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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz eines zumindest teilweise elektromotorisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einem einen Hochvoltspeicher aufweisenden Hochvoltnetz zur Versorgung eines Antriebsmotors und einem vom Hochvoltnetz galvanisch getrennten Niedervoltnetz zur Versorgung unter anderem einer Steuerungselektronik für das Fahrzeug, wobei eine Maßnahme vorgesehen ist, mit Hilfe derer im Falle eines Fehlers im oder Ausfalls des Niedervoltnetzes dieses oder zumindest die Steuerungselektronik aus einem Batteriestrang des Hochvoltspeichers mit elektrischer Energie versorgbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Bordnetzes. Zum Stand der Technik wird auf die
DE 10 2017 114 339 A1 verwiesen.
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In der genannten
DE 10 2017 114 339 A1 ist ausführlich die auch der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problematik beschrieben, nämlich dass die Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit eines Kraftfahrzeug-Niedervoltbordnetzes (dieses ist dort gleichbedeutend als Niederspannungsnetz bezeichnet) im Fehlerfall insbesondere bei zukünftigen autonom oder hochautomatisiert fahrenden Fahrzeugen von höchster Wichtigkeit ist. Diese sollten unter allen Umständen in der Lage sein, bei einem gravierenden Zwischenfall des Fahrzeugs noch selbsttätig sicher anzuhalten und idealerweise an einer günstigen Stelle der aktuell befahrenen Fahrtstrecke anzuhalten.
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Bei Fahrzeugen, die autonomes Fahren beherrschen sollen, werden höhere Anforderungen an die Verfügbarkeit des Niedervolt-Bordnetzes (= Niedervoltnetz) gestellt. In höherer Ausbaustufe könnten autonom fahrende Fahrzeuge nämlich keine Steuermöglichkeiten für einen Fahrer, welcher bspw. bei einer Fahrt auf der Autobahn und bei einem Ausfall des Niedervoltbordnetzes das Fahrzeug noch von Hand dahin steuern könnte, dass das Fahrzeug auf die Standspur ausrollt und dort sicher stehen bleibt, aufweisen. Für solche Fälle ist üblicherweise eine redundante Stromversorgung im Niedervoltnetz vorzusehen, welche dann die notwendige Sensoren, Aktoren und Steuereinheiten im Fahrzeug noch für zumindest 15-20 Sekunden steuern kann, um ein Ausrollen und sicheres Anhalten bspw. auf dem Seitenstreifen zu ermöglichen. Alternativ kann das komplette Niedervolt-Bordnetz redundant aufgebaut sein.
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In zumindest teilweise elektromotorisch angeriebenen Fahrzeugen (hierdurch sind Hybridantriebe eingeschlossen) besteht das Niedervoltnetz typischerweise aus einer 12 Volt-Batterie, einem DC/DC-Wandler, der das Niedervoltnetz aus einem Hochvolt-Bordnetz (= Hochvoltnetz) versorgt und den elektrischen Verbrauchern. Für die Redundanz werden in heutigen Fahrzeugen eine weitere 12 Volt-Batterie und/oder ein zusätzlicher DC/DC-Wandler installiert. Das bereits genannte und insbesondere zur Versorgung des elektrischen Fahrzeug-Antriebsmotor vorgesehene Hochvolt-Bordnetz, das typischerweise eine Hochvolt-Batterie beinhaltet, ist vom Niedervolt-Bordnetz aus Sicherheitsgründen komplett galvanisch getrennt und isoliert, wofür auch der Begriff „Isole-Terre-Netz“ verwendet wird.
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In der eingangs genannten Schrift ist vorgeschlagen, bei einem Ausfall des Niedervoltnetzes dieses aus einem Batteriestrang des gegebenenfalls mehrere Batteriespeicher aufweisenden Hochvoltspeichers unter Einbindung oder Zwischenschaltung eines DC/DC-Wandlers, welcher bekanntlich elektrische Gleichspannung auf ein anderes Spannungsniveau transformieren kann, zu versorgen. Da jedoch auch ein DC/DC-Wandler ausfallen kann, kann diese Lösung nicht vollends befriedigen, bzw. es ist weiterhin ein redundanter DC/DC-Wandler erforderlich.
