DE102005039104A1 - Bordnetz eines Hybridfahrzeugs mit sicherheitskritischen Verbrauchern - Google Patents

Bordnetz eines Hybridfahrzeugs mit sicherheitskritischen Verbrauchern Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbordnetz (10) zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs, mit einem Traktionsbordnetz (12), einem Standardbordnetz (14) und mindestens einem sicherheitsrelevanten, elektrischen Verbraucher (28), der mit dem Standardbordnetz (14) elektrisch verbunden ist, ferner mit einem den Verbraucher (28) wahlweise mit dem Traktionsbordnetz (12) und/oder dem Standardbordnetz (14) elektrisch verbindenden Koppelelement (18). Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Fahrzeugbordnetzes (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbordnetz zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs, mit einem Traktionsbordnetz, einem Standardbordnetz und mindestens einem sicherheitsrelevanten, elektrischen Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Fahrzeugbordnetze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie weisen dabei häufig einen Klauenpolgenerator, eine Blei-Säure-Batterie, eine Sicherungs- und Relaisbox und einen Kabelbaum zur Energieverteilung auf. An den Kabelbaum sind eine Vielzahl von Verbrauchern angeschlossen, wobei die meisten Verbraucher dauerhaft und/oder schaltbar angeschlossen sind und weitere Verbraucher über eine 12 V-Steckdose temporär angeschlossen werden können. Die Komplexität der Fahrzeugbordnetze hat sich in der Vergangenheit stark erhöht. Es sind heutzutage über viele und oftmals lange Kabelstrecken eine große Anzahl verschiedener Komponenten angeschlossen. Des Weiteren besteht eine große Zahl von Kontaktstellen und bestehen vielfältige Einflussmöglichkeiten, die Teile des Fahrzeugbordnetzes stören können. Daraus kann sich die Situation ergeben, dass die stabile Funktion der Energieversorgung nicht mehr garantiert werden kann. In der Realität zeigen sich die Auswirkungen dahingehend, dass elektrische Probleme mit weitem Abstand die Liste der Ursachen in Pannenstatistiken anführen. Die Probleme in der Energieversorgung sind besonders dann sehr schwerwiegend, wenn möglicherweise die Funktion von sicherheitsrelevanten, elektrischen Verbrauchern, insbesondere drive-by-wire-, brake-by-wire- oder steer-by-wire-Verbrauchern (allgemein X-by-wire-Verbraucher) betroffen sind.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Bei einem Fahrzeugbordnetz zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs, mit einem Traktionsbordnetz, einem Standardbordnetz und mindestens einem sicherheitsrelevanten, elektrischen Verbraucher, der mit dem Standardbordnetz elektrisch verbunden ist, wird erfindungsgemäß ein den Verbraucher wahlweise mit dem Traktionsbordnetz und/oder dem Standardbordnetz elektrisch verbindendes Koppelelement vorgeschlagen. In Hybridfahrzeugen existiert neben einem Standardbordnetz, insbesondere einem konventionellen 14 V-Bordnetz, ein so genanntes Traktionsbordnetz, welches im Wesentlichen dem elektrischen Fahren dient. In diesem Traktionsbordnetz wird erfindungsgemäß eine weitere Möglichkeit gesehen, den Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Die elektrische Verbindung zwischen dem Verbraucher und dem Traktionsbordnetz und/oder dem Standardbordnetz ist dabei insbesondere sehr direkt ausgeführt, das heißt, es sind nur wenige elektrische E lemente zwischengeschaltet, idealerweise nur ein Element oder gar kein Element. Der Verbraucher kann dabei wahlweise nur mit dem Traktionsbordnetz oder nur mit dem Standardbordnetz oder mit Traktions- und Standardbordnetz verbunden werden und sogar, sollte dies in einer besonderen Situation erforderlich sein, von Traktions- und Standardbordnetz abgekoppelt werden. Aufgrund der gesteigerten Flexibilität und der Schaffung einer Redundanz bei der Energieversorgung wird die Zuverlässigkeit bei gleichzeitig niedrigen Zusatzkosten zur Versorgung von X-by-wire-Verbrauchern erhöht.
