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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie. Die Hochvoltbatterie weist zwei Batteriestränge auf.
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Kraftfahrzeuge, wie Personenkraftwagen, weisen für den Vortrieb einen Hauptantrieb auf, wobei der Hauptantrieb in zunehmendem Maße einen Elektromotor umfasst. Hierbei wird beispielsweise lediglich einer oder mehrere Elektromotoren für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs herangezogen, sodass das Kraftfahrzeug als Elektrofahrzeug ausgestaltet ist. In einer Alternative hierzu umfasst das Kraftfahrzeug zusätzlich noch einen Verbrennungsmotor.
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Für die Bestromung des Elektromotors wird üblicherweise eine Hochvoltbatterie herangezogen. Die Hochvoltbatterie selbst weist mehrere Batteriemodule auf, die meist zueinander baugleich sind. Jedes der Batteriemodule weist wiederum mehrere einzelne Batteriezellen auf, von denen einige elektrisch in Reihe und einige elektrisch parallelgeschaltet sind. Somit wird mittels jedes der Batteriemodule eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, die ein Einfaches oder Vielfaches einer der Batteriezellen ist.
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Zum Laden der Hochvoltbatterie wird üblicherweise eine Ladesäule herangezogen. Mittels dieser wird üblicherweise eine elektrische Gleichspannung bereitgestellt, üblicherweise 400 V. Damit eine Ladedauer auch bei einer vergleichsweise großen Kapazität der Hochvoltbatterie vergleichsweise gering ist, ist es erforderlich, dass ein vergleichsweiser großer elektrischer Strom von der Ladesäule in das Kraftfahrzeug eingespeist wird. Infolgedessen ist es erforderlich, die einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugs auf den vergleichsweisen großen elektrischen Strom abzustimmen, insbesondere einen Leitungsquerschnitt zu erhöhen, damit elektrische Verluste nicht übermäßig sind. Dies erhöht das Gewicht des Kraftfahrzeugs sowie die Herstellungskosten. Alternativ hierzu wird ist es möglich, die mittels der Ladesäule bereitgestellte elektrische Spannung zu erhöhen, und somit die Ladedauer zu verkürzen. Hierbei ist es jedoch erforderlich, die einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugs, insbesondere dessen Bordnetzes, auf die erhöhte elektrische Spannung anzupassen, was ebenfalls zu erhöhten Herstellungskosten führt.
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In
DE 10 2017 218 067 A1 ist ein Speichersystem zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für ein Antriebssystem eines Fahrzeugs beschrieben. Das Speichersystem umfasst ein erstes und ein zweites Speichermodul zur Speicherung von elektrischer Energie. Des Weiteren umfasst das Speichersystem eine Schalteinheit, die eingerichtet ist, das erste Speichermodul und das zweite Speichermodul für einen Ladevorgang in Serie zu schalten und für den Antrieb des Fahrzeugs parallel zu schalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie anzugeben, wobei vorteilhafterweise Herstellungskosten reduziert und/oder eine Ladedauer verringert ist.
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Hinsichtlich des Kraftfahrzeugs wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Das Kraftfahrzeug ist bevorzugt landgebunden und weist vorzugsweise eine Anzahl an Rädern auf, von denen zumindest eines, vorzugsweise mehrere oder alle, mittels eines Hauptantriebs angetrieben sind. Zum Beispiel ist der Hauptantrieb vollständig elektrisch ausgestaltet, und das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Elektrofahrzeug. In einer Alternative weist der Antrieb zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, sodass das Kraftfahrzeug als Hybrid-Kraftfahrzeug ausgestaltet ist. Geeigneterweise ist eines, vorzugsweise mehrere, der Räder steuerbar ausgestaltet. Somit ist es möglich, das Kraftfahrzeug unabhängig von einer bestimmten Fahrbahn, beispielsweise Schienen oder dergleichen, zu bewegen. Dabei ist es zweckmäßigerweise möglich, das Kraftfahrzeug im Wesentlichen beliebig auf einer Fahrbahn zu positionieren, die insbesondere aus einem Asphalt, einem Teer oder Beton gefertigt ist. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise ein Nutzkraftwagen, wie ein Lastkraftwagen (Lkw) oder ein Bus. Besonders bevorzugt jedoch ist das Kraftfahrzeug ein Personenkraftwagen (Pkw).
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Das Kraftfahrzeug umfasst eine Hochvoltbatterie, die ein elektrischer Energiespeicher ist. Die Hochvoltbatterie umfasst einen Stromanschluss, der dem elektrischen Anschluss der Hochvoltbatterie an weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs dient. Hierfür ist der Stromanschluss vorgesehen und eingerichtet. Insbesondere weist der Stromanschluss zwei einzelne Pole auf, wobei zwischen diesen bei Betrieb eine bestimmte elektrische Gleichspannung anliegt. Insbesondere erfolgt ein Einspeisen von elektrischer Energie in die Hochvoltbatterie sowie eine Abgabe von elektrischer Energie jeweils über den Stromanschluss.
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Die Hochvoltbatterie umfasst ferner zwei Batteriestränge. Jeder der Batteriestränge umfasst beispielsweise eine oder mehrere Batteriezellen und ist zum Beispiel daraus gebildet. Besonders bevorzugt umfasst jeder Batteriestrang eines oder mehrerer Batteriemodule, die jeweils mehrere Batteriezellen umfassen. Hierbei sind die Batteriezellen jedes Batteriemoduls elektrisch in Reihe und/oder parallelgeschaltet, sodass mittels jedes Batteriemoduls eine bestimmte elektrische Gleichspannung bereitgestellt ist. Zum Beispiel sind die Batteriemodule zueinander baugleich, was Herstellungskosten reduziert. Die Batteriemodule der Batteriestränge sind zweckmäßigerweise elektrisch in Reihe geschaltet, sodass mittels jedes Batteriestrangs das Vielfache der elektrischen Spannung bereitgestellt wird, die mittels jedes der Batteriemodule bereitgestellt ist. Alternativ oder in Kombination hierzu ist zumindest ein Teil der Batteriemodule jedes Batteriestrangs elektrisch parallelgeschaltet. Insbesondere ist jeder der Batteriestränge mittels der entsprechenden Batteriemodule gebildet. Vorzugsweise sind die beiden Batteriestränge zueinander baugleich.
