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Die Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Weiterhin betrifft die Erfindung ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetz.
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Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug weist typischerweise ein elektrisches Bordnetz mit einer Traktionsbatterie (Hochvoltbatterie, HV-Batterie) auf. Dabei ist unter einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, welches die zum Antrieb notwendige Energie lediglich in der Traktionsbatterie speichert (BEV, battery electric vehicle), ein Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer (REEV, range extended electric vehicle), ein Hybridfahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), ein Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle) zu verstehen, welches die mittels einer Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie in der Traktionsbatterie zwischenspeichert.
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Die Traktionsbatterie stellt dabei eine Hochspannung für einen als Hochvoltnetz oder als Hochvoltbordnetz bezeichneten Teil des Bordnetzes, also eine Spannung mit einem Betrag größer als 60 V, bereit. Somit kann mittels der Traktionsbatterie ein Hochvoltverbraucher, wie beispielsweise ein Elektromotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, mit Energie versorgt werden.
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Beispielsweise weist das Bordnetz zusätzlich einen als Niedervoltnetz oder als Niedervoltbordnetz bezeichneten Teil mit einer Spannung auf, die kleiner als 60V, insbesondere gleich 12 V oder 24 V, ist, wobei in dieses ein oder mehrere sicherheitsrelevante Niedervoltverbraucher geschaltet ist bzw. sind.
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Insbesondere ist unter einem „sicherheitsrelevanten Verbraucher“ ein Verbraucher zu verstehen, welcher eine Funktion zur Sicherung, insbesondere die Unversehrtheit, des Kraftfahrzeugs, der Insassen und/oder anderer Verkehrsteilnehmer erfüllt. Solche sicherheitsrelevanten Verbraucher werden beispielsweise gemäß ISO 26262 (allgemeiner IEC 61508) einer Risikoklasse zugeordnet.
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Sicherheitsrelevante Verbraucher sind abzugrenzen von einem Komfortverbraucher, welcher eine oder mehrere Komfortfunktionen erfüllt. Beispielsweise ist eine Sitzverstellung, ein Audiosystem ein Komfortverbraucher. Um eine entsprechend geringe Ausfallwahrscheinlichkeit eines sicherheitsrelevanten Verbrauchers zu realisieren ist es zweckmäßig, dass diese eine redundante Energieversorgung aufweisen. Eine derartige redundante Energieversorgung der sicherheitsrelevanten Niedervoltverbraucher ist beispielsweise für einen autonomen oder teilautonomen Betrieb des Kraftfahrzeugs oder für ein sogenanntes X-by-wire-System, beispielsweise dem Steer-by-wire, relevant.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Bordnetz anzugeben. Insbesondere soll dabei eine redundante Energieversorgung eines sicherheitsrelevanten Niedervoltverbrauchers zuverlässig erfolgen. Des Weiteren soll ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem solchen Bordnetz angegeben werden.
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Bezüglich des elektrischen Bordnetzes wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Bordnetz sinngemäß auch für das elektrisch angetriebene Kraftfahrzeug und umgekehrt.
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Das elektrische und/oder elektronische Bordnetz ist für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen und eingerichtet. Hierzu umfasst das Bordnetz eine auch als Traktionsbatterie bezeichnete Hochvoltbatterie, welche eine Spannung größer als 60 V, beispielsweise 400 V oder 800 V, für ein Hochvoltbordnetz bereitstellt. Die Traktionsbatterie umfasst hierbei zumindest einen ersten Energiespeicherblock (erste Energiespeicherbank) und einen zweiten Energiespeicherblock (zweite Energiespeicherbank).
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Jede der Energiespeicherblöcke weist zumindest eine Batteriezelle, insbesondere eine Lithiumlonen-Batteriezelle auf. Geeigneter Weise umfasst der jeweilige Energiespeicherblock mehr als eine, insbesondere eine Vielzahl an Batteriezellen, auf, die miteinander in Serie und/oder parallel zueinander geschaltet sind. Beispielsweise sind dabei die Batteriezellen zu einem oder zu mehr als einem (Zell-) Modul zusammengefasst. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Energiespeicherblock gleich aufgebaut, weist also dieselbe Anzahl an Batteriezellen auf, die auf die gleiche Art und Weise miteinander verschaltet sind. Somit stellen also der erste und der zweite Energiespeicherblock dieselbe Spannung bereit. Bevorzugt stellt jede der Energiespeicherblöcke eine Spannung bereit, die größer ist als 60V.
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Das Bordnetz umfasst des Weiteren eine Gleichspannungswandlereinrichtung. Diese umfasst einen ersten Ausgang, insbesondere ausgebildet als Ausgangsstufe, für einen, insbesondere sicherheitsrelevanten, Niedervoltverbraucher eines Niedervoltbordnetzes sowie einen zweiten Ausgang, insbesondere ausgebildet als Ausgangsstufe, für den Niedervoltverbraucher. Zweckmäßig wird am ersten Ausgang und am zweiten Ausgang eine Niedervoltspannung, also eine Spannung kleiner als 60 V, insbesondere 12 V, 24 V oder 48 V bereitgestellt. Der Niedervoltverbraucher ist also redundant, also sowohl anhand des erstes Ausgangs als auch anhand des zweiten Ausgangs, mit elektrischer Energie versorgbar. Aufgrund dessen ist der, insbesondere sicherheitsrelevante, Niedervoltverbraucher vergleichsweise sicher anhand der Gleichspannungswandlereinrichtung betreibbar.
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Weiterhin umfasst die Gleichspannungswandlereinrichtung zumindest einen Eingang, insbesondere eine Eingangsstufe, für den ersten Energiespeicherblock und zumindest einen (weiteren) Eingang, insbesondere eine Eingangsstufe, für den zweiten Energiespeicherblock. Zusammenfassend umfasst die Gleichspannungswandlereinrichtung zumindest zwei Eingänge für die Energiespeicherblöcke der Traktionsbatterie. Insbesondere sind der erste Energiespeicherblock und der zweite Energiespeicherblock an den jeweiligen Eingang angeschlossen.
