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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsanordnung zur Versorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers eines Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei die Energieversorgungsanordnung einen Ausgang zum Koppeln mit dem zumindest einen elektrischen Verbraucher aufweist, eine erste Energiespeichereinheit und zumindest eine zweite Energiespeichereinheit, wobei die erste und die zumindest eine zweite Energiespeichereinheit in einem ersten Betriebszustand zueinander parallel geschaltet sind und dazu ausgelegt sind, im ersten Betriebszustand eine vorbestimmte erste Versorgungsspannung am Ausgang zur Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers bereitzustellen. Zur Erfindung gehört auch ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungsanordnung.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zur Verschaltung einzelner Energiespeichereinheiten von Energiespeichern, wie zum Beispiel Batterien, bekannt. Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2015 010 531 A1 einen elektrischen Energiespeicher und ein darin verwendetes Batterieverwaltungssystem, die die Einstellung einer oder mehrerer variabler Anschlussspannungen ermöglichen. Insbesondere können die Energiespeicher auch hochdynamisch variierende Ausgangsspannungen, etwa in Form von Wechselspannungen, bereitstellen. Weiterhin beschreibt die
DE 10 2014 201 351 A1 ein Bordnetz mit einem Niederspannungsteilnetz und einem Hochspannungsteilnetz mit einem Startergenerator. Das Hochspannungsteilnetz ist mit dem Niederspannungsteilnetz über eine Koppeleinheit verbunden. Zudem weist das Bordnetz eine Batterie auf, die eingerichtet ist, die Hochspannung zu erzeugen und in das Hochspannungsteilnetz einzuspeisen. Weiterhin weist diese Batterie zumindest zwei Batterieeinheiten mit Einzelspannungsabgriffen auf, die an die Koppeleinheit geführt sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit dazu eingerichtet ist, zumindest einen ersten und einen zweiten Betriebszustand bereitzustellen, wobei in dem ersten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz aus allen Batterieeinheiten der Batterie gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und in einem zweiten Betriebszustand das Hochspannungsteilnetz aus einer Batterieeinheit gespeist wird und das Niederspannungsteilnetz aus zumindest einer Batterieeinheit gespeist wird. Zum Speisen des Niederspannungsteilnetzes können die einzelnen Batterieeinheiten zudem parallel geschaltet sein. Insbesondere können gezielt diejenigen Batterieeinheiten mit höherer Ladung zugeschaltet werden, um einen Ladungsausgleich unter den Batterieeinheiten zu ermöglichen.
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Kraftfahrzeug-Bordnetze weisen typischerweise eine oder mehrere definierte Spannungslagen auf, wie beispielsweise eine Niederspannungslage bei 12 Volt und zum Beispiel eine Hochspannungslage mit 800 Volt oder auch eine Mittelvoltspannungslage bei 48 Volt. Die entsprechend an diese Teilnetze angeschlossenen Verbraucher sind gezielt auf die betreffenden Versorgungsspannungen ausgelegt. Weiterhin kann zum Beispiel das Niedervolt-Bordnetz über eine Wandlereinrichtung, wie beispielsweise einen DC/DC-Wandler, aus dem Hochvolt-Bordnetz oder dem Mittelvoltbordnetz gespeist werden. Diese Wandlereinrichtung wandelt dann gezielt die höhere Spannungslage auf die Niedervoltspannungslage um. Würde die Spannungslage innerhalb eines solchen Teilnetzes, wie zum Beispiel das Niedervolt-Bordnetz, variieren oder variierbar ausgelegt sein, so würde dies eine Anpassung aller möglichen Verbraucher sowie beispielsweise auch der Wandlereinrichtung bedeuten. Um beispielsweise einen Verbraucher temporär mit höherer Leistung versorgen zu können, wird daher normalerweise auf spezielle leistungsoptimierte Energiespeicher, wie zum Beispiel Kondensatoren, zurückgegriffen, die innerhalb kurzer Zeit einen sehr hohen Strom bereitstellen können, wie dies beispielsweise ebenfalls in der
DE 10 2014 201 351 A1 beschrieben ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Energieversorgungsanordnung, ein Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungsanordnung bereitzustellen, die mehr Flexibilität bezüglich der Energieversorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers eines Niederspannungsbordnetzes auf möglichst einfache Weise erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energieversorgungsanordnung, durch ein Bordnetz und durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung zur Versorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers eines Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs weist einen Ausgang zum Koppeln mit dem zumindest einen elektrischen Verbraucher auf, eine erste Energiespeichereinheit und zumindest eine zweite Energiespeichereinheit, wobei die erste und die zumindest eine zweite Energiespeichereinheit in einem ersten Betriebszustand zueinander parallel geschaltet sind und dazu ausgelegt sind, im ersten Betriebszustand eine vorbestimmte erste Versorgungsspannung am Ausgang zur Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers bereitzustellen. Darüber hinaus umfasst die Energieversorgungsanordnung einen Eingang zum Koppeln mit einer Energiequelle, eine erste Schaltereinheit, die dazu ausgelegt ist, in einem geschlossenen Zustand die erste und die mindestens eine zweite Energiespeichereinheit mit dem Eingang zu koppeln und in einem geöffneten Zustand vom Eingang zu entkoppeln, wobei sich die erste Schaltereinheit im ersten Betriebszustand im geschlossenen Zustand befindet und in einem zweiten Betriebszustand im geöffneten Zustand befindet. Zudem umfasst die Energieversorgungsanordnung eine zweite Schaltereinheit, die dazu ausgelegt ist, im zweiten Betriebszustand die erste und die zumindest eine zweite Energiespeichereinheit in Reihe zu schalten, um am Ausgang eine vorbestimmte zweite Versorgungsspannung, die größer ist als die erste Versorgungsspannung, zur Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers bereitzustellen.
