DE102017104958A1 - Batteriespeichersystem und Bordnetz zur fehlertoleranten Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher in einem Fahrzeug - Google Patents

Batteriespeichersystem und Bordnetz zur fehlertoleranten Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher in einem Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem (20), insbesondere für ein Fahrzeug (10), zur elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen (14, 14a, 14b), die redundant über einen ersten und einen zweiten Versorgungszweig (16, 18) an das Batteriespeichersystem (20) angeschlossen ist, mit einem ersten und zweiten Anschluss (22, 24) zur Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Versorgungszweig (16, 18), und wenigstens einem Masseanschluss (26, 28), einer Verbindungsleitung (32), die den ersten und den zweiten Anschluss (22, 24) verbindet, einer Quertrenn-Schaltvorrichtung (34), der in der Verbindungsleitung (32) angeordnet ist, um diese zu unterbrechen, einer ersten Energiespeichereinheit (40), die zwischen dem ersten Anschluss (22) und der Quertrenn-Schaltvorrichtung (34) mit der Verbindungsleitung (32) verbunden ist, und einer zweiten Energiespeichereinheit (42), die zwischen dem zweiten Anschluss (24) und der Quertrenn-Schaltvorrichtung (34) mit der Verbindungsleitung (32) verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz (12) mit einem solchen Batteriespeichersystem (20) und ein Fahrzeug mit einem solchen Bordnetz (12).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem, insbesondere für ein Fahrzeug, zur elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen, die redundant über einen ersten und einen zweiten Versorgungszweig an das Batteriespeichersystem angeschlossen ist, mit einem ersten und zweiten Anschluss zur Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Versorgungszweig, und wenigstens einem Masseanschluss, einer Verbindungsleitung, die den ersten und den zweiten Anschluss verbindet.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bordnetz, insbesondere für ein Fahrzeug, zur elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen, die redundant über einen ersten und einen zweiten Versorgungszweig an das Batteriespeichersystem angeschlossen ist, mit einem oben genannten Batteriespeichersystem.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem obigen Bordnetz.
  • In aktuellen Fahrzeugen werden zunehmend Fahrzeugfunktionen elektrisch gesteuert. Dies betrifft prinzipiell verschiedenartige Bereiche von einer Motorsteuerung über eine Pedalsteuerung für Gas und Bremse oder eine Übertragung einer Lenkbewegung bis hin zur Klimatisierung des Fahrzeugs oder anderen.
  • Derartige elektrische Systeme werden über ein Bordnetz mit elektrischer Energie versorgt. Das Bordnetz hat typischerweise eine Spannung von 12V, wobei auch zunehmend Bordnetze oder zumindest Teilnetze mit 24V, 48V oder sogar mehr Verwendung finden. Für elektrische Antriebe werden typischerweise mehrere hundert Volt bereitgestellt.
  • Aufgrund einer zunehmenden Integration von Assistenzsystemen in Fahrzeugen, die Funktionsumfänge bis hin zu einem automatisierten Fahren ermöglichen, muss das Bordnetz entsprechende Sicherheitsbedingungen erfüllen, um die Sicherheit beim Fahren zu gewährleisten. Generell ist es dabei bekannt, sicherheitsrelevante elektrische Fahrzeugfunktionen wie eine elektrische Lenkung, eine elektrische Bremse oder zumindest einen Teil einer Sensorik des Fahrzeugs über ein redundantes Bordnetz zu versorgen, um eine erhöhte Verfügbarkeit auch im Falle eines Fehlers im Energiebordnetz bereitzustellen. Die sicherheitsrelevanten Systeme sind also an beide Bordnetze angeschlossen
  • Zusätzlich ist es prinzipiell bekannt, sicherheitsrelevante Systeme insgesamt redundant auszulegen. Jedes System ist also doppelt ausgeführt, wobei jedes der Systems an jeweils ein Bordnetz angeschlossen ist.
