DE102016210153A1 - Kraftfahrzeug-Bordnetz und Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes - Google Patents

Kraftfahrzeug-Bordnetz und Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Bordnetz (1), umfassend eine Hochvoltseite (HVS) mit einer elektrischen Energiequelle und eine Niedervoltseite (NVS) mit mindestens einer Gruppe (4) von elektrischen Verbrauchern (5, 6), wobei zwischen der Hochvoltseite (HVS) und der Niedervoltseite (NVS) ein DC/DC-Wandler (14) angeordnet ist, mindestens ein weiterer DC/DC-Wandler (10–12) vorgesehen ist, der mit der Hochvoltseite (HVS) und der Niedervoltseite (NVS) und/oder mindestens einem weiteren elektrischen Verbraucher (7–9) verbunden ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeug-Bordnetzes (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Bordnetz und ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes.
  • Aus der DE 10 2014 219 929 A1 ist beispielsweise ein Kraftfahrzeug-Bordnetz bekannt, umfassend eine Traktionsbatterie, eine Zusatzbatterie, ein Ladegerät und zwei DC/DC-Wandler. Ein erster DC/DC-Wandler ist durch einen Hauptschütz zwischen der Traktionsbatterie und der Zusatzbatterie elektrisch verbunden. Ein zweiter DC/DC-Wandler ist zwischen dem Ladegerät und der Zusatzbatterie verbunden. Das Ladegerät ist dazu konfiguriert, die Zusatzbatterie über den zweiten DC/DC-Wandler zu laden, wenn der erste DC/DC-Wandler von der Traktionsbatterie getrennt ist. Der zweite DC/DC-Wandler kann die Zusatzbatterie unabhängig davon, dass das Ladegerät die Traktionsbatterie lädt, laden. Der zweite DC/DC-Wandler kann dazu konfiguriert sein, die Effizienz der Stromwandlung über einen Bereich von mit dem Laden der Zusatzbatterie in Zusammenhang stehenden Stromausgängen allgemein zu maximieren.
  • Ein Problem bei Kraftfahrzeug-Bordnetzen, wo eine Niedervoltseite über einen DC/DC-Wandler von einer elektrischen Energiequelle wie einer Traktionsbatterie versorgt wird, ist der Wirkungsgrad. Der DC/DC-Wandler muss von der Leistung so ausgelegt werden, alle möglichen Verbraucher auf der Niedervoltseite zu versorgen. Wird der DC/DC-Wandler zu groß konfiguriert, sinkt der Wirkungsgrad. Wird dieser hingegen zu klein ausgelegt, ist die Versorgung der elektrischen Verbraucher nicht in allen Fällen sichergestellt. Insbesondere aufgrund der verschiedenen Ausstattungsvarianten führt dies dazu, dass eine größere Anzahl von DC/DC-Wandlern unterschiedlicher Leistung bereitgehalten werden müssen.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Kraftfahrzeug-Bordnetz zu schaffen, das bei verschiedenen Ausstattungen kostengünstig einen hohen Wirkungsgrad erreicht. Ein weiteres technisches Problem ist das Zurverfügungstellen eines Verfahrens zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeug-Bordnetzes.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Kraftfahrzeug-Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst das Kraftfahrzeug-Bordnetz eine Hochvoltseite mit einer elektrischen Energiequelle und eine Niedervoltseite mit mindestens einer Gruppe von elektrischen Verbrauchern, wobei zwischen der Hochvoltseite und der Niedervoltseite ein DC/DC-Wandler angeordnet ist, wobei mindestens ein weiterer DC/DC-Wandler vorgesehen ist, der mit der Hochvoltseite und der Niedervoltseite und/oder mindestens einem weiteren elektrischen Verbraucher verbunden ist. Der Grundgedanke dabei ist, dass die Gruppe von Verbrauchern (bzw. erste Gruppe von Verbrauchern) die Basisfunktionen abbilden. Der erste DC/DC-Wandler kann dann leistungsmäßig optimiert auf diese erste Gruppe von Verbrauchern ausgelegt werden. Die weiteren Verbraucher, die ausstattungsabhängig variieren können, werden über den mindestens einen weiteren DC/DC-Wandler versorgt. Dieser kann dann ebenfalls auf diesen weiteren elektrischen Verbraucher optimiert angepasst werden. Da dieser mindestens eine weitere DC/DC-Wandler im Verhältnis zum ersten DC/DC-Wandler kleiner dimensioniert sein wird, kann dieser auch beispielsweise sehr einfach gekühlt werden. Dabei kann der weitere DC/DC-Wandler ausschließlich mit den weiteren elektrischen Verbrauchern verbunden sein oder aber zusätzlich mit der Niedervoltseite, d.h. die elektrische Energie des weiteren DC/DC-Wandlers steht bedarfsweise auch der ersten Gruppe von Verbrauchern zur Verfügung. Dies erlaubt eine weitere flexiblere Verteilung der Energie bei hohem Wirkungsgrad, erhöht aber etwas den Verkabelungsaufwand.