung Ubatt
22: Schalteinheit
23: Schalteinheit
24: Steuersignale
25: Anschlüsse für Ausgangsspannung U1
T1: Transistor
T2: Transistor
D1: Diode
D2: Diode
C1: Kondensator
L1: Spule
S1: Schalter (z.B. Schütz)
U1: Quellspannung (z.B. von Traktionsbatterie)
U2: Ausgangsspannung (z.B. für Traktionsnetz)
30: erster Betriebszustand (Tiefsetzsteller)
31: zweiter Betriebszustand (Durchschalter)
32: elektrischer Betrieb
33: hybridischer Betrieb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1889349 [0006]
DE 102012200577 A1 [0007]

Claims

Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler (9), einer Traktionsbatterie (8) und einem Traktionsnetz (7), dadurch gekennzeichnet, dass: der Spannungswandler (9) einen ersten Betriebszustand (30) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannung (U1) des Traktionsnetzes (7) tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand (31) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz (7) durchschaltet.
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1, wobei der Spannungswandler (9) so ausgelegt ist, dass er im ersten Betriebszustand (30) die Spannung der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannungsobergrenze (Umax) des Traktionsnetzes tiefsetzt.
Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandler (9) ferner einen Schalter (S1) umfasst, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand (30), in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet, und dem zweiten Betriebszustand (31), in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet, ermöglicht.
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 3, wobei der Schalter (S1) des Spannungswandlers (9) als Schütz, oder als Feldeffekttransistor, insbesondere als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFET oder IGBT ausgebildet ist.
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 3, wobei der Schalter (S1) funktional in Transistoren (T1, T2) des Spannungswandlers (9) realisiert ist, welche auch die Funktion der Spannungswandlung übernehmen.
Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandlers (9) zwischen die Traktionsbatterie (8) und das Traktionsnetz (7) gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 6, bei dem die Traktionsbatterie (8) bei hohen Werten des Ladezustands (SoC) eine elektrische Spannung (Ubatt) aufweist, die höher ist als die Grenzspannung (Umax) des Traktionsnetzes (7).
Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Traktionsnetz (7) eine Leistungselektronik (6) umfasst, die elektrische Energie aus dem Traktionsnetz (7) für den Betrieb einer elektrischen Maschine (3) umsetzt.
Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 6–8, ferner umfassend ein Niedervoltbordnetz (11) und einen weiteren Spannungswandler (10), der das Niedervoltbordnetz (12) an das Traktionsnetz (7) koppelt, die elektrische Spannung (U1) des Traktionsnetzes (7) auf das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes herabsetzt und elektrische Energie aus dem Traktionsnetz (7) dem Niedervoltbordnetz (11) zuführt.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Traktionsbatterie (8), einem Traktionsnetz (7) und einem Spannungswandler (9) nach einem der Ansprüche 1–5, der zwischen die Traktionsbatterie (8) und das Traktionsnetz (7) gekoppelt ist, umfassend Ermitteln der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie (8), Ansteuern des Spannungswandlers (9) derart, dass dieser in einen ersten Betriebszustand (30) versetzt wird, in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannungsgrenze (Umax) des Traktionsnetzes (7) tiefsetzt, falls die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie über der Spannungsgrenze (Umax) des Traktionsnetzes (7) liegt, und Ansteuern des Spannungswandlers (9) derart, dass dieser in einen zweiten Betriebszustand (31) versetzt wird, in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz (7) durchschaltet, falls die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie kleiner oder gleich ist der Spannungsgrenze (Umax) des Traktionsnetzes (7).