DE102020204891A1 - Leistungsverteilunssystem - Google Patents

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Mitsutoshi Muraoka
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Abstract

Ein Leistungsverteilungssystem umfasst eine erste Batterie, mehrere erste DC/DC-Wandler, die jeweils eng mit mehreren ersten Lasten gekoppelt sind, wobei jeder der ersten DC/DC-Wandler eine erste Spannung von der ersten Batterie in eine andere zweite Spannung umwandelt, wodurch die entsprechende erste Last mit Leistung versorgt wird. In dem vorliegenden Leistungsverteilungssystem verlieren selbst bei einem Ausfall einiger der ersten DC/DC-Wandler nur die den ausgefallenen ersten DC/DC-Wandlern entsprechenden Lasten die Leistungsversorgung, während andere Lasten weiterhin funktionieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Leistungselektroniktechnologien und insbesondere ein Leistungsverteilungssystem von Elektrofahrzeugen.
  • HINTERGRUND
  • Fahrzeuge, die vollständig oder teilweise durch Elektromotoren angetrieben werden, werden immer gefragter. In derzeitigen Leistungsverteilungssystemen von Elektrofahrzeugen (xEV), wie z. B. Batterieelektrofahrzeugen (BEV), Hybridelektrofahrzeugen (HEV), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEV) und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV), wie in 1 gezeigt, sind sowohl eine Hochspannungsbatterie 10 (höher als 60 V, wobei es sich in der Regel um eine Lithium-Ionen-Batterie handelt) als auch eine Hilfsbatterie 40 (wobei es sich um eine Bleibatterie handelt) enthalten. Üblicherweise versorgt die Hochspannungsbatterie Lasten 30 in einem Niederspannungsleistungsnetzwerk (wie z. B. Klimaanlage, Servolenkung, beheizte Windschutzscheibe, die im Allgemeinen durch ein 12V/24V-Netzwerk gespeist werden) über einen DC/DC-Wandler 20 mit Leistung. Falls der DC/DC-Wandler 20 ausfällt oder nicht funktioniert, verursacht er einen Stromausfall für sämtliche Lasten in dem Niederspannungsleistungsnetzwerk. Sämtliche Funktionen des xEV werden heruntergefahren, wenn die Hilfsbatterie 40 vollständig entladen ist. Ist in den Fahrzeugen keine Hilfsbatterie vorhanden, kann die Situation ungünstiger werden, da sämtliche Funktionen des xEV unmittelbar nach dem Ausfall des DC/DC-Wandlers heruntergefahren werden.
  • Des Weiteren ist bei dieser in 1 gezeigten zentralisierten Systemarchitektur die Abmessung der Kabel, die Lasten und den DC/DC-Wandler verbinden, aufgrund der Niederspannungsleistungsverteilung (12V/24V) groß, was für eine Light-Duty-Gestaltung des xEV nicht wünschenswert ist.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines zuverlässigen Leistungsverteilungssystems, wobei das Leistungsverteilungssystem Folgendes umfasst: eine erste Batterie, mehrere erste Lasten, mehrere erste DC/DC-Wandler, die jeweils mit den mehreren ersten Lasten gekoppelt sind, wobei jeder der ersten DC/DC-Wandler eine erste Spannung von der ersten Batterie in eine andere zweite Spannung umwandelt, wodurch die entsprechende erste Last mit Leistung versorgt wird.
  • Figurenliste
    • 1 stellt ein herkömmliches zentralisiertes Leistungsverteilungssystem schematisch dar.
