DE102019008824A1

DE102019008824A1 - Elektrisches Bordnetz für ein Fahrzeug, Verfahren zu dessen Betrieb und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019008824A1
Application number: DE102019008824.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Ohms; Akin Candir; Urs Boehme; André Haspel; Andreas Maier
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz (1) für ein Fahrzeug (2), umfassend zwei Potentialleitungen (P+, P-), welche mit einer Fahrzeugbatterie (13) galvanisch verbindbar oder verbunden sind, und- erste elektrische Komponenten (K1), welche während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs (2) und während eines elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie (13) des Fahrzeugs (2) erforderlich,- zweite elektrische Komponenten (K2), welche alleinig während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs (2) erforderlich, und- dritte elektrische Komponenten (K3), welche alleinig während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie (13) des Fahrzeugs (2) erforderlich sind.Erfindungsgemäß ist das elektrische Bordnetz (1) in drei elektrische Teilbordnetze (1.1, 1.2, 1.3) unterteilt, wobei das erste Teilbordnetz (1.1) die ersten Komponenten (K1), das zweite Teilbordnetz (1.2) die zweiten Komponenten (K2) und das dritte Teilbordnetz (1.3) die dritten Komponenten (K3) umfasst, wobei das erste Teilbordnetz (1.1) mit den Potentialleitungen (P+, P-) galvanisch verbunden ist, wobei eine Umschaltvorrichtung (26) mit zwei Schaltstellungen vorgesehen ist:- in der ersten Schaltstellung das zweite Teilbordnetz (1.2) mit dem ersten Teilbordnetz (1.1) galvanisch verbunden und das dritte Teilbordnetz (1.3) vom ersten und zweitem Teilbordnetz (1.1, 1.2) galvanisch getrennt ist, und- in der zweiten Schaltstellung das dritte Teilbordnetz (1.3) mit dem ersten Teilbordnetz (1.1) galvanisch verbunden und das zweite Teilbordnetz (1.2) vom ersten und dritten Teilbordnetz (1.1, 1.3) galvanisch getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, ein Verfahren zu dessen Betrieb und ein Fahrzeug.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2018 002 926 A1 beschrieben, ein elektrisches Bordnetz bekannt. Dieses elektrische Bordnetz für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung, wobei das Bordnetz ausgebildet ist, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden. Das Bordnetz weist wenigstens einen Y-Kondensator auf, der mit einem ersten Anschluss mit einer der Potentialleitungen und mit einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt ist. Ein Schaltelement ist zum wenigstens einen Y-Kondensator in Reihe geschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes elektrisches Bordnetz für ein Fahrzeug, ein Verfahren zu dessen Betrieb und ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Bordnetz anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektrisches Bordnetz für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zu dessen Betrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein elektrisches Bordnetz für ein Fahrzeug, insbesondere ein elektrisches Hochvoltbordnetz für ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, umfasst zwei Potentialleitungen, welche mit einer Fahrzeugbatterie galvanisch verbindbar oder verbunden sind. Diese Fahrzeugbatterie dient insbesondere einer elektrischen Energieversorgung mindestens einer elektrischen Antriebseinheit zum Antrieb des Fahrzeugs. Des Weiteren umfasst das elektrische Bordnetz erste elektrische Komponenten, welche während eines, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs und während eines elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs erforderlich sind, zweite elektrische Komponenten, welche ausschließlich während des, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs erforderlich sind, und dritte elektrische Komponenten, welche ausschließlich während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs erforderlich sind.
Erfindungsgemäß ist das elektrische Bordnetz in drei elektrische Teilbordnetze unterteilt, wobei das erste elektrische Teilbordnetz die ersten elektrischen Komponenten umfasst, das zweite elektrische Teilbordnetz die zweiten elektrischen Komponenten umfasst und das dritte elektrische Teilbordnetz die dritten elektrischen Komponenten umfasst und wobei das erste elektrische Teilbordnetz mit den Potentialleitungen galvanisch verbunden ist. Es ist eine Umschaltvorrichtung mit zwei Schaltstellungen vorgesehen, wobei in der ersten Schaltstellung das zweite elektrische Teilbordnetz mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz galvanisch verbunden ist und das dritte elektrische Teilbordnetz vom ersten elektrischen Teilbordnetz und vom zweiten elektrischen Teilbordnetz galvanisch getrennt ist, und in der zweiten Schaltstellung das dritte elektrische Teilbordnetz mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz galvanisch verbunden ist und das zweite elektrische Teilbordnetz vom ersten elektrischen Teilbordnetz und vom dritten elektrischen Teilbordnetz galvanisch getrennt ist. Die Umschaltvorrichtung ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet und/oder ansteuerbar, um zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs in die erste Schaltstellung zu schalten oder geschaltet zu werden und zur Durchführung des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs in die zweite Schaltstellung zu schalten oder geschaltet zu werden. Das erste elektrische Teilbordnetz ist somit sowohl während des Fahrbetriebs als auch während des Ladebetriebs mit der Fahrzeugbatterie galvanisch verbunden, welche hierzu mit den Potentialleitungen galvanisch verbunden ist, und wird daher von der Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgt. Je nach Schaltstellung der Umschaltvorrichtung ist, wie beschrieben, entweder das zweite elektrische Teilbordnetz (zur Durchführung des Fahrbetriebs) mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz und dadurch mit der Fahrzeugbatterie galvanisch verbunden und das dritte elektrische Teilbordnetz ist vom ersten elektrischen Teilbordnetz und zweiten elektrischen Teilbordnetz und somit auch von der Fahrzeugbatterie galvanisch getrennt und dadurch potentialfrei, oder das dritte elektrische Teilbordnetz (zur Durchführung des elektrischen Ladebetriebs) ist mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz und dadurch mit der Fahrzeugbatterie galvanisch verbunden und das zweite elektrische Teilbordnetz ist vom ersten elektrischen Teilbordnetz und dritten elektrischen Teilbordnetz und somit auch von der Fahrzeugbatterie galvanisch getrennt und dadurch potentialfrei.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des elektrischen Bordnetzes wird die Umschaltvorrichtung zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs in die erste Schaltstellung geschaltet und zur Durchführung des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs in die zweite Schaltstellung geschaltet.
Das erfindungsgemäß ausgebildete elektrische Bordnetz und ebenso das erfindungsgemäße Verfahren zu dessen Betrieb lösen insbesondere das Problem bezüglich einer Verwendung von Y-Kapazitäten zur Herstellung einer elektromagnetischen Verträglichkeit, wie im Folgenden näher erläutert wird.
