DE102022207361B3 - Elektrisches Versorgungsnetz und Verfahren zur Versorgung von Niedervoltverbrauchern eines elektrischen Versorgungsnetzes eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Elektrisches Versorgungsnetz und Verfahren zur Versorgung von Niedervoltverbrauchern eines elektrischen Versorgungsnetzes eines Kraftfahrzeuges Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Versorgungsnetz (1) eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Hochvoltbatterie (2), einen Zwischenkreiskondensator (3), einen Wechselrichter (4), eine Elektromaschine (5), einen DC/DC-Wandler (8), Niedervoltverbraucher (9) sowie mindestens ein Steuergerät (11), wobei das Steuergerät (11) derart ausgebildet ist, während des Fahrbetriebes bei abgeschalteter Hochvoltbatterie (2) die Elektromaschine (5) in einen Rekuperationsmodus zu schalten, um über den DC/DC-Wandler (8) die Niedervoltverbraucher (9) zu versorgen, wobei mindestens ein Hochvoltverbraucher (7) vorgesehen ist, dessen Leistungsaufnahme regel- oder steuerbar ist, wobei das Steuergerät (11) derart ausgebildet ist, den Wechselrichter (4), den Hochvoltverbraucher (7) und den DC/DC-Wandler (8) derart anzusteuern, dass die Energieentnahme aus dem Zwischenkreiskondensator (3) so lange wie möglich konstant gehalten wird, sowie ein Verfahren zur Spannungsversorgung von Niedervoltverbrauchern (9).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeuges und ein Verfahren zur Versorgung von Niedervoltverbrauchern eines elektrischen Versorgungsnetzes eines Kraftfahrzeuges.
  • Elektrische Versorgungsnetze von Elektro- oder Hybridfahrzeugen umfassen eine Hochvoltbatterie, einen Zwischenkreiskondensator, einen Wechselrichter, eine Elektromaschine, einen DC/DC-Wandler, Niedervoltverbraucher sowie mindestens ein Steuergerät. Dabei werden die Niedervoltverbraucher über den DC/DC-Wandler aus der Hochvoltbatterie mit Energie versorgt. Im Fehlerfall bei abgeschalteter Hochvoltbatterie müssen zumindest einige Niedervoltverbraucher eine gewisse Zeit bis zum Fahrzeugstillstand versorgt werden. Dies kann prinzipiell über eine Niedervoltbatterie erfolgen, die dann aber entsprechend dimensioniert sein muss. Alternativ ist es bekannt, während der Fahrt bei abgeschalteter Hochvoltbatterie die Versorgung durch einen Rekuperationsmodus der Elektromaschine sicherzustellen.
  • Aus der DE 10 2016 200 663 A1 ist ein gattungsgemäßes elektrisches Versorgungsnetz und ein Verfahren zum Regeln der Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator eines Antriebsmotors eines Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugs nach dem Abtrennen der Hochvoltbatterie vom Stromkreis bekannt, wobei die Regelung des Drehmoments des Antriebsmotors abgeschaltet wird und die vom Antriebsmotor abgegebene elektrische Energie derart mit einem Regler geregelt an den Zwischenkreiskondensator übertragen wird, dass die Zwischenkreisspannung in ihrem zeitlichen Verlauf einem Sollwert zu einem Wertebereich folgt und dann in diesem Wertebereich verbleibt.
