DE102014201440A1 - Motor vehicle electrical system with optimized switching function - Google Patents

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Abstract

Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler (9), einer Traktionsbatterie (8) und einem Traktionsnetz (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (9) einen ersten Betriebszustand (30) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannung (U1) des Traktionsnetzes (7) tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand (31) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz (7) durchschaltet.Vehicle electrical system with a voltage converter (9), a traction battery (8) and a traction network (7), characterized in that the voltage converter (9) has a first operating state (30), in which the voltage converter (9) operates as buck converter and an electric Voltage (Ubatt) of the traction battery (8) to a voltage (U1) of the traction network (7) lowers, and a second operating state (31), in which the voltage converter (9) operates as a through switch and the electrical voltage (Ubatt) of the traction battery (8) without subscripts to the traction network (7) through.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler, einer Traktionsbatterie und einem Traktionsnetz, sowie ein Verfahren, das in einem Kraftfahrzeugbordnetz mit solch einem Spannungswandler angewendet wird. The invention relates to a vehicle electrical system with a voltage converter, a traction battery and a traction network, and a method that is used in a motor vehicle electrical system with such a voltage converter.

Eine Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, oder ein Brennstoffzellenfahrzeug beinhaltet eine große Anzahl von Batteriezellen, die üblicher Weise in Modulen angeordnet sind, um die Anforderungen des Fahrzeugs an Leistung und Reichweite zu erfüllen. Einzelne Batteriezellen bzw. Batteriemodule werden elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sich die elektrischen Spannungen der Batteriezellen bzw. Batteriemodule summieren. A traction battery for a motor vehicle, in particular for an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a fuel cell vehicle includes a large number of battery cells, which are usually arranged in modules to meet the vehicle's performance and range requirements. Individual battery cells or battery modules are electrically connected in series, so that the electrical voltages of the battery cells or battery modules add up.

Die Reichweite von elektrischen Fahrzeugen kann vergrößert werden, indem mehr gespeicherte elektrische Energie im Fahrzeug mitgeführt wird. Der Energieinhalt einer Traktionsbatterie hängt von deren elektrischen Kapazität und elektrischer Spannung ab. Eine Reichweitenerhöhung kann entweder durch Erhöhung der elektrischen Kapazität der Traktionsbatterie, oder durch Erhöhung der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie erfolgen. Einer Reihenschaltung von Batteriezellen bzw. Batteriemodulen sind durch die Beschränkungen der Leistungselektronik jedoch Grenzen gesetzt. Derzeit liegt beispielsweise bei der Fahrzeug-Hochvoltinfrastruktur für Traktionsantriebe die Spannungsgrenze bei ca. 400–450 V. Die elektrische Spannung kann also nicht beliebig erhöht werden, da alle Bauteile im Traktionsnetz eine höchste zulässige Spannungsobergrenze haben. The range of electric vehicles can be increased by carrying more stored electrical energy in the vehicle. The energy content of a traction battery depends on its electrical capacity and electrical voltage. An increase in range can be done either by increasing the electrical capacity of the traction battery, or by increasing the voltage of the traction battery. A series connection of battery cells or battery modules, however, are limited by the limitations of power electronics. Currently, for example, in the vehicle high-voltage infrastructure for traction drives, the voltage limit is approximately 400-450 V. The electrical voltage can not be increased arbitrarily, since all components in the traction network have a maximum permissible upper voltage limit.

Üblicher Weise werden alle Komponenten, die vom Traktionsnetz versorgt werden, so ausgelegt, dass die maximale Spannung an der Traktionsbatterie unterhalb der Spannungsobergrenze der Komponenten liegt. Somit können die Ausgänge der Traktionsbatterie direkt mit dem Traktionsnetz verbunden werden. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Spannung am Traktionsnetz bei normalem Betrieb im mittleren Bereich des Ladezustandes weit unterhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz liegt. Typically, all components powered by the traction network are designed so that the maximum voltage on the traction battery is below the upper voltage limit of the components. Thus, the outputs of the traction battery can be connected directly to the traction network. However, this has the disadvantage that the voltage at the traction network in normal operation in the middle range of the state of charge is far below the maximum allowable operating voltage of the components on the traction network.

Es ist auch bekannt, die Reichweite eines Kraftfahrzeugs zu erhöhen, indem mehrere Batteriemodulstränge innerhalb einer Traktionsbatterie parallel verschalten werden und somit die elektrische Kapazität der Traktionsbatterie vergrößert wird. Dies erhöht zwar die Reichweite des Kraftfahrzeugs, aber der Nachteil der sich stark veränderten Spannung an der Traktionsbatterie bleibt erhalten. Auch bei dieser Lösung liegt die Spannung am Traktionsnetz bei normalem Betrieb im mittleren Bereich des Ladezustandes weit unterhalb der maximal zulässigen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz. It is also known to increase the range of a motor vehicle by connecting several battery module strings in parallel within a traction battery and thus increasing the electrical capacity of the traction battery. Although this increases the range of the motor vehicle, but the disadvantage of the greatly changed voltage to the traction battery is maintained. Even with this solution, the voltage at the traction network in normal operation in the middle of the state of charge is far below the maximum allowable operating voltage of the components on the traction network.

Aus der europäischen Patentschrift EP 1 889 349 ist eine Vorrichtung zur Fahrzeugstromversorgung bekannt, bei der ein Spannungswandler die Spannung einer Sekundärbatterie hochsetzt. Eine Verbindungseinheit ermöglicht ein umschalten zwischen einer Verbindung und einer Abtrennung der vom Spannungswandler hochgesetzten Spannung. From the European patent EP 1 889 349 For example, a vehicle power supply apparatus is known in which a voltage converter boosts the voltage of a secondary battery. A connection unit makes it possible to switch between a connection and a disconnection of the voltage set up by the voltage converter.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2012 200 577 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer Batterie. Die Batterie umfasst mehrere Batteriemodulstränge. Die Batteriemodulstränge weisen mehrere Batteriemodule auf, wobei ein Batteriemodul eine Koppeleinheit aufweist. Die Koppeleinheit wirkt als Spannungswandler und koppelt die Batteriemodule miteinander. Das Verfahren ermöglicht eine Versorgung einer Last mit einer vorbestimmten und im Wesentlichen konstanten Gesamtleistung. Batteriemodule der Batteriemodulstränge können jeweils in Reihe geschaltet sein. Dadurch sind die Ausgangsspannungen der Batteriemodule einer Reihenschaltung zu einer höheren Strangspannung summierbar. The German patent application DE 10 2012 200 577 A1 describes a method for controlling a battery. The battery includes several battery module strings. The battery module strings have a plurality of battery modules, wherein a battery module has a coupling unit. The coupling unit acts as a voltage converter and couples the battery modules together. The method allows a supply of a load with a predetermined and substantially constant overall performance. Battery modules of the battery module strings can each be connected in series. As a result, the output voltages of the battery modules of a series circuit can be summed to a higher phase voltage.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeugbordnetz so zu verbessern, dass die oben genannten Nachteile zumindest teilweise überwunden werden. Object of the present invention is to improve a motor vehicle electrical system so that the above-mentioned disadvantages are at least partially overcome.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1 gelöst. This object is achieved by the motor vehicle electrical system according to claim 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the subclaims and the following description of preferred embodiments of the present invention.

Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeugbordnetz weist einen Spannungswandler, eine Traktionsbatterie und ein Traktionsnetz auf. Bei dem Kraftfahrzeugbordnetz kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeugbordnetz für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, oder ein Brennstoffzellenfahrzeug handeln. A motor vehicle electrical system according to the invention has a voltage converter, a traction battery and a traction network. The motor vehicle electrical system can be, for example, a motor vehicle electrical system for an electric vehicle, a hybrid vehicle, or a fuel cell vehicle.

Der Spannungswandler weist einen ersten Betriebszustand auf, in dem er als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannung des Traktionsnetzes tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem er als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet. The voltage converter has a first operating state in which it acts as a buck converter and lowers an electric voltage of the traction battery to a voltage of the traction network, and a second operating state in which it operates as a through-switch and the electric voltage of the traction battery without down setting to the traction network.

Die Spannung einer Traktionsbatterie ist über ihren Ladezustand nicht konstant, sondern sinkt mit sinkendem Ladezustand ab. Obgleich die Spannung einer vollständig geladenen Traktionsbatterie zu hoch für die Bauteile am Traktionsnetz sein kann, muss dies nicht gleichzeitig bedeuten, dass sie dies auch bei geringerem Ladezustand ist. Der Spannungswandler kann also so eingerichtet sein, dass er nur bei vollgeladener Batterie die Spannung am Traktionsnetz verkleinert und ab einem bestimmten Ladezustand die Spannung der Traktionsbatterie auf das Traktionsnetz durchschaltet. The voltage of a traction battery is not constant over its state of charge, but decreases with decreasing state of charge. Although the The voltage of a fully charged traction battery may be too high for the components on the traction network, this does not necessarily mean that it is also at a lower charge state. The voltage converter can thus be set up so that it reduces the voltage at the traction network only when the battery is fully charged and switches the voltage of the traction battery on the traction network from a certain state of charge.

Der Spannungswandler kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass er im ersten Betriebszustand die Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt. For example, the voltage converter can be designed such that in the first operating state it lowers the voltage of the traction battery to a voltage upper limit of the traction network.

Der Betriebszustand für das Durchschalten kann auf die Funktion des Durchschaltens hin optimiert werden, so dass Verluste bei Durchschalten reduziert werden. The operational state for the through-connection can be optimized for the function of the through-connection, so that losses during switching-through are reduced.

Bei Plugin-Hybridfahrzeugen, d.h. bei Hybrid-Fahrzeugen, bei denen es möglich ist, die Traktionsbatterie extern zu laden, setzt der hybridische Betrieb in der Regel erst dann ein, wenn die Traktionsbatterie auf einen niedrigen Ladezustand entladen ist. Bei hybridischem Betrieb muss der Spannungswandler bei diesem beispielhaften Einsatz in einem Plugin-Hybridfahrzeug also nicht im ersten Betriebsmodus als Tiefsetzsteller arbeiten, sondern braucht nur durchzuschalten. Der Spannungswandler kann also in diesem beispielhaften Fall im hybridischen Betrieb im Wesentlichen im zweiten Betriebsmodus als Durchschalter arbeiten. For plug-in hybrid vehicles, i. For hybrid vehicles, where it is possible to charge the traction battery externally, the hybrid operation usually starts when the traction battery is discharged to a low state of charge. In hybrid operation, the voltage converter in this exemplary use in a plug-in hybrid vehicle therefore does not have to work as a step-down converter in the first operating mode, but only needs to switch through. The voltage converter can therefore operate in this exemplary case in hybrid operation essentially in the second operating mode as a through switch.

Der Spannungswandler weist gemäß eines Ausführungsbeispiels einen Schalter auf, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand, in dem der Spannungswandler als Tiefsetzsteller arbeitet, und dem zweiten Betriebszustand, in dem der Spannungswandler als Durchschalter arbeitet, ermöglicht. According to one exemplary embodiment, the voltage converter has a switch which makes it possible to switch between the first operating state in which the voltage converter works as a buck converter and the second operating state in which the voltage converter works as a through-connection.

Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann beispielsweise als Relais, insbesondere als Schütz ausgebildet sein. The switch, which allows switching between the first operating state and the second operating state of the voltage converter, can be designed, for example, as a relay, in particular as a contactor.

Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann aber auch als Halbleiterschalter, beispielsweise als MOSFET oder IGBT ausgebildet werden. The switch, which allows switching between the first operating state and the second operating state of the voltage converter, but can also be designed as a semiconductor switch, for example as a MOSFET or IGBT.

Der Schalter, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand des Spannungswandlers ermöglicht, kann in einer weiteren Ausführungsform funktional in Transistoren des Spannungswandlers realisiert sein, welche auch die Funktion der Spannungswandlung übernehmen. The switch, which allows switching between the first operating state and the second operating state of the voltage converter, can be realized in a further embodiment functionally in transistors of the voltage converter, which also take over the function of voltage conversion.

So kann der oben beschriebene Spannungswandler ein optimiertes Durchschalten der Eingangsspannung ermöglichen. Thus, the voltage converter described above can enable an optimized switching of the input voltage.

Ein beispielhaftes Kraftfahrzeugbordnetz weist eine Traktionsbatterie, ein Traktionsnetz und einen zwischen die Traktionsbatterie und das Traktionsnetz gekoppelten Spannungswandler auf, wie er oben beschrieben ist. Der Spannungswandler kann beispielsweise eingangsseitig direkt mit den Polen einer Traktionsbatterie verbunden werden. Ausgangsseitig kann der Spannungswandler direkt ein Traktionsnetz mit seinen Verbrauchern speisen. An exemplary automotive electrical system includes a traction battery, a traction network, and a voltage converter coupled between the traction battery and the traction network, as described above. For example, the voltage converter can be connected directly to the poles of a traction battery on the input side. On the output side, the voltage converter can directly feed a traction network with its consumers.

