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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einer Hochvoltbatterie zum Bereitstellen einer elektrischen Versorgungsspannung für eine elektrische Antriebsmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs, mit einem Kleinspannungsbordnetz mit zumindest einem elektrischen Verbraucher, welcher mit einer Betriebsspannung mit einem gegenüber der Versorgungsspannung geringeren Spannungswert versorgbar ist, und mit einer Hauptspannungsquelle zum Bereitstellen der Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz. Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wie auch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung in einem Fahrzeug.
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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge – sei es Elektrofahrzeuge, sei es Hybridfahrzeuge – sind bereits aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Sie beinhalten eine elektrische Antriebsmaschine (Antriebsmotor), welche in der Regel als Synchronmaschine bzw. sogenannter bürstenloser Gleichstrommotor ausgeführt ist. Zur Versorgung der Antriebsmaschine mit elektrischer Energie wird eine Hochvoltbatterie genutzt, welche elektrische Versorgungsspannung erzeugt, die eine Gleichspannung ist. Der Spannungswert der Versorgungsspannung liegt üblicherweise bei etwa 400 V, wobei diesbezüglich auch höhere Spannungswerte vorgesehen sein können, wie beispielsweise 800 V. Unter einer Hochvoltbatterie wird vorliegend im Allgemeinen eine Batterie verstanden, welche zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung von mindestens 100 V ausgebildet ist, insbesondere von mindestens 200 V, noch bevorzugter von mindestens 400 V. Aus der Versorgungsspannung der Hochvoltbatterie wird dann eine Motorspannung für die Antriebsmaschine bereitgestellt – diese Motorspannung ist eine Wechselspannung. Zu diesem Zwecke wird ein Wechselrichter bzw. Inverter eingesetzt, der aus mehreren Transistoren besteht. Die Einstellung der Drehzahl der Antriebsmaschine erfolgt dann zum Beispiel durch Steuerung der Schaltfrequenz der Transistoren.
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Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst des Weiteren üblicherweise ein Kleinspannungsbordnetz mit mehreren elektrischen Verbrauchern, die mit einer Betriebsspannung von etwa 12 V bis 15 V versorgt werden. Als elektrische Verbraucher, welche mit einer solchen Kleinspannung betrieben werden, seien vorliegend lediglich beispielhaft eine Klimaanlage, eine Audioanlage, eine Beleuchtungseinrichtung, ein Starter für eine Brennkraftmaschine eines Hybridfahrzeugs und ein Steuergerät genannt. Als Hauptspannungsquelle zum Versorgen des Kleinspannungsbordnetzes dient dabei üblicherweise ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), welcher im normalen Betrieb des Fahrzeugs bzw. während der Fahrt aus der Versorgungsspannung der Hochvoltbatterie die Betriebskleinspannung für die elektrischen Verbraucher des Kleinspannungsbordnetzes bereitstellt. Das Kleinspannungsbordnetz wird also im Normalfall mit elektrischer Energie aus der Hochvoltbatterie versorgt, wobei die Versorgungsspannung der Hochvoltbatterie in die Betriebsspannung geringerer Höhe mittels des Gleichspannungswandlers umgewandelt wird.
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Neben dem Gleichspannungswandler wird in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug üblicherweise zusätzlich noch eine Kleinspannungsbatterie als Zusatzspannungsquelle eingesetzt, welche die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz bereitstellen kann. Diese Kleinspannungsbatterie kann auch über den Gleichspannungswandler mit elektrischer Energie aufgeladen werden und wird beispielsweise im Stillstand des Fahrzeugs oder aber beim Parken genutzt, um das Kleinspannungsbordnetz mit Energie zu versorgen.