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Durch die Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, mittels der ersten Schaltereinheit im zweiten Betriebszustand die Energieversorgungsanordnung vom restlichen Energienetz zu entkoppeln und gezielt für den zumindest einen elektrischen Verbraucher am Ausgang eine erhöhte Versorgungsspannung bereitzustellen. Durch die Entkopplungsmöglichkeit sind vorteilhafterweise keinerlei Anpassungen anderer Verbraucher oder Komponenten dieses Energienetzes, wie zum Beispiel einer Wandlereinrichtung als Energiequelle, erforderlich. Gleichzeitig wird es ermöglicht, gezielt für zumindest eine elektrische Komponente beziehungsweise einen elektrischen Verbraucher unterschiedliche Versorgungsspannungen in unterschiedlichen Betriebszuständen bereitzustellen, was letztendlich auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein besonders hohes Maß an Flexibilität bezüglich der Energieversorgung dieses Verbrauchers bereitstellt. Die Erfindung beruht dabei auf mehreren Erkenntnissen: Das hochautomatisierte Fahren ermöglicht neue Funktionen und Angebote für Benutzer in der Zukunft. So ist es zukünftig möglich, auch als Fahrer sich nicht mehr der Fahraufgabe zu widmen und anderen Beschäftigungen nachzugehen. Dabei kommen auch neue Sitzverstellungsmöglichkeiten während der Fahrt in Betracht, so zum Beispiel das Drehen des Sitzes oder aber auch die Verstellung der Sitzlehnen-Neigung, um eine gemütlichere Sitz- oder Liegeposition während des Fahrens einzunehmen. Jedoch resultieren aus diesen Überlegungen auch neue Herausforderungen. Zum einen möchte man bei einem Unfall den Fahrer und/oder Insassen in eine möglichst optimale Sitzposition bringen, um die Wirkung der installierten Rückhaltesysteme zu optimieren. Zum anderen möchte man bei bestimmten Fehlern im Fahrzeug den Fahrer wieder schnell in die Fahraufgabe zurückbringen. Beides erfordert dann eine möglichst schnelle Verstellmöglichkeit der Sitzposition. Dies ist jedoch mit heutigen Stellmotoren für die Sitzverstellung nicht einfach möglich, da Untersuchungen zeigen, dass die Verstellgeschwindigkeiten für diese Fälle nicht ausreichend sind. Falls man jedoch bei den heutigen Stellmotoren die Betriebsspannung erhöht, erhöhen sich auch die möglichen Leistungen und Stellgeschwindigkeiten. Die Erfindung ermöglicht es nun vorteilhafterweise, mittels der Energieversorgungsanordnung die am Ausgang bereitgestellte Versorgungsspannung zu erhöhen, insbesondere um ein Vielfaches, was wiederum für den zumindest einen elektrischen Verbraucher, wie beispielsweise einen Stellmotor einer elektrischen Sitzverstelleinrichtung eines Sitzes, eine kurzfristige Erhöhung der Betriebsspannung des Motors und deren Ansteuerung auf ein Vielfaches ermöglicht. Zudem kann dies auf besonders einfache Weise durch eine leichte Modifikation zum Beispiel einer redundanten 12-Volt-Batterie erfolgen, welche in heutigen Konzepten für das hochautomatisierte Fahren bereits ohnehin verbaut werden muss, um den hohen Sicherheitsanforderungen zu genügen. Gerade also bei für das hochautomatisierte Fahren ausgelegten Niedervolt-Bordnetzen lässt sich die Erfindung auf einfache Weise lediglich durch das Vorsehen einer ersten und zweiten Schaltereinheit umsetzen, ohne dass am übrigen Niedervolt-Bordnetz und den daran angeschlossenen sonstigen Verbrauchern irgendwelche Modifikationen durchgeführt werden müssten. Nichtsdestoweniger ist die beschriebene Idee auch für andere Funktionen als Sitzverstellungen anwendbar und nicht allein auf hochautomatisiert fahrende Fahrzeuge beschränkt.
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Vorzugsweise ist die Energieversorgungsanordnung im ersten Betriebszustand dazu ausgelegt, am Ausgang eine Versorgungsspannung bereitzustellen, die dem für das Niedervolt-Bordnetz definierten Spannungslage entspricht. Diese beträgt derzeit 12 Volt, kann aber im Allgemeinen auch anders definiert sein. Der Ausgang der Energieversorgungsanordnung kann beispielsweise durch zwei Ausgangsanschlüsse bereitgestellt sein, von denen einer auf Masse liegt. Entsprechend kann auch der Eingang der Energieversorgungsanordnung durch zwei Eingangsanschlüsse bereitgestellt sein, von denen einer ebenfalls auf Masse liegen kann. In einem solchen Fall ist die erste Schaltereinheit zum Trennen der beiden Energiespeichereinheiten von dem nicht auf Masse liegenden Eingangsanschluss ausgelegt. Im ersten Betriebszustand sind die mindestens zwei Energiespeichereinheiten dann sowohl in Bezug auf die Ausgangsanschlüsse als auch in Bezug auf die Eingangsanschlüsse parallel geschaltet und im zweiten Betriebszustand sind die mindestens zwei Energiespeichereinheiten zu den beiden Ausgangsanschlüssen in Serie geschaltet und vom Eingang entkoppelt.
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Bei den mindestens zwei Energiespeichereinheiten, das heißt der ersten und der zumindest einen zweiten Energiespeichereinheit kann es sich jeweils um eine Batterie bzw. ein Batteriemodul oder eine oder mehrere Batteriezellen, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen, und/oder einen Kondensator oder mehrere Kondensatoren oder beliebige Kombinationen davon handeln. Es können aber auch mehr als nur zwei Energiespeichereinheiten, zum Beispiel drei, vier, fünf und so weiter, vorgesehen sein. Die am Ausgang bereitgestellte Versorgungsspannung im zweiten Betriebszustand stellt dabei immer die Summenspannung der einzelnen Spannungen der mindestens zwei Energiespeichereinheiten dar. Umfasst beispielsweise die Energieversorgungsanordnung genau zwei Energiespeichereinheiten in Form von zwei 12-Volt-Batterien, so wird im zweiten Betriebszustand eine Versorgungsspannung von 24 Volt am Ausgang bereitgestellt, umfasst die Energieversorgungsanordnung dagegen drei 12-Volt-Batterien als Energiespeichereinheiten, so wird entsprechend im zweiten Betriebszustand am Ausgang eine Versorgungsspannung von 36 Volt bereitgestellt, und so weiter.
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Vorteilhaft ist es vor allem, wenn die am Ausgang im zweiten Betriebszustand bereitstellbare Versorgungsspannung maximal 60 Volt beträgt. Hintergrund ist, dass die zumindest eine elektrische Komponente beziehungsweise der zumindest eine elektrische Verbraucher für die im zweiten Betriebszustand bereitgestellte höhere Versorgungsspannung ebenfalls entsprechend ausgelegt werden muss, dies jedoch gerade in Spannungsbereichen kleiner 60 Volt Gleichstrom im Normalfall kaum oder nur geringfügige bauliche Änderungen erfordert.
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Weiterhin ist die erste Schaltereinheit vorzugsweise als bidirektionaler Schalter ausgebildet, welcher in beide Richtungen, das heißt beide Stromlaufrichtungen, eine Sperrung ermöglicht. Dazu kann die erste Schaltereinheit beispielsweise auch mehrere Einzelschalter aufweisen, insbesondere elektronisch steuerbare Schalter, wie beispielsweise zwei MOSFETs (Metalloxid Halbleiter Feldeffekttransistoren). Auch die zweite Schaltereinheit kann mehrere Einzelschalter umfassen, die ebenfalls jeweils als elektronisch steuerbare Schalter, insbesondere als Halbleiterschaltelemente wie zum Beispiel ebenfalls MOSFETs, ausgebildet sein können.