Fahrzeuge weisen in der Regel ein elektrisches Bordnetz auf, das elektrische Komponenten umfasst. Das elektrische Bordnetz dient dazu, die elektrischen Komponenten miteinander in vorgebbarer Weise elektrisch zu koppeln. Das elektrische Bordnetz dient somit der Verteilung der elektrischen Energie innerhalb des Fahrzeugs. Insbesondere bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen ist es zudem erforderlich, zumindest in bestimmten Zeitabschnitten dem Fahrzeug elektrische Energie für einen bestimmungsgemäßen Betrieb zuzuführen. Zu diesem Zweck ist das elektrische Bordnetz mittels mindestens einer Ladeeinheit mit einer kraftfahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, insbesondere einer Ladestation, elektrisch koppelbar, beispielsweise galvanisch oder induktiv. Im gekoppelten Zustand kann dem Fahrzeug, insbesondere der Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs, die vom elektrischen Bordnetz umfasst oder zumindest an das elektrische Bordnetz angeschlossen ist, elektrische Energie von der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle zugeführt werden.
Insbesondere elektrisch antreibbare Fahrzeuge weisen in der Regel mindestens eine elektrische Antriebseinheit auf, die zumindest teilweise dem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb des Fahrzeugs dient. Damit das Fahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb mit elektrischer Energie versorgt werden kann, umfasst das elektrische Bordnetz in der Regel einen elektrischen Energiespeicher, hier die Fahrzeugbatterie, die vorzugsweise nach Art eines Akkumulators, beispielsweise durch eine Hochvoltbatterie oder dergleichen, gebildet ist. Während des bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs reduziert sich der Energieinhalt der Fahrzeugbatterie mit der Zeit, wodurch ein Aufladen der Fahrzeugbatterie erforderlich wird. Die hierfür benötigte elektrische Energie wird von der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle bereitgestellt, zu welchem Zweck das Fahrzeug an der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, insbesondere an der Ladestation, während des Zuführens von elektrischer Energie abgestellt und mit dieser elektrisch gekoppelt wird.
Das elektrisch antreibbare Fahrzeug ist insbesondere ein schienenungebundenes Fahrzeug, welches die mindestens eine elektrische Antriebseinheit aufweist, mittels der das elektrisch antreibbare Fahrzeug im bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb zumindest teilweise angetrieben werden kann. Die mindestens eine elektrische Antriebseinheit weist hierfür üblicherweise eine oder mehrere, insbesondere rotierende, elektrische Maschinen auf, die insbesondere mittels eines geeignet ausgebildeten Energiewandlers in vorgebbarer Weise gesteuert werden können. Zu diesem Zweck ist der Energiewandler dazu ausgebildet, für die elektrischen Maschinen eine jeweilige Maschinenspannung bereitzustellen. Ein derartiger Energiewandler kann zum Beispiel ein Wechselrichter, ein Gleichspannungswandler, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, und/oder dergleichen sein.
Das elektrisch antreibbare Fahrzeug ist vorzugsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Bei einem Elektrofahrzeug ist die mindestens eine elektrische Antriebseinheit in der Regel die einzige Einrichtung, die dem Fahrbetrieb des Fahrzeugs dient. Bei einem Hybridfahrzeug ist dagegen üblicherweise eine weitere Antriebseinheit vorhanden, die in der Regel in Form einer Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein kann. Die Verbrennungskraftmaschine kann ebenso für den bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb genutzt werden wie die mindestens eine elektrische Antriebseinheit. Es können auch beide Antriebseinheiten kombiniert miteinander betrieben werden. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftwagen, vorzugsweise ein Personenkraftwagen.
Um Anforderungen hinsichtlich einer elektromagnetischen Verträglichkeit sowie auch von Netzdrückwirkungen, insbesondere auch während eines Ladevorgangs, einhalten zu können, ist es bisher üblich, mindestens eine entsprechende Filtereinheit im Fahrzeug anzuordnen. Die Filtereinheit kann zum Beispiel im Bereich der mindestens einen Ladeeinheit des Fahrzeugs und/oder auch im Bereich der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, insbesondere der Ladestation, angeordnet sein. Darüber hinaus können Filtereinheiten zumindest teilweise auch innerhalb des elektrischen Bordnetzes angeordnet sein, insbesondere können sie auch zumindest teilweise von einer oder mehreren der elektrischen Komponenten umfasst sein.
Sowohl die Filtereinheit als auch die elektrischen Komponenten des elektrischen Bordnetzes, insbesondere auch wenn sie mit Hochvolt betrieben werden, verfügen üblicherweise zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit über Y-Kondensatoren. Solche Y-Kondensatoren können auch ladestationsseitig, d. h. auch im Bereich der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, vorgesehen sein. Die Wirkung von Y-Kondensatoren im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere der Funkentstörung, ist dem Fachmann bekannt, sodass es diesbezüglich keiner gesonderten weiteren Erläuterung bedarf. Im Übrigen wird auf die diesbezügliche Normung verwiesen, so zum Beispiel die Richtlinie 2013/30/EU, über die elektromagnetische Verträglichkeit, EM 61000 und weitere.
Aus Gründen der elektrischen Sicherheit soll eine in sämtlichen Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten. Ein solcher Wert beträgt zum Beispiel 0,2 J. Dies führt regelmäßig zu einer konstruktiven Auslegung derart, dass Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren fahrzeugseitig in der Regel kleiner gewählt werden, als sie für eine ordnungsgemäße Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf die elektrischen Komponenten, die an das elektrische Bordnetz angeschlossen sind, notwendig wären.
Bei aktuellen elektrisch antreibbaren Fahrzeugen, beispielsweise Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder dergleichen, bei denen das elektrische Bordnetz mit Hochvolt beaufschlagt ist, sind in den elektrischen Komponenten, beispielsweise einem Wechselrichter einer Antriebseinheit des Fahrzeugs, an den die elektrische Maschine zum Zwecke des Antreibens des Fahrzeugs angeschlossen ist, entsprechende Filtereinheiten vorgesehen, durch welche Zuleitungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit oder dergleichen entstört werden können, insbesondere in Bezug auf leitungsgebundene Funkstörungen, sodass in einem geschirmten Leitungssystem des elektrischen Bordnetzes ein maximal zulässiger Störpegel beziehungsweise durch die elektromagnetische Verträglichkeit vorgegebene Grenzwerte eingehalten werden können.
In diesem Zusammenhang meint Hochvolt eine elektrische Gleichspannung, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen.
Als problematisch hat es sich unter anderem herausgestellt, wenn das Fahrzeug mittels einer Wechselspannung von der Ladestation geladen werden soll. In einem solchen Fall erweist sich die fahrzeugseitig vorgesehene Gesamtkapazität an Y-Kondensatoren als hinderlich, weil diese Y-Kondensatoren auch einen Ableitstrom verursachen können, der ladestationsseitig zu einer Störungsauslösung führen kann und/oder insgesamt einen zulässigen Wert für Ableitströme bei elektrischen Anlagen überschreiten kann, wie dies beispielsweise in der Normung angegeben ist, so zum Beispiel in der Norm DIN EN 61800 oder dergleichen. Diese Problematik kann dem Grunde nach nur durch Reduktion der Kapazitätswerte der im Fahrzeug vorgesehenen Y-Kondensatoren gelöst werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass dadurch der Aufwand für die Filtereinheiten erheblich vergrößert sein kann.
