DE102019125293A1

DE102019125293A1 - Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz

Info

Publication number: DE102019125293A1
Application number: DE102019125293.8A
Authority: DE
Inventors: Joachim Froeschl; Laurenz Tippe; Julian Taube; Michael Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Eine Vorrichtung (101) dient zur Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz (B) mit einem ersten Teilbordnetz (TB1) mit einer ersten Teilbordnetzspannung (UE1) und einem zweiten Teilbordnetz (TB2) mit einer zweiten Teilbordnetzspannung (UE2), wobei die Vorrichtung (101) einen DISO-Gleichspannungswandler (102) mit einem ersten Eingang (103) zum Anschluss an das erste Teilbordnetz (TB1), mit einem zweiten Eingang (104) zum Anschluss an das zweite Teilbordnetz (TB2) und mit einem Ausgang (105) zum Anschluss an mindestens einen Verbraucher (106) aufweist und wobei die Vorrichtung (101) dazu eingerichtet ist, die an einem der Eingänge (104) anliegende Teilbordnetzspannung (UE1, UE2) in die an dem anderen der Eingänge (103) anliegende Teilbordnetzspannung (UE2, UE1) zu wandeln und an den anderen der Eingänge (103) anzulegen. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Kraftfahrzeuge mit einem 48 V-Teilbordnetz und einem 12 V-Teilbordnetz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz mit einem ersten Teilbordnetz mit einer ersten Teilbordnetzspannung und einem zweiten Teilbordnetz mit einer zweiten Teilbordnetzspannung, wobei die Vorrichtung einen DISO-Gleichspannungswandler mit einem ersten Eingang zum Anschluss an das erste Teilbordnetz, mit einem zweiten Eingang zum Anschluss an das zweite Teilbordnetz sowie mit einem Ausgang zum Anschluss an mindestens einen Verbraucher aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechend eingerichtetes Bordnetz. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer solchen Vorrichtung. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf Kraftfahrzeuge mit einem 48 V-Teilbordnetz und einem 12 V-Teilbordnetz.
Der bisherige Einsatz von elektrischen Gleichspannungswandlern ermöglicht es, eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Höhe zu wandeln. Diese Funktion kann mit Hilfe verschiedener Schaltungstypen oder Topologien umgesetzt werden. Für den Einsatz in einem Fahrzeugbordnetz ist vor allem die Wandlung von 48 V auf 12 V und umgekehrt interessant, da diese beiden Spannungsniveaus in aktuellen Bordnetzen zu finden sind, und zwar typischerweise aufgeteilt auf entsprechende Teilbordnetze oder Zonen.
Sicherheitsrelevante Verbraucher sind in Fahrzeugen heutzutage parallel an mindestens zwei elektrische Spannungsquellen (z.B. umfassend einen Gleichspannungswandler, eine Batterie, eine Kapazität, einen Generator, usw.) mit gleicher Spannungshöhe (z.B. 12 V) angeschlossen. Sie werden also auch bei Vorliegen mehrerer Teilbordnetze mit unterschiedlichen Teilbordnetzspannungen nur aus einem dieser Teilbordnetze versorgt bzw. gehören nur einem bestimmten dieser Teilbordnetze als Verbraucher an. Beispielsweise ist ein sicherheitsrelevanter Verbraucher ein elektrisches Lenksystem oder ein elektrisches Bremssystem des Kraftfahrzeugs.
DE 10 2017 221 621 A1 offenbart eine Vorrichtung zur redundanten Energieversorgung zumindest eines Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs aus einem Bordnetz, welche dazu ausgelegt ist, dem zumindest einen Verbraucher eine von einem ersten Teilbordnetz des Bordnetzes bereitgestellte erste Teilbordnetzspannung zuzuführen und eine von zumindest einem zweiten Teilbordnetz des Bordnetzes bereitgestellte zweite Teilbordnetzspannung zuzuführen, und welche einen Gleichspannungswandler aufweist. Der Gleichspannungswandler weist einen mit dem ersten Teilbordnetz koppelbaren ersten Schalter und einen mit dem zweiten Teilbordnetz koppelbaren zweiten Schalter auf, wobei der Gleichspannungswandler zur Energieversorgung des zumindest einen Verbrauchers dazu ausgelegt ist, mittels des ersten Schalters die erste Teilbordnetzspannung in eine Ausgangsspannung für den zumindest einen Verbraucher und mittels des zweiten Schalters die zweite Teilbordnetzspannung in die Ausgangsspannung zu wandeln. Offenbart werden außerdem ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
DE 10 2015101 241 A1 offenbart ein elektrisches Energieverteilungssystem, das einen ersten Leiter zur Führung einer ersten Spannung, einen zweiten Leiter zur Führung einer zweiten Spannung, mindestens eine Energiequelle, die jeweils elektrisch mit zumindest einem der Leiter gekoppelt ist, und mehrere Spannungswandler zur Übertragung elektrischer Energie zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter, die in Bezug auf die mindestens eine Energiequelle jeweils dezentral angeordnet und mit dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter gekoppelt sind, aufweist.