Die Traktionsbatterie kann vorteilhafter Weise bei hohen Werten des Ladezustands eine elektrische Spannung aufweisen, die höher ist als die Grenzspannung des Traktionsnetzes. So kann in dem Kraftfahrzeugbordnetz eine Traktionsbatterie verwendet werden, die eine Spannung im vollgeladenen Zustand, aufweist, die über die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes liegt. Dadurch wird es ermöglicht, die maximale Spannung an der Traktionsbatterie so auszulegen, dass diese oberhalb der maximalen Betriebsspannung der Komponenten am Traktionsnetz liegt. The traction battery may advantageously have at high values of the state of charge, an electrical voltage which is higher than the threshold voltage of the traction network. Thus, in the vehicle electrical system, a traction battery can be used, which has a voltage in the fully charged state, which is above the voltage upper limit of the traction network. This makes it possible to design the maximum voltage on the traction battery so that it lies above the maximum operating voltage of the components on the traction network.

Das Traktionsnetz kann eine Leistungselektronik (z.B. einen Umrichter) umfassen, die elektrische Energie aus dem Traktionsnetz für den Betrieb einer elektrischen Maschine umsetzt. The traction network may include power electronics (e.g., an inverter) that converts electrical energy from the traction network to operate an electric machine.

Mit dem Traktionsnetz kann ferner ein Niedervoltbordnetz über einen weiteren Spannungswandler gekoppelt sein, der zwischen das Traktionsnetz und das Niedervoltbordnetz gekoppelt ist, die elektrische Spannung des Traktionsnetzes auf das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes herabsetzt und elektrische Energie aus dem Traktionsnetz dem Niedervoltbordnetz zuführt. Bei dem Niedervoltbordnetz kann es sich beispielsweise um ein konventionelles 12V-Bordnetz handeln. Furthermore, a low-voltage on-board electrical system can be coupled to the traction network via a further voltage converter which is coupled between the traction network and the low-voltage electrical system, reduces the electrical voltage of the traction network to the voltage level of the low-voltage network and supplies electrical energy from the traction network to the low-voltage vehicle electrical system. The low-voltage on-board electrical system can be, for example, a conventional 12V vehicle electrical system.

Das Traktionsnetz kann ferner weitere Verbraucher umfassen, die mit dem Traktionsnetz gekoppelt sind, beispielsweise einen Klimakompressor oder eine Heizung. The traction network may further include other consumers coupled to the traction network, such as an air conditioning compressor or a heater.

Im Falle eines Elektrofahrzeuges oder eines Plugin-Hybrids kann die Traktionsbatterie auch mittels eines externen Ladegeräts mit elektrischer Energie geladen werden. In diesem Fall kann der erfindungsgemäße Spannungswandler dazu dienen, die Spannung des Ladegeräts auf die Spannung der Traktionsbatterie hochzusetzen. In the case of an electric vehicle or a plug-in hybrid, the traction battery can also be charged by means of an external charger with electrical energy. In this case, the voltage converter according to the invention can serve to raise the voltage of the charger to the voltage of the traction battery.

Ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Traktionsbatterie, einem Traktionsnetz und einem wie oben beschriebenen Spannungswandler, der zwischen die Traktionsbatterie und das Traktionsnetz gekoppelt ist, umfasst: Ein Ermitteln der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie, ein Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass dieser in einen ersten Betriebszustand versetzt wird, in dem der Spannungswandler als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung der Traktionsbatterie auf eine Spannungsgrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt, falls die elektrische Spannung der Traktionsbatterie über der Spannungsgrenze des Traktionsnetzes liegt, und ein Ansteuern des Spannungswandlers derart, dass dieser in einen zweiten Betriebszustand versetzt wird, in dem der Spannungswandler als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet, falls die elektrische Spannung der Traktionsbatterie kleiner oder gleich ist der Spannungsgrenze des Traktionsnetzes. Das Verfahren kann von einer Steuerung ausgeführt werden. Der Spannungswandler kann entsprechende Steuersignale beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem, oder einer anderen Steuerzentrale wie beispielsweise einer Motorsteuerung erhalten. A method of operating a vehicle electrical system having a traction battery, a traction network, and a voltage converter coupled between the traction battery and the traction network comprises: detecting the traction battery electrical voltage, driving the voltage converter to a first Operating state is offset, in which the voltage converter operates as a buck converter and deepens a voltage of the traction battery to a voltage limit of the traction network, if the voltage of the traction battery is above the voltage limit of the traction network, and driving the voltage converter such that this in a second operating state is offset, in which the voltage converter operates as a through switch and the electrical voltage of the traction battery without subscrit to the traction network turns on, if the voltage of the traction battery is smaller o which is equal to the voltage limit of the traction network. The method can be executed by a controller. The voltage converter may receive corresponding control signals from, for example, a battery management system, or other control center such as a motor controller.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen: Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz zeigt; 1 schematically shows an embodiment of a motor vehicle with an electrical system;

2 schematisch einen Spannungswandler gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt; 2 schematically shows a voltage converter according to an embodiment of the invention;

3 schematisch den Spannungsverlauf einer Traktionsbatterie in Abhängigkeit ihres Ladezustands zeigt; und 3 schematically shows the voltage curve of a traction battery as a function of their state of charge; and

4 schematisch eine beispielhafte Fahrbetriebsauswahl eines Plugin-Hybridfahrzeugs in Abhängigkeit des Ladezustands einer Traktionsbatterie zeigt. 4 schematically shows an exemplary driving operation selection of a plug-in hybrid vehicle depending on the state of charge of a traction battery.

