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WO2022194433A1 - Vorrichtung und verfahren zur elektrischen versorgung eines niedervolt-bordnetzes eines kraftfahrzeugs, insbesondere elektrokraftfahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur elektrischen versorgung eines niedervolt-bordnetzes eines kraftfahrzeugs, insbesondere elektrokraftfahrzeugs Download PDF

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Publication number
WO2022194433A1
WO2022194433A1 PCT/EP2022/051599 EP2022051599W WO2022194433A1 WO 2022194433 A1 WO2022194433 A1 WO 2022194433A1 EP 2022051599 W EP2022051599 W EP 2022051599W WO 2022194433 A1 WO2022194433 A1 WO 2022194433A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
charging
low
electrical system
converter
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/051599
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexandru ARTENIE
Marc Neitz
Julian FAULHABER
Original Assignee
Preh Gmbh
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
Priority claimed from DE102021116525.3A external-priority patent/DE102021116525A1/de
Application filed by Preh Gmbh filed Critical Preh Gmbh
Publication of WO2022194433A1 publication Critical patent/WO2022194433A1/de

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    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the electrical supply of a low-voltage vehicle electrical system of a motor vehicle.
  • the traction battery in most electric vehicles supplies a voltage of 400 volts or more. Because electrical power is calculated as the product of voltage and current, less current is required for the same power when the voltage is increased. Since high currents require larger cable cross-sections, there is a general need to increase the voltage in order to save weight.
  • the electric motor vehicle can be charged faster with the same cable cross-section of the charging cable and the same amperage if the charging voltage is increased. Because the development of the electric vehicle is based on 12 volt or 24 volt internal combustion engine technology, many consumers are still operated with such a voltage.
  • the object of the present invention is to provide a device which makes it possible in a motor vehicle, in particular an electric motor vehicle, to use a low-voltage vehicle electrical system made up of low-voltage consumers with all its advantages, such as the possibility of being able to use comparatively inexpensive consumers, on the one hand to be able to supply without losing the advantage of extensive redundancy despite the omission of a low-voltage source provided for the low-voltage vehicle electrical system, such as a 12-volt DC voltage source.
  • a device of claim 1 An equally advantageous method is the subject of the independent claim.
  • Advantageous configurations are the subject matter of the respective dependent claims. It should be pointed out that the features listed individually in the patent claims can be combined with one another in any technologically sensible manner and show further configurations of the invention. The description, in particular in connection with the figures, additionally characterizes and specifies the invention.
  • the invention relates to a device for the electrical supply of a low-voltage vehicle electrical system designed for a low voltage, in particular an electric vehicle.
  • An electric vehicle within the meaning of the invention is understood to mean both a hybrid motor vehicle, i.e. a motor vehicle based on an internal combustion engine and an electric motor as the drive source, and a purely electric vehicle, which is driven solely by one or more electric motors, in particular bypassing an internal combustion engine drive.
  • the device according to the invention has at least two high-voltage energy stores, each providing a high voltage, and at least two DC-DC converters, each high-voltage energy store being electrically connected to one of the DC-DC converters for converting the high voltage provided by the high-voltage energy store into the low voltage of the low-voltage vehicle electrical system and the low-voltage vehicle electrical system is supplied with electricity either from just one of the high-voltage energy stores or in parallel from at least two or all of the high-voltage energy stores that are present.
  • High voltage is understood to mean, for example, a voltage that is greater than the low voltage mentioned by at least a factor of up to 100.
  • a nominal voltage im is preferred as the low voltage Range of less than 60V, preferably from 10V to 60V, understood as 12V, 24V, 48V. Both the high voltage and the low voltage are preferably DC voltages.
  • a high-voltage energy store is typically designed as a so-called high-voltage battery pack and is combined with a number of individual cells connected in series to form a unit and is managed by an associated battery management system.
  • an electrically conductive connection to one or all drive motors of the motor vehicle is interrupted during the supply.
  • the supply also takes place during the electric power supply to the drive motor from at least one of the high-voltage energy stores, which individually or jointly form the traction batteries of the motor vehicle.
  • the low-voltage on-board electrical system does not have an electrochemically based energy store that buffers the low voltage, more preferably no energy store that buffers the low voltage overall.
  • the solution according to the invention provides a device which makes it possible in a motor vehicle, in particular an electric motor vehicle, to supply a low-voltage vehicle electrical system from low-voltage consumers with all its advantages, such as the possibility of being able to use comparatively inexpensive consumers. Furthermore, the creation of an alternative or simultaneous possible recourse to the two high-voltage energy storage devices ensures redundancy in the supply of the low-voltage on-board network that reports a failure.
  • the at least two high-voltage energy stores are preferably connected in series, while the DC-DC converters assigned to the high-voltage energy stores are connected in parallel between the low-voltage vehicle electrical system and the high-voltage energy stores in order to achieve greater redundancy.
  • the latter has a charging circuit for selectively charging the Hochyolt energy storage device from an energy source external to the device and providing a charging voltage, for example a so-called wall box at least one charging voltage converter belonging to the charging circuit for converting the charging voltage into the high voltage of the high-voltage energy store.
  • the charging circuit is designed and set up to charge each of the high-voltage energy stores in parallel and thus together.
  • the charging voltage converter preferably has at least two charging DC voltage converters connected in parallel for converting the charging voltage into the high voltage of the high-voltage energy storage device, with each charging DC voltage converter being assigned to one of the high-voltage energy storage devices.
  • the charging DC-DC converter and the DC-DC converter which are assigned to the same high-voltage energy storage device, use at least one common transformer core for voltage transformation, in particular for converting the charging voltage into the high voltage of the high-voltage energy storage device, to save on components.
  • the charging voltage converter does not necessarily, but preferably, have at least one charging voltage rectifier for rectifying the as one
  • AC voltage can be provided charging voltage, with which the
  • Charging DC voltage converters are electrically connected and connected in parallel to each other.
  • the charging circuit is designed and set up, for example in a balancing step that is separate in time from a charging step, to optionally connect the charging DC voltage converter and the DC voltage converter to carry out balancing of the high-voltage energy storage device.
  • the device preferably has at least one electronic control device for controlling the DC-DC converter.
  • the electronic control device is preferably designed in such a way that the low-voltage on-board electrical system is alternately supplied with electricity from one of the high-voltage energy stores.
  • the electronic control device is designed to control the supply of the low-voltage vehicle electrical system from the high-voltage energy stores depending on the state of charge of the high-voltage energy stores so that at least the states of charge of two high-voltage energy stores before reaching the discharge state of one of the two high-voltage - Adjust energy storage.
  • the withdrawal currents and/or their duration per high-voltage energy store and/or the order of the withdrawal currents are varied in such a way that the charge states of at least two, more preferably all, high-voltage energy stores are equalized before the discharge state of one of the high-voltage energy stores is reached.
  • the discharge ratio ie the ratio of the draw currents supplied to the low-voltage vehicle electrical system and/or the ratio of the respective draw duration, can be dynamically adapted to the current state of charge of the high-voltage energy store. For example, the previously mentioned balancing during or between the loading steps can be dispensed with.
  • the invention also relates to a method for supplying electricity to a low-voltage on-board electrical system of a motor vehicle that is designed for low voltage.
  • the latter is also referred to as a low-voltage vehicle electrical system.
  • the method according to the invention has the following steps. In a provision step, at least two high-voltage energy stores, each providing a high voltage, and at least two DC-DC converters are provided, each high-voltage energy store having one of the DC-DC converters for converting the high voltage provided by the high-voltage energy store into the low voltage of the NTedervolt vehicle electrical system is allied.
  • the method according to the invention also has an optional electrical supply of the low-voltage vehicle electrical system from just one of the high-voltage energy stores or in parallel from at least two, preferably all, of the high-voltage energy stores.