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Nun hat sich herausgestellt, dass elektrisch angetriebene Fahrzeuge relativ häufig aufgrund einer leeren Kleinspannungsbatterie und/oder aufgrund eines Ausfalls bzw. Fehlers des Gleichspannungswandlers ihre Betriebsfähigkeit verlieren, obwohl die Hochvoltbatterie selbst ausreichend aufgeladen ist. Liegt ein Ausfall des Gleichspannungswandlers vor, so kann das Gleichspannungsbordnetz allenfalls noch mit elektrischer Energie aus der Kleinspannungsbatterie versorgt werden. Wird zusätzlich noch diese Batterie entladen, ist kein weiterer Betrieb des Fahrzeugs mehr möglich. Und auch im Falle einer entladenen Kleinspannungsbatterie und bei funktionstüchtigem Gleichspannungswandler kann selbiger Wandler nicht mehr in Betrieb genommen werden, weil er mit der Betriebsspannung der Kleinspannungsbatterie nicht mehr versorgt werden kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie bei einer elektrischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung ein Ausfall des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs möglichst verhindert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung, durch ein Fahrzeug sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Demnach wird vorgeschlagen, bei der elektrischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung neben der Hauptspannungsquelle zumindest eine erste und eine zweite Zusatzspannungsquelle einzusetzen, welche jeweils zum Bereitstellen der Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz ausgebildet sind, wobei eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, die nach Ausfall der Hauptspannungsquelle das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle und nach zusätzlichem Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle mit der zweiten Zusatzspannungsquelle elektrisch verbindet.
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Erfindungsgemäß wird somit eine dreifache Redundanz für die Versorgung des Kleinspannungsbordnetzes mit elektrischer Energie bereitgestellt und somit eine hochredundante Sicherheit im Hinblick auf den Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht.
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Neben der Hauptspannungsquelle (insbesondere Gleichspannungswandler) sind nämlich mindestens zwei Zusatzspannungsquellen vorgesehen, die gegebenenfalls das Kleinspannungsbordnetz versorgen können. Dazu ist auch eine Schalteinrichtung bereitgestellt, welche nach Ausfall der Hauptspannungsquelle (insbesondere des Gleichspannungswandlers) das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle (insbesondere Kleinspannungsbatterie), bevorzugt ausschließlich mit der ersten Zusatzspannungsquelle, verbindet und nach zusätzlichem Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle bewirkt, dass das Kleinspannungsbordnetz mit elektrischer Energie der zweiten Zusatzspannungsquelle versorgt wird, insbesondere ausschließlich mit Energie der zweiten Zusatzspannungsquelle. Auch bei Ausfall sowohl der Hauptspannungsquelle als auch der ersten Zusatzspannungsquelle wird somit ein weiterer Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht, indem das Kleinspannungsbordnetz mit der zweiten Zusatzspannungsquelle elektrisch verbunden wird. Das Verbinden des Kleinspannungsbordnetzes mit der zweiten Zusatzspannungsquelle erfolgt vorzugsweise erst nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle.
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Das elektrisch angetriebene Fahrzeug kann ein reines Elektrofahrzeug sein, welches ausschließlich mit Hilfe der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben wird. Alternativ kann es auch ein Hybridfahrzeug sein, welches sowohl die elektrische Antriebsmaschine als auch eine separate Brennkraftmaschine mit einem zugeordneten Starter aufweist.
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Bevorzugt ist die Hauptspannungsquelle ein Gleichspannungswandler, der die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz aus der Versorgungsspannung der Hochvoltbatterie bereitstellt. Die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz wird somit im Normalbetrieb des Fahrzeugs bzw. während der Fahrt mittels des Gleichspannungswandlers bereitgestellt. Fällt dieser aus, kann das Kleinspannungsbordnetz mit Energie aus der ersten Zusatzspannungsquelle versorgt werden.
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Die erste Zusatzspannungsquelle ist vorzugsweise als Kleinspannungsbatterie ausgebildet, insbesondere eine Bleisäurebatterie. Die Kleinspannungsbatterie kann zum Bereitstellen einer Betriebsspannung von beispielsweise 12 V ausgebildet sein. Nach Ausfall des Gleichspannungswandlers stellt eine solche Kleinspannungsbatterie zumindest für eine bestimmte Zeitdauer einen zuverlässigen Ersatz für die Versorgung des Kleinspannungsbordnetzes dar.