  • In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus der DE 10 2013 225 020 A1 ein Bordnetz mit einem Basisbordnetz mit zumindest einer Energiequelle bekannt. Wenigstens eine Verbrauchergruppe ist mit einfach vorhandenen Verbrauchern über zwei Kanäle mit dem Basisbordnetz zur Versorgung mit elektrischer Energie aus der Energiequelle verbunden, wobei jeder der einfach vorhandenen Verbraucher über die zwei Kanäle mit dem Basisbordnetz zur Versorgung mit elektrischer Energie aus der Energiequelle verbunden ist, wobei wenigstens eine weitere, redundante Verbrauchergruppe mit redundanten Verbrauchern über die zwei Kanäle mit dem Basisbordnetz zur Versorgung mit elektrischer Energie aus der Energiequelle verbunden ist, wobei jeder der redundanten Verbraucher über genau einen der zwei Kanäle mit dem Basisbordnetz zur Versorgung mit elektrischer Energie aus der Energiequelle verbunden ist.
  • Weiterhin ist aus der DE 10 2013 221 578 A1 eine elektronische Vorrichtung für ein Fahrzeug bekannt. Die Vorrichtung weist eine erste Spannungsschnittstelle um Verbinden der Vorrichtung mit einer ersten Spannungsversorgung zum Bereitstellen einer ersten Spannung, eine zweite Spannungsschnittstelle zum Verbinden der Vorrichtung mit einer zweiten Spannungsversorgung zum Bereitstellen einer zweiten Spannung, ein mit der zweiten Spannung betreibbares Leistungselement und eine Steuerschaltung zum Steuern des Leistungselements auf. Ferner weist die Vorrichtung ein erstes Koppelungselement und ein zweites Kopplungselement auf, die je ausgebildet sind, um einen Stromfluss von einem Eingang zu einem Ausgang der Koppelungselemente zu ermöglichen und umgekehrt zu sperren. Ferner weist die Vorrichtung ein Trennelement mit einem ersten Eingang und einem galvanisch von dem ersten Eingang entkoppelten ersten Ausgang auf, wobei der erste Eingang mit den Ausgängen der Koppelungselemente verbunden ist. Ferner weist de Vorrichtung einen Spannungswandler auf, der zwischen den ersten Ausgang des Trennelements und einem ersten Versorgungsspannungseingang der Steuerschaltung geschaltet ist.
  • Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Batteriespeichersystem, ein Bordnetz mit einem solchen Batteriespeichersystem, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Bordnetz anzugeben, die die Fahrsicherheit erhöhen und eine hohe Zuverlässigkeit in der elektrischen Energieversorgung insbesondere sicherheitsrelevanter Steuergeräte und Funktionen liefern.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist somit ein Batteriespeichersystem angegeben, insbesondere für ein Fahrzeug, zur elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen, die redundant über einen ersten und einen zweiten Versorgungszweig an das Batteriespeichersystem angeschlossen ist, mit einem ersten und zweiten Anschluss zur Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Versorgungszweig, und wenigstens einem Masseanschluss, einer Verbindungsleitung, die den ersten und den zweiten Anschluss verbindet, einer Quertrenn-Schaltvorrichtung, der in der Verbindungsleitung angeordnet ist, um diese zu unterbrechen, einer ersten Energiespeichereinheit, die zwischen dem ersten Anschluss und der Quertrenn-Schaltvorrichtung mit der Verbindungsleitung verbunden ist, und einer zweiten Energiespeichereinheit, die zwischen dem zweiten Anschluss und der Quertrenn-Schaltvorrichtung mit der Verbindungsleitung verbunden ist.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Bordnetz angegeben, insbesondere für ein Fahrzeug, zur elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen, die redundant über einen ersten und einen zweiten Versorgungszweig an das Batteriespeichersystem angeschlossen sind, mit einem oben genannten Batteriespeichersystem, wobei der erste Versorgungszweig mit dem ersten Anschluss und der zweite Versorgungszweig mit dem zweiten Anschluss verbunden ist, und der Masseanschluss mit einer Masse des Bordnetzes verbunden ist.
  • Erfindungsgemäß ist außerdem ein Fahrzeug mit einem obigen Bordnetz angegeben.
  • Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, das Batteriespeichersystem mit zwei separaten Energiespeichereinheiten auszuführen, um einerseits einen separaten Betrieb der an die Anschlüsse angeschlossenen Versorgungszweige mit jeweils einer der Energiespeichereinheiten zu ermöglichen, und um andererseits beide Versorgungszweige redundant mit elektrischer Energie versorgen zu können. Somit kann im Falle eines Fehlers in einem der Versorgungszweige der jeweils andere Versorgungszweig weiter betrieben werden. Entsprechend kann die wenigstens eine elektrische Fahrzeugfunktion, beispielsweise eine elektrische Lenkung, eine elektrische Bremse, oder andere, bei einer Störung des ersten Versorgungszweigs über den zweiten Versorgungszweig weiter betrieben werden, oder umgekehrt. Durch die Verwendung von zwei Energiespeichereinheiten, die parallel an die Verbindungsleitung angeschlossen sind, wird auch in Bezug auf die Energiespeichereinheiten eine Redundanz geschaffen, so dass bei einem Ausfall einer Energiespeichereinheit zumindest der nicht von dieser Energiespeichereinheit versorgte Versorgungszweig weiterhin versorgt werden kann.
  • Durch die Quertrenn-Schaltvorrichtung können die zwei Versorgungszweige somit elektrisch getrennt werden, wodurch sich auch eine Isolation des Fehlers in den entsprechenden Versorgungszweigen bzw. Energiespeichereinheiten ergibt.
  • Die elektrische Fahrzeugfunktion ist vorzugsweise eine sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktion, so dass Sicherheitsanforderungen durch die redundante Versorgung über die beiden Versorgungszweige erfüllt werden können. Dabei kann die sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktion durch ein einzelnes Gerät, beispielsweise ein Steuergerät, realisiert werden, welches redundant an die beiden Versorgungszweige angeschlossen ist und beim Ausfall eines Versorgungszweigs über den anderen Versorgungszweig mit Energie versorgt werden kann. Alternativ kann die elektrische Fahrzeugfunktion beispielsweise über zwei unabhängige Geräte, beispielsweise zwei Steuereinrichtungen, die dieselbe Funktion in redundanter Weise bereitstellen, realisiert werden. In diesem Fall ist jedes der einzelnen Geräte mit einem anderen der beiden Versorgungszweige verbunden. In letztem Fall kann statt einem Versorgungszweig eines der beiden redundanten Geräte ausfallen, ohne dass die elektrische Fahrzeugfunktion beeinträchtigt wird.
  • Das Bordnetz ist vorzugsweise ein Niedervoltnetz mit 12V. Alternativ kann das Bordnetz auch eine davon abweichende Spannung von 24V, 48 V oder sogar mehr aufweisen oder zwei Versorgungszweige sind über einen Spannungswandler derart miteinander verbunden, dass sie unterschiedliche Spannungen führen.
  • Die Energiespeichereinheiten sind vorzugsweise als wieder aufladbare Energiespeichereinheiten ausgeführt, beispielsweise als Batteriespeicher.
  • Die Größe der Energiespeichereinheiten kann prinzipiell beliebig gewählt sein, wobei von den Energiespeichereinheiten typischerweise keine Energie für einen elektrischen Antrieb bereitgestellt wird. Für die Energiespeichereinheiten sind prinzipiell verschiedene Kapazitäten und Konstellationen denkbar, beispielsweise abhängig von einer Anzahl in dem Fahrzeug zu versorgender Verbraucher sowie deren elektrischer Anforderungen. Die Größe der einzelnen Energiespeichereinheiten ist vorzugsweise abhängig von einer Gesamtzahl elektrischer Verbraucher und erforderlicher Leistungen, Energie und Dynamik in dem jeweiligen Versorgungszweig gewählt. Prinzipiell können auch weitere Energiespeichereinheiten und/oder Versorgungszweige vorgesehen sein. Das Bordnetz und das Batteriespeichersystem lassen sich nach den gleichen, hier beschriebenen Prinzipien auf eine erhöhte Redundanz mit beispielsweise drei parallelen Versorgungszweigen erweitern.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Quertrenn-Schaltvorrichtung mit Halbleiterschaltelementen ausgeführt. Dies ermöglicht eine schnelle Durchführung von Schaltvorgängen, um die beiden Versorgungszweige im Fehlerfall zu trennen. