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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer ersten und einer zweiten elektrischen Potentialleitung, wobei das Bordnetz ausgebildet ist, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden, wobei das Bordnetz wenigstens einen Y-Kondensator aufweist, der mit einem ersten Anschluss mit einer der Potentialleitungen und mit einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bordnetz wenigstens eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung umfasst, wobei die Potentialleitungen in einem bestimmungsgemäßen Betrieb mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt werden, und wobei wenigstens eine der Potentialleitungen mittels wenigstens eines Y-Kondensators mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt wird.
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Gattungsgemäße elektrische Bordnetze von Kraftfahrzeugen sowie Kraftfahrzeuge sind dem Grunde nach im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Kraftfahrzeuge weisen in der Regel ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Einrichtungen und Einheiten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Einrichtungen und Einheiten miteinander in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln.
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An dem elektrischen Bordnetz ist zumindest ein Teil der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten angeschlossen. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Kraftfahrzeugs. Nicht nur aber besonders bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist es darüber hinaus erforderlich, zumindest in bestimmten Zeitabschnitten dem Kraftfahrzeug elektrische Energie für den bestimmungsgemäßen Betrieb zuzuführen. Zu diesem Zweck ist das elektrische Bordnetz mittels einer Ladeeinheit mit einer kraftfahrzeugexternen Ladestation elektrisch koppelbar. Im gekoppelten Zustand, der zum Beispiel durch eine leitungsgebundene elektrische Verbindung zur Ladestation hergestellt sein kann, kann dem Kraftfahrzeug, insbesondere einer Fahrzeugbatterie des Kraftfahrzeugs, die vom Bordnetz umfasst oder zumindest an das Bordnetz angeschlossen ist, elektrische Energie von der Ladestation zugeführt werden.
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Gerade elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge verfügen in der Regel über eine elektrische Antriebseinrichtung, die zumindest teilweise dem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs dient. Damit das Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb mit elektrischer Energie versorgt werden kann, umfasst das elektrische Bordnetz in der Regel einen elektrischen Energiespeicher, hier die Fahrzeugbatterie, die vorzugsweise nach Art eines Akkumulators, beispielsweise durch eine Hochvolt-Batterie oder dergleichen, gebildet ist. Während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs reduziert sich der Energieinhalt der Fahrzeugbatterie mit der Zeit, wodurch bei Erreichen eines vorgebbaren unteren Ladungszustands ein Aufladen der Fahrzeugbatterie erforderlich wird. Die hierfür benötigte elektrische Energie wird von der Ladestation bereitgestellt, zu welchem Zweck das Kraftfahrzeug an der Ladestation während des Zuführens von elektrischer Energie abgestellt und mit dieser elektrisch gekoppelt wird.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist insbesondere ein schienenungebundenes Fahrzeug, welches die elektrische Antriebseinrichtung aufweist, mittels der das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb zumindest teilweise angetrieben werden kann. Die elektrische Antriebseinrichtung weist hierfür üblicherweise eine oder mehrere rotierende elektrische Maschinen auf, die mittels eines geeignet ausgebildeten Energiewandlers in vorgebbarer Weise gesteuert werden können. Zu diesem Zweck ist der Energiewandler dazu ausgebildet, für die rotierenden elektrischen Maschinen eine jeweilige Maschinenspannung bereitzustellen. Ein derartiger Energiewandler kann zum Beispiel ein Wechselrichter, ein Gleichspannungswandler, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, und/oder dergleichen sein.
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Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Bei einem Elektrofahrzeug ist die elektrische Antriebseinrichtung in der Regel die einzige Einrichtung, die dem Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs dient. Bei einem Hybridfahrzeug ist dagegen üblicherweise eine weitere Antriebseinrichtung vorhanden, die in der Regel in Form einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein kann. Die Verbrennungskraftmaschine kann ebenso für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb genutzt werden wie die elektrische Antriebseinrichtung. Es können auch beide Antriebseinrichtungen kombiniert miteinander betrieben werden. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Kraftwagen, vorzugsweise ein Personenkraftwagen.
