EP3116752A1 - Anordnung zum versorgen eines kraftfahrzeugs mit elektrischer energie - Google Patents

Anordnung zum versorgen eines kraftfahrzeugs mit elektrischer energie

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Publication number
EP3116752A1
EP3116752A1 EP15706754.7A EP15706754A EP3116752A1 EP 3116752 A1 EP3116752 A1 EP 3116752A1 EP 15706754 A EP15706754 A EP 15706754A EP 3116752 A1 EP3116752 A1 EP 3116752A1
Authority
EP
European Patent Office
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battery
partial
energy
voltage
partial energy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15706754.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Mueller
Guenter Reitemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3116752A1 publication Critical patent/EP3116752A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for
    • B60R16/033—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for characterised by the use of electrical cells or batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/14—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle
    • H02J7/1423—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle with multiple batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/06—Two-wire systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/08—Three-wire systems; Systems having more than three wires
    • H02J1/082—Plural DC voltage, e.g. DC supply voltage with at least two different DC voltage levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/46—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for ICE-powered road vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention relates to an arrangement and a method for supplying a motor vehicle with electrical energy.
  • An electrical system of a motor vehicle can be subdivided into a plurality of sub-electrical systems, for which different electrical voltages are provided. If a motor vehicle includes an electric motor, this is connected to a sub-board network, which is operated with a high voltage electric voltage, whereas another sub-board network, which is operated with a low voltage electric power, to supply small
  • the document DE 197 55 050 C2 describes a device for
  • Power supply in a multi-voltage vehicle electrical system for at least two electrically actuated vehicle brakes, which are connected to at least two voltage generators charged by a generator via a decoupling element, wherein one of the electrically actuated vehicle brakes to the generator and / or directly connected to the generator
  • Voltage storage is connected and the other electrically actuated vehicle brake with the other voltage storage is in communication, which is connected via a voltage converter to the generator, the voltages of the two voltage storage are different.
  • the arrangement comprises at least one reserve battery, the one
  • Partial energy distribution network has.
  • the sub-electrical systems may have different voltages in the embodiment.
  • the energy on-board network is designed as a so-called two-voltage on-board network. It is in an alternative
  • the at least one reserve battery is embodied as a long-term energy storage, which is switched off and thus passive during normal operation of the energy on-board network, if values of operating parameters of the energy system change by more than tolerance values provided by intended threshold values.
  • the at least one reserve battery is activated in case of failure of a power supply for the at least one partial power supply. This measure opens up the possibility for a limited time to transfer the motor vehicle to a safe operating state.
  • each of these partial electric systems usually has each of the partial electric power systems on a high voltage side as well as on a low-voltage side in each case at least one energy accumulator, which is usually designed as a battery, for stabilizing the respective sub-electrical system. If there is no energy supply to be provided, a battery for one of the partial energy networks may in an unfavorable case be in a state of charge that is insufficient to supply the safety-relevant consumers of the partial energy grid until the
  • the at least one otherwise passive backup battery can be activated.
  • These at least one reserve battery as electrical energy storage has a very low self-discharge, requires little space and is also inexpensive.
  • the at least one reserve battery is a metal-air battery, for. As Zn-air, Mg-air, etc. formed. Such a metal-air battery can be stored for a very long time in the sealed state.
  • Process is designed as a metal-air battery backup battery, if necessary, by supplying oxygen, usually by supplying air containing oxygen, activated.
  • Starting materials for producing such a metal-air battery are inexpensive.
  • Small-building metal-air batteries are z. B. used in hearing aids and are easy to recycle after use.
  • the initially passive reserve battery is activated by supplying air.
  • the defective mains battery can be disconnected from the power cord.
  • the power cord network is buffered using the backup battery.
  • At least one reserve battery is to be arranged in at least one partial energy grid.
  • a reserve battery can be arranged in each partial power supply system, for example in a high voltage partial energy onboard network or a low voltage partial energy supply system, a voltage of the respective reserve battery corresponding to a voltage of the respective partial energy supply system. In this case, the high voltage
  • an electronic coupling module between two partial power supply systems is a split electric machine that can be operated as a split generator or as a split or split electric motor.
  • a first output or a first partial electric machine of the divided electric machine if it is operated, for example, as a first part-generator or partial electric motor, arranged in a first partial energy grid, whereas a second partial electric machine or a second output of divided electric machine, if this example.
  • a second part-generator or second part electric motor is arranged in a second partial energy grid, the two
  • Partial energy networks are connected to each other via the shared electric machine.
  • this high-voltage part-energy grid a high
  • this low voltage parts of the power grid is to provide a low voltage.
  • the first part electric machine has a first winding with a first number of turns and the second part electric machine has a second winding with a second number of turns. If the divided electric machine is operated as a divided generator, of each sub-generator whose winding has a higher number of turns, a higher voltage than provided by the other sub-generator whose winding has a smaller number of turns.
  • High-voltage parts of the energy grid or a high-voltage side of the power system or only in the low-voltage parts of the power grid or a low-voltage side of the power system can be arranged a back-up battery.
  • a reserve battery can also be arranged in two partial energy mains, which are connected by a divided electric machine as the coupling module.
  • the arrangement as well as the method can be used for motor vehicles with two different partial energy mains, which have electrical voltages with different values. This concerns u. a. one
  • Motor vehicle having an electric motor for driving and as
  • Electric vehicle or hybrid vehicle is formed.
  • the intended for driving the motor vehicle electric machine which in this case, the intended for driving the motor vehicle electric machine, which in
  • Embodiment may also be designed as a partial electric machine, connected to the high-voltage parts power supply and through this, if the electric machine is operated in an operating situation of the motor vehicle as an electric motor to supply with electrical energy.
  • the power onboard network has different voltage levels, can u with the at least one planned backup battery. a. also safety-relevant electrical loads are supplied with electrical energy.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a first example of a
  • Figure 2 shows a schematic representation of a second example of a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third example of a
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth example of a
  • An energy rail network for a motor vehicle with a fourth embodiment of an inventive arrangement for carrying out a fourth embodiment of a method according to the invention is provided.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fifth example of a
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a sixth example of a
  • inventive arrangement 2, 4, 6, 8, 10, 12 and in the presented examples of the power cord 14, 16, 18, 20, 22, 24 are identical, are in the figures 1, 2, 3, 4, 5 and 6 for a schematic representation of the embodiments of the arrangement 2, 4, 6, 8, 10, 12 according to the invention and the examples of the power supply system 14, 16, 18, 20, 22, 24 the same
  • the first example of the energy on-board network 14 shown in FIG. 1 comprises a first partial energy on-board network 26 with a main line 27 and a second one
  • the DC-DC converter 30 are connected together as an electronic coupling module.
  • the first partial energy supply system 26 has a first, in this case high electrical voltage of 48 V and the second partial energy supply system 28 has a second voltage compared to the first partial energy supply system 28, here low voltage of 14 V.
  • the first partial energy supply system 26 comprises a plurality of components connected in parallel with one another and connected to the main line 27, namely an electric machine 32 which, depending on the operating state of the
  • Motor vehicle can be operated as a generator or electric motor, a starter 34 for starting the motor vehicle, designed as a high-voltage battery (BHV) battery 36 which provides electrical energy with the high voltage and is connected via a switch to the main line 27, a first consumer 38th , which causes an electrical resistance R3a and is also connected via a switch to the main line 27, and a second load 40, which causes an electrical resistance R2a.
  • a plurality of components are also connected in parallel with each other and connected to the main line 29.
  • the components are a low-voltage battery (BNV) -designed battery 42, which provides low-voltage electrical power and is connected via a switch to the main line 29, a third load 44, which causes an electrical resistance R2b, and a fourth load 46, which causes an electrical resistance R3b and is connected via a switch to the main line 29.
