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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Bordnetzsystem für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug und ein derartiges elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Niedervolt-Energiespeicher sind seit Jahrzehnten standardisierte Bauteile, Batteriezellen beziehungsweise Energiezellen, ein Gehäuse und eine standardisierte elektrische und mechanische Anbindung beziehungsweise Anschlüsse aufweisen.
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Derartige Niedervolt-Energiespeicher werden, um die Batteriezellen im Rahmen eines Baukastensystems für verschiedene Fahrzeuge verwenden zu können, derart konfiguriert, dass sie sowohl für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen (ICE-betriebene Fahrzeuge), Plug-In-Hybrid-Kraftfahrzeuge (PHEV) und batterieelektrischen Kraftfahrzeuge (BEV) verwendet werden können.
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Für eine sichere Energieversorgung ist zudem eine Redundanz des Niedervolt-Spannungsnetzes notwendig. Dazu werden meist mehrere Batterien und/oder mehere Gleichspannungswandler beziehungsweise Wandlereinrichtungen verbaut.
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DE 10 2007 001 673 A1 offenbart ein Bordnetzsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher und eine erste Wandlereinrichtung zur Wandlung der Hochvoltspannung des Hochvolt-Spannungsnetzes auf eine vorbestimmte Niedervoltspannung eines Niedervolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher. Dabei ist eine zweite Wandlereinrichtung vorhanden, die parallel der ersten Wandlereinrichtung geschaltet ist und über die zumindest zeitweise ein vorbestimmter Energieeintrag in das Niedervolt-Spannungsnetz erfolgt. Das Bordnetzsystem kann niederspannungsseitig einen (insbesondere als elektrochemischen Energiespeicher ausgebildeten) Niedervolt-Energiespeicher in Form einer herkömmlichen Bordnetzbatterie aufweisen, der sowohl über die erste als auch über die zweite Wandlereinrichtung mit dem Hochvoltenergiespeicher gekoppelt ist.
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Jedoch unterscheiden sich die Anforderungen an die Batterien beziehungsweise Energiespeicher von Antriebsart zu Antriebsart des Kraftfahrzeugs. Bei einem ICE-betriebenen Kraftfahrzeug ist die Anforderung an eine Startfähigkeit der Verbrennungskraftmaschine bei niedrigen Temperaturen auslegungsrelevant hinsichtlich einer Leistungsfähigkeit des Niedervolt-Energiespeichers. Für den Energieinhalt des Niedervolt-Energiespeichers eines ICE-betriebenen Kraftfahrzeugs ist der Betrieb des Bordnetzes während Start-Stopp-Off etc. auslegungsrelevant. Die Niedervolt-Energiespeichervorrichtung werden sehr stark zyklisiert, also ent- und geladen, weil das Niedervolt-Bordnetz permanent aus der Niedervolt-Energiespeichervorrichtung versorgt wird.
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Bei batterieelektrischen Kraftfahrzeugen mit sicheren Bordnetzen (beispielsweise Automotive Safety Integrity Level, ASIL, Typ D genügend) wird das gesamte Niedervolt-Bordnetz meist über einen Gleichspannungswandler (DCDC-Wandler) aus dem Hochvolt-Spannungsnetz versorgt. Für den ASIL D relevanten Ausfall des Bordnetzes ist die Anforderung an den Niedervolt-Energiespeicher eine gegenüber ICE-betriebenen Kraftfahrzeugen deutlich kleinere Leistungsanforderung und vergleichsweise wenig Energieinhalt, weil in einem Anwendungsfall eine autonome Fahrfunktion mit einem minimalen Risko (minial risk maneouver, MRM) auslegungsrelevant ist, um das Kraftfahrzeug im Fehlerfall sicher zum Stand bringen kann.
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Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung darin, ein verbessertes Bordnetz anzugeben, welches geeignet ist, den Stand der Technik zu bereichern. Eine konkrete Ausgestaltung der Offenbarung kann die Aufgabe lösen, eine kosteneffektive Bordnetzkonfiguration für einen sicheren Betrieb des Bordnetzes bereitzustellen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die Unteransprüche haben optionale Weiterbildungen der Offenbarung zum Inhalt.
