EP4595178A1 - Gleichspannungswandleranordnung, elektrofahrzeug und verfahren zum betreiben einer gleichspannungswandleranordnung - Google Patents

Gleichspannungswandleranordnung, elektrofahrzeug und verfahren zum betreiben einer gleichspannungswandleranordnung

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Publication number
EP4595178A1
EP4595178A1 EP23738441.7A EP23738441A EP4595178A1 EP 4595178 A1 EP4595178 A1 EP 4595178A1 EP 23738441 A EP23738441 A EP 23738441A EP 4595178 A1 EP4595178 A1 EP 4595178A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
low
converter
voltage network
network
Prior art date
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Pending
Application number
EP23738441.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Julian Veitengruber
Tine KONJEDIC
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4595178A1 publication Critical patent/EP4595178A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; 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 DC power distribution systems; Systems having more than three wires
    • H02J1/082—DC supplies with two or more different DC voltage levels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/20—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having different nominal voltages
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J7/855—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B60L2210/12—Buck converters

Definitions

  • the present invention relates to a DC-DC converter arrangement, in particular a DC-DC converter arrangement for transmitting electrical energy from a high-voltage network to a low-voltage network.
  • the present invention further relates to an electric vehicle with such a DC-DC converter arrangement and a method for operating such a DC-DC converter arrangement.
  • a high-voltage network has an electrical voltage of several hundred volts, for example 400 or 800 volts.
  • This high-voltage network usually contains an electrical energy storage device such as a traction battery.
  • This high-voltage network is preferably used to supply electrical consumers with high power consumption, such as the vehicle's electrical drive system and, if necessary, air conditioning units or similar, with energy.
  • electrical consumers with lower power consumption such as control units, sensors, actuators, comfort functions or multimedia applications, can be supplied with electrical energy via a low-voltage network.
  • This low-voltage network can, for example, have an electrical voltage in the range of 12 volts.
  • the publication DE 10 2013 225 097 describes an energy management method for operating an electrical system of a motor vehicle with a high-voltage network and a low-voltage network, whereby In a standby state, a consumer in the low-voltage network is supplied with electrical energy from the high-voltage network.
  • the present invention provides a DC-DC converter arrangement, an electric vehicle and a method for operating a DC-DC converter arrangement with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent patent claims.
  • a DC-DC converter arrangement with a DC-DC converter and an auxiliary voltage supply is designed to be coupled to a high-voltage network at a first connection. Furthermore, the DC-DC converter is designed to be coupled to a low-voltage network at a second connection.
  • the auxiliary voltage supply is designed to be coupled to the high-voltage network at an input connection. Furthermore, the auxiliary voltage supply is designed to be coupled to the low-voltage network at an output connection. Furthermore, the auxiliary voltage is designed to provide a supply voltage for the control circuit at a control circuit of the DC-DC converter.
  • An electric vehicle with a high-voltage network, a low-voltage network and a DC-DC converter arrangement according to the invention is an electric vehicle with a high-voltage network, a low-voltage network and a DC-DC converter arrangement according to the invention.
  • a method for operating a DC-DC converter arrangement in particular a DC-DC converter arrangement according to the invention.
  • the method comprises a step for monitoring an output of electrical power from the DC-DC converter arrangement into the low-voltage network.
  • the method further comprises a step for deactivating the DC-DC converter if the electrical power from the DC-DC converter arrangement into the low-voltage network falls below a predetermined first threshold value.
  • the method further comprises a step for activating the DC-DC converter if the electrical power from the DC-DC converter arrangement into the low-voltage network exceeds a predetermined second threshold value.
  • the first threshold value and the second threshold value can be set to be the same. Alternatively, a hysteresis between the first threshold value and the second threshold value can also be provided.
  • Electric vehicles usually have a high-voltage network and a low-voltage network, which are coupled to one another via a DC-DC converter arrangement. If such a vehicle is in idle or parking mode, for example, some consumers in the low-voltage network are still active. In conventional systems, these consumers can be supplied with electrical energy via a battery in the low-voltage network, for example. This battery is usually very heavy, takes up space and is expensive. However, if this battery is to be omitted, the energy required for the low-voltage network must be provided from the high-voltage network via the DC-DC converter arrangement, even when the vehicle is parked.
  • the DC-DC converter usually used in the DC-DC converter arrangement however, has a rather low efficiency due to the low power output of a parked vehicle. This means that the electrical losses increase when the vehicle is at rest.
  • auxiliary voltage tracking in a DC-DC converter arrangement for coupling the high-voltage network to the low-voltage network.
  • this auxiliary voltage supply can supply energy to control components in a DC-DC converter Provide DC-DC converter arrangement.
  • the auxiliary voltage supply can provide the required electrical energy for the low-voltage network even when there is a low power requirement in the low-voltage network.
  • the DC-DC converter in the DC-DC converter arrangement can be deactivated when there is a low power requirement in the low-voltage network. Since such an arrangement can always provide efficient energy transfer from the high-voltage network to the low-voltage network, an additional energy storage device, such as a battery, in the low-voltage network of the electric vehicle can be omitted. This means that a continuous and efficient energy supply to consumers in the low-voltage network is also possible when a vehicle is parked.
  • the increased efficiency of the energy transfer, especially when energy consumption in the low-voltage network is low also means that the energy drawn from the traction battery in the high-voltage network can be reduced when vehicles are parked. This reduces the risk of the traction battery being drained too quickly when vehicles are parked.
  • the high-voltage network and the low-voltage network can each be direct current networks that have an electrical voltage with a predetermined voltage level.
  • the high-voltage network and/or the low-voltage network can comprise several separate sub-networks. These individual sub-sets can be completely separated from one another.
  • the individual sub-networks of the high-voltage network or the low-voltage network can be electrically coupled to one another if required using suitable switching or isolating elements.
  • the auxiliary voltage supply is designed to provide a low-voltage voltage that is galvanically isolated from the high-voltage network to the control circuit of the DC-DC converter and in the low-voltage network using an electrical voltage from the high-voltage network.
  • the galvanic isolation of the high-voltage network from the low-voltage side of the auxiliary voltage supply enables a secure energy supply to low-voltage consumers.
  • the galvanic isolation can be achieved using a transformer or similar.
  • the auxiliary voltage supply is designed to set a predetermined target voltage in the low-voltage network.
  • the target voltage can also be dynamically adjusted if necessary. This means that, for example, in the event of a sudden change in the target voltage, the new voltage in the low-voltage network can be reached as quickly as possible. In this way, the voltage level in the low-voltage network can be stabilized using the auxiliary voltage supply.
  • the auxiliary voltage supply can regulate the target voltage in the low-voltage network within predetermined power limits. In other words, the maximum power or the maximum output current of the auxiliary voltage supply is limited to a predetermined maximum value.
