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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, ein elektrisches Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits zumindest teilweise elektrisch betriebene beziehungsweise vollelektrisch betriebene Kraftfahrzeuge bekannt. Diese weisen ein elektrisches Bordnetz auf, welches insbesondere aus einem Hochvoltenergiespeicher zum Bereitstellen der elektrischen Energie für beispielsweise eine Antriebseinrichtung ausgebildet ist, sowie einen Niedervoltspeicher ausgebildet sein kann. Hierbei ist bekannt, dass der Niedervoltspeicher oftmals eine Verschleißkomponente ist, welcher über das Leben des Kraftfahrzeugs mehrfach getauscht werden muss. Die Niedervoltspeicher verfügen in den meisten Fällen nicht über eine eigene Vorladeeinrichtung. Im Fehlerfall oder aus Schutzgründen öffnet beispielsweise dann bei Lithium-Batterien ein dort angeordnetes Trennelement, womit das elektrische Bordnetz stromlos wird.
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Daneben ist im Kraftfahrzeug die Stromtragfähigkeit eines so genannten Fremdstartstützpunktes (FSSP) sowie des Trennelements der Lithium-Batterien für die zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeuge limitiert. Mit der Folge, dass die Überschreitung der Stromgrenzen die entsprechenden Trennelemente oder beispielsweise auch die Halbleitersicherung oder Schmelzsicherung, aus Gründen des Leitungsschutzes auslöst. Bei Lithiumenergiespeichern mit limitierter Stromtragfähigkeit des Trennelements bei grundsätzlich aber gleichzeitig hoher Stromaufnahmemöglichkeit der Batteriezellen führt dies zwangsläufig zur erneuten Öffnung des Trennelements und einer damit einhergehender verminderter Lebensdauer. Ein Fremdstarten wird durch die beiden Defizite ebenfalls verhindert.
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Die
DE 10 2009 048 614 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Zweispannungsbordnetzes in einem Fahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug oder Elektrofahrzeug, wobei das Zweispannungsbordnetz ein Niedervoltbordnetz zur Versorgung wenigstens eines Niedervoltverbrauchers mit elektrischer Energie und ein Hochvoltbordnetz zur Versorgung wenigstens eines Hochvoltverbrauchers mit elektrischer Energie sowie einen zwischen den Bordnetzen geschalteten Gleichstromspannungswandler aufweist und bei dem der Gleichstromspannungswandler in Abhängigkeit eines Fahrzustands des Fahrzeugs und/oder einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms eines der Bordnetze angesteuert wird.
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Die
DE 10 2018 221 989 A1 betrifft eine Hochvoltbordnetzanordnung für ein Kraftfahrzeug, die ein Hochvoltbordnetz mit einer ersten Hochvolt-Komponente und mit einer zweiten Hochvolt-Komponente aufweist, sowie eine Hochvolt-Batterie, die zur Versorgung der ersten und der zweiten Hochvolt-Komponente über zumindest eine Schalteinrichtung mit dem Hochvoltbordnetz koppelbar ist und von diesem entkoppelbar ist, wobei die erste Hochvolt-Komponente einen Zwischenkreiskondensator aufweist. Dabei weist die Hochvoltbordnetzanordnung eine Steuereinrichtung auf, die dazu ausgelegt ist, die zweite Hochvolt-Komponente derart anzusteuern, dass der im Betrieb bei Entkopplung der Hochvolt-Batterie vom Hochvoltbordnetz für eine begrenzte Zeitdauer aktiviert oder weitergeführt wird, so dass der Zwischenkreiskondensator durch den Betrieb zumindest zum Teil entladen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, ein elektrisches Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mittels welchen ein sicherer Betrieb des elektrischen Bordnetzes ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, ein elektrisches Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs, bei welchem das elektrische Bordnetz mit zumindest einem Niedervoltspeicher, einem Hochvoltspeicher und einem Fremdstartstützpunkt bereitgestellt wird, wobei der Niedervoltspeicher als Lithiumenergiespeicher mit zumindest einem Trennelement bereitgestellt wird, wobei in Abhängigkeit von einem sicherheitsrelevanten Ereignis mittels des Trennelements die elektrische Kopplung zum elektrischen Bordnetz geöffnet wird.
