-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batteriespeichersystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem ersten und zweiten Anschluss zur Verbindung mit einem ersten und einem zweiten Versorgungszweig, wobei der erste und/oder der zweite Versorgungszweig zur sicheren elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen ausgeführt ist, einer Verbindungsleitung, die den ersten und den zweiten Anschluss verbindet, einer Quertrenn-Schaltvorrichtung, die 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.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit einem Versorgungsstrang zum Anschluss wenigstens eines Energieverbrauchers und/oder wenigstens eines Energieerzeugers, und einem sicheren Bordnetz zur sicheren elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen.
-
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. Demgegenüber werden für elektrische Antriebe typischerweise Spannungen von mehreren hundert Volt bereitgestellt.
-
Aufgrund einer zunehmenden Integration von Assistenzsystemen in Fahrzeugen, die Funktionsumfänge bis hin zu einem automatisierten Fahren ermöglichen, wie auch einer zunehmenden Elektrifizierung bisher mechanischer Systems, werden die Bordnetze zunehmend belastet. Eine Anzahl von angeschlossenen Verbrauchern nimmt mit jeder neuen Fahrzeuggeneration zu. Daher werden die Anforderungen an das Bordnetz immer komplexer.
-
Mit der Zunahme elektrisch gesteuerter Fahrzeugfunktionen muss das Bordnetz zusätzliche Sicherheitsbedingungen erfüllen, um die Sicherheit beim Fahren zu gewährleisten. Dabei ist es beispielsweise 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 elektrische Systeme insgesamt redundant auszulegen. Jedes System ist also doppelt ausgeführt, wobei jedes der Systeme an jeweils einen unterschiedlichen Teil des Bordnetzes angeschlossen sein kann.
-
Dabei ist außerdem ein Schutz der Energiespeichereinheiten zu beachten. Diese sind typischerweise mit einer zusätzlichen Abschaltvorrichtung ausgeführt, um eine Abschaltung der Energiespeichereinheiten gezielt durchführen zu können. Die Abschaltung kann somit beispielsweise in Überlastsituationen oder bei thermischen Problemen durchgeführt werden. Solche Abschaltvorrichtungen sind beispielsweise als Schütz oder als Halbleiterschaltelement ausgeführt. Dies erhöht den Aufwand für die Verwendung der Energiespeichereinheiten. Außerdem weisen insbesondere Schütze auch ein hohes Eigengewicht aus, wodurch das Fahrzeuggewicht erhöht wird. Die führt zu einer Verschlechterung der Fahreigenschaften des Fahrzeugs und zu einer Erhöhung des Energieverbrauchs.
-
In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus der
DE 10 2017 104 958 A1 ein Batteriespeichersystem für ein Fahrzeug bekannt 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.
-
Weiterhin ist 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.
-
Außerdem 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.
-
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 vorgesehen, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem ersten und zweiten Anschluss zur Verbindung mit einem ersten und einem zweiten Versorgungszweig, wobei der erste und/oder der zweite Versorgungszweig zur sicheren elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen ausgeführt ist, einer Verbindungsleitung, die den ersten und den zweiten Anschluss verbindet, einer Quertrenn-Schaltvorrichtung, die 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, wobei das Batteriespeichersystem einen Bordnetzanschluss zur Verbindung der Verbindungsleitung mit einem Versorgungsstrang des Fahrzeugs aufweist, das Batteriespeichersystem eine Bordnetztrennvorrichtung aufweist oder dem Batteriespeichersystem eine Bordnetztrennvorrichtung zugeordnet ist, mit welcher ein Mittelbereich der Verbindungsleitung zwischen der ersten und zweiten Energiespeichereinheit von dem Versorgungsstrang trennbar ist, und die Verbindungsleitung an ihrem Ende des ersten Anschlusses und des zweiten Anschlusses jeweils eine Zweig-Trennvorrichtung aufweist.
