DE102016007948A1 - Hochvoltnetz für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltnetzes - Google Patents

Hochvoltnetz für ein Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltnetzes Download PDF

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Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es ein Hochvoltnetz (10) mit weniger Bauteilen zu realisieren. Die Erfindung betrifft daher ein Hochvoltnetz (10) für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest teilweise elektrisch betreibbar ist, mit zumindest einer erster elektrischen Komponente (12), die mit einer ersten Spannung (U1) betreibbar ist, und mit zumindest einer zweiten elektrischen Komponente (14), die mit einer zweiten Spannung (U2) betreibbar ist, und mit einer Ladevorrichtung (16, 40), die einen Gleichspannungswandler (18) aufweist, mit dem eine Ladespannung (UL) in die erste Spannung (U1) transformierbar ist, wobei die erste Spannung (U1) mittels des Gleichspannungswandlers (18) in die zweite Spannung (U2) transformierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hochvoltnetz für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltnetzes gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
  • Derartige Hochvoltnetze für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Personenkraftfahrzeuge, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Solche Hochvoltnetze werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, die teilweise elektrisch betrieben werden. Dabei kann es sich um Elektrofahrzeuge beziehungsweise auch um Hybridfahrzeuge handeln. Bei Elektrofahrzeugen wird das Fahrzeug nur mittels eines Elektromotors bewegt. Bei Hybridfahrzeugen ist sowohl ein Elektromotor als auch ein Verbrennungsmotor vorhanden. Je nach Aufgabenstellung kann hierbei der Elektromotor beziehungsweise der Verbrennungsmotor genutzt werden.
  • Des Weiteren ist aus der DE 10 2015 006 208 A1 eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit elektrischer Trenneinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung offenbart. Die Erfindung betrifft dabei eine Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten elektrischen Energiespeicher, mit einem zweiten elektrischen Energiespeicher, mit einem Ladeanschluss, mit einem Versorgungsanschluss und mit einer elektrischen Trenneinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, den ersten und den zweiten elektrischen Energiespeicher mit dem Ladeanschluss und/oder dem Versorgungsanschluss elektrisch zu verbinden, wobei die elektrische Trenneinrichtung dazu ausgelegt ist, zum Laden des ersten und des zweiten elektrischen Energiespeichers mittels einer Ladestation über den Ladeanschluss den ersten und den zweiten elektrischen Energiespeicher in einer Ladekonfiguration elektrisch zu verbinden und zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs mittels des ersten und des zweiten elektrischen Energiespeichers über den Versorgungsanschluss den ersten und den zweiten elektrischen Energiespeicher in einer Betriebskonfiguration elektrisch zu verbinden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochvoltnetz für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das Hochvoltnetz mit weniger Bauteilen realisiert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Hochvoltnetz für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltnetzes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
