DE102016116455A1 - Elektrisches Netz für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Netz für ein Kraftfahrzeug (10), mit: einem Hochspannungsteilnetz (24), an dem eine elektrische Maschine (14) angeschlossen ist, einem Niederspannungsteilnetz (32), an dem wenigstens ein Niederspannungsbauelement (34, 36) angeschlossen ist, wobei das wenigstens eine Niederspannungsbauelement (34, 36) als elektrische Energiequelle und/oder als elektrischer Verbraucher ausgebildet ist, wobei das Hochspannungsteilnetz (24) und das Niederspannungsteilnetz (32) über einen Gleichspannungswandler (30) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei der Gleichspannungswandler (30) dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in zwei entgegengesetzten Richtungen (38) zwischen den Spannungsteilnetzen (34, 32) auszutauschen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Netz für ein Kraftfahrzeug, mit einem Hochspannungsteilnetz, an dem eine elektrische Maschine angeschlossen ist, einem Niederspannungsteilnetz, an dem wenigstens ein Niederspannungsbauelement angeschlossen ist, wobei das wenigstens eine Niederspannungsbauelement als elektrische Energiequelle und/oder als elektrischer Verbraucher ausgebildet ist, wobei das Hochspannungsteilnetz und das Niederspannungsteilnetz über einen Gleichspannungswandler elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Netz, das ein Niederspannungsnetzteil und ein Hochspannungsnetzteil aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verteilung von elektrischer Energie in einem elektrischen Netz eines Kraftfahrzeugs, mit einem Hochspannungsteilnetz, an dem eine elektrische Maschine angeschlossen ist, einem Niederspannungsteilnetz, an dem wenigstens ein Niederspannungsbauelement angeschlossen ist, wobei das wenigstens eine Niederspannungsbauelement als elektrische Energiequelle und/oder als elektrischer Verbraucher ausgebildet ist, wobei die Spannungsteilnetze über einen Gleichspannungswandler miteinander verbunden sind.
  • Die Bordnetzstruktur in einem Kraftfahrzeug weist üblicherweise zwei unterschiedliche Teilnetze auf, die unterschiedliche elektrische Spannungen bereitstellen und in denen unterschiedliche elektrische Bauelemente als elektrische Quellen und/oder Senken integriert sind. Das Niederspannungsteilnetz der Bordnetzstruktur weist üblicherweise eine Bordnetzspannung von 12 V auf und wird über einen Gleichspannungswandler aus dem Hochspannungsbordnetz mit elektrischer Energie und mit entsprechend hoher elektrischer Spannung versorgt.
  • Ein Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Bordnetz ist beispielsweise gezeigt in der US 8,437,910 B2 .
  • In modernen Kraftfahrzeugen besteht jedoch die Anforderung, zusätzlich zur 12 V Spannungsversorgung eine Spannungsversorgung mit 48 V bereitzustellen, wofür üblicherweise ein zusätzlicher Gleichspannungswandler und ein zusätzlicher elektrischer Energiespeicher in das Bordnetz im Allgemeinen integriert werden, um ein drittes Spannungsteilnetz zu erzeugen. Nachteilig dabei ist es, dass durch die zusätzlichen Komponenten die Spannungsversorgung in dem Bordnetz technisch aufwändig und mit hohen Kosten verbunden ist.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit technisch geringem Aufwand und geringen Kosten ein elektrisches Netz für ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Verteilung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen, um elektrische Verbraucher im Kraftfahrzeug mit einer Spannung eines zusätzlichen Spannungswertes zu versorgen.
  • Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten elektrischen Netz dadurch gelöst, dass der Gleichspannungswandler dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in zwei entgegengesetzten Richtungen zwischen den Spannungsteilnetzen auszutauschen.
  • Diese Aufgabe wird ferner bei dem eingangs genannten Kraftfahrzeug gelöst durch ein elektrisches Netz gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Diese Aufgabe wird schließlich bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass der elektrische Energiewandler elektrische Energie in Abhängigkeit einer Spannung in einem der Spannungsteilnetze in einer ersten oder einer zweiten Richtung überträgt.