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Die Hochvoltbatterie umfasst ferner eine Verschaltungseinheit die mehrere Schalter umfasst. Die Verschaltungseinheit dient hierbei der Verschaltung der Batteriestränge sowie der elektrischen Kontaktierung der Batteriestränge mit dem Stromanschluss. Hierbei ist die Anordnung der Schalter derart, dass, je nach Einstellung der Schalter, die Batteriestränge zwischen dem Stromanschluss elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe geschaltet sind. Mit anderen Worten ist es möglich mittels Betätigung der Verschaltungseinheit, insbesondere mittels eines, mehrerer oder aller Schalter der Verschaltungseinheit, die Batteriestränge elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe zu schalten. Infolgedessen ist die an dem Stromanschluss anliegende elektrische Spannung, insbesondere elektrische Gleichspannung, gleich der elektrischen Spannung, die mittels eines der Batteriestränge bereitgestellt ist, oder dem Doppelten hiervon, insbesondere sofern die beiden Batteriestränge zueinander baugleich sind. Zusammenfassend ist die an dem Stromanschluss anliegende elektrische Spannung abhängig von der Einstellung/Betätigung der Verschaltungseinheit, und es möglich, die mittels der Hochvoltbatterie bereitgestellte oder zumindest die an dem Stromanschluss anliegende elektrische Spannung einzustellen. Insbesondere ist die an dem Stromanschluss anliegende elektrische Spannung entweder 400 V oder 800 V, je nach Einstellung der Verschaltungseinheit.
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Insbesondere weist jeder der Batteriestränge jeweils zwei Anschlüsse auf, jeweils einer der Anschlüsse der Batteriestränge über jeweils einen der Schalter der Verschaltungseinheit mit einem etwaigen Pol des Stromanschluss elektrisch kontaktiert ist. Die verbleibenden Anschlüsse sind mittels eines weiteren der Schalter der Verschaltungseinheit miteinander elektrisch kontaktiert. Zudem sind diese Anschlüsse jeweils über einen weiteren Schalter der Verschaltungseinheit mit dem jeweils anderen Pol des Stromanschluss elektrisch kontaktiert. Somit ist mittels der Schalter die Reihenschaltung oder Parallelschaltung realisierbar.
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Aufgrund der Verschaltungseinheit ist es somit möglich, mittels der Hochvoltbatterie entweder eine vergleichsweise geringe elektrische Gleichspannung abzugeben, wobei hierbei eine Kapazität der Hochvoltbatterie erhöht ist. Bei der anderen Einstellung der Verschaltungseinheit hingegen ist die an dem Stromanschluss anliegende elektrische Spannung erhöht, wohingegen die Kapazität verringert ist. Somit ist es beispielsweise möglich, kurzzeitig eine vergleichsweise hohe Energiemenge mittels der Hochvoltbatterie abzugeben, wobei der abgegebene elektrische Strom nicht übermäßig erhöht ist. Infolgedessen ist ein erhöhter Leitungsquerschnitt nicht erforderlich, sodass Herstellungskosten des Kraftfahrzeugs und ein Gewicht des Kraftfahrzeugs nicht erhöht sind. Zusammenfassend ist es möglich, kurzzeitig einen erhöhten Energiebedarf des Kraftfahrzeugs mittels der Hochvoltbatterie abzudecken, ohne dass eine übermäßige Anpassung des Kraftfahrzeugs erforderlich ist.
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Auch ist es beispielsweise möglich, das Kraftfahrzeug mit einer vergleichsweise hohen elektrischen Spannung zu laden, nämlich dann, wenn die beiden Batteriestränge elektrisch in Reihe geschaltet sind. Somit ist es möglich, eine Ladedauer der Hochvoltbatterie zu verkürzen. Bei Betrieb des Kraftfahrzeugs hingegen werden beispielsweise die Schalter derart betätigt, dass die Batteriestränge elektrisch parallelgeschaltet sind.
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Zusammenfassend ist es möglich, bei Betrieb des Kraftfahrzeugs die Hochvoltbatterie mit einer elektrischen Spannung zu betreiben, die von der elektrischen Spannung abweicht, die zum Laden der Hochvoltbatterie verwendet wird. Somit ist es möglich, jeden dieser Vorgänge unabhängig voneinander zu optimieren. Ferner ist es möglich, die Hochvoltbatterie bei unterschiedlichen Kraftfahrzeugtypen zu verwenden, die mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden. Hierbei ist lediglich ein Anpassen der Verschaltungseinheit erforderlich. Folglich ist es möglich, Gleichteile zu verwenden, was Herstellungskosten reduziert. Mittels der Verschaltungseinheit ist es somit insbesondere möglich die Spannungslage an dem Stromanschluss zu variieren.
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Beispielsweise sind die Schalter und daher die Verschaltungseinheit manuell betätigt, wobei dies beispielsweise bei Fertigung der Hochvoltbatterie oder in einer Werkstatt erfolgt. Besonders bevorzugt jedoch sind die Schalter elektrisch betätigt, insbesondere in Abhängigkeit von extern bereitgestellten Signalen, insbesondere einer angelegten elektrische Spannung an den Schalter. Somit ist ein Anpassen der Hochvoltbatterie auf aktuelle Anforderungen verbessert. Die Schalter sind beispielsweise mechanische Schalter, beispielsweise Relais. Besonders bevorzugt jedoch sind die Schalter Halbleiterschalter, zweckmäßigerweise Leistungshalbleiterschaltern, wie Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET, IGBTs oder GTOs. Somit ist ein Ausbilden von Lichtbögen vermieden.
