DE102015101241A1

DE102015101241A1 - Elektrisches Energieverteilungssystem und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieverteilungssystems

Info

Publication number: DE102015101241A1
Application number: DE102015101241.3A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fröschl; Hans-Georg Herzog; Michael Winter; Stefan Lobmeyer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Ein elektrisches Energieverteilungssystem (1) weist auf einen ersten Leiter (L1) zur Führung einer ersten Spannung, einen zweiten Leiter (L2) zur Führung einer zweiten Spannung, mindestens eine Energiequelle (Q), die jeweils elektrisch mit zumindest einem der Leiter (L1, L2) gekoppelt ist, und mehrere Spannungswandler (W1–W6) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2), die in Bezug auf die mindestens eine Energiequelle (Q) jeweils dezentral angeordnet und mit dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2) gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieverteilungssystem, insbesondere für ein Fahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieverteilungssystems.
In modernen Fahrzeugen werden vermehrt elektrische Komponenten eingesetzt, die eine hohe Verfügbarkeit erfordern. Insbesondere bei elektrohydraulischen Bremsen und elektrischen Lenkungen ist eine ständige Energieversorgung notwendig, da der Fahrer nicht mehr direkt eingreifen kann.
Die DE 10 2008 020 348 A1 beschreibt eine Stromverteilung für Fahrzeuge mit mindestens einem Stromverteiler, wobei jeder Stromverteiler mindestens einen Stehbolzen, insbesondere zum Anschluss mindestens einer elektrischen Einspeiseleitung, und eine Vielzahl von Buchsen zum steckbaren Anschluss von Verbraucherzuleitungen aufweist. Der mindestens eine Stehbolzen und die Buchsen eines Stromverteilers weisen jeweils dasselbe Potenzial auf und sind insbesondere untereinander elektrisch leitend verbunden.
Die DE 10 2013 210 293 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem Hochvoltspeicher, einem Hochvoltbordnetz sowie einem Niedervoltbordnetz, wobei der Hochvoltspeicher aus Zellmodulen aufgebaut ist und in das Hochvoltbordnetz integriert ist. In das Niedervoltbordnetz sind elektrische Verbraucher des Fahrzeugs integriert, wobei elektrische Leistung durch zumindest zwei Gleichspannungssteller von dem Hochvoltbordnetz in das Niedervoltbordnetz transferierbar ist.
Die DE 10 2009 000 222 A1 beschreibt ein Bordnetz für ein Fahrzeug, mit einer zum Generatorbetrieb ausgebildeten elektrischen Maschine, einem eingangsseitig mit der elektrischen Maschine verbundenen Spannungswandler und einem ausgangsseitig mit dem Spannungswandler verbundenen Energiespeicher.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Energieverteilungssystem und ein korrespondierendes Verfahren zu schaffen, das einen Beitrag leistet, eine effiziente und zuverlässige Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein elektrisches Energieverteilungssystem, insbesondere für ein Fahrzeug.
Das elektrische Energieverteilungssystem weist einen ersten Leiter zur Führung einer ersten Spannung, einen zweiten Leiter zur Führung einer zweiten Spannung, sowie mindestens eine Energiequelle auf, die jeweils elektrisch mit zumindest einem der Leiter gekoppelt ist. Des Weiteren weist das elektrische Energieverteilungssystem mehrere Spannungswandler zur Übertragung elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter auf, die in Bezug auf die mindestens eine Energiequelle jeweils dezentral angeordnet sind. Die Spannungswandler sind mit dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter elektrisch gekoppelt.
Dies hat den Vorteil, dass eine hohe Ausfallsicherheit des elektrischen Energieverteilungssystems ermöglicht wird. Bei einer Unterbrechung in einem der beiden Leiter kann beispielsweise eine Umleitung elektrischer Energie über den jeweils anderen Leiter und die Spannungswandler erfolgen. Ferner kann ein Ausfall eines einzelnen Spannungswandlers beziehungsweise mehrerer Spannungswandler durch die restlichen Spannungswandler kompensiert werden. In diesem Zusammenhang wird ferner zu einer Spannungsstabilität des elektrischen Energieverteilungssystems beigetragen.
Die Spannungswandler sind dabei dezentral bezogen auf die mindestens eine Energiequelle angeordnet. Die Spannungswandler sind also beispielsweise räumlich verteilt über das Energieverteilungssystem angeordnet. Insbesondere sind die Spannungswandler dazu entlang eines Verlaufs der beiden Leiter angeordnet. Insbesondere sind die Spannungswandler dabei ferner dezentral mit dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter elektrisch gekoppelt. Dies trägt insbesondere zu einer hohen Ausfallsicherheit des elektrischen Energieverteilungssystems hinsichtlich lokal auftretender Defekte bei, wie beispielsweise einer Unterbrechung eines der beiden Leiter. Die Spannungswandler sind insbesondere in einer Parallelschaltung angeordnet.
Ein benötigter Bauraum der Spannungswandler ist insbesondere im Hinblick auf einen einzigen leistungsstarken, zentralen Spannungswandler flexibler. Beispielsweise können die Spannungswandler entlang der beiden Leiter in einer Baueinheit mit den beiden Leitern integriert sein.
Insbesondere sind die Spannungswandler steuerbar ausgebildet. Eine Datenvernetzung, beispielsweise zur Steuerung der Spannungswandler, kann insbesondere ebenfalls in der Baueinheit entlang der beiden Leiter integriert sein.
