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Die Erfindung betrifft eine Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 103 14 360 A1 beschrieben, eine Spannungsversorgung für ein Fahrzeug bekannt, bei der zur Versorgung eines Spannungsbordnetzes und/oder für einen elektrischen Fahrzeugantrieb mindestens zwei Spannungskreise mit unterschiedlichen Spannungsniveaus geschaltet sind. Zur Energieeinspeisung ist mindestens eine Energiequelle vorgesehen. Diese Energiequelle ist ein Energiewandler, der als ein Brennstoffzellen-Stack aus in Serie geschalteten Brennstoffzellenelementen ausgebildet ist. Der Brennstoffzellen-Stack weist einen Mehrfachspannungsabgriff auf, über den die für die Spannungskreise vorgesehenen jeweiligen Spannungsniveaus abgreifbar sind und die den Spannungskreisen zugeordneten Verbraucher versorgbar sind.
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In der
DE 10 2011 105 971 A1 wird eine Bordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Die Bordnetzanordnung umfasst ein erstes Bordnetz zum Bereitstellen einer ersten elektrischen Spannung und ein zweites Bordnetz zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Spannung, wobei die zweite elektrische Spannung im Vergleich zu der ersten elektrischen Spannung einen höheren Wert aufweist. Des Weiteren umfasst die Bordnetzanordnung eine Begrenzungseinrichtung mit einem Lastzweig, der mit dem zweiten Bordnetz koppelbar ist und über den zum Begrenzen des Werts der zweiten elektrischen Spannung ein Spannungsabfall erzeugbar ist. Der Lastzweig weist einen Spannungsabgriff auf, der mit dem ersten Bordnetz verbindbar ist und an dem über den Spannungsabfall an dem zweiten Bordnetz eine elektrische Spannung mit dem Wert der ersten elektrischen Spannung zur Versorgung des ersten Bordnetzes bereitstellbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine elektrische Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug umfasst zumindest zwei elektrische Bordnetze, ein erstes elektrisches Bordnetz zum Bereitstellen einer ersten elektrischen Spannung und ein zweites elektrisches Bordnetz zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Spannung, wobei die zweite elektrische Spannung einen höheren Wert aufweist als die erste elektrische Spannung.
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Erfindungsgemäß sind die beiden Bordnetze mit einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher elektrisch verbindbar oder verbunden, wobei der elektrische Energiespeicher eine Mehrzahl von Speichereinheiten mit jeweils vorgegebenen Ausgangsspannungswerten aufweist. Das zweite Bordnetz ist im mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbundenen Zustand mit einer Anzahl seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers elektrisch verbunden, deren Gesamtausgangsspannungswert einem vorgegebenen Eingangsspannungswert des zweiten Bordnetzes entspricht. Das erste Bordnetz ist zu dessen elektrischer Energieversorgung im mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbundenen Zustand mit einer Speichereinheit oder mit einer Anzahl seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers elektrisch verbunden, deren Ausgangsspannungswert bzw. deren Gesamtausgangsspannungswert einem vorgegebenen Eingangsspannungswert des ersten Bordnetzes entspricht.
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In einer Bordnetzanordnung eines Fahrzeugs, welche mehrere Bordnetze umfasst, die unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen, beispielsweise in einem so genannten Zweispannungsbordnetz, ist eine Energieverteilung zwischen den Bordnetzen erforderlich. Falls eine Energieerzeugung im zweiten Bordnetz erfolgt, d. h. im Bordnetz mit der höheren Spannung, so ist eine Umsetzung der Spannung zum mit einer geringeren Spannung betriebenen ersten Bordnetz erforderlich, um einen Energiefluss sicherzustellen.
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In Fahrzeugen nach dem Stand der Technik wird dies beispielsweise mittels eines Gleichspannungswandlers durchgeführt, auch als DC-DC-Wandler bezeichnet. Dabei ist zur Erhöhung einer Ausfallsicherheit eine zusätzliche Batterie im mit der niedrigeren Spannung betriebenen ersten Bordnetz erforderlich. Durch den Gleichspannungswandler und die zusätzliche Batterie weist das Fahrzeug ein höheres Gewicht auf, woraus ein entsprechend höherer Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß resultieren. Zudem verursachen die Batterie und der Gleichspannungswandler höhere Kosten und zum Installieren des Gleichspannungswandlers und der Batterie ist ein entsprechend größerer Bauraum im Fahrzeug erforderlich. Des Weiteren weisen der Gleichspannungswandler und die Batterie Energieverluste auf.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht neben der Energieversorgung des zweiten, mit der höheren Spannung betriebenen Bordnetzes auch die Energieversorgung des ersten, mit der geringeren Spannung betriebenen Bordnetzes mit einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher. Durch eine entsprechende Verschaltung der Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers, welche vorzugsweise aktiv ausgeführt ist, ist eine Energieversorgung des zweiten Bordnetzes und des Weiteren eine Tiefsetzung der Spannung mit Energieübertragung zum ersten Bordnetz, d. h. auch eine Energieversorgung des ersten Bordnetzes über den elektrischen Energiespeicher ohne zusätzliche Komponenten wie den Gleichspannungswandler und die zusätzliche Batterie ermöglicht. Daraus resultieren Kosteneinsparungen und ein geringeres Gewicht des Fahrzeugs und dadurch erreichbare Kraftstoffverbrauchs- und Schadstoffausstoßreduzierungen. Des Weiteren ist ein geringerer Bauraum im Fahrzeug für die Bordnetzanordnung erforderlich und es treten geringere Energieverluste auf.
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Zweckmäßigerweise ist der elektrische Energiespeicher als ein elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet, insbesondere als ein Akkumulator, d. h. als ein wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher. Die Speichereinheiten dieses elektrochemischen Energiespeichers sind dann jeweils als Einzelzelle oder zweckmäßigerweise jeweils als Zellblock ausgebildet, wobei die Zellblöcke jeweils eine Mehrzahl parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen aufweisen. Ein derartiger elektrochemischer Energiespeicher wird beispielsweise auch als Hochvoltbatterie bezeichnet. Alternativ kann der elektrische Energiespeicher beispielsweise auch aus einer Mehrzahl von Kondensatoren gebildet sein, beispielsweise aus so genannten Supercaps, wobei die Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers dann jeweils durch einen Kondensator oder durch eine Mehrzahl parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschalteter Kondensatoren gebildet sind. Auch eine Kombination aus diesen beiden Varianten zur Ausbildung des elektrischen Energiespeichers ist möglich.
