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EP2877366A2 - Electrical circuit arrangement for an electrically driven vehicle, vehicle and corresponding method - Google Patents

Electrical circuit arrangement for an electrically driven vehicle, vehicle and corresponding method

Info

Publication number
EP2877366A2
EP2877366A2 EP13773643.5A EP13773643A EP2877366A2 EP 2877366 A2 EP2877366 A2 EP 2877366A2 EP 13773643 A EP13773643 A EP 13773643A EP 2877366 A2 EP2877366 A2 EP 2877366A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
voltage source
battery
electrical system
additional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13773643.5A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gunter Freitag
Bernhard Fischer
Thomas Schmid
Andreas BELGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2877366A2 publication Critical patent/EP2877366A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L58/20—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having different nominal voltages
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/54—Drive Train control parameters related to batteries
    • B60L2240/547—Voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to an electrical circuit arrangement for an electrically driven vehicle, with a high-voltage battery for providing an electrical supply voltage for an electric drive machine for driving the vehicle, with a low-voltage onboard power supply with at least one electrical load, which with an operating voltage with respect to the supply voltage lower Voltage value can be supplied, and with a main voltage source for providing the operating voltage for the extra low voltage electrical system.
  • the invention also relates to an electrically powered vehicle, as well as a method of operating a circuit in a vehicle.
  • Electrically powered vehicles - whether electric vehicles, hybrid vehicles - are already known from the prior art in various configurations. They include an electric drive machine (drive motor), which is usually designed as a synchronous machine or so-called brushless DC motor. To supply the drive machine with electrical energy, a high-voltage battery is used, which generates electrical supply voltage, which is a DC voltage. The voltage value of the supply voltage is usually about 400 V, in which respect higher voltage values may also be provided, such as 800 V.
  • a high-voltage battery in the present case is generally understood to mean a battery which is designed to provide a supply voltage of at least 100 V, in particular of at least 200 V, more preferably of at least 400 V.
  • a motor voltage for the drive machine is then provided - this motor voltage is an AC voltage.
  • an inverter or inverter is used, which consists of several transistors. stands.
  • the adjustment of the rotational speed of the drive machine is then carried out, for example, by controlling the switching frequency of the transistors.
  • An electrically powered vehicle further typically includes a low voltage electrical system with multiple electrical loads, which are supplied with an operating voltage of about 12 V to 15 V.
  • electrical consumers which are operated with such a low voltage, are present in the present example only an air conditioner, an audio system, a lighting device, a starter for an internal combustion engine of a hybrid vehicle and a control device called.
  • the main voltage source for supplying the extra-low voltage electrical system is usually a
  • DC-DC converter DC / DC converter
  • the extra-low voltage electrical system is therefore normally supplied with electrical energy from the high-voltage battery, wherein the supply voltage of the high-voltage battery is converted into the operating voltage of lower level by means of the DC-DC converter.
  • a low-voltage battery is usually additionally used as an additional voltage source in an electrically driven vehicle, which can provide the operating voltage for the extra-low voltage electrical system.
  • This low-voltage battery can also be charged via the DC-DC converter with electrical energy and is used, for example, when the vehicle is stationary or when parking to provide the extra-low voltage electrical system with energy.
  • electrically driven vehicles relatively often lose their operability due to a low voltage battery and / or due to a failure of the DC-DC converter, although the high-voltage battery itself is sufficiently charged. If there is a failure of the DC-DC converter, the DC power supply can be supplied with electrical energy from the extra-low voltage battery at most. If this battery is additionally discharged, no further operation of the vehicle is possible. And even in the case of a discharged low-voltage battery and functional DC-DC converter that same converter can not be put into operation, because it can no longer be supplied with the operating voltage of the extra-low voltage battery.
  • a first and a second auxiliary voltage source which are each designed to provide the operating voltage for the extra-low voltage electrical system, wherein a switching device is provided, which after failure of the main power source the Extra low voltage electrical system with the first additional voltage source and after additional failure of the first additional voltage source to the second auxiliary voltage source electrically connects.
  • a switching device is also provided which, after failure of the main voltage source (in particular of the DC-DC converter) connects the extra-low voltage electrical system to the first additional voltage source (in particular low-voltage battery), preferably exclusively to the first additional voltage source, and after additional failure of the first additional voltage source causes the extra-low voltage electrical system is supplied with electrical energy of the second additional voltage source, in particular exclusively with energy of the second additional voltage source.
  • the connection of the extra-low voltage electrical system to the second additional voltage source preferably takes place only after failure of the first additional voltage source.
  • the electrically driven vehicle may be a pure electric vehicle, which is driven exclusively by means of the electric drive machine. Alternatively, it may also be a hybrid vehicle having both the electric drive machine and a separate internal combustion engine with an associated starter.
  • the main voltage source is a DC-DC converter, which provides the operating voltage for the extra-low voltage electrical system from the supply voltage of the high-voltage battery.
  • the operating voltage for the extra-low voltage electrical system is thus provided during normal operation of the vehicle or while driving by means of the DC-DC converter. If this fails, the extra-low voltage electrical system can be supplied with energy from the first additional voltage source.
  • the first additional voltage source is preferably designed as a low-voltage battery, in particular a lead-acid battery.
  • the low-voltage battery can be designed to provide an operating voltage of 12 V, for example. After failure of the DC-DC converter, such a low-voltage battery at least for a certain period of time is a reliable replacement for the supply of extra-low voltage electrical system.
  • the high-voltage battery preferably comprises a plurality of series-connected battery cells, which are arranged between a first battery terminal on the one hand and a second battery terminal on the other. It proves to be particularly advantageous if the second additional voltage source by a predetermined subset of
  • Battery cell is formed and the high-voltage battery further comprises an additional terminal, to which a voltage applied to the subset of the battery cells electrical voltage as the operating voltage for the extra low voltage electrical system
  • the advantages of the present invention fully come into play, because the triple redundancy can be made with the least effort and without expensive additional components for generating electrical voltage.
  • the already existing battery cells of the high-voltage battery can be used for the second additional voltage source.
  • the extra low voltage electrical system can be supplied even with an empty low voltage battery and in case of failure of the DC-DC converter with electrical energy. A failure of the vehicle due to a discharged low-voltage battery and a failed DC-DC converter can thus be prevented with little technical effort.
  • the extra-low voltage electrical system can be supplied with energy from the subset of the cells of the high-voltage battery, and these cells can optionally also be recharged via the DC-DC converter.
  • battery cells are preferably used, which are arranged directly adjacent to each other, and in particular are also directly connected to one of the battery terminals, namely preferably with that terminal to which the reference potential (ground) is provided.
  • the switching device comprises a first switch, via which the extra-low voltage electrical system can be coupled to the main voltage source.
  • a control element of the first switch can be connected to the main voltage source and supplied with the operating voltage provided by the main voltage source, so that after failure of the main voltage source the first switch is automatically switched to a switching state in which the extra low voltage electrical system is disconnected from the main voltage source is.
  • the extra-low voltage electrical system is electrically isolated from the same source and can then be supplied with electrical energy of the first additional voltage source.
  • the first switch is preferably designed as a relay, which has a coil as a control, which is electrically coupled to the main voltage source.
  • this coil is connected in parallel to the main power source and permanently connected to it, so that the relay always remains in its closed switch position when the main power source is functional and automatically drops after failure of the main power source.
  • the switching device preferably has a second switch which switches between a first switching state in which the extra-low voltage electrical system with the first additional voltage source is coupled, and a second switching state can be switched, in which the extra low voltage electrical system is coupled to the second additional voltage source. At a certain point in time, the extra-low voltage electrical system can thus be connected to either the first or the second additional voltage source.
  • a control of the second switch may be connected to the first auxiliary voltage source and supplied with the operating voltage provided by the first auxiliary voltage source, namely such that is maintained in the presence of the operating voltage of the first additional voltage source of the second switch in the first switching state in which the extra low voltage electrical system is coupled to the first additional voltage source, and that after failure of the first additional voltage source of the second switch is automatically switched to the second switching state in which the extra low voltage electrical system is coupled to the second additional voltage source.
  • the second switch may be formed as a relay, which in addition to a movable contact element comprises two stationary contact elements, of which a first contact element with the first additional voltage source and a second contact element are connected to the second additional voltage source.
  • the coil of the relay can be permanently connected to the first additional voltage source and, in particular, connected in parallel therewith.
  • the relay is therefore in the first switching state, in which the extra-low voltage electrical system is connected to the first additional voltage source.
  • the relay drops, and the movable contact element is brought into a position in which the extra low voltage electrical system is disconnected from the first additional voltage source and connected to the second Huaweinapsquel - le.
  • the invention is not limited to the execution of the first and / or the second switch as a relay.
  • the first and / or second switch can also be realized in the form of at least one transistor whose control connection is connected as a control element to the main voltage source or to the first additional voltage source.
  • the first and the second switch are electrically connected to one another so that the first or the second additional voltage source can be charged with electrical energy via the DC-DC converter as the main voltage source, depending on the switching state of the second switch.
  • the low-voltage on-board network can be coupled on the one hand via the first switch with the DC-DC converter and on the other hand with the second switch. If the DC-DC converter is functional, the first additional voltage source can be charged via this. If the first additional voltage source fails, the second additional voltage source, that is to say in particular the subset of the battery cells of the high-voltage component, can be charged via the DC-DC converter. Thus, even if the low-voltage battery fails, the vehicle can continue to operate normally over a longer period of time.
  • the invention further relates to an electrically driven vehicle having a circuit arrangement according to the invention.
  • An inventive method is designed to operate a circuit arrangement of an electrically driven vehicle, wherein an electrical supply voltage for an electric drive machine of the vehicle is provided by means of a high-voltage battery, at least one electrical load of a low voltage electrical system is supplied with an operating voltage and the operating voltage for the extra low voltage electrical system by means of a main voltage source provided. After failure of the main power source, the extra low voltage electrical system is electrically connected by means of a switching device with a first additional voltage source and after failure of the first additional voltage source with a second additional voltage source.
  • the vehicle may be, for example, a passenger car with an electric drive machine 2.
