DE102012011840A1 - Electrical system for motor vehicle e.g. electric vehicle, has low-voltage energy storage device that is formed of lithium-based and/or lithium compound storage element - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridkraftfahrzeug.The invention relates to a vehicle electrical system for a motor vehicle, in particular for an electric motor vehicle or a hybrid motor vehicle.
Es ist bekannt, dass moderne Kraftfahrzeuge, wie insbesondere rein elektrisch angetriebene Elektrokraftfahrzeuge, zu deren Antrieb wenigstens ein, insbesondere als Elektromotor ausgebildetes, elektrisches Antriebsaggregat vorgesehen ist, oder teil- oder zeitweise elektrisch angetriebene Hybridkraftfahrzeuge, zu deren Antrieb wenigstens ein, insbesondere als Elektromotor ausgebildetes, elektrisches Antriebsaggregat sowie ein, insbesondere als Verbrennungsmotor ausgebildetes, weiteres Antriebsaggregat vorgesehen ist, regelmäßig ein in zwei Bereiche unterteiltes Bordnetz aufweisen.It is known that modern motor vehicles, such as in particular purely electric-powered electric motor vehicles, for driving at least one, in particular designed as an electric motor, electric drive unit is provided, or partially or temporarily electrically powered hybrid motor vehicles, for their drive at least one, in particular designed as an electric motor , Electric drive unit and a, in particular designed as an internal combustion engine, further drive unit is provided, regularly have a divided into two areas wiring system.
Die Abschnitte des Bordnetzes unterscheiden sich dabei im Wesentlichen in der an diesen jeweils anliegenden elektrischen Spannung, so dass ein entsprechendes Bordnetz in der Regel ein für eine erste elektrische Spannung ausgelegtes Hochvoltnetz, in welchem beispielsweise eine elektrische Spannung größer gleich 200 Volt (V) anliegt, sowie ein für eine im Vergleich zu der ersten Spannung des Hochvoltnetzes niedrigere zweite elektrische Spannung ausgelegtes Niedervoltnetz, in welchem beispielsweise eine elektrische Spannung von ca. 12 Volt (V) anliegt (12-Volt-Niedervoltnetz), umfasst. Sowohl das Hochvoltnetz als auch das Niedervoltnetz umfasst wenigstens einen entsprechenden Energiespeicher. An dem dem Hochvoltnetz zugehörigen Hochvoltenergiespeicher sind entsprechende Hochvoltverbraucher, wie insbesondere das elektrisch betriebene Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs, und an dem dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeicher entsprechende Niedervoltverbraucher, wie insbesondere ein Teil der Beleuchtungseinrichtung des Kraftfahrzeugs, angeschlossen.The sections of the vehicle electrical system differ essentially in the voltage applied to each of these, so that a corresponding vehicle electrical system usually designed for a first electrical voltage high-voltage network in which, for example, an electrical voltage greater than or equal to 200 volts (V) is applied and a designed for a lower than the first voltage of the high voltage network second electrical voltage low-voltage network in which, for example, an electrical voltage of about 12 volts (V) is applied (12-volt low-voltage network) includes. Both the high-voltage network and the low-voltage network comprises at least one corresponding energy store. At the Hochvoltenergiespeicher associated with the high-voltage network are corresponding high-voltage consumers, in particular the electrically powered drive unit of the motor vehicle, and at the low-voltage network associated Niedervoltenergiespeicher corresponding low-voltage consumers, in particular a part of the illumination device of the motor vehicle connected.
Es ist weiter bekannt, zwischen die jeweiligen das Bordnetz bildenden Netze, das heißt das Hochvoltnetz und das Niedervoltnetz, elektrische Wandlervorrichtungen zu schalten, welche jeweils zur Umwandlung der ersten elektrischen Spannung des Hochvoltnetzes in die zweite elektrische Spannung des Niedervoltnetzes, und umgekehrt, ausgebildet sind. Derart kann die im Vergleich zu dem dem Hochvoltnetz zugehörige Hochvoltenergiespeicher geringere Kapazität bzw. Leistungsfähigkeit des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers derart kompensiert werden, dass gegebenenfalls ein Energiefluss von dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher in den niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher möglich ist.It is also known, between the respective networks forming the electrical system, that is the high-voltage network and the low-voltage network to switch electrical Wandlervorrichtungen, each for converting the first electrical voltage of the high-voltage network in the second electrical voltage of the low-voltage network, and vice versa, are formed. In this way, the low-voltage energy storage associated with the low-voltage network can be compensated for in comparison to the high-voltage energy storage associated with the high-voltage network, such that an energy flow from the high-voltage network-side highvoltage energy storage into the lowvoltage network-side lowvoltage energy storage is possible.