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Vorzugsweise ist das zweite Bordnetz mit einer elektrischen Energiequelle koppelbar oder gekoppelt. Über diese Energiequelle ist der elektrische Energiespeicher mit elektrischer Energie zu versorgen, d. h. aufzuladen. Die Energiequelle ist zweckmäßigerweise als eine elektrische Maschine ausgebildet. Dabei kann es sich bei der elektrischen Maschine um einen elektrischen Generator handeln, d. h. die elektrische Maschine weist im Fahrzeug lediglich die elektrische Generatorfunktion auf, oder die elektrische Maschine ist vorzugsweise sowohl als elektrischer Generator als auch als Elektromotor zu nutzen, d. h. die elektrische Maschine ist im Fahrzeug als Generator zu betreiben, um die Bordnetzanordnung mit elektrischer Energie zu versorgen, als auch als Elektromotor zu betreiben, so dass die elektrische Maschine dann als ein elektrischer Antriebsmotor des Fahrzeugs wirkt. Der Antrieb des Fahrzeugs kann dabei allein durch die elektrische Maschine oder in Kombination mit einem weiteren Antriebsmittel erfolgen, beispielsweise einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs. Alternativ kann die Energiequelle beispielsweise auch als zumindest eine Brennstoffzelle ausgebildet sein. Auch eine Kombination mehrer verschiedener Energiequellen ist möglich.
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Vorteilhafterweise entspricht der Ausgangsspannungswert jeder der Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers dem Eingangsspannungswert des ersten Bordnetzes. Auf diese Weise ist das erste Bordnetz zu dessen elektrischer Energieversorgung mit jeweils einer der Speichereinheiten zu verbinden und es ist ein einfacher und schneller Wechsel zwischen den Speichereinheiten ermöglicht, d. h. das erste Bordnetz ist auf einfache und schnelle Weise von einer Speichereinheit zu trennen und mit einer anderen Speichereinheit zu verbinden. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Nutzung aller Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers, wodurch eine übermäßige Belastung einzelner Speichereinheiten durch das erste Bordnetz vermieden ist. Die jeweils nicht mit dem ersten Bordnetz verbundenen Speichereinheiten sind in dieser Zeit über das zweite Bordnetz wieder aufzuladen. Eine aufwändige zusätzliche serielle elektrische Verbindung mehrerer Speichereinheiten untereinander, um die niedrige Spannung des ersten Bordnetzes zu erreichen, und ein Wechseln dieser Verbindungen bei einem Wechsel der das erste Bordnetz versorgenden Speichereinheiten ist dann nicht erforderlich.
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Vorzugsweise entspricht der Gesamtausgangsspannungswert aller Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers, wenn diese seriell elektrisch miteinander verschaltet sind, dem Eingangsspannungswert des zweiten Bordnetzes. D. h. für die Verbindung des elektrischen Energiespeichers mit dem zweiten Bordnetz sind dann alle Speichereinheiten seriell elektrisch miteinander verschaltet, so dass die hohe Spannung des zweiten Bordnetzes erreicht ist und die Energieversorgung des zweiten Bordnetzes und/oder das Laden des elektrischen Energiespeichers mittels der Energiequelle ermöglicht ist.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Bordnetzanordnung eine Mehrzahl von ersten Schalteinheiten zum Schalten der Verbindungen der Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers zum ersten Bordnetz. Mittels dieser Schalteinheiten ist das erste Bordnetz jeweils mit einer Speichereinheit oder, wenn dies, wie oben bereits beschrieben, erforderlich sein sollte, um die niedrige Spannung des ersten Bordnetzes zu erreichen, mit mehreren seriell elektrisch verbundenen Speichereinheiten zu verbinden. Dabei ermöglichen die Schalteinheiten ein schnelles und einfaches Trennen des ersten Bordnetzes von der jeweiligen Speichereinheit bzw. den jeweiligen Speichereinheiten und danach das Verbinden mit einer anderen Speichereinheit bzw. mehreren anderen Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers. Dadurch sind die Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers während eines Betriebs des Fahrzeugs gleichmäßig vom ersten Bordnetz zu nutzen, so dass eine übermäßige Belastung einzelner der Speichereinheiten durch das erste Bordnetz vermieden ist.
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Vorzugsweise umfasst die Bordnetzanordnung eine Mehrzahl von zweiten Schalteinheiten zum Schalten der Verbindungen der Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers zum zweiten Bordnetz. Mit diesen zweiten Schalteinheiten ist das zweite Bordnetz vom Energiespeicher zu trennen. Insbesondere ist mit diesen zweiten Schalteinheiten jedoch auch ein Umschalten des ersten Bordnetzes von einer Speichereinheit oder mehreren Speichereinheiten auf eine andere Speichereinheit bzw. mehrere andere Speichereinheiten ohne einen Spannungseinbruch im ersten Bordnetz ermöglicht. Um dies zu erreichen, sind mittels der zweiten Schalteinheiten die seriellen elektrischen Verbindungen zwischen den beteiligten Speichereinheiten, welche vom ersten Bordnetz zu trennen bzw. mit diesem zu verbinden sind, zu trennen. Danach ist mittels erster Schalteinheiten die Verbindung des ersten Bordnetzes mit einer weiteren Speichereinheit oder mehreren weiteren Speichereinheiten aufzubauen und dann erst die Verbindung zur bisherigen Speichereinheit bzw. zu den bisherigen Speichereinheiten zu trennen. Dadurch ist ein Umschalten des ersten Bordnetzes zwischen den Speichereinheiten ohne einen Spannungseinbruch im ersten Bordnetz ermöglicht. Danach sind die seriellen elektrischen Verbindungen zwischen den Speichereinheiten mittels der zweiten Schalteinheiten wieder zu schließen, so dass die Speichereinheiten wieder mit dem zweiten Bordnetz elektrisch verbunden sind.