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Die Hochvoltbatterie umfasst bevorzugt eine Vielzahl von in Reihe miteinander geschalteten Batteriezellen, welche zwischen einem ersten Batterieanschluss einerseits und einem zweiten Batterieanschluss andererseits angeordnet sind. Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die zweite Zusatzspannungsquelle durch eine vorbestimmte Teilmenge der Batteriezellen gebildet ist und die Hochvoltbatterie weiterhin einen Zusatzanschluss aufweist, an welchem eine an der Teilmenge der Batteriezellen anliegende elektrische Spannung als Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz abgreifbar ist. Bei dieser Ausgangsform kommen die Vorteile der vorliegenden Erfindung vollständig zum Tragen, weil die dreifache Redundanz mit geringstem Aufwand und ohne teure zusätzliche Komponenten zur Erzeugung elektrischer Spannung ermöglicht werden kann. Für die zweite Zusatzspannungsquelle können nämlich die ohnehin bereits vorhandenen Batteriezellen der Hochvoltbatterie genutzt werden. Somit kann das Kleinspannungsbordnetz auch bei einer leeren Kleinspannungsbatterie und bei Ausfall des Gleichspannungswandlers mit elektrischer Energie versorgt werden. Ein Ausfall des Fahrzeugs aufgrund einer entladenen Kleinspannungsbatterie und eines ausgefallenen Gleichspannungswandlers kann somit mit geringem technischen Aufwand verhindert werden. Jedoch auch bei funktionstüchtigem Gleichspannungswandler kann das Fahrzeug selbst dann weiterhin betrieben werden, wenn die Kleinspannungsbatterie entladen wird. In diesem Falle kann das Kleinspannungsbordnetz mit Energie aus der Untermenge der Zellen der Hochvoltbatterie versorgt werden, und diese Zellen können auch gegebenenfalls über den Gleichspannungswandler wieder aufgeladen werden.
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Für die Untermenge von Batteriezellen werden bevorzugt Batteriezellen verwendet, welche zueinander unmittelbar benachbart angeordnet sind, und insbesondere auch direkt mit einem der Batterieanschlüsse verbunden sind, nämlich vorzugsweise mit demjenigen Anschluss, an welchem das Bezugspotential (Masse) bereitgestellt ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung einen ersten Schalter, über welchen das Kleinspannungsbordnetz mit der Hauptspannungsquelle gekoppelt werden kann. Ein Steuerelement des ersten Schalters kann dabei mit der Hauptspannungsquelle verbunden sein und mit der durch die Hauptspannungsquelle bereitgestellten Betriebsspannung versorgt werden, sodass nach Ausfall der Hauptspannungsquelle der erste Schalter selbsttätig in einen Schaltzustand geschaltet wird, in welchem das Kleinspannungsbordnetz von der Hauptspannungsquelle getrennt ist. Somit wird das Kleinspannungsbordnetz im Falle eines Fehlers der Hauptspannungsquelle, insbesondere des Gleichspannungswandlers, von selbiger Quelle elektrisch getrennt und kann dann mit elektrischer Energie der ersten Zusatzspannungsquelle versorgt werden. Der erste Schalter ist dabei vorzugsweise als Relais ausgebildet, welches eine Spule als Steuerelement aufweist, welche mit der Hauptspannungsquelle elektrisch gekoppelt ist. Insbesondere ist diese Spule parallel zur Hauptspannungsquelle geschaltet und mit dieser permanent verbunden, sodass das Relais bei funktionstüchtiger Hauptspannungsquelle stets in seiner geschlossenen Schalterstellung verbleibt und nach Ausfall der Hauptspannungsquelle selbsttätig abfällt. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht ein zuverlässiges Trennen des Kleinspannungsbordnetzes von der Hauptspannungsquelle im Falle eines Ausfalls derselben.