  • a high voltage is understood to mean, for example, a voltage that is greater by at least a factor of 8 to 100 than the low voltage of the low-voltage vehicle electrical system mentioned.
  • Low voltage is preferably understood to mean a nominal voltage in the range of less than 60 V, preferably from 10 V to 60 V, such as 12 V, 24 V, 48 V. Both the high voltage and the low voltage are preferably DC voltages.
  • a high-voltage energy store is typically designed as a so-called high-voltage battery pack and is combined with a number of individual cells connected in series to form a unit and is managed by an associated battery management system.
  • an electrically conductive connection to one or all drive motors of the motor vehicle is interrupted during the supply.
  • the supply also takes place during the electric power supply to the drive motor from at least one of the high-voltage energy stores, which individually or jointly form the traction batteries of the motor vehicle.
  • the low-voltage on-board electrical system does not have an electrochemically based energy store that buffers the low voltage, more preferably no energy store that buffers the low voltage overall.
  • the solution according to the invention provides a method which makes it possible in a motor vehicle, in particular an electric motor vehicle, to supply a low-voltage vehicle electrical system from low-voltage consumers with all its advantages, such as the possibility of being able to use comparatively inexpensive consumers. Furthermore, the creation of an alternative or simultaneous possible recourse to the two high-voltage energy storage devices ensures redundancy in the supply of the low-voltage on-board network to prevent failure.
  • the at least two high-voltage energy stores are preferably connected in series, while the DC/DC converters assigned to the high-voltage energy stores are connected in parallel between the low-voltage vehicle electrical system and the high-voltage energy stores in order to achieve greater redundancy.
  • this has a preparation step, in which a charging circuit for selectively charging the high-voltage energy storage devices from a device-external, an energy source providing charging voltage, for example a so-called wall box, is provided by means of at least one charging voltage converter belonging to the charging circuit for converting the charging voltage into the high voltage of the high-voltage energy store.
  • the charging circuit provided is designed and set up to charge each of the high-voltage energy stores in parallel.
  • the charging voltage converter used in the method preferably has at least two charging DC voltage converters connected in parallel for converting the charging voltage into the high voltage of the high-voltage energy storage device during charging, with each charging DC voltage converter being assigned to one of the high-voltage energy storage devices.
  • the charging DC-DC converter and the DC-DC converter which are assigned to the same high-voltage energy store, use at least one common transformer core for voltage transformation during charging, in particular for converting the charging voltage into the high voltage of the high-voltage energy store.
  • the charging voltage converter preferably has at least one charging voltage rectifier for rectifying the charging voltage that can be provided as an AC voltage, with which the charging DC voltage converters are electrically connected and connected in parallel to one another.
  • the method is designed and the charging circuit used is set up, for example in a balancing step that is separated in time from a charging step using an external energy source, the charging DC voltage converter and the DC voltage converter optionally for balancing, i.e. a potential equalization between the high-voltage energy storage devices caused by equalizing currents enabling to interconnect.
  • the charging circuit provided has at least one electronic control device for controlling the DC-DC converter.
  • the low-voltage vehicle electrical system is supplied with electricity alternately from one of the high-voltage energy stores.
  • the method according to the invention provides for the supply of the low-voltage on-board electrical system from the high-voltage energy storage devices to be controlled as a function of the charging status of the high-voltage energy storage device in such a way that at least the charging status of two high-voltage energy storage devices changes before the discharge status of one of the match two high-voltage energy storage devices.
  • the withdrawal currents and/or their duration per high-voltage energy store and/or the order of the withdrawal currents are varied in such a way that the charge states of at least two, more preferably all, high-voltage energy stores are equalized before the discharge state of one of the high-voltage energy stores is reached.
  • the discharge ratio i.e.
  • the ratio of the draw currents supplied to the low-voltage vehicle electrical system and/or the ratio of the respective draw duration can be dynamically adjusted to the current state of charge of the high-voltage energy storage. For example, the previously mentioned balancing during or between the loading steps can be dispensed with.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic, detailed overview of the device according to the invention from FIG. 1 when carrying out the associated method according to the invention, in particular the loading step;
  • FIG. 3 shows a schematic, detailed overview of the device according to the invention from FIG. 1 when carrying out the associated method according to the invention, in particular the supply step
  • FIG. 4 shows a schematic, detailed overview of the device according to the invention from FIG. 1 when carrying out the associated method according to the invention, in particular the balancing step.
  • the invention relates to a device 1 for the electrical supply of a low-voltage on-board electrical system of a motor vehicle designed for a low voltage, such as 12 volts or 48 volts direct current.
  • a low voltage such as 12 volts or 48 volts direct current.
  • the low voltage is symbolized by the potentials LV1 to LV26, while the vehicle electrical system is indicated by the connections 3a and 3b.
  • the device is preferably used in an electric motor vehicle.
  • An electric vehicle within the meaning of the invention is understood to mean both a hybrid motor vehicle, i.e. a motor vehicle based on an internal combustion engine and an electric motor 6 as the drive source, and a purely electric vehicle which is driven solely by one or more electric motors, in particular bypassing an internal combustion engine drive.
  • the device 1 has two high-voltage energy stores 1a, 1b, each providing a high voltage, which are each designed as high-voltage battery packs with a plurality of battery cells.
  • Each high-voltage energy store 1a, 1b is characterized by battery management electronics assigned to the respective high-voltage energy store 1a, 1b.
  • High voltage is understood to be, for example, a voltage that is greater than the mentioned low voltage by a factor of at least 8 to 100.
  • An energy store with a maximum nominal voltage in the range from 300 V to 1000 V, such as 400 V, is preferred as a high-voltage energy store.
  • each high-voltage energy store 1a, 1b has a nominal voltage of about 400 V when charged.
  • each high-voltage energy store 1a, 1b being equipped with one of the DC-DC converters 2a, 2b for converting the high voltage provided by the high-voltage energy store 1a, 1b into the low voltage LV1 to LV26 of the Low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b is electrically connected.
  • the low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b is supplied with electricity either from just one of the high-voltage energy storage devices 1a or 1b or in parallel from at least two or all of the high-voltage energy storage devices 1a, 1b.
  • Figure 1 the state is shown that a part 3a of the vehicle electrical system 3a, 3b is supplied via the DC-DC converter 2a from a high-voltage energy store 1a of all high-voltage energy stores 1a, 1b, while a part 3b of the vehicle electrical system 3a, 3b is supplied via the DC-DC converter 2b is supplied by a high-voltage energy store 1b of all high-voltage energy stores 1a, 1b.
  • DC-DC converters 2a' and 2b' with lower power transmission are also provided, which apply low voltage to individual connections of the low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b belonging to the potentials LV1 and LV 26 in parallel with the DC-DC converters 2a, 2b.
  • the DC-DC converters 2a and 2b assigned to the high-voltage energy stores 1a, 1b are connected in parallel between the low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b and the high-voltage energy stores 3a, 3b.
  • FIG. 1 also shows, an electrically conductive connection to the drive motor 6 of the motor vehicle is interrupted while the low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b is being supplied.
  • the supply also occurs while the drive motor 6 is being electrically powered from at least one of the high-voltage energy stores 1a, 1b.
  • the low-voltage on-board electrical system 3a, 3b has at least no electrochemical-based energy store that buffers the low voltage LV1 to LV26.
  • FIG. 1 shows that the device also has a charging circuit 4 for selectively charging the high-voltage energy store from an energy source external to the device and providing a charging voltage 5, for example a wall box providing a three-phase alternating current as shown.