Darüber hinaus ist es insbesondere beim Aufladen mittels einer Gleichspannung erforderlich, dass ein Energieinhalt von sämtlichen wirksamen Y-Kondensatoren einen vorgegebenen Gesamtenergieinhalt nicht überschreitet. Aktuell ist hierfür ein maximaler Wert von 0,2 J vorgesehen, der nicht überschritten werden soll. Durch die Vielzahl der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs und die steigende Leistung, beispielsweise bei Hochvolt-Komponenten, wird die Gesamtkapazität der vorhandenen Y-Kondensatoren immer größer, wodurch auch der dort gespeicherte Energieinhalt entsprechend der zunehmenden Gesamtkapazität zunimmt. Darüber hinaus ist zu beachten, dass insbesondere im Bereich Hochvolt der Energieinhalt der Y-Kondensatoren besonders kritisch ist, zumal zu beachten ist, dass die in den Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie quadratisch von der elektrischen Spannung der Y-Kondensatoren abhängig ist. Dadurch wird gerade im Bereich Hochvolt das Einhalten der Anforderung hinsichtlich des maximalen Energieinhalts in Bezug auf eine jeweilige der Potentialleitungen besonders schwierig. Gerade bei Fahrzeugen erweist es sich als problematisch, sowohl Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit in Bezug auf die Energie der Y-Kondensatoren zugleich zu erfüllen.
Würde das Kraftfahrzeug ausschließlich an einer speziell dafür entwickelten Ladestation geladen werden, könnte von den insbesondere genormten Vorgaben in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit teilweise abgewichen werden, beispielsweise in Bezug auf leitungsgebundene Störungen während eines Ladevorgangs. In diesem Szenario wäre dann die Ladestation entsprechend angepasst auszugestalten. Das gilt natürlich gleichermaßen für die Ladestation sowie auch für das Fahrzeug. Dadurch, dass der Entstöraufwand reduziert werden könnte, könnte sich dies auch auf die Kapazitätswerte von Y-Kondensatoren auswirken, wodurch die vorgeschriebene maximale Energie von kleiner als 0,2 J für jede der Potentialleitungen leichter eingehalten werden kann. Dies würde jedoch erhebliche Einschränkungen bezüglich der Lademöglichkeiten bedeuten.
Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, während eines Gleichstromladevorgangs einzelne elektrische Komponenten spannungsfrei zu schalten. Hierzu werden beispielsweise Relais an beiden Anschlüssen der jeweiligen elektrischen Komponente geöffnet. Somit sind die Kapazitäten der Y-Kondensatoren dieser elektrischen Komponenten bei der Betrachtung der Gesamtkapazität unwirksam und der Energieinhalt kann kleiner als 0,2 J für jede der Potentialleitungen gehalten werden. Hierfür sind jedoch entsprechende Relais an den allen betreffenden elektrischen Komponenten erforderlich.
Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, die in den jeweils nicht aktiven elektrischen Komponenten verbauten Y-Kondensatoren vom elektrischen Bordnetz zu trennen und somit unwirksam zu schalten. Auch hierfür wären jedoch für alle entsprechenden Y-Kondensatoren jeweils separate Trennschalter erforderlich.
Dieser hohe Aufwand wird durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden, da bei der erfindungsgemäßen Lösung nur eine einzige zentrale Umschaltvorrichtung erforderlich ist. Vorteilhafterweise sind im elektrischen Bordnetz keine weiteren Schaltelemente, insbesondere keine Schütze, vorhanden. Insbesondere sind die zweiten und dritten elektrischen Komponenten und zweckmäßigerweise auch die ersten elektrischen Komponenten jeweils stets mit Anschlusskontakten der Umschaltvorrichtung galvanisch verbunden. Dabei sind zweckmäßigerweise die zweiten elektrischen Komponenten stets mit den Anschlusskontakten der Umschaltvorrichtung galvanisch verbunden, welche der ersten Schaltstellung der Umschaltvorrichtung zugeordnet sind, d. h. in der ersten Schaltstellung kontaktiert sind, und die dritten elektrischen Komponenten sind stets mit den Anschlusskontakten der Umschaltvorrichtung galvanisch verbunden, welche der zweiten Schaltstellung der Umschaltvorrichtung zugeordnet sind, d. h. in der zweiten Schaltstellung kontaktiert sind. Die ersten elektrischen Komponenten sind dann zweckmäßigerweise stets mit den Anschlusskontakten der Umschaltvorrichtung galvanisch verbunden, welche, je nach Schaltstellung der Umschaltvorrichtung, mittels dieser Umschaltvorrichtung mit den Anschlusskontakten für die zweiten elektrischen Komponenten oder mit den Anschlusskontakten für die dritten elektrischen Komponenten galvanisch verbunden sind bzw. durch das Umschalten in diese Schaltstellung galvanisch verbunden werden.
Zudem wird mittels des erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen Bordnetzes und ebenso mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu dessen Betrieb ein weiteres Problem gelöst.
Für das Fahrzeug, welches beispielsweise als Elektrofahrzeug oder als mittels einer fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle ladbares Hybridfahrzeug ausgebildet ist, gilt die Anforderung der Berührsicherheit und des Schutzes vor einem elektrischen Schlag. Da die Ladeschnittstelle oder die mehreren Ladeschnittstellen des Fahrzeugs von außen zugänglich ist/sind, sind zur Einhaltung dieser Anforderung besondere Maßnahmen notwendig. Üblicherweise bestehen diese Maßnahmen darin, zugehörige Ladekomponenten mittels eines elektromechanischen Trennschalters, auch als Schütz bezeichnet, vom elektrischen Bordnetz des Fahrzeugs abzukoppeln und damit spannungsfrei zu schalten. Erst nachdem ein geeigneter Ladestecker, dessen Konstruktion ein Berühren von spannungsführenden Teilen verhindert, korrekt eingesteckt wurde, wird der Trennschalter geschlossen.
Im weiteren Sinne gilt diese Betrachtung auch für eine fahrzeugseitige Einrichtung eines induktiven Ladesystems. Zwar existiert hier keine offene Schnittstelle, von der eine Gefahr durch Berührung ausgehen würde. Ein CPM, d. h. eine induktive Ladeeinheit des Fahrzeugs, insbesondere deren Empfängereinheit, befindet sich jedoch häufig an einer exponierten Stelle des Fahrzeugs, um einen möglichst kurzen Übertragungsweg zur infrastrukturseitigen Einrichtung, d. h. zu einer Ladeplatte der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, sicherzustellen und um Bauraumkonflikte mit Achsen des Fahrzeugs und der Fahrzeugbatterie zu vermeiden. Dadurch ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, das CPM als elektrische Hochvoltkomponente im Fahrbetrieb vom elektrischen Bordnetz abzutrennen, um bei einer Kollision des Fahrzeugs eine Gefährdung durch elektrischen Schlag zu vermeiden. Auch dieser Notwendigkeit wird üblicherweise mit dem Einsatz von Trennschaltern, d. h. Schützen, begegnet.
