DE102019008825A1

DE102019008825A1 - Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019008825A1
Application number: DE102019008825.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Ohms; Akin Candir; Urs Boehme; André Haspel; Andreas Maier; Roman Friedel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-06-24
Also published as: WO2021122236A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz (2).Erfindungsgemäß ist das elektrische Hochvoltbordnetz (2) in drei Teilbereiche (T1, T2, T3) unterteilt, wobei der erste Teilbereich (T1) in einem ersten Bauraum (B1) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist, der zweite Teilbereich (T2) in einem zweiten Bauraum (B2) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist und der dritte Teilbereich (T3) außerhalb dieser beiden Bauräume (B1, B2) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2018 002 926 A1 beschrieben, ein elektrisches Bordnetz bekannt. Dieses elektrische Bordnetz für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung, wobei das Bordnetz ausgebildet ist, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden. Das Bordnetz weist wenigstens einen Y-Kondensator auf, der mit einem ersten Anschluss mit einer der Potentialleitungen und mit einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt ist. Ein Schaltelement ist zum wenigstens einen Y-Kondensator in Reihe geschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Fahrzeug umfasst ein elektrisches Hochvoltbordnetz. Erfindungsgemäß ist das elektrische Hochvoltbordnetz in drei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist, der zweite Teilbereich in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der dritte Teilbereich außerhalb dieser beiden Bauräume des Fahrzeugs angeordnet ist.
Der dritte Teilbereich ist beispielsweise in mindestens einem dritten Bauraum oder in mehreren dritten Bauräumen des Fahrzeugs angeordnet.
Das Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, ist insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet. Insbesondere ist eine Hochvoltbatterie durch Anschluss des Fahrzeugs, insbesondere von dessen Hochvoltbordnetz, an mindestens eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle, d. h. insbesondere eine Ladestation, elektrisch ladbar.
Unter dem Begriff „Hochvolt“ ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.
Elektrische Komponenten des elektrischen Hochvoltbordnetzes verfügen üblicherweise zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit über Y-Kondensatoren. Solche Y-Kondensatoren können auch ladestationsseitig, d. h. auch im Bereich der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, vorgesehen sein. Die Wirkung von Y-Kondensatoren im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere der Funkentstörung, ist dem Fachmann bekannt, sodass es diesbezüglich keiner gesonderten weiteren Erläuterung bedarf. Im Übrigen wird auf die diesbezügliche Normung verwiesen, so zum Beispiel die Richtlinie 2013/30/EU, über die elektromagnetische Verträglichkeit, EM 61000 und weitere.
Aus Gründen der elektrischen Sicherheit soll eine in sämtlichen Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten. Ein solcher Wert beträgt zum Beispiel 0,2 J. Dies führt regelmäßig zu einer konstruktiven Auslegung derart, dass Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren fahrzeugseitig in der Regel kleiner gewählt werden, als sie für eine ordnungsgemäße Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf die elektrischen Komponenten, die an das elektrische Hochvoltbordnetz angeschlossen sind, notwendig wären.
Als problematisch hat es sich unter anderem herausgestellt, wenn das Fahrzeug mittels einer Wechselspannung von der Ladestation geladen werden soll. In einem solchen Fall erweist sich die fahrzeugseitig vorgesehene Gesamtkapazität an Y-Kondensatoren als hinderlich, weil diese Y-Kondensatoren auch einen Ableitstrom verursachen können, der ladestationsseitig zu einer Störungsauslösung führen kann und/oder insgesamt einen zulässigen Wert für Ableitströme bei elektrischen Anlagen überschreiten kann, wie dies beispielsweise in der Normung angegeben ist, so zum Beispiel in der Norm DIN EN 61800 oder dergleichen. Diese Problematik kann dem Grunde nach nur durch Reduktion der Kapazitätswerte der im Fahrzeug vorgesehenen Y-Kondensatoren gelöst werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass dadurch der Aufwand für Filtereinheiten erheblich vergrößert sein kann.
Darüber hinaus ist es insbesondere beim Aufladen mittels einer Gleichspannung erforderlich, dass ein Energieinhalt von sämtlichen wirksamen Y-Kondensatoren einen vorgegebenen Gesamtenergieinhalt nicht überschreitet. Aktuell ist hierfür ein maximaler Wert von 0,2 J vorgesehen, der nicht überschritten werden soll. Durch die Vielzahl der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs und die steigende Leistung, beispielsweise bei Hochvolt-Komponenten, wird die Gesamtkapazität der vorhandenen Y-Kondensatoren immer größer, wodurch auch der dort gespeicherte Energieinhalt entsprechend der zunehmenden Gesamtkapazität zunimmt. Darüber hinaus ist zu beachten, dass insbesondere im Bereich Hochvolt der Energieinhalt der Y-Kondensatoren besonders kritisch ist, zumal zu beachten ist, dass die in den Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie quadratisch von der elektrischen Spannung der Y-Kondensatoren abhängig ist. Dadurch wird gerade im Bereich Hochvolt das Einhalten der Anforderung hinsichtlich des maximalen Energieinhalts in Bezug auf ein jeweiliges Hochvoltpotential besonders schwierig. Gerade bei Fahrzeugen erweist es sich als problematisch, sowohl Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit in Bezug auf die Energie der Y-Kondensatoren zugleich zu erfüllen.
Diese Probleme werden durch die erfindungsgemäße Lösung behoben, denn durch die erfindungsgemäße Lösung, insbesondere durch diese Unterteilung des Hochvoltbordnetzes in Teilbereiche, lassen sich verschiedene Betriebsmodi des Fahrzeugs auf relevante Anforderungen hin optimieren. Dies ermöglicht eine Auslegung der Y-Kondensatoren der einzelnen Funktionen unter Berücksichtigung jeweils einzunehmender Fahrzeugzustände. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Zusammenfassung mehrerer Entstörmaßnahmen in gemeinsamen Filtern und eine Verbesserung von Wirkungsgraden durch Reduzierung der Stromaufnahme von Permanentverbrauchern bei Fahrzeugzuständen mit kleinen Hochvoltleistungen, zum Beispiel für ein induktives Laden, Wechselstromladen und/oder eine Notruffunktion des Fahrzeugs.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit eine Reduzierung von Kosten, Gewicht und Bauraum durch das Zusammenfassen von Filtern und Steuerungsumfängen für mehrere Hochvoltfunktionen.
