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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Steuereinrichtung, einen Energiespeicher sowie mehrere über den Energiespeicher betreibbare Komponenten, wobei das Bordnetz in wenigstens zwei Teilnetze unterteilt ist und die Teilnetze jeweils wenigstens eine der Komponenten umfassen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes.
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Bordnetze von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Elektrofahrzeugen mit einem elektrischen Traktionsmotor, sind in der Regel so aufgebaut, dass ein im Bordnetz angeschlossener Energiespeicher, zum Beispiel eine Traktionsbatterie, über auch als Haupttrennelemente bezeichnete Schalteinrichtungen von den weiteren Komponenten des Bordnetzes, beziehungsweise von einem Hochvoltsystem des Kraftfahrzeugs, getrennt werden kann. Alle in das beispielsweise als Hochvolt-Bordnetz ausgeführte Bordnetz integrierte Komponenten können somit durch ein Öffnen der Haupttrennelemente von dem Energiespeicher getrennt werden.
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Bei geschlossenen Haupttrennelementen ist entsprechend eine Versorgung der Komponenten über den Energiespeicher möglich, das heißt das Bordnetz ist aktiv und an allen Komponenten liegt die Spannung des Energiespeichers an. Bei einem aktiven Bordnetz liegt die Spannung des Energiespeichers somit auch an Komponenten an, deren Funktion aktuell bei einem Betrieb eines das Bordnetz umfassenden Kraftfahrzeugs nicht benötigt wird.
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Dies hat den Nachteil, dass die Komponenten permanent durch die Spannung des Energiespeichers belastet werden, obwohl ihre Funktion nur zeitweise und nicht dauerhaft benötigt wird. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Kraftfahrzeugbordnetzen bekannt.
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In
DE 10 2012 206 932 A1 wird ein Kraftfahrzeugbordnetz mit wenigstens zwei Teilnetzen beschrieben, welche mittels eines Gleichspannungswandlers und eines Überbrückungsschalters miteinander verbunden sind. Dabei ist in einem ersten der Teilnetze ein Verbraucher mit wenigstens zwei unterschiedlichen Leistungsanforderungen angeschlossen und das Kraftfahrzeugbordnetz ist dazu eingerichtet, bei Vorliegen einer ersten Leistungsanforderung des wenigstens einen Verbrauchers eine Spannung in einem ersten Betriebsmodus bei geöffnetem Überbrückungsschalter nur über den Gleichspannungswandler und bei Vorliegen einer zweiten, höheren Leistungsanforderung des wenigstens einen Verbrauchers in einem zweiten Betriebsmodus bei geschlossenem Überbrückungsschalter eine Leistung über den Überbrückungsschalter aus dem zweiten Teilnetz in das erste Teilnetz einzuspeisen.
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Aus
DE 10 2018 202 590 A1 ist eine Schaltvorrichtung für ein Hochvolt-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, welches zumindest zwei Teilnetzes aufweist, bekannt. Die Schaltvorrichtung umfasst zumindest eine Strommesseinheit, ein Schaltelement sowie eine Steuereinheit, wobei die Schaltvorrichtung dazu ausgebildet ist, bei einem Kurzschluss im Hochvolt-Bordnetz eine Hochvolt-Batterie sicher von anderen Hochvolt-Verbrauchern abzutrennen.
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DE 10 2014 201 345 A1 offenbart ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit einem Niederspannungsteilnetz für zumindest einen Niederspannungsverbraucher und mit einem Hochspannungsteilnetz für zumindest einen Hochspannungsverbraucher und einen elektrischen Generator. Dabei umfasst das Hochspannungsteilnetz weiterhin eine Batterie, welche dazu eingerichtet ist, eine Hochspannung zu erzeugen und an das Hochspannungsteilnetz auszugeben. Das Niederspannungsteilnetz ist mit dem Energiespeicher über eine Koppeleinheit angebunden, welche selektiv Batterieeinheiten des Energiespeichers dem Niederspannungsteilnetz zuschalten kann. Dadurch kann erreicht werden, dass die Batterieeinheiten des Energiespeichers einen möglichst gleichen Ladezustand aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Bordnetz für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welches insbesondere die Belastungen von nicht benötigten Komponenten des Bordnetzes reduziert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Bordnetz der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Komponenten von unterschiedlichen Teilnetzen jeweils wenigstens einem unterschiedlichen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind, wobei jedes der Teilnetze über wenigstens eine Schalteinrichtung von dem Energiespeicher trennbar ist und die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schalteinrichtungen in Abhängigkeit einer Betriebszustandsinformation, welche wenigstens einen aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs beschreibt, derart anzusteuern, dass jeweils die Teilnetze mit dem Energiespeicher verbunden sind, welche eine dem aktuellen Betriebszustand zugewiesene Komponente umfassen, und die Teilnetze, welche keine dem aktuellen Betriebszustand zugewiesene Komponente umfassen, von dem Energiespeicher getrennt sind.