In einer Ausführungsform ist die erste Spannung unterschiedlich zu der zweiten Spannung. In diesem Fall ist die mindestens eine Energiequelle jeweils elektrisch mit lediglich einem der Leiter gekoppelt. Insbesondere ist die Energiequelle dabei direkt mit dem einen der Leiter elektrisch gekoppelt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Spannung gleich der zweiten Spannung. Beispielsweise ist in diesem Zusammenhang die mindestens eine Energiequelle jeweils elektrisch mit beiden Leitern gekoppelt. Alternativ ist die mindestens eine Energiequelle lediglich mit einem der Leiter gekoppelt. Insbesondere ist die Energiequelle dabei direkt mit dem einen Leiter beziehungsweise mit beiden Leitern elektrisch gekoppelt.
Die Spannungswandler sind beispielsweise identisch ausgebildet. In vorteilhafter Weise ergibt sich dadurch ein Gleichteile-Effekt, so dass zu einer kostengünstigen Herstellung sowie einem zuverlässigen Betrieb des elektrischen Energieverteilungssystems beigetragen wird. Die Spannungswandler sind beispielsweise so ausgebildet, dass ihr jeweiliges Effizienzmaximum im Betrieb bei einer Nennleistung zwischen 50W und 200W liegt, insbesondere bei 100W.
Die Spannungswandler ermöglichen eine galvanisch getrennte oder galvanisch verbundene Kopplung der ersten Spannung und der zweiten Spannung. Ein elektrischer Energiefluss kann dabei bi- oder unidirektional erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist das elektrische Energieverteilungssystem mindestens einen Verbraucher auf, der zur Versorgung mit elektrischer Energie elektrisch mit zumindest einem der Leiter gekoppelt ist.
In vorteilhafter Weise kann eine Ausfallsicherheit des mindestens einen Verbrauchers durch ein derartiges elektrisches Energieverteilungssystem erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist die erste Spannung unterschiedlich zu der zweiten Spannung.
Dies hat den Vorteil, dass Verbraucher mit unterschiedlicher Betriebsspannung mit dem elektrischen Energieverteilungssystem betrieben werden können. Beispielsweise ist die erste Spannung betragsmäßig kleiner als die zweite Spannung.
In einer Ausführungsform wird der erste Leiter mit einer Gleichspannung mit einer Nennspannung von 12V betrieben, so dass insbesondere ein Betrieb aktueller Fahrzeugelektronik ermöglicht wird. Der zweite Leiter wird mit einer Gleichspannung mit einer Nennspannung von insbesondere 48V oder höher, beispielsweise zwischen 60V und 1000V betrieben. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine effiziente elektrische Energieübertragung.
In einer weiteren Ausführungsform ist einer der beiden Leiter mit Wechselspannung betrieben, beispielsweise als Ladegerät für ein als sogenanntes „Plug-in Hybridelektrofahrzeug“ (Steckdosenhybridfahrzeug) ausgebildetes Fahrzeug oder als 230V Versorgungsquelle.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist eine Anzahl der Spannungswandler abhängig von einer Maximalleistung aller Verbraucher, die mit der ersten Spannung betrieben werden.
Dies hat den Vorteil, dass lediglich Verbraucher zur Auslegung des elektrischen Energieverteilungssystems berücksichtigt werden, zu deren elektrischer Energieversorgung ein elektrischer Energiefluss über die Spannungswandler erfolgt. Beispielsweise führt der zweite Leiter zur effizienten Energieübertragung eine betragsmäßig größere Spannung als der erste Leiter, während der zweite Leiter eine Spannung zum Betrieb der Verbraucher führt. Die Verbraucher, die mit der ersten Spannung betrieben werden, sind dabei direkt elektrisch mit dem ersten Leiter gekoppelt, das heißt, dass ein elektrischer Energiefluss zum Betrieb des Verbrauchers den ersten Leiter direkt auf ein Durchlaufen des Verbrauchers folgend durchläuft. Ein elektrischer Energiefluss zum Betrieb des Verbrauchers verläuft dabei lediglich indirekt über den zweiten Leiter. In vorteilhafter Weise kann so die Anzahl der Spannungswandler gering gehalten werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist eine Anzahl der Spannungswandler abhängig von einer Maximalleistung aller Verbraucher, die mit der zweiten Spannung betrieben werden.
Dies hat den Vorteil dass lediglich Verbraucher zur Auslegung des elektrischen Energieverteilungssystems berücksichtigt werden, zu deren elektrischer Energieversorgung ein elektrischer Energiefluss über die Spannungswandler erfolgt.
Insbesondere kann die Anzahl der Spannungswandler abhängig von einer Maximalleistung aller Verbraucher ermittelt werden. Beispielsweise kann dies der Fall sein bei einer Unterbrechung eines der Leiter, sodass eine bidirektionale Spannungswandlung zur Umleitung der elektrischen Energie erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt hängt eine räumliche Verteilung der Spannungswandler ab von einer räumlichen Anordnung des mindestens einen Verbrauchers.
In vorteilhafter Weise kann so eine elektrische Leistung lokal bereitgestellt werden, ohne über einen langen Leitungsweg transportiert werden zu müssen. Dies trägt zu einem effizienten Betrieb des elektrischen Energieverteilungssystems bei. Insbesondere sind einem Verbraucher beispielsweise ein Spannungswandler oder mehrere Spannungswandler lokal zugeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt hängt eine Anzahl der räumlich benachbart bezüglich des mindestens einen Verbrauchers angeordneten Spannungswandler ab von einer Maximalleistung des jeweiligen Verbrauchers.