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Es ist dabei vorgesehen, dass bei geöffnetem Trennelement eine externe Energiequelle an dem Fremdstartstützpunkt des elektrischen Bordnetzes detektiert wird, wobei mittels der externen Energiequelle der Hochvoltspeicher auf eine vorgegebene Fangspannung geladen wird, und erst bei Erreichen der vorgegebenen Fangspannung und bei einer detektierten Entkopplung der externen Energiequelle vom Fremdstartstützpunkt das Trennelement geschlossen wird und der Niedervoltspeicher mit dem elektrischen Bordnetz gekoppelt wird.
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Dadurch ist es ermöglicht, dass ein sicherer Betrieb des elektrischen Bordnetzes ermöglicht wird, ohne dabei beispielsweise den Niedervoltspeicher zu beschädigen. Insbesondere kann somit ein erneutes Öffnen aus Sicherheitsgründen des Trennelements des Niedervoltspeichers verhindert werden.
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Insbesondere kann das elektrische Bordnetz hierzu eine elektronische Recheneinrichtung aufweisen, welche zum Überwachen des elektrischen Bordnetzes ausgebildet ist. Die elektronische Recheneinrichtung kann dabei mit einer Erfassungseinrichtung gekoppelt sein, welche beispielsweise eine Spannung innerhalb des elektrischen Bordnetzes, beispielsweise vor dem Trennelement beziehungsweise am Hochvolt-Energiespeicher sowie am Fremdstartstützpunkt misst, um das Entkoppeln der externen Energiequelle sowie das Erreichen der vorgegebenen Fangspannung detektieren zu können. Die elektronische Recheneinrichtung kann dann beispielsweise als Teil eines Energiemanagementsystems des Kraftfahrzeugs beziehungsweise als Batteriemanagementsystem des elektrischen Bordnetzes ausgebildet sein.
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Insbesondere ist somit ein koordiniertes Aufstarten des elektrischen Bordnetzes mit verzögerter Speicherzuschaltung um die entsprechenden Grenzen, insbesondere des Lithiumenergiespeichers, nicht zu verletzen, vorgeschlagen.
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Insbesondere kann somit vorgeschlagen sein, dass beispielsweise das Batteriemanagementsystem beziehungsweise die elektronische Recheneinrichtung zyklisch Parameter des elektrischen Bordnetzes erfasst. In der vorliegenden Ausgangslage ist das Trennelement des Lithiumenergiespeichers offen. Wird nun am Fremdstartstützpunkt eine externe Energiequelle angelegt, beispielsweise ein weiterer elektrischer Speicher, ein Booster oder ein Fremdfahrzeug, so fährt das elektrische Bordnetz hoch, wobei das Trennelement nicht schließt, um den Einspeisepunkt und sich selbst zu schützen. Die Erkennung erfolgt beispielsweise durch Feststellung der anliegenden Spannung nach dem geöffneten Trennelement.
