DE102019007805A1 - Elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs - Google Patents

Elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrisches Bordnetz (1) eines Fahrzeugs, mit- einem ersten Teilbordnetz (2) zum Versorgen zumindest einer Antriebskomponente des Fahrzeugs mit einer Batteriespannung (U) eines elektrischen Energiespeichers (3) des Fahrzeugs, umfassend:- ein zweites Teilbordnetz (4) zum Versorgen zumindest eines elektrischen Verbrauchers des Fahrzeugs mit einer Versorgungsspannung (U),- einen galvanisch gekoppelten Spannungswandler (5) zum Wandeln der Batteriespannung (U) in die Versorgungsspannung (U), und- ein Trennelement (8) zum Abtrennen des ersten Teilbordnetzes (2) vom zweiten Teilbordnetz (4) und vom elektrischen Energiespeicher (3). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs, mit einem ersten Teilbordnetz zum Versorgen zumindest einer Antriebskomponente des Fahrzeugs mit einer Batteriespannung eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs, wobei ein erstes Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzes mit einer Batteriespannung eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs versorgt wird.
  • Y-Kapazitäten werden oft als Maßnahmen verwendet, um die Emission von EMV-Störungen zu reduzieren. Aus Sicht der EMV sind Y-Kapazitäten meist die günstigere und kompaktere EMV-Filtermaßnahme im Vergleich zu induktiven Entstörfiltern. Aus Sicht der EMV sind also große Y-Kapazitätswerte wünschenswert. Dabei ergibt sich aber der Nachteil, dass bei einem elektrifizierten Fahrzeug der Energieinhalt der Y-Kapazitäten dann durch den Fahrzeugnutzer spürbar ist, wenn er ein HV-Potential berührt und gleichzeitig in Verbindung mit dem Erdpotential ist. Dies stellt einen Fehler dar und ist zu vermeiden. Daher ist dieser Energieinhalt normativ begrenzt, um eine Gefährdung des Fahrzeugnutzers auszuschließen. Aus Sicht der HV-Sicherheit sind also kleine Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren wünschenswert. Der Energieinhalt einer Kapazität steht im quadratischen Zusammenhang mit seiner Spannung. Bei 400-Volt-Fahrzeugen ist der Energieinhalt mit einem Kompromiss aus EMV-Anforderungen und HV-Sicherheitsanforderungen gerade noch umsetzbar. Für Fahrzeuge mit einer Spannung von 800 Volt ist ein Unterschreiten der maximalen Energielimits nicht mehr möglich. Normativ wird den Ladesäulenherstellern erlaubt, Y-Kapazitäten am Ladeanschluss von 500 Nanofarad pro HV-Potential zu verwenden. Somit ist bei einer Betriebsspannung von 920 Volt dort eine Energie von insgesamt 0,42 Joule gespeichert. Der maximal zulässige Energiewert zur Vermeidung einer Gefährdung beträgt bei 920 Volt 0,63 Joule. Das heißt, im Falle eines Schnellladens wird zirka zwei Drittel der Energie schon in der Ladesäule gespeichert. Die gespeicherte Energie in den Y-Kapazitäten hat den minimalen Wert, wenn die Spannung zwischen HV+ und PE identisch zur Spannung zwischen HV- und PE ist. Eine unsymmetrische Spannungsverteilung weicht von diesem Minimalwert ab.
  • Die DE 10 2017 009 352 A1 offenbart einen Energiekoppler zum elektrischen Koppeln eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten Bordnetzes mit einem mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten elektrischen Bordnetz, wobei der Energiekoppler einen ersten getakteten Energiewandler aufweist. Der Energiekoppler weist einen zweiten getakteten Energiewandler auf, wobei der erste und der zweite getaktete Energiewandler jeweils einen Bordnetzanschluss und einen Zwischenkreisanschluss aufweisen, wobei der Bordnetzanschluss des ersten getakteten Energiewandlers an das erste Bordnetz und der Bordnetzanschluss des zweiten getakteten Energiewandlers an das zweite Bordnetz angeschlossen ist und die Zwischenkreisanschlüsse des ersten und des zweiten getakteten Energiewandlers an einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind. Ein erstes elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises ist mittels des ersten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des ersten Bordnetzes und ein zweites elektrisches Potential des Gleichspannungszwischenkreises mittels des zweiten getakteten Energiewandlers mit einem der elektrischen Potentiale des zweiten Bordnetzes elektrisch verbunden.
