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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Energiespeicher, der in einem Gehäuse angeordnet ist, und einem Spannungswandler, wobei der elektrische Energiespeicher elektrisch mit dem Spannungswandler gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung.
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Als Bordnetz wird in der Regel die Gesamtheit aller elektrischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug bezeichnet. Solche elektrischen Komponenten können Steuergeräte, Sensoren, Anzeigeelemente, aber auch elektrische Maschinen, beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren, sein. Um diese elektrischen Komponenten mit Energie zu versorgen, steht üblicherweise ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise eine Batterie, zur Verfügung, die eine Gleichspannung für die elektrischen Komponente bereitstellt. Da die von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung nicht für jede elektrische Komponente gleichermaßen geeignet ist, wird die Batteriespannung mit Hilfe eines Spannungswandlers, beispielsweise eines DC/DC-Wandlers, in eine geeignete Spannung umgewandelt und über einen Leistungsverteiler der jeweiligen Komponente zugeführt.
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Zusätzlich sind Sicherungseinheiten, beispielsweise Schmelzsicherungen, vorgesehen, um die Sicherungsanforderungen zu erfüllen. Gegenwärtig werden im Bereich der Bordnetz-Spannungsversorgung dezentrale Einheiten verwendet. Das heißt, dass die Batterie, der Spannungswandler, der Leistungsverteiler und die Sicherungseinheit auf getrennte Bauteile aufgeteilt beziehungsweise nicht alle in einem Bauteil zusammengefasst sind.
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Daraus ergibt sich der Nachteil, dass ein relativ großer Bauraumbedarf notwendig ist, da jede Komponente zum einen ein eigenes Gehäuse und zum anderen eigene Fahrzeugschnittstellen benötigt. Eine solche Fahrzeugschnittstelle kann eine Fixierung im Fahrzeug oder eine Spannungsversorgung sein.
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In der
DE 10 2005 028 950 B4 ist eine Energieversorgungseinheit beschrieben, die aus einem Batteriepack und einer Komponentenbox besteht, wobei die Komponentenbox in Kontakt mit einer Seitenfläche des Gehäuses des Batteriepacks angeordnet ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannungsversorgung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche möglichst platzsparend, kostengünstig und energieeffizient ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung sowie ein Kraftfahrzeug 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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Eine solche Vorrichtung dient der Spannungsversorgung für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist einen elektrischen Energiespeicher, der in einem Gehäuse angeordnet ist, und einen Spannungswandler auf, wobei der elektrische Energiespeicher elektrisch mit dem Spannungswandler gekoppelt ist.
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Um nun die Vorrichtung zur Spannungsversorgung möglichst platzsparend, kostengünstig und energieeffizient zu realisieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Trägereinrichtung einteilig mit einer Deckfläche des Gehäuses des Energiespeichers ausgebildet ist und ein mechanisches Koppelelement aufweist, welches dazu ausgelegt ist, den elektrischen Energiespeicher mit der Trägereinrichtung und den Spannungswandler mit der Trägereinrichtung mechanisch zu verbinden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der elektrische Energiespeicher als eine Einzelkomponente und der Spannungswandler als eine andere Einzelkomponente mechanisch so verbunden werden, dass eine kompakte Konstruktion entsteht, die platzsparend im Fahrzeug angeordnet werden kann. Durch den Zusammenbau der Einzelkomponenten mit ihren einzelnen Festigkeitswerten wird eine Strukturfestigkeitserhöhung der kompakten Konstruktion erzielt. Außerdem entfallen durch den kompakten Verbund die Befestigungen der Einzelkomponenten im Kraftfahrzeug, sondern es werden nur Einmalfixierungen benötigt, die dann beide Komponenten tragen.