  • Um ein Hochvoltnetz für einen Kraftwagen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das Hochvoltnetz mit weniger Bauteilen betrieben werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine erste Spannung mittels eines Gleichspannungswandlers in eine zweite Spannung transformierbar ist. Eine elektrische Komponente kann dabei mit der ersten Spannung betreibbar sein und eine zweite elektrische Komponente kann mit der zweiten Spannung betreibbar sein. Des Weiteren weist das Hochvoltnetz eine Ladevorrichtung auf, die den Gleichspannungswandler umfasst. Mit dem Gleichspannungswandler kann eine Ladespannung in die erste Spannung transformiert werden. Es ist somit erfindungsgemäß, dass mit dem Gleichspannungswandler der Ladevorrichtung die erste Spannung in die zweite Spannung transformierbar ist. Durch die Nutzung des Gleichspannungswandlers der Ladevorrichtung kann somit auf ein Bauteil, insbesondere einen zweiten Gleichspannungswandler innerhalb des Hochvoltnetzes im Kraftfahrzeug, verzichtet werden. Bei dem Hochvoltnetz handelt es sich insbesondere um ein Zweispannungs-Hochvolt-System. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Komponente im Hochvoltnetz verbaut werden muss, wodurch es zu beispielsweise Einsparung von Entwicklungskosten, Einsparung von Materialkosten, Einsparung von Material, keinem zusätzlich benötigten Bauraum und keinem zusätzlichen Gewicht kommen kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist das Hochvoltnetz einen einzigen Gleichspannungswandler auf. Somit kann auch hier auf eine weitere Komponente im Hochvoltnetz verzichtet werden, wodurch es ebenfalls zu Einsparungen insbesondere bei Entwicklungskosten, bei Materialkosten beziehungsweise Material und ebenfalls kein zusätzlich benötigter Bauraum beziehungsweise kein zusätzliches Gewicht gebraucht wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Ladevorrichtung einen Gleichrichter aufweisen, mittels welchem eine netzseitige Wechselspannung in eine Gleichspannung transformierbar ist. Bei der netzseitigen Wechselspannung kann es sich beispielsweise um eine 230-Volt-Wechselspannung handeln, die haushaltsüblich bereitgestellt werden kann. Da es sich bei dem Hochvoltnetz um ein Gleichspannungsnetz handelt, muss die Wechselspannung in eine Gleichspannung transformiert werden. Mit der Integration des Gleichwechslers, welcher die Wechselspannung in die Gleichspannung transformiert, in die Ladevorrichtung kann besonders bauraumsparend und effizient eine Energieübertragung sichergestellt werden.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Ladevorrichtung einen Leistungskorrekturfilter aufweist. Der Leistungskorrekturfilter (auch Power-Factor-Correction oder auch PFC genannt) ist eine elektrische oder elektronische Schaltung, welche den sogenannten Leistungsfaktor erhöht, damit dieser in einem gesetzlich vorgegebenen Bereich bleibt. Der PFC wird hauptsächlich bei nicht-linearen Verbrauchern, welche beispielsweise der Gleichrichter sein kann, eingesetzt. Bei diesen Verbrauchern treten bei sinusförmiger Wechselspannungsversorgung, insbesondere durch die netzseitige Wechselspannung, phasenverschobene und nicht sinusförmige Eingangsströme auf. Diese setzen sich aus einer Summe höhenfrequenter Anteile, also Oberschwingungen, zusammen, die in den Stromversorgungsnetzen und anderen elektrischen Geräten Störungen verursachen können. in Drehstromnetzen können bei ungenügender Filterung der Oberschwingen unter Umständen unzulässig hohe Strombelastungen auf dem teilweise aus Kostengründen schwächer dimensionierten Neutralleiter auftreten, da sich die ungeraden und durch die drei teilbaren Oberschwingen addieren, statt sich wie bei der Grundschwingung am Neutralleiter gegenseitig aufzuheben. Der Leistungskorrekturfaktor wird durch einen Wert beschrieben, der möglichst nahe bei dem Betrag 1 liegen sollte. Das wird durch den Leistungskorrekturfaktorfilter gewährleistet. Üblicher Kompensationswerte liegen in dem Bereich um 0,98. Durch den Einbau des Leistungskorrekturfilters in der Ladevorrichtung kann somit sichergestellt werden, dass es zu keinen ungewollten Störungen kommen kann, wobei die Störungen insbesondere bei den netzseitigen Wechselspannungen ungewollt sind.