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Die Erfindung betrifft ein Energieversteilungssystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Energieversteilungssystems gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
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Wie allgemein bekannt, entwickelt sich die Automobilindustrie aktuell weg von den konventionellen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Antriebskonzepten hin zu (teil-) elektrifizierten, „grünen“ Antriebssträngen. Diese neuen Antriebstechnologien ziehen zwangsweise die Notwendigkeit eines elektrischen Traktionsbordnetzes, welches neben dem reinen Antriebsystem oftmals auch weitere „Komfortverbraucher“ wie z.B. Klimaanlage, Heizung oder dergleichen speist, nach sich. Die Ausgestaltung eines solchen Systems weist -je nach möglichen Ausstattungsstufen des Fahrzeugs - eine Vielzahl von Varianten und Variationen auf, welche es (wie für alle anderen Fahrzeugsysteme und -komponenten auch) möglichst kosten- und aufwandseffizient für eine Serienproduktion darzustellen gilt. Hierbei ist zu beachten, dass unterschiedliche Varianten der Kosteneffizienz und Handhabbarkeit entgegenstehen können.
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Während diese Varianten bereits für Personenkraftwagen oftmals vielfältig und erheblich komplex sind, so birgt insbesondere der Nutzfahrzeugsektor zusätzliche Herausforderungen, die es - auch und insbesondere in Hinblick auf die im Vergleich zu PKWs deutlich höhere Kostensensibilität und Verfügbarkeitsanforderungen der Kundenzu lösen gilt. Während für die jeweiligen PKW-Fahrzeugklassen die Anzahl an Motoren oftmals festgelegt ist und somit auch die der Leistungselektronik, ändern sich die Nebenaggregate wie z.B. Heizung und Kühlung nicht erheblich und die Traktionsbatterien unterscheiden sich oftmals nur noch in ihrer Größe und damit Bauform. Dagegen ist die Lage im Nutzfahrzeugsektor eine grundsätzlich andere.
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Im Nutzfahrzeugsektor wird eine kleine Menge an Fahrzeugtypen für eine große Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen genutzt. Beispielsweise werden Sattelzugmaschinen der Anmelderin vom Typ Actros einerseits oft genutzt, um im „lokalen“ Verteilerverkehr Baustoffe an Baustellen anzuliefern, während andere Fahrzeuge des gleichen Typs täglich mehrere hundert Kilometer im (inter-)nationalen Güterfernverkehr zurücklegen. Während das „mechanische“ Basisfahrzeug in beiden Fällen mehr oder weniger das gleiche ist, so sind die Anforderungen an Reichweite, eventuelle „Nebenabtriebe“ (beispielsweise Kräne zum Be- bzw. Entladen der Baustoffe) und Leistung oftmals grundverschieden.
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Für elektrifizierte Fahrzeuge bedeutet dies, dass für ein und das selbe „mechanische“-Basisfahrzeug die Anzahl an verbauten Motoren (und damit Leistungselektroniken), Batterien, verschiedenen Nebenaggregaten (Heizung, Klimaanlage, Lenkhelfpumpe), ggf. Bremswiderständen oder sogenannten ePTOs (elektrische Nebenabriebe, Power Take Offs) erheblich variiert. Hierbei sind Fahrzeugkonfigurationen von minimal vier bis fünf Komponenten bis hin zu einer deutlich zweistelligen Anzahl an Komponenten im Traktionsbordnetz vorstellbar bzw. bekannt.
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Darüber hinaus ist es üblich, dass ein eventueller Zweit-, Dritt- oder sogar Vierteigner eines Nutzfahrzeugs teils erhebliche An- oder Umbauten am Fahrzeug bzw. der Ladefläche (z.B. Umbau von einem Kühllaster auf eine mobile Betonpumpe) vornimmt. Diese bekannte Flexibilität und Wandelbarkeit der Fahrzeuge auch nach der Produktion gilt es für Fahrzeuge mit elektrifiziertem Antriebsstrang zu erhalten, wenn nicht sogar auszubauen.
