DE102018127785A1 - Elektrisches Energiesystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiesystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiesystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energiesystems für ein Kraftfahrzeug.
  • In elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen werden in der Regel Hochvolt-Batterien eingesetzt, um die für den Betrieb der Antriebsmotoren erforderliche elektrische Energie bereitzustellen. Bei einem Unfall des Fahrzeugs („Crash“) muss sichergestellt werden, dass an berührbaren Fahrzeugteilen keine gefährlichen Spannungen auftreten, die zu einer Schädigung von Fahrzeuginsassen führen könnten. Hierzu kann eine Hochvolt-Batterie über Schütze mit dem Zwischenkreis (Traktionskreis) des Fahrzeugs, an den die elektrischen Verbraucher angeschlossen sind, verbunden sein und bei Eintreten eines Unfalls getrennt werden.
  • So offenbart z.B. die DE 10 2017 011 721 A1 ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug, welches einen Zwischenkreis umfasst, in dem elektrische Komponenten angeordnet sind, die über ein Schütz vom Zwischenkreis trennbar sind.
  • Auch aus der DE 10 2009 002 018 A1 ist eine elektrische Schaltung zur Trennung von Batterien bekannt. Ein Kraftfahrzeug besitzt eine Batterie, die mit mehreren Verbrauchen verbunden ist und von diesen mittels eines Schützes getrennt wird.
  • Es darf zu keinem Kurzschluss im Hochvolt-Bordnetz kommen, bevor die Schütze der Hochvolt-Batterie geöffnet sind und das Bordnetz damit spannungsfrei ist. Die Erkennung eines Crashs und das Öffnen der Schütze dauern in der Regel ca. 20 ms -50 ms. In diesem Zeitraum wird ein Teil des Fahrzeugs deformiert. Der gegen bei einem Unfall auftretende Deformationen geschützte Bauraum im Fahrzeug ist begrenzt und reicht nicht für alle Hochvolt-Verbraucher des Fahrzeugs aus. In dem bei einem Unfall deformierbaren Bauraum des Fahrzeugs dürfen HV-Verbraucher nicht verbaut werden oder sie müssen aufwändig zusätzlich gegen Deformation geschützt werden, z.B. durch Panzerung. Diese Lösung ist teuer und vergrößert das Gesamtgewicht des Fahrzeugs, was Reichweite und Beschleunigungsvermögen des Fahrzeugs vermindert.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise beseitigen.
  • Aus der DE 10 2011 050 719 A1 ist eine notbetriebsfähige Drehstrommotor-Antriebsschaltung eines Fahrzeugs bekannt, die zwei Zwischenstromkreise umfasst, wobei einer der Zwischenstromkreise mittels eines Schützes von einer Batterie getrennt werden kann, um im Fehlerfall einen Motor während der Fahrt abzukoppeln.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß werden HV-Verbraucher, die während der Fahrt nicht benötigt werden, beispielsweise ein Ladegerät, durch ein zusätzliches Schütz abgeschaltet. Für diese Verbraucher kann ein nicht crashgeschützter Bauraum verwendet werden, da sie im Fahrbetrieb stets spannungsfrei sind.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Energiesystem für ein Fahrzeug. Das Energiesystem umfasst mindestens einen in einem Gehäuse angeordneten HV-Energiespeicher, wobei in dem Gehäuse eine Einheit angeordnet ist, welche den mindestens einen HV-Energiespeicher mit an das Energiesystem angeschlossenen Verbrauchern elektrisch verbindet. Die Einheit umfasst Schaltvorrichtungen, die dafür eingerichtet sind, den Stromkreis zwischen dem mindestens einen HV-Energiespeicher und den Verbrauchern zu unterbrechen. Erfindungsgemäß ist in dem Energiesystem mindestens ein Verbraucher, der während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht aktiv ist, über einen mindestens eine weitere Schaltvorrichtung enthaltenden separaten Zwischenkreis in der Einheit mit dem mindestens einen HV-Energiespeicher verbunden. Die mindestens eine weitere Schaltvorrichtung ist dafür eingerichtet, den separaten Zwischenkreis während des Fahrbetriebs stets unterbrochen zu halten.
  • Das Energiesystem umfasst mindestens einen in einem Gehäuse angeordneten HV-Energiespeicher. Dies kann beispielsweise eine Hochvolt-Batterie sein.
  • Das den Energiespeicher enthaltende Gehäuse („Batteriegehäuse“) ist dagegen geschützt, bei einem Unfall des Fahrzeugs deformiert zu werden. Dafür kann es beispielsweise in einem speziell verstärkten Bereich des Fahrzeugs („crashgeschützter Bauraum“) angeordnet sein oder, alternativ oder zusätzlich, durch Panzerungsmaßnahmen gegen Deformation geschützt sein.