Allerdings stellen übliche Bauarten entsprechender niedervoltnetzseitiger Niedervoltenergiespeicher technische Beschränkungen der möglichen Leistungsfähigkeit eines entsprechenden Bordnetzes dar.However, conventional types of corresponding low-voltage network-side low-energy energy storage represent technical restrictions on the potential performance of a corresponding electrical system.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein verbessertes Bordnetz anzugeben.The present invention is based on the problem of specifying an improved vehicle electrical system.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Bordnetz gelöst, welches umfasst wenigstens ein für eine erste elektrische Spannung ausgelegtes Hochvoltnetz, wobei das Hochvoltnetz wenigstens einen Hochvoltenergiespeicher umfasst, wenigstens ein für eine im Vergleich zu der ersten Spannung des Hochvoltnetzes niedrigere zweite elektrische Spannung ausgelegtes Niedervoltnetz, wobei das Niedervoltnetz wenigstens einen Niedervoltenergiespeicher umfasst, wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite zwischen den Hochvoltenergiespeicher und den Niedervoltenergiespeicher geschaltete elektrische Wandlervorrichtung, welche jeweils zur Umwandlung der ersten elektrischen Spannung des Hochvoltnetzes in die zweite elektrische Spannung des Niedervoltnetzes, und umgekehrt, ausgebildet ist, wobei, der Niedervoltenergiespeicher aus wenigstens einem auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierenden Speicherelement gebildet ist.The problem is solved by an electrical system according to the invention, which comprises at least one designed for a first electrical voltage high-voltage network, the high-voltage network comprises at least one high-voltage energy storage, at least one for a lower compared to the first voltage of the high voltage network second electrical voltage low-voltage network, said Low-voltage network comprises at least one low-energy energy storage, at least a first and at least one second connected between the high-voltage energy storage and the low-energy energy storage electrical conversion device, which in each case for converting the first electrical voltage of the high-voltage network in the second electrical voltage of the low-voltage network, and vice versa, is formed, wherein Low-energy storage is formed from at least one based on lithium and / or a lithium compound storage element.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, den dem Niedervoltnetz eines entsprechenden Bordnetzes zugehörigen Niedervoltenergiespeicher derart auszubilden, dass er aus wenigstens einem auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierenden Speicherelement ausgebildet ist respektive wenigstens ein auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierendes Speicherelement umfasst bzw. aufweist.The present invention is based on the idea of designing the low-energy storage device associated with the low-voltage network of a corresponding vehicle electrical system such that it comprises at least one storage element based on lithium and / or a lithium compound or comprises at least one storage element based on lithium and / or a lithium compound or having.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind sonach diverse unterschiedliche Konfigurationen des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers denkbar, welchen gemeinsam ist, dass diese jeweils wenigstens ein auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierendes Speicherelement aufweisen. Etwaige weitere, den Niedervoltenergiespeicher bildende Speicherelemente können, müssen aber nicht gleichsam auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierend ausgebildet sein. Unter einem entsprechenden Speicherelemente ist im Allgemeinen eine elektrochemische Zelle als Teil einer Batterie zu verstehen.Within the scope of the present invention, various different configurations of the low-voltage energy storage device associated with the low-voltage network are therefore conceivable, which have in common that they each have at least one storage element based on lithium and / or a lithium compound. Any further memory elements forming the low-energy energy storage device may or may not, however, be formed as it were based on lithium and / or a lithium compound. Under a corresponding memory elements is generally to be understood as an electrochemical cell as part of a battery.
Die Ausbildung des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers aus wenigstens einem auf Lithium und/oder einer Lithiumverbindung basierenden Speicherelement, das heißt im Wesentlichen als wiederaufladbarer Lithium-Akkumulator bzw. Lithium-Batterie, ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da Lithium-Akkumulatoren im Vergleich zu herkömmlichen, insbesondere aus auf Blei oder Bleiverbindungen basierenden Speicherelementen gebildeten Niedervoltenergiespeichern eine höhere Leistungs- bzw. Energiedichte aufweisen. Gleichermaßen sind entsprechende aus auf Lithium und/oder Lithiumverbindungen basierenden Speicherelementen gebildete Niedervoltenergiespeicher im Vergleich zu herkömmlichen Niedervoltenergiespeichern (mit vergleichbaren elektrischen Eigenschaften) im Hinblick auf deren Gewicht vorteilhaft, da deutlich leichter, so dass entsprechende mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestattete Kraftfahrzeuge ebenso leichter sind, was sich grundsätzlich positiv auf den Energieverbrauch auswirkt.The formation of the low-voltage energy storage device associated with the low-voltage network from at least one storage element based on lithium and / or a lithium compound, that is to say substantially as a rechargeable lithium accumulator or lithium battery, is in particular Therefore, advantageous because lithium accumulators have a higher power or energy density compared to conventional low energy energy storage devices formed in particular from memory elements based on lead or lead compounds. Likewise, corresponding low energy storage devices formed from memory elements based on lithium and / or lithium compounds are advantageous in comparison to conventional low energy energy storage devices (with comparable electrical properties) in terms of their weight, being significantly lighter, so that corresponding motor vehicles equipped with the vehicle electrical system according to the invention are also lighter basically has a positive effect on energy consumption.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bordnetzes besteht darin, dass durch die Verwendung wenigstens zweier entsprechender elektrischer Wandlervorrichtungen, welche insbesondere als Gleichstromwandler bzw. DC/DC-Wandler ausgebildet sind, auch bei einem Ausfall einer elektrische Wandlervorrichtung weiterhin noch wenigstens eine weitere funktionsfähige elektrische Wandlervorrichtung gegeben ist, über welche verschiedene an das Bordnetz, d. h. an das Hochvoltnetz oder das Niedervoltnetz angeschlossene Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden können. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass insbesondere für den Betrieb des mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestatteten Kraftfahrzeug sicherheitsrelevante Verbraucher weiterhin betrieben werden können, so dass das Kraftfahrzeug auch in derartigen Fällen eines Ausfalls einer elektrischen Wandlervorrichtung zumindest noch sicher abgestellt werden kann.A further advantage of the vehicle electrical system according to the invention is that by the use of at least two corresponding electrical converter devices, which are designed in particular as a DC-DC converter or DC / DC converter, even in case of failure of an electrical converter device still at least one further functional electrical converter device is given , via which various to the electrical system, d. H. connected to the high-voltage network or the low-voltage network consumers can be supplied with electrical energy. It is particularly advantageous that, in particular for the operation of the motor vehicle equipped with the vehicle electrical system according to the invention safety-related consumers can continue to operate, so that the motor vehicle can be turned off at least still safe in such cases of failure of an electrical converter device.
