DE102020130784A1 - Bordnetz, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit zwei Teilbordnetzen und einer dazwischen angeordneten Schutzvorrichtung - Google Patents

Bordnetz, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit zwei Teilbordnetzen und einer dazwischen angeordneten Schutzvorrichtung Download PDF

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Abstract

Es wird ein Bordnetz, insbesondere für ein Elektrofahrzeug bereitgestellt, mit mindestens zwei Teilbordnetzen (1, 2) zum Betrieb mit unterschiedlichen Bordspannungen, wobei in dem ersten Teilbordnetz (1) ein Spannungswandler (13) vorgesehen ist zum Wandeln der ersten Bordspannung in die zweite Bordspannung, wobei das Bordnetz eine Schutzvorrichtung (3) aufweist, welche zwischen den Teilbordnetzen (1, 2) angeordnet ist und aufweist: mindestens einen ersten Schalter (31), welcher zwischen einem Spannungsausgang (14) eines der Teilbordnetzte (1) und einem gleichpoligen Spannungseingang (22) des anderen Teilbordnetzes (2) angeordnet ist; und/oder ein Widerstandselement (33), dessen Widerstandswert variabel einstellbar ist und welches zwischen Spannungseingängen (22, 23) des einen Teilbordnetzes (2) angeordnet ist; wobei die Schutzvorrichtdung (3) eingerichtet ist, die an den Spannungseingängen (22, 23) des einen Teilbordnetzes (2) anliegende Spannung zu überwachen und den mindestens einen ersten Schalter (31) zu öffnen und/oder den variablen Widerstandswert des Widerstandselements (33) zu verringern, wenn diese einen Grenzwert überschreitet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bordnetz, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit zwei Teilbordnetzen und einer dazwischen angeordneten Schutzvorrichtung. Die Schutzvorrichtung dient zur Einhaltung der Spanungsklasse bei demjenigen Teilbordnetz mit der kleineren Betriebsspannung.
  • In einem Bordnetz eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs, sind unterschiedliche Teilbordnetze vorhanden. In jedem der Teilbordnetze kann eine andere Spannungsklasse definiert sein. Beispielsweise kann in einem ersten Teilbordnetz eine Spannung von 800 V vorherrschen sein, während in einem anderen Teilbordnetz, welches mit dem ersten Teilbordnetz gekoppelt ist, eine Spannung von 500 V vorherrschen kann.
  • Die Komponenten in jedem Teilbordnetz sind im Hinblick auf die Gewährleistung einer Funktionssicherheit vor zu hohen Spannungen zu schützen. Üblicherweise wird hierbei die in dem jeweiligen Teilbordnetz vorherrschende Betriebsspannung herangezogen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einem Teilbordnetz einer bestimmten Spannungsklasse die darin vorherrschende Spannung stets kleiner oder gleich einem dazugehörigen Grenzwert sein soll, z.B. 500 V. Übersteigt die Spannung an den Klemmen eines in diesem Teilbordnetz verschalteten Bauteilen diesen Grenzwert, so besteht die Gefahr einer Beschädigung von diesen Bauteilen. Diese Gefahr ist besonders groß, wenn Teilbordnetze mit relativ großen Spannungsunterschieden von einigen Hundert Volt miteinander in elektrischem Kontakt stehen. Ein solches Szenario kann beispielsweise in einer fahrzeugseitigen Ladeinfrastruktur eines Elektrofahrzeugs vorliegen, welche im Wesentlichen einen Gleichrichter, eine Zwischenkreiskondensatorbank und einen Gleichspannungswandler aufweist, welcher schließlich die zum Laden der Traktionsbatterie erforderliche Gleichspannung bereitstellt. Hierbei kann an der Zwischenkreiskondensatorbank eine Gleichspannung von 800 V anliegen, welche vom Gleichspannungswandler auf beispielsweise 500 V gewandelt wird.
  • Im Falle einer Fehlfunktion des Teilbordnetzes, in dem 800 V vorherrschen, könnte im schlimmsten Fall diese Spannung an den Klemmen des Gleichspannungswandlers angelegt werden, was mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Defekt des Gleichspannungswandlers führen könnte.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Schutz vor Überspannungen in einem Bordnetz bereitzustellen, insbesondere um unterschiedliche Spanungsklassen in Teilbordnetzen einzuhalten.