  • the vehicle may also be a hybrid vehicle and additionally an internal combustion engine not shown in detail in the figures involve with a starter. In a purely electric vehicle, however, such an internal combustion engine is dispensed with, and the vehicle is driven exclusively by means of the electric drive machine 2.
  • the circuit arrangement 1 has a high-voltage network 3, in which the electric drive machine 2 is arranged. Furthermore, the circuit arrangement comprises a low voltage on-board network 4, which may include a plurality of electrical consumers 5, 6, wherein the number of electrical loads 5, 6 may be basically arbitrary.
  • the circuit arrangement 1 further comprises a DC-DC converter 7, which is connected on the input side to a node 8 of the high-voltage network 3 and on the output side to a node 9.
  • the DC-DC converter 7 is also connected to a reference potential 10 (ground).
  • reference potential 10 At the same reference potential 10 are also the high-voltage network 3 and the extra-low voltage electrical system 4, wherein alternatively it can also be provided that the two networks 3, 4 are at different reference potentials.
  • a high-voltage battery 11 with a plurality of battery cells is provided in the high-voltage network 3. Between a first battery terminal 12 and a second battery terminal 13, the high-voltage battery 11 provides a supply voltage UV.
  • the second battery terminal 13 is in this case directly connected to the reference potential 10, wherein alternatively it can also be provided that the reference potential 10 lies within the battery 11, that is, for example, the battery 11 is symmetrical with respect to the reference potential 10 and the reference potential 10 is thus centered between the battery terminals 12, 13 is located. Then, a positive potential is applied to the first battery terminal 12, while a negative potential with respect to the reference potential 10 is applied to the second battery terminal 13.
  • the supply voltage UV is using a not shown inverter a provided electrical AC voltage for the prime mover 2.
  • the supply voltage UV may, for example, have a voltage value of 400 V or 800 V.
  • the first battery terminal 12 is connected to the node 8 and thus to the input of the DC-DC converter 7. This results in a parallel connection of the high-voltage battery 11 and the prime mover 2, which is connected between the node 8 and the reference potential 10.
  • the extra-low voltage electrical system 4 is operated with a low voltage of, for example 12 V to 15 V.
  • the electrical consumers 5, 6 are connected in parallel to one another and connected on the one hand to a node 14 and on the other hand to the reference potential 10.
  • the consumers 5, 6 are supplied with electrical operating voltage.
  • the node 14 is coupled via a first electrical switch 15 and a diode 16 to the node 9 and thus to the output of the DC-DC converter 7.
  • the anode of the diode 16 is connected to the node 9 and the output of the DC-DC converter 7, while the cathode is connected to the switch 15.
  • the first switch 15 is designed as a relay with a coil 17 as a control element, wherein the coil on the one hand with the node 9 and thus with the output of
  • the node 14 On the side opposite the first switch 15, the node 14 is connected to a second electrical switch 18, which is likewise designed as a relay.
  • Node 14 is connected to a movable contact element of the switch 18, which can be moved between two switching positions. In a first switching position kon- The movable contact element clocks a first stationary contact element 19, and in a second switching position (as shown in FIG. 1), the movable contact element makes contact with a second stationary contact element 20.
  • a coil 21 is provided as a control, which is parallel to a low-voltage battery 22 is switched. The parallel connection of coil 21 and low-voltage battery 22 is connected on the one hand to the first stationary contact element 19 and on the other hand to the reference potential 10.
  • the coil 21 is energized, and the movable contact element contacts the stationary contact element 19, so that the node 14 is connected to the low-voltage battery 22. If the voltage of the low-voltage battery 22 fails, the switch 18 drops, and the movable contact element contacts the second stationary contact element 20.
  • the two switches 15, 18 together form a switching device in the sense of the present invention.
  • the high-voltage battery 11 furthermore has an additional connection 23, at which partial electrical voltage UT with respect to the reference potential 10 can be tapped, which is applied to a predetermined subset of battery cells of the high-voltage battery 11.
  • the additional connection 23 is connected via an electrical line 24 to the second stationary contact element 20 of the switch 18.
  • the high-voltage battery 11 is shown by way of example in FIG 2 in more detail.
  • the high-voltage battery 11 has the first battery terminal 12 and the second battery terminal 13. It comprises a plurality of battery cells 25, specifically more than 100 such battery cells.
  • the high-voltage battery 11 may be, for example, a lithium-ion battery.
  • a single battery cell 25 may provide a 3.7V electrical voltage (with the cell charged).
  • a subset 26 of the battery cells 25 and, for example, four such battery cells 25 are electrically separated from the high-voltage battery 11.
  • the first battery cells 25, calculated as a subset 26, are separated from the second battery terminal 13 or the reference potential 10.
  • switching means 27 may be provided which cause the subset 26 to be selectively electrically disconnected from the remaining battery cells 25 and thus decoupled.
  • These switching means 27 have a switch 28 and a further switch 29, which are switched synchronously, and that between a first switching state, in which the subset 26 is connected via a line 30 to the remaining battery cells 25 and thus all the battery cells 25 from the auxiliary connection 23 are decoupled and provide the supply voltage UV, and a second switching state shown in FIG 2, in which the subset 26 is connected to the auxiliary terminal 23 and a terminal 31 of the outer battery cell 25 of the remaining cells is connected to the reference potential 10.
  • the partial quantity 26 is thus separated from the high-voltage battery 11, and the partial voltage UT of, for example, 15 V is provided at the additional terminal 23.
  • the circuit arrangement 1 includes a total of three different voltage sources: As
  • Main voltage source is the DC-DC converter 7, which generates an operating voltage UB for the load 5, 6 from the supply voltage UV of the high-voltage battery 11.
  • the first additional voltage source is the low-voltage battery 22, and the second additional voltage source is the subset 26 of the battery cells 25 of the high-voltage battery 11, which are arranged between the auxiliary terminal 23 and the reference potential 10.
  • the operating voltage UB In normal operation of the vehicle or during normal driving (for example, from a predetermined speed), the operating voltage UB by means of
  • the DC-DC converter 7 generated. This can for example be controlled by means of a control unit (not darg Abbott). In this normal operation, the DC-DC converter 7 provides a voltage whose voltage value is slightly higher than the battery voltage of the low-voltage battery 22 and, for example, 15 V. Thus, the switch 15 is closed, and also the switch 18 is in the first switching position or in its first switching state, so that the node 14 is connected to the low-voltage battery 22. This is because the low voltage battery 22 is charged and electric current flows through the coil 21. In normal operation, the low-voltage battery 22 can thus continue to use electrical energy over the
  • the operating voltage UB is generated for the load 5, 6 with the low voltage battery 22, while the DC-DC converter 7 supplies no voltage - the switch 15 is open, and the switch 18 connects the low voltage battery 22 to the loads 5, 6. If a fault of the DC voltage converter 7 occurs during normal operation so that it does not provide any voltage at the node 9, then the first switch 15 drops out and the electrical consumers 5, 6 are supplied exclusively with the aid of the low voltage battery 22. Thus, the vehicle can continue to operate even though the DC-DC converter 7 has failed. If the low-voltage battery 22 is also discharged, no current flows through the coil 21, and the second switch 18 drops.
  • the node 14 and thus the extra-low voltage electrical system 4 is connected to the auxiliary terminal 23 of the high-voltage battery 11.
  • the extra-low voltage electrical system 4 is now supplied exclusively with electrical energy of the subset 26. This results in a total of three redundancy and thus a highly safe operation of the vehicle, without the addition of voltage components must be used to generate electrical voltage. It can also happen that the functional battery DC voltage converter 7, the low-voltage battery 22 is discharged because, for example, the consumer 5, 6 are operated too long at standstill of the vehicle. In this case, the extra-low voltage electrical system 4 is connected to the auxiliary terminal 23 of the high-voltage battery 11, while the DC-DC converter 7 can continue to be operated.
  • the low voltage battery 22 is replaced by the subset 26 of the cells 25, and the vehicle can continue to operate for any length of time.
  • the subset 26 of the cells 25 can be charged.
  • the further operation may for example be such that the operating voltage UB and thus the current state of charge of the subset 26 of the cells 25 is monitored by the said control unit and is driven after falling below a predetermined voltage limit of the DC-DC converter 7 to the subset 26 again with energy charge.
  • the driver thus has enough time to replace the low-voltage battery 22 or recharge. If the low-voltage battery 22 or the subset 26 is charged with electrical energy via the DC-DC converter 7, the diode 16 ensures that return currents from the low-voltage battery 22 per se or the subset 26 do not adversely affect the first switch 15.

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Abstract

Electrical circuit arrangement for an electrically driven vehicle, vehicle and corresponding method. The invention relates to preventing failure in an electrical circuit arrangement of an electrically driven vehicle. The circuit arrangement (1) comprises a high-voltage battery (11) for providing an electrical supply voltage (UV) for an electrical drive machine (2), a low-voltage on-board electrical system (4) having at least one electrical load (5, 6) which can be supplied with an operating voltage (UB), and a main voltage source (7) for providing the operating voltage (UB) for the low-voltage on-board electrical system (4). At least one first and one second auxiliary voltage source (22, 26) are provided, in each case for providing the operating voltage (UB) for the low-voltage on-board electrical system (4), as is a switching device (15, 18) which electrically connects the low-voltage on-board electrical system (4) to the first auxiliary voltage source (22) after failure of the main voltage source (7), and to the second auxiliary voltage source (26) after failure of the first auxiliary voltage source (22).

Description

Beschreibung description
Elektrische Schaltungsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, Fahrzeug und entsprechendes Verfahren Electrical circuit arrangement for an electrically driven vehicle, vehicle and corresponding method
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einer Hochvoltbatterie zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsspannung für eine elektrische Antriebsmaschine zum An- treiben des Fahrzeugs, mit einem Kleinspannungsbordnetz mit zumindest einem elektrischen Verbraucher, welcher mit einer Betriebsspannung mit einem gegenüber der VersorgungsSpannung geringeren Spannungswert versorgbar ist, und mit einer Haupt - spannungsquelle zum Bereitstellen der Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wie auch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug. The invention relates to an electrical circuit arrangement for an electrically driven vehicle, with a high-voltage battery for providing an electrical supply voltage for an electric drive machine for driving the vehicle, with a low-voltage onboard power supply with at least one electrical load, which with an operating voltage with respect to the supply voltage lower Voltage value can be supplied, and with a main voltage source for providing the operating voltage for the extra low voltage electrical system. The invention also relates to an electrically powered vehicle, as well as a method of operating a circuit in a vehicle.
