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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2018 002 926 A1 beschrieben, ein elektrisches Bordnetz bekannt. Dieses elektrische Bordnetz für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung, wobei das Bordnetz ausgebildet ist, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden. Das Bordnetz weist wenigstens einen Y-Kondensator auf, der mit einem ersten Anschluss mit einer der Potentialleitungen und mit einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt ist. Ein Schaltelement ist zum wenigstens einen Y-Kondensator in Reihe geschaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Fahrzeug umfasst ein elektrisches Hochvoltbordnetz. Erfindungsgemäß ist das elektrische Hochvoltbordnetz in zwei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der zweite Teilbereich in mindestens einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei die Unterteilung des elektrischen Hochvoltbordnetzes in die beiden Teilbereiche derart ausgebildet ist, dass im ersten Bauraum des Fahrzeugs nur Arbeiten unter elektrischer Spannung des ersten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind und im mindestens einen zweiten Bauraum des Fahrzeugs Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand des zweiten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind. D. h. der erste Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes ist nicht vollständig spannungsfrei schaltbar, und im Gegensatz dazu ist der zweite Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes vollständig spannungsfrei schaltbar. Daher sind die Bauräume vorteilhafterweise baulich voneinander getrennt. Insbesondere ist der erste Bauraum, zumindest im Wesentlichen, verschlossen ausgebildet. Beispielsweise sind im ersten Bauraum neben Zellmodulen der Hochvoltbatterie und Sicherheitselementen, insbesondere Schütze nach außen und Sicherungen, vorwiegend Hochvoltkomponenten angeordnet, die Fahrzeugbetriebszustände mit kleinen Leistungen betreffen, beispielsweise das Wechselstromladen, das induktive Laden und/oder eine Notruffunktion.
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Das Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, ist insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet. Insbesondere ist eine Hochvoltbatterie durch Anschluss des Fahrzeugs, insbesondere von dessen Hochvoltbordnetz, an mindestens eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle, d. h. insbesondere eine Ladestation, elektrisch ladbar.
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Unter dem Begriff „Hochvolt“ ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.
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Elektrische Komponenten des elektrischen Hochvoltbordnetzes verfügen üblicherweise zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit über Y-Kondensatoren. Solche Y-Kondensatoren können auch ladestationsseitig, d. h. auch im Bereich der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, 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 eine in sämtlichen Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten.
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Ein solcher Wert beträgt zum Beispiel 0,2 J. Dies führt regelmäßig zu einer konstruktiven Auslegung derart, dass Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren fahrzeugseitig in der Regel kleiner gewählt werden, als sie für eine ordnungsgemäße Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf die elektrischen Komponenten, die an das elektrische Hochvoltbordnetz angeschlossen sind, notwendig wären.
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Als problematisch hat es sich unter anderem herausgestellt, wenn das Fahrzeug mittels einer Wechselspannung von der Ladestation geladen werden soll. In einem solchen Fall erweist sich die fahrzeugseitig 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 Fahrzeug vorgesehenen Y-Kondensatoren gelöst werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass dadurch der Aufwand für 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 Komponenten des Fahrzeugs 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 ein jeweiliges Hochvoltpotential besonders schwierig. Gerade bei Fahrzeugen 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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Diese Probleme werden durch die erfindungsgemäße Lösung behoben, denn durch die erfindungsgemäße Lösung, insbesondere durch diese Unterteilung des Hochvoltbordnetzes in Teilbereiche, lassen sich verschiedene Betriebsmodi des Fahrzeugs auf relevante Anforderungen hin optimieren. Dies ermöglicht eine Auslegung der Y-Kondensatoren der einzelnen Funktionen unter Berücksichtigung jeweils einzunehmender Fahrzeugzustände. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Zusammenfassung mehrerer Entstörmaßnahmen in gemeinsamen Filtern und eine Verbesserung von Wirkungsgraden durch Reduzierung der Stromaufnahme von Permanentverbrauchern bei Fahrzeugzuständen mit kleinen Hochvoltleistungen, zum Beispiel für ein induktives Laden, Wechselstromladen und/oder eine Notruffunktion des Fahrzeugs.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit eine Reduzierung von Kosten, Gewicht und Bauraum durch das Zusammenfassen von Filtern und Steuerungsumfängen für mehrere Hochvoltfunktionen und durch eine Reduzierung erforderlicher Schalteinheiten, insbesondere Schütze.