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Quertrenn-Schaltvorrichtung ein Schütz. Halbleiterschaltelemente ermöglichen eine schnelle Durchführung von Schaltvorgängen, und das Schütz hat als Schaltelement mit hoher Zuverlässigkeit bewährt. Besonders bevorzugt umfasst die Quertrenn-Schaltvorrichtung eine Reihenschaltung eines Schützes mit wenigstens einem Halbleiterschaltelement oder einer Schalteinheit mit einer Mehrzahl Halbleiterschaltelemente.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriespeichersystem einen ersten und/oder einen zweiten Trennschalter auf, der die erste bzw. die zweite Energiespeichereinheit mit der Verbindungsleitung verbindet. Durch den ersten und/oder zweiten Trennschalter wird ein Schutz der ersten bzw. zweiten Energiespeichereinheit gegen Überlastung sichergestellt, indem die jeweilige Energiespeichereinheit elektrisch isoliert wird. Somit kann bei einem Ausfall beispielsweise einer Energiespeichereinheit eine Trennung der entsprechenden Energiespeichereinheit von beiden Versorgungszweigen erfolgen. Bei geschlossener Quertrenn-Schaltvorrichtung können somit beide Versorgungszweige gemeinsam von der jeweils anderen Energiespeichereinheit versorgt werden. Bei einem Kurzschluss in einen der Versorgungszweige kann zunächst die Quertrenn-Schaltvorrichtung betätigt werden, um die beiden Versorgungszweige elektrisch zu isolieren. Außerdem kann die Energiespeichereinheit, die mit dem Versorgungszweig mit dem Kurzschluss verbunden ist, durch den Trennschalter isoliert werden, um eine Überlastung zu verhindern. Der Trennschalter kann ein Schütz und/oder eine Schmelzsicherung und oder wenigstens ein Halbleiterschaltelement aufweisen. Halbleiterschaltelemente ermöglichen eine schnelle Durchführung von Schaltvorgängen, die Schmelzsicherung gewährt einen Schutz gegen thermische Überlastung, und das Schütz hat als Schaltelement mit hoher Zuverlässigkeit bewährt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriespeichersystem einen ersten und zweiten Masseanschluss auf, das Batteriespeichersystem weist eine Massequerverbindung auf, die den ersten und den zweiten Masseanschluss verbindet, die Massequerverbindung ist mit einem Massetrennschalter ausgeführt, um die Massequerverbindung zu unterbrechen, die erste Energiespeichereinheit ist zwischen dem ersten Masseanschluss und dem Massetrennschalter mit der Massequerverbindung verbunden, und die zweite Energiespeichereinheit ist zwischen dem zweiten Masseanschluss und dem Massetrennschalter mit der Massequerverbindung verbunden. Somit können auch Ströme über den Masseanschluss vermieden werden, die eine potentielle Gefahr für den Betrieb des Batteriespeichersystems darstellen. Eine Ansteuerung des Massentrennschalters erfolgt vorzugsweise parallel mit der Quertrenn-Schaltvorrichtung, so dass die Trennung der Masseverbindung wie auch der Verbindungsleitung zeitgleich erfolgen kann. Der Massetrennschalter kann integral mit der Quertrenn-Schaltvorrichtung ausgeführt sein, beispielsweise als zweipoliger Schalter, der sowohl als Teil der Quertrenn-Schaltvorrichtung wie auch als Massetrennschalter wirkt. Prinzipiell kann der Aufbau des Massetrennschalters wie der Aufbau der Quertrenn-Schaltvorrichtung sein.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Batteriespeichersystem ein Batteriemanagementsystem. Das Batteriemanagementsystem kann übliche Aufgaben zur Überwachung der Funktion der beiden Energiespeichereinheiten durchführen, indem es beispielsweise Lade- und Entladeströme überwacht. Darüber hinaus kann das Batteriemanagementsystem Energie zwischen den beiden Energiespeichereinheiten transferieren, um einen maximale Bereitschaft beider Versorgungszweige zu gewährleisten. Das Batteriemanagementsystem kann als einzelnes Batteriemanagementsystem für beide Energiespeichereinheiten ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich umfasst jede der Energiespeichereinheiten ein individuelles Batteriemanagementsystem. Die individuellen Batteriemanagementsysteme der beiden Energiespeichereinheiten werden vorzugsweise gemeinsam angesteuert, entweder indem eines der individuellen Batteriemanagementsysteme der beiden Energiespeichereinheiten als Master diese Funktion übernimmt, oder durch ein übergeordnetes Batteriemanagementsystem auf Ebene des Batteriespeichersystems. Mit dem Batteriemanagementsystem erfolgt vorzugsweise eine Synchronisation zum Trennen der Versorgungszweige über die Quertrenn-Schaltvorrichtung. Vorzugsweise wird dabei auch ein dem