DE102016002459A1

DE102016002459A1 - Elektrische Anlage für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016002459A1
Application number: DE102016002459.3A
Authority: DE
Inventors: Urs Boehme; Roman Friedel; Christian Ohms
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage (10, 40) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Ladeanschlusseinheit (12) zum elektrischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle (14, 16), einer bidirektional betreibbaren galvanischen Trenneinheit (18), die einen ladeseitigen und einen bordnetzseitigen Anschluss (20, 22) aufweist, und einem ersten Hochvolt-Bordnetz (24), welches am bordnetzseitigen Anschluss (22) der galvanischen Trenneinheit (18) angeschlossen ist, wobei der ladeseitige Anschluss (20) der galvanischen Trenneinheit (18) mit der Ladeanschlusseinheit (12) elektrisch gekoppelt ist, wobei ein zweites Hochvolt-Bordnetz (26) vorgesehen ist, welches gegenüber dem ersten Hochvolt-Bordnetz (24) elektrisch isoliert und am ladeseitigen Anschluss (20) der galvanischen Trenneinheit (18) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer Ladeanschlusseinheit zum elektrischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, einer bidirektional betreibbaren galvanischen Trenneinheit, die einen ladeseitigen und einen bordnetzseitigen Anschluss aufweist, und einem ersten Hochvolt-Bordnetz, welches am bordnetzseitigen Anschluss der galvanischen Trenneinheit angeschlossen ist, wobei der ladeseitige Anschluss der galvanischen Trenneinheit mit der Ladeanschlusseinheit elektrisch gekoppelt ist.
Elektrische Anlagen sowie elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge sind dem Grunde nach dem Stand der Technik bekannt, so dass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist ein Kraftfahrzeug, welches zur Durchführung eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs eine elektrische Antriebseinheit aufweist, die an die elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Die elektrische Anlage weist in der Regel wenigstens einen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise in Form eines Akkumulators, insbesondere einer Hochvolt-Batterie auf, der zumeist Bestandteil des ersten Hochvolt-Bordnetzes ist. Mittels der elektrischen Anlage, insbesondere des ersten Hochvolt-Bordnetzes, wird die Antriebseinheit im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie versorgt. Dabei kann eine Energieversorgung dahingehend erfolgen, dass die elektrische Anlage der Antriebseinheit elektrische Energie bereitstellt, um eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs beispielsweise zu erhöhen oder auch zu erhalten. Zum Reduzieren der Fahrzeuggeschwindigkeit kann eine Rückspeisung oder auch Rekuperation dahingehend vorgesehen sein, dass die Antriebseinheit Bewegungsenergie aus der Bewegung des Kraftfahrzeugs aufnimmt und diese in elektrische Energie umgewandelt der elektrischen Anlage bereitstellt. Die elektrische Anlage, insbesondere das erste Hochvolt-Bordnetz kann die bereitgestellte elektrische Energie im elektrischen Energiespeicher speichern.
Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, welches ausschließlich eine elektrische Antriebseinheit für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb aufweist, ist ein Elektrofahrzeug. Ist das Kraftfahrzeug darüber hinaus mit einer Verbrennungskraftmaschine ausgerüstet, die ebenso für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb genutzt werden kann, handelt es sich dabei um ein Hybridfahrzeug.
Die elektrische Anlage weist die Ladeanschlusseinheit zum elektrischen Koppeln der kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, beispielsweise dem öffentlichen Energieversorgungsnetz oder dergleichen auf. Die Ladeanschlusseinheit kann zu diesem Zweck eine Steckverbindung umfassen, mittels der eine elektromechanische Kopplung mit der elektrischen Energiequelle hergestellt werden kann. Beispielsweise kann dazu vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug im Bereich einer Ladesäule abgestellt wird und das öffentliche Energieversorgungsnetz über ein Versorgungskabel mittels eines Steckverbinders mechanisch an die Ladeanschlusseinheit der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen wird. Dadurch kann der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs elektrische Energie der elektrischen Energiequelle zugeführt werden. Die kraftfahrzeugexterne elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine, vorzugsweise einstellbare, elektrische Gleichspannung, eine ein- oder mehrphasige elektrische Wechselspannung bereitstellen.