Mögliche bevorzugte Konfigurationen des dem Niedervoltnetz zugehörigen Niedervoltenergiespeichers sind im Folgenden in nicht abschließender Weise aufgezählt.Possible preferred configurations of the low-voltage energy storage system associated with the low-voltage network are listed below in a non-exhaustive manner.
Sonach ist es bevorzugt, dass der Niedervoltenergiespeicher aus drei Speicherelementen basierend auf Lithium und einem Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat, oder drei Speicherelementen basierend auf Lithium und zwei Speicherelementen basierend auf einer Nickelmetallhydrid-Verbindung, oder drei Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat und zwei Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung, oder vier Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat und einem Speicherelement basierend auf Lithium, oder vier Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat und einem Speicherelement basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung (so genannten NMC-Speicherelementen bzw. NMC-Zellen), oder sechs Speicherelementen basierend auf Lithium-Titanat, oder einem Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat und drei Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung, oder drei Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung und einem Speicherelement basierend auf Lithium-Titanat, oder vier Speicherelementen basierend auf einer Lithium-Eisen-Phosphat-Verbindung gebildet ist.Therefore, it is preferable that the low-energy storage is composed of three storage elements based on lithium and a lithium titanate storage element, or three lithium-based storage elements and two nickel metal hydride compound storage elements, or three lithium titanate based storage elements and two storage elements based on a lithium iron-phosphate compound, or four storage elements based on lithium titanate and a storage element based on lithium, or four storage elements based on lithium titanate and a storage element based on a lithium-cobalt-manganese-nickel compound ( so-called NMC memory elements or NMC cells), or six storage elements based on lithium titanate, or a storage element based on lithium titanate and three storage elements based on a lithium-cobalt-manganese-nickel compound, or three storage elements based on a lithium Cobalt-manganese-nickel compound and a storage element based on lithium titanate, or four storage elements is formed based on a lithium-iron-phosphate compound.
Durch die konkrete Anzahl der den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente kann Einfluss auf dessen Innenwiderstand genommen, das heißt dessen Innenwiderstand gezielt eingestellt werden, wobei der Grundsatz gilt, dass eine geringere Anzahl an Speicherelementen im Vergleich zu einer höheren Anzahl an Speicherelementen zu einem geringeren Innenwiderstand des Niedervoltenergiespeichers führt. Gleichermaßen kann eine geringere Anzahl an den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelementen auch im Hinblick auf Kostenaspekte vorteilhaft sein. Die den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente sind üblicherweise in Serie geschaltet.The concrete number of memory elements forming the low-energy energy storage device can be used to specifically control its internal resistance, the principle being that a smaller number of memory elements leads to a lower internal resistance of the low-energy energy storage compared to a higher number of memory elements , Likewise, a smaller number of memory elements forming the low-energy energy storage device may also be advantageous with regard to cost aspects. The memory elements forming the low-voltage energy storage are usually connected in series.
Bei den vorgenannten Konfigurationen des Niedervoltenergiespeichers bzw. der den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente wird von einem 12-Volt-Niedervoltnetz als Teil des erfindungsgemäßen Bordnetzes ausgegangen. Im Falle einer Auslegung des Niedervoltnetzes als 24 Volt-Niedervoltnetz verdoppelt sich die jeweilige Anzahl der oben angegebenen, den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente, wobei die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Speicherelementtypen gleich bleiben.In the aforementioned configurations of the low-voltage energy storage device or the storage elements forming the low-energy energy storage device, it is assumed that a 12-volt low-voltage network forms part of the vehicle electrical system according to the invention. In the case of a design of the low-voltage network as a 24 volt low-voltage network, the respective number of the above-mentioned, the low-energy storage memory forming memory elements doubled, the combination options of the different storage element types remain the same.