Derartige Schütze sind relativ großvolumige Bauteile, deren Bauraumbedarf mit steigenden Anforderungen, beispielsweise bezüglich eines maximalen Trennstroms und einer Höchstspannung, steigen. Sie ermöglichen zwar eine sichere galvanische Trennung, stellen aber unter Umständen selbst eine Ausfallquelle dar. So besteht zum Beispiel die Gefahr, dass an Schaltkontakten des Trennschalters aufgrund von Überströmen ein Lichtbogen entsteht, der die Kontakte miteinander verschweißt. Der Trennschalter lässt sich infolge dessen nicht mehr öffnen. Dies wird auch als Schützkleber bezeichnet. Auch ohne das Entstehen eines derartigen Schützklebers stellt das Trennen unter Last eine starke Beanspruchung der Kontaktflächen des Schützes dar. Trennschalter, die im Fahrzeugbereich zum Einsatz kommen, werden daher in der Regel mit einem Schützalterungszähler betrieben, der die Anzahl der Schaltvorgänge ermittelt und diese mit dem während des Schaltvorgangs bestehenden Strom gewichtet. Überschreitet der Zähler einen bestimmten Grenzwert, wird die Lebensdauer des Trennschalters als erreicht betrachtet. Infolge dessen kann der Trennschalter nicht mehr geschlossen werden und das Fahrzeug lässt sich nicht mehr betreiben.
Zudem bedeutet eine steigende Anzahl von Schützen im Fahrzeug einen signifikanten Kostenfaktor. Aus diesen Gründen ist es erstrebenswert, die Anzahl der im Fahrzeug verbauten Schütze zu minimieren. Dies wird durch die erfindungsgemäße Lösung erreicht, da hier nur eine einzige zentrale Umschaltvorrichtung erforderlich ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird das für den jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs, d. h. für den Fahrbetrieb oder den Ladebetrieb, nicht erforderliche elektrische Teilbordnetz, d. h. das zweite elektrische Bordnetz oder das dritte elektrische Bordnetz mit seinen jeweiligen für den jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs nicht erforderlichen elektrischen Komponenten, vom ersten elektrischen Teilbordnetz und vom jeweiligen anderen elektrischen Teilbordnetz und somit auch von der elektrischen Energieversorgung galvanisch getrennt. Dadurch sind im zweiten elektrischen Teilbordnetz und im dritten elektrischen Teilbordnetz keine Trennschalter zum Abtrennen einzelner elektrischer Komponenten von der elektrischen Energieversorgung erforderlich. Daraus resultiert eine Verringerung der Anzahl elektromechanischer Trennschalter und somit ein geringeres Ausfallrisiko, eine Kostensenkung, einer Reduzierung des erforderlichen Bauraums und eine Gewichtsreduzierung.
Aufgrund der galvanischen Trennung jeweils eines der Teilbordnetze mit seinen elektrischen Komponenten von der elektrischen Energieversorgung wird eine erleichterte Zertifizierung des Fahrzeugs ermöglicht, da auf diese Weise geringere Energiemengen in den aktiven Y-Kondensatoren erreicht werden.
Des Weiteren wird ein Laden der Fahrzeugbatterie mit einer höheren Hochvoltgleichspannung ermöglicht, ohne hierfür über Hochvoltschütze passive elektrische Komponenten wegschalten zu müssen, da diese passiven elektrischen Komponenten durch das Umschalten mit ihrem gesamten Teilbordnetz galvanisch von der elektrischen Energieversorgung getrennt werden. Dadurch wird beispielsweise ein Schnellladen mit einer Gleichspannung von 800 V ermöglicht.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird zudem die oben geschilderte Alternative vermieden, dass nur speziell spezifizierte fahrzeugexterne elektrische Energiequellen, insbesondere Schnellladesäulen, für ein Fahrzeug mit mehr als 0,2 J je Potentialleitung verwendet werden dürfen, d. h. dass das Laden an öffentlichen, d. h. nicht speziell zertifizierten, fahrzeugexternen elektrischen Energiequellen untersagt ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird zudem eine verbesserte Gestaltung der EMV-Eigenschaften, d. h. der elektromagnetischen Verträglichkeit, von Leistungselektronikkomponenten des Fahrzeugs durch Y-Kondensatoren mit höheren Kapazitäten ermöglicht. Die Auslegung der Y-Kondensatoren kann somit für alle Betriebszustände des Fahrzeugs einzeln erfolgen, indem je nach Betriebszustand nur die Kapazitäten der Y-Kondensatoren der jeweils aktiven elektrischen Komponenten zu berücksichtigen sind.
Des Weiteren wird eine Verringerung eines Bauvolumens und von Kosten und eine Erhöhung der Effizienz von Leistungselektronikkomponenten durch kleiner gestaltete Filter und höhere Flankensteilheiten bei Halbleiterschaltern ermöglicht.
Da durch die erfindungsgemäße Lösung elektrische Komponenten im inaktiven Zustand potentialfrei geschaltet werden, wird zudem eine Verlängerung einer Lebensdauer dieser elektrischen Komponenten erreicht.
Zweckmäßigerweise umfasst jedes elektrische Teilbordnetz mindestens einen Y-Kondensator. Dadurch können die oben beschriebenen Vorteile bezüglich der Y-Kondensatoren und deren Auslegung und somit bezüglich der verbesserten elektromechanischen Verträglichkeit und bezüglich des Schutzes vor einem elektrischen Schlag erreicht werden, da der mindestens eine Y-Kondensator oder vorteilhafterweise die mehreren Y-Kondensatoren des je nach Betriebszustand des Fahrzeugs nicht erforderlichen elektrischen Teilbordnetzes, d. h. des zweiten elektrischen Teilbordnetzes oder des dritten elektrischen Teilbordnetzes, weggeschaltet werden, d. h. von der elektrischen Energieversorgung getrennt und somit potentialfrei geschaltet werden. Beispielsweise umfasst daher jede elektrische Komponente einen Y-Kondensator.