Zudem wird beispielsweise eine Erhöhung eines Wirkungsgrades beim Wechselstromladen oder induktiven Laden durch eine Reduzierung von Permanentverbrauchern ermöglicht. Des Weiteren wird eine Verbesserung der EMV-Eigenschaften (elektromagnetische Verträglichkeit) durch eine bessere Auslegung der Y-Kondensatoren auf die Funktionszustände des Fahrzeugs ermöglicht, wie bereits erwähnt. Es wird insbesondere auch eine erleichterte Zertifizierung des Fahrzeugs ermöglicht, da Energiemengen in den aktiven Y-Kondensatoren geringer gehalten werden können.
Des Weiteren wird eine Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten, die im inaktiven Zustand potenzialfrei geschaltet werden, ermöglicht. Dies betrifft beispielsweise das Wechselstromladen und das induktive Laden.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es insbesondere einen Großteil der Hochvoltkomponenten, insbesondere der Hochvoltelektronik, und die Hochvoltbatterie in einen Rohbau des Fahrzeugs zu integrieren. Dadurch können Kosten, Bauraumvolumen und Gewicht eingespart werden. Problematisch war dabei bisher eine hochvoltsichere Gestaltung einer Reparaturfähigkeit oder einer Montage an einem Fahrzeugfertigungsband, sofern die Hochvoltkomponenten darin offen zugänglich gemacht werden sollen. Das Montieren eines kompletten Hochvoltsystems, d. h. eines vollständigen Hochvoltbordnetzes mit Hochvoltbatterie ist beispielsweise zudem aufgrund von Zertifizierungsvorgaben kritisch, da eine Energiedichte der Hochvoltbatterie vorgeschrieben ist und somit das Hochvoltsystem mit seinem Volumen und Gewicht diesen Energiedichtewert verschlechtert. Die Reparatur eines solchen Hochvoltsystems ist zudem bisher nur in Werkstätten möglich, die über spezielle Ausrüstung und geschultes Personal verfügen und erhöhte Reinheitsanforderungen im Werkstattbereich erfüllen können. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung werden diese Probleme behoben, da die Hochvoltkomponenten entsprechend dieser Anforderungen in die Teilbereiche aufgeteilt und somit in den verschiedenen Bauräumen angeordnet werden können, welche die jeweiligen Anforderungen erfüllen, denn durch eine geeignete Anordnung der Hochvoltkomponenten in die drei Teilbereiche können diese technischen Probleme gelöst werden. So sind beispielsweise im ersten Bauraum nur Arbeiten unter Spannung möglich. In diesem ersten Bauraum sind beispielsweise neben Zellmodulen und Sicherheitselementen, insbesondere Schütze nach außen und Sicherungen, vorwiegend Hochvoltkomponenten angeordnet, die Fahrzeugbetriebszustände mit kleinen Leistungen betreffen, beispielsweise das Wechselstromladen, das induktive Laden und/oder eine Notruffunktion. Im zweiten Bauraum sind beispielsweise Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand möglich. Weitere Hochvoltkomponenten sind beispielsweise außerhalb dieser beiden Bauräume angeordnet, zum Beispiel Komponenten für das induktive Laden, eine Gleichstromladedose, eine Wechselstromladedose, einen elektrische Kältemittelverdichter, eine Wärmepumpe und/oder eine oder mehrere elektrische Antriebseinheiten, zum Beispiel umfassend jeweils eine elektrische Antriebsmaschine, ein Getriebe und einen Inverter.
Die Bauräume sind vorteilhafterweise baulich voneinander getrennt. Insbesondere sind der erste Bauraum und der zweite Bauraum baulich voneinander getrennt, insbesondere, zumindest im Wesentlichen, verschlossen ausgebildet, insbesondere derart, dass kein Zugang für Personen durch den ersten Bauraum in den zweiten Bauraum oder umgekehrt möglich ist. Vorteilhafterweise sind der erste Bauraum und/oder der zweite Bauraum auch vom dritten Bauraum baulich getrennt, insbesondere gegenüber dem dritten Bauraum, zumindest im Wesentlichen, verschlossen ausgebildet.
Die Unterteilung des elektrischen Hochvoltbordnetzes in die drei Teilbereiche ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass, wie auch bereits erwähnt, im ersten Bauraum des Fahrzeugs nur Arbeiten unter elektrischer Spannung des ersten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes oder nur Arbeiten unter elektrischer Spannung an einem elektrischen Pluspotential des ersten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind und im zweiten Bauraum des Fahrzeugs Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand des zweiten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind. Beispielsweise ist der erste Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes nicht vollständig spannungsfrei schaltbar und der zweite Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes ist vollständig spannungsfrei schaltbar. Dadurch wird eine Verlagerung von Funktionen mit höherer Wartungs- und/oder Reparaturwahrscheinlichkeit in den zweiten Teilbereich und somit in den zweiten Bauraum ermöglicht, der keine verschärften Anforderungen an Werkstätten stellt, da hier ein spannungsfreies Arbeiten möglich ist. Somit kann ein Ausbau und/oder eine Wartung der Komponenten aus dem zweiten Bauraum und zudem auch der Komponenten des dritten Teilbereichs strom- und spannungsfrei erfolgen.
Der erste Teilbereich umfasst beispielsweise Zellmodule einer Hochvoltbatterie und zusätzlich mindestens eine Schalteinheit und/oder mindestens eine Sicherung und/oder mindestens eine Filtereinheit und/oder mindestens einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen Niedervoltgleichspannungswandler, und/oder mindestens einen Bestandteil einer elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie und/oder mindestens eine Komponente zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Bereitstellung einer Notruffunktion des Fahrzeugs.
Der zweite Teilbereich umfasst beispielsweise mindestens eine Schalteinheit und/oder mindestens eine Sicherung und/oder mindestens eine Filtereinheit und/oder mindestens einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen Niedervoltgleichspannungswandler, und/oder mindestens einen Bestandteil der elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie, insbesondere einen anderen Bestandteil als im ersten Teilbereich, und/oder mindestens eine elektrische Heizeinheit.