  • the charging circuit 4 is designed and set up to charge each of the high-voltage energy stores 1a, 1b at the same time and thus jointly, in that the charging voltage drops across the series-connected high-voltage energy stores 1a, 1b or a corresponding charging voltage across one of the energy stores 1a, 1b drops.
  • a control unit 7 is provided for controlling the electronic switching elements provided in the charging circuit 4 and the DC voltage converters 2a, 2b and the optional, additional DC voltage converters 2a', 2b', preferably in the majority of power transistors, which is connected via a bus system such as a CAN -Bus communicates with the vehicle control unit, not shown.
  • the charging circuit 4 accordingly has a relay arrangement 4.1 which switches on the individual phases of the charging voltage 5 and which is followed by an AC filter 4.2.
  • the filtered AC charging current is then converted into a charging direct current by means of a charging voltage rectifier 4.3 containing a power factor correction filter, which is then stored in an optional energy pre-storage device 4.4. is buffered to avoid switch-on peaks.
  • the charging voltage rectifier 4.3 forms the charging voltage converter 4.3, 4.5a, 4.5b according to the invention with the parallel-connected and downstream charging DC voltage converters 4.5a and 4.5b.
  • the task of the two charging DC voltage converters 4.5a, 4.5b connected in parallel during charging is to convert the charging voltage, which is already present as DC voltage, into the respective high voltage Hva, HVb of the high-voltage energy storage device 1a, 1b, which is ultimately fed via the optional DC filter 8 to the high-voltage energy storage device 1a, 1b is present.
  • the charging DC voltage converters 4.5a and 4.5b each have a transformer 2.1a, 4.6a, 2.4a or 2.1b, 4.6b, 2.4b for inductive coupling between the primary side and the secondary side and several bridge-connected electronic switching elements on the primary side, ie during charging on the part of the charging voltage 5, and on the secondary side, ie when charging the high-voltage energy store 1a, 1b, of the transformer 2.1a, 4.6a, 2.4a or 2.1b, 4.6b, 2.4b.
  • Each high-voltage energy store 1a, 1b is assigned exactly one charging DC voltage converter 4.5a, 4.5b.
  • the transformer 2.1a, 4.6a, 2.4a or 2.1b, 4.6b, 2.4b assigned to one of the high-voltage energy stores 1a, 1b has the primary-side winding 4.6a or 4.6b and the secondary-side winding 2.4a or 2.4b and the associated transformer core 2.1a and 2.1b.
  • the primary-to-secondary turns ratio is 22/17 when charging.
  • the associated flow of energy during charging is shown by the arrows C in FIG. 2 and results from the activation of the primary-side and secondary-side electronic switching elements of the charging DC voltage converters 4.5a and 4.5b.
  • the flow of energy is shown in the supply step of the method according to the invention, which involves the supply of the low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b by means of the DC-DC converters 2a or 2b provided for each high-voltage energy store 1a, 1b, as indicated by the arrows S indicated flow of energy shows.
  • the DC voltage converters 2a and 2b are provided for transforming the high voltage HVa, HVb present in the high-voltage energy stores 1a, 1b into the low voltage of the low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b.
  • the previously described charging DC voltage converters 4.5a and 4.5b provided for charging and the DC voltage converters 2a, 2b assigned to the same high-voltage energy store 1a and 1b each have common components.
  • the switching elements of the charging DC voltage converter 4.5a or 4.5b on the secondary side during charging become the switching elements of the primary side when supplying the respective transformer 2.1a, 2.3a, 2.4a or 2.1b, 2.3b, 2.4 b containing DC-DC converter 2a and 2b.
  • the transformer 2.1a, 4.6a, 2.4a or 2.1b, 4.6b, 2.4b assigned to one of the high-voltage energy stores 1a, 1b has the primary-side winding 2.4a or 2.4b and the secondary-side winding during supply 2.3a or 2.3b and the associated transformer core 2.1a or 2.1b.
  • the primary to secondary turns ratio when powered is 17/2 or less.
  • the associated flow of energy during charging is indicated by the arrows S and results in turn from the activation of the primary-side and secondary-side electronic switching elements of the DC-DC converters 2a and 2b.
  • the DC voltage converters 2a and 2b can also have step-down converters 2.2a and 2.2b without transformers, also known as buck converters, step-down regulators, in order to convert an intermediate DC voltage of the DC voltage converters 2a and 2b, for example 24 volts, into the low voltage of the low-voltage on-board electrical system, which is 12 volts for example 3a, 3b to change.
  • step-down converters 2.2a and 2.2b without transformers, also known as buck converters, step-down regulators, in order to convert an intermediate DC voltage of the DC voltage converters 2a and 2b, for example 24 volts, into the low voltage of the low-voltage on-board electrical system, which is 12 volts for example 3a, 3b to change.
  • the supply of the low-voltage vehicle electrical system 3a, 3b from the high-voltage energy storage devices 1a, 1b is controlled depending on the state of charge of the high-voltage energy storage devices 1a, 1bb is that the states of charge of the two high-voltage energy stores 1a, 1b match before reaching the state of discharge of the two high-voltage energy stores 1a, 1b.
  • the withdrawal currents and/or their duration per high-voltage energy store 1a, 1b and/or the sequence of the withdrawal currents are varied in such a way that the two high-voltage energy stores 1a, 1b have different charging states before the discharge state of one of the high-voltage energy stores 1a, match 1b.
  • the discharge ratio ie the ratio of the low-voltage on-board electrical system 3a, 3b respectively supplied extraction currents and / or the ratio of the respective extraction duration to the current state of charge High-voltage energy storage 1a, 1b are dynamically adjusted. For example, the balancing mentioned below during or between the loading steps can thereby be dispensed with.
  • FIG. 4 shows the process of balancing using the device according to the invention, in particular using the primary-side connection existing between the charging DC voltage converters 4.5a and 4.5b.
  • the switching elements of the two are interconnected in such a way that the electrical connection, which is also present during charging, on the charging voltage side of the charging DC voltage converters 4.5a or 4.5b enables an equalizing current between the high-voltage energy sources 1a, 1b to equalize the potential of the high-voltage energy sources 1a, 1b becomes.