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Zudem wird beispielsweise eine Erhöhung eines Wirkungsgrades beim Wechselstromladen oder induktiven Laden durch eine Reduzierung von Permanentverbrauchern ermöglicht. Des Weiteren wird eine Verbesserung der EMV-Eigenschaften (elektromagnetische Verträglichkeit) durch eine bessere Auslegung der Y-Kondensatoren auf die Funktionszustände des Fahrzeugs ermöglicht, wie bereits erwähnt. Es wird insbesondere auch eine erleichterte Zertifizierung des Fahrzeugs ermöglicht, da Energiemengen in den aktiven Y-Kondensatoren geringer gehalten werden können.
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Des Weiteren wird eine Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten, die im inaktiven Zustand potenzialfrei geschaltet werden, ermöglicht. Dies betrifft beispielsweise das Wechselstromladen und das induktive Laden.
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Der erste Teilbereich umfasst beispielsweise Zellmodule der Hochvoltbatterie und zusätzlich mindestens eine Schalteinheit und/oder mindestens eine Sicherung und/oder mindestens eine Filtereinheit und/oder mindestens einen Gleichspannungswandler und/oder mindestens eine elektrische Heizeinheit und/oder eine elektrische Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie und/oder mindestens eine Komponente zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Bereitstellung einer Notruffunktion des Fahrzeugs.
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Der zweite Teilbereich umfasst beispielsweise mindestens eine Komponente zur Durchführung des Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung des induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines Gleichstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder mindestens eine elektrische Antriebseinheit zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs und/oder mindestens einen elektrischen Kältemittelverdichter und/oder mindestens eine Wärmepumpe umfasst.
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Im ersten Bauraum sind zweckmäßigerweise Schalteinheiten vorgesehen, mittels welchen bei einem jeweiligen Potentialleitungspaar, welches aus dem ersten Bauraum herausführt, beide Potentialleitungen spannungsfrei schaltbar sind. Dadurch kann nach außen, d. h. außerhalb des jeweiligen Bauraums, eine Spannungsfreiheit hergestellt werden. Die Schalteinheiten sind beispielsweise jeweils als ein Schütz oder als ein Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET, ausgebildet. Bei dem jeweiligen Potentialleitungspaar ist beispielsweise in beiden Potentialleitungen jeweils ein Schütz oder in einer der Potentialleitungen ein Schütz und in der anderen Potentialleitung ein Halbleiterschalter angeordnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Fahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz,
- 2 schematisch das Hochvoltbordnetz während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs,
- 3 schematisch das Hochvoltbordnetz während eines Wechselstromladebetriebs,
- 4 schematisch das Hochvoltbordnetz während eines induktiven Ladebetriebs,
- 5 schematisch das Hochvoltbordnetz während eines Gleichstromladebetriebs,
- 6 schematisch das Hochvoltbordnetz während einer Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines Wechselstromladebetriebs,
- 7 schematisch das Hochvoltbordnetz während einer Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines induktiven Ladebetriebs,
- 8 schematisch das Hochvoltbordnetz nach einer Kollision des Fahrzeugs und/oder während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente, und
- 9 schematisch das Hochvoltbordnetz während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 9 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einem Hochvoltbordnetz 2. Dabei zeigen die 2 bis 9 das Hochvoltbordnetzes 2 in einem jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs 1.
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Das Hochvoltbordnetz 2 umfasst in den dargestellten Beispielen eine Hochvoltbatterie, wobei hier nur Zellmodule 3 dieser Hochvoltbatterie dargestellt sind, eine vordere elektrische Antriebseinheit 4 des Fahrzeugs 1, eine hintere elektrische Antriebseinheit 5 des Fahrzeugs 1, einen elektrischen Kältemittelverdichter 6, eine Wechselstromladedose 7, eine Gleichstromladedose 8, eine induktive Ladeeinheit 9, eine elektrische Heizeinheit 10, einen Niedervoltgleichspannungswandler 11, auch als Bordnetzwandler bezeichnet, eine elektrische Bordladereinheit 13, zwei Sicherungen 14, 15, eine Filtereinheit 17 und eine Vorladeschaltung 12. Die Filtereinheit 17 ist beispielsweise für eine Leistung von 22 kW ausgelegt und ist beispielsweise aktiv während eines Wechselstromladebetriebs, während eines induktiven Ladebetriebs, während einer Notruffunktion, während eines Fahrbetriebs, während eines Gleichstromladebetriebs und/oder während einer Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1.
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Alternativ oder zusätzlich zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 kann auch eine hier nicht dargestellte Wärmepumpe vorgesehen sein. D. h. bei der hier folgenden weiteren Beschreibung kann jeweils anstelle des elektrischen Kältemittelverdichters 6 oder zusätzlich dazu die Wärmepumpe vorgesehen sein.