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Es ist wünschenswert, die große Anzahl notwendiger Kunden- und Anwendungskonfigurationen mit minimaler Komponentenvarianz und somit maximaler Kosteneffizienz darzustellen und gleichzeitig eine Erweiterung, einen Rückbau oder eine sonstige Anpassung des Systems auch nach der Auslieferung an den Erstkunden mit vertretbarem Aufwand zu ermöglichen. Dabei ist es unumgänglich, das zu jedem Zeitpunkt (Betrieb, Umbau, Reparatur etc.) die notwendigen Sicherheitsmechanismen gegen die Gefahren des elektrischen Stromes erhalten und funktional integer bleiben, so dass sowohl die Anwender als auch Werkstattmitarbeiter, Rettungskräfte sowie die Hersteller von Fahrzeugaufbauten etc. geschützt sind. Es ist ebenfalls sicherzustellen, dass alle gesetzlichen und homologationsrelevanten Anforderungen erfüllt werden (können).
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Aktuell sind diese Probleme nur für die PKW-spezifischen - und wie bereits oben beschrieben im Vergleich zum Nutzfahrzeug deutlich weniger komplexen - Problemstellungen gelöst. Dabei wird üblicherweise auf verschiedene Batterievarianten mit einem oder mehreren Anschlüssen, oftmals in Kombination mit einer Vielzahl an verschiedenen, jedoch fest konfigurierten, sogenannten PDUs (Power Distribution Units - umgangssprachlich: „Verteilerbox“), gesetzt. Beides ist für Nutzfahrzeuganwendungen nicht bzw. nur sehr bedingt tauglich.
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Hierzu beschreibt die
DE 10 2006 034 020 A1 ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Elektromaschine, wobei das Kraftfahrzeug durch den Verbrennungsmotor und/oder die Elektromaschine antreibbar ist, und einer Leistungselektronik. Die Leistungselektronik umfasst eine Hochvolt-Zuleitung, eine Gleichstromstellereinheit mit einem Niedervolt-Ausgang, eine Wechselrichtereinheit, die die Gleichspannung eines Energiespeichers in Wechselspannung für ein Zusatzaggregat umwandelt, und eine der Gleichstromstellereinheit und/oder der Wechselrichtereinheit zugeordnete erste Steuereinheit, welche als Modul ausgebildet ist.
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Ferner offenbart die
DE 10 2007 060 416 A1 ein Fahrzeug mit einem für einen Generator vorgesehenen Bauraum, wobei das Fahrzeug einen Hybridantrieb aufweist und in dem Bauraum ein multifunktionelles Elektronikmodul angeordnet ist, welches mit einer Komponente des Hybridantriebs verbunden ist. In dem Elektronikmodul können zumindest zwei Steuergeräte integriert sein, welche zur Ansteuerung von Hochvoltkomponenten ausgebildet sind.
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Zusätzlich zu den oben genannten Anforderungen stellen die immer größer werdenden Leistungs- und Energiebedarfe der Fahrzeuge sowohl im Betrieb als auch beim Laden eine erhebliche Herausforderung für Fahrzeug und Infrastruktur dar. Hierbei ist besonders anzumerken, dass die aktuell „gängige“ Spannungslage von Traktionsbordnetzen von nominell 400 V dabei ist, an ihre technischen und wirtschaftlichen Grenzen zu stoßen, so dass moderne, schnelladefähige und zukunftsfähige Systeme für Spannungen von 800 V und darüber ausgelegt werden müssen. Diesem Ansatz entgegen steht jedoch zum Beispiel, dass in Japan Ladesysteme mit einer maximalen Ladespannung von 500 V bereits sehr verbreitet sind und mit einer Umrüstung auf höhere Spannungen aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten mittelfristig nicht zu rechnen ist.