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Zudem kann die Energieversorgungsanordnung eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der ersten Schaltereinheit sowie der zweiten Schaltereinheit, sowie optionalen weiteren Schaltereinheiten, zum Beispiel einer dritten Schaltereinheit oder eines weiteren Schalters der später näher erläuterten Strombegrenzungseinrichtung, aufweisen. Diese ist dazu ausgelegt, die Schalter zur Umsetzung des ersten und zweiten Betriebszustands, sowie Übergangsphasen entsprechend anzusteuern.
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Wird also nun von dem zumindest einen elektrischen Verbraucher kurzzeitig eine höhere Spannung benötigt, so kann vorteilhafterweise die Energieversorgungsanordnung vom ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand geschaltet werden und dadurch die höhere Versorgungsspannung am Ausgang bereitstellen. Anschließend kann, das heißt wird vom zumindest einen elektrischen Verbraucher keine erhöhte Versorgungsspannung mehr benötigt, wieder vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand geschaltet werden. Beim Umschalten vom zweiten in den ersten Betriebszustand kann es jedoch vorkommen, dass nunmehr die mindestens zwei Energiespeichereinheiten eine von der mit dem Eingang zu koppelnden Energiequelle bereitgestellten Versorgungsspannung differierende Spannung aufweisen. Stellen die Energiespeichereinheiten beispielsweise Batterien dar, die temporär in Serie geschaltet werden, um den zumindest einen elektrischen Verbraucher kurzzeitig mit einer erhöhten Versorgungsspannung zu versorgen, so werden diese Batterien währenddessen entladen, da sie durch die erste Schaltereinheit von der Energiequelle entkoppelt sind. Gleiches gilt auch für Kondensatoren. Ein erneutes Zuschalten zur Energiequelle, das heißt beim Wechsel vom zweiten in den ersten Betriebszustand, können sich dann entsprechend aufgrund eines hochstromfähigen Aufbaus des Batteriesystems hohe Ausgleichsströme ergeben, welche einerseits das Energienetz unzulässig beeinflussen könnten, aber auch die Halbleiter beschädigen könnten.
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Daher stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, dass die Energieversorgungsanordnung eine Strombegrenzungseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, bei einem Übergang vom zweiten Betriebszustand zum ersten Betriebszustand in einem über den Eingang mit der Energiequelle gekoppelten Zustand der Energieversorgungsanordnung einen von der Energiequelle zur ersten und zumindest einen zweiten Energiespeichereinheit fließenden Ausgleichsstrom bzw. Ladestrom zu begrenzen. Somit kann vorteilhafterweise bei einer großen Spannungsdifferenz zwischen der durch die Energiequelle bereitgestellten Spannung und der durch die Energieeinheiten bereitgestellten Spannung eine negative Beeinflussung des Energienetzes sowie eine mögliche Beschädigung der Halbleiter vermieden werden. Im umgekehrten Fall, das heißt falls die durch die Energiespeichereinheiten bereitgestellte Spannung größer sein sollte als die durch die Energiequelle bereitgestellte Spannung, was durch Rückspeisungseffekte durch den zumindest einen elektrischen Verbraucher, zum Beispiel mit einem Gleichstrommotor, der Fall sein kann, so lässt sich diese Spannungsdifferenz auf einfache Weise dadurch reduzieren, indem mit dem Ausgang der Energieversorgungsanordnung gekoppelte elektrische Verbraucher mit Energie gespeist werden, oder eventuell weitere Verbraucher zugeschaltet werden, bis die Differenzspannung, das heißt die Spannung zwischen den jeweiligen Energiespeichereinheiten und der durch die Energiequelle bereitgestellten Spannung, einen Minimalwert, das heißt einen vorbestimmten Grenzwert, unterschreitet. Dann kann die erste Schaltereinheit wieder geschlossen werden und dadurch die Energieversorgungsanordnung in den ersten Betriebszustand sicher überführt werden.
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Zur Ausgestaltung der Strombegrenzungseinrichtung gibt es nun vorteilhafterweise mehrere Möglichkeiten. In einer besonders einfachen Variante kann die Strombegrenzungseinrichtung als zumindest ein in Serie zur ersten Schaltereinheit angeordneter elektrischer Widerstand ausgebildet sein. Allerdings wird ein solcher elektrischer Widerstand permanente Energieverluste bedeuten, insbesondere auch während sich die Energieversorgungsanordnung im ersten Betriebszustand befindet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Strombegrenzungseinrichtung als zumindest ein permanent parallel zur ersten Schaltereinheit geschalteter elektrischer Widerstand ausgebildet. Hierdurch werden zwar auch permanent Energieverluste verursacht, wird dieser elektrische Widerstand jedoch groß genug gewählt, so sind die Energieverluste während des normalen ersten Betriebszustands äußerst gering. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Ausbildung der Strombegrenzungseinrichtung dar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Strombegrenzungseinrichtung als zumindest ein parallel zur ersten Schaltereinheit mittels einer dritten Schaltereinheit schaltbarer elektrischer Widerstand ausgebildet. Soll also beispielsweise vom zweiten Betriebszustand zurück in den ersten Betriebszustand geschaltet werden, so wird zunächst, bevor die erste Schaltereinheit in den geschlossenen Zustand übergeht, die dritte Schaltereinheit geschlossen, die somit die mindestens zwei Energiespeichereinheiten über diesen elektrischen Widerstand mit dem Eingang koppelt, wodurch nun ein begrenzter Ausgleichsstrom von der Energiequelle zu den Energiespeichereinheiten fließen kann und diese lädt, wodurch sich deren Spannung erhöht und derjenigen der Energiequelle wieder annähert. Erst, wenn die Differenzspannung zwischen der am Eingang anliegenden und durch die Energiequelle bereitgestellte Spannung und der durch die jeweiligen Energiespeichereinheiten bereitgestellten Einzelspannungen einen vorbestimmbaren Grenzwert unterschreitet, wird die erste Schaltereinheit geschlossen und die dritte Schaltereinheit wieder geöffnet, was nunmehr den Vorteil hat, dass nur während dieser Übergangsphase vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand Energieverluste durch diesen