  • Dadurch, dass der Gleichspannungswandler in zwei entgegengesetzten Richtungen elektrische Energie übertragen kann und entsprechend die Spannung auf beiden Seiten des Gleichspannungswandlers einstellen kann, kann das Niederspannungsteilnetz aus dem Hochspannungsteilnetz direkt und separat versorgt werden, so dass eine notwendige Spannung für einen Verbraucher des Niederspannungsteilnetzes auch ohne zusätzliches Steuergerät und zusätzlichen Niederspannungsspeicher bereitgestellt werden kann. Dadurch kann auf den zusätzlichen elektrischen Energiespeicher verzichtet werden, wodurch der technische Aufwand und die Kosten für das elektrische Netz des Kraftfahrzeugs reduziert werden können.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wechselt der Gleichspannungswandler eine elektrische Energieflussrichtung zwischen den Teilnetzen in Abhängigkeit einer Spannung in einem der Spannungsteilnetze.
  • Dadurch ist ein Energieaustausch zwischen den Teilnetzen mit technisch geringem Aufwand in Abhängigkeit der aktuell bereitgestellten Spannung in den Teilnetzen möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wechselt der Gleichspannungswandler die Energieflussrichtung in Abhängigkeit der Spannung in dem Niederspannungsteilnetz.
  • Dadurch kann elektrische Energie aus dem Niederspannungsteilnetz mit technisch geringem Aufwand in das Hochspannungsteilnetz eingespeist und für den Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Gleichspannungswandler den elektrischen Energiefluss in Richtung des Hochspannungsteilnetzes ein, sofern eine Spannung in dem Niederspannungsteilnetz einen Schwellwert überschreitet.
  • Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand eine erhöhte Spannung in dem Niederspannungsteilnetz reduziert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Gleichspannungswandler eine Energieflussrichtung in Richtung des Niederspannungsteilnetzes bereit, sofern die Spannung in dem Niederspannungsteilnetz einen Schwellwert unterschreitet.
  • Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand ein Spannungsabfall in dem Niederspannungsteilnetz abgefangen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Hochspannungsteilnetz einen elektrischen Energiespeicher auf.
  • Dadurch kann elektrische Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs in dem Hochspannungsteilnetz gespeichert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Hochspannungsteilnetz einen Spannungswert größer als 100 V auf.
  • Dadurch kann die elektrische Maschine zum Antreiben des Fahrzeugs die notwendige Traktionsleistung bereitstellen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Niederspannungsteilnetz eine Spannung kleiner als 60 V, insbesondere 36 ... 59 V auf.
  • Dadurch kann eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie versorgt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Niederspannungsteilnetz keinen elektrischen Energiespeicher auf.
  • Dadurch kann der technische Aufwand des elektrischen Netzes im Allgemeinen reduziert werden.
  • Insgesamt kann durch das elektrische Netz und die individuelle Bereitstellung einer Gleichspannung in dem Niederspannungsteilnetz eine individuelle Spannungsversorgung im Kraftfahrzeug bereitgestellt werden, wobei auf ein weiteres separates Teilnetz im Kraftfahrzeugbordnetz verzichtet werden kann und entsprechend auf einen zusätzlichen Energiespeicher sowie ein zusätzliches Steuergerät verzichtet werden kann. Dadurch kann ein zusätzlicher Spannungswert mit technisch geringem Aufwand und geringen Kosten im Kraftfahrzeug bereitgestellt werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Netz, das zwei unterschiedliche Teilnetze aufweist.
  • 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 zur Bereitstellung von Antriebsleistung beinhaltet. Der Antriebsstrang 12 dient zum Antreiben von angetriebenen Rädern 16L, 16R des Kraftfahrzeugs 10.