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Bevorzugt weist die Schalteinrichtung einen zweiten Schalter auf, der zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist, und einem zweiten Schaltzustand geschaltet werden kann, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der zweiten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann das Kleinspannungsbordnetz somit entweder mit der ersten oder mit der zweiten Zusatzspannungsquelle verbunden sein.
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Auch ein Steuerelement des zweiten Schalters kann mit der ersten Zusatzspannungsquelle verbunden sein und mit der durch die erste Zusatzspannungsquelle bereitgestellten Betriebsspannung versorgt werden, nämlich derart, dass bei Vorhandensein der Betriebsspannung der ersten Zusatzspannungsquelle der zweite Schalter in dem ersten Schaltzustand gehalten wird, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist, und dass nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle der zweite Schalter selbsttätig in den zweiten Schaltzustand geschaltet wird, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der zweiten Zusatzspannungsquelle gekoppelt ist. Auch der zweite Schalter kann als Relais ausgebildet sein, welches neben einem beweglichen Kontaktelement zwei ortsfeste Kontaktelemente aufweist, von denen ein erstes Kontaktelement mit der ersten Zusatzspannungsquelle und ein zweites Kontaktelement mit der zweiten Zusatzspannungsquelle verbunden sind. Die Spule des Relais kann dabei permanent mit der ersten Zusatzspannungsquelle verbunden und insbesondere parallel dazu geschaltet sein. Im Normalfall bzw. bei funktionstüchtiger erster Zusatzspannungsquelle befindet sich das Relais somit im ersten Schaltzustand, in welchem das Kleinspannungsbordnetz mit der ersten Zusatzspannungsquelle verbunden ist. Nach Ausfall der Spannung der ersten Zusatzspannungsquelle fällt das Relais ab, und das bewegliche Kontaktelement wird in eine Stellung gebracht, in welcher das Kleinspannungsbordnetz von der ersten Zusatzspannungsquelle getrennt und mit der zweiten Zusatzspannungsquelle verbunden ist. Diese Ausführungsform hat insgesamt den Vorteil, dass nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle automatisch eine Umschaltung auf die zweite Zusatzspannungsquelle erfolgt.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Ausführung des ersten und/oder des zweiten Schalters als Relais beschränkt. Der erste und/oder zweite Schalter kann alternativ auch in Form zumindest eines Transistors realisiert werden, dessen Steueranschluss als Steuerelement mit der Hauptspannungsquelle respektive mit der ersten Zusatzspannungsquelle verbunden ist.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Schalter elektrisch miteinander verbunden sind, sodass über den Gleichspannungswandler als Hauptspannungsquelle abhängig von dem Schaltzustand des zweiten Schalters die erste oder die zweite Zusatzspannungsquelle mit elektrischer Energie aufgeladen werden kann. Das Kleinspannungsbordnetz kann dabei einerseits über den ersten Schalter mit dem Gleichspannungswandler und andererseits mit dem zweiten Schalter gekoppelt sein. Ist der Gleichspannungswandler funktionsfähig, kann über diesen die erste Zusatzspannungsquelle aufgeladen werden. Fällt die erste Zusatzspannungsquelle aus, so kann über den Gleichspannungswandler die zweite Zusatzspannungsquelle, also insbesondere die Teilmenge der Batteriezellen der Hochvoltkomponente, aufgeladen werden. Somit kann selbst bei einem Ausfall der Kleinspannungsbatterie das Fahrzeug über eine längere Zeitdauer weiterhin normal betrieben werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Betreiben einer Schaltungsanordnung eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgelegt, wobei eine elektrische Versorgungsspannung für eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs mittels einer Hochvoltbatterie bereitgestellt wird, zumindest ein elektrischer Verbraucher eines Kleinspannungsbordnetzes mit einer Betriebsspannung versorgt wird und die Betriebsspannung für das Kleinspannungsbordnetz mittels einer Hauptspannungsquelle bereitgestellt wird. Nach Ausfall der Hauptspannungsquelle wird das Kleinspannungsbordnetz mittels einer Schalteinrichtung mit einer ersten Zusatzspannungsquelle und nach Ausfall der ersten Zusatzspannungsquelle mit einer zweiten Zusatzspannungsquelle elektrisch verbunden.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Fahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine elektrische Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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2 in schematischer Darstellung eine beispielhafte Hochvoltbatterie der Schaltungsanordnung.