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Zum Beispiel umfasst die Hochvoltbatterie genau zwei Batteriestränge. Alternativ umfasst die Hochvoltbatterie mehrere derartige Batteriestränge, wobei die Verschaltungseinheit auf die Anzahl der Batteriestränge angepasst ist. Hierbei ist es insbesondere möglich, mittels der Verschaltungseinheit sämtliche Batteriestränge elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe zu schalten. Zumindest jedoch ist es möglich, einen Teil der Batteriestränge elektrisch in Reihe und einen Teil der Batteriestränge elektrisch parallel zu schalten. Somit ist eine Flexibilität weiter erhöht. Zum Beispiel ist die Anzahl der Batteriestränge gleich drei, vier, fünf, sechs oder mehr. Geeigneterweise ist die Anzahl der Batteriestränge ein Vielfaches von zwei.
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Geeigneterweise ist die Hochvoltbatterie ein Bestandteil eines Hochvoltbatteriesystems, das zusätzlich eine Anschlusseinheit umfasst. Die Anschlusseinheit ist zweckmäßigerweise mit dem Stromanschluss elektrisch kontaktiert, und das Hochvoltbatteriesystem ist vorzugsweise als eine gemeinsame Baueinheit ausgestaltet. Mittels der Anschlusseinheit sind vorzugsweise mehrere Anschlüsse bereitgestellt, sodass ein Anschluss an das Kraftfahrzeug vereinfacht ist. Vorzugsweise umfasst die Anschlusseinheit eine oder mehrere Schutzeinrichtungen, wie beispielsweise Schutzschalter oder Sicherungen. Infolgedessen ist eine Sicherheit erhöht. Vorzugsweise umfasst die Anschlusseinheit einen Anschluss zur Vorladung von bestimmten Komponenten des Kraftfahrzeugs. Hierbei ist eine maximal über den Anschluss abgegebene elektrische Leistung begrenzt, sodass eine Überlastung der Hochvoltbatterie und der bestimmten Komponenten vermieden ist.
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Vorzugsweise umfasst das Kraftfahrzeug einen Ladeanschluss. Insbesondere ist der Ladeanschluss in eine Karosserie des Kraftfahrzeugs eingebracht und beispielsweise mittels eines schwenkbaren Deckels verschlossen. Der Ladeanschluss dient dem Anschluss an eine externe Ladeinfrastruktur und ist hierfür geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Hierfür weist der Ladeanschluss beispielsweise mehrere Kontakte auf, zweckmäßigerweise zumindest zwei. Hierbei ist insbesondere jedem der Kontakte jeweils einer der etwaigen Pole der Hochvoltbatterie zugeordnet. Der Ladeanschluss ist elektrisch mit der Hochvoltbatterie kontaktiert, sodass ein elektrischer Stromfluss zwischen dem Ladeanschluss und der Hochvoltbatterie zumindest teilweise möglich ist. Beispielsweise ist der Ladeanschluss direkt mit der Hochvoltbatterie kontaktiert oder über die etwaige Anschlusseinheit. Bei Betrieb liegt dabei an dem Ladeanschluss zweckmäßigerweise lediglich eine elektrische Gleichspannung an. Hierfür ist der Ladeanschluss geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Beispielsweise ist der Ladeanschluss nach Art eines Steckers ausgestaltet oder weist ein Kabel auf. Zweckmäßigerweise erfüllt der Ladeanschluss einen bestimmten Standard, beispielsweise den des Typ 1 oder 2. Insbesondere weist der Ladeanschluss eine Verriegelung auf, sodass ein Anschluss eines Kabels an dem Ladeanschluss möglich ist, wobei aufgrund der Verriegelung ein ungewolltes Ablösen vermieden ist. Aufgrund des Ladeanschlusses ist es somit möglich, die Hochvoltbatterie von außerhalb des Kraftfahrzeugs zu laden.
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Insbesondere umfasst das Kraftfahrzeug eine Steuereinheit, die beispielsweise ein Bestandteil der Hochvoltbatterie oder hiervon separat ist. Mittels der Steuereinheit ist die Verschaltungseinheit eingestellt und somit betätigt. Hierfür ist die Steuereinheit geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet. Die Steuereinheit ist beispielsweise ein anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) oder umfasst diesen. Alternativ hierzu umfasst der Steuereinheit beispielsweise einen Mikroprozessor. Die Steuereinheit stellt die Verschaltungseinheit in Abhängigkeit einer an dem Ladeanschluss anliegenden elektrischen Spannung ein. Die Steuereinheit ist somit entsprechend betrieben. Mit anderen Worten wird mittels der Steuereinheit ein Verfahren durchgeführt, bei dem die Verschaltungseinheit in Abhängigkeit der an dem Ladeanschluss anliegenden elektrischen Spannung eingestellt wird. Insbesondere ist dabei an den Ladeanschluss lediglich eine elektrische Gleichspannung anlegbar. Somit wird mittels der Steuereinheit die Verschaltungseinheit in Abhängigkeit der Höhe der an dem Ladeanschluss anliegenden elektrischen Spannung eingestellt, also insbesondere der Wert der elektrischen Gleichspannung.
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Zweckmäßigerweise sind die Batteriestränge mittels der Verschaltungseinheit zueinander parallelgeschaltet, falls die an dem Ladeanschluss anliegende elektrische Spannung unterhalb eines Grenzwerts oder gleich einem bestimmten Wert ist. Insbesondere erfolgt die Parallelschaltung, wenn an dem Ladeanschluss eine elektrische Spannung zwischen 350 V und 450 V und beispielsweise von im Wesentlichen 400 V anliegt. Dahingegen erfolgt eine Einstellung der Verschaltungseinheit derart, dass die Batteriestränge elektrisch in Reihe geschaltet sind, wenn die an dem Ladeanschluss anliegende elektrische Spannung größer als der Grenzwert oder gleich einem weiteren Wert ist. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Reihenschaltung, wenn an dem Ladeanschluss eine elektrische Spannung zwischen 750 V und 850 V und beispielsweise im Wesentlichen 800 V anliegt. Aufgrund der unterschiedlichen Verschaltung ist somit ein Laden der Hochvoltbatterie mit unterschiedlichen elektrischen Spannungen möglich, wobei eine manuelle Einstellung oder ein Umschalten nicht erforderlich ist. Hierbei ist bei einer erhöhten anliegenden elektrischen Spannung eine Ladedauer der Hochvoltbatterie verkürzt.
