DE102014216470A1 - Onboard power supply device for an electrically driven vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung offenbart eine Bordnetzversorgungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Niederspannung-Bordnetz eines Fahrzeuges mit Strom aus einem Hochspannungs-Akkumulator mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Modulen zu versorgen, mit – einer Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, wobei jeder hochspannungsseitige Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit einem Modul des Hochspannungs-Akkumulators und dem Niederspannung-Bordnetz gekoppelt ist; und – einer Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler so anzusteuern, dass Ladung einem oder mehreren der Module des Hochspannungs-Akkumulators entnommen wird und dem Niederspannungs-Bordnetz zugeführt wird.The invention discloses an onboard power supply device adapted to supply a low voltage onboard power supply of a vehicle with power from a high voltage battery having a plurality of series connected modules, comprising a plurality of high voltage side DC / DC converters, each high voltage side DC / DC converter is coupled to a module of the high voltage battery and the low voltage electrical system; and - an on-board power supply control device, which is designed to control the high-voltage side DC / DC converter so that charge is taken from one or more of the modules of the high-voltage battery and the low-voltage electrical system is supplied.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bordnetzversorgungseinrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zur Versorgung des Niederspannungs-Bordnetzes.The present invention relates to a vehicle power supply device for an electrically driven vehicle for the supply of the low-voltage vehicle electrical system.

Fahrzeuge des Standes der Technik weisen üblicherweise ein Hochspannungsnetz mit einer Spannung auf, die wesentlich höher als 60 V ist, sowie ein Niederspannungsnetz, dessen Spannung etwa 11 bis 15 V beträgt. Ein Hochspannung-Akkumulator kann einen Antriebsmotor und indirekt auch das Fahrzeug-Bordnetz, das nachfolgend als Niederspannungs-Bordnetz bezeichnet wird, speisen. Die Kopplung zwischen dem Hochspannung-Akkumulator und dem Niederspannungs-Bordnetz wird durch einen potenzialtrennenden Wandler hergestellt, der üblicherweise ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler ist, dessen Leistung etwa 2 kW bis etwa 3 kW beträgt. Die Zustartfunktion bei einem Hybridfahrzeug, d. h., das Versorgen des Startermotors zum Anlassen des Verbrennungsmotors, erfolgt über ein separates System mit einer separaten Batterie einschließlich einer Vorrichtung zum Nachladen der Batterie oder über ein Hochspannung-Zustartsystem mit einer zusätzlichen elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik.Prior art vehicles typically include a high voltage network having a voltage substantially greater than 60V and a low voltage network having a voltage of about 11 to 15V. A high-voltage accumulator can feed a drive motor and indirectly also the vehicle electrical system, which is referred to below as low-voltage electrical system. The coupling between the high-voltage battery and the low-voltage electrical system is produced by a potential-separating converter, which is usually a DC / DC converter whose power is about 2 kW to about 3 kW. The starter function in a hybrid vehicle, i. That is, supplying the starter motor for starting the internal combustion engine, via a separate system with a separate battery including a device for recharging the battery or a high-voltage-delivery system with an additional electric machine and power electronics.

Ein Pufferspeicher mit einer Spannung von etwa 12 V versorgt das Niederspannungs-Bordnetz bei abgestelltem Fahrzeug. Die Zellbilanzierung, d. h., der Ausgleich unterschiedlicher Ladung der Module des Hochspannungs-Akkumulators, kann über eine passive Bilanzierung oder eine aktive Bilanzierung durchgeführt werden. Eine derartige Anordnung hat den Nachteil, dass der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler über einen breiten Betriebsbereich einen hohen Wirkungsgrad aufweisen muss. Ferner wird bei der Anordnung des Standes der Technik vorausgesetzt, dass die Hochspannung-Schütze geschlossen sind, so dass der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit Strom versorgt wird. Zusätzlich muss ein Zwischenkreis, der sich zwischen dem Hochspannung-Akkumulator und dem Niederspannungs-Bordnetz befindet, ebenfalls geladen sein. Falls ein Hochspannung-Schütz geöffnet ist, wird das Niederspannungs-Bordnetz nicht aus dem Hochspannung-Akkumulator mittels des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers versorgt bzw. nachgeladen.A buffer memory with a voltage of about 12 V supplies the low-voltage electrical system with the vehicle parked. Cell balancing, d. h., the compensation of different charge of the modules of the high-voltage battery, can be carried out via a passive balancing or active balancing. Such an arrangement has the disadvantage that the DC / DC converter over a wide operating range must have a high efficiency. Further, in the prior art arrangement, it is assumed that the high voltage contactors are closed so that the DC / DC converter is energized. In addition, a DC link, which is located between the high-voltage battery and the low-voltage electrical system, must also be charged. If a high voltage contactor is opened, the low voltage vehicle electrical system is not supplied or recharged from the high voltage battery by means of the DC / DC converter.

