EP4758695A1 - Gleichspannungswandlervorrichtung und verfahren zum betreiben einer gleichspannungswandlervorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandlervorrichtung (10), aufweisend: einen ersten Gleichspannungswandler (18) mit einem ersten und zweiten Hochvoltanschluss (22, 24) und einem ersten und zweiten Niedervoltanschluss (28, 30), eine Schaltmatrix (34) mit einem ersten Schalter (S1) zum Verbinden eines Plus-Anschlusses einer ersten Batterieeinheit (14) des Batteriesystems (12) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22), einem zweiten Schalter (S2) zum Verbinden eines Plus-Anschluss einer zweiten Batterieeinheit (16) des Batteriesystems (12) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22), einem dritten Schalter (S3) zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit (14) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24), und einem vierten Schalter (S4) zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit (16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24), und eine Steuereinheit (36), die dazu ausgebildet ist, in einem Fehlerfall von einer der beiden Batterieeinheiten (14, 16), die Schalter (S1-S4) der Schaltmatrix (34) derart zu betätigen, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit (14, 16) vom ersten Gleichspannungswandler (18) abgetrennt ist, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) verbunden ist und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) verbunden ist.

Description

Beschreibung

Gleichspannungswandlervorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichspannungswandlervorrichtung, insbesondere für ein Batteriesystem, weiter insbesondere für ein Batteriesystem, das als Antriebseinheit für ein Fahrzeug, insbesondere im Automobilbereich verwendet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Gleichspannungswandlervorrichtung.

Gleichspannungswandlervorrichtungen wandeln Gleichspannung in Gleichspannung. Derartige Vorrichtungen werden insbesondere im Automobilbereich und im Rahmen der Elektromobilität beispielsweise zum Wandeln einer Hochvoltgleichspannung, wie sie bspw. von einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs bereitgestellt wird, in eine Niedervoltgleichspannung, wie sie beispielsweise im Bordnetz des Fahrzeugs verwendet wird, verwendet. Derartige Hochvoltgleichspannungen liegen üblicherweise im Bereich von mehreren 100V, bspw. 400V, 800V, 1000V oder höher. Derartige Niedervoltspannungen liegen üblicherweise im Bereich von 12V, 14V, 24V, 48V, 64V.

Insbesondere im Automobilbereich und im Rahmen eines autonom betriebenen Fahrzeugs ist es notwendig, Niedervoltlasten oder Niedervoltverbraucher, die bspw. im Bordnetz des Fahrzeugs verwendet werden, ausfallsicher zu betreiben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Gleichspannungswandlervorrichtung bereitzustellen, die eine erhöhte Ausfallsicherheit beim Betreiben von Niedervoltverbrauchern, insbesondere im Bordnetz eines Fahrzeugs, ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung anzugeben. Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der Ansprüche 1 , 9, 10 und 11 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gleichspannungswandlervorrichtung für ein Batteriesystem, insbesondere für ein Traktionsbatteriesystem eines Fahrzeugs bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlervorrichtung weist auf: einen ersten Gleichspannungswandler mit einer Hochvoltseite und einer Niedervoltseite, wobei die Hochvoltseite einen ersten und einen zweiten Hochvoltanschluss und die Niedervoltseite einen ersten und einen zweiten Niedervoltanschluss aufweist; eine Schaltmatrix mit einem ersten Schalter, der zum Verbinden eines Plus-Anschlusses einer ersten Batterieeinheit des Batteriesystems mit dem ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichstromwandlers ausgebildet ist, einem zweiten Schalter, der zum Verbinden eines Plus-Anschlusses einer zweiten Batterieeinheit des Batteriesystems mit dem ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, einem dritten Schalter, der zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, einem vierten Schalter, der zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist; und eine Steuereinheit, die zumindest mit dem ersten bis vierten Schalter der Schaltmatrix verbunden und dazu ausgebildet ist, in einem Fehlerfall von einer der beiden Batterieeinheiten, die Schalter der Schaltmatrix derart zu betätigen, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit vom ersten Gleichspannungswandler abgetrennt ist, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers verbunden ist und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers verbunden ist.

Im Rahmen dieser Offenbarung wird unter dem Begriff „Schalter“ eine Einheit verstanden, mit der es möglich ist, eine elektrische Verbindung wahlweise gesteuert zu trennen und wieder zu verbinden. Im Rahmen dieser Offenbarung können derartige Schalter bspw. Relais, MOSFETs oder dergleichen sein. Im Rahmen dieser Offenbarung wird unter dem Begriff „Fehlerfair verstanden, dass die mit dem Fehlerfall betroffene Batterieeinheit nicht wie gewünscht, also nicht im wie Normalfall betrieben werden kann. Fehlerfälle können beispielsweise sein: die Batterie ist zu heiß, zu kalt ist, zu alt, zu stark entladen, die Batterie weist eine zu hohe Spannung auf etc. Fehlerfälle können auch sein: eine fehlende elektrische Verbindungstechnik von und zu der jeweiligen Batterieeinheit bzw. zwischen Batterieeinheiten und/oder ein Fehler im Batteriemanagementsystem und/oder ein Fehler, der vom Batteriemanagementsystem ausgegeben wird.

Die erfindungsgemäße Gleichspannungswandlervorrichtung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass insbesondere zur Erhöhung der Ausfallsicherheit bei der Versorgung von Niedervoltlasten Vorkehrungen getroffen werden müssen, die die oben beschriebenen Fehlerfälle zumindest teilweise oder vollständig abfangen können. Insbesondere beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass ein Fehler in einer Batterieeinheit eines Batteriesystems, das beispielsweise das Traktionsbatteriesystem eines Fahrzeugs sein kann, abgefangen werden muss, um bspw. eine ausreichende Versorgung des Bordnetzes und insbesondere eine ausreichende Versorgung von Niedervoltverbrauchern des Bordnetzes sicherzustellen. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, einen Fehlerfall von beispielsweise einer Batterieeinheit des Batteriesystems dadurch zu kompensieren, dass die Batterieeinheiten mittels einer Schaltmatrix mit dem Gleichspannungswandler und mit einer Steuereinheit verbunden sind, wobei die Steuereinheit einen Fehlerfall der Batterieeinheit erkennt und die Schalter der Schaltmatrix entsprechend derart betätigt, dass der Fehler behoben werden kann. Insbesondere schlägt die Erfindung vor, dass der Fehler in einer der Batterieeinheiten behoben werden kann, indem die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit von dem Gleichspannungswandler abgetrennt wird (insbesondere durch Betätigung der entsprechenden Schalter des Schaltmatrix) und die nicht mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit mit dem Gleichspannungswandler verbunden wird oder verbunden bleibt. Durch diese Anordnung kann im Fehlerfall die jeweils nicht mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit zur Versorgung der Niedervoltverbraucher des Bordnetzes genutzt werden. Dies erhöht die Ausfallsicherheit beim Betreiben der

N iedervoltverbraucher.