Dies hat den Vorteil, dass eine durch die jeweiligen Spannungswandler lokal bereitgestellte elektrische Leistung an den jeweiligen Verbraucher angepasst werden kann, so dass die Spannungswandler jeweils in ihrem Effizienzmaximum betrieben werden können. Zugleich wird ein Transport elektrischer Energie über einen langen Leitungsweg vermieden, so dass zu einem besonders effizienten Betrieb des elektrischen Energieverteilungssystems beigetragen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die Spannungswandler thermisch mit zumindest einem der Leiter gekoppelt zum Abführen von Wärme.
Dies hat den Vorteil, dass auf ein aktives Kühlsystem verzichtet werden kann. Eine thermische Belastung des elektrischen Energieverteilungssystems kann in diesem Zusammenhang besonders gleichmäßig verteilt werden, so dass zu einem langlebigen und zuverlässigen Betrieb des elektrischen Energieverteilungssystems beigetragen wird. Eine Maximalleistung des elektrischen Energieverteilungssystems kann bei gleichbleibender Ausfallsicherheit des elektrischen Energieverteilungssystems aufgrund der geringen thermischen Belastung ferner optional gesteigert werden. Bevorzugt sind die Spannungswandler thermisch mit beiden Leitern zum Abführen von Wärme gekoppelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist zumindest einer der Leiter als Stromschiene ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, dass die Spannungswandler besonders einfach und flexibel in das elektrische Energieverteilungssystem integriert werden können. Insbesondere wird eine mechanische Gehäuseeinbindung der Spannungswandler ermöglicht und damit ein Sicherstellen einer mechanischen Festigkeit. Unter der mechanischen Festigkeit wird ein mechanisches Zusammenwirken von Gehäuse und Elektronik, das heißt Leiterplatte verstanden. In diesem Fall wird für den jeweiligen Spannungswandler ein Gehäuse mit Kühlkörper derart reduziert, insbesondere im Hinblick auf Material, Gewicht und Volumen des Gehäuses, dass ein dadurch entstandener Verlust an mechanischer Festigkeit durch Integration in die Stromschiene kompensiert wird. In anderen Worten übernehmen Geometrie und Steifigkeit einer Stromschienenanordnung zumindest teilweise eine diesbezügliche Funktion des Gehäuses. Eine spezifische Halterung für einen Spannungswandler mit Gehäuse in einer Fahrzeugkarosserie entfällt dadurch. Ferner ermöglicht eine derartige Anordnung einen Schutz der Spannungswandler gegenüber einer mechanischen Verformung. Des Weiteren ermöglicht eine derartige Anordnung Schutz vor einem Abschwingen von Verbindungsdrähten. Zudem kann dem Leiter dabei eine Datenleitung zur Steuerung der Spannungswandler zugeordnet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die Spannungswandler als Gleichspannungswandler ausgebildet.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Betreiben des elektrischen Energieverteilungssystems. Ein Leistungskennwert wird ermittelt, der repräsentativ ist für eine elektrische Leistungsanforderung des mindestens einen Verbrauchers.
Abhängig von dem Leistungskennwert wird eine erforderliche Anzahl an Spannungswandlern zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter ermittelt. Abhängig von der erforderlichen Anzahl wird eine Teilmenge der Spannungswandler gesteuert, elektrische Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter zu übertragen.
Dies hat den Vorteil dass lediglich so viele Spannungswandler zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen den Leitern betrieben werden, wie zum Bereitstellen einer durch jeweilige Verbraucher angeforderten elektrischen Leistung tatsächlich benötigt werden. Insbesondere ermöglicht dies einen Betrieb der Spannungswandler in deren Effizienzmaximum, so dass zu einem besonders effizienten Betrieb des elektrischen Energieverteilungssystems beigetragen wird. Insbesondere wird die erforderliche Anzahl an Spannungswandlern zur Übertragung elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter dazu abhängig von einem vorgegebenen Betriebsbereich der Spannungswandler ermittelt.
Der Leistungskennwert wird dabei insbesondere abhängig von einer angeforderten elektrischen Leistung maßgeblicher Verbraucher ermittelt, das heißt es werden lediglich diejenigen Verbraucher berücksichtigt, zu deren Betrieb jeweils ein elektrischer Energiefluss über zumindest einen Spannungswandler erforderlich ist. Beispielsweise wird somit der Leistungskennwert lediglich von einer Leistungsanforderung von Verbrauchern ermittelt, die mit der ersten Spannung betrieben werden.
Die zur Übertragung von elektrischer Energie gesteuerte Teilmenge der Spannungswandler kann dabei je nach Leistungsanforderung der maßgeblichen Verbraucher eine Teilmenge sein, also beispielsweise auch alle Spannungswandler oder keinen Spannungswandler umfassen, oder eine echte Teilmenge sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird eine Auswahl anzusteuernder Spannungswandler zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter abhängig von ihrer jeweiligen räumlichen Anordnung durchgeführt.
In vorteilhafter Weise kann so eine elektrische Leistung gezielt lokal bereitgestellt werden, ohne über einen langen Leitungsweg transportiert werden zu müssen. Dies trägt zu einem effizienten Betrieb des elektrischen Energieverteilungssystems bei.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird die Auswahl anzusteuernder Spannungswandler abhängig von einer Position des jeweiligen Verbrauchers und dessen erwarteten Leistungsbedarfs durchgeführt.