elektrischen Widerstand zu verzeichnen sind, anschließend im ersten Betriebszustand jedoch nicht mehr. Dies stellt eine besonders einfache, kostengünstige und energieeffiziente Maßnahme zur Strombegrenzung dar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Strombegrenzungseinrichtung als eingangsseitig angeordneter Abwärtswandler ausgebildet. Dies lässt sich beispielsweise einfach durch eine zusätzliche Induktivität und einen zusätzlichen Schalter realisieren. Eventuell kann auch noch ein Eingangskondensator vorgesehen sein. Die zusätzliche Induktivität ist dann vorzugsweise in Serie zur ersten Schaltereinheit und zwischen der ersten Schaltereinheit und den mindestens zwei Energiespeichereinheiten angeordnet, insbesondere zwischen der ersten Schaltereinheit und der Schaltungsanordnung aus den mindestens zwei Energiespeichereinheiten. Der zusätzliche Schalter, der beispielsweise ebenfalls als Halbleiterschalter, zum Beispiel als MOSFET, ausgebildet sein kann, befindet sich vorzugsweise parallel zur Schaltungsanordnung mit den mindestens zwei Energiespeichereinheiten und ist mit einem ersten Anschluss zwischen die erste Schaltereinheit und der Induktivität geschaltet und mit einem zweiten Anschluss mit Masse gekoppelt. Der optionale Kondensator kann die beiden Eingangsanschlüsse miteinander verbinden. Zum Betrieb dieses Abwärtswandlers können dann ein erster Schalter der ersten Schaltereinheit statisch geschlossen und ein zweiter Schalter der ersten Schaltereinheit und der zusätzliche Schalter mit einer festen Schaltfrequenz abwechselnd pulsweitenmoduliert geöffnet und geschlossen werden. Zum geregelten Hochlaufen der Energieversorgungsanordnung bietet sich ein Stromregler an, welcher durch die Messung der Drain-Source-Spannung über dem ersten Schalter der ersten Schaltereinheit sein Eingangssignal erhält. Beim Erreichen einer akzeptierten Spannungsdifferenz zwischen dem Eingang und den Spannungen der Energiespeichereinheiten kann statisch zugeschaltet werden. Dies bedeutet, die Taktung wird abgeschaltet, der zusätzliche Schalter geöffnet und beide Schalter der ersten Schaltereinheit befinden sich nunmehr im geschlossenen Zustand. Dies stellt jedoch nur eine Ausbildungsmöglichkeit für einen solchen Abwärtswandler dar. Ergänzend zu dem beschriebenen Aufbau dieses Abwärtswandlers kann auch noch ein parallel zur Induktivität sitzender MOSFET zur Überbrückung der Induktivität im normalen Betrieb, das heißt im ersten Betriebszustand, der Energieversorgungsanordnung vorgesehen sein. Dadurch können vorteilhafterweise zusätzlich die Verluste in der Induktivität während des normalen Betriebs reduziert werden.
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Diese beschriebenen Vorladekonzepte können auch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden und vorteilhafterweise von einem unabhängig von der Anzahl verwendeter Energiespeichereinheiten vorgesehen werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Bordnetz. Das Bordnetz stellt vorzugsweise ein Niedervolt-Bordnetz dar.
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Darüber hinaus kann das Bordnetz eine elektrische Verbrauchergruppe umfassend den zumindest einen elektrischen Verbraucher aufweisen, wobei das Bordnetz derart eingerichtet ist, dass im ersten Betriebszustand jeder Verbraucher der elektrischen Verbrauchergruppe durch die erste Versorgungsspannung mit Energie versorgbar ist, und dass im zweiten Betriebszustand nur eine ausgewählte, den zumindest einen elektrischen Verbraucher umfassende Verbraucheruntergruppe der elektrischen Verbrauchergruppe mit dem Ausgang gekoppelt ist, sodass nur die ausgewählte Verbraucheruntergruppe durch die am Ausgang bereitgestellte zweite Versorgungsspannung mit Energie versorgbar ist. Somit lassen sich vorteilhafterweise im Bedarfsfall gezielt diejenigen Verbraucher beziehungsweise Komponenten auf den Ausgang der Energieversorgungsanordnung aufschalten oder auch permanent mit diesem Ausgang koppeln, für die gemäß dem zweiten Betriebszustand eine höhere Versorgungsspannung bereitgestellt werden soll. Andere Verbraucher, für die zu diesem Zeitpunkt keine höhere Versorgungsspannung bereitgestellt werden soll, können entweder vom Ausgang entkoppelt werden oder können von vornherein auch nur eingangsseitig mit der Energieversorgungsanordnung gekoppelt sein. Diese Verbraucher werden dann im zweiten Betriebszustand ebenfalls durch Öffnen der ersten Schaltereinheit von der Energieversorgungsanordnung abgekoppelt. Nichtsdestoweniger können diese Verbraucher dann dennoch weiterhin durch die zusätzliche Energiequelle versorgt werden.
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Diese Energiequelle, die im ersten Betriebszustand mit dem Eingang der Energieversorgungsanordnung gekoppelt ist, kann beispielsweise eine zusätzliche Batterie darstellen und/oder eine Wandlereinrichtung, wie beispielsweise einen DC/DC-Wandler, welcher das Niedervolt-Bordnetz aus einem Hochvolt-Bordnetz und/oder Mittelvolt-Bordnetz mit Energie versorgt.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der zumindest eine elektrische Verbraucher einen Stellmotor einer elektrischen Sitzverstelleinrichtung eines Sitzes darstellt. Dies hat die bereits eingangs beschriebenen Vorteile, dass in Situationen wie zum Beispiel vor einem drohenden Unfall oder bei bestimmten Fehlern im Fahrzeug, in denen der Fahrer oder andere Insassen möglichst schnell in eine optimale Sitzposition mittels einer herkömmlichen Sitzverstelleinrichtung gebracht werden soll, dies nunmehr in ausreichend kurzer Zeit durch die höhere bereitgestellte Ausgangsspannung möglich ist. Dies ist bislang mit den herkömmlichen 12-Volt-Stellmotoren nicht möglich gewesen. Heutige Konzepte, welche höhere Sitzverstellungsgeschwindigkeiten bieten, benötigen dagegen einen deutlich höheren Aufwand an zusätzlichen Komponenten. Durch die Erfindung wird es dagegen möglich, einfache Stellmotoren für die Sitzverstellung zu verwenden, komfortsteigernde Funktionen während zum Beispiel des pilotierten Fahrens anzubieten und gleichzeitig eine ausreichend schnelle Sitzverstellung in eine optimale Sitzposition in Notfällen bereitzustellen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Bordnetz oder eine seiner Ausgestaltungen.