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Dies ermöglicht es vorteilhaft, dass nur diejenigen Komponenten jeweils mit dem Energiespeicher verbunden sind, welche in dem aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs auch benötigt werden. Komponenten, welche im aktuellen Betriebszustand nicht benötigt werden, können durch die Schalteinrichtungen jeweils vom Energiespeicher getrennt werden, so dass nur diejenigen Komponenten mit dem Energiespeicher verbunden sind, welche im aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs auch eingesetzt werden. Das Aufteilen der Komponenten in unterschiedliche Teilnetze ermöglicht es, einzelne Komponenten oder Gruppen von Komponenten, welche in einem bestimmten Betriebszustand des Kraftfahrzeugs betrieben werden, jeweils einzeln bzw. als Gruppe mit dem Energiespeicher über die dem Teilnetz jeweils zugeordnete Schalteinrichtung zu verbinden. Dadurch können vorteilhaft die Betriebsstunden der einzelnen Komponenten reduziert werden, da diese in der Regel nicht in allen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, das heißt nicht dauerhaft, zum Einsatz kommen.
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Weiterhin hat das erfindungsgemäße Bordnetz den Vorteil, dass durch das Abtrennen der Komponenten beziehungsweise der jeweiligen Teilnetze durch die Schalteinrichtungen von dem Energiespeicher eine geringere Belastung insbesondere einer Eingangsbeschaltung der jeweiligen Komponenten entstehen kann, da die in den Teilnetzen angeordneten Komponenten nicht dauerhaft mit dem Energiespeicher verbunden sind. Es ist insbesondere möglich, dass die Komponenten durch die Abtrennung des jeweiligen Teilnetzes jeweils ganz oder zumindest teilweise spannungsfrei geschaltet werden. Ferner wirken die jeweiligen Komponenten bzw. einzelne Schaltungsbestandteile der jeweiligen Komponenten in den abgetrennten Teilnetzen auch nicht auf den sich im Betrieb befindlichen Teil des Bordnetzes zurück.
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Die Gesamtkapazität, welche zum Beispiel für Filterkondensatoren wie Y-Kondensatoren in Filtereinrichtungen der Komponenten zur Verfügung steht, kann aus Sicherheitsgründen in dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs beschränkt sein. Diese Gesamtkapazität ist dabei auf alle mit dem Energiespeicher verbundenen Komponenten im Fahrzeug aufzuteilen. Zum Erreichen der gewünschten Filtereigenschaft einer beispielsweise als EMV-Filter (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) ausgebildeten Filtereinrichtung der Komponenten kann unter Berücksichtigung der zulässigen Gesamtkapazität daher die Verwendung von zusätzlichen Induktivitäten in der Filtereinrichtung erfordern. Diese Induktivitäten weisen jedoch einen größeren Bauraumbedarf als vergleichbare Kapazitäten auf und sind darüber hinaus in der Regel auch teurer und schwerer.
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Durch die Aufteilung der Komponenten in zwei oder mehr separat zu- bzw. abschaltbare Teilnetze kann der Effekt ausgenutzt werden, dass je nach Betriebszustand des Kraftfahrzeugs bestimmte Kombinationen an Komponenten nicht gleichzeitig in Betrieb sind. Durch den Ausschluss von bestimmten Kombinationen der mit dem Energiespeicher verbundenen Komponenten kann das Gesamtbudget an Kapazität für Y-Kondensatoren auf eine geringere Anzahl an maximal gleichzeitig betreibbaren Komponenten aufgeteilt werden, so dass zum Erreichen der gewünschten Filterwirkung in den Filtereinrichtungen der Komponenten jeweils größere Kapazitäten und somit kleinere Induktivitäten verwendet werden können. Dies ermöglicht vorteilhaft eine kostenreduzierte, bauraumreduzierte und gewichtreduzierte Auslegung von Filtereinrichtungen in den Komponenten.
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Die in den wenigstens zwei Teilnetzen über die Schalteinrichtungen mit dem Energiespeicher verbundenen Komponenten können somit jeweils eine Filtereinrichtung mit jeweils wenigstens einem Y-Kondensator aufweisen. Da sich eine zulässige Gesamtkapazität für die Y-Kondensatoren in dem Bordnetz nur auf die Teilmenge der sich maximal gleichzeitig in Betrieb befindlichen Teilnetze bzw. Komponenten erstreckt, kann vorteilhaft die Gesamtkapazität der Y-Kondensatoren in allen Komponenten des Bordnetzes größer ausgeführt werden als in einem Bordnetz, in dem alle Komponenten gleichzeitig bzw. permanent an den Energiespeicher angebunden sind. Dadurch, dass in jedem der Betriebszustände des Kraftfahrzeugs nur eine Teilmenge der Teilnetze bzw. der Komponenten mit dem Energiespeicher verbunden ist, kann die zulässige Gesamtkapazität trotzdem vorteilhaft in jedem der Betriebszustände eingehalten werden.