Ein weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Schaltmatrix ferner einen ersten Zusatzschalter auf, der zum Verbinden eines Plus-Anschlusses einer dritten Batterieeinheit des Batteriesystems mit dem ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, und weist die Schaltmatrix ferner einen zweiten Zusatzschalter auf, der zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der dritten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass mehrere, insbesondere dritte oder weitere Batterieeinheiten eines Batteriesystems in analoger Weise an denselben Gleichspannungswandler angeschlossen werden können. Jeder Plus-Anschluss einer jeden Batterieeinheit und jeder Minus-Anschluss der entsprechenden Batterieeinheit kann mittels der Schalter der Schaltmatrix an den jeweiligen Hochvoltanschluss des Gleichspannungswandlers angeschlossen werden.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Gleichspannungswandlervorrichtung ferner auf: einen zweiten Gleichspannungswandler mit einer Hochvoltseite und einer Niedervoltseite, wobei die Hochvoltseite einen ersten und einen zweiten Hochvoltanschluss und die Niedervoltseite einen ersten und einen zweiten Niedervoltanschluss aufweist, und wobei die Niedervoltanschlüsse des zweiten Gleichspannungswandlers mit den Niedervoltanschlüssen des ersten Gleichspannungswandlers parallel verbunden sind, wobei die Schaltmatrix ferner aufweist: einen fünften Schalter, der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, einen sechsten Schalter, der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, einen siebten Schalter, der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, und einen achten Schalter, der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit ferner mit dem fünften bis achten Schalter der Schaltmatrix verbunden und dazu ausgebildet ist, in dem Fehlerfall von einer der beiden Batterieeinheiten, die Schalter der Schaltmatrix derart zu betätigen, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit von dem ersten und zweiten Gleichspannungswandler abgetrennt ist, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers und mit dem ersten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers verbunden ist und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers und mit dem zweiten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung beruht zunächst teilweise auf der Erkenntnis, dass anstelle eines einzigen Gleichspannungswandlers und vier Schaltern zur Behebung eines Fehlerfalls, der Fehlerfall in einer der Batterieeinheiten auch dadurch kompensiert werden kann, wenn die Vorrichtung eine Schaltmatrix mit acht Schaltern und zwei Gleichspannungswandlern aufweist. Die beiden Gleichspannungswandler sind an der Niedervoltseite parallel verbunden, sodass sich die Ausgangsleistungen der Gleichspannungswandler addieren. Dies hat den Vorteil, dass anstelle eines Gleichspannungswandlers, der bspw. für 8kW Normalbetrieb ausgelegt ist und in dem Fehlerfall, in dem eine der beiden Batterieeinheiten ausfällt, noch 4kW liefert, ersetzt werden kann durch zwei 2kW Gleichspannungswandler, die im Normalfall und im Fehlerfall gemeinsam 4kW liefern. Konkret würde bspw. im Normalfall jeder der Batterieeinheiten über die jeweiligen Schalter mit einem zugehörigen Gleichspannungswandler verbunden sein, sodass sich die Ausgangsleistungen der Gleichspannungswandler addieren (also bspw. addieren sich 2kW Ausgangsleistung vom ersten Gleichspannungswandler mit den 2kW Ausgangsleistung vom zweiten Gleichspannungswandler). Weist eine der Batterieeinheiten einen Fehler auf, erkennt das die Steuereinheit und betätigt die Schalter der Schaltmatrix derart, dass die nicht mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit sowohl an den einen als auch an den anderen Gleichspannungswandler angeschlossen ist. Die insgesamte Ausgangsleistung auf der Niedervoltseite bleibt bei 2kW vom ersten Gleichspannungswandler plus 2kW vom zweiten Gleichspannungswandler. Die insgesamte Ausgangsleistung ändert sich gegenüber dem Normalfall also nicht. Die Kosten für die vier zusätzlichen Schalter in der Schaltmatrix werden dadurch kompensiert, dass die zwei Gleichspannungswandler bspw. nur für 2kW ausgelegt werden müssen, wohingegen ein einziger Gleichspannungswandler (plus 4 Schalter anstelle der 8 Schalter) für 8kW ausgelegt werden müsste, um auch im Fehlerfall 4kW Leistung im Bordnetz bereitzustellen. Insofern erweist sich die Anordnung mit zwei Gleichspannungswandlern und vier zusätzlichen Schaltern in der Schaltmatrix als vorteilhaft. Die zwei Gleichspannungswandler können separate Gleichspannungswandler mit jeweils einem eigenen Controller in einem eigenen Gehäuse sein oder können zwei Phasen eines in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Gleichspannungswandlers sein.

Bevorzugt ist die Niedervoltseite des ersten Gleichspannungswandlers mittels eines Trennschalters an eine Niedervoltlast bzw. an einen Niedervoltverbraucher unterbrechbar anschließbar.

Im Fall von zwei Gleichspannungswandlern ist es besonders vorteilhaft, wenn die Niedervoltseite des ersten Gleichspannungswandlers mittels eines ersten Trennschalters und die Niedervoltseite des zweiten Gleichspannungswandlers mittels eines zweiten Trennschalters an eine Niedervoltlast bzw. einen Niedervoltverbraucher unterbrechbar anschließbar ist und die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet ist, den ersten und/oder zweiten Trennschalter derart zu betätigen, dass in Abhängigkeit von einer von der Niedervoltlast geforderten Leistung der erste Gleichspannungswandler und/oder der zweite Gleichspannungswandler an die Niedervoltlast angeschlossen ist. Diese Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass jede der Gleichspannungswandler über einen entsprechenden Trennschalter an das Niedervoltnetz anschließbar ist und beim Bedarfsfall zu- oder abgeschaltet werden kann. Die Trennschalter können Schütze sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Batterieeinheiten des Batteriesystems in Serie geschaltet, insbesondere schalterlos in Serie geschaltet, und ist die Schaltmatrix ferner dazu ausgebildet ist, den Plus-Anschluss der ersten Batterieeinheit am ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers und den Minus-Anschluss der zweiten Batterieeinheit am zweiten Hochvoltanschluss des Gleichspannungswandlers anzuschließen. Der Anschluss erfolgt insbesondere in Abhängigkeit einer von der oder den Batterieeinheiten bereitstellbaren Spannung. Beispielsweise kann die Steuereinheit ermitteln, ob eine von einer oder den Batterieeinheiten bereitstellbare Spannung unterhalb eines Schwellenwertes ist und die Schalter der Schaltmatrix daraufhin derart betätigen, dass der Plus-Anschluss der ersten Batterieeinheit und der Minus-Anschluss der zweiten Batterieeinheit an die Hochvoltanschlüsse des ersten Gleichspannungswandlers angeschlossen sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Batterieeinheiten in Serie geschaltet, insbesondere schalterlos in Serie geschaltet, und sind die Schalter der Schaltmatrix, insbesondere der zweite Schalter, der dritte Schalter und der fünfte Schalter jeweils an einen Mittenabgriff zwischen den Batterieeinheiten anschließbar.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Gleichspannungswandlervorrichtung ferner auf: einen dritten Gleichspannungswandler mit einer Hochvoltseite und einer Niedervoltseite, wobei die Hochvoltseite einen ersten und einen zweiten Hochvoltanschluss und die Niedervoltseite einen ersten und einen zweiten Niedervoltanschluss aufweist, und wobei die Niedervoltanschlüsse des dritten Gleichspannungswandlers mit den Niedervoltanschlüssen des zweiten Gleichspannungswandlers und den Niedervoltanschlüssen des ersten Gleichspannungswandlers parallel verbunden sind, und wobei die Schaltmatrix ferner aufweist: einen neunten Schalter, der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des dritten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, einen zehnten Schalter, der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des dritten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, einen elften Schalter, der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des dritten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, und einen zwölften Schalter, der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des dritten Gleichspannungswandlers ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit ferner mit dem neunten bis zwölften Schalter der Schaltmatrix verbunden und dazu ausgebildet ist, in dem Fehlerfall von dem ersten Gleichspannungswandler oder dem zweiten Gleichspannungswandler, die Schalter der Schaltmatrix derart zu betätigen, dass der mit dem Fehlerfall behaftete Gleichspannungswandler von den Batterieeinheiten abgetrennt ist und eine Gleichspannungswandlung des mit dem Fehlerfall behafteten Gleichspannungswandlers bedarfsweise durch den dritten Gleichspannungswandler übernommen wird.