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Umgekehrt ist es so, dass moderne Ladestationen zwar auch 400 V-Systeme laden können, die Ladezeiten dann aber limitiert durch die maximal möglichen Ladeströme sehr stark ansteigen und so die Verfügbarkeit des Fahrzeugs merklich beschränken, was insbesondere im Nutzfahrzeugsektor erheblich nachteilig ist. Es gilt also ein System zu entwickeln, das unabhängig von der maximal zur Verfügung stehenden Ladespannung sowohl 400 V als auch 800 V Systeme mit maximaler energetischer (Stichwort: Verlustleistung/thermisches De-rating) und/oder zeitlicher Effizienz laden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie bei einem Energieversteilungssystem der eingangs genannten Art eine flexiblere Konfiguration ermöglicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Energieversteilungssystem sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Energieversteilungssystem für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, umfasst eine Verteilereinheit, welche Stromschienen für eine Hochvolt-Spannung und eine Signalleitung aufweist, wobei Systemkomponenten des Fahrzeugs mit den Stromschienen und/oder der Signalleitung verbindbar sind. Das Energieverteilungssystem ist modular ausgebildet und weist eine Mehrzahl von Aufsteckmodulen auf, wobei die Aufsteckmodule mechanisch mit der Verteilereinheit verbindbar sind und wobei die Aufsteckmodule dazu ausgebildet sind, die elektrische Verbindung zwischen den Systemkomponenten sowie den Stromschienen und/oder der Signalleitung bereitzustellen.
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Die Verteilereinheit kann bevorzugt zwei Stromschienen, jeweils für ein positives und ein negatives Hochvolt-Potential aufweisen. Die Verteilereinheit kann Anschlussbereiche für die Aufsteckmodule aufweisen, an welchen die Aufsteckmodule angeordnet werden können. Über entsprechende Kontaktierungsbereiche kann dann die elektrische Verbindung zwischen den Anschlussmodulen und den Stromschienen sowie der Signalleitung hergestellt werden.
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Das Energieverteilungssystem erlaubt es aufgrund der Art und Ausprägung, für (fast) alle anderen Komponenten die Varianz auf 1 zu begrenzen und stellt somit eine sehr kosteneffiziente und leicht handhabbare Lösung dar. Die erfindungsgemäße Lösung zeigt einen Weg auf, der maximale Konfigurationsflexibilität bei minimaler Komponentenvarianz sowie eine einfach Umkonfiguration des Fahrzeugs erlaubt und gleichzeitig die Einhaltung der oben beschriebenen, sicherheitstechnischen und zulassungsrelevanten Anforderungen sicherstellt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum dient Betreiben eines Energieversteilungssystems für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug. Bei dem Verfahren wird eine Verteilereinheit, welche Stromschienen für eine Hochvolt-Spannung und eine Signalleitung aufweist, bereitgestellt. Des Weiteren werden Systemkomponenten des Fahrzeugs mit den Stromschienen und/oder der Signalleitung verbunden. Dabei ist das das Energieverteilungssystem modular ausgebildet. Es wird eine Mehrzahl von Aufsteckmodulen bereitgestellt, wobei die Aufsteckmodule mechanisch mit der Verteilereinheit verbunden werden und wobei die elektrische Verbindung zwischen den Systemkomponenten sowie den Stromschienen und/oder der Signalleitung mittels der Aufsteckmodule bereitgestellt wird. Die Kontaktierung der Anschlüsse kann durch Steckkontakte, Verschraubung, o.ä. ausgeführt sein.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Energieversteilungssystem vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Energieversteilungssystems für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug;
- 2 in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht einer Verteilereinheit des Energieversteilungssystems;
- 3 die Verteilereinheit gemäß 2 in einer geschnittenen Seitenansicht;
- 4 eine Verteilereinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche eine Mehrzahl von Anschlussbereiche für Aufsteckmodule aufweist;
- 5 in einer schematischen Perspektivansicht eine Verbindung eines Aufsteckmoduls mit einer Verteilereinheit;