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Vorteilhafterweise weisen das erste Bordnetz und/oder das zweite Bordnetz jeweils eine Einheit zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung von Spannungsschwankungen auf. Diese Einheit oder Einheiten ist/sind beispielsweise als ein Kondensator oder als ein Filter ausgebildet. Im oben beschriebenen Fall erfolgt durch das Öffnen der seriellen Verbindungen zwischen den Speichereinheiten mittels der zweiten Schalteinheiten ein Spannungseinbruch im zweiten Bordnetz. Mittels der Einheit zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung von Spannungsschwankungen ist dieser Spannungseinbruch zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, so dass eine gleichmäßige oder zumindest weitgehend gleichmäßige Energieversorgung des zweiten Bordnetzes sichergestellt ist. Weist die Bordnetzanordnung keine zweiten Schalteinheiten auf, so ist das erste Bordnetz zum Wechseln der dieses versorgenden Speichereinheiten jeweils von der aktuellen Speichereinheit bzw. von den aktuellen Speichereinheiten zu trennen und danach mit einer anderen Speichereinheit bzw. mehreren anderen Speichereinheiten zu verbinden. Daraus resultiert während des Umschaltens ein Spannungseinbruch im ersten Bordnetz, welcher durch die Einheit zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung von Spannungsschwankungen im ersten Bordnetz zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Bordnetze im mit dem elektrischen Energiespeicher verbundenen Zustand ein gemeinsames Massepotential auf. Dadurch sind keine unterschiedlichen Masseleitungen für das erste Bordnetz und das zweite Bordnetz erforderlich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das erste Bordnetz eine Mehrzahl von Anschlussleitungspaaren zur elektrischen Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher auf, wobei die Anschlussleitungspaare mit unterschiedlichen Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers elektrisch verbindbar sind. Dadurch ist eine redundante Verbindung des ersten Bordnetzes zum elektrischen Energiespeicher und auf diese Weise eine redundante elektrische Energieversorgung des ersten Bordnetzes sichergestellt. Bei Störungen in einem Anschlussleitungspaar, zum Beispiel aufgrund einer Unterbrechung oder eines Kurzschlusses, ist das andere Anschlussleitungspaar weiterhin nutzbar, so dass die diesem zugeordnete Speichereinheit oder Mehrzahl von Speichereinheiten weiterhin zur Energieversorgung des ersten Bordnetzes nutzbar ist.
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Zweckmäßigerweise ist das erste Bordnetz zum Laden des elektrischen Energiespeichers mit einer Speichereinheit oder mit einer Anzahl parallel elektrisch verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers elektrisch verbindbar oder verbunden. Dies ermöglicht ein Laden der Speichereinheiten über das erste Bordnetz und dadurch beispielsweise eine Notstartfähigkeit des Fahrzeugs bei entladenem Energiespeicher. Da üblicherweise Ladegeräte für hohe Spannungen zum Laden des als Hochvoltbatterie ausgebildeten Energiespeichers nicht problemlos verfügbar sind, ist auf diese Weise der Energiespeicher beispielsweise mittels eines 12 Volt Ladegerätes zu laden, so dass danach zumindest ein Starten des Fahrzeugs, d. h. eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, ermöglicht ist.
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Während des Ladens ist der elektrische Energiespeicher vorzugsweise vom zweiten Bordnetz getrennt. Nach einer Mindestladedauer ist der elektrische Energiespeicher zum Starten des Verbrennungsmotors wieder mit dem zweiten Bordnetz zu verbinden. Das Trennen vom zweiten Bordnetz und das erneute Verbinden mit diesem erfolgt dabei zweckmäßigerweise über die zweiten Schalteinheiten. Ein weiteres Laden des elektrischen Energiespeichers kann danach mittels des Generators im zweiten Bordnetz erfolgen. Sind, wie oben beschrieben, mehrere Speichereinheiten seriell zu verschalten, um das Spannungsniveau des ersten Bordnetzes zu erreichen, so bleiben diese Speichereinheiten her natürlich auch seriell miteinander verschaltet und eine Mehrzahl dieser seriell verschalteten Speichereinheiten sind dann parallel verschaltet mit dem ersten Bordnetz zum Laden über dieses erste Bordnetz zu verbinden.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer derartigen Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug wird das erste Bordnetz zu dessen elektrischer Energieversorgung in Abhängigkeit zumindest einer vorgegebenen Bedingung von einer Speichereinheit oder einer Anzahl seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers getrennt und mit einer anderen Speichereinheit oder einer Anzahl anderer seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers verbunden. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Nutzung und Belastung der Speichereinheiten durch das erste Bordnetz, so dass eine übermäßige Belastung einzelner Speichereinheiten durch das erste Bordnetz vermieden wird. Die vorgegebene Bedingung ist beispielsweise ein Abfall einer Kapazität und/oder einer Ausgangsspannung der aktuell mit dem ersten Bordnetz verbundenen Speichereinheit bzw. Speichereinheiten unter einen vorgegebenen Grenzwert. Auf diese Weise werden ein zu starkes Entladen oder ein Tiefentladen der jeweiligen Speichereinheit bzw. Speichereinheiten vermieden und eine ausreichende Energieversorgung des ersten Bordnetzes sichergestellt. Vorteilhafterweise ist die vorgegebene Bedingung oder eine der vorgegebenen Bedingungen ein vorgegebenes Zeitintervall, nach welchem der Wechsel auf eine andere Speichereinheit oder mehrere andere Speichereinheiten durchzuführen ist.
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D. h. das erste Bordnetz wird zu dessen elektrischer Energieversorgung vorzugsweise zyklisch von einer Speichereinheit oder einer Anzahl seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers getrennt und mit einer anderen Speichereinheit oder einer Anzahl anderer seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers verbunden. Dadurch wird eine gleichmäßige Nutzung und Belastung der Speichereinheiten durch das erste Bordnetz ermöglicht, so dass eine übermäßige Belastung einzelner Speichereinheiten durch das erste Bordnetz vermieden wird.
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Vorzugsweise werden im Verfahren, wie bereits oben beschrieben, zum Laden der Speichereinheiten über das erste Bordnetz mehrere oder alle Speichereinheiten parallel elektrisch verschaltet mit dem ersten Bordnetz verbunden. Dies ermöglicht, wie bereits beschrieben, ein Laden der Speichereinheiten über das erste Bordnetz und dadurch beispielsweise eine Notstartfähigkeit des Fahrzeugs bei entladenem Energiespeicher. Da üblicherweise Ladegeräte für hohe Spannungen zum Laden des als Hochvoltbatterie ausgebildeten Energiespeichers nicht problemlos verfügbar sind, ist auf diese Weise der Energiespeicher beispielsweise mittels eines 12 Volt Ladegerätes zu laden, so dass danach zumindest ein Starten des Fahrzeugs, d. h. eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, ermöglicht ist.
