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Fahrzeuge mit Elektroantrieb weisen einen Akkumulator auf, der bei Plug-In-Fahrzeugen mittels eines Ladeanschlusses von außen geladen werden kann. Ferner bestehen innerhalb des Fahrzeugs Komponenten mit einer Nennspannung von beispielsweise 800 Volt (etwa der Hochvolt-Akkumulator), während abhängig von der Ladestation am Ladeeingang abweichende Spannung von 400 Volt vorgesehen sein kann. Es bestehen daher mehrere Abschnitte innerhalb des Bordnetzes, die verschiedene Nennspannungen haben, jedoch direkt oder indirekt mit dem Akkumulator verbunden sind.
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Die Druckschrift US 2020 / 0 180 453 A1 beschreibt eine Ladevorrichtung, bei der mittels einer Schaltereinrichtung ein Gleichspannungsladeanschluss gesteuert mit einem Akkumulator verbunden werden kann, der seinerseits über eine weitere Schaltereinrichtung mit einem elektrische Fahrzeugantrieb schaltbar verbunden ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2018 0203 039 A1 beschreibt ein Bordnetz, bei dem ein Gleichspannungsladeanschluss mit einem Akkumulator verbunden ist. Der Akkumulator ist über eine Schaltereinrichtung mit einem elektrischen Fahrzeugantrieb schaltbar verbunden.
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Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich ein Fahrzeugbordnetz derart gestalten lässt, dass zum Einen verschiedene Nennspannungen innerhalb des Fahrzeugbordnetzes möglich sind und zum anderen trotz der verschiedenen Nennspannungen in Abschnitten des Fahrzeugbordnetzes das Fahrzeug sicher vor zu hohen Berührspannungen geladen und gefahren werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 1.
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Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.
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Es wird ein Fahrzeugbordnetz mit mindestens einem Hochvoltverbraucher, einem Gleichspannungsladeanschluss, einem Akkumulator, einem Gleichrichter und einem Umschalter vorgeschlagen. Mit dem Umschalter kann eingestellt werden, ob der Hochvoltverbraucher mit einem ersten Pfad verbunden wird, der (über eine Schalteinrichtung) zum Akkumulator führt, oder ob der Hochvoltverbraucher mit einem zweiten Pfad verbunden wird, der zum Gleichspannungsladeanschluss führt. Dadurch kann der Gleichspannungsladeanschluss vom ersten Pfad getrennt werden, so dass Filterkapazitäten (Cy-Kapazitäten) im ersten Pfad nicht auf den Gleichspannungsladeanschluss wirken, während der Hochvoltverbraucher sowohl beim Laden als auch in einem Fahrmodus versorgt wird, nämlich mittels Spannung, die von dem Gleichspannungsladeanschluss stammt (beim Laden), oder mittels Spannung des Akkumulators (im Fahrmodus). In dem ersten Pfad kann ein elektrischer Antrieb angeschlossen sein, der insbesondere zu Filterzwecken hohe Cy-Kapazitäten aufweisen kann. Durch den Umschalter und durch eine Schalteinrichtung kann während des Gleichspannungsladens dieser Pfad vom Gleichspannungsladeanschluss und von dem Hochvoltverbraucher getrennt sein kann, während Gleichspannungsladeanschluss und Hochvoltverbraucher mit dem Akkumulator verbunden sind. Dadurch kann geladen werden und es kann der Hochvoltverbraucher gleichzeitig mit Spannung versorgt werden.
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Der Hochvoltverbraucher ist über den Umschalter in einer ersten Schaltstellung des Umschalters über eine erste Schalteinrichtung mit dem Akkumulator verbunden. Der Hochvoltverbraucher ist über den Umschalter in einer zweiten Schaltstellung des Umschalters über eine zweite Schalteinrichtung mit dem Akkumulator verbunden. In der zweiten Schaltstellung ist der Hochvoltverbraucher mit dem ersten Pfad verbunden, der den Umschalter über die zweite Schalteinrichtung mit dem Akkumulator verbindet. In der ersten Schaltstellung ist der Hochvoltverbraucher mit dem zweiten Pfad verbunden, der den Umschalter und den Gleichspannungsladeanschluss über die zweite Schalteinrichtung mit dem Akkumulator verbindet. Der Akkumulator ist mit einem Verbindungspunkt verbunden. Von dem Verbindungspunkt aus führen der erste und der zweite Pfad (jeweils unterbrechbar bzw. schaltbar) zum Umschalter. Der Umschalter verbindet wahlweise einen der beiden Pfade und somit einer der beiden Schalteinheiten (der Pfade) mit dem Hochvoltverbraucher.
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Ferner kann der Gleichspannungsladeanschluss von dem Akkumulator mittels der Schalteinrichtung getrennt werden. Auch ein elektrischer Antrieb, der über die zweite Schalteinrichtung mit dem Akkumulator verbunden ist, kann von diesem durch Schalten getrennt werden. Sowohl für das Fahren als auch für das Laden ergeben sich somit Möglichkeiten der Abtrennung des Akkumulators, um so hohe Berührspannungen vermeiden zu können. Insbesondere erlaubt die Vorgehensweise, dass eine hohe in dem elektrischen Antrieb gespeicherte Spannung (etwa die Spannung des Zwischenkreises des elektrischen Antriebs) mittels der Schalteinrichtungen isoliert werden kann, um so hohe Berührspannungen vermeiden zu können.