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In 1 ist eine elektrische Schaltungsanordnung 1 bzw. ein Zweispannungsbordnetz eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen mit einer elektrischen Antriebsmaschine 2 sein. Optional kann das Fahrzeug auch ein Hybridfahrzeug sein und zusätzlich noch eine in den Figuren nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine mit einem Starter beinhalten. Bei einem rein elektrischen Fahrzeug wird jedoch auf eine solche Brennkraftmaschine verzichtet, und das Fahrzeug wird ausschließlich mittels der elektrischen Antriebsmaschine 2 angetrieben.
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Die Schaltungsanordnung 1 hat ein Hochvoltnetz 3, in welchem die elektrische Antriebsmaschine 2 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Schaltungsanordnung ein Kleinspannungsbordnetz 4, welches eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern 5, 6 beinhalten kann, wobei die Anzahl der elektrischen Verbraucher 5, 6 grundsätzlich beliebig sein kann.
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Die Schaltungsanordnung 1 umfasst des Weiteren einen Gleichspannungswandler 7, welcher eingangsseitig mit einem Knoten 8 des Hochvoltnetzes 3 und ausgangsseitig mit einem Knoten 9 verbunden ist. Der Gleichspannungswandler 7 ist auch an ein Bezugspotenzial 10 (Masse) angebunden. An dem gleichen Bezugspotenzial 10 liegen auch das Hochvoltnetz 3 sowie das Kleinspannungsbordnetz 4, wobei alternativ auch vorgesehen sein kann, dass die beiden Netze 3, 4 auf unterschiedlichen Bezugspotenzialen liegen.
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Zur Versorgung der elektrischen Maschine 2 mit Energie ist im Hochvoltnetz 3 eine Hochvoltbatterie 11 mit einer Vielzahl von Batteriezellen bereitgestellt. Zwischen einem ersten Batterieanschluss 12 und einem zweiten Batterieanschluss 13 stellt die Hochvoltbatterie 11 eine Versorgungsspannung UV bereit. Der zweite Batterieanschluss 13 ist dabei mit dem Bezugspotenzial 10 direkt verbunden, wobei alternativ auch vorgesehen sein kann, dass das Bezugspotential 10 innerhalb der Batterie 11 liegt, also beispielsweise die Batterie 11 symmetrisch bezüglich des Bezugspotenzials 10 ausgeführt ist und das Bezugspotenzial 10 somit mittig zwischen den Batterieanschlüssen 12, 13 liegt. Dann liegt an dem ersten Batterieanschluss 12 ein positives Potenzial an, während an dem zweiten Batterieanschluss 13 ein negatives Potenzial bezüglich des Bezugspotenzials 10 anliegt. Aus der Versorgungsspannung UV wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Wechselrichters eine elektrische Wechselspannung für die Antriebsmaschine 2 bereitgestellt. Die Versorgungsspannung UV kann zum Beispiel einen Spannungswert von 400 V oder 800 V aufweisen.
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Der erste Batterieanschluss 12 ist mit dem Knoten 8 und somit mit dem Eingang des Gleichspannungswandlers 7 verbunden. Somit ergibt sich eine Parallelschaltung aus der Hochvoltbatterie 11 und der Antriebsmaschine 2, welche zwischen den Knoten 8 und das Bezugspotenzial 10 geschaltet ist.