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Um Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie auch von Netzdrückwirkungen, insbesondere auch während eines Ladevorgangs einhalten zu können, ist es bisher üblich, eine entsprechende Filtereinheit im Kraftfahrzeug anzuordnen. Die Filtereinheit kann zum Beispiel im Bereich der Ladeeinheit des Kraftfahrzeugs und/oder auch im Bereich der Ladestation angeordnet sein. Darüber hinaus können Filtereinheiten zumindest teilweise auch innerhalb des Bordnetzes angeordnet sein, insbesondere können sie auch zumindest teilweise von einer oder mehrerer der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten umfasst sein.
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Sowohl die Filtereinheit als auch die elektrischen Einrichtungen sowie Einheiten des elektrischen Bordnetzes, insbesondere auch wenn sie mit Hochvolt betrieben werden, verfügen üblicherweise zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit über Y-Kondensatoren. Solche Y-Kondensatoren können auch ladestationsseitig vorgesehen sein. Die Wirkung von Y-Kondensatoren im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere der Funkentstörung, ist dem Fachmann bekannt, sodass es diesbezüglich keiner gesonderten weiteren Erläuterung bedarf. Im Übrigen wird auf die diesbezügliche Normung verwiesen, so zum Beispiel die Richtlinie 2013/30/EU über die elektromagnetische Verträglichkeit, EM 61000 und weitere.
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Aus Gründen der elektrischen Sicherheit soll die in sämtlichen Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten. Ein solcher Wert beträgt zum Beispiel 0,2 J. Dies führt regelmäßig zu einer konstruktiven Auslegung, dass Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren kraftfahrzeugseitig in der Regel kleiner gewählt werden, als sie für eine ordnungsgemäße Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf die elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten, die an das elektrische Bordnetz angeschlossen sind, notwendig wären.
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Bei aktuellen elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, beispielsweise Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dergleichen, bei denen das elektrische Bordnetz mit Hochvolt beaufschlagt ist, sind in den elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten, beispielsweise einem Wechselrichter einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs, an den die rotierende elektrische Maschine zum Zwecke des Antreibens des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, entsprechende Filtereinheiten vorgesehen, durch welche Zuleitungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit oder dergleichen entstört werden können, insbesondere in Bezug auf leitungsgebundene Funkstörungen, sodass in einem geschirmten Leitungssystem des elektrischen Bordnetzes ein maximal zulässiger Störpegel beziehungsweise durch die elektromagnetische Verträglichkeit vorgegebene Grenzwerte eingehalten werden können.
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In diesem Zusammenhang meint Hochvolt eine elektrische Gleichspannung, die größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.
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Als problematisch hat es sich unter anderem herausgestellt, wenn das Kraftfahrzeug mittels einer Wechselspannung von der Ladestation geladen werden soll. In einem solchen Fall erweist sich die kraftfahrzeugseitig vorgesehene Gesamtkapazität an Y-Kondensatoren als hinderlich, weil diese Y-Kondensatoren auch einen Ableitstrom verursachen können, der ladestationsseitig zu einer Störungsauslösung führen kann und/oder insgesamt einen zulässigen Wert für Ableitströme bei elektrischen Anlagen überschreiten kann, wie dies beispielsweise in der Normung angegeben ist, so zum Beispiel in der Norm DIN EN 61800 oder dergleichen. Diese Problematik kann dem Grunde nach nur durch Reduktion der Kapazitätswerte der im Kraftfahrzeug vorgesehenen Y-Kondensatoren gelöst werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass dadurch der Aufwand für die Filtereinheiten erheblich vergrößert sein kann.