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Danach wird die Aufgabe durch ein Bordnetzsystem für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug gelöst. Das Bordnetz umfasst einen Hochvolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Hochvolt-Verbraucher des Kraftfahrzeugs und einen Niedervolt-Energiespeicher zur Bereitstellung eines Niedervolt-Spannungsnetzes für die Spannungsversorgung eines oder mehrerer Niedervolt-Verbraucher, wobei der Hochvolt-Energiespeicher und der Niedervolt-Energiespeicher jeweils Batteriezellen mit derselben Zellchemie aufweisen.
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Das Bordnetz des Kraftfahrzeugs kann dabei in das Hochvolt-Spannungsnetz und das Niedervolt-Spannungsnetz unterteilt werden. Das Hochvolt-Spannungsnetz kann von dem Hochvolt-Energiespeicher mit elektrischer Energie beaufschlagt und versorgt werden. Das Niedervolt-Spannungsnetz kann von dem Niedervolt-Energiespeicher mit elektrischer Energie beaufschlagt und versorgt werden.
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Der Hochvolt-Energiespeicher und der Niedervolt-Energiespeicher weisen jeweils Batteriezellen auf. Dabei weisen die Batteriezellen des Hochvolt-Energiespeichers und die Batteriezellen des Niedervolt-Energiespeichers dieselbe Zellchemie auf. Die Zellchemie kann dabei insbesondere die Zusammensetzung der Batteriezellen in Hinblick auf chemische Elemente und/oder Verbindungen betreffen. Damit können die Batteriezellen der Niedervolt-Energiespeichers dieselbe Zellchemie wie die Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs aufweisen. Damit ist es möglich, dass Batteriezellen derselben Art, wie von dem Hochvolt-Energiespeichers umfasst, zu verglichen mit dem Hochvolt-Energiespeicher kleineren Batteriezelleneinheiten (Stacks) verschaltet werden, um den Niedervolt-Energiespeicher auszubilden.
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Damit kann der Niedervolt-Energiespeicher derart ausgelegt werden, um ein sicheres Betreiben des Kraftfahrzeugs auch bei einem Ausfall des Hochvolt-Spannungsnetzes zu gewährleisten. Gleichzeitig kann durch dieselbe Zellchemie der Batteriezellen des Hochvolt-Energiespeichers und der Batteriezellen des Niedervolt-Energiespeichers eine gezieltere Auslegung des Niedervolt-Energiespeichers auf die Anforderungen eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs erzielt werden. Beispielsweise kann realisiert werden, dass der Niedervolt-Speicher nicht mehr in Hinblick auf einen Kaltstart einer Verbrennungskraftmaschine ausgelegt ist, sondern ausreichend Energie bereitstellt, um eine automatisierte Fahrfunktion durchführen zu können.
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Dabei kann ein Fokus der Auslegung mehr auf den Energieinhalt als auf Leistungsfähigkeit gelegt werden.
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Die Batteriezellen können Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LFP) sein. Dabei wurde erkannt, dass die Nennspannung einer der Batteriezellen in dieser Ausführungsform nur ein wenig über 3 V liegt, womit sich durch eine entsprechende Schaltung für das Niedervolt-Spannungsnetz typische Spannungen von beispielsweise 12 V, 24 V, 48 V und/oder 60 V effektiv erzeugen lassen. Damit kann der Niedervolt-Energiespeicher eine dem Stand der Technik entsprechende Nennspannung bereitstellen. LFP Batteriezellen sind kosteneffektiv. Optional können die Batteriezellen insbesondere Lithium-Mangan-Eisenphosphat-Akkumulatoren (LMFP) sein, um eine erhöhte Kapazität (Energieinhalt) und Zyklenfestigkeit bereitstellen zu können.
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Der Niedervolt-Energiespeicher kann vier seriell geschaltete Batteriezellen umfassen. Damit kann der Niedervolt-Energiespeicher beispielsweise eine Spannung im Bereich von 12 V bereitstellen.
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Der Niedervolt-Energiespeicher kann ein bis vier parallel geschaltete Batteriezellen umfassen. Damit kann eine Ausfallsicherheit erzielt werden. Bei einem Ausfall einer Batteriezelle oder mehrerer seriell geschalteter Batteriezelle kann die parallel geschaltete Batteriezelle beziehungsweise können die parallel geschalteten Batteriezellen die Spannung des Niedervolt-Energiespeichers aufrechterhalten. Optional kann der Niedervolt-Energiespeicher vier seriell geschaltete Batteriezellen umfassen, also eine 4sXp-Konfiguration mit X von 1 bis 4 aufweisen. Der Energieinhalt dieses Niedervolt-Energiespeichers liegen optional zwischen 6 Ah und 12 Ah.