    • 2 stellt ein Leistungsverteilungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
    • 3 stellt ein Leistungsverteilungssystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
    • 4 stellt ein Leistungsverteilungssystem mit zweiten Lasten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
    • 5 stellt ein Leistungsverteilungssystem mit einem zweiten DC/DC-Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
    • 6 stellt ein Leistungsverteilungssystem mit sowohl den zweiten Lasten als auch dem zweiten DC/DC-Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
    • 7 stellt eine Hochspannungsanwendung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
    • 8 stellt eine Hochspannungsanwendung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
    • 9 stellt ein Leistungsverteilungssystem in einer Niederspannungsanwendung der vorliegenden Erfindung schematisch dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 2 stellt ein Leistungsverteilungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar. Das Leistungsverteilungssystem wird in einem xEV zur Leistungsversorgung von Fahrzeuglasten genutzt. Das Leistungsverteilungssystem umfasst eine erste Batterie 1 (eine sogenannte Hochspannungsbatterie, deren Spannung höher als 60 V ist) und mehrere erste Lasten 3, wie z. B. eine Klimaanlage, ein Servolenkungssystem, eine beheizte Windschutzscheibe usw. Das Leistungsverteilungssystem umfasst ferner mehrere erste DC/DC-Wandler 2, die jeweils eng mit den mehreren ersten Lasten gekoppelt (daran befestigt, darin eingesteckt oder darin integriert) sind. Jeder der ersten DC/DC-Wandler 2 wandelt eine erste Spannung von der ersten Batterie 1 in eine andere zweite Spannung um, wodurch die entsprechende erste Last 3 mit Leistung versorgt wird. Die zweite Spannung (die sogenannte Niederspannung) ist niedriger als 60 V, für gewöhnlich 12 V oder 24 V. Im vorliegenden Fall werden Spannungen über 60 V als Hochspannung bezeichnet, während Spannungen unter 60 V als Niederspannung bezeichnet werden, was einem typischen Fall, dass ein Schaltkreis über 60 V von einem unter 60 V elektrisch zu isolieren ist (in einer Fahrzeugsicherheitsvorschrift festgelegt), entspricht, wobei jedoch klar sein sollte, dass andere Spannungswerte als Hoch-/Niederspannungen verwendet werden können. In dem vorliegenden Leistungsverteilungssystem verlieren selbst bei einem Ausfall einiger der ersten DC/DC-Wandler nur die den ausgefallenen ersten DC/DC-Wandlern entsprechenden Lasten die Leistungsversorgung und Funktionstüchtigkeit, während andere Lasten weiterhin funktionieren, was es einem Fahrer des xEV gestattet, das xEV zu einer Reparaturwerkstatt zu fahren. Des Weiteren wird die Gesamtabmessung der Kabel, die die Hochspannungsbatterie und jeden eng mit der Last gekoppelten ersten DC/DC-Wandler verbinden, reduziert, da der Eingang jedes ersten Wandlers mit einem Hochspannungsleistungsnetzwerk (höher als 60 V) gekoppelt ist.
  • Gegebenenfalls wird für eine erste Last mit hoher Priorität eine Hilfsbatterie 4 bereitgestellt, um die erste Last mit hoher Priorität im Falle eines Ausfalls des ersten DC/DC-Wandlers mit Leistung zu versorgen.
  • Für jeden der ersten DC/DC-Wandler sind der DC-Eingang und der DC-Ausgang voneinander elektrisch isoliert und in diesem Fall ist nur der DC-Ausgang mit einem Fahrzeugfahrgestell verbunden, während der DC-Eingang (der mit der Hochspannungsbatterie gekoppelt ist und über 60 V liegt) nicht mit dem Fahrzeugfahrgestell verbunden sein darf und potenzialfrei sein muss. In anderen Fällen darf, falls beide Leistungsnetzwerke eine Spannung von über 60 V (z. B. 400 V bis 100 V) führen, keines der beiden mit dem Fahrzeugfahrgestell verbunden sein und beide müssen potenzialfrei sein. Dadurch können Insassen vor der Gefahr eines Stromschlags von der Hochspannungsseite geschützt werden, falls stromführende Teile des Hochspannungsschaltkreises beispielsweise aufgrund eines Autounfalls freigelegt und leicht berührbar werden.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind, wie in 3 gezeigt, sämtliche erste Lasten 3 mit der Hilfsbatterie 4 gekoppelt, um die Leistungsversorgung an dem Niederspannungsleistungsnetzwerk (niedriger als 60 V) im Falle eines Ausfalls der entsprechenden ersten DC/DC-Wandler sicherzustellen.
  • 4 stellt ein Leistungsverteilungssystem mit zweiten Lasten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar. Für einige weniger wichtige Fahrzeuglasten ist eine temporäre Unterbrechung der Leistungsversorgung weniger kritisch. Die anderen Fahrzeuglasten, die unabhängig vom Hauptleistungsverteilungssystem gespeist werden, benötigen im Hinblick auf Gesamtsystemarchitektur-Gestaltungsüberlegungen die getrennte Leistungsversorgung. Somit ist jede der zweiten Lasten 31 nicht mit einem individuellen ersten DC/DC-Wandler gekoppelt, sondern stattdessen mit der Hilfsbatterie 4 gekoppelt. In diesem Fall können einige der ersten Lasten von der Hilfsbatterie 4 entkoppelt sein.