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Darüber hinaus ist es insbesondere beim Aufladen mittels einer Gleichspannung erforderlich, dass ein Energieinhalt von sämtlichen wirksamen Y-Kondensatoren einen vorgegebenen Gesamtenergieinhalt nicht überschreitet. Aktuell ist hierfür ein maximaler Wert von 0,2 J vorgesehen, der nicht überschritten werden soll. Durch die Vielzahl der elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten des Kraftfahrzeugs und die steigende Leistung, beispielsweise bei Hochvolt-Komponenten, wird die Gesamtkapazität der vorhandenen Y-Kondensatoren immer größer, wodurch auch der dort gespeicherte Energieinhalt entsprechend der zunehmenden Gesamtkapazität zunimmt. Darüber hinaus ist zu beachten, dass insbesondere im Bereich Hochvolt der Energieinhalt der Y-Kondensatoren besonders kritisch ist, zumal zu beachten ist, dass die in den Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie quadratisch von der elektrischen Spannung der Y-Kondensatoren abhängig ist. Dadurch wird gerade im Bereich Hochvolt das Einhalten der Anforderung hinsichtlich des maximalen Energieinhalts in Bezug auf eine jeweilige der Potentialleitungen besonders schwierig. Gerade bei Kraftfahrzeugen erweist es sich als problematisch, sowohl Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit in Bezug auf die Energie der Y-Kondensatoren zugleich zu erfüllen.
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Würde das Kraftfahrzeug ausschließlich an einer speziell dafür entwickelten Ladestation geladen werden, könnte von den insbesondere genormten Vorgaben in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit teilweise abgewichen werden, beispielsweise in Bezug auf leitungsgebundene Störungen während eines Ladevorgangs. In diesem Szenario wäre dann die Ladestation entsprechend angepasst auszugestalten. Das gilt natürlich gleichermaßen für die Ladestation sowie auch für das Kraftfahrzeug. Dadurch, dass Entstöraufwand reduziert werden könnte, könnte sich dies auch auf die Kapazitätswerte von Y-Kondensatoren auswirken, wodurch die vorgeschriebene maximale Energie von kleiner als 0,2 J für jede der Potentialleitungen leichter eingehalten werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung hinsichtlich der Nutzbarkeit von Y-Kondensatoren zu erreichen.
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Als Lösung werden mit der Erfindung ein elektrisches Bordnetz und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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Bezüglich eines gattungsgemäßen elektrischen Bordnetzes wird insbesondere vorgeschlagen, dass ein Schaltelement zum Y-Kondensator in Reihe geschaltet ist.
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Bezüglich eines gattungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Y-Kondensator abhängig von einem Schaltzustand eines zum Y-Kondensator in Reihe geschalteten Schaltelements aktiviert wird.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass die Aktivität des wenigstens einen Y-Kondensators mittels des Schaltelements gesteuert werden kann. Dabei kann berücksichtigt werden, dass bei Vorgängen, bei denen es auf die elektrische Sicherheit und insbesondere auf eine maximal nicht zu überschreitende Energie in den Y-Kondensatoren ankommt, der wenigstens eine Y-Kondensator deaktiviert werden kann, um die Anforderungen hinsichtlich des Energieinhalts besser einhalten zu können. Dadurch wird hinsichtlich der elektrischen Sicherheit die Möglichkeit geschaffen, diese Anforderungen einzuhalten, wobei zugleich die Möglichkeit geschaffen wird, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Kraftfahrzeugs, bei dem die Frage des Energieinhalts der Y-Kondensatoren nicht relevant ist, dass Y-Kondensatoren aktiviert werden können, um insbesondere Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf leitungsgebundene Funkstörungen, besser einhalten zu können. Die Erfindung basiert also auf der Erkenntnis, dass die Funktion des wenigstens einen Y-Kondensators nicht in jedem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs verfügbar zu sein braucht. Der wenigstens eine Y-Kondensator kann somit bedarfsweise aktiviert beziehungsweise auch deaktiviert werden. Dadurch wird eine Vielzahl von Möglichkeiten geschaffen, die Funktionalität in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit sowie auch auf die elektrische Sicherheit einhalten zu können und zugleich eine große Flexibilität hinsichtlich der Ausgestaltung des Bordnetzes zu ermöglichen.