entsprechenden Versorgungszweig zugeordneter Energiespeicher von dem Versorgungszweig getrennt, beispielsweise über einen Trennschalter. Quertrenn-Schaltvorrichtung und Trennschalter werden vorzugsweise synchronisiert betätigt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Batteriespeichersystem eine Kommunikationsschnittstelle, z.B. CAN oder FXR. Über die Kommunikationsschnittstelle kann das Batteriespeichersystem mit einer zentralen Steuerungseinheit des Fahrzeugs verbunden werden, um Informationen auszutauschen und Steuerbefehle zu empfangen. Vorzugsweise ist die Kommunikationsschnittstelle ausgeführt, zusätzlich Informationen über die Batteriemanagementsysteme der ersten und zweiten Energiespeichereinheiten bereitzustellen.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Batteriespeichersystem als modulare Baugruppe ausgeführt. Entsprechend kann das Batteriespeichersystem als Einheit auf einfache Weise montiert und ggf. ersetzt werden. Auch können einzelne Komponenten des Batteriespeichersystems wiederum modular ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die modulare Baugruppe mit einem umschließenden Gehäuse ausgeführt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriespeichersystem ein umschließendes Gehäuse auf. Das Gehäuse ist vorzugsweise als Isoliergehäuse ausgeführt. Der erste und zweite Anschluss und der wenigstens eine Massenanschluss werden an dem Gehäuse vorzugsweise als Verbindungsklemmen bereitgestellt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Batteriespeichersystem eine Überwachungseinheit zur Überwachung des ersten und/oder des zweiten Versorgungszweigs auf, und die Überwachungseinheit ist ausgeführt, die Quertrenn-Schaltvorrichtung abhängig von der Überwachung des ersten und/oder des zweiten Versorgungszweigs zu betätigen. Die Überwachungseinheit überwacht also die Versorgung der beiden Versorgungszweige, um einen Fehler unmittelbar zu erkennen. Dies beinhaltet, dass auch die Energiespeichereinheiten von der Überwachungseinheit überwacht werden, um einen dort auftretenden Fehler zu erkennen. Die Überwachung kann dabei im Detail mit einem Batteriemanagementsystem der jeweiligen Energiespeichereinheit erfolgen, welche im Fehlerfall einen Fehler an die Überwachungseinheit meldet. Die Überwachungseinheit kann prinzipiell auch separat von dem Batteriespeichersystem ausgeführt und angeordnet sein, beispielsweise als Teil des Bordnetzes. Ausgehend von einem erkannten Fehler wird von der Überwachungseinheit die Quertrenn-Schaltvorrichtung betätigt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Batteriespeichersystem ausgeführt, die Quertrenn-Schaltvorrichtung im Normalbetrieb zu schließen, und die Quertrenn-Schaltvorrichtung in einem Diagnosemodus kurzzeitig zu öffnen. Über das kurzzeitige Betätigen der Quertrenn-Schaltvorrichtung kann nicht nur die Funktion der Quertrenn-Schaltvorrichtung selber überprüft werden. Zusätzlich kann dadurch auch eine Diagnose der Versorgung der beiden Versorgungszweige erfolgen.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und die zweite Energiespeichereinheit als lithiumbasierte Energiespeichereinheiten ausgeführt, insbesondere als LiFePo-Batterien. Lithiumbasierte Energiespeicher haben sich für die Verwendung im Fahrzeugbereich aufgrund ihres Gewichts und ihrer Speicherkapazität bereits bewährt. LiFePo-Batterien betreffen Batterien basierend auf Lithium-Eisenphosphat mit einer Zellspannung von 3,2 V bzw. 3,3 V. Als Kathodenmaterial wird Lithium-Eisenphosphat (LiFeP04) verwendet. Die Anode besteht aus Graphit oder hartem Kohlenstoff mit eingelagertem Lithium. LiFePo-Batterien neigen bei mechanischen Beschädigungen nicht zu thermischem Durchgehen, wodurch die Fahrzeugsicherheit beispielsweise bei einem Unfall gewährleistet werden kann.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Es zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Bordnetz mit zwei redundanten Versorgungszweigen und einem Batteriespeichersystem,
    • 2: eine schematische Darstellung des Bordnetzes des Fahrzeugs gemäß der ersten Ausführungsform mit zwei Versorgungszweigen und einem Batteriespeichersystem, und
    • 3: eine schematische Darstellung einer ersten und zweiten Energiespeichereinheit des Batteriespeichersystems der ersten Ausführungsform.