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Zusammenfassend Hochvoltbordnetz (Hochvoltnetz) und das Niedervoltbordnetz (Niedervoltnetz) anhand der Gleichspannungswandlereinrichtung miteinander verbunden.
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Der erste Ausgang und der zweite Ausgang ist jeweils sowohl mit dem Eingang (oder mit einem der zumindest einen Eingänge) für den ersten Energiespeicherblock als auch mit dem Eingang (oder mit einem der zumindest einen Eingänge) für den zweiten Energiespeicherblock, insbesondere spannungswandlungstechnisch und/oder leistungsübertragungstechnisch, gekoppelt. Insbesondere ist die Gleichspannungswandlereinrichtung dabei derart ausgebildet, dass die Bereitstellung der Niedervoltspannung am ersten Ausgang anhand der Spannungswandlung, insbesondere Herabsetzen, der Spannung des ersten Energiespeicherblocks und zusätzlich oder alternativ anhand der Spannungswandlung der Spannung des zweiten Energiespeicherblocks erfolgen kann. Analog hierzu ist die Gleichspannungswandlereinrichtung insbesondere derart ausgebildet, die Bereitstellung der Niedervoltspannung am zweiten Ausgang anhand der Spannungswandlung, insbesondere Herabsetzen, der Spannung des ersten Energiespeicherblocks und zusätzlich oder alternativ anhand der Spannungswandlung der Spannung des zweiten Energiespeicherblocks erfolgen kann. Somit kann bei einem Fehler einer der Energiespeicherblöcke, beispielsweise einem Kurzschluss einer dessen Batteriezellen, die Spannung für den Niedervoltverbraucher durch Wandeln der Spannung des jeweils anderen Energiespeicherblocks bereitgestellt werden. Auf diese Weise ist ein besonders sicherer Betrieb des Niedervoltverbrauchers, auch bei einem Fehler einer der Energiespeicherblöcke, realisiert.
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Beispielsweise ist die Gleichspannungswandlereinrichtung als ein sogenannter Multi-Input-Multi-Output-Gleichspannungswandler ausgebildet, welcher die beiden Ausgänge sowie die Eingänge für die Energiespeicherblöcke umfasst. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Gleichspannungswandlereinrichtung eine erste Gleichspannungswandlereinheit sowie eine, bevorzugt zu dieser separate, zweite Gleichspannungswandlereinheit auf. Die erste Gleichspannungswandlereinheit umfasst hierbei den ersten Ausgang, einen - im Folgenden auch als ersten Eingang bezeichneten - Eingang für den ersten Energiespeicherblock und einen - im Folgenden auch als zweiten Eingang bezeichneten - Eingang für den zweiten Energiespeicherblock. Also ist der erste Energiespeicherblock mit dem ersten Eingang und der zweite Energiespeicherblock mit den zweiten Eingang elektrisch verbunden. Zusammenfassend weist die erste Gleichspannungswandlereinheit also zwei Eingänge, insbesondere jeweils ausgebildet als Eingangsstufen, nämlich den ersten und den zweiten Eingang, auf.
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Die zweite Gleichspannungswandlereinheit umfasst hierbei den zweiten Ausgang, einen - hier und im Folgenden zum Zwecke einer besseren Unterscheidbarkeit als dritten Eingang bezeichneten - Eingang für den ersten Energiespeicherblock und einen - hier und im Folgenden zum Zwecke einer besseren Unterscheidbarkeit als vierten Eingang bezeichneten - Eingang für den zweiten Energiespeicherblock. Also ist der erste Energiespeicherblock mit dem dritten Eingang und der zweite Energiespeicherblock mit den vierten Eingang elektrisch verbunden. Zusammenfassend weist die zweite Gleichspannungswandlereinheit also zwei Eingänge, insbesondere ausgebildet als Eingangsstufen, nämlich den dritten und den vierten Eingang auf.
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Insbesondere bildet die erste und die zweite Gleichspannungswandlereinheit jeweils einen Multi-Input-Gleichspanungswandler.
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Bei der Ausgestaltung der Gleichspannungswandlereinrichtung mit der ersten Gleichspannungswandlereinheit und mit der zweiten Gleichspannungswandlereinheit ist vorteilhaft auch bei einem Defekt oder Ausfall einer der beiden Gleichspannungswandlereinheiten ein Betrieb des Niedervoltverbrauchers anhand der jeweils anderen Gleichspannungswandlereinheit ermöglicht. Vorteilhaft ist also ein vergleichsweise sicherer und zuverlässiger Betrieb des, insbesondere sicherheitsrelevanten Niedervoltverbrauchers realisiert.