  • the auxiliary voltage supply is designed to provide a high-voltage voltage that is galvanically isolated from the low-voltage network for the high-voltage network using an electrical voltage from the low-voltage network.
  • the auxiliary voltage supply can provide bidirectional energy transmission between the high-voltage network and the low-voltage network.
  • the DC-DC converter arrangement comprises a control device.
  • the control device can be designed to activate the DC-DC converter if an electrical power from the auxiliary voltage supply to the low-voltage network exceeds a predetermined threshold value. In this way, if the power requirement in the low-voltage network increases, the energy supply of the low-voltage network can be taken over by the DC-DC converter. This ensures a secure energy supply in the low-voltage network, even if the power requirement exceeds a maximum permissible power output of the auxiliary voltage supply.
  • the auxiliary voltage supply can therefore be optimized to a low maximum power output, which is usually sufficient for the energy requirement in a stationary vehicle and the energy requirement to start the DC-DC converter from sleep mode.
  • the DC-DC converter arrangement comprises a switching device.
  • the switching device can be designed to open or close an electrical connection between the auxiliary voltage supply and the low-voltage network. In this way, the output of the auxiliary voltage supply can only be electrically coupled to the low-voltage network when necessary
  • the switching device of the DC-DC converter arrangement is designed to open the electrical connection between the auxiliary voltage supply and the low-voltage network if the DC-DC converter is active.
  • the output of the auxiliary voltage supply can thus be decoupled from the low-voltage network if the energy supply to the low-voltage network takes place via the DC-DC converter of the DC-DC converter arrangement.
  • the auxiliary voltage supply can be protected from interference from the low-voltage network.
  • the DC-DC converter arrangement comprises a first buffer element.
  • This first buffer element can be electrically coupled to the low-voltage network.
  • the first buffer element can be designed to compensate for voltage fluctuations in the low-voltage network.
  • the first buffer element can be, for example, a capacitor or a battery with a very low storage capacity.
  • the DC-DC converter arrangement comprises a second buffer element.
  • the second buffer element can be designed to be electrically coupled to the control circuit and to compensate for voltage fluctuations in the supply voltage of the control circuit. In this way, voltage fluctuations in the control circuit can be compensated for, thus ensuring a stable supply voltage.
  • the second two Buffer element can be, for example, a capacitor or a battery with a very low storage capacity.
  • the DC-DC converter arrangement is designed to deactivate the DC-DC converter when the vehicle is parked.
  • the DC-DC converter can be deactivated if energy consumption by consumers in the low-voltage network falls below a predetermined limit value in rest or park mode. In such a case, only a few consumers, such as control components for keyless vehicle entry, are usually active. Therefore, the energy requirement in the low-voltage network in this state can be covered by the auxiliary voltage supply alone.
  • Fig.l a schematic representation of a block diagram of a power supply system for an electric vehicle with a DC-DC converter arrangement according to an embodiment
  • Fig. 2 a schematic representation of a block diagram of a DC-DC converter arrangement according to an embodiment
  • Fig. 3 a flow chart underlying a method for operating a DC-DC converter arrangement according to an embodiment.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an electrical energy supply, such as can be used to supply an electric vehicle.
  • a high-voltage network 2 and a low-voltage network 3 can be provided in such an electric vehicle.
  • the high-voltage network 2 can be fed, for example, by an electrical energy storage device such as a traction battery 20.
  • This high-voltage network 2 can be used to feed, for example, high-power consumers such as an electric drive system, an air conditioning unit or possibly other electrical consumers.
  • the low-voltage network 3 can include several electrical consumers 30 with lower power consumption.
  • these consumers 30 can include control units, sensors, actuators, auxiliary drives, comfort functions, multimedia components or the like.
  • this low-voltage network 2 can also include, for example, components for keyless access, communication devices for communication with remote devices such as a smartphone or the like. This means that, for example, some functions such as preheating or cooling the vehicle can be remotely controlled via such wireless connections.
  • the high-voltage network 2 can be electrically coupled to the low-voltage network 3 via a DC-DC converter arrangement 1. In this way, the consumers 30 in the low-voltage network 3 can be supplied with electrical energy from the high-voltage network 2.
  • an electrical energy storage device such as a lead battery or similar in the low-voltage network 3 can be expressly dispensed with.
  • the DC-DC converter arrangement 1 comprises a DC-DC converter 11.
  • This DC-DC converter 11 can convert electrical energy from the high-voltage network 2 into an electrical voltage convert, which corresponds to the electrical voltage in the low-voltage network 3.
  • the DC-DC converter 11 is generally designed for electrical power that can also cover the power requirement in the low-voltage network 3 at full load. If necessary, the DC-DC converter 11 can include a parallel connection of several DC-DC converter units.
  • the DC-DC converter 11 can be controlled via a control circuit 13.
  • the control circuit 13 can take into account setpoint and actual values on the DC-DC converter arrangement 1 for the control.
  • semiconductor switching elements in the DC-DC converter 11 can be controlled via corresponding driver circuits in the control circuit 13.
  • an auxiliary voltage supply 12 is provided in the DC-DC converter arrangement 1.
  • An input of this auxiliary voltage supply 12 is electrically coupled to the high-voltage network 2, so that the auxiliary voltage supply 12 can permanently obtain its electrical energy from this high-voltage network 2.
  • This auxiliary voltage supply 12 can in particular supply the control circuit 13 with electrical energy.
  • the output voltages provided by the auxiliary voltage supply 12 are galvanically separated from the high-voltage network 2.
  • a transformer or similar can be provided in the auxiliary voltage supply 12 for galvanic separation.
  • the auxiliary voltage supply 12 can also provide electrical energy for the low-voltage network 3.
  • the maximum power output by the auxiliary voltage supply 12 is limited and significantly lower than the maximum power output by the DC-DC converter 11.
  • the maximum possible power output by the auxiliary voltage supply 12 can be dimensioned such that the electrical power provided by the auxiliary voltage supply 12 is sufficient to meet the power requirements of the to cover electrical consumers 30 in the low-voltage network 3 when the vehicle is parked or stationary. Since in such a case usually only a few components are active in the low-voltage network 3, for example a receiver for a radio key, components for communication with remote ones Devices or possibly sensors for an alarm system, the auxiliary power supply 12 can be designed for a relatively low maximum power output with high efficiency at the same time. This means that the quiescent current requirement of such a vehicle can be reduced.
  • the DC-DC converter 11 can be deactivated. In other words, the energy supply for the low-voltage network 3 takes place entirely via the auxiliary voltage supply 12.
  • the DC-DC converter 11 can be activated in order to cover the increased power requirement in the low-voltage network 3. Since the auxiliary voltage supply 12 also supplies the control circuit 13 for the DC-DC converter 11 with electrical energy, such activation is possible at any time.