Ein Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs, in dem der erfindungsgemäße Spannungswandler eingesetzt werden kann, ist schematisch in 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 ist hier beispielhaft nach dem Prinzip des Parallel-Hybrid aufgebaut. Beim Parallel-Hybrid sind sowohl ein Verbrennungsmotor 2 als auch eine elektrische Maschine 3 über ein Getriebe 4 mechanisch an eine Antriebsachse 5 gekoppelt. Die vom Verbrennungsmotor 2 abgegebene mechanische Energie wird mittels der elektrischen Maschine 3 in elektrische Energie umgewandelt und mit Hilfe einer Leistungselektronik, insbesondere eines Umrichters 6 über einen ersten, erfindungsgemäßen Spannungswandler 9 in eine Traktionsbatterie 8 eingespeist. Die Traktionsbatterie 8 kann elektrische Energie über das Traktionsnetz 7 an die elektrische Maschine 3 bereitstellen. Umgekehrt kann vom Verbrennungsmotor 2 abgegebene mechanische Energie (oder auch rekuperativ aus der Antriebsachse 4 gewonnene mechanische Energie) der Traktionsbatterie 8 zugeführt werden. Mit dem Traktionsnetz 7 ist über einen zweiten Spannungswandler 10 ferner auch ein Niedervoltbordnetz 11 gekoppelt, das hier beispielhaft als 12V-Bordnetz ausgeführt ist. Mit dem Traktionsnetz 7 sind ferner weitere Hochvoltverbraucher 12 gekoppelt, hier beispielsweise ein Klimakompressor. Das Traktionsnetz 7, die Leistungselektronik 6 und die Hochleistungsverbraucher 12 werden von der Traktionsbatterie 8 gespeist und liegen auf einem Spannungsniveau, das durch den ersten Spannungswandler 9 vorgegeben wird. Der erste Spannungswandler 9 dieses beispielhaften Kraftahrzeugs 1, der zwischen die Traktionsbatterie 8 und das Traktionsnetz 7 gekoppelt ist, kann vorzugsweise durch den erfindungsgemäßen Spannungswandler realisiert. An exemplary embodiment of a motor vehicle in which the voltage converter according to the invention can be used is shown schematically in FIG 1 shown. The car 1 is constructed here by way of example according to the principle of parallel hybrid. When parallel hybrid are both an internal combustion engine 2 as well as an electric machine 3 via a gearbox 4 mechanically to a drive axle 5 coupled. The from the combustion engine 2 discharged mechanical energy is by means of the electric machine 3 converted into electrical energy and with the help of power electronics, in particular an inverter 6 via a first voltage converter according to the invention 9 in a traction battery 8th fed. The traction battery 8th can electrical energy through the traction network 7 to the electric machine 3 provide. Conversely, the internal combustion engine 2 delivered mechanical energy (or recuperative from the drive axle 4 recovered mechanical energy) of the traction battery 8th be supplied. With the traction network 7 is via a second voltage converter 10 furthermore also a low-voltage on-board network 11 coupled, which is exemplified here as a 12V electrical system. With the traction network 7 are also other high-voltage consumers 12 coupled, here for example an air conditioning compressor. The traction network 7 , the power electronics 6 and the high-performance consumers 12 be from the traction battery 8th fed and are at a voltage level through the first voltage converter 9 is given. The first voltage transformer 9 this exemplary motor vehicle 1 that is between the traction battery 8th and the traction network 7 is preferably realized by the voltage converter according to the invention.

Das beispielhafte Kraftfahrzeug 1 kann in verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden. In einem ersten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 mittels Leistung aus dem Verbrennungsmotor verbrennerisch gefahren. Ein Teil der durch den Verbrennungsmotor erzeugten Energie wird zur generatorischen Gewinnung von elektrischer Energie verwendet. Mit dieser generatorisch erzeugten elektrischen Energie werden Niedervoltverbraucher des Niedervoltnetzes 11 und Hochvoltverbraucher 12 versorgt. In einem zweiten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 mittels Leistung aus dem Verbrennungsmotor verbrennerisch gefahren und generatorisch erzeugte elektrische Energie wird der Traktionsbatterie 8 zugeführt, um diese zu laden. In einem dritten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 rein elektrisch mit Energie aus der Traktionsbatterie 8 gefahren. In einem vierten Betriebszustand wird das Kraftfahrzeug 1 mittels Leistung aus dem Verbrennungsmotor „verbrennerisch“ gefahren und elektrische Energie aus der Traktionsbatterie 8 wird zur Unterstützung des verbrennerischen Fahrens (Boosten) verwendet. In einem fünften Betriebszustand wird elektrische Energie rekuperativ gewonnen und der Traktionsbatterie 8 zugeführt. The exemplary motor vehicle 1 can be operated in different operating states. In a first operating state, the motor vehicle 1 burned by means of power from the internal combustion engine. Part of the energy generated by the internal combustion engine is used to regenerate electrical energy. Low-voltage consumers of the low-voltage network are using this generically generated electrical energy 11 and high-voltage consumers 12 provided. In a second operating state, the motor vehicle 1 burned by means of power from the internal combustion engine and generator-generated electrical energy is the traction battery 8th supplied to load these. In a third operating state, the motor vehicle 1 purely electric with energy from the traction battery 8th hazards. In a fourth operating state, the motor vehicle 1 by means of power from the internal combustion engine "burned" driven and electrical energy from the traction battery 8th is used to support the combustion (boosting). In a fifth operating state, electrical energy is recuperatively recovered and the traction battery 8th fed.

2 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform für den ersten Spannungswandler 9 des Kraftfahrzeugs der 1, der zwischen Traktionsbatterie (8 in 1) und Traktionsnetz (7 in 1) geschaltet ist und ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Spannungswandler 9 nimmt über Anschlüsse 21 eine Quellspannung Ubatt entgegen. Die Anschlüsse 21 sind beispielsweise mit den beiden Polen einer Traktionsbatterie (8 in 1) gekoppelt. Der Spannungswandler 9 weist einen ersten schaltenden Transistor T1 und eine antiparallelgeschaltete erste Diode D1 auf, die zusammen ein erstes Schaltelement 22 bilden. Der Spannungswandler 9 weist ferner einen zweiten schaltenden Transistor T2 und eine antiparallelgeschaltete zweite Diode D2 auf, die zusammen ein zweites Schaltelement 23 bilden. Die beiden Schaltelemente 22, 23 werden mittels Steuersignalen 24 von einer Ansteuerung 20 angesteuert. Die beiden Transistoren T1 und T2 können z.B. jeweils als ein Feldeffekttransistor (FET), insbesondere als MOSFET, oder als Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ausgeführt werden. Alternativ zu den Transistoren T1, T2 könnten auch abschaltbare Thyristoren eingesetzt werden. Die Transistoren T1, T2 werden von der Ansteuerung 20 mit einem Steuersignal 24 auf dem Fachmann bekannte Weise angesteuert, wodurch diese in sehr kurzen Abständen zwischen dem leitenden und isolierenden Zustand wechseln. Die Steuersignale 24 können beispielsweise ein dem Fachmann bekanntes Steuerverfahren für Spannungswandler mittels Pulsweitenmodulation (PWM) oder Pulsfrequenzmodulation (PFM) realisieren. Je nach Schaltzustand der Schalteinheiten 22 und 23 wird einer Spule L1 entweder elektrische Energie aus der Quellspannung Ubatt (z.B. von der Traktionsbatterie 8 in 1) zugeführt, oder elektrische Energie aus der Spule L1 entnommen und einer Last (z.B. dem Traktionsnetz 7 aus 1) an einem Ausgang 25 des Spannungswandlers 9 mit einer Ausgangsspannung U1 bereitgestellt. Der Spannungswandler 9 kann so als Tiefsetzsteller arbeiten. 2 schematically shows an exemplary embodiment for the first voltage converter 9 of the motor vehicle 1 that between traction battery ( 8th in 1 ) and traction network ( 7 in 1 ) and is an embodiment of the present invention. The voltage converter 9 takes over connections 21 a source voltage Ubatt contrary. The connections 21 are For example, with the two poles of a traction battery ( 8th in 1 ) coupled. The voltage converter 9 has a first switching transistor T1 and an anti-parallel connected first diode D1, which together form a first switching element 22 form. The voltage converter 9 further comprises a second switching transistor T2 and an anti-parallel connected second diode D2, which together form a second switching element 23 form. The two switching elements 22 . 23 are using control signals 24 from a drive 20 driven. For example, the two transistors T1 and T2 may each be implemented as a field effect transistor (FET), in particular as a MOSFET, or as an insulated gate bipolar transistor (IGBT). As an alternative to the transistors T1, T2 and turn-off thyristors could be used. The transistors T1, T2 are controlled by the driver 20 with a control signal 24 driven in a manner known to those skilled in the art, whereby they change at very short intervals between the conductive and insulating state. The control signals 24 For example, a control method for voltage transformers known to the person skilled in the art can be implemented by means of pulse width modulation (PWM) or pulse frequency modulation (PFM). Depending on the switching state of the switching units 22 and 23 is a coil L1 either electrical energy from the source voltage Ubatt (eg from the traction battery 8th in 1 ), or electrical energy taken from the coil L1 and a load (eg the traction network 7 out 1 ) at an exit 25 of the voltage converter 9 provided with an output voltage U1. The voltage converter 9 can work as a buck converter.