Für eine zuverlässige Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher ist ferner aus der DE 102 51 589 A1 ein Bordnetz mit wenigstens zwei Teilbordnetzen, in denen jeweils eine Versorgungsspannung zur Verfügung steht und welche beispielsweise über einen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt sind, und mit wenigstens einem Verbraucher, der an eines der Teilbordnetze angeschlossen ist, bekannt. Dabei ist der Verbraucher über zwei unterschiedliche Versorgungswege bzw. Versorgungspfade mit einer Versorgungsspannung beaufschlagbar, wobei die Versorgungswege durch Entkopplungsmittel voneinander entkoppelt sind. Solche Entkopplungsmittel können beispielsweise Schalter sein.
Außerdem sind DISO („Dual Input Single Output“)-Gleichspannungswandler (auch als „Dual Input Single Output Converter“, DISOC, bezeichnet) grundsätzlich bekannt. Bei diesen lässt sich ein an einem Ausgang anliegendes elektrisches Spannungssignal gemeinsam aus einem an einem ersten Eingang anliegenden ersten elektrischen Spannungssignal und aus einem an einem zweiten Eingang anliegenden zweiten elektrischen Spannungssignal erzeugen, wobei die Eingangssignale auf die Spannungshöhe des Ausgangssignals gleichspannungsgewandelt werden, falls sich die Spannungshöhe des Eingangssignals von der Spannungshöhe des Ausgangssignals unterscheidet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine besonders zuverlässige und flexibel umsetzbare Möglichkeit zur zuverlässigen Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher eines Fahrzeugbordnetzes bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich ist es eine Aufgabe, eine Spannungswandlung zwischen unterschiedlichen Teilbordnetzen eines Kraftfahrzeugs besonders energiesparend und ausfallsicher umzusetzen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz mit einem ersten Teilbordnetz mit einer ersten Teilbordnetzspannung und einem zweiten Teilbordnetz mit einer zweiten Teilbordnetzspannung, wobei

- die Vorrichtung einen DISO-Gleichspannungswandler mit einem ersten Eingang zum Anschluss an das erste Teilbordnetz, mit einem zweiten Eingang zum Anschluss an das zweite Teilbordnetz sowie mit einem Ausgang zum Anschluss an mindestens einen Verbraucher aufweist und wobei
- die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die an einem der Eingänge anliegende Teilbordnetzspannung in die an dem anderen der Eingänge anliegende Ausgangsspannung zu wandeln und an den anderen der Eingänge anzulegen.

Diese Vorrichtung ergibt den Vorteil, dass mindestens ein an den Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers oder DISOCs angeschlossener Verbraucher aus beiden Teilbordnetzen mit elektrischer Leistung versorgbar ist. Bei Unterbrechung der elektrischen Versorgung aus einem der Teilbordnetze ist die elektrische Versorgung aus dem anderen der Teilbordnetze möglich. Dadurch wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit gegenüber einem Ausfall einer Versorgung dieser Verbraucher, die insbesondere sicherheitsrelevante Verbraucher sein können, ermöglicht. Speziell kann so der Fall berücksichtigt werden, dass eine elektrische Versorgungsleitung unmittelbar zwischen einem der Teilbordnetze und dem DISO-Gleichspannungswandler unterbrochen wird.
Zusätzlich oder alternativ wird der Vorteil erreicht, dass nicht nur ein an dem Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers angeschlossener Verbraucher mit elektrischer Energie versorgbar ist, sondern über die Vorrichtung gleichzeitig oder alternativ auch ein Teilbordnetz aus dem jeweils anderen Teilbordnetz. Daher stellt die Vorrichtung eine besonders flexible Möglichkeit zur Verteilung und Nutzung elektrischer Energie in einem Fahrzeugbordnetz bereit.
Die Vorrichtung kann daher auch als eine Vorrichtung zur redundanten Energieversorgung und/oder als elektrisches Energieverteilungssystem angesehen oder bezeichnet werden.
Die an dem ersten Eingang anliegende erste Teilbordnetzspannung UE1 und die am zweiten Eingang anliegende zweite Teilbordnetzspannung UE2 weisen typischerweise unterschiedliche Spannungshöhen auf. Die Teilbordnetzspannungen UE1 und UE2 können beispielsweise jeweils in einem Bereich ]0 V; 60 V] liegen. Beispielsweise kann ohne Beschränkung der Allgemeinheit UE2 > UE1, z.B. UE2 = 48 V und UE1 = 12 V, gelten. Die Teilbordnetzspannungen UE1 und UE2 können im Betrieb auch variieren.
Dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die an einem der Eingänge anliegende Teilbordnetzspannung in eine an dem anderen der Eingänge anliegende Teilbordnetzspannung zu wandeln und an den anderen der Eingänge anzulegen, entspricht einer Funktion der Vorrichtung als Gleichspannungswandler zwischen den beiden Teilbordnetzen. Dadurch kann ein Fluss elektrischer Energie oder Leistung zwischen den Eingängen und damit zwischen den daran angeschlossenen Teilbordnetzen („Umladung“) erreicht werden, was auch als eine Energieverteilung zwischen den Teilbordnetzen bezeichnet oder angesehen werden kann. Es ist eine Weiterbildung, dass diese Funktion („direkte Teilbordnetz-Gleichspannungswandlung“) wahlweise aktivierbar und deaktivierbar ist.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der DISO-Gleichspannungswandler so einrichtbar ist, dass die an dem Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers bereitgestellte Ausgangsspannung UA einer der beiden Teilbordnetzspannungen UE1 oder UE2 entspricht und die nicht entsprechende Teilbordnetzspannung UE2 bzw. UE1 auf die zum Betrieb des mindestens einen daran angeschlossenen Verbrauchers vorgesehene Ausgangsspannung UA gewandelt wird. Die der Teilbordnetzspannungen UE1 oder UE2 entsprechende Ausgangsspannung UA braucht nicht gewandelt zu werden. Gilt beispielsweise UE1 = 12 V, UE2 = 48 V und UA = 12 V, wird die zweite Teilbordnetzspannung UE2 von 48 V auf 12 V abwärtsgewandelt oder tiefgesetzt. Gilt hingegen UA = 48 V, wird die erste Teilbordnetzspannung UE1 von 12 V auf 48 V aufwärtsgewandelt oder hochgesetzt. Die Gleichspannungswandlung durch den DISO-Gleichspannungswandler kann also allgemein sowohl ein Hochsetzen als auch ein Tiefsetzen umfassen. Es ist eine Weiterbildung, dass die Ausgangsspannung UA mittels des DISO-Gleichspannungswandlers variabel einstellbar ist, beispielsweise in einem Bereich ]0 V; 60 V].
Das Einrichten des DISO-Gleichspannungswandlers kann ein Ansteuern des DISO-Gleichspannungswandlers sein oder umfassen, insbesondere ein Einstellen von Impulsdauer, Periodendauer und/oder Tastgrad von taktend oder pulsweitenmoduliert betreibbaren Schaltern. Die Schalter sind insbesondere individuell ansteuerbar. Die Schalter sind insbesondere elektronische Schalter wie Transistoren, z.B. MOSFETs. Die Schalter können z.B. mittels einer Steuervorrichtung ansteuerbar sein. Die Steuereinrichtung kann einen Teil der Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung oder eine dazu externe Instanz sein, beispielsweise eine zentrale Steuerung des Bordnetzes oder des Fahrzeugs.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der DISO-Gleichspannungswandler so einrichtbar ist, dass die an dem Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers bereitgestellte Ausgangsspannung keiner Teilbordnetzspannungen entspricht und die Teilbordnetzspannungen jeweils auf die Ausgangsspannung gewandelt werden. Dadurch lassen sich auch Verbraucher besonders zuverlässig betreiben, deren Betriebsspannung keiner der Teilbordnetzspannungen entspricht. Gilt beispielsweise UE1 = 12 V, UE2 = 48 V und UA = 5 V, wird die erste Teilbordnetzspannung UE1 von 12 V auf 5 V abwärtsgewandelt und die zweite Teilbordnetzspannung UE2 von 48 V auf 5 V abwärtsgewandelt. Allgemein können beispielsweise die Fälle UA < UE1 und UE2, UE1 < UA < UE2 sowie UE1 und UE2 < UA auftreten.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der DISO-Gleichspannungswandler dazu eingerichtet ist, eine an dem Ausgang bereitgestellte oder abgerufene elektrische Leistung zwischen den Eingängen aufzuteilen. Dies kann auch so ausgedrückt werden, dass mittels des DISO-Gleichspannungswandlers einstellbar ist, welcher - z.B. prozentuale - Anteil der an dem Ausgang bereitgestellten elektrischen Leistung über den ersten Eingang und welcher Anteil über den zweiten Eingang beziehbar ist oder bezogen wird. Beispielweise kann von der an dem Ausgang abgerufenen elektrischen Leistung X % über den ersten Eingang und (100 - X) % über den zweiten Eingang bezogen werden.
Dabei kann in einer Weiterbildung X in einem Bereich [0; 100] einstellbar oder variierbar sein, insbesondere auch während eines Betriebs der Vorrichtung. So kann auf einfache Weise eine Abschaltung eines Teilbordnetzes berücksichtigt oder erreicht werden.
Insbesondere kann die Vorrichtung so eingerichtet sein, dass über einen der Eingänge elektrische Leitung einspeisbar ist oder eingespeist wird und diese Leistung teilweise zum Betrieb mindestens eines an dem Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers angeschlossenen Verbrauchers und teilweise zur Einspeisung in das an den anderen Eingang angeschlossene Teilbordnetz genutzt wird. Dies ergibt den Vorteil, dass ein Teilbordnetz im Falle von Spitzenleistungsanforderungen durch stärkere Leistungsanforderungen aus weniger belasteten Teilbordnetzen zusätzlich versorgt oder entlastet werden kann.