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Bei der Filtereinrichtung kann es sich insbesondere um eine eingangsseitige Filtereinrichtung der Komponente handeln. Als Eingang der Komponente wird dabei die Seite der Komponente verstanden, an welcher die von dem Energiespeicher erzeugte Spannung abfällt. Dies schließt hierbei jedoch nicht aus, dass durch die Komponente, zum Beispiel einen bidirektionalen Gleichspannungswandler oder eine elektrische Maschine in einem Generatorbetrieb, auch eine Leistung an den Energiespeicher abgebbar ist.
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Die Betriebszustandsinformation kann von der Steuereinrichtung selbst ermittelt werden oder sie kann ihr von einem anderen Steuergerät, beispielsweise einem Steuergerät eines das Bordnetz umfassenden Kraftfahrzeugs, übermittelt werden. Die Betriebszustände können dabei vorteilhaft insbesondere derart gewählt werden, dass Funktionsgruppen oder Cluster aus Komponenten gebildet werden, welche bestimmten Funktionen beziehungsweise Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs zugewiesen sind. Bei dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs kann es sich insbesondere um ein Hochvoltbordnetz handeln, in dem elektromagnetische Störungen durch Schaltvorgänge, beispielsweise eines Traktionsumrichters oder anderer Leistungselektronikelemente, entstehen können.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass durch die Schalteinrichtungen jeweils wenigstens ein Eingang der Komponenten spannungsfrei schaltbar ist. Auf diese Weise wird insbesondere auch eine eingangsseitig in der Komponente vorhandene Filtereinrichtung, wie ein EMV-Filter zur Filterung von im Bordnetz auftretenden Störungen, von dem Energiespeicher vollständig abgetrennt beziehungsweise von dem restlichen Teil des Bordnetzes separiert, wenn die Komponente oder die Komponenten des Teilnetzes in dem aktuellen Betriebszustand nicht benötigt werden. Dies reduziert vorteilhaft die durch die verbundenen Filtereinrichtungen erzeugte Gesamtkapazität, welche in dem Betriebszustand noch mit dem Energiespeicher verbunden ist.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtungen als von den Komponenten separate Vorrichtungen ausgeführt sind. Die Schalteinrichtungen können beispielsweise über elektrische Verbindungsmittel wie Kabel oder Stromschienen mit dem Eingang der Komponente bzw. den Eingängen mehrerer Komponenten eines Teilnetzes und/oder dem Energiespeicher verbunden sein. Die Schalteinrichtungen können zum Beispiel in oder an einem Gehäuse des Energiespeichers angeordnet sein.
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Die Schalteinrichtungen können erfindungsgemäß jeweils wenigstens ein Schaltelement, insbesondere einen Halbleiterschalter und/oder einen Schütz, umfassen. Als Halbleiterschalter kann zum Beispiel ein Transistor verwendet werden. Dies ermöglicht eine hinreichend gute Stromtragfähigkeit der Schalteinrichtungen bei geschlossenen Schaltelementen, so dass die in den jeweiligen Teilnetzen angeordneten Komponenten zuverlässig bestromt werden können.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher zwei Pole aufweist, wobei durch die Schalteinrichtungen für jedes Teilnetz jeweils die Verbindungen zu beiden Polen unterbrechbar sind oder wobei durch die Schalteinrichtungen für wenigstens zwei der Teilnetze jeweils die Verbindung zu einem der Pole unterbrechbar ist und durch eine weitere Schalteinrichtung die Verbindung zwischen dem anderen Pol und den wenigstens zwei Teilnetzen unterbrechbar ist.