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Zusammenfassend weist die erste und die zweite Gleichspannungswandlereinheit jeweils einen Eingang für den ersten Energiespeicherblock und einen Eingang für den zweiten Energiespeicherblock auf. Somit ist auch bei einem Fehler oder Defekt einer der Energiespeicherblöcke der Niedervoltverbraucher redundant anhand beider Gleichspannungswandlereinheiten und anhand des jeweils anderen Energiespeicherblocks betreibbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Niedervoltbordnetz, also derjenige Teil des Bordnetzes, welcher ausgangsseitig mit der Gleichspannungswandlereinrichtung elektrisch verbunden ist, batterielos. Mit anderen Worten ist in das Niedervoltbordnetz keine Batterie, insbesondere keine Starterbatterie, beispielsweise keine Lithium-Ionen-Batterie oder Bleibatterie, geschaltet. Die Versorgung des bzw. der (Niedervolt-)Verbraucher des Niedervoltbordnetzes, also des Verbrauchers bzw. der Verbraucher, die in das Niedervoltbordnetz geschaltet sind, erfolgt hierbei lediglich aus dem Hochvoltnetz anhand der Gleichspannungswandlereinrichtung. Aufgrund der (mehrfach) redundanten Energieversorgung des Niedervoltverbrauchers anhand der Gleichspannungswandlereinrichtung ist eine solche Batterie nicht notwendig und wird zweckmäßig auch nicht verbaut, so dass Kosten eingespart werden und entsprechend mehr Bauraum zur Verfügung steht.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der erste Ausgang mit einem ersten Anschluss für den Niedervoltverbraucher verbunden. Der zweite Ausgang ist mit einem zum ersten Anschluss separaten zweiten Anschluss für den Niedervoltverbraucher verbunden. Insbesondere ist der erste Anschluss elektrisch nicht mit dem zweiten Anschluss verbunden. Der Niedervoltverbraucher ist also an zwei zueinander separaten Anschlüssen zu dessen Energieversorgung anschließbar. Auf diese Weise ist der Niedervoltverbraucher bei einem Fehler in einem Abschnitt des Niedervoltbordnetzes, der mit einem der Anschlüsse elektrisch verbunden ist, anhand des jeweils anderen Anschlusses und der Gleichspannungswandlereinrichtung betreibbar. Dies gilt in analoger Weise auch für einen Fehler im Kommunikationsnetz, insbesondere dem Bus-System wie beispielsweise CAN. Zusammenfassend ist ein vergleichsweise sicherer Betrieb des Niedervoltverbraucher auch bei einem Fehler im Niedervoltnetz erreicht.
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Die (Traktions-)Batterie weist zweckmäßigerweise ein erstes Haupt-Schütz und/oder ein zweites Hauptschütz auf, anhand welcher die Energiespeicherblöcke von einem positiven Batterieanschluss bzw. von einem negativen Batterieanschluss trennbar ist. So können bei einem Fehler im Hochvoltbordnetz, insbesondere bei einem Fehler eines Hochvoltverbrauchers und/oder der Traktionsbatterie deren Energiespeicherbänke vom restlichen Hochvoltbordnetz weggeschaltet werden. Beispielsweise ist zusätzlich hierzu ein weiteres Trennelement zur Absicherung, insbesondere ein Pyrofuse oder eine Schmelzsicherung, vorgesehen, so dass im Fehlerfall, insbesondere bei einem Kurzschluss, die Traktionsbatterie - auch im Falle eines verschweißten Haupt-Schützes - vom restlichen Hochvoltbordnetz getrennt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Bordnetzes ist zwischen dem ersten Energiespeicherblock und dem Eingang bzw. den Eingängen der Gleichspannungswandlereinrichtung für den ersten Energiespeicherblock das erste Haupt-Schütz geschaltet. Vorzugsweise ist parallel zum ersten Hauptschütz eine Serienschaltung mit einem ersten Vorladeschütz und einem Vorladewiderstand geschaltet. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist zwischen dem zweiten Energiespeicherblock und dem Eingang bzw. den Eingängen der Gleichspannungswandlereinrichtung für den zweiten Energiespeicherblock das zweite Hauptschütz geschaltet. Vorzugsweise ist parallel zum zweiten Hauptschütz eine Serienschaltung mit einem zweiten Vorladeschütz und einem Vorladewiderstand geschaltet.
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Mit anderen Worten ist der erste Energiespeicherblock mittels des ersten Hauptschützes und/oder mittels des ersten Vorladeschützes mit dem entsprechenden Eingang oder den entsprechenden Eingängen der Gleichspannungswandlereinrichtung verbindbar. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist der zweite Energiespeicherblock mittels des zweiten Hauptschützes und/oder mittels des zweiten Vorladeschützes mit dem entsprechenden Eingang oder den entsprechenden Eingängen der Gleichspannungswandlereinrichtung verbindbar.
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Anhand des Vorladeschützes oder der Vorladeschütze kann die Gleichspannungswandlereinrichtung, insbesondere dessen kapazitive Anteile vorgeladen werden, so dass eine Beschädigung aufgrund eines vergleichsweise hohen Einschaltstromes vermieden ist.
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Alternativ sind - sofern die Gleichspannungswandlereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass ein Vorladen nicht notwendig ist, die beispielswiese lediglich vergleichsweise kleine Kapazitäten aufweist oder diese abschaltbar sind - der erste Energiespeicherblock und die zweite Energiespeicherblock direkt an den jeweiligen Eingang angeschlossen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Bordnetz eine dritte Gleichspannungswandlereinheit, insbesondere ausgebildet als Multi-Output-Gleichspannungswandler, auf. Diese ist besonders bevorzugt zur Gleichspannungswandlereinrichtung separat, also baulich zu dieser getrennt. An deren Eingang, welcher insbesondere als Eingangsstufe ausgebildet ist, ist die Hochvoltbatterie, vorzugsweise die, insbesondere in Serie miteinander geschalteten, Energiespeicherblöcke angeschossen. Vorzugsweise ist die Traktionsbatterie direkt, insbesondere nicht mittels eines der oder beider Hauptschütze, oder lediglich anhand eines Trennelements, beispielsweise einer Schmelzsicherung, mit dem Eingang verbunden. Weiterhin umfasst die dritte Gleichspannungswandlereinheit zwei Ausgänge für das Niedervoltbordnetz, wobei diese Ausgänge hier und im Folgenden zum Zwecke einer besseren Unterscheidbarkeit als dritter Ausgang und als vierte Ausgang bezeichnet werden. Der Eingang der dritten Gleichspannungswandlereinheit ist dabei mit beiden Ausgängen spannungswandlungstechnisch und/oder leistungsübertragungstechnisch gekoppelt, so dass auch bei einem Defekt einer dieser beiden Ausgänge eine Spannung am jeweils anderen Ausgang bereitgestellt werden kann.
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Allenfalls ist der dritte Ausgang mit dem ersten Anschluss für den Niedervoltverbraucher und der vierte Ausgang mit dem zweiten Anschluss für den Niedervoltverbraucher elektrisch verbunden.