  • Diese Aufgabe wird mittels des Bordnetzes gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Erfindungsgemäß wird ein Bordnetz, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einem ersten Teilbordnetz zum Betrieb mit einer ersten Bordspannung (Bordnetzspannung) und einem zweiten Teilbordnetz zum Betrieb mit einer zweiten Bordspannung bereitgestellt. Anders ausgedrückt sind die beiden Teilbordnetze für den Betrieb mit unterschiedlichen Bordspannungen ausgelegt. Dabei ist in dem ersten Teilbordnetz ein Spannungswandler vorgesehen, welcher eingerichtet ist, die erste Bordspannung in die zweite Bordspannung umzuwandeln. Anders ausgedrückt wird das zweite Teilbordnetz mit der von dem Spannungswandler in dem ersten Teilbordnetz bereitgestellten Spannung betrieben. Hierbei liegt an den Eingangsklemmen des Spanungswandlers die erste Bordspannung an, während an den Ausgangsklemmen des Spannungswandlers die zweite Bordspannung anliegt. Die erste Bordspannung kann größer sein als die zweite Bordspannung.
  • Das erfindungsgemäße Bordnetz weist eine Schutzvorrichtung auf, welche zwischen dem ersten und zweiten Teilbordnetz angeordnet ist und mindestens einen ersten Schalter, welcher zwischen einem Spannungsausgang des ersten Teilbordnetztes und einem gleichpoligen Spannungseingang des zweiten Teilbordnetzes angeordnet ist, und/oder ein Widerstandselement aufweist, dessen Widerstandswert variabel einstellbar ist und welches zwischen Spannungseingängen des zweiten Teilbordnetzes angeordnet ist. Eine Anordnung der Schutzvorrichtung zwischen dem ersten und zweiten Teilbordnetz bedeutet, dass das zweite Teilbordnetz elektrisch über die Schutzvorrichtung an das erste Teilbordnetz gekoppelt ist. Im ordnungsgemäßen Betrieb verhält sich die Schutzvorrichtung so, als wäre sie nicht vorhanden, sprich die an den Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers bereitgestellte Spannung wird (unter Vernachlässigung des Leitungswiderstandes) an die die Eingangsklemmen des zweiten Teilbordnetzes angelegt. Im Überspannungsfall wird die Schutzvorrichtung aktiviert und unterbricht bzw. verändert die elektrische Kopplung zwischen den beiden Teilbordnetzen. Bei dem Gleichspannungswandler kann es sich beispielsweise um einen Buck/Boost-Converter handeln.
  • Konkret ist die Schutzvorrichtung eingerichtet, die an den Spannungseingängen des zweiten Teilbordnetzes anliegende Spannung zu überwachen und den mindestens einen ersten Schalter zu öffnen und/oder den variablen Widerstandswert des Widerstandselements zu verringern, wenn diese einen Grenzwert überschreitet.
  • Die Schutzvorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen, welche zum Ansteuern des mindestens einen Schalters sowie des variablen Widerstandes eingerichtet ist. Ferner kann die Schutzvorrichtung einen Spannungsmessvorrichtung aufweisen, welche beispielsweise die an den Klemmen des zweiten Teilbordnetztes anliegende Spannung misst. Im Falle einer relativ hohen zweiten Bordspannung (welche der Betriebsspannung des zweiten Teilbordnetzes entspricht), kann ein Spannungsteiler vorgesehen sein, welcher zur Messung der zweiten Bordspannung verwendet werden kann. Der Vergleich mit dem Grenzwert kann mittels eines Komparators erfolgen. Auf Basis des Ausgangs des Komparators, welcher dem Ansteuerschaltkreis zugeführt werden kann, in Abhängigkeit davon der Schutzschaltkreis aktiviert werden.
