DE102019102036A1 - Bordnetz für ein Fahrzeug mit Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie - Google Patents

Bordnetz für ein Fahrzeug mit Ladevorrichtung zum Laden einer Batterie Download PDF

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Abstract

Es wird ein elektrisches Bordnetz (200) für ein Fahrzeug (100) beschrieben, wobei das Bordnetz (200) einen elektrischen Energiespeicher (102) umfasst, der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb von ein oder mehreren Komponenten (203, 205) des Bordnetzes (200) zu speichern. Des Weiteren umfasst das Bordnetz (200) eine Ladevorrichtung (103) mit einer Andockstation zur elektrischen Kontaktierung und zur Fixierung einer herausnehmbaren Batterie (212), wobei die Ladevorrichtung (103) eingerichtet ist, elektrische Energie aus dem Bordnetz (200) zum Laden einer in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) bereitzustellen. Ferner umfasst das Bordnetz (200) eine Steuereinheit (101), die eingerichtet ist, einen Ladevorgang der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) zu steuern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher und mit einer Ladevorrichtung zum Laden einer herausnehmbaren Batterie.
  • Ein Fahrzeug umfasst typischerweise einen elektrischen Energiespeicher zum Betrieb von ein oder mehreren Komponenten des Fahrzeugs. Dabei kann die Speicherkapazität des Energiespeichers insbesondere bei einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug, z.B. bei einem Plugin-HybridFahrzeug oder bei einem Batterie-elektrischen Fahrzeug (BEV), relativ groß sein, um elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu speichern. Die in dem elektrischen Energiespeicher gespeicherte elektrische Energie kann typischerweise nur für den Betrieb des Fahrzeugs genutzt wird.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, die Verwendungsmöglichkeiten der in dem elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs gespeicherten elektrischen Energie zu erweitern, insbesondere um die Funktionalität und die Nutzungsmöglichkeiten eines Fahrzeugs zu erweitern.
  • Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Bordnetz für ein Fahrzeug, insbesondere für ein (Straßen-) Kraftfahrzeug, etwa ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad, beschrieben. Das Fahrzeug und/oder das Bordnetz umfassen einen elektrischen Energiespeicher, der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb von ein oder mehreren Komponenten des Fahrzeugs und/oder des Bordnetzes zu speichern. Beispielhafte Komponenten sind ein oder mehrere elektrische Verbraucher (z.B. eine Heizung oder eine elektrische Lenkvorrichtung) und/oder eine elektrische Antriebsmaschine des Fahrzeugs.
  • Der Energiespeicher kann einen elektrochemischen Energiespeicher, z.B. einen Lithiumionen-basierten Energiespeicher, umfassen. Der Energiespeicher kann eine Nennspannung im Hochvoltbereich (z.B. bei 250V oder mehr) aufweisen. Des Weiteren kann der Energiespeicher eingerichtet sein, elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zu speichern. Das Fahrzeug kann z.B. ein Plugin-Hybrid-Fahrzeug, ein elektrisches Fahrzeug und/oder ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle sein.
  • Des Weiteren umfassen das Fahrzeug und/oder das Bordnetz eine Ladevorrichtung mit einer Andockstation zur elektrischen Kontaktierung und zur Fixierung einer herausnehmbaren Batterie. Dabei kann die Andockstation fest mit dem Fahrzeug verbunden sein (z.B. angeschweißt und/oder angeklebt und/oder angeschraubt sein). Die Andockstation kann z.B. in dem Kofferraum und/oder in einem Fach (etwa in dem Handschuhfach) in dem Innenraum des Fahrzeugs angeordnet sein.
  • Die Ladevorrichtung ist eingerichtet, elektrische Energie aus dem Bordnetz, insbesondere elektrische Energie aus dem Energiespeicher, zum Laden einer in die Andockstation eingesetzten (z.B. eingesteckten) Batterie bereitzustellen. Die elektrische Energie kann dabei über Leistungs-Kontaktteile (z.B. über Kontaktplatten) an der Andockstation bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Andockstation zur Bereitstellung von elektrischer Energie zwei oder mehr Leistungs-Kontaktteile umfassen, die eingerichtet sind, mit zwei oder mehr entsprechenden Leistungs-Kontaktteilen einer herausnehmbaren Batterie jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zum Laden der Batterie zu bilden, wenn die Batterie in die Andockstation eingesetzt ist. Beispielsweise können die Leistungs-Kontaktteile jeweils metallische Platten sein, die gegeneinandergedrückt werden, wenn die Batterie in die Andockstation eingesetzt ist.