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Zudem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungsanordnung zur Versorgung zumindest eines elektrischen Verbrauchers eines Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wobei die Energieversorgungsanordnung eine erste Energiespeichereinheit und zumindest eine zweite Energiespeichereinheit aufweist, die zumindest in einem ersten Betriebszustand zueinander parallel geschaltet sind und eine vorbestimmte erste Versorgungsspannung an einem Ausgang der Energieversorgungsanordnung zur Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers bereitstellen. Darüber hinaus weist die Energieversorgungsanordnung einen Eingang zur Kopplung mit einer Energiequelle auf, wobei die Energieversorgungsanordnung eine erste Schaltereinheit aufweist, die in einem geschlossenen Zustand die erste und die zumindest eine zweite Energiespeichereinheit mit dem Eingang koppelt und in einem geöffneten Zustand von dem Eingang entkoppelt, wobei die Energieversorgungsanordnung eine zweite Schaltereinheit aufweist, die in einem zweiten Betriebszustand die erste und die zumindest eine zweite Energiespeichereinheit in Reihe schaltet, um am Ausgang eine vorbestimmte zweite Versorgungsspannung, die größer ist als die erste Versorgungsspannung, zur Versorgung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers bereitzustellen, wobei sich die erste Schaltereinheit im zweiten Betriebszustand im geöffneten Zustand befindet und im ersten Betriebszustand im geschlossenen Zustand.
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Die für die erfindungsgemäße Energieversorgungsanordnung und ihre Ausführungsformen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes mit einem Niedervolt-Bordnetz, welches eine Energieversorgungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung aufweist;
- 2 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsanordnung, welche mit einem elektrischen Verbraucher gekoppelt ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine schematische Prinzipdarstellung der Energieversorgungsanordnung in einem ersten Betriebszustand;
- 4 eine schematische Prinzipdarstellung der Energieversorgungsanordnung in einem zweiten Betriebszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsanordnung mit drei Energiespeichereinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsanordnung mit einer beliebigen Anzahl an Energiespeichereinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 7 eine schematische Darstellung der Energieversorgungsanordnung und verschiedener Ausbildungsmöglichkeiten einer Strombegrenzungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes 10 mit einem Niedervolt-Bordnetz 12, welches eine Energieversorgungsanordnung 13 aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Neben dem Niedervolt-Bordnetz 12, welches in diesem Beispiel als 12-Volt-Bordnetz ausgestaltet ist, umfasst das Kraftfahrzeug-Bordnetz 10 in diesem Beispiel ein Hochvolt-Bordnetz 14. Dieses Hochvolt-Bordnetz 14 umfasst eine Hochvolt-Batterie 16 mit einem zugeordneten Batteriemanagementsystem 18. Die Energieversorgungsanordnung 16 ist über zwei Hauptschütze 20, die über eine mit dem Batteriemanagementsystem 18 gekoppelte Steuereinheit 22 ansteuerbar sind, mit dem restlichen Hochvolt-Bordnetz 14 koppelbar und von diesem entkoppelbar. Die Hochvolt-Batterie 16 versorgt diverse Hochvolt-Verbraucher mit Energie, wie beispielsweise einen elektrischen Klimakompressor 24 und eine Leistungselektronik 26 für eine oder zwei E-Maschinen 28, zum Beispiel eine zum Antreiben der Hinterachse und eine zum Antreiben der Vorderachse des Kraftfahrzeugs, oder lediglich eine einzige E-Maschine 28 zum Antreiben entweder der Hinterachse oder der Vorderachse des Kraftfahrzeugs. Zum Laden der Hochvolt-Batterie 16 weist das Kraftfahrzeug auch ein Ladegerät 30 auf, welches entsprechend auch mit dem Hochvolt-Bordnetz 14 gekoppelt ist. Das Niedervolt-Bordnetz 12 wird über eine Wandlereinrichtung 32, insbesondere einen DC/DC-Wandler, der mit dem Hochvolt-Bordnetz 14 gekoppelt ist, mit Energie versorgt.
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Der DC/DC-Wandler kann dabei insbesondere bidirektional ausgestaltet sein. Grundsätzlich lassen sich die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung betreffend die Energieversorgungsanordnung 13 sowie das Niedervolt-Bordnetz 12 mit ihrer beliebigen Energienetz-Architektur kombinieren. Beispielsweise kann anstelle des beschriebenen Hochvolt-Bordnetzes 14 auch ein Mittelvolt-Bordnetz treten oder zusätzlich vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Energieversorgung für das Niedervolt-Bordnetz 12 auch auf andere Weise als durch eine Wandlereinrichtung 32 bereitgestellt werden.
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Weiterhin umfasst das Niedervolt-Bordnetz 12 neben der als Wandlereinrichtung 32 ausgebildeten Energiequelle mehrere elektrische Verbraucher 34, 36. Darunter sind Verbraucher 34, welche zum Betrieb eine Betriebsspannung von 12 Volt oder im Allgemeinen eine definierte Niedervoltspannung benötigen. Andererseits gibt es auch Verbraucher 36, die bei Bereitstellung einer höheren Betriebsspannung als die für das Niedervolt-Bordnetz 12 definierte Spannung, in diesem Beispiel 12 Volt, bestimmte Funktionen ausführen können, die bei der Niedervolt-Spannung nicht möglich wären, wie zum Beispiel eine Schnellverstellfunktion für eine elektrische Sitzverstellung. Dies wird nun vorteilhafterweise durch die Energieversorgungsanordnung 13 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ermöglicht.
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Das in 1 dargestellte Niedervolt-Bordnetz 12 wurde in diesem Beispiel auch hinsichtlich einer geforderten höheren Verfügbarkeit erweitert, zum Beispiel für ein Fahrzeug mit hochautomatisierten Fahrfunktionalitäten. Entsprechend weist dieses Niedervolt-Bordnetz 12 eine zusätzliche 12-Volt-Batterie 37, oder im Allgemeinen einen zusätzlichen Energiespeicher, auf, um die Ausfallwahrscheinlichkeit des Niedervolt-Bordnetzes 12 zu minimieren. Diese höhere Verfügbarkeit wird nun durch den Umstand erreicht, dass nun anstatt von nur zwei Energielieferanten, das heißt dem DC/DC-Wandler 32 und der Energieversorgungsanordnung 13, ein zusätzlicher Energielieferant in Form dieser zusätzlichen 12-Volt-Batterie 37 zur Verfügung steht und somit die Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen oder unmittelbar folgenden Ausfalls aller Energiequellen entsprechend der Einzelausfallwahrscheinlichkeit reduziert. Auch dieser zusätzliche Energiespeicher 37 ist lediglich optional und kann bei anderen Energienetztopologien auch wegfallen.
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2 zeigt eine schematische und detailliertere Darstellung der Energieversorgungsanordnung 13, die in diesem Beispiel mit einem elektrischen Verbraucher 36, wie beispielsweise eine Schaltungsanordnung mit einem als Gleichstrommotor ausgebildeten Stellmotor 36a und mit einem Vierquadrantensteller 36b, welcher eine elektronische H-Brückenschaltung aus vier Halbleiterschaltern 36c aufweist.