  • the auxiliary voltage supply 12 can be connected in parallel, i.e. H. at the same time as the DC-DC converter 11, electrical energy is transferred from the high-voltage network 2 to the low-voltage network 3 (or possibly also in the opposite direction).
  • the energy transfer can optionally be regulated in such a way that the DC-DC converter 11 and/or the auxiliary voltage supply 12 can be operated at the most efficient operating point possible.
  • the auxiliary voltage supply 12 can support the energy transfer between the high-voltage network 2 and the low-voltage network 3, even when an electric vehicle is operating as a ferry.
  • the DC-DC converter 11 and/or the auxiliary voltage supply 12 can optionally also be designed for bidirectional energy transmission between the high-voltage network 2 and the low-voltage network 3.
  • the power flow through the auxiliary voltage supply 12 can be limited to a maximum power or a maximum output current become.
  • electrical energy can also be transmitted from the low-voltage network 3 in the direction of the high-voltage network 2.
  • the energy transfer or the power flow between high-voltage network 2 and low-voltage network 3 can be regulated so that an electrical voltage in low-voltage network 3 is stabilized to a predetermined target value.
  • the control can also dynamically adjust the electrical voltage in the low-voltage network between a minimum and a maximum setpoint within a predetermined voltage range.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a block diagram for a DC-DC converter arrangement 1 according to an embodiment. This can in particular be the previously described DC-DC converter arrangement 1 according to FIG.
  • the auxiliary voltage supply 12 can comprise a control device 14.
  • the assembly shown here as a separate control device 14 or its functionality can optionally also be integrated in the control circuit 12 already described above.
  • the control device 14 can control the components of the DC-DC converter arrangement 1 and in particular activate or deactivate the DC-DC converter 11.
  • the control device 14 can also control the other components of the DC-DC converter arrangement 1 described below.
  • the control device 14 can, for example, determine the power requirement for the low-voltage network 3.
  • the control device 14 can, for example, evaluate measured values from current sensors (not shown) in order to determine the electrical current from the DC-DC converter arrangement 1 into the low-voltage network 3 and thus the corresponding power.
  • control device 14 can also receive further data or signals.
  • the control device 14 can receive information about an operating state of the vehicle. Accordingly, the control device 14 can, for example, activate the DC-DC converter 11 of the DC-DC converter arrangement 1 only when the vehicle is in a predetermined operating state, for example in a parking or idle mode. Furthermore, the control device 14 of the Activate DC-DC converter 11 if there is an increased power requirement in the low-voltage network 3 or if this is expected based on received data.
  • auxiliary voltage supply 12 a limit for current, voltage and/or power can be provided for the auxiliary voltage supply 12. In this way, it can be ensured that neither the auxiliary voltage supply 12 is overloaded nor that components in the connected high-voltage and low-voltage network 2, 3 are damaged.
  • the auxiliary voltage supply 12 can be started automatically if there is no low-voltage voltage or if the voltage falls below a low voltage in the low-voltage network 3.
  • the regulation of the auxiliary voltage supply 12 can be controlled or regulated either digitally, for example from a central common control unit 13 for the DC-DC converter 11 or a separate control device 14, or also analogously.
  • a switching element 15 can be provided in the DC-DC converter arrangement 1, for example between the auxiliary voltage supply 12 and the low-voltage network 3.
  • This switching element 15 can be closed in order to establish an electrical connection between the auxiliary voltage supply 12 and the low-voltage network 3.
  • the auxiliary voltage supply 12 can thus feed electrical energy into the low-voltage network 3.
  • the switching element 15 can be opened, for example, when the energy supply to the low-voltage network 3 takes place via the DC-DC converter 11. In this state, any influences from the low-voltage network 3 on the auxiliary voltage supply 12 can thus be avoided.
  • the switching state of the switching element 15 can be controlled, for example, via the control device 14.
  • Auxiliary voltage supply 12 and the connection of the DC-DC converter arrangement 11 to the low-voltage network 3 also provides further components, such as filter assemblies, which eliminate or at least partially suppress the frequency of the signals and interference pulses.
  • a buffer element 16 can be provided in the DC-DC converter arrangement 1, for example. This buffer element can in particular be electrically coupled to the low-voltage network 3. These buffer elements 16 can be, for example, a capacitor or a small battery with a low capacity. Such a buffer element 16 can compensate for voltage fluctuations in the low-voltage network 3. Such voltage fluctuations can occur, for example, in the event of a short-term higher power requirement in the low-voltage network 3 or when the energy supply changes between the auxiliary voltage supply 12 and the DC-DC converter 11.
  • a further buffer element 19 can also be provided, which stabilizes the supply voltage for the control circuit 13.
  • This further buffer element 19 can also be, for example, a capacitor or a small battery with a low capacity.
  • FIG 3 shows a flow chart that can form the basis of a method for operating a DC-DC converter arrangement 1 according to one embodiment.
  • the DC-DC converter arrangement 1 can in particular be the previously described DC-DC converter arrangement 1 according to Figure 1 or 2.
  • the statements already made above also apply accordingly to the method described below.
  • the DC-DC converter arrangement 1 described above can also include any components that may be required to implement the method described below.
  • step S1 the output of electrical power from the DC-DC converter arrangement 1 into the low-voltage network 3 is monitored.
  • step S2 the DC-DC converter 11 of the DC-DC converter arrangement 1 is deactivated if the electrical power from the DC-DC converter arrangement 1 into the low-voltage network 3 falls below a predetermined first threshold value.
  • the DC-DC converter 11 can only be activated if an electric vehicle with the DC-DC converter arrangement 1 is in a predetermined operating state, for example in a rest or parking mode or the like.
  • the DC-DC converter 11 can be activated if electrical power from the DC-DC converter arrangement 1 into the low-voltage network 3 or the power requirement in the low-voltage network 3 exceeds a predetermined second threshold value. Furthermore, the DC-DC converter 11 can also be activated in principle when the operating state of the vehicle changes. For example, the DC-DC converter 11 can be activated when the vehicle comes out of idle.
  • the predetermined first threshold value and the predetermined second threshold value can be set the same.
  • a hysteresis between the predetermined first threshold value and the predetermined second threshold value is also possible.
  • the present invention relates to a DC-DC converter arrangement for supplying energy to a low-voltage network from a high-voltage network in an electric vehicle.
  • the DC-DC converter arrangement comprises an additional auxiliary voltage supply.
  • This auxiliary voltage supply can, on the one hand, supply control components of the DC-DC converter with electrical energy.
  • the voltage supply can also feed electrical energy into the low-voltage network, so that the DC-DC converter can be deactivated when there is a low power requirement in the low-voltage network.