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Dabei kann beispielsweise in die Verbindungen jedes Teilnetzes mit dem Energiespeicher jeweils ein Schaltelement zwischen den beiden Polen des Energiespeichers und dem Teilnetz angeordnet werden, so dass die Verbindungen zu einem positiven Pol und einem negativen Pol für jedes Teilnetz einzeln getrennt werden können. Es ist auch möglich, dass für jedes der Teilnetze oder für wenigstens zwei der Teilnetze nur in der Verbindung zu einem der Pole, beispielsweise dem positiven Pol, eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, wobei für ein Abtrennen der Verbindungen zum weiteren Pol des Energiespeichers eine gemeinsame weitere Schalteinrichtung vorgesehen ist. Die einzelnen Teilnetze können somit separat durch das Öffnen der Verbindung zu einem der Pole durch die dem jeweiligen Teilnetz zugeordnete Schalteinrichtung abgetrennt werden, wobei ein vollständiges Abtrennen aller Komponenten durch ein zusätzliches Öffnen der weiteren Schalteinrichtung möglich ist. Die weitere Schalteinrichtung bzw. das Schaltelement der weiteren Schalteinrichtung kann dabei auch als Haupttrennelement bezeichnet werden. Es ist möglich, dass auch bei der Verwendung eines Schaltelements in jeder Verbindung zwischen den Polen des Energiespeichers und jedem der Teilnetze ein oder zwei Haupttrennelemente vorgesehen sind, welche zusätzlich einen oder beide Pole des Energiespeichers von den Schalteinrichtungen, welche den jeweiligen Teilnetzen zugeordnet sind, trennen können.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, bei mehreren aktuellen Betriebszuständen die Schalteinrichtungen in Abhängigkeit der Betriebszustandsinformation derart anzusteuern, dass jeweils die Teilnetze mit dem Energiespeicher verbunden sind, welche eine wenigstens einem der mehreren aktuellen Betriebszustände zugewiesene Komponente umfassen, und die Teilnetze, welche keine wenigstens einem der mehreren aktuellen Betriebszustände zugewiesene Komponente umfassen, von dem Energiespeicher getrennt sind. Bei mehreren aktuellen Betriebszuständen, z. B. bei einem Fahrbetrieb und einem gleichzeitigen Klimatisierungsbetrieb oder ähnlichem, ist es ausreichend, wenn die wenigstens eine Komponente eines Teilnetzes einem der mehreren aktuellen Betriebszustände zugewiesen ist, um eine Verbindung zwischen dem Energiespeicher und der entsprechenden Komponente beziehungsweise ihres Teilnetzes herzustellen. Entsprechend werden bei mehreren aktuellen Betriebszuständen diejenigen Komponenten beziehungsweise diejenigen Teilnetze von dem Energiespeicher getrennt, welche keinem der aktuellen Betriebszustände zugewiesen sind, mithin also die Komponenten, welche in den aktuellen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs nicht benötigt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Komponenten, welche einem Fahrbetriebszustand, einem Gleichstrom-Ladebetriebszustand, einem Wechselstrom-Ladebetriebszustand, einem Niedervolt-Bordnetz-Versorgungsbetriebszustand, einem Heizbetriebszustand, einem Klimatisierungsbetriebszustand, einem Fahrwerksregelungsbetriebszustand und/oder einem Abgasbehandlungsbetriebszustand zugewiesen sind, jeweils in einem separaten Teilnetz angeordnet sind. Entsprechend kann die Betriebszustandsinformation als Betriebszustände also einen Fahrbetriebszustand, einen Gleichstrom-Ladebetriebszustand, einen Wechselstrom-Ladebetriebszustand, einen Versorgungsbetriebszustand eines Niedervolt-Bordnetzes, einen Heizbetriebszustand und/oder einen Klimatisierungsbetriebszustand beschreiben.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass dem Fahrbetriebszustand wenigstens eine als Traktionselektromotor ausgebildete Komponente, dem Gleichstrom-Ladebetriebszustand wenigstens eine als Gleichstrom-Ladeeinrichtung ausgebildete Komponente, dem Wechselstrom-Ladebetriebszustand wenigstens eine als Wechselstrom-Ladeeinrichtung ausgebildete Komponente, dem Niedervolt-Bordnetz-Versorgungsbetriebszustand wenigstens eine als Gleichspannungswandler ausgebildete Komponente, dem Heizbetriebszustand wenigstens eine als Heizer ausgebildete Komponente, dem Klimatisierungsbetriebszustand wenigstens eine als Klimatisierungseinrichtung ausgebildete Komponente, dem Fahrwerksregelungsbetriebszustand eine als Fahrwerkseinrichtung ausgebildete Komponente und/oder dem Abgasbehandlungsbetriebszustand eine als Abgasbehandlungseinrichtung ausgebildete Komponente zugewiesen ist.