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Die Energieversorgungsanordnung 13 weist nun einen Eingang 38 zum Koppeln mit einer Energiequelle, wie beispielsweise dem DC/DC-Wandler 32, auf, wobei an diesem Eingang 38 auch andere Verbraucher 34, wie in 1 dargestellt, angeschlossen sein können. Weiterhin weist die Energieversorgungsanordnung 13 einen Ausgang 40 auf, der in diesem Beispiel mit dem elektrischen Verbraucher 36 gekoppelt ist, aber auch mit weiteren zusätzlichen elektrischen Verbrauchern in einer Parallelschaltung gekoppelt werden kann. Einer der beiden Eingangsanschlüsse 38 sowie einer der beiden Ausgangsanschlüsse 40 liegt dabei auf Masse 42.
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Weiterhin weist die Energieversorgungsanordnung 13 eine erste Energiespeichereinheit B1 auf, sowie eine zweite Energiespeichereinheit B2. Eine jeweilige dieser Energiespeichereinheiten B1, B2 weist dabei, zumindest im geladenen Zustand, eine Gesamtspannung auf, die der für das Niedervolt-Bordnetz 12 definierten Spannungslage, das heißt in diesem Beispiel 12 Volt, entspricht. Zudem weist die Energieversorgungsanordnung 13 einen erste Schaltereinheit 44 auf, die dazu ausgelegt ist, in einem geschlossenen Zustand die erste und die zumindest eine zweite Energiespeichereinheit B1, B2 mit dem Eingang 38 zu koppeln und in einem geöffneten Zustand vom Eingang 38 zu entkoppeln.
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Die Energiespeichereinheiten B1, B2 können beispielsweise als Batterie ausgebildet sein und/oder auch als Kondensator, zum Beispiel als Superkondensator. Weiterhin weist die Energieversorgungsanordnung 13 auch eine zweite Schaltereinheit 46 auf, die dazu ausgelegt ist, die erste und die zweite Energiespeichereinheit B1, B2 in einem ersten Betriebszustand zueinander parallel zu schalten und in einem zweiten Betriebszustand zueinander in Reihe zu schalten.
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Wie in 2 dargestellt, umfasst die erste Schaltereinheit 44 einen bidirektionalen Schalter, welcher durch zwei Einzelschalter S1, S2 gebildet ist. Diese beiden Einzelschalter S1 und S2 können beispielsweise durch einen MOSFET oder auch andere Halbleiterschalter bereitgestellt sein. Diese beiden MOSFETs S1, S2 sind antiseriell geschaltet, sodass in beiden Stromlaufrichtungen eine Sperrung möglich ist. Die zweite Schaltereinheit 46 umfasst ebenfalls mehrere Einzelschalter, insbesondere einen ersten Einzelschalter S3, einen zweiten Einzelschalter S4 und einen dritten Einzelschalter S5, die ebenfalls als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFETs, ausgebildet sind.
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Dabei ist die Energieversorgungsanordnung 13 weiterhin derart eingerichtet, dass sich die erste Schaltereinheit 44 im ersten Betriebszustand im geschlossenen Zustand und im zweiten Betriebszustand im geöffneten Zustand befindet. Entsprechend ergibt sich im ersten Betriebszustand ein Ersatzschaltbild für die Energieversorgungsanordnung 13 wie in 3 dargestellt und im zweiten Betriebszustand ein Ersatzschaltbild wie in 4 dargestellt.
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3 zeigt also eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds 13a der Energieversorgungsanordnung 13, wenn sich diese im ersten Betriebszustand befindet. Entsprechend sind also die beiden Energiespeichereinheiten B1, B2 zueinander parallel geschaltet. Eine jeweilige der Energiespeichereinheiten B1, B2 stellt dabei eine Gesamtspannung U1 bereit, die auch der am Ausgang 40 abgreifbaren Gesamtspannung U1 entspricht.
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Im ersten Betriebszustand befinden sich die erste Schaltereinheit 44 und insbesondere die jeweiligen Einzelschalter S1, S2 im geschlossenen Zustand, wodurch die Parallelschaltung der beiden Energiespeichereinheiten B1, B2 mit dem Eingang 38 gekoppelt ist, sodass insbesondere auch die durch die Parallelschaltung der beiden Energiespeichereinheiten B1, B2 bereitgestellte Gesamtspannung U1 am Eingang 38 bereitgestellt wird. Die Parallelschaltung der beiden Energiespeichereinheiten B1, B2 wird insbesondere dadurch realisiert, indem der erste Einzelschalter S3 sich im geschlossenen Zustand befindet, der zweite Einzelschalter S4 der zweiten Schaltereinheit 46 sich im geöffneten Zustand befindet, und der dritte Einzelschalter S5 der zweiten Schaltereinheit 46 sich ebenfalls im geschlossenen Zustand befindet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung des Ersatzschaltbilds 13b der Energieversorgungsanordnung 13 im zweiten Betriebszustand. In diesem zweiten Betriebszustand sind die beiden Energiespeichereinheiten B1, B2 zueinander in Reihe geschaltet. Dies wird dadurch realisiert, dass sich nunmehr der erste Einzelschalter S3 der zweiten Schaltereinheit 46 im geöffneten Zustand befindet, der zweite Einzelschalter S4 der zweiten Schaltereinheit 46 sich im geschlossenen Zustand befindet, und der dritte Einzelschalter S5 der zweiten Schaltereinheit 46 sich ebenfalls im geöffneten Zustand befindet. Zudem ist diese Reihenschaltung der beiden Energiespeichereinheiten B1, B2 vom Eingang 38 entkoppelt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass sich die erste Schaltereinheit 44 und insbesondere ihre jeweiligen Einzelschalter S1, S2 jeweils im geöffneten Zustand befinden. Durch die Reihenschaltung der beiden Energiespeichereinheiten B1, B2 wird am Ausgang 40 eine Gesamtspannung U2 bereitgestellt, welche nunmehr größer ist als die am Ausgang 40 bereitgestellte Gesamtspannung U1 im ersten Betriebszustand der Energieversorgungsanordnung 13. Insbesondere beträgt die am Ausgang 40 bereitgestellte Gesamtspannung U2 im zweiten Betriebszustand die Summe der Einzelspannungen U1, die durch die jeweiligen Energiespeichereinheiten B1, B2 bereitgestellt wird.