-
Erfindungsgemäß ist außerdem ein Bordnetz für ein Fahrzeug vorgesehen mit einem Versorgungsstrang zum Anschluss wenigstens eines Energieverbrauchers und/oder wenigstens eines Energieerzeugers, und einem sicheren Bordnetz zur sicheren elektrischen Versorgung wenigstens einer elektrischen Fahrzeugfunktionen, das sichere Bordnetz umfassend ein obiges Batteriespeichersystem, einem ersten Versorgungszweig, der mit dem ersten Anschluss des Batteriespeichersystems verbunden ist, und einem zweiten Versorgungszweig, der mit dem zweiten Anschluss des Batteriespeichersystems verbunden ist, wobei das Batteriespeichersystem über seinen Bordnetzanschluss mit dem Versorgungsstrang verbunden ist.
-
Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Fahrzeug mit einem obigen Bordnetz vorgesehen.
-
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es also, das Batteriespeichersystem so auszuführen und anzusteuern, dass mit der Bordnetztrennvorrichtung, der Quertrenn-Schaltvorrichtung und den Zweig-Trennvorrichtungen einerseits eine Isolation jedes der beiden Anschlüsse erfolgen kann, und andererseits die Energiespeichereinheiten abgetrennt werden können. Zusätzlich kann das Batteriespeichersystem mit der Bordnetztrennvorrichtung von dem Bordnetz getrennt werden, um davon unabhängig die Versorgungszweige mit Energie versorgen zu können. Somit kann das Batteriespeichersystem mit einer geringen Anzahl Schalt- bzw. Trennvorrichtungen ausgeführt werden, und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit zur sicheren Versorgung von Verbrauchern erreichen.
-
Somit kann das das Batteriespeichersystem über den in das Bordnetz integriert.
-
Im Detail ist dabei zu beachten, dass das Batteriespeichersystem weiterhin als sicheres Batteriespeichersystem eine zuverlässige und sichere Versorgung daran angeschlossener Verbraucher zur Bereitstellung elektrischer Fahrzeugfunktionen gewährleisten kann. Dazu ist die Bordnetztrennvorrichtung vorgesehen, mit der eine elektrische Trennung der Verbindungsleitung von dem Versorgungsstrang erfolgen kann. In dem Versorgungsstrang auftretende elektrische Fehler können somit isoliert werden, so dass das Batteriespeichersystem in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird. An den ersten und zweiten Anschluss angeschlossene Verbraucher können somit auch im Falle eines Fehlers in dem Versorgungsstrang weiter mit Energie versorgt werden. Gleichzeitig kann die Energieversorgung des Bordnetzes insgesamt durch die Kombination des Batteriespeichersystems, welches eine sicher Versorgung der Verbraucher an dem ersten und zweiten Versorgungszweig ermöglicht, mit dem konventionellen Versorgungsstrang verbessert werden. So können beispielsweise die Energiespeichereinheiten des Batteriespeichersystems wie auch weitere Energiespeicher, die in dem Versorgungsstrang angeordnet oder damit verbunden sind, gemeinsam zur Versorgung von Verbrauchern genutzt werden. Auch kann eine Energieversorgung über den Versorgungsstrang, beispielsweise mit einem Generator, üblicherweise auch als Lichtmaschine bezeichnet, oder einem DC/DC-Wandler zur Wandlung von Antriebsenergie aus einem entsprechenden elektrischen Speicher des Fahrzeugs und/oder beim Anschluss an eine externe Spannungsversorgung, erfolgen, um die Energiespeichereinheiten des Batteriespeichersystems zu laden.
-
Darüber hinaus kann in dieser Beschaltung auf eine zusätzliche schaltbare Trennvorrichtung für die Energiespeichereinheiten verzichtet werden. Die die verschiedenen Schaltvorrichtungen mit der Quertrenn-Schaltvorrichtung und den Zweig-Trennvorrichtungen ermöglicht zusätzlich zu der Isolation einzelner Versorgungszweige zusätzlich eine Isolation einer der Energiespeichereinheiten durch einen aktiven Schaltvorgang. Zusätzliche Schütze zum Trennen der Energiespeichereinheiten können somit entfallen. Dies ermöglicht bei einem vereinfachten Aufbau des Batteriespeichersystems gleichzeitig eine Gewichtsreduktion.
-
Das Bordnetz umfasst zusätzlich eine Masseverbindung, die beispielsweise unter Verwendung der Karosserie des Fahrzeugs bereitgestellt wird, und die die elektrischen Fahrzeugfunktionen mit dem Batteriespeichersystem verwendet, um einen Stromfluss zu ermöglichen. Dazu kann das Batteriespeichersystem einen oder mehrere Masseanschlüsse aufweisen.