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Das Bordnetzsystem kann einen Gleichspannungswandler aufweisen, und der Niedervolt-Energiespeicher und der Gleichspannungswandler können eine gemeinsame Baugruppe bilden. Damit ist es möglich, den Gleichspannungswandler und den Niedervolt-Energiespeicher im Kraftfahrzeug örtlich beieinander anzuordnen. Dabei kann bei einem Ausfall des Hochvolt-Energiespeicher auf eine ähnliche und/oder redundante Leitungsführung bei Verwendung des Niedervolt-Energiespeicher anstatt des Hochvolt-Energiespeichers und dem Gleichspannungswandler zurückgegriffen werden. Damit können Kosten, Gewicht und Montagearbeit für Leitungen gespart werden.
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Der Niedervolt-Energiespeicher und der Hochvolt-Energiespeicher können ein gemeinsames Gehäuse aufweisen. Damit ist es möglich wesentliche Komponenten des Bordnetzes innerhalb des Gehäuses anzuordnen. Damit ist ein modularer Aufbau des Bordnetzes mit dem Niedervolt-Energiespeicher und dem Hochvolt-Energiespeicher möglich. Ein Gleichspannungswandler kann optional in dem Gehäuse angeordnet sein, damit der Niedervolt-Speicher und der Gleichspannungswandler im Kraftfahrzeug wie oben beschrieben beieinander angeordnet werden können. Ein separates Gehäuse für den Niedervolt-Energiespeicher sowie eine separate mechanische Anbindung des Niedervolt-Energiespeichers sind somit entbehrlich.
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Der Niedervolt-Energiespeicher und eine Ladevorrichtung können ein gemeinsames Gehäuse aufweisen. Typischerweise ist ein Gleichspannungswandler bei der Ladevorrichtung angeordnet, damit der Hochvolt-Energiespeicher mit einer Spannung zum Laden des Hochvolt-Energiespeicher beaufschlagt werden kann. Damit ist es möglich, den Niedervolt-Energiespeicher und den Gleichspannungswandler im Kraftfahrzeug wie oben beschrieben beieinander anzuordnen. Ein separates Gehäuse für den Niedervolt-Energiespeicher sowie eine separate mechanische Anbindung des Niedervolt-Energiespeichers sind somit entbehrlich.
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Das oben Beschriebene lässt sich mit anderen Worten und auf eine konkrete Ausgestaltung bezogen, die als für die vorliegende Offenbarung nicht limitierend beschrieben wird, wie folgt zusammenfassen: Die Offenbarung betrifft eine BEVspezifische Konfiguration für NV-Speicher in sicheren Bordnetzen. Es wird eine Konfiguration eines BEV-spezifischen NV-Speichers unter Verwendung von Batterienzellen mit Leistungschemie vorgeschlagen. Dazu werden P-Chemie Zellen in 4sXp verschaltet. Dabei ist X beispielsweise zwischen 1 und 4. Die Energieinhalte dieser Verschaltung liegt optional zwischen 6 und 12 Ah. Die Leistungsfähigkeit des Zellpacks ist bei Temperaturen von -35°C bis -20°C im Bereich von 150A - 350A. Die Verortung des Zellpacks ist vorzugsweise sehr nah an den bestehenden DCDC Wandlern gewählt. Im Falle eines sogenannten Penthouse-Ansatzes oder eines CCU-Ansatzes (Combined Charging Unit, Ladevorrichtung) können die Speicher direkt im Penthouse, also in einem gemeinsamen Gehäuse der Traktionsbatterie und des Niedervolt-Energiespeicher oder der CCU verortet werden. Dadurch ist kein standardisiertes separates Batteriegehäuse für den Niedervolt-Energiespeicher notwendig. Dadurch kann sowohl Gewicht und Kosten gespart werden, als auch kundenwerter Bauraum im Innenraum geschaffen werden, wo aktuell die NV-Speicher meist verortet sind.
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Ferner wird ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, umfassend das oben beschriebene Bordnetz, einen oder mehrere Hochvolt-Verbraucher und einen oder mehrere Niedervolt-Verbraucher bereitgestellt. Der Hochvolt-Energiespeicher kann eine Traktionsbatterie sein. Der oder einer der Hochvolt-Verbraucher kann ein elektrischer Antrieb sein.
