DE102012009825A1 - Spannungsversorgungseinheit - Google Patents

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Abstract

Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinheit (10) für ein HV-Bordnetz und ein LV-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs umfasst ein erstes Ausgangsklemmenpaar (12) zur Kopplung mit einem ersten Stromkreis, ein zweites Ausgangsklemmenpaar (14) zur Kopplung mit einem zweiten Stromkreis, eine Batterie (16) mit einem Ausgang, wobei der Ausgang der Batterie (16) mit dem ersten Ausgangsklemmenpaar (12) der Spannungsversorgungseinheit (10) gekoppelt ist, und einen Gleichspannungswandler (18) mit einem Eingang und einem Ausgang. Der Eingang des Gleichspannungswandlers (18) ist mit dem Ausgang der Batterie (16) gekoppelt und der Ausgang des Gleichspannungswandlers (18) mit dem zweiten Ausgangsklemmenpaar (14) der Spannungsversorgungseinheit (10). Weiterhin ist der Gleichspannungswandler (18) dazu ausgebildet, eine von der Batterie (16) am Eingang des Gleichspannungswandlers (18) bereitgestellten ersten Spannung in eine zweite Spannung zu wandeln, die kleiner ist als die erste Spannung, wobei der Ausgang der Batterie (16) unmittelbar an den Eingang des Gleichspannungswandlers (18) angeschlossen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Die DE 10 2010 019 296 A1 beschreibt eine Spannungsversorgungseinheit für einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, bei der eine Traktionsbatterie, insbesondere eine HV-Batterie, zur Versorgung eines elektrischen Antriebs durch eine Ladebatterie geladen werden kann. Die Ladebatterie kann dabei eine Mehrzahl an LV-Batterien umfassen, die über einen Gleichspannungswandler mit der HV-Batterie gekoppelt sind, um die Spannungsniveaus der HV-Batterie und der Ladebatterie in etwa gleich zu halten.
  • Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik konventionelle LV-Bordnetze bekannt, die eine LV-Bleibatterie und einen verbrennungsmotorgebundenen LV-Generator umfassen. Nachteilig dabei sind das hohe Gewicht der LV-Bleibatterie, der Verschleiß der LV-Bleibatterie und damit zusammenhängende hohe Lebenszykluskosten, sowie auch, dass bei abgeschalteten primären Energiequellen, wie dem Verbrennungsmotor, keine größeren LV-Lasten, wie beispielsweise Infotainment- und Komfortfunktionen, mehr versorgt werden können.
  • Darüber hinaus sind Fahrzeuge mit einer gattungsgemäßen Spannungsversorgungseinheit bekannt, die ein HV-Bordnetz und einen DC/DC-Wandler umfassen, der das LV-Bordnetz aus dem HV-Bordnetz versorgt. Nachteilig dabei ist, dass eine LV-Versorgung aus dem HV-Netz nur bei geschlossenen Batterieschützen und im „aktiven Fahrzustand” möglich ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungsversorgungseinheit für ein HV-Bordnetz und ein LV-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, die eine permanente LV-Versorgung auf kostengünstige Weise ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Spannungsversorgungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinheit für ein HV-Bordnetz und ein LV-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs umfasst ein erstes Ausgangsklemmenpaar zur Kopplung mit einem ersten Stromkreis, ein zweites Ausgangsklemmenpaar zur Kopplung mit einem zweiten Stromkreis, eine Batterie mit einem Ausgang, wobei der Ausgang der Batterie mit dem ersten Ausgangsklemmenpaar der Spannungsversorgungseinheit gekoppelt ist, und einen Gleichspannungswandler mit einem Eingang und einem Ausgang. Dabei sind der Eingang des Gleichspannungswandlers mit dem Ausgang der Batterie und der Ausgang des Gleichspannungswandlers mit dem zweiten Ausgangsklemmenpaar der Spannungsversorgungseinheit gekoppelt. Weiterhin ist der Gleichspannungswandler dazu ausgebildet, eine von der Batterie am Eingang des Gleichspannungswandlers bereitgestellte erste Spannung in eine zweite Spannung zu wandeln, die kleiner ist als die erste Spannung. Erfindungsgemäß ist der Ausgang der Batterie unmittelbar an den Eingang des Gleichspannungswandlers angeschlossen.
