WO2021122236A1 - Vehicle having a high-voltage on-board power system divided into three subsections - Google Patents

Vehicle having a high-voltage on-board power system divided into three subsections Download PDF

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WO2021122236A1
WO2021122236A1 PCT/EP2020/085323 EP2020085323W WO2021122236A1 WO 2021122236 A1 WO2021122236 A1 WO 2021122236A1 EP 2020085323 W EP2020085323 W EP 2020085323W WO 2021122236 A1 WO2021122236 A1 WO 2021122236A1
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vehicle
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electrical
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PCT/EP2020/085323
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Christian Ohms
Akin Candir
Urs Boehme
André Haspel
Andreas Maier
Roman Friedel
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a vehicle according to the features of the preamble of claim 1.
  • the vehicle electrical system has at least one Y capacitor which is electrically coupled to one of the potential lines with a first connection and to an electrical reference potential with a second connection.
  • a switching element is connected in series with the at least one Y capacitor.
  • Document DE 102006034020 A1 discloses a motor vehicle with an internal combustion engine, an electric machine and power electronics, the motor vehicle being drivable by the internal combustion engine and / or the electric machine.
  • the power electronics which include a high-voltage supply line, a DC converter unit with a low-voltage output, an inverter unit that converts the DC voltage of an energy store into AC voltage for an additional unit, and one assigned to the DC converter unit and / or the inverter unit comprises first control unit, designed as a module.
  • the power electronics can have two structural units which, in the case of a two-part design, are each arranged in separate parts of a housing or in two housings.
  • the invention is based on the object of specifying a vehicle which is improved over the prior art.
  • the object is achieved according to the invention by a vehicle having the features of claim 1.
  • a vehicle includes a high-voltage electrical system.
  • the high-voltage electrical system is divided into three sub-areas, the first sub-area being arranged in a first installation space of the vehicle, the second sub-area being arranged in a second installation space of the vehicle and the third sub-area being arranged outside of these two installation spaces of the vehicle.
  • the first sub-area has at least cell modules of a high-voltage battery and additionally at least one switching unit, the cell modules of the high-voltage battery being electrically isolated or connected to the second sub-area of the electrical high-voltage on-board network, depending on the switching position, through the switching unit.
  • the second sub-area also has at least one further switching unit and at least one fuse and at least one filter unit and at least one DC voltage converter and at least one second component of an electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery.
  • the third sub-area then also has at least one first component of the electric on-board charger unit for charging the high-voltage battery and at least one electric drive unit for electrically driving the vehicle, in particular a front and a rear electric drive unit, in particular each comprising an electric drive machine, a transmission and an inverter, and at least one electric refrigerant compressor.
  • the second component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery in the second sub-area of the electrical high-voltage on-board network is a different component than the first component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery in the third sub-area of the electrical high-voltage on-board network.
  • the second sub-area can advantageously also have a fuse and / or contain a fuse in at least one of the at least one switching unit of the second sub-area.
  • the first component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery is for carrying out an alternating current charging operation of the high-voltage battery, in particular as an alternating current charging socket and / or designed to carry out a direct current charging operation of the high-voltage battery, in particular as a direct current charging socket.
  • the third sub-area can advantageously also have at least one heat pump.
  • the third sub-area is arranged, for example, in at least one third installation space or in several third installation spaces of the vehicle.
  • the vehicle in particular a motor vehicle, in particular a road vehicle, is designed in particular as an electric vehicle or as a hybrid vehicle.
  • a high-voltage battery is possible by connecting the vehicle, in particular its high-voltage electrical system, to at least one electrical energy source external to the vehicle, i.e. H. in particular a charging station, electrically chargeable.
  • high voltage is to be understood in particular as an electrical direct voltage that is in particular greater than approximately 60V.
  • high voltage is to be interpreted in accordance with the ECE R 100 standard.
  • Y capacitors to establish electromagnetic compatibility.
  • Such Y capacitors can also be used on the charging station side, i. H. also be provided in the area of the electrical energy source external to the vehicle.
  • the effect of Y capacitors in the area of electromagnetic compatibility, in particular radio interference suppression, is known to the person skilled in the art, so that no separate further explanation is required in this regard.