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Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs und ist für ein elektrisches Fahrzeug-Bordnetz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die (genannte) Maßnahme durch eine Anordnung von Schaltern und/oder Relais in einer elektrischen Verdrahtung oder Schaltung gebildet ist, welche das Niedervoltnetz oder zumindest die Steuerungselektronik ohne Zwischenschaltung eines DC/DC-Wandlers mit einem ein geeignetes Spannungsniveau bereitstellenden Batteriestrang des Hochvoltspeichers verbindet. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, einem ausgefallenen oder fehlerbehafteten Niedervolt-Bordnetz in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Energiequelle bzw. Leistungsquelle zur Verfügung zu stellen, welche in Notfall aktiviert werden kann, ohne dass ein zusätzlicher aufwändiger DC/DC-Wandler oder eine zusätzliche 12 Volt-Batterie (bzw. allgemein Niedervolt-Batterie) benötigt wird. Erfindungsgemäß wird die vorhandene Hochvoltbatterie durch geeignete elektrische Verdrahtung (bzw. allgemein Verschaltung bzw. Schaltung) sowie zusätzliche Schalter, die im Fehlerfall geeignet betätigt werden, derart konfiguriert, dass daraus zwei Batterien entstehen, nämlich eine 12 Volt-Batterie bzw. Niedervolt-Batterie und eine Hochvoltbatterie mit um 12 Volt (bzw. um den Niedervolt-Betrag) verringerter elektrischer Spannung. Die so alleine durch geeignete Schalterstellungen (hierunter fallen selbstverständlich auch Relais) geschaffene 12 Volt- bzw. Niedervolt-Batterie wird dann als Not-Energiequelle verwendet, wenn die eigentliche 12 Volt-Batterie und der DC/DC-Wandler ausgefallen sind. Diese von der Hochvolt-Batterie von deren kompletten Batteriezellen abgetrennte Niedervolt-Batterie, die aus wenigen in Reihe geschalteten Batteriezellen bestehen kann, wird - wie im nächstkommenden Stand der Technik - auch als Batteriestrang oder (im weiteren) als Teil-Reihe von Batteriezellen bezeichnet. Wichtig bei dieser Abtrennung eines Batteriestranges bzw. einer Teil-Reihe von Batteriezellen ist dabei, dass das weiter oben genannte Prinzip des Isole-Terre-Netzes nicht verletzt wird, was aber mittels geeigneter Anordnung und Betätigung von Schaltern einfach darstellbar ist.
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Grundsätzlich sind zur Umsetzung dieses soweit beschriebenen Prinzips verschiedene elektrische Schaltungen möglich - wesentlich ist dabei jeweils, dass ein geringer Anteil der im Hochvoltspeicher enthaltenen Batteriezellen elektrisch von den anderen Batteriezellen getrennt und mit dem Niedervoltnetz des Fahrzeugs verbunden wird, wobei hierfür die in der Schaltung vorhandenen Schalter geeignet betätigt werden. Dabei ist es ausreichend, eine solche Anzahl von Batteriezellen quasi abzutrennen, dass mit Sicherheit der im Niedervoltnetz benötigte Spannungsbetrag erreicht wird; eine gewisse Überschreitung desselben ist für einen Notbetrieb - und nur um einen solchen handelt es sich hier - unschädlich. Beispielsweise erzeugen derzeitige Lithium-Ionen-Batteriezellen eine elektrische Spannung im Bereich zwischen 3 Volt und 4,2 Volt, so dass vier solche Batteriezellen ausreichend sind, um 12 Volt (als Niedervolt-Betrag) darzustellen.