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Abstract

Die Erfindung offenbart eine Gleichspannungswandleranordnung zur Energieversorgung eines Niedervoltnetzes aus einem Hochvoltnetz in einem Elektrofahrzeug. Die Gleichspannungswandleranordnung umfasst neben einem Gleichspannungswandler eine zusätzliche Hilfsspannungsversorgung. Diese Hilfsspannungsversorgung kann zum einen Steuerungskomponenten des Gleichspannungswandlers mit elektrischer Energie versorgen. Zum anderen kann die Spannungsversorgung auch elektrische Energie in das Niedervoltnetz einspeisen, sodass bei geringem Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz der Gleichspannungswandler deaktiviert werden kann.

Description

Beschreibung
Titel und Verfahren zum
Betreiben einer Gleichspannu
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandleranordnung, insbesondere eine Gleichspannungswandleranordnung zur Übertragung elektrischer Energie von einem Hochvoltnetz in einem Niedervoltnetz. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Elektrofahrzeug mit einer solchen Gleichspannungswandleranordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gleichspannungswandleranordnung.
Hintergrund
Ganz oder zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge verfügen in der Regel über zwei elektrische Bordnetze. Ein Hochvoltnetz weist eine elektrische Spannung von einigen hundert Volt, beispielsweise 400 oder 800 Volt, auf. In diesem Hochvoltnetz befindet sich üblicherweise ein elektrische Energiespeicher wie zum Beispiel eine Traktionsbatterie. Über dieses Hochvoltnetz werden bevorzugt elektrische Verbraucher mit einer hohen Leistungsaufnahme, wie beispielsweise das elektrische Antriebssystem des Fahrzeugs sowie gegebenenfalls Klimaaggregate o. ä. mit Energie versorgt. Darüber hinaus können elektrische Verbraucher mit kleinerer Leistungsaufnahme, wie beispielsweise Steuergeräte, Sensoren, Aktoren, Komfortfunktionen oder Multimedia-Anwendungen über ein Niedervoltnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Dieses Niedervoltnetz kann beispielsweise eine elektrische Spannung im Bereich von 12 Volt aufweisen.
Die Druckschrift DE 10 2013 225 097 beschreibt ein Energiemanagementverfahren zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges mit einem Hochvoltnetz und einem Niedervoltnetz, wobei in einem Ruhezustand ein Verbraucher in dem Niedervoltnetz mit elektrischer Energie aus den Hochvoltnetz versorgt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Gleichspannungswandleranordnung, ein Elektrofahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandleranordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Gleichspannungswandleranordnung mit einem Gleichspannungswandler und einer Hilfsspannungsversorgung. Der Gleichspannungswandler ist dazu ausgelegt, an einem ersten Anschluss mit einem Hochvoltnetz gekoppelt zu werden. Weiterhin ist der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt, an einem zweiten Anschluss mit einem Niedervoltnetz gekoppelt zu werden. Die Hilfsspannungsversorgung ist dazu ausgelegt, an einem Eingangsanschluss mit dem Hochvoltnetz gekoppelt zu werden. Weiterhin ist die Hilfsspannungsversorgung dazu ausgelegt, an einem Ausgangsanschluss mit dem Niedervoltnetz gekoppelt zu werden ferner ist die Hilfsspannung dazu ausgelegt, an einer Steuerschaltung des Gleichspannungswandlers eine Versorgungsspannung für die Steuerschaltung bereitzustellen.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltnetz, einem Niedervoltnetz und einer erfindungsgemäßen Gleichspannungswandleranordnung.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandleranordnung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Gleichspannungswandleranordnung. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Überwachen einer Abgabe von elektrischer Leistung von der Gleichspannungswandleranordnung in das Niedervoltnetz. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Deaktivieren des Gleichspannungswandlers, falls die elektrische Leistung von der der Gleichspannungswandleranordnung in das Niedervoltnetz einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Aktivieren des Gleichspannungswandlers, falls die elektrische Leistung von der der Gleichspannungswandleranordnung in das Niedervoltnetz einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet. Erster Schwellwert und zweiter Schwellwert können gleich eingestellt werden. Alternativ kann auch eine Hysterese zwischen ersten Schwellwert und zweitem Schwellwert vorgesehen sein.
Vorteile der Erfindung
Elektrofahrzeuge verfügt in der Regel über ein Hochvoltnetz und eine Niedervoltnetz, welche über eine Gleichspannungswandleranordnung miteinander gekoppelt sind. Befindet sich ein solches Fahrzeug beispielsweise in einem Ruhe- oder Parkmodus, so sind einige Verbraucher in dem Niedervoltnetz weiterhin aktiv. Diese Verbraucher können in konventionellen Systemen beispielsweise über eine Batterie in dem Niedervoltnetz mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Batterie hat in der Regel ein hohes Gewicht, benötigt Bauraum und verursacht Kosten. Soll diese Batterie jedoch entfallen, so muss auch bei einem abgestellten Fahrzeug die benötigte Energie für das Niedervoltnetz über die Gleichspannungswandleranordnung aus dem Hochvoltnetz bereitgestellt werden. Der dabei üblicherweise eingesetzte Gleichspannungswandler in der Gleichspannungswandleranordnung hat jedoch geringen Leistungsabgabe eines geparkten Fahrzeuges eine eher geringe Effizienz. Damit steigen gerade die elektrischen Verluste im Ruhezustand des Fahrzeugs an.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, in einer Gleichspannungswandleranordnung zur Kopplung des Hochvoltnetz des mit dem Niedervoltnetz eine Hilfsspannungsverfolgung vorzusehen. Diese Hilfsspannungsversorgung kann einerseits die Energieversorgung von Steuerungskomponenten in einem Gleichspannungswandler der Gleichspannungswandleranordnung bereitstellen. Darüber hinaus kann die Hilfsspannungsversorgung auch bei einem geringen Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz die benötigte elektrische Energie für das Niedervoltnetz bereitstellen.
Auf diese Weise kann bei geringen Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz der Gleichspannungswandler in der Gleichspannungswandleranordnung deaktiviert werden. Da durch eine solche Anordnung stets eine effiziente Energieübertragung vor dem Hochvoltnetz in das Niedervoltnetz bereitgestellt werden kann, kann ein zusätzlicher Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie, in dem Niedervoltnetz des Elektrofahrzeugs entfallen. Somit ist auch einem abgestellten Fahrzeug eine kontinuierliche und effiziente Energieversorgung der Verbraucher in dem Niedervoltnetz möglich. Durch die gesteigerte Effizienz der Energieübertragung gerade bei geringem Energieverbrauch in dem Niedervoltnetz kann somit auch in die Energieentnahme aus der Traktionsbatterie in dem Hochvoltnetz bei abgestellten Fahrzeugen verringert werden. Somit sinkt die Gefahr, dass bei abgestellten Fahrzeugen die Traktionsbatterie zu rasch entleert wird.