Ein oder mehrere der oben beschriebenen Szenarien können an dem DISO-Gleichspannungswandler als Betriebsmodi einstellbar sein.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit einem ersten Teilbordnetz mit einer ersten Teilbordnetzspannung und einem zweiten Teilbordnetz mit einer zweiten Teilbordnetzspannung sowie mindestens einer Vorrichtung zur Energieversorgung wie oben beschrieben, deren DISO-Gleichspannungswandler mit seinem ersten Eingang an das erste Teilbordnetz angeschlossen ist und mit seinem zweiten Eingang an das zweite Teilbordnetz angeschlossen ist. Das Bordnetz kann analog zu der Vorrichtung zur Energieversorgung ausgebildet sein und weist die gleichen Vorteile auf.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Kraftfahrzeug, das ein solches Bordnetz aufweist. Das Kraftfahrzeug kann analog zu dem Bordnetz und der Vorrichtung zur Energieversorgung ausgebildet sein, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
Es ist eine Ausgestaltung des Bordnetzes und des Kraftfahrzeugs, dass es mehrere zwischen den gleichen Teilbordnetzen angeordnete Vorrichtungen zur Gleichspannungswandlung wie oben beschrieben aufweist. So wird der Vorteil erreicht, dass eine elektrische Versorgung eines Teilbordnetzes mittels des anderen Teilbordnetzes bzw. eine Umladung von Strom oder Leistung von einem Teilbordnetz auf das andere Teilbordnetz auf mehrere Vorrichtungen aufgeteilt und damit dezentralisiert werden kann. Dies ergibt den Vorteil, dass auch die bei der dazu benötigten Gleichspannungswandlung auftretenden Leistungsverluste dezentralisiert werden. Dadurch wiederum kommt es im Gegensatz zu einem zentralen Gleichspannungswandler zwischen den Teilbordnetzen zu geringeren Temperaturerhöhungen an den einzelnen Vorrichtungen zur Gleichspannungswandlung. Folglich ist ein Aufwand zur Kühlung dieser Vorrichtungen vergleichsweise gering, und es kann vorteilhafterweise auf eine Wasserkühlung verzichtet werden und anstelle dessen z.B. eine preiswertere und zuverlässigere Luftkühlung verwendet werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass an mindestens einem DISO-Gleichspannungswandler kein Verbraucher an dessen Ausgang angeschlossen ist. Die Vorrichtung kann dann immer noch als Gleichspannungswandler zwischen zwei Teilbordnetzen verwendet werden, z.B. um eine Dezentralisierung einer Leistungsübertragung zwischen den Teilbordnetzen zu verbessern.
Es ist eine Ausgestaltung, dass beide Teilbordnetze jeweils mindestens eine elektrische Energiequelle aufweisen. Insbesondere weisen beide Teilbordnetze jeweils mindestens zwei elektrisch parallel zu dem zugehörigen Eingang angeschlossene Energiequellen auf, wodurch eine besonders zuverlässige Aufrechterhaltung einer Stromversorgung für die an den Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers angeschlossenen Verbraucher erreicht wird.
Es ist eine Weiterbildung, dass eines der beiden Teilbordnetze (z.B. das Teilbordnetz mit der höheren Teilbordnetzspannung) eine Hauptenergiequelle wie einen Startergenerator und/oder eine Hauptbatterie aufweist, während das andere Teilbordnetz keine solche Hauptenergiequelle aufweist, sondern nach Gleichspannungswandlung aus dem einen Teilbordnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Jedoch weist das eine Teilbordnetz einen oder, vorteilhafterweise, mehrere Energiespeicher (z.B. Batterien) auf, die parallel zu dem daran angeschlossenen Eingang geschaltet sind.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Wandeln mindestens einer Teilbordnetzspannung aus zwei unterschiedlichen Teilbordnetzspannungen eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs, bei dem

- mindestens eine an einem Eingang eines DISO-Gleichspannungswandlers anliegende Teilbordnetzspannung in eine an einem Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers anliegende Ausgangsspannung gewandelt wird; und/oder
- eine an einem Eingang eines DISO-Gleichspannungswandlers anliegende Teilbordnetzspannung in die andere Teilbordnetzspannung gewandelt wird und an den zu der anderen Teilbordnetzspannung gehörigen anderen Eingang des DISO-Gleichspannungswandlers angelegt wird.

Das Verfahren kann analog zu der Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung, zum Bordnetz und zu dem Fahrzeug ausgebildet werden und ergibt die gleichen Vorteile.
So ist es eine mögliche Ausgestaltung, dass an dem Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers mindestens ein Verbraucher angeschlossen ist und die an dem Ausgang abgegriffene elektrische Leistung mittels des DISO-Gleichspannungswandlers mit vorgegebenen Anteilen aus den Eingängen bereitgestellt wird.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass aus nur einem der Eingänge sowohl der mindestens eine Verbraucher vollständig mit elektrischer Leistung versorgt wird als auch ein an dem anderen Eingang angeschlossenes Teilbordnetz mit elektrischer Leistung versorgt wird.