Der dritte Teilbereich umfasst beispielsweise mindestens eine Komponente zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie, insbesondere die Wechselstromladedose und/oder zur Durchführung eines induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines Gleichstromladebetriebs der Hochvoltbatterie, insbesondere die Gleichstromladedose, und/oder mindestens eine elektrische Antriebseinheit zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere eine vordere und eine hintere elektrische Antriebseinheit, insbesondere umfassend jeweils eine elektrische Antriebsmaschine, ein Getriebe und einen Inverter, und/oder mindestens einen elektrischen Kältemittelverdichter und/oder mindestens eine Wärmepumpe.
Im ersten Bauraum und im zweiten Bauraum sind zweckmäßigerweise Schalteinheiten vorgesehen, mittels welchen bei einem jeweiligen Potentialleitungspaar, welches aus dem jeweiligen Bauraum herausführt, beide Potentialleitungen spannungsfrei schaltbar sind. Dadurch kann nach außen, d. h. außerhalb des jeweiligen Bauraums, eine Spannungsfreiheit hergestellt werden. Die Schalteinheiten sind beispielsweise jeweils als ein Schütz oder als ein Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET, ausgebildet. Bei dem jeweiligen Potentialleitungspaar ist beispielsweise in beiden Potentialleitungen jeweils ein Schütz oder in einer der Potentialleitungen ein Schütz und in der anderen Potentialleitung ein Halbleiterschalter angeordnet.
An einem mit Zellmodulen einer Hochvoltbatterie galvanisch verbundenen Potentialleitungspaar ist beispielsweise in der jeweiligen Potentialleitung eine Schalteinheit, insbesondere ein Schütz, ausgehend von den Zellmodulen, vor oder nach einem ersten Leitungsabzweig zu mindestens einem elektrischen Verbraucher angeordnet. Beispielsweise sind beide Schalteinheiten nach dem ersten Leitungsabzweig angeordnet oder die Schalteinheit in der Pluspotentialleitung ist nach dem ersten Leitungsabzweig angeordnet und die Schalteinheit in der Minuspotentialleitung ist vor dem ersten Leitungsabzweig angeordnet. Letztere Variante hat den Vorteil, dass die Hochvoltkomponenten im ersten Bauraum bei ruhendem Fahrzeug durch das Öffnen der Schalteinheit in der Minuspotentialleitung ausgehend von den Zellmodulen am Hochvolt-Minuspotential galvanisch getrennt werden können. Somit liegt an den Zwischenkreiskapazitäten im ersten Bauraum keine oder durch Ableitwiderstände nur eine geringe Spannung an. In einem Service- oder Reparaturfall wird ermöglicht, dass Arbeiten an Komponenten im ersten Bauraum nur noch mit einem Hochvoltpotential direkt mit den Zellen in der Hochvoltbatterie gekoppelt sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch ein Fahrzeug mit einer ersten Ausführungsform eines Hochvoltbordnetzes,
2 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs,
3 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Wechselstromladebetriebs,
4 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Gleichstromladebetriebs,
5 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines induktiven Ladebetriebs,
6 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während einer Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines Wechselstromladebetriebs,
7 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines induktiven Ladebetriebs,
8 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes nach einer Kollision des Fahrzeugs und/oder während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs,
9 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises,
10 schematisch ein Fahrzeug mit einer zweiten Ausführungsform eines Hochvoltbordnetzes,
11 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs,
12 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Wechselstromladebetriebs,
13 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Gleichstromladebetriebs,
14 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines induktiven Ladebetriebs,
15 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während einer Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines Wechselstromladebetriebs,
16 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines induktiven Ladebetriebs,
17 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes nach einer Kollision des Fahrzeugs,
18 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs, und
19 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 bis 19 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einem Hochvoltbordnetz 2. Dabei zeigen die 1 und 10 zwei verschiedene Ausführungsformen des Hochvoltbordnetzes 2, die 2 bis 9 zeigen die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 in einem jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs 1 und die 11 bis 19 zeigen die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 in einem jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs 1.
Das Hochvoltbordnetz 2 umfasst in den dargestellten Beispielen eine Hochvoltbatterie, wobei hier nur Zellmodule 3 dieser Hochvoltbatterie dargestellt sind, eine vordere elektrische Antriebseinheit 4 des Fahrzeugs 1, eine hintere elektrische Antriebseinheit 5 des Fahrzeugs 1, einen elektrischen Kältemittelverdichter 6, eine Wechselstromladedose 7, eine Gleichstromladedose 8, eine induktive Ladeeinheit 9, eine elektrische Heizeinheit 10, einen ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11, einen zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12, eine elektrische Bordladereinheit 13, drei Sicherungen 14, 15, 16 und zwei Filtereinheiten 17, 18.
Alternativ oder zusätzlich zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 kann auch eine hier nicht dargestellte Wärmepumpe vorgesehen sein. D. h. bei der hier folgenden weiteren Beschreibung kann jeweils anstelle des elektrischen Kältemittelverdichters 6 oder zusätzlich dazu die Wärmepumpe vorgesehen sein.
Die elektrische Bordladereinheit 13 ist für einen Wechselstromladebetrieb des Fahrzeugs 1, d. h. für ein elektrisches Laden der Hochvoltbatterie mittels einer fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, erforderlich. Sie ist hierzu über eine Wechselstromleitung 19, welche drei Phasenleiter, einen Nullleiter und einen Schutzleiter zum dreiphasigen Laden aufweist, mit der Wechselstromladedose 7 verbunden, über die das Fahrzeug 1 mit der fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle koppelbar ist.
Die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 umfassen beispielsweise jeweils eine elektrische Maschine, einen Inverter und ein Getriebe.
Die erste Filtereinheit 17 ist insbesondere vorgesehen für den Wechselstromladebetrieb, für einen induktiven Ladebetrieb und für eine Notruffunktion des Fahrzeugs 1. Die zweite Filtereinheit 18 ist insbesondere vorgesehen für einen Fahrbetrieb, einen Gleichstromladebetrieb und eine Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1, welche im Folgenden noch näher beschrieben wird.