Diese Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass ein weiterer Fehlerfall in einem der beiden Gleichspannungswandler mittels eines dritten bzw. zusätzlichen Gleichspannungswandlers kompensiert werden kann. Der dritte Gleichspannungswandler ist an die beiden Batterieeinheiten in analoger Weise wie der erste Gleichspannungswandler und der zweite Gleichspannungswandler angeschlossen. Die Schaltmatrix weist in einem solchen Fall vier weitere Schalter auf, mit der jede der Batterieeinheiten an die zwei Hochvoltanschlüsse des dritten Gleichspannungswandlers angeschlossen werden können. Der dritte Gleichspannungswandler ersetzt in Funktion und Anwendung den defekten Gleichspannungswandler. Dadurch kann trotz eines defekten Gleichspannungswandler sowohl der Normalbetrieb (bspw. alle Batterieeinheiten arbeiten fehlerfrei) aufrechterhalten werden, wie auch ein Fehlerfall in einer der Batterieeinheiten kompensiert werden. Die Ausfallsicherheit wird weiter erhöhen, weil nunmehr nicht nur ein Fehler in einer der Batterieeinheiten, sondern auch ein Fehler in einer der Gleichspannungswandler abgefangen werden kann. Letztlich fungiert der dritte Gleichspannungswandler als Ersatz-Gleichspannungswandler für einen der beiden Gleichspannungswandler. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermitteln eines Fehlerfalls in einer der Batterieeinheiten des Batteriesystems, und Ansteuern der Schalter der Schaltmatrix derart, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit von dem ersten Gleichspannungswandler abgetrennt wird, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers verbunden wird und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers verbunden wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit insbesondere mindestens zwei Batterieeinheiten und zwei Gleichspannungswandlern vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln eines Fehlerfalls in einer der Batterieeinheiten des Batteriesystems, und Ansteuern der Schalter der Schaltmatrix derart, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit von dem ersten Gleichspannungswandler und von dem zweiten Gleichspannungswandler abgetrennt wird, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers und mit dem ersten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers verbunden wird und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss des ersten Gleichspannungswandlers und mit dem zweiten Hochvoltanschluss des zweiten Gleichspannungswandlers verbunden wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung mit insbesondere mindestens zwei Batterieeinheiten und drei Gleichspannungswandlern vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln eines Fehlerfalls im ersten Gleichspannungswandler oder im zweiten Gleichspannungswandler, und Ansteuern der Schalter der Schaltmatrix derart, dass der mit dem Fehlerfall behaftete Gleichspannungswandler von den Batterieeinheiten abgetrennt ist und eine Gleichspannungswandlung des mit dem Fehlerfall behafteten Gleichspannungswandlers bedarfsweise durch den dritten Gleichspannungswandler übernommen wird.

Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

FIG 1 eine schematische Ansicht einer Gleichspannungswandlervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Vorrichtung zwei Batterieeinheiten und einen Gleichspannungswandler aufweist,

FIG 2 eine schematische Ansicht einer Gleichspannungswandlervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die Vorrichtung drei Batterieeinheiten und einen Gleichspannungswandler aufweist,

FIG 3 eine schematische Ansicht einer Gleichspannungswandlervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die Vorrichtung zwei Batterieeinheiten und zwei Gleichspannungswandler aufweist.

FIG 4 eine schematische Ansicht einer Gleichspannungswandlervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die Vorrichtung zwei Batterieeinheiten und drei Gleichspannungswandler aufweist.

Elemente gleicher Funktion oder Konstruktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es sei zunächst auf FIG 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Gleichspannungswandlervorrichtung 10 zeigt. Die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 dient zum Wandeln von einer Hochvoltgleichspannung, die bspw. von einem Batteriesystem 12 bereitgestellt wird, in eine Niedervoltgleichspannung. Das Batteriesystem 12 kann beispielsweise ein Traktionsbatteriesystem eines Fahrzeugs sein. Im konkreten Beispiel von FIG 1 weist das Batteriesystem 12 eine erste Batterieeinheit 14 und eine zweite Batterieeinheit 16 auf. Im konkreten Beispiel von FIG 1 sind beide Batterieeinheiten 14, 16 in Serie geschaltet. In anderen gezeigten Ausführungsformen muss das nicht so sein.

Die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 weist ferner einen Gleichspannungswandler 18 auf. Der Gleichungswandler 18 dient zum Wandeln von Gleichspannung. Der Gleichspannungswandler 18 weist hierfür eine Hochvoltseite HV und eine Niedervoltseite LV auf. Die Hochvoltseite weist zwei Hochvoltanschlüsse 20 auf, von denen ein erster Hochvoltanschluss mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist und ein zweiter Hochvoltanschlüsse mit dem Bezugszeichen 24 versehen ist. Die Niedervoltseite weist zwei Niedervoltanschlüsse 26 auf, von denen ein erster Niedervoltanschluss mit dem Bezugszeichen 28 versehen ist und ein zweiter Niedervoltanschluss mit dem Bezugszeichen 30 versehen ist. Die Niedervoltanschlüsse 26 dienen zum Anschluss an eine Niedervoltlast bzw. einen Niedervoltverbraucher, der in FIG 1 beispielhaft mit dem Bezugszeichen 32 angegeben ist. Ein derartiger Niedervoltverbraucher kann beispielsweise ein Niedervoltverbraucher eines Bordnetz des Fahrzeugs sein wie beispielsweise eine Sitzheizung, ein Multimediasystem, ein Klimatisierungssystem, ein Fahrerassistenzsystem oder dergleichen.