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Durch diese Umschaltmöglichkeit, die durch die Energieversorgungsanordnung 13 bereitgestellt wird, ist es nun vorteilhafterweise möglich, bestimmte Verbraucher 36 unter Umständen mit einer höheren Versorgungsspannung U2 zu versorgen. Dies kann zum Beispiel in bestimmten Fehlerfällen sinnvoll sein. Beispielsweise werden zunächst alle Energiequellen hinsichtlich ihrer Funktionalität diagnostiziert. Bei diagnostiziertem Ausfall einer Energiequelle kann das Fahrzeug entsprechend der berücksichtigten Fehlertoleranzzeiten Gegenmaßnahmen einleiten. Im Falle eines pilotiert fahrenden Fahrzeugs ist eine solche Gegenmaßnahme zum Beispiel die Einleitung der Fahrerübernahme. In diesem Fehlerfall kann die Fahrerübergabe eine entsprechend des minimalen Energiegehalts der Energiespeicher lange Zeit benötigen, ohne ein zusätzliches Sicherheitsrisiko hervorzurufen. Eine eventuell erforderliche Sitzverstellung, um den Fahrer dabei wieder in die für die Übernahme der Fahraufgabe optimale Sitzposition zu bringen, kann beispielsweise mit normaler Sitzverstell-Geschwindigkeit ablaufen. Für andere Fehlerfälle des Fahrzeugs, welche eine Fahrerübernahme erfordern, kann es unter Umständen nötig sein, die Fahrerübernahme entsprechend zu beschleunigen. Dies erfordert wiederum eine deutlich schnellere Sitzverstellung. Für eine solche schnellere Sitzverstellung und die damit verbundene höhere Leistungsfähigkeit der Stellmotoren kann nun vorteilhafterweise eine kurzzeitig höhere Betriebsspannung U2 verwendet werden. Die Erzeugung einer höheren Betriebsspannung U2 wäre zwar prinzipiell auch mit entsprechenden Ansteuereinheiten mit verbauten Aufwärtswandlern möglich, erhöht jedoch den Aufwand in der Komponente der Sitzverstellung entsprechend. Durch die zu 3 beschriebene Modifikation einer herkömmlichen, für das Niedervolt-Bordnetz 12 vorgesehenen Energiespeichereinheit als beschriebene Energieversorgungsanordnung 13 ermöglicht die Bereitstellung der höheren Betriebsspannung U2 auf deutlich einfachere und kostengünstigere Weise.
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Die Energieversorgungsanordnung 13 kann auch mehr als die bisher gezeigten zwei Energiespeichereinheiten B1, B2 gemäß dem zweistufigen Konzept aufweisen, wie in 5 und 6 dargestellt ist. 5 zeigt dabei neben dem bereits beschriebenen zweistufigen Konzept eine Energieversorgungsanordnung 13 mit einem dreistufigen Konzept, das heißt mit drei Energiespeichereinheiten B1, B2, B3 und 6 ein korrespondierendes N-stufiges Konzept, das heißt mit N Energiespeichereinheiten B1, B2, B3, ..., BN, jeweils mit entsprechender Topologieerweiterung. Dies bedeutet, dass die zweite Schaltereinheit 46 pro weiterer vorgesehener Energiespeichereinheit drei weitere Einzelschalter aufweist. Beim dreistufigen Konzept, wie in 5 dargestellt, weist die zweite Schaltereinheit 46 also für die zusätzliche Energiespeichereinheit B3 die zusätzlichen Schalter S6, S7 und S8 auf. Zum Umsetzen einer Parallelschaltung aller drei Energiespeichereinheiten B1, B2, B3 sind also dann entsprechend die Schalter S3, S5, S6, S8 geschlossen und die Schalter S4, S7 geöffnet. Im zweiten Betriebszustand, wenn also alle Energiespeichereinheiten B1, B2, B3 in Bezug auf den Ausgang 40 in Reihe geschaltet sind, sind also entsprechend die Schalter S4, S7 geschlossen und die Schalter S3, S5, S6, S8 geöffnet. In entsprechender Weise umfasst die zweite Schaltereinheit 46 für N Energiespeichereinheiten B1, B2, B3, ..., BN die in 6 zusätzlich dargestellten Schalter S9, S10, ..., SX. Die erste Schaltereinheit 44 kann dagegen unabhängig von der Stufenanzahl des umzusetzenden Konzepts unverändert bleiben.
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Entsprechend der resultierenden Anzahl der Energiespeichereinheiten B1, B2, B3, ..., BN erhöht sich entsprechend die Ausgangsspannung U2 im zweiten Betriebszustand. Dadurch lässt sich die Energieversorgungsanordnung 13 auf besonders einfache Weise für die jeweiligen Anforderungen umsetzen und erweitern.
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Für den Fall des Zuschaltens des Batteriemoduls, das heißt der Energieversorgungsanordnung 13, zum 12-Volt-Energienetz beziehungsweise im Allgemeinen zum Niedervolt-Bordnetz 12, das heißt also wenn die Energieversorgungsanordnung 13 aus dem zweiten Betriebszustand wiederum in den ersten Betriebszustand überführt werden soll, kann die Energieversorgungsanordnung 13 und insbesondere ihre jeweiligen Energiespeichereinheiten B1, B2, B3, ..., BN abhängig von deren Energieinhalt von der Anschlussspannung, das heißt von der durch die Energiequelle, insbesondere der Wandlereinrichtung 32, bereitgestellten Spannung, die dann wieder am Eingang 38 anliegen soll, abweichen. Bei einem einfachen Zuschalten der MOSFETs S1 und S2 könnten sich dann aufgrund eines hochstromfähigen Aufbaus des Batteriesystems hohe Ausgleichsströme ergeben, welche das Energienetz unzulässig beeinflussen könnten, aber auch die Halbleiter beschädigen könnten.
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Im Falle einer höher resultierenden Spannung der einzelnen Energiespeichereinheiten B1, B2 können die angeschlossenen Komponenten 36 am Ausgang 40 der Energieversorgungsanordnung 13 durch Zuschalten derer für einen Ausgleich der Spannungen sorgen. Die beiden Schalter S1 und S2 der ersten Schaltereinheit 44 bleiben dann so lange offen, bis die Differenzspannung minimal wird. Im Falle einer niedrigeren resultierenden Spannung der Energiespeichereinheiten B1, B2, B3, ..., BN ist es entsprechend vorteilhaft, eine Möglichkeit bereitzustellen, die einzelnen Energiespeichereinheiten B1, B2, B3, ..., BN auf die Anschlussspannung, das heißt die durch die Energiequelle 32 bereitgestellte Spannung, die nach dem Übergang in den ersten Betriebszustand wiederum am Eingang 38 der Energieversorgungsanordnung 13 anliegen soll, nachzuladen. Dies ist in 7 anhand eines Beispiels mit wiederum nur zwei Energiespeichereinheiten B1, B2 dargestellt.