Ferner sind die Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler auf einen festen Betriebsspannungsbereich ausgelegt. Eine Spreizung bzw. eine Erhöhung der Spannung des Hochspannungs-Bordnetzes oder Niederspannungs-Bordnetzes ist daher nur begrenzt möglich.Furthermore, the DC / DC converters are designed for a fixed operating voltage range. A spread or an increase in the voltage of the high-voltage electrical system or low-voltage electrical system is therefore limited.

Die Systemleistung sowie die gespeicherte Energie sind nur begrenzt skalierbar. Bestehende Zelltypen, Modulgrößen, Anzahl an möglichen Modulen und dergleichen begrenzen mögliche Kombinationen für Akkumulatoren. Eine Kombination verschiedener Zelltypen in einem Akkumulator ist ohne zusätzliche Aufwände, beispielsweise einem Koppelglied, nicht möglich. Bei einer ausschließlich passiven Zellbilanzierung weisen alle Zellen das gleiche Verhalten wie die schlechteste Zelle auf, beispielsweise verfügbare Ladung, verfügbarer Maximalstrom oder dergleichen. Aus diesem Grund können bei einem gealterten Akkumulator die nutzbare Energie und der Wirkungsgrad des Akkumulators deutlich abnehmen. Eine aktive Zellbilanzierung ist aufgrund der erforderlichen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler aufwändig und verursacht hohe Kosten.The system performance as well as the stored energy are only limited scalable. Existing cell types, module sizes, number of possible modules and the like limit possible combinations for accumulators. A combination of different cell types in an accumulator is not possible without additional effort, such as a coupling member. In all-passive cell balancing, all cells have the same behavior as the worst cell, for example, available charge, available maximum current, or the like. For this reason, the usable energy and the efficiency of the accumulator can significantly decrease in an aged accumulator. Active cell balancing is expensive due to the required bidirectional DC / DC converters and causes high costs.

Die DE 10 2012 009 219 A1 offenbart die Versorgung eines Bordnetzes mittels eines Schalternetzwerkes, das Energie von einzelnen Batteriezellen einer Hochspannungsbatterie entnehmen kann. Die Spannung wird durch einen DC/DC-Wandler auf ein anderes Spannungsniveau gewandelt.The DE 10 2012 009 219 A1 discloses the supply of a vehicle electrical system by means of a switch network, which can take energy from individual battery cells of a high-voltage battery. The voltage is converted to a different voltage level by a DC / DC converter.

Auch die DE 10 2011 119 904 A1 und DE 10 2011 119 905 A1 offenbaren in der Zusammenfassung die Entnahme von Energie von einzelnen Batteriezellen, um ein Bordnetz zu versorgen. Die Übertragung der Energie erfolgt mittels Induktivitäten.Also the DE 10 2011 119 904 A1 and DE 10 2011 119 905 A1 disclose in the abstract the removal of energy from individual battery cells to supply a vehicle electrical system. The transmission of energy takes place by means of inductors.

Die DE 10 2011 077 719 A1 offenbart auch das Entnehmen von Energie von einzelnen Batteriezellen.The DE 10 2011 077 719 A1 also discloses taking energy from individual battery cells.

Die DE 10 2012 101 011 A1 offenbart die Entnahme von Energie von zwei unterschiedlichen Spannungsdomänen eines Hochspannungssystems und einen damit koppelbaren Gleichspannungswandler.The DE 10 2012 101 011 A1 discloses the removal of energy from two different voltage domains of a high voltage system and a DC-DC converter couplable therewith.

Die DE 10 2012 010 711 A1 offenbart ein Schalternetzwerk, das aus einzelnen Zellen einer Hochspannungsbatterie Strom entnehmen kann. Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine effizientere Bordnetzversorgungseinrichtung zu schaffen.The DE 10 2012 010 711 A1 discloses a switch network that can draw power from individual cells of a high voltage battery. The invention has as its object to provide a more efficient onboard power supply device.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Bordnetzversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 und ein Fahrzeugstromversorgungssystem nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.The object of the invention is achieved by an onboard power supply device according to claim 1 and a vehicle power supply system according to claim 9. The dependent claims claim preferred embodiments.