  • Die 1 zeigt ein Fahrzeug 10 gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Fahrzeug 10 umfasst ein Bordnetz 12 zur elektrischen Versorgung einer Mehrzahl elektrischer Fahrzeugfunktionen 14. Das Bordnetz 12 ist in 2 separat dargestellt. Das Bordnetz 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Niedervoltnetz mit einer Gleichspannung von 12V. Alternativ ist das Bordnetz 12 mit einer Spannung von 24V oder 48V ausgeführt. Die elektrischen Fahrzeugfunktionen 14 umfassen in dem Fahrzeug 10 des ersten Ausführungsbeispiels eine elektrische Lenkung 14a und eine elektrische Bremse 14b. Die elektrischen Fahrzeugfunktionen 14 sind mit einem ersten und einem zweiten Versorgungszweig 16, 18 verbunden. Der erste und zweite Versorgungszweig 16, 18 bilden eine redundante Versorgung für die elektrischen Fahrzeugfunktionen 14, d.h. die Fahrzeugfunktionen 14 sind als einzelnes Gerät, beispielsweise Steuergerät, an beide Versorgungszweige 16, 18 parallel angeschlossen, wie in Fig. 1 für die Bremse 14b und die Lenkung 14a dargestellt ist. Alternativ können die elektrischen Fahrzeugfunktionen 14 jeweils zwei elektrische redundante elektrische Geräte, beispielsweise Steuergeräte, aufweisen, die alternativ über jeweils einen der beiden Versorgungszweige 16, 18 versorgt werden.
  • Das Bordnetz 12 umfasst ein Batteriespeichersystem 20. Das Batteriespeichersystem 20 umfasst einen ersten und zweiten Anschluss 22, 24, die entsprechend mit dem ersten und dem zweiten Versorgungszweig 16, 18 verbunden sind. Außerdem umfasst das Batteriespeichersystem 20 einen ersten und einen zweiten Masseanschluss 26, 28, die mit einer Masse 30 des Bordnetzes 12 verbunden sind.
  • Weiter umfasst das Batteriespeichersystem 20 eine Verbindungsleitung 32, die den ersten und den zweiten Anschluss 22, 24 verbindet, wobei in der Verbindungsleitung 32 eine Quertrenn-Schaltvorrichtung 34 angeordnet ist, um diese zu unterbrechen. Die Quertrenn-Schaltvorrichtung 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit Halbleiterschaltelementen und einem Schütz ausgeführt. Die Halbleiterschaltelemente bilden dabei eine Schalteinheit, die in Reihe zu dem Schütz angeordnet ist.
  • Auch umfasst das Batteriespeichersystem 20 eine Massequerverbindung 36, die den ersten und den zweiten Masseanschluss 26, 28 verbindet. Die Massequerverbindung 36 ist hier mit einem prinzipiell optionalen Massetrennschalter 38 ausgeführt, um die Massequerverbindung 36 zu unterbrechen. Der Massetrennschalter 38 ist in Übereinstimmung mit der Quertrenn-Schaltvorrichtung 34 mit einer Reihenschaltung aus einer Schalteinheit mit Halbleiterschaltelementen und einem Schütz ausgeführt.
  • Das Batteriespeichersystem 20 umfasst eine erste Energiespeichereinheit 40, die zwischen dem ersten Anschluss 22 und der Quertrenn-Schaltvorrichtung 34 mit der Verbindungsleitung 32 und zwischen dem ersten Masseanschluss 26 und dem Massetrennschalter 38 mit der Massequerverbindung 36 verbunden ist. Das Batteriespeichersystem 20 umfasst eine zweite Energiespeichereinheit 42, die zwischen dem zweiten Anschluss 24 und der Quertrenn-Schaltvorrichtung 34 mit der Verbindungsleitung 32 und zwischen dem zweiten Masseanschluss 28 und dem Massetrennschalter 38 mit der Massequerverbindung 36 verbunden ist. Die erste Energiespeichereinheit 40 und die zweite Energiespeichereinheit 42 sind in 3 im Detail dargestellt.