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Anhand der dritten Gleichspannungswandlereinheit ist es ermöglicht, auch bei einem Fehler im Hochvoltbordnetz, bei dem die Traktionsbatterie durch stromsperrend Schalten des oder der Hauptschütze vom restlichen Hochvoltnetz weggeschaltet ist, elektrische Energie in das Niedervoltnetz einzuspeisen.
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Dabei ist die dritte Gleichspannungswandlereinheit vorzugsweise für die Übertragung vergleichsweise kleiner Leistungen vorgesehen und eingerichtet. Hierzu ist die maximale Ausgangsleistung der dritte Gleichspannungswandlereinheit, insbesondere um einen Faktor 10 bis 50, kleiner als die der Gleichspannungswandlereinrichtung, insbesondere als die der ersten Gleichspannungswandlereinheit und/oder zweiten Gleichspannungswandlereinheit. Die dritte Gleichspannungswandlereinheit dient in diesem Fall lediglich der Versorgung des Niedervoltverbrauchers mit einem Ruhestrom, beispielsweise um ein Löschen eines Speichers des Niedervoltverbrauchers zu verhindern.
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In geeigneter Ausgestaltung sind der erste Energiespeicherblock und der zweite Energiespeicherblock elektrisch voneinander trennbar. Hierzu ist zweckmäßig ein Schalter, insbesondere ein Relais oder eine Schutzschalter, zwischen die in geeigneter Weise in Serie zueinander geschalteten Energiespeicherblöcke geschaltet. Sofern die Hochvoltbatterie (Traktionsbatterie) weitere Energiespeicherblöcke umfasst, sind diese besonders bevorzugt ebenfalls voneinander, vom ersten und/oder vom zweiten Energiespeicherblock trennbar.
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Folglich ist anhand dieser Trennung, insbesondere anhand einer stromsperrenden Schaltung des Schalters, bei einem Defekt eines der Energiespeicherblöcke, beispielsweise bei einem Kurzschluss einer dessen Batteriezellen, eine Beeinträchtigung des jeweils anderen Energiespeicherblocks und/oder eine Propagation des Fehlers/Defekts auf diesen voreilhaft vermeidbar.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, das gemäß einer der oben dargestellten Varianten ausgebildet ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einem Blockschaltbild ein Bordnetz für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausgestaltung, wobei eine Traktionsbatterie einen ersten und einen zweiten Energiespeicherblock umfasst, wobei der erste Energiespeicherblock anhand eines Schützes mit einem Eingang einer ersten Gleichspannungswandlereinheit einer Gleichspannungswandlereinrichtung und mit einem Eingang einer zweiten Gleichspannungswandlereinheit der Gleichspannungswandlereinrichtung verbunden ist, wobei der zweite Energiespeicherblock mittels eines weiteren Schützes mit einem weiteren Eingang der ersten Gleichspannungswandlereinheit und mit einem weiteren Eingang der zweiten Gleichspannungswandlereinheit verbunden ist, und wobei die Ausgänge der Gleichspannungswandlereinheiten für einen Niedervoltverbraucher jeweils mit deren Eingängen gekoppelt sind,
- 2 das Bordnetz gemäß einer zweiten Ausgestaltung, wobei die Energiespeicherblöcke direkt mit den Eingängen der ersten und der zweiten Gleichspannungswandlereinheit verbunden sind, und
- 3 das Bordnetz gemäß einer dritten Ausgestaltung, wobei die Gleichspannungswandlereinrichtung als ein Multi-Input-Multi-Output-Gleichspannungswandler ausgebildet ist.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist schematisch ein Bordnetz 2 für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug dargestellt. Dieses umfasst ein Hochvoltbordnetz 2a und ein Niedervoltbordnetz 2b. Eine Traktionsbatterie 4 des Bordnetzes 2 umfasst einen ersten Energiespeicherblock 6 und einen zweiten Energiespeicherblock 8, wobei die beiden Energiespeicherblöcke 6, 8 gemäß dieser Ausführungsvariante beispielsweise in Serie miteinander geschaltet sind. Jeder der Energiespeicherblöcke 6,8 umfasst dabei eine Mehrzahl an Batteriezellen 10, die in Serie und/oder parallel zueinander geschaltet sind. Zum Zwecke einer besseren Übersichtlichkeit sind in allen Figuren beispielhaft lediglich zwei in Serie geschaltete Batteriezellen 8 je Energiespeicherblock 6,8 dargestellt. Bevorzugt stellen die beiden Energiespeicherblöcke 6,8 die gleiche Spannung bereit.
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Die Traktionsbatterie 4 stellt an deren Batterieanschlüssen 12a,12b eine Hochvoltspannung, also eine Spannung größer als 60V, insbesondere 800V, bereit, wobei zwischen dem ersten Energiespeicherblock 6 und einem der Batterieanschlüsse, nämlich dem positiven Batterieanschluss 12a, ein erstes Hauptschütz 14 geschaltet ist. In analoger Weise ist zwischen dem zweiten Energiespeicherblock 8 und einem zweiten der Batterieanschlüsse, nämlich dem negativen Batterieanschluss 12b, ein zweites Hauptschütz 16 geschaltet. Die Batterieanschlüsse 12a, 12b können anhand der beiden Hauptschütze 14,16, insbesondere im Fehlerfall im Hochvoltbordnetz 2a, von den Energiespeicherblöcken 6,8 weggeschaltet, also elektrisch getrennt, werden.