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Eine derartige Aufteilung der Komponenten ermöglicht die Ausbildung von unterschiedlichen Teilnetzen beziehungsweise die Zuweisung der Komponenten an derartige Betriebszustände, dass kein gleichzeitiger Betrieb aller Teilnetze erfolgt. Beispielsweise werden zum Laden des Energiespeichers nicht gleichzeitig eine Wechselstrom-Ladeeinrichtung und eine Gleichstrom-Ladeeinrichtung benötigt. Ferner werden zum Beispiel gleichzeitig zu einer Gleichstrom-Ladeeinrichtung und/oder einer Wechselstrom-Ladeeinrichtung ein oder mehrere Traktionselektromotoren des Bordnetzes, beziehungsweise eines das Bordnetz aufweisenden Kraftfahrzeugs, nicht benötigt, da ein als Elektrofahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug in der Regel im Stand geladen wird. Eine als Gleichspannungswandler ausgebildete Komponente, welche zur Versorgung eines Niedervolt-Bordnetzes in dem Niedervolt-Bordnetz-Versorgungsbetriebszustand ausgebildet ist, kann beispielsweise die Spannung des Energiespeichers auf ein Spannungsniveau von beispielsweise 12 V, 24 V oder 48 V wandeln. Abhängig von dem Spannungsniveau kann das Niedervolt-Bordnetz auch als Mittelspannungs-Bordnetz (MV-Bordnetz) bezeichnet werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Bordnetz ein Hochvolt-Bordnetz, insbesondere mit einer Spannung von 60 V oder größer, ist. Beispielsweise kann die Spannung des Hochvolt-Bordnetzes zwischen 200 V und 1500 V liegen. Bei dem Energiespeicher kann es sich beispielsweise um einen Traktionsenergiespeicher wie eine Traktionsbatterie handeln, mittels der beispielsweise wenigstens eine als Traktionselektromotor ausgebildete Komponente des Bordnetzes betreibbar ist.
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Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es ein erfindungsgemäßes Bordnetz umfasst. Sämtliche Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Bordnetz treffen dabei entsprechend auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zu.
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Für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes ist vorgesehen, dass das Bordnetz eine Steuereinrichtung, einen Energiespeicher sowie mehrere über den Energiespeicher betreibbare Komponenten umfasst, wobei das Bordnetz in wenigstens zwei Teilnetze unterteilt ist und die Teilnetze jeweils wenigstens eine der Komponenten umfassen, wobei die Komponenten von unterschiedlichen Teilnetzen jeweils wenigstens einem unterschiedlichen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind, wobei jedes der Teilnetze über wenigstens eine Schalteinrichtung von dem Energiespeicher trennbar ist, wobei die Steuereinrichtung die Schalteinrichtungen in Abhängigkeit einer wenigstens einen aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs beschreibenden Betriebszustandsinformation derart ansteuert, dass jeweils die Teilnetze mit dem Energiespeicher verbunden sind, welche eine dem aktuellen Betriebszustand zugewiesene Komponente umfassen, und die Teilnetze, welche keine dem aktuellen Betriebszustand zugewiesene Komponente umfassen, von dem Energiespeicher getrennt sind.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung die Schalteinrichtungen bei mehreren aktuellen Betriebszuständen in Abhängigkeit der Betriebszustandsinformation derart ansteuert, dass jeweils die Teilnetze mit dem Energiespeicher verbunden sind, welche eine wenigstens einem der mehreren aktuellen Betriebszustände zugewiesene Komponente umfassen, und die Teilnetze, welche keine wenigstens einem der mehreren aktuellen Betriebszustände zugewiesene Komponente umfassen, von dem Energiespeicher getrennt sind.
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Sämtliche vorangehend im Bezug zu dem erfindungsgemäßen Bordnetz beziehungsweise dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bordnetzes, und
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bordnetzes.
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In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Bordnetz 2, welches einen Energiespeicher 3 umfasst. Das Bordnetz 2 dient dazu, dem Energiespeicher 3 entnehmbare elektrische Energie im Kraftfahrzeug 1 zu verteilen. Bei dem Energiespeicher 3 handelt es sich um einen Hochvolt-Energiespeicher, welcher auch als Traktionsenergiespeicher des Kraftfahrzeugs 1 dient. Der Energiespeicher 3 kann zum Beispiel als eine Batterie ausgebildet sein und mehrere parallel und/oder seriell verschaltete Batteriezellen umfassen.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Bordnetzes 2 dargestellt. Das Bordnetz 2 umfasst neben dem Energiespeicher 3 eine Steuereinrichtung 4 sowie mehrere über den Energiespeicher 3 betreibbare Komponenten 5 - 9. Das Bordnetz 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in fünf Teilnetze 10 - 14 unterteilt, wobei jedes der Teilnetze eine der Komponenten 5 - 9 umfasst. Die Komponenten 5 - 9 der Teilnetze 10 - 14 sind jeweils über wenigstens eine Schalteinrichtung 15 - 19 von dem Energiespeicher 3 trennbar.