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Besonders bevorzugt weist die Trägereinrichtung ein elektrisches Anschlusselement auf, das dazu ausgelegt ist, die Vorrichtung zur Spannungsversorgung elektrisch mit dem Bordnetz zu koppeln. Dadurch kann die Zahl der Anschlüsse reduziert werden. Es kann also nur ein Anschluss für das Bordnetz bereitgestellt werden, da die Leistungsverbindung zwischen Batterie und Spannungswandler bereits in der kompakten Konstruktion integriert ist.
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In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das elektrische Anschlusselement der Trägereinrichtung einen ersten Abgriff aufweist, an dem eine erste elektrische Spannung anliegt, und einen zweiten Abgriff aufweist, an dem eine von der ersten elektrischen Spannung verschiedene zweite elektrische Spannung anliegt. Wie bereits beschrieben, ist nicht jede von der Batterie bereitgestellte Spannung für jede Komponente des Bordnetzes gleichermaßen geeignet. So benötigt beispielsweise ein Elektromotor eine höhere Spannung als ein einfacher Verbraucher des Bordnetzes, beispielsweise ein Steuergerät. Aus diesem Grund können zwei Abgriffe für zwei verschiedene Spannungskreise bereitgestellt werden. Dabei kann ein Spannungskreis eine sogenannte Bordnetzspannung, beispielsweise 12 Volt, und eine anderer Spannungskreis eine Betriebsspannung, beispielsweise 48 Volt, oder eine Hochvoltspannung bereitstellen. Unter Hochvoltspannung ist hier eine Spannung größer als 60 Volt zu verstehen. Die Vorrichtung ist somit besonders flexibel gestaltet, da an den beiden Abgriffen unterschiedliche Spannungen anliegen. Dabei kann die erste Spannung beispielsweise die Betriebsspannung und die zweite Spannung beispielsweise die Bordnetzspannung sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Trägereinrichtung ein Temperierelement aufweist, das dazu ausgelegt ist, den elektrischen Energiespeicher und/oder den Spannungswandler zu temperieren. In der Regel sind sowohl die Batterie als auch der Spannungswandler bei Bedarf zu kühlen und/oder zu heizen. Das kann notwendig sein, um die geforderte Leistungsfähigkeit abzusichern. Wenn das Temperierelement bereits in die Trägereinrichtung integriert ist oder auch das Trägerelement bereits als Temperierelement ausgebildet ist, d. h. das Temperierelement die tragende Funktion und die Strukturfestigkeit in sich darstellt, können alle Einzelkomponenten, die Teil des kompakten Verbundes sind, also beispielsweise der Energiespeicher und der Spannungswandler mit nur einem Temperierelement, beispielsweise einer Kühlplatte, temperiert werden. Somit werden Kosten gespart, da separate Temperierelemente für die Einzelkomponenten wie den Spannungswandler und den elektrischen Energiespeicher entfallen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Temperierelement zumindest eine thermische Koppeleinheit zum thermischen Entkoppeln des Temperierelements mit dem elektrischen Energiespeicher und/oder des Temperierelements mit dem Spannungswandler aufweist. Somit können sowohl Spannungswandler als auch der elektrische Energiespeicher getrennt temperiert werden, obwohl nur ein Temperierelement zur Verfügung steht.