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Die Traktionsbatterie 4 ist weiterhin derart ausgestaltet, dass an den Batterieanschlüssen 12a, 12b lediglich die vom ersten Energiespeicherblock 6 bereitgestellte Spannung, oder lediglich die vom zweiten Energiespeicherblock 8 bereitgestellte Spannung, oder die Spannung der beiden in Serie miteinander geschalteten Energiespeicherblöcke 6,8, also die Summe deren Spannungen, anliegt. Hierzu sind drei Schalter, nämlich ein erster Schalter 18, ein zweiter Schalter 20 und ein dritter Schalter 22 vorgesehen. Dabei ist der erste Schalter 18 zwischen den beiden Energiespeicherblöcken 6,8 geschaltet. Also ist der erste Energiespeicherblock anhand des ersten Schalters 18 von zweiten Energiespeicherblock elektrisch trennbar. Der erste Schalter 18 ist beispielsweise als Schütz oder als Schutzschalter ausgebildet. Auf diese Weise kann der erste und der zweite Energiespeicherblock 6,8 im Fehlerfall eines dieser Energiespeicherblöcke voneinander elektrisch getrennt werden, so dass eine Beeinflussung des intakte Energiespeicherblock oder eine Propagation des Defekt auf den intakten Energiespeicherblock vermieden ist.
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Der zweite Schalter 20 ist in einen Strompfad geschaltet, der zwischen einem Knotenpunkt, der zwischen dem ersten Energiespeicherblock 6 (Batteriespeicherblock 6) und dem ersten Schütz 14 angeordnet ist, und einem Knotenpunkt, der zwischen dem zweiten Energiespeicherblock 8 (Batteriespeicherblock 8) und dem ersten Schalter 18 angeordnet ist, verläuft.
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Der dritte Schalter 22 ist in einen Strompfad geschaltet, der zwischen einem Knotenpunkt, der zwischen dem zweiten Energiespeicherblock 8 und dem zweiten Schütz 16 angeordnet ist, und einem Knotenpunkt, der zwischen dem ersten Energiespeicherblock 6 und dem ersten Schalter 18 angeordnet ist, verläuft.
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Zum Wegschalten des ersten Energiespeicherblock 6, insbesondere bei einem Fehlerfall/Defekt dessen, wird der erste Schalter 18 und der dritte Schalter 22 stromsperrend und der zweite Schalter 20 stromleitend geschaltet. Zum Wegschalten des zweiten Energiespeicherblock 8, insbesondere bei einem Fehlerfall/Defekt dessen, wird der erste Schalter 18 und der zweite Schalter 20 stromsperrend und der dritte Schalter 22 stromleitend geschaltet. Der Gleichspannungswandlereinrichtung 36 ist dann die Spannung des jeweils nicht weggeschalteten Energiespeicherblock 6 bzw. 8 zugeführt.
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Eine stromsperrende Schaltung des zweiten und des dritten Schalter 20, 22 und eine stromleitende Schaltung des ersten Schalters 18 bewirkt, dass die Energiespeicherblöcke 6,8 in Serie zwischen die beiden Batterieanschlüsse 12a, 12b geschaltet sind.
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An die beiden Batterieanschlüsse 12a, 12b ist ein Hochvoltverbraucher 24, beispielsweise ein Wechselrichter mit daran angeschlossenem Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs, angeschlossen. Weiterhin ist mit den Batterieanschlüsse 12a, 12b eine Ladevorrichtung 26 zum Laden der Traktionsbatterie 4 elektrisch verbunden.
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Zwischen den ersten Batterieanschluss 12a und den Hochvoltverbraucher 24 bzw. der Ladevorrichtung 26 ist eine Sicherung 32, insbesondere eine aktive Sicherung, und zwischen den zweiten Batterieanschluss 12b und den Hochvoltverbraucher 24 bzw. der Ladevorrichtung 26 ist eine weitere Sicherung 34 geschaltet.
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Im Bordnetz 2 ist eine Gleichspannungswandlereinrichtung 36 verschaltet. Diese umfasst eine erste Gleichspannungswandlereinheit 38 sowie eine zweite Gleichspannungswandlereinheit 40, welche hier jeweils als ein Multi-Input-Gleichspannungswandler ausgebildet sind. Die erste Gleichspannungswandlereinheit 38 umfasst hierbei einen (ersten) Ausgang 42, welcher mit einem ersten Anschluss 44 für einen sicherheitsrelevanten Niedervoltverbraucher 46 elektrisch verbunden ist. Die zweite Gleichspannungswandlereinheit 40 umfasst einen (zweiten) Ausgang 48, welcher mit einem zweiten Anschluss 50 für den sicherheitsrelevanten Niedervoltverbraucher 46 elektrisch verbunden ist.
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Der erste und der zweite Anschluss 44,50, insbesondere deren positive Anschlusspunkte 44a, 50a sind dabei nicht elektrisch miteinander gekoppelt. Lediglich deren negative Anschlusspunkte 44b, 50b sind mit Bezugspotential, insbesondere mit dem Potential des Fahrzeugchassis des Fahrzeugs, verbunden. Also ist der Niedervoltverbraucher anhand der zwei zueinander separaten Anschlüsse 44, 50 mit Energie versorgbar.
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Die erste Gleichspannungswandlereinheit 38 umfasst einen (ersten) Eingang 52 für den erste Energiespeicherblock 6 und einen (zweiten) Eingang 54 für den zweite Energiespeicherblock 8. Dabei ist der erste Ausgang 44 spannungswandlungstechnisch bzw. leistungsübertragungstechnisch sowohl mit dem ersten Eingang 52 als auch mit dem zweiten Eingang 54 gekoppelt. Also kann anhand der ersten Gleichspannungswandlereinheit 38 sowohl die vom ersten Energiespeicherblock 6 bereitgestellte Spannung als auch die vom zweiten Energiespeicherblock 8 bereitgestellte Spannung 8 gewandelt, insbesondere herabsetzt, werden und die gewandelte Spannung am zweiten Ausgang 48 bereitgestellt werden.