  • Des Weiteren umfassen das Fahrzeug und/oder das Bordnetz eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, einen Ladevorgang einer in die Andockstation eingesetzten Batterie zu steuern. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Ladespannung und/oder den Ladestrom für einen Ladevorgang einzustellen. Beispielsweise kann ein Ladevorgang mit einer konstanten Ladespannung und/oder mit einem konstanten Ladestrom ermöglicht werden.
  • Es wird somit ein Bordnetz für ein Fahrzeug beschrieben, das es einem Nutzer ermöglicht, in komfortabler und zuverlässiger Weise eine Fahrzeug-externe, herausnehmbare Batterie (z.B. aus einem anderen Gerät, etwa einem E-Fahrrad oder einem E-Motorroller) zu laden. So kann der Funktionsumfang eines Fahrzeugs erweitert werden.
  • Die Andockstation kann ein oder mehrere Einrastelemente umfassen, über die eine herausnehmbare Batterie eingerastet werden kann, um die Batterie in der Andockstation zu fixieren. Beispielsweise kann die Andockstation derart ausgebildet sein, dass ein Nutzer eine Batterie über die ein oder mehrere Einrastelemente mit der Hand einrasten kann, so dass die Batterie fest mit der Andockstation (und damit mit dem Fahrzeug) verbunden ist. Des Weiteren können die ein oder mehreren Einrastelemente ausgebildet sein, um mit der Hand betätigt zu werden, so dass die Batterie (nach einem Ladevorgang) in effizienter Weise aus der Andockstation entnommen werden kann.
  • Die Andockstation kann somit derart ausgebildet sein, dass eine herausnehmbare Batterie durch einen Nutzer (allein) mit ein oder zwei Händen, ohne Verwendung von Werkzeug, in die Andockstation eingesetzt (insbesondere eingesteckt) und/oder aus der Andockstation entnommen werden kann. Es wird somit ein besonders komfortables Laden von Fahrzeug-externen, herausnehmbaren Batterien ermöglicht.
  • Dabei erfolgt die Fixierung und/oder die Lagerung einer Batterie innerhalb der Andockstation bevorzugt derart, dass die elektrische Kontaktierung zwischen einer Batterie und der Ladevorrichtung auch bei einer Fahrt des Fahrzeugs dauerhaft bestehen bleibt.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, Ladezustands-Information in Bezug auf einen Ladezustand der in die Andockstation eingesetzten Batterie zu ermitteln. Beispielsweise kann die Ladevorrichtung einen Sensor umfassen, der eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf die Spannung und/oder in Bezug auf den Strom an den Leistungs-Kontaktteilen der in die Andockstation eingesetzten Batterie zu erfassen. Die Ladezustands-Information kann dann auf Basis der Sensordaten des Sensors ermittelt werden. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Ladevorgang zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie in präziser Weise in Abhängigkeit von der Ladezustands-Information zu steuern.
  • Alternativ oder ergänzend können die Ladevorrichtung und/oder die Steuereinheit eingerichtet sein, Daten von einem Lademodul einer in die Andockstation eingesetzten Batterie zu empfangen. Beispielhafte Daten können dabei eine Soll-Ladeleistung für einen Ladevorgang und/oder eine maximal zulässige Ladeleistung und/oder einen aktuellen Ladezustand der eingesetzten Batterie umfassen bzw. anzeigen. Die Daten können ggf. über Powerline Kommunikation übertragen werden. Alternativ oder ergänzend kann die Andockstation ein oder mehrere Kommunikations-Kontaktteile umfassen, die eingerichtet sind, mit ein oder mehreren entsprechenden Kommunikations-Kontaktteilen der eingesetzten Batterie jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zur Übertragung von Daten von und/oder an das Lademodul der Batterie zu bilden, wenn die Batterie in die Andockstation eingesetzt ist.
  • Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, einen Ladevorgang der in die Andockstation eingesetzten Batterie in Abhängigkeit von dem empfangenen Daten zu steuern. So können die Zuverlässigkeit und die Sicherheit eines Ladevorgangs weiter erhöht werden.
  • Das Bordnetz und/oder das Fahrzeug können einen Gleichspannungs-Wandler umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie mit einer Ladespannung (z.B. von 60V oder weniger) zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie auf Basis von elektrischer Energie mit der Bordnetzspannung (z.B. von 250V oder mehr) zu generieren. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Gleichspannungs-Wandler für den Ladevorgang zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie zu steuern, insbesondere um eine bestimmte Ladespannung und/oder einen bestimmten Ladestrom zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie bereitzustellen. Durch die Bereitstellung eines Gleichspannungs-Wandlers kann der Ladevorgang einer herausnehmbaren Batterie in präziser Weise durchgeführt werden.
