DE102022207363A1 - Traktionsnetz und Verfahren zum Ansteuern eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges - Google Patents

Traktionsnetz und Verfahren zum Ansteuern eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz (1) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, umfassend eine Hochvoltseite (HV) und eine Niedervoltseite (NV), wobei auf der Hochvoltseite (HV) mindestens eine Elektromaschine (6), ein Wechselrichter (5), und eine Hochvoltbatterie (7) angeordnet ist, wobei die Hochvoltseite (HV) mit der Niedervoltseite (NV) über mindestens einen DC/DC-Wandler (2) verbunden ist, wobei der Hochvoltbatterie (7) mindestens ein Schaltelement (10) zugeordnet ist, wobei das Traktionsnetz (1) mindestens ein Steuergerät (8) aufweist, das das Schaltelement (10) ansteuert, wobei das mindestens eine Schaltelement (10) in mindestens einer Verbindungsleitung (9) zwischen Hochvoltbatterie (7) und Wechselrichter (5) angeordnet ist, wobei die Hochvoltbatterie (7) über mindestens eine weitere Verbindungsleitung (12) mit dem DC/DC-Wandler (2) verbunden ist, sowie ein Verfahren zum Ansteuern eines Traktionsnetzes.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Traktionsnetz und ein Verfahren zum Ansteuern eines Traktionsnetzes eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges.
  • Traktionsnetze für Elektro- oder Hybridfahrzeuge umfassen eine Hochvoltseite und eine Niedervoltseite, wobei die Niedervoltseite die klassische Bordnetzseite ist, die typischerweise eine Spannungslage von 12 V aufweist und für die Versorgung von Steuergeräten und anderen Niedervoltverbraucher zuständig ist. Die Hochvoltseite weist gegenüber der Niedervoltseite eine höhere Spannungslage auf. Dabei sind Hybridfahrzeuge bekannt, wo die Hochvoltseite beispielsweise 24 V, 36 V oder 48 V beträgt, also unter 60 V beträgt, ab der Berührschutzmaßnahmen getroffen werden. Bei Elektrofahrzeugen liegt hingegen die Hochvoltseite typischerweise weit über 60 V, wobei die Spannungslage der Hochvoltseite beispielsweise zwischen 400 V bis 800 V liegt. Im Rahmen dieser Offenbarung bezeichnet Hochvoltseite allgemein eine Spannlage höher als die auf der Niedervoltseite. Auf der Hochvoltseite ist mindestens eine Elektromaschine, ein Wechselrichter und eine Hochvoltbatterie angeordnet, wobei über die Elektromaschine das Antriebsmoment erzeugt wird. Die Hochvoltseite und die Niedervoltseite können über einen DC/DC-Wandler verbunden sein, sodass die Hochvoltseite auch die Niedervoltseite elektrisch versorgen kann. Typischerweise ist der Hochvoltbatterie mindestens ein Schaltelement zugeordnet, mittels derer die Hochvoltbatterie vom übrigen Traktionsnetz abgetrennt wird. Dies kann z.B. bei einem Fehler der Elektromaschine der Fall sein. Dazu weist das Traktionsnetz mindestens ein Steuergerät auf, das das Schaltelement ansteuert.
  • Ein solches Traktionsnetz ist beispielsweise aus der US 2019/0337403 A1 bekannt. Dabei wird dort weiter vorgeschlagen, auf der Niedervoltseite eine Niedervoltbatterie anzuordnen. Weiter wird dort eine Brennstoffzelle offenbart, die über einen weiteren DC/DC-Wandler mit der Hochvoltbatterie und über noch einen weiteren DC/DC-Wandler mit der Niedervoltseite verbunden ist. Im Fehlerfall, wenn also die Hochvoltbatterie abgeschaltet wird, steht dann die Brennstoffzelle für die Versorgung der Niedervoltseite mit der Niedervoltbatterie zusätzlich zur Verfügung. Allerdings ist das dort offenbarte Traktionsnetz relativ komplex.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Traktionsnetz zu schaffen, das mit einfachen Mitteln die elektrische Versorgung der Niedervoltseite gewährleistet sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Traktionsnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das Traktionsnetz eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges umfasst eine Hochvoltseite und eine Niedervoltseite, wobei auf der Hochvoltseite mindestens eine Elektromaschine, ein Wechselrichter und eine Hochvoltbatterie angeordnet ist, wobei die Hochvoltseite mit der Niedervoltseite über mindestens einen DC/DC-Wandler verbunden ist, wobei der Hochvoltbatterie mindestens ein Schaltelement zugeordnet ist, wobei das Traktionsnetz mindestens ein