DE102015219674A1 - Fahrzeugbordnetz - Google Patents

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Franz Pfeilschifter
Martin Brüll
Joris Fokkelman
Klaus Mühlbauer
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Continental Automotive GmbH
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Abstract

Offenbart wird ein Fahrzeugbordnetz (BZ), insb. eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, mit folgenden Merkmalen: – mindestens ein Wechselstromaggregat (WA); – mindestens ein Gleichstromaggregat (GA); – mindestens eine Brückenschaltung (BS) zum Bereitstellen von Wechselströmen für das mindestens eine Wechselstromaggregat (WA), die mindestens eine Halbbrücke (HB) mit mindestens einem positivspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS1) und mindestens einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS2) umfasst; und – mindestens einen Strompfad (SP), der einen Stromanschluss (SA) des mindestens einen Gleichstromaggregats (GA) mit einem Stromanschluss (AS) zwischen dem mindestens einen positivspannungsseitigen (HS1) und dem mindestens einen negativspannungsseitigen (HS2) Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke (HB) elektrisch verbindet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbordnetz, insbesondere eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs.
  • Stand der Technik
  • Mit der zunehmenden Anzahl von Funktionalitäten in den Fahrzeugen, insbesondere in den Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, hat sich in der Vergangenheit die Komplexität von Bordnetzen in Fahrzeugen, insbesondere in Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, deutlich erhöht. Insbesondere Hybridantriebe, Start-Stopp-Funktionen sowie Rekuperation von Bremsenergie und Segelbetrieb erfordern einen gezielt gesteuerten elektrischen Leistungsfluss innerhalb der Bordnetze. Auch weitere Funktionen wie Abgasnachbehandlungen mit elektrisch geheizten Katalysatoren, elektrischen Turboladern und elektrischen (Klima-)Kompressoren erfordern eine hohe elektrische Leistung, die ebenfalls eine präzise und aufwendige Ansteuerung des elektrischen Leistungsflusses erfordert.
  • Wie in allen technischen Systemen üblich, besteht auch für Fahrzeugbordnetze die allgemeine Anforderung, diese einfach, zuverlässig und kostengünstig zu bauen.
  • Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einfache, kostengünstige und dennoch zuverlässige Fahrzeugbordnetze bereitzustellen.
  • Beschreibung der Erfindung:
  • Diese Aufgabe wird durch Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass die elektrischen Systeme eines Fahrzeugs, insbesondere eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, mit verschiedenen Stromarten, sprich einem Wechselstrom oder einem Gleichstrom, betrieben werden. Abhängig von den Stromarten lassen sich die elektrischen Systeme eines Fahrzeugs in Wechsel-/Drehstromaggregaten und Gleichstromaggregaten unterteilen. Zu den Wechselstromaggregaten gehören beispielsweise elektrische Maschinen zum Antrieb des Fahrzeugs oder Riemenstartergeneratoren. Zu den Gleichstromaggregaten gehören beispielsweise elektrische Heizungen, elektrisch geheizte Katalysatoren, elektrische Turboladern oder elektrische Klimakompressoren. Zum Versorgen der Wechselstromaggregate mit elektrischer Leistung bedarf es Wechselrichter (Inverter), die aus von fahrzeuginternen elektrischen Energiespeichern bereitgestellten Gleichströmen Wechselströme erzeugen. Die Gleichstromaggregate werden direkt mit den von Energiespeichern bereitgestellten Gleichströmen bzw. bei Bedarf in anderen Spannungshöhen versorgt.
  • Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist dabei ein Fahrzeugbordnetz erforderlich, das mit wenigen einfachen Schaltungskomponenten die von den Energiespeichern bereitgestellten Gleichströme in einfacher Weise, kostengünstig und dennoch zuverlässig in Wechselströmen bzw. Gleichströmen in anderen Spannungshöhen zu invertieren bzw. zu konvertieren.
  • Basierend auf diesem Grundgedanke wird ein Fahrzeugbordnetz, insbesondere für ein Hybridelektro-/Elektrofahrzeug, bereitgestellt.