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung kann die erste elektrische Komponente eine Hochvoltbatterie sein und die erste Spannung einer Hochvoltbatteriespannung entsprechen. Somit kann insbesondere durch die Ladevorrichtung die Hochvoltbatterie geladen werden und durch die Hochvoltbatterie ein Energiespeicher, insbesondere für das zumindest teilweise elektrisch betreibbare Kraftfahrzeug, bereitgestellt werden. Üblicherweise ist die Hochvoltbatteriespannung in einer Höhe von 400 Volt angesiedelt. Mittels der Ladevorrichtung können auch andere Spannungen bereitgestellt werden, beispielsweise Spannungen von 400 Volt oder von 800 Volt, sodass es zu einer schnelleren Ladung der Hochvoltbatterie kommen kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann die Ladevorrichtung einen galvanisch trennbaren Abgriff aufweisen, mittels welchem der Gleichspannungswandler und die zumindest zweite elektrische Komponente elektrisch verbindbar sind. Es kann innerhalb der Ladevorrichtung der galvanisch trennbare Abgriff realisiert werden, sodass während einer Ladung, insbesondere einer Ladung der ersten elektrischen Komponente, die insbesondere eine Hochvoltbatterie sein kann, eine Verbindung zur zweiten elektrischen Komponente, insbesondere zur zweiten Spannung unterbunden werden. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere die Hochvoltbatterie mit höheren Spannungen geladen werden kann, als die zweite elektrische Komponente benötigt beziehungsweise auf die die zweite elektrische Komponente ausgelegt ist. Somit kann ein Schnellladen einer Hochvoltbatterie realisiert werden, ohne dass die zweite elektrische Komponente beeinträchtigt wird. Nachdem der Ladevorgang abgeschlossen ist, kann der galvanisch trennbare Abgriff geschlossen werden und über den Gleichspannungswandler an der Ladevorrichtung kann die entsprechende zweite Spannung aus der ersten Spannung transformiert werden.
  • Zu der Erfindung gehört ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltnetzes, wobei in einem ersten Schritt eine erste Spannung für eine erste elektrische Komponente erzeugt wird. In einem zweiten Schritt wird eine zweite Spannung für eine zweite elektrische Komponente erzeugt und in einem dritten Schritt wird eine Ladespannung in die erste Spannung transformiert, wobei eine Ladevorrichtung einen Gleichspannungswandler aufweist, mittels welchem die erste Spannung aus der Ladespannung transformiert wird. Es ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Spannung durch Transformieren der ersten Spannung mittels des Gleichspannungswandlers der Ladevorrichtung erzeugt wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hochvoltnetzes gelten als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Betreiben eines Hochvoltnetzes.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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 zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Hochvoltnetzes in einem Kraftwagen gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des Hochvoltnetzes für ein Kraftfahrzeug.
  • In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hochvoltnetzes 10 in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug. Das dargestellte Hochvoltnetz 10 entspricht dem Stand der Technik. Das Hochvoltnetz 10 weist dabei eine erste elektrische Komponente 12 und eine zweite elektrische Komponente 14 auf. Des Weiteren ist in 1 eine Ladevorrichtung 16 dargestellt, welche der Ladevorrichtung 16 aus dem Stand der Technik entspricht. Die Ladevorrichtung 16 weist einen Gleichspannungswandler 18 auf. Des Weiteren weist die Ladevorrichtung 16 einen Gleichrichter 20 und ein Leistungskorrekturfilter 22 auf. In dem Hochvoltnetz 10 aus dem Stand der Technik ist ein weiterer Gleichspannungswandler 24 aufgeführt. Die Ladevorrichtung 16 ist mit einem öffentlichen Netz 26, welches insbesondere eine Wechselspannung bereitstellt, verbunden. Bei dem öffentlichen Netz 26 kann es sich beispielsweise um ein 400-Volt-Netz handeln.