  • Die DE 10 2017 009 355 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines mit einer ersten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten ersten Bordnetzes und eines mit einer zweiten elektrischen Gleichspannung beaufschlagten zweiten Bordnetzes, wobei das erste und das zweite Bordnetz mittels eines einen ersten getakteten Energiewandler aufweisenden Energiekopplers elektrisch gekoppelt werden. Die erste und die zweite elektrische Gleichspannung sind mittels einer elektrischen Isolationseinrichtung gegenüber einem elektrischen Bezugspotential elektrisch isoliert und die elektrische Isolationseinrichtung wird überwacht. Das erste und das zweite Bordnetz werden mittels des Energiekopplers galvanisch gekoppelt, wobei bei einer Störung der Isolationseinrichtung in einem Bereich eines der beiden Bordnetze der Energiekoppler elektrische Potentiale des jeweiligen anderen der beiden Bordnetze derart steuert, dass jeweilige Potentialdifferenzen von diesen elektrischen Potentialen zum Bezugspotential kleiner als ein vorgegebener Vergleichswert sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Bordnetz und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchen ein maximal erlaubter Energieinhalt in den Y-Kapazitäten eines elektrischen Bordnetzes eingehalten werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bordnetz und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs, mit einem ersten Teilbordnetz zum Versorgen zumindest einer Antriebskomponente des Fahrzeugs mit einer Batteriespannung eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs. Das elektrische Bordnetz umfasst ein zweites Teilbordnetz zum Versorgen zumindest eines elektrischen Verbrauchers des Fahrzeugs mit einer Versorgungsspannung. Mit einem galvanisch gekoppelten Spannungswandler ist eine Batteriespannung in die Versorgungsspannung umwandelbar und mit einem Trennelement ist das erste Teilbordnetz von dem zweiten Teilbordnetz und vom elektrischen Energiespeicher abtrennbar. Durch das vorgeschlagene elektrische Bordnetz können insbesondere die maximal erlaubten Energieinhalte in den Y-Kapazitäten eingehalten werden. Insbesondere muss auf eine doppelt isolierte Auslegung der Komponenten nicht mehr zwingend bestanden werden. Durch die verkleinerten Y-Kapazitäten beziehungsweise die Energieinhalte der Y-Kapazitäten können elektrisch betriebene Fahrzeuge mit 800 Volt effizienter betrieben und ausgenutzt werden. Durch Versorgung des zweiten Teilbordnetzes durch den galvanisch gekoppelten Spannungswandler mit der Versorgungsspannung können höhere Wirkungsgrade beim Betrieb des zumindest einen elektrischen Verbrauchers erhöht werden. Ebenso kann das elektrische Bordnetz effizienter und kostengünstiger und mit geringerem Gewichtsaufwand konzipiert werden.
  • Insbesondere kann ein Gesamtenergieinhalt der Y-Kapazitäten reduziert werden, indem der galvanisch gekoppelte Spannungswandler die Versorgungsspannung des zumindest einen elektrischen Verbrauchers des zweiten Teilbordnetzes in Bezug auf die Batteriespannung heruntertransformiert. Bei dem elektrischen Bordnetz handelt es sich insbesondere um ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Das Fahrzeug ist insbesondere als elektrisch betriebenes Fahrzeug oder als Hybridfahrzeug ausgebildet. Bei dem elektrischen Energiespeicher handelt es sich insbesondere um eine Fahrzeugbatterie oder um eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs. Mit dem ersten Teilbordnetz können Antriebskomponenten wie elektrische Antriebe mit der Batteriespannung versorgt werden. Das erste Teilbordnetz kann über das Trennelement vom restlichen elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs abgetrennt werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Trennelement um ein Schütz zur Abtrennung des ersten Teilbordnetzes.