  • the corresponding flow of energy is indicated by the arrow B in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur elektrischen Versorgung eines für eine Niederspannung (LV1...LV26) ausgelegten Niedervolt-Bordnetzes (3a, 3b) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend wenigstens zwei, Hochspannung (HVa, HVb) bereitstellende Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) und wenigstens zwei Gleichspannungswandler (2a, 2b), wobei jeder Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) mit je einem der Gleichspannungswandler (2a, 2b) zur Wandlung der von dem Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) bereitgestellten Hochspannung (HVa, HVb) in die Niederspannung (LV1...LV26) des Niedervolt-Bordnetzes (3a, 3b) elektrisch verbunden ist und das Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) wahlweise aus lediglich einem der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) oder parallel aus mindestens zwei der Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b) elektrisch versorgt ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur elektrischen Versorgung eines Niedervolt- Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, insbesondere Elektrokraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur elektrischen Versorgung eines Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Die Traktionsbatterie der meisten Elektrokraftfahrzeuge liefert eine Spannung von 400 Volt oder mehr. Weil die elektrische Leistung sich als Produkt aus Spannung und Stromstärke errechnet, braucht es bei gleicher Leistung weniger starker Ströme, wenn die Spannung erhöht wird. Da hohe Stromstärken größere Kabelquerschnitte erforderlich machen, besteht generell Bedarf, die Spannung zu erhöhen, um Gewicht zu sparen. Darüber hinaus kann das Elektrokraftfahrzeug bet gleichem Kabelquerschnitt des Ladekabels und gleicher Stromstärke schneller geladen werden, wenn die Ladespannung erhöht wird. Dadurch dass die Entwicklung des Elektrofahrzeugs auf der mit 12 Volt oder 24 Volt betriebenen Verbrennungsmotorentechnik fußt, werden jedoch noch viele Verbraucher mit einer solchen Spannung betrieben. Sie sind über Jahrzehnte entwickelt worden und kommen jährlich in 90 Millionen neuer Autos zum Einsatz. Eine Neuentwicklung all dieser Verbraucher ist wenig sinnvoll, zumal sie alle meist keine großen Leistungen brauchen. Tatsächlich ist eine Architektur ohne 12-Volt- Batterie denkbar. Es würde also grundsätzlich funktionieren, das 12-Volt-Netz via Wandler aus der Traktionsbatterie zu versorgen - aber damit ist das Problem verbunden, dass bei entleerter Traktionsbatterie keine Versorgung des Bordnetzes gegeben ist und beispielsweise die Türverrieglung zumindest nicht elektrisch entriegelt werden kann. Denn die 12-Volt-Batterie des Niedervolt-Bordnetzes dient auch als Puffer, um für funktionale Sicherheitsaspekte Redundanz zu schaffen. So muss wie auch beim Verbrenner sichergestellt sein, dass beispielsweise die Lenkhilfe (Servolenkung) weiter funktioniert, wenn der Motor aus ist, damit die Manövrierfähigkeit erhalten bleibt Nicht nur beim E-Auto arbeiten Servolenkungen heute meist elektrisch.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Möglichkeit bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrokraftfahrzeug, schafft, ein Niedervolt-Bordnetz aus Niederspannungsverbrauchern mit all seinen Vorteile, wie die Möglichkeit, auf vergleichsweise kostengünstige Verbraucher zurückgreifen zu können, einerseits versorgen zu können, ohne dass dabei der Vorteil einer weitgehenden Redundanz trotz des Wegfalls einer für das Niedervolt-Bordnetz vorgesehenen Niederspannungsquelle, wie einer 12-Volt-Gleichspannungsquelle, verloren geht. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung des Anspruchs 1 gelöst. Ein gleichermaßen vorteilhaftes Verfahren ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche, Es ist darauf hinzuweisen, dass die In den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Versorgung eines für eine Niederspannung ausgelegten Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrokraftfahrzeugs. Als Elektrofahrzeug im Sinne der Erfindung wird sowohl ein Hybridkraftfahrzeug, also ein auf einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor als Antriebsquelle beruhendes Kraftfahrzeug, als auch ein reines Elektrofahrzeug verstanden, welches alleinig durch einen oder mehrere Elektromotoren insbesondere unter Umgehung eines verbrennungsmotorischen Antriebs angetrieben wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wenigstens zwei, jeweils eine Hochspannung bereitstellende Hochvolt-Energiespeicher und wenigstens zwei Gleichspannungswandler auf, wobei jeder Hochvolt-Energiespeicher mit je einem der Gleichspannungswandler zur Wandlung der von dem Hochvolt- Energiespeicher bereitgestellten Hochspannung in die Niederspannung des Niedervolt-Bordnetzes elektrisch verbunden ist und das Niedervolt-Bordnetz wahlweise aus lediglich einem der Hochvolt-Energiespeicher oder parallel aus mindestens zwei oder allen vorhandenen Hochvolt-Energiespeichern elektrisch versorgt ist. Als Hochspannung wird beispielsweise eine Spannung verstanden, die um mindestens einen Faktors bis 100 größer als die erwähnte Niederspannung ist. Bevorzugt wird als ein Hochvolt-Energiespeicher ein Energiespeicher mit einer maximalen Nennspannung im Bereich von 60 V bis 1500 V, bevorzugt 300 V bis 1000 V, wie 400 V, angesehen, der auch als Hochspannungs-Energiespeicher bezeichnet wird. Als Niederspannung wird bevorzugt eine Nennspannung im Bereich von weniger als 60 V, bevorzugt von 10 V bis 60 V, wie 12 V, 24 V, 48 V verstanden. Bevorzugt handelt es sich bei der Hochspannung als auch bei der Niederspannung jeweils um eine Gleichspannung. Typischerweise ist ein Hochvolt-Energiespeicher als sogenannter Hochvolt-Akkupack ausgebildet und dabei mit mehreren in Serie geschalteten Einzelzellen zu einer Einheit und dabei von einem zugehörigen Batteriemanagement verwaltet zusammengefasst.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass während der Versorgung eine elektrische leitende Verbindung zu einem oder allen Antriebsmotoren des Kraftfahrzeugs unterbrochen ist. Bevorzugt erfolgt die Versorgung auch während der elektrischen Bestromung des Antriebsmotors aus wenigstens einer der Hochvolt-Energiespeicher, welcher einzeln oder gemeinsam die Traktionsbatterien des Kraftfahrzeugs ausbilden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Niedervolt-Bordnetz keinen die Niederspannung puffernden Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, noch bevorzugter gar keinen die Niederspannung insgesamt puffernden Energiespeicher auf.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, welche die Möglichkeit bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrokraftfahrzeug, schafft, ein Niedervolt-Bordnetz aus Niederspannungsverbrauchem mit all seinen Vorteile, wie die Möglichkeit, auf vergleichsweise kostengünstige Verbraucher zurückgreifen zu können, zu versorgen. Ferner sorgt die Schaffung eines alternativ oder zeitgleich möglichen Rückgriffs auf die beiden Hochvolt-Energiespeicher für eine Ausfall vermeldende Redundanz bei der Versorgung des Niedervolt- Bordnetzes.
Bevorzugt sind die wenigstens zwei Hochvolt-Energiespeicher in Serie geschaltet, während die den Hochvolt-Energiespeichern jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler zwischen dem Niedervolt-Bordnetz und den Hochvolt- Energiespeichern parallelgeschaltet sind, um eine höhere Redundanz zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese eine Ladeschaltung zum wahlweisen Laden der Hochyolt- Energiespeicher aus einer vorrichtungsexternen, eine Ladespannung bereitstellenden Energiequelle, beispielsweise einer sogenannten Wallbox, mittels wenigstens eines zur Ladeschaltung gehörigen Ladespannungswandlers zur Wandlung der Ladespannung in die Hochspannung der Hochvolt-Energiespeicher auf. Dabei ist die Ladeschaltung ausgebildet und eingerichtet, jeden der Hochvolt- Energiespeicher parallel und damit gemeinsam zu laden.
Bevorzugt weist der Ladespannungswandler wenigstens zwei parallelgeschaltete Ladegleichspannungswandler zur Wandlung der Ladespannung in die Hochspannung der Hochvolt-Energlespeicher auf, wobei jeder Ladegleichspannungswandler jeweils einem der Hochvolt-Energiespeicher zugeordnet ist.
Zur Komponenteneinsparung nutzen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Ladegleichspannungswandler und der Gleichspannungswandler, die demselben Hochvolt-Energiespeicher zugeordnet sind, zumindest einen gemeinsamen Transformatorkem zur Spannungstransformation, insbesondere zur Wandlung der Ladespannung in die Hochspannung der Hochvolt-Energiespeicher.
Nicht zwingend aber bevorzugt weist der Ladespahnungswandler wenigstens einen Ladespannungsgleichrichter zum Gleichrichten der als eine
Wechselspannung bereitstellbaren Ladespannung auf, mit dem die
Ladegleichspannungswandler elektrisch verbunden und zueinander parallelgeschaltet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ladeschaltung ausgebildet und eingerichtet, beispielsweise in einem von einem Ladeschritt zeitlich getrennten Balancierschritt, die Ladegleichspannungswandler und die Gleichspannungswandler wahlweise zur Durchführung eines Balancierens der Hochvolt-Energiespeicher zu verschalten.