Die elektrische Anlage umfasst ferner das erste Hochvolt-Bordnetz, welches in der Regel den elektrischen Energiespeicher aufweist, der vom ersten Hochvolt-Bordnetz umfasst ist. Der elektrische Energiespeicher ist zumeist durch eine Hochvolt-Batterie gebildet. Da in der Regel die über die Ladeanschlusseinheit dem ersten Hochvolt-Bordnetz bereitgestellte elektrische Spannung von der des ersten Hochvolt-Bordnetzes abweicht, umfasst die elektrische Anlage ferner die galvanische Trenneinheit, mittels der eine galvanische Trennung vorgenommen werden kann. Darüber hinaus kann mit der galvanischen Trenneinheit auch eine Spannungsanpassung der von der Ladeanschlusseinheit bereitgestellten elektrischen Spannung vorgenommen werden. Das Hochvolt-Bordnetz ist üblicherweise durch eine Gleichspannung bestimmt. Mittels der galvanischen Trenneinheit kann, sofern erforderlich, eine Anpassung zwischen einer an der Ladeanschlusseinheit bereitgestellten Gleichspannung und der Gleichspannung des Hochvolt-Bordnetzes erreicht werden. Zu diesem Zweck kann die galvanische Trenneinheit einen DC/DC-Wandler umfassen.
Hochvolt im Sinne der vorliegenden Erfindung meint eine elektrische Gleichspannung, wie sie in der Niederspannungsrichtlinie der Europäischen Union, Richtlinie 2014/35/EU angegeben ist. Danach umfasst die Gleichspannung des ersten Hochvolt-Bordnetzes einen Bereich von 60 V bis 1500 V. Heutige elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge weisen für diesen Zweck üblicherweise eine Gleichspannung in einem Bereich von 100 V bis etwa 500 V auf.
Die elektrische Hochvoltbatterie, die vorzugsweise durch einen elektrischen Akkumulator, beispielsweise einen Lithium-Ionen-Akkumulator oder dergleichen gebildet ist, ist über einen Gleichspannungszwischenkreis der elektrischen Anlage mit dem Antriebseinheitsanschluss elektrisch gekoppelt. Dadurch ist bei angeschlossener Antriebseinheit die Hochvoltbatterie auch mit der Antriebseinheit elektrisch gekoppelt. Die Hochvoltbatterie kann eine Mehrzahl von galvanischen Zellen aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, um eine gewünschte Bemessungsspannung erreichen zu können. Die Bemessungsspannung kann beispielsweise eine maximal auftretende elektrische Spannung in einem Spannungsbereich von 90 V bis 750 V sein. Insbesondere kann der Spannungsbereich etwa 90 V bis etwa 190 V, etwa 170 V bis etwa 340 V, etwa 250 V bis etwa 450 V, oder auch vorzugsweise 520 V bis 750 V betragen. Die Bemessungsspannung der Hochvoltbatterie kann beispielsweise auch einer maximalen oberen Toleranz einer Nennspannung der Hochvoltbatterie entsprechen. Die Nennspannung ist vorzugsweise ein vom Hersteller der Hochvoltbatterie spezifizierter Wert der elektrischen Spannung, die einen dauerhaften bestimmungsgemäßen Betrieb der Hochvoltbatterie ermöglicht. Im Unterschied zur Nennspannung ist die Bemessungsspannung häufig ein Wert, der mit einer oberen Toleranzgrenze der Nennspannung zusammenfällt. Für diesen Spannungswert ist die Hochvoltbatterie insgesamt ausgelegt. Darüber hinaus kann die Hochvoltbatterie natürlich auch ergänzend parallelgeschaltete galvanische Zellen, insbesondere eine Matrixschaltung von galvanischen Zellen, oder dergleichen aufweisen, um Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Leistung und der Stromstärke besser genügen zu können.
Die galvanische Trenneinheit ist vorzugsweise dazu ausgelegt bidirektional betrieben zu werden. Dadurch ist es möglich, einerseits dem ersten Hochvolt-Bordnetz elektrische Energie zuzuführen, und zwar aus der elektrischen Energiequelle, und andererseits in entgegengesetzter Richtung auch wieder elektrische Energie von dem ersten Hochvolt-Bordnetz zur elektrischen Energiequelle zurückzuspeisen.
Ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, welches sowohl elektrisch als auch mittels einer Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist, oder dergleichen. Ein Antriebseinheitsanschluss der elektrischen Anlage dient zum Anschließen der Antriebseinheit, mittels der das elektrisch antreibbare Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb betrieben werden kann. Zu diesem Zweck umfasst die Antriebseinheit in der Regel eine über einen getakteten Energiewandler wie einem Wechselrichter angeschlossene rotierende elektrische Maschine. Die rotierende elektrische Maschine kann eine Gleichspannungsmaschine, eine Wechselspannungsmaschine, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannungsmaschine oder dergleichen sein. Insbesondere eignen sich als rotierende elektrische Maschinen Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen oder dergleichen. Der getaktete Energiewandler ist entsprechend der rotierenden elektrischen Maschine ausgebildet, sodass ein bestimmungsgemäßer Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs erreicht werden kann. Ist eine Gleichspannungsmaschine vorgesehen, kann der getaktete Energiewandler durch einen DC/DC-Wandler gebildet sein. Alternativ besteht natürlich die Möglichkeit, einen Wechselrichter so zu ergänzen, dass er eine Gleichspannungswandlung vornehmen kann. Der Antriebseinheitsanschluss kann durch ein Klemmenpaar gebildet sein, an dem die Antriebseinheit elektrisch angeschlossen ist. Alternativ kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Antriebseinheit insgesamt von der elektrischen Anlage mit umfasst ist.