  • Mit dem zweiten Teilbordnetz können insbesondere ein Gleichspannungsfilter, ein LV-DC/DC-Wandler, ein elektrischer Heizer oder ein eKMV oder weitere elektrische Verbraucher beziehungsweise elektrische Komponenten des elektrischen Bordnetzes mit der Versorgungsspannung versorgt werden. Insbesondere können mit dem zweiten Teilbordnetz Nebenaggregate des Fahrzeugs mit der Versorgungsspannung versorgt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Fahrzeugs, wobei ein erstes Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzes mit einer Batteriespannung eines elektrischen Energiespeichers des Fahrzeugs versorgt wird. Die Batteriespannung wird mit einem galvanisch gekoppelten Spannungswandler in eine Versorgungsspannung umgewandelt, wobei ein zweites Teilbordnetz des elektrischen Bordnetzes mit der Versorgungsspannung versorgt wird, und wobei das erste Teilbordnetz während der Versorgung des zweiten Teilbordnetzes vom elektrischen Energiespeicher und vom zweiten Teilbordnetz getrennt wird. Das vorgeschlagene Verfahren wird insbesondere mit einem elektrischen Bordnetz nach einem der vorher geschilderten Aspekte oder einer Weiterbildung davon durchgeführt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur 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.
  • Dabei zeigt die einzige Figur ein beispielhaftes elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs.
  • Die Fig. zeigt ein beispielhaftes elektrisches Bordnetz 1 eines Fahrzeugs. Bei dem elektrischen Bordnetz 1 handelt es sich insbesondere um ein Bordnetz eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Das elektrische Bordnetz 1 weist beispielsweise ein erstes Teilbordnetz 2 auf, mit welchem beispielsweise eine Antriebskomponente des Fahrzeugs mit einer Batteriespannung UBatt eines elektrischen Energiespeichers 3 des Fahrzeugs versorgt werden kann. Bei dem elektrischen Energiespeicher 3 handelt es sich beispielsweise um eine Traktionsbatterie oder um eine Fahrzeugbatterie. Das elektrische Bordnetz 1 weist des Weiteren ein zweites Teilbordnetz 4 auf, mit welchem zumindest ein elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs mit einer Versorgungsspannung UV versorgt werden kann. Die Versorgungsspannung UV wird insbesondere mit einem galvanisch gekoppelten Spannungswandler 5 bereitgestellt. Insbesondere wird mit dem galvanisch gekoppelten Spannungswandler 5 die Batteriespannung UBatt in die Versorgungsspannung UV umgewandelt. Bei dem galvanisch gekoppelten Spannungswandler 5 kann es sich insbesondere um einen galvanisch gekoppelten Abwärtswandler oder um einen galvanisch gekoppelten DC/DC-Wandler handeln. Insbesondere ist der galvanisch gekoppelte Spannungswandler 5 so ausgebildet, dass er eine symmetrische Potentialverteilung an beiden Anschlussklemmen des galvanisch gekoppelten Spannungswandlers 5 aufweist. Dadurch können insbesondere Energieinhalte in den Y-Kapazitäten des elektrischen Bordnetzes 1 reduziert werden.
  • Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 3 über einen Gleichspannungsanschluss 6 geladen werden. Insbesondere wird der Gleichspannungsanschluss 6 über Ladeschütze 7 mit dem elektrischen Bordnetz 1 elektrisch gekoppelt. Bei dem Gleichspannungsanschluss 6 kann es sich beispielsweise um eine Ladesäule handeln.