  • BNV low-voltage battery
  • first embodiment of the inventive arrangement 2 comprises a first backup battery 48th
  • first reserve battery 48 Associated with partial energy grid 26 and / or disposed in the first partial energy grid 26, wherein the first reserve battery 48 connected to the main line 27 and parallel to the other components of the first
  • Embodiment of the arrangement 2 a control device 3 for controlling the first embodiment of the method.
  • the first backup battery 48 is turned off in normal operation when both batteries 36, 42 are functioning. If, however, at least one of the two batteries 36, 42 fails and thus an emergency occurs, the at least one failed battery 36, 42 separated by the control unit 3 from the power cord 14 and replace the backup battery 48 is turned on.
  • the first backup battery 48 is to provide the first, high voltage, and therefore, the first backup battery 48 is also formed as a high-voltage back-up battery. In this case, electrical energy, which is provided here by the first backup battery 48, of the
  • DC-DC converter 30 are transmitted as an electronic coupling module in the second Partergyportordnetz 28, wherein a value of the voltage of the electrical energy to be transmitted is reduced.
  • the second energy on-board network 16 which is shown schematically in FIG. 2, comprises a first partial energy grid 50 which is operated with the first, high voltage of 48 V here and the same components as that of FIG Figure 1 presented, first partial energy supply system 26 has.
  • a second partial energy grid 50 which is operated with the first, high voltage of 48 V here and the same components as that of FIG Figure 1 presented, first partial energy supply system 26 has.
  • the partial energy onboard network 52 of the second energy onboard network 16 includes the same components as the second partial energy onboard network 28 of the first
  • Both partial energy networks 50, 52 are connected to one another by a DC voltage converter 30 as an electronic coupling module, via which electrical energy is to be exchanged between the two partial energy grids 50, 52.
  • the DC-DC converter 30 is designed, depending on the direction in which the electrical energy is to be transmitted between the two partial energy grids 50, 52, the low electrical voltage to the high voltage or the high electrical
  • the second embodiment of the arrangement 4 comprises a control device 3 for controlling the second embodiment of the method and a second backup battery 54 (BRNV), which here designed as a metal-air battery and the second partial energy grid 52 assigned and / or in the second partial energy grid 52nd is arranged.
  • BRNV second backup battery 54
  • the second backup battery 54 is turned off in normal operation when both batteries 36, 42 are functioning. However, if at least one of the two batteries 36, 42 fails and thus an emergency occurs, the at least one failed battery 36, 42 separated by the control unit 3 from the power cord 14 and the second backup battery 54 is turned on.
  • the second, low voltage is provided by the second backup battery 54, and therefore, the second backup battery 54 is also formed as a low-voltage back-up battery.
  • electrical energy which is provided here by the second backup battery 54, can be transmitted from the DC voltage converter 30 from the second partial energy grid 52 into the first partial energy grid 50, wherein a value of the voltage of the electrical energy to be transmitted is increased by the DC-DC converter.
  • the third example of the energy gate system 18 shown schematically in FIG. 3 has a first, high-voltage partial energy supply network
  • the third embodiment of the arrangement 6 shown in FIG. 3 is a combination of the two embodiments of the arrangement 2, 4 described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the third embodiment of the invention is a combination of the two embodiments of the arrangement 2, 4 described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • Arrangement 6 includes a first backup battery 48 (BRHV), here formed as a metal-air battery and associated with the first partial energy grid 56 and / or disposed in the first partial energy grid 56, and a second backup battery 54 (BRNV), herein referred to as metal Air battery formed and assigned to the second partial energy grid 58 and / or in the second
  • BSHV first backup battery 48
  • BRNV second backup battery 54
  • Partial energy grid 58 is arranged. To check the third
  • Batteries 36, 42 fails, this is replaced by those reserve battery 48, 54, the same Operaergy power supply 56, 58 as the failed battery 36, 42 is assigned. Alternatively, it is also possible to activate both backup batteries 48, 54 in the event of a failure of only one battery 36, 42.
  • the fourth example of the energy on-board network 20 shown in FIG. 4 comprises a first partial energy onboard network 60 with a main line 27 and a second partial energy onboard network 62 with a main line 29, the main lines 27, 29 and thus the two partial energy networks 60, 62 here via a DC converter 30 via a shared electric machine, here are connected to each other via a shared generator 64 as an electronic coupling module.
  • This divided generator 64 comprises two separate windings, wherein a first winding has a first number of turns and is connected via a first output 66 to the first partial energy grid 60. In contrast, a second winding has a second number of turns and is connected via a second output 68 to the second partial energy grid 68.
  • the two different windings can either be connected to a common rotor which moves relative to a stator during operation of the divided generator 64 or to a common stator to which the divided generator operates 64 a common rotor relatively moved, be arranged.
  • electrical energy from the first partial energy grid 60 which has an electrical voltage with a first high value
  • Partial energy grid 62 transferred and transformed to a voltage with a low value. Conversely, it is also possible that from the second partial energy grid 62 via the split generator 64 to the first
  • Partial electrical system 60 is transmitted electrical energy, wherein the electrical energy to be transmitted in the second partial energy grid 62 has a voltage with a low value. When the electric power is transmitted through the divided generator 64, its voltage is increased to the first value.
  • the first partial energy supply system 60 has an electrical voltage with the first high value of 48 V in this case and the second one
  • Partial energy supply 62 has a voltage with a second, here low value of 14 V, compared to the first partial energy supply 62.
  • the first winding of the divided generator 64 has a larger number of turns than the second winding of the divided generator 64.
  • the first partial energy grid 60 comprises a plurality of components connected in parallel with one another and connected to the main line 27, namely a starter 34 for starting the motor vehicle, one as
  • High-voltage battery (BHV) formed battery 36, which provides high-voltage electrical energy and is connected via a switch to the main line 27, a first load 70, the electrical
  • Resistor R2 caused and is also connected via a switch to the main line 27, and the first output 66 of the split generator 64th
  • a plurality of components are likewise connected in parallel to one another and connected to the main line 29.
  • the components besides the second output 68 of the split generator 64, are a low voltage battery (BNV) type battery 42 which provides low voltage electrical energy and is connected via a switch to the main line 29 and a second load 72, which causes an electrical resistance R3.
  • BNV low voltage battery
  • the fourth embodiment of the arrangement 8 according to the invention schematically illustrated with reference to FIG. 4 comprises a first reserve battery 48 (BRHV), which is designed here as a metal-air battery and the first
  • first reserve battery 48 Associated with partial energy grid 60 and / or arranged in the first partial energy grid 60, wherein the first reserve battery 48 connected to the main line 27 and parallel to the other components of the first
  • This first backup battery 48 is off in normal operation when both batteries 36, 42 are functioning. However, if at least one of the two batteries 36, 42 fails and thus an emergency occurs, the at least one failed battery 36, 42 separated by the control unit 3 from the power onboard 20 and replaced the first backup battery 48.
  • the first backup battery 48 is to provide the first, high voltage, and therefore, the first backup battery 48 is also formed as a high-voltage back-up battery. In this case, electrical energy, which is provided here by the first backup battery 48, from the shared generator 64 as an electronic coupling module in the second
  • the fifth energy board network 22 which is shown schematically in FIG. 5, comprises a first partial energy grid 74, which is operated at the first, high voltage of 48 V here and has the same components as the first partial energy grid 60 presented with reference to FIG. A second
  • Partial energy grid 76 of the fifth energy board network 22 includes the same components as the second partial energy grid 62 of the fourth
  • Outputs 66, 68 connected to each other.
  • About the shared generator 64 is between the two partial energy systems 74, 76 to exchange electrical energy.