Obwohl sich die elektrische Anlage des Stands der Technik bewährt hat, besteht Verbesserungsbedarf. So wäre es wünschenswert, die Leistungsfähigkeit und Dynamik des elektrisch antreibbaren Fahrzeugs weiter zu verbessern. Die bestehenden Systeme sind jedoch auf den vorgenannten Spannungsbereich begrenzt, so dass zur Leistungserhöhung nur höhere Ströme und damit höhere Kabelquerschnitte zu realisieren wären. Dies ist nicht nur teuer und aufwendig, sondern führt darüber hinaus auch zu einem deutlich höheren Gewicht des Kraftfahrzeugs. Die Alternative, die Spannung des ersten Hochvolt-Bordnetzes zu erhöhen, weist dagegen den Nachteil auf, dass in dem Fall sämtliche Komponenten des ersten Hochvolt-Bordnetzes, insbesondere auch die Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs, für die hohe Gleichspannung ausgelegt sein müsste. Dies erfordert einen erheblichen Forschungs- und Konstruktionsaufwand.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine bestehende elektrische Anlage hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit zu verbessern, wobei weitgehend vorhandene Betriebsmittel der elektrischen Anlage weitgehend weiter genutzt werden können sollen.
Als Lösung wird mit der Erfindung eine elektrische Anlage gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich anhand von Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird bei einer gattungsgemäßen elektrischen Anlage insbesondere vorgeschlagen, dass die elektrische Anlage ein zweites Hochvolt-Bordnetz aufweist, welches gegenüber dem ersten Hochvolt-Bordnetz elektrisch isoliert und am ladeseitigen Anschluss der galvanischen Trenneinheit angeschlossen ist.
Hierdurch wird erreicht, dass einerseits die bestehende elektrische Anlage des Stands der Technik hinsichtlich des Kraftfahrzeugs weiter benutzt werden kann und andererseits eine Ergänzung durch das zweite Hochvolt-Bordnetz erreicht werden kann, welches die Leistungsfähigkeit der elektrischen Anlage insgesamt erhöht. Besonders vorteilhaft erweist es sich, dass durch das Vorhandensein der bidirektional betreibbaren galvanischen Trenneinheit eine einfache Kopplungsmöglichkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Bordnetz erreicht werden kann. Durch die galvanische Trennung und die Isolation der beiden Hochvolt-Bordnetze untereinander kann erreicht werden, dass die Gleichspannungen der beiden Hochvolt-Bordnetze nahezu unabhängig voneinander gewählt beziehungsweise eingestellt werden können. So kann vorgesehen sein, dass die Gleichspannung des zweiten Hochvolt-Bordnetzes in einem Bereich von etwa 400 V bis etwa 1500 V, insbesondere in einem Bereich von etwa 500 V bis etwa 1000 V, vorzugsweise etwa 800 V, gewählt werden kann. Dadurch kann die Leistungsfähigkeit der elektrischen Anlage insgesamt deutlich erhöht werden, wobei zugleich eine Strombelastbarkeit geringgehalten werden kann. Dadurch kann auch das zusätzlich erforderliche Gewicht entsprechend geringgehalten werden. Das zweite Hochvolt-Bordnetz umfasst vorzugsweise auch eine zweite Hochvolt-Batterie, die für die elektrische Gleichspannung des zweiten Hochvolt-Bordnetzes ausgelegt ist oder diese bestimmt. Die erforderliche Spannungsanpassung erfolgt mittels der galvanischen Trenneinheit, die zugleich eine Gleichspannungswandlung vornimmt. Zu diesem Zweck kann die galvanische Trenneinheit vorzugsweise einen DC/DC-Wandler aufweisen. Dieser ist ebenfalls insbesondere bidirektional betreibbar, so dass eine Gleichspannungswandlung unabhängig von der Richtung des Energieflusses ermöglicht ist. Dies ermöglicht es, elektrische Energie zwischen den beiden Hochvolt-Bordnetzen in nahezu beliebiger Weise austauschen zu können.