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Vorzugsweise sind bei Betrieb des Kraftfahrzeugs, also bei sämtlichen Zuständen, außer beim Laden der Hochvoltbatterie, mittels der Verschaltungseinheit die Batteriestränge elektrisch parallelgeschaltet, sodass an dem Stromanschluss die verringerte elektrische Spannung anliegt. Infolgedessen wird mittels des Kraftfahrzeugs lediglich die verringerte elektrische Spannung bei Betrieb geführt, sodass die einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugs kostengünstig ausgestaltet werden können. Zudem ist es möglich, etwaige Gleichtaktentstörkapazitäten/kondensatoren lediglich für die geringere elektrische Spannung vorzusehen, weswegen Herstellungskosten weiter reduziert sind.
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Das Kraftfahrzeug umfasst zweckmäßigerweise den Hauptantrieb, der dem Vortrieb des Kraftfahrzeugs dient. Der Hauptantrieb selbst umfasst zumindest einen Elektromotor, der vorzugsweise bürstenlos ausgestaltet ist. Somit ist das Kraftfahrzeug zumindest teilweise elektrifiziert ausgestaltet und beispielsweise ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Beispielsweise ist jedem der Räder des Kraftfahrzeugs jeweils ein Elektromotor zugeordnet, oder zum Beispiel zwei Räder des Kraftfahrzeugs sind jeweils mittels eines Elektromotors angetrieben. Alternativ hierzu umfasst das Kraftfahrzeug lediglich einen einzigen Elektromotor für den Vortrieb. Insbesondere ist dem/jedem Elektromotor ein Umrichter zugewiesen, mittels dessen ein Betrieb des jeweiligen Elektromotors erfolgt. Der Elektromotor ist mittels eines ersten Hochvoltbordnetzes, auch als Hochvoltnetz bezeichnet, mit der Hochvoltbatterie elektrisch kontaktiert. Geeigneterweise führt das erste Hochvoltbordnetz eine elektrische Spannung von im Wesentlichen 400V. es Insbesondere ist hierbei zwischen den Elektromotor und das erste Hochvoltbordnetz, oder zumindest die Hochvoltbatterie, der etwaige Umrichter geschaltet. Folglich wird der Umrichter mittels der Hochvoltbatterie gespeist, mittels dessen die Bestromung des Elektromotors erfolgt. Insbesondere ist hierbei die Anschlusseinheit vorhanden, die zumindest teilweise das erste Hochvoltbordnetz bildet.
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Vorzugsweise umfasst das erste Hochvoltbordnetz einen Schalter, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Hochvoltbatterie unterbrechbar ist. Zum Beispiel ist der Schalter ein Halbleiterschaler oder umfasst diesen zumindest. Geeigneterweise ist der Schalter als Schütz ausgestaltet und/oder ein Bestandteil der etwaigen Anschlusseinheit. Aufgrund der Ausgestaltung als Schütz ist es möglich, den Elektromotor/Hauptantrieb galvanisch von der Hochvoltbatterie zu trennen, sodass bei einer Änderung der Verschaltung der Batteriestränge eine Rückwirkung auf den Hauptantrieb vermeidbar ist. Insbesondere wird der Schütz betätigt, wenn die Verschaltungseinheit einen bestimmten Schaltzustand aufweist, also wenn die Batteriestränge beispielsweise elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe geschaltet sind. Vorzugsweise wird der Schütz betätigt, wenn die Verschaltungseinheit betätigt ist. Zusammenfassend ist es möglich, den Hauptantrieb lediglich auf eine der Spannungsebenen der Hochvoltbatterie anzupassen und ihn damit zu betrieben. Diese Spannungsebenen ist zweckmäßigerweise die elektrische Spannung, die anliegt, wenn die beiden Batteriestränge elektrisch parallelgeschaltet sind, also die niedrigere elektrische Gleichspannung anliegt. Somit ist es möglich, den Hauptantrieb vergleichsweise kostengünstig zu fertigen. Aufgrund des Trennens, also der Betätigung des Schützes, wird eine Rückwirkung auf den Hauptantrieb vermieden, sodass weitere Sicherheitsmaßnahmen bei dem Hauptantrieb/Elektromotor nicht erforderlich sind und diese somit vergessene kostengünstig gefertigt werden können.
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Insbesondere wird der Schütz betätigt, wenn ein Laden der Hochvoltbatterie erfolgt, beispielsweise stets, oder lediglich dann, wenn eine elektrische Reihenschaltung der Batteriestränge erfolgt. Falls die Hochvoltbatterie geladen wird, ist ein Fortbewegen des Kraftfahrzeugs nicht erforderlich oder möglich. Infolgedessen ist ein elektrisches Trennen des Elektromotors von der Hochvoltbatterie möglich, ohne dass eine Komforteinbuße für einen Nutzer des Kraftfahrzeugs erfolgt. Auch ist es möglich, zum Laden der Hochvoltbatterie einen Arbeitspunkt zu verwenden, der von dem Arbeitspunkt des Betriebs des Hauptantriebs abweicht, sodass diese beiden Vorgänge vergleichsweise effizient ausgestaltet werden können.