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Die Schalteinrichtungen sind jeweils zweipolig und umfassen für jedes der beiden Potentiale (+ und -) ein Schaltelement. Die Schalteinrichtungen sind womit jeweils in der Lage, allpolig zu trennen oder zu verbinden. Die Schaltelemente sind insbesondere elektromechanische Schaltelemente oder auch ein Halbleiterschalter. Die Schaltelemente einer Schalteinrichtung können als ein (zweipoliger) elektromechanischer Schalter wie ein Relais ausgebildet sein. Die Schalteinrichtung können somit durch ein Relais realisiert sein. Die erste und/oder die zweite Schalteinrichtung ist bzw. sind vorzugsweise als Doppelrelais ausgebildet.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass die erste Schalteinheit von einer Schaltereinheit (in einem Potential) und einer Diode (in dem anderen Potential) vorgesehen sind. Die Diode leitet in der Richtung, in der der Ladestrom des betreffenden Potentials zum Akkumulator fließt. Die Diode kann im positiven Potential vorgesehen sein. Befindet sich die Diode in dem Pluspotential, dann führt die Durchlassrichtung ausgehend von dem Gleichspannungsladeanschluss zu dem Verbindungspunkt bzw. dem Akkumulator. Befindet sich die Diode in dem negativen Potential oder dem Massepotential, dann weist die Durchlassrichtung vom Verbindungspunkt bzw. vom Akkumulator weg und zum Gleichspannungsladeanschluss hin. Die Diode ist vorzugsweise eine Leistungsdiode. Die Diode weist die Funktion der Diode auf, muss jedoch nicht notwendigerweise durch ein einziges Diode-Bauelement realisiert sein, sondern kann weitere Dioden-Bauelemente aufweisen oder kann andere Bauelemente aufweisen, die die Diodenfunktion realisieren, etwa ein Transistor, der gemäß einer Diodenfunktion angesteuert wird. Als Diode wird daher kein konkretes Bauteil definiert, sondern die Funktion als Diode bzw. eine Funktion wie eine Diode bezeichnet.
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Die erste Schaltrichtung verbindet zwei Potentiale des Gleichspannungsladeanschlusses (kurz: DC-Anschlusses) mit zwei Potentialen des Verbindungspunkts bzw. des Akkumulators. Die beiden Potentiale sind beispielsweise ein Minuspotential und ein Pluspotential oder ein Pluspotential und ein Massepotential. Die Schalteinrichtung sieht für eines der Potentiale ein Schaltelement vor. Für das andere Potential sieht die Schalteinrichtung eine Diodenvorrichtung oder ein weiteres Schaltelement vor. Diese sind jeweils in Reihe geschaltet.
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Die Potentiale sind jeweils Gleichspannungspotentiale. Zwischen den Potentialen liegt eine Gleichspannung an. Insbesondere entspricht jedes Potential jeweils einer (Gleichspannungs-)Stromschiene, die auch als DC-Stromschiene oder Gleichspannungsleiter bezeichnet werden kann. Zwischen den Potentialen liegt eine Versorgungsspannung an, insbesondere eine Hochvolts-Versorgungsspannung. Die Potentiale sind insbesondere Hochvoltpotentiale.
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Die zweite Schalteinrichtung verbindet zwei Potentiale der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers mit zwei Potentialen des Verbindungspunkts. Hierbei verbindet die Schalteinrichtung mittels einer ersten schaltbaren Verbindung ein erstes Potential der zweiten Seite mit einem ersten Potential des Verbindungspunkts und mittels einer zweiten schaltbaren Verbindung das zweite Potential der zweiten Seite mit dem zweiten Potential des Verbindungspunkts. Die zweite Schalteinrichtung verbindet somit die Potentiale jeweils einzeln. Die Schalteinrichtung weist für jedes Potential ein Schaltelement auf. Das Schaltelement kann als elektromechanisches Schaltelement ausgebildet sein oder als Halbleiterschaltelement, etwa als Transistor. Insbesondere werden die beiden Schaltelemente von den Kontakten eines Doppelrelais gebildet.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Verbindungspunkt über eine Pyrofuse-Sicherung mit dem Akkumulator verbunden ist. Eine Pyrofuse-Sicherung ist eine elektrische Verbindung, die mittels eines Sprengmittels geöffnet werden kann. Das Sprengmittel wird von einem elektrischen Zünder ausgelöst. Beim Auslösen trennt das Sprengmittel eine elektrische Verbindung in mechanischer Weise. Die Pyrofuse-Sicherung ist vorzugsweise in demselben Potential in Reihe geschaltet, in der sich auch die Diode befindet, sofern die erste Schalteinrichtung mit einer Diode ausgestattet ist. Die Pyrofuse-Sicherung kann zweipolig ausgestaltet sein. Es kann eine Steuerung im Sinne einer Steuervorrichtung vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die Schalteinrichtungen gemäß einem offenen Zustand anzusteuern bzw. diese zu öffnen. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, die Pyrofuse-Sicherung nur dann auszulösen, wenn zumindest eine der Schalteinrichtungen trotz entsprechender Ansteuerung nicht öffnet bzw. wenn trotz entsprechender Ansteuerung noch ein hohes Potential bzw. eine hohe Spannung festgestellt wird. Hierzu ist die Steuerung ansteuernd mit den Schalteinrichtungen und der Pyrofuse-Sicherung verbunden. Insbesondere ist die Steuerung eingerichtet, zunächst die Schalteinrichtungen zu betätigen, und dann, nach Überprüfung der Wirkung des Öffnens der Schalteinrichtungen, die Pyrofuse-Sicherung dann auszulösen, wenn trotz Öffnens ein hohes Potential (auf einer dem Akkumulator abgewandten Seite der Pyrofuse-Sicherung) feststellbar ist.