Ist die Ladeanschlusseinheit lediglich für einen Anschluss an eine Gleichspannungsquelle ausgelegt, so kann vorgesehen sein, dass die Gleichspannung der kraftfahrzeugexternen Energiequelle an die Gleichspannung des zweiten Hochvolt-Bordnetzes angepasst gewählt ist. Die Ladeanschlusseinheit ist in diesem Fall unmittelbar an das zweite Hochvolt-Bordnetz angeschlossen. Weicht die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle von der Gleichspannung des zweiten Hochvolt-Bordnetzes ab, kann eine entsprechende Spannungswandlung, beispielsweise mittels eines weiteren DC/DC-Wandlers vorgesehen sein. In diesem Fall wäre die elektrische Anlage dahingehend zu ergänzen, dass zwischen dem ladeseitigen Anschluss der Trenneinheit und der Ladeanschlusseinheit ein entsprechender Spannungswandler zwischengeschaltet ist.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass während eines Anschlusses an die kraftfahrzeugexterne Energiequelle, zum Beispiel während des Ladebetriebs beziehungsweise Entladebetriebs, das zweite Hochvolt-Bordnetz von der galvanischen Trenneinrichtung mittels eines elektromechanischen Schaltelements getrennt wird. In diesem Fall brauchen die Gleichspannungen der Gleichspannungsquelle und des zweiten Hochvolt-Bordnetzes nicht übereinzustimmen.
Ist hingegen die elektrische Energiequelle durch eine Wechselspannungsquelle gebildet, ist vorzugsweise eine PFC(power factor correction)-Einheit vorgesehen, die dem Korrigieren eines Leistungsfaktors dient. Die PFC-Einheit weist einen ersten und einen zweiten Anschluss auf. Mit dem ersten Anschluss der PFC-Einheit ist diese an den ladeseitigen Anschluss der galvanischen Trenneinheit angeschlossen. Der zweite Anschluss der PFC-Einheit ist mit der Ladeanschlusseinheit elektrisch gekoppelt, so dass die galvanische Trenneinheit über die PFC-Einheit mit der Ladeanschlusseinheit weiterhin elektrisch gekoppelt ist. Der Energieaustausch zwischen der Ladeanschlusseinheit und den beiden Hochvolt-Bordnetzen erfolgt somit über die PFC-Einheit. Falls erforderlich, kann die PFC-Einheit auch dazu ausgerüstet sein, eine Spannungsanpassung vorzunehmen, so dass eine unmittelbare Kopplung mit dem zweiten Hochvolt-Bordnetz auch dann ermöglicht ist, wenn eine Anpassung der elektrischen Spannung durch Wandeln erforderlich ist. Zu diesem Zweck kann die PFC-Einheit einen eigenen Spannungswandler, beispielsweise einen DC/DC-Wandler umfassen. Die PFC-Einheit kann je nach Art der elektrischen Energiequelle für einen einphasigen oder auch mehrphasigen Wechselspannungsbetrieb ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft eignet sich die Nutzung eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes, wie es durch das öffentliche Energieversorgungsnetz bereitgestellt ist. Dadurch können große Leistungen bereitgestellt werden. Ladezeiten können dadurch geringgehalten werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die PFC-Einheit ermittelt, um welche Art der elektrischen Energiequelle es sich handelt und eine entsprechende Anpassung automatisch vornimmt. Dadurch kann zum Beispiel erreicht werden, dass die PFC-Einheit sowohl für einphasigen als auch für mehrphasigen Wechselspannungsbetrieb ausgebildet ist. Je nach angeschlossener Energiequelle stellt sich die PFC-Einheit automatisch entsprechend ein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrische Anlage eine Filtereinheit aufweist, die mit einem ersten Filteranschluss an die Ladeanschlusseinheit angeschlossen ist und die mit einem zweiten Filteranschluss den ladeseitigen Anschluss der galvanischen Trenneinheit elektrisch koppelt. Die Filtereinheit ist mit ihrem ersten Filteranschluss vorzugsweise unmittelbar an die Ladeanschlusseinheit angeschlossen. Die Filtereinheit kann erreichen, dass Anforderungen hinsichtlich Netzrückwirkung und/oder elektromagnetischer Verträglichkeit eingehalten werden können. Die Filtereinheit kann sowohl bei Gleichspannungsbetrieb als auch bei Wechselspannungsbetrieb vorgesehen sein. Sie ist vorzugsweise entsprechend ausgebildet. Beispielsweise kann die Filtereinheit mit ihrem zweiten Filteranschluss unmittelbar an den ladeseitigen Anschluss der galvanischen Trenneinheit angeschlossen sein, nämlich wenn die elektrische Anlage keine PFC-Einheit umfasst. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die elektrische Energiequelle eine Gleichspannungsquelle ist. Ist hingegen die elektrische Energiequelle eine Wechselspannungsquelle, kann der zweite Anschluss der PFC-Einheit unmittelbar an den zweiten Filteranschluss der Filtereinheit angeschlossen sein. Hierdurch kann nicht nur die Einhaltung von Anforderungen hinsichtlich Netzrückwirkungen und elektromagnetischer Verträglichkeit erreicht werden, sondern es kann darüber hinaus auch erreicht werden, dass die PFC-Einheit, wenn sie einen Spannungswandler umfasst, Eigenschaften der Filtereinheit nutzt, um eine Spannungswandlung realisieren zu können. Beispielsweise können zu diesem Zweck Induktivitäten und/oder Kapazitäten der Filtereinheit genutzt werden. Dadurch kann eine weitere Optimierung hinsichtlich der elektrischen Anlage erreicht werden.