Bevorzugt weist die Vorrichtung wenigstens eine elektronische Steuervorrichtung zum Steuern der Gleichspannungswandler auf. Bevorzugter ist die elektronische Steuervorrichtung so ausgebildet ist, dass das Niedervolt-Bordnetz alternierend jeweils aus einer der Hochvolt-Energiespeicher elektrisch versorgt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die elektronische Steuervorrichtung ausgebildet, die Versorgung des Niedervolt-Bordnetz aus den Hochvolt- Energiespeichern in Abhängigkeit der Ladezustände der Hochvolt-Energiespeicher so zu steuern, dass sich zumindest die Ladezustände zweier Hochvolt- Energiespeicher vor Erreichen des Entladezustands einer der zwei Hochvolt- Energiespeicher angleichen. Beispielsweise werden die Entnahmeströme und/oder deren Dauer pro Hochvolt-Energiespeicher und/oder die Reihenfolge der Entnahmeströme so variiert, dass bei zumindest zweien, bevorzugter bei allen, Hochvolt-Energiespeichern sich deren Ladezustände vor Erreichen des Entladezustand eines der Hochvolt-Energiespeicher angleichen. Des Weiteren kann das Entladeverhältnis., d.h. das Verhältnis der dem Niedervolt-Bordnetz jeweils zugeführten Entnahmeströme und/oder das Verhältnis der jeweiligen Entnahmedauer an den aktuellen Ladezustand der Hochvolt-Energiespeicher dynamisch angepasst werden. Beispielsweise kann dadurch auf das zuvor erwähnte Balancieren während oder zwischen den Ladenschritten verzichtet werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur elektrischen Versorgung eines für eine Niederspannung ausgelegten Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. Letzteres wird auch als Niederspannung-Bordnetz bezeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf. In einem Bereitsteilungsschritt erfolgt ein Bereitstellen von wenigstens zwei, jeweils eine Hochspannung bereitstellenden Hochvolt-Energiespeichern und wenigstens zweier Gleichspannungswandler, wobei jeder Hochvolt-Energiespeicher mit je einem der Gleichspannungswandler zur Wandlung der von dem Hochvolt-Energiespeicher bereitgestellten Hochspannung in die Niederspannung des NTedervolt-Bordnetzes elektrisch verbünden ist. Das erfindungsgemäß Verfahren weist ferner ein wahlweises elektrisches Versorgen des Niedervolt-Bordnetzes aus lediglich einem der Hochvolt-Energiespeicher oder parallel aus wenigstens zwei bevorzugt allen der Hochvolt-Energiespeichern auf. Als Hochspannung wird beispielsweise eine Spannung verstanden, die in um mindestens einen Faktor 8 bis 100 größer als die erwähnte Niederspannung des Niedervolt-Bordnetzes ist. Bevorzugt wird als ein Hochvolt-Energlespelcher ein Energiespeicher mit einer maximalen Nennspannung im Bereich von 60 V bis 1500 V, bevorzugt 300 V bis 1000 V, wie 400 V, angesehen, der auch als Hochspannungs-Energiespeicher bezeichnet wird. Als Niederspannung wird bevorzugt eine Nennspannung im Bereich von weniger als 60 V bevorzugt von 10 V bis 60 V, wie 12 V, 24 V, 48 V verstanden. Bevorzugt handelt es sich bei der Hochspannung als auch bei der Niederspannung jeweils um eine Gleichspannung. Typischerweise ist ein Hochvolt-Energiespeicher als sogenannter Hochvolt-Akkupack ausgebildet und dabei mit mehreren in Serie geschalteten Einzelzellen zu einer Einheit und dabei von einem zugehörigen Batteriemanagement verwaltet zusammengefasst.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass während der Versorgung eine elektrische leitende Verbindung zu einem oder allen Antriebsmotoren des Kraftfahrzeugs unterbrochen ist. Bevorzugt erfolgt die Versorgung auch während der elektrischen Bestromung des Antriebsmotors aus wenigstens einer der Hochvolt-Energiespeicher, welcher einzeln oder gemeinsam die Traktionsbatterien des Kraftfahrzeugs ausbilden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Niedervolt-Bordnetz keinen die Niederspannung puffernden Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, noch bevorzugter gar keinen die Niederspannung insgesamt puffernden Energiespeicher auf.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches die Möglichkeit bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrokraftfahrzeug, schafft, ein Niedervolt-Bordnetz aus Niederspannungsverbrauchern mit all seinen Vorteile, wie die Möglichkeit, auf vergleichsweise kostengünstige Verbraucher zurückgreifen zu können, zu versorgen. Ferner sorgt die Schaffung eines alternativ oder zeitgleich möglichen Rückgriffe auf die beiden Hochvolt-Energiespeicher für eine Ausfall vermeidende Redundanz bei der Versorgung des Niedervolt- Bordnetzes.
Bevorzugt sind die wenigstens zwei Hochvolt-Energiespeicher In Serie geschaltet, während die den Hochvolt-Energlespeichern jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler zwischen dem Niedervolt-Bordnetz und den Hochvolt- Energiespeichern parallelgeschaltet sind, um eine höhere Redundanz zu erreichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dieses einen Bereitstellungsschritt auf, bei dem eine Ladeschaltung zum wahlweisen Laden der Hochvolt-Energiespeicher aus einer vorrichtungsexternen, eine Ladespannung bereitstellenden Energiequelle, beispielsweise einer sogenannten Wallbox, mittels wenigstens eines zur Ladeschaltung gehörigen Ladespannungswandlers zur Wandlung der Ladespannung in die Hochspannung der Hochvolt-Energiespeicher bereitgestellt wird. Dabei ist die bereltgestellte Ladeschaltung ausgebildet und eingerichtet, Jeden der Hochvolt-Energiespeicher parallel zu laden.
Bevorzugt weist der im Verfahren verwendete Ladespannungswandler wenigstens zwei parallelgeschaltete Ladegleichspannungswandler zur Wandlung der Ladespannung in die Hochspannung der Hochvolt-Energiespeicher beim Laden auf, wobei jeder Ladegleichspannungswandler jeweils einem der Hochvolt- Energiespeicher zugeordnet ist.
Zur Kompohenteneinsparung nutzen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Ladegleichspannungswandler und der Gleichspannungswandler, die demselben Hochvolt-Energiespeicher zugeordnet sind, beim Laden zumindest einen gemeinsamen Transformatorkem zur Spannungstransformation, insbesondere zur Wandlung der Ladespannung In die Hochspannung der Hochvolt-Energiespeicher.
Bevorzugt weist der Ladespannungswandler wenigstens einen Ladespannungsgleichrichter zum Gleichrichten der als eine Wechselspannung bereitstellbaren Ladespannung auf, mit dem die Ladegleichspannungswandler elektrisch verbunden und zueinander parallelgeschaltet Sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Verfahren ausgebildet und die dabei verwendete Ladeschaltung eingerichtet, beispielsweise in einem von einem aus einer externen Energiequelle nutzenden Ladeschritt zeitlich getrennten Balancierschritt, die Ladegleichspannungswandler und die Gleichspannungswandler wahlweise zum Balancieren, d.h. ein durch Ausgleichsströme bewirkten Potenzialausgleich zwischen den Hochvolt- Energiespeichern ermöglichend, zu verschalten.
