DE102015206523A1

DE102015206523A1 - Redundante elektrische Energieversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE102015206523A1
Application number: DE102015206523.5A
Authority: DE
Inventors: Marcin Guzik
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2016-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsschaltung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem elektrischen Hauptenergiespeicher (1) mit mehreren in Reihe geschalteten Speichermodulen (2), und einer in einem Störungsfall zuschaltbaren Redundanzschaltung (14), welche eine Spannung eines einzigen der Speichermodule (2) abgreift, um eine Notenergieversorgung sicherzustellen Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einer Energieversorgungsschaltung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungsschaltung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Hochvoltspeicher und einer redundanten Bordnetzversorgung.
Heutige Elektro- und Hybridfahrzeuge besitzen einen Hochvoltspeicher (z. B. 48 V), der insbesondere für den Antrieb des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, sowie einen Bordnetzspeicher mit niedrigerer Spannung (z. B. 12 V), welche Energie für ein Bordnetz zur Verfügung stellt. Ein Ausfall des Hochvoltspeichers oder des Bordnetzspeichers ist heute bei diesen Fahrzeugen relativ unkritisch, weil die sicherheitsrelevanten Systeme, wie beispielsweise Bremsen oder Lenkung des Fahrzeugs mechanisch und/oder hydraulisch angesteuert und/oder betätigt werden. Im Hinblick auf einen in Zukunft zu erwartenden höheren Elektrifizierungsgrad sowie neuen Themen, wie hochautomatisiertes Fahren, muss eine Funktionalität sicherheitsrelevanter Systeme auch im Ausfallszenario für eine Mindestzeit gewährleistet werden können.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Energieversorgungsschaltung bereitzustellen, die eine höhere Sicherheit gewährleistet. Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgungsschaltung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Energieversorgungsschaltung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bereitgestellt, mit einem elektrischen Hauptenergiespeicher mit mehreren in Reihe geschalteten Speichermodulen, und einer in einem Störungsfall zuschaltbaren Redundanzschaltung, welche eine Spannung eines einzigen der Speichermodule abgreift, um eine Notenergieversorgung sicherzustellen. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass auch bei Ausfall des Hauptenergiespeichers, eine Notenergieversorgung bestehen bleibt, welche die Funktionsfähigkeit sicherheitsrelevanter Systeme aufrecht erhält. Gerade im Hinblick auf eine zunehmende Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen, bei denen beispielsweise auch denkbar ist, dass die Lenkung und/oder die Bremsen elektrisch angesteuert und/oder betrieben werden, erhöht die Redundanzschaltung dieses Ausführungsbeispiels die Sicherheit.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Energieversorgungsschaltung des Weiteren mit einem Bordnetz versehen, welches auf ein niedrigeres Spannungsniveau als der Hauptenergiespeicher ausgelegt ist, wobei das Bordnetz vom Hauptenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Energieversorgungsschaltung des Weiteren mit einem elektrischen Bordnetzenergiespeicher mit einem niedrigeren Spannungsniveau als der Hauptenergiespeicher versehen, wobei der Bordnetzenergiespeicher von dem Hauptenergiespeicher aufladbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Redundanzschaltung parallel zum Bordnetz geschaltet. Somit kann in einem Störungsfall die Redundanzschaltung die Funktionalität des Bordnetzes sicherstellen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Hauptenergiespeicher mit dem Bordnetz über einen Gleichspannungsumwandler verbunden. Dieser Gleichspannungsumwandler wandelt eine hohe Spannung des Hauptenergiespeichers (z. B. 48 V) auf eine niedrigere Spannung des Bordnetzenergiespeichers (z. B. 12 V), so dass dieser aufgeladen werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Störungsfall als ein Defekt in zumindest einem Element aus der Gruppe definiert, welche folgende Elemente umfasst: ein Hauptschütz an einem Spannungsausgang des Hauptenergiespeichers, den Gleichspannungsumwandler, eine Erdungsverbindung des Gleichspannungsumwandlers, eine elektrische Verbindung des Gleichspannungsumwandlers mit dem Bordnetzenergiespeicher, und den Bordnetzenergiespeicher. Dies sollen jedoch nur einige Beispiele sein und ein Störungsfall kann allgemeiner formuliert auch dann bestehen, wenn die Spannungsversorgung des Bordnetzes nicht mehr sicher zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Bordnetz für ein Spannungsniveau ausgelegt, welches dem Spannungsniveau der einzelnen Speichermodule mit einer maximalen Abweichung von 10% entspricht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Redundanzschaltung so mit den Speichermodulen des Hauptenergiespeichers elektrisch verbunden, dass sie wahlweise die Spannung jedes einzelnen der Speichermodule des Hauptenergiespeichers abgreifen kann. Durch die Möglichkeit des Zugriffs auf jedes der Speichermodule wird die Sicherheit erhöht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Energieversorgungsschaltung des Weiteren mit einer Speichermodul-Auswählsteuerung versehen, welche eines oder mehrere der Speichermodule auf Funktionsfähigkeit überprüft und ein funktionsfähiges Speichermodul für die Redundanzschaltung auswählt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Redundanzschaltung zur Energieversorgung einer Fahrzeugbremse und/oder einer Fahrzeuglenkung ausgefegt.