Insgesamt ermöglicht es die Erfindung sowie auch ihre vor beschriebenen Ausgestaltungen, dass mit geringem Aufwand die Leistungsfähigkeit der elektrischen Anlage erheblich verbessert werden kann. Dies wird insbesondere durch das zweite Hochvolt-Bordnetz erreicht, welches elektrisch isoliert ergänzend angeordnet sein kann, so dass es dem Grunde nach auf einfache Weise in bestehende Konzepte für elektrische Anlagen integriert werden kann. Das zweite Hochvolt-Bordnetz braucht nämlich lediglich am ladeseitigen Anschluss der galvanischen Trenneinheit angeschlossen zu sein.
Während des Fahrbetriebs beziehungsweise außerhalb der elektrischen Kopplung mit einer kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle kann ein Energieaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Bordnetz einzig über die ohnedies vorhandene galvanische Trenneinheit erfolgen. So ist es möglich, dass während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs elektrische Energie vom zweiten Hochvolt-Bordnetz zum ersten Hochvolt-Bordnetz überführt wird. Dies erlaubt es, eine Hochvolt-Batterie des ersten Hochvolt-Bordnetzes kleiner auszugestalten als es bei gewöhnlichen elektrischen Anlagen der Fall ist, weil nämlich eine ergänzende Kapazität durch die Hochvolt-Batterie des zweiten Hochvolt-Bordnetzes bereitgestellt werden kann. Hierdurch ergeben sich bezüglich des ersten Hochvolt-Bordnetzes Einsparungsmöglichkeiten. Zugleich oder alternativ besteht die Möglichkeit, insgesamt die Leistung der elektrischen Anlage zu erhöhen, so dass auch eine Fahrdynamik des Kraftfahrzeugs verbessert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 in einer schematischen Prinzipschaltbilddarstellung eine erste Ausgestaltung einer elektrischen Anlage gemäß der Erfindung;
2 in einer schematischen Prinzipschaltbilddarstellung einen Energiefluss während eines Ladevorgangs der elektrischen Anlage gemäß 1;
3 in einer schematischen Schaltbilddarstellung einen Energiefluss in der elektrischen Anlage gemäß 1 außerhalb eines Ladebetriebs und
4 in schematischer Schaltbilddarstellung eine zweite Ausgestaltung einer elektrischen Anlage gemäß der Erfindung, die während des Ladebetriebs sowohl mit Gleichspannung als auch mit Wechselspannung einer externen Energiequelle betrieben werden kann.
1 zeigt in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung eine elektrische Anlage 10 gemäß der Erfindung eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Die elektrische Anlage 10 umfasst eine Ladeanschlusseinheit 12, die zum elektrischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle 14 dient. Die Ladeanschlusseinheit 12 ist vorliegend durch einen Steckverbinder gebildet, der zum Zwecke der elektrischen Kopplung mit einem entsprechend ausgebildeten Steckverbinder der elektrischen Energiequelle 14 gekoppelt ist. Vorliegend ist in 1 der angeschlossene Zustand an eine Ladesäule dargestellt, die die kraftfahrzeugexterne elektrische Energiequelle 14 bildet. Die Ladesäule 14 stellt eine dreiphasige Wechselspannung bereit, so dass entsprechende Leitungen von der Ladesäule 14 zur Ladeanschlusseinheit 12 geführt sind. Das Kraftfahrzeug selbst, dessen elektrische Anlage 10 in 1 dargestellt ist, ist in den Fign. nicht weiter dargestellt.
Die Ladeanschlusseinheit 12 ist in entsprechender Weise an einen ersten Filteranschluss 36 einer Filtereinheit 34 angeschlossen. Die Filtereinheit 34 umfasst eine elektronische Schaltung, die der Reduzierung von Netzrückwirkungen und zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit dient. Insbesondere dient sie der Reduzierung von Funkstörungen.
Die Filtereinheit 34 ist mit einem zweiten Filteranschluss 38 an einen zweiten Anschluss 32 einer PFC-Einheit 28 angeschlossen. Die PFC-Einheit 28 dient dem Korrigieren eines Leistungsfaktors, so dass Netzrückwirkungen am Ladeanschluss 12 weiter reduziert werden können. Das Akronym PFC steht vorliegend für Power Factor Correction.