Die Niedervoltgleichspannungswandler 11, 12 werden auch als Bordnetzwandler bezeichnet. Der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 ist insbesondere vorgesehen zur Bereitstellung elektrischer Energie für die Notruffunktion und den Ladebetrieb des Fahrzeugs 1.
Das Hochvoltbordnetz 2 umfasst Potentialleitungspaare, umfassend eine Pluspotentialleitung HV+ und eine Minuspotentialleitung HV-. Diese Potentialleitungspaare dienen der elektrischen Verbindung der Hochvoltbatterie, insbesondere deren Zellmodule 3, mit der induktiven Ladeeinheit, dem ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und der elektrischen Bordladereinheit 13, jeweils über die erste Filtereinheit 17, sowie mit der Gleichstromladedose 8 und den beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und des Weiteren mit dem zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12, der elektrischen Heizeinheit 10 und dem elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder der Wärmepumpe, jeweils über die zweite Filtereinheit 18.
Die erste Sicherung 14 ist in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen den Zellmodulen 3 und einem ersten Leitungsabzweig zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13 angeordnet.
Die zweite Sicherung 15 ist in der Pluspotentialleitung HV+ nach diesem Abzweig in der Zuleitung zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13, noch vor der ersten Filtereinheit 17, angeordnet.
Die dritte Sicherung 16 ist in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen der elektrischen Heizeinheit 10 und dem elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder der Wärmepumpe angeordnet.
In den Potentialleitungen HV+, HV- sind an verschiedenen Positionen Schalteinheiten S1+ bis S5- angeordnet, um jeweils eine oder mehrere Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 von den Zellmodulen 3 zu trennen, wobei an diesen Positionen die Schalteinheiten S1+ bis S5- jeweils paarweise angeordnet sind d. h. jeweils eine Schalteinheit S1+ bis S5+ in der Pluspotentialleitung HV+ und eine Schalteinheit S1- bis S5- in der Minuspotentialleitung HV-. Dabei sind die Schalteinheiten S1+ bis S5- jeweils als Schütz oder Halbleiterschalter ausgebildet, wobei das jeweilige Schalteinheitpaar im dargestellten Beispiel entweder aus zwei Schützen oder aus einem Schütz und einem Halbleiterschalter besteht. In den dargestellten Beispielen sind die vierte Schalteinheit S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen elektrischer Heizeinheit 10 und elektrischem Kältemittelverdichter 6 und/oder Wärmepumpe und die fünfte Schalteinheit S5- in der Minuspotentialleitung HV- zwischen erster Filtereinheit 17 und induktiver Ladeeinheit 9 als Halbleiterschalter ausgebildet, wie anhand des entsprechenden Symbols ersichtlich, und die anderen Schalteinheiten S1+ bis S4+ und S5+ sind als Schütz ausgebildet, wie ebenfalls anhand des entsprechenden Symbols ersichtlich. Die vierte Schalteinheit S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen elektrischer Heizeinheit 10 und elektrischem Kältemittelverdichter 6 und/oder Wärmepumpe ist dabei noch vor der dritten
Sicherung 16, d. h. zwischen elektrischer Heizeinheit 10 und dritter Sicherung 16, angeordnet.
Das elektrische Hochvoltbordnetz 2 ist in drei Teilbereiche T1, T2, T3 unterteilt. Der erste Teilbereich T1 ist in einem ersten Bauraum B1 des Fahrzeugs 1 angeordnet, der zweite Teilbereich T2 ist in einem zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1 angeordnet und der dritte Teilbereich T3 ist außerhalb dieser beiden Bauräume B1, B2 des Fahrzeugs 1 angeordnet, im dargestellten Beispiel in mindestens einem dritten Bauraum B3 oder in mehreren dritten Bauräumen B3 des Fahrzeugs 1.
Im ersten Bauraum B1 sind nur Arbeiten unter Spannung möglich. In diesem ersten Bauraum B1 sind neben den Zellmodulen 3 der Fahrzeugbatterie und der ersten und zweiten Sicherung 14, 15 vorwiegend die Hochvoltkomponenten angeordnet, die Fahrzeugbetriebszustände mit kleinen Leistungen betreffen, insbesondere für den Wechselstromladebetriebszustand, den induktiven Ladezustand und die Notruffunktion.
In den dargestellten Beispielen sind im ersten Bauraum B1 somit neben den Zellmodulen 3 und der ersten und zweiten Sicherung 14, 15 die erste Filtereinheit 17, der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 und ein erster Bestandteil 13.1 der elektrischen Bordladereinheit 13 angeordnet, umfassend insbesondere einen Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) und einen isolierten Gleichspannungswandler.
Im zweiten Bauraum B2 sind Arbeiten im spannungsfreien Zustand möglich. Hier sind im dargestellten Beispiel die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10, die dritte Sicherung 16 sowie ein zweiter Bestandteil 13.2 der Bordladereinheit 13 angeordnet, umfassend insbesondere Maßnahmen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit der Bordladereinheit 13 und Wechselstromsicherungen. Dieser zweite Bestandteil 13.2 der Bordladereinheit 13 ist über die Wechselstromleitung 19 mit der Wechselstromladedose 7 verbunden, während der erste Bestandteil 13.1 der Bordladereinheit 13 mit den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie verbunden ist.
Die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, die Wechselstromladedose 7, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und/oder die Wärmepumpe, die Gleichstromladedose 8 sowie die induktive Ladeeinheit 9 sind außerhalb des ersten und zweiten Bauraums B1, B2 angeordnet, insbesondere im dritten Bauraum B3 des Fahrzeugs 1.
Die Schalteinheiten S1+ bis S5- dienen insbesondere der Potentialfreischaltung beider Potentialleitungen HV+, HV- an Ausgängen des ersten Bauraums B1 und des zweiten Bauraums B2. So sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- im ersten Bauraum B1 angeordnet und die zweiten Schalteinheiten S2+, S2-, die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- sind im zweiten Bauraum B2 angeordnet.