  • Das Fahrzeugbordnetz umfasst mindestens ein Wechsel-/Drehstromaggregat, der mit einem Wechsel-/Drehstrom betrieben wird. Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner mindestens ein Gleichstromaggregat, das entsprechend mit einem Gleichstrom betrieben wird. Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner mindestens eine Brückenschaltung, die eingerichtet ist, aus einem Gleichstrom Wechsel-/Drehströme (bspw. Phasenströme) für das mindestens eine Wechselstromaggregat bereitzustellen. Die mindestens eine Brückenschaltung umfasst mindestens eine Halbbrücke mit mindestens einem positivspannungsseitigen Halbleiterschalter und mindestens einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalter, wobei die beiden Halbleiterschalter in der mindestens einen Halbbrücke in Reihe geschaltet sind. Das Fahrzeugbordnetz umfasst ferner mindestens einen Strompfad, der einen Stromanschluss des mindestens einen Gleichstromaggregats mit einem Stromanschluss der Halbbrücke elektrisch verbindet, wobei der Stromanschluss der Halbbrücke sich zwischen dem mindestens einen positivspannungsseitigen und dem mindestens einen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter befindet bzw. den mindestens einen positivspannungsseitigen und den mindestens einen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter miteinander elektrisch verbindet.
  • Die mindestens eine Brückenschaltung mit der mindestens einen Halbbrücke bildet eine Leistungsendstufe für das Wechselstromaggregat und stellt dem Wechselstromaggregat Wechselströme bereit.
  • Der mindestens eine Strompfad, der das Gleichstromaggregat mit dem mindestens einen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke elektrisch verbindet, stellt dem Gleichstromwandler entsprechend Gleichströme bereit, die über den mindestens einen positivspannungsseitigen Halbleiterschalter zu dem mindestens einen Strompfad zugeführt werden.
  • Die mindestens eine Brückenschaltung und der mindestens eine Strompfad stellen als einfache, störungsresistente Schaltungskomponenten eine zuverlässige kostengünstige Lösung zum Bereitstellen von entsprechenden Wechsel- bzw. Gleichströmen für das mindestens eine Wechselstromaggregat und das mindestens eine Gleichstromaggregat.
  • Insbesondere bei einem Hybridelektro-/Elektrofahrzeug ist eine Brückenschaltung bereits als Bestandteil des Fahrzeugbordnetzes für eine elektrische Maschine. Damit kann das oben beschriebene Fahrzeugbordnetz bei einem Hybridelektro-/Elektrofahrzeug mit noch geringeren Aufwand und Kosten hergestellt werden.
  • Damit ist ein Fahrzeugbordnetz bereitgestellt, das einfach und kostengünstig ist und zudem Wechselstromaggregate und Gleichstromaggregate zuverlässig mit entsprechenden Wechselströmen bzw. Gleichströmen versorgen kann.
  • Vorzugsweise umfasst das Fahrzeugbordnetz ferner mindestens einen elektrisch steuerbaren Schalter, insbesondere in Form von mindestens einem Thyristor oder eines MOSFET’s (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), der in dem mindestens einen Strompfad in Reihe geschaltet ist und eingerichtet ist, in einem offenen Schaltzustand den Stromfluss von der Brückenschaltung über den mindestens einen Strompfad zu dem mindestens einen Gleichstromaggregat zu unterbinden und umgekehrt in einem geschlossenen Schaltzustand den Stromfluss zu ermöglichen.
  • Das Fahrzeugbordnetz umfasst vorzugsweise ferner mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, Strompfade. Die mindestens eine Brückenschaltung umfasst entsprechend mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, Halbbrücken mit jeweils mindestens einem positivspannungsseitigen Halbleiterschalter und jeweils mindestens einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalter.
  • Vorzugsweise verbinden die mindestens zwei bzw. mindestens drei Strompfade jeweils den Stromanschluss eines Gleichstromaggregats mit jeweils einem Stromanschluss zwischen dem mindestens einen positivspannungsseitigen und dem mindestens einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücken elektrisch.
  • Dabei weisen die mindestens zwei bzw. mindestens drei Strompfade vorzugsweise einen gemeinsamen Abschnitt auf, an dem ein gemeinsamer steuerbarer Schalter, insbesondere ein gemeinsamer Thyristor, in Reihe geschaltet ist.
  • Das Fahrzeugbordnetz umfasst vorzugsweise ferner mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, Gleichstromaggregate. Dabei verbinden die mindestens zwei bzw. mindestens drei Strompfade jeweils den jeweiligen Stromanschluss der mindestens zwei bzw. mindestens drei Gleichstromaggregate jeweils mit einem Stromanschluss zwischen dem mindestens einen positivspannungsseitigen und dem mindestens einen negativspannungsseitigen Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücken elektrisch.
  • Das mindestens eine Wechselstromaggregat umfasst vorzugweise eine elektrische Maschine, insbesondere einen Riemenstartergenerator.