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Der Verbindungspunkt bzw. die beiden Schalteinrichtungen kann bzw. können über eine Freischalteinrichtung mit dem Akkumulator verbunden sein. Die Freischalteinrichtung kann beispielsweise bei der Wartung dazu dienen, die Abschnitte des Fahrzeugbordnetzes spannungsfrei zu schalten. Die Freischalteinrichtung ist in demselben Potential in Reihe geschaltet, in dem sich auch die Diode befindet, sofern diese in der ersten Schalteinrichtung vorgesehen ist. Insbesondere befindet sich die Freischalteinrichtung in demselben Potential (bzw. in der selben Stromschiene) wie die Pyrofuse-Sicherung oder kann zweipolit ausgestaltet sein. Die Freischalteinrichtung kann zwischen der Pyrofuse-Sicherung und dem Akkumulator vorliegen. Ferner kann die Pyrofuse-Sicherung zwischen der Freischalteinrichtung und dem Akkumulator vorliegen. Sowohl die Pyrofuse-Sicherung als auch die Freischalteinrichtung können, falls vorhanden, nur in einem der beiden Potentiale vorgesehen sein, (insbesondere in dem Potential, in dem sich auch die Diode, falls vorhanden, befindet), während das andere Potential durch eine direkte Verbindung zwischen Verbindungspunkt und Akkumulator übertragen wird.
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Die Freischalteinrichtung kann einen Leistungsschalter mit Trennfunktion, ein Leistungsschutzschalter, eine Schmelzsicherung, ein Lasttrennschalter, ein Fehlerstromschalter oder eine Steckvorrichtung sein. Vorzugsweise ist die Freischalteinrichtung eine abnehmbare Steckbrücke. Wird diese abgezogen von einer Halterung, dann sind zwei Kontakte voneinander getrennt, während bei aufgesteckter Steckbrücke die beiden Kontakte von der Steckbrücke miteinander verbunden werden.
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Es kann ferner ein Wechselspannungsladeanschluss vorgesehen sein, der über einen Gleichrichter mit der ersten Seite eines Gleichspannungswandlers verbunden ist. Die zweite Seite eines Gleichspannungswandlers ist (direkt) mit dem mindestens einen Hochvoltverbraucher verbunden. Es kann eine weitere Schaltvorrichtung vorgesehen sein, die zwischen der ersten Seite des Gleichspannungswandlers und der ersten Schalteinrichtung vorgesehen ist. Der Gleichspannungsladeanschluss kann direkt mit der ersten Schalteinrichtung bzw. dem Umschalter verbunden sein, oder kann über die weitere (Sicherheits-)Schalteinrichtung mit der ersten Schalteinrichtung bzw. dem Umschalter verbunden sein.
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Es kann als Hochvoltverbraucher ein weiterer Gleichspannungswandler (im Weiteren: Zusatzwandler) vorgesehen sein. Dieser kann eine erste Seite aufweisen, die mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Eine zweite Seite des Zusatzwandlers kann mit einem Niedervoltbordnetz verbunden sein, etwa einem Bordnetzabschnitt, der eine Endspannung von ca. 12, 13, 14, 24 oder 48 Volt aufweist.
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Es können weitere Hochvoltverbraucher vorgesehen sein, die an den Umschalter angeschlossen angeschlossen sind (der diese schaltbar mit der ersten oder der zweiten Schalteinrichtung verbindet). Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Heizeinrichtung handeln, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung eines Katalysators, oder um eine Klimatisierungsvorrichtung wie beispielsweise ein elektrischer Klimakompressor oder ein elektrisches Innenraum-Heizelement. Zwischen dem mindestens einen Hochvoltverbraucher und dem Umschalter kann ein weiterer Schalter vorgesehen sein. Dieser Schalter kann als Halbleitersicherung ausgebildet sein, insbesondere als IGBT, zu dem parallel eine Diode geschaltet ist. Die Halbleitersicherung wird im Fehlerfall per Steuersignal geöffnet.
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Der Akkumulator und die Freischalteinrichtung, der Akkumulator und die Pyrofuse-Sicherung oder der Akkumulator, die Freischalteinrichtung und die Pyrofuse-Sicherung können in einem Gehäuse vorgesehen sein, während die verbleibenden Komponenten des Fahrzeugbordnetzes in mindestens einem weiteren Gehäuse vorgesehen sind.