-
Die elektrische Fahrzeugfunktion ist vorzugsweise eine sicherheitsrelevante Fahrzeugfunktion, so dass Sicherheitsanforderungen durch eine 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 Energiespeichereinheiten sind in dem Batteriespeichersystem vorzugsweise derart räumlich getrennt angeordnet und/oder thermisch isoliert, dass eine Überhitzung einer Energiespeichereinheit nicht zu einer Beeinträchtigung der anderen Energiespeichereinheit führt.
-
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. Ein typischer Wert für die Kapazität der Energiespeichereinheiten liegt bei 20 Ah bis 100 Ah, vorzugsweise 40 Ah bis 60 Ah.
-
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 weist das Batteriespeichersystem eine erste und/oder eine zweite Schmelzsicherung auf, welche die erste bzw. die zweite Energiespeichereinheit mit der Verbindungsleitung verbindet. Durch die erste und/oder zweite Schmelzsicherung wird ein Schutz der ersten bzw. zweiten Energiespeichereinheit gegen Überlastung sichergestellt, indem die jeweilige Energiespeichereinheit elektrisch von der Verbindungsleitung getrennt werden kann. Die Schmelzsicherung gewährt insbesondere einen Schutz gegen thermische Überlastung. Die Schmelzsicherung ermöglicht bietet somit eine zusätzliche Absicherung der jeweiligen Energiespeichereinheit.
-
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 jeder der beiden Energiespeichereinheiten 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 Steuerungssystem. Vorzugsweise sind die beiden individuellen Batteriemanagementsysteme diversitär ausgeführt, beispielsweise von unterschiedlichen Herstellern, um eine Beeinträchtigung der Versorgung durch gleichzeitige Fehler in den Batteriemanagementsystemen zu vermeiden. Das Batteriemanagementsystem ist insgesamt ausgeführt, die Bordnetztrennvorrichtung und alle weiteren Schalteinrichtungen zu betätigen. Dabei können einzelne Schaltvorgänge beispielsweise durch die individuellen Batteriemanagementsysteme autark ausgeführt werden, um eine möglichst geringe Reaktionszeit zu ermöglichen.
-
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.
-
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. Das Gehäuse ist vorzugsweise crashgeschützt 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 wenigstens ein Massenanschluss werden an dem Gehäuse vorzugsweise als Verbindungsklemmen bereitgestellt.
-
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, ihres gegenüber Bleiakkus geringen Innenwiderstands und ihrer Speicherkapazität 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 (LiFePO4) 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. Alternativ können die Energiespeichereinheiten auch auf einer anderen Technik basieren, beispielsweise als konventioneller Bleiakku. Insbesondere können die erste und die zweite Energiespeichereinheit auf unterschiedlichen Technologien basieren, so dass nur die erste oder die zweite Energiespeichereinheit als lithiumbasierte Energiespeichereinheiten ausgeführt ist. Durch eine solche diversitäre Ausführung der Energiespeichereinheiten kann die funktionale Sicherheit des Batteriespeichersystems verbessert werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die beiden Energiespeichereinheiten selbst bei gleicher Technologie von unterschiedlichen Herstellern stammen. Die Energiespeichereinheiten können beispielsweise einzelne Batteriezellen umfassen, die als Pouch-Zellen (Taschenzellen) oder prismatische Zellen ausgeführt sind. Prinzipiell können beliebige Zelltypen verwendet werden.