Bei dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz kann es sich hierbei jeweils um Gleichspannungsnetze handeln, welche eine elektrische Spannung mit einem vorbestimmten Spannungsniveau aufweisen. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass das Hochvoltnetz und/oder das Niedervoltnetz mehrere separate Teilnetze umfassen. Diese einzelnen Teilsätze können hierbei vollständig voneinander getrennt sein. Dabei können die einzelnen Teilnetze des Hochvoltnetzes bzw. des Niedervoltnetzes bei Bedarf mittels geeigneter Schalt- oder Trennelemente elektrisch miteinander gekoppelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Hilfsspannungsversorgung dazu ausgelegt, unter Verwendung einer elektrischen Spannung aus dem Hochvoltnetz eine galvanisch von dem Hochvoltnetz getrennte Niedervoltspannung an der Steuerschaltung des Gleichspannungswandlers und in dem Niedervoltnetz bereitzustellen. Durch die galvanische Trennung des Hochvoltnetzes von der Niedervoltseite der Hilfsspannungsversorgung ist eine sichere Energieversorgung der Niedervolt-Verbraucher möglich. Beispielsweise kann die galvanische Trennung mittels eines Transformators oder ähnlichem realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Hilfsspannungsversorgung dazu ausgelegt, in dem Niedervoltnetz eine vorgegebene Sollspannung einzustellen. Die Sollspannung kann hierbei gegebenenfalls auch dynamisch angepasst werden. Hierdurch kann zum Beispiel bei einer sprunghaften Sollspannungsänderung möglichst schnell die neue Spannung im Niedervoltnetz zu erreicht werden. Auf diese Weise kann mittels der Hilfsspannungsversorgung das Spannungsniveau in dem Niederspannungsnetz stabilisiert werden. Insbesondere kann die Hilfsspannungsversorgung die Sollspannung in dem Niedervoltnetz innerhalb vorbestimmter Leistungsgrenzen regeln. Mit anderen Worten, die maximale Leistung bzw. der maximale Ausgangsstrom der Hilfsspannungsversorgung ist auf einen vorgegebenen maximalen Wert limitiert.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Hilfsspannungsversorgung dazu ausgelegt, unter Verwendung einer elektrischen Spannung aus dem Niedervoltnetz eine galvanisch von dem Niedervoltnetz getrennte Hochvoltspannung für das Hochvoltnetz bereitzustellen. Insbesondere kann die Hilfsspannungsversorgung eine bidirektionale Energieübertragung zwischen dem Hochvoltnetz und dem Niedervoltnetz bereitstellen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichspannungswandleranordnung eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, den Gleichspannungswandler zu aktivieren, falls eine elektrische Leistung von der Hilfsspannungsversorgung in das Niedervoltnetz einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Diese Weise kann bei steigendem Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz die Energieversorgung des Niedervoltnetzes durch den Gleichspannungswandler übernommen werden. Somit ist eine sichere Energieversorgung in dem Niedervoltnetz gewährleistet, auch wenn der Leistungsbedarf eine maximal zulässige Leistungsabgabe der Hilfsspannungsversorgung überschreitet. Daher kann die Hilfsspannungsversorgung auf eine geringe maximale Leistungsabgabe optimiert werden, welche üblicherweise für den Energiebedarf bei einem ruhenden Fahrzeug sowie den Energiebedarf zum Aufstarten des Gleichspannungswandlers aus dem Ruhemodus ausreicht.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichspannungswandleranordnung eine Schalteinrichtung. Die Schalteinrichtung kann dazu ausgelegt sein, eine elektrische Verbindung zwischen der Hilfsspannungsversorgung und dem Niedervoltnetz zu öffnen oder zu schließen. Auf diese Weise kann der Ausgang der Hilfsspannungsversorgung nur bei Bedarf mit dem Niedervoltnetz elektrisch gekoppelt werden
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schalteinrichtung der Gleichspannungswandleranordnung dazu ausgelegt, die elektrische Verbindung zwischen der Hilfsspannungsversorgung und dem Niedervoltnetz zu öffnen, falls Gleichspannungswandler aktiv ist. Somit kann der Ausgang der Hilfespannungsversorgung vor dem Niedervoltnetz entkoppelt werden, wenn die Energieversorgung des Niedervoltnetzes über den Gleichspannungswandler der Gleichspannungswandleranordnung erfolgt. Diese Weise kann beispielsweise die Hilfsspannungsversorgung vor Störungen aus dem Niedervoltnetz geschützt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichspannungswandleranordnung ein erstes Pufferelement. Dieses erste Pufferelement kann elektrisch mit dem Niedervoltnetz gekoppelt sein. Insbesondere kann das erste Pufferelement dazu ausgelegt sein, Spannungsschwankungen in dem Niedervoltnetz auszugleichen. Bei dem ersten Pufferelement kann es sich beispielsweise um einen Kondensator oder um eine Batterie mit einer sehr geringen Speicherkapazität handeln.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Gleichspannungswandleranordnung ein zweites Pufferelement. Das zweite Pufferelemente kann dazu ausgelegt sein, elektrisch mit dem Steuerschaltung gekoppelt zu werden und Spannungsschwankungen an der Versorgungsspannung der Steuerschaltung auszugleichen. Auf diese Weise können Spannungsschwankungen an der Steuerschaltung ausgeglichen werden und somit eine stabile Versorgungsspannung gewährleistet werden. Auch beidem zweiten Pufferelement kann es sich beispielsweise um einen Kondensator oder um eine Batterie mit einer sehr geringen Speicherkapazität handeln.
Gemäß einer Ausführungsform des Elektrofahrzeugs ist die Gleichspannungswandleranordnung dazu ausgelegt, in einem Parkbetrieb des Fahrzeugs den Gleichspannungswandler zu deaktivieren. Insbesondere kann der Gleichspannungswandler deaktiviert werden, falls eine Energieaufnahme von Verbrauchern in dem Niedervoltnetz in einem Ruhe- oder Parkbetrieb einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. In einem solchen Fall sind in Regel nur wenige Verbraucher, wie beispielsweise Steuerungskomponenten für einen schlüssellosen Fahrzeugzugang, aktiv. Daher kann der Energiebedarf in dem Niedervoltnetz in diesem Zustand durch die Hilfsspannungsversorgung allein gedeckt werden.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
Fig.l: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Energieversorgungssystems für ein Elektrofahrzeug mit einer Gleichspannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds einer Gleichspannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform; und Fig. 3: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandleranordnung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Energieversorgung, wie beispielsweise einem Elektrofahrzeug zugrunde liegen kann. Beispielsweise kann in einem solchen Elektrofahrzeug ein Hochvoltnetz 2 und ein Niedervoltnetz 3 vorgesehen sein. Das Hochvoltnetz 2 kann beispielsweise von einem elektrischen Energiespeicher wie einer Traktionsbatterie 20 gespeist werden. Über dieses Hochvoltnetz 2 können zum Beispiel Verbraucher hoher Leistung wie ein elektrisches Antriebssystem, ein Klimaaggregat oder gegebenenfalls weitere elektrische Verbraucher gespeist werden. Das Niedervoltnetz 3 kann mehrere elektrische Verbraucher 30 mit geringerer Leistungsaufnahme umfassen. Beispielsweise können diese Verbraucher 30 Steuergeräte, Sensoren, Aktoren, Hilfsantriebe, Komfortfunktionen, Multimediakomponenten o. ä. umfassen. Ferner können in diesem Niedervoltnetz 2 beispielsweise auch Komponenten für einen schlüssellosen Zugang, Kommunikationseinrichtungen für eine Kommunikation mit entfernten Geräten, wie zum Beispiel ein Smartphone o. ä., vorgesehen sein. Hierdurch können beispielsweise einige Funktionen wie ein Vorheizen oder Kühlen des Fahrzeugs über solche kabellosen Verbindungen ferngesteuert werden.