  • Somit ist es vorteilhafterweise möglich, auch im Ruhezustand des Fahrzeugs eine Spannungsversorgung für das LV-Bordnetz bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass für das Bereitstellen einer permanenten Spannungsversorgung für das LV-Bordnetz keine separate LV-Bleibatterie erforderlich ist, wodurch eine besonders kostengünstige Spannungsversorgung mit längerem Lebenszyklus bereitgestellt wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Batterie eine HV-Batterie. So eignet sich die Spannungsversorgungseinheit besonders zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere eines Hybrid- und/oder Elektrofahrzeugs.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Potentiale der ersten und zweiten Spannung am Eingang und am Ausgang des Gleichspannungswandlers galvanisch getrennt. Durch die direkte Kopplung des LV-Bordnetzes mit der Batterie, insbesondere der HV-Batterie, wird durch die galvanische Trennung zusätzlich für Sicherheit gesorgt.
  • Des Weiteren kann die Spannungsversorgungseinheit mindestens einen Batterieschütz umfassen, der zwischen dem Ausgang der Batterie und mindestens einer Klemme des ersten Ausgangsklemmenpaares der Spannungsversorgungseinheit angeordnet ist. Bevorzugt ist jeweils ein Batterieschütz zwischen dem Ausgang der Batterie und einer der beiden Ausgangsklemmen der Spannungsversorgungseinheit angeordnet. Durch diese vorteilhafte Anordnung der Batterieschütze, insbesondere durch die Anordnung der Batterieschütze in einer Parallelschaltung zum LV-Stromkreis, wird es ermöglicht, in einem Ruhezustand des Fahrzeugs die Spannungsversorgung zum Motor zu unterbinden und gleichzeitig das LV-Bordnetz weiterhin mit Spannung zu versorgen, auch bei geöffneten Batterieschützen.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kondensator zwischen den Ausgang des Gleichspannungswandlers und das zweite Ausgangsklemmenpaar der Spannungsversorgungseinheit geschaltet. So kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass an das LV-Bordnetz angeschlossene Komponenten durch Spitzenströme, die beispielsweise beim Start des Verbrennungsmotors entstehen können, beschädigt werden. Weiterhin kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass die Spannung im LV Bordnetz bei Spitzenströmen (z. B. Morotstart) nicht einbricht. Weiterhin ermöglichen Kondensatoren die Ruhestromversorgung des LV Bordnetzes bei ausgeschaltetem DCDC Wandler.
  • Bevorzugt ist am ersten Ausgangsklemmenpaar der Spannungsversorgungseinheit eine Gleichspannung bereitstellbar, die größer ist als 60 Volt. Insbesondere ist die Gleichspannung größer als 60 Volt und kleiner als 1500 Volt (d. h. Hochvolt = HV) und besonders bevorzugt derart bemessen, dass ein Elektromotor mittels dieser Spannung betrieben werden kann.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn am zweiten Ausgangsklemmenpaar der Spannungsversorgungseinheit eine Gleichspannung bereitstellbar ist, die kleiner oder gleich 60 Volt (d. h. Niedervolt = LV) ist. So können diverse Komponenten, die am LV-Bordnetz angeschlossen sind und für kleinere Spannungen ausgelegt sind, betrieben werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Spannungsversorgungseinheit ein Gehäuse, dessen Isolationswiderstand und Spannungsfestigkeit die Norm ISO 6469-3 erfüllen. Durch die Abdeckung der HV- und LV-Potentiale durch ein gemeinsames Gehäuse kann somit zusätzlich zur galvanischen Trennung der beiden Stromkreise für ausreichende, insbesondere vorschriftsmäßige, Sicherheit und Berührschutz gesorgt werden.
  • Weiterhin kann die Spannungsversorgungseinheit Sicherungen umfassen, die zwischen den Ausgang der Batterie und das Ausgangsklemmenpaar der Spannungsversorgungseinheit geschaltet sind, und/oder die zwischen den Ausgang des Gleichspannungswandlers und das zweite Ausgangsklemmenpaar der Spannungsversorgungseinheit geschaltet sind. So können an die Spannungsversorgungseinheit angeschlossene Komponenten und Leitungen beim Auftreten von zu hohen Strömen vor Beschädigung geschützt werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der folgenden Zeichnung.
  • Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsversorgungseinheit 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Spannungsversorgungseinheit 10 ist dabei dazu ausgebildet, eine Spannung für ein HV-Bordnetz an einem ersten Ausgangsklemmenpaar 12 und für ein LV-Bordnetz an einem zweiten Ausgangsklemmenpaar 14 bereitzustellen. Zu diesem Zweck umfasst die Spannungsversorgungseinheit 10 eine Batterie 16, insbesondere eine HV-Batterie als HV-Energiespeicher, deren Ausgang mit dem ersten Ausgangsklemmenpaar 12 der Spannungsversorgungseinheit 10 gekoppelt ist. So kann am ersten Ausgangsklemmenpaar 12 eine HV-Spannung zum Betrieb eines HV-Bordnetzes abgegriffen werden. Weiterhin wird über die Batterie 16 auch gleichzeitig die Spannungsversorgung für ein LV-Bordnetz bereitgestellt. Dies wird über die Kopplung des Ausgangs der Batterie 16 mit dem Eingang eines Gleichspannungswandlers 18, insbesondere eines DC/DC-Wandler, ermöglicht, der die HV-Spannung der Batterie 16 in eine LV-Spannung zum Betrieb des LV-Bordnetzes wandelt. Erfindungsgemäß ist dabei der Gleichspannungswandler 18 unmittelbar am Ausgang der Batterie 16 angeschlossen, ohne dazwischen geschaltete Batterieschütze 20. Dies ermöglicht eine permanente Versorgung des LV-Bordnetzes, auch bei abgeschalteten primären Energiequellen, wie z. B. einem Verbrennungsmotor, oder auch bei offenen Batterieschützen 20, denn die Batterieschütze 20 befinden sich gemäß einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung lediglich zwischen dem Ausgang der Batterie 16 und dem ersten Ausgangsklemmenpaar 12 der Spannungsversorgungseinheit 10.
  • Um einen entsprechenden, insbesondere vorschriftsmäßigen, Berührschutz zu gewährleisten, sind zum einen die HV- und LV-Potentiale galvanisch getrennt und zum anderen umfasst die Spannungsversorgungseinheit 10 eine Abdeckung durch ein gemeinsames Gehäuse 22. Dieses ist vorzugsweise dazu ausgebildet, durch eine entsprechende Dimensionierung des Isolationswiderstands und der Spannungsfestigkeit des Gehäuses 22, insbesondere durch eine Isolationswiderstands- und Spannungsfestigkeits-Auslegung nach der Norm ISO 6469-3, eine ausreichende Sicherheit zu gewährleisten. Bevorzugt wird dafür ein Gehäuse inklusive HV- und LV-Verbindern verwendet, insbesondere ein Berührschutz IPXXB der Berührschutz-Klasse „Prüffinger” gemäß ISO 20653. Darüber hinaus kann die Spannungsversorgungseinheit 10 einen Kondensator 24, insbesondere einen LV-Kondensator, umfassen, der zwischen den Ausgang des Gleichspannungswandlers 18 und das zweite Ausgangsklemmenpaar 14 der Spannungsversorgungseinheit 10 geschaltet ist, um Leistungsspitzen zu kompensieren, wie beispielsweise beim Start des Verbrennungsmotors oder der Versorgung eines LV-Lenksystems. Außerdem können Sicherungen 26a und 26b vorgesehen sein, insbesondere LV-Sicherungen 26a, die zwischen den Ausgang des Gleichspannungswandlers 18 und dem zweiten Ausgangsklemmenpaar 14 der Spannungsversorgungseinheit 10 geschaltet sind, und HV-Sicherungen 26b, die zwischen den Ausgang der Batterie 16 und dem ersten Ausgangsklemmenpaar 12 der Spannungsversorgungseinheit 10 geschaltet sind. Eine derartig ausgebildete Spannungsversorgungseinheit 10 kann somit alle LV-Lastsituationen abdecken. Darüber hinaus kann eine Tiefentladung der Batterie 16 durch eine intelligente HV-Spannungsüberwachung und Stromregelung im DC/DC-Wandler verhindert werden.