  • Vorteilhafterweise ist der Verbraucher aus der Gruppe bestehend aus elektrischer Lenkung, elektromechanischer Lenkung, elektrischer Bremse und elektromechanischer Bremse ausgewählt. Dabei handelt es sich um besonders sicherheitsrelevante Verbraucher, deren Energieversorgung permanent sichergestellt sein muss.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verbraucher in einem Teilbordnetz des Fahrzeugbordnetzes mit einem elektrischen Speicher angeordnet und ist insbesondere parallel zu dem Speicher geschaltet. Auf diese Weise kann eine zumindest temporär autarke Energieversorgung des Verbrauchers bereitgestellt werden, da selbst beim Fehlen eines Energieflusses aus dem Traktionsbordnetz und dem Standardbordnetz der Verbraucher aus dem elektrischen Speicher gespeist werden kann. Der elektrische Speicher kann insbesondere einen Akkumulator und/oder einen Kondensator aufweisen.
  • Es ist vorteilhaft, wenn das Koppelelement eine Spannungslageanpassungsvorrichtung aufweist. Auf diese Weise kann der Energie fluss durch das Koppelelement, dabei insbesondere in Richtung des Verbrauchers, beeinflusst werden. Außerdem können fehlerhafte Energieflüsse aus dem Traktions- und/oder Standardbordnetz in Richtung des Verbrauchers verhindert werden.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das Koppelelement einen DC/DC-Wandler auf, der auf einer Seite mit dem Traktionsbordnetz und auf der anderen Seite mit dem Verbraucher verbunden ist. Dabei handelt es sich um eine preiswerte und effektive Möglichkeit, den Energiefluss zwischen Traktionsbordnetz und Verbraucher zu steuern.
  • Mit Vorteil weist das Koppelelement einen DC/DC-Wandler auf, der auf einer Seite mit dem Standardbordnetz und auf der anderen Seite mit dem Verbraucher verbunden ist. Auch hier ergibt sich die gute Einstellbarkeit der gewünschten Energieflüsse.
  • Bevorzugt ist es zudem, dass der DC/DC-Wandler potentialgetrennt ist. Durch eine derartige Trennung der verschiedenen Teile des Fahrzeugbordnetzes wird die Übertragung von Störungen in einem Teil in einen anderen Teil hinein verringert oder unterbunden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das Traktionsbordnetz einen Energiespeicher auf. Dann kann dieser Energiespeicher auch zur Versorgung des Verbrauchers herangezogen werden.
  • Vorteilhafterweise weist der Energiespeicher mindestens zwei elektrisch verbundene Speicherelemente oder Speicherblöcke auf und ist der DC/DC-Wandler für das Traktionsbordnetz mit einem Speicher element oder Speicherblock verbunden. Der Energiespeicher, insbesondere ein Akkumulator, besteht aus einer bestimmten Anzahl von Speicherelementen (Einzelzellen), deren Anzahl sich aus der gewünschten Nennspannung ergibt. So kann sich beispielsweise eine Gesamtspannung von ca. 200 V aus einer Reihenschaltung von 10 Speicherelementen mit jeweils 20 V ergeben. Mehrere Speicherelemente können physikalisch oder logisch als Speicherblöcke verstanden werden. Im genannten Beispiel können sich also Speicherblöcke mit einer Gesamtspannung von 40 V, 60 V, 80 V, 100 V, 120 V, 140 V, 160 V, 180 V und 200 V ergeben. Die Nennspannung eines solchen Speicherelements oder Speicherblocks ist regelmäßig kleiner als die Nennspannung des gesamten Energiespeichers und abhängig von der Art und der Anzahl der Einzelzellen. Es können auch mehrere Speicherblöcke in einem Energiespeicher gebildet werden. Wird der DC/DC-Wandler für das Traktionsbordnetz nun an ein solches Speicherelement oder an einem solchen Speicherblock angeschlossen, so ergibt sich eine einfache Möglichkeit, den Verbraucher zu speisen, insbesondere als Notversorgung. Um den Verbraucher im Notfall über ein Speicherelement oder einen Speicherblock zu versorgen, wird der DC/DC-Wandler vorzugsweise potentialgetrennt ausgeführt und mit Schaltelementen versehen, um eine Abkopplung der Speicherelemente beziehungsweise -blöcke von dem Verbraucher während eines fehlerfreien Normalbetriebs sicherzustellen.
  • Mit Vorteil ist an mehrere Speicherelemente oder Speicherblöcke jeweils ein DC/DC-Wandler angeschlossen. Dadurch lässt sich der Verbraucher über mehrere DC/DC-Wandler redundant versorgen oder lassen sich mehrere Verbraucher jeweils einzeln oder kombiniert von mehreren DC/DC-Wandlern speisen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugbordnetzes mit einem Traktionsbordnetz, einem Standardbordnetz und mindestens einem sicherheitsrelevanten, elektrischen Verbraucher, der mit dem Standardbordnetz elektrisch verbunden ist, wobei erfindungsgemäß der Verbraucher wahlweise mit dem Traktionsbordnetz und/oder dem Standardbordnetz elektrisch verbunden wird. Auch hier ist unter der elektrischen Verbindung insbesondere eine nahezu unmittelbare Verbindung zu verstehen, um möglichst wenig Elemente, die einen Defekt erleiden könnten, zwischenzuschalten.