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Sobald das elektrische Bordnetz, insbesondere der Hochvolt-Energiespeicher, hochgefahren ist, wird ein entsprechender DC/DC-Wandler am Hochvolt-Energiespeicher auf eine Fangspannung kommandiert, die im Range der Zuschaltspannung des Niedervoltspeichers entspricht und die Stromgrenzen sowohl des Fremdstartstützpunkts als auch des Trennelements erfüllt. Nun wartet die elektronische Recheneinrichtung bei geöffnetem Trennelement, bis die externe Energiequelle abgeklemmt wird. Sobald dies geschieht, fällt die Systemspannung auf die Fangspannung, wobei mit dieser Erkennung die Zuschaltung des Trennelements initiiert wird und das elektrische Bordnetz vollumfänglich bereitgestellt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird das Trennelement speicherintern im Lithiumenergiespeicher bereitgestellt. Insbesondere handelt es sich dabei um bereits fertiggestellte Lithiumenergiespeicher, welche ein Trennelement intern aufweisen. Die Trennelemente können dann speicherintern genutzt werden, um bei einem sicherheitsrelevanten Ereignis den Lithiumenergiespeicher elektrisch von dem elektrischen Bordnetz zu entkoppeln.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Trennelement in einem Batteriemanagementsystem des Lithiumenergiespeichers bereitgestellt wird. Insbesondere kann der Lithiumenergiespeicher ein so genanntes Batteriemanagementsystem aufweisen, welches beispielsweise eine Ladestrategie der einzelnen Lithium-Batteriezellen managt. Als Teil dessen kann das Trennelement bereitgestellt werden, so dass bauraumsparend das Trennelement im Lithiumenergiespeicher bereitgestellt werden kann.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn das Trennelement als Halbleitertrennelement bereitgestellt wird. Alternativ kann das Trennelement auch als Schmelzsicherung beziehungsweise mechanisches Schaltelement bereitgestellt werden. Dadurch ist es ermöglicht, dass mittels unterschiedlichen Technologien das Trennelement bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform wird bei Unterschreiten einer minimalen Spannung im Lithiumenergiespeicher als sicherheitsrelevantes Ereignis und/oder bei einem Überschreiten eines maximalen Arbeitsstroms des Lithiumenergiespeichers als sicherheitsrelevantes Ereignis und/oder bei einem Detektieren eines Kurzschlusses im Bordnetz als sicherheitsrelevantes Ereignis und/oder bei einem Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur des Lithiumenergiespeichers als sicherheitsrelevantes Ereignis das Trennelement geöffnet. Beispielsweise kann hierzu vorgesehen sein, dass das Batteriemanagementsystem beziehungsweise die elektronische Recheneinrichtung zyklisch Strom, Temperatur, Spannung sowie einen Speicherstatus beziehungsweise Zellstatus überwacht und in Abhängigkeit von entsprechenden Grenzwerten dann das sicherheitsrelevante Ereignis detektiert und die entsprechende Trennung des Trennelements initiiert. Somit kann zuverlässig eine Beeinträchtigung beziehungsweise Zerstörung des Niedervoltenergiespeichers verhindert werden.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Niedervoltenergiespeicher mit einer Spannung von im Wesentlichen 12 Volt bereitgestellt wird. Insbesondere kann dann bei einem Unterschreiten der entsprechenden Spannung ein sicherheitsrelevantes Ereignis ausgelöst werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der Hochvoltenergiespeicher mit einer Spannung von zumindest im Wesentlichen 48 Volt bereitgestellt wird. Der Hochvoltenergiespeicher kann auch eine Spannung von mehr als 48 Volt aufweisen. Beispielsweise kann auch der Hochvoltenergiespeicher eine Spannung von 400 Volt oder 800 Volt aufweisen. Dadurch ist es ermöglicht, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei unterschiedlichen Spannungslagen im elektrischen Bordnetz durchgeführt werden kann.
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Bei dem vorgestellten Verfahren handelt es sich insbesondere um ein computerimplementiertes Verfahren. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, welche eine elektronische Recheneinrichtung dazu veranlassen, wenn die Programmcodemittel von der elektronischen Recheneinrichtung abgearbeitet werden, ein Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt durchzuführen.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft daher auch ein computerlesbares Speichermedium mit dem Computerprogrammprodukt. Die elektronische Recheneinrichtung ist insbesondere als Teil des elektrischen Bordnetzes, beispielsweise als übergeordnetes Energiemanagementsystem des elektrischen Bordnetzes ausgebildet.