Das Hochvoltnetz 2 kann über eine Gleichspannungswandleranordnung 1 mit dem Niedervoltnetz 3 elektrische gekoppelt werden. Auf diese Weise können die Verbraucher 30 in dem Niedervoltnetz 3 aus dem Hochvoltnetz 2 mit elektrischer Energie versorgt werden. In der hier dargestellten Ausführungsform kann dabei ausdrücklich auf einen elektrischen Energiespeicher wie zum Beispiel eine Bleibatterie o. ä. in dem Niedervoltnetz 3 verzichtet werden.
Die Gleichspannungswandleranordnung 1 umfasst einen Gleichspannungswandler 11. Dieser Gleichspannungswandler 11 kann elektrische Energie aus dem Hochvoltnetz 2 in eine elektrische Spannung konvertieren, die der elektrischen Spannung in dem Niedervoltnetz 3 entspricht. Dabei ist der Gleichspannungswandler 11 in der Regel für elektrische Leistungen ausgelegt, die auch den Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz 3 bei Volllast decken können. Gegebenenfalls kann der Gleichspannungswandler 11 eine Parallelschaltung mehrerer Gleichspannungswandlereinheiten umfassen.
Der Gleichspannungswandler 11 kann hierbei über eine Steuerschaltung 13 gesteuert werden. Hierbei kann die Steuerschaltung 13 Soll- und Istwerte an der Gleichspannungswandleranordnung 1 für die Regelung berücksichtigen. Insbesondere können Halbleiterschaltelement in dem Gleichspannungswandler 11 über entsprechende Treiberschaltungen in der Steuerschaltung 13 angesteuert werden.
Weiterhin ist in der Gleichspannungswandleranordnung 1 eine Hilfsspannungsversorgung 12 vorgesehen. Ein Eingang dieser Hilfsspannungsversorgung 12 ist elektrisch mit dem Hochvoltnetz 2 gekoppelt, sodass die Hilfsspannungsversorgung 12 ihre elektrische Energie aus diesem Hochvoltnetz 2 dauerhaft beziehen kann. Diese Hilfsspannungsversorgung 12 kann insbesondere die Steuerschaltung 13 mit elektrischer Energie versorgen. Die von der Hilfsspannungsversorgung 12 bereitgestellten Ausgangsspannungen sind dabei galvanisch von dem Hochvoltnetz 2 getrennt. Hierzu kann in der Hilfsspannungsversorgung 12 beispielsweise ein Transformator o. ä. zur galvanischen Trennung vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann die Hilfespannungsversorgung 12 auch elektrische Energie für das Niedervoltnetz 3 bereitstellen. Hierbei ist die maximale Leistungsabgabe durch die Hilfespannungsversorgung 12 jedoch begrenzt und deutlich geringer als die maximale Leistungsabgabe durch den Gleichspannungswandler 11. Die maximal mögliche Leistungsabgabe der Hilfsspannungsversorgung 12 kann dabei so dimensioniert sein, dass die durch die Hilfsspannungsversorgung 12 bereitgestellten elektrischen Leistung ausreicht, den Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher 30 in der Niedervoltnetz 3 bei einem abgestellten bzw. ruhenden Fahrzeug zu decken. Da in einem solchen Fall in der Regel nur wenige Komponenten in dem Niedervoltnetz 3 aktiv sind, beispielsweise ein Empfänger für einen Funkschlüssel, Komponenten für eine Kommunikation mit entfernten Geräten oder gegebenenfalls Sensoren für eine Alarmanlage, kann die Hilfsspannungsversorgung 12 für eine relativ geringe maximale Leistungsabgabe bei gleichzeitig hoher Effizienz ausgelegt sein. Somit kann der Ruhestrombedarf eines solchen Fahrzeuges gesenkt werden.
Solange der Energiebedarf für die Verbraucher 30 in dem Niedervoltnetz 3, insbesondere bei einem ruhenden Fahrzeug, mittels der Hilfsspannungsversorgung 12 gedeckt werden kann, kann dabei der Gleichspannungswandler 11 deaktiviert werden. Mit anderen Worten, die Energieversorgung für das Niedervoltnetz 3 erfolgt vollständig über die Hilfsspannungsversorgung 12.
Überschreitet der Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz 3 einen vorgegebenen Schwellwert, so kann der Gleichspannungswandler 11 aktiviert werden, um den gestiegenen Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz 3 zu decken. Da die Hilfsspannungsversorgung 12 auch die Steuerschaltung 13 für den Gleichspannungswandler 11 mit elektrischer Energie versorgt, ist eine solche Aktivierung jederzeit möglich.
Ferner ist es auch möglich, dass die Hilfsspannungsversorgung 12 parallel, d. h. gleichzeitig zu dem Gleichspannungswandler 11, elektrische Energie von dem Hochvoltnetz 2 in das Niedervoltnetz 3 (oder gegebenenfalls auch in die entgegengesetzte Richtung) überträgt. Diese Weise kann die Energieübertragung gegebenenfalls derart geregelt werden, dass der Gleichspannungswandler 11 und/oder die Hilfsspannungsversorgung 12 an einem möglichst effizienten Arbeitspunkt betrieben werden können.
Insbesondere kann die Hilfsspannungsversorgung 12 bei dieser Betriebsweise die Energieübertragung zwischen Hochvoltnetz 2 und Niedervoltnetz 3 auch im Fährbetrieb eines Elektrofahrzeuges unterstützen.