  • In dem Gehäuse ist eine Einheit angeordnet, welche den mindestens einen HV-Energiespeicher mit an das Energiesystem angeschlossenen Verbrauchern elektrisch verbindet. Diese Einheit wird auch als „Battery Junction Box“ (BJB) bezeichnet. Durch die Anordnung im Batteriegehäuse ist auch die BJB gegen als Folge eines Unfalls des Fahrzeugs auftretende Deformationen geschützt.
  • Die BJB umfasst Schaltvorrichtungen, die dafür eingerichtet sind, den Stromkreis zwischen dem mindestens einen HV-Energiespeicher und den Verbrauchern zu unterbrechen. Dies ist bei einem Unfall erforderlich, um den HV-Energiespeicher vom Bordnetz des Fahrzeugs zu trennen, so dass an berührbaren Fahrzeugteilen keine gefährlichen Hochspannungen auftreten bzw. gefährliche Ströme fließen können. In einer Ausführungsform des Energiesystems umfassen die Schaltvorrichtungen Schütze. Die Schütze schließen den Hochspannungskreis des Fahrzeugs während eines Fahrbetriebs, so dass an den Hochspannungskreis („Traktionskreis“) angeschlossene HV-Verbraucher, z.B. Elektromotoren, aus dem HV-Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden können. Die Arbeitskontakte der Schütze sind in Ruhestellung geöffnet und in Arbeitsstellung geschlossen („Schließer“).
  • Erfindungsgemäß ist mindestens ein Verbraucher, der während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht aktiv ist, über einen mindestens eine weitere Schaltvorrichtung enthaltenden separaten Zwischenkreis in der Einheit mit dem mindestens einen HV-Energiespeicher verbunden. Die mindestens eine weitere Schaltvorrichtung ist dafür eingerichtet, den separaten Zwischenkreis während eine Fahrbetriebs des Fahrzeugs stets unterbrochen zu halten. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Verbraucher ein Ladegerät zum Laden des mindestens einen HV-Energiespeichers an einer externen Stromquelle, beispielsweise einer Ladestation. In einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine weitere Schaltvorrichtung mindestens ein Schütz. Das mindestens eine Schütz ist im Batteriegehäuse direkt am Ausgang zum Ladegerät angebraucht. Beim Laden wird das Schütz geschlossen; während der Fahrt ist es immer offen. Die Arbeitskontakte des mindestens einen Schützes sind in Ruhestellung geöffnet und in Arbeitsstellung geschlossen („Schließer“). In einer Ausführungsform weist das mindestens eine Schütz nur Schließer-Kontakte auf.
  • In einer Ausführungsform des Energiesystems umfasst der der separate Zwischenkreis in der dem Gehäuse angeordneten Einheit (der BJB) einen Vorladekreis, der dafür eingerichtet ist, vor einem Schließen der weiteren Schaltvorrichtung die weitere Schaltvorrichtung zu überbrücken. Der separate Zwischenkreis verfügt also über eine eigene Vorladung, um das mindestens eine Schütz lastfrei zu schließen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Energiesystems umfasst der separate Zwischenkreis in der BJB eine Entladevorrichtung, die dafür eingerichtet ist, nach Öffnen der weiteren Schaltvorrichtung den separaten Zwischenkreis zu entladen. Der separate Zwischenkreis verfügt über eine aktive Entladung, um nach Öffnen des Schützes den Zwischenkreis zu entladen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Energiesystems, bei dem die elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen HV-Energiespeicher und solchen an das Energiesystem angeschlossenen Verbrauchern, die während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht benötigt werden, während des Fahrbetriebs stets unterbrochen gehalten wird.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Verbraucher, die während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht benötigt werden, ein Ladegerät zum Laden des mindestens einen HV-Energiespeichers an einer externen Stromquelle. Erfindungsgemäß ist die elektrische Verbindung des Ladegeräts mit dem mindestens einen HV-Energiespeicher während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs durch Offenhalten der Arbeitskontakte eines Schützes unterbrochen. Die Arbeitskontakte des mindestens einen Schützes sind in Ruhestellung geöffnet und in Arbeitsstellung geschlossen. Die Arbeitskontakte des mindestens einen Schützes werden nur während eines Ladevorgangs geschlossen, wenn das Fahrzeug steht und das Ladegerät an eine externe Stromquelle angeschlossen ist.