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Das Kraftfahrzeug weist zweckmäßigerweise ein erstes Nebenaggregat auf, das mittels der Hochvoltbatterie betrieben ist. Das Kraftfahrzeug umfasst ein zweites Hochvoltbordnetz, wobei das erste Nebenaggregat mittels des zweiten Hochvoltbordnetzes mit der Hochvoltbatterie elektrisch kontaktiert ist. Somit ist auch bei Betätigung des etwaigen Schützes, ein Betrieb des ersten Nebenaggregats möglich. Das zweite Hochvoltbordnetz umfasst einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), der zwischen der Hochvoltbatterie und dem ersten Nebenaggregat angeordnet ist. Infolgedessen ist ein Betrieb des ersten Nebenaggregats stets möglich, unabhängig von der Einstellung der Verschaltungseinheit, wobei mittels des Gleichspannungswandlers insbesondere die unterschiedlichen, an dem Stromausgang anliegenden Niveaus der elektrischen Gleichspannung kompensiert werden. Mit anderen Worten ist ein Betrieb des ersten Nebenaggregats unabhängig von der Einstellung der Verschaltungseinheit möglich. Folglich ist insbesondere auch ein Betrieb des ersten Nebenaggregats möglich, wenn ein Laden der Hochvoltbatterie mit der erhöhten elektrischen Gleichspannung erfolgt. Folglich ist ein Komfort für einen Nutzer erhöht. Zudem ist es aufgrund des Gleichspannungswandlers möglich, als erstes Nebenaggregat ein Nebenaggregat zu verwenden, das lediglich mit einer bestimmten elektrischen Spannung betreibbar ist, sodass dieses vergleichsweise kostengünstig gefertigt werden kann. Auch ist ein Betrieb des ersten Nebenaggregats an dem einem bevorzugten Betriebspunkt/Arbeitspunkt möglich, wobei die Einstellung hiervon mittels des Gleichspannungswandlers erfolgt.
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Geeigneterweise wird der Gleichspannungswandler - aus Sicht der Hochvoltbatterie - als Abwärtswandler betrieben. Somit ist die in dem zweiten Hochvoltbordnetz geführte elektrische Spannung vorzugsweise maximal der an dem Stromausgang anliegenden elektrischen Spannung. Insbesondere wird mittels des zweiten Hochvoltbordnetzes, zumindest elektrisch nach dem Gleichspannungswandler, eine elektrische Spannung von im Wesentlichen 400V geführt, oder zumindest die gleiche, wie mit dem etwaigen ersten Hochvoltbordnetz. Geeigneterweise ist es auch möglich, den Gleichspannungswandler - aus Sicht des ersten Nebenaggregats - als Hochsetzsteller zu betreiben, sodass ein Rückspeisen von elektrischer Energie aus dem zweiten Hochvoltbordnetz ermöglicht ist. Vorzugsweise umfasst hierbei das Kraftfahrzeug einen Wechselstromanschluss, der mit dem zweiten Hochvoltbordnetz verbunden ist, insbesondere über einen Gleichrichter. Folglich ist auch ein Laden des Kraftfahrzeugs mittels Wechselstroms möglich. Vorzugsweise wird die über den Wechselstromanschluss geführte, gleichgerichtete Spannung mittels des Gleichspannungswandlers erhöht, sodass ein effizientes Laden der Hochvoltbatterie erfolgen kann.
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Zum Beispiel wird der Gleichspannungswandler lediglich dann betrieben, wenn die Batteriestränge elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wenn die Batteriestränge elektrisch parallelgeschaltet sind, wird der Gleichspannungswandler nicht betrieben, sodass an dem ersten Nebenaggregat die gleiche elektrische Spannung anliegt, die auch an dem Stromanschluss anliegt. Folglich sind elektrische Verluste reduziert. Alternativ hierzu wird der Gleichspannungswandler stets betrieben, sodass mittels dessen eine Stabilisierung der in dem zweiten Hochvoltbordnetz geführten elektrischen Gleichspannung erfolgt. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, dass dies durch das erste Nebenaggregat erfolgt, weswegen Herstellungskosten reduziert sind. Beispielsweise ist das erste Nebenaggregat ein Wasserheizen, ein Klimakompressor, oder ein Luftheizer. Zum Beispiel wird ein derartiger Heizer zur Erwärmung einer Fensterscheibe herangezogen. Vorzugsweise umfasst das Kraftfahrzeug mehrere derartige erste Nebenaggregate, die jeweils zueinander elektrisch parallelgeschaltet sind, und somit jeweils über den Gleichspannungswandler mit der Hochvoltbatterie elektrisch kontaktiert sind.
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Beispielsweise ist der Gleichspannungswandler galvanisch nicht trennend ausgestaltet. Infolgedessen ist es möglich, einen vergleichsweise kostengünstigen Gleichspannungswandler zu verwenden. Insbesondere ist hierbei der Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller, wie zum Beispiel als Buck-Converter, ausgestaltet. Besonders bevorzugt jedoch ist der Gleichspannungswandler galvanisch trennend ausgestaltet und beispielsweise ein Schaltnetzteil oder umfasst zumindest dieses. Aufgrund der galvanischen Trennung ist eine Sicherheit erhöht, und es ist nicht erforderlich, beim ersten Nebenaggregat eine galvanische Trennung vorzusehen, weswegen dieses vergleichsweise kostengünstig gefertigt werden kann.