Der Hochvoltenergiespeicher ist gleichermaßen aus einer Anzahl an, insbesondere in Serie geschalteten, Speicherelementen gebildet. Dabei können die den Hochvoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente z. B. auf Lithium oder Lithiumverbindungen basieren.The high-voltage energy storage device is likewise formed from a number of storage elements, in particular connected in series. In this case, the memory elements forming the high-voltage energy storage device can, for. B. based on lithium or lithium compounds.
Die den Hochvoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente können als erste Speicherelemente, die den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelemente können als zweite Speicherelemente bezeichnet werden.The memory elements forming the highvoltage energy storage device may be referred to as first memory elements, and the memory elements forming the lowvoltage energy storage device may be referred to as second memory elements.
Es ist möglich, dass der Niedervoltenergiespeicher zusätzlich zu den mehreren Speicherelementen wenigstens einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator, umfasst. Doppelschichtkondensatoren weisen typischerweise zwei Elektroden auf, zwischen welchen sich ein elektrisch leitfähiger Elektrolyt befindet. Nach Anlegen einer elektrischen Spannung sammeln sich an den Elektroden Ionen des Elektrolyten umgekehrter Polarität. Es bildet sich eine Ladungsträgerschicht aus unbeweglichen Ladungsträgern. Die Elektroden mit der Ladungsträgerschicht als Dielektrikum verhalten sich wie zwei Kondensatoren, die über den Elektrolyten in Serie geschaltet sind. Sie speichern die Energie im Gegensatz zu elektrochemischen Energiespeichern elektrostatisch. Doppelschichtkondensatoren weisen in der Regel kleine Innenwiderstände und eine hohe Anzahl an möglichen Lade- bzw. Entladezyklen auf. Mithin kann derart das Eigenschaftsprofil des Niedervoltenergiespeichers, insbesondere im Hinblick auf einen geringen Innenwiderstand, verbessert werden.It is possible for the low-energy energy storage device to comprise, in addition to the plurality of memory elements, at least one capacitor, in particular a double-layer capacitor. Double-layer capacitors typically have two electrodes, between which there is an electrically conductive electrolyte. After applying an electrical voltage, ions of the electrolyte of opposite polarity collect at the electrodes. It forms a charge carrier layer of immobile charge carriers. Behave the electrodes with the charge carrier layer as a dielectric like two capacitors connected in series across the electrolyte. They store the energy electrostatically in contrast to electrochemical energy storage. Double-layer capacitors generally have small internal resistances and a large number of possible charging or discharging cycles. Thus, the property profile of the low-energy energy storage, in particular with regard to a low internal resistance, can be improved in this way.
Vorteilhaft ist der Kondensator im Sinne eines weiteren Speicherelements zu den den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelementen in Serie (Reihe) geschaltet. Derart kann die Nennspannung des Niedervoltenergiespeichers weiter erhöht werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, zu den den Niedervoltenergiespeicher bildenden Speicherelementen mehr als einen Kondensator in Serien- und/oder Parallelschaltung nachzuschalten.Advantageously, the capacitor is connected in series in the sense of a further memory element to the memory elements forming the low-energy energy storage device. In this way, the rated voltage of the low-energy energy storage device can be further increased. Of course, it is also conceivable to connect more than one capacitor in series and / or parallel connection to the memory elements forming the low-energy energy storage device.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines Niedervoltenergiespeichers kann dieser aus drei jeweils auf einer Lithi-um-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen und einem diesen in Serie nachgeschalteten Doppelschichtkondensator und einen zu den drei jeweils auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen sowie dem diesen in Serie nachgeschalteten Doppelschichtkondensator weiteren Doppelschichtkondensator gebildet sein. Der Niedervoltenergiespeicher gemäß dieser Ausführungsform kann sonach (gedanklich) in zwei parallel zueinander geschaltete Teile aufgeteilt werden, wobei ein ersten Teil durch die drei jeweils auf einer Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Verbindung basierenden Speicherelementen sowie dem diesen in Serie nachgeschalteten Doppelschichtkondensator und der zweite hierzu parallel geschaltete Teil durch den weiteren Doppelschichtkondensator gebildet ist.According to a preferred embodiment of a low-energy storage device, this can consist of three memory elements each based on a lithium-manganese-nickel compound and a double-layer capacitor connected in series therewith, and one of the three each on a lithium-cobalt-manganese-nickel compound based memory elements as well as this in series downstream double-layer capacitor further double-layer capacitor may be formed. The low-energy energy storage device according to this embodiment can accordingly be divided into two parts connected in parallel, a first part being formed by the three storage elements each based on a lithium-cobalt-manganese-nickel compound and the double-layer capacitor connected in series this parallel connected part is formed by the further double-layer capacitor.