Die erfindungsgemäße Bordnetzversorgungseinrichtung ist dazu ausgebildet, ein Niederspannungs-Bordnetz eines Fahrzeuges mit Strom aus einem Hochspannung-Akkumulator mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Modulen zu versorgen. Der Hochspannung-Akkumulator kann mit einem elektrischen Antriebsmotor gekoppelt sein. Die Bordnetzversorgungseinrichtung kann eine Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler aufweisen, wobei jeder hochspannungsseitige Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit einem Modul des Hochspannungs-Akkumulators und mit dem Niederspannungs-Bordnetz gekoppelt ist. Ferner umfasst die Bordnetzversorgungseinrichtung eine Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler so anzusteuern, dass Ladung einem oder mehreren der Module des Hochspannungs-Akkumulators entnommen wird und dem Niederspannungs-Bordnetz zugeführt wird. Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine Symmetrierung und/oder Bilanzierung des Hochspannungs-Akkumulators auf Modulebene bzw. auf Zellebene möglich ist. Dadurch ergibt sich eine Erhöhung der Reichweite des Fahrzeuges, insbesondere bei gealtertem Speicher. Ferner wird das Niederspannungs-Bordnetz effizienter versorgt und die Versorgung des Bordnetzes kann an den Bedarf angepasst werden. Zusätzlich kann ein Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, des Niederspannungs-Bordnetzes kleiner ausgefegt werden bzw. entfallen. Zusätzlich können unterschiedliche Typen von Zellen und/oder Modulen im Hochspannung-Akkumulator vorgesehen sein, da die Erfindung eine Skalierbarkeit der Energieentnahme aus dem Hochspannung-Akkumulator ermöglicht. Ferner wird eine redundante Bordnetzversorgung aus Modulen beim Defekt einzelner Zellen und/oder Modulen möglich. Schließlich kann das Niederspannungs-Bordnetz auch mit Energie versorgt werden, wenn die Hochspannung-Schütze geöffnet sind, beispielsweise beim Stillstand des Fahrzeuges. Ferner kann das Niederspannungs-Bordnetz auch beim Stillstand des Fahrzeuges von Solarzellen geladen werden, die einzelne Module des Hochspannungs-Akkumulators laden.The on-board power supply device according to the invention is designed to supply a low-voltage vehicle electrical system of a vehicle with power from a high-voltage battery having a plurality of modules connected in series. The high voltage accumulator may be coupled to an electric drive motor be. The on-board power supply device may have a plurality of high-voltage side DC / DC converters, wherein each high-voltage side DC / DC converter is coupled to a module of the high-voltage battery and to the low-voltage electrical system. Furthermore, the onboard power supply device comprises a vehicle power supply control device which is designed to control the high-voltage side DC / DC converter so that charge is taken from one or more of the modules of the high-voltage battery and the low-voltage electrical system is supplied. The invention has the advantage that a balancing and / or balancing of the high-voltage battery at the module level or at the cell level is possible. This results in an increase in the range of the vehicle, especially when aged memory. Furthermore, the low-voltage electrical system is supplied more efficiently and the supply of the electrical system can be adapted to the needs. In addition, an energy storage, such as a battery, the low-voltage electrical system can be made smaller or eliminated. In addition, different types of cells and / or modules may be provided in the high voltage accumulator, as the invention enables scalability of the energy extraction from the high voltage accumulator. Furthermore, a redundant onboard power supply from modules in the defect of individual cells and / or modules is possible. Finally, the low-voltage electrical system can also be supplied with energy when the high-voltage contactors are opened, for example when the vehicle is at a standstill. Furthermore, the low-voltage vehicle electrical system can also be charged when the vehicle is stationary by solar cells which charge individual modules of the high-voltage accumulator.

Die Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler können unidirektionale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler sein. Die unidirektionalen hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler können die Symmetrierungsenergie, d. h. in einem Modul gegenüber einem anderen Modul mehr enthaltene Energie, an das Bordnetz abführen. Ein Modul kann etwa 12 bis 16 Zellen aufweisen, wobei jede Zelle eine Spannung von etwa 4 V hat.The majority of high-voltage side DC / DC converters may be unidirectional DC / DC converters. The unidirectional high voltage side DC / DC converters can control the balancing energy, i. H. dissipate more energy contained in a module compared to another module to the electrical system. A module may have about 12 to 16 cells, with each cell having a voltage of about 4V.

Das Niederspannungs-Bordnetz kann eine Mehrzahl Verbraucher aufweisen, die eine Steuerungseinrichtung, eine Komforteinrichtung, beispielsweise ein Unterhaltungssystem, eine Sicherheitseinrichtung, beispielswese ein elektronisches Anti-Blockier-System, umfassen können. Das Niederspannungs-Bordnetz kann einen Ladungsspeicher, beispielsweise eine herkömmliche Autobatterie mit einer Ausgangspannung zwischen etwa 11,5 V bis etwa 15 V aufweisen.The low-voltage vehicle electrical system may have a plurality of consumers, which may include a control device, a comfort device, for example an entertainment system, a safety device, for example an electronic anti-lock braking system. The low voltage electrical system may include a charge storage device, such as a conventional car battery having an output voltage between about 11.5V to about 15V.

Im Kontext der vorliegenden Erfindung umfasst ein Modul des Hochspannungs-Akkumulators zumindest eine Zelle oder eine Mehrzahl miteinander verschalteter Zellen, die beispielsweise in Serie geschaltet sein können.In the context of the present invention, a module of the high-voltage battery comprises at least one cell or a plurality of interconnected cells, which may be connected in series, for example.