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Insbesondere umfasst das Kraftfahrzeug ein zweites Nebenaggregat, das mit einem Niedervoltbordnetz verbunden ist. Mittels des Niedervoltbordnetzes wird bei Betrieb eine elektrische Gleichspannung geführt, die insbesondere geringer als 100 V und beispielsweise gleich 12 V, 24 V, oder 48 V ist. Beispielsweise ist das Niedervoltbordnetz mittels einer separaten Batterie gespeist. Besonders bevorzugt jedoch ist das Niedervoltbordnetz mittels der Hochvoltbatterie gespeist, sodass keine weiteren Komponenten in dem Kraftfahrzeug erforderlich sind, weswegen kein zusätzliches Gewicht oder zusätzlicher Bauraum erforderlich sind. Das Niedervoltbordnetz umfasst einen zweiten Gleichspannungswandler, also einen DC/DC-Wandler, der vorzugsweise galvanisch trennend ausgestaltet ist. Hierbei wird mittels des zweiten Gleichspannungswandlers die mittels der Hochvoltbatterie bereitgestellte elektrische Gleichspannung auf die elektrische Gleichspannung des Niedervoltbordnetzes abgesenkt. Beispielsweise ist der zweite Gleichspannungswandler direkt mittels der Hochvoltbatterie gespeist, insbesondere mittels der etwaigen Anschlusseinheit. Besonders bevorzugt jedoch ist der zweite Gleichspannungswandler mit dem etwaigen zweites Hochvoltbordnetz gespeist, sodass der zweite Gleichspannungswandler separat von der Hochvoltbatterie angeordnet werden kann. Folglich sind eine Flexibilität und ein modularer Aufbau ermöglicht. Das zweite Nebenaggregat ist beispielsweise eine elektrischer Verstellantrieb, wie zum Beispiel eine elektromotorische Sitzverstellung oder ein Multimediasystem. Vorzugsweise umfasst das Kraftfahrzeug mehrere derartige zweites Nebenaggregate.
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Die Hochvoltbatterie ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und umfasst einen Stromanschluss und zumindest zwei Batteriestränge. Jeder Batteriestränge umfasst zweckmäßigerweise mehrere Batteriemodule, die jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen. Die einzelne Batteriemodule sind jeweils vorzugsweise elektrisch in Reihe zu dem jeweiligen Batteriestränge verschaltet. Die Batteriestränge sind mittels einer Verschaltungseinheit zwischen den Stromanschluss geschaltet, sodass der Stromanschluss mittels der beiden Batteriestränge gespeist wird. Folglich ist ein Einspeisen von elektrischer Energie in die Hochvoltbatterie über den Stromanschluss und somit in die Batteriestränge und umgekehrt möglich. Mittels der Verschaltungseinheit sind die Batteriestränge zwischen dem Stromanschluss geschaltet, wobei die Verschaltungseinheit mehrere Schalter aufweist. Je nach Einstellung der Schalter sind die Batteriestränge elektrisch parallel zwischen dem Stromanschluss oder elektrisch in Reihe geschaltet. Folglich ist die an dem Stromanschluss anliegende elektrische Gleichspannung, also die Höhe, abhängig von der Einstellung der Verschaltungseinheit.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Hochvoltbatteriesystem, das eine entsprechende Hochvoltbatterie umfasst. Ferner umfasst das Hochvoltbatteriesystem eine Anschlusseinheit, mittels derer ein oder mehrere Anschlüsse für ein Hochvoltbordnetz und/oder Niedervoltbordnetz bereitgestellt ist. Insbesondere wird mittels der Anschlusseinheit auch ein Anschluss an einen Ladeanschluss bereitgestellt. Die Anschlusseinheit mit der Hochvoltbatterie elektrisch kontaktiert, nämlich dem Stromanschluss, vorzugsweise direkt. Geeigneterweise ist die Anschlusseinheit an der Hochvoltbatterie befestigt, sodass diese als gemeinsame Baueinheit vorliegt.
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Sofern ein Bauteil als erstes, zweites, ... Bauteil bezeichnet wird, ist insbesondere lediglich darunter ein bestimmtes Bauteil zu verstehen. Insbesondere bedeutet dies nicht, dass eine bestimmte Anzahl an derartigen Bauteilen vorhanden ist. So impliziert insbesondere nicht, dass das erste Hochvoltbordnetz vorhanden ist, sofern das zweite Hochvoltbordnetz vorhanden ist.
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Die im Zusammenhang mit dem Kraftfahrzeug erläuterten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf die Hochvoltbatterie/das Hochvoltbatteriesystem sowie untereinander zu übertragen und umgekehrt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug mit einer Hochvoltbatterie,
und
- 2 ein Blockschaltbild des Kraftfahrzeugs.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 in Form eines Personenkraftwagens dargestellt. Das als Elektrofahrzeug ausgestaltete Kraftfahrzeug 2 weist vier Räder 4 auf, die mittels eines Hauptantriebs 6 angetrieben sind. Der Hauptantrieb 6 umfasst zwei Untereinheiten 8, wobei mittels jeder der Untereinheiten 8 jeweils zwei der Räder 4 angetrieben sind. Die Untereinheiten 8 sind jeweils mittels eines Hochvoltbatteriesystems gespeist, das eine Hochvoltbatterie 12 umfasst. Das Kraftfahrzeug 2 weist ferner einen Ladeanschluss 14 auf, der elektrisch mit dem Hochvoltbatteriesystem 10 und der Hochvoltbatterie 12 kontaktiert ist, und der in eine Karosserie 16 des Kraftfahrzeugs 2 eingebracht ist. Mittels des Ladeanschlusses 14 ist es hierbei möglich, elektrische Energie von außerhalb des Kraftfahrzeugs 2 in die Hochvoltbatterie 12 einzuspeisen.
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In 2 ist das Kraftfahrzeug 2 schematisch vereinfacht als Blockschaltbild ausschnittsweise gezeigt. Das Hochvoltbatteriesystem 10 weist die Hochvoltbatterie 12 auf, die einen Stromanschluss 18 umfasst. An dem Stromanschluss 18 ist eine Anschlusseinheit 20 des Hochvoltbatteriesystems 10 angeschlossen, mittels dessen teilweise ein erstes Hochvoltbordnetz 22 gebildet ist. Mittels des ersten Hochvoltbordnetzes 22 erfolgt eine Bestromung des Hauptantriebs 6 und somit der beiden Untereinheiten 8, die jeweils einen Elektromotor 24 und einen Umrichter 26 aufweisen. Die Elektromotoren 24 sind bürstenlos ausgestaltet und mittels des jeweils zugeordneten Umrichters 26 betrieben, der jeweils wiederum mittels des ersten Hochvoltbordnetzes 22 gespeist ist. Das erste Hochvoltbordnetz 22 umfasst zwei Schütze 28, mittels derer es möglich ist, die beiden Untereinheiten 8 galvanisch von dem Stromanschluss 18 zu trennen. Zusammenfassend sind die Elektromotoren 24 mittels des ersten Hochvoltbordnetzes 22 mit der Hochvoltbatterie 12 elektrisch kontaktiert, wobei das erste Hochvoltbordnetz 22 die zwei Schütze 28 aufweist, die ein Bestandteil der Anschlusseinheit 20 sind.
