DE102015218178A1 - Mehrspannungsbordnetz - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrspannungsbordnetz, mit einer Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (1.1–1.12), die in einer Serienschaltung (1) angeordnet sind, wobei ein Spannungspotential an den Enden (2, 3) der Serienschaltung von einem ersten Spannungsabgriff (4) abgreifbar ist; einem Zwischenabgriff (5), der in der Serienschaltung (1) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Energiespeichereinheiten (1.4, 1.5) angeordnet ist, wobei ein Abschnitt der Serienschaltung (1) zwischen einem Ende (2) der Serienschaltung (1) und dem Zwischenabgriff (5) einen Teilspannungsabschnitt (6) bildet, und einem zweiten Spannungsabgriff (7) über den ein Spannungsniveau des Teilspannungsabschnitts (6) abgreifbar ist, wobei der Teilspannungsabschnitt (6) wahlweise mit der restlichen Serienschaltung über einen Spannungswandler (9) verbindbar ist, um den Teilspannungsabschnitt (6) zu laden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit solch einem Mehrspannungsbordnetz.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Mehrspannungsbordnetz für Kraftfahrzeuge.
  • Neben dem zurzeit üblichen 12 V Bordnetz für Fahrzeuge etabliert sich zunehmend ein 48 V Bordnetz. Das 48 V Bordnetz dient dabei zur Versorgung von Verbrauchern mit höherem Leistungsbedarf. In diesem Zweispannungsbordnetz wird neben einer 12 V Batterie eine 48 V Batterie verbaut. Die 48 V Batterie hat hierbei im Normalfall eine wesentlich höhere Speicherkapazität als die 12 V Batterie und dient bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen auch zum Antrieb.
  • Ein solches Zweispannungsbordnetz ist in 1 dargestellt. In solch einem Zweispannungsbordnetz wird die Energie des 12 V Bordnetzes vom 48 V Bordnetz bereitgestellt. Dies geschieht über einen Gleichspannungswandler, der die 48 V Spannung auf die 12 V Spannung wandelt. Diese Schaltung erfordert für jedes Spannungsniveau einen eigenen Akkumulator. Die 12 V Batterie dient zur Stabilisierung des 12 V Bordnetzes bei hohem Energiebedarf einzelner Verbraucher. Außerdem ist die 12 V Batterie zur Bereitstellung von Energie im Ruhezustand (48 V Bordnetz inaktiv, Gleichspannungswandler inaktiv) erforderlich.
  • Es wäre jedoch aus Platz-, Gewichts- und Kostengründen wünschenswert, im Fahrzeug nur einen Akkumulator bereitstellen zu müssen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mehrspannungsbordnetz bereitzustellen, bei dem ein Akkumulator mehrere Spannungsniveaus liefert. Diese Aufgabe wird mit einem Mehrspannungsbordnetz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Mehrspannungsbordnetz bereitgestellt, mit einer Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten, die in einer Serienschaltung angeordnet sind, wobei ein Spannungspotential an den Enden der Serienschaltung von einem ersten Spannungsabgriff abgreifbar ist; einem Zwischenabgriff, der in der Serienschaltung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Energiespeichereinheiten angeordnet ist, wobei ein Abschnitt der Serienschaltung zwischen einem Ende der Serienschaltung und dem Zwischenabgriff einen Teilspannungsabschnitt bildet, und einem zweiten Spannungsabgriff über den ein Spannungsniveau des Teilspannungsabschnitts abgreifbar ist, wobei der Teilspannungsabschnitt wahlweise mit der restlichen Serienschaltung über einen Spannungswandler verbindbar ist, um den Teilspannungsabschnitt zu laden. Dieses Mehrspannungsbordnetz bietet den Vorteil, dass mit nur einem einzigen Akkumulator mehrere Spannungsniveaus bereitstellbar sind. Dies führt zur Gewichtsreduktion, Platzersparnis und Kostenreduktion.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen dem Teilspannungsabschnitt und dem zweiten Spannungsabgriff ein Gleichspannungswandler angeordnet. Dieser ermöglicht, dass der Teilspannungsabschnitt ein höheres Spannungsniveau hat als am zweiten Spannungsabgriff gewünscht wird. Damit kann auch bei geringerem Ladezustand des Teilspannungsabschnitts (und damit geringerer Spannung am Teilspannungsabschnitt) immer noch die gewünschte Spannung am zweiten Spannungsabgriff bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gleichspannungswandler ein Tiefsetzsteller (Buck-Converter). Dies ist eine kostengünstige Ausführung eines Gleichspannungswandlers.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zweite Spannungsabgriff in einer getakteten Weise mit dem Teilspannungsabschnitt verbindbar. Somit kann je nach Einschalt-Pause-Zyklus das Spannungsniveau am zweiten Spannungsabgriff eingestellt werden.
  • Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Mehrspannungsbordnetz gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele bereit.
  • Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
  • 1 zeigt ein Zweispannungsbordnetz vom Stand der Technik, und
  • 2 zeigt ein Schaltdiagramm eines Mehrspannungsbordnetzes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • In 2 ist ein Schaltdiagramm eines Mehrspannungsbordnetzes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Mehrspannungsbordnetz für die Bereitstellung von zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus angepasst, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern mit der erfinderischen Lehre können auch Bordnetze mit mehr als zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus (z. B. drei, vier, fünf, usw.) verwirklicht werden.
  • In dem dargestellten Mehrspannungsbordnetz ist eine Vielzahl an Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.12 elektrisch in Reihe geschaltet und bildet einen Energiespeicher in Form einer Serienschaltung 1 aus. Die einzelnen Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.12 sind insbesondere räumlich direkt nebeneinander angeordnet und bilden vorzugsweise eine zusammengebaute Einheit. Die Energiespeichereinheiten 1.1. bis 1.12 können beispielsweise Speicherzellen oder Speichermodule (Parallel- oder Reihenschaltungen mehrerer Speicherzellen) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sein. Insbesondere können die Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.12 Lithium- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren sein. Die einzelnen Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.12 liefern vorzugsweise das gleiche Spannungsniveau und sind insbesondere identisch aufgebaut. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liefert jede Energiespeichereinheit 1.1 bis 1.12 ein Spannungsniveau von 4 V und es sind zwölf Energiespeichereinheiten in Reihe geschaltet. An den äußeren Enden 2, 3 der Serienschaltung 1 kann über einen ersten Spannungsabgriff 4 das Gesamtspannungsniveau der Serienschaltung 1 abgegriffen werden, z. B. im dargestellten Beispiel 48 V.
  • Zwischen den äußeren Enden 2, 3 der Serienschaltung 1 und zwischen zwei in der Serienschaltung aufeinanderfolgenden Energiespeichereinheiten, im dargestellten Beispiel zwischen den Energiespeichereinheiten 1.4 und 1.5, ist ein Zwischenabgriff 5 vorgesehen. Zwischen dem äußeren Ende 2 der Serienschaltung 1 und dem Zwischenabgriff 5 liegt eine Teilspannung des Gesamtspannungsniveaus vor. Zwischen dem äußeren Ende 3 und dem Zwischenabgriff 5 liegt die restliche Spannung der restlichen Speichereinheiten 1.5 bis 1.12 vor, d. h. Gesamtspannung minus Teilspannung. Der Abschnitt der Serienschaltung 1 zwischen dem Zwischenabgriff 5 und dem äußeren Ende 2 wird als Teilspannungsabschnitt 6 bezeichnet. Die Spannung des Teilspannungsabschnitts 6 kann an einem zweiten Spannungsabgriff 7 abgegriffen werden. Das Spannungsniveau am zweiten Spannungsabgriff 7 ist beispielsweise 12 V. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Teilspannungsabschnitt 6 vier Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.4 in Reihe geschaltet, bei einer Zellenspannung von 4 V würde dies eine Spannung von 16 V ergeben. Da das Spannungsniveau einer Energiespeichereinheit mit zunehmender Entladung nachlässt und am zweiten Spannungsabgriff 7 ein bestimmter Spannungswert (z. B. 12 V) zuverlässig zur Verfügung gestellt werden soll, ist die Spannung am Teilspannungsabschnitt 6 höher dimensioniert als die am zweiten Spannungsabgriff 7 gewünschte Spannung. Daher ist zwischen den Teilspannungsabschnitt 6 und den zweiten Spannungsabgriff 7 ein Gleichspannungswandler 8 geschaltet, der im Bedarfsfall die höhere Spannung des Teilspannungsabschnitts 6 auf die niedrigere Spannung des zweiten Spannungsabgriffs 7 wandelt. Diese Wandlung ist bei nachlassendem Ladezustand der Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.12 nicht mehr erforderlich. Der Gleichspannungswandler 8 kann beispielsweise ein Tiefsetzsteller sein, der in einer getakteten Art und Weise betrieben wird. Es kann jedoch jeder geeignete Gleichspannungswandler verwendet werden. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Spannung des Teilspannungsabschnitts 6 im vollgeladenen Zustand des Energiespeichers größer ist als die gewünschte Spannung des zweiten Spannungsabgriffs 7, sondern der Teilspannungsabschnitt 6 kann auch so ausgelegt sein, dass er im vollgeladenen Zustand die am zweiten Spannungsabgriff 7 gewünschte Spannung bereitstellt und der Gleichspannungswandler 8 entfällt. Der Zwischenabgriff 5 ist so gewählt, dass die Anzahl der Energiespeichereinheiten im Teilspannungsabschnitt 6 und die daraus resultierende Spannung den gewünschten Spannungsbereich am zweiten Spannungsabgriff 7 abdecken kann oder nur leicht übersteigt (z. B. 3 oder 4 Energiespeichereinheiten).