  • Der Gleichspannungs-Wandler kann bidirektional betreibbar sein. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, den Gleichspannungs-Wandler derart zu betreiben, dass elektrische Energie aus der in die Andockstation eingesetzten Batterie für den Betrieb zumindest einer Komponente des Bordnetzes bereitgestellt wird. Beispielsweise kann erkannt werden, dass der Energiespeicher des Bordnetzes einen relativ niedrigen Ladezustand aufweist. Zur Erhöhung der Reichweite des Fahrzeugs kann dann bei Bedarf elektrische Energie aus der in die Andockstation eingesetzten Batterie bezogen werden. Eine in die Andockstation eingesetzte Batterie kann somit in flexibler Weise als Zusatzspeicher für den Betrieb eines Fahrzeugs verwendet werden.
  • Das Bordnetz kann ein Ladegerät zum Laden des elektrischen Energiespeichers umfassen. Das Ladegerät kann z.B. einen AC/DC-Wandler umfassen, um einen AC-Ladevorgang des Energiespeichers zu ermöglichen. Der Gleichspannungs-Wandler kann in das Ladegerät, insbesondere in das Gehäuse des Ladegeräts, integriert sein. Durch die Integration von Ladegerät und Gleichspannungs-Wandler kann das Laden einer Fahrzeug-externen, herausnehmbaren Batterie in besonders effizienter Weise ermöglicht werden.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, zu ermitteln, ob ein oder mehrere Bedingungen zur Durchführung des Ladevorgangs der in die Andockstation eingesetzten Batterie erfüllt sind oder nicht. Bespielhafte Bedingungen sind dabei: eine Bedingung in Bezug auf einen mindestens erforderlichen Ladezustand des Energiespeichers des Bordnetzes (wobei unterhalb des mindestens erforderlichen Ladezustands ggf. kein Ladevorgang der herausnehmbaren Batterie durchgeführt wird); eine Bedingung dahingehend, ob der Energiespeicher an einer Fahrzeug-externen Ladestation geladen wird oder nicht (wobei ggf. nur dann ein Ladevorgang der herausnehmbaren Batterie erfolgt, wenn auch der Energiespeicher geladen wird); eine Bedingung dahingehend, ob das Fahrzeug fährt oder geparkt ist (wobei ggf. nur dann ein Ladevorgang durchgeführt wird, wenn das Fahrzeug fährt); und/oder eine Bedingung dahingehend, ob ein Nutzer des Fahrzeugs eine (ggf. sofortige) Ladung der herausnehmbaren Batterie angefordert hat. Der Ladevorgang der in die Andockstation eingesetzten Batterie kann ggf. nur dann durchzuführt werden, wenn die ein oder mehreren Bedingungen erfüllt sind. So können die Zuverlässigkeit des Betriebs eines Fahrzeugs und die Zuverlässigkeit des Ladevorgangs einer herausnehmbaren Batterie weiter erhöht werden.
  • Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, Zustandsinformation in Bezug auf den Zustand, insbesondere in Bezug auf den Ladezustand, der in die Andockstation eingesetzten Batterie über eine Benutzerschnittstelle (z.B. auf einem Bildschirm) des Fahrzeugs auszugeben und/oder über eine Funkverbindung an ein elektronisches Gerät eines Nutzers zu senden. So kann der Komfort eines Nutzers eines Fahrzeugs beim Laden einer herausnehmbaren Batterie weiter erhöht werden.