Darüber hinaus wird ein Kraftfahrzeug mit einer Energieversorgungsschaltung gemäß einem dieser Ausführungsbeispiele bereitgestellt.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
1 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, welches eine Energieversorgungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, und
2 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, welches eine Energieversorgungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die in 1 dargestellte elektrische Energieversorgungsschaltung kann zur Energieversorgung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs eingesetzt werden. Ein Hauptspeicher 1, auch als Hochvolt-Energiespeicher bezeichnet, umfasst eine Vielzahl an in Reihe geschalteten Speichermodulen 2. Die Anzahl der Speichermodule 2 kann dabei variiert werden, wodurch auch eine vom Hauptspeicher 1 bereitgestellte Spannung variiert. Diese sich durch Reihenschaltung ergebende Spannung des Hauptspeichers 1 kann an einem positiven Hauptspeicherausgang 3 abgegriffen werden und der gleiche Spannungsbetrag mit negativen Vorzeichen kann an einem negativen Hauptspeicherausgang 4 abgegriffen werden. Die am positiven Hauptspeicherausgang 3 abzugreifende Spannung ergibt sich durch Multiplikation des Spannungsniveaus eines Speichermoduls 2 mit der Anzahl der Speichermodule. Sind beispielsweise vier Speichermodule 2 vorhanden, von denen jedes ein Spannungsniveau von 12 V aufweist, dann kann am positiven Hauptspeicherausgang 3 eine Spannung von +48 V abgegriffen werden, am negativen Hauptspeicherausgang 4 entsprechend eine Spannung von –48 V. Andere Spannungsniveaus sind natürlich auch möglich, beispielsweise über 100 V an den Hauptspeicherausgängen 3, 4 oder beispielsweise 24 V an den einzelnen Speichermodulen 2. Der positive und negative Hauptspeicherausgang 3, 4 sind über Hauptschütze 5 mit den in Reihe geschalteten Speichermodulen 2 verbunden. Die Hauptschütze 5 können somit in einem Fehlerfall oder zum üblichen Ein- und Abschalten der Stromversorgung die Hauptspeicherausgänge 3, 4 von den Speichermodulen 2 trennen. Jedoch ist dies optional und die Hauptschütze 5 können in einem Fehlerfall auch geschlossen bleiben. Der positive und negative Hauptspeicherausgang 3, 4 sind mit zwei Eingängen eines Gleichspannungsumwandlers 6 verbunden. Dieser Gleichspannungsumwandler 6 ist ausgangsseitig mit einem Bordnetz 7 verbunden und stellt somit das Verbindungsglied zwischen dem Hochvoltnetz und dem Bordnetz 7 dar. Genauer ist einer der Ausgänge des Gleichspannungsumwandlers 6 mit einem positiven Spannungsstrang 8 des Bordnetzes 7 und ein anderer Ausgang mit einer Erdungsverbindung 9 verbunden, Parallel zu diesen Ausgängen des Gleichspannungsumwandlers 6 ist ein Bordnetzenergiespeicher 10 geschaltet, der über den Gleichspannungsumwandler 6 mit elektrischer Energie aus dem Hauptspeicher 1 aufgeladen wird. Das Bordnetz 7 beinhaltet ferner Stromverteiler 11 die die Spannung des positiven Spannungsstrangs 8 an einen Verbraucher 12, beispielsweise eine elektrisch angesteuerte und/oder betätigte Bremse, und einen Verbraucher 13, beispielsweise eine elektrisch angesteuerte und/oder betätigte Lenkung verteilen. Die beispielhaft dargestellten Verbraucher 12, 13 können dabei in beliebiger Anzahl vorhanden sein. Die Verbraucher 12 und 13 sind außerdem geerdet, sodass sie parallel zu den bordnetzseitigen Ausgängen des Gleichspannungsumwandlers 6 und zum Bordnetzenergiespeicher 10 geschaltet sind.