Es ist möglich, dass die erste elektrische Wandlervorrichtung eine höhere Leistung als die zweite elektrische Wandlervorrichtung aufweist. Grundsätzlich handelt es sich bei den, jeweils Bestandteile des erfindungsgemäßen Bordnetzes bildenden elektrischen Wandervorrichtungen vorteilhaft um Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), das heißt um Vorrichtungen bzw. elektrische Schaltungsanordnungen, welche dazu ausgebildet sind, eine elektrische Eingangsspannung (Eingangsgleichspannung) in eine elektrische Ausgangsspannung (Ausgangsgleichspannung) mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umzuwandeln. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann also über die elektrischen Wandlervorrichtungen eine hohe Eingangsspannung des Hochvoltnetzes, das heißt etwa eine in dem Hochvoltnetz anliegende elektrische Spannung von größer gleich 200 Volt, in eine im Vergleich niedrigere Ausgangsspannung des Niedervoltnetzes, das heißt etwa eine im Niedervoltnetz anliegende elektrische Spannung von 12 Volt, umgewandelt werden. Auch eine umgekehrte Umwandlung der im Niedervoltnetz anliegenden elektrischen Spannung als Eingangsspannung in eine im Hochvoltnetz anliegende elektrische Spannung als Ausgangsspannung ist möglich.It is possible that the first electrical conversion device has a higher output than the second electric conversion device. In principle, the electric traveling devices forming respective components of the vehicle electrical system according to the invention are advantageously DC-DC converters, ie devices or electrical circuit arrangements which are designed to convert an electrical input voltage (input direct voltage) into an electrical output voltage (DC output voltage) with higher, lower or inverted voltage level to convert. In the context of the present invention, therefore, a high input voltage of the high-voltage network, that is about an applied voltage in the high-voltage network of greater than or equal to 200 volts, in a comparison lower output voltage of the low-voltage network, that is about a voltage applied in the low-voltage network electrical Voltage of 12 volts, to be converted. A reverse conversion of the voltage applied in the low-voltage network electrical voltage as an input voltage in an applied voltage in the high-voltage network voltage as an output voltage is possible.
Wie erwähnt, sind die Leistungen bzw. Leistungsaufnahmen der beiden elektrischen Wandlervorrichtungen vorteilhaft verschieden, wobei die Leistung bzw. Leistungsaufnahme der ersten elektrischen Wandlervorrichtung höher als die Leistung bzw. Leistungsaufnahme der zweiten elektrischen Wandlervorrichtung ist. Dies ist deshalb möglich, da über die erste elektrische Wandlervorrichtung insbesondere elektrische Hoch leistungsverbraucher, wie z. B. als Antriebsaggregat dienende Elektromotoren oder Anlasser, mit elektrischer Energie versorgt werden, wohingegen über die zweite elektrische Wandlervorrichtung, insbesondere im Rahmen des Energieflusses zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher, eine bestimmte Menge elektrischer Energie an das Niedervoltnetz bzw. den darin enthaltenen Niedervoltenergiespeicher abgebbar ist bzw. abgegeben wird.As mentioned, the power consumption of the two electrical conversion devices is advantageously different, wherein the power consumption of the first electrical conversion device is higher than the power consumption of the second electrical conversion device. This is therefore possible because of the first electrical converter device, in particular electrical high-power consumers, such. B. as a drive unit serving electric motors or starters, are supplied with electrical energy, whereas via the second electrical converter device, in particular in the context of energy flow between the high-voltage network side high-voltage energy storage and the low-voltage network low-energy storage, a certain amount of electrical energy to the low-voltage network or the low-energy energy storage contained therein is deliverable or is discharged.
Dabei weist die erste elektrische Wandlervorrichtung beispielsweise eine Leistung im Bereich von 1–3 Kilowatt (kW), insbesondere 2 Kilowatt (kW) auf bzw. ist für diese ausgelegt, wohingegen die zweite elektrische Wandlervorrichtung beispielsweise eine Leistung im Bereich von nur 1–10 Watt (W), insbesondere 2 Watt (W), aufweist bzw. für diese ausgelegt ist.In this case, the first electrical converter device has, for example, a power in the range of 1-3 kilowatts (kW), in particular 2 kilowatts (kW) or is designed for this, whereas the second electrical converter device, for example, a power in the range of only 1-10 watts (W), in particular 2 watts (W), has or is designed for this.