  • Die Ladevorrichtung kann ausgebildet sein, ggf. auch dann elektrische Energie für einen Ladevorgang bereitzustellen, wenn das Fahrzeug geparkt ist, und/oder eine Zündung des Fahrzeugs deaktiviert ist, und/oder ein Antriebsmotor des Fahrzeugs gestoppt ist. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein oder mehrere Schaltelemente (insbesondere ein oder mehrere Schütze bzw. Relais) des Fahrzeugs für einen Ladevorgang an der Ladevorrichtung zu schließen. Beispielsweise kann der elektrische Energiespeicher in einem Parkzustand des Fahrzeugs über ein oder mehrere Schaltelemente von der Ladevorrichtung des Fahrzeugs entkoppelbar sein. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die ein oder mehreren Schaltelemente dediziert (und ggf. zeitlich begrenzt) für einen Ladevorgang an der Ladevorrichtung des Fahrzeugs zu schließen. Im Anschluss an den Ladevorgang können die ein oder mehreren Schaltelemente dann wieder geöffnet werden. So kann die Sicherheit einer Ladevorrichtung für externe Batterien erhöht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Kraft-) Fahrzeug beschrieben, das das in diesem Dokument beschrieben Bordnetz umfasst.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1 ein beispielhaftes Fahrzeug mit einer Ladevorrichtung für eine herausnehmbare Batterie;
    • 2 ein beispielhaftes elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs; und
    • 3 eine beispielhafte Ladevorrichtung für eine herausnehmbare Batterie.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Erweiterung des Funktionsumfangs eines Fahrzeugs, das einen elektrischen Energiespeicher aufweist. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Fahrzeug 100 mit einem Energiespeicher 102, wobei der elektrische Energiespeicher 102 eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb von Komponenten des Fahrzeugs 100 zu speichern. Das Fahrzeug 100 kann insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine umfassen, die mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 102 betrieben werden kann. Der elektrische Energiespeicher 102 kann z.B. am Unterboden des Fahrzeugs 100 angeordnet sein. Die Nennspannung des Energiespeichers 102 kann bei 250V, 300V oder mehr liegen (insbesondere bei einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug 100).
  • Des Weiteren weist das Fahrzeug 100 eine Ladevorrichtung 103 auf, die mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 102 betrieben wird. Die Ladevorrichtung 103 ist ausgebildet, eine herausnehmbare Batterie aufzunehmen (in einer Andockstation der Ladevorrichtung 103), um die Batterie mit elektrischer Energie aus dem Energiespeicher 102 des Fahrzeugs 100 zu laden.
  • Die Ladevorrichtung 103 kann, wie in 1 dargestellt, in einem Kofferraum 105 eines Fahrzeugs 100 angeordnet sein.
  • Das Fahrzeug 100 kann einen (Gleichspannungs-) Wandler 107 umfassen, der eingerichtet ist, elektrische Energie aus dem Energiespeicher 102 in elektrische Energie zu wandeln, die über die Ladevorrichtung 103 bereitgestellt werden kann. Beispielsweise kann an der Ladevorrichtung 103 elektrische Energie mit einer Ladespannung von 18V, 36V, 48V oder mehr (z.B. bis 250V) bereitgestellt werden. Ladeleistungen an der Ladevorrichtung 103 können bei 50W, 250W oder mehr (z.B. bis 7.2 kW) liegen.
  • Des Weiteren kann das Fahrzeug 100 eine Steuereinheit 101 umfassen, die eingerichtet ist, einen Ladevorgang an der Ladevorrichtung 103 des Fahrzeugs 100 zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, einen Ladevorgang an der Ladevorrichtung 103 zu ermöglichen oder zu unterbinden. Des Weiteren kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, einen Ladevorgang einer herausnehmbaren Batterie an der Ladevorrichtung 103 zu steuern. Dabei können die Ladespannung, der Ladestrom und/oder die Ladeleistung eingestellt werden.
  • 2 zeigt ein beispielhaftes elektrisches Bordnetz 200 eines Fahrzeugs 100. Das Bordnetz 200 umfasst eine Ladedose 201, über das der elektrische Energiespeicher 102 des Fahrzeugs 100 geladen werden kann (z.B. an einer Fahrzeug-externen Ladestation bzw. Wallbox). Des Weiteren kann das Fahrzeug 100 ein Ladegerät 202 umfassen, das eingerichtet ist, einen AC-Ladestrom in einen DC-Ladestrom zum Laden des Energiespeichers 102 zu wandeln (für einen AC-Ladevorgang). Das Ladegerät 202 kann einen AC/DC-Wandler umfassen. Beispielsweise kann das Ladegerät 202 eingerichtet sein, den DC-Ladestrom für den Energiespeicher 102 auf Basis von ein oder mehreren Phasen eines Dreiphasenstroms zu generieren. An der Ladedose 201 können dann die ein oder mehreren Phasen des Dreiphasenstroms bereitgestellt werden.
  • Ferner kann das Bordnetz 200 einen Wechselrichter bzw. Inverter 204 umfassen, der eingerichtet ist, einen (ggf. mehrphasigen) Wechselstrom zum Betrieb einer Antriebsmaschine 205 des Fahrzeugs 100 zu generieren. Außerdem können ein oder mehreren elektrische Verbraucher 203 direkt an das (Hochvolt-) Bordnetz 200 angeschlossen sein (z.B. eine Heizung oder Lenkung des Fahrzeugs 100).