Allgemein können die oben beschriebene Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung, das Bordnetz, das Fahrzeug und das Verfahren auf den Fall erweitert werden, dass das Bordnetz mehr als zwei Teilbordnetze mit zueinander unterschiedlichen Teilbordnetzspannungen aufweist. Anstelle eines DISO-Gleichspannungswandlers kann dann ein sog. MISO („Multiple Input Single Output“) - Gleichspannungswandler verwendet werden. Die Aufgabe kann dann gelöst werden mittels einer Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen mit zueinander unterschiedlichen oder gleichen Teilbordnetzspannungen, wobei

- die Vorrichtung einen MISO-Gleichspannungswandler mit einem jeweiligen Eingang zum Anschluss an ein entsprechendes Teilbordnetz und mit einem Ausgang zum Anschluss an mindestens einen Verbraucher aufweist und wobei
- die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, die an mindestens einem der Eingänge anliegende Teilbordnetzspannung in eine an mindestens einem der anderen Eingänge anliegende Ausgangsspannung zu wandeln.

Eine solche Vorrichtung kann analog zu der Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung mit genau zwei Teilbordnetzen mit jeweiligen Teilbordnetzspannungen weitergebildet werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.

1 zeigt eine Skizze einer Anordnung einer Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs;
2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung; und
3 zeigt eine gedankliche Aufteilung des Ersatzschaltbilds aus 2 in mehrere Funktionsblöcke.

1 zeigt eine Skizze einer Anordnung einer Vorrichtung 101 zur Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz B eines Kraftfahrzeugs F mit einem DISO-Gleichspannungswandler 102. Insbesondere kann die Vorrichtung 101 dem DISO-Gleichspannungswandler 102 entsprechen.
Die Vorrichtung 101 weist einen ersten Eingang 103 mit den Anschlüssen 103a und 103b, einen zweiten Eingang 104 mit den Anschlüssen 104a und 104b sowie einen Ausgang 105 mit den Anschlüssen 105a und 105b auf. Den Anschlüssen 103a und 103b, 104a und 104b sowie 105a und 105b kann jeweils eine Kapazität („Pufferkapazität“) 103c, 104c bzw. 105c parallelgeschaltet sein, was eine vorteilhafte Spannungsstabilisierung an den jeweiligen Anschlüssen 103a und 103b, 104a und 104b sowie 105a und 105b bewirkt.
In diesem Ausführungsbeispiel liegen an den Anschlüssen beispielhaft folgende Spannungshöhen oder -niveaus an: Anschluss 103a: +12 V; Anschluss 103b: 0 V; Anschluss 104a: +48 V; Anschluss 104b: 0 V; Anschluss 105a: +12V; Anschluss 105b: 0 V. Dadurch ergibt sich an dem ersten Eingang 103 eine anliegende Spannung („Eingangsspannung“) von UE1 = +12 V, an dem zweiten Eingang 104 eine anliegende Spannung („Eingangsspannung“) von UE2 = +48 V und an dem Ausgang 105 eine anliegende Spannung („Ausgangsspannung“) von UA = +12 V. Der Eingang 103 ist an ein erstes Teilbordnetz TB1 (siehe 2) des Bordnetzes B angeschlossen, das auf dem Spannungsniveau UE1 liegt, während der Eingang 104 an ein zweites Teilbordnetz TB2 (siehe 2) des Bordnetzes B angeschlossen ist, das auf dem Spannungsniveau UE2 liegt. An den Ausgang 105 sind ein oder mehrere, insbesondere sicherheitsrelevante, Verbraucher 106 angeschlossen, deren Betriebsspannung vorteilhafterweise dem Spannungsniveau UA entsprecht. Anstelle des mindestens einen Verbrauchers 106 kann auch ein Teilbordnetz an den Ausgang 105 angeschlossen sein.
Anstelle des Bezugspotenzials von 0 V kann auch ein anderes Bezugspotenzial verwendet werden, wobei die Spannungshöhen der Anschlüsse 103a, 104a und 105a dann entsprechend angepasst werden können.
In einer Variante kann das zweite Teilbordnetz TB2 eine Hauptenergiequelle wie einen Startergenerator und/oder eine Hauptbatterie aufweisen (o. Abb.), während das erste Teilbordnetz TB1 keine solche Hauptenergiequelle aufweist, sondern nach Gleichspannungswandlung aus dem zweiten Teilbordnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Jedoch weist das zweite Teilbordnetz ein oder, vorteilhafterweise, mehrere Energiespeicher wie Reservebatterien o.ä. (o. Abb.) auf, die beispielsweise parallel zu dem ersten Eingang 103 angeschlossen sind.