  • Die erste und zweite Energiespeichereinheit 40, 42 sind als wieder aufladbare lithiumbasierte Energiespeichereinheiten 40, 42 ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Energiespeichereinheiten 40, 42 konkret als LiFePo-Batterien (Lithium-Eisenphosphat-Batterien) ausgeführt. Die beiden Energiespeichereinheiten 40, 42 weisen jeweils eine gleiche Anzahl in Reihe geschalteter Einzelzellen 43 auf, um die Spannung von etwa 12V bereitzustellen. Die erste Energiespeichereinheit 40 weist jeweils zwei parallele Einzelzellen auf, und die zweite Energiespeichereinheit 42 nur eine Einzelzelle 43, wodurch die erste Energiespeichereinheit 40 gegenüber der zweiten Energiespeichereinheit 42 einen höheren Strom bereitstellen kann. Details des Aufbaus der der ersten und zweiten Energiespeichereinheit 40, 42 ergeben sich aus 3.
  • Die erste und die zweite Energiespeichereinheit 40, 42 weisen jeweils einen ersten bzw. zweiten Trennschalter 44, 46 auf, über den die Einzelzellen 43 trennbar mit der Verbindungsleitung 32 verbunden sind. Der erste bzw. zweite Trennschalter 44, 46 trennt die Einzelzellen 43 der jeweiligen Energiespeichereinheit 40, 42 bei Betätigung von der Verbindungsleitung 32.
  • Das Batteriespeichersystem 20 umfasst auch zwei Batteriemanagementsysteme 48 zur Überwachung der Funktion der beiden Energiespeichereinheiten 40, 42. Jeder der beiden Energiespeichereinheiten 40, 42 ist somit ein Batteriemanagementsystem 48 zugeordnet, welches die jeweilige Energiespeichereinheit 40, 42 überwacht und den dazugehörigen Trennschalter 44, 46 bei Bedarf betätigt.
  • Das Batteriespeichersystem 20 umfasst zusätzlich eine Kommunikationsschnittstelle 50, die in diesem Ausführungsbeispiel zur Verbindung mit einem CAN-Bus 52 ausgeführt ist. Das Batteriespeichersystem 20 ist über die Kommunikationsschnittstelle 50 und den CAN-Bus 52 mit einer zentralen Steuerungseinheit 54 des Fahrzeugs 10 verbunden. Die Kommunikationsschnittstelle 50 stellt auch Informationen über die Batteriemanagementsysteme 48 der ersten und zweiten Energiespeichereinheiten 40, 42 bereit.
  • Das Batteriespeichersystem 20 weist weiterhin eine Überwachungseinheit 56 zur Überwachung des ersten und des zweiten Versorgungszweigs 16, 18 auf. Die Überwachungseinheit 56 überwacht im Detail die Versorgung der beiden Versorgungszweige 16, 18, um einen Fehler unmittelbar zu erkennen. Dazu ist die Überwachungseinheit 56 mit jeweils einer Messverbindung 58 mit dem ersten und zweiten Versorgungszweig 16, 18 verbunden. Außerdem überwacht die Überwachungseinheit 56 über die Batteriemanagementsysteme 48 die Energiespeichereinheiten 40, 42, um einen dort auftretenden Fehler zu erkennen. Die Überwachungseinheit 56 ist weiter ausgeführt, abhängig von der Überwachung des ersten und des zweiten Versorgungszweigs 16, 18 der Quertrenn-Schaltvorrichtung 34 und den Massentrennschalter 38 parallel und zeitgleich zu betätigen, um die beiden Versorgungszweige 16, 18 mit den entsprechenden Energiespeichereinheiten 40, 42 zu trennen. In einem erkannten Fehlerfall wird außerdem die Energiespeichereinheit 40, 42 des fehlerhaften Versorgungszweigs 16, 18 über den entsprechenden Trennschalter 44, 46 elektrisch isoliert.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist die Überwachungseinheit 56 separat von dem Batteriespeichersystem 20 als Teil des Bordnetzes 12 ausgeführt und angeordnet.
  • Das Batteriespeichersystem 20 ist insgesamt als modulare Baugruppe ausgeführt. Zusätzlich sind auch die erste und zweite Energiespeichereinheit 40, 42 modular in dem Batteriespeichersystem 20 ausgeführt, so dass sie austauschbar sind.