Dies hat den Vorteil, dass eine durch die jeweiligen Spannungswandler lokal bereitgestellte elektrische Leistung an den jeweiligen Verbraucher angepasst werden kann, so dass die Spannungswandler jeweils in ihrem Effizienzmaximum betrieben werden können. Zugleich wird ein Transport elektrischer Leistung über einen langen Leitungsweg vermieden, so dass zu einem besonders effizienten Betrieb des elektrischen Energieverteilungssystems beigetragen wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird eine Auswahl anzusteuernder Spannungswandler zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter abhängig von einer Betriebsdauer der jeweiligen Spannungswandler durchgeführt.
In vorteilhafter Weise wird so eine gleichmäßige Belastung des elektrischen Energieverteilungssystems ermöglicht, so dass zu dessen langlebigen und zuverlässigen Betrieb beigetragen wird.
Beispielsweise erfolgt dabei eine Ermittlung der Betriebsdauer der jeweiligen Spannungswandler abhängig von einer Anzahl an bislang durchgeführten Schaltvorgängen zur Übertragung elektrischer Energie durch den jeweiligen Spannungswandler.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt wird ein Temperaturkennwert ermittelt, der repräsentativ ist für eine jeweilige Temperatur der Spannungswandler. Eine Auswahl anzusteuernder Spannungswandler zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter wird abhängig von dem jeweiligen Temperaturkennwert der Spannungswandler durchgeführt.
In vorteilhafter Weise wird so eine gleichmäßige thermische Belastung des elektrischen Energieverteilungssystems ermöglicht, so dass zu dessen langlebigen und zuverlässigen Betrieb beigetragen wird. Ferner kann dadurch auf einen eigenständigen Kühlkörper verzichtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem zweiten Aspekt werden die Spannungswandler im Falle einer Unterbrechung eines der Leiter in einem vorgegebenen Bereich derart angesteuert, dass elektrische Energie über den jeweils anderen Leiter zur Überbrückung des jeweiligen vorgegebenen Bereichs umgeleitet wird.
Dies hat den Vorteil, dass zu einer Ausfallsicherheit des elektrischen Energieverteilungssystems beigetragen wird.
Ausführungsbeispiele sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Energieverteilungssystem in schematischer Darstellung,
2 Leiter des Energieverteilungssystems gemäß 1 in perspektivischer Darstellung,
3 ein Ausschnitt des Energieverteilungssystems gemäß 1 in perspektivischer Darstellung, und
4 ein Ablaufdiagramm zum Betrieb des Energieverteilungssystems gemäß 1.
1 zeigt ein elektrisches Energieverteilungssystem 1 für ein Fahrzeug, das eine Energiequelle Q sowie mehrere Verbraucher V1, V2, V3 aufweist. Das Energieverteilungssystem 1 für das Fahrzeug kann auch als Bordnetz bezeichnet werden. Das elektrische Energieverteilungssystem 1 kann abweichend davon auch stationär eingesetzt werden, beispielsweise in einem Schaltschrank.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbraucher V1, V2 mit einem ersten Leiter L1 des elektrischen Energieverteilungssystems 1 verbunden und der Verbraucher V3 sowie die Energiequelle Q sind mit einem zweiten elektrischen Leiter L2 des elektrischen Energieverteilungssystems 1 verbunden. Der erste Leiter L1 ist zur Führung einer ersten Spannung ausgebildet. Der zweite Leiter L2 ist zur Führung einer zweiten Spannung ausgebildet. Die beiden Leiter L1, L2 sind dabei in ihrer Form variabel. Insbesondere können die beiden Leiter L1, L2 als zentrale Leiter für das Fahrzeug ausgebildet sein, die das Fahrzeug jeweils vollständig durchziehen und von denen aus jeweils eine Verteilung elektrischer Energie erfolgt.
In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die beiden Leiter L1, L2 jeweils zwei Abschnitte A1, A2, die jeweils durch eine Verbindungsleitung K1, K2 miteinander verbunden sind. In anderen Ausführungsbeispielen sind die beiden Leiter L1, L2 jeweils durchgehend, also in einem einzigen Abschnitt ausgebildet und frei von der jeweiligen Verbindungsleitung K1, K2.
Zwischen den beiden Leitern L1, L2 sind mehrere Spannungswandler W1, W2, W3, W4, W5, W6 angeordnet und jeweils mit den beiden Leitern L1, L2 verbunden. Die Spannungswandler W1–W6 sind räumlich verteilt entlang eines Verlaufs der beiden Leiter L1, L2 angeordnet. Die Spannungswandler W1–W6 sind in diesem Zusammenhang bevorzugt direkt an ihrer räumlichen Position elektrisch angebunden an die beiden Leiter L1, L2. Die Spannungswandler W1–W6 sind dabei insbesondere dezentral bezüglich der Energiequelle Q angeordnet und parallel geschaltet.
Die Spannungswandler W1–W6 sind insbesondere ausgebildet, eine elektrische Energie zwischen den beiden Leitern L1, L2 zu übertragen. Hierzu sind die Spannungswandler W1–W6 steuerbar ausgebildet. Beispielsweise sind die Spannungswandler W1–W6 dabei signaltechnisch mit einer Datenleitung D gekoppelt, über die Stellsignale an die Spannungswandler W1–W6 übertragen werden können. Dem elektrischen Energieverteilungssystem 1 ist in diesem Zusammenhang beispielsweise eine nicht näher dargestellte Steuereinheit zugeordnet. Beispielsweise können die Spannungswandler W1–W6 beliebig aktiviert beziehungsweise deaktiviert werden, beziehungsweise in ihren elektrischen Eigenschaften beeinflusst werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Energiequelle Q ein elektrischer Generator wie zum Beispiel eine Lichtmaschine des Fahrzeugs, oder ein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs in Generatorbetrieb. In anderen Ausführungsbeispielen ist die Energiequelle Q ein elektrischer Energiespeicher wie zum Beispiel eine Batterie oder ein Kondensator. Eine Anzahl an Energiequellen ist dabei nicht auf eine einzige Energiequelle Q beschränkt, vielmehr kann das elektrische Energieverteilungssystem 1 auch mehrere, beispielsweise verschiedenartig ausgebildete Energiequellen umfassen. Beispielsweise können die Energiequellen in diesem Zusammenhang parallel geschaltet sein.