  • Die elektrische Maschine 14 ist über eine Motorwelle 18 mit einem Getriebe 20 verbunden, wobei die elektrische Maschine 14 an der Antriebswelle 18 ein Drehmoment t bereitstellt und wobei die Antriebswelle 18 mit einer einstellbaren Drehzahl n rotiert. Das Getriebe 20 ist über ein Differenzial 22 mit den angetriebenen Rädern 16R, 16L verbunden.
  • Zum Antreiben der elektrischen Maschine 14 bzw. zum Bestromen der elektrischen Maschine 14 ist die elektrische Maschine 14 im Allgemeinen über ein Hochspannungsteilnetz 24 mit einem elektrischen Energiespeicher 26 bzw. einer Hochspannungstraktionsbatterie 26 verbunden. Der elektrische Energiespeicher 26 ist dabei über eine Steuereinheit 28 mit der elektrischen Maschine 14 verbunden, um die elektrische Maschine 14 entsprechend anzutreiben bzw. zu bestromen. Das Hochspannungsteilnetz 24 ist ferner über einen Gleichspannungswandler 30 mit einem Niederspannungsteilnetz 32 elektrisch verbunden bzw. verbindbar, wobei das Niederspannungsteilnetz 32 im Allgemeinen mit elektrischen Niederspannungsbauelementen 34, 36, wie zum Beispiel eine elektrische Wankstabilisierung 34 oder einen Klimaprozessor 36 verbunden ist. Die elektrischen Niederspannungsbauteile 34, 36 können sowohl als elektrische Energiequelle als auch als elektrische Energiesenke ausgebildet sein bzw. sowohl elektrische Energie aufnehmen als auch abgeben, je nach Anwendung.
  • Der Gleichspannungswandler 30 ist dazu ausgebildet, sowohl elektrische Energie aus dem Niederspannungsteilnetz 32 in das Hochspannungsteilnetz 24 einzuspeisen als auch elektrische Energie aus dem Hochspannungsteilnetz 24 in das Niederspannungsteilnetz 32 einzuspeisen, wie es durch einen Pfeil 38 angedeutet ist.
  • Das Hochspannungsteilnetz 24 weist eine Spannung von größer als 100 V oder 800 V auf und wird durch die elektrische Maschine 14 durch Rekuperation oder durch den elektrischen Energiespeicher 26 mit Spannung versorgt. Das Niederspannungsteilnetz 32 wird über den Gleichspannungswandler 30 mit elektrischer Energie versorgt und es wird entsprechend eine elektrische Spannung in dem Niederspannungsteilnetz 32 von 36 ... 59 V und typischerweise 48 V über den Gleichspannungswandler 30 eingestellt. Durch den bidirektionalen Gleichspannungswandler 30 wird demnach der sonst übliche elektrische Energiespeicher ersetzt.
  • Um die Spannung in dem Niederspannungsteilnetz 32 auf 48 V einstellen zu können, muss der Gleichspannungswandler 30 einen Energiefluss in beide Richtungen ermöglichen, wie es durch den Pfeil 38 angedeutet ist. Ferner müssen hohe transiente Leistungsanforderungen umgesetzt werden.
  • Im Betrieb wird die Spannung in dem Niederspannungsteilnetz 32 kontinuierlich erfasst und über den Gleichspannungswandler 30 auf 48 V eingeregelt. Sofern elektrische Energie von den Niederspannungsbauelementen 34, 36 aufgenommen wird und die Spannung in dem Niederspannungsteilnetz 32 sinkt, regelt der Gleichspannungswandler 30 durch Einspeisung elektrischer Energie aus dem Hochspannungsteilnetz 24 entsprechend nach. Sofern die Spannung in dem Niederspannungsteilnetz 32 steigt, beispielsweise durch Einspeisung zusätzlicher elektrischer Energie durch die Niederspannungsbauelemente 34, 36, regelt der Gleichspannungswandler 30 die Spannung nach durch Einspeisung elektrischer Energie aus dem Niederspannungsteilnetz 32 in das Hochspannungsteilnetz 24.