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Hierbei ist ein erster negativer Anschlusspunkt 56 des ersten Energiespeicherblocks 6 direkt an den ersten Eingang 52 angeschlossen. Ein zweiter, positiver Anschlusspunkt 58 des ersten Energiespeicherblocks 6 ist anhand des ersten Hauptschützes 14 und/oder anhand einer zum ersten Hauptschütz parallel geschalteten Vorladeschaltung mit einem ersten Vorladeschütz 60 und einem mit diesem in Serie geschalteten ersten Vorladewiderstand 62 mit dem ersten Eingang 52 verbindbar. Zusammenfassend ist zwischen dem ersten Energiespeicherblock, insbesondere zwischen dessen ersten Anschlusspunkt 58, und dem ersten Eingang 52 das erste Hauptschütz zum Trennen der Traktionsbatterie vom restlichen Hochvoltnetz 2a und ein zum ersten Hauptschütz 14 parallel geschaltetes erstes Vorladeschütz 60 und der erster Vorladewiderstand 62 geschaltet.
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Vorteilhaft ist hier eine einpolige Abschaltbarkeit erreicht, so dass zusätzliche Schutzmaßnahmen wie beispielsweise eine Schmelzsicherung entfallen können, und/oder Sicherheitsanforderungen nicht von der Traktionsbatterie 4 vererbt werden. Dies resultiert in einer vergleichsweise kostengünstigen Ausführung des Bordnetzes 2.
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Ein erster, positiver Anschlusspunkt 64 des zweiten Energiespeicherblocks 8 ist direkt an den zweiten Eingang 54 angeschlossen. Ein zweiter, negativer Anschlusspunkt 66 des zweiten Energiespeicherblocks 8 ist anhand des zweiten Hauptschützes 16 und/oder anhand einer zum zweiten Hauptschütz 14 parallel geschalteten Vorladeschaltung mit einem zweiten Vorladeschütz 68 und einem mit diesem in Serie geschalteten zweiten Vorladewiderstand 70 mit dem zweiten Eingang 54 verbindbar. Zusammenfassend ist zwischen dem zweiten Energiespeicherblock, insbesondere zwischen dessen zweiten Anschlusspunkt 66, und dem zweiten Eingang 54 das zweite Hauptschütz zum Trennen der Traktionsbatterie 4 vom restlichen Hochvoltnetz und ein zum zweiten Hauptschütz 16 parallel geschaltetes zweites Vorladeschütz 68 und der zweiter Vorladewiderstand 70 geschaltet.
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Die zweite Gleichspannungswandlereinheit 40 umfasst einen (dritten) Eingang 72 für die erste Energiespeicherblock 6 und einen (vierten) Eingang 74 für den zweite Energiespeicherblock 8. Dabei ist der zweite Ausgang 48 spannungswandlungstechnisch bzw. leistungsübertragungstechnisch sowohl mit dem dritten Eingang 72 als auch mit dem vierten Eingang 74 gekoppelt. Also kann anhand der zweiten Gleichspannungswandlereinheit 40 sowohl die vom ersten Energiespeicherblock 6 bereitgestellte Spannung als auch die vom zweiten Energiespeicherblock 8 bereitgestellte Spannung 8 gewandelt, insbesondere herabsetzt, werden und die gewandelte Spannung am zweiten Ausgang 48 bereitgestellt werden.
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Hierbei ist der erste negative Anschlusspunkt 56 des ersten Energiespeicherblocks 6 direkt an den dritten Eingang 72 angeschlossen. Der zweite, positiver Anschlusspunkt 58 des ersten Energiespeicherblocks 6 ist in analoger Weise anhand des ersten Hauptschützes 14 und/oder anhand der zum ersten Hauptschütz 14 parallel geschalteten (ersten) Vorladeschaltung mit dem ersten Vorladeschütz 60 und dem ersten Vorladewiderstand 62 mit dem dritten Eingang 72 verbindbar.
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Der erste, positive Anschlusspunkt 64 des zweiten Energiespeicherblocks 8 ist direkt an den vierten Eingang 74 angeschlossen. Der zweite, negative Anschlusspunkt 66 des zweiten Energiespeicherblocks 8 ist anhand des zweiten Hauptschützes 16 und/oder anhand der zum zweiten Hauptschütz 16 parallel geschalteten (zweiten) Vorladeschaltung mit dem zweiten Vorladeschütz 68 und dem zweiten Vorladewiderstand 70 mit dem zweiten Eingang 74 verbindbar.
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Anhand der ersten Vorladeschaltung ist die erste Gleichspannungswandlereinheit 38 vorladbar. Anhand der zweiten Vorladeschaltung ist die zweite Gleichspannungswandlereinheit 40 vorladbar. Auf diese Weise ist eine Beschädigung, insbesondere der jeweiligen Gleichspannungswandlereinheit 38 bzw. 40, bei der Inbetriebnahme aufgrund eines vergleichsweise großen (Einschalt-)Stromes vermieden.
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Zusammenfassend ist der Gleichspannungswandlereinrichtung 36 eingangsseitig, also hochvoltseitig, sowohl die Spannung des ersten Energiespeicherblocks 6 als auch die Spannung des zweiten Energiespeicherblocks 8 zugeführt. Die Gleichspannungswandlereinrichtung 36 wandelt die Spannung des ersten Energiespeicherblocks 6 und/oder die Spannung des zweiten Energiespeicherblocks 8 und stellt die gewandelte Spannung, also die Niedervoltspannung, am ersten Ausgang 42 und redundant hierzu am zweiten Ausgang 48 für den sicherheitsrelevanten Niedervoltverbraucher 46 bereit.
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Das Niedervoltbordnetz 2b weist keine Batterie, insbesondere keine Starterbatterie auf. Mit anderen Worten ist das Niedervoltbordnetz 2b batterielos. Aufgrund der redundanten Versorgung des Niedervoltverbrauchers 46 anhand der Gleichspannungswandlereinrichtung 36 ist eine solche Batterie nicht notwendig.