  • the divided generator 64 is designed, depending on the direction in which the electrical energy between the two
  • the fifth embodiment of the arrangement 10 comprises a control device s for controlling the fifth embodiment of the method as well as a second backup battery 54 (BRNV), here designed as a metal-air battery and assigned to the second partial energy grid 76 and / or in the second partial energy grid 76 is arranged.
  • BRNV second backup battery 54
  • the second backup battery 54 is turned off in a normal operation when both batteries 36, 42 are functioning. However, if at least one of the two batteries 36, 42 fails and thus an emergency occurs, the at least one failed battery 36, 42 separated by the control unit 3 from the power onboard 22 and the second backup battery 54 is turned on.
  • the second, low voltage is provided by the second backup battery 54, and therefore, the second backup battery 54 is also formed as a low-voltage back-up battery.
  • electrical energy provided here from the first backup battery 48 may be transmitted via the shared generator 64 from the second partial energy grid 76 to the sixth partial energy grid 74, wherein a value of the voltage of the electrical energy to be transmitted is increased by the generator 64.
  • the sixth example of the power cord network 24 shown schematically in FIG. 6 has a first partial energy grid 78 designed as a high-voltage partial energy grid and a second partial energy grid 80 designed as a low-voltage partial energy grid, both partial energy networks 78, 80 being divided by a divided generator 64 as an electronic coupling module are connected. Otherwise, the first partial energy supply system 78 has the same components as each of the two partial energy distribution systems 60, 74 described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • Energybordnetzes 24 has the same components as each one of the second partial energy distribution system 62, 76 described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the sixth embodiment of the arrangement 12 shown in FIG. 6 is a combination of the fourth embodiment of the arrangement 8 presented on the basis of FIG. 4 and the fifth embodiment presented on the basis of FIG.
  • Arrangement 12 comprises a first reserve battery 48 (BRHV), which is designed here as a metal-air battery and assigned to the first partial energy supply net 78 and / or arranged in the first partial energy supply net 78, and a second one Reserve battery 54 (BRNV), which is designed here as a metal-air battery and the second partial energy supply 80 associated and / or in the second
  • BSHV first reserve battery 48
  • BRNV second one Reserve battery 54
  • Partial energy grid 80 is arranged.
  • Embodiment of the method, the sixth embodiment of the arrangement 12 is still a control device 3.
  • both batteries 36, 42 of both partial energy distribution 78, 80 are functional, which is why the two
  • Partial power cord 80 fails, the at least one battery 36, 42 separated by the control unit 3 from the respective partial energy grid 78, 80 and the control unit 3, the reserve battery 48, 54 from that
  • At least one component of an example presented in each case for the energy on-board network 14, 16, 18, 20, 22, 24 can also be used as a component of the respectively presented embodiment of the arrangement 2 according to the invention,
  • Motor vehicle with electrical energy is an electric power onboard 14, 16, 18, 20, 22, 24, the two partial energy distribution network 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80, associated.
  • Each partial energy supply system 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 has a battery 36, 42 which is designed to supply an electrical voltage with one for the respective one
  • Partial power supply network to provide specific, set or intended value.
  • the two partial energy networks 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 are connected via an electrical coupling element, i. H. one
  • the arrangement 2, 4, 6, 8, 10, 12 comprises at least one metal-air battery as reserve battery 48, 54, the at least one of
  • the at least one reserve battery 48, 54 may be arranged in the first and / or in the second partial energy grid 28, 52, 58, 62, 76, 80.
  • Each arrangement 2, 4, 6, 8, 9, 10, 12 comprises at least one control device 3 for controlling an operation of the arrangement 2, 4, 6, 8, 9, 10, 12 as well as the respective energy on-board network 14, 16, 18, 20 , 22, 24.
  • an energy gate network 14, 16, 18, 20, 22, 24 each partial power supply network 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 with electrical Power supplied by the battery 36, 42 of this partial energy grid 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 is supplied, the at least one reserve battery 48, 54 being deactivated and /or is.
  • the at least one battery 36, 42 of one of the two partial energy supply lines 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 fails, this battery 36, 42 is disconnected from the power supply system 14, 16, 18, 20, 22, 24 separated and the at least one reserve battery 48, 54, usually activated by the supply of oxygen.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (2) zum Versorgen eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie, wobei das Kraftfahrzeug ein Energiebordnetz (14) mit zwei Teilenergiebordnetzen (26, 28) umfasst, wobei jedes Teilenergiebordnetz (26, 28) eine Batterie (36, 42) aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Spannung mit einem für das jeweilige Teilenergiebordnetz (26, 28) spezifischen Wert bereitzustellen, wobei die beiden Teilenergiebordnetze (26, 28) über ein elektrisches Kopplungselement miteinander verbunden sind, wobei die Anordnung (2) mindestens eine Metall-Luft-Batterie als Reservebatterie (48, 54) aufweist, die mindestens einem der Teilenergiebordnetze (26, 28) zugeordnet und dazu ausgebildet ist, bei Ausfall mindestens einer der Batterien (36, 42) zusätzlich elektrische Spannung mit einem für das mindestens eine Teilenergiebordnetz (26, 28) spezifischen Wert bereitzustellen.

Description

Beschreibung Titel
Anordnung zum Versorgen eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Versorgen eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie.
Stand der Technik
Ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs kann in mehrere Teilbordnetze unterteilt sein, für die unterschiedliche elektrische Spannungen vorgesehen sind. Falls ein Kraftfahrzeug einen Elektromotor umfasst, ist dieser mit einem Teilbordnetz verbunden, das mit einer elektrischen Spannung mit einem hohen Wert betrieben wird, wohingegen ein weiteres Teilbordnetz, das mit einer elektrischen Spannung mit einem niedrigen Wert betrieben wird, zur Versorgung von kleinen
Verbrauchern des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie verwendet wird.
Die Druckschrift DE 197 55 050 C2 beschreibt eine Einrichtung zur
Energieversorgung in einem Mehrspannungs-Fahrzeugbordnetz für wenigstens zwei elektrisch betätigbare Fahrzeugbremsen, die mit wenigstens zwei von einem Generator aufladbaren Spannungsspeichern über ein Entkoppelelement in Verbindung stehen, wobei eine der elektrisch betätigbaren Fahrzeugbremsen an den Generator und/oder an den mit dem Generator direkt verbundenen
Spannungsspeicher angeschlossen ist und die andere elektrisch betätigbare Fahrzeugbremse mit dem anderen Spannungsspeicher in Verbindung steht, der über einen Spannungswandler mit dem Generator in Verbindung steht, wobei die Spannungen der beiden Spannungsspeicher unterschiedlich hoch sind.
Offenbarung der Erfind Vor diesem Hintergrund werden eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen der Anordnung und des Verfahrens sowie daraus resultierende Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Anordnung umfasst mindestens eine Reservebatterie, die einem
Energiebordnetz eines Kraftfahrzeugs zugeordnet ist, das zwei
Teilenergiebordnetze aufweist. Dabei können die Teilbordnetze in Ausgestaltung unterschiedliche Spannungen aufweisen. In diesem Fall ist das Energiebordnetz als sog. Zweispannungsbordnetz ausgebildet. Es ist in einer alternativen
Ausgestaltung jedoch auch möglich, dass beide Teilenergiebordnetze dieselbe Spannung aufweisen.
Dabei ist die mindestens eine Reservebatterie als Langzeitenergiespeicher ausgebildet, die bei einem normalen Betrieb des Energiebordnetzes, wenn Werte von Betriebsparametern des Energiebordnetzes höchstens um vorgesehene Toleranzwerte von vorgesehenen Schwellwerten abweichen, ausgeschaltet und somit passiv ist. Die mindestens eine Reservebatterie wird bei Ausfall einer Energieversorgung für das mindestens eine Teilenergiebordnetz aktiviert. Durch diese Maßnahme wird für eine begrenzte Zeit die Möglichkeit eröffnet, das Kraftfahrzeug in einen sicheren Betriebszustand zu überführen.