Die ersten elektrischen Komponenten umfassen beispielsweise eine elektrische Kältemittelverdichtereinheit, eine elektrische Heizeinheit und/oder einen Gleichspannungswandler. Die Heizeinheit ist beispielsweise als eine PTC Heizeinheit ausgebildet. Diese elektrischen Komponenten sind sowohl während des Fahrbetriebs als auch während des Ladebetriebs erforderlich. Der elektrische Kältemittelverdichter ist dabei insbesondere ein Bestandteil einer Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs, welche während des Fahrbetriebs und beispielsweise auch während des Ladebetriebs zur Vorbereitung eines folgenden Fahrbetriebstarts einen Fahrgastraum des Fahrzeugs klimatisiert, insbesondere kühlt, und beispielsweise auch die Fahrzeugbatterie während des Fahrbetriebs und/oder während des Ladebetriebs kühlt. Analog gilt dies für die elektrische Heizeinheit, wobei hiermit der Fahrgastraum und beispielsweise auch die Fahrzeugbatterie erwärmt werden. Der Gleichspannungswandler dient insbesondere der Umwandlung der Hochvoltgleichspannung in eine Niedervoltgleichspannung zur elektrischen Energieversorgung von Niedervoltverbrauchern des Fahrzeugs. Dabei existieren Niedervoltverbraucher, die im Fahrbetrieb und/oder im Ladebetrieb aktiv sind, so dass der Gleichspannungswandler im Fahrbetrieb und im Ladebetrieb erforderlich ist.
Die zweiten elektrischen Komponenten umfassen beispielsweise mindestens eine elektrische Antriebseinheit oder mehrere, zum Beispiel zwei, elektrische Antriebseinheiten zum Antrieb des Fahrzeugs zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs. Da das Laden des Fahrzeugs bei Stillstand des Fahrzeugs erfolgt, ist die mindestens eine elektrische Antriebseinheit oder sind die mehreren elektrischen Antriebseinheiten während des Ladebetriebs nicht erforderlich.
Die dritten elektrischen Komponenten umfassen beispielsweise eine Gleichstromladeeinheit, auch als DC-Box oder DC-Filterbox bezeichnet, eine Gleichstromladeanschlusseinheit, eine Wechselstromladeeinheit, eine Wechselstromladeanschlusseinheit und/oder eine induktive Ladeeinheit. Diese elektrischen Komponenten sind ausschließlich zum Laden der Fahrzeugbatterie erforderlich, welches während des Stillstands des Fahrzeugs erfolgt. Daher sind sie während des Fahrbetriebs nicht erforderlich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch ein Ersatzschaltbild eines elektrischen Bordnetzes für ein Fahrzeug,
2 schematisch eine Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes für ein Fahrzeug, und
3 schematisch eine Ausführungsform eines verbesserten elektrischen Bordnetzes für ein Fahrzeug.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes eines elektrischen Bordnetzes 1 für ein Fahrzeug 2 bzw. eines elektrischen Bordnetzes 1 eines solchen Fahrzeugs 2, in welchem das elektrische Bordnetz 1 bereits installiert ist. Ein Fahrzeug 2 mit einem elektrischen Bordnetz 1 ist in 3 schematisch dargestellt. Das elektrische Bordnetz 1 ist ein elektrisches Hochvoltbordnetz (HV-Bordnetz). Das Fahrzeug 2 ist ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.
Das in 1 gezeigte elektrische Bordnetz 1 und ebenso die in den 2 und 3 gezeigten elektrischen Bordnetze 1 können neben den im Folgenden noch erläuterten elektrischen Komponenten K 1, K2, K3 unter anderem auch die folgenden elektrischen Komponenten K1, K2, K3 umfassen: mindestens eine elektrische Antriebseinheit 3 mit einer elektrischen Maschine 4 zum Antrieb des Fahrzeugs 2, mindestens einen Wechselrichter 5, an den insbesondere die elektrische Maschine 4 angeschlossen ist und mittels dem die elektrische Maschine 4 in vorgebbarer Weise gesteuert werden kann, eine elektrische Heizeinheit 6, welche insbesondere als eine PTC-Heizeinheit ausgebildet ist und somit mindestens einen elektrischen Heizwiderstand 7 aufweist, eine elektrische Kältemittelverdichtereinheit 8, auch als elektrischer Klimakompressor bezeichnet, welche ebenfalls einen Wechselrichter 5 und eine daran angeschlossene elektrische Maschine 4 zum Antrieb eines Kältemittelverdichters umfassen kann, einen Gleichspannungswandler 9 zur Bereitstellung eines elektrischen Niedervoltbordnetzes, mindestens eine Ladeeinheit 10, 11, 12 und mindestens eine Filtereinheit. In den Ausführungsformen gemäß 2 und 3 sind drei verschiedene Ladeeinheiten 10, 11, 12 vorgesehen, eine Gleichstromladeeinheit 10, eine Wechselstromladeeinheit 11 und eine induktive Ladeeinheit 12, wobei die Gleichstromladeeinheit 10 mit einer Gleichstromladeanschlusseinheit 17 zum Verbinden mit einer fahrzeugexternen elektrischen Gleichstromenergiequelle galvanisch gekoppelt ist und die Wechselstromladeeinheit 11 mit einer Wechselstromladeanschlusseinheit 18 zum Verbinden mit einer fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle galvanisch gekoppelt ist. Die induktive Ladeeinheit 12 umfasst eine Empfängereinheit 19 und einen Gleichrichter 20.
Das elektrische Bordnetz 1 umfasst zwei Potentialleitungen P+, P-, welche mit einer Fahrzeugbatterie 13 galvanisch verbindbar oder verbunden sind. Die Fahrzeugbatterie 13 ist ein Bestandteil des Fahrzeugs 2. Sie kann auch ein Bestandteil des elektrischen Bordnetzes 1 sein.
In einem an eine nicht dargestellte fahrzeugexterne elektrische Energiequelle zum Laden der Fahrzeugbatterie 13 angeschlossenen Zustand sind neben Y-Kondensatoren 14, 15 des elektrischen Bordnetzes 1 des Fahrzeugs 2 auch hier nicht dargestellte Y-Kondensatoren der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, insbesondere Ladestation, gegebenenfalls zu berücksichtigen, insbesondere wenn es sich um eine Gleichspannungsladestation handelt.
Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist es in der Regel erstrebenswert, Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren 14, 15 möglichst klein zu wählen. Dies steht in der Regel jedoch der Realisierung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf Funkstörungen, entgegen. Aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit ist es vielmehr erstrebenswert, Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren 14, 15 möglichst groß zu wählen, um eine gute Filterwirkung erreichen zu können. Für Fahrzeuge 2 im Allgemeinen, insbesondere natürlich für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, erweist es sich somit als problematisch, sowohl Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch die Anforderungen in Bezug auf die elektrische Sicherheit, insbesondere bei Hochvolt (HV), beispielsweise in Bezug auf die elektrische Energie, die durch die Y-Kondensatoren 14, 15 gespeichert werden kann, gleichzeitig zu erfüllen. Dabei soll für jede der Potentialleitungen P+, P- des elektrischen Bordnetzes 1 eine elektrische Energie kleiner als 0,2 J sein.