  • Das elektrische Bordnetz 1 weist ein Trennelement 8 auf. Bei dem Trennelement 8 kann es sich beispielsweise um Schütze handeln. Insbesondere wird bei der Versorgung des zweiten Teilbordnetzes 4 mit der Versorgungsspannung UV das erste Teilbordnetz 2 mithilfe des Trennelements 8 vom zweiten Teilbordnetz 4 und vom elektrischen Energiespeicher 3 getrennt. Dadurch können insbesondere Störungen minimiert werden. Insbesondere lassen sich dadurch die Y-Kapazitäten des elektrischen Bordnetzes 1 reduzieren.
  • Beispielsweise kann ein Energieinhalt einer Y-Kapazität des elektrischen Bordnetzes 1 bestimmt werden und bei der Umwandlung der Versorgungsspannung UV berücksichtigt werden. Insbesondere sollte die Versorgungsspannung UV so gewählt werden, dass der Energieinhalt der Y-Kapazität des elektrischen Bordnetzes nicht überschritten wird. Insbesondere sollten dabei gesetzliche und sicherheitskritische Vorgaben des Energieinhaltes der Y-Kapazität berücksichtigt werden.
  • Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher 3 eine Batteriespannung UBatt von bis zu 920 Volt aufweisen. Mithilfe des galvanisch gekoppelten Spannungswandlers 5 kann beispielsweise mit der Versorgungsspannung UV eine Spannung von 500 Volt oder von 300 Volt bereitgestellt werden.
  • Beispielsweise können mit dem galvanisch gekoppelten Spannungswandler 5 die HV-Potentiale des galvanisch gekoppelten Spannungswandlers 5 gesteuert beziehungsweise geregelt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisches Bordnetz
    2
    erstes Teilbordnetz
    3
    elektrischer Energiespeicher
    4
    zweites Teilbordnetz
    5
    galvanisch gekoppelter Spannungswandler
    6
    Gleichspannungsanschluss
    7
    Ladeschütze
    8
    Trennelement
    UBatt
    Batteriespannung
    UV
    Versorgungsspannung
  • 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 102017009352 A1 [0003]
    • DE 102017009355 A1 [0004]

Claims (5)

  1. Elektrisches Bordnetz (1) eines Fahrzeugs, mit - einem ersten Teilbordnetz (2) zum Versorgen zumindest einer Antriebskomponente des Fahrzeugs mit einer Batteriespannung (UBatt) eines elektrischen Energiespeichers (3) des Fahrzeugs, und gekennzeichnet, durch - ein zweites Teilbordnetz (4) zum Versorgen zumindest eines elektrischen Verbrauchers des Fahrzeugs mit einer Versorgungsspannung (UV), - einen galvanisch gekoppelten Spannungswandler (5) zum Wandeln der Batteriespannung (UBatt) in die Versorgungsspannung (UV), und - ein Trennelement (8) zum Abtrennen des ersten Teilbordnetzes (2) vom zweiten Teilbordnetz (4) und vom elektrischen Energiespeicher (3).
  2. Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch einen Gleichspannungsanschluss (6) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (3).
  3. Elektrisches Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanisch gekoppelte Spannungswandler (5) als galvanisch gekoppelter Abwärtswandler ausgebildet ist.
  4. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes (1) eines Fahrzeugs, wobei - ein erstes Teilbordnetz (2) des elektrischen Bordnetzes (1) mit einer Batteriespannung (UBatt) eines elektrischen Energiespeichers (3) des Fahrzeugs versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Batteriespannung (UBatt) mit einem galvanisch gekoppelten Spannungswandler (5) in eine Versorgungsspannung (UV) umgewandelt wird, wobei - ein zweites Teilbordnetz (4) des elektrischen Bornetzes (1) mit der Versorgungsspannung (UV) versorgt wird, und wobei - das erste Teilbordnetz (2) während der Versorgung des zweiten Teilbordnetzes (4) vom elektrischen Energiespeicher (3) und vom zweiten Teilbordnetz (4) getrennt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieinhalt einer Y-Kapazität des elektrischen Bordnetzes (1) bestimmt und bei der Umwandlung der Versorgungsspannung (5) berücksichtigt wird.
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