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So ist es zum Beispiel möglich, in einem Betriebszustand, bei dem es auf die gespeicherte elektrische Energie der Y-Kondensatoren ankommt, den wenigstens einen Y-Kondensator beziehungsweise bei mehreren Y-Kondensatoren wenigstens einen der mehreren Y-Kondensatoren mittels des jeweils zugeordneten Schaltelements zu deaktivieren, um die Anforderung hinsichtlich der maximalen Energie der Y-Kondensatoren in Bezug auf eine jeweilige der Potentialleitungen einhalten zu können. Dabei können insbesondere solche Y-Kondensatoren deaktiviert werden, die elektrischen Einrichtungen beziehungsweise Einheiten zugeordnet sind, die in dem aktuellen Betriebszustand ohnedies nicht aktiv sind. Wäre zum Beispiel während eines Ladevorgangs insbesondere mit Gleichspannung eine gesamte Kapazität der Y-Kondensatoren sehr groß, und zwar in Bezug auf die Kombination des Kraftfahrzeugs mit der Ladestation, so könnte, falls die gesamte gespeicherte Energie größer als 0,2 J je Potentialleitung sein sollte, durch entsprechendes Deaktivieren von Y-Kondensatoren in einem Energiewandler der Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs der Wert der Kapazität der Y-Kondensatoren reduziert werden, wenn diese Y-Kondensatoren mittels des jeweiligen Schaltelements deaktiviert werden. Hierbei kann berücksichtigt werden, dass während des Ladevorgangs der Betrieb des Energiewandlers in der Regel nicht erforderlich zu sein braucht.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass ermittelt wird, ob das Deaktivieren des wenigstens einen Y-Kondensators und die dadurch bewirkte Reduktion der gespeicherten Energie erfolgreich waren. Dies kann mittels einer Spannungsmessung erreicht werden. Falls das Deaktivieren des wenigstens einen Y-Kondensators nicht erfolgen, zum Beispiel aufgrund einer Fehlfunktion des Schaltelements sich wieder eine Energie in dem Y-Kondensator aufbaut oder dergleichen, kann das Einnehmen oder Beibehalten dieses Betriebszustands unterbunden beziehungsweise abgebrochen werden, um eine Gefahr in Bezug auf die elektrische Sicherheit zu vermeiden.
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Dabei braucht die Erfindung zum Beispiel nicht Verbraucher, insbesondere im Bereich Hochvolt, spannungsfrei zu schalten, zum Beispiel indem eine Schalteinrichtung bezüglich der Potentialleitungen geöffnet wird. Zwar kann auch auf diese Weise ein Deaktivieren der Y-Kondensatoren erreicht und die gespeicherte Energie für jede der Potentialleitungen reduziert werden, jedoch muss die Schalteinrichtung beziehungsweise das Relais dazu ausgebildet sein, im eingeschalteten Schaltzustand den Bemessungsstrom des Bordnetzes zuverlässig führen zu können. Dies würde daher eine sehr teure und große Schalteinrichtung, beispielsweise in Form eines Schützes oder dergleichen, erfordern.
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Der Vorteil der Erfindung ergibt sich unter anderem dadurch, dass aufgrund der reduzierten zu speichernden Energie in aktivierten Y-Kondensatoren eine Zertifizierung des Kraftfahrzeugs vereinfacht werden kann. Darüber hinaus brauchen insbesondere beim Ladevorgang mittels Gleichspannung keine aufwendigen Schalteinrichtungen beziehungsweise Schütze vorgesehen zu werden, mit denen deaktivierte elektrische Einrichtungen beziehungsweise Einheiten entsprechend vollständig vom Bordnetz getrennt werden können. Besonders relevant ist dies für ein Schnellladen mit Gleichspannung, wenn das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs für etwa 800 V oder mehr ausgelegt ist.