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Die Schalteinrichtungen 15 - 19 umfassen jeweils wenigstens ein Schaltelement 20, mittels dem jeweils die Verbindung des zugeordneten Teilnetzes 10 -14 zu einem Pol des Energiespeichers 3 oder zu beiden Polen des Energiespeichers 3 trennbar ist. Weiterhin vorgesehen sind zwei Haupttrennelemente 21, über welche der Energiespeicher 3 zusätzlich von den Schalteinrichtungen 15 - 19 und somit von den Komponenten 5 - 9 beziehungsweise den gesamten Teilnetzen 10 - 14 trennbar ist. Auch die Haupttrennelemente 21 sind jeweils als Schaltelemente ausgeführt. Die Schaltelemente 20 der Schalteinrichtungen 15 - 19 und/oder die Haupttrennelemente 21 können jeweils z. B. als ein Halbleiterschalter, insbesondere als ein Transistor, und/oder als ein Schütz ausgeführt sein. Die Haupttrennelemente 21 sowie die Schalteinrichtungen 15 - 19 und der Energiespeicher 3 können in einem gemeinsamen Gehäuse 22 des Energiespeichers 3 angeordnet sein.
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Durch die Schalteinrichtungen 15 - 19 sind die Eingänge der Komponenten 5 - 9 jeweils spannungsfrei schaltbar, indem jeweils das wenigstens eine Schaltelement 20 der Schalteinrichtungen 15 - 19 geöffnet wird. Dabei umfassen die Schalteinrichtungen 15, 17 und 19 jeweils ein Schaltelement 20, so dass jeweils die Verbindung zwischen einem Plus-Pol des Energiespeichers 3 und dem Eingang der Komponenten 5, 7, und 9 unterbrochen werden kann. Die Schalteinrichtungen 16 und 18 umfassen jeweils zwei Schaltelemente 20, so dass jeweils die Verbindungen zwischen einem Plus-Pol und einem Minus-Pol des Energiespeichers 3 und dem Eingang der Komponenten 6 und 8 unterbrochen werden können.
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Die Komponenten 5 - 9, welche jeweils in den separaten Teilnetzen 10 - 14 angeordnet sind, sind jeweils wenigstens einem unterschiedlichen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 zugewiesen. Dabei ist die Komponente 5 z. B. als eine Klimatisierungseinrichtung ausgebildet und einem Klimatisierungszustand des Kraftfahrzeugs 1 zugeordnet. Die Komponente 6 ist als Traktionselektromotor ausgebildet und einem Fahrbetriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 zugewiesen. Die Komponente 7 ist als ein Gleichspannungswandler ausgebildet und einem Niedervolt-Bordnetz-Versorgungsbetriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 zugeordnet. Die Komponente 8 ist als eine Gleichstrom-Ladeeinrichtung ausgebildet und entsprechend einem Gleichstrom-Ladebetriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 zugewiesen. Die Komponente 9 ist als Wechselstrom-Ladeeinrichtung ausgebildet und einem Wechselstrom-Ladebetriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 zugeordnet.
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Abhängig von dem wenigstens einem aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 werden nicht alle der Komponenten 5 - 9 gleichzeitig benötigt. Z. B. werden in einem Gleichstromladebetriebszustand, in der Energiespeicher 3 über eine Gleichstromquelle geladen wird, z. B. nur die als Gleichspannungswandler ausgebildete Komponente 7 zur Versorgung eines Niedervolt-Bordnetzes und die als Gleichstrom-Ladeeinrichtung ausgebildete Komponente 8 benötigt. Da sich das Kraftfahrzeug in einem Ladebetriebszustand nicht bewegt, wird beispielsweise die als Traktionselektromotor ausgebildete Komponente 6 dort nicht benötigt. Auch ist es möglich, dass in dem Ladebetriebszustand zum Beispiel auch die als Klimatisierungseinrichtung ausgebildete Komponente 5 nicht benötigt wird. Weiterhin wird in dem Gleichstrom-Ladebetriebszustand die als Wechselstrom-Ladeeinrichtung ausgebildete Komponente 9 ebenfalls nicht benötigt.
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Als weiteres Beispiel sei ein Fahrbetriebszustand des Kraftfahrzeug 1 genannt, in dem die als Traktionselektromotor ausgebildete Komponente 8 benötigt wird. Ferner kann neben dem Fahrbetriebszustand zum Betrieb von Niedervoltkomponenten ein Niedervolt-Bordnetz-Versorgungsbetriebszustand vorliegen, für den die als Gleichspannungswandler ausgebildete Komponente 7 betrieben wird. Zusätzlich kann ein Klimatisierungsbetriebszustand vorliegen, in dem die als Klimatisierungseinrichtung ausgebildete Komponente 5 verwendet wird. Da ein Laden des Kraftfahrzeugs während der Fahrt nicht möglich ist, werden die als Ladeeinrichtungen ausgebildeten Komponenten 8 und 9 nicht benötigt, so dass diese durch Abtrennen der Teilnetze 13 und 14 abgeschaltet und wenigstens eingangsseitig spannungsfrei geschaltet werden können.