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Optional ist ein Kondensator 76, insbesondere ein Superkondensator, mit dem ersten Anschluss 44 und/oder ein weiterer Kondensator 78 mit dem zweiten Anschluss 50 verbunden. Der jeweilige Kondensator 76 bzw. 78 dient dabei als Energie-Zwischenspeicher, sofern der sicherheitsrelevante Niedervoltverbraucher 46 (oder ein weiterer, nicht dargestellter Niedervoltverbraucher) Energie in das Niedervoltbordnetz 2b einspeist. Des Weitern dient der jeweilige Kondensator 76 bzw. 78 als Puffer für den Fall eines Kurzschlusses in einem der Energiespeicherblöcke 6, 8 - insbesondere für den Zeitraum bis sich die betroffenen Batteriezellen erholt haben, oder der jeweilige Energiespeicherblock 6 oder 8 weggeschaltet ist - sofern der betroffene Energiespeicherblock nicht ausreichend schnell weggeschaltet werden kann. Im Unterschied zu einer Batterie, insbesondere Starterbatterie, bei welcher eine (elektro-)chemische Speicherung von Energie erfolgt, erfolgt beim (Super-)Kondensator eine elektrostatische Energiespeicherung. Dies resultiert darin, dass der Kondensator gegebenenfalls auch vergleichsweise hohe Spannungen halten und/oder puffern kann.
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Das Bordnetz 2 umfasst weiterhin eine dritte Gleichspannungswandlereinheit 80 an deren (fünften) Eingang 82 die Hochvoltbatterie 4 angeschlossen ist. Dabei ist der zweite Anschlusspunkt 58 des ersten Energiespeicherblocks 6 und der zweite Anschlusspunkt 66 des zweiten Energiespeicherblocks 8, insbesondere direkt, mit dem fünften Eingang 82 verbunden.
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Die dritte Gleichspannungswandlereinheit 80 umfasst einen (dritten) Ausgang 84 und einen weiteren (vierten) Ausgang 86. Dabei ist der dritte Ausgang 84 mit der positiven Anschlussstelle 44a des ersten Anschlusses 44 und mit der positiven Anschlussstelle 50a des zweiten Anschlusses 50 verbunden. Der vierte Ausgang 86 ist mit der negativen Anschlussstelle 44b des ersten Anschlusses 44 als auch mit der negativen Anschlussstelle 50b des zweiten Anschlusses 50 verbunden. Die dritte Gleichspannungswandlereinheit 80 dient, insbesondere lediglich, der Bereitstellung eines Ruhestroms für den bzw. die Niedervoltverbraucher 46. Zweckmäßig ist diese dritten Gleichspannungswandlereinheit 80 also nur im inaktiven Fahrzeugzustand aktiv. Insbesondere sind also keine Sicherheitsanforderungen vorhanden. Folglich kann ein Eisenkern, insbesondere ein gemeinsamer Eisenkern für die beiden Ausgänge 84,86, und die galvanisch verbundenen Ausgänge 84, 86 die beiden (Niedervolt-) Anschlüssen bedienen.
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Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante ist der dritte Ausgang 84 mit dem ersten Anschluss 44 und der vierte Ausgang 86 mit dem zweiten Anschluss 50 elektrisch verbunden ist. Die dritte Gleichspannungswandlereinheit 80 ist also als insbesondere als ein Multi-Output-Gleichspannungswandler ausgebildet. Hierbei ist dessen Eingang 82 spannungswandlungstechnisch und/oder leistungsübertragungstechnisch mit beiden Ausgängen 84 86 gekoppelt.
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Die dritte Gleichspannungswandlereinheit 80 dient der Bereitstellung eines Ruhestroms für den bzw. die Niedervoltverbraucher 46. Hierzu ist die maximale Ausgangsleistung der dritten Gleichspannungswandlereinheit 80, beispielsweise um einen Faktor 10 bis 50, kleiner ist als die der ersten Gleichspannungswandlereinheit 38 und/oder der zweiten Gleichspannungswandlereinheit 40.
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In der 2 ist eine zweite, alternative Ausgestaltung des Bordnetzes 2 dargestellt. Mit Ausnahme des im Folgenden dargestellten gelten dabei die Ausführungen zum Bordnetz 2 gemäß der 1 in analoger Weise.
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Bei dieser zweiten Ausgestaltung des Bordnetzes 2 ist der zweite, positive Anschlusspunkt 58 des ersten Energiespeicherblocks 6 unmittelbar mit dem ersten Eingang 52 und mit dem dritten Eingang 72 verbunden. Zudem ist der zweite, negative Anschlusspunkt 66 des zweiten Energiespeicherblocks 8 unmittelbar mit dem zweiten Eingang 54 und mit dem vierten Eingang 74 verbunden.
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Zusammenfassend ist der erste Energiespeicherblock 6 direkt mit dem ersten und dem dritten Eingang 52 und 72 verbunden, also ist das erste Hauptschütz 14 und die erste Vorladeschaltung nicht zwischen dem ersten Energiespeicherblock 6 und diese Eingänge 52, 72 geschaltet. Ebenso ist der zweite Energiespeicherblock 8 direkt mit dem zweiten und dem vierten Eingang 54 und 74 verbunden, also das zweite Hauptschütz 16 und die zweite Vorladeschaltung nicht zwischen dem zweiten Energiespeicherblock 8 und diese Eingänge 54, 74 geschaltet.
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Diese Art der Verschaltung ist insbesondere für eine Gleichspannungswandlereirichtung 36 bzw. für eine erste Gleichspannungswandlereinheit 38 und eine zweite Gleichspannungswandlereinheit 40 geeignet, deren Kapazitäten vergleichsweise gering oder sogar abschaltbar sind, so dass ein (Einschalt-)Strom vermieden oder lediglich klein ist.
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Weiter zusammenfassend ist bei der Ausgestaltung des Bordnetzes 2 gemäß der 2 eine Ausfallwahrscheinlichkeit des sicherheitsrelevanten Verbrauchers 46 vorteilhaft vergleichsweise gering.