Mittels der ersten Schalteinheiten S1+, S1- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 zum zweiten Bauraum B2 und den darin angeordneten Komponenten zu trennen und somit der gesamte zweite Bauraum B2 hochvoltpotentialfrei zu schalten. Mittels der fünften Schalteinheiten S5+, S5- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 aus dem ersten Bauraum B1 heraus zur induktiven Ladeeinheit 9 zu trennen und dadurch dieser Ausgang aus dem ersten Bauraum B1 zur induktiven Ladeeinheit 9 potentialfrei zu schalten, d. h. die induktive Ladeeinheit 9 ist vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch zu trennen. Die zweiten Schalteinheiten S2+, S2-, die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- dienen insbesondere zur Potentialfreischaltung der Ausgänge aus dem zweiten Bauraum B2, wenn die ersten Schalteinheiten S1+, S1- geschlossen sind und der zweite Bauraum B2 somit nicht potentialfrei ist. Dann können einzelne Komponenten im dritten Bauraum B3, welche jeweils nicht benötigt werden, potentialfrei geschaltet werden. So können mittels der zweiten Schalteinheiten S2+, S2- die elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, mittels der dritten Schalteinheiten S3+, S3- die Gleichstromladedose 8 und mittels der vierten Schalteinheiten S4+, S4- der elektrische Kältemittelverdichter 6 und/oder die Wärmepumpe jeweils einzeln potentialfrei geschaltet werden, d.h. vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch getrennt werden.
2 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 1. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und zudem die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4-geschlossen. Die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- sind geöffnet, wodurch die Ausgänge der
Potentialleitungen HV+, HV- zur Gleichstromladedose 8 und zur induktiven Ladeeinheit 9 potentialfrei geschaltet sind. Die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 sind aktiv. Die anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
Eine Gesamtkapazität von Y-Kondensatoren der aktiven Komponenten muss kleiner oder gleich 0,2 J je Potential sein. Da die Y-Kondensatoren der Gleichstromladefunktion und des induktiven Ladens nun nicht betrachtet werden müssen, kann das restliche verbliebene Hochvoltsystem den maximalen Wert der Y-Kondensatoren auf die beim Fahrbetrieb aktiven Komponenten verteilen.
Beispielsweise können die Inverter der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 mit einer höheren Kapazität ihres y-Kondensators ausgestattet werden als dies im Stand der Technik möglich gewesen wäre. Somit ist es möglich, ihre EMV-Störemissionen (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) durch eine bessere Befilterung zu reduzieren und im Gegenzug Filtermaßnahmen bei anderen Komponenten, beispielsweise der Hochvoltbatterie, einzusparen. Es wäre auch möglich, dadurch eine schirmlose Hochvoltleitung zu den Invertern der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 zu realisieren. Das Gleiche könnte für den elektrischen Kältemittelverdichter 6 umgesetzt werden.
3 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Wechselstromladebetriebs. Hier sind alle Schalteinheiten S1+ bis S5- geöffnet. Die Wechselstromladedose 7, die Bordladereinheit 13, der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 und die erste Filtereinheit 17 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
Da das Wechselstromladen in der Regel mit geringerer Leistung stattfindet, liegt bei diesem Betriebszustand der Fokus in der Reduzierung eines Stromverbrauchs durch Permanentverbraucher. Der in den Y-Kondensatoren gespeicherte Energieinhalt des Systems spielt eine untergeordnete Rolle, da alle Ausgänge aus dem ersten Bauraum B1 und dem zweiten Bauraum B2 über zwei Schütze oder eine Kombination aus Schütz und Halbleiter spannungsfrei geschaltet sind. Die restlich verbliebene Kapazität von einem oder mehreren Y-Kondensatoren im Wechselstromeingang des Fahrzeugs 1 inklusive einer fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, insbesondere Ladesäule, ist im Normalfall weit unter den maximalen Grenzwerten.
Die Reduzierung von Konstantstromverbrauchern wird erreicht, indem die Schütze zwischen dem ersten Bauraum B1 und dem zweiten Bauraum B2, d. h. die ersten Schalteinheiten S1+, S1-, geöffnet sind, d. h. nicht angesteuert werden. Somit sind alle Gleichstromhochvoltkomponenten im zweiten Bauraum B2 spannungsfrei und zugehörige Steuerungsfunktionen können deaktiviert sein. Ein Stromverbrauch zum Ansteuern der Schütze entfällt ebenso. Auch die außerhalb des ersten und zweiten Bauraums B1, B2, insbesondere im dritten Bauraum B3, angeschlossenen Hochvoltkomponenten, beispielsweise die elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, sind spannungsfrei und entsprechende Steuerungen können deaktiviert sein. Zur Versorgung eines Niedervoltbordnetzes des Fahrzeugs 1 ist nur der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 aktiv und es kann somit bei dieser Umwandlung eine höhere Effizienz erreicht werden. Vorteilhaft ist, wenn der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 auf eine Leistung des Niedervoltbordnetztes beim Wechselstromladen und induktiven Laden ausgelegt ist, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Sämtliche inaktiven Komponenten sind spannungsfrei und können daher bezüglich ihrer Lebensdaueranforderung auf reduzierte Anforderungen ausgelegt werden.
4 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Gleichstromladebetriebs. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und zudem die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen. Die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- sind geöffnet. Die Gleichstromladedose 8, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die zweite Filtereinheit 18, die elektrische Heizeinheit 10 und der elektrische Kältemittelverdichter 6 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
Der Fokus beim Gleichstromladen liegt wiederum bei der Einhaltung der maximal zulässigen Energie in den Y-Kondensatoren. Der Stromverbrauch durch aktive Komponenten ist weniger wichtig, da im Normalfall beim Gleichstromladen mit hoher Ladeleistung geladen wird und somit die Ladezeit kurz gehalten wird. Permanentverbraucher fallen somit nicht so stark ins Gewicht. Die Ausgänge für die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und für die induktive Ladeeinheit 9 sind über die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- bzw. die fünften Schalteinheiten S5+, S5-spannungsfrei geschaltet. Da die Kapazitäten der Y-Kondensatoren der beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und des induktiven Ladens nun nicht betrachtet werden müssen, kann das restlich verbliebene Hochvoltsystem auf den maximalen Wert der Y-Kondensatoren in diesem Betriebszustand ausgelegt sein. Speziell durch den Wegfall der Y-Kondensatoren der beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 wird die Gesamtkapazität erheblich verringert.