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bordnetztrennvorrichtung zwei elektrische Trennvorrichtungen, die in der Verbindungsleitung angeordnet sind, und der Bordnetzanschluss ist zwischen den beiden Trennvorrichtungen mit der Verbindungsleitung verbunden. Die Trennung der Verbindungsleitung von dem Bordnetzanschluss erfolgt also in der Verbindungsleitung. Wenn ein Fehler in dem Versorgungsstrang auftritt, werden die beiden Versorgungszweige von dem Versorgungsstrang und auch voneinander getrennt. Jeder der Versorgungszweige kann von seiner Energiespeichereinheit weiter versorgt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine der zwei Trennvorrichtungen als Quertrenn-Schaltvorrichtung ausgeführt. Es ist somit nicht erforderlich, eine zusätzliche Quertrenn-Schaltvorrichtung vorzuhalten. Eine der Trennvorrichtungen der Bordnetztrennvorrichtung kann diese Funktion übernehmen. Somit kann im Fehlerfall in einem der Versorgungszweige wie gewohnt eine Trennung der beiden Versorgungszweige erfolgen, um die Versorgung in dem jeweils anderen Versorgungszweig zuverlässig weiter betreiben zu können. Auch können die beiden Trennvorrichtungen gemeinsam als Quertrenn-Schaltvorrichtung ausgeführt sein. Dies ermöglicht darüber hinaus, dass im Fehlerfall in einem der Versorgungszweige auch die Verbindung mit dem Versorgungsstrang bestehen bleiben kann.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bordnetztrennvorrichtung eine elektrische Trennvorrichtung, die in einer Anschlussleitung des Bordnetzanschlusses mit der Verbindungsleitung angeordnet ist. Durch die Positionierung der elektrischen Trennvorrichtung in der Anschlussleitung hat eine Betätigung der Bordnetztrennvorrichtung keinen Einfluss auf die Funktion der Verbindungsleitung. Die Quertrenn-Schaltvorrichtung kann in gewohnter Weise zusätzlich bei einem Fehler in einem der Versorgungszweige oder einer der Energiespeichereinheit betätigt werden, um eine Versorgung des jeweils anderen Versorgungszweigs zu ermöglichen.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bordnetztrennvorrichtung eine elektrische Trennvorrichtung, die dem Batteriespeichersystem zugeordnet und dem Bordnetzanschluss außerhalb des Batteriespeichersystems vorgeschaltet ist. Die Bordnetztrennvorrichtung kann somit Bestandteil des Versorgungsstrangs sein, beispielsweise als Teil eines bestehenden, konventionellen Teils des Bordnetzes. Im Übrigen gelten dieselben Ausführungen wie bei einer Anordnung der elektrischen Trennvorrichtung innerhalb des Batteriespeichersystems.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Quertrenn-Schaltvorrichtung einen steuerbaren DC/DC-Wandler und einen parallelen Bypassschalter. Der Bypassschalter ist als Voreinstellung immer geöffnet und kann beispielsweise beim Motorstart oder im Ruhebetrieb des Fahrzeugs geschlossen werden. Durch den Bypassschalter kann somit bei Bedarf eine Strombeschränkung, wie sie bei DC/DC-Wandler üblicherweise vorliegt, überwunden werden. Im Ruhebetrieb können Verluste durch ein Deaktivieren des DC/DC-Wandlers reduziert werden. Wenn beispielsweise der DC/DC-Wandler nicht aktiv ist. Darüber hinaus kann durch ein Öffnen des Bypassschalters der DC/DC-Wandler eine Spannungswandlung zwischen sich anschließenden Bereichen der Verbindungsleitung durchführen. Dadurch können beispielsweise transiente Störungen aus einem Versorgungszweig von dem entsprechend anderen Versorgungszweig isoliert werden. Insbesondere kann durch den Bypassschalter der DC/DC-Wandler umgangen werden, so dass beispielsweise beide Energiespeichereinheiten gemeinsam eine Versorgung für den Versorgungsstrang über den Bordnetzanschluss bereitstellen können. Dadurch können große Ströme bereitgestellt werden, wie sie zum Beispiel zum Starten eines Verbrennungsmotors mit einem Anlasser erforderlich sind.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Quertrenn-Schaltvorrichtung, die Bordnetztrennvorrichtung, die Trennvorrichtungen und/oder die Zweig-Trennvorrichtung jeweils individuell einen elektromechanischen Schalter, insbesondere ein Relais oder ein Schütz, oder einen Halbleiterschalter, insbesondere einen Transistor, besonders bevorzugt einen Feldeffekttransistor. Elektromechanische Schalter sind sehr zuverlässig und leicht verfügbar. Bevorzugt sind jedoch Halbleiterschalter, die eine schnelle Durchführung von Schaltvorgängen ermöglichen, kein Prellverhalten aufweisen und diesbezüglich rückwirkungsfrei arbeiten.