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In der 3 ist eine zweite, alternative Ausgestaltung des Bordnetzes 2 dargestellt. Mit Ausnahme des im Folgenden dargestellten gelten dabei die Ausführungen zum Bordnetz 2 gemäß der 2 in analoger Weise.
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Die Gleichspannungswandlereinrichtung 36 ist hier als ein Multi-input-Multi-Output-Gleichspannungswandler ausgebildet. Diese umfasst also die beiden Ausgänge 42 und 48 sowie den ersten Eingang 52 für den ersten Energiespeicherblock 6 sowie den zweiten Eingang 54 für den zweiten Energiespeicherblock 8. Dabei sind erste Eingang 52 und der zweite Eingang 54 sowohl mit dem ersten Ausgang 42 sowie mit dem zweiten Ausgang 48 spannungswandlungstechnisch miteinander gekoppelt. Somit kann die vom ersten Energiespeicherblock 6 bereitgestellte Spannung anhand der Gleichspannungswandlereinrichtung 36 heruntergesetzt und die herabgesetzte am ersten Ausgang 42, am zweiten Ausgang 48, oder an beiden Ausgängen bereitgestellt werden. Zudem kann somit die vom zweiten Energiespeicherblock 8 bereitgestellte Spannung anhand der Gleichspannungswandlereinrichtung 36 heruntergesetzt und die herabgesetzte am ersten Ausgang 42, am zweiten Ausgang 48, oder an beiden Ausgängen 42, 48 bereitgestellt werden.
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Gemäß nicht weiter dargestellten Ausgestaltungen des Bordnetzes 2 gemäß den 1 bis 3 weist die Traktionsbatterie 4 mehr als zwei Energiespeicherblöcke, beispielsweise vier oder sechs Energiespeicherblöcke auf. Zweckmäßiger Weise sind die Energiespeicherblöcke miteinander in Serie verschaltet. Bei der Ausgestaltung der Gleichspannungswandlereinrichtung 36 als Multi-input-Multi-Output-Gleichspannungswandler umfasst dieser zweckmäßig jeweils einen Eingang für jeden der Energiespeicherblöcke, wobei die Eingänge sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Ausgang 42, 48 spannungswandlungstechnisch gekoppelt sind. Bei der Ausgestaltung der Gleichspannungswandlereinrichtung 36 mit den zwei als Multi-Input-Gleichspannungswandler ausgebildeten Gleichspannungswandlereinheiten 38,40 weist vorzugsweise jede der Gleichspannungswandlereinheiten 38,40 jeweils einen Eingang für jeden der Energiespeicherblöcke auf, wobei der Ausgang 42 der ersten Gleichspannungswandlereinheit 38 bevorzugt mi allen deren Eingängen spannungswandlungstechnisch gekoppelt ist, und wobei der Ausgang 48 der zweiten Gleichspannungswandlereinheit 40 bevorzugt mi allen deren Eingängen spannungswandlungstechnisch gekoppelt ist. Bei all diesen nicht weiter dargestellten Ausgestaltungen ist bevorzugt zwischen den Energiespeicherblöcken jeweils ein Schalter, insbesondere ein Relais oder ein Schutzschalter zum voneinander rennen der Energiespeicherblöcke im Kurzschlussfall geschaltet.
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In nicht näher dargestellter Weise umfasst ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug das Bordnetz gemäß einer der 1 bis 3.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen 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
- Bordnetz
- 2a
- Hochvoltbordnetz
- 2b
- Niedervoltnetz
- 4
- Traktionsbatterie
- 6
- erster Energiespeicherblock
- 8
- zweiter Energiespeicherblock
- 10
- Batteriezelle
- 12a,b
- Batterieanschluss
- 14
- erstes Haupt-Schütz
- 16
- zweites Haupt-Schütz
- 18
- erster Schalter
- 20
- zweiter Schalter
- 22
- dritter Schalter
- 24
- Hochvoltverbraucher
- 26
- Ladevorrichtung
- 32
- Sicherung
- 34
- Sicherung
- 36
- Gleichspannungswandlereinrichtung
- 38
- erste Gleichspannungswandlereinheit
- 40
- zweite Gleichspannungswandlereinheit
- 42
- Ausgang der ersten Gleichspannungswandlereinheit
- 44
- erster Anschluss für den Niedervoltverbraucher
- 44a
- positive Anschlussstelle des ersten Anschlusses
- 44b
- negative Anschlussstelle des ersten Anschlusses
- 46
- Niedervoltverbraucher
- 48
- Ausgang der zweiten Gleichspannungswandlereinheit
- 50
- zweiter Anschluss für den Niedervoltverbraucher
- 50a
- positive Anschlussstelle des zweiten Anschlusses
- 50b
- negative Anschlussstelle des zweiten Anschlusses
- 52
- Eingang der ersten Gleichspannungswandlereinheit
- 54
- Eingang der ersten Gleichspannungswandlereinheit
- 56
- Anschlusspunkt des ersten Energiespeicherblocks
- 58
- Anschlusspunkt des ersten Energiespeicherblocks
- 60
- erstes Vorladeschütz
- 62
- erster Vorladewiderstand
- 64
- Anschlusspunkt des zweiten Energiespeicherblocks
- 66
- Anschlusspunkt des zweiten Energiespeicherblocks
- 68
- zweites Vorladeschütz
- 70
- zweiter Vorladewiderstand
- 72
- Eingang der zweiten Gleichspannungswandlereinheit
- 74
- Eingang der zweiten Gleichspannungswandlereinheit
- 76
- Kondensator
- 78
- Kondensator
- 80
- dritte Gleichspannungswandlereinheit
- 82
- Eingang der dritten Gleichspannungswandlereinheit
- 84
- Ausgang der dritten Gleichspannungswandlereinheit
- 86
- Ausgang der dritten Gleichspannungswandlereinheit