Wie bereits erwähnt, dient die zweite elektrische Wandlervorrichtung vorteilhaft dazu, zumindest zeitweise einen elektrischen Energiefluss (Stromfluss) aus dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz zu ermöglichen und somit über den niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher die Versorgung bestimmter, an das Niedervoltnetz angeschlossener Niedervoltverbraucher mit elektrischer Energie sicherzustellen. Als entsprechende Niedervoltverbraucher sind beispielsweise eine kraftfahrzeugseitig Beleuchtungseinrichtung, insbesondere ein Standlicht, verschiedene Fahrerassistenzsysteme, worunter insbesondere auch sicherheitsrelevante Fahrerassistenzsysteme, wie z. B. Brems- oder Lenkassistenzsysteme, aber auch akustische und/oder visuelle kraftfahrzeugseitige Multimediaeinrichtungen, wie z. B. Radios, Fernseher oder Kommunikationseinrichtungen für Telefon, Internet etc., zu verstehen sind.As already mentioned, the second electrical converter device advantageously serves at least temporarily to enable an electrical energy flow (current flow) from the high-voltage network into the low-voltage network and thus to ensure the supply of certain low-voltage consumers connected to the low-voltage network with electrical energy via the low-voltage network-side low-energy storage. As appropriate low-voltage consumers, for example, a motor vehicle side lighting device, in particular a parking light, various driver assistance systems, including in particular safety-related driver assistance systems, such. As brake or steering assistance systems, but also acoustic and / or visual motor vehicle-side multimedia devices such. As radios, television or communication equipment for telephone, Internet, etc., are to be understood.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann eine Steuereinrichtung, welche zur Steuerung eines elektrischen Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltenergiespeicher, und umgekehrt, ausgebildet ist, vorgesehen sein, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltenergiespeicher, und umgekehrt, unter Berücksichtigung wenigstens einer Randbedingung ausgebildet ist. Mithin sind sämtliche über die beiden elektrischen Wandlervorrichtungen erfolgenden Energieflüsse zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher über die Steuereinrichtung steuerbar, welche hierfür z. B. geeignete Steueralgorithmen umfasst. Entsprechend kommuniziert die Steuereinrichtung zweckmäßig mit den beiden elektrischen Wandlervorrichtungen, insbesondere um mit diesen entsprechende Steuerbefehle auszutauschen. Wie erwähnt, kann ein Energiefluss sowohl von dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher in Richtung des niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeichers, aber auch umgekehrt möglich sein.In an expedient development of the invention, a control device, which for controlling an electrical energy flow between the control device for controlling the energy flow between the high-voltage energy storage and the low-energy energy storage, and vice versa, taking into account at least one boundary condition is formed. Consequently, all taking place via the two electrical converter devices energy flows between the high-voltage network side high-voltage energy storage and the low-voltage network side low-energy energy storage via the control device can be controlled, which z. B. includes suitable control algorithms. Accordingly, the control device communicates expediently with the two electrical converter devices, in particular in order to exchange these with corresponding control commands. As mentioned, an energy flow can be possible both from the high-voltage network-side high-voltage energy storage device in the direction of the low-voltage network-side low-energy energy storage device, but also vice versa.
Als entsprechende Randbedingung, deren Vorliegen insbesondere über die Steuereinrichtung überprüfbar ist, kommt beispielsweise eine bestimmte Mindestenergiemenge oder Höchstenergiemenge und/oder eine bestimmte Mindestspannung oder Höchstspannung in dem Niedervoltenergiespeicher und/oder dem Niedervoltnetz in Frage, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung des Energieflusses zwischen dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltenergiespeicher derart ausgebildet ist, dass in dem Niedervoltenergiespeicher eine bestimmte Mindestenergiemenge und/oder Mindestspannung nicht unterschritten wird oder eine bestimmte Höchstenergiemenge und/oder Höchstspannung nicht überschritten wird, und/oder wenigstens ein Betriebszustand des das Bordnetz umfassenden Kraftfahrzeugs in Betracht.As a corresponding boundary condition, the existence of which is verifiable in particular via the control device, for example, a certain minimum amount of energy or maximum energy and / or a certain minimum voltage or maximum voltage in the low-energy energy storage and / or the low-voltage network in question, wherein the control device for controlling the energy flow between the high-voltage energy storage and the Niedervoltenergiespeicher is designed such that in the low-energy energy storage a certain minimum amount of energy and / or minimum voltage is not exceeded or a certain maximum energy and / or maximum voltage is not exceeded, and / or at least one operating state of the vehicle electrical system comprehensive into consideration.
Sonach kann die Steuereinrichtung oder eine mit dieser kommunizierende Überprüfungsvorrichtung, wie z. B. eine geeignete Komparatorschaltung, kontinuierlich oder diskontinuierlich zu bestimmten Zeitpunkten die vorhandene elektrische Energiemenge und/oder anliegende elektrische Spannung in dem Niedervoltenergiespeicher und/oder dem Niedervoltnetz ermitteln und diese mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren elektrischen Mindestenergiemenge oder Höchstenergiemenge und/oder einer vorgegebenen oder vorgebbaren elektrischen Mindestspannung oder Höchstspannung in dem Niedervoltenergiespeicher oder dem Niedervoltnetz im Sinne eines Ist-Wert-Soll-Wert-Vergleichs vergleichen. Unter- oder überschreitet der aktuelle Wert der in dem Niedervoltenergiespeicher oder Niedervoltnetz vorhandenen elektrischen Energiemenge bzw. anliegenden elektrischen Spannung einen entsprechenden Ober- oder Untergrenzwert im Sinne entsprechender Schwellwerte, bedingt die Steuereinrichtung über die elektrischen Wandlervorrichtungen, insbesondere über die zweite elektrische Wandlervorrichtung, einen Energiefluss zwischen dem