  • Das öffentlicher Netz 26 stellt eine Wechselspannung UN zur Verfügung. Die Ladevorrichtung 16 ist über den Ladevorrichtungseingang 28 mit dem öffentlichen Netz 26 verbunden. Insbesondere sind der in einer Einheit zusammengeschlossene Leistungskorrekturfaktorfilter 22 und der Gleichrichter 20 mit UN verbunden. Der Gleichrichter 20 wandelt die netzseitige Wechselspannung UN in eine Gleichspannung, welche einer Ladespannung UL entspricht, um. Innerhalb des Gleichspannungswandlers 18 wird die Ladespannung UL in eine erste Spannung U1 transformiert. Die erste Spannung U1 liegt an einem Ladevorrichtungsausgang 30 an und dient zum Betreiben der ersten elektrischen Komponente 12. Insbesondere kann die erste elektrische Komponente 12 eine Hochvoltbatterie sein und mit U1 zum Laden der Hochvoltbatterie, insbesondere der ersten elektrischen Komponente 12, genutzt werden kann. Die erste Spannung U1 liegt ebenfalls an einem Gleichspannungswandlereingang 32 an, und die erste Spannung U1 kann mittels des weiteren Gleichspannungswandlers 24 in eine zweite Spannung U2, welche an einem Gleichspannungswandlerausgang 34 anliegt, transformiert werden. Die zweite Spannung U2 dient insbesondere dazu, die zweite elektrische Komponente 14, welche insbesondere Verbraucher in dem Kraftfahrzeug sein können, genutzt werden. Bei den Verbrauchern kann es sich insbesondere um einen elektrischen Motor handeln, welcher für einen zumindest teilweise elektrischen Betrieb des Kraftfahrzeugs dient.
  • Die 1 zeigt weiterhin einen Ladebetrieb des Hochvoltnetzes 10. Die Ladevorrichtung 16 wird auch als On-Bord-Lader bezeichnet. Somit kann die erste elektrische Komponente 12 mittels des Gleichspannungswandlers 24 Energie, insbesondere elektrische Energie, mit der zweiten elektrischen Komponente 14 austauschen. Während die erste elektrische Komponente 12, insbesondere die Hochvoltbatterie, geladen wird, wird die zweite Spannung U2 nicht benötigt. Dies kann daran liegen, dass während eines Ladevorgangs beispielsweise der elektrische Motor nicht betrieben werden muss.
  • 2 stellt das Hochvoltnetz 10 gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel schematisch. Das Hochvoltnetz 10 weist dabei die erste elektrische Komponente 12 sowie die zweite elektrische Komponente 14 auf. Des Weiteren weist das Hochvoltnetz 10 eine erweiterte Ladevorrichtung 40 auf. Die erweiterte Ladevorrichtung 40 weist weiterhin den Gleichspannungswandler 18, den Gleichrichter 20 sowie den Leistungskorrekturfilter 22 auf. Die erweiterte Ladevorrichtung 40 ist dabei an dem öffentlichen Netz 26 über den Ladevorrichtungseingang 28 angeschlossen. Das öffentliche Netz 26 stellt eine Wechselspannung UN zur Verfügung. Der Gleichrichter 20 wandelt die Wechselspannung UN in die Ladespannung UL um. Die erweiterte Ladevorrichtung 40 weist weiterhin einen zweiten Ladevorrichtungsausgang 36 auf, wobei am zweiten Ladevorrichtungsausgang 36 die zweite elektrische Komponente 14 angeschlossen ist. Ein galvanischer Abgriff 38 trennt, insbesondere bei einem Ladevorgang, die zweite elektrische Komponente 14 von der Spannung des Gleichrichters 20, insbesondere der Ladespannung UL. Die Ladespannung UL wird mittels des Gleichspannungswandlers 18 in die erste Spannung U1 transformiert und dient zum Betreiben der ersten elektrischen Komponente 12, welche insbesondere die Hochvoltbatterie sein kann. Da während des Ladevorgangs der ersten elektrischen Komponente 12 die zweite elektrische Komponente 14 nicht benötigt wird, ist die zweite elektrische Komponente 14 vom Hochvoltnetz 10 getrennt. Es kann damit eine höhere Spannung UN zur Ladung zur Verfügung gestellt werden, so dass insbesondere die Hochvoltbatterie schneller geladen werden kann. Wenn der Ladevorgang beendet ist, sprich, wenn keine Verbindung der erweiterten Ladevorrichtung 40 mit dem öffentlichen Netz 26, insbesondere mit der Wechselspannung UN, vorhanden ist, kann der Abgriff 38 geschlossen werden, sodass nun mittels des Gleichspannungswandlers 18 die zweite Spannung U2 bereitgestellt