  • Das Batteriespeichersystem 20 umfasst ein umschließendes Gehäuse 60, das als Isoliergehäuse ausgeführt ist. Der erste und zweite Anschluss 22, 24 und der erste und zweite Massenanschluss 26, 28 sind an dem Gehäuse 60 als Verbindungsklemmen bereitgestellt. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Batteriespeichersystems 20 ohne Massentrennschalter 38 ist an dem Gehäuse 60 nur eine Verbindungsklemme als gemeinsamer Masseanschluss bereitgestellt.
  • 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.
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Claims (10)

  1. Batteriespeichersystem (20), insbesondere für ein Fahrzeug (10), zur elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen (14, 14a, 14b), die redundant über einen ersten und einen zweiten Versorgungszweig (16, 18) an das Batteriespeichersystem (20) angeschlossen ist, mit einem ersten und zweiten Anschluss (22, 24) zur Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Versorgungszweig (16, 18), und wenigstens einem Masseanschluss (26, 28), einer Verbindungsleitung (32), die den ersten und den zweiten Anschluss (22, 24) verbindet, einer Quertrenn-Schaltvorrichtung (34), der in der Verbindungsleitung (32) angeordnet ist, um diese zu unterbrechen, einer ersten Energiespeichereinheit (40), die zwischen dem ersten Anschluss (22) und der Quertrenn-Schaltvorrichtung (34) mit der Verbindungsleitung (32) verbunden ist, und einer zweiten Energiespeichereinheit (42), die zwischen dem zweiten Anschluss (24) und der Quertrenn-Schaltvorrichtung (34) mit der Verbindungsleitung (32) verbunden ist.
  2. Batteriespeichersystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriespeichersystem (20) einen ersten und/oder einen zweiten Trennschalter (44, 46) aufweist, der die erste bzw. die zweite Energiespeichereinheit (40, 42) mit der Verbindungsleitung (32) verbindet.
  3. Batteriespeichersystem (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriespeichersystem (20) einen ersten und zweiten Masseanschluss (26, 28) aufweist, das Batteriespeichersystem (20) eine Massequerverbindung (36) aufweist, die den ersten und den zweiten Masseanschluss verbindet (26, 28), die Massequerverbindung (36) mit einem Massetrennschalter (38) ausgeführt ist, um die Massequerverbindung (36) zu unterbrechen, die erste Energiespeichereinheit (40) zwischen dem ersten Masseanschluss (26) und dem Massetrennschalter (38) mit der Massequerverbindung (36) verbunden ist, und die zweite Energiespeichereinheit (42) zwischen dem zweiten Masseanschluss (28) und dem Massetrennschalter (38) mit der Massequerverbindung (36) verbunden ist.
  4. Batteriespeichersystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriespeichersystem (20) ein Batteriemanagementsystem (48) umfasst.
  5. Batteriespeichersystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriespeichersystem (20) als modulare Baugruppe ausgeführt ist.
  6. Batteriespeichersystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriespeichersystem (20) eine Überwachungseinheit (56) zur Überwachung des ersten und/oder des zweiten Versorgungszweigs (16, 18) aufweist, und die Überwachungseinheit (56) ausgeführt ist, die Quertrenn-Schaltvorrichtung (34) abhängig von der Überwachung des ersten und/oder des zweiten Versorgungszweigs (16, 18) zu betätigen.
  7. Batteriespeichersystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriespeichersystem (20) ausgeführt ist, die Quertrenn-Schaltvorrichtung (34) im Normalbetrieb zu schließen, und die Quertrenn-Schaltvorrichtung (34) in einem Diagnosemodus kurzzeitig zu öffnen.
  8. Batteriespeichersystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Energiespeichereinheit (40, 42) als lithiumbasierte Energiespeichereinheiten (40, 42) ausgeführt sind, insbesondere als LiFePo-Batterien.
  9. Bordnetz (12), insbesondere für ein Fahrzeug (10), zur elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen (14, 14a, 14b), die redundant über einen ersten und einen zweiten Versorgungszweig (16, 18) an das Batteriespeichersystem (20) angeschlossen ist, mit einem Batteriespeichersystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Versorgungszweig (16) mit dem ersten Anschluss (22) und der zweite Versorgungszweig (18) mit dem zweiten Anschluss (24) verbunden ist, und der Masseanschluss (26, 28) mit einer Masse (30) des Bordnetzes (12) verbunden ist.
  10. Fahrzeug (10) mit einem Bordnetz (12) nach dem vorhergehenden Anspruch 9.
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