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Die elektrische Bordladereinheit 13 ist für einen Wechselstromladebetrieb des Fahrzeugs 1, d. h. für ein elektrisches Laden der Hochvoltbatterie mittels einer fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, erforderlich. Sie ist hierzu über eine Wechselstromleitung 19, welche drei Phasenleiter, einen Nullleiter und einen Schutzleiter zum dreiphasigen Laden aufweist, mit der Wechselstromladedose 7 verbunden, über die das Fahrzeug 1 mit der fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle koppelbar ist.
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Die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 umfassen beispielsweise jeweils eine elektrische Maschine, einen Inverter und ein Getriebe.
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Das Hochvoltbordnetz 2 umfasst Potentialleitungspaare, umfassend eine Pluspotentialleitung HV+ und eine Minuspotentialleitung HV-. Diese Potentialleitungspaare dienen der elektrischen Verbindung der Hochvoltbatterie, insbesondere deren Zellmodule 3, mit der induktiven Ladeeinheit 9, dem Niedervoltgleichspannungswandler 11, der elektrischen Bordladereinheit 13, der elektrischen Heizeinheit 10 und dem elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder der Wärmepumpe, jeweils über die Filtereinheit 17, und des Weiteren mit der Gleichstromladedose 8 und den beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5.
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Die erste Sicherung 14 ist in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen den Zellmodulen 3 und einem ersten Leitungsabzweig zur Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13, zur elektrischen Heizeinheit 10 und zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder zu Wärmepumpe angeordnet.
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Die zweite Sicherung 15 ist in der Pluspotentialleitung HV+ nach diesem Abzweig in der Zuleitung zur Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13, zur elektrischen Heizeinheit 10 und zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder zu Wärmepumpe angeordnet.
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In den Potentialleitungen HV+, HV- sind an verschiedenen Positionen Schalteinheiten S1+ bis S4- angeordnet, um jeweils eine oder mehrere Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 von den Zellmodulen 3 zu trennen, wobei an diesen Positionen die Schalteinheiten S1+ bis S4- jeweils paarweise angeordnet sind d. h. jeweils eine Schalteinheit S1+ bis S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ und eine Schalteinheit S1- bis S4- in der Minuspotentialleitung HV-. Dabei sind die Schalteinheiten S1+ bis S4- jeweils als Schütz oder Halbleiterschalter ausgebildet, wobei das jeweilige Schalteinheitpaar im dargestellten Beispiel entweder aus zwei Schützen oder aus einem Schütz und einem Halbleiterschalter besteht.
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In den dargestellten Beispielen sind die vierte Schalteinheit S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen elektrischer Heizeinheit 10 und elektrischem Kältemittelverdichter 6 und/oder Wärmepumpe und die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- zwischen Filtereinheit 17 und induktiver Ladeeinheit 9 als Halbleiterschalter ausgebildet, wie anhand des entsprechenden Symbols ersichtlich, und die anderen Schalteinheiten S1 +, S2+ bis S3- und S4- sind als Schütz ausgebildet, wie ebenfalls anhand des entsprechenden Symbols ersichtlich.
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Das elektrische Hochvoltbordnetz 2 ist in zwei Teilbereiche T1, T2 unterteilt. Der erste Teilbereich T1 ist in einem ersten Bauraum B1 des Fahrzeugs 1 angeordnet und der zweite Teilbereich T2 ist außerhalb dieses ersten Bauraums B1 des Fahrzeugs 1 angeordnet, im dargestellten Beispiel in mindestens einem zweiten Bauraum B2 oder in mehreren zweiten Bauräumen B2 des Fahrzeugs 1.
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Im ersten Bauraum B1 sind nur Arbeiten unter Spannung möglich. In diesem ersten Bauraum B1 sind neben den Zellmodulen 3 der Fahrzeugbatterie und der ersten und zweiten Sicherung 14, 15 vorwiegend die Hochvoltkomponenten angeordnet, die Fahrzeugbetriebszustände mit kleinen Leistungen betreffen, insbesondere für den Wechselstromladebetriebszustand, den induktiven Ladebetriebszustand und die Notruffunktion.
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In den dargestellten Beispielen sind im ersten Bauraum B1 neben den Zellmodulen 3 und der ersten und zweiten Sicherung 14, 15 die Filtereinheit 17, der Niedervoltgleichspannungswandler 11, die elektrische Bordladereinheit 13, die elektrische Heizeinheit 10 und die Vorladeschaltung 12 angeordnet.