Während eines normalen Betriebs des Bordnetzes B wird aus dem zweiten Teilbordnetz TB2 eine elektrische Leistung Pin über den Eingang 104 in die Vorrichtung 101 eingespeist. Mittels der Vorrichtung 101 wird ein erster Teil Pout1 der Leistung Pin zur Versorgung des mindestens einen Verbrauchers 106 an dem Ausgang 105 ausgegeben. Ein weiterer Teil Pout2 der Leistung Pin wird über den Eingang 103 an das erste Teilbordnetz TB1 ausgegeben. Insgesamt kann z.B. angenommen werden, dass $Pin=Pout1+Pout2+Q$
gilt, wobei Q die an der Vorrichtung 101 erzeugte Wärmeleistung oder Abwärme bezeichnet. Unter Vernachlässigung von Q kann z.B. Pin = 300 W, Pout1 = 100 W und Pout2 = 200 W gelten.
Wird die elektrische Verbindung zu oder an dem Anschluss 104a des zweiten Eingangs 104 unterbrochen (also die Verbindung zu dem zweiten Teilbordnetz TB2), können die ein oder mehreren Verbraucher 106 weiterhin mittels des mindestens einen Energiespeichers des ersten Teilbordnetzes TB1 über den Eingang 103 mit elektrischer Energie versorgt werden. Dazu ist in der gezeigten Variante keine Gleichspannungswandlung nötig, da UE1 = UA gilt, wodurch vorteilhafterweise die von der Vorrichtung 101 erzeugte Abwärme besonders gering gehalten wird.
Wird die elektrische Verbindung zu oder an dem Anschluss 103a des ersten Eingangs unterbrochen (also die Verbindung zu dem ersten Teilbordnetz TB1), können die ein oder mehreren Verbraucher 106 weiterhin mittels des zweiten Teilbordnetzes TB2 über den Eingang 104 mit elektrischer Energie zu ihrem Betrieb versorgt werden. Dazu wird die zweite Eingangsspannung UE2 in die Ausgangsspannung UA abwärtsgewandelt. Auch das zweite Teilbordnetz TB2 kann allgemein ein oder mehrere Energiequellen aufweisen, welche an den zweiten Eingang 104 angeschlossen sind, um auch eine Redundanz innerhalb des zweiten Teilbordnetzes TB2 bereitzustellen. Diese mindestens eine Energiequelle kann beispielsweise die Hauptenergiequelle sowie zusätzlich mindestens einen Energiespeicher umfassen.
Die Vorrichtung 101 ermöglicht also nicht nur die redundante Energieversorgung aus einem den einzelnen Teilbordnetzen TB1 und TB2, sondern auch eine redundante Energieversorgung in Bezug auf beide Teilbordnetze TB1, TB2.
2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung 101 zur Gleichspannungswandlung, wobei hier die Pufferkapazitäten in Form von Kondensatoren 103c, 104c bzw. 105c als Bauteile der Vorrichtung 101 eingezeichnet sind. Das Bezugspotenzial GND kann z.B. 0 V betragen.
An die Anschlüsse 103a und 103b des Eingangs 103 ist das erste Teilbordnetz TB1 (hier auch als „12 V-Zone“ bezeichenbar) anschließbar oder angeschlossen, während an die Anschlüsse 104a und 104b des Eingangs 104 das zweite Teilbordnetz TB2 (hier auch als „48 V-Zone“ bezeichenbar) anschließbar oder angeschlossen ist.
Die Vorrichtung 101 weist mehrere taktend oder pulsweitenmoduliert betreibbare Schalter S1 bis S7 auf. Diese sind insbesondere elektronischen Schalter wie Transistoren, z.B. MOSFETs. Die Schalter S1 bis S7 sind mittels einer Steuervorrichtung (o. Abb.) ansteuerbar, z.B. in Bezug auf ihre jeweilige Impulsdauer, Periodendauer und/oder Tastgrad.
Zudem weist die Vorrichtung 101 Induktivitäten oder Spulen L1 und L2 auf.
Speziell ist der Anschluss 103a mit dem Kondensator 103c verbunden, der andererseits bzw. mit seinem anderen Anschluss mit dem Anschluss 103b sowie mit dem Bezugspotenzial GND verbunden ist. Der Anschluss 103a und der Kondensator 103c sind ferner mit einem ersten Schalter S1 und einer ersten Spule L1 verbunden. Die erste Spule L1 ist andererseits mit einem zweiten Schalter S2 und einem dritten Schalter S3 verbunden. Der zweite Schalter S2 ist andererseits mit dem Bezugspotenzial GND verbunden. Der dritte Schalter S3 ist andererseits mit einem vierten Schalter S4, dem Kondensator 104c und dem Anschluss 104a des Eingangs 104 verbunden. Der Kondensator 104c ist andererseits mit dem Anschluss 104b und dem Bezugspotenzial GND verbunden. Die Schalter S1 und S4 sind andererseits mit einer Spule L2 und, über einen Schalter S5, mit dem Bezugspotenzial GND verbunden.