Im Normalbetrieb wird die Hochvoltspannung des positiven und negativen Hauptspeicherausgangs 3, 4 mit geschlossenen Hauptschützen 5 und für den Antrieb des Elektrofahrzeugs verwendet. Außerdem wird das Bordnetz 7 von der Hochvoltspannung über den Gleichspannungsumwandler 6 gespeist, wobei der Bordnetzenergiespeicher 10 als Energiepuffer dient. Es ist auch eine Ausführung denkbar, bei der der Bordnetzenergiespeicher 10 weggelassen wird.
Sollte es in dieser Energieversorgungsschaltung zu einem Störungsfall kommen, dann ist eine Redundanzschaltung 14 zuschaltbar, die im Folgenden beschrieben wird. Ein Störungsfall könnte dabei beispielsweise einen Ausfall der Hauptschütze 5, eine Unterbrechung der Verbindung zwischen den Hauptspeicherausgängen 3, 4 und dem Gleichspannungsumwandler 6, die Erdungsverbindung 9, eine Unterbrechung des positiven Spannungsstrangs 8 sowie ein Ausfall des Bordnetzenergiespeichers 10 sein. Jedoch soll die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt sein, und ein Störungsfall kann allgemein darin gesehen werden, dass die Spannungsversorgung des Bordnetzes 7 nicht mehr über den beschriebenen Pfad sichergestellt ist.
Im Rahmen der Redundanzschaltung 14 wird ein einziges der Speichermodule 2 parallel zum Bordnetz 7 geschaltet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Speichermodul 2 um das erste der Reihenschaltung, bei dem an den Spannungsausgängen einfach das Spannungsniveau (z. B. 12 V) dieses Speichermoduls abgegriffen werden kann. Ein positiver Anschluss dieses Speichermoduls 2 wird über einen positiven Redundanzausgang 15 aus dem Hauptspeicher 1 abgeführt und mit dem positiven Spannungsstrang 8 verbunden. Zusätzlich kann in dieser Verbindung zwischen dem positiven Redundanzausgang 15 und dem positiven Spannungsstrang 8 eine Sicherung 16 zwischengeschaltet sein. Ein negativer Anschluss dieses einen Speichermoduls 2 wird über einen Erdungsausgang 17 mit der Erdung verbunden. Alle in dieser Beschreibung genannten Erdungen sind miteinander verbunden, beispielsweise über eine elektrisch leitende Fahrzeugkarosserie. Zwischen den Spannungsausgängen des einen Speichermoduls 2 und dem positiven Redundanzausgang 15 sowie dem Erdungsausgang 17 sind Redundanzschütze 18 zwischengeschaltet, aber die das erste Speichermodul 2 mit den Ausgängen 15 und 17 verbunden werden kann bzw. von diesen getrennt werden kann. Bei Normalbetrieb sind die Redundanzschütze 18 geöffnet. Bei Aktivierung der Redundanzschaltung 14 werden die Redundanzschütze 18 von einer Steuerung 19 geschlossen und bleiben geschlossen, solange die Redundanzschaltung 14 aktiviert ist. Bei der Auslegung der Energieversorgungschaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel sollte dabei das Spannungsniveau des Bordnetzes 7 in etwa dem Spannungsniveau eines Speichers 2 entsprechen, wobei eine gewisse Toleranz technisch möglich ist. Im vorliegenden Beispiel, in dem ein Speichermodul ein Spannungsniveau von 12 V aufweist, wäre auch eine Spannung der Redundanzschaltung (bzw. der einzelnen Speichermodule 2) von 11 bis 16 V möglich. Sollte der Störungsfall dazu führen, dass die Hochvolt-Energieversorgung ausfällt, so dass das Elektrofahrzeug nicht mehr angetrieben werden kann, dann ist über die Redundanzschaltung zumindest für eine gewisse Zeit die Bordnetz-Energieversorgung sichergestellt, so dass sicherheitsrelevante Systeme, wie beispielsweise Bremsen und/oder Lenkung zur Verfügung stehen, um das Fahrzeug sicher zum Stillstand zu bringen und zu lenken. Dies erhöht die Betriebssicherheit des entsprechenden Fahrzeugs.