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Außerhalb dieses ersten Bauraums B1, insbesondere im mindestens einen zweiten Bauraum B2, sind vorteilhafterweise Arbeiten im spannungsfreien Zustand möglich. Hier sind im dargestellten Beispiel die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, die Wechselstromladedose 7, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und/oder die Wärmepumpe, die Gleichstromladedose 8 sowie die induktive Ladeeinheit 9 angeordnet.
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Die Schalteinheiten S1+ bis S4- dienen insbesondere der Potentialfreischaltung beider Potentialleitungen HV+, HV- an Ausgängen des ersten Bauraums B1. Mittels der ersten Schalteinheiten S1+, S1- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 aus dem ersten Bauraum B1 heraus zur induktiven Ladeeinheit 9 zu trennen und dadurch dieser Ausgang aus dem ersten Bauraum B1 zur induktiven Ladeeinheit 9 potentialfrei zu schalten, d. h. die induktive Ladeeinheit 9 ist vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch zu trennen. Mittels der zweiten Schalteinheiten S2+, S2- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 aus dem ersten Bauraum B1 heraus zu den elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 zu trennen und dadurch dieser Ausgang aus dem ersten Bauraum B1 zu den elektrischen Anstriebseinheiten 4, 5 potentialfrei zu schalten, d. h. die elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 sind vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch zu trennen. Mittels der dritten Schalteinheiten S3+, S3- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 aus dem ersten Bauraum B1 heraus zur Gleichstromladedose 8 zu trennen und dadurch dieser Ausgang aus dem ersten Bauraum B1 zur Gleichstromladedose 8 potentialfrei zu schalten, d. h. die Gleichstromladedose 8 ist vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch zu trennen. Mittels der vierten Schalteinheiten S4+, S4- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 aus dem ersten Bauraum B1 heraus zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder zur Wärmepumpe zu trennen und dadurch dieser Ausgang aus dem ersten Bauraum B1 zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder zur Wärmepumpe potentialfrei zu schalten, d. h. der elektrische Kältemittelverdichter 6 und/oder die Wärmepumpe ist vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch zu trennen. Diese Schalteinheiten S1+ bis S4- ermöglichen somit das separate Potentialfreischalten dieser Komponenten, so dass jeweils eine oder mehrere oder alle diese Komponenten potentialfrei geschaltet werden können, insbesondere in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs 1.
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2 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 1. Hier sind die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4-geschlossen. Die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und dritten Schalteinheiten S3+, S3- sind geöffnet, wodurch die Ausgänge der Potentialleitungen HV+, HV- zur Gleichstromladedose 8 und zur induktiven Ladeeinheit 9 spannungsfrei geschaltet sind. Die Filtereinheit 17, der Niedervoltgleichspannungswandler 11, die elektrische Heizeinheit 10, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 sind aktiv. Die anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
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Eine Gesamtkapazität von Y-Kondensatoren der aktiven Komponenten muss kleiner oder gleich 0,2 J je Potential sein. Da die Y-Kondensatoren der Gleichstromladefunktion und des induktiven Ladens nun nicht betrachtet werden müssen, kann das restliche verbliebene Hochvoltsystem den maximalen Wert der Y-Kondensatoren auf die beim Fahrbetrieb aktiven und daher unter Spannung stehenden Komponenten verteilen.
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Beispielsweise können die Inverter der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 mit einer höheren Kapazität ihres Y-Kondensators ausgestattet werden als dies im Stand der Technik möglich gewesen wäre. Somit ist es möglich, ihre EMV-Störemissionen (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) durch eine bessere Befilterung zu reduzieren und im Gegenzug Filtermaßnahmen bei anderen Komponenten, beispielsweise der Hochvoltbatterie, einzusparen. Es wäre auch möglich, dadurch eine schirmlose Hochvoltleitung zu den Invertern der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 zu realisieren. Das Gleiche könnte für den elektrischen Kältemittelverdichter 6 umgesetzt werden.
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3 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 während eines Wechselstromladebetriebs. Hier sind alle Schalteinheiten S1+ bis S5- geöffnet. Die Wechselstromladedose 7, die Bordladereinheit 13, der Niedervoltgleichspannungswandler 11 und die Filtereinheit 17 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
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Da das Wechselstrom laden in der Regel mit geringerer Leistung stattfindet, beispielsweise maximal 22 kW, liegt bei diesem Betriebszustand der Fokus in der Reduzierung eines Stromverbrauchs durch Permanentverbraucher. Der in den Y-Kondensatoren gespeicherte Energieinhalt des Systems spielt eine untergeordnete Rolle, da alle Ausgänge aus dem ersten Bauraum B1 über die Schalteinheiten S1+ bis S4-, d. h. über zwei Schütze oder eine Kombination aus Schütz und Halbleiterschalter, spannungsfrei geschaltet sind. Die restlich verbliebene Kapazität von einem oder mehreren Y-Kondensatoren im Wechselstromeingang des Fahrzeugs 1 inklusive einer fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, insbesondere Ladesäule, ist im Normalfall weit unter den maximalen Grenzwerten.