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Darüber hinaus kann vermieden werden, dass spezielle Ladestationen bereitgestellt werden müssen, die ausgebildet sind, eine erhöhte Energiemenge, die in Y-Kondensatoren des Fahrzeugs gespeichert wäre, zuzulassen. Ferner kann eine verbesserte Gestaltung von Eigenschaften in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit insbesondere von elektrischen Einrichtungen und Einheiten im Bereich Hochvolt erreicht werden, da größere Y-Kondensatoren genutzt werden können. Die Auslegung der Y-Kondensatoren kann somit für vorzugsweise sämtliche Betriebszustände, die auftreten können, separiert erfolgen, indem je nach Betriebszustand der wenigstens eine Y-Kondensator beziehungsweise auch bei mehreren Y-Kondensatoren einige der Y-Kondensatoren aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden können. Insgesamt kann eine Verringerung des Bauvolumens und der Kosten bei gleichzeitiger Erhöhung der Effizienz durch beispielsweise kleiner geschaltete Filtereinheiten erreicht werden. Darüber hinaus können gerade auch bei Energiewandlern Schaltelemente mit hohen Spannungsflankensteilheiten betrieben werden. Zugleich können die Schaltelemente, die mit den Y-Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, klein gehalten werden, insbesondere wenn sie nahezu stromlos geschaltet werden können. Der zusätzliche Aufwand für die Schaltelemente ist daher vergleichsweise gering.
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Das Schaltelement ist vorzugsweise unmittelbar mit dem Y-Kondensator in Reihe geschaltet und kann beispielsweise auch eine integrierte Baueinheit bilden, die nach Art des Y-Kondensators im Bordnetz angeschlossen wird. Das Schaltelement kann ein elektromechanisches Schaltelement sein, welches mittels einer Steuereinheit, beispielsweise einer Fahrzeugsteuerung des Kraftfahrzeugs, in geeigneter Weise gesteuert werden kann. Darüber hinaus kann das Schaltelement natürlich auch ein Halbleiterschaltelement sein, insbesondere ein Transistor, beispielsweise ein bipolarer Transistor, ein Feldeffekttransistor, aber auch ein Thyristor, insbesondere ein Gate-Turn-Off-Thyristor, Kombinationsschaltungen hiervon und/oder dergleichen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematisierte Ersatzschaltbilddarstellung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Elektrofahrzeugs bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit,
- 2 eine vereinfachte schematische Schaltbildansicht des Bordnetzes gemäß 1,
- 3 eine vereinfachte schematische Schaltbildansicht wie 2, bei der jedoch Y-Kondensatoren mittels Schaltelementen aktivierbar sind, und
- 4 eine vergrößerte Schaltbilddarstellung eines Bereichs aus 3.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand der Figuren weiter erläutert werden. In den Fign. ist vereinfacht schematisiert ein jeweiliges Hochvolt-Bordnetz 10 dargestellt, welches ein Hochvolt-Bordnetz eines nicht weiter dargestellten Elektrofahrzeugs als Kraftfahrzeug ist. Das Hochvolt-Bordnetz 10 kann neben den im Folgenden noch erläuterten Komponenten unter anderem auch die folgenden Komponenten umfassen: Eine Hochvoltbatterie, eine elektrische Maschine zum Zwecke des Antreibens des Elektrofahrzeugs, einen Wechselrichter, an den die elektrische Maschine angeschlossen ist und mittels dem die elektrische Maschine in vorgebbarer Weise gesteuert werden kann, eine elektrische Heizeinrichtung, einen elektrischen Klimakompressor, einen Gleichspannungswandler zur Bereitstellung eines Niedervolt-Bordnetzes, eine Ladeeinrichtung und eine Filtereinheit. In einem an eine ebenfalls nicht dargestellte Ladestation angeschlossenen Zustand sind neben Y-Kondensatoren 16, 18 des Hochvolt-Bordnetzes 10 des Elektrofahrzeugs auch Y-Kondensatoren der Ladestation gegebenenfalls zu berücksichtigen, insbesondere wenn es sich um eine Gleichspannungs-Ladestation handelt. Diese sind in den Fign. vorliegend jedoch nicht dargestellt.