  • Zur Regelung der Spannung in dem Niederspannungsteilnetz 32 ist entsprechend eine obere Grenzspannung als Schwellwert bzw. als maximal zulässige Bordnetzspannung in dem Niederspannungsteilnetz 32 sowie eine untere Grenzspannung als Schwellwert bzw. als minimal zulässige Bordnetzspannung in dem Hochspannungsteilnetz 24 definiert und bestimmt entsprechend, in welche Richtung der Gleichspannungswandler 30 elektrische Energie zwischen den Spannungsteilnetzen 24, 32 austauscht.
  • Durch dieses Konzept der zwei Spannungsteilnetze 24, 32 mit dem bidirektionalen Gleichspannungswandler 30 kann entsprechend auf ein Steuergerät sowie einen elektrischen Energiespeicher im Niederspannungsteilnetz 32 verzichtet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8437910 B2 [0005]

Claims (10)

  1. Elektrisches Netz für ein Kraftfahrzeug (10), mit: – einem Hochspannungsteilnetz (24), an dem eine elektrische Maschine (14) angeschlossen ist, – einem Niederspannungsteilnetz (32), an dem wenigstens ein Niederspannungsbauelement (34, 36) angeschlossen ist, wobei das wenigstens eine Niederspannungsbauelement (34, 36) als elektrische Energiequelle und/oder als elektrischer Verbraucher ausgebildet ist, wobei das Hochspannungsteilnetz (24) und das Niederspannungsteilnetz (32) über einen Gleichspannungswandler (30) elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (30) dazu ausgebildet ist, elektrische Energie in zwei entgegengesetzten Richtungen (38) zwischen den Spannungsteilnetzen (34, 32) auszutauschen.
  2. Elektrisches Netz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (30) eine elektrische Energieflussrichtung (38) zwischen den Teilnetzen (24, 32) in Abhängigkeit einer Spannung in einem der Spannungsteilnetze (24, 32) wechselt.
  3. Elektrisches Netz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (30) die Energieflussrichtung (38) in Abhängigkeit der Spannung in dem Niederspannungsteilnetz (32) wechselt.
  4. Elektrisches Netz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (30) den elektrischen Energiefluss (38) in Richtung des Hochspannungsteilnetzes (24) bereitstellt, sofern eine Spannung in dem Niederspannungsteilnetz (32) einen Schwellwert überschreitet.
  5. Elektrisches Netz nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler (30) eine Energieflussrichtung (38) in Richtung des Niederspannungsteilnetzes (32) bereitstellt, sofern die Spannung in dem Niederspannungsteilnetz (32) einen Schwellwert unterschreitet.
  6. Elektrisches Netz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochspannungsteilnetz (24) einen elektrischen Energiespeicher (26) aufweist.
  7. Elektrisches Netz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochspannungsteilnetz (24) einen Spannungswert größer als 100 V aufweist.
  8. Elektrisches Netz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederspannungsteilnetz (32) eine Spannung von kleiner als 60 V, insbesondere 36–58 V, aufweist.
  9. Elektrisches Netz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederspannungsteilnetz (32) keinen elektrischen Energiespeicher aufweist.
  10. Verfahren zur Verteilung von elektrischer Energie in einem elektrischen Netz eines Kraftfahrzeugs (10), mit – einem Hochspannungsteilnetz (24), an dem eine elektrische Maschine (14) angeschlossen ist, – einem Niederspannungsteilnetz (32), an dem wenigstens ein Niederspannungsbauelement (34, 36) angeschlossen ist, wobei das wenigstens eine Niederspannungsbauelement (34, 36) als elektrische Energiequelle und/oder als elektrischer Verbraucher ausgebildet ist, wobei die Spannungsteilnetze über einen Gleichspannungswandler(30) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Gleichspannungswandler (30) elektrische Energie in Abhängigkeit einer Spannung in einem der Spannungsteilnetze (24, 32) in einer ersten oder einer zweiten Richtung überträgt.
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