Elektrisch angetriebene Fahrzeuge - sei es Elektrofahrzeuge , sei es Hybridfahrzeuge - sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Sie beinhalten eine elektrische Antriebsmaschine (Antriebsmotor) , welche in der Regel als Synchronmaschine bzw. sogenannter bürstenloser Gleichstrommotor ausgeführt ist. Zur Versorgung der Antriebs- maschine mit elektrischer Energie wird eine Hochvoltbatterie genutzt, welche elektrische VersorgungsSpannung erzeugt, die eine Gleichspannung ist. Der Spannungswert der Versorgungs - Spannung liegt üblicherweise bei etwa 400 V, wobei diesbezüglich auch höhere Spannungswerte vorgesehen sein können, wie beispielsweise 800 V. Unter einer Hochvoltbatterie wird vorliegend im Allgemeinen eine Batterie verstanden, welche zum Bereitstellen einer VersorgungsSpannung von mindestens 100 V ausgebildet ist, insbesondere von mindestens 200 V, noch bevorzugter von mindestens 400 V. Aus der Versorgungsspannung der Hochvoltbatterie wird dann eine Motorspannung für die Antriebsmaschine bereitgestellt - diese Motorspannung ist eine Wechselspannung. Zu diesem Zwecke wird ein Wechselrichter bzw. Inverter eingesetzt, der aus mehreren Transistoren be- steht. Die Einstellung der Drehzahl der Antriebsmaschine erfolgt dann zum Beispiel durch Steuerung der Schaltfrequenz der Transistoren. Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst des Weiteren üblicherweise ein Kleinspannungsbordnetz mit mehreren elektrischen Verbrauchern, die mit einer Betriebsspannung von etwa 12 V bis 15 V versorgt werden. Als elektrische Verbraucher, welche mit einer solchen Kleinspannung betrieben werden, sei- en vorliegend lediglich beispielhaft eine Klimaanlage, eine Audioanlage, eine Beleuchtungseinrichtung, ein Starter für eine Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs und ein Steuergerät genannt. Als Hauptspannungsquelle zum Versorgen des Kleinspannungsbordnetzes dient dabei üblicherweise ein Electrically powered vehicles - whether electric vehicles, hybrid vehicles - are already known from the prior art in various configurations. They include an electric drive machine (drive motor), which is usually designed as a synchronous machine or so-called brushless DC motor. To supply the drive machine with electrical energy, a high-voltage battery is used, which generates electrical supply voltage, which is a DC voltage. The voltage value of the supply voltage is usually about 400 V, in which respect higher voltage values may also be provided, such as 800 V. A high-voltage battery in the present case is generally understood to mean a battery which is designed to provide a supply voltage of at least 100 V, in particular of at least 200 V, more preferably of at least 400 V. From the supply voltage of the high-voltage battery, a motor voltage for the drive machine is then provided - this motor voltage is an AC voltage. For this purpose, an inverter or inverter is used, which consists of several transistors. stands. The adjustment of the rotational speed of the drive machine is then carried out, for example, by controlling the switching frequency of the transistors. An electrically powered vehicle further typically includes a low voltage electrical system with multiple electrical loads, which are supplied with an operating voltage of about 12 V to 15 V. As electrical consumers, which are operated with such a low voltage, are present in the present example only an air conditioner, an audio system, a lighting device, a starter for an internal combustion engine of a hybrid vehicle and a control device called. The main voltage source for supplying the extra-low voltage electrical system is usually a
Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) , welcher im normalen Betrieb des Fahrzeugs bzw. während der Fahrt aus der Versorgungsspannung der Hochvoltbatterie die Betriebskleinspannung für die elektrischen Verbraucher des Kleinspannungsbordnetzes bereitstellt. Das Kleinspannungsbordnetz wird also im Normal- fall mit elektrischer Energie aus der Hochvoltbatterie versorgt, wobei die VersorgungsSpannung der Hochvoltbatterie in die Betriebsspannung geringerer Höhe mittels des Gleichspannungswandlers umgewandelt wird. Neben dem Gleichspannungswandler wird in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug üblicherweise zusätzlich noch eine Kleinspannungsbatterie als Zusatzspannungsquelle eingesetzt, welche die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz bereitstellen kann. Diese Kleinspannungsbatterie kann auch über den Gleichspannungswandler mit elektrischer Energie aufgeladen werden und wird beispielsweise im Stillstand des Fahrzeugs oder aber beim Parken genutzt, um das Kleinspannungsbordnetz mit Energie zu versorgen. Nun hat sich herausgestellt, dass elektrisch angetriebene Fahrzeuge relativ häufig aufgrund einer leeren Kleinspannungsbatterie und/oder aufgrund eines Ausfalls bzw. Fehlers des Gleichspannungswandlers ihre Betriebsfähigkeit verlieren, obwohl die Hochvoltbatterie selbst ausreichend aufgeladen ist. Liegt ein Ausfall des Gleichspannungswandlers vor, so kann das Gleichspannungsbordnetz allenfalls noch mit elektrischer Energie aus der Kleinspannungsbatterie versorgt werden. Wird zusätzlich noch diese Batterie entladen, ist kein weiterer Betrieb des Fahrzeugs mehr möglich. Und auch im Falle einer entladenen Kleinspannungsbatterie und bei funktionstüchtigem Gleichspannungswandler kann selbiger Wandler nicht mehr in Betrieb genommen werden, weil er mit der Betriebsspannung der Kleinspannungsbatterie nicht mehr versorgt werden kann. DC-DC converter (DC / DC converter), which provides the operating extra-low voltage for the electrical consumers of the extra-low voltage electrical system during normal operation of the vehicle or while driving from the supply voltage of the high-voltage battery. The extra-low voltage electrical system is therefore normally supplied with electrical energy from the high-voltage battery, wherein the supply voltage of the high-voltage battery is converted into the operating voltage of lower level by means of the DC-DC converter. In addition to the DC-DC converter, a low-voltage battery is usually additionally used as an additional voltage source in an electrically driven vehicle, which can provide the operating voltage for the extra-low voltage electrical system. This low-voltage battery can also be charged via the DC-DC converter with electrical energy and is used, for example, when the vehicle is stationary or when parking to provide the extra-low voltage electrical system with energy. Now it has been found that electrically driven vehicles relatively often lose their operability due to a low voltage battery and / or due to a failure of the DC-DC converter, although the high-voltage battery itself is sufficiently charged. If there is a failure of the DC-DC converter, the DC power supply can be supplied with electrical energy from the extra-low voltage battery at most. If this battery is additionally discharged, no further operation of the vehicle is possible. And even in the case of a discharged low-voltage battery and functional DC-DC converter that same converter can not be put into operation, because it can no longer be supplied with the operating voltage of the extra-low voltage battery.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einer elektrischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung ein Ausfall des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs möglichst verhindert werden kann. It is an object of the invention to show a way, as in an electrical circuit arrangement of the type mentioned a failure of the electrically driven vehicle can be prevented as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung, durch ein Fahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. This object is achieved by a circuit arrangement, by a vehicle and by a method having the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Demnach wird vorgeschlagen, bei der elektrischen Schaltungs- anordnung der eingangs genannten Gattung neben der Hauptspannungsquelle zumindest eine erste und eine zweite Zusatzspannungsquelle einzusetzen, welche jeweils zum Bereitstellen der Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz ausgebildet sind, wobei eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die nach Ausfall der Hauptspannungsquelle das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle und nach zusätzlichem Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle mit der zweiten Zusatzspannungsquelle elektrisch verbindet. Erfindungsgemäß wird somit eine dreifache Redundanz für die Versorgung des Kleinspannungsbordnetzes mit elektrischer Energie bereitgestellt und somit eine hochredundante Sicherheit im Hinblick auf den Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht. Neben der Hauptspannungsquelle (insbesondere Gleichspannungs - wandler) sind nämlich mindestens zwei Zusatzspannungsquellen vorgesehen, die gegebenenfalls das Kleinspannungsbordnetz versorgen können. Dazu ist auch eine Schalteinrichtung be- reitgestellt, welche nach Ausfall der Hauptspannungsquelle (insbesondere des Gleichspannungswandlers) das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle (insbesondere Kleinspannungsbatterie) , bevorzugt ausschließlich mit der ersten Zusatzspannungsquelle, verbindet und nach zusätz- lichem Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle bewirkt, dass das Kleinspannungsbordnetz mit elektrischer Energie der zweiten Zusatzspannungsquelle versorgt wird, insbesondere ausschließlich mit Energie der zweiten Zusatzspannungsquelle. Auch bei Ausfall sowohl der Hauptspannungsquelle als auch der ersten Zusatzspannungsquelle wird somit ein weiterer Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht, indem das Kleinspannungsbordnetz mit der zweiten Zusatzspannungsquelle elektrisch verbunden wird. Das Verbinden des Kleinspannungsbordnetzes mit der zweiten Zusatzspannungsquelle erfolgt vorzugsweise erst nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle. Accordingly, it is proposed to use in the electrical circuit arrangement of the type mentioned in addition to the main voltage source at least a first and a second auxiliary voltage source, which are each designed to provide the operating voltage for the extra-low voltage electrical system, wherein a switching device is provided, which after failure of the main power source the Extra low voltage electrical system with the first additional voltage source and after additional failure of the first additional voltage source to the second auxiliary voltage source electrically connects. According to the invention, therefore, a triple redundancy for the supply of the extra-low voltage electrical system is provided with electrical energy, thus enabling a highly redundant safety with regard to the operation of the vehicle. In addition to the main voltage source (in particular DC voltage converter), at least two additional voltage sources are provided, which can optionally supply the extra-low voltage on-board electrical system. For this purpose, a switching device is also provided which, after failure of the main voltage source (in particular of the DC-DC converter) connects the extra-low voltage electrical system to the first additional voltage source (in particular low-voltage battery), preferably exclusively to the first additional voltage source, and after additional failure of the first additional voltage source causes the extra-low voltage electrical system is supplied with electrical energy of the second additional voltage source, in particular exclusively with energy of the second additional voltage source. Thus, even if both the main voltage source and the first additional voltage source fail, further operation of the vehicle is made possible by electrically connecting the extra-low voltage electrical system to the second additional voltage source. The connection of the extra-low voltage electrical system to the second additional voltage source preferably takes place only after failure of the first additional voltage source.