-
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 einem Batteriespeichersystem, zwei Versorgungszweigen zur sicheren elektrischen Versorgung von elektrischen Fahrzeugfunktionen, und einem Versorgungsstrang,
- 2: eine schematische Darstellung des Batteriespeichersystems aus 1,
- 3: eine schematische Darstellung des Bordnetzes des Fahrzeugs aus 1,
- 4: eine schematische Darstellung eines Batteriespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 5: eine schematische Darstellung eines Bordnetzes mit dem Batteriespeichersystem aus 4 gemäß der zweiten Ausführungsform,
- 6: eine schematische Darstellung eines Batteriespeichersystems gemäß einer dritten Ausführungsform, und
- 7: eine schematische Darstellung eines Bordnetzes mit dem Batteriespeichersystem aus 6 gemäß der dritten 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 redundant jeweils mit einem ersten Versorgungszweig 16 und einem zweiten Versorgungszweig 18 verbunden.
-
Das Bordnetz 12 umfasst weiter 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. Das Batteriespeichersystem 20 bildet dabei zusammen mit dem ersten und dem zweiten Versorgungszweig 16, 18 ein sicheres Bordnetz 94 zur sicheren elektrischen Versorgung der elektrischen Fahrzeugfunktionen 14a, 14b.
-
In dem ersten und dem zweiten Versorgungszweig 16, 18 sind hier zusätzlich eine ePDU 90 und eine zusätzlicher Trenneinrichtung 92 angeordnet. Außerdem umfasst das Batteriespeichersystem 20 einen ersten und einen zweiten Masseanschluss 26, 28, die mit einer Masse 30 des Bordnetzes 12 verbunden sind.
-
Außerdem umfasst das Bordnetz 12 einen Versorgungsstrang 32, der hier beispielhaft mit einem Verbraucher 34 und einem Generator 36 sowie einem DC/DC-Wandler 38 dargestellt ist. Der Versorgungsstrang 32 ist über einen Bordnetzanschluss 40 mit dem Batteriespeichersystem 20 verbunden.
-
Das Batteriespeichersystem 20 umfasst eine Verbindungsleitung 42, die den ersten und den zweiten Anschluss 22, 24 verbindet, wobei in der Verbindungsleitung 42 eine Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 angeordnet ist. Die Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Reihenschaltung einer ersten und einer zweiten Schalteinheit 46, 48 realisiert. Die erste Schalteinheit 46 ist als Halbleiterschaltelement ausgeführt, und die zweite Schalteinheit 48 ist als eine Parallelschaltung eines Bypassschalters 50 mit einem steuerbaren DC/DC-Wandler 52 ausgeführt. Details des Batteriespeichersystems 20 der ersten Ausführungsform sind in den 2 und 3 dargestellt.
-
Die Verbindungsleitung 42 ist an ihren Enden des ersten und zweiten Anschlusses 22, 24 mit einer ersten und einer zweiten Zweig-Trennvorrichtung 54, 56 ausgeführt.
-
Das Batteriespeichersystem 20 umfasst eine erste Energiespeichereinheit 60, die zwischen der ersten Zweig-Trennvorrichtung und der Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 mit der Verbindungsleitung 32 verbunden ist. Das Batteriespeichersystem 20 umfasst weiterhin eine zweite Energiespeichereinheit 62, die zwischen der zweiten Zweig-Trennvorrichtung 56 und der Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 mit der Verbindungsleitung 32 verbunden ist. Die erste Energiespeichereinheit 60 und die zweite Energiespeichereinheit 62 sind in 2 im Detail erkennbar und umfassen jeweils eine Parallelschaltung und eine Reihenschaltung einer Mehrzahl einzelner Batteriezellen 64.
-
Die erste und zweite Energiespeichereinheit 60, 62 sind als wieder aufladbare lithiumbasierte Energiespeichereinheiten 60, 62 ausgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Energiespeichereinheiten 60, 62 konkret als LiFePo-Batterien (Lithium-Eisenphosphat-Batterien) ausgeführt. Die beiden Energiespeichereinheiten 40, 42 weisen jeweils eine gleiche Anzahl in Reihe geschalteter Batteriezellen 64 auf, um die Spannung von etwa 12V bereitzustellen. Die Kapazität der Energiespeichereinheiten 60, 62 liegt hier bei jeweils 40 Ah.