Die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 weist ferner eine Schaltmatrix 34 auf. Die Schaltmatrix 34 dient zum Verbinden der Hochvoltanschlüsse 22, 24 des Gleichspannungswandlers 18 mit den Batterieeinheiten 14, 16 des Batteriesystems 12. Die Schaltmatrix 34 weist mehrere Schalter auf. Im konkreten Beispiel von FIG 1 weist die Schaltmatrix vier Schalter S1 bis S4 auf, deren Funktion später näher beschrieben wird.

Die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 weist ferner eine Steuereinheit 36 auf. Die Steuereinheit 36 ist mit der Schaltmatrix 34 und insbesondere mit den Schaltern der Schaltmatrix 34 verbunden und dazu ausgebildet, die Schalter der Schaltmatrix 34 im Bedarfsfall entsprechend zu betätigen. Im konkreten Beispiel von FIG 1 ist der erste Schalter S1 der Schaltmatrix 34 derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass ein Plus-Anschluss der ersten Batterieeinheit 14 des Batteriesystems 12 mit dem ersten Hochvoltanschluss 22 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden werden kann. Im konkreten Beispiel von FIG 1 ist der zweite Schalter S2 der Schaltmatrix 34 derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass ein Plus-Anschluss der zweiten Batterieeinheit 16 des Batteriesystems 12 mit dem ersten Hochvoltanschluss 22 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden werden kann. Im konkreten Beispiel von FIG 1 ist der dritte Schalter S3 derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass ein Minus-Anschluss der ersten Batterieeinheit 14 des Batteriesystems 12 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 24 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden werden kann. Schließlich ist im konkreten Beispiel von FIG 1 der vierte Schalter S4 der Schaltmatrix 34 derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass ein Minus-Anschluss der zweiten Batterieeinheit 16 des Batteriesystems 12 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 24 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden werden kann.

Die Steuereinheit 36 ist nun derart mit den Schaltern S1 bis S4 der Schaltmatrix 34 verbunden, dass in einem Fehlerfall von einer der beiden Batterieeinheiten die Schalter S1 bis S4 der Schaltmatrix 34 derart betätigt werden, dass die fehlerhafte Batterieeinheit vom Gleichspannungswandler 18 abgetrennt ist, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem ersten Hochvoltanschluss 22 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden ist und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit mit dem zweiten Hochvoltanschluss 24 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden ist. Mit anderen Worten: Wenn beispielsweise die zweite Batterieeinheit 16 fehlerhaft ist bzw. einen Fehlerfall aufweist, betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S1 und S3 derart, dass die Plus- und Minusanschlüsse der ersten Batterieeinheit 14 mit den Hochvoltanschlüssen 20 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden sind. Mit anderen Worten sind in einem solchen Fall der erste Schalter S1 und der dritte Schalter S3 geschlossen. Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S2 und S4 derart, dass die zweite Batterieeinheit 16, also die fehlerhafte Batterieeinheit von dem Gleichspannungswandler 18 abgetrennt ist. Mit anderen Worten sind in einem solchen Fall der zweite Schalter S2 und der vierte Schalter S4 geöffnet.

Die Steuereinheit erkennt, welche Batterieeinheit des Batteriesystems 12 fehlerhaft ist und schaltet die Schalter S1 bis S4 derart, dass die jeweils nicht mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit an die Hochvoltanschlüsse 20 des Gleichspannungswandlers 18 angeschlossen ist. Im Ergebnis kann somit der Niedervoltverbraucher 32 bzw. die Niedervoltlast 32 mit Leistung versorgt werden, die im Bedarfsfall (d.h. je nach Fehlersituation) entweder von der ersten Batterieeinheit 14 oder von der zweiten Batterieeinheit 16 zur Verfügung gestellt wird.

Darüber hinaus ist die Steuereinheit 36 auch dazu ausgebildet, die Schalter der Schaltmatrix 34 derart zu betätigen, dass der Plus-Anschluss der ersten Batterieeinheit 14 mit dem ersten Hochvoltanschluss 22 des ersten Gleichspannungswandlers 18 und der Minus-Anschluss der zweiten Batterieeinheit 16 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 24 des ersten Gleichspannungswandlers angeschlossen ist. Das Anschließen der in Serien angeordneten Batterieeinheiten 14, 16 kann insbesondere in Abhängigkeiten von ein oder mehreren Faktoren erfolgen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 16 ermitteln, ob eine von der jeweiligen Batterieeinheit bereitstellbare (Ausgangs)Spannung unterhalb eines Schwellenwertes liegt und in Reaktion auf das Unterschreiten des Schwellenwertes die in Serie angeordneten Batterieeinheiten 14, 16 entsprechend an die Hochvoltanschlüsse 22, 24 anschließen. Konkret würde also die Steuereinheit 36 die Schalter S1 und S4 schließen und würde die Steuereinheit 36 die Schalter S2 und S3 öffnen, um die beiden Batterieeinheiten 14, 16 in Serienanordnung mit den Hochvoltanschlüssen 20 des Gleichspannungswandlers zu verbinden.

Im konkreten Beispiel von FIG 1 ist zudem zwischen der Niedervoltlast 32 und der Niedervoltseite LV des Gleichspannungswandlers 18 ein Trennschalter S201 angeordnet. Der Trennschalter S201 kann ebenfalls mit der Steuereinheit 36 verbunden sein und dient dazu, die Niedervoltseite LV des Gleichspannungswandlers unterbrechbar mit der Niedervoltlast 32 zu verbinden. Der Trennschalter S201 kann beispielsweise ein Schütz sein. Die Schalter der Schaltmatrix können Relais, MOSFETs oder dergleichen sein.

Es sei nun auf FIG 2 verwiesen, die eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlervorrichtung 10 zeigt.

Im konkreten Beispiel von FIG 2 weist das Batteriesystem 12 drei Batterieeinheiten 14, 16, 38 auf. Im konkreten Beispiel von FIG 2 sind die drei Batterieeinheiten 14, 16, 38 in Serie geschaltet, können in anderen nicht gezeigten Ausführungsformen jedoch auch anders angeordnet sein.