werden kann. Die zweite Spannung U2 wird dabei mittels des Gleichspannungswandlers 18 aus der ersten Spannung U1 transformiert. Somit kann, im Gegensatz zu 1, auf einen weiteren Gleichspannungswandler 24 in dem Hochvoltnetz 10 verzichtet werden. Insbesondere ist für das Hochvoltnetz 10 ein einziger Gleichspannungswandler 18 nötig. Durch die Einsparung des weiteren Gleichspannungswandlers 24 kann es zur Einsparung von Entwicklungskosten, Einsparung von Materialkosten, keinen zusätzlich benötigten Bauraum beziehungsweise keinem zusätzlichen Gewicht kommen. Die erweiterte Ladevorrichtung 40 wird auch als erweiterter On-Bord-Lader (eOBL) bezeichnet.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Hochvoltnetz
    12
    erste elektrische Komponente
    14
    zweite elektrische Komponente
    16
    Ladevorrichtung
    18
    Gleichspannungswandler
    20
    Gleichrichter
    22
    Leistungskorrekturfilter
    24
    weiterer Gleichspannungswandler
    26
    Öffentliches Netz
    28
    Ladevorrichtungseingang
    30
    Ladevorrichtungsausgang
    32
    Gleichspannungswandlereingang
    34
    Gleichspannungswandlerausgang
    36
    zweiter Ladevorrichtungsausgang
    38
    Abgriff
    40
    erweiterte Ladevorrichtung
    UN
    Wechselspannung
    UL
    Ladespannung
    U1
    erste Spannung
    U2
    zweite Spannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015006208 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Hochvoltnetz (10) für ein Kraftfahrzeug, welches zumindest teilweise elektrisch betreibbar ist, mit zumindest einer ersten elektrischen Komponente (12), die mit einer ersten Spannung (U1) betreibbar ist, und mit zumindest einer zweiten elektrischen Komponente (14), die mit einer zweiten Spannung (U2) betreibbar ist, und mit einer Ladevorrichtung (16, 40), die einen Gleichspannungswandler (18) aufweist, mit dem eine Ladespannung (UL) in die erste Spannung (U1) transformierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (U1) mittels des Gleichspannungswandlers (18) in die zweite Spannung (U2) transformierbar ist.
  2. Hochvoltnetz (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochvoltnetz (10) einen einzigen Gleichspannungswandler (18) aufweist.
  3. Hochvoltnetz (10) nach einem vorher genannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (16, 40) einen Gleichrichter (20) aufweist, mittels welchem eine netzseitige Wechselspannung (UN) in eine Gleichspannung transformierbar ist.
  4. Hochvoltnetz (10) nach einem vorher genannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (16, 40) einen Leistungsfaktorkorrekturfilter (22) aufweist.
  5. Hochvoltnetz (10) nach einem vorher genannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Komponente (12) eine Hochvoltbatterie ist und die erste Spannung (U1) einer Hochvoltbatteriespannung entspricht.
  6. Hochvoltnetz nach einem vorher genannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladevorrichtung (16, 20) einen galvanisch trennbaren Abgriff (38), mittels welchem der Gleichspannungswandler (18) und die zumindest zweite elektrische Komponente (14) elektrisch verbindbar sind, aufweist.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Hochvoltnetzes (10), durch – Erzeugen einer ersten Spannung (U1) für eine erste elektrische Komponente (12); – Erzeugen einer zweiten Spannung (U2) für eine zweite elektrische Komponente (14); und – Transformieren einer Ladespannung (UL) in die erste Spannung (U1), mittels eines Gleichspannungswandlers (18) einer Ladevorrichtung (16, 40); gekennzeichnet, durch – das Erzeugen der zweiten Spannung (U2) durch Transformieren der ersten Spannung (U1) mittels des Gleichspannungswandlers (18) der Ladevorrichtung (16, 40) erfolgt.
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DE102015006208A1 (de) 2015-05-13 2015-12-03 Daimler Ag Batterieanordnung für ein Kraftfahrzeug mit elektrischer Trenneinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Batterieanordnung

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