Der Gleichspannungswandler 11 und/oder die Hilfsspannungsversorgung 12 können gegebenenfalls auch für eine bidirektionale Energieübertragung zwischen dem Hochvoltnetz 2 und dem Niedervoltnetz 3 ausgelegt sein. Dabei kann insbesondere auch der Leistungsfluss durch die Hilfsspannungsversorgung 12 auf eine maximale Leistung bzw. einen maximalen Ausgangsstrom limitiert werden. Auf diese Weise kann gegebenenfalls auch elektrische Energie von dem Niedervoltnetz 3 in Richtung des Hochvoltnetz das 2 übertragen werden. Beispielsweise kann die Energieübertragung bzw. der Leistungsfluss zwischen Hochvoltnetz 2 und Niedervoltnetz 3 so geregelt werden, dass eine elektrische Spannung im Niedervoltnetz 3 auf einen vorgegebenen Sollwert stabilisiert werden. Gegebenenfalls kann auch die Regelung die elektrische Spannung in dem Niedervoltnetz innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereich dynamisch zwischen einem minimalen und einem maximalen Sollwert einstellen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds für eine Gleichspannungswandleranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform. Hierbei kann sich insbesondere um die bereits zuvor beschriebene Gleichspannungswandleranordnung 1 gemäß Figur 1 handeln.
Wie in Figur 2 zu erkennen ist, kann die Hilfsspannungsversorgung 12 eine Steuereinrichtung 14 umfassen. Die hier als separate Steuereinrichtung 14 dargestellte Baugruppe bzw. deren Funktionalität kann gegebenenfalls auch in der zuvor bereits beschriebenen Steuerschaltung 12 integriert sein. Die Steuereinrichtung 14 kann die Komponenten der Gleichspannungswandleranordnung 1 steuern und insbesondere den Gleichspannungswandler 11 aktivieren bzw. deaktivieren. Darüber hinaus können auch durch die Steuereinrichtung 14 die nachfolgend noch beschriebenen weiteren Komponenten der Gleichspannungswandleranordnung 1 gesteuert werden. Hierzu kann die Steuereinrichtung 14 beispielsweise den Leistungsbedarf für das Niedervoltnetz 3 ermitteln. Dazu kann die Steuereinrichtung 14 zum Beispiel Messwerte von Stromsensoren (nicht dargestellt) auswerten, um den elektrischen Strom von der Gleichspannungswandleranordnung 1 in das Niedervoltnetz 3 und damit die korrespondierende Leistung zu ermitteln. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 14 auch weitere Daten bzw. Signale empfangen. Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 14 Informationen über einen Betriebszustand des Fahrzeuges empfangen. Entsprechend kann die Steuereinrichtung 14 beispielsweise den Gleichspannungswandler 11 der Gleichspannungswandleranordnung 1 nur dann aktivieren, wenn sich das Fahrzeug in einem vorgegebenen Betriebszustand, beispielsweise in einem Park- oder Ruhemodus, befindet. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 14 der Gleichspannungswandler 11 aktivieren, wenn ein erhöhter Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz 3 vorliegt oder aufgrund von empfangenen Daten zu erwarten ist.
Weiterhin kann für die Hilfsspannungsversorgung 12 eine Begrenzung für Strom, Spannung und/oder Leistung vorgesehen sein. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass weder die Hilfsspannungsversorgung 12 überlastet wird, noch gegebenenfalls Komponenten in dem angeschlossenen Hoch- und Niedervoltnetz 2, 3 beschädigt werden. Darüber hinaus kann die Hilfsspannungsversorgung 12 bei Fehlen oder Unterschreiten einer Niedervoltspannung in dem Niedervoltnetz 3 selbstständig gestartet werden.
Die Regelung der Hilfsspannungsversorgung 12 kann hierbei entweder digital, beispielsweise aus einer zentralen gemeinsamen Steuereinheit 13 für dem Gleichspannungswandler 11 oder einer separaten Steuereinrichtung 14, oder auch analog gesteuert bzw. geregelt werden.
Ferner kann in der Gleichspannungswandleranordnung 1 beispielsweise zwischen der Hilfsspannungsversorgung 12 und dem Niedervoltnetz 3 ein Schaltelement 15 vorgesehen sein. Dieses Schaltelement 15 kann geschlossen werden, um eine elektrische Verbindung zwischen der Hilfsspannungsversorgung 12 und dem Niedervoltnetz 3 herzustellen. In diesem Zustand kann somit die Hilfsspannungsversorgung 12 elektrische Energie in das Niedervoltnetz 3 einspeisen. Durch das Öffnen dieses Schaltelements 15 kann die elektrische Verbindung zwischen der Hilfsspannungsversorgung 12 und dem Niedervoltnetz 3 unterbrochen werden. Das Schaltelement 15 kann beispielsweise geöffnet werden, wenn die Energieversorgung des Niedervoltnetzes 3 über den Gleichspannungswandler 11 erfolgt. In diesem Zustand können somit gegebenenfalls Beeinflussungen aus dem Niedervoltnetz 3 auf die Hilfsspannungsversorgung 12 vermieden werden. Der Schaltzustand des Schaltelement 15 kann zum Beispiel über die Steuereinrichtung 14 gesteuert werden.
Darüber hinaus können an der Position des Bezugszeichens 15, also zwischen
Hilfsspannungsversorgung 12 und dem Anschluss der Gleichspannungswandleranordnung 11 an das Niedervoltnetz 3 auch weitere Komponenten, wie zum Beispiel Filterbaugruppen vorgesehen sein, welche für Frequenz der Signale sowie Störimpulse eliminieren oder zumindest teilweise unterdrücken.
Ferner kann in der Gleichspannungswandleranordnung 1 beispielsweise ein Pufferelement 16 vorgesehen sein. Dieses Pufferelement kann insbesondere mit dem Niedervoltnetz 3 elektrische gekoppelt sein. Bei diesen Pufferelemente 16 kann es sich zum Beispiel um einen Kondensator oder um eine kleine Batterie mit einer geringen Kapazität handeln. Ein solches Pufferelement 16 kann Spannungsschwankungen in dem Niedervoltnetz 3 ausgleichen. Solche Spannungsschwankungen können beispielsweise bei einem kurzzeitigen höheren Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz 3 oder bei einem Wechsel der Energieversorgung zwischen Hilfsspannungsversorgung 12 und Gleichspannungswandler 11 auftreten.
Zusätzlich oder alternativ kann auch ein weiteres Pufferelement 19 vorgesehen sein, welches die Versorgungsspannung für die Steuerschaltung 13 stabilisiert. Auch bei diesem weiteren Pufferelement 19 kann es sich zum Beispiel um einen Kondensator oder um eine kleine Batterie mit einer geringen Kapazität handeln.