- 6 in einer schematischen Perspektivansicht eine Verbindung von zwei Aufsteckmodulen mit einer Verteilereinheit;
- 7 ein Energieversteilungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 8 in einer schematischen Darstellung zwei Verteilereinheiten, die mit einem Verbindungsmodul verbunden sind;
- 9 ein Aufsteckmodul in einer schematischen Darstellung;
- 10 einen grundsätzlichen Aufbau eines Antriebsstrangs mit dem Energieversteilungssystem und Systemkomponenten;
- 11 einen Betreib des Antriebstrangs mit einer Spannung von 800 V;
- 12 ein Laden mit einer Spannung von 800 V über einen ersten Anschluss;
- 13 das Laden mit einer Spannung von 400 V über den ersten Anschluss; und
- 14 das Laden mit einer Spannung von 400 V über den ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Energieversteilungssystem 1 für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug. Das Energieversteilungssystem 1 kann auch als PDU - Power Distribution Unit bezeichnet werden. Dieses Energieversteilungssystem 1 ist modular aufgebaut und umfasst eine Verteilereinheit 2. Auf dieser Verteilereinheit 2 sind eine Mehrzahl von Aufsteckmodulen 3 angeordnet, an welche Systemkomponenten 4 angeschlossen sind und so in zusammengesetztem Zustand die mechanischen und funktionalen Umfänge der PDU und des Systems an sich formen. Dabei sind die Systemkomponenten 4 über Hochvolt-Leitungen 5 sowie Potentialausgleichsleitungen 6 mit den Aufsteckmodulen 3 verbunden. Zudem kann das Energieversteilungssystem 1 ein Basismodul 7 umfassen, welches mit einem Datenbus 8 verbunden ist. Somit ist eine Kommunikationsschnittstelle vom Basismodul 7 zu dem Fahrzeug bereitgestellt.
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Die Verteilereinheit 2 ist eine Vorrichtung, welche die Aufnahme einer oder sinnvollerweise mehrerer Stromschienen 10a, 10b, Kommunikationsverbindungen bzw. Signalleitungen 11 sowie optional Kühleinrichtungen 12 ermöglicht. Entlang der Verteilereinheit 2 wird ein Leistungsfluss bereitgestellt, welcher durch den Pfeil 9 veranschaulicht wird. Die Verteilereinheit 2 stellt eine (in gewissen Umfängen normierte) Schnittstelle dar, die derart ausgeprägt ist, dass sie eine Aufnahme bzw. Verbindung des oben genannten und weiter unten beschriebenen Basismoduls 7 und der verschiedenen Aufsteckmodule 3 ermöglicht. Die Verbindung umfasst sowohl elektrische, signalübertragende als auch mechanische Schnittstellen und kann in einer weiteren Ausprägungsart zusätzliche Schnittstellen zum Masse-, Signal- und Energietransfer (z.B. einen Kühlmittelanschluss) umfassen. Eine mögliche, jedoch nicht alle vorstellbare Funktionalitäten abbildende Ausprägungsart ist in den folgenden Figuren dargestellt:
- 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht der Verteilereinheit 2. Die Verteilereinheit 2 umfasst Stromschienen 10a, 10b bzw. Busbars, an denen eine Hochvolt-Spannung angelegt werden kann. In dem vorliegenden Beispiel umfasst die Verteilereinheit 2 zwei Stromschienen 10a für ein positives Hochvolt-Potential und zwei Stromschienen 10b für ein negatives Hochvolt-Potential. Zudem umfasst die Verteilereinheit 2 eine Signalleitung 11, welche einen Datenbus und/oder Niederspannungs-Leitungen umfassen kann. Ferner umfasst die Verteilereinheit 2 eine Kühleinrichtung 12 zum Kühlen der Stromschienen 10a, 10b. Die Verteilereinheit 2 weist entsprechende Kontaktierungsbereiche 13a für die Stromschienen 10a, Kontaktierungsbereiche 13b für die Stromschienen 10b und Kontaktierungsbereich 14 für die Signalleitung 11 auf.
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Die Verteilereinheit 2 umfasst weiterhin eine Schnittstelle 15 zur sogenannten Masseanbindung bzw. zum Potentialausgleich, derart ausgeprägt, dass beim Montieren eines Aufsteckmoduls 3 eine dauerhafte, niederohmige elektrische Verbindung zwischen der Verteilereinheit 2 und dem Aufsteckmodul 3 her- und dauerhaft sichergestellt wird. Diese kann durch spezielle Kontaktsysteme oder durch einfache Federsysteme erfolgen, bei denen eventuell vorhandene Oxidschichten (z.B. bei Aluminium) durch konstruktive Maßnahmen durchbrochen werden.