Bei einem bspw. als Zweispannungsbordnetz ausgebildeten Energiebordnetz mit einem ersten Teilenergiebordnetz, das eine Spannung mit einem hohen Wert aufweist, und einem zweiten Teilenergiebordnetz, das eine Spannung mit einem niedrigen Wert aufweist, weist üblicherweise jedes dieser Teilenergiebordnetze und somit das gesamte Energiebordnetz sowohl auf einer Hochspannungsseite als auch auf einer Niederspannungsseite jeweils zumindest einen üblicherweise als Batterie ausgebildeten Energiespeicher zur Stabilisierung des jeweiligen Teilbordnetzes auf. Entfällt eine bereitzustellende Energieversorgung, kann sich eine Batterie für eines der Teilenergiebordnetze in einem ungünstigen Fall in einem Ladezustand befinden, der nicht ausreicht, die sicherheitsrelevanten Verbraucher des Teilenergiebordnetzes so lange zu versorgen, bis das
Kraftahrzeug in einen sicheren Zustand gebracht wurde. Hier kann die mindestens eine ansonsten passive Reservebatterie aktiviert werden. Diese mindestens eine Reservebatterie als elektrischer Energiespeicher weist eine sehr geringe Selbstentladung auf, benötigt wenig Platz und ist zudem kostengünstig.
In Ausgestaltung ist die mindestens eine Reservebatterie als Metall-Luft-Batterie, z. B. Zn-Luft, Mg-Luft usw. ausgebildet. Eine derartige Metall-Luft-Batterie ist im versiegelten Zustand sehr lange lagerfähig. Bei einer Durchführung des
Verfahrens wird die als Metall-Luft-Batterie ausgebildete Reservebatterie im Bedarfsfall durch Zufuhr von Sauerstoff, in der Regel durch Zufuhr von Luft, die Sauerstoff enthält, aktiviert. Ausgangsstoffe zum Herstellen einer derartigen Metall-Luft-Batterie sind kostengünstig. Kleinbauende Metall-Luft-Batterien werden z. B. in Hörgeräten eingesetzt und sind nach Gebrauch leicht zu recyceln.
Hat eine Netzbatterie in einem der Teilenergiebordnetze einen Kurzschluss, wird die zunächst noch passive Reservebatterie durch Zufuhr von Luft aktiviert.
Außerdem kann die defekte Netzbatterie vom Energiebordnetz getrennt werden. Somit wird das Energiebordnetz mit Hilfe der Reservebatterie gepuffert.
Weiterhin sind unterschiedliche Ausgestaltungen der Anordnung möglich, wobei in mindestens einem Teilenergiebordnetz mindestens eine Reservebatterie anzuordnen ist.
So ist bei einer denkbaren Topologie möglich, eine Reservebatterie auf der Seite des Energiebordnetzes und demnach in jenem Teilenergiebordnetz zu installieren, in dem für eine Sicherheit des Kraftfahrzeugs relevante Verbraucher angeordnet sind.
Üblicherweise sind zwei Teilenergiebordnetze durch ein geeignetes
elektronisches Kopplungsmodul als Bindeglied, z. B. einen DC/DC-Wandler und somit einen Gleichspannungswandler bzw. Gleichstromwandler, miteinander verbunden, mit dem zwischen den Teilenergiebordnetzen elektrische Energie zu übertragen ist. Somit kann elektrische Energie, die von einer Reservebatterie in einem Teilenergiebordnetz nach deren Aktivierung bereitzustellen ist, über den Gleichspannungswandler in das andere Teilenergiebordnetz übertragen werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann in jedem Teilenergiebordnetz, bspw. in einem Hochspannungs-Teilenergiebordnetz oder einem Niederspannungs- Teilenergiebordnetz, jeweils eine Reservebatterie angeordnet sein, wobei eine Spannung der jeweiligen Reservebatterie einer Spannung des jeweiligen Teilenergiebordnetzes entspricht. In diesem Fall weist das Hochspannungs-
Teilenergiebordnetz eine Hochspannungs-Variante der Reservebatterie und ein Niederspannungs-Teilenergiebordnetz eine Niederspannungs-Variante der Reservebatterie auf.
Eine weitere Ausgestaltung eines elektronischen Kopplungsmoduls zwischen zwei Teilenergiebordnetzen ist eine gesplittete bzw. geteilte Elektromaschine, die als gesplitteter bzw. geteilter Generator oder als gesplitteter bzw. geteilter Elektromotor betrieben werden kann. Dabei ist ein erster Ausgang bzw. eine erste Teil-Elektromaschine der geteilten Elektromaschine, wenn diese bspw. als erster Teil-Generator oder Teil- Elektromotor betrieben wird, in einem ersten Teilenergiebordnetz angeordnet, wohingegen eine zweite Teil-Elektromaschine bzw. ein zweiter Ausgang der geteilten Elektromaschine, wenn diese bspw. als zweiter Teil-Generator oder zweiter Teil- Elektromotor betrieben wird, in einem zweiten Teilenergiebordnetz angeordnet ist, wobei die beiden
Teilenergiebordnetze über die geteilte Elektromaschine miteinander verbunden sind.
Dabei ist mit der ersten Teil-Elektromaschine, die in dem Hochspannungs- Teilenergiebordnetz angeordnet ist, wenn diese als erster Teil-Generator betrieben wird, diesem Hochspannungs-Teilenergiebordnetz eine hohe
Spannung bereitzustellen, wohingegen mit der zweiten Teil-Elektromaschine, die in dem Niederspannungs-Teilenergiebordnetz angeordnet ist, wenn diese als zweiter Teil-Generator betrieben wird, diesem Niederspannungs- Teilenergiebordnetz eine niedrige Spannung bereitzustellen ist. Üblicherweise weist die erste Teil-Elektromaschine eine erste Wicklung mit einer ersten Anzahl von Windungen und die zweite Teil-Elektromaschine eine zweite Wicklung mit einer zweiten Anzahl von Windungen auf. Sofern die geteilte Elektromaschine als geteilter Generator betrieben wird, wird von jedem Teil-Generator, dessen Wicklung eine höhere Anzahl an Windungen aufweist, eine höhere Spannung als von dem anderen Teil-Generator bereitgestellt, dessen Wicklung eine geringere Anzahl an Windungen aufweist.
Auch in diesem Fall kann unabhängig von einer konkreten Ausbildung des elektronischen Kopplungsmoduls als Bindeglied entweder nur in dem
Hochspannungs-Teilenergiebordnetz bzw. einer Hochspannungsseite des Energiebordnetzes oder nur in dem Niederspannungs-Teilenergiebordnetz bzw. einer Niederspannungsseite des Energiebordnetzes eine Reservebatterie angeordnet sein. Allerdings kann auch in zwei Teilenergiebordnetzen, die durch eine geteilte Elektromaschine als Kopplungsmodul verbunden sind, jeweils eine Reservebatterie angeordnet sein.
Die Anordnung sowie das Verfahren sind für Kraftfahrzeuge mit zwei unterschiedlichen Teilenergiebordnetzen, die elektrische Spannungen mit unterschiedlichen Werten aufweisen, einsetzbar. Dies betrifft u. a. ein
Kraftfahrzeug, das zum Antreiben einen Elektromotor aufweist und als
Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. In diesem Fall ist die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs vorgesehene Elektromaschine, die in
Ausgestaltung auch als Teil- Elektromaschine ausgebildet sein kann, mit dem Hochspannungs-Teilenergiebordnetz verbunden und durch dieses, wenn die Elektromaschine in einer Betriebssituation des Kraftfahrzeugs als Elektromotor betrieben wird, mit elektrischer Energie zu versorgen.