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Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist es in der Regel erstrebenswert, Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren möglichst klein zu wählen. Dies steht in der Regel jedoch der Realisierung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf Funkstörungen, entgegen. Aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit ist es vielmehr erstrebenswert, Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren möglichst groß zu wählen, um eine gute Filterwirkung erreichen zu können. Für Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, insbesondere natürlich für Elektrofahrzeuge, erweist es sich somit als problematisch, sowohl Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch die Anforderungen in Bezug auf die elektrische Sicherheit, insbesondere bei Hochvolt, beispielsweise in Bezug auf die elektrische Energie, die durch die Y-Kondensatoren gespeichert werden kann, gleichzeitig zu erfüllen. Dabei soll für jede der Potentialleitungen des Hochvolt-Bordnetzes 10 eine elektrische Energie kleiner als 0,2 J sein.
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Y-Kondensatoren sind spezielle Kondensatoren, die häufig als Eingangs- oder Filterkondensatoren, insbesondere bei Hochvolt-Einrichtungen, eingesetzt werden, die mit einem ersten Anschluss an einer der Potentialleitungen des Hochvolt-Bordnetzes und mit einem zweiten Anschluss an einem elektrischen Bezugspotential elektrisch angeschlossen sind. Das elektrische Bezugspotential ist häufig eine Fahrzeugmasse 20 des Kraftfahrzeugs beziehungsweise des Elektrofahrzeugs. Ist das Elektrofahrzeug an die Ladestation angeschlossen, kann die Fahrzeugmasse auch mit dem Erdpotential elektrisch verbunden sein.
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Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist in der Regel auch eine Entladung der Kondensatoren, insbesondere der Y-Kondensatoren 16, 18 im Bereich des Hochvolt-Bordnetzes 10, vorgesehen. Je nach Schaltungsaufbau können auch X-Kondensatoren 26 vorgesehen sein, für die ebenfalls eine Entladungsfunktionalität außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs des Elektrofahrzeugs vorgesehen sein kann. Insbesondere kann eine aktive Entladung vorgesehen sein, die unter Berücksichtigung der Konstruktion des Bordnetzes 10 ausgelegt werden kann. Eine Hochvolt-Komponente sollte dazu ausgelegt sein, die Gesamtkapazität, die sich aus einer eigenen Kapazität der jeweiligen Hochvolt-Komponente und weiterer relevanter zusätzlicher Kapazitäten des Hochvolt-Bordnetzes 10 zusammensetzt, entladen zu können. Das aktive Entladen kann nicht nur für X-Kondensatoren, sondern insbesondere auch für Y-Kondensatoren vorgesehen sein.
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Darüber hinaus kann eine passive Entladung vorgesehen sein, die der Entladung von X-Kondensatoren außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs des Elektrofahrzeugs beziehungsweise des Bordnetzes dient. Die passive Entladung ist in der Regel nur für X-Kondensatoren vorgesehen.
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1 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung für ein Ersatzschaltbild des Hochvolt-Bordnetzes 10 des Elektrofahrzeugs, in welchem lediglich die für die elektromagnetische Verträglichkeit und die elektrische Sicherheit relevanten Komponenten dargestellt sind. Das Hochvolt-Bordnetz 10 weist eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung 12, 14 auf. Die erste elektrische Potentialleitung 12 ist dem elektrischen Potential HV+ und die zweite elektrische Potentialleitung 14 ist dem elektrischen Potential HVzugeordnet. Zwischen den elektrischen Potentialen HV+ und HV- liegt eine Gleichspannung an, die eine Hochvolt-Gleichspannung ist. Die Hochvolt-Gleichspannung beträgt vorliegend etwa 450 V. Sie kann je nach Konstruktion des Hochvolt-Bordnetzes 10 auch hiervon abweichend gewählt sein, beispielsweise etwa 800 V betragen oder dergleichen.