Y-Kondensatoren 14, 15 sind spezielle Kondensatoren, die häufig als Eingangs- oder Filterkondensatoren, insbesondere bei elektrischen Hochvoltkomponenten, eingesetzt werden, die mit einem ersten Anschluss an einer der Potentialleitungen P+, P- des elektrischen Bordnetzes 1 und mit einem zweiten Anschluss an einem elektrischen Bezugspotential M elektrisch angeschlossen sind. Das elektrische Bezugspotential M ist häufig eine Fahrzeugmasse des Fahrzeugs 2. Ist das Fahrzeug 2 zum Laden an die fahrzeugexterne elektrische Energiequelle angeschlossen, kann die Fahrzeugmasse auch mit dem Erdpotential elektrisch verbunden sein.
Aus Gründen der elektrischen Sicherheit ist in der Regel auch eine Entladung der Kondensatoren, insbesondere der Y-Kondensatoren 14, 15 im Bereich des elektrischen Bordnetzes 1, vorgesehen. Je nach Schaltungsaufbau können auch X-Kondensatoren 16 vorgesehen sein, für die ebenfalls eine Entladungsfunktionalität außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs des Fahrzeugs 2 vorgesehen sein kann. Insbesondere kann eine aktive Entladung vorgesehen sein, die unter Berücksichtigung der Konstruktion des elektrischen Bordnetzes 1 ausgelegt werden kann. Die elektrischen Komponenten K1, K2, K3 des elektrischen Bordnetzes 1 sollten jeweils dazu ausgelegt sein, die Gesamtkapazität, die sich aus einer eigenen Kapazität der jeweiligen elektrischen Komponente K und weiterer relevanter zusätzlicher Kapazitäten des elektrischen Bordnetzes 1 zusammensetzt, entladen zu können. Das aktive Entladen kann nicht nur für X-Kondensatoren 16, sondern insbesondere auch für Y-Kondensatoren 14, 15 vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann eine passive Entladung vorgesehen sein, die der Entladung von X-Kondensatoren 16 außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs des Fahrzeugs 2 beziehungsweise des elektrischen Bordnetzes 1 dient. Die passive Entladung ist in der Regel nur für X-Kondensatoren 16 vorgesehen.
1 zeigt eine schematische Schaltbilddarstellung für ein Ersatzschaltbild des elektrischen Bordnetzes 1 des Fahrzeugs 2, in welchem lediglich die für die elektromagnetische Verträglichkeit und die elektrische Sicherheit relevanten Bestandteile dargestellt sind. Das elektrische Bordnetz 1 weist die beiden elektrischen Potentialleitungen P+, P- auf. Die erste elektrische Potentialleitung P+ ist einem elektrischen Potential HV+ und die zweite elektrische Potentialleitung ist einem elektrischen Potential HV- zugeordnet. Zwischen den elektrischen Potentialen HV+ und HV- liegt eine Gleichspannung an, die eine Hochvolt-Gleichspannung ist. Die Hochvolt-Gleichspannung beträgt beispielsweise etwa 450 V. Sie kann je nach Konstruktion des elektrischen Bordnetzes 1 auch hiervon abweichend gewählt sein, beispielsweise etwa 800 V betragen oder dergleichen.
An die Potentialleitungen P+, P- ist eine elektrische Last 21 angeschlossen, die lediglich symbolisch die Summe der an das elektrische Bordnetz 1 angeschlossenen elektrischen Komponenten K1, K2, K3 umfasst. An die Potentialleitungen P+, P- ist ferner ein X-Kondensator 16 angeschlossen, der vorliegend nicht nur zum Zwecke der Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit dient, sondern auch als Zwischenkreiskondensator genutzt werden kann. Parallel zum X-Kondensator 16 ist ein elektrischer Widerstand 22 angeschlossen, der der passiven Entladung des X-Kondensators 16 dient, wenn das elektrische Bordnetz 1 nicht im bestimmungsgemäßen Betrieb aktiviert ist. Darüber hinaus ist parallel an den X-Kondensator 16 eine Reihenschaltung aus einem elektrischen Widerstand 23 und einem Schaltelement 24 angeschlossen, wobei die Reihenschaltung aus dem elektrischen Widerstand 23 und dem Schaltelement 24 der aktiven Entladung des X-Kondensators 16 dient. Hierdurch kann bei vorgegebenen Betriebszuständen eine beschleunigte Entladung des X-Kondensators 16 erreicht werden.
An jede der Potentialleitungen P+, P- ist ferner mit einem ersten Anschluss ein jeweiliger Y-Kondensator 14, 15 angeschlossen. Die jeweiligen zweiten Anschlüsse der Y-Kondensatoren 14, 15 sind an das elektrische Bezugspotential M angeschlossen, welches vorliegend die Fahrzeugmasse ist. Parallel zu den Y-Kondensatoren 14, 15 sind jeweilige elektrische Widerstände 27, 28 angeschlossen, mit denen summarisch Widerstandswirkungen wie Isolationswiderstände und dergleichen repräsentiert werden können. Darüber hinaus können natürlich auch elektrische Widerstände vorgesehen sein, beispielsweise um die elektrischen Potentiale HV+ und HV- bezüglich der Fahrzeugmasse symmetrieren zu können.
Bezüglich des Bordnetzes 1 soll für die Kapazität der Y-Kondensatoren 14, 15 eine Obergrenze eingehalten werden, damit im bestimmungsgemäßen Betrieb die insgesamt durch die Y-Kondensatoren 14, 15 gespeicherte elektrische Energie für jede der Potentialleitungen P+, P- den Energiewert von 0,2 J nicht überschreitet. Für die Ermittlung der maximalen Kapazität der Y-Kondensatoren 14, 15 kann vorzugsweise die maximale Betriebsspannung des elektrischen Bordnetzes 1 gemäß einer vorgegebenen Tabelle „Hochvolt-Spannungsbereich“ genutzt werden. Insgesamt soll die Bedingung eingehalten werden, dass der gesamte Hochvolt-Stromkreis, d. h. das an eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle zum Laden der Fahrzeugbatterie 13 angeschlossene Fahrzeug 2, die vorgenannte Bedingung erfüllt.
2 zeigt eine Ausführungsform des elektrischen Bordnetzes 1 und 3 eine im Vergleich dazu wesentlich verbesserte Ausführungsform des elektrischen Bordnetzes 1.
In der Ausführungsform des elektrischen Bordnetzes 1 gemäß 2 werden zur Erreichung der HV- Sicherheitsziele Trennschalter 25 sowohl in der Gleichstromladeeinheit 10, auch als DC-Box bezeichnet, als auch nahe der induktiven Ladeeinheit 12, auch als CPM bezeichnet, verbaut, um diese und die Gleichstromladeanschlusseinheit 17 vom elektrischen Bordnetz 1 zu trennen, solange kein Ladebetrieb stattfindet. Die übrigen elektrischen Komponenten K1, K2, K3 des elektrischen Bordnetzes 1 sind dauerhaft mit dem elektrischen Bordnetz 1 verbunden und somit nicht potentialfrei, sondern werden somit auch dauerhaft mit elektrischer Energie versorgt, insbesondere durch die Fahrzeugbatterie 13.