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3 zeigt die Verteilereinheit 2 gemäß 2 in einer geschnittenen Seitenansicht. Hier ist zu erkennen, dass die Verteilereinheit 2 einen oberen Teil 16 und einen unteren Teil 17 aufweist. Der obere Teil 16 und der untere Teil 17 können beispielsweise aus einem Metall gefertigt sein. Bei der Anordnung des oberen Teils 16 auf dem unteren Teil 17 ergeben sich zwischen dem oberen Teil 16 und dem unteren Teil 17 jeweilige Aussparungen 18 zur Anordnung der Stromschienen 10a, 10b sowie der Signalleitung 11. Zudem sind die Stromschienen 10a, 10b mit einer Isolationsschicht 19 umgeben. Ferner ist zu erkennen, dass die Kühleinrichtung 12 Kühlkanäle 20 aufweist. Die Verteilereinheit 2 besteht beispielsweise aus einem zweiteiligen Strangpressprofil, in das die entsprechenden Stromschienen 10a, 10b und Signalleitungen 11 eingelegt werden. Durch die Aussparungen 18 an vordefinierten Stellen ist eine Kontaktierung möglich. Die technisch bedingte Erwärmung der Stromschienen 10, 10b im Betrieb kann bei Bedarf durch die parallel verlaufenden Kühlkanäle 20 begrenzt werden, wodurch eine kompakte Ausführung ermöglicht wird.
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Besonders vorteilhaft ist auch der in der Querschnittsdarstellung von 3 gut erkennbare Aufbau der Verteilereinheit 2. Dieser stellt durch den metallischen Grundkörper der Verteilereinheit 2 sicher, dass eine elektrische Masseverteilung und - anbindung sichergestellt ist, die spannungsführenden Teile gegen Berührung geschützt sind, Leistungs- und Signalleitungen vollständig gegeneinander geschirmt sind, wodurch sich keine EMV-Problematik ergibt. Eine eventuell abzuführende, thermische Verlustleistung kann gut in das Kühlmedium geleitet werden und aufgrund der klar definierten Anschlusspunkte kann eine einfache, verwechslungssichere Kontaktierung der Aufsteckmodule 3 gewährleistet werden. Durch die Schnittstelle 15 zur „Masseübergabe“ an die Aufsteckmodule 3 stellt die Verteilereinheit 2 automatisch den elektrischen Systemsternpunkt dar, so dass auf die üblicherweise verwendeten, separaten Masseschienen oder dergleichen verzichtet werden kann.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verteilereinheit 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Diese Verteilereinheit 2 weist mehrere Anschlussbereiche 21 für Aufsteckmodule 3 auf. In jedem der Anschlussbereiche 21 sind Kontaktierungsbereiche 13a für die Stromschienen 10a, Kontaktierungsbereiche 13b für die Stromschienen 10b,Kontaktierungsbereich 14 für die Signalleitung 11 und Schnittstellen 15 für die Masseübergabe vorgesehen.
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5 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht die Verbindung eines Aufsteckmoduls 3 mit einer Verteilereinheit 2. Dabei kann zwischen der Verteilereinheit 2 und dem Aufsteckmodul 3 eine umlaufende Dichtung vorgesehen sein (vorliegend nicht dargestellt). Eine umlaufende Dichtung zwischen Aufsteckmodul 3 und Verteilereinheit 2 verhindert sicher das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz. Zudem soll es möglich sein, je nach Ausprägung der Verteilereinheit 2, Aufsteckmodule 3 von einer oder beiden Seiten aufzustecken. Hierzu zeigt 6 in einer schematischen Perspektivansicht die Verbindung einer Verteilereinheit 2 mit zwei Aufsteckmodulen 3, wobei die Aufsteckmodule 3 an gegenüberliegenden Seiten der Verteilereinheit 2 angeordnet sind.