In einem ersten Schaltzustand ist Transistor T1 geschlossen und Transistor T2 offen. In diesem ersten Schaltzustand fließt Strom von der Traktionsbatterie (8 in 1) über die Spule L1 in das Traktionsnetz (7 in 1). In einem zweiten Schaltzustand sind beide Transistor T1 und T2 offen. In diesem zweiten Schaltzustand fließt Strom über die Spule L1 und Diode D2 in das Traktionsnetz (7 in 1), wobei an Diode D2 hohe Verluste entstehen. In einem dritten Schaltzustand ist Transistor T1 offen und Transistor T2 geschlossen. In diesem dritten Schaltzustand fließt Strom über die Spule L1 und Transistor T2 ohne Verluste ins Traktionsnetz (7 in 1). In einem vierten Schaltzustand sind beide Transistor T1 und T2 beide offen. Dieser vierte Schaltzustand entspricht dem zweiten Schaltzustand. In a first switching state, transistor T1 is closed and transistor T2 is open. In this first switching state, current flows from the traction battery ( 8th in 1 ) via the coil L1 in the traction network ( 7 in 1 ). In a second switching state, both transistors T1 and T2 are open. In this second switching state, current flows via the coil L1 and diode D2 into the traction network ( 7 in 1 ), whereby high losses occur at diode D2. In a third switching state, transistor T1 is open and transistor T2 is closed. In this third switching state, current flows through the coil L1 and transistor T2 without losses in the traction network ( 7 in 1 ). In a fourth switching state, both transistors T1 and T2 are both open. This fourth switching state corresponds to the second switching state.

Mittels der Steuersignale 24 kann ein Tastverhältnis gesteuert werden, das bei einem Tiefsetzsteller den Proportionalitätsfaktor bestimmt, mit dem die Quellspannung Ubatt in die Ausgangsspannung U1 überführt wird. By means of the control signals 24 a duty cycle can be controlled, which determines the proportionality factor with a step-down converter, with which the source voltage Ubatt is converted into the output voltage U1.

Zur zusätzlichen Glättung der Ausgangsspannung U1 ist in dem Ausführungsbeispiel ein Glättungskondensator C1 zum Ausgang 25 des Spannungswandlers 9 parallel geschaltet. For additional smoothing of the output voltage U1 in the embodiment, a smoothing capacitor C1 to the output 25 of the voltage converter 9 connected in parallel.

Der Spannungswandler 9 dieses Ausführungsbeispiels weist einen Schalter S1 auf, der es ermöglicht, zwischen einem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand zu wechseln. Im ersten Betriebszustand (offener Schalter S1) arbeitet der Spannungswandler 9 als Tiefsetzsteller und setzt die Quellspannung Ubatt auf eine Ausgangsspannung U1 tief. Im zweiten Betriebszustand (geschlossener Schalter S1) arbeitet der Spannungswandler 9 als Durchschalter und schaltet die Quellspannung Ubatt ohne Tiefsetzung zum Ausgang 25 durch, so dass die Ausgangsspannung U1 gleich der Quellspannung Ubatt ist. Der Schalter S1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Schütz ausgebildet, der mittels eines elektrischen Steuersignals geschaltet werden kann. Alternativ könnte der Schalter S1 auch als Feldeffekttransistor, insbesondere als MOSFET realisiert werden. Ein MOSFET hat den Vorteil, dass der Schalter S1 einen hohen Wirkungsgrad aufweist. The voltage converter 9 This embodiment has a switch S1, which makes it possible to switch between a first operating state and a second operating state. In the first operating state (open switch S1), the voltage converter operates 9 as a buck converter and sets the source voltage Ubatt to an output voltage U1 deep. In the second operating state (closed switch S1), the voltage converter operates 9 as a through-switch and switches the source voltage Ubatt without lowering to the output 25 by, so that the output voltage U1 is equal to the source voltage Ubatt. The switch S1 is formed in this embodiment as a contactor, which can be switched by means of an electrical control signal. Alternatively, the switch S1 could also be realized as a field-effect transistor, in particular as a MOSFET. A MOSFET has the advantage that the switch S1 has a high efficiency.

In noch einer alternativen Ausführungsform kann der Schalter S1 funktional auch durch die Transistoren (T1, T2 in 1) eines Spannungswandlers realisiert werden, welche die Funktion Tiefsetzung der Quellspannung übernehmen. In dieser Ausführungsform wird Transistor T1 dauerhaft geschlossen und Transistor T2 geöffnet. In diesem Fall ergibt sich das Tiefsetzverhältnis, mit dem die Quellspannung Ubatt in die Ausgangsspannung U1 überführt wird, durch die Verluste an der Spule L1. In yet an alternative embodiment, the switch S1 may also be functionally connected through the transistors (T1, T2 in FIG 1 ) of a voltage converter are realized, which take over the function Tiefsetzung the source voltage. In this embodiment, transistor T1 is permanently closed and transistor T2 is opened. In this case, the step-down ratio, with which the source voltage Ubatt is converted into the output voltage U1, results from the losses at the coil L1.