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Das Fahrzeugbordnetz ist vorzugsweise ein Hochvoltbordnetz mit einer Nennspannung von mindestens 60 Volt, 100 Volt, 200 Volt, 400 Volt oder 800 Volt (zumindest abschnittsweise). Der Akkumulator ist vorzugsweise ein Traktionsakkumulator, insbesondere ein Hochvoltakkumulator. Der Akkumulator kann ein Lithium-Akkumulator sein. Der Akkumulator weist eine Nennspannung von beispielsweise 400 Volt oder 800 Volt auf. Der Gleichrichter zwischen dem Wechselspannungsladeanschluss und der ersten Seite des Gleichspannungswandlers kann ein ungesteuerter Gleichrichter, ein gesteuerter Gleichrichter oder ein Leistungsfaktorkorrekturfilter sein. Zudem kann ein weiterer Spannungswandler zwischen dem Gleichrichter und dem Gleichspannungswandler vorgesehen sein. Ein Filter kann zwischen der ersten Seite des Gleichspannungswandlers und der ersten Schalteinrichtung vorgesehen sein.
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Das Fahrzeugbordnetz kann einen elektrischen Antrieb aufweisen. Dieser kann insbesondere über einen Inverter und eine daran angeschlossene elektrische Maschine verfügen. Der elektrische Antrieb (insbesondere der Inverter) ist über die zweite Schalteinheit mit dem Akkumulator verbunden. Alternativ oder in Kombination hierzu kann der elektrische Antrieb über den Umschalter mit dem Hochvoltverbraucher verbunden sein, wenn sich der Umschalter in der zweiten Schaltstellung befindet. Wenn sich der Umschalter in der zweiten Schaltstellung befindet, dann kann der elektrische Antrieb vom Akkumulator aus versorgt werden oder kann in diesen hinein rekuperieren. Dies setzt voraus, dass die zweite Schalteinheit geschlossen ist. In diesem Fall, der auch als Fahrzustand bezeichnet werden kann, ist somit der elektrische Antrieb mit dem Akkumulator verbunden. Gleichzeitig ist vorzugsweise die erste Schalteinheit geöffnet. Dadurch, dass der Umschalter als solcher konzipiert ist, gibt es keine Verbindung zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Gleichspannungsladeanschluss, zumal hierzu sich der Umschalter in der ersten Schaltstellung befinden sollte, und nicht in der zweiten Schaltstellung. Dadurch wird der Gleichspannungsladeanschluss getrennt, wenn der Akkumulator verbunden ist mit dem elektrischen Antrieb bzw. mit dem Hochvoltverbraucher, sodass Cy-Kapazitäten (=Filterkapazitäten zur Ableitung von Wechselstromkomponenten nach Masse) des elektrischen Antriebs, die relativ hoch sein können, nicht auf den Gleichspannungsladeanschluss wirken können. Ferner ist gewährleistet, dass im Fahrmodus der Gleichspannungsanschluss getrennt ist von dem Akkumulator und von dem elektrischen Antrieb sowie von dem Hochvoltverbraucher. Insbesondere werden dadurch hohe Berührspannungen an dem Gleichspannungsladeanschluss vermieden, wenn sich der Umschalter in der zweiten Schaltposition befindet und insbesondere, wenn die erste Schalteinheit geöffnet ist.
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Der elektrische Antrieb kann an eine Verbindung angeschlossen sein, die den Umschalter mit der zweiten Schalteinheit verbindet, insbesondere in direkter Weise. Der elektrische Antrieb kann also zwischen dem Umschalter und der zweiten Schalteinheit angeschlossen sein. Der Hochvoltverbraucher kann mit dem Umschalter auf der Seite des Umschalters verbunden sein, die der zweiten Schalteinheit abgewandt ist. Somit kann sich zwischen elektrischem Antrieb und Hochvoltverbraucher der Umschalter US befinden. Der elektrische Antrieb ist somit mit einer Seite der zweiten Schalteinheit verbunden, die dem Umschalter zugewandt ist. Der elektrische Antrieb ist mit einer Seite des Umschalters verbunden, die der zweiten Schalteinheit zugewandt ist.
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Der Gleichspannungsladeanschluss kann an eine Verbindung angeschlossen sein, die den Umschalter mit der ersten Schalteinheit verbindet. Mit anderen Worten kann der Gleichspannungsladeanschluss an eine Seite der ersten Schalteinheit angeschlossen sein, die dem Akkumulator abgewandt ist. Insbesondere kann der Gleichspannungsladeanschluss mit einer Seite des Umschalters verbunden sein, die der ersten Schalteinheit zugewandt ist. In einer Ausführungsform umfasst der Umschalter erste Kontakte und zweite Kontakte, die wählbar mit dem Hochvoltverbraucher verbindbar sind. Die ersten Kontakte sind hierbei (direkt) mit dem Gleichspannungsladeanschluss verbunden. Die ersten Kontakte sind insbesondere mit der Seite der ersten Schalteinheit verbunden, die dem Akkumulator abgewandt ist. Die zweiten Kontakte des Umschalters können direkt mit der zweiten Schalteinheit verbunden sein. Insbesondere können die zweiten Kontakte direkt mit dem elektrischen Antrieb bzw. mit dessen Inverter verbunden sein. Die zweiten Kontakte sind mit derjenigen Seite der zweiten Schalteinheit verbunden, die dem Akkumulator abgewandt ist. Die Seiten der Schalteinheiten, die mit dem Umschalter bzw. mit dessen ersten und zweiten Kontakten verbunden sind, sind entgegengesetzt zu den Seiten, die mit dem Akkumulator verbunden sind.