2 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, welches eine Energieversorgungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorherigen Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass anstatt der Steuerung 19 eine Speichermodul-Auswählsteuerung 20 vorgesehen ist. Diese ist mit jedem Speichermodul 2 derart verbunden, dass sie die Spannung jedes einzelnen Speichermoduls 2 separat abgreifen kann. Beispielsweise könnte dies über einen separaten Anschluss des Speichermoduls 2 realisiert werden oder über entsprechende Vorkehrungen in der Reihenschaltung der Speichermodule 2. Ferner wäre denkbar, dass die Speichermodul-Auswählsteuerung 20 in der Lage ist, über entsprechende Trenneinrichtungen in der Reihenschaltung die Reihenschaltung der Speichermodule zwischen den einzelnen Speichermodulen 2 zu trennen. Die Speichermodul-Auswählsteuerung 20 wählt ein funktionierendes Speichermodul 2 aus der Vielzahl von Speichermodulen 2 aus, wozu die Speichermodul-Auswählsteuerung entweder alle der Speichermodule 2 testet oder die Speichermodule 2 nacheinander solange testet, bis ein funktionierendes Speichermodul 2 gefunden wurde. Nachdem die Speichermodul-Auswählsteuerung ein funktionstüchtiges Speichermodul 2 ausgewählt hat, wird der positive Ausgang dieses Speichermoduls über den positiven Redundanzausgang 15 aus dem Hauptspeicher 1 abgeführt und mit dem positiven Bordnetz-Spannungsstrang 8 verbunden. Außerdem verbindet die Speichermodul-Auswählsteuerung 20 den anderen Ausgang des ausgewählten Speichermoduls 2 mit dem Erdungsausgang 17. Ferner ist die Speichermodul-Auswählsteuerung 20 mit den Hauptschütz 5 und dem Redundanzschütze 18 verbunden und kann diese analog zur Steuerung 19 schalten, d. h. im Redundanzbetrieb sind die Hauptschütze 5 offen oder geschlossen und die Redundanzschütze 18 geschlossen.
Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.

Claims

Energieversorgungsschaltung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem elektrischen Hauptenergiespeicher (1) mit mehreren in Reihe geschalteten Speichermodulen (2), und einer in einem Störungsfall zuschaltbaren Redundanzschaltung (14), welche eine Spannung eines einzigen der Speichermodule (2) abgreift, um eine Notenergieversorgung sicherzustellen.
Energieversorgungsschaltung gemäß Anspruch 1, des Weiteren mit einem Bordnetz (7), welches auf ein niedrigeres Spannungsniveau als der Hauptenergiespeicher (1) ausgelegt ist, wobei das Bordnetz (7) vom Hauptenergiespeicher (1) mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Energieversorgungsschaltung gemäß Anspruch 2, des Weiteren mit einem elektrischen Bordnetzenergiespeicher (10) mit einem niedrigeren Spannungsniveau als der Hauptenergiespeicher (1), wobei der Bordnetzenergiespeicher (10) von dem Hauptenergiespeicher (1) aufladbar ist.
Energieversorgungsschaltung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Redundanzschaltung (14) parallel zum Bordnetz (7) geschaltet ist.
Energieversorgungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Hauptenergiespeicher (1) mit dem Bordnetz (7) über einen Gleichspannungsumwandler (6) verbunden ist.
Energieversorgungsschaltung gemäß Anspruch 5, wobei der Störungsfall als ein Defekt in zumindest einem Element aus der Gruppe definiert ist, welche folgende Elemente umfasst: ein Hauptschütz (5) an einem Spannungsausgang (3, 4) des Hauptenergiespeichers (1), den Gleichspannungsumwandler (6), eine Erdungsverbindung (9) des Gleichspannungsumwandlers (6), eine elektrische Verbindung (8) des Gleichspannungsumwandlers (6) mit dem Bordnetzenergiespeicher (10), und den Bordnetzenergiespeicher (10).
Energieversorgungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Bordnetz (7) für ein Spannungsniveau ausgelegt ist, welches dem Spannungsniveau der einzelnen Speichermodule (2) mit einer maximalen Abweichung von 10% entspricht.
Energieversorgungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Redundanzschaltung (14) so mit den Speichermodulen (2) des Hauptenergiespeichers (1) elektrisch verbunden ist, dass sie wahlweise die Spannung jedes einzelnen der Speichermodule (2) des Hauptenergiespeichers (1) abgreifen kann.
Energieversorgungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren mit einer Speichermodul-Auswählsteuerung (20), welche eines oder mehrere der Speichermodule (2) auf Funktionsfähigkeit überprüft und ein funktionsfähiges Speichermodul (2) für die Redundanzschaltung (14) auswählt.
Energieversorgungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Redundanzschaltung (14) zur Energieversorgung einer Fahrzeugbremse (12) und/oder einer Fahrzeuglenkung (13) ausgelegt ist.
Kraftfahrzeug mit einer Energieversorgungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.