  • Aus der DE 10 2013 015 713 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, aufweisend ein elektrisches Hochvoltsystem und daran angeschlossene elektrische Verbraucher, wobei das Hochvoltsystem eine Hochvoltbatterie sowie zumindest ein die Hochvoltbatterie mit den Verbrauchern koppelndes elektrisches Schaltelement aufweist, eine Abschalteinrichtung, die dazu ausgelegt ist, für eine Parkphase des Kraftfahrzeugs zum Abschalten des Hochvoltsystems ein Abschaltsignal zum Öffnen des zumindest einen Schaltelements zu erzeugen, und eine Überwachungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, nach dem Erzeugen des Abschaltsignals zu überprüfen und durch ein Detektionssignal zu signalisieren, falls das zumindest eine Schaltelement blockiert und hierdurch in einem elektrisch leitenden Zustand verblieben ist. Weiter ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, für den Fall, dass die Überwachungseinrichtung das Detektionssignal erzeugt, an einen oder mehrere oder alle der Verbraucher jeweils zumindest einen Steuerbefehl auszusenden und hierdurch einen Leistungsverbrauch des jeweiligen Verbrauchers zu Beginn oder während der Parkphase zu steuern. Die elektrischen Hochvoltverbraucher sind beispielsweise eine Heizung und/oder eine Standheizung und/oder eine Kühlung. Andere Beispiele sind der elektrische Antriebsmotor und ein elektrischer Klimakompressor. Weiter weist das Hochvoltsystem einen über das zumindest eine Schaltelement mit der Hochvoltbatterie gekoppelten Zwischenkreis auf, an welchen als einer der Verbraucher eine Entladeeinrichtung angeschlossen ist, die dazu ausgelegt ist, bei geöffnetem zumindest einem Schaltelement den Zwischenkreis elektrisch zu entladen, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, mittels des zumindest einen Steuerbefehls die Entladeeinrichtung zu deaktivieren.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein elektrisches Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs zu verbessern sowie ein geeignetes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein elektrisches Versorgungsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das elektrische Versorgungsnetz eines Kraftfahrzeugs umfasst eine Hochvoltbatterie, einen Zwischenkreiskondensator, einen Wechselrichter, eine Elektromaschine, einen DC/DC-Wandler, Niedervoltverbraucher sowie mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist derart ausgebildet, während des Fahrbetriebes bei abgeschalteter Hochvoltbatterie die Elektromaschine in einen Rekuperationsmodus zu schalten, um über den DC/DC-Wandler die Niedervoltbatterie zu versorgen. Weiter ist mindestens ein Hochvoltverbraucher vorgesehen, dessen Leistungsaufnahme regel- oder steuerbar ist, wobei das Steuergerät derart ausgebildet ist, den Wechselrichter, den Hochvoltverbraucher und den DC/DC-Wandler derart anzusteuern, dass die Energieentnahme aus dem Zwischenkreiskondensator so lange wie möglich konstant ist. Dies erlaubt eine sehr stabile Regelung der Elektromaschine, sodass starke Schwankungen der Spannung am Zwischenkreiskondensator vermieden werden, was die Bauteile schont, sodass der Rekuperationsbetrieb nicht unterbrochen werden muss und quasi bis zum Fahrzeugstillstand durchgeführt werden kann. So lange wie möglich bedeutet dabei, dass ab sehr geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten von beispielsweise 10 km/h die kinetische Energie des Kraftfahrzeugs nicht mehr ausreicht, die Energieentnahme konstant aufrecht zu halten, sodass dann die Spannung am Zwischenkreiskondensator zusammenbricht. Da die Energieaufnahme der Niedervoltverbraucher abhängig von der Fahrsituation ist und zusätzlich einer gewissen Dynamik unterworfen ist, kann dies nun durch den regel- oder steuerbaren Hochvoltverbraucher kompensiert werden, sodass in Summe die Energieaufnahme des DC/DC-Wandlers und des Hochvoltverbrauchers konstant ist, wobei aufgrund der Trägheit der Regelungen leichte Schwankungen auftreten können. Der Hochvoltverbraucher ist beispielsweise ein Heizelement. Der DC/DC-Wandler kann dabei auch bidirektional ausgebildet sein, um beispielsweise den Zwischenkreiskondensator in bestimmten Situationen vorzuladen.
  • In einer Ausführungsform ist das Steuergerät weiter derart ausgebildet, die ohmschen Verluste in der Elektromaschine zu regeln. Beispielsweise können hohe elektrische Ströme in den Spulen bei geringen Momenten zugelassen werden. Hierdurch wird das Kraftfahrzeug schneller abgebremst. Dabei sei angemerkt, dass die Steuerungen durch ein zentrales Steuergerät vorgenommen werden können oder durch mehrere verteilte Steuergeräte, die dann beispielsweise durch ein übergeordnetes Steuergerät koordiniert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Niedervoltseite mindestens einen Energiespeicher auf. Hierdurch können dann nach Zusammenbruch der Zwischenkreisspannung die Niedervoltverbraucher eine gewisse Zeit versorgt werden. Der Energiespeicher kann eine Niedervoltbatterie und/oder ein Kondensator sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfassen die Niedervoltverbraucher Fahrzeugleuchten, wobei die Kapazität des Energiespeichers derart dimensioniert ist, nach Fahrzeugstillstand für eine vorgegebene Zeitdauer die Fahrzeugleuchten zu versorgen. So kann beispielsweise eine Warnleuchte aktiviert werden, sodass der Kraftfahrzeugführer genügend Zeit hat, das abgestellte Fahrzeug mittels eines Warndreiecks zu sichern. Die vorgegebene Zeitdauer kann beispielsweise 5 oder 10 Minuten betragen.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird das mindestens eine Steuergerät über die am DC/DC-Wandler angeschlossene Niedervoltseite mit Spannung versorgt, sodass deren Spannungsversorgung sichergestellt ist, selbst wenn im übrigen Bordnetz ein Fehler auftritt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät derart ausgebildet, bei Unterschreitung eines Schwellwertes für die Fahrzeuggeschwindigkeit oder die Spannung am Zwischenkreiskondensator eine elektrische Parkbremse oder eine Verrollsicherung betätigt wird. Dabei sei angemerkt, dass bei Ausführungsformen mit einem Energiespeicher auf der Niedervoltseite die Parkbremse oder die Verrollsicherung auch nach dem Fahrzeugstillstand betätigt werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Niedervoltverbraucher mindestens Verbraucher eines Lenkungssystems und/oder Bremssystems. So kann insbesondere bei Steer- oder Brake-Wire-Systemen sowie automatisiert fahrenden Kraftfahrzeugen die Funktionsfähigkeit aufrechterhalten werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das elektrische Versorgungsnetz mindestens zwei Elektromaschinen auf, die jeweils ein Niedervoltnetz über einen DC/DC-Wandler versorgen. Hierdurch kann eine gewisse Redundanz hergestellt werden.
  • Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Versorgungsnetzes eines Kraftfahrzeugs.
  • Das elektrische Versorgungsnetz 1 weist eine Hochvoltbatterie 2, einen Zwischenkreiskondensator 3, einen Wechselrichter 4 und eine Elektromaschine 5 auf. Zwischen der Hochvoltbatterie 2 und dem Zwischenkreiskondensator 3 sind Schaltelemente 6 angeordnet, um die Hochvoltbatterie 2 allpolig abschalten zu können. Die Schaltelemente 6 sind beispielsweise als Relais ausgebildet. Zwischen den Schaltelementen 6 und dem Zwischenkreiskondensator 3 ist mindestens ein Hochvoltverbraucher 7 angeordnet, dessen Leistungsaufnahme regel- oder steuerbar ist. Parallel zum Hochvoltverbraucher 7 ist ein DC/DC-Wandler 8 angeordnet. Die Ausgangsseite des DC/DC-Wandlers 8 stellt ein Niedervoltseite NV dar, auf der Niedervoltverbraucher 9 und ein Energiespeicher 10 angeordnet sind. Die Niedervoltverbraucher 9 sind beispielsweise elektrische Komponenten eines Brems-Lenksystems, Fahrzeugleuchten und eine elektrische Parkbremse. Weiter weist das Versorgungsnetz 1 mindestens ein Steuergerät 11 auf. Das Steuergerät 11 wird von der Niedervoltseite NV mit Spannung versorgt, was aus Übersichtsgründen nicht dargestellt ist. Das Steuergerät 11 steuert den Wechselrichter 4, den Hochvoltverbraucher 7 und die Niedervoltverbraucher 9 an.
  • Tritt während des Fahrbetriebes ein Fehler auf, aufgrund dessen die Hochvoltbatterie 2 abgetrennt werden muss, so werden die Schaltelemente 6 geöffnet. Das Steuergerät 11 schaltet daraufhin die Elektromaschine in einen Rekuperationsmodus, sodass diese generatorisch arbeitet und kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in elektrische Energie wandelt.