5 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines induktiven Ladebetriebs. Hier sind nur die fünften Schalteinheiten S5+, S5- geschlossen. Die ersten bis vierten Schalteinheiten S1+, S1- bis S4+, S4- sind geöffnet. Die induktive Ladeeinheit 9, die erste Filtereinheit 17 und der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Der Zustand beim induktiven Ladebetrieb ist vergleichbar zum Wechselstromladebetrieb. Die Ladeleistung ist in der Regel sehr gering. Der Fokus liegt auf der Reduzierung der Konstantstromverbraucher. Die Anschlüsse außerhalb des ersten und zweiten Bauraums B1, B2 sind galvanisch getrennt und spannungsfrei, wodurch die Thematik der Y-Kondensatoren vernachlässigt werden kann.
6 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während einer Vorkonditionierung, auch als Preconditionning bezeichnet, des Fahrzeugs 1 während des Wechselstromladebetriebs. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen und die anderen Schalteinheiten S2+, S2-,
S3+, S3-, S5+, S5- sind geöffnet. Die erste Filtereinheit 17, die Bordladereinheit 13, die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und die Wechselstromladedose 7 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
Während dieser Vorkonditionierung erfolgt, insbesondere in der kalten Jahreszeit, beispielsweise eine Erwärmung eines Innenraumes des Fahrzeugs 1 und ein Beheizen von Scheiben und Sitzen des Fahrzeugs 1. In der warmen Jahreszeit erfolgt beispielsweise ein Kühlen des Innenraumes. Das Fahrzeug 1 ist in diesem Zustand im Normalfall mit der fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, insbesondere Ladesäule, verbunden. Durch die galvanische Trennung innerhalb der Bordladereinheit 13 ist der Energieinhalt der Y-Kondensatoren am Wechselstromladestecker sehr gering. Durch das Öffnen der zweiten
Schalteinheiten S2+, S2- zu den beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 ist die Kapazität der verbliebenen Y-Kondensatoren des Fahrzeugs 1 ebenfalls gering, so dass die Unterschreitung dieses Grenzwertes erreicht wird. Für das Betreiben der Heizfunktion und/oder der Kühlfunktion müssen die ersten Schalteinheiten S1+, S1- zwischen dem ersten und zweiten Bauraum B1, B2 geschlossen werden. Zur Versorgung des Niedervoltbordnetzes für Sitzheizungen und Scheibenheizungen, Lüfter, Pumpen usw. wird der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12 betrieben. Optional kann auch der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 zusätzlich aktiviert sein. Vorteilhaft ist eine Leistungsaufteilung zwischen den beiden Niedervoltgleichspannungswandlern 11, 12 bei der der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12 größer ist als der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11.
7 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des induktiven Ladebetriebs. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1-, die vierten Schalteinheiten S4+, S4- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- geschlossen und die anderen Schalteinheiten S2+, S2-, S3+, S3- sind geöffnet. Die induktive Ladeeinheit 9, die erste Filtereinheit 17, die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10 und der elektrische Kältemittelverdichter 6 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Die Vorkonditionierung während des induktiven Ladebetriebs ist somit vergleichbar zur Vorkonditionierung während des Wechselstromladebetriebs, nur dass anstelle der Bordladereinheit 13 und der Wechselstromladedose 7 die induktive Ladeeinheit 9 aktiv ist. Die obige Beschreibung zur Vorkonditionierung während des Wechselstromladebetriebs gilt somit analog auch für die Vorkonditionierung während des induktiven Ladebetriebs.
8 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 nach einer Kollision des Fahrzeugs 1 und/oder während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente im zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1. Hierbei sind alle Schalteinheiten S1+, S1- bis S5+, S5- geöffnet. Dadurch sind nur die erste Filtereinheit 17 und der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 aktiv und alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 inaktiv.
Nach einem Unfall, insbesondere einer Kollision, ist das Fahrzeug 1 für einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise 70 Minuten, soweit in Betrieb zu halten, dass vorgegebene Funktionen wie ein Absenden eines Notrufs oder ein Betreiben einer Warnblinkanlage funktionsfähig sind. Die Hochvoltkomponenten werden deaktiviert, d. h. sie werden spannungsfrei geschaltet und die Kapazitäten, insbesondere die Y-Kondensatoren, werden entladen.
Um eine Größe einer Niedervoltbatterie zu reduzieren, kann die für diesen Fall nötige Energie aus der Hochvoltbatterie entnommen werden. Der erste und zweite
Bauraum B1, B2 sind im Fahrzeug 1 vorteilhafterweise in einem kollisionsgeschützten Bereich angeordnet oder durch Versteifungen kollisionsgeschützt ausgebildet. Alle elektrischen Ausgänge außerhalb dieser Bauräume B1, B2 sind geöffnet oder galvanisch getrennt. Es kann somit der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 betrieben werden, um das Niedervoltbordnetz zu versorgen. Alternativ wäre ein Betreiben des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 möglich, allerdings wäre dies nicht so effizient, da ein Stromverbrauch der ersten Schalteinheiten S1+, S1- hinzukommen und der Wirkungsgrad des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 schlechter ist, falls er größer ist als der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11.
Sind Arbeiten, insbesondere Servicearbeiten, an den Hochvoltkomponenten im zweiten Bauraum B2 oder an den externen Hochvoltverbrauchern des dritten Teilbereichs T3, insbesondere im dritten Bauraum B3, d. h. insbesondere an der induktiven Ladeeinheit 9, den elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, dem elektrischen Kältemittelverdichter 6, der Wechselstromladedose 7 und/oder der Gleichstromladedose 8 erforderlich, dann ist es für Werkstätten möglich, in einem Zustand der Spannungsfreiheit diese Bereiche zu Öffnen oder zu tauschen. Um dies zu erreichen, werden die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und zudem die fünften Schalteinheiten S5+, S5- geöffnet.