  • Des Weiteren umfasst das Bordnetz 200 den (Gleichspannungs-) Wandler 107 zur Erzeugung des Ladestroms zum Laden einer Batterie 202 an der Ladevorrichtung 103. Der Ladevorgang einer an der Ladevorrichtung 103 angeschlossenen Batterie 202 kann dabei über die Steuereinheit 101 gesteuert werden. Des Weiteren kann Information über einen Ladevorgang über eine Anzeige 202 des Fahrzeugs 100 ausgegeben werden (z.B. über einen Bildschirm an dem Armaturenbrett bzw. an der Mittelkonsole des Fahrzeugs 100).
  • 3 zeigt eine beispielhafte Ladevorrichtung 103. Die Ladevorrichtung 103 kann eine Andockstation umfassen bzw. eine Andockstation sein. Insbesondere kann die Ladevorrichtung 103 Leistungs-Kontaktteile 302 umfassen, über die der Ladestrom zum Laden einer Batterie oder mehrerer Batterien 212 bereitgestellt werden kann. Die Leistungs-Kontaktteile 302 können elektrisch leitend mit dem Wandler 107 verbunden sein. Außerdem können die Leistungs-Kontaktteile 302 derart angeordnet sein, dass die Leistungs-Kontaktteile 302 mit entsprechenden Leistungs-Kontaktteilen 303 einer in die Ladevorrichtung 103 eingesetzten Batterie 212 elektrisch leitende Verbindungen bilden.
  • Des Weiteren kann die Ladevorrichtung 103 ein oder mehrere Einrastelemente 301 umfassen, die ausgebildet sind, eine in die Ladevorrichtung 103 eingesetzte Batterie 212 zu fixieren. Beispielsweise kann die Ladevorrichtung 103 als eine Ladeschale bzw. Andockstation ausgebildet sein, in die eine Batterie 212 manuell eingesetzt werden kann. Die Fixierung einer Batterie 212 kann dabei derart erfolgen, dass die Batterie 212 während des Betriebs eines Fahrzeugs 100 zuverlässig und stabil innerhalb der Ladevorrichtung 103 verbleibt, um einen Ladevorgang der Batterie 212 durchzuführen.
  • Die Fixierung kann dabei mittels einer Standardisierung der Form der Andockstation und/oder der Batterie 212 erfolgen. Insbesondere kann die Fixierung derart auf eine bestimmte Form einer externen Batterie 212 abgestimmt sein, dass externe Batterien mit anderen Formen nicht richtig in die Andockstation passen und/oder sich kein elektrischer Kontakt zwischen der Andockstation und der externen Batterie herstellen lässt.
  • Die Ladevorrichtung 103 kann ein oder mehrere Sensoren 304 umfassen, die eingerichtet sind, Sensordaten in Bezug auf die Spannung und/oder den Strom an den Leistungs-Kontaktteilen 303 einer Batterie 212 zu erfassen. Der Ladevorgang zum Laden einer Batterie 212 kann dann in besonders zuverlässiger Weise auf Basis der Sensordaten der ein oder mehreren Sensoren 304 erfolgen.
  • Alternativ oder ergänzend kann eine externe Batterie 212 ein Lademodul 213 (z.B. eine eigene Ladesteuerung) umfassen, die eingerichtet ist, einen Ladevorgang der Batterie 212 zu steuern und/oder an einem Ladevorgang der Batterie 212 mitzuwirken.
  • Des Weiteren kann eine Kommunikationsschnittstelle zwischen dem Lademodul 213 einer Batterie 212 und der Andockstation bzw. der Ladevorrichtung 103 bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Batterie 212 ein oder mehrere Kommunikations-Kontaktteile 305 umfassen, die eingerichtet sind, mit ein oder mehreren entsprechenden Kommunikations-Kontaktteilen 306 der Andockstation bzw. der Ladevorrichtung 103 eine Kommunikationsverbindung zu bilden. Alternativ oder ergänzend kann über die Leistungs-Kontaktteile 302, 303 eine Powerline Kommunikation (PLC) ermöglicht werden. Es können somit zwischen dem Lademodul 213 einer Batterie 212 und der Ladevorrichtung 103 Daten für einen Ladevorgang ausgetauscht werden.
  • Mit anderen Worten, zwischen der Ladesteuerung einer Batterie 212 und der Steuereinheit 101 des Fahrzeugs 100 kann eine Kommunikationsverbindung aufgebaut werden (z.B. über ein CAN-Bussystem und/oder mittels eines PWM-Signals). Dadurch kann ein sicheres und schnelles Aufladen einer externen Batterie 212 ermöglicht werden. Diese Kommunikation kann über weitere Pins bzw. Kontaktteile 305, 306 von der externen Batterie 212 zur Andockstation bis zur Steuereinheit 101 erfolgen.