Die elektrische Anlage 10 umfasst ferner ein erstes Hochvolt-Bordnetz 24, welches neben weiteren Einheiten eine Hochvolt-Batterie U_Batt1 umfasst. Das erste Hochvolt-Bordnetz 24 ist an einen bordnetzseitigen Anschluss 22 einer galvanischen Trenneinheit 18 angeschlossen. Ein ladeseitiger Anschluss 20 der galvanischen Trenneinheit 18 ist mit einem ersten Anschluss 30 der PFC-Einheit 28 elektrisch verbunden.
An den ladeseitigen Anschluss 20 der galvanischen Trenneinheit 18 ist ferner ein zweites Hochvolt-Bordnetz 26 angeschlossen, welches eine Hochvolt-Batterie U_Batt2 umfasst.
Bei dem vorliegenden Betrieb der elektrischen Anlage 10 an der Ladesäule 14 wird die von der Ladesäule 14 bereitgestellte elektrische Spannung mittels der Filtereinheit 34 gefiltert und mittels der PFC-Einheit 28 gleichgerichtet, wobei die PFC-Einheit 28 zugleich auch eine Spannungswandlung vornimmt, so dass ein unmittelbarer Anschluss an das zweite Hochvolt-Bordnetz 26 ermöglicht ist. Zu diesem Zweck ist vorliegend vorgesehen, dass die PFC-Einheit 28 entsprechend steuerbar ausgebildet ist. Vorliegend ist ferner vorgesehen, dass die PFC-Einheit 28 lediglich eine Erhöhung der durch die Ladesäule 14 bereitgestellten Spannung vornehmen kann. Eine Reduzierung dieser Spannung ist vorliegend nicht vorgesehen. Grundsätzlich kann jedoch auch eine entsprechende Konstruktion der PFC-Einheit 28 vorgesehen sein, die auch eine Reduzierung der Spannung ermöglichen könnte.
Dadurch dass das zweite Hochvolt-Bordnetz 26 zwischen einem Anschluss der PFC-Einheit 28 mit der galvanischen Trenneinheit 18 angeschlossen ist, kann somit dem zweiten Hochvolt-Bordnetz 26 elektrische Energie zugeführt werden. Die Hochvolt-Batterie U_Batt2 kann dadurch aufgeladen werden. Gleichzeitig erlaubt es die Erfindung, dass über die galvanische Trenneinheit 18 auch dem ersten Hochvolt-Bordnetz 24 elektrische Energie zugeführt werden kann. Zu diesem Zweck weist die galvanische Trenneinheit 18 einen DC/DC-Wandler auf, der eine entsprechende Spannungsanpassung von dem Gleichspannungsniveau des zweiten Hochvolt-Bordnetzes 26 auf das Gleichspannungsniveau des ersten Hochvolt-Bordnetzes 24 vornimmt. Obwohl die elektrischen Gleichspannungen mittels der PFC-Einheit 28 sowie der galvanischen Trenneinheit 18 miteinander elektrisch gekoppelt sind, können sie trotzdem im Rahmen vorgesehener Einstellbereiche unabhängig voneinander eingestellt werden. Hierzu erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass das erste und das zweite Hochvolt-Bordnetz 24, 26 voneinander elektrisch isoliert sind.
2 zeigt nun die elektrische Anlage 10 gemäß 1 im Fall, in dem beiden Hochvolt-Bordnetzen 24, 26 jeweils elektrische Energie zugeführt wird. In 2 sind entsprechende Energieflusspfeile dargestellt, die den Energiefluss visualisieren. Das Prinzip der Ladung beziehungsweise Zuführung von elektrischer Energie von der Ladesäule 14 zum ersten Hochvolt-Bordnetz 24 entspricht dem, wie es üblicherweise mittels eines Bordladers im Kraftfahrzeug realisiert ist. Durch die galvanische Trennung kann erreicht werden, dass ein Gleichtakt-Fehlerstrom sehr geringgehalten werden kann, so dass es bei einem Fehlerstromschutzschalter in der Ladesäule 14 nicht zu einem Sättigungsverhalten und damit zu einer Störung kommen kann. Bezüglich des zweiten Hochvolt-Bordnetzes 26 liegt in Bezug auf die Ladesäule 14 keine galvanische Trennung vor. Da jedoch nach Durchlaufen der PFC-Einheit 28 die von der Ladesäule 14 bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt ist, ist eine etwaige Ableitkapazität, die zu unerwünschten Ableitströmen führen könnte, des nachfolgenden zweiten Hochvolt-Bordnetzes 26 nicht relevant. Ein etwaiger Ableitstrom ist somit nicht höher als bei Verwendung der galvanischen Trenneinheit 18.