Die Bordnetzversorgungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass an jedes Modul des Hochspannungs-Akkumulators ein hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen ist, der mit dem Niederspannungs-Bordnetz gekoppelt ist. Dadurch kann die Energieentnahme aus dem Hochspannung-Akkumulator besonders flexibel durchgeführt werden.The onboard power supply device may be configured such that a high-voltage side DC / DC converter is connected to each module of the high-voltage battery, which is coupled to the low-voltage electrical system. As a result, the energy removal from the high-voltage battery can be carried out particularly flexible.

Die Bordnetzversorgungseinrichtung kann ferner einen Zwischenspannungs-Akkumulator, der mit der Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gekoppelt ist, und einen niederspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler aufweisen, der mit dem Zwischenspannungs-Akkumulator und dem Niederspannungs-Bordnetz gekoppelt ist. Das Niederspannungs-Bordnetz wird über den Zwischenspannungs-Akkumulator und den niederspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit der Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gekoppelt. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung können die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler besonders effizient aber ohne Potenzialtrennung ausgebildet sein. Die Potenzialtrennung kann durch den niederspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler implementiert werden. Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler mit einer Potenzialtrennung ausgebildet sein. Die Potenzialtrennung kann bei dem niederspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler entfallen.The onboard power supply device may further include an intermediate voltage battery coupled to the plurality of high voltage side DC / DC converters and a low voltage side DC / DC converter coupled to the intermediate voltage battery and the low voltage vehicle electrical system. The low-voltage electrical system is coupled via the intermediate voltage accumulator and the low-voltage side DC / DC converter with the plurality of high-voltage side DC / DC converter. In one embodiment of the invention, the high-voltage side DC / DC converter can be designed particularly efficient but without electrical isolation. The electrical isolation can be implemented by the low-voltage side DC / DC converter. In another embodiment of the invention, the high-voltage side DC / DC converter can be designed with a potential separation. The electrical isolation can be omitted in the low-voltage side DC / DC converter.

Die Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler so anzusteuern, dass die Energie dem zu einem aktuellen Zeitpunkt leistungsfähigsten Modul des Hochspannungs-Akkumulators entnommen wird. Die Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung berücksichtigt bei der Auswahl des leistungsfähigsten Moduls die Spannung eines Moduls des Hochspannungs-Akkumulators, die von einem Modul des Hochspannungs-Akkumulators verfügbare Ladung, die in einem Modul des Hochspannungs-Akkumulators enthaltene Ladung, die Effizienz eines Moduls des Hochspannungsakkumulators und/oder die Temperatur eines Moduls des Hochspannungs-Akkumulators.The on-board power supply control device may be designed to control the high-voltage side DC / DC converter so that the energy is taken from the most powerful module of the high-voltage battery at a current time. The on-board power supply control device takes into account the voltage of a module of the high-voltage battery, the charge available from a module of the high-voltage battery, the charge contained in a module of the high-voltage battery, the efficiency of a module of the high-voltage battery and / or the Temperature of a module of the high voltage accumulator.

Die Bordnetzversorgungseinrichtung kann ferner einen Niederspannungs-Bordnetz-Akkumulator aufweisen, der mit dem Niederspannungs-Bordnetz gekoppelt ist. Dadurch wird das Niederspannungs-Bordnetz zusätzlich gepuffert.The onboard power supply device may further comprise a low voltage on-board battery which is connected to the low-voltage Electrical system is coupled. As a result, the low-voltage electrical system is additionally buffered.

Das Niederspannungs-Bordnetz kann mit einem zentralen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gekoppelt sein, der an den Anschluss des Hochspannungs-Akkumulators mit dem höchsten Potenzial und an den Anschluss des Hochspannungs-Akkumulators mit dem niedrigsten Potenzial angeschlossen ist. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn nicht an alle Module des Hochspannungs-Akkumulators ein hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler angeschlossen ist. Dadurch kann ein Modul mit einer höheren Kapazität, beispielsweise nach einer Reparatur oder einer Weiterentwicklung, optimal entladen werden. Ferner ist zumindest eine teilweise Symmetrierung des Hochspannungs-Akkumulators möglich. Zudem kann bei ausgeschaltetem Schütz Strom aus einzelnen Modulen entnommen werden, beispielsweise aus einem Modul, das bei Stillstand des Fahrzeuges von einer Solarzelle versorgt wird.The low voltage electrical system may be coupled to a central DC / DC converter connected to the highest potential high voltage battery terminal and to the lowest potential high voltage battery terminal. This embodiment is advantageous if not connected to all modules of the high-voltage battery, a high-voltage side DC / DC converter. As a result, a module with a higher capacity, for example after a repair or a further development, can be optimally unloaded. Furthermore, at least a partial balancing of the high-voltage battery is possible. In addition, power can be removed from individual modules with the contactor switched off, for example, from a module that is powered by a solar cell at standstill of the vehicle.