  • Der Wechselrichter 4 erzeugt dann einen Ladestrom für den Zwischenkreiskondensator 3. Über den DC/DC-Wandler 8 können dann die Niedervoltverbraucher 9 weiter versorgt werden. Der Energiebedarf auf der Niedervoltseite NV kann dabei je nach Fahrsituation sehr unterschiedlich sein. Das Steuergerät 11 steuert nun den Wechselrichter 4, den Hochvoltverbraucher 7 und den DC/DC-Wandler 8 derart an, dass die Energieentnahme aus dem Zwischenkreiskondensator 3 konstant ist, wobei der Energiebedarf der Niedervoltseite NV gedeckt ist. Schwankungen des Energiebedarfs auf der Niedervoltseite NV werden durch den Hochvoltverbraucher 7 ausgeglichen, der entsprechend so geregelt oder gesteuert wird, dass die Energieentnahme des Zwischenkreiskondensators 3 konstant ist. Durch den Rekuperationsmodus wird dann das Kraftfahrzeug abgebremst. Zur Erhöhung der Bremswirkung kann die Elektromaschine 5 derart angesteuert werden, dass die ohmschen Verluste erhöht werden, wobei jedoch thermische Grenzwerte zu beachten sind. Dabei wird der Energiespeicher 10 zum Fahrzeugstillstand hin so weit wie möglich aufgeladen. Unterschreitet dann die Fahrzeuggeschwindigkeit einen Schwellwert, so bricht die Spannung am Zwischenkreiskondensator 3 zusammen und das Fahrzeug kommt zum Stillstand. Über den Energiespeicher 10 können dann noch die Fahrzeugleuchten für eine vorgegebene Zeitdauer betrieben werden und eine elektrische Parkbremse kann betätigt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Versorgungsnetz
    2
    Hochvoltbatterie
    3
    Zwischenkreiskondensator
    4
    Wechselrichter
    5
    Elektromaschine
    6
    Schaltelement
    7
    Hochvoltverbraucher
    8
    DC/DC-Wandler
    9
    Niedervoltverbraucher
    10
    Energiespeicher
    11
    Steuergerät

Claims (9)

  1. Elektrisches Versorgungsnetz (1) eines Kraftfahrzeuges, umfassend eine Hochvoltbatterie (2), einen Zwischenkreiskondensator (3), einen Wechselrichter (4), eine Elektromaschine (5), einen DC/DC-Wandler (8), Niedervoltverbraucher (9) sowie mindestens ein Steuergerät (11), wobei das Steuergerät (11) derart ausgebildet ist, während des Fahrbetriebes bei abgeschalteter Hochvoltbatterie (2) die Elektromaschine (5) in einen Rekuperationsmodus zu schalten, um über den DC/DC-Wandler (8) die Niedervoltverbraucher (9) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hochvoltverbraucher (7) vorgesehen ist, dessen Leistungsaufnahme regel- oder steuerbar ist, wobei das Steuergerät (11) derart ausgebildet ist, den Wechselrichter (4), den Hochvoltverbraucher (7) und den DC/DC-Wandler (8) derart anzusteuern, dass die Energieentnahme aus dem Zwischenkreiskondensator (3) so lange wie möglich konstant gehalten wird.
  2. Elektrisches Versorgungsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11) weiter derart ausgebildet ist, die ohmschen Verluste in der Elektromaschine (5) zu regeln.
  3. Elektrisches Versorgungsnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Niedervoltseite (NV) mindestens ein Energiespeicher (10) angeordnet ist.
  4. Elektrisches Versorgungsnetz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedervoltverbraucher (9) Fahrzeugleuchten umfassen, wobei die Kapazität des Energiespeichers (10) derart dimensioniert ist, nach Fahrzeugstillstand für eine vorgegebene Zeitdauer die Fahrzeugleuchten zu versorgen.
  5. Elektrisches Versorgungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Steuergerät (11) über die am DC/DC-Wandler (8) angeschlossene Niedervoltseite (NV) mit Spannung versorgt wird.
  6. Elektrisches Versorgungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (11) derart ausgebildet ist, bei Unterschreitung eines Schwellwertes für die Fahrzeuggeschwindigkeit oder die Spannung am Zwischenkreiskondensator (3) eine elektrische Parkbremse oder eine Verrollsicherung zu betätigen.
  7. Elektrisches Versorgungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niedervoltverbraucher (9) mindestens Verbraucher eines Lenkungssystems und/oder Bremssystems sind.
  8. Elektrisches Versorgungsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Versorgungsnetz (1) mindestens zwei Elektromaschinen (5) aufweist, die jeweils ein Niedervoltnetz über einen DC/DC-Wandler (8) versorgen.
  9. Verfahren zur Versorgung von Niedervoltverbrauchern (9) eines elektrischen Versorgungsnetzes (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei das elektrische Versorgungsnetz (1) eine Hochvoltbatterie (2), einen Zwischenkreiskondensator (3), einen Wechselrichter (4), eine Elektromaschine (5), einen DC/DC-Wandler (8), Niedervoltverbraucher (9) sowie mindestens ein Steuerberät (11) aufweist, wobei das Steuergerät (11) während des Fahrbetriebes bei abgeschalteter Hochvoltbatterie (2) die Elektromaschine (5) in einen Rekuperationsmodus schaltet, um über den DC/DC-Wandler (8) die Niedervoltverbraucher (9) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Hochvoltverbraucher (7) vorgesehen ist, dessen Leistungsaufnahme regel- oder steuerbar ist, wobei das mindestens eine Steuergerät (11) den Wechselrichter (4), den Hochvoltverbraucher (7) und den DC/DC-Wandler (8) derart ansteuert, dass die Energieentnahme aus dem Zwischenkreiskondensator (3) so lange wie möglich konstant ist.
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