2 zeigt, dass ein Energiefluss zwischen dem ersten Hochvolt-Bordnetz 24 und der Ladesäule 14 dann möglich ist, wenn die galvanische Trenneinheit 18 für einen bidirektionalen Energiefluss ausgebildet ist, was vorliegend auch realisiert ist. Bezüglich des zweiten Hochvolt-Bordnetzes 26 ist ein bidirektionaler Energiefluss zur Ladesäule 14 ohnehin über die PFC-Einheit 28 gegeben.
3 zeigt nun die elektrische Anlage 10 der 1, wenn sie nicht mit der Ladesäule 14 elektrisch gekoppelt ist. In 3 sind entsprechende Energieflusspfeile dargestellt, die den entsprechenden Energiefluss innerhalb der elektrischen Anlage 10 darstellen. Der in 3 dargestellte Betrieb tritt beispielsweise während des Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs auf. Die galvanische Trenneinheit 18 arbeitet hierbei unter Nutzung ihres DC/DC-Wandlers als elektrische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Hochvolt-Bordnetz 24, 26. Ein Energiefluss vom ersten Hochvolt-Bordnetz 24 zum zweiten Hochvolt-Bordnetz 26 ist jedoch nur dann möglich, wenn die galvanische Trenneinheit 18 für einen bidirektionalen Energiefluss ausgebildet ist. Dies ist vorliegend gegeben. Durch die galvanische Trennung der galvanischen Trenneinheit 18 braucht das erste Hochvolt-Bordnetz 24 und deren weitere Einheiten beziehungsweise Komponenten nicht die hohe Spannungsfestigkeit des zweiten Hochvolt-Bordnetzes 26 aufweisen. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Gleichspannung des ersten Hochvolt-Bordnetzes 24 etwa 400 V beträgt, wie es beispielsweise heutzutage auch bei Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen üblich ist. Die Gleichspannung des zweiten Hochvolt-Bordnetzes 26 beträgt dagegen etwa 800 V. Dadurch ist es möglich, die Leistung bei Beibehaltung von Kabelquerschnitten zu steigern oder die Ladegeschwindigkeit zu erhöhen, vorzugsweise indem bei einem Aufladevorgang zwei 400 V-Batterien in Reihe geschaltet werden.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Anlage 40 gemäß der Erfindung in einer schematischen Blockschaltbilddarstellung. Die elektrische Anlage 40 gemäß 4 unterscheidet sich von der elektrischen Anlage 10 gemäß 1 dadurch, dass ergänzend ein elektrischer Verbindungszweig 42 und ein elektrischer Verbindungszweig 44 vorgesehen sind, mittels denen die PFC-Einheit 28 überbrückt beziehungsweise kurzgeschlossen werden kann. Jeder der Verbindungszweige 42, 44 weist jeweils ein steuerbares elektromechanisches Schaltelement 46, 48 auf, die es erlauben, den jeweiligen Verbindungszweig 42, 44 zu aktivieren beziehungsweise zu deaktivieren. Vorliegend ist vorgesehen, dass die elektromechanischen Schaltelemente 46, 48 gemeinsam geschaltet werden. Die elektromechanischen Schaltelemente 46, 48 sind vorliegend durch Kontakte eines Schützes gebildet.
Die elektromechanischen Schaltelemente 46, 48 werden aktiviert in Abhängigkeit einer von der PFC-Einheit 28 ermittelten Spannungsart an der Ladeanschlusseinheit 12. Dadurch ist es möglich, die elektrische Anlage 40 für eine Vielzahl von Spannungsarten betreibbar auszugestalten, so dass zum Beispiel neben einem Anschluss an eine Ladesäule 14, die ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz bereitstellt, auch ein Anschluss an eine Ladesäule 16 möglich ist, die eine Gleichspannung bereitstellt.
Bei Anschluss an die Ladesäule 16 werden die elektromechanischen Schaltelemente 46, 48 geschlossen, so dass das zweite Hochvolt-Bordnetz 26 unmittelbar an die Filtereinheit 34 und infolgedessen auch an die Ladeanschlusseinheit 12 angeschlossen ist. Zu diesem Zweck kann die elektrische Anlage 40, beispielsweise die PFC-Einheit 28 oder auch die Filtereinheit 34, eine entsprechende Steuereinheit aufweisen, die an die elektromechanischen Schaltelemente 46, 48 angeschlossen ist und die eine Sensoreinheit aufweist, die an der Ladeanschlusseinheit 12 angeschlossen ist, um die aktuelle Spannungsart zu ermitteln. Mittels der Steuereinheit werden dann die elektromechanischen Schaltelemente 46, 48 in gewünschter Weise gesteuert.