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Ferner ist mittels der Anschlusseinheit 20 ein Gleichspannungswandler 30 eines zweiten Hochvoltbordnetzes 32 elektrisch mit dem Stromanschluss 18 kontaktiert, sodass der Gleichspannungswandler 30 mittels der Hochvoltbatterie 12 gespeist werden kann. Der Gleichspannungswandler 30 ist galvanisch trennend ausgestaltet und umfasst ein nicht näher dargestelltes Schaltnetzteil. Dem Spannungswandler 30 ist ein Gleichrichter 34 nachgeschaltet, der mit einem Wechselstromanschluss 36 elektrisch kontaktiert ist, der ein Bestandteil des Ladeanschlusses 14 oder ein hiervon separates Bauteil ist. Der Gleichspannungswandler 30 sowie der Gleichrichter 34 sind hierbei als gemeinsame Baueinheit realisiert. In einer nicht dargestellten Variante sind der Gleichspannungswandler 30 und der Gleichrichter 34 zwei zueinander separate Bauteile.
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Mit dem zweiten Hochvoltbordnetz 32 sind zwei erste Nebenaggregate 38 elektrisch verbunden und somit auch elektrisch mit der Hochvoltbatterie 12 kontaktiert und folglich mittels dieser gespeist. Eines der ersten Nebenaggregate 38 ist ein elektrischer Klimakompressor und das Andere ein Wasserheizer. Ferner ist mittels des zweiten Hochvoltbordnetzes 32 ein zweiter Gleichspannungswandler 40 verbunden, der über das zweiten Hochvoltbordnetzes 32 mittels der Hochvoltbatterie 12 gespeist ist. Mit dem 2 zweiter Gleichspannungswandler 40 ist ein Niedervoltbordnetz 42 gespeist, mit dem ein zweites Nebenaggregat 44 sowie weitere, nicht näher dargestellte zweite Nebenaggregate betrieben werden. Ein derartiges zweites Nebenaggregat 44 ist beispielsweise eine elektromotorische Sitzverstellung. Zusammenfassend ist das zweite Nebenaggregat 44 mittels des Niedervoltbordnetzes 42 mit dem zweiten Gleichspannungswandler 40 verbunden, der wiederum mittels der Hochvoltbatterie 12 gespeist ist.
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Über die Anschlusseinheit 20 ist ferner der Ladeanschluss 14 elektrisch mit dem Stromanschluss 18 kontaktiert, wobei zwischen diesen eine Sicherung 46 sowie zwei Schutzschalter 48 angeordnet sind. Ferner umfasst die Anschlusseinheit 20 einen Anschluss 50, der ebenfalls mit dem Stromanschluss 18 elektrisch kontaktiert ist. Der Anschluss 50 dient der Vorladung bestimmter Komponenten des Kraftfahrzeugs 2, und ein maximal über den Anschluss 50 geführte elektrische Energie ist begrenzt.
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Die Hochvoltbatterie 12 selbst umfasst zwei Batteriestränge 52, die zueinander baugleich sind, und die mehreren Batteriemodule 54 aufweisen, von denen hier jeweils vier dargestellt sind. An jedem der Batteriestränge 52 liegt dabei eine elektrische Gleichspannung von 400 V an. Die Batteriemodule 54 jedes Batteriestrangs 52 sind elektrisch in Reihe geschaltet und zueinander jeweils baugleich. Jedes der Batteriemodule 54 umfasst mehrere Batteriezellen 56, die elektrisch parallel und elektrisch in Reihe zu dem jeweiligen Batteriemodul 54 verschalten sind.
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Zudem umfasst die Hochvoltbatterie 12 eine Verschaltungseinheit 58, die mehrere Schalter 60 umfasst, von denen hier fünf dargestellt sind. Mittels der Schalter 60 ist es möglich, die beiden Batteriestränge 52 elektrisch parallel oder elektrisch in Reihe zwischen den Stromanschluss 18 zu schalten, insbesondere zwischen die beiden Polen des Stromanschlusses 18. Hierfür weist jeder der Batteriestränge 52 ebenfalls zwei Pole auf, zwischen denen bei Betrieb eine elektrische Spannung anliegt, nämlich die 400 V. Mittels einiger der Schalter 60 ist jeder der Pole jedes Batteriestrangs 52 gegen jeweils einen der Pole des Stromanschlusses 18 geführt, sodass, wenn diese Schalter 60 betätigt, also stromleitend, sind, die beiden Batteriestränge 52 zueinander parallel geschaltet sind. Folglich liegt auch an dem Stromanschluss 18 in diesem Fall findet Volt an.
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Ferner sind zwei der Pole der Batteriestränge 52 elektrisch über einen der Schalter 60 der Verschaltungseinheit 58 direkt miteinander elektrisch kontaktiert, und die verbleibenden Pole der beiden Batteriestränge 52 sind jeweils mit einem der Pole des Stromanschlusses 60 mittels eines der Schalter 60 kontaktiert. Bei Betätigung dieser Schalter 60 erfolgt eine Reihenschaltung der beiden Batteriestränge 52 zwischen dem Stromanschluss 18, sodass an diesem 800 v anliegt.