Im konkreten Beispiel von FIG 2 ist die dritte Batterieeinheit 38 mit den Niedervoltanschlüssen 20 des Gleichspannungswandlers 18 analog zur ersten Batterieeinheit 14 bzw. zweiten Batterieeinheit 16 angeschlossen. Konkret weist die Schaltmatrix 34 einen ersten Zusatzschalter S22 auf, der derart angeordnet bzw. ausgebildet ist, dass ein Plus-Anschluss der dritten Batterieeinheit 38 des Batteriesystems 12 mit dem ersten Hochvoltanschluss 22 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden werden kann, und weist die Schaltmatrix 34 einen zweiten Zusatzschalter S42 auf, der derart angeordnet bzw. ausgebildet ist, dass ein Minus-Anschluss der dritten Batterieeinheit 38 des Batteriesystems 12 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 24 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden werden kann.

Im konkreten Beispiel von FIG 2 ist die dritte Batterieeinheit derart angeschlossen, dass sie einen Fehler in einer der beiden Batterieeinheiten 14, 16 kompensieren kann. Wenn beispielsweise die zweite Batterieeinheit 16 fehlerhaft ist, kann dieser Fehler mittels der dritten Batterieeinheit 38 kompensiert werden. Die Steuereinheit 36 ist mit der Schaltmatrix 34 und den Zusatzschaltern S22, S42 verbunden und kann diese je nach Anwendungsfall entsprechend betätigen. Wenn beispielsweise die zweite Batterieeinheit 16 fehlerhaft ist, betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S2 und S4 derart, dass die zweite Batterieeinheit 16 von dem Gleichspannungswandler abgetrennt ist. Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Zusatzschalter S22 und S42 derart, dass die dritte Batterieeinheit 38 mit den Hochvoltanschlüssen 20 des Gleichspannungswandlers 18 verbunden ist. Mit anderen Worten werden in einem Fehlerfall der zweiten Batterieeinheit 16 die Schalter S2 und S4 geöffnet und werden die Schalter S22 und S42 geschlossen. Die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 ermöglicht es somit, Niedervoltverbraucher 32 im Bedarfsfall aus einer der drei und/oder zwei der drei Batterieeinheiten 14, 16, 38 mit Leistung zu versorgen.

Es sei nun auf FIG 3 verwiesen, die eine weitere Ausführungsform der Gleichspannungswandlervorrichtung 10 zeigt.

In der Gleichspannungswandlervorrichtung 10 gemäß FIG 3 weist die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 neben dem ersten Gleichspannungswandler 18 einen zweiten Gleichspannungswandler 40 auf. Diese können separate Gleichspannungswandler sein oder zwei Phasen eines in einem einzigen Gehäuse angeordneten Gleichspannungswandlers, schematisch angedeutet durch Box 41 .

Der zweite Gleichspannungswandler weist eine Hochvoltseite HV mit einem ersten Hochvoltanschluss 42 und einem zweiten Hochvoltanschluss 44 sowie eine Niedervoltseite LV mit einem ersten Niedervoltanschluss 46 und einem zweiten Niedervoltanschluss 48 auf. Der zweite Gleichspannungswandler 40 und der erste Gleichspannungswandler 18 sind an der Niedervoltseite parallel verbunden, sodass sich die Ausgangsleistungen der Gleichspannungswandler 18, 40 addieren können.

Im konkreten Beispiel von FIG 3 weist die Schaltmatrix 34 vier weitere Schalter S5 bis S8 auf. Die vier weiteren Schalter dienen zum Anschluss der beiden Batterieeinheiten 14, 16 des Batteriesystems 12 an den zweiten Gleichspannungswandler 40.

Konkret weist die Schaltmatrix 34 einen fünften Schalter S5 auf, der angeordnet bzw. ausgebildet ist, um einem Plus-Anschluss der zweiten Batterieeinheit 16 des Batteriesystems 12 mit dem ersten Hochvoltanschluss 42 des zweiten Gleichspannungswandlers 40 verbinden zu können. Konkret weist die Schaltmatrix 34 in der Ausführungsform von FIG 3 einen sechsten Schalter S6 auf, der angeordnet bzw. ausgebildet ist, um den Plus-Anschluss der ersten Batterieeinheit 14 des Batteriesystems 12 mit dem ersten Hochvoltanschluss 42 des zweiten Gleichspannungswandler 40 verbinden zu können. Konkret weist die Schaltmatrix 34 in Ausführungsform von FIG 3 einen siebten Schalter S7 auf, der angeordnet bzw. ausgebildet ist, um den Minusanschluss der zweiten Batterieeinheit 16 des Batteriesystems 12 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 44 des zweiten Gleichspannungswandlers 40 verbinden zu können. Und schließlich weist die Schaltmatrix 34 im konkreten Beispiel von FIG 3 einen achten Schalter auf, der angeordnet bzw. ausgebildet ist, um den Minus-Anschluss der ersten Batterieeinheit 14 des Batteriesystems 14 mit dem zweiten Hochvoltanschluss 44 des zweiten Gleichspannungswandlers 40 verbinden zu können.

Im konkreten Beispiel von FIG 3 ist die Steuereinheit 36 mit der Schaltmatrix 34 und deren Schalter S1 bis S8 derart verbunden, dass sie die Schalter S1 bis S8 im Bedarfsfall entsprechend betätigen kann.

Wenn beispielsweise kein Fehlerfall im Batteriesystem 12 auftritt bzw. beide Batterieeinheiten 14, 16 im Normalbetrieb arbeiten, dann betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S1 , S3 derart, dass die erste Batterieeinheit 14 mit dem ersten Gleichspannungswandler 18 verbunden sind. Konkret werden die Schalter S1 und S3 geschlossen. Ferner kann die Steuereinheit 36 die Schalter S2 und S4 derart betätigen, dass die zweite Batterieeinheit 16 von dem ersten Gleichspannungswandler 18 abgetrennt ist. Konkret würden die Schalter S2 und S4 geöffnet. Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S5 und S7 derart, dass die zweite Batterieeinheit 16 an die Hochvoltanschlüsse 42, 44 des zweiten Gleichspannungswandlers 40 angeschlossen sind. Konkret werden die Schalter S5 und S7 geschlossen. Ferner kann die Steuereinheit 36 die Schalter S6 und S8 derart betätigen, dass die erste Batterieeinheit 14 von den Hochvoltanschlüsse 42, 44 des zweiten Gleichspannungswandlers 40 abgetrennt ist. Konkret würden die Schalter S6 und S8 geöffnet. Durch diese Schaltanordnung wird nunmehr der erste Gleichspannungswandler 18 durch die erste Batterieeinheit 14 mit Spannung versorgt und wird der zweite Gleichspannungswandler 40 durch die zweite Batterieeinheit 16 mit Spannung versorgt. Sind beispielsweise die beiden Gleichspannungswandler 18, 40 für je 2kW Ausgangsleistung ausgelegt, so könnte der Niedervoltverbraucher 32 im Normalfall mit 4kW versorgt werden.

Tritt ein Fehlerfall in einer der beiden Batterieeinheiten 14, 16 des Batteriesystems 12 auf, kann die Steuereinheit 36 die Schalter S1 bis S8 der Schaltmatrix 34 derart betätigen, dass die fehlerhafte Batterieeinheit von den Gleichspannungswandlern 18, 40 abgetrennt ist und dennoch weiterhin 4kW zur Versorgung der Niedervoltlast 32 zur Verfügung gestellt sind.