In der Ausgestaltung gemäß 4 ist die Gleichspannung der Ladesäule 16 so eingestellt, dass sie der Gleichspannung des zweiten Hochvolt-Bordnetzes 26 entspricht. Anschließend werden mittels der nicht dargestellten Steuereinheit die elektromechanischen Schaltelemente 46, 48 geschlossen. Die PFC-Einheit 28 ist somit quasi kurz geschlossen. Somit kann ein Aufladevorgang auch durch die Ladesäule 16 erreicht werden.
Die Ausgestaltung der 4 eignet sich aber nicht nur zum Aufladen der Hochvolt-Batterie U_Batt2, sondern sie eignet sich insbesondere auch gleichzeitig zur Aufladung der Hochvolt-Batterie U_Batt1 über die galvanische Trenneinheit 18. Auch hier kann aufgrund der Schaltungstopologie ein gleichzeitiges Laden der Hochvolt-Batterien U_Batt1 und U_Batt2 erreicht werden.
Die Erfindung ermöglicht es somit auf einfache eine Weise, eine elektrische Anlage des Kraftfahrzeugs hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften zu erweitern, insbesondere hinsichtlich der Dynamik zu verbessern. Hierzu ist es nicht erforderlich, bereits vorhandene Einheiten eines ersten Hochvolt-Bordnetzes zu verändern. Es ist lediglich erforderlich, ein zweites Hochvolt-Bordnetz bereitzustellen, welches isoliert von dem ersten Hochvolt-Bordnetz ausgebildet ist und dieses am ladeseitigen Anschluss der galvanischen Trenneinheit anzuschließen. Insofern ist die Erfindung auch bei bereits vorhandenen elektrischen Anlagen nachrüstbar.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Weiterhin ist anzumerken, dass die für die erfindungsgemäße elektrische Anlage beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gleichermaßen auch auf ein entsprechendes Verfahren angewendet werden können. Insbesondere können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

10: Elektrische Anlage
12: Ladeanschlusseinheit
14: Ladesäule
16: Ladesäule
18: Trenneinheit
20: Ladeseitiger Anschluss
22: Bordnetzseitiger Anschluss
24: Hochvolt-Bordnetz
26: Hochvolt-Bordnetz
28: PFC-Einheit
30: Erster Anschluss
32: Zweiter Anschluss
34: Filtereinheit
36: Erster Filteranschluss
38: Zweiter Filteranschluss
40: Elektrische Anlage
42: Verbindungszweig
44: Verbindungszweig
46: Elektromechanisches Schaltelement
48: Elektromechanisches Schaltelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Richtlinie 2014/35/EU [0006]

Claims

Elektrische Anlage (10, 40) für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer Ladeanschlusseinheit (12) zum elektrischen Koppeln einer kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle (14, 16), einer bidirektional betreibbaren galvanischen Trenneinheit (18), die einen ladeseitigen und einen bordnetzseitigen Anschluss (20, 22) aufweist, und einem ersten Hochvolt-Bordnetz (24), welches am bordnetzseitigen Anschluss (22) der galvanischen Trenneinheit (18) angeschlossen ist, wobei der ladeseitige Anschluss (20) der galvanischen Trenneinheit (18) mit der Ladeanschlusseinheit (12) elektrisch gekoppelt ist, gekennzeichnet durch ein zweites Hochvolt-Bordnetz (26), welches gegenüber dem ersten Hochvolt-Bordnetz (24) elektrisch isoliert und am ladeseitigen Anschluss (20) der galvanischen Trenneinheit (18) angeschlossen ist.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine PFC-Einheit (28) zum Korrigieren eines Leistungsfaktors, die mit einem ersten Anschluss (30) an den ladeseitigen Anschluss (20) der galvanischen Trenneinheit (18) angeschlossen ist und die zum elektrischen Koppeln der galvanischen Trenneinheit (18) mit der Ladeanschlusseinheit (12) mit einem zweiten Anschluss (32) mit der Ladeanschlusseinheit (12) elektrisch gekoppelt ist.
Elektrische Anlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Filtereinheit (34), die mit einem ersten Filteranschluss (36) an die Ladeanschlusseinheit (12) angeschlossen ist und die mit einem zweiten Filteranschluss (38) den ladeseitigen Anschluss (20) der galvanischen Trenneinheit (18) elektrisch koppelt.
Elektrische Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (32) der PFC-Einheit (28) an den zweiten Filteranschluss (38) der Filtereinheit (34) angeschlossen ist.
Elektrische Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PFC-Einheit (28) einen Wechselrichter umfasst.
Elektrische Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die PFC-Einheit (28) ausgebildet ist, zum Koppeln der kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle (14, 16) mit dem zweiten Hochvolt-Bordnetz (26) mit der Filtereinheit (34) zusammenzuwirken.
Elektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Trenneinheit (18) einen DC/DC-Wandler aufweist.