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Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, insbesondere ein Automobil, handeln. Das optional automatisierte Kraftfahrzeug kann ein rein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug kann dazu als Hochvolt-Verbraucher einen elektrischen Antrieb umfassen, der mit mittels des Hochvolt-Energiespeichers bereitgestellter elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs beaufschlagt werden kann.
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Das optional automatisierte Kraftfahrzeug kann ausgestaltet sein, um eine Längsführung und/oder eine Querführung bei einem automatisierten Fahren des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise zu übernehmen. Das automatisierte Fahren kann so erfolgen, dass die Fortbewegung des Kraftfahrzeugs (weitgehend) autonom erfolgt. Das automatisierte Fahren kann zumindest teilweise und/oder zeitweise durch die Datenverarbeitungsvorrichtung gesteuert werden. Das Kraftfahrzeug kann ein Kraftfahrzeug der Autonomiestufe 0 bis 5 sein. Das Kraftfahrzeug kann dazu eingerichtet sein, eine automatisierte Fahrfunktion durchzuführen, um für das Kraftfahrzeug, einen Insassen und/oder einem Verkehrsteilnehmer minimales Sicherheitsrisiko darzustellen (minimal risk maneouver, MMR)
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben.
- 1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetzsystem je gemäß einem Aspekt der Offenbarung; und
- 2 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetzsystem je gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
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1 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 200 mit einem Bordnetzsystem 100 je gemäß einem Aspekt der Offenbarung.
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Das Kraftfahrzeug 200 ist ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug 200. Dafür weist das Kraftfahrzeug 200 einen elektrischen Antrieb (nicht-gezeigt) auf. Der elektrische Antrieb ist mit elektrischer Energie beaufschlagbar, die der elektrische Antrieb in mechanische Energie umwandeln kann, um das Kraftfahrzeug 200 anzutreiben.
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Das Kraftfahrzeug 100 umfasst ein Bordnetzsystem 100. Das Bordnetzsystem 100 ist dazu eingerichtet, die Speicher und Versorgung von Fahrzeugkomponenten mit elektrischer Energie zu berwerkstelligen.
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Das Bordnetzsystem 100 umfasst einen Hochvolt-Verbraucher 120 und ein Hochvolt-Energiespeicher 110 zur Bereitstellung eines Hochvolt-Spannungsnetzes 115 für die Spannungsversorgung des Hochvolt-Verbrauchers 120. Die Spannung des Hochvolt-Spannungsnetzes 115 beträgt beispielsweise etwa 400 V bis 1000 V. Der Hochvolt-Verbrauchers 120 ist beispielsweise der elektrische Antrieb. Damit ist der Hochvolt-Energiespeicher 120 eine Traktionsbatterie und dazu eingerichtet, den elektrischen Antrieb mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Das Bordnetzsystem 100 umfasst einen Niedervolt-Verbraucher 140 und einen Niedervolt-Energiespeicher 130 zur Bereitstellung eines Niedervolt-Spannungsnetzes 135 für die Spannungsversorgung des Niedervolt-Verbrauchers 140. Die Spannung des Niedervolt-Spannungsnetzes 135 beträgt beispielsweise 12 V bis 60 v, beispielsweise 48 V für Nutzfahrzeuge und/oder Hybridfahrzeuge. Der Niedervolt-Energiespeicher 130 ist dazu eingerichtet, elektrische Energie für den Niedervolt-Verbraucher 140 zu speichern und bereitzustellen. Der Niedervolt-Verbraucher 140 ist beispielsweise ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs 200. Der Niedervolt-Energiespeicher 130 ist dazu eingerichtet, im Falle eines Ausfalls und/oder Fehlers des Hochvolt-Energiespeichers 110 genügend elektrische Energie bereitstellen zu können, um das Kraftfahrzeug 200 sicher zum Stehen zu bringen und/oder in einen sicheren Betriebsmodus zu überführen.
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Der Hochvolt-Energiespeicher 110 und der Niedervolt-Energiespeicher 120 jeweils Batteriezellen 150 mit derselben Zellchemie aufweisen. Die Batteriezellen 150 sind Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator.