  • Über die Kommunikationsverbindung können z.B. folgende Daten aufgetaucht werden:
    • • von der Batterie 212 zum Fahrzeug 100: die Soll-Spannung und/oder der Soll-Strom für einen Ladevorgang, der SOC (State of Charge bzw. Ladezustand) der Batterie 212, eine Ist-Spannung und/oder ein Ist-Strom für einen Ladevorgang, eine maximal zulässige Spannung und/oder ein maximal zulässiger Strom für einen Ladevorgang, eine Temperatur der Batterie 212, eine Ladedauer eines Ladevorgang, und/oder ein Fehlerzustand.
    • • vom Fahrzeug 100 zur Batterie 212: ein maximal möglicher Ladestrom und/oder eine maximal mögliche Spannung für einen Ladevorgang, eine Ist-Spannung und/oder ein Ist-Strom für einen Ladevorgang und/oder ein Fehlerzustand.
  • Es wird somit ein HV-Bordnetz 200 zum Laden von Zusatz-Batterien 212 beschrieben. Hochleistungsbatterien 212 sind ein Kostentreiber von vielen batteriebetriebenen Geräten. Das in diesem Dokument beschriebene Bordnetz 200 ermöglicht es, eine herausnehmbare Batterie 212 für ein batteriebetriebenes Gerät (z.B. für einen E-Motorroller, für ein E-Motorboot, für ein E-Fahrrad, etc.) in flexibler und komfortabler Weise zu laden, z.B. um die Batterie 212 in unterschiedlichen Geräten nutzen zu können. Dabei kann die Batterie 212 eine standardisierte Ladeschnittstelle und/oder eine standardisierte Kommunikationsschnittstelle und/oder eine standardisierte Form aufweisen, so dass in effizienter Weise eine standardisierte Ladevorrichtung 103 bereitgestellt werden kann. Die in diesem Dokument beschriebene Ladevorrichtung 103 bzw. Andockstation kann somit eine standardisierte Form zur Aufnahme von standardisierten Batterien 212 aufweisen.
  • Zum Laden einer Zusatz-Batterie 212 kann die Batterie 212 in eine Ladevorrichtung 103 (z.B. in eine Ladeschale bzw. Andockstation im Kofferraum 105 eines Fahrzeugs 100) eingesetzt, insbesondere eingerastet und/oder eingesteckt, werden. Die Zusatz-Batterie 212 kann dann geladen werden. Des Weiteren kann die Zusatz-Batterie 212 ggf. als Erweiterung des Energiespeichers 102 des Fahrzeugs 100 verwendet werden, z.B. um in Notsituationen die Reichweite des Fahrzeugs 100 zu erhöhen, um Spannungsschwankungen ausgleichen und/oder um zusätzliche Leistung für elektrische Verbraucher 203 bereitstellen.
  • Die Batterie 212 wird durch einen DC/DC-Wandler 107 mit dem HV-Bordnetz 200 verbunden. So kann eine effiziente Energiewandlung ermöglicht werden. Dabei kann ein Laden der Batterie 212 im Stand bei verschlossenem Fahrzeug 100 ermöglicht werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Laden der Batterie 212 während eines Ladevorgangs des Energiespeichers 102 des Fahrzeugs 100 an einer Fahrzeug-externen Ladestation ermöglicht werden. Alternativ oder ergänzend kann ein Laden der Batterie 212 während einer Fahrt des Fahrzeugs 100 ermöglicht werden.
  • Ggf. kann eine Reichweitenverlängerung des Fahrzeugs 100 durch Nutzung des Energieinhaltes der Zusatz-Batterie 212 während der Fahrt eines Fahrzeugs 100 ermöglicht werden. Zu diesem Zweck kann der Wandler 107 als bidirektionaler DC/DC-Wandler ausgebildet sein. Des Weiteren kann die Zusatz-Batterie 212 dazu genutzt werden, Spannungsschwankungen innerhalb des Bordnetzes 200 auszugleichen bzw. zu puffern. Ggf. können in einem Bordnetz 200 mehrere Ladevorrichtung 103 (ggf. über mehrere Wandler 107) zur Aufnahme von mehreren Zusatz-Batterien 212 bereitgestellt werden. Der Ladestatus (z.B. der Ladezustand bzw. State of Charge, SOC) einer Zusatz-Batterie 212 kann über eine Anzeige 202 des Fahrzeugs 100 ausgegeben werden.