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Das Fahrzeugbordnetz kann ferner einen Wechselspannungsanschluss aufweisen. Ferner kann ein Gleichrichter vorgesehen sein, an den der Wechselspannungsanschluss angeschlossen ist. Der Wechselspannungsanschluss ist hierbei an einer Wechselspannungsseite des Gleichrichters angeschlossen. Der Wechselspannungsanschluss ist mit dem Hochvoltverbraucher verbunden. Befindet sich der Umschalter in der zweiten Schaltstellung, so ist der Wechselspannungsanschluss über den Gleichrichter (und der zweiten Schalteinheit) mit dem Akkumulator verbunden. Der Gleichrichter ist vorzugsweise an eine Seite des Umschalters angeschlossen, die mit der Hochvoltkomponente verbunden ist. Der Wechselspannungsanschluss kann ferner an eine Stelle einer Verbindung des elektrischen Antriebs mit der zweiten Schalteinrichtung angeschlossen sein. Somit kann der Wechselspannungsanschluss über den Gleichrichter mit der Verbindung zwischen der zweiten Schalteinheit und dem Umschalter verbunden sein bzw. mit der den zweiten Kontakten des Umschalters. Dadurch kann Energie über den Wechselspannungsanschluss und den Gleichrichter sowie über den Umschalter und die zweite Schalteinheit in den Akkumulator eingespeist werden. In einem derartigen Wechselspannungsladezustand ist die erste Schalteinheit vorzugsweise geöffnet. Ferner ist der Umschalter in einer Position, in der der Gleichrichter mit der zweiten Schalteinheit verbunden ist. Dadurch ist der Gleichspannungsladeanschluss zum einen über den Umschalter und zum anderen die offene erste Schalteinheit von dem Akkumulator und auch von dem Gleichrichter getrennt.
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Der Umschalter ist insbesondere zweipolig, sodass die ersten und zweiten Kontakte jeweils doppelt vorliegen, wobei jeweils ein erster Kontakt und ein zweiter Kontakt dem positiven Potential vorbehalten sind, und ein weiterer erster Kontakt und ein weiterer zweiter Kontakt dem negativen Potential oder einem Massepotential zugeordnet sind.
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Es kann ein Gleichspannungswandler vorgesehen sein, der die vom Gleichrichter gleichgerichtete Spannung in seiner Höhe ändert, um so über den Umschalter und die zweite Schalteinheit den Akkumulator mit einer entsprechenden hohen Spannung zu laden. Der Gleichrichter ist über den Gleichspannungswandler mit der Seite des Umschalters verbunden, die mit der Hochvoltkomponente verbunden ist. Der Gleichrichter ist mit dem Gleichspannungswandler mit der Seite des Umschalters verbunden, die den ersten und zweiten Kontakten entgegengesetzt ist und ist insbesondere mit der Hochvoltkomponente verbunden. Eine weitere Möglichkeit ist es, dass über den Gleichspannungswandler der Gleichrichter mit den zweiten Kontakten des Umschalters verbunden ist, das heißt mit der zweiten Schalteinheit und insbesondere mit der Seite der Schalteinheit, die dem Umschalter zugewandt ist.
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Die Hochvoltkomponente kann ein elektrischer Heizer sein, etwa einer Klimaanlage und/oder ein elektrischer Heizer eines elektrisch heizbaren Abgaskatalysators. Ferner kann alternativ oder in Kombination hiermit ein elektrischer Klimakompressor (bzw. dessen Antrieb) und/oder ein Zusatz-Gleichspannungswandler vorgesehen sein, der als eine Hochvoltkomponente vorgesehen ist und entsprechend einer Hochvoltkomponente angeschlossen ist. Der Zusatz-Gleichspannungswandler ist insbesondere ein Gleichspannungswandler, an den ein Niederspannungsnetz angeschlossen ist, beispielsweise ein Niederspannungsnetz mit einer Nennspannung von 12 Volt, 13, 14, 24, 36 oder 48 Volt. Die ein oder mehreren Hochvoltkomponenten können gespeist werden von dem Akkumulator oder, falls dieser angeschlossen ist, über den Gleichspannungsladeanschluss oder auch den Gleichrichter bzw. den Gleichspannungswandler über den Wechselspannungsladeanschluss.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass das Fahrzeugbordnetz eine Steuerung aufweist, die mit dem Umschalter ansteuernd verbunden ist. Die Steuerung weist einen Fahrzeugzustand auf. In diesem steuert die Steuerung den Umschalter an, die zweite Schaltstellung einzunehmen. Ferner kann ein Ladezustand, insbesondere ein Gleichspannungsladezustand vorgesehen sein. In diesem steuert die Steuerung den Umschalter an, die erste Schaltstellung anzusteuern. In dem Fahrzustand verbindet der Umschalter somit den Akkumulator mit den Hochvoltkomponenten. In dem Ladezustand bzw. Gleichspannungsladezustand trennt der Umschalter den Gleichspannungsladeanschluss von dem elektrischen Antrieb ab und verbindet insbesondere den Gleichspannungsladeanschluss mit dem mindestens einen Hochvoltverbraucher. Zudem wird in dem Gleichspannungsladezustand der Gleichspannungsladeanschluss über die erste Schalteinheit mit dem Akkumulator verbunden.