Das elektrisch angetriebene Fahrzeug kann ein reines Elektro- fahrzeug sein, welches ausschließlich mit Hilfe der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben wird. Alternativ kann es auch ein Hybridfahrzeug sein, welches sowohl die elektrische Antriebsmaschine als auch eine separate Brennkraftmaschine mit einem zugeordneten Starter aufweist. The electrically driven vehicle may be a pure electric vehicle, which is driven exclusively by means of the electric drive machine. Alternatively, it may also be a hybrid vehicle having both the electric drive machine and a separate internal combustion engine with an associated starter.
Bevorzugt ist die Hauptspannungsquelle ein Gleichspannungs - wandler, der die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz aus der VersorgungsSpannung der Hochvoltbatterie bereitstellt. Die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz wird somit im Normalbetrieb des Fahrzeugs bzw. während der Fahrt mittels des Gleichspannungswandlers bereitgestellt. Fällt dieser aus, kann das Kleinspannungsbordnetz mit Energie aus der ersten Zusatzspannungsquelle versorgt werden. Die erste Zusatzspannungsquelle ist vorzugsweise als Klein- spannungsbatterie ausgebildet, insbesondere eine Bleisäure - batterie. Die Kleinspannungsbatterie kann zum Bereitstellen einer Betriebsspannung von beispielsweise 12 V ausgebildet sein. Nach Ausfall des Gleichspannungswandlers stellt eine solche Kleinspannungsbatterie zumindest für eine bestimmte Zeitdauer einen zuverlässigen Ersatz für die Versorgung des Kleinspannungsbordnetzes dar. Die Hochvoltbatterie umfasst bevorzugt eine Vielzahl von in Reihe miteinander geschalteten Batteriezellen, welche zwischen einem ersten Batterieanschluss einerseits und einem zweiten Batterieanschluss andererseits angeordnet sind. Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die zweite Zu- satzspannungsquelle durch eine vorbestimmte Teilmenge derPreferably, the main voltage source is a DC-DC converter, which provides the operating voltage for the extra-low voltage electrical system from the supply voltage of the high-voltage battery. The operating voltage for the extra-low voltage electrical system is thus provided during normal operation of the vehicle or while driving by means of the DC-DC converter. If this fails, the extra-low voltage electrical system can be supplied with energy from the first additional voltage source. The first additional voltage source is preferably designed as a low-voltage battery, in particular a lead-acid battery. The low-voltage battery can be designed to provide an operating voltage of 12 V, for example. After failure of the DC-DC converter, such a low-voltage battery at least for a certain period of time is a reliable replacement for the supply of extra-low voltage electrical system. The high-voltage battery preferably comprises a plurality of series-connected battery cells, which are arranged between a first battery terminal on the one hand and a second battery terminal on the other. It proves to be particularly advantageous if the second additional voltage source by a predetermined subset of
Batteriezellen gebildet ist und die Hochvoltbatterie weiterhin einen Zusatzanschluss aufweist, an welchem eine an der Teilmenge der Batteriezellen anliegende elektrische Spannung als Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz Battery cell is formed and the high-voltage battery further comprises an additional terminal, to which a voltage applied to the subset of the battery cells electrical voltage as the operating voltage for the extra low voltage electrical system
abgreifbar ist. Bei dieser Ausgangsform kommen die Vorteile der vorliegenden Erfindung vollständig zum Tragen, weil die dreifache Redundanz mit geringstem Aufwand und ohne teure zusätzliche Komponenten zur Erzeugung elektrischer Spannung ermöglicht werden kann. Für die zweite Zusatzspannungsquelle können nämlich die ohnehin bereits vorhandenen Batteriezellen der Hochvoltbatterie genutzt werden. Somit kann das Kleinspannungsbordnetz auch bei einer leeren Kleinspannungsbatterie und bei Ausfall des Gleichspannungswandlers mit elektrischer Energie versorgt werden. Ein Ausfall des Fahrzeugs auf- grund einer entladenen Kleinspannungsbatterie und eines ausgefallenen Gleichspannungswandlers kann somit mit geringem technischen Aufwand verhindert werden. Jedoch auch bei funktionstüchtigem Gleichspannungswandler kann das Fahrzeug selbst dann weiterhin betrieben werden, wenn die Kleinspan- nungsbatterie entladen wird. In diesem Falle kann das Kleinspannungsbordnetz mit Energie aus der Untermenge der Zellen der Hochvoltbatterie versorgt werden, und diese Zellen können auch gegebenenfalls über den Gleichspannungswandler wieder aufgeladen werden. can be tapped. In this initial form, the advantages of the present invention fully come into play, because the triple redundancy can be made with the least effort and without expensive additional components for generating electrical voltage. Namely, the already existing battery cells of the high-voltage battery can be used for the second additional voltage source. Thus, the extra low voltage electrical system can be supplied even with an empty low voltage battery and in case of failure of the DC-DC converter with electrical energy. A failure of the vehicle due to a discharged low-voltage battery and a failed DC-DC converter can thus be prevented with little technical effort. However, even with a functional DC-DC converter, the vehicle can continue to be operated even if the low-voltage battery is discharged. In this case, the extra-low voltage electrical system can be supplied with energy from the subset of the cells of the high-voltage battery, and these cells can optionally also be recharged via the DC-DC converter.
Für die Untermenge von Batteriezellen werden bevorzugt Batte- riezellen verwendet, welche zueinander unmittelbar benachbart angeordnet sind, und insbesondere auch direkt mit einem der Batterieanschlüsse verbunden sind, nämlich vorzugsweise mit demjenigen Anschluss, an welchem das Bezugspotential (Masse) bereitgestellt ist. For the subset of battery cells battery cells are preferably used, which are arranged directly adjacent to each other, and in particular are also directly connected to one of the battery terminals, namely preferably with that terminal to which the reference potential (ground) is provided.
In einer Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung einen ersten Schalter, über welchen das Kleinspannungsbordnetz mit der Hauptspannungsquelle gekoppelt werden kann. Ein Steuerelement des ersten Schalters kann dabei mit der Hauptspan- nungsquelle verbunden sein und mit der durch die Hauptspannungsquelle bereitgestellten Betriebsspannung versorgt werden, sodass nach Ausfall der Hauptspannungsquelle der erste Schalter selbsttätig in einen Schaltzustand geschaltet wird, in welchem das Kleinspannungsbordnetz von der Hauptspannungs - quelle getrennt ist. Somit wird das Kleinspannungsbordnetz im Falle eines Fehlers der Hauptspannungsquelle, insbesondere des Gleichspannungswandlers, von selbiger Quelle elektrisch getrennt und kann dann mit elektrischer Energie der ersten Zusatzspannungsquelle versorgt werden. Der erste Schalter ist dabei vorzugsweise als Relais ausgebildet, welches eine Spule als Steuerelement aufweist, welche mit der Hauptspannungs - quelle elektrisch gekoppelt ist. Insbesondere ist diese Spule parallel zur Hauptspannungsquelle geschaltet und mit dieser permanent verbunden, sodass das Relais bei funktionstüchtiger Hauptspannungsquelle stets in seiner geschlossenen Schalterstellung verbleibt und nach Ausfall der Hauptspannungsquelle selbsttätig abfällt. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht ein zuverlässiges Trennen des Kleinspannungsbordnetzes von der Hauptspannungsquelle im Falle eines Ausfalls derselben. In one embodiment, the switching device comprises a first switch, via which the extra-low voltage electrical system can be coupled to the main voltage source. A control element of the first switch can be connected to the main voltage source and supplied with the operating voltage provided by the main voltage source, so that after failure of the main voltage source the first switch is automatically switched to a switching state in which the extra low voltage electrical system is disconnected from the main voltage source is. Thus, in the case of a fault of the main voltage source, in particular the DC-DC converter, the extra-low voltage electrical system is electrically isolated from the same source and can then be supplied with electrical energy of the first additional voltage source. The first switch is preferably designed as a relay, which has a coil as a control, which is electrically coupled to the main voltage source. In particular, this coil is connected in parallel to the main power source and permanently connected to it, so that the relay always remains in its closed switch position when the main power source is functional and automatically drops after failure of the main power source. Such an approach enables a reliable disconnection of the extra low voltage electrical system from the main power source in the event of a failure of the same.
Bevorzugt weist die Schalteinrichtung einen zweiten Schalter auf, der zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist, und einem zweiten Schaltzustand geschaltet werden kann, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der zweiten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann das Kleinspannungsbordnetz somit ent- weder mit der ersten oder mit der zweiten Zusatzspannungs - quelle verbunden sein. The switching device preferably has a second switch which switches between a first switching state in which the extra-low voltage electrical system with the first additional voltage source is coupled, and a second switching state can be switched, in which the extra low voltage electrical system is coupled to the second additional voltage source. At a certain point in time, the extra-low voltage electrical system can thus be connected to either the first or the second additional voltage source.