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7 zeigt in einer schematischen Darstellung ein modulares Energieverteilungssystem 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Insbesondere zeigt 7 eine exemplarische Anordnung verschiedener Aufsteckmodule 3 auf einer Verteilereinheit 2. Die zwischen den Aufsteckmodulen 3 liegenden Zwischenräume würden real nicht existieren und dienen hier nur dem besseren Verständnis des Aufbaus bzw. der Funktionalität.
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Das Basismodul 7 (oder auch Zentralmodul) stellt den Informationsaustausch mit dem Rest des Fahrzeugs her und nimmt, je nach Ausprägung, verschiedene Mess- und Steueraufgaben war. Hierzu zählen insbesondere eine Spannungsmessung, eine Ladungsflussmessung sowie das (An-)steuern von elektrischen bzw. elektromechanischen Schaltelementen, insbesondere Schützen, welche im Basismodul 7 selbst oder aber in einem der anderen Aufsteckmodule 3 verortet sein können. Wird eine Anordnung gewählt, bei der Quellen (z.B. Batterien) und Senken (z.B. Motoren, ePTOs oder dergleichen) jeweils rechts und links des Zentralmoduls angeordnet werden, so lässt sich hierdurch eine Überwachung sowie Bilanzierung der Leistungsflüsse realisieren. Darüber hinaus kommuniziert es je nach Ausprägungsart über die in der Verteilereinheit 2 angeordnete Kommunikationsleitung mit weiteren Aufsteckmodulen 3 bzw. steuert die Funktionen dieser direkt an.
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Das Basismodul 7 kann entweder fest mit der Verteilereinheit 2 verbunden bzw. in diese integriert sein oder ebenfalls als Aufsteckmodul 3 ausgeführt sein. Ebenfalls ist es möglich, dass das Basismodul 7 eine Anzeigevorrichtung aufweist, die optisch und/oder akustisch über einen Systemzustand, insbesondere über das Anliegen potentiell gefährlicher Spannungen an den Stromverteilerschienen informiert. Weiterhin kann ein Messzugang vorhanden sein, der es erlaubt, die Spannungen an den Stromverteilerschienen zu messen, ohne das System demontieren zu müssen. Zudem kann das Basismodul 7 an seiner Oberfläche über mindestens eine dedizierte Anschlussmöglichkeit für einen sogenannten Potentialausgleichsleiter/Massekabel aufweisen.
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Zudem umfasst das Energieverteilungssystem 1 ein Abdeckmodul 22. Ein solches Abdeckmodul 22 dient zur Abdeckung nichtgenutzter Flächen und Kontakte auf der Verteilereinheit 2. Diese sind üblicherweise ohne Funktion, können aber Vorrichtungen enthalten, mit denen sich die Systemintegrität (Interlock-Signal und/oder Pilotlinie) überprüfen lässt, d.h. sichergestellt wird, dass keine offenen/berührbaren Zugangsstellen existieren. Ferner umfasst das Energieverteilungssystem 1 ein Verbindungsmodul 23 umfassen. Solche Verbindungsmodule 23 erlauben es, zwei Verteilereinheiten 2 miteinander zu verbinden. Die Verbindung kann vollumfänglich oder auch nur teilweise (z.B. nur Kommunikationsbus und Stromschienen, jedoch keine Kühlung) erfolgen. Hierzu zeigt 8 in einer schematischen Darstellung zwei Verteilereinheiten 2, die mit einem Verbindungsmodul 23 verbunden sind.
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Des Weiteren kann das Energieverteilungssystem 1 „Informations- und Messstellenmodule“ umfassen, welche analog zum Basismodul 7 Informationen über den Systemzustand anzeigen und/oder Messzugänge zur Messung verschiedener Betriebsparameter (z.B. Spannung) oder Datenkontaktierung (z.B. auf den Kommunikationsbus in der Verteilereinheit) bereitstellen. Außerdem kann das Energieverteilungssystem 1 ein Lade-Umschaltmodul aufweisen. Ein Lade-Umschaltmodul erlaubt es, durch geschicktes Ansteuern verschiedener Schaltelemente S1 bis S8, je nach Fahrzeugkonfiguration und Ladeeinrichtung eine zeit- bzw. verlustleistungsoptimierte Ladung vorzunehmen bzw. auch 800V Systeme an 400V (bzw. 500V Chademo)-Ladeeinrichtungen zu laden. Hierbei werden 400V Batterien als Gleichteile eingesetzt, die je nach Systemkonfiguration seriell oder parallel betrieben werden können.