-
Die erste und die zweite Energiespeichereinheit 60, 62 weisen in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine entsprechende erste bzw. zweite Schmelzsicherung 66, 68 auf, über welche die Energiespeichereinheiten 60, 62 intern trennbar mit der Verbindungsleitung 42 verbunden sind.
-
Das Batteriespeichersystem 20 umfasst ebenfalls ein Batteriemanagementsystem 70 mit einer Steuerungssystem 72 und einer ersten und zweiten Batteriemanagementeinrichtung 74, 76 zur Überwachung der Funktion der ersten und zweiten Energiespeichereinheit 60, 62. Das Batteriespeichersystem 20 umfasst zusätzlich eine hier nicht dargestellte Kommunikationsschnittstelle, die in diesem Ausführungsbeispiel zur Verbindung mit einem CAN-Bus des Fahrzeugs 10 ausgeführt ist. Das Batteriespeichersystem 20 ist über die Kommunikationsschnittstelle und den CAN-Bus mit einer nicht dargestellten zentralen Steuerungseinheit des Fahrzeugs 10 verbunden.
-
Das Batteriespeichersystem 20 umfasst eine Anschlussleitung 78, die den Bordnetzanschluss 40 mit der Verbindungsleitung 42 in einem Mittelbereich davon verbindet. Außerdem umfasst das Batteriespeichersystem 20 eine Bordnetztrennvorrichtung 80, die in diesem Ausführungsbeispiel integral mit der Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 ausgeführt ist. Entsprechend ist die Anschlussleitung 78 zwischen der ersten und zweiten Schalteinheit 46, 48 mit der Verbindungsleitung 42 verbunden. Die erste und zweite Schalteinheit 46, 48 sind somit elektrische Trennvorrichtungen, welche die Bordnetztrennvorrichtung 80 bilden.
-
Beim Auftreten eines Fehlers 84 in dem Versorgungsstrang 32 wir dieser durch die Bordnetztrennvorrichtung 80 von dem ersten und zweiten Versorgungszweig 16, 18 sowie der ersten und zweiten Energiespeichereinheit 60, 62 isoliert.
-
Beim einem Fehler 84 in einem der ersten und zweiten Versorgungszweige 16, 18 wird der Fehler 84 durch die entsprechende erste und zweite Zweig-Trennvorrichtung 54, 56 isoliert, so dass beide Energiespeichereinheiten 60, 62 den entsprechenden Versorgungszweig 16, 18 ohne Fehler 84 gemeinsam versorgen können. Auch die Verbindung mit dem Verbindungsstrang 42 über den Bordnetzanschluss 40 ist nicht unterbrochen. Dabei kann der Bypassschalter 50 geschlossen werden, um den DC/DC-Wandler 52 zu überbrücken.
-
Beim einem Fehler 84 in einer der beiden Energiespeichereinheiten 60, 62 erfolgt eine Isolation des Fehlers 84, indem die entsprechende erste und zweite Zweig-Trennvorrichtung 54, 56 zusammen mit der ersten bzw. zweiten Schalteinheit 46, 48 der Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 geöffnet werden. Dadurch ist die verbleibende der beiden Energiespeichereinheiten 60, 62 mit dem entsprechenden Versorgungszweig 16, 18 wie auch dem Versorgungsstrang 32 verbunden.
-
Die 4 und 5 betreffen ein Bordnetz 12 und ein Batteriespeichersystem 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Bordnetz 12 und das Batteriespeichersystem 20 gemäß der zweiten Ausführungsform sind prinzipiell austauschbar mit dem Bordnetz 12 und dem Batteriespeichersystem 20 der ersten Ausführungsform. Bei der Beschreibung des Bordnetzes 12 und des Batteriespeichersystems 20 der zweiten Ausführungsform werden lediglich Unterschiede zu dem Bordnetz 12 und dem Batteriespeichersystem 20 der ersten Ausführungsform beschrieben. Auch werden für ähnliche oder identische Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
Das Batteriespeichersystem 20 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Batteriespeichersystem 20 der ersten Ausführungsform durch die Implementierung der Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 und der Bordnetztrennvorrichtung 80.
-
Die Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 der zweiten Ausführungsform umfasst hier lediglich eine Schalteinheit 86, die als eine Parallelschaltung eines Bypassschalters 50 mit einem steuerbaren DC/DC-Wandler 52 ausgeführt ist.