Im konkreten Beispiel wird angenommen, dass die zweite Batterieeinheit 16 fehlerhaft ist bzw. ein Fehlerfall in der zweiten Batterieeinheit 16 auftritt.

Die Steuereinheit 36 erkennt diesen Fehlerfall und betätigt die Schalter S1 bis S8 der Schaltmatrix 34 entsprechend. Konkret betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S2, S4, S5, S7 derart, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit, also in diesem Beispiel die zweite Batterieeinheit 16 des Batteriesystems 12, von den beiden Gleichspannungswandlern 18, 40 abgetrennt ist. Konkret werden die Schalter S2, S4, S5, S7 geöffnet. Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S6, S8 der Schaltmatrix 34 derart, dass die erste Batterieeinheit 14, also die Batterieeinheit, die keinen Fehlerfall aufweist, an den ersten und zweiten Gleichspannungswandler 18, 40 angeschlossen ist. Konkret werden die Schalter S1 und S3 wie auch S6 und S 8 geschlossen. Durch diese Schaltanordnung wird nunmehr der erste Gleichspannungswandler 18 durch die erste Batterieeinheit 14 mit Spannung versorgt und wird der zweite Gleichspannungswandler 40 durch die erste Batterieeinheit 14 mit Spannung versorgt. Da die beiden Gleichspannungswandler 18, 40 an der Niedervoltseite parallel geschaltet sind, kann auch im Fehlerfall der zweiten Batterieeinheit 16 der Niedervoltverbraucher 32 mit insgesamt 4kW Ausgangsleistung versorgt werden.

Wie bereits in Zusammenhang mit FIG 2 beschrieben, sind sowohl der erste Gleichspannungswandler 18 als auch der zweite Gleichungswandler 14 mittels eines ersten Trennschalters S201 bzw. eines zweiten Trennschalters S202 unterbrechbar an den Niedervoltverbraucher 32 angeschlossen. Die Steuereinheit 36 kann mit den Trennschaltern S201 , S202 verbunden sein und im Bedarfsfall die Gleichspannungswandler 18, 14 wahlweise vom Niedervoltverbraucher 32 abtrennen.

Es sei auf FIG 4 verwiesen, die eine weitere Ausführungsform der Gleichspannungswandlervorrichtung 10 zeigt.

In der Ausführungsform von FIG 4 weist die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 einen dritten Gleichspannungswandler 50 auf. Auch der dritte Gleichspannungswandler 50 weist eine Hochvoltseite HV mit einem ersten Hochvoltanschluss 52 und einem zweiten Hochvoltanschluss 54 sowie eine Niedervoltseite LV mit einem ersten Niedervoltanschluss 56 in einem zweiten Niedervoltanschluss 58 auf.

Im konkreten Beispiel von FIG 4 weist die Schaltmatrix 34 vier weitere Schalter S9 bis S12 auf. Die Schalter S9 bis S12 dienen dazu, den Plus- bzw. Minus-Anschluss der jeweiligen Batterieeinheit 14, 16 des Batteriesystems 12 je nach Bedarfssituation an die Hochvoltanschlüsse 52, 54 anzuschließen.

Die Steuereinheit 36 ist mit der Schaltmatrix 34 und mit den Schaltern S1 bis S12 der Schaltmatrix 34 verbunden und kann die Schalter S1 bis S12 im Bedarfsfall entsprechend betätigen.

Der dritte Gleichspannungswandler 50 ist an der Niedervoltseite LV parallel zum ersten Gleichspannungswandler 18 und zum zweiten Gleichspannungswandler 40 geschaltet. Der dritte Gleichspannungswandler 50 dient als Ersatz-Gleichspannungswandler für einen der beiden Gleichspannungswandler 18, 40. Jeder der Gleichspannungswandler 18, 40, 50 ist mittels eines Trennschalters S201 , S202, S203 unterbrechbar mit dem Niedervoltverbraucher 32 verbunden.

Wenn das Batteriesystem 12 fehlerfrei arbeitet bzw. die Batterieeinheiten 14, 16 keinen Fehlerfall aufweisen, ist der dritte, redundante Gleichspannungswandler 50 von den Batterieeinheiten 14, 16 abgetrennt. Konkret betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S9 bis S12 derart, dass sie geöffnet sind. Die übrigen Schalter S1 bis S8 werden von der Steuereinheit 36 wie in Zusammenhang mit FIG 3 beschrieben betätigt.

Wenn jedoch eine der beiden Gleichspannungswandler 18, 40 einen Fehlerfall aufweist, registriert diesen Fehlerfall die Steuereinheit 36 und betätigt die Steuereinheit die Schalter S1 und S12 entsprechend, um den mit dem Fehlerfall behafteten Gleichspannungswandler 18, 40 von den Batterieeinheiten 14, 16 abzukoppeln und den dritten Gleichspannungswandler 50 anstelle des mit dem fehlerbehaftet Gleichspannungswandlers zu verwenden.

Im Folgenden wird angenommen, dass der zweite Gleichspannungswandler 40 fehlerhaft ist bzw. einen Fehlerfall aufweist.

Wenn der zweite Gleichspannungswandler 40 fehlerhaft ist, steuert die Steuereinheit 36 die Schalter S1 bis S12 derart, dass der dritte Gleichspannungswandler 50 die Funktion des zweiten Gleichspannungswandlers 40 übernimmt. Konkret betätigt die Steuereinheit 34 die Schalter S5 bis S8 derart, dass der zweite Gleichspannungswandler 40, also derjenige Gleichspannungswandler, der fehlerhaft ist, von den Batterieeinheiten 14, 16 abgetrennt ist. Konkret öffnet die Steuereinheit 16 die Schalter S4 bis S8. Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S1 und S3 und die Schalter S2 und S4 derart, dass die erste Batterieeinheit 14 mit dem ersten Gleichspannungswandler 18, als mit dem Gleichspannungswandler, der nicht mit dem Fehlerfall behaftet ist, verbunden ist. Konkret schließt die Steuereinheit 36 die Schalter S1 und S3 und öffnet die Steuereinheit die Schalter S2 und S4. Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S9 und S11 und die Schalter S10 und S12 derart, dass die zweite Batterieeinheit 16 nunmehr nicht mit dem zweiten Gleichspannungswandler 40, sondern mit dem dritten Gleichspannungswandler 50 verbunden ist. Konkret öffnet die Steuereinheit 36 die Schalter S9 und S11 und schließt die Steuereinheit 36 die Schalter S10 und S12. Mit anderen Worten übernehmen die Schalter S10 und S12 die Funktion der Schalter S5 und S7 und übernehmen die Schalter S9 und S11 die Funktion der Schalter S6 und S8. Somit wird anstelle des zweiten Gleichspannungswandlers 40 der dritte Gleichspannungswandler 50 von der zweiten Batterieeinheit 16 mit Spannung versorgt wird und wird der erste Gleichspannungswandler 18 von der ersten Batterieeinheit 14 mit Spannung versorgt wird.