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Die Steuerung ist vorzugsweise ferner mit den Schalteinrichtungen ansteuernd verbunden. Die Steuerung steuert in dem Fahrzustand die erste Schalteinrichtung in einem offenen Zustand an. Ferner steuert die Steuerung in dem Fahrzustand die zweite Schalteinrichtung in einem geschlossenen Zustand an. Durch die offene erste Schalteinrichtung wird der Gleichspannungsladeanschluss von der Batterie getrennt, sodass beim Fahren an dem Gleichspannungsladeanschluss keine gefährliche Spannung anliegen kann. Durch die geschlossene zweite Schalteinrichtung wird der Akkumulator mit dem elektrischen Antrieb verbunden. Da sich hierbei vorzugsweise der Umschalter in der zweiten Schalposition befindet, wird auch der mindestens eine Hochvoltverbraucher über den Umschalter mit elektrischer Energie aus dem Akkumulator versorgt. Die Steuerung steuert in dem Gleichspannungsladezustand die erste Schalteinrichtung in einem geschlossenen Zustand an und die zweite Schalteinrichtung in einem offenen Zustand an. Im Hinblick auf die Schalteinrichtung sind somit die Schaltstellungen im Fahrzustand und im Gleichspannungsladezustand komplementär zueinander.
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Im Gleichspannungsladezustand wird über die erste Schalteinrichtung ein Leistungspfad zwischen dem Gleichspannungsladeanschluss und dem Akkumulator vorgesehen. Durch die offene zweite Schalteinrichtung wird der Akkumulator jedoch von dem Fahrzeugantrieb getrennt. Da sich hierbei der Umschalter in der ersten Schaltstellung befindet, ist der Gleichspannungsladeanschluss mit dem mindestens einen Hochvoltverbraucher verbunden, sodass hierdurch der mindestens eine Hochvoltverbraucher versorgt werden kann. Da sich jedoch der Umschalter nicht in der zweiten Position befindet, in dem Gleichspannungsladezustand, wird auch auf der Seite des Umschalters der elektrische Antrieb abgetrennt. Somit sind die Cy-Kondensatoren des elektrischen Antriebs getrennt von dem restlichen Fahrzeugbordnetz, wenn sich das Fahrzeugbordnetz bzw. die Steuerung und die betreffenden Einrichtungen im Gleichspannungsladezustand befinden.
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Der Umschalter sowie die erste und zweite Schalteinheit sind jeweils vorzugsweise zweipolig ausgebildet. Hierbei ist jeweils ein Schaltelement vorgesehen für ein positives und ein negatives Potential (bzw. Massepotential). Somit sind der Umschalter und die Schalteinheiten jeweils einpolig im Hinblick auf die zwei Potentiale des Fahrzeugbordnetzes.
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Der Umschalter und/oder Schalteinheiten bzw. deren Schaltelemente sind insbesondere elektromechanische Schalter.
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Die 1 dient zur Erläuterung von Ausführungsformen des hier beschriebenen Fahrzeugbordnetzes.
- Das in 1 dargestellte Fahrzeugbordnetz FB ist über eine Ladeschnittstelle LS mit externen Spannungsquellen verbunden, nämlich mit der Wechselspannungsquelle WQ und der Gleichspannungsquelle GQ. Diese Quellen können beispielsweise als Ladestation realisiert sein. Das Fahrzeugbordnetz FB umfasst einen Wechselspannungsanschluss WA sowie einen Gleichspannungsanschluss GA. Es sei bemerkt, dass der Wechselspannungsanschluss WA optional ist. Die Anschlüsse WA, GA sind Teil der Ladeschnittstelle LS.
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Ein Akkumulator AK des Fahrzeugbordnetzes ist an einen Verbindungspunkt VP angeschlossen, wobei dargestellt ist, dass diese Verbindung über die optionalen Elemente PF (Pyrofuse-Sicherung) und FE (Freischalteinrichtung) führt. Diese beiden optionalen Komponenten sind in demselben Potential vorgesehen. Eine erste Schalteinheit umfasst ein Schaltelement S1 für das Potential N (negatives Potential) sowie eine Diode D für das positive Potential P. Die Diode hat eine Durchlassrichtung, die in die Stromrichtung weist, welche sich für den Ladestrom des Gleichspannungsladeanschlusses einstellt. Vorzugsweise wird statt der Diode D jedoch ein weiteres Schaltelement verwendet, dass statt der Diode an der Stelle angeschlossen ist, an der die Diode vorgesehen ist. Eine zweite Schalteinheit umfasst die Schaltelemente S1 und S2, wobei auch hierfür jedes Potential N, P ein Schalter bzw. ein Schaltelement vorgesehen ist. Der Schalter S2 ist im negativen Potential N vorgesehen und der Schalter S3 ist im positiven Potential P vorgesehen. Die Schaltelemente sind jeweils (in dem betreffenden Potential) in Reihe angeschlossen. Dadurch kann die jeweilige potentialführende Leitung gesteuert getrennt und verbunden werden.