Steuergerät aufweist, das das Schaltelement ansteuert. Dabei ist das mindestens eine Schaltelement in einer Verbindungsleitung zwischen Hochvoltbatterie und Wechselrichter angeordnet, wobei die Hochvoltbatterie über eine weitere Verbindungsleitung mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist. Hierdurch kann bei einem Defekt in der Elektromaschine und/oder in dem Wechselrichter der defekte Teil des Traktionsnetzes abgeschaltet werden und trotzdem die Niedervoltseite durch die Hochvoltbatterie über den DC/DC-Wandler versorgt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass auf der Niedervoltseite eine Niedervoltbatterie angeordnet ist. Weiter können weitere Hochvoltverbraucher auf der Hochvoltseite angeordnet sein, die dann ebenfalls mit dem Wechselrichter und/oder der Elektromaschine getrennt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass bei einem Fehler eines Hochvoltverbrauchers auch der Wechselrichter und die Elektromaschine abgeschaltet werden. Es kann aber auch vorgesehen sei, dass den Hochvoltverbrauchern ein eigenes Schaltelement zugeordnet ist, sodass Hochvoltverbraucher und Wechselrichter voneinander unabhängig abschaltbar sind. Das Steuergerät, das das Schaltelement ansteuert, ist beispielsweise ein Batterie-Management-Steuergerät der Hochvoltbatterie, das beispielsweise Daten von Strom- und/oder Spannungssensoren erhält. Vorzugsweise erfolgt die Abschaltung bei Hochvoltbatterien mit Nennspannungen kleiner/gleich 60 V einpolig, wobei bei Nennspannungen größer 60 V die Abschaltung allpolig erfolgt, also zwei Schaltelemente für Plus- und Minuspol vorgesehen sind.
  • In einer Ausführungsform ist in der mindestens einen weiteren Verbindungsleitung zum DC/DC-Wandler ein weiteres Schaltelement angeordnet, sodass bei einem Defekt der Hochvoltbatterie diese auch vom DC/DC-Wandler getrennt werden kann. Dabei kann hinsichtlich der ein- oder allpoligen Abschaltung auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler bidirektional ausgebildet, sodass beispielsweise von der Niedervoltseite aus ein Zwischenkreiskondensator des Wechselrichters vorgeladen werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem DC/DC-Wandler und dem Wechselrichter eine dritte Verbindungsleitung angeordnet, wobei in der dritten Verbindungsleitung mindestens ein drittes Schaltelement angeordnet ist. Hierdurch kann die erwünschte Vorladung des Zwischenkreiskondensators erfolgen, wobei bei einem Defekt des Wechselrichters, der Elektromaschine oder eines anderen Hochvoltverbrauchers der DC/DC-Wandler von den defekten Komponenten getrennt werden kann. Über diese dritte Verbindungsleitung kann zusätzlich mechanisch Energie der Elektromaschine zur Stützung der Niedervoltseite verwendet werden. Muss beispielsweise eine defekte Hochvoltbatterie abgeschaltet werden, so kann die Elektromaschine generatorisch betrieben werden. Dies verbessert zusätzlich die Ausfallsicherheit der Niedervoltseite.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die Schaltelemente als Relais ausgebildet, sodass eine galvanische Trennung erreicht wird, was insbesondere bei Hochvoltbatterien mit einer Nennspannung größer 60 V vorteilhaft ist.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind die Schaltelemente als MOSFETs ausgebildet, wobei weiter vorzugsweise mindestens das mindestens eine Schaltelement und das weitere Schaltelement jeweils als zwei gegensinnig in Reihe verschaltete MOSFETS ausgebildet sind, sodass der Stromfluss über die parasitären Dioden der MOSFETs unterbunden wird.
  • In einer Ausführungsform weist die Hochvoltbatterie eine Nennspannung von größer 12 V und kleiner 60 V auf, insbesondere eine Nennspannung von 24 V, 36 V oder 48 V auf.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist die Hochvoltbatterie eine Nennspannung von größer 60 V auf, insbesondere größer/gleich 380 V auf.
  • Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 ein Traktionsnetz in einer ersten Ausführungsform,
    • 2 ein Traktionsnetz in einer zweiten Ausführungsform,
    • 3 ein Traktionsnetz in einer dritten Ausführungsform,
    • 4 ein Traktionsnetz in einer vierten Ausführungsform und
    • 5 ein Traktionsnetz in einer fünften Ausführungsform.