  • Im inaktivierten Zustand des Schutzschaltkreises beeinflusst dieser den Stromfluss zwischen dem ersten Teilbordnetz und dem zweiten Teilbordnetz nicht. Dieser Zustand entspricht dem ordnungsgemäßen Betrieb des zweiten Schaltkreises, bei dem keine Überspannung detektiert wird. In diesem Zustand ist der mindestens erste Schalter geschlossen und stellt einen praktisch vernachlässigbaren Widertand im elektrischen Pfad zwischen der Ausgangsklemme des ersten Teilbordnetzes und der Eingangsklemme des zweiten Teilbordnetzes dar. Der alternativ oder zusätzlich zum mindestens ersten Schalter vorgesehene Widerstandselement hat einen sehr hohen Widerstand, so dass praktisch kein Strom durch den variablen Widerstand fließen kann und die Spannung und der Strom praktisch null sind. Der sehr hohe bzw. unendliche Widertand kann beispielsweise durch einen offenen Schalter realisiert sein.
  • Im Falle einer Überspannung wird diese detektiert und daraufhin wird der Schutzschaltkreis aktiviert. Dazu wird, wie bereits beschrieben zum einen der mindestens eine erste Schalter geöffnet. Dadurch wird der Stromfluss zwischen dem ersten Teilbordnetz und dem zweiten Teilbordnetz unterbrochen. Der alternativ oder zusätzlich zum mindestens ersten Schalter bereitgestellte Widerstandselement mit variablem Widertand wird so angesteuert, dass sein Widerstand verringert wird. Damit stellt das Widerstandselement einen hochohmigen Pfad zwischen den Eingangsklemmen des zweiten Teilbordnetzes dar führt zu einem Quasiquerkurzschluss. Mit einem Quasiquerkurzschluss ist ein Kurzschluss über die Eingangsklemmen des zweiten Teilbordnetzes gemeint, welcher jedoch keinem vollständigen Kurzschluss entspricht, bei dem ein elektrischer Pfad mit verschwindend geringem Widerstand gebildet werden könnte, durch welchen ein sehr hoher Strom fließen kann. Der Quasiquerkurzschluss stellt einen hochohmigen elektrischen Pfad bereit, durch welchen ein begrenzter Stromfluss zustande kommen kann, welcher zum kontrollierten Abbau der Überspannung an den Eingangsklemmen des zweiten Teilbordnetzes führt. Insbesondere im Falle, wenn im zweiten Teilbordnetz Kapazitäten oder sogar eine Batterie verbaut sind, können diese durch einen unbegrenzten Kurzschluss Schaden nehmen. Durch den hochohmigen „Überspannungsabbaupfad“, wie ihn das Widerstandselement mit variablem Widerstand im aktivierten Zustand bereitstellt, kann insbesondere eine zu starke Belastung dieser kapazitiven Bauelemente vermieden werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bordnetzes kann die Schutzvorrichtung einen zweiten Schalter aufweisen, welcher zwischen dem anderen Spannungsausgang des ersten Teilbordnetzes und dem anderen Spannungseingang des zweiten Teilbordnetzes angeordnet ist. Der zweite Schalter kann vom Prinzip her dem ersten Schalter entsprechen, nur statt in dem ersten elektrischen Pfad kann er in dem zweiten elektrischen Pfad zwischen erstem und zweitem Teilbordnetz verschaltet sein. So kann beispielsweise der erste Schalter in dem positiven elektrischen Pfad, also zwischen den positiven Anschlüssen (HV+) der beiden Teilbordnetze verschaltet sein und der zweite Schalter kann in dem negativen elektrischen Pfad, also zwischen den negativen Anschlüssen (HV-) der beiden Teilbordnetze verschaltet sein. Die Schutzvorrichtung kann eingerichtet sein, den zweiten Schalter zu öffnen im Falle, dass die an den Spannungseingängen des zweiten Teilbordnetzes anliegende Spannung den Grenzwert überschreitet. Folglich wird der zweite Schalter symmetrisch bzw. analog zum ersten Schalter angesteuert.