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Von dem Verbindungspunkt VP bzw. vom Akkumulator AK führen parallele Pfade, die jeweils einen der beiden Schalteinheiten umfassen, weg. Von den beiden Schalteinheiten ist jeweils eine in einem der Pfade vorgesehen (in Reihe geschaltet); in verschiedenen Pfaden sind unterschiedliche Schalteinheiten vorgesehen. Ein Umschalter US ist ebenso an die Schalteinheiten angeschlossen, jedoch an der Seite, die den Verbindungspunkt bzw. dem Akkumulator entgegengesetzt ist. Der Umschalter ist die erste Schalteinheit verbindet einen ersten (zweipoligen) Kontakt oder Anschluss (der der Schaltstellung 1 entspricht) des Umschalters US mit dem Akkumulator bzw. dem Verbindungspunkt VP. Ein zweiter (zweipoliger) Kontakt oder Anschluss des Umschalters US, der der Schaltstellung 2 entspricht, ist über die zweite Schalteinheit mit dem Verbindungspunkt bzw. mit dem Akkumulator AK verbunden.
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Der Mittenanschluss des Umschalters US, d. h. der Anschluss, der sich wahlweise abhängig von der Schaltposition mit den Schaltstellungen 1 oder 2 verbinden lässt, ist mit mindestens einem Hochvoltverbraucher verbunden. Hierbei sind die Hochvoltverbraucher K sowie W2 vorgesehen. Der mindestens eine Hochvoltverbraucher K kann für ein Heizelement (der Klimaanlage oder einer Abgasnachbehandlung) und/oder für einen elektrischen Klimakompressor (bzw. dessen Antrieb) und/oder für weitere Komponenten stehen.
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Ein elektrischer Antrieb umfasst einen Inverter I sowie eine elektrische Maschine M, die über den Inverter I mit dem Umschalter US (insbesondere mit dessen zweiten Kontakt/Anschluss) sowie mit der zweiten Schalteinheit S2, S3 verbunden ist. Zwischen dem elektrischen Antrieb (Traktionsantrieb) einerseits und dem mindestens einen Hochvoltverbraucher bzw. der ersten Schalteinheit S1, D andererseits ist der Umschalter US angeschlossen. Der mindestens eine Hochvoltverbraucher lässt sich so wahlweise mit der ersten Schalteinheit S1, D oder mit der zweiten Schalteinheit S2, S3 verbinden.
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Der Gleichspannungsladeanschluss GA ist an eine Verbindung zwischen der ersten Schalteinheit S1, D und dem Umschalter US (insbesondere dessen ersten Kontakt 1) angeschlossen. Mit anderen Worten ist der Gleichspannungsladeanschluss GA mit einem ersten Pfad verbunden, der vom Akkumulator bzw. vom Verbindungspunkt zum Umschalter führt, während der elektrische Antrieb an einen zweiten Pfad angeschlossen ist, der den Verbindungspunkt VP bzw. den Akkumulator mit dem Umschalter US verbindet.
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Eine Steuerung ST ist ansteuernd mit den Schaltern S1 bis S3 (bei einem Schaltelement im Schritt der Diode auch mit diesem Schaltelement) sowie mit dem Umschalter US ansteuernd verbunden. In einem Ladebetrieb ist der Gleichspannungsanschluss über die dann geschlossene Ladeeinheit S1, D mit dem Verbindungspunkt bzw. dem Akkumulator AK verbunden. In dem Ladezustand ist die zweite Schalteinheit geöffnet, so dass von der Seite der zweiten Schalteinheit her keine Verbindung zu dem elektrischen Antrieb I, M besteht. Im Ladezustand ist der Umschalter US in der Schaltstellung 1 und verbindet dadurch den mindestens einen Hochvoltverbraucher mit dem Verbindungspunkt VP bzw. dem Akkumulator AK einerseits und mit dem Gleichspannungsladeanschluss GA andererseits. Dadurch erhalten die Hochvoltverbraucher K, W2 und NV eine Versorgungsspannung, während durch die Schalterstellung des Umschalters US in Schaltstellung 1 und durch die geöffnete zweite Schalteinheit S2, S3 der Inverter und somit der gesamte elektrische Antrieb I, M abgetrennt ist. Dadurch wirken die Cy-Kondensatoren nicht auf den Gleichspannungsladeanschluss GA. Eine hohe Berührspannung wird somit vermieden.