  • In der 1 ist ein Traktionsnetz 1 für ein Hybridfahrzeug dargestellt, wobei das Traktionsnetz 1 eine Niedervoltseite NV und eine Hochvoltseite HV aufweist, die über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 2 miteinander verbunden sind. Auf der Niedervoltseite NV ist eine Niedervoltbatterie 3 und ein exemplarischer Niedervoltverbraucher 4 angeordnet, wobei die Niedervoltseite NV eine Spannungslage von 12 V aufweist. Auf der Hochvoltseite HV ist ein Wechselrichter 5 (bestehend aus drei Halbbrücken) und eine Elektromaschine 6 angeordnet, wobei die Elektromaschine 6 durch drei Widerstände und drei Induktivitäten dargestellt ist. Parallel zum Wechselrichter 5 ist ein Zwischenkreiskondensator C angeordnet. Weiter ist auf der Hochvoltseite HV eine Hochvoltbatterie 7 mit einer Nennspannung von 48 V angeordnet, wobei über eine Verbindungsleitung 9 die Hochvoltbatterie 7 mit dem Wechselrichter 5 verbunden ist, wobei in der Verbindungsleitung 9 ein Schaltelement 10 angeordnet ist, wobei das Schaltelement 10 durch zwei gegensinnig in Reihe geschaltete MOSFETs 11 gebildet wird, wobei zusätzlich deren parasitäre Dioden dargestellt sind. Die MOSFETs 11 werden durch ein Steuergerät 8 angesteuert, wobei das Steuergerät 8 Spannungswerte U und Stromwerte I von nicht dargestellten Spannungs- und Stromsensoren erhält. Über eine weitere Verbindungsleitung 12 ist die Hochvoltbatterie 7 mit dem DC/DC-Wandler 2 verbunden. Weiter ist ein exemplarischer Hochvoltverbraucher 13 dargestellt. Erfasst nun das Steuergerät 8 einen Defekt 14 auf der Hochvoltseite HV (z.B. einen Kurzschluss, einen Defekt der Elektromaschine 6 und/oder des Wechselrichters 5, einen Defekt des Hochvoltverbrauchers 13 mit Rückwirkung auf das übrige Traktionsnetz), so erzeugt das Steuergerät 8 Steuersignale S für die MOSFETs 11, damit diese sperren. Somit haben diese Defekte 14 keine Rückwirkung mehr auf die Hochvoltbatterie 7, sodass diese über den DC/DC-Wandler 2 die Niedervoltseite NV weiter versorgen kann.
  • In der 2 ist eine alternative Ausführungsform für ein Traktionsnetz dargestellt, wobei der einzige Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist, dass in der weiteren Verbindungsleitung 12 ein weiteres Schaltelement 15 bestehend aus zwei gegensinnig in Reihe geschalteten MOSFETs 11 angeordnet ist. Hierdurch kann eine defekte Hochvoltbatterie 7 zusätzlich vom DC/DC-Wandler 2 getrennt werden, um so Rückwirkungen auf die Niedervoltseite NV zu verhindern.
  • In der 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform für ein Traktionsnetz 1 dargestellt, wobei der einzige Unterschied zur Ausführungsform gemäß 2 ist, dass eine dritte Verbindungsleitung 16 zwischen DC/DC-Wandler 2 und dem Wechselrichter 5 bzw. dem Zwischenkreiskondensator C besteht, wobei in der dritten Verbindungsleitung 16 ein drittes Schaltelement 17 aus zwei MOSFETs 11 angeordnet ist. Über die dritte Verbindungsleitung 16 kann bei offenen Schaltelementen 10, 15 die Niedervoltseite NV den Zwischenkreiskondensator C vorladen, bevor die Hochvoltbatterie 7 zugeschaltet wird, sodass Stromspitzen vermieden werden. Zusätzlich kann über die dritte Verbindungsleitung 16 die Elektromaschine 6 über den Wechselrichter 5 die Niedervoltseite NV stützen, wenn eine defekte Hochvoltbatterie 7 abgeschaltet werden muss (Schaltelemente 10, 15 sperren bzw. sind offen). Bei einem Defekt von der Elektromaschine 6, dem Wechselrichter und/oder dem Hochvoltverbinder 13 wird das Schaltelement 17 wie das Schaltelement 10 gesperrt (bzw. geöffnet), um so Rückwirkungen zu vermeiden.
  • In der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Traktionsnetzes 1 dargestellt, wobei im Vergleich zu 3 das Schaltelement 15 entfallen ist. Weiter ist angedeutet, dass der eine gestrichelt dargestellte MOPSFET 11 des Schaltelements 17 entfallen kann, da negative Rückwirkungen vom DC/DC-Wandler 2 auf die übrige Hochvoltseite HV nicht zu befürchten sind, sodass die parasitäre Diode keinen störenden Strom für die Hochvoltseite HV durchlässt.