In diesem Ausführungsbeispiel sind lediglich drei Verbraucher V1–V3 dargestellt. Das elektrische Energieverteilungssystem 1 kann abweichend hiervon insbesondere weitere, beispielsweise verschiedenartig ausgebildete Verbraucher umfassen. Beispielsweise sind die Verbraucher parallel geschaltet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die durch den ersten Leiter L1 geführte erste Spannung betragsmäßig kleiner als die durch den zweiten Leiter L2 geführte zweite Spannung. Bei der ersten Spannung handelt es sich beispielsweise um eine 12V Gleichspannung.
Die mit dem ersten Leiter L1 verbundenen Verbraucher V1, V2 werden mit der ersten Spannung betrieben. Dabei kann es sich beispielsweise um fahrzeugtypische Verbraucher, wie zum Beispiel ein Radio oder einen Scheibenhebermotor handeln.
Bei der zweiten Spannung handelt es sich beispielsweise um eine 48V Gleichspannung. Der mit dem zweiten Leiter L2 verbundene Verbraucher V3 ist beispielsweise ein elektrischer Antrieb des Fahrzeugs. Die mit dem zweiten Leiter L2 verbundene Energiequelle Q ist beispielsweise ein Lithiumionenakkumulator.
In anderen Ausführungsbeispielen kann alternativ oder zusätzlich zu der mit dem zweiten Leiter L2 verbundenen Energiequelle Q eine Energiequelle mit dem ersten Leiter L1 verbunden sein, wie beispielsweise ein Bleiakkumulator mit einer Nennspannung von beispielhaft 12V.
In anderen Ausführungsbeispielen kann einer der beiden Leiter L1, L2 beispielsweise eine Gleichspannung führen, die beispielsweise zwischen 60V und 1000V beträgt. Ferner kann einer der beiden Leiter L1, L2 beispielsweise eine Wechselspannung führen, die insbesondere 230V beträgt. Des Weiteren ist es möglich, dass abweichend zu dem in 1 dargestellten elektrischen Energieverteilungssystems 1 lediglich einer der beiden Leiter L1, L2 über eine jeweilige Verbindungsleitung K1, K2 zwischen den Abschnitten A1, A2 elektrisch gekoppelt ist. Beispielsweise kann der jeweils andere der beiden Leiter L1, L2 in diesem Fall in den Abschnitten A1, A2 zueinander unterschiedliche Spannungen führen.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist die erste Spannung gleich der zweiten Spannung. Der erste Leiter L1 und der zweite Leiter L2 sind in diesem Fall redundant zueinander. In vorteilhafter Weise lässt sich ein Ausfall, wie beispielsweise eine Unterbrechung eines der beiden Leiter L1, L2 durch den jeweils anderen der beiden Leiter L1, L2 kompensieren. Die Spannungswandler W1–W6 können dazu beispielsweise als elektrische Schalter zur Umleitung elektrischer Energie betrieben werden.
Bei den Spannungswandlern W1–W6 handelt es sich insbesondere um Gleichspannungswandler. Die Spannungswandler W1–W6 sind dabei bevorzugt identisch ausgebildet, so dass zu einer Einsparung von Entwicklungs- und Produktionskosten beigetragen wird.
Eine Anzahl der Spannungswandler W1–W6 hängt dabei insbesondere von einer Maximalleistung von durch das elektrische Energieverteilungssystem 1 versorgten Verbrauchern V1–V3 ab. Die Anzahl der Spannungswandler W1–W6 ist dabei so bemessen, dass abhängig von besagter Maximalleistung die Spannungswandler W1–W6 in ihrem jeweiligen Effizienzmaximum betrieben werden können. Optional sind zusätzlich redundante Spannungswandler dem elektrischen Energieverteilungssystem 1 zugeordnet zur Kompensation eines Ausfalls von einem oder mehreren der Spannungswandler W1–W6.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Spannungswandler W1–W6 abhängig von einer Maximalleistung der mit der ersten Spannung betriebenen Verbraucher V1, V2. Aufgrund der betragsmäßig größeren Spannung des zweiten Leiters L2 wird eine effizientere elektrische Energieübertragung entlang des zweiten Leiters L2 gegenüber dem ersten Leiter L1 ermöglicht. In diesem Zusammenhang ist ein Querschnitt des zweiten Leiters L2 beispielsweise kleiner ausgebildet als ein Querschnitt des ersten Leiters L1. Die Spannungswandler W1–W6 sind ferner räumlich benachbart bezüglich der Verbraucher V1, V2 angeordnet, so dass den Verbrauchern V1, V2 elektrische Energie lokal ohne langen Übertragungsweg über den ersten Leiter L1 bereitgestellt wird. Eine Anzahl der räumlich benachbart bezüglich den jeweiligen Verbrauchern V1, V2 angeordneten Spannungswandler W1–W6 ist insbesondere abhängig von der jeweiligen Maximalleistung der Verbraucher V1, V2. Da zum Betrieb des mit dem zweiten Leiter L2 verbundenen Verbrauchers V3 eine effiziente elektrische Energieübertragung direkt über den zweiten Leiter L2 möglich ist, ist dessen Leistung zur Auslegung der Anzahl der Spannungswandler W1–W6 nicht maßgeblich.