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass für jeden weiteren elektrischen Verbraucher jeweils ein eigener separater DC/DC-Wandler vorgesehen ist. Alternativ kann einer Gruppe von weiteren elektrischen Verbrauchern (zweite Gruppe von Verbrauchern) ein eigener separater DC/DC-Wandler zugeordnet sein. Diese beiden Varianten können auch kombiniert werden. So kann einem einzelnen weiteren elektrischen Verbraucher ein eigener DC/DC-Wandler zugeordnet sein, wobei weitere elektrische Verbraucher zu einer Gruppe zusammengefasst werden, wobei dann der Gruppe ein weiterer DC/DC-Wandler zugeordnet wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der weitere separate DC/DC-Wandler in den elektrischen Verbraucher integriert. Anschaulich wird somit der weitere elektrische Verbraucher durch den integrierten DC/DC-Wandler hochvolttauglich. Dies erlaubt eine sehr einfache Montage.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz mindestens eine Steuereinheit zur Ansteuerung der DC/DC-Wandler auf, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine weitere DC/DC-Wandler nur aktiviert wird, wenn der weitere elektrische Verbraucher elektrische Energie benötigt. Führt beispielsweise der weitere elektrische Verbraucher eine Funktion aus, die nicht permanent benötigt wird, so kann der zugeordnete DC/DC-Wandler deaktiviert bleiben, bis die Funktion benötigt wird. Bei der Ausführungsform, wo der weitere DC/DC-Wandler zusätzlich mit der Niedervoltseite verbunden ist, kann vorgesehen sein, dass der weitere DC/DC-Wandler solange deaktiviert bleibt, wie der erste DC/DC-Wandler die Versorgung sicherstellen kann (z.B. weil die erste Gruppe von Verbrauchern gerade nicht maximale Leistung benötigt).
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Energiequelle auf der Hochvoltseite als Hochvoltbatterie ausgebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Niedervoltseite mindestens ein elektrischer Energiespeicher wie beispielsweise eine Niedervoltbatterie oder ein Doppelschichtkondensator. Dieser elektrische Energiespeicher dient insbesondere zum Puffern von Stromspitzen und zur Glättung der Spannung auf der Niedervoltseite.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der erste DC/DC-Wandler als bidirektionaler Wandler ausgebildet, sodass bedarfsweise Energie von der Niedervoltseite zur Hochvoltseite übertragen werden kann.
  • Das Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes erfolgt bei einem Kraftfahrzeug-Bordnetz, das eine Hochvoltseite mit einer elektrischen Energiequelle und eine Niedervoltseite mit mindestens einer Gruppe von elektrischen Verbrauchern aufweist, wobei zwischen der Hochvoltseite und der Niedervoltseite ein DC/DC-Wandler angeordnet ist, über den die elektrischen Verbraucher von der Hochvoltseite mit elektrischer Energie versorgt werden. Dabei ist mindestens ein weiterer DC/DC-Wandler vorgesehen, der mit der Hochvoltseite und der Niedervoltseite und/oder mindestens einem weiteren Verbraucher verbunden ist, wobei der zusätzliche elektrische Energiebedarf des mindestens einen weiteren elektrischen Verbrauchers durch die Hochvoltseite über den mindestens einen weiteren DC/DC-Wandler gedeckt wird.
  • Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltung kann auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
  • 1 ein Kraftfahrzeug-Bordnetz in einer ersten Ausführungsform,
  • 2 ein Kraftfahrzeug-Bordnetz in einer zweiten Ausführungsform,
  • 3 ein Kraftfahrzeug-Bordnetz in einer dritten Ausführungsform und
  • 4 ein Kraftfahrzeug-Bordnetz in einer vierten Ausführungsform.