Sämtliche dargestellten elektrischen Komponenten K1, K2, K3 verfügen als Bestandteil ihrer EMV-Befilterung über Y-Kapazitäten, deren Gesamtenergieinhalt 0,2 J je HV- Potential HV+, HV- nicht überschreiten darf.
In der Ausführungsform des elektrischen Bordnetzes 1 gemäß 3, wobei hier auch das Fahrzeug 2, welches das elektrische Bordnetz 1 und die mit dessen Potentialleitungen P+, P- galvanisch gekoppelte Fahrzeugbatterie 13 umfasst, schematisch dargestellt ist, sind die elektrischen Komponenten K1, K2, K3 explizit dahingehend klassifiziert, ob sie ausschließlich während des, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2, ausschließlich während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2 oder während beider Betriebszustände, d. h. sowohl während des, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2 als auch während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2, benötigt werden. Der Fahrbetrieb und der elektrische Ladebetrieb schließen sich in der Regel gegenseitig aus.
Somit sind die elektrischen Komponenten K1, K2, K3 hier klassifiziert in

- erste elektrische Komponenten K1, welche während des, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2 und während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2 erforderlich sind,
- zweite elektrische Komponenten K2, welche ausschließlich während des, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2 erforderlich sind, und
- dritte elektrische Komponenten K3, welche ausschließlich während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2 erforderlich sind.

Indem die jeweils nicht erforderlichen elektrischen Komponenten K2, K3 vom restlichen elektrischen Bordnetz 1 galvanisch getrennt werden, tragen deren Y-Kondensatoren 14, 15 nicht mehr zur Gesamtkapazität des elektrischen Bordnetzes 1 bei. Es können daher größere Y-Kondensatoren 14, 15, d. h. mit höheren Kapazitäten, in den elektrischen Komponenten K1, K2, K3 verbaut werden, ohne den maximal zulässigen Energiegehalt von 0,2 J pro Potenzialleitung zu überschreiten. Auf diese Weise kann für den Betriebszustand Gleichstromladen, d. h. für einen Gleichstromladebetrieb, der maximale Energieinhalt von 0,2 J pro Potentialleitung P+, P- eingehalten werden, ohne Berücksichtigung der Y-Kapazitäten der elektrischen Antriebseinheiten 3, welche in diesem Betriebszustand potentialfrei sind. Für alle weiteren Betriebszustände außer Gleichstromladen, beispielsweise für den Fahrbetrieb, für einen Wechselstromladebetrieb, für einen induktiven Ladebetrieb und für ein so genanntes Preconditionning, d. h. ein Vorbereiten des Fahrzeugs 2 auf einen folgenden Fahrbetrieb und/oder Ladebetrieb, kann der maximale Energieinhalt von 0,2 J pro Potentialleitung P+, P- ebenfalls eingehalten werden, ohne Berücksichtigung der Y-Kapazitäten 14, 15 der dann nicht angeschlossenen fahrzeugexternen Gleichstromenergiequelle, insbesondere Gleichstromladesäule.
Um dies zu ermöglichen, ist bei der Ausführungsform gemäß 3 eine Unterteilung in drei elektrische Teilbordnetze 1.1, 1.2, 1.3 vorgesehen. Das erste elektrische Teilbordnetz 1.1 umfasst die ersten elektrischen Komponenten K1, die während des, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2 und während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2 erforderlich sind. Das zweite elektrische Teilbordnetz 1.2 umfasst die zweiten elektrischen Komponenten K2, die ausschließlich während des, insbesondere elektrischen, Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2 erforderlich sind, und das dritte elektrische Teilbordnetz 1.3 umfasst die dritten elektrischen Komponenten K3, die ausschließlich während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2 erforderlich sind. Dabei gehören die elektrischen Komponenten K1, K2, K3 jeweils nur einem der Teilbordnetze 1.1, 1.2, 1.3 an.
Das erste elektrische Teilbordnetz 1.1 ist mit den Potentialleitungen P+, P- galvanisch verbunden. Es ist zudem eine Umschaltvorrichtung 26 mit zwei Schaltstellungen vorgesehen, wobei

- in der in 3 gezeigten ersten Schaltstellung das zweite elektrische Teilbordnetz 1.2 mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 galvanisch verbunden ist und das dritte elektrische Teilbordnetz 1.3 vom ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 und vom zweiten elektrischen Teilbordnetz 1.2 galvanisch getrennt ist, und
- in der zweiten Schaltstellung das dritte elektrische Teilbordnetz 1.3 mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 galvanisch verbunden ist und das zweite elektrische Teilbordnetz 1.2 vom ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 und vom dritten elektrischen Teilbordnetz 1.3 galvanisch getrennt ist.

Die Umschaltvorrichtung 26 ist dabei vorteilhafterweise ausgebildet und/oder ansteuerbar, um zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2 in die erste Schaltstellung zu schalten oder geschaltet zu werden und zur Durchführung des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2 in die zweite Schaltstellung zu schalten oder geschaltet zu werden. Das erste elektrische Teilbordnetz 1.1 mit seinen ersten Komponenten K1 ist somit sowohl während des Fahrbetriebs als auch während des Ladebetriebs mit der Fahrzeugbatterie 13 galvanisch verbunden, welche hierzu mit den Potentialleitungen P+, P- galvanisch verbunden ist, und wird daher von der Fahrzeugbatterie 13 mit elektrischer Energie versorgt. Je nach Schaltstellung der Umschaltvorrichtung 26 ist, wie beschrieben, entweder das zweite elektrische Teilbordnetz 1.2 (zur Durchführung des Fahrbetriebs) mit seinen zweiten elektrischen Komponenten K2, wie in 3 gezeigt, mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 und dadurch mit der Fahrzeugbatterie 13 galvanisch verbunden und das dritte elektrische Teilbordnetz 1.3 mit seinen dritten elektrischen Komponenten K3 ist vom ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 und zweiten elektrischen Teilbordnetz 1.2 und somit auch von der Fahrzeugbatterie 13 galvanisch getrennt und dadurch potentialfrei, oder das dritte elektrische Teilbordnetz 1.3 (zur Durchführung des elektrischen Ladebetriebs) mit seinen dritten elektrischen Komponenten K3 ist mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 und dadurch mit der Fahrzeugbatterie 13 galvanisch verbunden und das zweite elektrische Teilbordnetz 1.2 mit seinen zweiten elektrischen Komponenten K2 ist vom ersten elektrischen Teilbordnetz 1.1 und dritten elektrischen Teilbordnetz 1.3 und somit auch von der Fahrzeugbatterie 13 galvanisch getrennt und dadurch potentialfrei. Im hier dargestellten Beispiel sind, je nach Schaltstellung der Umschalteinheit 26, das zweite Teilbordnetz 1.2 oder das dritte Teilbordnetz 1.3 mittels der Umschalteinheit 26 direkt mit den Potentialleitungen P+, P- galvanisch verbunden bzw. von diesen getrennt.