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Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisches Bordnetz für ein zumindest teilweise elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Niedervoltspeicher, einem Hochvoltspeicher und einem Fremdstartstützpunkt, wobei das elektrische Bordnetz zum Durchführen eines Verfahrens nach dem vorhergehenden Aspekt ausgebildet ist. Insbesondere wird das Verfahren mittels des elektrischen Bordnetzes durchgeführt. Das elektrische Bordnetz weist insbesondere die elektronische Recheneinrichtung auf, welche beispielsweise als Energiemanagementsystem ausgebildet sein kann.
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Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Bordnetz nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist zumindest teilweise elektrisch oder auch vollelektrisch betrieben. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Hybridfahrzeug oder als vollelektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Computerprogrammprodukts, des elektrischen Bordnetzes sowie des Kraftfahrzeugs anzusehen. Das elektrische Bordnetz sowie das Kraftfahrzeug weisen dazu gegenständliche Merkmale auf, welche eine Durchführung des Verfahrens und eine vorteilhafte Ausgestaltungsform davon ermöglichen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht gemäß einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform eines elektrischen Bordnetzes; und
- 2 ein schematisches Schaltbild gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Bordnetzes.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs 10. Das Kraftfahrzeug 10 ist insbesondere zumindest teilweise elektrisch betrieben, insbesondere vollelektrisch betrieben. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch als Hybridfahrzeug ausgebildet sein. Das Kraftfahrzeug 10 weist hierzu ein elektrisches Bordnetz 12 auf. Das elektrische Bordnetz 12 weist insbesondere einen Hochvoltenergiespeicher 14 sowie einen Niedervoltenergiespeicher 16 auf. Der Niedervoltenergiespeicher 16 ist insbesondere als Lithiumenergiespeicher 18 ausgebildet. Mit dem Hochvoltenergiespeicher 14 kann insbesondere eine Spannung von zumindest 48 Volt beziehungsweise auch höher, beispielsweise 400 Volt bereitgestellt werden. Mit dem Niedervoltenergiespeicher 16 kann insbesondere eine Spannung von 12 Volt bereitgestellt werden. Insbesondere kann beispielsweise mittels des Hochvoltenergiespeichers 14 elektrische Energie für eine Antriebseinrichtung des zumindest teilweise elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs 10 bereitgestellt werden.
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Das elektrische Bordnetz 12 weist ferner zumindest ein Energiemanagementsystem 20 auf, welches als übergeordnetes Managementsystem des elektrischen Bordnetzes 12 ausgebildet sein kann. Ferner können unterschiedliche Verbraucher 22, welche vorliegend als nur ein Verbraucher 22 dargestellt ist, mit an dem elektrischen Bordnetz 12 ausgebildet sein. Das elektrische Bordnetz 12 weist ferner einen Fremdstartstützpunkt 24 auf.
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2 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild gemäß einer Ausführungsform des elektrischen Bordnetzes 12. Insbesondere ist der Niedervoltspeicher 18, die zwei dargestellten Verbraucher 22, der Fremdstartstützpunkt 24 sowie ein DC/DC-Wandler 26 mit einer elektrischen Masse 28 des elektrischen Bordnetzes 12 kontaktiert.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere ein Trennelement 30 innerhalb des Energiemanagementsystems beziehungsweise der elektronischen Recheneinrichtung 20 gezeigt. Das Trennelement 30 kann auch alternativ in einem Batteriemanagementsystem 32 des Lithiumenergiespeichers 18 ausgebildet sein. Das Trennelement 30 kann dabei bevorzugt als Halbleitertrennelement ausgebildet sein. Alternativ kann das Trennelement 30 auch als mechanisches Trennelement beziehungsweise als Schmelzsicherung ausgebildet sein.