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zu Betreiben einer Gleichspannungswandleranordnung 1 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen kann. Bei der Gleichspannungswandleranordnung 1 kann sich insbesondere um die zuvor beschriebene Gleichspannungswandleranordnung 1 gemäß Figur 1 oder 2 handeln. Entsprechend gelten auch die zuvor bereits gemachten Ausführungen für das nachfolgend beschriebene Verfahren. Ferner kann auch die zuvor beschriebene Gleichspannungswandleranordnung 1 beliebige Komponenten umfassen, wie sie zur Realisierung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sein können.
In einem Schritt S1 erfolgt ein Überwachen der Abgabe elektrische Leistung von der Gleichspannungswandleranordnung 1 in das Niedervoltnetz 3. In Schritt S2 wird der Gleichspannungswandler 11 der Gleichspannungswandleranordnung 1 deaktiviert, falls die elektrische Leistung von der Gleichspannungswandleranordnung 1 in das Niedervoltnetz 3 einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet. Insbesondere kann der Gleichspannungswandler 11 gegebenenfalls nur dann aktiviert werden, wenn sich ein Elektrofahrzeug mit der Gleichspannungswandleranordnung 1 in einem vorbestimmten Betriebszustand, beispielsweise in einem Ruhe- oder Parkmodus oder ähnlichem, befindet.
In Schritt S3 kann der Gleichspannungswandler 11 aktiviert werden, falls elektrische Leistung von der Gleichspannungswandleranordnung 1 in das Niedervoltnetz 3 bzw. der Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz 3 einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet. Ferner kann der Gleichspannungswandler 11 auch grundsätzlich dann aktiviert werden, wenn sich der Betriebszustand des Fahrzeuges ändert. Beispielsweise kann der Gleichspannungswandler 11 aktiviert werden, wenn der Ruhezustand des Fahrzeugs beendet wird.
Gegebenenfalls könne der vorbestimmte erste Schwellwert und der vorbestimmte zweiten Schwellwert gleich eingestellt werden. Alternativ ist auch eine Hysterese zwischen dem vorbestimmten ersten Schwellwert und dem vorbestimmten zweiten Schwellwert möglich.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Gleichspannungswandleranordnung zur Energieversorgung eines Niedervoltnetzes aus einem Hochvoltnetz in einem Elektrofahrzeug. Die Gleichspannungswandleranordnung umfasst neben einem Gleichspannungswandler eine zusätzliche Hilfsspannungsversorgung. Diese Hilfsspannungsversorgung kann zum einen Steuerungskomponenten des Gleichspannungswandlers mit elektrischer Energie versorgen. Zum anderen kann die Spannungsversorgung auch elektrische Energie in das Niedervoltnetz einspeisen, sodass bei geringem Leistungsbedarf in dem Niedervoltnetz der Gleichspannungswandler deaktiviert werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Gleichspannungswanderanordnung (1), mit: einem Gleichspannungswandler (11), der dazu ausgelegt ist, an einem ersten Anschluss mit einem Hochvoltnetz (2) gekoppelt zu werden und an einem zweiten Anschluss mit einem Niedervoltnetz (3) gekoppelt zu werden, und einer Hilfsspannungsversorgung (12), die dazu ausgelegt ist, an einem Eingangsanschluss mit dem Hochvoltnetz (2) gekoppelt zu werden, an einem Ausgangsanschluss mit dem Niedervoltnetz (3) gekoppelt zu werden, und an einer Steuerschaltung (13) des Gleichspannungswandlers (11) eine Versorgungsspannung für die Steuerschaltung (13) bereitzustellen.
2. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die Hilfsspannungsversorgung (12) dazu ausgelegt ist, unter Verwendung einer elektrischen Spannung aus dem Hochvoltnetz (2) eine galvanisch von dem Hochvoltnetz (2) getrennte Niedervoltspannung an der Steuerschaltung (13) des Gleichspannungswandlers (11) und in dem Niedervoltnetz (3) bereitzustellen.
3. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach Anspruch 2, wobei die Hilfsspannungsversorgung (12) dazu ausgelegt ist, in dem Niedervoltnetz (3) innerhalb vorbestimmter Leistungsgrenzen eine vorgegebene Sollspannung einzustellen.
4. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hilfsspannungsversorgung (12) dazu ausgelegt ist, unter Verwendung einer elektrischen Spannung aus dem Niedervoltnetz (3) eine galvanisch von dem Niedervoltnetz (3) getrennte Hochvoltspannung für das Hochvoltnetz (2) bereitzustellen. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
4, mit einer Steuereinrichtung (14), die dazu ausgelegt ist, den Gleichspannungswandler (11) zu aktivieren, falls eine von der Hilfsspannungsversorgung (12) in das Niedervoltnetz (3) abgegebene elektrische Leistung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
5, mit einer Schalteinrichtung (15), die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Verbindung zwischen der Hilfsspannungsversorgung (12) und dem Niedervoltnetz (3) zu öffnen oder zu schließen. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach Anspruch 6, die Schalteinrichtung (15) dazu ausgelegt ist, die elektrische Verbindung zwischen der Hilfsspannungsversorgung (12) und dem Niedervoltnetz (3) zu öffnen, falls Gleichspannungswandler (11) aktiv ist. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem ersten Pufferelement (16), das dazu ausgelegt ist, elektrisch mit dem Niedervoltnetz (3) gekoppelt zu werden, und Spannungsschwankungen in dem Niedervoltnetz auszugleichen. Gleichspannungswanderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem zweiten Pufferelement (19), das dazu ausgelegt ist, elektrisch mit der Steuerschaltung (13) gekoppelt zu werden und Spannungsschwankungen an der Versorgungsspannung der Steuerschaltung (13) auszugleichen. Elektrofahrzeug, mit: einem Hochvoltnetz (2), einem Niedervoltnetz (3); und einer Gleichspannungswanderanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9. Elektrofahrzeug nach Anspruch 10, wobei die
Gleichspannungswanderanordnung (1) dazu ausgelegt ist, in einem Ruhemodus des Elektrofahrzeugs den Gleichspannungswandler (11) zu deaktivieren, falls eine Energieaufnahme von Verbrauchern (30) in dem Niedervoltnetz (3) einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswanderanordnung (1) nach Anspruch 1, mit den Schritten:
Überwachen (Sl) einer Abgabe von elektrischer Leistung von der Gleichspannungswanderanordnung (1) in das Niedervoltnetz (3);
Deaktivieren (S2) des Gleichspannungswandlers (11), falls die elektrische Leistung von der Gleichspannungswanderanordnung (1) in das Niedervoltnetz (3) einen vorbestimmten ersten Schwellwert unterschreitet;
Aktivieren (S3) des Gleichspannungswandlers, falls die elektrische Leistung von der Gleichspannungswanderanordnung (1) in das Niedervoltnetz (3) einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Gleichspannungswandler (11) nur deaktiviert wird, falls sich das Elektrofahrzeug mit der Gleichspannungswanderanordnung (1) ein einem vorbestimmten Betriebsmodus befindet.
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