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Die Reduzierung von Permanentverbrauchern wird erreicht, indem die Schalteinheiten S1+ bis S4-, insbesondere Schütze und/oder Halbleiterschalter, zu den Ausgängen des ersten Bauraums B1 und somit zu den Komponenten außerhalb des ersten Bauraums B1 geöffnet sind, d. h. nicht angesteuert werden. Somit sind alle Komponenten außerhalb des ersten Bauraums B1 spannungsfrei und zugehörige Steuerungsfunktionen können deaktiviert sein. Dies wird insbesondere auch dadurch ermöglicht, da bei einer Standardkollision des Fahrzeugs 1 keine Schnellentladung gefordert wird. Ein Stromverbrauch zum Ansteuern der Schütze entfällt ebenso.
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Ist der Niedervoltgleichspannungswandler 11 intern in zwei oder mehr Phasen aufgeteilt, dann ist nur eine Phase aktiv und es kann somit bei dieser Umwandlung eine höhere Effizienz erreicht werden. Vorteilhaft ist, wenn diese Phase des Niedervoltgleichspannungswandler 11 auf eine Leistung eines Niedervoltbordnetzes des Fahrzeugs 1
während des Wechselstromladebetriebs, induktiven Ladebetriebs und/oder für die Notruffunktion ausgelegt ist, beispielsweise 150 W bis 200 W, um einen Wirkungsgrad zu erhöhen. Eine Summenleistung aller Phasen des Niedervoltgleichspannungswandlers 11 ist dann auf einen maximalen Bordnetzbedarf des Niedervoltbordnetzes von beispielsweise 3 kW ausgelegt.
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Sämtliche externen Komponenten, d. h. alle Komponenten außerhalb des ersten Bauraums B1, die inaktiv sind, sind spannungsfrei und können daher von ihrer Lebensdaueranforderung auf reduzierte Anforderungen ausgelegt werden. Dies ist meist der Auslegungsfall für die Dimensionierung der Filtereinheit 17, da hier der höchste Strom durch die Filtereinheit 17 fließen muss. Beispielsweise ist die Filtereinheit 17 auf eine Leistung von 22 kW für den Wechselstromladebetrieb abzüglich des Strombedarfs für den Niedervoltgleichspannnungswandler 11 für die Leistung von ca. 150 W ausgelegt.
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Zusätzlich kann während des Wechselstromladebetriebs beispielsweise auch die elektrische Heizeinheit 10 aktiv sein, insbesondere um die Hochvoltbatterie aufzuwärmen, und/oder es kann beispielsweise eine Kühlfunktion für die Hochvoltbatterie aktiviert sein. Hierfür kann es dann eine höhere Leistung des Niedervoltgleichspannungswandlers 11, beispielsweise für einen Wasserpumpenbetrieb und Kühlerlüfter, erforderlich sein. Möglicherweise muss auch der elektrische Kältemittelverdichter 6 aktiv sein. Diese Maßnahmen sind insbesondere abhängig von einer Ladeleistung des Wechselstromladebetriebs und einer Batterieerwärmung, welche insbesondere von einer Batteriegröße der Hochvoltbatterie abhängig ist.
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4 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 während des induktiven Ladebetriebs. Hier sind nur die ersten Schalteinheiten S1+, S1- geschlossen. Die zweiten bis vierten Schalteinheiten S2+, S2- bis S4+, S4- sind geöffnet. Die induktive Ladeeinheit 9, die Filtereinheit 17 und der Niedervoltgleichspannungswandler 11 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Der Zustand beim induktiven Ladebetrieb ist vergleichbar zum Wechselstromladebetrieb. Die Ladeleistung ist in der Regel sehr gering. Der Fokus liegt auf der Reduzierung der Permanentstromverbraucher. Die Anschlüsse außerhalb des ersten Bauraums B1 sind galvanisch getrennt und spannungsfrei, wodurch die Thematik der Y-Kondensatoren vernachlässigt werden kann.