In anderen Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Spannungswandler W1–W6 abhängig von einer Maximalleistung des mit der zweiten Spannung betriebenen Verbrauchers V3. Beispielsweise kann dies der Fall sein, wenn die Energiequelle Q lediglich mit dem ersten Leiter L1 verbunden ist, so dass zum Betrieb des Verbrauchers V3 eine elektrische Energieübertragung über die Spannungswandler W1–W6 erforderlich ist.
In anderen Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Spannungswandler W1–W6 abhängig von einer Maximalleistung aller Verbraucher V1–V3. Beispielsweise kann dies der Fall sein, wenn die Spannungswandler W1–W6 beispielsweise zusätzlich zur Umleitung von elektrischer Energie ausgebildet sind.
Beispielsweise beträgt die Maximalleistung der maßgeblichen Verbraucher der Gesamtmenge der Verbraucher V1–V3 zwischen 2kW und 3kW. Ein Effizienzmaximum im Betrieb der Spannungswandler W1–W6 liegt beispielsweise zwischen 50W und 200W, insbesondere bei 100W. Statt eines einzigen, leistungsstarken, schweren und klobigen zentralen Spannungswandlers umfasst das Energieverteilungssystem 1 dann beispielsweise zwischen 10 und 60, insbesondere zwischen 20 und 30 der dezentral angeordneten Spannungswandler W1–W6. Beispielsweise kann fahrzeugübergreifend je nach Anzahl oder Art von (Sonder-)Ausstattung des Fahrzeugs eine Anzahl der Spannungswandler W1–W6 variiert werden, so dass diese insbesondere fahrzeugübergreifend als Gleichteile gefertigt werden können. Ferner haben die mehreren Spannungswandler W1–W6 gegenüber einem einzigen Spannungswandler, der zudem lediglich in wenigen diskreten Leistungsstufen verfügbar ist, den Vorteil, dass ein Ausfall eines der Spannungswandler W1–W6 kompensiert werden kann, so dass bei leichter Überskalierung ein Normalbetrieb des Fahrzeugs beispielsweise bis zu einem nächsten planmäßigen Wartungsintervall fortgesetzt werden kann. Die Überskalierung, also die Anzahl redundanter Spannungswandler bezogen auf die Maximalleistung der maßgeblichen Verbraucher aus der Gesamtmenge der Verbraucher V1–V3 beträgt dabei beispielsweise zwischen 1% und 10%, insbesondere 2% aller Spannungswandler W1–W6.
Eine Bauform der Spannungswandler W1–W6 kann dabei besonders kompakt gehalten werden. Insbesondere kann durch die bedarfsorientierte Anzahl der Spannungswandler W1–W6, das heißt durch die vielen Spannungswandler W1–W6 kleinerer Leistung und gleicher Bauart eine Minimierung von Kosten und Gewicht erfolgen. Ferner kann eine Wärmeableitung der Spannungswandler W1–W6 räumlich verteilt erfolgen. Zu diesem Zweck sind die Spannungswandler W1–W6 insbesondere thermisch mit den beiden Leitern L1, L2 gekoppelt. In diesem Zusammenhang kann auf einen eigenständigen Kühlkörper verzichtet werden.
Insbesondere aufgrund einer flächigen Ausführung der Anordnung der Spannungswandler W1–W6 (siehe 3) wird eine Nutzung von Bauraum gegenüber einem einzigen Spannungswandler verbessert. Im Rahmen der erhöhten Ausfallsicherheit des elektrischen Energieverteilungssystems 1 wird ferner zu einem verbesserten sogenannten „fail-safe Verhalten“, beziehungsweise zu einem verbesserten sogenannten „fail-operational Verhalten“ beigetragen.
2 zeigt die beiden Leiter L1, L2 des elektrischen Energieverteilungssystems 1 gemäß 1 in perspektivischer Darstellung. Die beiden Leiter L1, L2 sind dabei zueinander beabstandet in einer Baueinheit beispielhaft als Stromschiene ausgebildet. Zusätzlich umfasst die Baueinheit einen ersten Masseleiter M1 und einen zweiten Masseleiter M2. Der erste Masseleiter M1 führt dabei ein erstes Bezugspotential bezüglich des ersten Leiters L1. Der zweite Masseleiter M2 führt ferner ein zweites Bezugspotential bezüglich des zweiten Leiters L2. Das erste Bezugspotential kann dabei insbesondere gleich dem zweiten Bezugspotential sein. Der erste Masseleiter M1 kann in diesem Zusammenhang beispielsweise mit dem zweiten Masseleiter M2 kurzgeschlossen oder insbesondere identisch sein.
3 zeigt einen Ausschnitt des elektrischen Energieverteilungssystems 1 gemäß 1, mit der als Stromschiene ausgebildeten Baueinheit aus den beiden Leitern L1, L2 sowie den beiden Masseleitern M1, M2 und der Datenleitung D. Ein Anschlussmodul A eines nicht näher dargestellten Verbrauchers ist mit dem zweiten Leiter L2 verbunden, um dessen elektrische Energieversorgung zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich kann ein zu dem hier dargestellten Anschlussmodul A verschiedenes Anschlussmodul zur elektrischen Kopplung mit beiden Leitern L1, L2 beispielsweise zwischen den beiden Leitern L1, L2 angeordnet sein. Das verschiedene Anschlussmodul kann beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung eines Verbrauchers ausgebildet sein, als Ladegerät oder als Steuereinheit. Der Spannungswandler W1 ist zur Versorgung mit elektrischer Energie mit den beiden Leitern L1, L2 sowie mit den beiden Masseleitern M1, M2 verbunden. Zur Steuerung des Spannungswandlers W1 ist dieser ferner über die Datenleitung D mit der nicht näher dargestellten Steuereinheit verbunden.