Der Schalter S1 wird mittels elektrischer Signale einer Steuereinheit (nicht gezeigt) angesteuert. Diese Steuereinheit kann beispielsweise auch die Vorgaben für die Spannungswandlung für die Ansteuerung 20 vorgeben, beispielsweise den Proportionalitätsfaktor der Spannungswandlung. Der Spannungswandler kann entsprechende Steuersignale beispielsweise von einem Batteriemanagementsystem, oder einer anderen Steuerzentrale wie beispielsweise einer Motorsteuerung erhalten. Die entsprechenden Steuersignale können dem Spannungswandler über ein elektronischen Kommunikationspfad wie beispielsweise ein Fahrzeugbussystem auf dem Fachmann bekannte Weise bereitgestellt werden. Die Steuerzentrale kann die Steuerung des Spannungswandlers in Abhängigkeit von anderen Zustandsgrößen vornehmen, insbesondere in Abhängigkeit des Ladezustands der Traktionsbatterie, die dem Batteriemanagementsystem bekannt ist. The switch S1 is controlled by means of electrical signals of a control unit (not shown). This control unit can also, for example, the specifications for the voltage conversion for the control 20 specify, for example, the proportionality factor of the voltage conversion. The voltage converter may receive corresponding control signals from, for example, a battery management system, or other control center such as a motor controller. The corresponding control signals may be provided to the voltage converter via an electronic communication path, such as a vehicle bus system, in a manner known to those skilled in the art. The control center can perform the control of the voltage converter in dependence on other state variables, in particular depending on the state of charge of the traction battery, which is known to the battery management system.

Der Spannungswandler 9 dieses Ausführungsbeispiels kann bidirektional betrieben werden. In einer Richtung setzt der Spannungswandler 9 eine hohe Spannung der Traktionsbatterie 8 auf eine niedrigere Spannung des Traktionsnetzes 7 herab und speist elektrische Energie aus der Traktionsbatterie 8 in das Traktionsnetz 7 ein. In einer umgekehrten Richtung setzt Spannungswandler 9 eine niedrige Spannung des Traktionsnetzes 7 auf eine höhere Spannung der Traktionsbatterie 8 hoch und führt elektrische Energie aus dem Traktionsnetz der Traktionsbatterie 8 zu. The voltage converter 9 This embodiment can be operated bidirectionally. The voltage converter sets in one direction 9 a high voltage of the traction battery 8th to a lower voltage of the traction network 7 down and feeds electrical energy from the traction battery 8th into the traction network 7 one. In a reverse direction sets voltage converter 9 a low voltage of the traction network 7 to a higher voltage of the traction battery 8th high and carries electrical energy from the traction network of the traction battery 8th to.

3 zeigt schematisch den Spannungsverlauf einer Traktionsbatterie in Abhängigkeit ihres Ladezustands. Der Ladezustandswert (auch genannt „State of Charge“, kurz SoC) ist ein Kennwert für den Ladezustand von Batterien. Der Ladezustandswert kennzeichnet die noch verfügbare Ladungsmenge einer Batterie im Verhältnis zum Nominalwert, d.h. von der verfügbaren Ladungsmenge im vollgeladenen Zustand. Der Ladezustandswert wird in Prozent vom Nominalwert angegeben. Ein Ladezustandswert von 50 % bedeutet beispielsweise, dass die Batterie noch eine Restladung von 50 % bezogen auf die Vollladung von 100 % hat. Ein Batteriemodul mit einer nominalen Kapazität von 28 Ah hat beispielsweise bei einem Ladezustandswert von 50 % nur noch eine entnehmbare Ladungsmenge von 14 Ah. Der Ladezustandswert eines Batteriemoduls kann auf die dem Fachmann bekannte Weise ermittelt werden, beispielsweise durch Spannungsmessung, auf stromintegrativer Basis, durch Messung der Impedanz, bei Batterien mit flüssigem Elektrolyt auf chemischer Basis, oder bei NiMH-Akkus mittels der Abhängigkeit des Ladezustandswertes vom inneren Druck. Die Methode der Spannungsmessung benutzt zur Bestimmung des Ladezustandswertes vorgegebene Entladekurven. Bei der stromintegrativen Methode wird der Ladezustandswert über den Batteriestrom während einer Integrationszeit ermittelt. Ferner ist auch eine Kombination zweier oder mehrerer der genannten Verfahren möglich. 3 schematically shows the voltage curve of a traction battery as a function of their state of charge. The state of charge (also called "state of charge", in short SoC) is a characteristic value for the state of charge of batteries. The state of charge value indicates the still available charge amount of a battery in relation to the nominal value, ie of the available charge amount in the fully charged state. The state of charge value is given as a percentage of the nominal value. A charge state value of 50% means, for example, that the battery still has a remaining charge of 50% based on the full charge of 100%. A battery module with a nominal capacity of 28 Ah, for example, has a charge state value of 50% only a removable amount of charge of 14 Ah. The state of charge value of a battery module can be determined in the manner known to the person skilled in the art, for example by voltage measurement, on a current-integrative basis, by measuring the impedance, in batteries with liquid electrolyte on a chemical basis, or in NiMH batteries by means of the dependency of the charge state value on the internal pressure. The method of voltage measurement uses predetermined discharge curves to determine the state of charge value. In the current-integrative method, the charge state value is determined via the battery current during an integration time. Furthermore, a combination of two or more of said methods is possible.