Beispielsweise weist die bereitgestellte Ladeschaltung wenigstens eine elektronische Steuervorrichtung zum Steuern der Gleichspannungswandler auf. Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das Niedervolt-Bordnetz alternierend jeweils aus einer der Hochvolt-Energiespeicher elektrisch versorgt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes aus deh Hochvolt-Energiespeichern in Abhängigkeit der Ladezustände der Hochvolt- Energiespeicher so gesteuert wird, dass sich zumindest die Ladezustände zweier Hochvolt-Energiespeicher vor Erreichen des Entladezustands einer der zwei Hochvolt-Energiespeicher angleichen. Beispielsweise werden die Entnahmeströme und/oder deren Dauer pro Hochvolt-Energiespeicher und/oder die Reihenfolge der Entnahmeströme so variiert, dass bei zumindest zweien, bevorzugter bei allen, Hochvolt-Energiespeichern sich deren Ladezustände vor Erreichen des Entladezustand eines der Hochvolt-Energiespeicher angleichen. Des Weiteren kann das Entladeverhältnis, d.h. das Verhältnis der dem Niedervolt-Bordnetz jeweils zugeführten Entnahmeströme und/oder das Verhältnis der jeweiligen Entnahmedauer an den aktuellen Ladezustand der Hochvolt-Energiespeicher dynamisch angepasst werden. Beispielsweise kann dadurch auf das zuvor erwähnte Balancieren während oder zwischen den Ladenschritten verzichtet werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
Figur 1 eine schematische Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 2 eine schematische, Detällübersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Figur 1 bei der Durchführung des zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere des Ladeschrittes;
Figur 3 eine schematische, Detailübersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Figur 1 bei der Durchführung des zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere des Versorgungsschrittes; Figur 4 eine schematische, Detailübersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Figur 1 bei der Durchführung des zugehörigen erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere des Balanclerschrittes.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 zur elektrischen Versorgung eines für eine Niederspannung, wie 12 Volt oder 48 Volt Gleichspannung, ausgelegten Niedervolt-Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs. In Figur 1 ist die Niederspannung durch die Potenziale LV1 bis LV26 symbolisiert, während das Bordnetz durch die Anschlüsse 3a und 3b angedeutet ist. Bevorzugt findet die Vorrichtung in einem Elektrokraftfahrzeug Verwendung. Als Elektrofahrzeug im Sinne der Erfindung wird sowohl ein Hybridkraftfahrzeug, also ein auf einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor 6 als Antriebsquelle beruhendem Kraftfahrzeug, als auch ein reines Elektrofahrzeug verstanden, welches alleinig durch einen oder mehrere Elektromotoren insbesondere unter Umgehung eines verbrennungsmotorischen Antriebs angetrieben wird. Die Vorrichtung 1 weist zwei, jeweils eine Hochspannung bereitstellende Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b auf, die jeweils als Hochvolt-Akkupacks mit mehreren Batteriezellen ausgebildet sind. Jeder Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b ist durch eine dem jeweiligen Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b zugeordnete Batteriemanagementelektronik gekennzeichnet. Als Hochspannung wird beispielsweise eine Spannung verstanden, die In um mindestens einen Faktor 8 bis 100 großer als die erwähnte Niederspannung ist, Bevorzugt wird als ein Hochvolt-Energiespeicher ein Energiespeicher mit einer maximalen Nennspannung im Bereich von 300 V bis 1000 V, wie 400 V, angesehen. Hier hat jeder Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b im geladenen Zustand eine Nennspannung von etwa 400 V. Die Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b bilden in Serie verschaltet die Traktionsbatterie für einen Antriebsmotor 6, der hier nur angedeutet dargestellt ist und, wie dem Fachmann bekannt ist, eine zusätzliche, nicht dargestellte Steuerelektronik notwendig macht.
Ferner sind wenigstens zwei Gleichspannungswandler 2a, 2b vorgesehen, wobei jeder Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b mit je einem der Gleichspannungswandler 2a, 2b zur Wandlung der von dem Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b bereitgestellten Hochspannung in die Niederspannung LV1 bis LV26 des Niedervolt-Bordnetzes 3a, 3b elektrisch verbunden ist. Das Niedervolt-Bordnetz 3a, 3b wird wahlweise aus lediglich einem der Hochvolt-Energiespeicher 1a bzw. 1b oder parallel aus mindestens zwei oder allen der Hochvolt-Energiespeichern 1a, 1b elektrisch versorgt. In Figur 1 ist der Zustand gezeigt, dass ein Teil 3a des Bordnetzes 3a, 3b über den Gleichspannungswandler 2a von einem Hochvolt- Energiespeicher 1a aller Hoehvolt-Energiespeicher 1a, 1b versorgt wird, während ein Teil 3b des Bordnetzes 3a, 3b über den Gleichspannungswandler 2b von einem Hochvolt-Energiespeicher 1b aller Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b versorgt wird. Als Niederspannung wird bevorzugt eine Nennspannung im Bereich von 10 bis 60 Volt, Wie 12 V, 24 V, 48 V verstanden. Es sind ferner weitere Gleichspannungswandler 2a' und 2b' mit geringerer Leistungsübertragung vorgesehen, die einzelne zu den Potenzialen LV1 und LV 26 gehörige Anschlüsse des Niedervolt-Bordnetzes 3a, 3b parallel zu den Gleichspannungswandlem 2a, 2b mit Niedrigspannung beaufschlagen. Wie gezeigt sind die den Hochvolt- Energiespeichern 1a, 1b jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler 2a bzw. 2b zwischen dem Niedervolt-Bordnetz 3a, 3b und den Hochvolt-Energiespeichern 3a, 3b parallelgeschaltet.
Wle Figur 1 ferner zeigt, ist während der Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes 3a, 3b eine elektrische leitende Verbindung zu dem Antriebsmotor 6 des Kraftfahrzeugs unterbrochen. Bevorzugt erfolgt die Versorgung auch während der elektrischen Bestromung des Antriebsmotors 6 aus wenigstens einer der Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b. Das Niedervolt-Bordnetz 3a, 3b hingegen weist zumindest keinen die Niederspannung LV1 bis LV 26 puffernden Energiespeicher auf elektrochemischer Basis auf. Dadurch wird die Möglichkeit bei einem Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrokraftfiahrzeug, geschaffen, ein Niedervolt- Bordnetz 3a, 3b aus Niederspannungsverbrauchem mit all seinen Vorteile, wie die Möglichkeit, auf vergleichsweise kostengünstige Verbraucher zurückgreifen zu können, aus den für die Traktion vorgesehenen Hochvolt-Energiespeichern 1a, 1b zu versorgen. Ferner sorgt die Schaffung eines alternativ oder zeitgleich möglichen Rückgriffs auf die beiden Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b für eine Ausfall vermeldende Redundanz bei der Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes 3a, 3b. Figur 1 zeigt, dass die Vorrichtung ferner eine Ladeschaltung 4 zum wahlweisen Laden der Hochvolt-Energiespeicher aus einer vorrichtungsextemen, eine Ladespannung 5 bereitstellenden Energiequelle, beispielsweise wie gezeigt einer einen Dreiphasen-Wechselstrom bereitstellenden Wallbox, aufweist. Dies geschieht mittels wenigstens eines zur Ladeschaltung 4 gehörigen Ladespannungswandlers, der in den nachfolgenden Figuren gezeigt ist und zur Wandlung der Ladespannung 5 in die Hochspannung HVa, HVb der Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b vorgesehen ist. Dabei ist die Ladeschaltung 4 ausgebildet und eingerichtet, jeden der Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b zeitgleich und damit gemeinsam zu laden, indem die Ladespannung über die in Serie geschalteten Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b abfällt oder eine entsprechende Ladespannung über jeweils einen der Energiespeicher 1a, 1b abfällt. Zur Steuerung der in der Ladeschaltung 4 und den Gleichspannungswandlem 2a, 2b sowie den optionalen, weiteren Gleichspannungswandlem 2a' , 2b' vorgesehenen elektronischen Schaltelementen, bevorzugt in der Mehrzahl Leistungstransistoren, ist eine Steuereinheit 7 vorgesehen, die über ein Bus-System, wie ein CAN-Bus, mit der nicht dargestellten Fahrzeugsteuereinheit kommuniziert.