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Demgegenüber wird das Kleinspannungsbordnetz 4 mit einer Kleinspannung von beispielsweise 12 V bis 15 V betrieben. Die elektrischen Verbraucher 5, 6 sind zueinander parallel geschaltet und einerseits mit einem Knoten 14 und andererseits mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden. Über den Knoten 14 werden die Verbraucher 5, 6 mit elektrischer Betriebsspannung versorgt. Zu diesem Zwecke ist der Knoten 14 über einen ersten elektrischen Schalter 15 sowie eine Diode 16 mit dem Knoten 9 und so mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 gekoppelt. Die Anode der Diode 16 ist dabei mit dem Knoten 9 bzw. dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 verbunden, während die Kathode mit dem Schalter 15 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist der erste Schalter 15 als Relais mit einer Spule 17 als Steuerelement ausgebildet, wobei die Spule einerseits mit dem Knoten 9 und so mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 und andererseits mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden ist. Bei Vorhandensein der Spannung am Ausgang des Gleichspannungswandlers 7 zieht die Spule 17 somit kontinuierlich das bewegliche Kontaktelement des Schalters 15 an, sodass der Schalter 15 geschlossen ist, und es fließt Strom über den Schalter 15.
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Auf der dem ersten Schalter 15 gegenüberliegenden Seite ist der Knoten 14 mit einem zweiten elektrischen Schalter 18 verbunden, welcher ebenfalls als Relais ausgebildet ist. Der Knoten 14 ist dabei mit einem beweglichen Kontaktelement des Schalters 18 verbunden, welches zwischen zwei Schaltstellungen bewegt werden kann. In einer ersten Schaltstellung kontaktiert das bewegliche Kontaktelement ein erstes ortsfestes Kontaktelement 19, und in einer zweiten Schaltstellung (wie in 1 dargestellt) kontaktiert das bewegliche Kontaktelement ein zweites ortsfestes Kontaktelement 20. Zum Anziehen des beweglichen Kontaktelements ist als Steuerelement eine Spule 21 bereitgestellt, welche parallel zu einer Kleinspannungsbatterie 22 geschaltet ist. Die Parallelschaltung aus Spule 21 und Kleinspannungsbatterie 22 ist einerseits mit dem ersten ortsfesten Kontaktelement 19 und andererseits mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden. Im Normalfall, wenn die Kleinspannungsbatterie 22 elektrische Spannung bereitstellt, wird die Spule 21 bestromt, und das bewegliche Kontaktelement kontaktiert das ortsfeste Kontaktelement 19, sodass der Knoten 14 mit der Kleinspannungsbatterie 22 verbunden ist. Fällt die Spannung der Kleinspannungsbatterie 22 aus, fällt der Schalter 18 ab, und das bewegliche Kontaktelement kontaktiert das zweite ortsfeste Kontaktelement 20.
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Die beiden Schalter 15, 18 bilden insgesamt eine Schalteinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Die Hochvoltbatterie 11 weist des Weiteren einen Zusatzanschluss 23 auf, an welchem elektrische Teilspannung UT bezüglich des Bezugspotenzials 10 abgegriffen werden kann, welche an einer vorbestimmten Teilmenge von Batteriezellen der Hochvoltbatterie 11 anliegt. Der Zusatzanschluss 23 ist über eine elektrische Leitung 24 mit dem zweiten ortsfesten Kontaktelement 20 des Schalters 18 verbunden.
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Die Hochvoltbatterie 11 ist beispielhaft in 2 näher dargestellt. Wie bereits ausgeführt, hat die Hochvoltbatterie 11 den ersten Batterieanschluss 12 sowie den zweiten Batterieanschluss 13. Sie umfasst eine Vielzahl von Batteriezellen 25, nämlich insbesondere über 100 solcher Batteriezellen. Die Hochvoltbatterie 11 kann zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Eine einzelne Batteriezelle 25 kann zum Beispiel eine elektrische Spannung von 3,7 V (bei geladener Zelle) bereitstellen.