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Ein weiteres Beispiel stellt eine Standklimatisierung des Kraftfahrzeugs 1 dar, bei der die als Traktionselektromotor ausgebildete Komponente 8 benötigt wird. Zusätzlich dazu kann zum Beispiel der Ladebetriebszustand vorliegen, wenn das Kraftfahrzeug während dem Stand geladen wird und/oder es kann beispielsweise der Niedervolt-Bordnetz-Versorgungsbetriebszustand vorliegen, wenn zum Beispiel eine über das Niedervolt-Bordnetz betriebene Multimediaeinrichtung des Kraftfahrzeugs verwendet wird.
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Neben diesen Beispielen sind auch weitere Betriebszustände bzw. Kombinationen von Betriebszuständen möglich, in welchen jeweils nur ein Teil der Komponenten 5 - 9 benötigt wird. Dabei werden die jeweils nicht benötigten Komponenten 5 - 9 bzw. die Teilnetze 10 bis 14 jeweils über die Schalteinrichtungen 15 bis 19 vom Energiespeicher getrennt und wenigstens eingangsseitig spannungsfrei geschaltet. Die Zuteilung der vorhandenen Komponenten auf die möglichen Betriebszustände sowie die jeweils berücksichtigten Betriebszustände können sich dabei insbesondere nach dem Typ und/oder der Ausführung des Kraftfahrzeugs 1 richten.
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Der aktuelle Betriebszustand oder die aktuellen Betriebszustände des Kraftfahrzeugs werden durch eine Betriebszustandsinformation beschrieben, welche der Steuereinrichtung 4 vorliegt. Die Steuereinrichtung 4 kann die Betriebszustandsinformation dabei selbst ermitteln oder sie kann von einem weiteren Steuergerät (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs 1 an die Steuereinrichtung 4 übermittelt werden. Die Steuereinrichtung 4 steuert die Schalteinrichtungen 15 - 19 in einem Verfahren zum Betrieb des Bordnetzes 2 in Abhängigkeit von der Betriebszustandsinformation an, um die für den wenigstens einen aktuellen Betriebszustand nicht benötigten Komponenten von dem Energiespeicher 3 zu trennen. Dabei werden die Schalteinrichtungen 15 - 19 durch die Steuereinrichtung 4 derart angesteuert, dass jeweils die Teilnetze 10 - 14 mit dem Energiespeicher 3 verbunden sind, welche eine dem aktuellen Betriebszustand zugewiesene Komponente 5 - 9 umfassen, und die Teilnetze 10 - 14, welche keine dem aktuellen Betriebszustand zugewiesene Komponente 5 - 9 umfassen, von dem Energiespeicher 3 getrennt sind.
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Die Verbindungen zwischen der Steuereinrichtung 4 und den Schalteinrichtungen 15 - 19 sind in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Bei einer Betriebszustandsinformation, welche mehr als einen aktuellen Betriebszustand beschreibt, z. B. einen Fahrbetriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 sowie einen Klimatisierungsbetriebszustand des Kraftfahrzeugs 1, werden jeweils die Komponenten 5 - 9, welche wenigstens einem der Betriebszustände zugewiesen sind, durch eine Verbindung der jeweiligen Teilnetze 10 - 14 mit dem Energiespeicher 3 betrieben. Die Komponenten 5 - 9, welche keinem der aktuellen Betriebszustände zugewiesen sind, werden durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente 15 - 19 von dem Energiespeicher 3 getrennt.
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Die vorliegende Darstellung an Komponenten 5 - 9 sowie den Teilnetzen 10 - 14 im Bordnetz 2 ist nicht abschließend. Das Bordnetz 2 kann insbesondere weitere Komponenten, z. B. als Heizelemente ausgebildete Komponenten, welche einem Heizbetriebszustand des Kraftfahrzeugs zugeordnet sind, als Fahrwerkseinrichtungen, welche einen Fahrwerksregelbetriebszustand zugeordnet sind, und/oder als Abgasbehandlungseinrichtungen, welche einem Abgasbehandlungsbetriebszustand zugeordnet sind, umfassen. Die Komponenten können dabei insbesondere in einem oder mehreren Teilnetzen angeordnet sein, wobei das Teilnetz oder die Teilnetze jeweils über eine Schalteinrichtung mit dem Energiespeicher 3 verbunden sind, so dass auch die weiteren Komponenten abhängig von der Betriebszustandsinformation mit dem Energiespeicher 3 verbunden oder von diesem getrennt werden können. Ein Fahrwerksregelbetriebszustand kann zum Beispiel vorliegen, wenn eine adaptive Fahrwerksregelung aktiviert ist, und ein Abgasbehandlungsbetriebszustand kann zum Beispiel vorliegen, wenn das Kraftfahrzeug 1 einen Verbrennungsmotor umfasst und dieser in Betrieb ist.