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9 zeigt ein Aufsteckmodul 3 in einer schematischen Darstellung. Das Aufsteckmodul 3 umfasst ein Gehäuse 29, in welchem eine Komponente 24 angeordnet ist. Die Aufsteckmodule 3 umfassen je nach Aufgabe z.B. passive Komponenten 24 (z.B. BusBars, Sicherungen oder dergleichen) und/oder aktive Komponenten 24 (Schütze, Strommesseinrichtungen, Ladungsmesseinrichtungen, Spannungsmesseinrichtungen, Kommunikationsmodule mit Verbindung zum Kommunikationsbus der Verteilereinheit). Sie weisen Kontakt- und/oder Durchführeinheiten auf, die es erlauben, die von außen zugeführten Anschlussleitungen elektrisch und/oder mechanisch mit dem Innenraum des Aufsteckmoduls 3 zu verbinden und darüber hinaus eine sichere und niederohmige, umlaufende Verbindung des Kabelschirms ermöglichen (z.B. PG-Verschraubungen). Hierzu weist das Aufsteckmodul 3 jeweilige Anschlüsse 25a, 25b für die Stromschienen 10a, 10b auf. Diese Anschlüsse 25a, 25b sind über interne Stromschienen 26a, 26b mit den Hochvolt-Leitungen 5 verbunden. Zudem weist das Aufsteckmodul 3 einen Anschluss 27 für die Signalleitung 11 auf. Außerdem weist das Aufsteckmodul 3 Befestigungsmittel 28, beispielsweise Schrauben, auf. Diese Aufsteckmodule 3 können fertig konfektioniert geliefert werden und brauchen zur Montage nur noch aufgesteckt werden.
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Weiterhin verfügen Aufsteckmodule 3 über mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Befestigung eines Massekabels/Potentialausgleichsleiters, welche idealerweise gleichzeitig eine niederohmige, elektrische Verbindung herstellt. Sollte dies nicht der Fall sein, so ist mindestens eine weitere Vorrichtung zur Herstellung dieser elektrischen Verbindung vorgesehen. Darüber hinaus verfügen die Aufsteckmodule 3 über eine Vorrichtung, die, in Kombination mit der im Abschnitt zu Verteilereinheit 2 beschriebenen Masseanbindung/Masseübergabe, die dort beschriebene Funktionalität darstellt. Hierdurch wird eine dauerhafte und sichere Verbindung gewährleistet sowie eine EMV gerechte und aufwandsarme Verkabelung aller HV-Komponenten erreicht. Durch die ebenfalls integrierte HV-Interlockschleife kann die Systemintegrität jederzeit gewährleistet werden. Analog zum Basismodul 7 können Aufsteckmodule 3 eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen aufweisen, die optisch und/oder akustisch über einen Systemzustand, insbesondere über das Anliegen potentiell gefährlicher Spannungen an den Stromverteilerschienen informiert. Weiterhin kann ein Messzugang vorhanden sein, der es erlaubt, die Spannungen an den Stromverteilerschienen zu messen, ohne das System demontieren zu müssen. Sie weisen weiterhin Vorrichtungen auf, die eine Befestigung an den dafür vorgesehenen Befestigungspunkten an der Verteilereinrichtung 2 ermöglichen.