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5 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 während des Gleichstromladebetriebs. Hier sind die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen. Die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- sind geöffnet. Die Gleichstromladedose 8, der Niedervoltgleichspannungswandler 11, die Filtereinheit 17, die elektrische Heizeinheit 10 und der elektrische Kältemittelverdichter 6 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
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Der Fokus beim Gleichstromladen liegt wiederum bei der Einhaltung der maximal zulässigen Energie in den Y-Kondensatoren. Der Stromverbrauch durch aktive Komponenten ist weniger wichtig, da im Normalfall beim Gleichstromladen mit hoher Ladeleistung geladen wird und somit die Ladezeit kurz gehalten wird. Permanentstromverbraucher fallen somit nicht so stark ins Gewicht. Die Ausgänge für die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und für die induktive Ladeeinheit 9 sind über die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- bzw. die ersten Schalteinheiten S1+, S1-spannungsfrei geschaltet. Da die Kapazitäten der Y-Kondensatoren der beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und des induktiven Ladens nun nicht betrachtet werden müssen, kann das restlich verbliebene Hochvoltsystem auf den maximalen Wert der Y-Kondensatoren in diesem Betriebszustand ausgelegt sein. Speziell durch den Wegfall der Y-Kondensatoren der beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 wird die Gesamtkapazität erheblich verringert.
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6 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 während einer Vorkonditionierung, auch als Preconditionning bezeichnet, des Fahrzeugs 1 während des Wechselstromladebetriebs. Hier sind nur die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen. Alle anderen Schalteinheiten S1+, S1- bis S3+, S3- sind geöffnet. Die Filtereinheit 17, die Bordladereinheit 13, der Niedervoltgleichspannungswandler 11, die elektrische Heizeinheit 10, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und die Wechselstromladedose 7 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
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Während dieser Vorkonditionierung erfolgt, insbesondere in der kalten Jahreszeit, beispielsweise eine Erwärmung eines Innenraumes des Fahrzeugs 1 und ein Beheizen von Scheiben und Sitzen des Fahrzeugs 1. In der warmen Jahreszeit erfolgt beispielsweise ein Kühlen des Innenraumes. Das Fahrzeug 1 ist in diesem Zustand im Normalfall mit der fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, insbesondere Ladesäule, verbunden. Durch die galvanische Trennung innerhalb der Bordladereinheit 13 ist der Energieinhalt der Y-Kondensatoren am Wechselstromladestecker sehr gering.
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Die vierten Schalteinheiten S4+, S4- zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 sind geschlossen, um ihn betreiben zu können. Die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- zu den beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 sind geöffnet, wodurch die Kapazität von deren Y-Kondensatoren nicht zu berücksichtigen ist. Die Steuerungseinheiten der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 können deaktiviert bleiben. Da keine Hochvoltspannung anliegt, ist keine Schnellentladung gefordert. Die dritten Schalteinheiten S3+, S3- zur Gleichstromladedose 8 sind ebenfalls geöffnet. Eine Einhaltung des Grenzwertes der maximal gespeicherten Energie in den Y-Kondensatoren des Gleichstromkreises kann somit sichergestellt werden, da die Y-Kondensatoren mit den größten Kapazitäten nicht zum Gesamtsystem zugeschaltet sind.
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Zur Versorgung des Niedervoltbordnetzes, beispielsweise für die (Sitzheizungen, Scheibenheizungen, Lüfter, Pumpen usw., wird der Niedervoltgleichspannungswandler 11 betrieben. Falls das Fahrzeug 1 beheizt werden muss, kann die elektrische Heizeinheit 10 ebenfalls aktiv sein. Zur Auslegung der Filtereinheit 17 wäre der Zustand mit der höchsten Stromaufnahme ein bereits abgeschlossener Ladevorgang, d. h. die Wechselstromladedose 7 hat eine Einspeisung einer Ladeleistung beendet, und es wird der Innenraum des Fahrzeugs 1 beheizt, das Niedervoltbordnetz verfügt zudem über einen hohen Stromverbrauch aufgrund des Betriebs der Scheibenheizung zur Entfrostung und der Sitzheizung, und der elektrische Kältemittelverdichter 6 ist in Betrieb zur Entfeuchtung der Luft im Innenraum des Fahrzeugs 1. Falls eine daraus resultierende Stromaufnahme höher ist als während des noch erfolgenden Wechselstromladens, beispielsweise 22 kW bei geringster Spannung der Zellmodule 3 der Hochvoltbatterie, dann erfolgt die Auslegung der Filtereinheit 17 auf diesen Betriebszustand.