Das erste Teilbordnetz 1.1 umfasst im dargestellten Beispiel die elektrische Kältemittelverdichtereinheit 8, die elektrische Heizeinheit 6 und den Gleichspannungswandler 9. Das zweite elektrische Teilbordnetz 1.2 umfasst im dargestellten Beispiel die beiden elektrischen Antriebseinheiten 3. Das dritte elektrische Teilbordnetz 1.3 umfasst im dargestellten Beispiel die Gleichstromladeeinheit 10, die Gleichstromladeanschlusseinheit 17, die Wechselstromladeeinheit 11, die Wechselstromladeanschlusseinheit 18 und die induktive Ladeeinheit 12.
In einem Verfahren zum Betrieb dieses elektrischen Bordnetzes 1 wird somit die Umschaltvorrichtung 26 zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 2 in die in 3 gezeigte erste Schaltstellung geschaltet und zur Durchführung des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie 13 des Fahrzeugs 2 in die zweite Schaltstellung geschaltet.
Die Trennschalter 25 in mehreren elektrischen Komponenten K3, insbesondere in elektrischen Ladekomponenten, werden auf diese Weise nicht mehr benötigt, da sie durch die zentrale Umschaltvorrichtung 26, insbesondere HV-Umschaltvorrichtung, ersetzt werden, die das jeweils nicht erforderliche elektrische Teilbordnetz 1.2, 1.3 galvanisch vom restlichen elektrischen Bordnetz 1, d. h. von den jeweiligen beiden anderen elektrischen Teilbordnetzen 1.1, 1.3, 1.2, galvanisch abkoppelt. Dadurch ist zudem die sichere Trennung der Ladekomponenten im Fahrbetrieb sichergestellt und die HV-Sicherheitsziele werden somit ebenfalls erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Bordnetz
1.1, 1.2, 1.3: Teilbordnetz
2: Fahrzeug
3: Antriebseinheit
4: Maschine
5: Wechselrichter
6: Heizeinheit
7: Heizwiderstand
8: Kältemittelverdichtereinheit
9: Gleichspannungswandler
10: Gleichstromladeeinheit
11: Wechselstromladeeinheit
12: induktive Ladeeinheit
13: Fahrzeugbatterie
14, 15: Y-Kondensator
16: X-Kondensator
17: Gleichstromladeanschlusseinheit
18: Wechselstromladeanschlusseinheit
19: Empfängereinheit
20: Gleichrichter
21: Last
22, 23, 27, 28: Widerstand
24: Schaltelement
25: Trennschalter
26: Umschaltvorrichtung
HV+, HV-: elektrisches Potential
K1, K2, K3: Komponente
M: Bezugspotential
P+, P-: Potentialleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018002926 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 61800 [0019]

Claims

Elektrisches Bordnetz (1) für ein Fahrzeug (2), umfassend zwei Potentialleitungen (P+, P-), welche mit einer Fahrzeugbatterie (13) galvanisch verbindbar oder verbunden sind, und - erste elektrische Komponenten (K1), welche während eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs (2) und während eines elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie (13) des Fahrzeugs (2) erforderlich sind, - zweite elektrische Komponenten (K2), welche ausschließlich während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs (2) erforderlich sind, und - dritte elektrische Komponenten (K3), welche ausschließlich während des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie (13) des Fahrzeugs (2) erforderlich sind, gekennzeichnet durch eine Unterteilung in drei elektrische Teilbordnetze (1.1, 1.2, 1.3), wobei das erste elektrische Teilbordnetz (1.1) die ersten elektrischen Komponenten (K1) umfasst, das zweite elektrische Teilbordnetz (1.2) die zweiten elektrischen Komponenten (K2) umfasst und das dritte elektrische Teilbordnetz (1.3) die dritten elektrischen Komponenten (K3) umfasst, wobei das erste elektrische Teilbordnetz (1.1) mit den Potentialleitungen (P+, P-) galvanisch verbunden ist, wobei eine Umschaltvorrichtung (26) mit zwei Schaltstellungen vorgesehen ist, wobei - in der ersten Schaltstellung das zweite elektrische Teilbordnetz (1.2) mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz (1.1) galvanisch verbunden ist und das dritte elektrische Teilbordnetz (1.3) vom ersten elektrischen Teilbordnetz (1.1) und vom zweiten elektrischen Teilbordnetz (1.2) galvanisch getrennt ist, und - in der zweiten Schaltstellung das dritte elektrische Teilbordnetz (1.3) mit dem ersten elektrischen Teilbordnetz (1.1) galvanisch verbunden ist und das zweite elektrische Teilbordnetz (1.2) vom ersten elektrischen Teilbordnetz (1.1) und vom dritten elektrischen Teilbordnetz (1.3) galvanisch getrennt ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes elektrische Teilbordnetz (1.1, 1.2, 1.3) mindestens einen Y-Kondensator (14, 15) umfasst.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede elektrische Komponente (K1, K2, K3) einen Y-Kondensator (14, 15) umfasst.
Elektrisches Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten elektrischen Komponenten (K1) eine elektrische Kältemittelverdichtereinheit (8), eine elektrische Heizeinheit (6) und/oder einen Gleichspannungswandler (9) umfassen.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinheit (6) als eine PTC-Heizeinheit ausgebildet ist.
Elektrisches Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten elektrischen Komponenten (K2) mindestens eine elektrische Antriebseinheit (3) zum Antrieb des Fahrzeugs (2) zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs (2) umfassen.
Elektrisches Bordnetz (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten elektrischen Komponenten (K2) zwei elektrische Antriebseinheiten (3) zum Antrieb des Fahrzeugs (2) zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs (2) umfassen.
Elektrisches Bordnetz (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten elektrischen Komponenten (K3) eine Gleichstromladeeinheit (10), eine Gleichstromladeanschlusseinheit (17), eine Wechselstromladeeinheit (11), eine Wechselstromladeanschlusseinheit (18) und/oder eine induktive Ladeeinheit (12) umfassen.
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Bordnetzes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umschaltvorrichtung (26) zur Durchführung des Fahrbetriebs des Fahrzeugs (2) in die erste Schaltstellung geschaltet wird und zur Durchführung des elektrischen Ladebetriebs zum Aufladen der Fahrzeugbatterie (13) des Fahrzeugs (2) in die zweite Schaltstellung geschaltet wird.
Fahrzeug (2) mit einem elektrischen Bordnetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einer mit dessen Potentialleitungen (P+, P-) galvanisch verbundenen Fahrzeugbatterie (13).