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Vorzugsweise ist der das besagte geeignete Spannungsniveau bereitstellende Batteriestrang des Hochvoltspeichers, der wie vorstehend erläutert beispielsweise aus vier Lithium-Ionen-Batteriezellen bestehen kann, mittels eines Schalters oder eines bistabilen Relais von den weiteren Batteriezellen des Hochvoltspeichers trennbar. Letztere sind im Falle einer Verbindung des das besagte geeignete Spannungsniveau bereitstellenden Batteriestrangs (des Hochvoltspeichers) mit dem Niedervoltnetz dann über eine geeignete Betätigung von Schaltern oder Relais mit dem Hochvoltnetz verbunden, um eine für ein sicheres Anhalten des Fahrzeugs noch ausreichende elektrische Antriebs-Energie bereit zu stellen. Anzustreben ist dabei im Hinblick aus das Prinzip des Isole-Terre-Netzes, dass das Niedervoltnetz im funktionsfähigen Zustand stets mittels zumindest eines Schalters vom Hochvoltspeicher getrennt ist.
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Beansprucht wird im Übrigen auch ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes wie vorliegend und/oder in zumindest einem der Vorrichtungsansprüche beschrieben, wobei die Schalter und/oder Relais solchermaßen betätigt werden, dass das Niedervoltnetz im Falle eines Fehlers oder Ausfalls unter Beibehaltung der galvanischen Trennung vom Hochvoltnetz mit einem ein geeignetes Spannungsniveau bereitstellenden Batteriestrang des Hochvoltspeichers verbunden wird. In weitere Verfahrensansprüche aufgenommen werden können im Übrigen weitere vorliegend offenbarte verfahrenstechnische Merkmale. Beansprucht wird weiterhin eine elektronische Steuereinheit oder ein auf einer solchen installierbares Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt, welche(s) ausführbaren Programmcode umfasst und gestaltet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele weiter erläutert, die in den beigefügten 1 - 3 als elektrische Verschaltungen auf das wesentliche abstrahiert dargestellt sind. In sämtlichen Figuren stehen gleiche Bezugsziffern für gleiche Elemente, Bauelemente oder Bestandteile, während die durch Striche dargestellten elektrischen Leitungen (beispielsweise in Form einer Verdrahtung) mit Kleinbuchstaben gekennzeichnet sind.
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In sämtlichen Figuren ist ferner mit den Großbuchstaben HS ein Hochvoltspeicher gekennzeichnet, der eine Vielzahl von hier in Reihe geschalteten Batteriezellen Z aufweist. Von den beiden Enden dieser (hier einzigen) Reihe von Batteriezellen Z führt eine Minus-Leitung a und eine Plus-Leitung b zu einem Hochvoltanschluss HA (mit Pluspol + und Minuspol -) eines nicht weiter dargestellten Hochvolt-Bordnetzes, über welches letztlich zumindest ein elektrischer Verbraucher in Form eines Elektromotors zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, in welchem sich das jeweilige elektrische Bordnetz befindet, mit elektrischer Energie versorgt wird. In der Minus-Leitung a ist stets ein elektrischer Schalter 1 und in der Plus-Leitung b ist stets ein elektrischer Schalter 2 vorgesehen, welche Schalter 1, 2 als ein/aus-Schalter bzw. offen/geschlossen-Schalter ausgeführt sind.
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Ferner ist bei allen Ausführungsbeispielen ein mit den Großbuchstaben NA gekennzeichneter Niedervoltanschluss (ebenfalls mit Pluspol + und Minuspol -) für ein nicht weiter dargestelltes Niedervoltnetz vorgesehen, über das andere elektrische und elektronische Komponenten des Fahrzeugs, so insbesondere auch eine elektronische Steuereinheit für das Fahrzeug bzw. dessen wesentliche Funktionen, mit elektrischer Energie mit einem Spannungsniveau von ca. 12 Volt versorgt werden. Zu den beiden Polen (+/-) dieses Niedervoltanschlusses NA führen elektrische Leitungen c, d, wobei in der Plus-Leitung d stets ein elektrischer Schalter 5 vorgesehen ist, der als ein/aus-Schalter bzw. offen/geschlossen-Schalter ausgeführt ist.