Auch ein Steuerelement des zweiten Schalters kann mit der ersten Zusatzspannungsquelle verbunden sein und mit der durch die erste Zusatzspannungsquelle bereitgestellten Betriebsspannung versorgt werden, nämlich derart, dass bei Vorhandensein der Betriebsspannung der ersten Zusatzspannungsquelle der zweite Schalter in dem ersten Schaltzustand gehalten wird, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist, und dass nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle der zweite Schalter selbsttätig in den zweiten Schaltzustand geschaltet wird, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der zweiten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist. Auch der zweite Schalter kann als Relais ausgebildet sein, welches neben einem beweglichen Kontaktelement zwei ortsfeste Kontaktelemente aufweist, von denen ein erstes Kontaktelement mit der ersten Zusatzspannungs - quelle und ein zweites Kontaktelement mit der zweiten Zusatzspannungsquelle verbunden sind. Die Spule des Relais kann da- bei permanent mit der ersten Zusatzspannungsquelle verbunden und insbesondere parallel dazu geschaltet sein. Im Normalfall bzw. bei funktionstüchtiger erster Zusatzspannungsquelle befindet sich das Relais somit im ersten Schaltzustand, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspan- nungsquelle verbunden ist. Nach Ausfall der Spannung der ersten Zusatzspannungsquelle fällt das Relais ab, und das bewegliche Kontaktelement wird in eine Stellung gebracht, in welcher das Kleinspannungsbordnetz von der ersten Zusatzspannungsquelle getrennt und mit der zweiten Zusatzspannungsquel - le verbunden ist. Diese Ausführungsform hat insgesamt denAlso, a control of the second switch may be connected to the first auxiliary voltage source and supplied with the operating voltage provided by the first auxiliary voltage source, namely such that is maintained in the presence of the operating voltage of the first additional voltage source of the second switch in the first switching state in which the extra low voltage electrical system is coupled to the first additional voltage source, and that after failure of the first additional voltage source of the second switch is automatically switched to the second switching state in which the extra low voltage electrical system is coupled to the second additional voltage source. Also, the second switch may be formed as a relay, which in addition to a movable contact element comprises two stationary contact elements, of which a first contact element with the first additional voltage source and a second contact element are connected to the second additional voltage source. The coil of the relay can be permanently connected to the first additional voltage source and, in particular, connected in parallel therewith. In the normal case, or in the case of a functional first additional voltage source, the relay is therefore in the first switching state, in which the extra-low voltage electrical system is connected to the first additional voltage source. After failure of the voltage of the first additional voltage source, the relay drops, and the movable contact element is brought into a position in which the extra low voltage electrical system is disconnected from the first additional voltage source and connected to the second Zusatzspannungsquel - le. This embodiment has the total
Vorteil, dass nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle automatisch eine Umschaltung auf die zweite Zusatzspannungs - quelle erfolgt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführung des ersten und/oder des zweiten Schalters als Relais beschränkt. Der erste und/oder zweite Schalter kann alternativ auch in Form zumindest eines Transistors realisiert werden, dessen Steuer- anschluss als Steuerelement mit der Hauptspannungsquelle respektive mit der ersten Zusatzspannungsquelle verbunden ist. Advantage that, after failure of the first additional voltage source, switching to the second additional voltage source takes place automatically. However, the invention is not limited to the execution of the first and / or the second switch as a relay. Alternatively, the first and / or second switch can also be realized in the form of at least one transistor whose control connection is connected as a control element to the main voltage source or to the first additional voltage source.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Schalter elektrisch miteinander verbunden sind, sodass über den Gleichspannungswandler als Hauptspannungs - quelle abhängig von dem Schaltzustand des zweiten Schalters die erste oder die zweite Zusatzspannungsquelle mit elektrischer Energie aufgeladen werden kann. Das Kleinspannungsbord- netz kann dabei einerseits über den ersten Schalter mit dem Gleichspannungswandler und andererseits mit dem zweiten Schalter gekoppelt sein. Ist der Gleichspannungswandler funktionsfähig, kann über diesen die erste Zusatzspannungsquelle aufgeladen werden. Fällt die erste Zusatzspannungsquelle aus, so kann über den Gleichspannungswandler die zweite Zusatzspannungsquelle, also insbesondere die Teilmenge der Batteriezellen der Hochvoltkomponente, aufgeladen werden. Somit kann selbst bei einem Ausfall der Kleinspannungsbatterie das Fahrzeug über eine längere Zeitdauer weiterhin normal betrie- ben werden. In one embodiment, it is provided that the first and the second switch are electrically connected to one another so that the first or the second additional voltage source can be charged with electrical energy via the DC-DC converter as the main voltage source, depending on the switching state of the second switch. The low-voltage on-board network can be coupled on the one hand via the first switch with the DC-DC converter and on the other hand with the second switch. If the DC-DC converter is functional, the first additional voltage source can be charged via this. If the first additional voltage source fails, the second additional voltage source, that is to say in particular the subset of the battery cells of the high-voltage component, can be charged via the DC-DC converter. Thus, even if the low-voltage battery fails, the vehicle can continue to operate normally over a longer period of time.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung . The invention further relates to an electrically driven vehicle having a circuit arrangement according to the invention.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Betreiben einer Schaltungsanordnung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgelegt, wobei eine elektrische VersorgungsSpannung für eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs mittels einer Hochvoltbatterie bereitgestellt wird, zumindest ein elektrischer Verbraucher eines Kleinspannungsbordnetzes mit einer Betriebsspannung versorgt wird und die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz mittels einer Hauptspannungsquelle bereitgestellt wird. Nach Ausfall der Hauptspannungsquelle wird das Kleinspannungsbordnetz mittels einer Schalteinrichtung mit einer ersten Zusatzspannungsquelle und nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle mit einer zweiten Zusatz- spannungsquelle elektrisch verbunden. An inventive method is designed to operate a circuit arrangement of an electrically driven vehicle, wherein an electrical supply voltage for an electric drive machine of the vehicle is provided by means of a high-voltage battery, at least one electrical load of a low voltage electrical system is supplied with an operating voltage and the operating voltage for the extra low voltage electrical system by means of a main voltage source provided. After failure of the main power source, the extra low voltage electrical system is electrically connected by means of a switching device with a first additional voltage source and after failure of the first additional voltage source with a second additional voltage source.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrzeug so- wie für das erfindungsgemäße Verfahren. The preferred embodiments presented with reference to the circuit arrangement according to the invention and their advantages apply correspondingly to the vehicle according to the invention as well as to the method according to the invention.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskom- binationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar. Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures and the description of the figures. All the features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungs- beispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: FIG 1 in schematischer Darstellung eine elektrische The invention will now be explained in more detail using a preferred embodiment and with reference to the accompanying drawings. 1 shows a schematic representation of an electrical
Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und  Circuit arrangement according to an embodiment of the invention; and
FIG 2 in schematischer Darstellung eine beispielhafte 2 shows a schematic representation of an exemplary
Hochvoltbatterie der Schaltungsanordnung.  High-voltage battery of the circuit arrangement.
In FIG 1 ist eine elektrische Schaltungsanordnung 1 bzw. ein Zweispannungsbordnetz eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen mit einer elektrischen Antriebsmaschine 2 sein. Optional kann das Fahrzeug auch ein Hybridfahrzeug sein und zusätzlich noch eine in den Figuren nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine mit einem Starter beinhalten. Bei einem rein elektrischen Fahrzeug wird jedoch auf eine solche Brennkraftmaschine verzichtet, und das Fahrzeug wird ausschließlich mittels der elektrischen Antriebsmaschine 2 angetrieben. 1 shows an electrical circuit arrangement 1 or a two-voltage on-board electrical system of an electrically driven vehicle according to an embodiment of the invention. The vehicle may be, for example, a passenger car with an electric drive machine 2. Optionally, the vehicle may also be a hybrid vehicle and additionally an internal combustion engine not shown in detail in the figures involve with a starter. In a purely electric vehicle, however, such an internal combustion engine is dispensed with, and the vehicle is driven exclusively by means of the electric drive machine 2.
Die Schaltungsanordnung 1 hat ein Hochvoltnetz 3, in welchem die elektrische Antriebsmaschine 2 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Schaltungsanordnung ein Kleinspannungsbord- netz 4, welches eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 5, 6 beinhalten kann, wobei die Anzahl der elektrischen Verbraucher 5, 6 grundsätzlich beliebig sein kann. The circuit arrangement 1 has a high-voltage network 3, in which the electric drive machine 2 is arranged. Furthermore, the circuit arrangement comprises a low voltage on-board network 4, which may include a plurality of electrical consumers 5, 6, wherein the number of electrical loads 5, 6 may be basically arbitrary.
Die Schaltungsanordnung 1 umfasst des Weiteren einen Gleichspannungswandler 7 , welcher eingangsseitig mit einem Knoten 8 des Hochvoltnetzes 3 und ausgangsseitig mit einem Knoten 9 verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 7 ist auch an ein Bezugspotenzial 10 (Masse) angebunden. An dem gleichen Bezugspotenzial 10 liegen auch das Hochvoltnetz 3 sowie das Kleinspannungsbordnetz 4, wobei alternativ auch vorgesehen sein kann, dass die beiden Netze 3, 4 auf unterschiedlichen Bezugspotenzialen liegen. The circuit arrangement 1 further comprises a DC-DC converter 7, which is connected on the input side to a node 8 of the high-voltage network 3 and on the output side to a node 9. The DC-DC converter 7 is also connected to a reference potential 10 (ground). At the same reference potential 10 are also the high-voltage network 3 and the extra-low voltage electrical system 4, wherein alternatively it can also be provided that the two networks 3, 4 are at different reference potentials.