Bei maximalem Ladezustand SoC (gleich oder nahe 100 %) liegt die Spannung der Traktionsbatterie beispielhaft bei einer Ladeschlussspannung von Ubattmax = 550 V. Diese Ladeschlussspannung Ubattmax ist größer als die Spannungsobergrenze Umax eines Traktionsnetzes, die hier beispielhaft als Umax = 400 V angenommen wird. Der Spannungswandler arbeitet in diesem Bereich hoher Ladezustandswerte in einem Betriebsmodus, in dem er die Spannung Ubatt auf die maximal erlaubte Grenzspannung Umax tiefsetzt. Mit abnehmendem Ladezustand SoC sinkt die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie ab. Bei einem Ladezustand von etwa 70 % erreicht die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie die Spannungsobergrenze Umax des Traktionsnetzes von 400 V. Ab hier ist ein Tiefsetzen der Spannung Ubatt der Traktionsbatterie nicht mehr erforderlich. Der Spannungswandler wird in seinen zweiten Betriebsmodus geschaltet, in dem er die Traktionsspannung Ubatt ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet. Mit zunehmender Entleerung der Traktionsbatterie fällt die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie weiter ab, bis sie bei vollständiger Entleerung der Traktionsbatterie eine Entladeschlussspannung von Ubattmin von hier beispielhaften 300 V erreicht. Ein erfindungsgemäßer Spannungswandler arbeitet demnach in zwei Betriebszuständen. Bei einer Spannung der Traktionsbatterie, die größer ist als die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes, arbeitet der Spannungswandler in einem ersten Betriebszustand, in dem er die Spannung der Traktionsbatterie auf die Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes tiefsetzt. Dieser Betriebszustand ist im Diagramm der 3 durch Doppelpfeil 30 gekennzeichnet. Bei einer Spannung der Traktionsbatterie, die kleiner ist als die (oder gleich ist zur) Spannungsobergrenze des Traktionsnetzes, arbeitet der Spannungswandler in einem zweiten Betriebszustand, in dem er die Spannung Ubatt der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz durchschaltet. Dieser Betriebszustand ist im Diagramm der 3 durch Doppelpfeil 31 gekennzeichnet. In 3 ist ferner auch eine Nominalspannung Ubattnom der Traktionsbatterie eingezeichnet, die hier beispielhaft Ubattnom = 384 V beträgt. At maximum state of charge SoC (equal to or near 100%), the voltage of the traction battery is exemplary at a final charging voltage of Ubattmax = 550 V. This final charging voltage Ubattmax is greater than the voltage upper limit Umax of a traction network, which is assumed here as Umax = 400 V, for example. The voltage converter operates in this range of high state of charge values in an operating mode in which it lowers the voltage Ubatt to the maximum permissible limit voltage Umax. With decreasing state of charge SoC the voltage Ubatt of the traction battery decreases. At a state of charge of about 70%, the voltage Ubatt of the traction battery reaches the voltage upper limit Umax of the traction network of 400 V. From here, a lowering of the voltage Ubatt of the traction battery is no longer required. The voltage converter is switched to its second mode of operation by switching the traction voltage Ubatt to the traction network without stepping down. With increasing emptying of the traction battery, the voltage Ubatt of the traction battery drops further until it reaches a discharging final voltage of Ubattmin from here exemplary 300 V with complete emptying of the traction battery. An inventive voltage converter thus operates in two operating states. At a voltage of the traction battery, which is greater than the voltage upper limit of the traction network, the voltage converter operates in a first operating state in which it lowers the voltage of the traction battery to the voltage upper limit of the traction network. This operating state is in the diagram of 3 by double arrow 30 characterized. At a voltage of the traction battery, which is smaller than the (or equal to) the voltage upper limit of the traction network, the voltage converter operates in a second operating state, in which he turns on the voltage Ubatt of the traction battery without downsizing the traction network. This operating state is in the diagram of 3 by double arrow 31 characterized. In 3 Furthermore, a nominal voltage Ubattnom of the traction battery is also shown, which here is Ubattnom = 384 V by way of example.

4 zeigt schematisch eine beispielhafte Fahrbetriebsauswahl eines Plugin-Hybridfahrzeugs in Abhängigkeit des Ladezustands SoC einer Traktionsbatterie. Die Traktionsbatterie wird durch externes Laden bis zu einem maximalen Ladezustand von 95 % aufgeladen. Bis zu einem Ladezustand von 25 % erfolgt ein rein elektrischer Fahrbetrieb. Dieser rein elektrische Fahrbetrieb ist in 4 durch den Doppelpfeil 32 gekennzeichnet. Zwischen einem Ladezustand von 25 % und einem minimalen Ladezustand von 10 % erfolgt ein hybridischer Fahrbetrieb. Dieser hybridische Fahrbetrieb ist in 4 durch einen Doppelpfeil 33 gekennzeichnet. Ein Vergleich der Fahrzustände der 4 mit den Schaltbereichen des Spannungswandlers aus 3 zeigt, dass ein erfindungsgemäßer Spannungswandler im hybridischen Fahrbetrieb in seinem zweiten Betriebszustand (31) gehalten werden kann, in dem er als Durchschalter arbeitet und die Spannung der Traktionsbatterie ohne Tiefsetzung an das Traktionsnetz übergibt. 4 schematically shows an exemplary driving operation selection of a plug-in hybrid vehicle depending on the state of charge SoC of a traction battery. The traction battery is charged by external charging up to a maximum state of charge of 95%. Up to a state of charge of 25% is a purely electric driving. This purely electric driving is in 4 through the double arrow 32 characterized. Between a state of charge of 25% and a minimum state of charge of 10% is a hybrid driving operation. This hybrid ride is in 4 by a double arrow 33 characterized. A comparison of the driving conditions of the 4 with the switching ranges of the voltage converter off 3 shows that a voltage converter according to the invention in hybrid operation in its second operating state ( 31 ) can be held in which he works as a through switch and transfers the voltage of the traction battery without downsizing to the traction network.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Kraftfahrzeug motor vehicle
2 2
Verbrennungsmotor internal combustion engine
3 3
elektrische Maschine electric machine
4 4
Getriebe transmission
5 5
Antriebsachse drive axle
6 6
Umrichter (Leistungselektronik) Inverter (power electronics)
7 7
Traktionsnetz traction power
8 8th
Traktionsbatterie traction battery
9 9
erster Spannungswandler first voltage converter
10 10
zweiter Spannungswandler second voltage converter
11 11
Niedervoltbordnetz Low-voltage onboard network
12 12
Hochvoltverbraucher (z.B. Klimakompressor) High-voltage consumer (eg air conditioning compressor)
20 20
Ansteuerung control
21 21
Anschlüsse für Quellspannung Ubatt Connections for source voltage Ubatt
22 22
Schalteinheit switching unit
23 23
Schalteinheit switching unit
24 24
Steuersignale control signals
25 25
Anschlüsse für Ausgangsspannung U1 Connections for output voltage U1
T1 T1
Transistor transistor
T2 T2
Transistor transistor
D1 D1
Diode diode
D2 D2
Diode diode
C1 C1
Kondensator capacitor
L1 L1
Spule Kitchen sink
S1 S1
Schalter (z.B. Schütz) Switch (e.g. contactor)
U1 U1
Quellspannung (z.B. von Traktionsbatterie) Source voltage (e.g., of traction battery)
U2 U2
Ausgangsspannung (z.B. für Traktionsnetz) Output voltage (e.g., for traction network)
30 30
erster Betriebszustand (Tiefsetzsteller) first operating state (buck converter)
31 31
zweiter Betriebszustand (Durchschalter) second operating state (through switch)
32 32
elektrischer Betrieb electrical operation
33 33
hybridischer Betrieb hybrid operation

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102012200577 A1 [0007] DE 102012200577 A1 [0007]

Claims (10)