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Nachfolgend werden unterschiedliche Betriebsvarianten eines Antriebsstrangs 30, welcher das Energieverteilungssystem 1 und Systemkomponenten 4 umfasst, erläutert. 10 zeigt dabei den grundsätzlichen Aufbau des Antriebsstrangs 30. Als Systemkomponenten 4 sind vorliegend ein erster Elektromotor M1 und ein zweiter Elektromotor M2 vorgesehen, wobei die Elektromotoren M1, M2 für eine Spannung von 800 V ausgelegt sind. Der erste Elektromotor M1 ist über einen ersten Wechselrichter I1 mit den Stromschienen 10a, 10b verbunden. Der zweite Elektromotor M2 ist über einen zweiten Wechselrichter I2 mit den Stromschienen 10a, 10b verbunden. Ferner sind als Systemkomponenten 4 eine erste Batterie B1 und eine zweite Batterie B2 mit den Stromschienen 10a, 10b verbunden. Mit den Batterien B1 und B2 kann jeweils eine Spannung von 400 V bereitgestellt werden.
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Zwischen den Stromschienen 10a ist ein Schaltelement S1 vorgesehen und zwischen den Stromschienen 10b ist ein Schaltelement S2 vorgesehen. Des Weiteren ist zwischen einer der Stromschienen 10a und einer der Stromschienen 10b ein Schaltelement S3 vorgesehen. Als weitere Systemkomponenten 4 sind Anschlüsse P1 und P2 vorgesehen. Der Anschluss P1 ist über ein Schaltelement S4 mit einer der Stromschienen 10b und über Schaltelemente S5 und S6 mit den Stromschienen 10a verbunden. Der Anschluss P2 ist über ein Schaltelement S7 mit einer der Stromschienen 10b und über ein Schaltelement S8 mit einer der Stromschienen 10a verbunden.
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11 zeigt den Betrieb des Antriebsstrangs 30 mit einer Spannung von 800 V. Hierzu wird nur das Schaltelement S3 geschlossen und die übrigen Schaltelemente S1 und S2 sowie S4 bis S8 bleiben geöffnet. 12 zeigt das Laden mit einer Spannung von 800 V über den ersten Anschluss P1. Hierzu werden die Schaltelemente S3, S4 und S5 geschlossen. Die Schaltelemente S1 und S2 sowie S6 bis S8 bleiben geöffnet. 13 zeigt das Laden mit einer Spannung von 400 V über den ersten Anschluss P1. Hierzu werden die Schaltelemente S1, S2, S4 und S5 geschlossen. Die Schaltelemente S3 sowie S6 bis S8 bleiben geöffnet. 14 zeigt das Laden mit einer Spannung von 400 V über den ersten Anschluss P1 und den zweiten Anschluss P2. Hierzu werden die Schaltelemente S4, S6, S7 und S8 geschlossen. Die Schaltelemente S1 bis S3 sowie das Schaltelement S5 bleiben geöffnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieversteilungssystem
- 2
- Verteilereinheit
- 3
- Aufsteckmodul
- 4
- Systemkomponente
- 5
- Hochvolt-Leitung
- 6
- Potentialausgleichsleitung
- 7
- Basismodul
- 8
- Datenbus
- 9
- Pfeil
- 10a
- Stromschiene
- 10b
- Stromschiene
- 11
- Signalleitung
- 12
- Kühleinrichtung
- 13a
- Kontaktierungsbereich
- 13b
- Kontaktierungsbereich
- 14
- Kontaktierungsbereich
- 15
- Schnittstelle
- 16
- oberer Teil
- 17
- unterer Teil
- 18
- Aussparung
- 19
- Isolationsschicht
- 20
- Kühlkanal
- 21
- Anschlussbereich
- 22
- Abdeckmodul
- 23
- Verbindungsmodul
- 24
- Komponente
- 25a
- Anschluss
- 25b
- Anschluss
- 26a
- interne Stromschiene
- 26b
- interne Stromschiene
- 27
- Anschluss
- 28
- Befestigungsmittel
- 29
- Gehäuse
- 30
- Antriebsstrang
- B1
- Batterie
- B2
- Batterie
- I1
- Wechselrichter
- I2
- Wechselrichter
- M1
- Elektromotor
- M2
- Elektromotor
- P1
- Anschluss
- P2
- Anschluss
- S1-S8
- Schaltelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006034020 A1 [0009]
- DE 102007060416 A1 [0010]