Hochvoltnetz bzw. dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltnetz bzw. dem Niedervoltenergiespeicher derart, dass in dem Niedervoltenergiespeicher und/oder dem Niedervoltnetz eine bestimmte Mindestenergiemenge und/oder Mindestspannung nicht unterschritten wird oder eine bestimmte Höchstenergiemenge und/oder Höchstspannung nicht überschritten wird. Ein entsprechender Energiefluss zwischen dem Hochvoltnetz bzw. dem Hochvoltenergiespeicher und dem Niedervoltnetz bzw. Niedervoltenergiespeicher kann bereits erfolgen, wenn sich der aktuelle Wert der dortigen elektrischen Energiemenge bzw. der dort anliegenden elektrischen Spannung dem jeweiligen Mindest- oder Höchstwert annähert, wodurch die Unter- oder Überschreitung entsprechender Grenzwerte noch sicherer verhindert werden kann.Accordingly, the control device or a communicating with this verification device, such. B. a suitable comparator circuit, continuously or discontinuously at certain times determine the existing amount of electrical energy and / or voltage applied in the low-voltage energy storage and / or the low-voltage network and this with a predetermined or predetermined minimum electrical energy or maximum energy and / or a predetermined or specifiable electrical Compare minimum voltage or maximum voltage in the low-voltage energy storage or the low-voltage network in terms of an actual value-target-value comparison. If the current value of the electrical energy quantity or voltage present in the low-energy energy store or low-voltage network exceeds or falls below a corresponding upper or lower limit value in the sense of corresponding threshold values, the control device conditions an energy flow via the electrical converter devices, in particular via the second electrical converter device the high-voltage network or the high-voltage energy storage and the low-voltage network or the Niedervoltenergiespeicher such that in the low-energy energy storage and / or the low-voltage network a certain minimum amount of energy and / or minimum voltage is not exceeded or a certain maximum energy and / or maximum voltage is not exceeded. A corresponding energy flow between the high-voltage network or the high-voltage energy storage and the low-voltage network or low-energy storage can already take place when the current value of the local electrical energy or the voltage applied there approaches the respective minimum or maximum value, whereby the underflow or excess corresponding limit values can be prevented even safer.
Selbstverständlich kommuniziert die Steuereinrichtung hierfür mit geeigneten Erfassungsmitteln, welche zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Erfassung diverser elektrischer Parameter, insbesondere des Niedervoltnetzes oder dem Niedervoltenergiespeicher, ausgebildet ist. Entsprechende Parameter betreffen insbesondere die elektrische Energiemenge und/oder die elektrische Spannung in dem Niedervoltnetz oder dem Niedervoltenergiespeicher.Of course, the control device communicates for this purpose with suitable detection means, which is designed for the continuous or discontinuous detection of various electrical parameters, in particular of the low-voltage network or the low-voltage energy storage. Corresponding parameters relate in particular to the amount of electrical energy and / or the electrical voltage in the low-voltage network or the low-voltage energy storage.
Beispielsweise kann eine entsprechende niedervoltnetzseitige bzw. niedervoltenergiespeicherseitige Mindestenergiemenge in Form eines bestimmten als Randbedingung dienenden Ruhestroms vorliegen, welcher Ruhestrom in dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher stets vorzuhalten ist, um den Betrieb bestimmter niedervoltnetzseitig angeschlossener Verbraucher unter allen Umständen sicherzustellen. Dies trägt, sofern die Verbraucher, wie z. B. entsprechende Fahrerassistenzsysteme, wie Brems- oder Lenkassistenzsysteme, oder ein Standlicht, für den Betrieb des mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestatteten Kraftfahrzeugs sicherheitsrelevant sind, zu erheblichen sicherheitstechnischen Vorteilen bei.For example, a corresponding low-voltage network side or low energy energy storage side minimum energy amount in the form of a certain serving as a boundary condition quiescent current, which quiescent current in the low-voltage network low-energy storage is always vorzuhalten to ensure the operation of certain low-voltage network connected consumers in all circumstances. This is borne by the consumer, such as B. corresponding driver assistance systems, such as brake or steering assistance systems, or a parking light, are safety-relevant for the operation of the motor vehicle equipped with the electrical system according to the invention, to significant safety advantages.
Denkbar ist es auch, dass eine entsprechende Randbedingung wenigstens einen Betriebszustand des das Bordnetz umfassenden Kraftfahrzeugs betrifft. Unter Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ist beispielsweise ein Fahr- oder Standbetrieb zu verstehen. Sonach ist es mit besonderem Vorteil möglich, wenn das mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz ausgestattete Kraftfahrzeug steht bzw. abgestellt ist, was z. B. über bestimmte Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs, wie z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit, Zündung etc., ermittelbar ist, den vorgenannten Ruhestrom in dem Niedervoltnetz bzw. dem Niedervoltenergiespeicher über einen gegebenenfalls notwendigen Energiefluss zwischen dem hochvoltnetzseitigen Hochvoltenergiespeicher und dem niedervoltnetzseitigen Niedervoltenergiespeicher sicherzustellen.It is also conceivable that a corresponding boundary condition concerns at least one operating state of the motor vehicle comprising the vehicle electrical system. Under operating condition of the motor vehicle, for example, a driving or stationary operation to understand. Sonach, it is particularly advantageous if the vehicle equipped with the vehicle electrical system according to the invention is or is parked, which z. B. over certain operating parameters of the motor vehicle, such as. B. vehicle speed, ignition, etc., can be determined, the aforementioned quiescent current in the low-voltage network or the Niedervoltenergiespeicher via an optionally necessary energy flow between the to ensure high-voltage network-side high-voltage energy storage and the low-voltage network low-energy storage.