Die Ausgangsspannung des Hochspannungs-Akkumulators kann etwa 400 V bis etwa 600 V betragen. Die Ausgangsspannung des Zwischenspannungs-Akkumulators kann etwa 55 V bis etwa 60 V betragen. Die Ausgangsspannung eines Moduls des Hochspannungs-Akkumulators kann etwa 40 V bis zu etwa 60 V betragen. Die Spannung des Bordnetzes kann etwa 11 V bis etwa 15 V, etwa 22 V bis etwa 30 V oder etwa 44 V bis etwa 50 V betragen.The output voltage of the high voltage battery may be about 400V to about 600V. The output voltage of the intermediate voltage battery may be about 55 V to about 60 V. The output voltage of a module of the high voltage battery may be about 40V up to about 60V. The voltage of the electrical system can be about 11 V to about 15 V, about 22 V to about 30 V or about 44 V to about 50 V.

Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeugstromversorgungssystem mit einem Hochspannungs-Akkumulator mit einer Mehrzahl in Serie geschalteter Module und der zuvor beschriebenen Bordnetzversorgungseinrichtung. Zumindest ein Modul des Hochspannungs-Akkumulators kann eine um zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 20%, höchst vorzugsweise zumindest 25% höhere Spannung als ein anderes Modul aufweisen und/oder zumindest ein Modul des Hochspannungs-Akkumulators kann eine um zumindest 10%, vorzugsweise zumindest 20%, höchst vorzugsweise zumindest 25% höher Kapazität als ein anderes Modul aufweisen. Die Bordnetzversorgungseinrichtung kann, wie zuvor beschrieben wurde, Ladung aus dem Hochspannung-Akkumulator so entnehmen, dass der Hochspannung-Akkumulator insgesamt möglichst leistungsfähig ist und die Leistungsfähigkeit des Hochspannungs-Akkumulators nicht von dessen schlechtesten Modul und/oder von dessen schlechtester Zelle abhängt. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit der zuvor beschriebenen Bordnetzversorgungseinrichtung oder dem zuvor beschriebenen Fahrzeugstromversorgungssystem.The invention also relates to a vehicle power supply system with a high-voltage accumulator having a plurality of series-connected modules and the vehicle electrical system described above. At least one module of the high voltage accumulator may have at least 10%, preferably at least 20%, most preferably at least 25% higher voltage than another module, and / or at least one module of the high voltage accumulator may be at least 10%, preferably at least 20%, most preferably at least 25% higher capacity than another module. The onboard power supply device can, as described above, remove charge from the high voltage accumulator so that the high voltage accumulator is overall as powerful as possible and the performance of the high voltage accumulator does not depend on its worst module and / or its worst cell. The invention also relates to a vehicle with the vehicle electrical system described above or the vehicle power supply system described above.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert, die exemplarische und nicht beschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigen, wobeiThe invention will now be elucidated with reference to the accompanying figures, which show exemplary and not limiting embodiments of the invention, wherein

1 ein Schaltplan einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist; und 1 a circuit diagram of a first embodiment of the invention; and

2 ein Schaltplan einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist. 2 is a circuit diagram of a second embodiment of the invention.

1 zeigt eine erste Ausführungsform 1 der Erfindung mit fünf in Serie geschalteten Batteriemodulen 2, 3, 4, 5, 6, die den Hochspannungs-Akkumulator 10 bilden. An das erste Modul 2 ist ein Hochspannungsschütz 9 angeschlossen. Der Hochspannungsschütz 9 verbindet den Akkumulator 1 mit Ladeanschlüssen 12, einer elektrischen Maschine zum Antreiben des Fahrzeuges und einem zentralen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 14. Der zentrale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 14 versorgt ein Bordnetz, das an den Anschlüssen 11 der Bordnetzversorgungseinrichtung angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist ein erster hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 7 an das vierte Modul 5 des Hochspannungs-Akkumulators und ein zweiter hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 8 an das fünfte Modul 6 des Hochspannungs-Akkumulators angeschlossen. Der erste Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 7 und der zweite Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 8 sind auch am Anschluss 11 der Bordnetzversorgungseinrichtung angeschlossen. 1 shows a first embodiment 1 the invention with five series-connected battery modules 2 . 3 . 4 . 5 . 6 holding the high voltage accumulator 10 form. To the first module 2 is a high voltage contactor 9 connected. The high voltage contactor 9 connects the accumulator 1 with charging connections 12 , an electric machine for driving the vehicle and a central DC / DC converter 14 , The central DC / DC converter 14 provides an electrical system connected to the connections 11 the on-board power supply device is connected. According to the invention, a first high-voltage side DC / DC converter 7 to the fourth module 5 the high-voltage battery and a second high-voltage side DC / DC converter 8th to the fifth module 6 connected to the high-voltage battery. The first DC / DC converter 7 and the second DC / DC converter 8th are also at the terminal 11 connected to the onboard power supply device.