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Der Hochvolt-Energiespeicher 110 umfasst eine Mehrzahl von in Serie geschalteter Batteriezellen 150, sogenannter Batteriemodule, die in den Figuren durch mit einer durchgezogenen Linie verbundene Batteriezellen 150 illustriert sind. Dabei sind eine beliebige Anzahl von Batteriezellen 150 des Hochvolt-Energiespeichers 110 seriell miteinander verbunden, wie durch die Punkte zwischen den vertikal angeordneten Batteriezellen 150 illustriert. Der Hochvolt-Energiespeicher 110 umfasst eine Mehrzahl derartiger parallel geschalteter Batteriemodule, wie durch die Punkte zwischen den horizontal angeordneten Batteriezellen 150 illustriert.
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Der Niedervolt-Energiespeicher 130 umfasst vier seriell geschaltete Batteriezellen 150. Damit sind vier Batteriezellen 130 zu einem Batteriemodul geschaltet, wie durch mit einer vertikalen durchgezogenen Linie illustriert. Der Niedervolt-Energiespeicher 130 umfasst ein bis vier parallel geschaltete Batteriezellen 150, also ein bis vier parallel geschaltete Batteriemodule, wobei in den Figuren beispielhaft zwei parallel geschaltete Batteriemodule illustriert sind, wobei die horizontalen Punkte andeuten, dass der Niedervolt-Energiespeicher 130 in anderen Ausführungsformen nur ein Batteriemodul, zwei Batteriemodule oder vier Batteriemodule umfasst. Damit stellt der gemäß Niedervolt-Energiespeicher 130 eine Kapazität beziehungsweise einen Energieinhalt von zwischen 15 Ah und 60 Ah bereit. Die Leistungsfähigkeit des Niedervolt-Energiespeichers 130 ist bei Temperaturen von -35°C bis -20°C im Bereich von 150A - 350A.
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Das Bordnetzsystem umfasst einen Gleichspannungswandler 160. Der Gleichspannungswandler 160 ist dazu eingerichtet, von dem Hochvolt-Energiespeicher 110 in eine Niedervoltspannung für das Niedervolt-Spannungsnetz 135 zu wandeln. Der Niedervolt-Energiespeicher 130 und der Gleichspannungswandler 160 bilden eine gemeinsame Baugruppe. Mit anderen Worten umfassen der Niedervolt-Energiespeicher 130 und der Gleichspannungswandler 160 gemeinsame Anschlüsse und/oder Schnittstellen zur Kontaktierung des Niedervolt-Verbrauchers 120.
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Der Niedervolt-Energiespeicher 130 und der Hochvolt-Energiespeicher 110 weisen ein gemeinsames Gehäuse 165a auf. In dem Gehäuse 165a sind der Gleichspannungswandler 160, der Niedervolt-Energiespeicher 130 und der Hochvolt-Energiespeicher 110 angeordnet. Beispielsweise ist der Niedervolt-Energiespeicher 130 auf den Hochvolt-Energiespeicher 110 bildenden Batteriezellen 150 angeordnet.
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2 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 200 mit einem Bordnetzsystem 100 je gemäß einem Aspekt der Offenbarung. Das Kraftfahrzeug 200 gemäß 2 wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Dabei werden die Unterschiede zwischen dem Kraftfahrzeug 200 gemäß 2 und dem Kraftfahrzeug 200 gemäß 1 beschrieben.
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Das Kraftfahrzeug 200 gemäß 2 umfasst eine Ladevorrichtung 170, eine sogenannte combined charging unit, CCU. Der Gleichspannungswandler 160 und die Ladevorrichtung 170 sind in dem Kraftfahrzeug 200 örtlich beieinander angeordnet.. Der Niedervolt-Energiespeicher 130 und die Ladevorrichtung 170 weisen ein gemeinsames Gehäuse 165b auf. In dem Gehäuse 165b sind der Gleichspannungswandler 160, der Niedervolt-Energiespeicher 130 und die Ladevorrichtung 170 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Bordnetzsystem
- 110
- Hochvolt-Energiespeicher
- 115
- Hochvolt-Spannungsnetz
- 120
- Hochvolt-Verbraucher
- 130
- Niedervolt-Energiespeicher
- 135
- Niedervolt-Spannungsnetz
- 140
- Niedervolt-Verbraucher
- 150
- Batteriezellen
- 160
- Gleichspannungswandler
- 165a
- Gehäuse
- 165b
- Gehäuse
- 170
- Ladevorrichtung
- 200
- Kraftfahrzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007001673 A1 [0005]