  • Es wird somit ein Fahrzeug 100 mit einer Batterie-Aufnahme bzw. Andockstation 103 zur steckbaren Aufnahme und zum Laden einer Zusatz-Batterie 212 beschrieben. Die Batterie-Aufnahme 103 kann Kontakte 302 zur Bereitstellung eines Ladestroms für eine eingesetzte Zusatz-Batterie 212 aufweisen. Des Weiteren kann eine Steuerverbindung zu einer Steuereinheit 101 bestehen, um einen Ladevorgang der Zusatz-Batterie 212 zu steuern. Die Batterie-Aufnahme 103 kann über einen DC/DC-Wandler 107 mit dem Bordnetz 200 des Fahrzeugs 100 verbunden sein, wobei über den Wandler 107 der Ladevorgang einer herausnehmbaren Zusatz-Batterie 212 gesteuert werden kann.
  • Der Ladevorgang einer Zusatz-Batterie 212 kann ggf. nur bei Vorliegen eines ausreichend hohen Ladezustands bzw. SOC des (Haupt-) Energiespeichers 102 erfolgen. Mit anderen Worten, die Steuereinheit 101 kann eingerichtet sein, den Ladezustand des Energiespeichers 102 des Fahrzeugs 100 zu ermitteln. Des Weiteren kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, einen Ladevorgang einer in die Ladevorrichtung 103 eingesetzten Batterie 212 in Abhängigkeit von dem Ladezustand des Energiespeichers 102 durchzuführen oder zu unterbinden.
  • Der Wandler 107 kann für einen Ladevorgang durch die Steuereinheit 101 betrieben werden. Zu diesem Zweck können die herausnehmbare Batterie 212 und der DC/DC-Wandler 107 an die Steuereinheit 101 angeschlossen sein. Dabei kann die Steuereinheit 101 eingerichtet sein, für einen Ladevorgang den Ladestrom und/oder die Ladespannung am Ausgang des Wandlers 107 zu steuern, um die herausnehmbare Batterie 212 über den Wandler 107 zu laden.
  • Das Laden einer herausnehmbaren Batterie 212 kann z.B. in folgenden Betriebszuständen ermöglicht werden: während das Fahrzeug 100 steht; während das Fahrzeug 100 geladen wird z.B. über das integrierte Ladegerät 202 und/oder während das Fahrzeug 100 fährt.
  • In einer Ausprägung ist der DC/DC-Wandler 107 bidirektional, so dass bei Bedarf die Energie aus einer Zusatz-Batterie 212 dem HV-Bordnetz 200 zugeführt werden kann.
  • Der Ladezustand einer Zusatz-Batterie 212 kann ggf. über eine Anzeige 202 im Fahrzeug 100 angezeigt werden. Alternativ oder ergänzend kann der Ladezustand der Zusatz-Batterie 212 ggf. über eine Funkverbindung an ein elektronisches Gerät (z.B. ein Smartphone) eines Nutzers des Fahrzeugs 100 übermittelt werden.
  • In einer Ausprägung kann der DC/DC-Wandler 107 zum Laden einer Zusatz-Batterie 212 im das Ladegerät 202 des Fahrzeugs 100 integriert sein. So kann in besonders effizienter Weise das Laden einer Zusatz-Batterie 212 in einem Fahrzeug 100 ermöglicht werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims (17)

  1. Elektrisches Bordnetz (200) für ein Fahrzeug (100), wobei das Bordnetz (200) umfasst, - einen elektrischen Energiespeicher (102), der eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb von ein oder mehreren Komponenten (203, 205) des Bordnetzes (200) zu speichern; - eine Ladevorrichtung (103) mit einer Andockstation zur elektrischen Kontaktierung und zur Fixierung einer herausnehmbaren Batterie (212); wobei die Ladevorrichtung (103) eingerichtet ist, elektrische Energie aus dem Bordnetz (200), insbesondere aus dem Energiespeicher (102), zum Laden einer in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) bereitzustellen; und - eine Steuereinheit (101), die eingerichtet ist, einen Ladevorgang der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) zu steuern.
  2. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß Anspruch 1, wobei die Andockstation ein oder mehrere Einrastelemente (301) umfasst, über die eine herausnehmbare Batterie (212) eingerastet werden kann, um die Batterie (212) zu fixieren.