  • Zu den Vorteilen der Erfindung gehört es, dass für HV-Verbraucher, die während der Fahrt nicht benötigt werden, kein crashgeschützter Bauraum erforderlich ist. Da diese Verbraucher nicht speziell geschützt sein müssen, können Gewicht, Bauraum und Kosten des Energiesystems verringert werden und es ergeben sich weniger Beschränkungen für das Design des Energiesystems.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiesystems 10. Ein Batteriegehäuse 12 enthält einen Hochvolt-Energiespeicher 11. Im Batteriegehäuse 12 ist eine „Battery Junction Box“ (BJB) 13 angeordnet, die mit den Polen des HV-Energiespeichers 11 verbunden ist. Die BJB 13 hat die Aufgabe, den HV-Energiespeicher 11 bei einem Unfall sicher vom Bordnetz des Fahrzeugs zu trennen. Hierfür sind zwei Hauptkreis-Schütze 17 und 18 in den Strompfaden der BJB 13 angeordnet, die bei einem Unfall den Stromkreis doppelt unterbrechen. Eine Sicherung 14 schützt den Stromkreis gegen Überspannungen und Kurzschlüsse. Um extreme Spannungsspitzen beim Schließen der Kontakte der Schütze 17 und 18 zu vermeiden, verfügt die BJB 13 über einen Vorladekreis mit einem Vorladewiderstand 15 und einem Schütz 16. An die BJB 13 sind zwei Verbraucher 21 und 22 und ein Ladegerät 23 angeschlossen. Der Stromkreis des Ladegeräts 23 enthält ein weiteres Schütz 19, das den Stromkreis des Ladegeräts 23 während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs unterbricht. Damit ist das Ladegerät 23 während der Fahrt stets hochspannungsfrei und muss daher nicht in einem unfallgeschützten Bereich des Fahrzeugs angeordnet oder durch Panzerungsmaßnahmen besonders geschützt werden. Das Schütz 19 wird nur während des Ladebetriebs geschlossen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform verfügt der separate Zwischenkreis des Ladegeräts 23 über einen eigenen Vorladekreis (nicht dargestellt), um das Schütz 19 lastfrei zu schließen, und über eine aktive Entladung (nicht dargestellt), um nach Öffnen des Schützes 19 den Zwischenkreis zu entladen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Energiesystem
    11
    HV-Energiespeicher
    12
    Batteriegehäuse
    13
    Battery Junction Box (BJB)
    14
    Sicherung
    15
    Vorladewiderstand
    16
    Vorladekreis-Schütz
    17
    Hauptkreis-Schütz 1
    18
    Hauptkreis-Schütz 2
    19
    Zwischenkreis-Schütz
    21
    Verbraucher 1
    22
    Verbraucher 2
    23
    Ladegerät
  • 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 102017011721 A1 [0003]
    • DE 102009002018 A1 [0004]
    • DE 102011050719 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Energiesystem (10) für ein Fahrzeug, umfassend mindestens einen in einem Gehäuse (12) angeordneten HV-Energiespeicher (11), wobei in dem Gehäuse (12) eine Einheit (13) angeordnet ist, welche den mindestens einen HV-Energiespeicher (11) mit an das Energiesystem (10) angeschlossenen Verbrauchern (21, 22, 23) elektrisch verbindet, und die Einheit (13) Schaltvorrichtungen (17, 18) umfasst, die dafür eingerichtet sind, den Stromkreis zwischen dem mindestens einen HV-Energiespeicher (11) und den Verbrauchern (21, 22, 23) zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verbraucher (23), der während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht aktiv ist, über einen mindestens eine weitere Schaltvorrichtung (19) enthaltenden separaten Zwischenkreis in der Einheit (13) mit dem mindestens einen HV-Energiespeicher (11) verbunden ist, wobei die mindestens eine weitere Schaltvorrichtung (19) dafür eingerichtet ist, den separaten Zwischenkreis während des Fahrbetriebs stets unterbrochen zu halten.
  2. Energiesystem (10) nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Verbraucher (23), der während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht aktiv ist, ein Ladegerät ist.
  3. Energiesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin der separate Zwischenkreis in der Einheit (13) einen Vorladekreis umfasst, der dafür eingerichtet ist, vor einem Schließen der weiteren Schaltvorrichtung (19) die weitere Schaltvorrichtung (19) zu überbrücken.
  4. Energiesystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der separate Zwischenkreis in der Einheit (13) eine Entladevorrichtung umfasst, die dafür eingerichtet ist, nach Öffnen der weiteren Schaltvorrichtung (19) den separaten Zwischenkreis zu entladen.
  5. Energiesystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die Schaltvorrichtungen (17, 18) Schütze umfassen.
  6. Energiesystem (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die mindestens eine weitere Schaltvorrichtung (19) mindestens ein Schütz umfasst.
  7. Energiesystem (10) nach Anspruch 6, worin das mindestens eine Schütz nur Schließer-Kontakte aufweist.
  8. Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Verbindung zwischen dem mindestens einen HV-Energiespeicher (11) und solchen an das Energiesystem (10) angeschlossenen Verbrauchern (23), die während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht benötigt werden, während des Fahrbetriebs stets unterbrochen gehalten wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Verbraucher (23), die während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs nicht benötigt werden, ein Ladegerät (23) umfassen
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die elektrische Verbindung des Ladegeräts (23) mit dem mindestens einen HV-Energiespeicher (11) während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs durch Offenhalten der Arbeitskontakte eines Schützes (19) unterbrochen ist.
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