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An die Potentialleitungen 12, 14 ist eine Last 34 angeschlossen, die lediglich symbolisch die Summe der an das Hochvolt-Bordnetz 10 angeschlossenen elektrischen Einrichtungen und Einheiten, wie beispielsweise eine Leistungselektronik 38 (2, 3) umfasst. An die Potentialleitungen 12, 14 ist ferner ein X-Kondensator 26 angeschlossen, der vorliegend nicht nur zum Zwecke der Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit dient, sondern auch als Zwischenkreiskondensator genutzt werden kann. Parallel zum X-Kondensator 26 ist ein elektrischer Widerstand 28 angeschlossen, der der passiven Entladung des X-Kondensators 26 dient, wenn das Hochvolt-Bordnetz 10 nicht im bestimmungsgemäßen Betrieb aktiviert ist. Darüber hinaus ist parallel an den X-Kondensator 26 eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Widerstand 30 und einem Schaltelement 32 angeschlossen, wobei die Reihenschaltung aus dem elektrischen Widerstand 30 und dem Schaltelement 32 der aktiven Entladung des X-Kondensators 26 dient. Hierdurch kann bei vorgegebenen Betriebszuständen eine beschleunigte Entladung des X-Kondensators 26 erreicht werden.
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An jede der Potentialleitungen 12, 14 ist ferner mit einem ersten Anschluss ein jeweiliger Y-Kondensator 16, 18 angeschlossen. Die jeweiligen zweiten Anschlüsse der Y-Kondensatoren 16, 18 sind an ein elektrisches Bezugspotential angeschlossen, welches vorliegend die Fahrzeugmasse 20 ist. Parallel zu den Y-Kondensatoren 16, 18 sind jeweilige elektrische Widerstände 22, 24 angeschlossen, mit denen summarisch Widerstandswirkungen wie Isolationswiderständen und dergleichen repräsentiert werden können. Darüber hinaus können natürlich auch elektrische Widerstände vorgesehen sein, beispielsweise um die elektrischen Potentiale HV+ und HV- bezüglich der Fahrzeugmasse 20 symmetrieren zu können.
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Bezüglich des Bordnetzes 10 soll für die Kapazität der Y-Kondensatoren 16, 18 eine Obergrenze eingehalten werden, damit im bestimmungsgemäßen Betrieb die insgesamt durch die Y-Kondensatoren 16, 18 gespeicherte elektrische Energie für jede der Potentialleitungen 12, 14 den Energiewert von 0,2 J nicht überschreitet. Für die Ermittlung der maximalen Kapazität der Y-Kondensatoren 16, 18 kann vorzugsweise die maximale Betriebsspannung des Hochvolt-Bordnetzes 10 gemäß einer vorgegebenen Tabelle „Hochvolt-Spannungsbereich“ genutzt werden. Insgesamt soll die Bedingung eingehalten werden, dass der gesamte Hochvolt-Stromkreis, das heißt, das an eine Ladestation angeschlossene Elektrofahrzeug, die vorgenannte Bedingung erfüllt.
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2 zeigt eine detailliertere Darstellung des Hochvolt-Bordnetzes 10, wie es bereits anhand von 1 erläutert wurde. Ergänzend ist anzumerken, dass die Hochvolt-Gleichspannung vorliegend durch eine Fahrzeugbatterie 36 bereitgestellt wird. Die Fahrzeugbatterie 36 kann natürlich auch anstelle oder ergänzend eine Ladestation umfassen. Insofern dient das Bezugszeichen 36 insbesondere allgemein lediglich zur Darstellung einer beliebigen Spannungsquelle. Darüber hinaus ist die Last 34 nunmehr über eine Leistungselektronik 38 an das Hochvolt-Bordnetz 10 angeschlossen. Ansonsten gilt das, was bereits zur 1 erläutert wurde.
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Um nun eine größere Flexibilität hinsichtlich der Auslegung des Bordnetzes 10 erhalten zu können, insbesondere wenn es an die Ladestation angeschlossen ist, wird nun gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass zu jedem der Y-Kondensatoren 16, 18 ein jeweiliges Schaltelement 48, 50 in Reihe geschaltet ist. Dies ist in 3 dargestellt. Darüber hinaus ist parallel zu jedem der Y-Kondensatoren 16, 18 ein jeweiliger elektrischer Widerstand 44, 46 parallel angeschlossen, der dazu dient, den jeweiligen der Y-Kondensatoren 16, 18 passiv entladen zu können. Schließlich ist an den jeweiligen der Y-Kondensatoren 16, 18 ein jeweiliger Spannungssensor 40, 42 angeschlossen, der dazu dient, die jeweilige elektrische Spannung des jeweiligen Y-Kondensators 16, 18 erfassen zu können. Dadurch kann ermittelt werden, ob der jeweilige der Y-Kondensatoren 16, 18 auch tatsächlich von der jeweiligen der Potentialleitungen 12, 14 elektrisch getrennt werden kann. Darüber hinaus kann durch das Ermitteln der elektrischen Spannung an den jeweiligen der Y-Kondensatoren auch deren Energie in bekannter Weise ermittelt werden.