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Nun auf das erste (und auf dem Figurenblatt untere !) Ausführungsbeispiel von 1 Bezug nehmend ist im Hochvoltspeicher HS in dessen Reihenschaltung von Batteriezellen Z ein zusätzlicher Schalter 4 eingefügt, durch den diese Reihe von Batteriezellen Z in zwei hintereinander schaltbare Teil-Reihen ZR1, ZR2 getrennt ist (falls der Schalter 4 offen ist) oder trennbar ist (falls der Schalter 4 geschlossen ist). In der Figur unterhalb des Schalters 4 bilden vier Batteriezellen Z die Teil-Reihe ZR2, während die weiteren Batteriezellen Z oberhalb des Schalters 4 die Teil-Reihe ZR1 bilden. Letztere bildet bei geöffnetem Schalter 4 eine quasi „verkleinerte“ Hochvoltbatterie bzw. einen ersten Batteriestrang, während die Teil-Reihe ZR2 dann eine Niedervoltbatterie, gebildet durch einen zweiten Batteriestrang, darstellt. Der Begriff „Batteriestrang“ ist dabei aus dem Stand der Technik übernommen.
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Die bereits genannte Minus-Leitung d für das Niedervoltnetz bzw. dessen Anschluss NA zweigt zwischen dem Schalter 4 und der Teil-Reihe ZR2 ab und eine Plus-Leitung e der verkleinerten Hochvoltbatterie zweigt zwischen dem Schalter 4 und der Teil-Reihe ZR1 ab. In der Plus-Leitung e ist ein weiterer Schalter 3 vorgesehen, stromab dessen die Leitung e in die Plus-Leitung b (von HA) mündet.
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Die Plus-Leitung c des Niedervoltanschlusses NA, in der ein weiterer Schalter 5 vorgesehen ist, zweigt von der Plus-Seite der Teil-Reihe ZR2 von Batteriezellen Z ab bzw. hier von der Plus-Leitung b zwischen deren Schalter 2 und der Teil-Reihe ZR2. Über die Schalter 5, 6 kann somit die Teil-Reihe ZR2 als quasi Not-12 Volt-Batterie mit dem Niedervoltnetz des Fahrzeugs verbunden werden. (Bei Lithium-Ionen Batterien, die Zellspannungen im Bereich ca. 3 V bis 4,2 Volt haben, reichen vier Zellen Z aus, um eine Not-12 Volt-Batterie darzustellen).
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Im regulären Betrieb des Fahrzeugs sind die Schalter 1, 2, 4 geschlossen, während die Schalter 3, 5, 6 geöffnet sind. Bei einem Ausfall des regulären Niedervoltnetzes des Fahrzeugs wird in den Notbetrieb umgeschaltet. Dafür werden zunächst der Schalter 2 und der Schalter 4 geöffnet und nachfolgend die Schalter 3, 5, 6 geschlossen. Dieser Vorgang kann bei elektromechanischen Relais in ca. 20 Millisekunden abgeschlossen sein, so dass nur eine sehr kurze und tolerierbare Unterbrechung der Stromversorgung stattfindet, welche ggf. durch im System vorhanden üblicherweise Kondensatoren überbrückt werden kann.
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Beim Ausführungsbeispiel nach 2 ist gegenüber dem Beispiel nach 1 anstelle des dortigen Schalters 3 ein bistabiles Relais 7 vorgesehen, wodurch für das Umschalten in den Notbetrieb vorteilhafterweise sämtliche Schalter 1, 2, 4, 5, 6 gleichzeitig und gleichzeitig mit dem bistabilen Relais 7 angesteuert werden können.
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Beim Ausführungsbeispiel nach 3 sind gegenüber dem Beispiel nach 2 die dortigen Schalter 4, 6 durch ein bistabiles Relais 8 ersetzt, welches hier auch die Trennung zwischen den beiden Teil-Reihen ZR1 und ZR2 übernehmen kann. Der Vorteil ist, dass beim Umschalten in den Notbetrieb eine geringere Anzahl von Schaltern bzw. Relais angesteuert werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017114339 A1 [0001, 0002]