  • In der 1 ist ein Kraftfahrzeug-Bordnetz 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug-Bordnetz 1 weist eine Hochvoltseite HVS mit einer Hochvoltbatterie 2 auf, die beispielsweise eine Nennspannung von > 60 V aufweist. Des Weiteren weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz 1 eine Niedervoltseite NVS auf, die eine Niedervoltbatterie 3 von beispielsweise 12 V aufweist. Auf der Niedervoltseite NVS ist eine erste Gruppe 4 von elektrischen Verbrauchern 5, 6 angeordnet. Zwischen der Hochvoltseite HVS und der Niedervoltseite NVS ist ein erster DC/DC-Wandler 14 angeordnet. Weiter weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz 1 weitere elektrische Verbraucher 7, 8 und 9 auf, die ebenfalls mit der Niedervoltseite NVS verbunden sind. Dabei ist jedem weiteren elektrischen Verbraucher 7–9 ein eigener separater DC/DC-Wandler 10–12 zugeordnet, Schließlich weist das Kraftfahrzeug-Bordnetz 1 noch mindestens eine Steuereinheit 13 auf, die die DC/DC-Wandler 14, 10–12 in Abhängigkeit von Eingangssignalen E ansteuert.
  • Die erste Gruppe 4 von elektrischen Verbrauchern 5, 6 umfasst dabei vorzugsweise Verbraucher, die unabhängig von der Ausstattung stets vorhanden sind, also eine Basisfunktionalität bilden. Der erste DC/DC-Wandler 14 ist dabei derart ausgebildet, dass dieser vom Leistungsvermögen optimal auf den Energiebedarf der ersten Gruppe 4 abgestimmt ist.
  • Die separaten DC/DC-Wandler 10–12 sind optimal auf den Energiebedarf des jeweiligen weiteren Verbrauchers 7–9 abgestimmt. Bei diesen weiteren elektrischen Verbrauchern handelt es sich um Verbraucher, die je nach Ausstattung variieren und/oder um Verbraucher, die nicht permanent aktiv sind.
  • Zur Erläuterung des Verfahrens sei nun angenommen, dass zunächst die Verbraucher 7–9 inaktiv sind und nur die erste Gruppe 4 aktiv ist. In diesem Fall deaktiviert die Steuereinheit 13 die DC/DC-Wandler 10–12, wobei die erste Gruppe 4 über den ersten DC/DC-Wandler 14 versorgt wird. Dieser kann dann in einem bevorzugten Arbeitspunkt betrieben werden. Soll nun beispielsweise der weitere elektrische Verbraucher 9 aktiviert werden, so wird dies an die Steuereinheit 13 als Eingangssignal E übermittelt. Die Steuereinheit 13 überprüft, ob der DC/DC-Wandler 14 die zusätzliche Energie zur Verfügung stellen kann. Ist dies nicht der Fall, wird ein Steuersignal S3 erzeugt und der weitere DC/DC-Wandler 12 aktiviert. Somit können die DC/DC-Wandler 14, 10–12 weitgehend in optimierten Arbeitspunkten für den Wirkungsgrad betrieben werden.
  • In der 2 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Der Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist, dass die weiteren elektrischen Verbraucher 7–9 sowie ihre zugeordneten DC/DC-Wandler 10–12 nicht mit der Niedervoltseite NVS verbunden sind. Dies erlaubt eine einfache Steuerung sowie auch ein Einstellen der Ausgangsspannungen der DC/DC-Wandler 10–12 auf unterschiedliche Spannungsniveaus. Auch die Verkabelung ist vereinfacht. Allerdings ist das Energiemanagement etwas eingeschränkter, da Energie vom DC/DC-Wandler 14 den weiteren Verbrauchern 7–9 nicht zur Verfügung gestellt werden kann. Auch können sich die weiteren elektrischen Verbraucher 7–9 nicht Energie von einem oder zwei der separaten DC/DC-Wandler 10–12 teilen.
  • In der 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 2 entspricht. Der einzige Unterschied ist, dass die weiteren Verbraucher 8, 9 zu einer weiteren Gruppe 15 zusammengefasst sind und sich einen DC/DC-Wandler 11 teilen. Dies spart Bauteile ein. Dabei können prinzipiell auch alle weiteren Verbraucher 7–9 eine Gruppe 15 bilden. Vorzugsweise werden dabei Verbraucher 8, 9 zusammengefasst, die nicht gleichzeitig aktiv sind.