Die Spule L2 ist andererseits mit einem Schalter S6 und einem Schalter S7 verbunden. Der Schalter S6 ist andererseits mit dem Anschluss 105a des Ausgangs 105 und mit dem Kondensator 105c verbunden. Der Kondensator 105c ist andererseits mit dem Anschluss 105b sowie mit dem Bezugspotenzial GND verbunden. An die Anschlüsse 105a und 105b ist der mindestens eine Verbraucher 106 anschließbar. Der Schalter S7 ist andererseits mit dem Bezugspotenzial GND verbunden.
3 zeigt eine gedankliche Aufteilung der Vorrichtung 101 aus 2 in mehrere Funktionsblöcke, nämlich einen Umspeisungs-Funktionsblock M1, einen ersten Verbraucherspeisungs-Funktionsblock M2 und einen zweiten Verbraucherspeisungs-Funktionsblock M3.
Der Umspeisungs-Funktionsblock M1 dient insbesondere der Versorgung des Teilbordnetzes TB1 oder TB2 durch Umladung von aus dem Teilbordnetzes TB2 bzw. TB1 bereitgestellter elektrischer Leistung Pin. Der Umspeisungs-Funktionsblock M1 umfasst dazu die Spule L1 und die Schalter S2 und S3.
Der erste Verbraucherspeisungs-Funktionsblock M2 dient insbesondere der Gleichspannungswandlung der an dem ersten Eingang 103 anliegenden ersten Eingangsspannung UE1 in die an dem Ausgang 105 zur Versorgung des mindestens einen Verbrauchers 106 anliegende Ausgangsspannung UA. Der erste Verbraucherspeisungs-Funktionsblock M2 umfasst dazu die Kondensatoren 103c und 105c, die Schalter S1, S5, S6 und S7 sowie die Spule L2.
Der zweite Verbraucherspeisungs-Funktionsblock M3 dient insbesondere der Gleichspannungswandlung der an dem zweiten Eingang 104 anliegenden zweiten Eingangsspannung UE2 in die an dem Ausgang 105 zur Versorgung des mindestens einen Verbrauchers 106 anliegende Ausgangsspannung UA. Der zweite Verbraucherspeisungs-Funktionsblock M2 umfasst dazu die Kondensatoren 104c und 105c, die Schalter S4, S5, S6 und S7 sowie die Spule L2.
Der Kondensator 105c, die Schalter S5 bis S7 sowie die Spule L2 werden folglich von beiden Verbraucherspeisungs-Funktionsblöcken M2 und M3 genutzt.
Durch entsprechende, individuelle Ansteuerung der Schalter S1 bis S7, insbesondere durch Einstellung ihres Tastgrads, lassen sich die verschiedenen Anwendungsszenarien oder Betriebsmodi der Vorrichtung 101 einstellen, beispielsweise zur Aufwärts- oder Abwärtswandlung oder Verzicht auf eine Spannungswandlung der ersten Eingangsspannung UE1 mittels des ersten Verbraucherspeisungs-Funktionsblocks M2, zur Aufwärts- oder Abwärtswandlung oder Verzicht auf eine Spannungswandlung der zweiten Eingangsspannung UE2 mittels des zweiten Verbraucherspeisungs-Funktionsblocks M3 oder zur Umladung oder Verzicht auf eine Umladung durch den Umspeisungs-Funktionsblock M1, usw. Auch können durch entsprechende Ansteuerung der Schalter S1 bis S7 die Leistungsanteile X der an dem Ausgang 105 bereitgestellten elektrischen Leistung eingestellt werden.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So können die Spannungen UE1, UE2 und UA auch andere Werte annehmen.
Ferner kann anstelle eines DISO-Gleichspannungswandlers ein MISO-Gleichspannungswandler zur Leistungsverteilung bei Vorhandensein von mehr als zwei Teilbordnetzen verwendet werden.
Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

101: Vorrichtung zur Gleichspannungswandlung
102: DISO-Gleichspannungswandler
103: Erster Eingang
103a: Anschluss des ersten Eingangs
103b: Anschluss des ersten Eingangs
103c: Kondensator
104: Zweiter Eingang
104a: Anschluss des zweiten Eingangs
104b: Anschluss des zweiten Eingangs
104c: Kondensator
105: Ausgang
105a: Anschluss des Ausgangs
105b: Anschluss des Ausgangs
105c: Kondensator
106: Verbraucher
B: Bordnetz
F: Kraftfahrzeug
GND: Bezugspotenzial
M1: Umspeisungs-Funktionsblock
M2: Erster Verbraucherspeisungs-Funktionsblock
M3: Zweiter Verbraucherspeisungs-Funktionsblock
Pin: Eingangsleistung am ersten Eingang
Pout1: Ausgangsleistung am Ausgang
Pout2: Ausgangsleistung am zweiten Eingang
UA: Spannung am Ausgang
UE1: Spannung am ersten Eingang
UE2: Spannung am zweiten Eingang
S1-S7: Schalter
TB1: Erstes Teilbordnetz
TB2: Zweites Teilbordnetz
L1-L2: Spulen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017221621 A1 [0004]
DE 102015101241 A1 [0005]
DE 10251589 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (101) zur Gleichspannungswandlung in einem Bordnetz (B) mit einem ersten Teilbordnetz (TB1) mit einer ersten Teilbordnetzspannung (UE1) und einem zweiten Teilbordnetz (TB2) mit einer zweiten Teilbordnetzspannung (UE2), wobei - die Vorrichtung (101) einen DISO-Gleichspannungswandler (102) mit einem ersten Eingang (103) zum Anschluss an das erste Teilbordnetz (TB1), mit einem zweiten Eingang (104) zum Anschluss an das zweite Teilbordnetz (TB2) und mit einem Ausgang (105) zum Anschluss an mindestens einen Verbraucher (106) aufweist und wobei - die Vorrichtung (101) dazu eingerichtet ist, die an einem der Eingänge (104) anliegende Teilbordnetzspannung (UE1, UE2) in die an dem anderen der Eingänge (103) anliegende Teilbordnetzspannung (UE2, UE1) zu wandeln und an den anderen der Eingänge (103) anzulegen.