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7 zeigt dabei eine schematische Darstellung der Energieversorgungsanordnung 13, welche nunmehr vorteilhafterweise zur Strombegrenzung beim Übergang vom zweiten Betriebszustand in den ersten Betriebszustand eine Strombegrenzungseinrichtung48a, 48b aufweist. Insbesondere sind in 7 mehrere Möglichkeiten der Ausbildung dieser Strombegrenzungseinrichtung 48a, 48b dargestellt. Eine schaltungstechnisch besonders einfache Möglichkeit ist die Ausbildung der Strombegrenzungseinrichtung gemäß der ersten Variante 48a, gemäß welcher eine Bypassschaltung eines Vorladewiderstandes 50 vorgesehen ist, welcher situationsbedingt zu- oder weggeschaltet wird. Dieses Zu- oder Wegschalten wird durch eine dritte Schaltereinheit 52 realisiert. Befindet sich also die Energieversorgungsanordnung 13 im zweiten Betriebszustand und entsprechend die erste Schaltereinheit 44 im geöffneten Zustand, und soll nun wieder in den ersten Betriebszustand übergegangen werden, so werden wiederum zunächst die Energiespeichereinheiten B1, B2 mittels der zweiten Schaltereinheit 46 zueinander parallel geschaltet und anschließen diese über die dritte Schaltereinheit 52, die sich während des zweiten Betriebszustands im geöffneten Zustand befunden hat, durch Schließen mit dem Eingang 38 gekoppelt, wodurch die jeweiligen Energiespeichereinheiten B1, B2 über die Wandlereinrichtung 32 geladen werden, bis sich ihre Einzelspannungen U1 wiederum an die im Niedervolt-Bordnetz 12 vorliegende Spannung, das heißt also 12 Volt, angeglichen hat beziehungsweise bis die Spannungsdifferenz einen vorbestimmbaren Grenzwert unterschreitet. Dann wird die erste Schaltereinheit 44 geschlossen und die dritte Schaltereinheit 52 kann geöffnet werden, wodurch weitere Energieverluste durch den Vorladewiderstand 50 vermieden werden können.
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Optional kann die dritte Schaltereinheit 52 bei dieser Ausführungsform der Strombegrenzungseinrichtung 48a auch entfallen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Vorladewiderstand 50 möglichst groß gewählt wird. Dieser kann dann permanent parallel zur ersten Schaltereinheit 44 geschaltet bleiben. Während des ersten Betriebszustands sind die Energieverluste durch diesen Vorladewiderstand 50 relativ gering, da aufgrund seiner großen Bemessung relativ wenig Strom durch diesen parallelen Strompfad fließt. Bevorzugt ist es jedoch, diese dritte Schaltereinheit 52 vorzusehen, da dies eine kleinere Dimensionierung des Vorladewiderstands 50 erlaubt, was vorteilhafterweise die Vorladezeit verkürzt und den Aufwand bei der thermischen Anbindung des Vorladewiderstands 50 verringert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Variante 48b der Strombegrenzungseinrichtung sind eine zusätzliche Induktivität I und ein zusätzlicher Schalter S11 vorgesehen. Abhängig von den elektromagnetischen Verträglichkeitsvorschriften kann auch noch ein Eingangskondensator C vorgesehen sein, wie dieser in 7 dargestellt ist. Diese Variante 48b stellt einen zusätzlich integrierten Abwärtswandler am Eingang 38 der Energieversorgungsanordnung 13 dar, insbesondere einen Tiefpass zweiter Ordnung, welcher dazu ausgelegt ist, die Energiespeichereinheiten B1, B2 stromgeregelt vorzuladen, bis die resultierende Eingangsspannung erreicht wird. Zum Betrieb dieses integrieren Abwärtswandlers 48b wird der Schalter S1 der ersten Schaltereinheit 44 statisch geschlossen und der zweite Schalter S2 der ersten Schaltereinheit und der zusätzliche Schalter S11 mit einer festen Schaltfrequenz abwechselnd pulsweitenmoduliert geöffnet und geschlossen. Zum geregelten Hochlaufen der Energieversorgungsanordnung 13 bietet sich ein Stromregler an, welcher durch die Messung der Drain-Source-Spannung über dem ersten Schalter S1 der ersten Schaltereinheit 44 sein Eingangssignal erhält. Beim Erreichen einer akzeptierten Spannungsdifferenz zwischen Eingang 38 und den jeweiligen Energiespeichereinheiten B1, B2 kann statisch zugeschaltet werden. Dafür wird die Taktung abgeschaltet, der zusätzliche Schalter S11 geöffnet und der zweite Schalter S2 der ersten Schaltereinheit 44 zusätzlich wiederum statisch geschlossen. Die Treiber der Halbleiter können entsprechend der statischen und dynamischen Verwendung vorgesehen werden.
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Zusätzlich kann optional noch ein parallel zur Induktivität I sitzender MOSFET, oder im Allgemeinen ein weiterer Schalter, zur Überbrückung der Induktivität I im ersten Betriebszustand der Energieversorgungsanordnung 13 vorgesehen sein, zu welchem Zweck dieser parallele weitere Schalter nach der Übergangsphase im ersten Betriebszustand geschlossen ist, insbesondere auch im zweiten Betriebszustand geschlossen ist und nur während der Übergangsphase geöffnet ist. Dadurch können die Verluste in der Induktivität I während des ersten Betriebszustands und auch während des zweiten Betriebszustands verringert werden.
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Die hier erläuterten Vorladekonzepte, das heißt die verschiedenen Ausbildungsmöglichkeiten der Strombegrenzungseinrichtung 48a, 48b können unabhängig von der Anzahl der Stufen beziehungsweise unabhängig von der Anzahl verwendeter Energiespeichereinheiten B1, B2, B3, ..., BN ganz analog integriert werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Energieversorgungsanordnung, ein Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungsanordnung bereitgestellt werden, die es ermöglichen, in bestimmten Situationen eine Batterie in Form einer Energieversorgungsanordnung vom übrigen Energienetz, das heißt im Niedervolt-Bordnetz, zu entkoppein, um diese durch interne Umschaltung so zu modifizieren, dass kurzfristig eine vielfache Betriebsspannung für angeschlossenen Komponenten zur Verfügung steht. Diese Betriebsspannung kann von Steuergeräten im Fahrzeug genutzt werden, zum Beispiel für Stellmotoren, welche kurzfristig höhere Leistungen und Geschwindigkeiten erreichen sollen. So ist dies zum Beispiel bei einer notwendigen Sitzverstellung im Fehlerfall während des hochautomatisierten Fahrens notwendig, bei dem der Fahrer aus seiner Ruheposition schneller in die Fahraufgabe gebracht werden soll als dies mit der heutigen Aktorik möglich wäre. Eine weitere Anwendung ist die schnelle Sitzverstellung vor einem möglichen Unfall, um die Wirkung der Rückhaltesysteme zu optimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015010531 A1 [0002]
- DE 102014201351 A1 [0002, 0003]