  • In der 4 ist schließlich eine vierte Ausführungsform dargestellt, wobei die DC/DC-Wandler 10–12 in die weiteren elektrischen Verbraucher 7–9 integriert sind. Dabei können die Steuersignale für die DC/DC-Wandler 10–12 weiterhin von der Steuereinheit 13 gebildet werden oder aber von den elektrischen Verbrauchern 7–9 selbst bzw. lokalen Steuereinheiten.
  • Dabei sei angemerkt, dass die vier Ausführungsformen auch beliebig kombiniert werden können. Beispielsweise kann ein weiterer Verbraucher mit der Niedervoltseite NVS verbunden werden, wobei gleichzeitig ein weiterer Verbraucher einen separaten DC/DC-Wandler ohne Verbindung zur Niedervoltseite NVS aufweist, ein weiterer einen integrierten DC/DC-Wandler aufweist und die übrigen weiteren elektrischen Verbraucher zu einer Gruppe mit einem einzigen DC/DC-Wandler zusammengefasst sind.
  • 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 102014219929 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Kraftfahrzeug-Bordnetz (1), umfassend eine Hochvoltseite (HVS) mit einer elektrischen Energiequelle und eine Niedervoltseite (NVS) mit mindestens einer Gruppe (4) von elektrischen Verbrauchern (5, 6), wobei zwischen der Hochvoltseite (HVS) und der Niedervoltseite (NVS) ein DC/DC-Wandler (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer DC/DC-Wandler (10–12) vorgesehen ist, der mit der Hochvoltseite (HVS) und der Niedervoltseite (NVS) und/oder mindestens einem weiteren elektrischen Verbraucher (7–9) verbunden ist.
  2. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden weiteren elektrischen Verbraucher (7–9) oder jeweils für einzelne weitere Verbraucher (7) und Gruppen (15) von einzelnen weiteren Verbrauchern (8, 9) jeweils ein eigener separater DC/DC-Wandler (10–12) vorgesehen ist.
  3. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der separate DC/DC-Wandler (10–12) in dem jeweils weiteren elektrischen Verbraucher (7–9) integriert ist.
  4. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz (1) mindestens eine Steuereinheit (13) zur Ansteuerung der DC/DC-Wandler (14, 10–12) aufweist, wobei die Steuereinheit (13) derart ausgebildet ist, dass der mindestens eine weitre DC/DC-Wandler (10–12) nur aktiviert wird, wenn der weitere elektrische Verbraucher (7–9) elektrische Energie benötigt.
  5. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiequelle auf der Hochvoltseite (HVS) als Hochvoltbatterie (2) ausgebildet ist.
  6. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Niedervoltseite (NVS) mindestens ein elektrischer Energiespeicher angeordnet ist.
  7. Kraftfahrzeug-Bordnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste DC/DC-Wandler (14) als bidirektionaler Wandler ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes (1), wobei das Kraftfahrzeug-Bordnetz (1) eine Hochvoltseite (HVS) mit einer elektrischen Energiequelle und eine Niedervoltseite (NVS) mit mindestens einer Gruppe (4) von elektrischen Verbrauchern (5, 6) aufweist, wobei zwischen der Hochvoltseite (HVS) und Niedervoltseite (NVS) ein DC/DC-Wandler (14) angeordnet ist, über den die elektrischen Verbraucher (5, 6) von der Hochvoltseite (HVS) mit elektrischer Energie versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer DC/DC-Wandler (10–12) vorgesehen ist, der mit der Hochvoltseite (HVS) und der Niedervoltseite (NVS) und/oder mindestens einem weiteren elektrischen Verbraucher (7–9) verbunden ist, wobei der zusätzliche elektrische Energiebedarf des mindestens einen weiteren elektrischen Verbrauchers (7–9) durch die Hochvoltseite (HVS) über den mindestens einen weiteren DC/DC-Wandler (10–12) gedeckt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug-Bordnetz (1) mindestens eine Steuereinheit (13) zur Ansteuerung der DC/DC-Wandler (14, 10–12) aufweist, wobei der mindestens eine weitere DC/DC-Wandler (10–12) nur aktiviert wird, wenn der weitre elektrische Verbraucher (7–9) elektrische Energie benötigt.
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