Vorrichtung (101) nach Anspruch 1, wobei der DISO-Gleichspannungswandler (102) so einrichtbar ist, dass die an dem Ausgang (105) des DISO-Gleichspannungswandlers (102) bereitgestellte Ausgangsspannung (UA) einer der beiden Teilbordnetzspannungen entspricht und die nicht entsprechende Teilbordnetzspannung auf die Ausgangsspannung (UA) gewandelt wird.
Vorrichtung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der DISO-Gleichspannungswandler (102) so einrichtbar ist, dass die an dem Ausgang des DISO-Gleichspannungswandlers (102) bereitgestellten Ausgangsspannung (UA) keiner der Teilbordnetzspannungen (UE1, UE2) entspricht und die Teilbordnetzspannungen (UE1, UE2) jeweils auf die Ausgangsspannung (UA) gewandelt werden.
Vorrichtung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der DISO-Gleichspannungswandler (102) dazu eingerichtet ist, eine an dem Ausgang (105) bereitgestellte elektrische Leistung (Pout1) zwischen den Eingängen (103, 104) aufzuteilen.
Kraftfahrzeug (F), aufweisend ein Bordnetz (B) mit einem ersten Teilbordnetz (TB1) mit einer ersten Teilbordnetzspannung (UE1) und einem zweiten Teilbordnetz (TB2) mit einer zweiten Teilbordnetzspannung (UE2) sowie mindestens eine Vorrichtung (101) zur Gleichspannungswandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren DISO-Gleichspannungswandler (102) mit seinem ersten Eingang (103) an das erste Teilbordnetz (TB1) angeschlossen ist und mit seinem zweiten Eingang (104) an das zweite Teilbordnetz (TB2) angeschlossen ist.
Kraftfahrzeug (F) nach Anspruch 5, aufweisend mehrere zwischen den gleichen Teilbordnetzen (TB1, TB2) angeordnete Vorrichtungen (101) zur Gleichspannungswandlung.
Kraftfahrzeug (F) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei an mindestens einem DISO-Gleichspannungswandler (102) kein Verbraucher (106) an dessen Ausgang (105) angeschlossen ist.
Kraftfahrzeug (F) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei beide Teilbordnetze (TB1, TB2) jeweils mindestens eine elektrische Energiequelle aufweisen.
Verfahren zum Wandeln mindestens einer Teilbordnetzspannung (UE1, UE2) aus zwei unterschiedlichen Teilbordnetzspannungen (TB1, TB2) eines Bordnetzes (B) eines Kraftfahrzeugs (F), bei dem - mindestens eine an einem Eingang (103, 104) eines DISO-Gleichspannungswandlers (102) anliegende Teilbordnetzspannung (UE1, UE2) in eine an einem Ausgang (105) des DISO-Gleichspannungswandlers (102) anliegende Ausgangsspannung (UA) gewandelt wird; und/oder - eine an einem Eingang (104) eines DISO-Gleichspannungswandlers (102) anliegende Teilbordnetzspannung (UE2) in die andere Teilbordnetzspannung (UE1) gewandelt wird und an den zu der andere Teilbordnetzspannung (UE1) gehörigen anderen Eingang (103) des DISO-Gleichspannungswandlers (102) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem an dem Ausgang (105) des DISO-Gleichspannungswandlers (102) mindestens ein Verbraucher (106) angeschlossen ist und die an dem Ausgang (105) abgegriffene elektrische Leistung (Pout1) mittels des DISO-Gleichspannungswandlers (102) mit vorgegebenen Anteilen aus den Eingängen (103, 104) bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem aus nur einem der Eingänge (104) sowohl der mindestens eine Verbraucher (106) vollständig mit elektrischer Leistung (Pout1) versorgt wird als auch ein an dem anderen Eingang (103) angeschlossenes Teilbordnetz (TB1) mit elektrischer Leistung (Pout2) versorgt wird.