  • Das mindestens eine Gleichstromaggregat umfasst vorzugweise eine elektrische Heizung, einen elektrisch geheizten Katalysator, einen elektrischen Turbolader und/oder einen elektrischen Klimakompressor.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 in einer schematischen Darstellung einen Schaltungsabschnitt eines Bordnetzes eines Hybridelektrofahrzeugs gemäße einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 in einer weiteren schematischen Darstellung einen Schaltungsabschnitt eines weiteren Bordnetzes eines Hybridelektrofahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Schaltungsabschnitt eines Bordnetzes BZ von einem Hybridelektrofahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Das Bordnetz BZ umfasst ein Wechselstromaggregat WA, das in dieser Ausführungsform als ein 48 Volt Riemenstartergenerator (RSG) ausgebildet ist.
  • Ferner umfasst das Bordnetz BZ drei Gleichstromaggregate GA, die jeweils als eine elektrische Heizung für einen elektrisch geheizten Katalysator zur Abgasnachbehandlung, ein elektrischer Klimakompressor und ein elektrischer Turbolader, ausgebildet sind.
  • Das Bordnetz BZ umfasst ferner einen elektrischen Energiespeicher ES zum Bereitstellen von elektrischer Energie für das Wechselstromaggregat WA und die drei Gleichstromaggregate GA.
  • Das Bordnetz BZ umfasst ferner eine Brückenschaltung BS, die drei Halbbrücken HB umfasst, die wiederum jeweils einen positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS1 und einen negativspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS2 umfassen. Dabei sind der positivspannungsseitige und der negativspannungsseitige Leistungshalbleiterschalter HS1, HS2 jeder einzelnen Halbbrücke HB zueinander in Reihe geschaltet. Die drei Halbbrücker HB sind über jeweils eine Phasenstromleitung PL mit einer der drei Starterphasen des Wechselstromaggregats WA elektrisch leitend verbunden. Dabei sind die drei Phasenstromleitung PL jeweils über einen elektrischen Anschluss AS an den jeweiligen Halbbrücken HS elektrisch angeschlossen, der den positivspannungsseitigen und den negativspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS1, HS2 der jeweiligen Halbbrücken HB miteinander elektrisch verbinden.
  • Das Bordnetz BZ umfasst ferner einen Zwischenkreiskondensator ZK, der zwischen dem elektrischen Energiespeicher ES und der Brückenschaltung BS parallel geschaltet ist und eingerichtet ist, die Spannungsschwankungen zwischen dem Energiespeicher ES und der Brückenschaltung BS zu kompensieren.
  • Das Bordnetz BZ umfasst ferner drei Strompfade SP, die den jeweiligen Anschlusspunkt AS der jeweiligen Halbbrücken mit einem Stromanschluss SA der jeweiligen Gleichstromaggregate GA elektrisch verbinden. In den jeweiligen Strompfaden SP ist jeweils ein Thyristor TH elektrisch angeschlossen, wobei die drei Thyristoren TH über ihren jeweiligen Kathodenanschluss dem jeweiligen korrespondierenden Gleichstromaggregat GA weisen.
  • Bei dem in 1 dargestellten Bordnetz BZ ist somit an jeder der drei Halbbrücken HB jeweils ein Gleichstromaggregat GA über jeweils einen Strompfad SP elektrisch angeschlossen.
  • Die Funktionsweise des in 1 dargestellten Bordnetzes BZ wird nachfolgend detailliert beschrieben:
    Zum Betrieb des Wechselstromaggregats WA wird die Brückenschaltung BS bzw. die sechs Leistungshalbleiterschalter HS1, HS2 in der Brückenschaltung BS mittels pulsweitenmodulierten Steuersignalen in einer dem Fachmann bekannten Weise angesteuert, die daraufhin aus einem von dem Energiespeicher ES bereitgestellten Gleichstrom einen Wechsel-/Drehstrom bzw. drei Phasenströme für den Wechselstromaggregat WA bereitstellen.
  • Zum Betrieb der Gleichstromaggregate GA werden die positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS1 der korrespondierenden Halbbrücken HB durchgehend eingeschaltet und die entsprechenden negativspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS2 der gleichen Halbbrücken HB durchgehend ausgeschaltet. Zugleich werden die Thyristoren TH der korrespondierenden Strompfade SP eingeschaltet. Dadurch wird der Gleichstrom von dem Energiespeicher ES über die eingeschalteten, positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS1 der entsprechenden Halbbrücken HB und die Thyristoren TH der entsprechenden Strompfade SP zu den zu betreibenden Gleichstromaggregaten GA geleitet. Die Regelung der elektrischen Leistung für die zu betreibenden Gleichstromaggregate GA erfolgt durch die entsprechende Ansteuerung der korrespondierenden positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS1 bzw. der Thyristoren TH der korrespondierenden Strompfade SP.