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Zum Bereitstellen der Teilspannung UT an dem Zusatzanschluss 23 (vgl. auch 1) wird eine Teilmenge 26 der Batteriezellen 25 und beispielsweise vier solche Batteriezellen 25 von der Hochvoltbatterie 11 elektrisch abgetrennt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2 werden als Teilmenge 26 die ersten Batteriezellen 25 gerechnet von dem zweiten Batterieanschluss 13 bzw. dem Bezugspotenzial 10 abgetrennt. Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass der Zusatzanschluss 23 mit einem Knoten zwischen zwei benachbarten Batteriezellen 25 verbunden ist, ohne dass eine elektrische Trennung zwischen der Teilmenge 26 und den restlichen Zellen 25 stattfindet. Optional können jedoch Schaltmittel 27 bereitgestellt werden, welche bewirken, dass die Teilmenge 26 wahlweise von den restlichen Batteriezellen 25 elektrisch abgetrennt und somit entkoppelt werden können. Diese Schaltmittel 27 weisen einen Schalter 28 sowie einen weiteren Schalter 29 auf, welche synchron geschaltet werden, und zwar zwischen einem ersten Schaltzustand, in welchem die Teilmenge 26 über eine Leitung 30 mit den restlichen Batteriezellen 25 verbunden ist und somit alle Batteriezellen 25 von dem Zusatzanschluss 23 entkoppelt sind und die Versorgungsspannung UV bereitstellen, und einem in 2 dargestellten zweiten Schaltzustand, in welchem die Teilmenge 26 mit dem Zusatzanschluss 23 verbunden ist und ein Anschluss 31 der äußeren Batteriezelle 25 der restlichen Zellen mit dem Bezugspotenzial 10 verbunden ist. Im zweiten Schaltzustand der Schalter 28, 29 wird somit die Teilmenge 26 von der Hochvoltbatterie 11 abgetrennt, und die Teilspannung UT von beispielsweise 15 V wird an dem Zusatzanschluss 23 bereitgestellt.
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Optional kann auch vorgesehen sein, dass immer dann, wenn sich das bewegliche Kontaktelement des Schalters 18 (1) in der zweiten Schaltstellung befindet und somit mit dem Zusatzanschluss 23 verbunden ist, die Schalter 28, 29 der Hochvoltbatterie 11 in dem zweiten Schaltzustand gehalten werden, in welchem die Teilspannung UT von 15 V an dem Zusatzanschluss 23 anliegt. Dies kann beispielsweise mittels einer Steuereinheit gewährleistet werden.
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Mit erneutem Bezug auf 1 beinhaltet die Schaltungsanordnung 1 insgesamt drei verschiedene Spannungsquellen: Als Hauptspannungsquelle dient der Gleichspannungswandler 7, der eine Betriebsspannung UB für die Verbraucher 5, 6 aus der Versorgungsspannung UV der Hochvoltbatterie 11 erzeugt. Als erste Zusatzspannungsquelle dient die Kleinspannungsbatterie 22, und als zweite Zusatzspannungsquelle dient die Untermenge 26 der Batteriezellen 25 der Hochvoltbatterie 11, welche zwischen dem Zusatzanschluss 23 und dem Bezugspotenzial 10 angeordnet sind. Im Normalbetrieb des Fahrzeugs bzw. während der normalen Fahrt (beispielsweise ab einer vorgegebenen Geschwindigkeit) wird die Betriebsspannung UB mittels des Gleichspannungswandlers 7 erzeugt. Dieser kann beispielsweise mit Hilfe einer Steuereinheit (nicht dargstellt) angesteuert werden. In diesem Normalbetrieb stellt der Gleichspannungswandler 7 eine Spannung bereit, deren Spannungswert ein wenig höher als die Batteriespannung der Kleinspannungsbatterie 22 ist und beispielsweise 15 V beträgt. Somit ist der Schalter 15 geschlossen, und auch der Schalter 18 befindet sich in der ersten Schaltstellung bzw. in seinem ersten Schaltzustand, sodass der Knoten 14 mit der Kleinspannungsbatterie 22 verbunden ist. Dies deshalb, weil die Kleinspannungsbatterie 22 aufgeladen ist und durch die Spule 21 elektrischer Strom fließt. Im Normalbetrieb kann die Kleinspannungsbatterie 22 somit auch weiterhin mit elektrischer Energie über den Gleichspannungswandler 7 aufgeladen werden.