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Als Hochvoltverbraucher können wie erwähnt Heizelemente und/oder ein elektrischer Klimakompressor vorgesehen sein. Diese sind symbolhaft als Komponente K dargestellt. Als weiterer Hochvoltverbraucher kann ein Zusatz-Gleichspannungswandler W2 vorgesehen sein, der den Mittenanschluss des Umschalters US mit einem Niedervolt-Bordnetz NV spannungswandelnd verbindet. Dargestellt ist ein mehrphasiger Zusatz-Gleichspannungswandler W2, der galvanisch trennend ist, wobei dieser Ausgang nur ein Beispiel von vielen ist. Das Niedervoltbordnetz kann eine Nennspannung von 12 Volt, 13 Volt oder 14 Volt oder auch von anderen Werten unterhalb von 60 Volt aufweisen.
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Als optionale Ausgestaltung kann ein Wechselspannungsanschluss WA vorgesehen sein, der insbesondere über einen optionalen Schalter SW mit einem Gleichrichter GR verbunden ist. Der Gleichrichter GR verbindet somit den Wechselspannungsanschluss mit einem Gleichspannungswandler W2, insbesondere mit einer ersten Seite 1 S des Gleichspannungswandlers W1. Eine zweite Seite 2 S des Gleichspannungswandlers ist mit dem mindestens einen Hochvoltverbraucher K, W2, NV verbunden.
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Nachdem vorangehend die Schalterstellung im Ladezustand für den Gleichspannungsfall (=Gleichspannungs-Ladezustand) beschrieben wurde, wird im Folgenden ein Wechselspannungs-Ladezustand beschrieben. Hierbei ist der Umschalter US in dem zweiten Schaltzustand 2 (d.h. Mittenanschluss ist mit Anschluss der Schaltposition 2 verbunden) und die zweite Schalteinheit ist geschlossen, während die erste Schalteinheit geöffnet ist. Dadurch, dass hierbei der Umschalter US den Gleichspannungswandler W2 nicht mit dem Gleichspannungsladeanschluss GA verbindet und dadurch, dass die erste Schalteinrichtung S1, die geöffnet ist, wird keine Spannung, die sich beim Wechselspannungsladen ergibt (insbesondere die Spannung an der zweiten Seite 2 S) an den Gleichspannungsladeanschluss GA angelegt. Da hierbei ferner der Gleichspannungswandler W1 ein galvanisch trennender Wandler ist, wirken die Cy-Kondensatoren des Inverters I und der elektrischen Maschine M nicht auf den Wechselspannungsladeanschluss WA.
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Eine alternative Anschlussstelle für den Gleichspannungsladeanschluss ist mit einem X gekennzeichnet, wobei diese Stelle zwischen der zweiten Schalteinheit S2, S3 und dem Umschalter US liegt. Hierbei ist der Gleichspannungsladeanschluss direkt mit dem Inverter I (und somit auch mit der elektrischen Maschine M) verbunden, wobei vorgesehen sein kann, dass der Cy-Kondensatoren schaltbar sind und im Ladezustand weggeschaltet sind.
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Die dargestellten Verbindungen links der zweiten Schalteinheit sowie oberhalb und unterhalb des Verbindungspunkts zwischen erster Schalteinheit, Umschalter und Gleichspannungsladeanschluss sind zur Vereinfachung mit einer einfachen Linie dargestellt sind. Diese Verbindungen sind jedoch als Zweileiterverbindungen zu verstehen, und sind ebenso ausgestaltet, wie diejenigen Verbindungen, welche in der 1 explizit mit zwei Potentialen und somit mit zwei Leitungen dargestellt sind. Die einfache Linie steht somit insbesondere für eine Zweileiterverbindung mit zwei Potentialen (N, P).
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Allgemein kann ausgehend von der ersten Schalteinrichtung (mit zwei Schaltelementen oder mit einem Schaltelement und einer Diode ausgerüstet) bis zu dem Verknüpfungspunkt vom Gleichspannungsladeanschluss und Umschalter ein DCDC-Wandler (Buck oder Boost) vergeben sein. Die Steuerung kann ansteuernd mit dem DCDC-Wandler verbunden sein und eingerichtet sein, im Überstromfall den oder die (Arbeits-)Schalter des DCDC-Wandlers zu öffnen. Ist die erste Schalteinrichtung mit einer Diode D ausgestaltet, so bildet diese die Arbeitsdiode des DCDC-Wandlers. Ist der DCDC-Wandler als Aufwärtswandler ausgebildet, so wird die Arbeitsdiode, die auf die Arbeitsinduktivität folgt, von der Diode D ausgebildet. Da in einer Ausführungsform die Diode D sowohl Teil des DCDC-Wandlers als auch der ersten Schalteinheit ist, können DCDC-Wandler und erste Schalteinheit teilweise ineinander integriert sein und können sich insbesondere ein Bauelelement, nämlich die Diode, teilen.
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Auch bei einer Schaltung ohne Wechselschalter wie in der Anmeldung
DE 10 2019 215 855 A1 dargestellt, kann zwischen erster Schalteinheit und Verbindungspunkt des Gleichstromladeanschlusses ein DCDC-Wandler (Boost, Aufwärtswandler) vorgesehen sein, dessen Arbeitsdiode von der Diodenvorrichtung realisiert ist. Die Diode bzw. Diodenvorrichtung kann daher in einem DCDC-Wandler integriert sein, der mit der ersten Schaltvorrichtung integriert ist.