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Bei dem Bordnetz 2 kann es sich z. B.um ein Hochvolt-Bordnetz, insbesondere mit einer Gleichspannung von 60 V oder größer, handeln, wobei die Hochspannung in dem Bordnetz 2 von dem Energiespeicher 3 bereitgestellt wird. Die Spannung des Hochvolt-Bordnetzes kann zum Beispiel 200 V, 400 V, 800 V, 1000V oder 1500 V betragen. Eine als Gleichspannungswandler ausgebildete Komponente 7 kann z. B. der Versorgung eines Niedervolt-Bordnetzes mit einer Spannung zwischen 12 V und 48 V, welches auch als Mittelvolt-Bordnetz bezeichnet werden kann, dienen.
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Durch die Hauptrennelemente 21 kann der Energiespeicher 3 von allen Teilnetzen 10 - 14 getrennt werden, z. B. wenn das Kraftfahrzeug 1 abgeschaltet beziehungsweise ausgeschaltet ist. Für manche der Komponenten, wie für die als Traktionselektromotor ausgebildete Komponente 6 und/oder für die als Gleichstromladeeinrichtung ausgebildete Komponente 8, können aus Sicherheitsgründen für die Schalteinrichtungen 16 beziehungsweise 18 jeweils zwei Schaltelemente 20 vorgesehen sein, so dass sowohl eine Verbindung zu einem positiven Pol des Energiespeichers 3 als auch zu einem negativen Pol des Energiespeichers 3 jeweils separat getrennt werden können. Für andere Komponenten, vorliegend für die Komponenten 5, 7, 9, kann es ausreichend sein, wenn durch das einzelnes Schaltelement 20 nur die Verbindung dem Pluspol des Energiespeichers 3 getrennt wird.
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Durch die Schalteinrichtungen 15 - 19 werden auch die Eingänge der Komponenten 5 - 9 spannungsfrei geschaltet, so dass über den Eingängen der Komponenten 5 - 9 nicht mehr die Spannung des Energiespeichers 3 abfällt. Dies reduziert die Betriebsstunden der einzelnen Komponenten 5 - 9, da diese auch eingangsseitig nur dann mit dem Energiespeicher 3 verbunden werden, wenn der aktuelle Betriebszustand des Kraftfahrzeugs 1 dies erfordert.
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Durch die Aufteilung der Komponenten 5 - 9 in die einzelnen Teilnetze 10 - 14 beziehungsweise die Zuweisung der Komponenten 5 - 9 an die einzelnen Betriebszustände des Kraftfahrzeugs 1 wird vorteilhaft erreicht, dass in den verschiedenen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs 1 jeweils die gleichzeitig im Betrieb befindlicher Anzahl der Komponenten 5 - 9 geringer als die Gesamtanzahl der Komponenten 5 - 9 des Bordnetzes 2 ist. Auf diese Weise kann eine Gesamtkapazität, welche für die beispielsweise eingangsseitig in den Komponenten 5 - 9 angeordneten Filtereinrichtungen vorgesehen ist, jeweils auf eine Teilmenge der Komponenten 5 - 9 aufgeteilt werden. Dadurch vergrößert sich der pro Komponente zur Verfügung stehende Anteil an der Gesamtkapazität. Dies ermöglicht es, dass in den Filtereinrichtungen, welche beispielsweise als EMV-Filter ausgebildet sind, größere Kapazitäten verwendet werden können und entsprechend die Induktivitäten in den Filtereinrichtungen reduziert werden können. Dies reduziert vorteilhaft den Bauraumbedarf sowie die Kosten und das Gewicht der Filtereinrichtungen in den Komponenten 5 - 9.
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In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bordnetzes 2 dargestellt. Dieses entspricht hinsichtlich dem Energiespeicher 3, der Steuereinrichtung 4, den Komponenten 5 - 9 sowie der Teilnetze 10 - 14 dem ersten Ausführungsbeispiel des Bordnetzes 2. Ein Unterschied besteht darin, dass das Bordnetz 2 nur ein einzelnes Haupttrennelement 21 aufweist, welches den negativen Pol des Energiespeichers 3 von allen Teilnetzen 10 - 14 trennen kann. Da für jedes der Teilnetze 10 - 14 ein Schaltelement 20 als Bestandteil der Schalteinrichtungen 15 - 19 vorgesehen ist, kann auf ein Haupttrennelement, welches den positiven Pol des Energiespeichers 3 von den Teilnetzen 10 - 14 beziehungsweise den Komponenten 5 - 9 trennt, vorteilhaft verzichtet werden, da die Trennung auch durch die jeweiligen in den positiven Pfad integrierten Schaltelemente 20 der Schalteinrichtung 15 - 19 trennbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206932 A1 [0005]
- DE 102018202590 A1 [0006]
- DE 102014201345 A1 [0007]