  • In der 5 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, wobei hier aus Übersichtsgründen die Hochvoltverbraucher 13 nicht dargestellt sind. Dabei sind die Schaltelemente 10, 15 als Relais 18 ausgebildet, wobei die Trennung jeweils allpolig stattfindet. Die Hochvoltbatterie 7 weist beispielsweise eine Nennspannung von 400 V auf. Über die Schaltelemente 10 kann der defekte Teil der Hochvoltseite HV abgetrennt werden, wobei über die Schaltelemente 15 die Hochvoltbatterie 7 bei einem Defekt abgetrennt werden kann. Zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators C oder der Versorgung der Niedervoltseite aus der Elektromaschine 6 bei defekter Hochvoltbatterie 7 werden die Schaltelemente 10 geschlossen und die Schaltelemente 15 geöffnet. Der DC/DC-Wandler 2 ist ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler 2. Optional können noch Schaltelemente am DC/DC-Wandler 2 vorgesehen sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Traktionsnetz
    2
    DC/DC-Wandler
    3
    Niedervoltbatterie
    4
    Niedervoltverbraucher
    5
    Wechselrichter
    6
    Elektromaschine
    7
    Hochvoltbatterie
    8
    Steuergerät
    9
    Verbindungsleitung
    10
    Schaltelement
    11
    MOSFET
    12
    Verbindungsleitung
    13
    Hochvoltverbraucher
    14
    Defekt
    15
    Schaltelement
    16
    Verbindungsleitung
    17
    Schaltelement
    18
    Relais
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 20190337403 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Traktionsnetz (1) eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, umfassend eine Hochvoltseite (HV) und eine Niedervoltseite (NV), wobei auf der Hochvoltseite (HV) mindestens eine Elektromaschine (6), ein Wechselrichter (5), und eine Hochvoltbatterie (7) angeordnet ist, wobei die Hochvoltseite (HV) mit der Niedervoltseite (NV) über mindestens einen DC/DC-Wandler (2) verbunden ist, wobei der Hochvoltbatterie (7) mindestens ein Schaltelement (10) zugeordnet ist, wobei das Traktionsnetz (1) mindestens ein Steuergerät (8) aufweist, das das Schaltelement (10) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schaltelement (10) in mindestens einer Verbindungsleitung (9) zwischen Hochvoltbatterie (7) und Wechselrichter (5) angeordnet ist, wobei die Hochvoltbatterie (7) über mindestens eine weitere Verbindungsleitung (12) mit dem DC/DC-Wandler (2) verbunden ist.
  2. Traktionsnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Verbindungsleitung (12) mindestens ein weiteres Schaltelement (15) angeordnet ist.
  3. Traktionsnetz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (2) als bidirektionaler DC/DC-Wandler (2) ausgebildet ist.
  4. Traktionsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem DC/DC-Wandler (2) und dem Wechselrichter (5) eine dritte Verbindungsleitung (16) angeordnet ist, wobei in der dritten Verbindungsleitung (16) mindestens ein drittes Schaltelement (17) angeordnet ist.
  5. Traktionsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (10, 15, 17) als Relais (18) ausgebildet sind.
  6. Traktionsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (10, 15, 17) als MOSFETs (11) ausgebildet sind.
  7. Traktionsnetz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das mindestens eine Schaltelement (10) und das weitere Schaltelement (15) jeweils als zwei gegensinnig in Reihe verschaltete MOSFETs (11) ausgebildet sind.
  8. Traktionsnetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (7) eine Nennspannung von größer 12 V und kleiner als 60 V aufweist.
  9. Traktionsnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochvoltbatterie (7) eine Nennspannung größer 60 V aufweist.
  10. Verfahren zum Ansteuern eines Traktionsnetzes (1) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges, wobei das Traktionsnetz (1) eine Hochvoltseite (HV) und eine Niedervoltseite (NV) aufweist, wobei auf der Hochvoltseite (HV) mindestens eine Elektromaschine (6), ein Wechselrichter (5) und eine Hochvoltbatterie (7) angeordnet ist, wobei die Hochvoltseite (HV) mit der Niedervoltseite (NV) über mindestens einen DC/DC-Wandler (2) verbunden ist, wobei der Hochvoltbatterie (7) mindestens ein Schaltelement (10) zugeordnet ist, wobei das Traktionsnetz (1) mindestens ein Steuergerät (8) aufweist, das das Schaltelement (10) ansteuert, wobei das mindestens eine Schaltelement (10) in einer Verbindungsleitung (9) zwischen der Hochvoltbatterie (7) und Wechselrichter (5) angeordnet ist, wobei die Hochvoltbatterie (7) über eine weitere Verbindungsleitung (12) mit dem DC/DC-Wandler (2) verbunden ist, wobei bei einem erfasstem Defekt der Elektromaschine (6) und/oder des Wechselrichters (5) und/oder eines weiteren Hochvoltverbrauchers (13) das Steuergerät (8) das mindestens eine Schaltelement (10) öffnet, wobei die elektrische Verbindung zwischen Hochvoltbatterie (7) und DC/DC-Wandler (2) aufrechterhalten bleibt.
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