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bordnetzes kann das zweite Teilbordnetz eine Traktionsbatterie aufweisen. In einer solchen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Bordnetz einer fahrzeugseitige Ladeinfrastruktur abbilden, wobei das erste Bordnetz einen Wechselrichter, eine Zwischenkreiskondensatorbank und den besagten Gleichspannungswandler aufweist. Hierbei kann die erste Bordspannung der Ladespannung, z.B. 800 V entsprechen und mittels des Gleichspannungswandlers zu einer niedrigeren zweiten Bordspannung, z.B. 500 V zum Laden der Traktionsbatterie im zweiten Teilbordnetz gewandelt werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bordnetzes kann das Widerstandselement eine Reihenschaltung aus einem dritten Schalter und einem Widerstand aufweisen. Bei Aktivierung des dritten Schalters wird der Strompfad dem Grunde nach bereitgestellt und mittels des in Reihe verschalteten Widerstandes kann der Stromfluss durch den Querkurzschlusspfad begrenzt werden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bordnetzes kann das Widerstandselement eine Reihenschaltung aus einem Thyristor und einem Varistor aufweisen. Der Thyristor als einschaltbares, unidirektionales Bauelement besitzt zwei stabile Zustände, von denen einer hochohmig und der andere niederohmig ist. Beim Aktivieren bzw. Einschalten der Schutzvorrichtung wird der Thyristor in den niederohmigen Zustand versetzt und aktiviert den Strompfad für den Querstrom. Der Varistor als spannungsabhängiger Widerstand bestimmt die Höhe zugelassenen Querstroms. Praktischerweise nimmt der Widerstandswert eines Varistors mit zunehmender angelegter Spannung ab, so dass dadurch grundsätzlich höhere Überspanungswerte automatisch durch größeren Stromfluss in stärkerem Maße abgebaut werden. Bei Vorsehen eines Thyristors im variablen Widerstandselement kann ferner ein entsprechender Ansteuerschaltkreis vorgesehen sein, welcher die zum Aktivieren des Thyristors erforderliche „Zündung“ bereitstellt.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • In 1 ist ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bordnetzes dargestellt. Das Bordnetz weist ein erstes Teilbordnetz 1 und ein zweites Teilbordnetz 2 auf, welche miteinander gekoppelt sind, wobei dazwischen die Schutzvorrichtung 3 geschaltet ist. Im gezeigten Beispiel verkörpert das Bordnetz eine fahrzeugseitige Ladeinfrastruktur. Das erste Teilbordnetz 1 weist einen Gleichrichter 11, eine Zwischenkreiskondensatorbank 12 und einen Gleichspannungswandler 13 auf. Bei dem Gleichrichter 11 sind drei Eingänge 4 angedeutet, welche den Anschuss des Gleichrichters 11 und damit des ersten Teilbordnetzes an die drei Ladephasen L1, L2, L3 der Ladesäule repräsentieren sollen. Selbstverständlich können weitere Eingänge vorgesehen sein, z.B. für den Neutralleiter oder für die Kommunikationsleitungen. Diese wurden jedoch zur Vereinfachung weggelassen. Die Ausgänge des ersten Teilbordnetzes 1 können im Wesentlichen den Ausgängen des Gleichspannungswandlers 13 entsprechen. Das zweite Teilbordnetz 2 weist im Wesentlichen die Traktionsbatterie 21 auf, wobei die Eingänge 22, 23 des zweiten Teilbordnetzes 2 den Klemmen der Traktionsbatterie 21 entsprechen können.
  • Die Schutzvorrichtung 3 ist zwischen den Ausgängen bzw. Ausgangsklemmen 14, 15 des ersten Teilbordnetzes 1 und den Eingängen bzw. Eingangsklemmen 22, 23 des zweiten Teilbordnetzes 2 verschaltet. Der erste Ausgang 14 kann dem positiven Pol und der zweite Ausgang 15 kann dem negativen Pol des ersten Teilbordnetzes 1 entsprechen. Die Eingänge 22, 23 des zweiten Teilbordnetzes 2 sind entsprechend konfiguriert.
  • Die Schutzvorrichtung 3 weist einen ersten Schalter 31 und einen zweiten Schalter 32 auf, welche zwischen den Ausgängen 14, 15 des ersten Teilbordnetzes 14 und den korrespondierenden Eingängen 22, 23 des zweiten Teilbordnetzes 2 angeordnet sind. Ferner ist ein elektrischer Querpfad zwischen den beiden elektrischen Pfaden vorgesehen, welche die Anschlüsse der beiden Teilbordnetze 1, 2 miteinander verbinden, wobei der Querpfad im Wesentlichen von dem variablen Widerstandselement 33 gebildet wird. Eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen der an den Eingängen 22, 23 anliegenden Spannung, welche der zweiten Bordspannung entspricht, sowie der dazugehörige Auswerteschaltkreis, z.B. ein Komparator, sind in 1 nicht explizit dargestellt.