Anhand der Figur 2 wird der Schaltungsaufbau der Vorrichtung Im Detail sowie der Ladeschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die Ladeschaltung 4 weist demnach eine die einzelnen Phasen der Ladespannung 5 aufschaltende Relaisanordnung 4.1 auf, der ein Wechselstromfilter 4.2 nachgeschaltet ist. Der gefilterte Wechselladestrom wird danach mittels eines einen Leistungsfaktorkorrekturfilter beinhaltenden Ladespannungsgleichrichters 4.3 in einen Ladegleichstrom umgewandelt, der dann in einem optionalen Energievorspeicher 4.4. zur Vermeidung von Einschaltspitzen zwischengespeichert wird. Der Ladespannungsgleichrichter 4.3 bildet mit den parallel verschalteten und nachgeordneten Ladegleichspannungswandlem 4.5a und 4.5b den erfindungsgemäßen Ladespannungswandler 4.3, 4.5a, 4.5b aus.
Aufgabe der zwei parallelgeschalteten Ladegleichspannungswandler 4.5a, 4.5b ist beim Laden die Wandlung der bereits als Gleichspannung vorliegenden Ladespannung in die jeweilige Hochspannung Hva, HVb der Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b, die letztlich über den optionalen Gleichstromfilter 8 an den Hochvolt-Energiespeichern 1a, 1b anliegt. Die Ladegleichspannungswandler 4.5a bzw. 4.5b weisen dazu zur Hochtransformierung jeweils einen Transformator 2.1a, 4.6a, 2.4a bzw. 2.1b, 4.6b, 2.4b zur induktiven Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite und mehrere brückenverschaltete elektronische Schaltelemente primärseitig, d.h. beim Laden auf Seiten der Ladespannung 5, und sekundärseitig, d.h. beim Laden auf Selten der Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b, des Transformators 2.1a, 4.6a, 2.4a bzw. 2.1b, 4.6b, 2.4b auf. Jedem Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b ist dabei genau ein Ladegleichspannungswandler 4.5a, 4.5b zugeordnet. Zur Hochtransformation weist der jeweils einer der Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b zugeordnete Transformator 2.1a, 4.6a, 2.4a bzw. 2.1b, 4.6b, 2.4b die primärseitige Wicklung 4.6a bzw. 4.6b und die sekundärseitige Wicklung 2.4a bzw. 2.4b sowie den zugehörigen Transformatorkem 2.1a bzw. 2.1b auf. Das Primär-zu-Sekundär-Wicklungsverhältnis beträgt beim Laden 22/17. Der zugehörige Energiefluss beim Laden ist durch die Pfeile C in Figur 2 dargestellt und ergibt sich durch die Ansteuerung der primärseitigen und sekundärseitigen elektronischen Schaltelemente der Ladegleichspannungswandler 4.5a bzw. 4.5b.
In Figur 3 hingegen ist der Energiefluss bei dem Versorgungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem es um die Versorgung des Niederspannungsbordnetzes 3a, 3b mittels der jeweils pro Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b vorgesehenen Gleichspannungswandler 2a bzw. 2b geht, wie der durch die Pfeile S angedeutete Energiefluss zeigt. Wie gezeigt, sind die Gleichspannungswandler 2a bzw. 2b zur Transformation der in den Hochvolt- Energiespeichern 1a, 1b vorliegenden Hochspannung HVa, HVb In die Niederspannung des Niederspannungsbordnetzes 3a, 3b vorgesehen. Zur Komponenteneinsparung weisen die zum Laden jeweils vorgesehenen und zuvor beschriebenen Ladegleichspannungswandler 4.5a bzw. 4.5b und die demselben Hochvolt-Energiespeicher 1a bzw. 1b zugeordneten Gleichspannungswandler 2a, 2b jeweils gemeinsame Komponenten auf. Dazu gehört der gemeinsame Transformatorkern 2,1a bzw. 2.1b, der bei der Versorgung ebenfalls zur Spannungstransformation verwendet wird und die beim Laden zur Wandlung der Ladespannung 5 in die Hochspannung HVa, HVb der Hochvolt-Energiespeicher 1a bzw. 1b zu den Transformatoren 2.1a, 4.6a, 2.4a bzw. 2.1b, 4.6b, 2.4b gehören. Aber darüber hinaus werden auch die in der Schnittmenge der gepunkteten und strichpunktierten Unien liegenden Schaltelemente gemeinsam genutzt, so werden die beim Laden jeweils sekundärseitigen Schaltelemente des Ladegleichspannungswandlers 4.5a bzw. 4.5b zu den beim Versorgen primärseitigen Schaltelementen des den jeweiligen Transformator 2.1a, 2.3a, 2.4a bzw. 2.1b, 2.3b, 2.4b beinhaltenden Gleichspannungswandlers 2a bzw. 2b.
Zur Herabtransformation beim Versorgen weist der jeweils einer der Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b zugeordnete Transformator 2.1a, 4.6a, 2.4a bzw. 2.1b, 4.6b, 2.4b die beim Versorgen primärseitige Wicklung 2.4a bzw. 2.4b und die sekundärseitige Wicklung 2.3a bzw. 2.3 b sowie den zugehörigen Transformatorkern 2.1a bzw. 2.1b auf. Das Primär-zu-Sekundär- Wicklungsverhältnis beträgt beim Versorgen 17/2 oder kleiner. Wie schon gesagt, ist der zugehörige Energiefluss beim Laden durch die Pfeile S angedeutet und ergibt sich wiederum durch die Ansteuerung der primärseitigen und sekundärseitigen elektronischen Schaltelemente der Gleichspannungswandler 2a bzw. 2b. Die Gleichspannungswandler 2a bzw. 2b können ferner transformatorlose Abwärtswandler 2.2a bzw. 2.2b, auch als Tiefsetzsteller, Abwärtsregler bezeichnet, aufweisen, um eine beispielsweise 24 Volt betragende Zwischengleichspannung der Gleichspannungswandler 2a bzw. 2b in die beispielsweise 12 Volt betragende Niederspannung des Niedervolt-Bordnetzes 3a, 3b zu wandeln.
Obwohl nicht in Figur 3 im Detail dargestellt, kann es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass die Versorgung des Niedervolt-Bordnetzes 3a, 3b aus den Hochvolt-Energiespeichern 1a, 1b in Abhängigkeit der Ladezustände der Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b b so gesteuert wird, dass sich die Ladezustände der zwei Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b vor Erreichen des Entladezustands einer der zwei Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b angleichen. Beispielsweise werden die Entnahmeströme und/oder deren Dauer pro Hochvolt- Energiespeicher 1a, 1b und/oder die Reihenfolge der Entnahmeströme so variiert, dass bei den zwei Hochvolt-Energiespeichern 1a, 1b sich deren Ladezustände vor Erreichen des Entladezustand eines der Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b angleichen. Des Weiteren kann das Entladeverhältnis, d.h. das Verhältnis der dem Niedervolt-Bordnetz 3a, 3b jeweils zugeführten Entnahmeströme und/oder das Verhältnis der jeweiligen Entnahmedauer an den aktuellen Ladezustand der Hochvolt-Energiespeicher 1a, 1b dynamisch angepasst werden. Beispielsweise kann dadurch auf das nachfolgend erwähnte Balancieren während oder zwischen den Ladenschritten verzichtet werden.