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Während des Ladens ist der elektrische Energiespeicher, wie bereits beschrieben, vorzugsweise vom zweiten Bordnetz getrennt. Nach einer Mindestladedauer wird der elektrische Energiespeicher zum Starten des Verbrennungsmotors wieder mit dem zweiten Bordnetz verbunden. Das Trennen vom zweiten Bordnetz und das erneute Verbinden mit diesem wird dabei zweckmäßigerweise über die zweiten Schalteinheiten durchgeführt. Ein weiteres Laden des elektrischen Energiespeichers kann danach mittels des Generators im zweiten Bordnetz erfolgen.
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Weist die Bordnetzanordnung die bereits beschriebene Mehrzahl von Anschlussleitungspaaren zur elektrischen Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher auf, wobei die Anschlussleitungspaare mit unterschiedlichen Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers elektrisch verbindbar sind, so wird im Verfahren bei einer Störung in einem Anschlussleitungspaar, zum Beispiel aufgrund einer Unterbrechung oder eines Kurzschlusses, das andere Anschlussleitungspaar genutzt, so dass die diesem zugeordnete Speichereinheit oder Mehrzahl von Speichereinheiten weiterhin zur Energieversorgung des ersten Bordnetzes nutzbar ist. Dies wird zweckmäßigerweise durch eine entsprechende Schaltung der ersten und zweiten Schalteinheiten realisiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein Zweispannungsbordnetz nach dem Stand der Technik,
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2 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung,
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3 schematisch eine erste Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung,
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4 schematisch eine zweite Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung,
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5 schematisch eine dritte Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung,
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6 schematisch ein erster Schaltzustand einer dritten Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung,
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7 schematisch ein zweiter Schaltzustand einer dritten Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung,
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8 schematisch ein dritter Schaltzustand einer dritten Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung,
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9 schematisch ein vierter Schaltzustand einer dritten Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung,
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10 schematisch ein Beispiel einer Energieversteilung in einer Bordnetzanordnung,
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11 schematisch eine grafische Darstellung einer Ladebilanz aller Speichereinheit des elektrischen Energiespeichers,
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12 schematisch eine grafische Darstellung eines Lade- und Entladezyklus zweier Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers im Zeitverlauf,
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13 schematisch ein Schaltzustand einer Bordnetzanordnung zum Laden des Energiespeichers über ein erstes Bordnetz der Bordnetzanordnung, und
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14 schematisch eine vierte Verschaltungsmöglichkeit einer Bordnetzanordnung.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Zweispannungsbordnetz 1 nach dem Stand der Technik für ein hier nicht näher dargestelltes Fahrzeug. Dieses Zweispannungsbordnetz 1 umfasst ein erstes Bordnetz B1 zum Bereitstellen einer ersten elektrischen Spannung U1 und ein zweites Bordnetz B2 zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Spannung U2. Dabei weist die zweite elektrische Spannung U2 einen höheren Wert auf als die erste elektrische Spannung U1. Beispielsweise weist die zweite elektrische Spannung U2 des zweiten Bordnetzes B2 einen Wert von 48 Volt auf. Es handelt sich hier also um ein so genanntes Hochvolt-Bordnetz. Die erste elektrische Spannung U1 des ersten Bordnetzes B1 weist beispielsweise einen Wert von 12 Volt auf. Es handelt sich hierbei also um ein so genanntes Niedervolt-Bordnetz, wie es in aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotorfahrzeugen üblich und weit verbreitet ist. D. h. in diesem Beispiel beträgt der Spannungswert des zweiten Bordnetzes B2 das Vierfache des Spannungswertes des ersten Bordnetzes B1. Im zweiten Bordnetz B2 ist zur Energieerzeugung eine als elektrischer Generator ausgebildete Energiequelle 2 angeordnet. Des Weiteren weist das zweite Bordnetz B2 eine Batterie 3 auf. Beide Bordnetze B1, B2 weisen jeweils einen Verbraucherwiderstand W1, W2 auf.
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In einem derartigen Zweispannungsbordnetz 1, ist eine Energieverteilung zwischen den Bordnetzen B1, B2 erforderlich. Falls, wie in dem dargestellten Beispiel, eine Energieerzeugung im zweiten Bordnetz B2 mit der höheren zweiten elektrischen Spannung U2 erfolgt, so ist eine Umsetzung der Spannung zum mit der geringeren ersten elektrischen Spannung U1 betriebenen ersten Bordnetz B1 erforderlich, um einen Energiefluss sicherzustellen. In Fahrzeugen nach dem Stand der Technik wird dies, wie in 1 dargestellt, mittels eines Gleichspannungswandlers 4 durchgeführt, auch als DC-DC-Wandler bezeichnet. Dabei ist zur Erhöhung einer Ausfallsicherheit eine zusätzliche Batterie 5 im mit der niedrigeren ersten elektrischen Spannung U1 betriebenen ersten Bordnetz B1 erforderlich.
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In den folgenden Figuren sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung 6 dargestellt. Diese Bordnetzanordnung 6 ermöglicht neben der Energieversorgung des mit der höheren zweiten elektrischen Spannung U2 betriebenen zweiten Bordnetzes B2 auch die Energieversorgung des mit der geringeren ersten elektrischen Spannung U1 betriebenen ersten Bordnetzes B1 mit einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher 7. Durch eine entsprechende Verschaltung von Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7, welche vorzugsweise aktiv ausgeführt ist, ist eine Energieversorgung des zweiten Bordnetzes B2 und des Weiteren eine Tiefsetzung der Spannung mit Energieübertragung zum ersten Bordnetz B1, d. h. auch eine Energieversorgung des ersten Bordnetzes B1 über den elektrischen Energiespeicher 7 ohne zusätzliche Komponenten ermöglicht. D. h. es ist, wie in 2 dargestellt, kein Gleichspannungswandler 4 und keine zusätzliche Batterie 5 im ersten Bordnetz B1 erforderlich. Daraus resultieren Kosteneinsparungen und ein geringeres Gewicht des Fahrzeugs und dadurch erreichbare Kraftstoffverbrauchs- und Schadstoffausstoßreduzierungen. Des Weiteren ist ein geringerer Bauraum im Fahrzeug für die Bordnetzanordnung 6 erforderlich und es treten geringere Energieverluste auf.