Vorteilhaft ist die oder eine Steuereinrichtung zur Steuerung wenigstens einer der elektrischen Wandlervorrichtungen, insbesondere der zweiten elektrischen Wandlervorrichtung, ausgebildet. Wiederum in Abhängigkeit des Vorliegens bestimmter Randbedingungen ist somit eine Ansteuerung, welche insbesondere ein Ein- oder Abschalten der elektrischen Wandlervorrichtung(en) betrifft, möglich. Als entsprechende Randbedingungen können die vorstehend genannten, die elektrische Energiemenge und/oder elektrischen Spannung in dem Niedervoltnetz und/oder dem Niedervoltenergiespeicher betreffenden Randbedingungen verwendet werden. Beispielsweise ist es also möglich, die zweite elektrische Wandlervorrichtung einzuschalten, wenn die elektrische Spannung in dem Niedervoltnetz eine vorgegebene oder vorgebbare elektrische Mindestspannung im Sinne eines unteren Grenz- oder Schwellwerts, z. B. 12 Volt, unterschreitet. Umgekehrt kann die zweite elektrische Wandlervorrichtung ausgeschaltet werden, wenn die elektrische Spannung in dem Niedervoltnetz eine vorgebbare oder vorgegebene elektrische Höchstspannung im Sinne eines oberen Grenz- oder Schwellwerts, z. B. 14 Volt, überschreitet.Advantageously, the or a control device for controlling at least one of the electrical converter devices, in particular the second electrical converter device is formed. Again, depending on the presence of certain boundary conditions is thus a control, which in particular a switching on or off of the electrical conversion device (s), possible. As appropriate boundary conditions, the above-mentioned, the electrical energy amount and / or electrical voltage in the low-voltage network and / or the low-voltage energy storage boundary conditions can be used. For example, it is therefore possible to switch on the second electrical converter device if the electrical voltage in the low-voltage network is a predetermined or specifiable minimum electrical voltage in the sense of a lower limit or threshold value, for. B. 12 volts, below. Conversely, the second electrical conversion device can be turned off when the electrical voltage in the low-voltage network a predetermined or predetermined maximum electrical voltage in the sense of an upper limit or threshold value, for. B. 14 volts, exceeds.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung kann der Hochvoltenergiespeicher mit den elektrischen Wandlervorrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Mithin sind der Hochvoltenergiespeicher und die elektrischen Wandlervorrichtungen baulich in einem Gehäuse integriert und stellen eine besonders hoch integrierte und kompakte Baueinheit des erfindungsgemäßen Bordnetzes dar, das heißt sie tragen auch zu einer kompakteren Ausführung des erfindungsgemäßen Bordnetzes bei. Das Gehäuse kann aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Kunststoff, ausgebildet sein, was im Hinblick auf regelmäßig zu gewährleistende sicherheitstechnische Aspekte, wie z. B. der Berührungssicherheit gegen Stromschläge, vorteilhaft ist.In an expedient development of the invention, the high-voltage energy store with the electrical converter devices can be arranged in a common housing. Consequently, the high-voltage energy storage and the electrical converter devices are structurally integrated in a housing and represent a particularly highly integrated and compact unit of the electrical system according to the invention, that is, they also contribute to a more compact design of the electrical system according to the invention. The housing may be made of an electrically insulating material, such. As plastic, be formed, which in terms of regularly to be ensured safety aspects such. B. the contact safety against electric shock, is advantageous.
Daneben betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches ein, wie vorstehend beschriebenes Bordnetz umfasst. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektrokraftfahrzeug oder ein Hybridelektrokraftfahrzeug. Obige Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Bordnetz gelten sonach analog für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.In addition, the present invention relates to a motor vehicle, which comprises a vehicle electrical system as described above. The motor vehicle is in particular an electric motor vehicle or a hybrid electric motor vehicle. The above statements on the electrical system according to the invention therefore apply analogously to the motor vehicle according to the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, wobeiFurther advantages, features and details of the invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawings, wherein
Ersichtlich ist das Bordnetz
Dabei ist der Hochvoltenergiespeicher
Eine bevorzugte Konfigurationen des Niedervoltenergiespeichers
An das Hochvoltnetz
An das Niedervoltnetz
Ersichtlich umfasst das Bordnetz
Die elektrischen Wandlervorrichtungen
Die elektrischen Wandlervorrichtungen
Dem Bordnetz
Eine entsprechende Randbedingung kann beispielsweise eine bestimmte Mindestenergiemenge oder Höchstenergiemenge und/oder eine bestimmte Mindestspannung oder Höchstspannung in dem Niedervoltenergiespeicher
Insbesondere ist es möglich, den seitens des Niedervoltnetzes
Ermittelt z. B. die Steuereinrichtung
Als entsprechende von der Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Zu beachten ist, dass bei abgestelltem Kraftfahrzeug
Der Niedervoltenergiespeicher
Der Niedervoltenergiespeicher
Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip ist es grundsätzlich möglich, ein entsprechendes Bordnetz
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