In einem Daten- und Programmspeicher der Steuereinheit ist ein Programm zum Betreiben des Energieverteilungssystems 1 gespeichert, welches im Folgenden anhand des Ablaufdiagramms der 4 erläutert wird.
Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet, in dem beispielsweise Variablen initialisiert werden.
In einem Schritt S3 wird ein Leistungskennwert L_K ermittelt, der repräsentativ ist für eine angeforderte Leistung der maßgeblichen Verbraucher, in diesem Ausführungsbeispiel also der Verbraucher V1, V2 (siehe 1). Die angeforderte Leistung der Verbraucher V1, V2 ist dabei insbesondere abhängig von ihrem aktuellen Betriebszustand. Das Programm wird anschließend in einem Schritt S5 fortgesetzt.
In dem Schritt S5 wird abhängig von dem Leistungskennwert L_K eine erforderliche Anzahl Z an Spannungswandlern W1–W6 ermittelt, die zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter L1 und dem zweiten Leiter L2 in diesem Zusammenhang benötigt wird, also um die angeforderte Leistung den maßgeblichen Verbrauchern bereitzustellen. Insbesondere wird die erforderliche Anzahl Z dabei abhängig von einem vorgegebenen Betriebsbereich der jeweiligen Spannungswandler W1–W6 ermittelt, so dass diese beispielsweise möglichst in ihrem Effizienzmaximum betrieben werden können. Das Programm wird anschließend in einem Schritt S7 fortgesetzt.
In dem Schritt S7 wird ein Temperaturkennwert T_K ermittelt, der repräsentativ ist für eine Temperatur der Spannungswandler W1–W6. Beispielsweise ist den Spannungswandlern W1–W6 in diesem Zusammenhang eine Sensoreinheit zugeordnet zur Erfassung der Temperatur.
Zusätzlich oder alternativ wird eine jeweilige Betriebsdauer der Spannungswandler W1–W6 ermittelt. Insbesondere ist die jeweilige Betriebsdauer dabei eine Gesamtbetriebsdauer des jeweiligen Spannungswandlers W1–W6. Beispielsweise wird in diesem Zusammenhang eine Anzahl an Schaltvorgängen des jeweiligen Spannungswandlers W1–W6 gezählt.
Zusätzlich oder alternativ wird ferner ein Abstand zwischen den Spannungswandlern W1–W6 und den maßgeblichen Verbrauchern V1, V2 ermittelt, beziehungsweise eine jeweilige relative Positionierung der Spannungswandler W1–W6 zu den maßgeblichen Verbrauchern V1, V2. Das Programm wird in einem Schritt S9 fortgesetzt.
In dem Schritt S9 erfolgt eine Auswahl anzusteuernder Spannungswandler W1–W6 abhängig von dem jeweiligen Temperaturkennwert T_K, der jeweiligen Betriebsdauer und der jeweiligen relativen Positionierung der Spannungswandler W1–W6.
Dabei wird abhängig von der erforderlichen Anzahl Z eine ausgewählte Teilmenge der Spannungswandler W1–W6 gesteuert, elektrische Energie von dem zweiten Leiter L2 zu dem ersten Leiter L1 zu übertragen. Die Teilmenge kann dabei eine Anzahl zwischen einschließlich keinem der Spannungswandler W1–W6 und allen Spannungswandlern W1–W6 umfassen.
In vorteilhafter Weise ermöglicht eine derartige bedarfsgerechte Steuerung der Spannungswandler W1–W6 eine Effizienzsteigerung und damit eine Minimierung von CO2-Ausstoß. Insbesondere kann die ausgewählte Teilmenge der Spannungswandler W1–W6 dabei in einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
Die Auswahl abhängig von der relativen Positionierung der Spannungswandler W1–W6 ermöglicht insbesondere eine Effizienzsteigerung durch Verkürzung effektiver Leiterlängen, das heißt einem Abstand zwischen Erzeugung elektrischer Energie beziehungsweise Bereitstellung elektrischer Energie durch die Energiequelle Q, sowie der Spannungswandlung beziehungsweise der Übertragung elektrischer Energie durch die jeweiligen Spannungswandler W1–W6 und einem Abgriff durch die jeweiligen Verbraucher V1–V3. Beispielsweise wird ferner zu einem geringen Rohstoffbedarf bei Herstellung des elektrischen Energieverteilungssystems 1 beigetragen, wie zum Beispiel Kupfer.
Die Auswahl abhängig von dem Temperaturkennwert T_K ermöglicht dabei unter anderem eine derartige Regelung der Übertragung der elektrischen Energie, dass zu einer optimalen und lebensdauerfördernden Wärmeverteilung beigetragen wird. Eine lokale Umgebungstemperatur kann dabei beispielsweise ausgeglichen werden, das heißt bei einer hohen lokalen Umgebungstemperatur ist ein geringerer Verlustwärmeeintrag des jeweiligen Spannungswandlers W1–W6 erforderlich.