Zur Versorgung der elektrischen Maschine 2 mit Energie ist im Hochvoltnetz 3 eine Hochvoltbatterie 11 mit einer Vielzahl von Batteriezellen bereitgestellt. Zwischen einem ersten Bat- terieanschluss 12 und einem zweiten Batterieanschluss 13 stellt die Hochvoltbatterie 11 eine Versorgungsspannung UV bereit. Der zweite Batterieanschluss 13 ist dabei mit dem Bezugspotenzial 10 direkt verbunden, wobei alternativ auch vor- gesehen sein kann, dass das Bezugspotential 10 innerhalb der Batterie 11 liegt, also beispielsweise die Batterie 11 symmetrisch bezüglich des Bezugspotenzials 10 ausgeführt ist und das Bezugspotenzial 10 somit mittig zwischen den Batterieanschlüssen 12, 13 liegt. Dann liegt an dem ersten Batteriean- schluss 12 ein positives Potenzial an, während an dem zweiten Batterieanschluss 13 ein negatives Potenzial bezüglich des Bezugspotenzials 10 anliegt. Aus der VersorgungsSpannung UV wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Wechselrichters eine elektrische Wechselspannung für die Antriebsmaschine 2 bereitgestellt. Die Versorgungsspannung UV kann zum Beispiel einen Spannungswert von 400 V oder 800 V aufweisen. Der erste Batterieanschluss 12 ist mit dem Knoten 8 und somit mit dem Eingang des Gleichspannungswandlers 7 verbunden. Somit ergibt sich eine Parallelschaltung aus der Hochvoltbatterie 11 und der Antriebsmaschine 2, welche zwischen den Knoten 8 und das Bezugspotenzial 10 geschaltet ist. To supply the electric machine 2 with energy, a high-voltage battery 11 with a plurality of battery cells is provided in the high-voltage network 3. Between a first battery terminal 12 and a second battery terminal 13, the high-voltage battery 11 provides a supply voltage UV. The second battery terminal 13 is in this case directly connected to the reference potential 10, wherein alternatively it can also be provided that the reference potential 10 lies within the battery 11, that is, for example, the battery 11 is symmetrical with respect to the reference potential 10 and the reference potential 10 is thus centered between the battery terminals 12, 13 is located. Then, a positive potential is applied to the first battery terminal 12, while a negative potential with respect to the reference potential 10 is applied to the second battery terminal 13. From the supply voltage UV is using a not shown inverter a provided electrical AC voltage for the prime mover 2. The supply voltage UV may, for example, have a voltage value of 400 V or 800 V. The first battery terminal 12 is connected to the node 8 and thus to the input of the DC-DC converter 7. This results in a parallel connection of the high-voltage battery 11 and the prime mover 2, which is connected between the node 8 and the reference potential 10.
Demgegenüber wird das Kleinspannungsbordnetz 4 mit einer Kleinspannung von beispielsweise 12 V bis 15 V betrieben. Die elektrischen Verbraucher 5, 6 sind zueinander parallel geschaltet und einerseits mit einem Knoten 14 und andererseits mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden. Über den Knoten 14 werden die Verbraucher 5, 6 mit elektrischer Betriebsspannung versorgt. Zu diesem Zwecke ist der Knoten 14 über einen ersten elektrischen Schalter 15 sowie eine Diode 16 mit dem Knoten 9 und so mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 gekoppelt. Die Anode der Diode 16 ist dabei mit dem Knoten 9 bzw. dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 verbunden, während die Kathode mit dem Schalter 15 verbunden ist . Im Ausführungsbeispiel ist der erste Schalter 15 als Relais mit einer Spule 17 als Steuerelement ausgebildet, wobei die Spule einerseits mit dem Knoten 9 und so mit dem Ausgang des In contrast, the extra-low voltage electrical system 4 is operated with a low voltage of, for example 12 V to 15 V. The electrical consumers 5, 6 are connected in parallel to one another and connected on the one hand to a node 14 and on the other hand to the reference potential 10. About the node 14, the consumers 5, 6 are supplied with electrical operating voltage. For this purpose, the node 14 is coupled via a first electrical switch 15 and a diode 16 to the node 9 and thus to the output of the DC-DC converter 7. The anode of the diode 16 is connected to the node 9 and the output of the DC-DC converter 7, while the cathode is connected to the switch 15. In the exemplary embodiment, the first switch 15 is designed as a relay with a coil 17 as a control element, wherein the coil on the one hand with the node 9 and thus with the output of
Gleichspannungswandlers 7 und andererseits mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden ist. Bei Vorhandensein der Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 zieht die Spule 17 somit kontinuierlich das bewegliche Kontaktelement des Schal - ters 15 an, sodass der Schalter 15 geschlossen ist, und es fließt Strom über den Schalter 15.  DC voltage converter 7 and on the other hand connected to the reference potential 10. In the presence of the voltage at the output of the DC-DC converter 7, the coil 17 thus continuously attracts the movable contact element of the switch 15, so that the switch 15 is closed, and current flows through the switch 15.
Auf der dem ersten Schalter 15 gegenüberliegenden Seite ist der Knoten 14 mit einem zweiten elektrischen Schalter 18 ver- bunden, welcher ebenfalls als Relais ausgebildet ist. DerOn the side opposite the first switch 15, the node 14 is connected to a second electrical switch 18, which is likewise designed as a relay. Of the
Knoten 14 ist dabei mit einem beweglichen Kontaktelement des Schalters 18 verbunden, welches zwischen zwei Schaltstellungen bewegt werden kann. In einer ersten Schaltstellung kon- taktiert das bewegliche Kontaktelement ein erstes ortsfestes Kontaktelement 19, und in einer zweiten Schaltstellung (wie in FIG 1 dargestellt) kontaktiert das bewegliche Kontaktelement ein zweites ortsfestes Kontaktelement 20. Zum Anziehen des beweglichen Kontaktelements ist als Steuerelement eine Spule 21 bereitgestellt, welche parallel zu einer Kleinspannungsbatterie 22 geschaltet ist. Die Parallelschaltung aus Spule 21 und Kleinspannungsbatterie 22 ist einerseits mit dem ersten ortsfesten Kontaktelement 19 und andererseits mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden. Im Normalfall, wenn die Kleinspannungsbatterie 22 elektrische Spannung bereitstellt, wird die Spule 21 bestromt, und das bewegliche Kontaktelement kontaktiert das ortsfeste Kontaktelement 19, sodass der Knoten 14 mit der Kleinspannungsbatterie 22 verbunden ist. Fällt die Spannung der Kleinspannungsbatterie 22 aus, fällt der Schalter 18 ab, und das bewegliche Kontaktelement kontaktiert das zweite ortsfeste Kontaktelement 20. Node 14 is connected to a movable contact element of the switch 18, which can be moved between two switching positions. In a first switching position kon- The movable contact element clocks a first stationary contact element 19, and in a second switching position (as shown in FIG. 1), the movable contact element makes contact with a second stationary contact element 20. To attract the movable contact element, a coil 21 is provided as a control, which is parallel to a low-voltage battery 22 is switched. The parallel connection of coil 21 and low-voltage battery 22 is connected on the one hand to the first stationary contact element 19 and on the other hand to the reference potential 10. In the normal case, when the low-voltage battery 22 provides electrical voltage, the coil 21 is energized, and the movable contact element contacts the stationary contact element 19, so that the node 14 is connected to the low-voltage battery 22. If the voltage of the low-voltage battery 22 fails, the switch 18 drops, and the movable contact element contacts the second stationary contact element 20.
Die beiden Schalter 15, 18 bilden insgesamt eine Schaltein- richtung im Sinne der vorliegenden Erfindung. The two switches 15, 18 together form a switching device in the sense of the present invention.
Die Hochvoltbatterie 11 weist des Weiteren einen Zusatzan- schluss 23 auf, an welchem elektrische Teilspannung UT bezüglich des Bezugspotenzials 10 abgegriffen werden kann, welche an einer vorbestimmten Teilmenge von Batteriezellen der Hochvoltbatterie 11 anliegt. Der Zusatzanschluss 23 ist über eine elektrische Leitung 24 mit dem zweiten ortsfesten Kontaktelement 20 des Schalters 18 verbunden. Die Hochvoltbatterie 11 ist beispielhaft in FIG 2 näher dargestellt. Wie bereits ausgeführt, hat die Hochvoltbatterie 11 den ersten Batterieanschluss 12 sowie den zweiten Batteriean- schluss 13. Sie umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 25, nämlich insbesondere über 100 solcher Batteriezellen. Die Hochvoltbatterie 11 kann zum Beispiel eine Lithium- Ionen- Batterie sein. Eine einzelne Batteriezelle 25 kann zum Beispiel eine elektrische Spannung von 3,7 V (bei geladener Zelle) bereitstellen. Zum Bereitstellen der Teilspannung UT an dem Zusatzanschluss 23 (vgl. auch FIG 1) wird eine Teilmenge 26 der Batteriezellen 25 und beispielsweise vier solche Batteriezellen 25 von der Hochvoltbatterie 11 elektrisch abgetrennt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 werden als Teilmenge 26 die ersten Batteriezellen 25 gerechnet von dem zweiten Batte- rieanschluss 13 bzw. dem Bezugspotenzial 10 abgetrennt. Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass der Zusatzanschluss 23 mit einem Knoten zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 25 verbunden ist, ohne dass eine elektrische Trennung zwischen der Teilmenge 26 und den restlichen Zellen 25 stattfindet. Optional können jedoch Schaltmittel 27 bereitgestellt werden, welche bewirken, dass die Teilmenge 26 wahlweise von den restlichen Batteriezellen 25 elektrisch abgetrennt und somit entkoppelt werden können. Diese Schaltmittel 27 weisen einen Schalter 28 sowie einen weiteren Schalter 29 auf, welche synchron geschaltet werden, und zwar zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem die Teilmenge 26 über eine Leitung 30 mit den restlichen Batteriezellen 25 verbunden ist und somit alle Batteriezellen 25 von dem Zusatzanschluss 23 entkoppelt sind und die Versorgungsspannung UV bereitstellen, und einem in FIG 2 dargestellten zweiten Schaltzustand, in welchem die Teilmenge 26 mit dem Zusatzanschluss 23 verbunden ist und ein Anschluss 31 der äußeren Batteriezelle 25 der restlichen Zellen mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden ist. Im zweiten Schaltzustand der Schalter 28, 29 wird somit die Teilmenge 26 von der Hochvoltbatterie 11 abgetrennt, und die Teilspannung UT von beispielsweise 15 V wird an dem Zusatzan- schluss 23 bereitgestellt. The high-voltage battery 11 furthermore has an additional connection 23, at which partial electrical voltage UT with respect to the reference potential 10 can be tapped, which is applied to a predetermined subset of battery cells of the high-voltage battery 11. The additional connection 23 is connected via an electrical line 24 to the second stationary contact element 20 of the switch 18. The high-voltage battery 11 is shown by way of example in FIG 2 in more detail. As already stated, the high-voltage battery 11 has the first battery terminal 12 and the second battery terminal 13. It comprises a plurality of battery cells 25, specifically more than 100 such battery cells. The high-voltage battery 11 may be, for example, a lithium-ion battery. For example, a single battery cell 25 may provide a 3.7V electrical voltage (with the cell charged). For providing the partial voltage UT at the additional connection 23 (see also FIG. 1), a subset 26 of the battery cells 25 and, for example, four such battery cells 25 are electrically separated from the high-voltage battery 11. In the illustrated embodiment according to FIG. 2, the first battery cells 25, calculated as a subset 26, are separated from the second battery terminal 13 or the reference potential 10. In principle, it may be provided that the additional connection 23 is connected to a node between two adjacent battery cells 25, without an electrical separation between the subset 26 and the remaining cells 25 takes place. Optionally, however, switching means 27 may be provided which cause the subset 26 to be selectively electrically disconnected from the remaining battery cells 25 and thus decoupled. These switching means 27 have a switch 28 and a further switch 29, which are switched synchronously, and that between a first switching state, in which the subset 26 is connected via a line 30 to the remaining battery cells 25 and thus all the battery cells 25 from the auxiliary connection 23 are decoupled and provide the supply voltage UV, and a second switching state shown in FIG 2, in which the subset 26 is connected to the auxiliary terminal 23 and a terminal 31 of the outer battery cell 25 of the remaining cells is connected to the reference potential 10. In the second switching state of the switches 28, 29, the partial quantity 26 is thus separated from the high-voltage battery 11, and the partial voltage UT of, for example, 15 V is provided at the additional terminal 23.