Über jede zu realisierende Topologie des vorgesehenen Energiebordnetzes des Kraftfahrzeugs, wobei das Energiebordnetz unterschiedliche Spannungslagen aufweist, können mit der mindestens einen vorgesehenen Reservebatterie u. a. auch sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden.
Ferner sind die Anordnung und das Verfahren für ein Energiebordnetz, mit dem unterschiedliche Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen sind, geeignet. Dies betrifft bspw. die Versorgung von elektrisch angetriebenen Aggregaten und von Assistenzsystemen, die in Kraftfahrzeugen vermehrt zum Einsatz kommen. Dies betrifft auch Assistenzsysteme zum Realisieren eines autonomen Fahrens, durch deren Einsatz von einem Fahrzeuglenker in eingeschränktem Maße fahrfremde Tätigkeiten ausgeführt werden können.
Gerade für derartige Systeme zum autonomen Fahren sind Anforderungen an eine Zuverlässigkeit einer Bereitstellung elektrischer Energie im Kraftfahrzeug hoch.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung und sich daraus ergebende Vorteile gehen aus den beiliegenden Figuren hervor, anhand derer die Erfindung schematisch und ausführlich beschrieben ist.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Beispiel eines
Energiebordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Beispiel eines
Energiebordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung ein drittes Beispiel eines
Energiebordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung ein viertes Beispiel eines
Energiebordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung ein fünftes Beispiel eines
Energiebordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 6 zeigt in schematischer Darstellung ein sechstes Beispiel eines
Energiebordnetzes für ein Kraftfahrzeug mit einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Ausführen einer sechsten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Komponenten, die in allen vorgestellten Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Anordnung 2, 4, 6, 8, 10, 12 sowie in den vorgestellten Beispielen für das Energiebordnetz 14, 16, 18, 20, 22, 24 identisch ausgebildet sind, sind in den Figuren 1, 2, 3, 4, 5 und 6 zur schematischen Darstellung der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung 2, 4, 6, 8, 10, 12 sowie der Beispiele für das Energiebordnetz 14, 16, 18, 20, 22, 24 dieselben
Bezugszeichen zugeordnet.
Das in Figur 1 gezeigte erste Beispiel des Energiebordnetzes 14 umfasst ein erstes Teilenergiebordnetz 26 mit einer Hauptleitung 27 und ein zweites
Teilenergiebordnetz 28 mit einer Hauptleitung 29, wobei die Hauptleitungen 27, 29 und somit die beiden Teilenergiebordnetze 26, 28 hier über einen
Gleichspannungswandler 30 als elektronisches Kopplungsmodul miteinander verbunden sind. Dabei weist das erste Teilenergiebordnetz 26 eine erste, hier hohe elektrische Spannung von 48 V und das zweite Teilenergiebordnetz 28 eine im Vergleich zum ersten Teilenergiebordnetz 28 zweite, hier niedrige Spannung von 14 V auf.
Außerdem umfasst das erste Teilenergiebordnetz 26 mehrere zueinander parallel geschaltete und mit der Hauptleitung 27 verbundene Komponenten, nämlich eine Elektromaschine 32, die je nach Betriebszustand des
Kraftfahrzeugs als Generator oder Elektromotor betrieben werden kann, einen Starter 34 zum Starten des Kraftfahrzeugs, eine als Hochspannungsbatterie (BHV) ausgebildete Batterie 36, die elektrische Energie mit der hohen Spannung bereitstellt und über einen Schalter mit der Hauptleitung 27 verbunden ist, einen ersten Verbraucher 38, der einen elektrischen Widerstand R3a verursacht und ebenfalls über einen Schalter mit der Hauptleitung 27 verbunden ist, sowie einen zweiten Verbraucher 40, der einen elektrischen Widerstand R2a verursacht. In dem zweiten Teilenergiebordnetz 28 sind ebenfalls mehrere Komponenten zueinander parallel geschaltet und mit der Hauptleitung 29 verbunden. Bei den Komponenten handelt es sich um eine als Niederspannungsbatterie (BNV) ausgebildete Batterie 42, die elektrische Energie mit der niedrigen Spannung bereitstellt und über einen Schalter mit der Hauptleitung 29 verbunden ist, einen dritten Verbraucher 44, der einen elektrischen Widerstand R2b verursacht, und einen vierten Verbraucher 46, der einen elektrischen Widerstand R3b verursacht und über einen Schalter mit der Hauptleitung 29 verbunden ist.
Die anhand von Figur 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 2 umfasst eine erste Reservebatterie 48
(BRHV), die hier als Metall-Luft-Batterie ausgebildet und dem ersten
Teilenergiebornetz 26 zugeordnet und/oder in dem ersten Teilenergiebornetz 26 angeordnet ist, wobei die erste Reservebatterie 48 an die Hauptleitung 27 angeschlossen und parallel zu den anderen Komponenten des ersten
Teilenergiebornetzes 26 geschaltet ist. Außerdem umfasst die erste
Ausführungsform der Anordnung 2 ein Kontrollgerät 3 zum Kontrollieren der ersten Ausführungsform des Verfahrens.
Die erste Reservebatterie 48 ist in einem Normalbetrieb, wenn beide Batterien 36, 42 funktionieren, ausgeschaltet. Falls jedoch mindestens eine der beiden Batterien 36, 42 ausfällt und somit ein Notfall eintritt, wird die mindestens eine ausgefallene Batterie 36, 42 durch das Kontrollgerät 3 vom Energiebordnetz 14 getrennt und ersatzweise die Reservebatterie 48 eingeschaltet. In der beschriebenen Ausführungsform ist von der ersten Reservebatterie 48 die erste, hohe Spannung bereitzustellen, weshalb die erste Reservebatterie 48 auch als Hochspannungs- Reservebatterie ausgebildet ist. Dabei kann elektrische Energie, die hier von der ersten Reservebatterie 48 bereitgestellt wird, von dem
Gleichspannungswandler 30 als elektronisches Kopplungsmodul auch in das zweite Teilenergiebordnetz 28 übertragen werden, wobei ein Wert der Spannung der zu übertragenden elektrischen Energie reduziert wird.
Das zweite Energiebordnetz 16, das in Figur 2 schematisch dargestellt ist, umfasst ein erstes Teilenergiebordnetz 50, das mit der ersten, hohen Spannung von hier 48 V betrieben wird und dieselben Komponenten wie das anhand von Figur 1 vorgestellte, erste Teilenergiebordnetz 26 aufweist. Ein zweites
Teilenergiebordnetz 52 des zweiten Energiebordnetzes 16 umfasst dieselben Komponenten wie das zweite Teilenergiebordnetz 28 des ersten
Energiebordnetzes 14 aus Figur 1 und wird mit der zweiten, niedrigen Spannung von hier 14 V betrieben. Beide Teilenergiebordnetze 50, 52 sind mit einem Gleichspannungswandler 30 als elektronisches Kopplungsmodul miteinander verbunden, über den zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen 50, 52 elektrische Energie auszutauschen ist. Dabei ist der Gleichspannungswandler 30 dazu ausgebildet, je nach Richtung, in der die elektrische Energie zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen 50, 52 zu übertragen ist, die niedrige elektrische Spannung auf die hohe elektrische Spannung oder die hohe elektrische
Spannung auf die niedrige elektrische Spannung zu transformieren.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 4 umfasst ein Kontrollgerät 3 zum Kontrollieren der zweiten Ausführungsform des Verfahrens sowie eine zweite Reservebatterie 54 (BRNV), die hier als Metall-Luft-Batterie ausgebildet und dem zweiten Teilenergiebornetz 52 zugeordnet und/oder in dem zweiten Teilenergiebornetz 52 angeordnet ist.
Bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Reservebatterie 54 in einem Normalbetrieb, wenn beide Batterien 36, 42 funktionieren, ausgeschaltet ist. Falls jedoch mindestens eine der beiden Batterien 36, 42 ausfällt und somit ein Notfall eintritt, wird die mindestens eine ausgefallene Batterie 36, 42 durch das Kontrollgerät 3 vom Energiebordnetz 14 getrennt und die zweite Reservebatterie 54 eingeschaltet. In der beschriebenen Ausführungsform wird von der zweiten Reservebatterie 54 die zweite, niedrige Spannung bereitgestellt, weshalb die zweite Reservebatterie 54 auch als Niedrigspannungs- Reservebatterie ausgebildet ist. Dabei kann elektrische Energie, die hier von der zweiten Reservebatterie 54 bereitgestellt wird, von dem Gleichspannungswandler 30 aus dem zweiten Teilenergiebordnetz 52 in das erste Teilenergiebordnetz 50 übertragen werden, wobei ein Wert der Spannung der zu übertragenden elektrischen Energie von dem Gleichspannungswandler erhöht wird. Das in Figur 3 schematisch dargestellte dritte Beispiel des Energiebordnetzes 18 weist ein erstes, als Hochspannungs-Teilenergiebordnetz ausgebildetes
Teilenergiebordnetz 56 und ein zweites, als Niederspannungs- Teilenergiebordnetz ausgebildetes Teilenergiebordnetz 58 auf, wobei beide Teilenergiebordnetze 56, 58 über einen Gleichspannungswandler 30 als elektronisches Kopplungsmodul miteinander verbunden sind. Ansonsten weist das erste Teilenergiebordnetz 56 dieselben Komponenten wie jeweils eines der beiden anhand der Figuren 1 und 2 vorgestellten ersten Teilenergiebordnetze 26, 50 auf. Das zweite Teilenergiebordnetz 58 der dritten Ausführungsform des Energiebordnetzes 18 weist dieselben Komponenten wie jeweils eines der voranstehend beschriebenen, zweiten Teilenergiebordnetze 28, 52 auf.
Die in Figur 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Anordnung 6 ist eine Kombination der beiden anhand der Figuren 1 und 2 voranstehend vorgestellten Ausführungsformen der Anordnung 2, 4. Die dritte Ausführungsform der
Anordnung 6 umfasst eine erste Reservebatterie 48 (BRHV), die hier als Metall- Luft-Batterie ausgebildet und dem ersten Teilenergiebordnetz 56 zugeordnet und/oder in dem ersten Teilenergiebornetz 56 angeordnet ist, und eine zweite Reservebatterie 54 (BRNV), die hier als Metall-Luft-Batterie ausgebildet und dem zweiten Teilenergiebordnetz 58 zugeordnet und/oder in dem zweiten
Teilenergiebordnetz 58 angeordnet ist. Zum Kontrollieren der dritten
Ausführungsform des Verfahrens weist die dritte Ausführungsform der
Anordnung 6 noch ein Kontrollgerät 3 auf.
Bei einem Normalbetrieb des Energiebordnetzes 18 sind beide Batterien 36, 42 beider Teilenergiebordnetze 56, 58 funktionstüchtig, weshalb die beiden
Reservebatterien 48, 54 abgeschaltet sind. Falls jedoch mindestens eine der beiden Batterien 36, 42, d. h. die erste Batterie 36 in dem ersten
Teilenergiebordnetz 56 und/oder die zweite Batterie 42 in dem zweiten
Teilenergiebordnetz 58 ausfällt, wird die mindestens eine Batterie 36, 42 durch das Kontrollgerät 3 von dem jeweiligen Teilenergiebordnetz 56, 58 getrennt und von dem Kontrollgerät 3 die mindestens eine Reservebatterie 48, 54 aus jenem mindestens einen Teilenergiebordnetz 56, 58 eingeschaltet, in dem die mindestens eine Batterie 36, 54 ausgefallen ist. Falls nur eine der beiden
Batterien 36, 42 ausfällt, wird diese durch jene Reservebatterie 48, 54, ersetzt, die demselben Teilenergiebordnetz 56, 58 wie die ausgefallene Batterie 36, 42 zugeordnet ist. Alternativ ist es auch möglich, bei einem Ausfall lediglich einer Batterie 36, 42 beide Reservebatterien 48, 54 zu aktivieren.
Das in Figur 4 gezeigte vierte Beispiel des Energiebordnetzes 20 umfasst ein erstes Teilenergiebordnetz 60 mit einer Hauptleitung 27 und ein zweites Teilenergiebordnetz 62 mit einer Hauptleitung 29, wobei die Hauptleitungen 27, 29 und somit die beiden Teilenergiebordnetze 60, 62 hier statt über einen Gleichstromwandler 30 über eine geteilte Elektromaschine, hier über einen geteilten Generator 64 als elektronisches Kopplungsmodul miteinander verbunden sind.
Dieser geteilte Generator 64 umfasst zwei getrennte Wicklungen, wobei eine erste Wicklung eine erste Anzahl an Windungen aufweist und über einen ersten Ausgang 66 mit dem ersten Teilenergiebordnetz 60 verbunden ist. Dagegen weist eine zweite Wicklung eine zweite Anzahl an Windungen auf und ist über einen zweiten Ausgang 68 mit dem zweiten Teilenergiebordnetz 68 verbunden. Dabei können die beiden unterschiedlichen Wicklungen je nach detaillierter Ausführungsform des geteilten Generators 64 entweder an einem gemeinsamen Rotor, der sich bei einem Betrieb des geteilten Generators 64 relativ zu einem Stator bewegt, oder an einem gemeinsamen Stator, zu dem sich bei einem Betrieb des geteilten Generators 64 ein gemeinsamer Rotor relativ bewegt, angeordnet sein. Dabei wird mit dem geteilten Generator 64 bei Bedarf elektrische Energie aus dem ersten Teilenergiebordnetz 60, die eine elektrische Spannung mit einem ersten hohen Wert aufweist, zu dem zweiten
Teilenergiebordnetz 62 übertragen und auf eine Spannung mit einem niedrigen Wert transformiert. Umgekehrt ist es ebenfalls möglich, dass von dem zweiten Teilenergiebordnetz 62 über den geteilten Generator 64 zu dem ersten
Teilenergiebordnetz 60 elektrische Energie übertragen wird, wobei die zu übertragende elektrische Energie in dem zweiten Teilenergiebordnetz 62 eine Spannung mit einem niedrigen Wert aufweist. Beim Übertragen der elektrischen Energie durch den geteilten Generator 64 wird deren Spannung auf den ersten Wert erhöht. Das erste Teilenergiebordnetz 60 weist hier in Ausgestaltung eine elektrische Spannung mit dem ersten hohen Wert von hier 48 V und das zweite
Teilenergiebordnetz 62 eine Spannung mit einem im Vergleich zum ersten Teilenergiebordnetz 62 zweiten, hier niedrigen Wert von 14 V auf. In diesem Fall weist die erste Wicklung des geteilten Generators 64 eine höhere Anzahl an Windungen wie die zweite Wicklung des geteilten Generators 64 auf.