Beispielsweise zusätzlich werden im Falle einer Unterbrechung eines der beiden Leiter L1, L2 in einem vorgegebenen Bereich die Spannungswandler W1–W6 derart angesteuert, dass elektrische Energie über den jeweils anderen Leiter L1, L2 zur Überbrückung des jeweiligen vorgegebenen Bereichs umgeleitet wird. Insbesondere kann die Auswahl anzusteuernder Spannungswandler W1–W6 in diesem Zusammenhang angepasst werden. Ferner werden hierzu die Spannungswandler W1–W6 geeignet bidirektional betrieben, das heißt zur Umleitung der elektrischen Energie wird den jeweiligen Spannungswandlern W1–W6 eine Richtungsvorgabe bereitgestellt, in welche die Übertragung der elektrischen Energie erfolgt.
In anderen Ausführungsbeispielen besitzen die Spannungswandler W1–W6 beispielsweise zusätzlich autonome Betriebsmechanismen, beispielsweise zur thermischen Leistungsbegrenzung oder zur Ruhestromkompensation zwischen den beiden Leitern L1, L2.
Bezugszeichenliste

1: Energieverteilungssystem
V1–V3: Verbraucher
Q: Energiequelle
L1, L2: Leiter
A1, A2: Abschnitt
K1, K2: Verbindungsleitung
W1–W6: Spannungswandler
D: Datenleitung
M1, M2: Masse
L_K: Leistungskennwert
T_K: Temperaturkennwert
Z: Anzahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008020348 A1 [0003]
DE 102013210293 A1 [0004]
DE 102009000222 A1 [0005]

Claims

Elektrisches Energieverteilungssystem (1) mit – einem ersten Leiter (L1) zur Führung einer ersten Spannung, – einem zweiten Leiter (L2) zur Führung einer zweiten Spannung, – mindestens einer Energiequelle (Q), die jeweils elektrisch mit zumindest einem der Leiter (L1, L2) gekoppelt ist, und – mehreren Spannungswandlern (W1–W6) zur Übertragung elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2), die in Bezug auf die mindestens eine Energiequelle (Q) jeweils dezentral angeordnet und mit dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2) gekoppelt sind.
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach Anspruch 1, mit mindestens einem Verbraucher (V1–V3), der zur Versorgung mit elektrischer Energie elektrisch mit zumindest einem der Leiter (L1, L2) gekoppelt ist.
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, bei dem die erste Spannung unterschiedlich zu der zweiten Spannung ist.
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 oder 3, bei dem eine Anzahl der Spannungswandler (W1–W6) abhängig von einer Maximalleistung aller Verbraucher (V1–V3) ist, die mit der ersten Spannung betrieben werden.
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 4, bei dem eine Anzahl der Spannungswandler (W1–W6) abhängig von einer Maximalleistung aller Verbraucher (V1–V3) ist, die mit der zweiten Spannung betrieben werden.
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, bei dem eine räumliche Verteilung der Spannungswandler (W1–W6) abhängt von einer räumlichen Anordnung des mindestens einen Verbrauchers (V1–V3).
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach Anspruch 6, bei dem eine Anzahl der räumlich benachbart bezüglich des mindestens einen Verbrauchers (V1–V3) angeordneten Spannungswandler (W1–W6) abhängig ist von einer Maximalleistung des jeweiligen Verbrauchers (V1–V3).
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Spannungswandler (W1–W6) thermisch mit zumindest einem der Leiter (L1, L2) gekoppelt sind zum Abführen von Wärme.
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, bei dem zumindest einer der Leiter (L1, L2) als Stromschiene ausgebildet ist.
Elektrisches Energieverteilungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Spannungswandler (W1–W6) als Gleichspannungswandler ausgebildet sind.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energieverteilungssystems (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, bei dem – ein Leistungskennwert (L_K) ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine elektrische Leistungsanforderung des mindestens einen Verbrauchers (V), – abhängig von dem Leistungskennwert (L_K) eine erforderliche Anzahl (Z) an Spannungswandlern (W1–W6) ermittelt wird zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2), und – abhängig von der erforderlichen Anzahl (Z) eine Teilmenge der Spannungswandler (W1–W6) gesteuert wird, elektrische Energie zwischen dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2) zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine Auswahl anzusteuernder Spannungswandler (W1–W6) zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2) abhängig von ihrer jeweiligen räumlichen Anordnung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Auswahl abhängig von einer Position des jeweiligen Verbrauchers (V1–V3) und dessen erwarteten Leistungsbedarf durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 13, bei dem eine Auswahl anzusteuernder Spannungswandler (W1–W6) zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2) abhängig von einer Betriebsdauer der jeweiligen Spannungswandler (W1–W6) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 14, bei dem – ein Temperaturkennwert (T_K) ermittelt wird, der repräsentativ ist für eine jeweilige Temperatur der Spannungswandler (W1–W6), – eine Auswahl anzusteuernder Spannungswandler (W1–W6) zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter (L1) und dem zweiten Leiter (L2) abhängig von dem jeweiligen Temperaturkennwert (T_K) der Spannungswandler (W1–W6) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 15, bei dem im Falle einer Unterbrechung eines der Leiter (L1, L2) in einem vorgegebenen Bereich die Spannungswandler (W1–W6) derart angesteuert werden, dass elektrische Energie über den jeweils anderen Leiter (L1, L2) zur Überbrückung des jeweiligen vorgegebenen Bereichs umgeleitet wird.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Energieverteilungssystems (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, bei dem im Falle einer Unterbrechung eines der Leiter (L1, L2) in einem vorgegebenen Bereich die Spannungswandler (W1–W6) derart angesteuert werden, dass elektrische Energie über den jeweils anderen Leiter (L1, L2) zur Überbrückung des jeweiligen vorgegebenen Bereichs umgeleitet wird.