  • Im ordnungsgemäßen Betrieb des Bordnetzes ist die Schutzschaltung 3 so konfiguriert, dass sie den Stromfluss zwischen den beiden Teilbordnetzen 1, 2 nicht beeinflusst. Das heißt, dass der erste Schalter 31 und der zweite Schalter 32 geschlossen sind (leitfähig sind) und das Widerstandselement mit variablem Widertand 33 einen sehr hohen Widerstandswert aufweist, so dass es nichtleitend ist und der Querpfad praktisch nicht vorhanden ist.
  • Bei Detektion einer Überspannung an den Eingängen 22, 23 werden der erste Schalter 14 und der zweite Schalter 15 geöffnet, wodurch das erste Teilbordnetz 1 vom zweiten Teilbordnetz 2 getrennt wird. Ferner wird der Widerstandswert des variablen Widerstandselements 33 verringert, so dass ein hochohmiger Querpfad zwischen den beiden die Teilbordnetze 1, 2 verbindenden Leitungen und damit zwischen den Eingängen 22, 23 des zweiten Teilbordnetzes 2 bereitgestellt wird. Dadurch kann eine an den Eingängen 22, 23 des zweiten Teilbordnetzes 2 anliegende Überspannung auf eine kontrollierte Art und Weise abgebaut werden, ohne dass die Traktionsbatterie 21 übermäßig belastet wird.
  • Es sei drauf hingewiesen, dass bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bordnetzes einer der beiden Schalter 31, 32 weggelassen werden kann. Ferner kann in einem abgewandelten Ausführungsbeispiel nur das Widerstandselement 33 vorgesehen sein, also ohne die beiden Schalter 31, 32.

Claims (5)

  1. Bordnetz, insbesondere für ein Elektrofahrzeug, mit einem ersten Teilbordnetz (2) zum Betrieb mit einer ersten Bordspannung und einem zweiten Teilbordnetz (2) zum Betrieb mit einer zweiten Bordspannung, wobei in dem ersten Teilbordnetz (1) ein Spannungswandler (13) vorgesehen ist, welcher eingerichtet ist, die erste Bordspannung in die zweite Bordspannung umzuwandeln, wobei das Bordnetz eine Schutzvorrichtung (3) aufweist, welche zwischen dem ersten Teilbordnetz (1) und zweiten Teilbordnetz (2) angeordnet ist und aufweist: mindestens einen ersten Schalter (31), welcher zwischen einem Spannungsausgang (14) des ersten Teilbordnetztes (1) und einem gleichpoligen Spannungseingang (22) des zweiten Teilbordnetzes (2) angeordnet ist; und/oder ein Widerstandselement (33), dessen Widerstandswert variabel einstellbar ist und welches zwischen Spannungseingängen (22, 23) des zweiten Teilbordnetzes (2) angeordnet ist; wobei die Schutzvorrichtung (3) eingerichtet ist, die an den Spannungseingängen (22, 23) des zweiten Teilbordnetzes (2) anliegende Spannung zu überwachen und den mindestens einen ersten Schalter (31) zu öffnen und/oder den variablen Widerstandswert des Widerstandselements (33) zu verringern, wenn diese einen Grenzwert überschreitet.
  2. Bordnetz gemäß Anspruch 1, wobei die Schutzvorrichtung (3) einen zweiten Schalter (32) aufweist, welcher zwischen dem anderen Spannungsausgang (15) des ersten Teilbordnetzes (1) und dem anderen Spannungseingang (23) des zweiten Teilbordnetzes (2) angeordnet ist, und die Schutzvorrichtung (3) ist eingerichtet, den zweiten Schalter (32) zu öffnen im Falle, dass die an den Spannungseingängen (22, 23) des zweiten Teilbordnetzes (2) anliegende Spannung den Grenzwert überschreitet.
  3. Bordnetz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das zweite Teilbordnetz (2) eine Traktionsbatterie (21) aufweist.
  4. Bordnetz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Widerstandselement (33) eine Reihenschaltung aus einem dritten Schalter und einem Widerstand aufweist.
  5. Bordnetz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Widerstandselement (33) eine Reihenschaltung aus einem Thyristor und einem Varistor aufweist.
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