  • Die drei Gleichstromaggregate GA und der Wechselstromaggregat WA können auch parallel betrieben werden. Die Aufteilung der von dem Energiespeicher ES bereitgestellten elektrischen Leistung unter den Gleichspannungsaggregaten GA und dem Wechselstromaggregat WA erfolgt bspw. über eine Art Schwingungspaketsteuerung, wobei ganze, modulierte Spannungssinushalbwellen über die entsprechenden positivspannungsseitigen Halbleiterschalter HS1 an die korrespondierenden Strompfade SP durchgeschaltet werden. Die Spannungssinushalbwellen können dann mittels geeigneten Schaltungskomponenten in den Gleichstromaggregaten GA, wie z. B. einer Spule oder eines Tiefpassfilters, in einer Gleichspannung mit einer gewünschten Spannungshöhe umgewandelt werden.
  • Reicht die von dem Energiespeicher ES bereitgestellte elektrische Leistung zum Betrieb aller Wechsel- und Gleichstromaggregate GA, WA nicht aus, so kann eine Priorität gesetzt werden, nach der dann ein oder andere Wechsel- und Gleichstromaggregate GA, WA ggfs. mit reduzierter Leistung betrieben werden.
  • Bspw. bei einem Kaltstart des Hybridelektrofahrzeugs, bei dem das als Riemenstartergenerator ausgebildete Wechselstromaggregat WA und das als elektrischer Klimakompressor ausgebildete Gleichstromaggregat GA vorrangig mit ausreichenden elektrischen Leistungen versorgt werden müssen, kann das als elektrischer Klimakompressor ausgebildete Gleichstromaggregat GA mit einer reduzierten Leistung betrieben werden.
  • In 2 ist eine weitere Ausführungsform des Bordnetzes BZ dargestellt, bei dem ein einziges Gleichstromaggregat GA über drei Strompfade SP an allen drei Halbbrücken HB der Brückenschaltung BS bzw. an den jeweiligen Anschlüssen AS der drei Halbbrücken HB elektrisch angeschlossen ist.
  • Die drei Strompfade SP weisen einen gemeinsamen Leitungsabschnitt LA auf, über den alle drei Strompfade SP mit dem einzigen Gleichstromaggregat GA bzw. dessen Stromanschluss SA elektrisch verbunden sind.
  • Das Bordnetz BZ in 2 weist ferner einen einzigen Thyristor TH auf, der an dem gemeinsamen Leitungsabschnitt LA der drei Strompfade SP elektrisch angeschlossen ist.
  • Das Gleichstromaggregat GA werden über die drei positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalter HS1 mit Strom versorgt. Dadurch kann das Gleichstromaggregat GA mit einer elektrischen Leistung betrieben werden, die über eine maximal zulässige Leistung hinausgeht, welche ein einzelner positivspannungsseitiger Leistungshalbleiterschalter HS1 meistern bzw. durchleiten kann.
  • Bei dem in 2 dargestellten Bordnetz BZ ist somit ein einziger Gleichstromaggregat GA über drei Strompfade SP an allen drei Halbbrücken HB der Brückenschaltung BS elektrisch angeschlossen.
  • Gemäß einer weiteren, nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform kann das Bordnetz zwei oder mehr Gleichstromaggregate und eine entspreche Anzahl von Strompfaden umfassen. Dabei sind die Strompfaden an einer und derselben Halbbrücke angeschlossen und verbinden den positivspannungsseitigen Halbleiterschalter dieser Halbbrücke mit jeweils einem von zwei oder mehr Gleichstromaggregaten bzw. deren jeweiligen Stromanschluss elektrisch.