    •
  • Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nun anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugbordnetzes zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugbordnetzes, und
  • 3 eine Detailansicht des zweiten Ausführungsbeispiels.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt ein Fahrzeugbordnetz 10 zur Energieversorgung eines nicht näher dargestellten Hybridfahrzeugs. Das Fahrzeugbordnetz 10 ist zum besseren Verständnis vereinfacht in ein Traktionsbordnetz 12, ein Standardbordnetz 14, ein Teilbordnetz 16 und in ein Koppelelement 18 aufgeteilt. Das Traktionsbordnetz 12 weist mindestens eine elektrische Maschine 20 und einen entsprechenden Pulswechselgleichrichter 22 auf. Mittels der gestrichelten Linien ist angedeutet, dass auch weitere elektrische Maschinen und Pulswechselrichter vorhanden sein können. Des Weiteren wird ein elektrischer Speicher 24 (beziehungsweise allgemein eine beliebige Kombination von elektrischen Speichern) in dem Traktionsbordnetz 12 verwendet. Außerdem ist dem Traktionsbordnetz 12 ein potentialgetrennter, erster DC/DC-Wandler 25 zugeordnet, der die elektrische Verbindung zwischen dem Traktionsbordnetz 12 und dem Standardbordnetz 14 bereitstellt. Dabei können vorzugsweise Akkumulatoren (zum Beispiel Nickelmetallhydrid) oder Kondensatoren (zum Beispiel Supercap) eingesetzt werden. Die Spannungslage des Traktionsbordnetzes 12 liegt über der Spannungslage des Standardbordnetzes 14, welches hier neben der Fahrzeugbatterie 26 lediglich symbolisch weitere Elemente enthält. Im Teilbordnetz 16 ist ein sicherheitsrelevanter Verbraucher 28, hier eine elektrische Lenkung 30, parallel zu einem elektrischen Speicher 32 angeordnet. Mittels der gestrichelten Linie wird angedeutet, dass auch weitere elektrische Speicher vorhanden sein können. Das Koppelelement 18 weist einen potentialgetrennten, zweiten DC/DC-Wandler 34 auf, der die elektrische Verbindung zwischen dem Traktionsbordnetz 12 und dem Teilbordnetz 16 herstellt. Ferner verfügt das Koppelelement 18 über einen dritten DC/DC-Wandler 36, über den die elektrische Verbindung zwischen dem Standardbordnetz 14 und dem Teilbordnetz 16 hergestellt wird.
  • Im Normalbetrieb wird das Teilbordnetz 16, also insbesondere der Verbraucher 28, aus dem Standardbordnetz 14 gespeist. Die Energie wird von der Fahrzeugbatterie 26 bereitgestellt, die wiederum aus dem Traktionsbordnetz 12 (gegebenenfalls auch noch aus zusätzlichen Quellen) gespeist wird. Tritt nun eine Situation ein, in der die Energieversorgung des Verbrauchers 28 durch das Standardbordnetz 14 nicht mehr sichergestellt werden kann, so wird der zweite DC/DC-Wandler 34 derart geschaltet, dass sich ein Energiefluss aus dem Traktionsbordnetz 12 in das Teilbordnetz 16 einstellt. Sollte es sich bei dem aufgetretenen Problem um eine erhebliche Störung aus dem Standardbordnetz 14 handeln, so kann das Standardbordnetz 14 vom Teilbordnetz 16 abgekoppelt werden. Die Speisung des Teilbordnetzes 16 erfolgt dann ausschließlich aus dem Traktionsbordnetz 12. Sollte nun außerdem eine Fehlfunktion im Traktionsbordnetz 12 auftreten, so kann auch das Traktionsbordnetz 12 vom Teilbordnetz 16 abgekoppelt werden. In diesem Fall wird der Verbraucher 28 autark aus dem Speicher 32 gespeist, der während des Normalbetriebs geladen wurde. Es sei darauf hingewiesen, dass die Speisung aus dem Traktionsbordnetz 12 sowohl durch die elektrische Maschine 20 im Generatorbetrieb als auch durch den Energiespeicher 24 erfolgen kann. Durch die redundante Auslegung und die vorteilhafte Nutzung des Traktionsbordnetzes 12 ist die Energieversorgung des Verbrauchers 28 zuverlässig sichergestellt.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugbordnetzes 10 ist in der 2 dargestellt. Da es sich dabei im Wesentlichen um den aus der 1 bekannten Aufbau handelt und gleiche Bezugszeichen mit gleicher Bedeutung weiterverwendet wurden, wird für die grundlegende Funktion auf die Ausführungen zur 1 verwiesen.