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Die Bordnetzanordnung 6 umfasst die beiden Bordnetze B1, B2, welche mit dem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher 7 elektrisch verbindbar oder, wie in 2 dargestellt, verbunden sind. Der elektrische Energiespeicher 7 weist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen der Bordnetzanordnung 6 vier Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 mit jeweils vorgegebenen Ausgangsspannungswerten auf. Dieser elektrische Energiespeicher 7 ist als ein elektrochemischer Energiespeicher in Form eines Akkumulators ausgebildet, d. h. als ein wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher. Die Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 dieses elektrochemischen Energiespeichers sind dann jeweils als Einzelzelle oder zweckmäßigerweise jeweils als Zellblock ausgebildet, wobei die Zellblöcke jeweils eine Mehrzahl parallel und/oder seriell elektrisch miteinander verschalteter Einzelzellen aufweisen. Ein derartiger elektrochemischer Energiespeicher wird beispielsweise auch als Hochvoltbatterie bezeichnet.
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Die Ausgangsspannungswerte der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 sind in den hier dargestellten Beispielen gleich groß und entsprechen jeweils einem Eingangsspannungswert des ersten Bordnetzes B1, d. h. sie entsprechen der ersten elektrischen Spannung U1 des ersten Bordnetzes B1. In den hier dargestellten Beispielen weisen die Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 entsprechend jeweils eine Spannung von 12 Volt auf. Das erste Bordnetz B1 ist zu dessen elektrischer Energieversorgung im mit dem elektrischen Energiespeicher 7 elektrisch verbundenen Zustand mit jeweils einer der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 elektrisch verbunden, im in 2 dargestellten Beispiel mit der vierten Speichereinheit 7.4.
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Das zweite Bordnetz B2 ist im mit dem elektrischen Energiespeicher 7 elektrisch verbundenen Zustand mit den seriell elektrisch miteinander verschalteten Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 elektrisch verbunden, so dass deren Gesamtausgangsspannungswert einem vorgegebenen Eingangsspannungswert des zweiten Bordnetzes B2 entspricht, d. h. der Gesamtausgangsspannungswert der elektrisch seriell miteinander verschalteten Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 entspricht der zweiten elektrischen Spannung U2 des zweiten Bordnetzes B2. In den dargestellten Beispielen beträgt der Gesamtausgangsspannungswert entsprechend 48 Volt. Auch hier weisen die beiden Bordnetze B1, B2 jeweils einen Verbraucherwiderstand W1, W2 auf und im zweiten Bordnetz B2 ist eine als Generator ausgebildete elektrische Energiequelle 2 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 7 angeordnet. In 3 ist eine erste Verschaltungsmöglichkeit der Bordnetzanordnung 6 dargestellt. Dabei umfasst die Bordnetzanordnung 6 eine Mehrzahl von ersten Schalteinheiten 8 zum Schalten der Verbindungen der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 zum ersten Bordnetz B1. Mittels dieser ersten Schalteinheiten 8 ist jeweils eine Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 mit dem ersten Bordnetz B1 zu verbinden.
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In einem Verfahren zum Betrieb der Bordnetzanordnung 6 wird das erste Bordnetz B1 dabei sinnvollerweise zu dessen elektrischer Energieversorgung in Abhängigkeit zumindest einer vorgegebenen Bedingung von einer der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 getrennt und mit einer anderen der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 verbunden. Die vorgegebene Bedingung ist vorteilhafterweise ein vorgegebenes Zeitintervall, nach welchem der Wechsel auf eine andere Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 durchzuführen ist. D. h. das erste Bordnetz B1 wird zu dessen elektrischer Energieversorgung zyklisch von einer der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 getrennt und mit einer anderen der Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 verbunden. Dadurch wird eine gleichmäßige Nutzung und Belastung der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 durch das erste Bordnetz B1 ermöglicht, so dass eine übermäßige Belastung einzelner Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 durch das erste Bordnetz B1 vermieden wird.
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Im in 3 dargestellten Beispiel ist das erste Bordnetz B1 zum Wechseln der dieses versorgenden Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 jeweils von der aktuellen Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 zu trennen und danach mit einer anderen Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 zu verbinden. Daraus resultiert während des Umschaltens ein Spannungseinbruch im ersten Bordnetz B1. Um derartige Spannungseinbrüche und beispielsweise auch Spannungsspitzen, welche während des Schaltens auftreten können, zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, weist das erste Bordnetz B1 eine Einheit 9 zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung von Spannungsschwankungen auf. Diese Einheit 9 ist beispielsweise als ein Kondensator oder als ein Filter ausgebildet.
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In 4 ist eine zweite Verschaltungsmöglichkeit der Bordnetzanordnung 6 dargestellt. In diesem Beispiel umfasst die Bordnetzanordnung 6 eine Mehrzahl von zweiten Schalteinheiten 10 zum Schalten der Verbindungen der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 zum zweiten Bordnetz B2. Diese zweiten Schalteinheiten 10 sind in diesem Beispiel als Schalter zum elektrisch seriellen Verschalten der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 ausgebildet.
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Dies ermöglicht ein anderes Schaltschema zum Wechseln der mit dem ersten Bordnetz B1 verbundenen Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, wobei ein Spannungseinbruch im ersten Bordnetz B1 vermieden wird. Dazu werden mittels der zweiten Schalteinheiten 10 alle seriellen elektrischen Verbindungen oder zumindest die seriellen elektrischen Verbindungen zwischen den beteiligten Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, welche vom ersten Bordnetz B1 zu trennen bzw. mit diesem zu verbinden sind, getrennt. Danach werden die der zu verbindenden Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 zugeordneten ersten Schalteinheiten 8 geschlossen, so dass vorübergehend zwei der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 im ersten Bordnetz B1 parallel geschaltet sind. Danach werden die ersten Schalteinheiten 8 der vom ersten Bordnetz B1 zu trennenden Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 geöffnet, so dass diese vom ersten Bordnetz B1 getrennt ist und nun wieder nur noch eine der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden ist.