Zur Montage von Hochvoltkomponenten, insbesondere an einem Fertigungsband zur Herstellung des Fahrzeugs 1, werden vorteilhafterweise zunächst die Hochvoltkomponenten des ersten Teilbereichs T1 im ersten Bauraum B1 verbaut. Anschlussstellen an diesem ersten Bauraum B1 sind nach außen über Schütze, Halbleiterschalter oder galvanische Trennungen sicher spannungsfrei, im hier dargestellten Beispiel insbesondere durch die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5-. Im weiteren Verlauf der Montage wird das HV-System um den zweiten Teilbereich T2 im zweiten Bauraum B2 und die externen Hochvoltkomponenten, d. h. den dritten Teilbereich T3, insbesondere im dritten Bauraum B3, erweitert. Erst nach Komplettierung des HV-Systems wird am Bandende das Hochvoltsystem in Betrieb genommen.
9 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises. Zum sanften Aufladen des Hochvoltzwischenkreises, auch als DC-Link bezeichnet, wird beispielsweise eine Vorladeschaltung (Schütz und Vorladewiderstand) oder, wie im hier gezeigten Beispiel, ein boostfähiger Niedervoltgleichspannungswandler zum Vorladen aus dem Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs 1 verwendet, hier in Form des zweiten Niedervoltgleichspannungswandlers 12. Hierfür sind die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen und die anderen Schalteinheiten S1+, S1-, S3+, S3-, S5+, S5- sind geöffnet. Aktive Hochvoltkomponenten sind hier der zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 und die zweite Filtereinheit 18. Die anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv.
10 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2. Diese weicht von der in 1 gezeigten Ausführungsform nur darin ab, dass die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- hier nicht nach, sondern vor dem ersten Leitungsabzweig zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13 angeordnet ist, d. h. zwischen den Zellmodulen 3 und diesem ersten Leitungsabzweig.
Dieses Hochvoltsystem stellt somit eine Variation des Hochvoltsystems der ersten Ausführungsform dar. Alternativ oder zusätzlich kann auch die erste Schalteinheit S1+ in der Pluspotentialleitung HV+ nicht nach, sondern vor dem ersten Leitungsabzweig zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13 angeordnet sein, d. h. zwischen den Zellmodulen 3 und diesem ersten Leitungsabzweig. Es ist darauf zu achten, dass in allen Betriebszuständen an den Ausgängen des ersten und zweiten Bauraums B1, B2 immer beide Hochvoltpotentiale über Schalteinheiten S1+ bis S5-, d. h. über ein Schütz und einen Halbleiterschalter oder über zwei Schütze, spannungsfrei schaltbar sind.
Vorteil dieser zweiten Ausführungsform ist, dass die Hochvoltkomponenten im ersten Bauraum B1 bei ruhendem Fahrzeug 1 durch das Öffnen der ersten Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- ausgehend von den Zellmodulen 3 am Hochvoltminuspotential galvanisch getrennt werden. Somit liegt an Zwischenkreiskapazitäten im ersten Bauraum B1 keine oder durch Ableitwiderstände nur eine geringe Spannung an.
Im Falle des Service wird ermöglicht, dass Arbeiten an Komponenten im ersten Bauraum B1 nur noch mit einem Hochvoltpotential direkt mit den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie gekoppelt sind. Allerdings muss beim Start des Hochvoltsystems vor der ersten Filtereinheit 17 eine Vorladeschaltung implementiert werden oder durch eine Vorladefunktion, zum Beispiel im ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11, ermöglicht werden. Dies ist hier nicht dargestellt. Die geschlossene erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- ist aktiv bei Betriebszuständen mit geringerer Leistung, insbesondere während des induktiven Ladebetriebs, während des Wechselstromladebetriebs und für die Notruffunktion.
11 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 1. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 1 gemäß 2. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog.
12 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Wechselstromladebetriebs. Bei der Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- weicht nur die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- von der ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß 3 ab, sie ist hier geschlossen. Die Stellung der anderen Schalteinheiten S1+ und S2+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß 3. Durch diese Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- sind die aktiven und inaktiven Komponenten identisch zur ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß 3. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog.
13 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Gleichstromladebetriebs. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während des Gleichstromladebetriebs gemäß 4. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog.
14 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des induktiven Ladebetriebs. Bei der Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- weicht nur die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- von der ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß 5 ab, sie ist hier geschlossen. Die Stellung der anderen Schalteinheiten S1+ und S2+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während des induktiven Ladebetriebs gemäß 5. Durch diese Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- sind die aktiven und inaktiven Komponenten identisch zur ersten Ausführungsform während des induktiven Ladebetriebs gemäß 5. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog.
15 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während eines Wechselstromladebetriebs. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des Wechselstromladebetriebs gemäß 6. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog.
16 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des induktiven Ladebetriebs. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des induktiven Ladebetriebs gemäß 7. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog.
17 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 nach einer Kollision des Fahrzeugs 1. Bei der Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- weicht nur die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- von der ersten Ausführungsform nach einer Kollision des Fahrzeugs 1 gemäß 8 ab, sie ist hier geschlossen. Die Stellung der anderen Schalteinheiten S1+ und S2+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß 8, sie sind geöffnet. Durch diese Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- sind die aktiven und inaktiven Komponenten identisch zur ersten Ausführungsform nach einer Kollision des Fahrzeugs 1 gemäß 8. Daher gilt auch die bezüglich der Kollision des Fahrzeugs 1 oben beschriebene Funktionsweise hier analog. D. h. durch die hier geschlossene erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- sind auch hier, wie in der ersten Ausführungsform, nur die erste Filtereinheit 17 und der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 aktiv und alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 inaktiv.
Nach einem Unfall, insbesondere einer Kollision, ist das Fahrzeug 1 für einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise 70 Minuten, soweit in Betrieb zu halten, dass vorgegebene Funktionen wie ein Absenden eines Notrufs oder ein Betreiben einer Warnblinkanlage funktionsfähig sind. Die Hochvoltkomponenten werden deaktiviert, d. h. sie werden spannungsfrei geschaltet und die Kapazitäten, insbesondere die Y-Kondensatoren, werden entladen.