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7 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des induktiven Ladebetriebs. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen und die anderen Schalteinheiten S2+, S2-, S3+, S3- sind geöffnet. Die induktive Ladeeinheit 9, die Filtereinheit 17, der Niedervoltgleichspannungswandler 11, die elektrische Heizeinheit 10 und der elektrische Kältemittelverdichter 6 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Die Vorkonditionierung während des induktiven Ladebetriebs ist somit vergleichbar zur Vorkonditionierung während des Wechselstromladebetriebs, nur dass anstelle der Bordladereinheit 13 und der Wechselstromladedose 7 die induktive Ladeeinheit 9 aktiv ist. Die obige Beschreibung zur Vorkonditionierung während des Wechselstromladebetriebs gilt somit analog auch für die Vorkonditionierung während des induktiven Ladebetriebs.
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8 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 nach einer Kollision des Fahrzeugs 1 und/oder während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente. Hierbei sind alle Schalteinheiten S1+, S1- bis S4+, S4- geöffnet. Dadurch sind nur die Filtereinheit 17 und der Niedervoltgleichspannungswandler 11 aktiv und alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 inaktiv.
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Nach einem Unfall, insbesondere einer Kollision, ist das Fahrzeug 1 für einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise 70 Minuten, soweit in Betrieb zu halten, dass vorgegebene Funktionen wie ein Absenden eines Notrufs oder ein Betreiben einer Warnblinkanlage funktionsfähig sind. Die Hochvoltkomponenten werden deaktiviert, d. h. sie werden spannungsfrei geschaltet und die Kapazitäten, insbesondere die Y-Kondensatoren, werden entladen.
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Um eine Größe einer Niedervoltbatterie zu reduzieren, kann die für diesen Fall nötige Energie aus der Hochvoltbatterie entnommen werden. Der erste Bauraum B1 ist im Fahrzeug 1 vorteilhafterweise in einem kollisionsgeschützten Bereich angeordnet oder durch Versteifungen kollisionsgeschützt ausgebildet. Alle elektrischen Ausgänge außerhalb dieses ersten Bauraums B1 sind geöffnet oder galvanisch getrennt. Es kann somit der Niedervoltgleichspannungswandler 11 betrieben werden, um das Niedervoltbordnetz zu versorgen. Eine Gefährdung durch einen elektrischen Schlag besteht nicht. Der Niedervoltgleichspannungswandler 11 ist so dimensioniert, dass dieser Betriebszustand ohne Kühlsystem für längere Zeit, beispielsweise mindestens 70 Minuten, eingenommen werden kann. Eine Leistungsaufnahme des Niedervoltbordnetzes ist dabei sehr gering, beispielsweise 200 W.
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Sind Arbeiten, insbesondere Servicearbeiten, an den Hochvoltkomponenten außerhalb des ersten Bauraums B1, d. h. an den Hochvoltkomponenten des zweiten Teilbereichs T2, insbesondere im zweiten Bauraum B2, d. h. insbesondere an der induktiven Ladeeinheit 9, den elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, dem elektrischen Kältemittelverdichter 6, der Wechselstromladedose 7 und/oder der Gleichstromladedose 8, erforderlich, dann ist es für Werkstätten möglich, in einem Zustand der Spannungsfreiheit diese Komponenten zu tauschen. Um dies zu erreichen, werden alle Schalteinheiten S1+, S1- bis S4+, S4- geöffnet, um alle Verbindungen aus dem ersten Bauraum B1 heraus spannungsfrei zu schalten.
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Bei Servicearbeiten innerhalb des ersten Bauraums B1 sind erhöhte Sicherheitsanforderungen notwendig. Alle Komponenten sind direkt mit der Batteriespannung der Hochvoltbatterie verbunden. Durch Entfernen einer Sicherung zu den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie, insbesondere der ersten Sicherung 14, kann die Verbindung zu einem Hochvoltpotential getrennt werden. Dabei besteht die Anforderung, dass das Hochvoltsystem sich in einem stromfreien Zustand befindet, um eine Lichtbogenbildung beim Entfernen der Sicherung zu vermeiden. Dies wird durch ein sicheres Deaktivieren der Komponenten im ersten Bauraum B1 erreicht.
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Bei einer Wiederinbetriebnahme des Hochvoltsystems ist vor dem Einstecken der Sicherung ein Vorladen von X-Kondensatoren der Hochvoltkomponenten notwendig. Dies kann erfolgen durch ein Vorladen der X-Kondensatoren über den Niedervoltgleichspannungswandler 11 mit einer Niedervoltspannung, wenn dieser boostfähig ist. Anschließend wird die Sicherung montiert. Alternativ können die X-Kondensatoren durch die Bordladereinheit 13 von einer an der Wechselstromladedose 7 angeschlossenen fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle vorgeladen werden. Anschließend wird die Sicherung montiert. Alternativ kann die Vorladung über einen der Hochvoltanschlüsse zu den externen Komponenten, d. h. zu den Komponenten außerhalb des ersten Bauraums B1, erfolgen. Danach wird die Sicherung montiert.