  • 5 stellt ein Leistungsverteilungssystem mit einem zweiten DC/DC-Wandler 5 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar. Der Eingang des zweiten DC/DC-Wandlers 5 ist mit der Hochspannungsbatterie gekoppelt, während der Ausgang des zweiten DC/DC-Wandlers 5 mit sämtlichen ersten Lasten 3 gekoppelt ist. Der Eingang des zweiten DC/DC-Wandlers 5 ist von dem Ausgang des zweiten DC/DC-Wandlers 5 elektrisch isoliert. Bei dieser Ausführungsform kann jede der ersten Lasten entweder durch die Hochspannungsbatterie 1 über die ersten DC/DC-Wandler 3, den zweiten DC/DC-Wandler 5, oder durch die Hilfsbatterie 4 gespeist werden (die drei Arten von Speisungsspannungen sind nicht immer gleich), und somit ist die Leistungsversorgung jeder der ersten Lasten weiterhin sichergestellt.
  • 6 stellt ein Leistungsverteilungssystem mit zweiten Lasten gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dar. Bei dieser Ausführungsform sind sowohl mehrere zweite Lasten 31 als auch ein zweiter DC/DC-Wandler 5 bereitgestellt. Da einige Fahrzeuglasten weniger wichtig sind und/oder unabhängig vom Hauptleistungsverteilungssystem gespeist werden müssen, ist jede der zweiten Lasten 31 nicht mit einem individuellen ersten DC/DC-Wandler gekoppelt, sondern stattdessen mit der Hilfsbatterie 4 oder mit dem zweiten DC/DC-Wandler 5 oder mit beiden gekoppelt (die zwei Arten von Speisungsspannungen sind nicht immer gleich). Jede der ersten Lasten ist mit der Hilfsbatterie 4 oder mit dem zweiten DC/DC-Wandler oder mit beiden oder mit keinem davon gekoppelt (die drei oder zwei Arten von Speisungsspannungen sind ebenfalls nicht immer gleich).
  • Bei anderen Anwendungen werden sämtliche erste Lasten durch eine Hochspannung (höher als 60 V) gespeist, wobei nämlich sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung eine Hochspannung sind. Bei derartigen Fällen weisen für jeden der DC/DC-Wandler die Masse an der DC-Eingangsseite und die Masse an der DC-Ausgangsseite ein gleiches Referenzpotenzial auf, und somit wird keine elektrische Isolation benötigt. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform ist das Referenzpotenzial der Masse an der DC-Ausgangsseite verschieden von dem der Masse an der DC-Eingangsseite und die Masse an der DC-Ausgangsseite ist nicht mit einem Fahrzeugfahrgestell verbunden.
  • Bei einer Hochspannungsanwendung der Erfindung (in 7 gezeigt) liegen beispielsweise sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung über 60 V, z. B. beträgt die erste Spannung 400 V und die zweite Spannung 200 V. Der DC-Eingang ist nicht von dem DC-Ausgang elektrisch isoliert, die Masse der DC-Eingangsseite weist das gleiche Referenzpotenzial wie die DC-Ausgangsseite auf und beide Massen müssen zur Gewährleistung der Sicherheit der Insassen potenzialfrei sein und von dem Fahrzeugfahrgestell getrennt sein. Bei einer anderen Hochspannungsanwendung (in 8 gezeigt) ist der DC-Eingang von dem DC-Ausgang elektrisch isoliert, die Masse der DC-Eingangsseite weist ein von dem der DC-Ausgangsseite verschiedenes Referenzpotenzial auf und beide Massen müssen potenzialfrei sein und von dem Fahrzeugfahrgestell getrennt sein. Die in 7 und 8 gezeigten Konzepte lassen sich in dem in 2 bis 6 gezeigten Leistungsverteilungssystem anwenden.