  • Insgesamt wird so eine gemeinsame Versorgungseinheit für HV- und LV-Bordnetz bereitgestellt, bei der ein DC/DC-Wandler direkt an die HV-Batterie ohne Batterieschütze angebunden ist, wodurch eine konstante Versorgung des LV-Bordnetzes ermöglicht wird. Um dabei für eine ausreichende Sicherheit zu sorgen, ist ein Berührschutz durch die galvanische Trennung der HV- und LV-Potentiale und die Abdeckung durch ein gemeinsames Gehäuse sichergestellt, bei dem die Isolationswiderstands- und Spannungsfestigkeits-Auslegung nach ISO 6469-3 erfüllt ist. Dadurch kann die Versorgungseinheit unabhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs alle LV-Lastsituationen abdecken, wie die konstante Energieversorgung unabhängig von den Primärenergiequellen über den DC/DC-Wandler, die Kompensation von Spitzenströmen, verursacht z. B. durch den Start eines Verbrennungsmotors oder die Versorgung eines LV-Lenksystems, durch einen LV-Kondensator und die Ruhestromversorgung der Fahrzeugsysteme. Weiterhin wird eine Tiefentladung der HV-Batterie durch eine intelligente HV-Spannungsüberwachung und Stromregelung im DC/DC-Wandler verhindert. Durch die Erfindung wird somit das Entfallen einer zusätzlichen LV-Batterie ermöglicht, wodurch sich vorteilhafterweise eine Lebenszyklus-Kostenersparnis und Gewichtsreduktion ergibt, sowie zusätzliche Komfort- und Infotainment-Funktionen bei abgeschalteten Primärenergiequellen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Spannungsversorgungseinheit
    12
    erstes Ausgangsklemmenpaar
    14
    zweites Ausgangsklemmenpaar
    16
    Batterie
    18
    Gleichspannungswandler
    20
    Batterieschütz
    22
    Gehäuse
    24
    Kondensator
    26a
    LV-Sicherungen
    26b
    HV-Sicherungen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010019296 A1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Norm ISO 6469-3 [0015]
    • Norm ISO 6469-3 [0019]
    • ISO 20653 [0019]
    • ISO 6469-3 [0020]

Claims (9)

  1. Spannungsversorgungseinheit (10) für ein HV-Bordnetz und ein LV-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, aufweisend: – ein erstes Ausgangsklemmenpaar (12) zur Kopplung mit einem ersten Stromkreis, – ein zweites Ausgangsklemmenpaar (14) zur Kopplung mit einem zweiten Stromkreis, – eine Batterie (16) mit einem Ausgang, wobei der Ausgang der Batterie (16) mit dem ersten Ausgangsklemmenpaar (12) der Spannungsversorgungseinheit (10) gekoppelt ist, und – einem Gleichspannungswandler (18) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang des Gleichspannungswandlers (18) mit dem Ausgang der Batterie (16) gekoppelt ist, wobei der Ausgang des Gleichspannungswandlers (18) mit dem zweiten Ausgangsklemmenpaar (14) der Spannungsversorgungseinheit (10) gekoppelt ist, und wobei der Gleichspannungswandler (18) dazu ausgebildet ist, eine von der Batterie (16) am Eingang des Gleichspannungswandlers (18) bereitgestellten ersten Spannung in eine zweite Spannung zu wandeln, die kleiner ist als die erste Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Batterie (16) unmittelbar an den Eingang des Gleichspannungswandlers (18) angeschlossen ist.
  2. Spannungsversorgungseinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (16) eine HV-Batterie ist.
  3. Spannungsversorgungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentiale der ersten und zweiten Spannung am Eingang und am Ausgang des Gleichspannungswandlers (18) galvanisch getrennt sind.
  4. Spannungsversorgungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinheit (10) mindestens einen Batterieschütz (20) umfasst, der zwischen dem Ausgang der Batterie (16) und mindestens einer Klemme (12) des ersten Ausgangsklemmenpaares (12) der Spannungsversorgungseinheit (10) angeordnet ist.
  5. Spannungsversorgungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (24) zwischen den Ausgang des Gleichspannungswandlers (18) und das zweite Ausgangsklemmenpaar (14) der Spannungsversorgungseinheit (10) geschaltet ist.
  6. Spannungsversorgungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Ausgangsklemmenpaar (12) der Spannungsversorgungseinheit (10) eine Gleichspannung bereitstellbar ist, die größer ist als 60 Volt.
  7. Spannungsversorgungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten Ausgangsklemmenpaar (14) der Spannungsversorgungseinheit (10) eine Gleichspannung bereitstellbar ist, die kleiner oder gleich 60 Volt ist.
  8. Spannungsversorgungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinheit (10) ein Gehäuse (22) umfasst, dessen Isolationswiderstand und Spannungsfestigkeit die Norm ISO 6469-3 erfüllen.
  9. Spannungsversorgungseinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinheit (10) Sicherungen (26a; 26b) umfasst, die zwischen den Ausgang der Batterie (16) und das erste Ausgangsklemmenpaar (12) der Spannungsversorgungseinheit (10) geschaltet sind, und/oder die zwischen den Ausgang des Gleichspannungswandlers (18) und das zweite Ausgangsklemmenpaar (14) der Spannungsversorgungseinheit (10) geschaltet sind.
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DE102013221577A1 (de) * 2013-10-24 2015-04-30 Zf Friedrichshafen Ag Elektronische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung
DE102019003542A1 (de) 2019-05-20 2020-01-02 Daimler Ag Spannungsversorgungsvorrichtung für ein zumindest teilweise elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, wobei ein erster elektrischer und ein zweiter elektrischer Energiespeicher direkt mit einem Ladeanschluss gekoppelt sind, sowie Verfahren

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DE102010019296A1 (de) 2010-05-04 2011-03-03 Daimler Ag Energieversorgungsvorrichtung mit unterschiedlichen Batterietypen

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