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Für den Verbau der Hochvoltkomponenten an einem Fertigungsband während der Herstellung des Fahrzeugs 1 kann beispielsweise zunächst das Hochvoltsystem ohne Einsetzen der Sicherung zu den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie, d. h. insbesondere ohne Einsetzen der ersten Sicherung 14, komplettiert werden. Diese Tätigkeiten sind somit in einem stromfreien Zustand und ein Hochvoltpotential ist nicht verbunden. Erst nach Vervollständigung des Aufbaus im ersten Bauraum B1 wird die Sicherung, insbesondere die erste Sicherung 14, eingesetzt. Diese Tätigkeiten stellen ebenfalls ein Arbeiten unter Spannung dar. Alle Hochvoltanschlussstellen zu den externen Hochvoltkomponenten, d. h. zu den Hochvoltkomponenten außerhalb des ersten Bauraums B1, insbesondere zur induktiven Ladeeinheit 9, zur Wechselstromladedose 7, zur Gleichstromladedose 8, zu den beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und zum elektrischen Kältemittelverdichter 6, sind geöffnet, d. h. alle Schalteinheiten S1+ bis S4- sind geöffnet, und der Leitungssatz bzw. diese Komponenten außerhalb des ersten Bauraums B1 können spannungsfrei hinzugefügt werden. Dies erfolgt somit nicht als Arbeiten unter Spannung. Erst nach Komplettierung des Hochvoltsystems wird an einem Bandende des Fertigungsbandes das Hochvoltsystem in Betrieb genommen, wie bereits zu den Servicearbeiten innerhalb des ersten Bauraums B1 beschrieben.
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9 zeigt das Hochvoltbordnetz 2 während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises. Zum sanften Aufladen des Hochvoltzwischenkreises, auch als DC-Link bezeichnet, wird beispielsweise eine Vorladeschaltung 12 (Schütz und Vorladewiderstand) oder ein boostfähiger Niedervoltgleichspannungswandler 11 zum Vorladen aus dem Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs 1 verwendet. Bei dem hier dargestellten Hochvoltbordnetz 2 sind die Hochvoltkomponenten innerhalb des ersten Bauraums B1 permanent mit Spannung beaufschlagt, so dass kein Vorladen notwendig ist. Der Zwischenkreiskondensator zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 kann durch einen taktenden Betrieb der als MOSFET ausgebildeten vierten Schalteinheit S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 bei gleichzeitig geschlossenem Schütz des zweiten Hochvoltpotentials, d. h. bei gleichzeitig geschlossener vierter Schalteinheit S4- in der Minuspotentialleitung HV- zum elektrischen Kältemittelverdichter 6, realisiert werden. Alternativ kann eine Vorladeschaltung bestehend aus einem Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, und einem Widerstand gewählt werden.
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Zur Vorladung der Kapazitäten der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 ist es ebenfalls notwendig, eine Vorladeschaltung 12 einzusetzen.
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Somit sind die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen, wobei die als MOSFET ausgebildete vierte Schalteinheit S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 auf die beschriebene Weise getaktet, d. h. abwechselnd geöffnet und geschlossen, wird und somit die Vorladefunktion des elektrischen Kältemittelverdichters 6 übernimmt, und die anderen Schalteinheiten S1+, S1-, S3+, S3- sind geöffnet. Aktive Komponenten sind hier die Filtereinheit 17 und die Vorladeschaltung 12. Die anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Hochvoltbordnetz
- 3
- Zellmodul
- 4, 5
- elektrische Antriebseinheit
- 6
- elektrischer Kältemittelverdichter
- 7
- Wechselstromladedose
- 8
- Gleichstromladedose
- 9
- induktive Ladeeinheit
- 10
- elektrische Heizeinheit
- 11
- Niedervoltgleichspannungswandler
- 12
- Vorladeschaltung
- 13
- Bordladereinheit
- 14, 15
- Sicherung
- 17
- Filtereinheit
- 19
- Wechselstromleitung
- B1
- erster Bauraum
- B2
- zweiter Bauraum
- HV+, HV-
- Potentialleitung
- S1 + bis S4-
- Schalteinheit
- T1
- erster Teilbereich
- T2
- zweiter Teilbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018002926 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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