Außerdem umfasst das erste Teilenergiebordnetz 60 mehrere zueinander parallel geschaltete und mit der Hauptleitung 27 verbundene Komponenten, nämlich einen Starter 34 zum Starten des Kraftfahrzeugs, eine als
Hochspannungsbatterie (BHV) ausgebildete Batterie 36, die elektrische Energie mit der hohen Spannung bereitstellt und über einen Schalter mit der Hauptleitung 27 verbunden ist, einen ersten Verbraucher 70, der einen elektrischen
Widerstand R2 verursacht und ebenfalls über einen Schalter mit der Hauptleitung 27 verbunden ist, und den ersten Ausgang 66 des geteilten Generators 64.
In dem zweiten Teilenergiebordnetz 62 sind ebenfalls mehrere Komponenten zueinander parallel geschaltet und mit der Hauptleitung 29 verbunden. Bei den Komponenten handelt es sich neben dem zweiten Ausgang 68 des geteilten Generators 64 um eine als Niederspannungsbatterie (BNV) ausgebildete Batterie 42, die elektrische Energie mit der niedrigen Spannung bereitstellt und über einen Schalter mit der Hauptleitung 29 verbunden ist, sowie um einen zweiten Verbraucher 72, der einen elektrischen Widerstand R3 verursacht.
Die anhand von Figur 4 schematisch dargestellte vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 8 umfasst eine erste Reservebatterie 48 (BRHV), die hier als Metall -Luft- Batterie ausgebildet und dem ersten
Teilenergiebornetz 60 zugeordnet und/oder in dem ersten Teilenergiebornetz 60 angeordnet ist, wobei die erste Reservebatterie 48 an die Hauptleitung 27 angeschlossen und parallel zu den anderen Komponenten des ersten
Teilenergiebornetzes 60 geschaltet ist. Außerdem umfasst die vierte
Ausführungsform der Anordnung 8 ein Kontrollgerät 3 zum Kontrollieren der vierten Ausführungsform des Verfahrens. Diese erste Reservebatterie 48 ist in einem Normalbetrieb, wenn beide Batterien 36, 42 funktionieren, ausgeschaltet. Falls jedoch mindestens eine der beiden Batterien 36, 42 ausfällt und somit ein Notfall eintritt, wird die mindestens eine ausgefallene Batterie 36, 42 durch das Kontrollgerät 3 vom Energiebordnetz 20 getrennt und ersatzweise die erste Reservebatterie 48 eingeschaltet. In der beschriebenen Ausführungsform ist von der ersten Reservebatterie 48 die erste, hohe Spannung bereitzustellen, weshalb die erste Reservebatterie 48 auch als Hochspannungs- Reservebatterie ausgebildet ist. Dabei kann elektrische Energie, die hier von der ersten Reservebatterie 48 bereitgestellt wird, von dem geteilten Generator 64 als elektronisches Kopplungsmodul auch in das zweite
Teilenergiebordnetz 62 übertragen werden, wobei ein Wert der Spannung der zu übertragenden elektrischen Energie reduziert wird.
Das fünfte Energiebordnetz 22, das in Figur 5 schematisch dargestellt ist, umfasst ein erstes Teilenergiebordnetz 74, das mit der ersten, hohen Spannung von hier 48 V betrieben wird und dieselben Komponenten wie das anhand von Figur 4 vorgestellte, erste Teilenergiebordnetz 60 aufweist. Ein zweites
Teilenergiebordnetz 76 des fünften Energiebordnetzes 22 umfasst dieselben Komponenten wie das zweite Teilenergiebordnetz 62 des vierten
Energiebordnetzes 22 aus Figur 4 und wird mit der zweiten, niedrigen Spannung von hier 14 V betrieben. Beide Teilenergiebordnetze 74, 76 sind mit einem geteilten Generator 64 als elektronisches Kopplungsmodul über dessen
Ausgänge 66, 68 miteinander verbunden. Über den geteilten Generator 64 ist zwischen den beiden Teilenergiebordnetzen 74, 76 elektrische Energie auszutauschen. Dabei ist der geteilte Generator 64 dazu ausgebildet, je nach Richtung, in der die elektrische Energie zwischen den beiden
Teilenergiebordnetzen 74, 76 zu übertragen ist, die niedrige elektrische
Spannung auf die hohe elektrische Spannung oder die hohe elektrische
Spannung auf die niedrige elektrische Spannung zu transformieren.
Die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 10 umfasst ein Kontrollgerät s zum Kontrollieren der fünften Ausführungsform des Verfahrens sowie eine zweite Reservebatterie 54 (BRNV), die hier als Metall-Luft-Batterie ausgebildet und dem zweiten Teilenergiebornetz 76 zugeordnet und/oder in dem zweiten Teilenergiebornetz 76 angeordnet ist. Bei der fünften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Reservebatterie 54 in einem Normalbetrieb, wenn beide Batterien 36, 42 funktionieren, ausgeschaltet ist. Falls jedoch mindestens eine der beiden Batterien 36, 42 ausfällt und somit ein Notfall eintritt, wird die mindestens eine ausgefallene Batterie 36, 42 durch das Kontrollgerät 3 vom Energiebordnetz 22 getrennt und die zweite Reservebatterie 54 eingeschaltet. In der beschriebenen Ausführungsform wird von der zweiten Reservebatterie 54 die zweite, niedrige Spannung bereitgestellt, weshalb die zweite Reservebatterie 54 auch als Niedrigspannungs- Reservebatterie ausgebildet ist. Dabei kann elektrische Energie, die hier von der ersten Reservebatterie 48 bereitgestellt wird, über den geteilten Generator 64 von dem zweiten Teilenergiebordnetz 76 in des sechste Teilenergiebordnetz 74 übertragen werden, wobei ein Wert der Spannung der zu übertragenden elektrischen Energie von dem Generator 64 erhöht wird.
Das in Figur 6 schematisch dargestellte sechste Beispiel des Energiebordnetzes 24 weist ein erstes, als Hochspannungs-Teilenergiebordnetz ausgebildetes Teilenergiebordnetz 78 und ein zweites, als Niederspannungs- Teilenergiebordnetz ausgebildetes Teilenergiebordnetz 80 auf, wobei beide Teilenergiebordnetze 78, 80 über einen geteilten Generator 64 als elektronisches Kopplungsmodul miteinander verbunden sind. Ansonsten weist das erste Teilenergiebordnetz 78 dieselben Komponenten wie jeweils eines der beiden anhand der Figuren 4 und 5 beschriebenen ersten Teilenergiebordnetze 60, 74 auf. Das zweite Teilenergiebordnetz 80 des sechsten Beispiels des
Energiebordnetzes 24 weist dieselben Komponenten wie jeweils eines der anhand der Figuren 4 und 5 beschriebenen, zweiten Teilenergiebordnetze 62, 76 auf.
Die in Figur 6 dargestellte sechste Ausführungsform der Anordnung 12 ist eine Kombination der anhand von Figuren 4 vorgestellten vierten Ausführungsform der Anordnung 8 sowie der anhand von Figuren 5 vorgestellten fünften
Ausführungsform der Anordnung 10. Die sechste Ausführungsform der
Anordnung 12 umfasst eine erste Reservebatterie 48 (BRHV), die hier als Metall- Luft- Batterie ausgebildet und dem ersten Teilenergiebordnetz 78 zugeordnet und/oder in dem ersten Teilenergiebordnetz 78 angeordnet ist, und eine zweite Reservebatterie 54 (BRNV), die hier als Metall-Luft-Batterie ausgebildet und dem zweiten Teilenergiebordnetz 80 zugeordnet und/oder in dem zweiten
Teilenergiebordnetz 80 angeordnet ist. Zum Kontrollieren der sechsten
Ausführungsform des Verfahrens weist die sechste Ausführungsform der Anordnung 12 noch ein Kontrollgerät 3 auf.