Um die Größe der Niedervoltbatterie zu reduzieren, kann die für diesen Fall nötige Energie aus der Hochvoltbatterie entnommen werden. Der erste und zweite
Bauraum B1, B2 sind im Fahrzeug 1 vorteilhafterweise in einem kollisionsgeschützten Bereich angeordnet oder durch Versteifungen kollisionsgeschützt ausgebildet. Alle elektrischen Ausgänge außerhalb dieser Bauräume B1, B2 sind geöffnet oder galvanisch getrennt. Es kann somit der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 betrieben werden, um das Niedervoltbordnetz zu versorgen. Alternativ wäre ein Betreiben des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 möglich, allerdings wäre dies nicht so effizient, da ein Stromverbrauch der ersten Schalteinheit S1+ in der Minuspotentialleitung HV+ hinzukommt und der Wirkungsgrad des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 schlechter ist, falls er größer ist als der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11.
18 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente im zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente im zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1 gemäß 8. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch, da alle Schalteinheiten S1+ bis S5- geöffnet sind, keine Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 aktiv. Die oben beschriebene Funktionsweise bezüglich Service und Wartung gemäß 8 kann hier dennoch im Wesentlichen analog gelten. Der besondere Vorteil hier ist, wie oben bereits erwähnt, dass Im Falle des Service ermöglicht wird, dass Arbeiten an Komponenten im ersten Bauraum B1 nur noch mit einem Hochvoltpotential direkt mit den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie gekoppelt sind. Allerdings muss beim Start des Hochvoltsystems vor der ersten Filtereinheit 17 eine Vorladeschaltung implementiert werden oder durch eine Vorladefunktion, zum Beispiel im ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11, ermöglicht werden. Dies ist hier nicht dargestellt.
19 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Vorladens des Hochvoltzwischenkreises. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während des Vorladens des Hochvoltzwischenkreises gemäß 9. Daher gilt auch die diesbezügliche oben beschriebene Funktionsweise hier analog.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Hochvoltbordnetz
3: Zellmodul
4, 5: Antriebseinheit
6: Kältemittelverdichter
7: Wechselstromladedose
8: Gleichstromladedose
9: induktive Ladeeinheit
10: Heizeinheit
11, 12: Niedervoltgleichspannungswandler
13: Bordladereinheit
13.1: erster Bestandteil
13.2: zweiter Bestandteil
14, 15, 16: Sicherung
17, 18: Filtereinheit
19: Wechselstromleitung
B1, B2, B3: Bauraum
T1, T2, T3: Teilbereich
HV+, HV-: Potentialleitung
S1+ bis S5-: Schalteinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018002926 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN 61800 [0012]

Claims

Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz (2), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Hochvoltbordnetz (2) in drei Teilbereiche (T1, T2, T3) unterteilt ist, wobei der erste Teilbereich (T1) in einem ersten Bauraum (B1) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist, der zweite Teilbereich (T2) in einem zweiten Bauraum (B2) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist und der dritte Teilbereich (T3) außerhalb dieser beiden Bauräume (B1, B2) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilbereich (T3) in mindestens einem dritten Bauraum (B3) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauräume (B1, B2, B3) baulich voneinander getrennt sind.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) in die drei Teilbereiche (T1, T2, T3) derart ausgebildet ist, dass im ersten Bauraum (B1) des Fahrzeugs (1) nur Arbeiten unter elektrischer Spannung des ersten Teilbereichs (T1) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) oder nur Arbeiten unter elektrischer Spannung an einem elektrischen Pluspotential des ersten Teilbereichs (T1) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) möglich sind und im zweiten Bauraum (B2) des Fahrzeugs (1) Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand des zweiten Teilbereichs (T2) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) möglich sind.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (T1) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) nicht vollständig spannungsfrei schaltbar ist und der zweite Teilbereich (T2) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) vollständig spannungsfrei schaltbar ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der erste Teilbereich (T1) Zellmodule (3) einer Hochvoltbatterie umfasst und zusätzlich mindestens eine Schalteinheit (S1+, S1-, S5+, S5-) und/oder mindestens eine Sicherung (14, 15) und/oder mindestens eine Filtereinheit (17) und/oder mindestens einen Gleichspannungswandler (11) und/oder mindestens einen Bestandteil (13.1) einer elektrischen Bordladereinheit (13) zum Laden der Hochvoltbatterie und/oder mindestens eine Komponente zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Bereitstellung einer Notruffunktion des Fahrzeugs (1) umfasst, und/oder - der zweite Teilbereich (T2) mindestens eine Schalteinheit (S2+ bis S4-) und/oder mindestens eine Sicherung (16) und/oder mindestens eine Filtereinheit (18) und/oder mindestens einen Gleichspannungswandler (12) und/oder mindestens einen Bestandteil (13.2) einer elektrischen Bordladereinheit (13) zum Laden der Hochvoltbatterie und/oder mindestens eine elektrische Heizeinheit (10) umfasst, und/oder - der dritte Teilbereich (T3) mindestens eine Komponente zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines Gleichstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder mindestens eine elektrische Antriebseinheit (4, 5) zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs (1) und/oder mindestens einen elektrischen Kältemittelverdichter (6) und/oder mindestens eine Wärmepumpe umfasst.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Bauraum (B1) und im zweiten Bauraum (B2) Schalteinheiten (S1+ bis S5-) vorgesehen sind, mittels welchen bei einem jeweiligen Potentialleitungspaar, welches aus dem jeweiligen Bauraum (B1, B2) herausführt, beide Potentialleitungen (HV+, HV-) spannungsfrei schaltbar sind.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (S1+ bis S5-) jeweils als ein Schütz oder als ein Halbleiterschalter ausgebildet sind.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem jeweiligen Potentialleitungspaar in beiden Potentialleitungen (HV+, HV-) jeweils ein Schütz oder in einer der Potentialleitungen (HV+, HV-) ein Schütz und in der anderen Potentialleitung (HV-, HV+) ein Halbleiterschalter angeordnet ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem mit den Zellmodulen (3) der Hochvoltbatterie galvanisch verbundenen Potentialleitungspaar in der jeweiligen Potentialleitung (HV+, HV-) eine Schalteinheit (S1+, S1-) vor oder nach einem ersten Leitungsabzweig zu mindestens einem elektrischen Verbraucher angeordnet ist.