Sind alle drei Gleichspannungswandler 18, 40, 50 gleich ausgelegt, beispielsweise für jeweils 2kW Ausgangsleistung, würde der Niedervoltverbraucher 32 im Falle eines defekten zweiten Gleichspannungswandlers 40 mit weiterhin 4kW Leistung versorgt werden können, da sich die 2kW Ausgangsleistung des ersten Gleichspannungswandlers 18 zu den 2kW Ausgangsleistung des dritten Gleichspannungswandlers 50 addieren.

Der dritte Gleichspannungswandler 50 ist somit ein Ersatz-Gleichspannungswandler für einen der Gleichspannungswandler 18, 40 im Falle eines Fehlers in einem der zwei Gleichspannungswandler 18, 40.

Sofern keine der Batterieeinheiten 14 oder 16 fehlerhaft sind, kann somit der Niedervoltverbraucher 32 mit den beiden Gleichspannungswandlern 18 und 50 anstelle der Gleichspannungswandler 18 und 40 betrieben werden.

Im Folgenden wird angenommen, dass neben dem zweiten Gleichspannungswandler 40 nunmehr auch die zweite Batterieeinheit 16 fehlerhaft ist.

Wenn die zweite Batterieeinheit 16 fehlerhaft ist, wird dies von der Steuereinheit 36 registriert. Die Steuereinheit 36 betätigt die Schaltmatrix 34 und deren Schalter S1 und S12 entsprechend, um die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit 16 des Batteriesystems 12 von den Gleichspannungswandlern 18, 40, 50 abzutrennen. Konkret öffnet die Steuereinheit 36 die Schalter S2, S4, S10, S12. Die Schalter S5 bis S8 sind bereits geöffnet aufgrund der Tatsache, dass angenommen wurde, dass der zweite Gleichspannungswandler 40 defekt ist. Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S1 und S3 und die Schalter S2 und S4, sodass die erste Batterieeinheit 14 mit dem ersten Gleichspannungswandler 18 verbunden ist. Konkret schließt die Steuereinheit 36 die Schalter S1 und S3.

Ferner betätigt die Steuereinheit 36 die Schalter S9 und S11 , sodass die erste Batterieeinheit 14, also die nicht mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit, ebenfalls an den dritten Gleichspannungswandler 50 angeschlossen ist. Konkret schließt die Steuereinheit 36 also die Schalter S9 und S11 .

In dieser Anordnung ist sichergestellt, dass sowohl der erste Gleichspannungswandler 18 wie auch der dritte Gleichspannungswandler 50 durch die nicht mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit 14 mit Spannung versorgt werden. Indem der erste Gleichspannungswandler 18 und der dritte Gleichungsspannungswandler an der Niedervoltseite parallel verschalten sind, addieren sich die Ausgangsleistungen der Gleichspannungswandler 18, 50 und der Niedervoltverbraucher 32 kann weiterhin mit der gewünschten Ausgangsleistung von in diesem Beispiel 4kW versorgt werden.

Selbstverständlich sind weitere Kombinationen der Schalter S1 bis S12 denkbar, je nach Anwendungsfall und Anordnung.

Selbstverständlich können die in Zusammenhang mit FIGs 1 bis 4 beschriebenen Anwendungsfälle in beliebig sinnvoller Weise kombiniert werden, um andere Fehlerfälle im System abzufangen.

In anderen nicht gezeigten Ausführungsformen kann die Gleichspannungswandlervorrichtung 10 weitere Batterieeinheiten und/oder weitere Gleichspannungswandler aufweisen, um - je nach Bedarfsfall - weitere Fehlerfälle abzufangen, sodass die Ausfallsicherheit bei der Versorgung des Niedervoltverbrauchers 32 weiter erhöht werden kann.

Claims

Patentansprüche

1 . Gleichspannungswandlervorrichtung (10) für ein Batteriesystem (12), aufweisend: einen ersten Gleichspannungswandler (18) mit einer Hochvoltseite und einer Niedervoltseite, wobei die Hochvoltseite einen ersten und einen zweiten Hochvoltanschluss (22, 24) und die Niedervoltseite einen ersten und einen zweiten Niedervoltanschluss (28, 30) aufweist, eine Schaltmatrix (34) mit

- einem ersten Schalter (S1 ), der zum Verbinden eines Plus-Anschlusses einer ersten Batterieeinheit (14) des Batteriesystems (12) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichstromwandlers (18) ausgebildet ist,

- einem zweiten Schalter (S2), der zum Verbinden eines Plus-Anschluss einer zweiten Batterieeinheit (16) des Batteriesystems (12) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichspannungswandlers (18) ausgebildet ist,

- einem dritten Schalter (S3), der zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit (14) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) ausgebildet ist,

- einem vierten Schalter (S4), der zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit (16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) ausgebildet ist, und eine Steuereinheit (36), die mit dem ersten bis vierten Schalter (S1 -S4) der Schaltmatrix (34) verbunden und dazu ausgebildet ist, in einem Fehlerfall von einer der beiden Batterieeinheiten (14, 16), die Schalter (S1 -S4) der Schaltmatrix (34) derart zu betätigen, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit (14, 16) vom ersten Gleichspannungswandler (18) abgetrennt ist, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichspannungswandlers (18) verbunden ist und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) verbunden ist.

2. Gleichspannungswandlervorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei die Niedervoltseite des ersten Gleichspannungswandlers (18) mittels eines Trennschalters (S201 ) an eine Niedervoltlast (32) unterbrechbar anschließbar ist.

3. Gleichspannungswandlervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend: einen zweiten Gleichspannungswandler (40) mit einer Hochvoltseite und einer Niedervoltseite, wobei die Hochvoltseite einen ersten und einen zweiten Hochvoltanschluss (42, 44) und die Niedervoltseite einen ersten und einen zweiten Niedervoltanschluss (46, 48) aufweist, und wobei die Niedervoltanschlüsse (46, 48) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) mit den Niedervoltanschlüssen (28, 30) des ersten Gleichspannungswandlers (18) parallel verbunden sind, wobei

- die Schaltmatrix (34) ferner aufweist

- einen fünften Schalter (S5), der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit (16) mit dem ersten Hochvoltanschluss (42) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) ausgebildet ist,

- einen sechsten Schalter (S6), der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit (14) mit dem ersten Hochvoltanschluss (42) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) ausgebildet ist,

- einen siebten Schalter (S7), der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit (16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (44) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) ausgebildet ist, und

- einen achten Schalter (S8), der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit (14) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (44) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) ausgebildet ist, wobei - die Steuereinheit (36) ferner mit dem fünften bis achten Schalter (S5-S8) der Schaltmatrix (34) verbunden und dazu ausgebildet ist, in dem Fehlerfall von einer der beiden Batterieeinheiten (14, 16), die Schalter (S1-S8) der Schaltmatrix (34) derart zu betätigen, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit (14, 16) von dem ersten und zweiten Gleichspannungswandler (18,40) abgetrennt ist, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichspannungswandlers (18) und mit dem ersten Hochvoltanschluss (42) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) verbunden ist und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) und mit dem zweiten Hochvoltanschluss (44) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) verbunden ist.

4. Gleichspannungswandlervorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die Niedervoltseite des ersten Gleichspannungswandlers (18) mittels eines ersten Trennschalters (S201 ) und die Niedervoltseite des zweiten Gleichspannungswandlers (40) mittels eines zweiten Trennschalters (S202) an eine Niedervoltlast (32) unterbrechbar anschließbar ist und die Steuereinheit (36) ferner dazu ausgebildet ist, den ersten und/oder zweiten Trennschalter (S201 , S202) derart zu betätigen, dass in Abhängigkeit von einer von der Niedervoltlast (32) geforderten Leistung der erste Gleichspannungswandler (18) und/oder der zweite Gleichspannungswandler (40) an die Niedervoltlast (32) angeschlossen ist bzw. sind.

5. Gleichspannungswandlervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterieeinheiten (14, 16) des Batteriesystems (12) in Serie geschaltet sind und die Schaltmatrix (34) ferner dazu ausgebildet ist, den Plus-Anschluss der ersten Batterieeinheit (14) am ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichspannungswandlers (18) und den Minus-Anschluss der zweiten Batterieeinheit (16) am zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) anzuschließen.

6. Gleichspannungswandlervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterieeinheiten (14, 16) des Batteriesystems (12) in Serie geschaltet sind und zumindest der zweite, dritte und fünfte Schalter (S2, S3, S5) jeweils an einen Mittenabgriff zwischen den Batterieeinheiten (14, 16) anschließbar sind.

7. Gleichspannungswandlervorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltmatrix (34) ferner einen ersten Zusatzschalter (S22) aufweist, der zum Verbinden eines Plus-Anschlusses einer dritten Batterieeinheit (38) des Batteriesystems (12) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichspannungswandlers (18) ausgebildet ist, und einen zweiten Zusatzschalter (S42) aufweist, der zum Verbinden eines Minus-Anschlusses der dritten Batterieeinheit (38) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) ausgebildet ist.

8. Gleichspannungswandlervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, ferner aufweisend: einen dritten Gleichspannungswandler (50) mit einer Hochvoltseite und einer Niedervoltseite, wobei die Hochvoltseite einen ersten und einen zweiten Hochvoltanschluss (52, 54) und die Niedervoltseite einen ersten und einen zweiten Niedervoltanschluss (56, 58) aufweist, und wobei die Niedervoltanschlüsse (56, 58) des dritten Gleichspannungswandlers (50) mit den Niedervoltanschlüssen (46, 48) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) und mit den Niedervoltanschlüssen (28, 30) des ersten Gleichspannungswandlers (18) parallel verbunden sind, und wobei

- die Schaltmatrix (34) ferner aufweist

- einen neunten Schalter (S9), der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit (14) mit dem ersten Hochvoltanschlusses (52) des dritten Gleichspannungswandlers (50) ausgebildet ist,

- einen zehnten Schalter (S10), der zum Verbinden des Plus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit (16) mit dem ersten Hochvoltanschluss (52) des dritten Gleichspannungswandlers (50) ausgebildet ist,

- einen elften Schalter (S11 ), der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der ersten Batterieeinheit (14) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (54) des dritten Gleichspannungswandlers (50) ausgebildet ist, und

- einen zwölften Schalter (S12), der zum Verbinden des Minus-Anschlusses der zweiten Batterieeinheit (16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (54) des dritten Gleichspannungswandlers (50) ausgebildet ist, wobei die Steuereinheit (36) ferner mit dem neunten bis zwölften Schalter (S9-S12) der Schaltmatrix (34) verbunden und dazu ausgebildet ist, in dem Fehlerfall von dem ersten Gleichspannungswandler (18) oder dem zweiten Gleichspannungswandler (40), die Schalter (S1-S12) der Schaltmatrix (34) derart zu betätigen, dass der mit dem Fehlerfall behaftete Gleichspannungswandler (18, 40) von den Batterieeinheiten (14, 16) abgetrennt ist und eine Gleichspannungswandlung des mit dem Fehlerfall behafteten Gleichspannungswandlers (18, 40) bedarfsweise durch den dritten Gleichspannungswandler (50) übernommen wird.

9. Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung (10) für ein Batteriesystem (12) nach Anspruch 1 , mit den Schritten:

Ermitteln eines Fehlerfalls in einer der Batterieeinheiten (14, 16) des Batteriesystems (12), und

Ansteuern der Schalter der Schaltmatrix (34) derart, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit (14, 16) von dem ersten Gleichspannungswandler (18) abgetrennt wird, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichspannungswandlers (18) verbunden wird und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) verbunden wird.

10. Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung (10) für ein Batteriesystem (12) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, mit den Schritten:

Ermitteln eines Fehlerfalls in einer der Batterieeinheiten (14, 16) des Batteriesystems (12), und

- Ansteuern der Schalter der Schaltmatrix (34) derart, dass die mit dem Fehlerfall behaftete Batterieeinheit (14, 16) von dem ersten Gleichspannungswandler (18) und von dem zweiten Gleichspannungswandler (40) abgetrennt wird, der Plus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem ersten Hochvoltanschluss (22) des ersten Gleichspannungswandlers (18) und mit dem ersten Hochvoltanschluss (42) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) verbunden wird und der Minus-Anschluss der nicht mit dem Fehlerfall behafteten Batterieeinheit (14, 16) mit dem zweiten Hochvoltanschluss (24) des ersten Gleichspannungswandlers (18) und mit dem zweiten Hochvoltanschluss (44) des zweiten Gleichspannungswandlers (40) verbunden wird.

11 . Verfahren zum Betreiben einer Gleichspannungswandlervorrichtung (10) für ein Batteriesystem (12) nach Anspruch 8, mit den Schritten:

Ermitteln eines Fehlerfalls im ersten Gleichspannungswandler (18) oder im zweiten Gleichspannungswandler (40), und

- Ansteuern der Schalter der Schaltmatrix (34) derart, dass der mit dem Fehlerfall behaftete Gleichspannungswandler (18, 40) von den Batterieeinheiten (14, 16) abgetrennt ist und eine Gleichspannungswandlung des mit dem Fehlerfall behafteten Gleichspannungswandlers (18, 40) bedarfsweise durch den dritten Gleichspannungswandler (50) übernommen wird.