Bei einem Normalbetrieb des Energiebordnetzes 24 sind beide Batterien 36, 42 beider Teilenergiebordnetze 78, 80 funktionstüchtig, weshalb die beiden
Reservebatterien 48, 54 abgeschaltet sind. Falls jedoch mindestens eine der beiden Batterien 36, 42, d. h. die erste Batterie 36 in dem ersten
Teilenergiebordnetz 78 und/oder die zweite Batterie 42 in dem zweiten
Teilenergiebordnetz 80 ausfällt, wird die mindestens eine Batterie 36, 42 durch das Kontrollgerät 3 von dem jeweiligen Teilenergiebordnetz 78, 80 getrennt und von dem Kontrollgerät 3 die Reservebatterie 48, 54 aus jenem
Teilenergiebordnetz 78, 80 eingeschaltet, in dem die Batterie 36, 54 ausgefallen ist.
Je nach Definition kann mindestens eine Komponente eines jeweils vorgestellten Beispiels für das Energiebordnetz 14, 16, 18, 20, 22, 24 auch als Komponente der jeweils vorgestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 2,
4, 6, 8, 10, 12 und mindestens eine Komponenten der jeweils vorgestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 2, 4, 6, 8, 10, 12 als Komponente des jeweils vorgestellten Beispiels des Energiebordnetzes 14, 16, 18, 20, 22, 24 ausgebildet sein.
Jede vorgestellte Anordnung 2, 4, 6, 8, 10, 12 zum Versorgen eines
Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie ist einem elektrischen Energiebordnetz 14, 16, 18, 20, 22, 24, das zwei Teilenergiebordnetze 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 umfasst, zugeordnet. Dabei weist jedes Teilenergiebordnetz 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 eine Batterie 36, 42 auf, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Spannung mit einem für das jeweilige
Teilenergiebordnetz spezifischen, eingestellten oder vorgesehenen Wert bereitzustellen. Die beiden Teilenergiebordnetze 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 sind über ein elektrisches Kopplungselement, d. h. einen
Gleichspannungswandler 30 oder einen gespaltenen Generator 64, miteinander verbunden. Die Anordnung 2, 4, 6, 8, 10, 12 umfasst mindestens eine Metall- Luft-Batterie als Reservebatterie 48, 54, die mindestens einem der
Teilenergiebordnetze 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 zugeordnet und dazu ausgebildet ist, bei Ausfall mindestens einer der Batterien 36, 42 zusätzlich elektrische Spannung mit einem für das mindestens eine
Teilenergiebordnetz 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 spezifischen Wert bereitzustellen.
In den hier gezeigten Ausführungsformen ist die von einem ersten
Teilenergiebordnetz 26, 50, 56, 60, 74, 78, bereitzustellende Spannung größer als eine von einem zweiten Teilenergiebordnetz 28, 52, 58, 62, 76, 80
bereitzustellende Spannung. Dabei kann die mindestens eine Reservebatterie 48, 54 in dem ersten und/oder in dem zweiten Teilenergiebordnetz 28, 52, 58, 62, 76, 80 angeordnet sein.
Jede Anordnung 2, 4, 6, 8, 9, 10, 12 umfasst mindestens ein Kontrollgerät 3 zum Kontrollieren eines Betriebs der Anordnung 2, 4, 6, 8, 9, 10, 12 sowie des jeweiligen Energiebordnetzes 14, 16, 18, 20, 22, 24. Bei einem Normalbetrieb jeweils eines Energiebordnetzes 14, 16, 18, 20, 22, 24 wird jedes Teilenergiebordnetz 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 mit elektrischer Energie, die von der Batterie 36, 42 dieses Teilenergiebordnetzes 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 bereitgestellt wird, versorgt, wobei die mindestens eine Reservebatterie 48, 54 deaktiviert wird und/oder ist.
Falls die mindestens eine Batterie 36, 42 eines der beiden Teilenergiebordnetze 26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80 ausfällt, wird diese Batterie 36, 42 von dem Energiebordnetz 14, 16, 18, 20, 22, 24 getrennt und die mindestens eine Reservebatterie 48, 54, üblicherweise durch Zufuhr von Sauerstoff, aktiviert.

Claims

Ansprüche
1. Anordnung zum Versorgen eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie, wobei das Kraftfahrzeug ein Energiebordnetz (14, 16, 18, 20, 22, 24) mit zwei Teilenergiebordnetzen (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) umfasst, wobei jedes Teilenergiebordnetz (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) eine Batterie (36, 42) aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Spannung mit einem für das jeweilige Teilenergiebordnetz (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) spezifischen Wert bereitzustellen, wobei die beiden Teilenergiebordnetze (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) über ein elektrisches Kopplungselement miteinander verbunden sind, wobei die
Anordnung (2, 4, 6, 8, 10,12) mindestens eine Metall-Luft-Batterie als
Reservebatterie (48, 54) aufweist, die mindestens einem der
Teilenergiebordnetze (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) zugeordnet und dazu ausgebildet ist, bei Ausfall mindestens einer der Batterien (36, 42) zusätzlich elektrische Spannung mit einem für das mindestens eine
Teilenergiebordnetz (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) spezifischen Wert bereitzustellen.
2. Anordnung nach Patentanspruch 1, bei der die von einem ersten
Teilenergiebordnetz (26, 50, 56, 60, 74, 78) bereitzustellende Spannung größer als eine von einem zweiten Teilenergiebordnetz (28, 52, 58, 62, 76, 80) bereitzustellende Spannung ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die mindestens eine
Reservebatterie (48) in dem ersten Teilenergiebordnetz (26, 50, 56, 60, 74, 78) angeordnet ist.
4. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der die mindestens eine Reservebatterie (54) in dem zweiten Teilenergiebordnetz (28, 52, 58, 62, 76, 80) angeordnet ist.
5. Anordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die mindestens ein Kontrollgerät (3) zum Kontrollieren eines Betriebs der Anordnung (2, 4, 6, 8, 10, 12) aufweist.
6. Verfahren zum Versorgen eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie, wobei das Kraftfahrzeug ein Energiebordnetz (14, 16, 18, 20, 22, 24) mit zwei
Teilenergiebordnetzen (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) umfasst, wobei jedes Teilenergiebordnetz (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) eine Batterie (36, 42) aufweist, mit der eine elektrische Spannung mit einem für das jeweilige Teilenergiebordnetz (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) spezifischen Wert bereitgestellt wird, wobei die beiden Teilenergiebordnetze (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) über ein elektrisches
Kopplungselement miteinander verbunden werden, wobei mindestens eine Metall-Luft-Batterie als Reservebatterie (48, 54) mindestens einem der
Teilenergiebordnetze (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) zugeordnet wird, wobei mit der mindestens einen Metall-Luft-Batterie bei Ausfall mindestens einer der Batterien (36, 42) zusätzlich elektrische Spannung mit einem für das mindestens eine Teilenergiebordnetz (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) spezifischen Wert bereitgestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem bei einem Normalbetrieb des
Energiebordnetzes (14, 16, 18, 20, 22, 24) jedes Teilenergiebordnetz (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) mit elektrischer Energie, die von der Batterie (36, 42) dieses Teilenergiebordnetzes (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) bereitgestellt wird, versorgt wird, wobei die mindestens eine Reservebatterie (48, 54) deaktiviert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem für den Fall, dass mindestens eine Batterie (36, 42) der Teilenergiebordnetze (26, 28, 50, 52, 56, 58, 60, 62, 74, 76, 78, 80) ausfällt, diese Batterie (36, 42) von dem Energiebordnetz (14, 16, 18, 20, 22, 24) getrennt und die mindestens eine Reservebatterie (48, 54) aktiviert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die mindestens eine Reservebatterie (48, 54) durch Zufuhr von Sauerstoff aktiviert wird.
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