  • Basierend auf dem Obigen stellt 9 als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Leistungsverteilungssystem schematisch dar, bei dem sämtliche erste Lasten durch eine Niederspannung (eine Niederspannungsbatterie 11 unter 60 V) gespeist werden, wobei nämlich sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung eine Niederspannung sind, wie z. B. ein 48-V-HEV-System. Hier war zunächst keine Isolation in jedem der ersten DC/DC-Wandler notwendig und die Masse an der DC-Eingangsseite und die Masse an der DC-Ausgangsseite weisen ein gleiches Referenzpotenzial auf, das mit einem Fahrzeugfahrgestell verbunden ist. In jüngster Zeit wird eine dortige Isolation jedoch notwendig, um EMV-, Kurzschluss- und anderen Fail-Safe-Gestaltungsproblemen entgegenzuwirken. 9 ist als das gleiche Systemkonzept wie 2 erstellt, und dieser vollständig durch eine Niederspannung (niedriger als 60 V) gespeiste Fall lässt sich auch auf die 3, 4, 5 und 6 ausweiten.
  • Gegebenenfalls ist eine Hilfsbatterie 4 in dem Leistungsverteilungssystem enthalten. Fachleuten ist jedoch klar, dass die Hilfsbatterie 4 nicht notwendig sein muss. Wie in 9 gezeigt, ist die Hilfsbatterie 4 mit der ersten Last mit hoher Priorität (wie z. B. einem Starter) gekoppelt, um eine Leistungsversorgung bereitzustellen, falls die Last bei geringer Temperatur nicht durch die Hochspannungsbatterie gespeist werden kann.
  • Der erste DC/DC-Wandler und der zweite DC/DC-Wandler, die oben erwähnt wurden, können sowohl eine bidirektionale Leistungsumwandlung als auch eine Leistungsumwandlung in einer Richtung (von Hochspannungsseite zu Niederspannungsseite) bereitstellen.
  • Somit ist, obgleich die Erfindung mit Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, die Beschreibung für die Erfindung veranschaulichend und nicht als die Erfindung beschränkend aufzufassen. Fachleuten können verschiedene Modifikationen und Anwendungen in den Sinn kommen, ohne vom wahren Wesen und Schutzumfang der Erfindung gemäß der Definition durch die angehängten Ansprüche abzuweichen.

Claims (12)

  1. Leistungsverteilungssystem, das eine erste Batterie und mehrere erste Lasten umfasst, wobei das Leistungsverteilungssystem ferner mehrere erste DC/DC-Wandler umfasst, die jeweils mit den mehreren ersten Lasten gekoppelt sind, wobei jeder der ersten DC/DC-Wandler eine erste Spannung von der ersten Batterie in eine andere zweite Spannung umwandelt, wodurch die entsprechende erste Last mit Leistung versorgt wird.
  2. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Spannung eine Hochspannung ist und die zweite Spannung eine Niederspannung ist.
  3. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei der DC-Eingang und der DC-Ausgang jedes der ersten DC/DC-Wandler elektrisch isoliert sind.
  4. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei die Masse des DC-Ausgangs jedes der ersten DC/DC-Wandler mit einem Fahrzeugfahrgestell verbunden ist.
  5. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung Hochspannungen sind.
  6. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 5, wobei für jeden der ersten DC/DC-Wandler die Masse an der DC-Eingangsseite und die Masse an der DC-Ausgangsseite ein gleiches Referenzpotenzial aufweisen.
  7. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 5, wobei für jeden der ersten DC/DC-Wandler das Referenzpotenzial der Masse an der DC-Ausgangsseite von dem der Masse an der DC-Eingangsseite verschieden ist.
  8. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei sowohl die erste Spannung als auch die zweite Spannung Niederspannungen sind.
  9. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei das Leistungsverteilungssystem ferner einen zweiten DC/DC-Wandler umfasst, dessen Eingang mit der ersten Batterie gekoppelt ist und dessen Ausgang mit mindestens einer ersten Last gekoppelt ist.
  10. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 9, wobei das Leistungsverteilungssystem ferner mindestens eine mit dem zweiten DC/DC-Wandler gekoppelte zweite Last umfasst.
  11. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, wobei das Leistungsverteilungssystem ferner eine mit mindestens einer ersten Last gekoppelte Hilfsbatterie umfasst.
  12. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 11, wobei das Leistungsverteilungssystem ferner mindestens eine mit der Hilfsbatterie gekoppelte zweite Masse umfasst.
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