Die Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung 13 steuert die Funktionsweise des zentralen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 14, des ersten hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 7 und des zweiten hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 8. Im Normalbetrieb kann der zentrale Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 14 das Bordnetz über die Anschlüsse 11 versorgen. Falls ermittelt wird, dass das vierte Modul 5 und/oder das fünfte Modul 6 mehr Ladung und/oder eine höhere Spannung als ein anderes Modul des Hochspannungs-Akkumulators 1 aufweisen, können der erste hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 7 und/oder der zweite hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 8 Ladung dem vierten Modul 5 und/oder dem fünften Modul 6 entnehmen und den Anschlüssen des Bordnetzes 11 zuführen. Dadurch können die Kapazität und/oder die Spannung der Module 2, 3, 4, 5, 6 des Hochspannungs-Akkumulators 1 ausbalanciert werden.The on-board power supply control device 13 controls the operation of the central DC / DC converter 14 , the first high voltage side DC / DC converter 7 and the second high voltage side DC / DC converter 8th , In normal operation, the central DC / DC converter 14 the electrical system via the connections 11 supply. If it is determined that the fourth module 5 and / or the fifth module 6 more charge and / or higher voltage than another module of the high voltage battery 1 can, the first high-voltage side DC / DC converter 7 and / or the second high-voltage side DC / DC converter 8th Charge the fourth module 5 and / or the fifth module 6 remove and the connections of the electrical system 11 respectively. This allows the capacity and / or the voltage of the modules 2 . 3 . 4 . 5 . 6 of the high voltage battery 1 to be balanced.

Im Stillstand des Fahrzeuges ist der Hochspannungs-Schütz 9 geöffnet. Folglich kann der zentrale Gleichstrom/Gleichstrom-Wechselrichter 14 die Anschlüsse 11 für das Bordnetz nicht mit Strom versorgen. Daher wird bei geöffneten Hochspannungsschütz 9 das Bordnetz über den ersten hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 7 und/oder den zweiten hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 8 versorgt.At standstill of the vehicle is the high-voltage contactor 9 open. Consequently, the central DC / DC inverter 14 the connections 11 do not supply power to the electrical system. Therefore, when the high voltage contactor is open 9 the electrical system over the first High voltage side DC / DC converter 7 and / or the second high voltage side DC / DC converter 8th provided.

Es wird auf 2 Bezug genommen, die eine zweite Ausführungsform 100 der Bordnetzversorgungseinrichtung zeigt. Ein Akkumulator 101 umfasst fünf in Serie geschaltete Module 102, 103, 104, 105, 106. An das erste Modul 102 ist ein erster hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 107, an das zweite Modul 103 ist ein zweiter hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 108, an das dritte Modul 104 ist ein dritter Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 109, an das vierte Modul 105 ist ein vierter Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 110 und an das fünfte Modul 106 ist ein fünfter Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 111 angeschlossen. Die Ausgänge der hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 107, 108, 109, 110, 111 sind an einen optionalen Zwischenspannungsakkumulator 112 angeschlossen.It will open 2 Reference is made to a second embodiment 100 the electrical system supply device shows. An accumulator 101 includes five modules connected in series 102 . 103 . 104 . 105 . 106 , To the first module 102 is a first high voltage side DC / DC converter 107 , to the second module 103 is a second high voltage side DC / DC converter 108 , to the third module 104 is a third DC / DC converter 109 , to the fourth module 105 is a fourth DC / DC converter 110 and to the fifth module 106 is a fifth DC / DC converter 111 connected. The outputs of the high-voltage side DC / DC converters 107 . 108 . 109 . 110 . 111 are to an optional intermediate voltage accumulator 112 connected.

An den Zwischenkreis-Akkumulator 112 ist ein optionaler niederspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 113 angeschlossen, der über die Anschlüsse 114 ein Bordnetz versorgt. Die Module 102, 103, 104, 105, 106 des Hochspannungs-Akkumulators 101 können über die Anschlüsse 116 geladen werden und/oder die Ladung an eine elektrische Maschine zum Antreiben des Fahrzeuges abgeben. Eine Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung 115 steuert die Arbeitsweise der hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 107, 108, 109, 110, 111, so dass vorzugsweise aus denjenigen Modulen Ladung entnommen wird, die die höchste verfügbare entnehmbare Ladung, die höchste Spannung, die höchste Effizienz und/oder die niedrigste Temperatur aufweisen. Dadurch kann die Reichweite des Fahrzeuges erhöht werden, da vermieden wird, dass die Spannung eines Moduls und/oder die Ladung eines Moduls zu stark abnimmt.To the DC link accumulator 112 is an optional low-voltage DC / DC converter 113 connected via the connections 114 an electrical system supplied. The modules 102 . 103 . 104 . 105 . 106 of the high voltage battery 101 can over the connections 116 be loaded and / or deliver the charge to an electric machine for driving the vehicle. An on-board power supply control device 115 controls the operation of the high-voltage side DC / DC converter 107 . 108 . 109 . 110 . 111 so that preferably charge is taken from those modules which have the highest available removable charge, the highest voltage, the highest efficiency and / or the lowest temperature. As a result, the range of the vehicle can be increased, because it avoids that the voltage of a module and / or the charge of a module decreases too much.