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Im Stillstand des Fahrzeugs oder aber beim Parken – und allgemein gesagt in einem Betriebsmodus mit ausgeschaltetem Wandler 7 – wird die Betriebsspannung UB für die Verbraucher 5, 6 mit der Kleinspannungsbatterie 22 erzeugt, während der Gleichspannungswandler 7 keine Spannung liefert – der Schalter 15 ist offen, und der Schalter 18 verbindet die Kleinspannungsbatterie 22 mit den Verbrauchern 5, 6.
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Tritt nun im Normalbetrieb ein Fehler des Gleichspannungswandlers 7 auf, sodass dieser keine Spannung am Knoten 9 bereitstellt, so fällt der erste Schalter 15 ab, und die elektrischen Verbraucher 5, 6 werden ausschließlich mit Hilfe der Kleinspannungsbatterie 22 versorgt. Somit kann das Fahrzeug weiterhin betrieben werden, obwohl der Gleichspannungswandler 7 ausgefallen ist. Wird auch die Kleinspannungsbatterie 22 entladen, so fließt durch die Spule 21 kein Strom mehr, und der zweite Schalter 18 fällt ab. In diesem Falle wird der Knoten 14 und somit das Kleinspannungsbordnetz 4 mit dem Zusatzanschluss 23 der Hochvoltbatterie 11 verbunden. Das Kleinspannungsbordnetz 4 wird nun ausschließlich mit elektrischer Energie der Teilmenge 26 versorgt.
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Somit ergibt sich insgesamt eine dreifache Redundanz und somit ein hochsicherer Betrieb des Fahrzeugs, ohne dass zusätzlich Spannungskomponenten zur Erzeugung elektrischer Spannung eingesetzt werden müssen.
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Es kann auch vorkommen, dass beim funktionstüchtigem Gleichspannungswandler 7 die Kleinspannungsbatterie 22 entladen wird, weil beispielsweise die Verbraucher 5, 6 zu lange im Stillstand des Fahrzeugs betrieben werden. In diesem Falle wird das Kleinspannungsbordnetz 4 mit dem Zusatzanschluss 23 der Hochvoltbatterie 11 verbunden, während der Gleichspannungswandler 7 weiterhin betrieben werden kann. Somit wird die Kleinspannungsbatterie 22 durch die Teilmenge 26 der Zellen 25 ersetzt, und das Fahrzeug kann beliebig lange weiterhin betrieben werden. Über den Gleichspannungswandler 7 kann die Teilmenge 26 der Zellen 25 nämlich geladen werden. Der weitere Betrieb kann beispielsweise so aussehen, dass die Betriebsspannung UB und somit der aktuelle Ladezustand der Teilmenge 26 der Zellen 25 mittels der genannten Steuereinheit überwacht wird und nach Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungsgrenzwerts der Gleichspannungswandler 7 angesteuert wird, um die Teilmenge 26 wieder mit Energie aufzuladen. Der Fahrer hat somit genügend Zeit, um die Kleinspannungsbatterie 22 wieder auszuwechseln oder aufzuladen.
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Wird die Kleinspannungsbatterie 22 oder die Untermenge 26 an sich über den Gleichspannungswandler 7 mit elektrischer Energie aufgeladen, so sorgt die Diode 16 dafür, dass Rückströme aus der Kleinspannungsbatterie 22 an sich oder der Untermenge 26 den ersten Schalter 15 nicht negativ beeinflussen.