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Gemäß des in der 2 vorgestellten elektrischen Bordnetzes 12 kann in Abhängigkeit von einem sicherheitsrelevanten Ereignis 34 mittels des Trennelements 30 die elektrische Kopplung des Niedervoltspeichers 16 beziehungsweise Lithiumenergiespeichers 18 zum elektrischen Bordnetz 12 geöffnet werden. Es ist dabei vorgesehen, dass bei dem geöffneten Trennelement 30 eine externe Energiequelle 36 an dem Fremdstartstützpunkt 24 des elektrischen Bordnetzes 12 detektiert wird, wobei mittels der externen Energiequelle 36 der Hochvoltspeicher 14 auf eine vorgegebene Fangspannung geladen wird, und erst bei Erreichen der vorgegebenen Fangspannung und bei einer detektierten Entkopplung der externen Energiequelle 36 vom Fremdstartstützpunkt 24 das Trennelement 30 geschlossen wird und der Niedervoltspeicher 18 mit dem elektrischen Bordnetz 12 gekoppelt wird.
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Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass bei einem Unterschreiten einer minimalen Spannung im Lithiumenergiespeicher 18 als sicherheitsrelevantes Ereignis 34 und/oder bei einem Überschreiten eines maximalen Arbeitsstroms des Lithiumenergiespeichers 18 als sicherheitsrelevantes Ereignis 34 und/oder beim Detektieren eines Kurzschlusses im elektrischen Bordnetz 12 als sicherheitsrelevantes Ereignis 34 und/oder bei einem Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur des Lithiumenergiespeichers 18 als sicherheitsrelevantes Ereignis 34 das Trennelement 30 geöffnet wird.
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Insbesondere ist somit vorgesehen, dass im folgenden Ausführungsbeispiel die elektronische Recheneinrichtung 20 beispielsweise zyklisch Strom, Temperatur, Spannung und den Speicherstatus beziehungsweise Zellstatus des Lithiumenergiespeichers 18 überwacht. In der Ausgangslage ist das Trennelement 30 des Lithiumenergiespeichers 18 aufgrund des sicherheitsrelevanten Ereignisses 34 geöffnet. Wird nun am Fremdstartstützpunkt 24 die externe elektrische Energiequelle 36 angelegt, beispielsweise ein externer Speicher, Booster oder ein Fremdfahrzeug, so fährt das elektrische Bordnetz 12 hoch, der elektrische Energiespeicher 18 wird jedoch nicht zugeschaltet, um den Einspeisepunkt und sich selbst zu schützen. Die Erkennung erfolgt über die Feststellung der anliegenden Spannung nach dem geöffneten Trennelement 30, insbesondere durch die elektronische Recheneinrichtung 20.
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Sobald das elektrische Bordnetz 12, insbesondere der elektrische Hochvoltspeicher 14 hochgefahren ist, wird der DC/DC-Wandler 26 auf eine Fangspannung kommandiert, die im Range der Zuschaltspannung des Lithiumenergiespeichers 18 entspricht und die Stromgrenzen sowohl des Fremdstartstützpunkts 24 als auch des Trennelements 30 erfüllt. Nun wartet die elektronische Recheneinrichtung 20 bei geöffnetem Trennelement 30, bis die externe Energiequelle 36 abgeklemmt wird. Sobald dies geschieht, fällt die Systemspannung auf die Fangspannung, wobei mit dieser Erkennung die Zuschaltung, also das Schließen des Trennelements 30, initiiert wird, und das elektrische Bordnetz vollumfänglich verfügbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- elektrisches Bordnetz
- 14
- Hochvoltenergiespeicher
- 16
- Niedervoltenergiespeicher
- 18
- Lithiumenergiespeicher
- 20
- elektronische Recheneinrichtung
- 22
- Verbraucher
- 24
- Fremdstartstützpunkt
- 26
- DC/DC-Wandler
- 28
- Masse
- 30
- Trennelement
- 32
- Batteriemanagementsystem
- 34
- sicherheitsrelevantes Ereignis
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048614 A1 [0004]
- DE 102018221989 A1 [0005]