Flgur 4 zeigt den Vorgang des Balancierens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere unter Verwendung der zwischen den Ladeglelchspannungswandlem 4.5a bzw. 4.5b bestehenden primärseitigen Verbindung. Dabei werden die Schaltelemente der beiden so verschaltet, dass über die beim Laden ebenfalls vorliegende elektrische Verbindung auf der Ladespannungsseite der Ladegleichspannungswandler 4.5a bzw. 4.5b ein das Potenzial der Hochvolt-Energiequellen 1a, 1b ausgleichender Ausgleichsstrom zwischen den Hochvolt-Energiequellen 1a, 1b ermöglicht wird. Der entsprechende Energiefluss ist durch den Pfeil B in Figur 4 angedeutet.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur elektrischen Versorgung eines für eine Niederspannung (LV1...LV26) ausgelegten Niedervolt-Bordnetzes (3a, 3b) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend wenigstens zwei, Hochspannung (HVa, HVb) bereitstellende Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) und wenigstens zwei Gleichspannungswandler (2a, 2b), wobei jeder Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) mit je einem der Gleichspannungswandler (2a, 2b) zur Wandlung der von dem Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) bereitgestellten Hochspannung (HVa, HVb) in die Niederspannung (LV1...LV26) des Niedervolt-Bordnetzes (3a, 3b) elektrisch verbunden ist und das Niedervolt- Bordnetz (3a, 3b) wahlweise aus lediglich einem der Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b) oder parallel aus mindestens zwei der Hochvolt- Energiespeichern (1a, 1b) elektrisch versorgt ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) in Serie geschaltet sind, wobei die den Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b) jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler (2a, 2b) zwischen dem Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) und den Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b) parallelgeschaltet sind.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ladeschaltung (4) zum wahlweisen Laden der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) aus einer vorrichtungsexternen, eine Ladespannung (5) bereitstellenden Energiequelle mittels wenigstens eines Ladespannungswandlers (4.3, 4.5a, 4.5b) zur Wandlung der Ladespannung (4) in die Hochspannung (HVa, HVb) der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b), wobei die Ladeschaltung (4) ausgebildet und eingerichtet ist, jeden der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) parallel zu laden.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladespannungswandler (4.3, 4.5a, 4.5b) wenigstens zwei parallelgeschaltete Ladegleichspannungswandler (4.5 a, 4.5b) zur Wandlung der Ladespannung (5) in die Hochspannung (HVa, HVb) der Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b), wobei jeder Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4.5b) jeweils einem der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) zugeordnet ist.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4.5b) und der
Gleichspannungswandler (2a, 2b), die demselben Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) zugeordnet sind, jeweils einen gemeinsamen Transformatorkem (2.1a, 2.1b) zur Spannungstransformation, Insbesondere zur Wandlung der Ladespannung (5) in die Hochspannung (HVa, HVb) der Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b), nutzen.
6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladespannungswandler (4.3, 4.5a, 4.5b) wenigstens einen Ladespannungsgleichrichter (4.3) zum Gleichrichten der als eine Wechselspannung bereitstellbaren Ladespannung (5) aufweist, mit dem die Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4.5b) elektrisch verbunden und zueinander parallelgeschaltet sind.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung (4) ausgebildet und eingerichtet ist, die Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4.5b) und die Gleichspannungswandler (2a, 2b) wahlweise zur Durchführung einer Balancierung der Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b) zu verschalten.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine elektronische Steuervorrichtung zum Steuern der Gleichspannungswandler.
9. Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuervorrichtung so ausgebildet ist, dass das Niedervolt- Bordnetz (3a, 3b) alternierend aus jeweils einem der Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b) elektrisch versorgt wird.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Versorgung des Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) aus den Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b) In Abhängigkeit der Ladezustände der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) so zu steuern, dass sich zumindest die Ladezustände zweier Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b) vor Erreichen eines Entladezustands eines der zwei Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) angleichen.
11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) eine Nennspannung Im Bereich von 10 bis 60 Volt, wie 12 V, 24 V, 48 V aufweist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) jeweils als Hochvolt-Akkupacks ausgebildet ist, Insbesondere als Hochvolt-Akkupack mit einer Nennspannung von 300 V bis 1000 V, wie 400 V.
13. Kraftfahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Verfahren zur elektrischen Versorgung eines für eine Niederspannung (LV1...LV26) ausgelegten Niedervolt-Bordnetzes (3 a, 3b) eines
Kraftfahrzeugs, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen von wenigstens zwei, jeweils eine Hochspannung (HVa, HVb) bereitstellenden Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b) und von wenigstens zwei Gleichspannungswandlern (2a, 2b), wobei jeder Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) mit je einem der Gleichspannungswandler (2a, 2b) zur Wandlung der von dem Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) bereitgestellten Hochspannung (HVa, HVb) in die Niederspannung (LV1...LV26) des Niedervolt-Bordnetzes (3a, 3b) elektrisch verbunden ist; und wahlweises elektrisches Versorgen (S) des Niedervolt-Bordnetzes (3a, 3b) wahlweise aus lediglich einem der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) oder parallel aus mindestens zwei der Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b).
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) in Serie geschaltet sind, wobei die den Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b) jeweils zugeordneten Gleichspannungswandler (2a, 2b) zwischen dem Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) und den Hochvolt-Energiespeichern (1a, 1b) parallelgeschaltet sind.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch
Bereitstellen einer Ladeschaltung (4) mit einem Ladespannungswandler (4.3, 4.5a, 4.5b) ; und wahlweises Laden (C) der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) aus einer vorrichtungsextemen, eine Ladespannung (5) bereitstellenden Energiequelle mittels wenigstens des Ladespannungswandlers (4.3, 4.5a, 4.5b) zur Wandlung der Ladespannung (5) in die Hochspannung (HVa, HVb) der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b), wobei die Ladeschaltung (4) ausgebildet und eingerichtet ist, jeden der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) parallel zu laden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladespannungswandler (4.3, 4.5a, 4.5b) wenigstens zwei parallelgeschaltete Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4.5b) zur Wandlung der Ladespannung (5) in die Hochspannung (HVa, HVb) der Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b) beim Laden (C) aufweist und wobei jeder Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4.5b) jeweils einem der Hochvolt- Energlespelcher (1a, 1b) zugeordnet ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4,5b) und der
Gleichspannungswandler (2a, 2b), die demselben Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) zugeordnet sind, einen gemeinsamen Transformatorkern (2.1a, 2.1b) zur Spannungstransformation, insbesondere zur Wandlung der Ladespannung (5) in die Hochspannung (HVa, HVb) der Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b), beim Laden (C) nutzen.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladespannungswandler (4.3, 4.5a, 4.5b) wenigstens einen Ladespannungsgleichrichter (4.3) zum Gleichrichten der als eine Wechselspannung bereitstellbaren Ladespannung (5) beim Laden (C) aufweist, mit dem die Ladeglelchspannungswandler (4.5a, 4.5b) elektrisch verbunden und zueinander parallelgeschaltet sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschaltung (4) ausgebildet und eingerichtet ist, ein Balancieren (B) durchzuführen, bei dem die Ladegleichspannungswandler (4.5a, 4.5b) und die Gleichspannungswandler (2a, 2b) wahlweise so verschaltet werden, dass ein Balancieren der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) durchgeführt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) alternierend aus jeweils einem der Hochvolt-Energlespeicher (1a, 1b) elektrisch versorgt wird.
22. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung des Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) aus den Hochvolt- Energiespeichern (1a, 1b) in Abhängigkeit der Ladezustände Hochvolt- Energiespeicher (1a, 1b) so gesteuert wird, dass sich zumindest die Ladezustände zweier Hochvolt-Energlespeicher (1a, 1b) vor Erreichen eines Entladezustands eines der zwei Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) angleichen.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedervolt-Bordnetz (3a, 3b) eine Nennspannung im Bereich von 10 bis 60 Volt, wie 12 V, 24 V, 48 V aufweist.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochvolt-Energiespeicher (1a, 1b) als Hochvolt-Akkupack ausgebildet ist, insbesondere als Hochvolt-Akkupack mit einer Nennspannung von 300 V bis 1000 V, wie 400 V.
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