Optional kann auch vorgesehen sein, dass immer dann, wenn sich das bewegliche Kontaktelement des Schalters 18 (FIG 1) in der zweiten Schaltstellung befindet und somit mit dem Zu- satzanschluss 23 verbunden ist, die Schalter 28, 29 der Hochvoltbatterie 11 in dem zweiten Schaltzustand gehalten werden, in welchem die Teilspannung UT von 15 V an dem Zusatzan- schluss 23 anliegt. Dies kann beispielsweise mittels einer Steuereinheit gewährleistet werden. Optionally, it can also be provided that whenever the movable contact element of the switch 18 (FIG. 1) is in the second switching position and thus connected to the additional terminal 23, the switches 28, 29 of the high-voltage battery 11 are in the second switching state in which the partial voltage UT of 15 V is applied to the auxiliary conclusion 23 is present. This can be ensured for example by means of a control unit.
Mit erneutem Bezug auf FIG 1 beinhaltet die Schaltungsanord- nung 1 insgesamt drei verschiedene Spannungsquellen: AlsWith renewed reference to FIG. 1, the circuit arrangement 1 includes a total of three different voltage sources: As
Hauptspannungsquelle dient der Gleichspannungswandler 7 , der eine Betriebsspannung UB für die Verbraucher 5, 6 aus der Versorgungsspannung UV der Hochvoltbatterie 11 erzeugt. Als erste Zusatzspannungsquelle dient die Kleinspannungsbatterie 22, und als zweite Zusatzspannungsquelle dient die Untermenge 26 der Batteriezellen 25 der Hochvoltbatterie 11, welche zwischen dem Zusatzanschluss 23 und dem Bezugspotenzial 10 angeordnet sind. Im Normalbetrieb des Fahrzeugs bzw. während der normalen Fahrt (beispielsweise ab einer vorgegebenen Ge- schwindigkeit ) wird die Betriebsspannung UB mittels desMain voltage source is the DC-DC converter 7, which generates an operating voltage UB for the load 5, 6 from the supply voltage UV of the high-voltage battery 11. The first additional voltage source is the low-voltage battery 22, and the second additional voltage source is the subset 26 of the battery cells 25 of the high-voltage battery 11, which are arranged between the auxiliary terminal 23 and the reference potential 10. In normal operation of the vehicle or during normal driving (for example, from a predetermined speed), the operating voltage UB by means of
Gleichspannungswandlers 7 erzeugt. Dieser kann beispielsweise mit Hilfe einer Steuereinheit (nicht dargstellt) angesteuert werden. In diesem Normalbetrieb stellt der Gleichspannungs - wandler 7 eine Spannung bereit, deren Spannungswert ein wenig höher als die Batteriespannung der Kleinspannungsbatterie 22 ist und beispielsweise 15 V beträgt. Somit ist der Schalter 15 geschlossen, und auch der Schalter 18 befindet sich in der ersten Schaltstellung bzw. in seinem ersten Schaltzustand, sodass der Knoten 14 mit der Kleinspannungsbatterie 22 ver- bunden ist. Dies deshalb, weil die Kleinspannungsbatterie 22 aufgeladen ist und durch die Spule 21 elektrischer Strom fließt. Im Normalbetrieb kann die Kleinspannungsbatterie 22 somit auch weiterhin mit elektrischer Energie über den DC-DC converter 7 generated. This can for example be controlled by means of a control unit (not dargstellt). In this normal operation, the DC-DC converter 7 provides a voltage whose voltage value is slightly higher than the battery voltage of the low-voltage battery 22 and, for example, 15 V. Thus, the switch 15 is closed, and also the switch 18 is in the first switching position or in its first switching state, so that the node 14 is connected to the low-voltage battery 22. This is because the low voltage battery 22 is charged and electric current flows through the coil 21. In normal operation, the low-voltage battery 22 can thus continue to use electrical energy over the
Gleichspannungswandler 7 aufgeladen werden. DC voltage converter 7 are charged.
Im Stillstand des Fahrzeugs oder aber beim Parken - und allgemein gesagt in einem Betriebsmodus mit ausgeschaltetem Wandler 7 - wird die Betriebsspannung UB für die Verbraucher 5, 6 mit der Kleinspannungsbatterie 22 erzeugt, während der Gleichspannungswandler 7 keine Spannung liefert - der Schalter 15 ist offen, und der Schalter 18 verbindet die Kleinspannungsbatterie 22 mit den Verbrauchern 5, 6. Tritt nun im Normalbetrieb ein Fehler des Gleichspannungs - wandlers 7 auf, sodass dieser keine Spannung am Knoten 9 bereitstellt, so fällt der erste Schalter 15 ab, und die elektrischen Verbraucher 5, 6 werden ausschließlich mit Hilfe der Kleinspannungsbatterie 22 versorgt. Somit kann das Fahrzeug weiterhin betrieben werden, obwohl der Gleichspannungswandler 7 ausgefallen ist. Wird auch die Kleinspannungsbatterie 22 entladen, so fließt durch die Spule 21 kein Strom mehr, und der zweite Schalter 18 fällt ab. In diesem Falle wird der Knoten 14 und somit das Kleinspannungsbordnetz 4 mit dem Zusatzanschluss 23 der Hochvoltbatterie 11 verbunden. Das Kleinspannungsbordnetz 4 wird nun ausschließlich mit elektrischer Energie der Teilmenge 26 versorgt. Somit ergibt sich insgesamt eine dreifache Redundanz und somit ein hochsicherer Betrieb des Fahrzeugs, ohne dass zusätzlich Spannungskomponenten zur Erzeugung elektrischer Spannung eingesetzt werden müssen. Es kann auch vorkommen, dass beim funktionstüchtigem Gleichspannungswandler 7 die Kleinspannungsbatterie 22 entladen wird, weil beispielsweise die Verbraucher 5, 6 zu lange im Stillstand des Fahrzeugs betrieben werden. In diesem Falle wird das Kleinspannungsbordnetz 4 mit dem Zusatzanschluss 23 der Hochvoltbatterie 11 verbunden, während der Gleichspannungswandler 7 weiterhin betrieben werden kann. Somit wird die Kleinspannungsbatterie 22 durch die Teilmenge 26 der Zellen 25 ersetzt, und das Fahrzeug kann beliebig lange weiterhin betrieben werden. Über den Gleichspannungswandler 7 kann die Teilmenge 26 der Zellen 25 nämlich geladen werden. Der weitere Betrieb kann beispielsweise so aussehen, dass die Betriebsspannung UB und somit der aktuelle Ladezustand der Teilmenge 26 der Zellen 25 mittels der genannten Steuereinheit überwacht wird und nach Unterschreiten eines vorgegebe- nen Spannungsgrenzwerts der Gleichspannungswandler 7 angesteuert wird, um die Teilmenge 26 wieder mit Energie aufzuladen. Der Fahrer hat somit genügend Zeit, um die Kleinspannungsbatterie 22 wieder auszuwechseln oder aufzuladen. Wird die Kleinspannungsbatterie 22 oder die Untermenge 26 an sich über den Gleichspannungswandler 7 mit elektrischer Energie aufgeladen, so sorgt die Diode 16 dafür, dass Rückströme aus der Kleinspannungsbatterie 22 an sich oder der Untermenge 26 den ersten Schalter 15 nicht negativ beeinflussen. At standstill of the vehicle or when parking - and generally speaking in an operating mode with switched off converter 7 - the operating voltage UB is generated for the load 5, 6 with the low voltage battery 22, while the DC-DC converter 7 supplies no voltage - the switch 15 is open, and the switch 18 connects the low voltage battery 22 to the loads 5, 6. If a fault of the DC voltage converter 7 occurs during normal operation so that it does not provide any voltage at the node 9, then the first switch 15 drops out and the electrical consumers 5, 6 are supplied exclusively with the aid of the low voltage battery 22. Thus, the vehicle can continue to operate even though the DC-DC converter 7 has failed. If the low-voltage battery 22 is also discharged, no current flows through the coil 21, and the second switch 18 drops. In this case, the node 14 and thus the extra-low voltage electrical system 4 is connected to the auxiliary terminal 23 of the high-voltage battery 11. The extra-low voltage electrical system 4 is now supplied exclusively with electrical energy of the subset 26. This results in a total of three redundancy and thus a highly safe operation of the vehicle, without the addition of voltage components must be used to generate electrical voltage. It can also happen that the functional battery DC voltage converter 7, the low-voltage battery 22 is discharged because, for example, the consumer 5, 6 are operated too long at standstill of the vehicle. In this case, the extra-low voltage electrical system 4 is connected to the auxiliary terminal 23 of the high-voltage battery 11, while the DC-DC converter 7 can continue to be operated. Thus, the low voltage battery 22 is replaced by the subset 26 of the cells 25, and the vehicle can continue to operate for any length of time. By way of the DC-DC converter 7, the subset 26 of the cells 25 can be charged. The further operation may for example be such that the operating voltage UB and thus the current state of charge of the subset 26 of the cells 25 is monitored by the said control unit and is driven after falling below a predetermined voltage limit of the DC-DC converter 7 to the subset 26 again with energy charge. The driver thus has enough time to replace the low-voltage battery 22 or recharge. If the low-voltage battery 22 or the subset 26 is charged with electrical energy via the DC-DC converter 7, the diode 16 ensures that return currents from the low-voltage battery 22 per se or the subset 26 do not adversely affect the first switch 15.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrische Schaltungsanordnung (1) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit: An electrical circuit arrangement (1) for an electrically driven vehicle, comprising:
- einer Hochvoltbatterie (11) zum Bereitstellen einer elektrischen VersorgungsSpannung (UV) für eine elektrische Antriebsmaschine (2) zum Antreiben des Fahrzeugs, a high-voltage battery (11) for supplying an electric supply voltage (UV) to an electric drive machine (2) for driving the vehicle,
- einem Kleinspannungsbordnetz (4) mit zumindest einem elektrischen Verbraucher (5, 6), der mit einer Betriebsspannung (UB) mit einem gegenüber der VersorgungsSpannung (UV) der Hochvoltbatterie (11) geringeren Spannungswert versorgbar ist, und  - A low voltage electrical system (4) with at least one electrical load (5, 6), which is supplied with an operating voltage (UB) with respect to the supply voltage (UV) of the high-voltage battery (11) lower voltage value, and
- einer Hauptspannungsquelle (7) zum Bereitstellen der Betriebsspannung (UB) für das Kleinspannungsbordnetz (4), gekennzeichnet durch  - A main voltage source (7) for providing the operating voltage (UB) for the extra low voltage electrical system (4), characterized by
- zumindest eine erste und eine zweite Zusatzspannungsquelle (22, 26) jeweils zum Bereitstellen der Betriebsspannung (UB) für das Kleinspannungsbordnetz (4) und  - At least a first and a second auxiliary voltage source (22, 26) each for providing the operating voltage (UB) for the extra low voltage electrical system (4) and
- eine Schalteinrichtung (15, 18), die dazu ausgebildet ist, nach Ausfall der Hauptspannungsquelle (7) das Kleinspannungsbordnetz (4) mit der ersten Zusatzspannungsquelle (22) und nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle (22) mit der zweiten Zusatzspannungsquelle (26) elektrisch zu verbinden.  - A switching device (15, 18) which is designed to after failure of the main power source (7) the extra low voltage electrical system (4) with the first additional voltage source (22) and after failure of the first additional voltage source (22) with the second additional voltage source (26) electrically connect to.
2. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspannungsquelle (7) ein Gleichspannungswandler ist, der dazu ausgebildet ist, die Betriebsspannung (UB) für das Kleinspannungsbordnetz (4) aus der Versorgungsspannung (UV) der Hochvoltbatterie (11) bereitzustellen. 2. Circuit arrangement (1) according to claim 1, characterized in that the main voltage source (7) is a DC-DC converter, which is adapted to the operating voltage (UB) for the extra-low voltage electrical system (4) from the supply voltage (UV) of the high-voltage battery (11). provide.
3. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zusatzspannungsquelle (22) als Kleinspannungsbatterie ausgebildet ist. 3. Circuit arrangement (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the first additional voltage source (22) is designed as a low voltage battery.
4. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (11) eine Vielzahl von in Reihe miteinander geschalteten Batteriezellen (25) umfasst, welche zwischen einem ersten und einem zweiten Batterieanschluss (12, 13) der Hochvoltbatterie (11) angeordnet sind, wobei die zweite Zusatzspannungsquelle (26) durch eine vorbestimmte Teilmenge der Batteriezellen (25) der Hochvoltbatterie (11) gebildet ist und die Hochvolt- batterie (11) weiterhin einen Zusatzanschluss (23) aufweist, an welchem eine an der Teilmenge der Batteriezellen (25) anliegende elektrische Teilspannung (UT) als Betriebsspannung (UB) für das Kleinspannungsbordnetz (4) abgreifbar ist. 4. Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the high-voltage battery (11) comprises a plurality of series-connected battery cells (25), which between a first and a second battery terminal (12, 13) of the high-voltage battery (11) are arranged, wherein the second additional voltage source (26) by a predetermined subset of the battery cells (25) of the high-voltage battery (11) is formed and the high-voltage battery (11) further an additional connection (23), on which a voltage applied to the subset of the battery cells (25) electrical partial voltage (UT) can be tapped as the operating voltage (UB) for the extra-low voltage electrical system (4).
5. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (15, 18) einen ersten Schalter (15) umfasst, über welchen das Kleinspannungsbordnetz (4) mit der Hauptspannungsquelle (7) koppelbar ist, wobei ein Steuerelement (17) des ersten Schal- ters (15) mit der Hauptspannungsquelle (7) verbunden und mit der von der Hauptspannungsquelle (7) bereitgestellten Betriebsspannung (UB) versorgbar ist, sodass nach Ausfall der Hauptspannungsquelle (7) der erste Schalter (15) selbsttätig in einen Schaltzustand schaltbar ist, in welchem das Klein- spannungsbordnetz (4) von der Hauptspannungsquelle (7) getrennt ist. 5. Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (15, 18) comprises a first switch (15) via which the extra low voltage electrical system (4) with the main voltage source (7) can be coupled, wherein a control (17) of the first switch (15) is connected to the main voltage source (7) and can be supplied with the operating voltage (UB) provided by the main voltage source (7), so that after failure of the main voltage source (7), the first switch (15) automatically can be switched to a switching state in which the low-voltage on-board electrical system (4) is disconnected from the main voltage source (7).
6. Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (15, 18) einen zweiten Schalter (18) umfasst, der zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem das Kleinspannungsbordnetz (4) mit der ersten Zusatzspannungsquelle (22) gekoppelt ist, und einem zweiten Schaltzustand schaltbar ist, in welchem das Kleinspannungsbordnetz (4) mit der zweiten Zu- satzspannungsquelle (26) gekoppelt ist. 6. Circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (15, 18) comprises a second switch (18) which between a first switching state in which the extra low voltage electrical system (4) with the first additional voltage source (22 ), and a second switching state is switchable, in which the extra-low voltage electrical system (4) is coupled to the second additional voltage source (26).
7. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement (21) des zweiten Schalters (18) mit der ersten Zusatzspannungsquelle (22) verbunden und mit der von der ersten Zusatzspannungsquelle (22) bereitgestellten Betriebsspannung (UB) versorgbar ist, sodass bei Vorhandensein der Betriebsspannung (UB) der ersten Zusatz - spannungsquelle (22) der zweite Schalter (18) in dem ersten Schaltzustand gehalten ist und nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle (22) der zweite Schalter (18) selbsttätig in den zweiten Schaltzustand schaltbar ist. 7. Circuit arrangement (1) according to claim 6, characterized in that a control element (21) of the second switch (18) connected to the first additional voltage source (22) and with the of the first auxiliary voltage source (22) provided operating voltage (UB) can be supplied such that in the presence of the operating voltage (UB) of the first auxiliary voltage source (22), the second switch (18) in the first Switching state is maintained and after failure of the first additional voltage source (22) of the second switch (18) is automatically switched to the second switching state.
8. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 5 und Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Schalter (15, 18) elektrisch miteinander gekoppelt sind, sodass über die Hauptspannungsquelle ( 7 ) , insbesondere den Gleichspannungswandler, abhängig von dem Schaltzustand des zweiten Schalters (18) die erste oder die zweite Zusatzspannungsquelle (22, 26) mit elektrischer Energie aufladbar ist. 8. Circuit arrangement (1) according to claim 5 and claim 6 or 7, characterized in that the first and the second switch (15, 18) are electrically coupled together so that the main voltage source (7), in particular the DC-DC converter, depending on the Switching state of the second switch (18), the first or the second auxiliary voltage source (22, 26) is charged with electrical energy.
9. Elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 9. Electrically powered vehicle with a circuit arrangement (1) according to one of the preceding claims.
10. Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung (1) eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, wobei: 10. A method of operating a circuit arrangement (1) of an electrically driven vehicle, wherein:
- eine elektrische VersorgungsSpannung (UV) für eine elektrische Antriebsmaschine (2) des Fahrzeugs mittels einer Hoch- voltbatterie (11) bereitgestellt wird,  an electrical supply voltage (UV) is provided for an electric drive machine (2) of the vehicle by means of a high-voltage battery (11),
- zumindest ein elektrischer Verbraucher (5, 6) eines Klein- spannungsbordnetzes (4) mit einer Betriebsspannung (UB) mit einem gegenüber der VersorgungsSpannung (UV) der Hochvoltbatterie (11) geringeren Spannungswert versorgt wird und  - At least one electrical load (5, 6) of a small voltage electrical system (4) with an operating voltage (UB) with respect to the supply voltage (UV) of the high-voltage battery (11) lower voltage value is supplied and
- die Betriebsspannung (UB) für das Kleinspannungsbordnetz (4) mittels einer Hauptspannungsquelle ( 7 ) bereitgestellt wird, the operating voltage (UB) for the extra-low voltage electrical system (4) is provided by means of a main voltage source (7),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
zumindest eine erste und eine zweite Zusatzspannungsquelle (22, 26) jeweils die Betriebsspannung (UB) für das Kleinspannungsbordnetz (4) bereitstellen und nach Ausfall der Haupt - spannungsquelle ( 7 ) das Kleinspannungsbordnetz (4) mittels einer Schalteinrichtung (15, 18) mit der ersten Zusatzspannungsquelle (22) und nach Ausfall der ersten Zusatzspannungs - quelle (22) mit der zweiten Zusatzspannungsquelle (26) elektrisch verbunden wird. at least a first and a second additional voltage source (22, 26) each provide the operating voltage (UB) for the extra low voltage electrical system (4) and after failure of the main voltage source (7) the extra low voltage electrical system (4) by means of a switching device (15, 18) with the first additional voltage source (22) and after failure of the first additional voltage source (22) with the second additional voltage source (26) is electrically connected.
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