  3. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Andockstation zwei oder mehr Leistungs-Kontaktteile (302) umfasst, die eingerichtet sind, mit zwei oder mehr entsprechenden Leistungs-Kontaktteilen (303) einer Batterie (212) jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zum Laden der Batterie (212) zu bilden, wenn die Batterie (212) in die Andockstation eingesetzt ist.
  4. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Andockstation derart ausgebildet ist, dass eine herausnehmbare Batterie (212) durch einen Nutzer mit ein oder zwei Händen, ohne Verwendung von Werkzeug, in die Andockstation eingesetzt und/oder aus der Andockstation entnommen werden kann.
  5. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, - Ladezustands-Information in Bezug auf einen Ladezustand der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) zu ermitteln, und - den Ladevorgang zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) in Abhängigkeit von der Ladezustands-Information zu steuern.
  6. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß Anspruch 5, wobei - die Ladevorrichtung (103) einen Sensor (304) umfasst, der eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf eine Spannung und/oder in Bezug auf einen Strom an Leistungs-Kontaktteilen (303) der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) zu erfassen; und - die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, die Ladezustands-Information auf Basis der Sensordaten des Sensors (304) zu ermitteln.
  7. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Ladevorrichtung (103) eingerichtet ist, Daten von einem Lademodul (213) einer in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) zu empfangen; und - die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, einen Ladevorgang der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) in Abhängigkeit von dem empfangenen Daten zu steuern.
  8. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Andockstation ein oder mehrere Kommunikations-Kontaktteile (306) umfasst, die eingerichtet sind, mit ein oder mehreren entsprechenden Kommunikations-Kontaktteilen (305) einer Batterie (212) jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zur Übertragung von Daten von und/oder an ein Lademodul (213) der Batterie (212) zu bilden, wenn die Batterie (212) in die Andockstation eingesetzt ist.
  9. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Bordnetz (200) einen Gleichspannungs-Wandler (107) umfasst, der eingerichtet ist, elektrische Energie mit einer Ladespannung zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) auf Basis von elektrischer Energie mit einer Bordnetzspannung zu generieren; und - die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, den Gleichspannungs-Wandler (107) für den Ladevorgang zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) zu steuern, insbesondere um eine bestimmte Ladespannung und/oder einen bestimmten Ladestrom zum Laden der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) bereitzustellen.
  10. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß Anspruch 9, wobei - der Gleichspannungs-Wandler (107) bidirektional ist; und - die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, den Gleichspannungs-Wandler (107) derart zu betreiben, dass elektrische Energie aus der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) für den Betrieb einer Komponente (203, 205) des Bordnetzes (200) bereitgestellt wird.
  11. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei - das Bordnetz (200) ein Ladegerät (202) zum Laden des elektrischen Energiespeichers (102) umfasst; und - der Gleichspannungs-Wandler (107) in das Ladegerät (202), insbesondere in ein Gehäuse des Ladegeräts (202), integriert ist.
  12. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, - zu ermitteln, ob ein oder mehrere Bedingungen zur Durchführung des Ladevorgangs der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) erfüllt sind oder nicht; und - den Ladevorgang nur dann durchzuführen, wenn die ein oder mehreren Bedingungen erfüllt sind.
  13. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß Anspruch 12, wobei die ein oder mehreren Bedingungen umfassen, - eine Bedingung in Bezug auf einen mindestens erforderlichen Ladezustand des Energiespeichers (102) des Bordnetzes (200); - eine Bedingung dahingehend, ob der Energiespeicher (102) an einer Fahrzeug-externen Ladestation geladen wird oder nicht; und/oder - eine Bedingung dahingehend, ob das Fahrzeug (100) fährt oder geparkt ist, und/oder - eine Bedingung dahingehend, ob über eine Benutzerschnittstelle die Durchführung eines Ladevorgangs angefordert wurde oder nicht.
  14. Elektrisches Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (101) eingerichtet ist, Zustandsinformation in Bezug auf einen Zustand, insbesondere in Bezug auf einen Ladezustand, der in die Andockstation eingesetzten Batterie (212) über eine Benutzerschnittstelle (202) des Fahrzeugs (100) auszugeben und/oder über eine Funkverbindung an ein elektronisches Gerät eines Nutzers zu senden.
  15. Fahrzeug (100), das das Bordnetz (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  16. Fahrzeug (100) gemäß Anspruch 15, wobei die Andockstation fest mit dem Fahrzeug (100) verbunden ist.
  17. Fahrzeug (100) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die Andockstation in einem Kofferraum (105) und/oder in einem Fach in einem Innenraum des Fahrzeugs (100) angeordnet ist.
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