  • Eine Kombination der drei oben beschriebenen Ausführungsformen ist auch möglich, wobei das Bordnetz eine Mehrzahl von Gleichstromaggregaten umfasst, wobei zumindest ein Gleichstromaggregat über einen Strompfad an nur einer Halbbrücke elektrisch verbunden ist (eine so genannte „1 zu 1 Verbindung“), zwei oder mehr Gleichstromaggregate über einen gemeinsamen Strompfad an nur einer Halbbrücke elektrisch verbunden sind (eine so genannte „N zu 1 Verbindung“), bzw. ein Gleichstromaggregat über mehrere Strompfade an mehreren Halbbrücken verbunden sind (eine so genannte „1 zu N Verbindung“). Dabei kann eine Halbbrücke bzw. ein positivspannungsseitiger Halbleiterschalter einer Halbbrücke über mehrere Strompfade mit mehreren Gleichstromaggregaten elektrisch verbunden sein. Umgekehrt kann ein Gleichstromaggregat über mehrere Strompfade an mehreren Halbbrücken elektrisch verbunden sein.
  • Anstelle der Thyristoren können auch weich schaltende MOSFET’s in den Strompfaden elektrisch angeschlossen werden.
  • Da die Auswahlstufe, die zur Aufteilung der elektrischen Leistung zwischen den drei Gleichstromaggregaten GA und dem Wechselstromaggregat WA dient, im Grunde genommen nur aus positivspannungsseitigen Leistungshalbleiterschalterm HS1 und Thyristoren TH bestehen, weist die Auswahlstufe entsprechend geringe Verlustleitung auf.

Claims (8)

  1. Fahrzeugbordnetz (BZ), insb. eines Hybridelektro-/Elektrofahrzeugs, mit folgenden Merkmalen: – mindestens ein Wechselstromaggregat (WA); – mindestens ein Gleichstromaggregat (GA); – mindestens eine Brückenschaltung (BS) zum Bereitstellen von Wechselströmen für das mindestens eine Wechselstromaggregat (WA), die mindestens eine Halbbrücke (HB) mit mindestens einem positivspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS1) und mindestens einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS2) umfasst; und – mindestens einen Strompfad (SP), der einen Stromanschluss (SA) des mindestens einen Gleichstromaggregats (GA) mit einem Stromanschluss (AS) zwischen dem mindestens einen positivspannungsseitigen (HS1) und dem mindestens einen negativspannungsseitigen (HS2) Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke (HB) elektrisch verbindet.
  2. Fahrzeugbordnetz (BZ) nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens einen elektrisch steuerbaren Schalter (TH), insb. mindestens einen Thyristor, der in dem mindestens einen Strompfad (SP) in Reihe geschaltet ist.
  3. Fahrzeugbordnetz (BZ) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: – mindestens zwei, insb. mindestens drei, Strompfade (SP); – wobei die mindestens eine Brückenschaltung (BS) mindestens zwei, insb. mindestens drei, Halbbrücken (HB) mit jeweils mindestens einem positivspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS1) und jeweils mindestens einem negativspannungsseitigen Halbleiterschalter (HS2) umfasst.
  4. Fahrzeugbordnetz (BZ) nach Anspruch 3, wobei jede der mindestens zwei Strompfade (SP) den Stromanschluss (SA) des mindestens einen Gleichstromaggregats (GA) jeweils mit einem Stromanschluss (AS) zwischen dem mindestens einen positivspannungsseitigen (HS1) und dem mindestens einen negativspannungsseitigen (HS2) Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücken (HB) elektrisch verbinden.
  5. Fahrzeugbordnetz (BZ) nach Anspruch 4, wobei die mindestens zwei Strompfade (SP) einen gemeinsamen Abschnitt (AB) aufweisen, in dem ein gemeinsamer steuerbarer Schalter (ST2), insb. ein gemeinsamer Thyristor, in Reihe geschaltet ist.
  6. Fahrzeugbordnetz (BZ) nach Anspruch 3, ferner umfassend: – mindestens zwei, insb. mindestens drei, Gleichstromaggregate (GA); – wobei jeder der mindestens zwei, insb. mindestens drei, Strompfade (SP) den jeweiligen Stromanschluss (SA) der mindestens zwei, insb. mindestens drei, Gleichstromaggregate (GA) jeweils mit einem Stromanschluss (AS) zwischen dem mindestens einen positivspannungsseitigen (HS1) und dem mindestens einen negativspannungsseitigen (HS2) Halbleiterschalter der jeweiligen Halbbrücken (HB) elektrisch verbindet.
  7. Fahrzeugbordnetz (BZ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Wechselstromaggregat (WA) eine elektrische Maschine, insb. einen Riemenstartergenerator, umfasst.
  8. Fahrzeugbordnetz (BZ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Gleichstromaggregat (GA) vorzugweise eine elektrische Heizung, einen elektrisch geheizten Katalysator, einen elektrischen Turbolader und/oder einen elektrischen Klimakompressor umfasst.
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