Kraftfahrzeugbordnetz mit einem Spannungswandler (9), einer Traktionsbatterie (8) und einem Traktionsnetz (7), dadurch gekennzeichnet, dass: der Spannungswandler (9) einen ersten Betriebszustand (30) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannung (U1) des Traktionsnetzes (7) tiefsetzt, und einen zweiten Betriebszustand (31) aufweist, in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz (7) durchschaltet. Motor vehicle electrical system with a voltage converter ( 9 ), a traction battery ( 8th ) and a traction network ( 7 ), characterized in that: the voltage transformer ( 9 ) a first operating state ( 30 ), in which the voltage transformer ( 9 ) works as a buck converter and an electrical voltage (Ubatt) of the traction battery ( 8th ) to a voltage (U1) of the traction network ( 7 ) and a second operating state ( 31 ), in which the voltage transformer ( 9 ) operates as a through switch and the electrical voltage (Ubatt) of the traction battery ( 8th ) without subsidence to the traction network ( 7 ) switches through. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 1, wobei der Spannungswandler (9) so ausgelegt ist, dass er im ersten Betriebszustand (30) die Spannung der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannungsobergrenze (Umax) des Traktionsnetzes tiefsetzt. Motor vehicle electrical system according to claim 1, wherein the voltage converter ( 9 ) is designed so that in the first operating state ( 30 ) the tension of the traction battery ( 8th ) to a voltage upper limit (Umax) of the traction network deepens. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandler (9) ferner einen Schalter (S1) umfasst, der ein Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand (30), in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet, und dem zweiten Betriebszustand (31), in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet, ermöglicht. Motor vehicle electrical system according to one of the preceding claims, wherein the voltage converter ( 9 ) further comprises a switch (S1) that switches between the first operating state ( 30 ), in which the voltage transformer ( 9 ) operates as a buck converter, and the second operating state ( 31 ), in which the voltage transformer ( 9 ) works as a through switch allows. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 3, wobei der Schalter (S1) des Spannungswandlers (9) als Schütz, oder als Feldeffekttransistor, insbesondere als Halbleiterschalter, insbesondere als MOSFET oder IGBT ausgebildet ist. Motor vehicle electrical system according to claim 3, wherein the switch (S1) of the voltage converter ( 9 ) is designed as a contactor, or as a field effect transistor, in particular as a semiconductor switch, in particular as a MOSFET or IGBT. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 3, wobei der Schalter (S1) funktional in Transistoren (T1, T2) des Spannungswandlers (9) realisiert ist, welche auch die Funktion der Spannungswandlung übernehmen. Motor vehicle electrical system according to Claim 3, in which the switch (S1) is functionally connected to transistors (T1, T2) of the voltage converter ( 9 ) is realized, which also take over the function of the voltage conversion. Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandlers (9) zwischen die Traktionsbatterie (8) und das Traktionsnetz (7) gekoppelt ist. Motor vehicle electrical system according to one of the preceding claims, wherein the voltage converter ( 9 ) between the traction battery ( 8th ) and the traction network ( 7 ) is coupled. Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 6, bei dem die Traktionsbatterie (8) bei hohen Werten des Ladezustands (SoC) eine elektrische Spannung (Ubatt) aufweist, die höher ist als die Grenzspannung (Umax) des Traktionsnetzes (7). Motor vehicle electrical system according to Claim 6, in which the traction battery ( 8th ) at high values of the state of charge (SoC) has an electrical voltage (Ubatt) which is higher than the limit voltage (Umax) of the traction network ( 7 ). Kraftfahrzeugbordnetz nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Traktionsnetz (7) eine Leistungselektronik (6) umfasst, die elektrische Energie aus dem Traktionsnetz (7) für den Betrieb einer elektrischen Maschine (3) umsetzt. Motor vehicle electrical system according to Claim 6 or 7, in which the traction network ( 7 ) a power electronics ( 6 ), the electrical energy from the traction network ( 7 ) for the operation of an electric machine ( 3 ). Kraftfahrzeugbordnetz nach einem der Ansprüche 6–8, ferner umfassend ein Niedervoltbordnetz (11) und einen weiteren Spannungswandler (10), der das Niedervoltbordnetz (12) an das Traktionsnetz (7) koppelt, die elektrische Spannung (U1) des Traktionsnetzes (7) auf das Spannungsniveau des Niedervoltnetzes herabsetzt und elektrische Energie aus dem Traktionsnetz (7) dem Niedervoltbordnetz (11) zuführt. Motor vehicle electrical system according to one of claims 6-8, further comprising a low-voltage vehicle electrical system ( 11 ) and another voltage converter ( 10 ), the low-voltage on-board electrical system ( 12 ) to the traction network ( 7 ), the electrical voltage (U1) of the traction network ( 7 ) reduces to the voltage level of the low-voltage network and electrical energy from the traction network ( 7 ) the low-voltage on-board electrical system ( 11 ) feeds. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugbordnetzes mit einer Traktionsbatterie (8), einem Traktionsnetz (7) und einem Spannungswandler (9) nach einem der Ansprüche 1–5, der zwischen die Traktionsbatterie (8) und das Traktionsnetz (7) gekoppelt ist, umfassend Ermitteln der elektrischen Spannung der Traktionsbatterie (8), Ansteuern des Spannungswandlers (9) derart, dass dieser in einen ersten Betriebszustand (30) versetzt wird, in dem der Spannungswandler (9) als Tiefsetzsteller arbeitet und eine elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) auf eine Spannungsgrenze (Umax) des Traktionsnetzes (7) tiefsetzt, falls die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie über der Spannungsgrenze (Umax) des Traktionsnetzes (7) liegt, und Ansteuern des Spannungswandlers (9) derart, dass dieser in einen zweiten Betriebszustand (31) versetzt wird, in dem der Spannungswandler (9) als Durchschalter arbeitet und die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie (8) ohne Tiefsetzung zum Traktionsnetz (7) durchschaltet, falls die elektrische Spannung (Ubatt) der Traktionsbatterie kleiner oder gleich ist der Spannungsgrenze (Umax) des Traktionsnetzes (7). Method for operating a vehicle electrical system with a traction battery ( 8th ), a traction network ( 7 ) and a voltage converter ( 9 ) according to any one of claims 1-5 connected between the traction battery ( 8th ) and the traction network ( 7 ), comprising determining the electrical voltage of the traction battery ( 8th ), Driving the voltage converter ( 9 ) such that this in a first operating state ( 30 ), in which the voltage transformer ( 9 ) works as a buck converter and an electrical voltage (Ubatt) of the traction battery ( 8th ) to a voltage limit (Umax) of the traction network ( 7 ), if the voltage (Ubatt) of the traction battery exceeds the voltage limit (Umax) of the traction network ( 7 ), and driving the voltage converter ( 9 ) such that this in a second operating state ( 31 ), in which the voltage transformer ( 9 ) operates as a through switch and the electrical voltage (Ubatt) of the traction battery ( 8th ) without subsidence to the traction network ( 7 ), if the voltage (Ubatt) of the traction battery is less than or equal to the voltage limit (Umax) of the traction network ( 7 ).
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