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4 zeigt einen Bereich 52 in 3 in einer vergrößerten Darstellung.
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Ist es in einem bestimmten Betriebszustand des Elektrofahrzeugs erforderlich, die gespeicherte Energie in den Y-Kondensatoren 16, 18 zu reduzieren, um im gesamten Hochvolt-Bordnetz 10 die Energie unter das geforderte Limit von 0,2 J für jede der Potentialleitungen 12, 14 zu reduzieren, so können für diesen Betriebszustand die Y-Kondensatoren 16, 18 mittels der jeweiligen Schaltelemente 48, 50 deaktiviert werden.
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Ist zum Beispiel während eines Ladevorgangs mit Gleichspannung die gesamte Kapazität der Y-Kondensatoren 16, 18 des Hochvolt-Bordnetzes 10 in Verbindung mit der Ladestation sehr groß, kann diese, falls die insgesamt gespeicherte Energie in den Y-Kondensatoren größer als 0,2 J je Potentialleitung 12, 14 ist, durch Deaktivieren der Y-Kondensatoren 16, 18 mittels der Schaltelemente 48, 50 reduziert werden, sodass die vorgenannte Bedingung in Bezug auf die elektrische Energie eingehalten werden kann. Insbesondere eignet sich dies, wenn die Y-Kondensatoren 16, 18 Bestandteil der Leistungselektronik 38 sind, die während eines Ladevorgangs an der Ladestation nicht erforderlich sind. Die Leistungselektronik 38, die beispielsweise ein Wechselrichter sein kann, ist während des Ladevorgangs an der Ladestation ohnedies deaktiviert, weil ein Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs nicht vorliegt.
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Um das Deaktivieren der Y-Kondensatoren 16, 18 und das Abbauen der in diesen Y-Kondensatoren 16, 18 gespeicherten Energie ermitteln zu können, kann mittels der Spannungssensoren 40, 42 die jeweilige elektrische Spannung an den Y-Kondensatoren 16, 18 erfasst werden. Falls das Deaktivieren eines jeweiligen der Y-Kondensatoren 16, 18 nicht erfolgreich war oder aufgrund einer Fehlfunktion nicht ausgeführt wird, kann dies somit ermittelt werden und ein Ladezustand zum Beispiel nicht gestartet oder auch abgebrochen werden, um eine Gefährdung zu vermeiden.
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Die Schaltelemente 32, 48, 50 können durch elektromechanische Schaltkontakte oder auch durch Halbleiterschaltelemente wie Transistoren, insbesondere bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren oder dergleichen gebildet sein. Sie werden vorzugsweise mittels einer Steuereinheit, beispielsweise einer Fahrzeugsteuereinheit, in geeigneter Weise gesteuert.
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Das Ausführungsbeispiel dient ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
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Die für das erfindungsgemäße Bordnetz angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Insofern können für Vorrichtungsmerkmale auch Verfahrensmerkmale und umgekehrt formuliert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bordnetz
- 12
- Potentialleitung
- 14
- Potentialleitung
- 16
- Y-Kondensator
- 18
- Y-Kondensator
- 20
- Fahrzeugmasse
- 22
- Widerstand
- 24
- Widerstand
- 26
- X-Kondensator
- 28
- Widerstand
- 30
- Widerstand
- 32
- Schaltelement
- 34
- Last
- 36
- Fahrzeugbatterie
- 38
- Leistungselektronik
- 40
- Spannungssensor
- 42
- Spannungssensor
- 44
- Widerstand
- 46
- Widerstand
- 48
- Schaltelement
- 50
- Schaltelement
- 52
- Bereich