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Auf diese Weise ist ein Umschalten des ersten Bordnetzes B1 zwischen den Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 ohne einen Spannungseinbruch im ersten Bordnetz B1 ermöglicht. Danach sind alle seriellen elektrischen Verbindungen zwischen den Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 mittels der zweiten Schalteinheiten 10 wieder zu schließen, so dass die Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 wieder mit dem zweiten Bordnetz B2 elektrisch verbunden sind. Aus diesem Schaltschema resultiert jedoch bei geöffneten zweiten Schalteinheiten 10 ein Spannungseinbruch im zweiten Bordnetz B2. Um diesen Spannungseinbruch sowie während des Schaltens möglicherweise im zweiten Bordnetz B2 auftretende Spannungsspitzen zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, weist in diesem Beispiel das zweite Bordnetz B2 eine derartige oben bereits beschriebene Einheit 9 zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung von Spannungsschwankungen auf.
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In 5 ist eine dritte Verschaltungsmöglichkeit der Bordnetzanordnung 6 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die beiden Bordnetze B1, B2 neben jeweils einer Einheit 9 zur Vermeidung oder zumindest zur Reduzierung von Spannungsschwankungen des Weiteren im mit dem elektrischen Energiespeicher 7 verbundenen Zustand ein gemeinsames Massepotential MP auf, d. h. eine Massepotentialleitung der Bordnetzanordnung 6 wird von beiden Bordnetzen B1, B2 genutzt. Des Weiteren weist die dargestellte Bordnetzanordnung 6 vier Verbindungsschalter V1, V2, V3, V4 zum seriellen elektrischen Verbinden der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 im zweiten Bordnetz B2 auf. Diese Verbindungsschalter V1, V2, V3, V4 sind daher zweite Schalteinheiten 10 zum Schalten der Verbindungen der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 zum zweiten Bordnetz B2.
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Zudem weist die dargestellte Bordnetzanordnung 6 vier Hochspannungspotentialschalter H1, H2, H3, H4 auf. Auch diese Hochspannungspotentialschalter H1, H2, H3, H4 zählen zu den zweiten Schalteinheiten 10 zum Schalten der Verbindungen der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 zum zweiten Bordnetz B2. Einer dieser Hochspannungspotentialschalter H1, H2, H3, H4 ist jeweils zu schließen, um die Verbindung der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 zum zweiten Bordnetz B2 herzustellen. Welcher dieser Hochspannungspotentialschalter H1, H2, H3, H4 jeweils zu schließen ist, hängt vom jeweiligen Schaltzustand bzw. Schaltschema der Bordnetzanordnung 6 ab, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Die dargestellte Bordnetzanordnung 6 weist des Weiteren vier Niederspannungspotentialschalter N1, N2, N3, N4 auf. Diese Niederspannungspotentialschalter N1, N2, N3, N4 dienen der elektrischen Verbindung jeweils einer Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 mit dem ersten Bordnetz B1 und sind daher erste Schalteinheiten B. Zudem weist die dargestellte Bordnetzanordnung 6 vier Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4 auf. Diese Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4 dienen sowohl dem Verbinden der mit dem ersten Bordnetz B1 verbundenen Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 als auch aller seriell miteinander verschalteten und mit dem zweiten Bordnetz B2 verbundenen Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 mit dem gemeinsamen Massepotential MP. D. h. diese Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4 sind gleichzeitig erste Schalteinheiten 8 und zweite Schalteinheiten 10. Jeweils einer dieser Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4 ist zu schließen, um die beiden Bordnetze B1, B2 mit dem gemeinsamen Massepotential MP zu verbinden. Welcher dieser Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4 jeweils zu schließen ist, hängt vom jeweiligen Schaltzustand bzw. Schaltschema der Bordnetzanordnung 6 ab, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Es handelt sich bei dem jeweils zu schließenden Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4 stets um den Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4, welcher der jeweils mit dem ersten Bordnetz B1 zu verbindenden Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 zugeordnet ist.
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In den
6 bis
9 und der folgenden Tabelle 1 ist ein Ablauf eines Schaltzyklus zum Schalten der in
5 dargestellten Bordnetzanordnung
6 dargestellt, wobei die vier Speichereinheiten
7.1,
7.2,
7.3,
7.4 in vier Schritten S1, S2, S3, S4 sequentiell nacheinander mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden werden.
Tabelle 1
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In 6 wird im ersten Schritt S1 die vierte Speichereinheit 7.4 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden. Dazu wird ein vierter Massepotentialschalter M4 der vierten Speichereinheit 7.4 geschlossen. Des Weiteren werden ein vierter Niederspannungspotentialschalter N4 der vierten Speichereinheit 7.4 zum ersten Bordnetz B1 und ein erster Hochspannungspotentialschalter H1 der ersten Speichereinheit 7.1 zum zweiten Bordnetz B2 geschlossen. Zudem werden ein zweiter Verbindungsschalter V2 zwischen der ersten Speichereinheit 7.1 und der zweiten Speichereinheit 7.2, ein dritter Verbindungsschalter V3 zwischen der zweiten Speichereinheit 7.2 und der dritten Speichereinheit 7.3 und ein vierter Verbindungsschalter V4 zwischen der dritten Speichereinheit 7.3 und der vierten Speichereinheit 7.4 geschlossen. Die anderen Schalter bleiben geöffnet.
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In 7 wird im zweiten Schritt S2 die dritte Speichereinheit 7.3 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden. Dazu wird ein dritter Massepotentialschalter M3 der dritten Speichereinheit 7.3 geschlossen. Des Weiteren werden ein dritter Niederspannungspotentialschalter N3 der dritten Speichereinheit 7.3 zum ersten Bordnetz B1 und ein vierter Hochspannungspotentialschalter H4 der vierten Speichereinheit 7.4 zum zweiten Bordnetz B2 geschlossen. Zudem werden ein erster Verbindungsschalter V1 zwischen der vierten Speichereinheit 7.4 und der ersten Speichereinheit 7.1, ein zweiter Verbindungsschalter V2 zwischen der ersten Speichereinheit 7.1 und der zweiten Speichereinheit 7.2 und ein dritter Verbindungsschalter V3 zwischen der zweiten Speichereinheit 7.2 und der dritten Speichereinheit 7.3 geschlossen. Die anderen Schalter bleiben geöffnet.