Ferner können Module verwendet werden, die sich hinsichtlich ihrer Kapazität, ihrer Spannung, ihre Einsatzdauer oder dergleichen unterscheiden. Ferner kann das Bordnetz auch bei abgestelltem Fahrzeug und geöffneten Schutz mit Strom versorgt werden. Schließlich wird der Wirkungsgrad der Bordnetzversorgungseinrichtung 100 erhöht, da die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 107, 108, 109, 110, 111 einen hohen Wirkungsgrad aufweisen können und die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler keine Potenzialtrennung zur Verfügung stellen müssen. Lediglich der niederspannungsseitige Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 113 muss bei dieser Ausführungsform eine Potenzialtrennung aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform der Bordnetzversorgungseinrichtung 100 können die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 107, 108, 109, 110, 111 eine Potenzialtrennung aufweisen und der niederspannungsseitige Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 113 muss keine Potenzialtrennung aufweisen.Furthermore, modules may be used that differ in terms of their capacity, their voltage, their service life or the like. Furthermore, the electrical system can be powered even when the vehicle is parked and open protection. Finally, the efficiency of the electrical system supply device 100 increases, since the high-voltage side DC / DC converters 107 . 108 . 109 . 110 . 111 can have a high efficiency and the high-voltage side DC / DC converters do not have to provide isolation. Only the low-voltage side DC / DC converter 113 must have a potential separation in this embodiment. In another embodiment of the electrical system supply device 100 can the high-voltage side DC / DC converters 107 . 108 . 109 . 110 . 111 have a potential separation and the low-voltage side DC / DC converter 113 must have no electrical isolation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Bordnetzversorgungseinrichtung (1; 100), die dazu ausgebildet ist, ein Niederspannung-Bordnetz eines Fahrzeuges mit Strom aus einem Hochspannungs-Akkumulator (10; 101) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Modulen zu versorgen, mit – einer Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, wobei jeder hochspannungsseitige Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (7, 8; 107, 108, 109, 110, 111) mit einem Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) und dem Niederspannung-Bordnetz gekoppelt ist; und – einer Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung (13; 115), die dazu ausgebildet ist, die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (7, 8; 107, 108, 109, 110, 111) so anzusteuern, dass Ladung einem oder mehreren der Module (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) entnommen wird und dem Niederspannungs-Bordnetz zugeführt wird.Onboard power supply device ( 1 ; 100 ), which is adapted to a low-voltage vehicle electrical system of a vehicle with power from a high-voltage battery ( 10 ; 101 ) with a plurality of series-connected modules, with - a plurality of high-voltage side DC / DC converters, each high-voltage side DC / DC converter ( 7 . 8th ; 107 . 108 . 109 . 110 . 111 ) with a module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) and the low voltage electrical system is coupled; and - a vehicle power supply control device ( 13 ; 115 ), which is adapted to the high-voltage side DC / DC converter ( 7 . 8th ; 107 . 108 . 109 . 110 . 111 ) so that charge can be applied to one or more of the modules ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) is taken and the low-voltage electrical system is supplied. Bordnetzversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jedes Modul (102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (101) ein hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (107, 108, 109, 110, 111) angeschlossen ist, der mit dem Niederspannungs-Bordnetz gekoppelt ist.Onboard power supply device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that each module ( 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 101 ) a high-voltage side DC / DC converter ( 107 . 108 . 109 . 110 . 111 ) is connected, which is coupled to the low-voltage electrical system. Bordnetzversorgungseinrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch – einen Zwischenspannungs-Akkumulator (112), der mit der Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlern (107, 108, 109, 110, 111) gekoppelt äst; und – einen niederspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (113), der mit dem Zwischenspannungs-Akkumulator (112) und dem Niederspannungs-Bordnetz gekoppelt ist, wobei das Niederspannungs-Bordnetz über den Zwischenspannungs-Akkumulator (112) und den niederspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (113) mit der Mehrzahl hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (107, 108, 109, 110, 111) gekoppelt ist.Onboard power supply device ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized by - an intermediate voltage accumulator ( 112 ) connected to the plurality of high-voltage side DC / DC converters ( 107 . 108 . 109 . 110 . 111 ) coupled; and a low-voltage side DC / DC converter ( 113 ) connected to the intermediate voltage accumulator ( 112 ) and the low-voltage vehicle electrical system, wherein the low-voltage vehicle electrical system via the intermediate voltage accumulator ( 112 ) and the low-voltage side DC / DC converter ( 113 ) with the plurality of high-voltage side DC / DC converters ( 107 . 108 . 109 . 110 . 