-
Die Bordnetztrennvorrichtung 80 der zweiten Ausführungsform umfasst elektrische Trennvorrichtung 88, die in der Anschlussleitung 78 des Bordnetzanschlusses 40 mit der Verbindungsleitung 42 angeordnet ist.
-
Der Betrieb des Batteriespeichersystems 20 der zweiten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem des Batteriespeichersystems 20 der ersten Ausführungsform.
-
Beim Auftreten eines Fehlers 84 in dem Versorgungsstrang 32 wir dieser durch die Bordnetztrennvorrichtung 80 von der Verbindungsleitung 42 isoliert.
-
Beim einem Fehler 84 in einem der ersten und zweiten Versorgungszweige 16, 18 wird der Fehler 84 durch die entsprechende erste und zweite Zweig-Trennvorrichtung 54, 56 isoliert, so dass beide Energiespeichereinheiten 60, 62 den entsprechenden Versorgungszweig 16, 18 ohne Fehler 84 gemeinsam versorgen können. Auch die Verbindung mit dem Verbindungsstrang 42 über den Bordnetzanschluss 40 ist nicht unterbrochen. Dabei kann der Bypassschalter 50 geschlossen werden, um den DC/DC-Wandler 52 zu überbrücken.
-
Bei einem Fehler 84 in der ersten Energiespeichereinheit 60 erfolgt eine Isolation des Fehlers 84, indem die entsprechende erste Zweig-Trennvorrichtung 54 und die Bordnetztrennvorrichtung 80 geöffnet werden. Der DC/DC Wandler 52 wird entsprechend gesteuert, um den zweiten Versorgungszweig 18 zu schützen. Der Bypassschalter 50 ist geöffnet.
-
Bei einem Fehler 84 in der zweiten Energiespeichereinheit 62 erfolgt eine Isolation des Fehlers 84, indem die entsprechende zweite Zweig-Trennvorrichtung 56 und die Quertrenn-Schaltvorrichtung 44 geöffnet werden. Der DC/DC Wandler 52 wird entsprechend gesteuert, um den zweiten Versorgungszweig 18 zu trennen, und der Bypassschalter 50 ist geöffnet.
-
Die 6 und 7 betreffen ein Bordnetz 12 und ein Batteriespeichersystem 20 gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Bordnetz 12 und das Batteriespeichersystem 20 gemäß der dritten Ausführungsform sind prinzipiell austauschbar mit dem Bordnetz 12 und dem Batteriespeichersystem 20 der ersten oder zweiten Ausführungsform. Bei der Beschreibung des Bordnetzes 12 und des Batteriespeichersystems 20 der dritten Ausführungsform werden lediglich Unterschiede zu dem Bordnetz 12 und dem Batteriespeichersystem 20 der zweiten Ausführungsform beschrieben. Auch werden für ähnliche oder identische Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
Das Batteriespeichersystem 20 der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Batteriespeichersystem 20 der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Bordnetztrennvorrichtung 80 außerhalb des Batteriespeichersystems 20 angeordnet und diesem zugeordnet ist. Die Bordnetztrennvorrichtung 80 ist somit Bestandteil des Versorgungsstrangs 32. Um die Funktion des Batteriespeichersystems 20 zu gewährleisten, darf dieses nur mit der Bordnetztrennvorrichtung 80 betrieben werden. Ein Interlock- oder PokaYoke-System gewährleistet, dass das Batteriespeichersystem 20 nur zusammen mit der Bordnetztrennvorrichtung 80 betrieben werden kann.
Eine spezielle, hier nicht separat dargestellte Kommunikationsschnittstelle gewährleistet, dass eine entsprechende Kommunikation und Ansteuerung zwischen dem Batteriemanagementsystem 70 und der Bordnetztrennvorrichtung 80 erfolgt.
-
Im Übrigen ist das Batteriespeichersystem 20 der dritten Ausführungsform identisch zu dem Batteriespeichersystem 20 der zweiten Ausführungsform. Entsprechendes gilt für die Funktion der Batteriespeichersystems 20 der zweiten und dritten Ausführungsform.
-
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 102017104958 A1 [0010]
- DE 102013225020 A1 [0011]
- DE 102013221578 A1 [0012]