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In 8 wird im dritten Schritt S3 die zweite Speichereinheit 7.2 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden. Dazu wird ein zweiter Massepotentialschalter M2 der zweiten Speichereinheit 7.2 geschlossen. Des Weiteren werden ein zweiter Niederspannungspotentialschalter N2 der zweiten Speichereinheit 7.2 zum ersten Bordnetz B1 und ein dritter Hochspannungspotentialschalter H3 der dritten Speichereinheit 7.3 zum zweiten Bordnetz B2 geschlossen. Zudem werden ein erster Verbindungsschalter V1 zwischen der vierten Speichereinheit 7.4 und der ersten Speichereinheit 7.1, ein zweiter Verbindungsschalter V2 zwischen der ersten Speichereinheit 7.1 und der zweiten Speichereinheit 7.2 und ein vierter Verbindungsschalter V4 zwischen der dritten Speichereinheit 7.3 und der vierten Speichereinheit 7.4 geschlossen. Die anderen Schalter bleiben geöffnet.
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In 9 wird im vierten Schritt S4 die erste Speichereinheit 7.1 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden. Dazu wird ein erster Massepotentialschalter M1 der ersten Speichereinheit 7.1 geschlossen. Des Weiteren werden ein erster Niederspannungspotentialschalter N1 der ersten Speichereinheit 7.1 zum ersten Bordnetz B1 und ein zweiter Hochspannungspotentialschalter H2 der zweiten Speichereinheit 7.2 zum zweiten Bordnetz B2 geschlossen. Zudem werden ein erster Verbindungsschalter V1 zwischen der vierten Speichereinheit 7.4 und der ersten Speichereinheit 7.1, ein dritter Verbindungsschalter V3 zwischen der zweiten Speichereinheit 7.2 und der dritten Speichereinheit 7.3 und ein vierter Verbindungsschalter V4 zwischen der dritten Speichereinheit 7.3 und der vierten Speichereinheit 7.4 geschlossen. Die anderen Schalter bleiben geöffnet. Nach dem vierten Schritt S4 beginnt der Schaltzyklus wieder mit dem ersten Schritt S1. Eine Schrittzeit, d. h. eine Zeitdauer zwischen den einzelnen Schritten S1, S2, S3, S4, ist beispielsweise in Abhängigkeit von jeweiligen physikalischen Gegebenheiten vorgegeben, um auf diese Weise eine zu lange Belastung einer einzelnen Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 zu vermeiden. Der dargestellte Zyklus ist nur ein Ausführungsbeispiel, selbstverständlich ist auch eine andere Schrittreihenfolge möglich, d. h. eine andere Reihenfolge der Verbindung der einzelnen Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 mit dem ersten Bordnetz B1.
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In 10 ist ein Beispiel einer Energieverteilung in der Bordnetzanordnung 6 dargestellt. In 11 ist eine daraus jeweils resultierende Ladebilanz L1, L2, L3, L4 der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 dargestellt. In 12 ist beispielhaft für die vierte Speichereinheit 7.4 und die erste Speichereinheit 7.1 deren jeweilige Ladebilanz L4, L1 im Zeitverlauf t dargestellt.
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Im in 10 dargestellten Beispiel ist die vierte Speichereinheit 7.4 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden und wird durch dieses entladen. Alle Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 sind mit dem zweiten Bordnetz B2 verbunden und werden durch dieses mit elektrischer Energie versorgt, d. h. über das zweite Bordnetz B2 erfolgt nur ein Ausgleich des Energieverbrauchs im ersten Bordnetz B1. Jede Speichereinheit 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 ist in der Lage, einen Strom IS von beispielsweise 150 A zu liefern. Im zweiten Bordnetz B2 fließt ein Gesamtstrom IB2 von 50 A. Die vierte Speichereinheit 7.4 wird durch das erste Bordnetz B1 maximal belastet. Da die vier Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 im zweiten Bordnetz B2 seriell elektrisch miteinander verbunden sind, resultiert daraus ein Stromfluss IB1 zum ersten Bordnetz B1 von 200 A.
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Wie in 11 dargestellt, werden in diesem Schaltzustand die erste Speichereinheit 7.1, die zweite Speichereinheit 7.2 und die dritte Speichereinheit 7.3 gleichmäßig geladen und die vierte Speichereinheit 7.4 wird entladen. Daher sind die Ladebilanzen L1, L2, L3 der ersten Speichereinheit 7.1, der zweiten Speichereinheit 7.2 und der dritten Speichereinheit 7.3 positiv und gleich groß und die Ladebilanz L4 der vierten Speichereinheit 7.4 ist negativ und entspricht dem negativen Gesamtwert der drei anderen Ladebilanzen L1, L2, L3. Dabei stellt die in 11 gezeigte grafische Darstellung nur die Ladebilanzen L1, L2, L3, L4 für die in 10 dargestellte Verschaltung der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 dar. Wird der Schaltzyklus, wie oben beschrieben, fortgesetzt, so wird die vierte Speichereinheit 7.4, welche dann nicht mehr mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden ist, wieder geladen und eine der anderen Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, welche dann mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden ist, wird entsprechend entladen.
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Aus diesem sequentielle Verschalten der Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 nacheinander mit dem ersten Bordnetz B1 resultiert der in 12 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur beispielhaft für die vierte Speichereinheit 7.4 und die erste Speichereinheit 7.1 dargestellte Lade- und Entladezyklus mit der daraus resultierenden Ladebilanz L4, L1 im Zeitverlauf t. So wird beispielsweise, wenn der in Tabelle 1 und in den 6 bis 9 beschriebene Schaltzyklus zugrunde gelegt wird, zunächst, nachdem im ersten Schritt S1 die vierte Speichereinheit 7.4 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden worden ist, wie auch in 10 gezeigt, die vierte Speichereinheit 7.4 entladen und die anderen drei Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3 werden geladen. Im zweiten Schritt S2 werden sowohl die vierte Speichereinheit 7.4 als auch die erste Speichereinheit 7.1 und die zweite Speichereinheit 7.2, deren Lade- und Entladezyklus in 12 nicht dargestellt ist, geladen, da die dritte Speichereinheit 7.3, deren Lade- und Entladezyklus in 12 nicht dargestellt ist, mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden ist und entladen wird. Im dritten Schritt S3 werden sowohl die vierte Speichereinheit 7.4 als auch die erste Speichereinheit 7.1 und die dritte Speichereinheit 7.3, deren Lade- und Entladezyklus in 12 nicht dargestellt ist, geladen, da die zweite Speichereinheit 7.2, deren Lade- und Entladezyklus in 12 nicht dargestellt ist, mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden ist und entladen wird. Im vierten Schritt S4 werden die vierte Speichereinheit 7.4 sowie die zweite Speichereinheit 7.2 und die dritte Speichereinheit 7.3, deren Lade- und Entladezyklen in 12 nicht dargestellt sind, geladen, da die erste Speichereinheit 7.1 mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden ist und, wie in 12 dargestellt, entladen wird. Danach wiederholen sich diese Lade- und Entladezyklen, wie in 12 gezeigt.