111 ) is coupled. Bordnetzversorgungseinrichtung (1; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung (13; 115) dazu ausgebildet ist, die hochspannungsseitigen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler so anzusteuern, dass die Energie dem zu einem aktuellen Zeitpunkt leistungsfähigsten Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) entnommen wird, wobei die Bordnetzversorgungssteuerungseinrichtung (13; 115) bei der Auswahl des leistungsfähigsten Moduls (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) zumindest eine der folgenden Größen berücksichtigt: – die Spannung eines Moduls (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101); – die von einem Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) verfügbare Ladung; – die in einem Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) enthaltene Ladung; – die Effizienz eines Moduls (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101); – die Temperatur eines Moduls (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101).Onboard power supply device ( 1 ; 100 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the onboard power supply control device ( 13 ; 115 ) is adapted to control the high-voltage side DC / DC converters so that the energy is at the most efficient module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ), wherein the onboard power supply control device ( 13 ; 115 ) when selecting the most powerful module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) takes into account at least one of the following parameters: - the voltage of a module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ); - that of a module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) available charge; - in a module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) contained charge; - the efficiency of a module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ); - the temperature of a module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ). Bordnetzversorgungseinrichtung (1; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Niederspannungs-Bordnetz-Akkumulator, der mit dem Niederspannungs-Bordnetz gekoppelt ist.Onboard power supply device ( 1 ; 100 ) according to one of claims 1 to 4, characterized by a low-voltage electrical system accumulator, which is coupled to the low-voltage electrical system. Bordnetzversorgungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederspannungs-Bordnetz mit einem zentralen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (14) gekoppelt ist, der an den Anschluss des Hochspannungs-Akkumulators (10) mit dem höchsten Potential und an den Anschluss des Hochspannungs-Akkumulators (10) mit dem niedrigsten Potential angeschlossen ist.Onboard power supply device ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the low-voltage electrical system with a central DC / DC converter ( 14 ) connected to the terminal of the high-voltage battery ( 10 ) with the highest potential and to the connection of the high voltage accumulator ( 10 ) is connected to the lowest potential. Bordnetzversorgungseinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest eines der Module (2, 3, 4, 5, 6) des Hochspannungs-Akkumulators (10) kein hochspannungsseitiger Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (7, 8) angeschlossen ist.Onboard power supply device ( 1 ) according to claim 6, characterized in that on at least one of the modules ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ) of the high voltage accumulator ( 10 ) no high-voltage side DC / DC converter ( 7 . 8th ) connected. Bordnetzversorgungseinrichtung (1; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch zumindest durch eines von Folgendem: – die Ausgangspannung des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) beträgt etwa 400 V bis etwa 600 V; – die Ausgangsspannung des Zwischenspannungs-Akkumulators (112) beträgt etwa 55 V bis etwa 60 V; – die Ausgangsspannung eines Moduls (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) beträgt etwa 40 V bis etwa 60 V; – die Spannung des Bordnetzes beträgt etwa 11 V bis etwa 15 V; – die Spannung des Bordnetzes beträgt etwa 22 V bis etwa 30 V; – die Spannung des Bordneztes beträgt etwa 44 V bis etwa 50 V.Onboard power supply device ( 1 ; 100 ) according to one of claims 1 to 7, characterized by at least one of the following: - the output voltage of the high-voltage battery ( 10 ; 101 ) is about 400 V to about 600 V; The output voltage of the intermediate voltage accumulator ( 112 ) is about 55 V to about 60 V; The output voltage of a module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) is about 40 V to about 60 V; - The voltage of the electrical system is about 11 V to about 15 V; - The voltage of the electrical system is about 22 V to about 30 V; - The voltage of the on-board power is about 44 V to about 50 V. Fahrzeugstromversorgungssystem, mit – der Bordnetzversorgungseinrichtung (1; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und – einem Hochspannungs-Akkumulator (10; 101) mit einer Mehrzahl in Serie geschalteter Module.Vehicle power supply system, with - the onboard power supply device ( 1 ; 100 ) according to any one of claims 1 to 8 and - a high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) with a plurality of series connected modules. Fahrzeugstromversorgungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) eine um zumindest 10% höhere Spannung als ein anderes Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) aufweist; und/oder – zumindest ein Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) des Hochspannungs-Akkumulators (10; 101) eine um zumindest 10% höhere Kapazität als ein anderes Modul (2, 3, 4, 5, 6; 102, 103, 104, 105, 106) aufweist.Vehicle power supply system according to claim 9, characterized in that - at least one module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) at least 10% higher voltage than another module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) having; and / or - at least one module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) of the high voltage accumulator ( 10 ; 101 ) at least 10% higher capacity than another module ( 2 . 3 . 4 . 5 . 6 ; 102 . 103 . 104 . 105 . 106 ) having.
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