  • Wenn im Betrieb am ersten Spannungsabgriff 4 beispielsweise eine Spannung von 48 V abgegriffen wird und an dem zweiten Spannungsabgriff 7 eine Spannung von 12 V abgegriffen wird, dann werden die Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.4 stärker entladen als die restlichen Energiespeichereinheiten 1.5 bis 1.12. Die ungleiche Entladung führt zu Spannungsunterschieden in den Energiespeichereinheiten wodurch die Kapazität des Gesamtspeichers reduziert wird. Zusätzlich kann die dauerhaft stärkere Belastung der Energiespeichereinheiten 1.1 bis 1.4 zu einer geringeren Lebensdauer des Energiespeichers führen.
  • Daher ist ein Gleichspannungswandler 9 vorgesehen, dessen Eingangsseite zwischen den Zwischenabgriff 5 und dem äußeren Ende 3 der Serienschaltung 1 geschaltet ist. Ausgangsseitig ist der Gleichspannungswandler 9 zwischen den Zwischenabgriff 5 und das äußere Ende 2 der Serienschaltung 1 geschaltet. Über diesen Gleichspannungswandler 9 kann die eingangsseitige Spannung auf des Spannungsniveau des Teilspannungsabschnitts 6 umgewandelt werden, so dass dieser wahlweise und im Bedarfsfall zeitweise aufgeladen werden kann, um eine unterschiedliche Entladung zu kompensieren. Beispielsweise könnte das heißen, dass für die Versorgung/Stabilisierung des 12 V Bordnetzes ein Abgriff zwischen den Energiespeichereinheiten des 48 V Energiespeichers erfolgt.
  • 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 (5)

  1. Mehrspannungsbordnetz, mit einer Vielzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten (1.1–1.12), die in einer Serienschaltung (1) angeordnet sind, wobei ein Spannungspotential an den Enden (2, 3) der Serienschaltung von einem ersten Spannungsabgriff (4) abgreifbar ist; einem Zwischenabgriff (5), der in der Serienschaltung (1) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Energiespeichereinheiten (1.4, 1.5) angeordnet ist, wobei ein Abschnitt der Serienschaltung (1) zwischen einem Ende (2) der Serienschaltung (1) und dem Zwischenabgriff (5) einen Teilspannungsabschnitt (6) bildet, und einem zweiten Spannungsabgriff (7) über den ein Spannungsniveau des Teilspannungsabschnitts (6) abgreifbar ist, wobei der Teilspannungsabschnitt (6) wahlweise mit der restlichen Serienschaltung über einen Spannungswandler (9) verbindbar ist, um den Teilspannungsabschnitt (6) zu laden.
  2. Mehrspannungsbordnetz gemäß Anspruch 1, wobei zwischen dem Teilspannungsabschnitt (6) und dem zweiten Spannungsabgriff (7) ein Gleichspannungswandler (8) angeordnet ist.
  3. Mehrspannungsbordnetz gemäß Anspruch 2, wobei der Gleichspannungswandler (8) ein Tiefsetzsteller ist.
  4. Mehrspannungsbordnetz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Spannungsabgriff (7) in einer getakteten Weise mit dem Teilspannungsabschnitt (6) verbindbar ist.
  5. Fahrzeug mit einem Mehrspannungsbordnetz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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