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Besonders bevorzugt weist die Trägereinrichtung einen Sicherungsanschluss auf, an den ein Sicherungselementekasten koppelbar ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die kompakte Konstruktion um einen Sicherungselementekasten erweitert werden kann und somit eine komplexe funktionsintegrierte Einheit realisiert wird. Der Sicherungskasten kann dabei, neben einer elektronischen Sicherung diverse Fahrzeugsicherungen aufweisen. Solche Fahrzeugsicherungen können beispielsweise Leistungsabgänge für Lampen, Pumpen, Steuergeräte, usw. sein. Der Sicherungskasten kann somit als Spannungsverteiler ausgebildet sein. Dadurch, dass der Sicherungskasten direkt an den elektrischen Energiespeicher angebracht werden kann, entfallen separate elektrische Leitungen zur Sicherung und es wird zusätzlich ein höheres Sicherheitsniveau erreicht, da die Sicherung räumlich nahe, also direkt an der zur sichernden Komponente angeordnet ist.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem elektrischen Energiespeicher und einem Temperierelement; und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem elektrischen Energiespeicher, einem Spannungswandler, einem Temperierelement sowie einem Sicherungselementekasten.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt rechtsseitig eine Teilvorrichtung 11, die linksseitig in Explosivdarstellung gezeigt ist. Die Teilvorrichtung 11 umfasst eine elektrische Energiespeichereinheit 12 mit einem elektrischen Energiespeicher 13, beispielsweise einer Batterie, welche sich aus einem Batteriezellpack 14 zusammensetzt. Der elektrische Energiespeicher 13 befindet sich zusammen mit einem Batteriemanagementsystem 15, welches zur Überwachung der einzelnen Batteriezellen des Zellpacks 14 dient, in einem Gehäuse 16. Der elektrische Energiespeicher 13 stellt Energie für ein Bordnetz (hier nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs bereit. Das Gehäuse 16 ist so ausgeführt, dass es sich mit Hilfe von Befestigungselementen 18 an geeigneter Stelle im Kraftfahrzeug, insbesondere in Bordnetznähe, befestigen lässt. Zusätzlich weist das Gehäuse 16 eine Venting-Öffnung 17 auf, die insbesondere dazu dient, einen Überdruck im Gehäuse, z. B. hervorgerufen durch Zellöffnungen, abzubauen und weiterhin (z. B. durch eine luftdurchlässige Membran) einen Luftaustausch zwischen dem Gehäuseinneren, in dem sich der elektrische Energiespeicher 13 befindet, und dem Gehäuseäußeren zu ermöglichen.
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Das Gehäuse 16, in dem sich der elektrische Energiespeicher 13 befindet, weist außerdem eine Deckfläche auf. Dieser Gehäusedeckel dient dazu, das Gehäuse 16 abzuschließen. In besonders vorteilhafter Weise ist in die Deckfläche des Gehäuses 16 ein Temperierelement 24 integriert bzw. ist das Temperierelement 24 einteilig ausgebildet mit der Deckfläche des Gehäuses 16. Das Temperierelement 24 dient in der Regel zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen, des elektrischen Energiespeichers 13. Zur Temperierung des elektrischen Energiespeichers 13 ist eine thermische Koppeleinheit 20 zwischen dem in der Deckfläche des Gehäuses 16 integrierten Temperierelement 24 und dem elektrischen Energiespeicher 13 angeordnet. Der Gehäusedeckel weist außerdem eine Schnittstelle 26 zum Kraftfahrzeug auf. Diese Schnittstelle 26 dient beispielsweise als Signalschnittstelle oder als Spannungsversorgungsanschluss für das Temperierelement 24.
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In 2 ist die in 1 beschriebene Teilvorrichtung 11 um einen Spannungswandler 28 sowie einen Sicherungselementekasten 30 erweitert. Diese komplexe, hochfunktionsintegrierte Einheit mit einem Energiespeicher 13 und einem Spannungswandler 28 in Kombination mit einem Temperierelement 24 und einem Sicherungselementekasten 30 stellt die Vorrichtung 10 dar. Der Sicherungselementekasten 30 kann beispielsweise als Sicherungskasten mit integrierten Schmelzsicherungen oder elektronischen Sicherungen ausgeführt sein.
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Der Spannungswandler 28, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, ist auf dem Gehäusedeckel der elektrischen Energiespeichereinheit 12 angeordnet und dort mechanisch fixiert. Die Deckfläche des Gehäuses 16 bildet also eine Trägereinrichtung 22 für den DC/DC-Wandler 28. Der DC/DC-Wandler 28 erlaubt mittels Spannungswandlung und Stromanpassung eine Verschiebung von elektrischer Energie zwischen zwei Spannungskreisen. DC/DC-Wandler können uni- oder bidirektional ausgeführt sein.