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Die Schalter 60 sind als Halbleiterschalter, wie MOSFET, ausgestaltet und mittels einer Steuereinheit 62 betätigt, sodass die Verschaltungseinheit 58 mittels der Steuereinheiten 62 betätigt ist. Hierbei werden mittels der Steuereinheit 62 die Schalter 60 und/oder die Verschaltungseinheit 58 in Abhängigkeit einer an dem Ladeanschluss 14 anliegenden elektrischen Spannung eingestellt. Falls an dem Ladeanschluss 14 keine elektrische Spannung anliegt, wird das Kraftfahrzeug 2 nicht über den Ladeanschluss 14 geladen, und die Schalter 60 sind derart betätigt, dass die beiden Batteriestränge 52 elektrisch parallel geschaltet sind. Somit liegt an dem Stromanschluss 18 eine elektrische Gleichspannung von 400 V an, mittels derer der Hauptantrieb 6 betrieben werden kann. Die Schütze 58 sind mittels der Steuereinheit 62 geschlossen. Auch wird über den Gleichspannungswandler 30 das zweite Hochvoltbordnetz 32 und über den zweiten Gleichspannungswandler 40 das Niedervoltbordnetz 42 gespeist, sodass ein Betrieb der ersten Nebenaggregate 38 sowie der zweiten Nebenaggregate 44 möglich ist. Hierbei wird in dem zweiten Hochvoltnetz 32 ebenfalls die elektrische Gleichspannung von 400 V und mit dem Niedervoltbordnetz 42 eine elektrische Gleichspannung von 48 V geführt.
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Falls ein Laden des Kraftfahrzeugs 14 erfolgt, wird mittels der Steuereinheit 62 überprüft, wie hoch die an dem Ladeanschluss 14 anliegende elektrische Spannung ist. Wenn diese ebenfalls 400 V beträgt, wird der Schaltzustand der Schalter 60 nicht verändert, sodass ein Laden der Batteriestränge 52 jeweils erfolgt. Hierbei ist es möglich, die Schütze 28 zu betätigen, sodass der Hauptantrieb 6 nicht bestromt werden kann und etwaige Stromspitzen zu keiner Beschädigung der jeweiligen Untereinheiten 8 führen. Aufgrund der galvanischen Trennung mittels des Gleichspannungswandlers 30 führen derartige Spannungsspitze zu keiner Beschädigung oder Unsicherheiten bei den ersten Nebenaggregaten 38 und den zweiten Nebenaggregaten 44. falls die Stromspitzen übermäßig sind, werden die Schutzschalters 48 oder die Sicherung 46 betätigt, sodass eine Beschädigung vermieden wird.
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Falls an dem Ladeanschluss 14 hingegen eine erhöhte Spannung von 800 V anliegt, werden mittels der Steuereinheit 62 die Schalter 60 derart betätigt, dass die beiden Batteriestränge 52 elektrisch in Reihe geschaltet sind, sodass an dem Stromanschluss 18 ebenfalls eine elektrische Spannung von im Wesentlichen 800 V anliegt. Ferner werden die beiden Schütze 28 betätigt, sodass an dem Hauptantrieb 6 nicht die elektrische Spannung von 800 V anliegt und folglich die Hauptantrieb 6 nicht auf die Möglichkeit einer elektrischen Spannung von 800 V angepasst werden muss. Somit ist es nicht erforderlich, die Untereinheiten 8, wie den Elektromotor 24 und/oder ein Umrichter 26m entsprechend zu dimensionieren, weswegen vergleichsweise kostengünstige Bauteile verwendet werden können. Nachfolgend werden die beiden Schutzschalters 48 geschlossen, sodass ein Einspeisen von elektrischer Energie in die Batteriestränge 52 erfolgt. Aufgrund der erhöhten elektrischen Spannung ist hierbei eine Ladedauer vergleichsweise gering. Währenddessen wird der Gleichspannungswandler 30 derart betrieben, dass die elektrische Gleichspannung von 800 V, mittels derer dieser gespeist wird, auf 400 V reduziert wird. Somit führt das zweite Hochvoltbordnetz 32 weiterhin im Wesentlichen 400 V führt, zumindest elektrisch nach dem Gleichspannungswandler 30. Folglich ist auch ein ungestörter Betrieb der ersten Nebenaggregate 38 sowie des zweiten Gleichspannungswandlers 40 möglich, ohne dass es erforderlich ist, diese auf die erhöhte elektrische Gleichspannung am Stromanschluss 18 anzupassen. Aufgrund der galvanischen Trennung ist hierbei zudem eine Sicherheit gegeben. Zusammenfassend ist ein Nutzen der ersten Nebenaggregate 38 sowie der zweiten Nebenaggregate 44 durch einen Nutzer möglich, wenn das Kraftfahrzeug 2 geladen wird. Ein Nutzen des Hauptantriebs 6 hingegen ist nicht möglich, wobei dies auch während des Ladens nicht erforderlich ist.
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Falls ein Laden mit Wechselstrom erfolgen soll, wird der Gleichrichter 34 über den Wechselstromanschluss 36 gespeist, und die auf diese Weise bereitgestellte elektrische Spannung wird mittels des Gleichspannungswandlers 30 auf einen gewünschten Wert erhöht, nämlich 400 V, sodass ein Einspeisen in die Batteriestränge 52 über den Stromanschluss 18 möglich ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Rad
- 6
- Hauptantrieb
- 8
- Untereinheit
- 10
- Hochvoltbatteriesystem
- 12
- Hochvoltbatterie
- 14
- Ladeanschluss
- 16
- Karosserie
- 18
- Stromanschluss
- 20
- Anschlusseinheit
- 22
- erstes Hochvoltbordnetz
- 24
- Elektromotor
- 26
- Umrichter
- 28
- Schütz
- 30
- Gleichspannungswandler
- 32
- zweites Hochvoltbordnetz
- 34
- Gleichrichter
- 36
- Wechselstromanschluss
- 38
- erstes Nebenaggregat
- 40
- zweiter Gleichspannungswandler
- 42
- Niedervoltbordnetz
- 44
- zweites Nebenaggregat
- 46
- Sicherung
- 48
- Schutzschalter
- 50
- Anschluss
- 52
- Batteriestrang
- 54
- Batteriemodul
- 56
- Batteriezelle
- 58
- Verschaltungseinheit
- 60
- Schalter
- 62
- Steuereinheit