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In 13 ist ein Schaltzustand der Bordnetzanordnung 6 zum Laden des elektrischen Energiespeichers 7 über das erste Bordnetz B1 der Bordnetzanordnung 6 dargestellt. Die Bordnetzanordnung 6 ist dabei analog zum in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Zum Laden des elektrischen Energiespeichers 7 über das erste Bordnetz B1 sind alle vier Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 elektrisch parallel geschaltet mit dem ersten Bordnetz B1 verbunden und vom zweiten Bordnetz B2 getrennt. D. h. die vier Verbindungsschalter V1, V2, V3, V4 und die vier Hochspannungspotentialschalter H1, H2, H3, H4 sind geöffnet und die vier Niederspannungspotentialschalter N1, N2, N3, N4 sowie die vier Massepotentialschalter M1, M2, M3, M4 sind geschlossen.
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Dadurch ist beispielsweise eine Notstartfähigkeit des Fahrzeugs bei entladenem Energiespeicher 7 ermöglicht. Da üblicherweise Ladegeräte für hohe Spannungen zum Laden des als Hochvoltbatterie ausgebildeten elektrischen Energiespeichers 7 nicht problemlos verfügbar sind, ist auf diese Weise der elektrische Energiespeicher 7 beispielsweise mittels eines 12 Volt Ladegerätes zu laden, so dass danach zumindest ein Starten des Fahrzeugs, d. h. des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, ermöglicht ist. Während des Ladens ist der elektrische Energiespeicher 7 vom zweiten Bordnetz B2 getrennt. Nach einer Mindestladedauer ist der elektrische Energiespeicher 7 zum Starten des Verbrennungsmotors wieder mit dem zweiten Bordnetz B2 zu verbinden. Ein weiteres Laden des elektrischen Energiespeichers 7 kann danach mittels der als Generator ausgebildeten Energiequelle 2 im zweiten Bordnetz B2 erfolgen.
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14 zeigt eine vierte Verschaltungsmöglichkeit der Bordnetzanordnung 6. Hier weist das erste Bordnetz B1 zwei Anschlussleitungspaare A1, A2 zur elektrischen Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher 7 auf, wobei die Anschlussleitungspaare A1, A2 mit unterschiedlichen Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 des elektrischen Energiespeichers 7 elektrisch verbindbar sind, d. h. das erste Anschlussleitungspaar A1 mit der ersten Speichereinheit 7.1 und der zweiten Speichereinheit 7.2 und das zweite Anschlussleitungspaar A2 mit der dritten Speichereinheit 7.3 und der vierten Speichereinheit 7.4. Dadurch ist eine redundante Verbindung des ersten Bordnetzes B1 zum elektrischen Energiespeicher 7 und auf diese Weise eine redundante elektrische Energieversorgung des ersten Bordnetzes B1 sichergestellt. Bei Störungen in einem Anschlussleitungspaar A1, A2, zum Beispiel aufgrund einer Unterbrechung oder eines Kurzschlusses, hier durch ein Blitzsymbol angedeutet, ist das jeweils andere Anschlussleitungspaar A2, A1 weiterhin nutzbar, so dass die diesem zugeordneten Speichereinheiten 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 weiterhin zur Energieversorgung des ersten Bordnetzes B1 nutzbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zweispannungsbordnetz
- 2
- Energiequelle
- 3
- Batterie
- 4
- Gleichspannungswandler
- 5
- zusätzliche Batterie
- 6
- Bordnetzanordnung
- 7
- elektrischer Energiespeicher
- 7.1
- erste Speichereinheit
- 7.2
- zweite Speichereinheit
- 7.3
- dritte Speichereinheit
- 7.4
- vierte Speichereinheit
- 8
- erste Schalteinheit
- 9
- Einheit
- 10
- zweite Schalteinheit
- A1
- erstes Anschlussleitungspaar
- A2
- zweites Anschlussleitungspaar
- B1
- erstes Bordnetz
- B2
- zweites Bordnetz
- H1
- erster Hochspannungspotentialschalter
- H2
- zweiter Hochspannungspotentialschalter
- H3
- dritter Hochspannungspotentialschalter
- H4
- vierter Hochspannungspotentialschalter
- IB1
- Stromfluss zum ersten Bordnetz
- IB2
- Gesamtstrom
- IS
- Strom Speichereinheit
- L1
- Ladebilanz der ersten Speichereinheit
- L2
- Ladebilanz der zweiten Speichereinheit
- L3
- Ladebilanz der dritten Speichereinheit
- L4
- Ladebilanz der vierten Speichereinheit
- t
- Zeitverlauf
- M1
- erster Massepotentialschalter
- M2
- zweiter Massepotentialschalter
- M3
- dritter Massepotentialschalter
- M4
- vierter Massepotentialschalter
- MP
- gemeinsames Massepotential
- N1
- erster Niederspannungspotentialschalter
- N2
- zweiter Niederspannungspotentialschalter
- N3
- dritter Niederspannungspotentialschalter
- N4
- vierter Niederspannungspotentialschalter
- U1
- erste elektrische Spannung
- U2
- zweite elektrische Spannung
- V1
- erster Verbindungsschalter
- V2
- zweiter Verbindungsschalter
- V3
- dritter Verbindungsschalter
- V4
- vierter Verbindungsschalter
- W1
- erster Verbraucherwiderstand
- W2
- zweiter Verbraucherwiderstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10314360 A1 [0002]
- DE 102011105971 A1 [0003]