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Da der Gehäusedeckel, wie in 1 gezeigt, ein Temperierelement 24 aufweist, kann dieses Temperierelement 24 ebenso vom Spannungswandler 28 genutzt werden. in besonders vorteilhafter Weise müssen dafür keine weiteren Anschlüsse zur Verfügung stehen. Dieses gemeinsame Temperierelement 24, das insbesondere als Kühlplatte ausgeführt sein kann und einen Temperieranschluss 32 aufweist, verringert die Bauraumanforderungen. Der Temperieranschluss 32 kann beispielsweise als Kühlwasseranschluss ausgeführt sein. Mittels geeigneter thermischer Anbindung können die Einzelkomponenten, also der Spannungswandler 28 und der elektrische Energiespeicher 13, thermisch entkoppelt werden. Soll beispielsweise nur der Spannungswandler 28 temperiert werden, so kann durch ein Bi-Metall oder ein Phase-Change-Material (PCM) die thermische Energie, beispielsweise die Heizenergie, nur dem Spannungswandler 28 zugeführt werden, während dem elektrischen Energiespeicher 13 keine thermische Energie zugeführt wird.
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Zusätzlich sind an der Vorrichtung 10, insbesondere am Gehäusedeckel, zwei Abgriffe 25 und 34 vorgesehen, mit Hilfe derer auf zwei verschiedene Spannungskreise zugegriffen werden kann. Dabei kann am Abgriff 25 eine Standardbordnetzspannung (beispielsweise 12 Volt oder 24 Volt) anliegen. Am Abgriff 34 kann eine erhöhte Bordnetzspannung (beispielsweise 48 Volt) anliegen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass an einem der beiden Abgriffe 25 oder 34 eine Hochvoltspannung (größer als 60 Volt) anliegt. Dies erfordert jedoch weitere Sicherheitsmaßnahmen bezüglich Berührschutzes.
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Die Vorrichtung 10 zeigt also ein Leistungsmodul, bestehend aus einem elektrischen Energiespeicher 13, einem Temperierelement 24, einem Spannungswandler 28 sowie einem Sicherungselementekasten 30, wobei der Spannungswandler 28, der elektrische Energiespeicher 13 und der Sicherungselementekasten 30 über die Trägereinrichtung 22 mechanisch miteinander verbunden sind und das Temperierelement 24 besonders vorteilhaft in die Trägereinrichtung 22 integriert ist. Der Vorteil einer derart komplexen Funktionseinheit ist der Entfall diverser Masseanbindungen und teurer Steckkontakte zu einem Fahrzeugkabelbaum.
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Wichtig ist hierbei jedoch die Beachtung der Bauraumverhältnisse, das heißt es können auch Lösungen dargestellt werden, die nicht alle genannten Funktionalitäten in einem Bauteil darstellen, sondern auch nur einzelne kombinieren können. Dies kann, wie in 1 dargestellt, der elektrische Energiespeicher 13 mit einem Temperierelement 24 sein, aber auch der elektrische Energiespeicher 13 mit dem Sicherungselementekasten 30, oder der elektrische Energiespeicher 13 mit dem Spannungswandler 28. Es sind auch andere Varianten denkbar.
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Somit ist durch das Ausführungsbeispiel eine Ausführungsform einer Batterietechnik mit einer integrierten Energiespeicher-Spannungswandler-Sicherungseinheit gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 11
- Teilvorrichtung
- 12
- elektrischer Energiespeichereinheit
- 13
- elektrische Energiespeicher
- 14
- Batteriezellpack
- 15
- Batteriemanagementsystem
- 16
- Gehäuse
- 17
- Venting-Öffnung
- 18
- Befestigungselement
- 20
- thermische Koppeleinheit
- 22
- Trägereinrichtung
- 24
- Temperierelement
- 25
- Temperieranschluss
- 26
- Schnittstelle zum Kraftfahrzeug
- 28
- Spannungswandler
- 30
- Sicherungselement
- 32
- Abgriff
- 34
- Abgriff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005028950 B4 [0005]