  • Die Besonderheit der 2 liegt darin, dass der zweite DC/DC-Wandler 34 nicht mehr die Gesamtspannung des Traktionsbordnetzes 12, sondern eine Teilspannung abgreift. Auf den betreffenden Bereich wird hier mittels einer strichpunktierten Linie hingewiesen.
  • Eine Detailvergrößerung des maßgeblichen Unterschieds zwischen der 2 und der 1 ist in der 3 dargestellt. Es wird dabei verdeutlicht, dass der Energiespeicher 24 hier beispielhaft sechs Speicherelemente 38 aufweist, wobei hier die jeweils zwei gekennzeichneten Speicherelemente als Speicherblöcke 40 verstanden werden sollen. Der zweite DC/DC-Wandler 34 greift nunmehr die Spannung eines Speicherblocks 40 ab und kann insbesondere eine Notversorgung des Verbrauchers 28 bewirken. Mittels der punktierten Linie ist angedeutet, dass die Verbraucherversorgung speicherabhängig auf mehrere Kreise beziehungsweise mehrere Verbraucher 28 erweitert werden kann.
  • Die Erfindung steigert die Flexibilität der Energieversorgung und schafft Redundanzen, die die Zuverlässigkeit der Versorgung von X-by-wire-Verbrauchern erhöht.

Claims (11)

  1. Fahrzeugbordnetz (10) zur Energieversorgung eines Hybridfahrzeugs, mit einem Traktionsbordnetz (12), einem Standardbordnetz (14) und mindestens einem sicherheitsrelevanten, elektrischen Verbraucher (28), der mit dem Standardbordnetz (14) elektrisch verbunden ist, gekennzeichnet durch ein den Verbraucher (28) wahlweise mit dem Traktionsbordnetz (12) und/oder dem Standardbordnetz (14) elektrisch verbindendes Koppelelement (18).
  2. Fahrzeugbordnetz (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (28) aus der Gruppe bestehend aus elektrischer Lenkung (30), elektromechanischer Lenkung, elektrischer Bremse und elektromechanischer Bremse ausgewählt ist.
  3. Fahrzeugbordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (28) in einem Teilbordnetz (16) des Fahrzeugbordnetzes (10) mit einem elektrischen Speicher (32) angeordnet ist und insbesondere parallel zu dem Speicher (32) geschaltet ist.
  4. Fahrzeugbordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (18) eine Spannungslageanpassungsvorrichtung (34, 36) aufweist.
  5. Fahrzeugbordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (18) einen DC/DC-Wandler (34) aufweist, der auf einer Seite mit dem Traktionsbordnetz (12) und auf der anderen Seite mit dem Verbraucher (28) verbunden ist.
  6. Fahrzeugbordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (18) einen DC/DC-Wandler (36) aufweist, der auf einer Seite mit dem Standardbordnetz (14) und auf der anderen Seite mit dem Verbraucher (28) verbunden ist.
  7. Fahrzeugbordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (34) potenzialgetrennt ist.
  8. Fahrzeugbordnetz (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Traktionsbordnetz (12) einen Energiespeicher (24) aufweist.
  9. Fahrzeugbordnetz (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (24) mindestens zwei elektrisch verbundene Speicherelemente (38) oder Speicherblöcke (40) aufweist und der DC/DC-Wandler (34) für das Traktionsbordnetz (12) mit einem Speicherelement (38) oder Speicherblock (40) verbunden ist.
  10. Fahrzeugbordnetz (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an mehrere Speicherelemente (38) oder Speicherblöcke (40) jeweils ein DC/DC-Wandler (34) angeschlossen ist.
  11. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugbordnetzes (10) mit einem Traktionsbordnetz (12), einem Standardbordnetz (14) und mindestens einem sicherheitsrelevanten, elektrischen Verbraucher (28), der mit dem Standardbordnetz (12) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (28) wahlweise mit dem Traktionsbordnetz (12) und/oder dem Standardbordnetz (14) elektrisch verbunden wird.
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