  • Y-capacitors For reasons of electrical safety, electrical energy stored in all Y-capacitors should not exceed a predeterminable maximum value. Such a value is, for example, 0.2 J. This usually leads to a structural design in such a way that capacitance values of the Y-capacitors on the vehicle side are generally selected to be smaller than they are for a proper establishment of the electromagnetic compatibility, in particular with regard to the electrical Components that are connected to the high-voltage electrical system would be necessary. Among other things, it has turned out to be problematic when the vehicle is to be charged from the charging station by means of an alternating voltage.
  • the total capacity of Y-capacitors provided in the vehicle proves to be a hindrance, because these Y-capacitors can also cause a leakage current, which can lead to a fault on the charging station side and / or can exceed a total permissible value for leakage currents in electrical systems, as indicated, for example, in the standardization, for example in the standard DIN EN 61800 or the like.
  • this problem can only be solved by reducing the capacitance values of the Y capacitors provided in the vehicle, although it should be noted that this can significantly increase the cost of filter units.
  • the energy content of all effective Y-capacitors does not exceed a predetermined total energy content.
  • a maximum value of 0.2 J is currently provided for this, which should not be exceeded. Due to the large number of electrical components in the vehicle and the increasing output, for example in the case of high-voltage components, the total capacitance of the existing Y capacitors is increasing, which means that the energy content stored there also increases in accordance with the increasing total capacitance.
  • the energy content of the Y capacitors is particularly critical in the high voltage range, especially since it should be noted that the electrical energy stored in the Y capacitors depends on the square of the electrical voltage of the Y capacitors.
  • the solution according to the invention in particular this subdivision of the high-voltage electrical system into sub-areas, allows different operating modes of the vehicle to be optimized for relevant requirements. This enables the Y capacitors of the individual functions to be designed, taking into account the vehicle states to be assumed in each case.
  • the solution according to the invention enables a combination of several interference suppression measures in common filters and one Improvement of efficiency levels by reducing the power consumption of permanent consumers in vehicle conditions with low high-voltage power, for example for inductive charging, alternating current charging and / or an emergency call function of the vehicle.
  • the solution according to the invention thus enables costs, weight and installation space to be reduced by combining filters and control scopes for several high-voltage functions.
  • an increase in the degree of efficiency in AC charging or inductive charging is made possible by reducing permanent consumers.
  • an improvement in the EMC properties is made possible by a better design of the Y capacitors for the functional states of the vehicle, as already mentioned.
  • a simplified certification of the vehicle is also made possible, since the amounts of energy in the active Y-capacitors can be kept lower.
  • the solution according to the invention makes it possible in particular to integrate a large part of the high-voltage components, in particular the high-voltage electronics, and the high-voltage battery into a body shell of the vehicle. As a result, costs, installation space and weight can be saved.
  • a high-voltage-safe design of repairability or assembly on a vehicle production line has been problematic, provided that the high-voltage components are to be made openly accessible therein.
  • the installation of a complete high-voltage system i.e.
  • a complete high-voltage on-board network with a high-voltage battery is also critical due to certification requirements, for example, since the high-voltage battery has an energy density, which means that the high-voltage system with its volume and weight worsens this energy density value.
  • the repair of such a high-voltage system has so far only been possible in workshops that have special equipment and trained staff and that can meet increased cleanliness requirements in the workshop area.
  • work can only be carried out under voltage in the first installation space.
  • this first installation space for example, in addition to cell modules and safety elements, in particular external contactors and fuses, mainly high-voltage components are arranged that relate to vehicle operating states with low powers, for example alternating current charging, inductive charging and / or an emergency call function.
  • the second installation space it is possible, for example, to work in a voltage-free state.
  • Further high-voltage components are arranged outside of these two installation spaces, for example components for inductive charging, a DC charging socket, an AC charging socket, an electric refrigerant compressor, a heat pump and / or one or more electric drive units, for example each comprising an electric drive machine, a transmission and an inverter.
  • the installation spaces are advantageously structurally separated from one another.
  • the first installation space and the second installation space are structurally separate from one another, in particular, at least substantially, are designed to be closed, in particular in such a way that no access for people is possible through the first installation space into the second installation space or vice versa.
  • the first installation space and / or the second installation space are also structurally separated from the third installation space, in particular, at least essentially closed off from the third installation space.
  • the subdivision of the electrical high-voltage on-board network into the three sub-areas is advantageously designed in such a way that, as already mentioned, in the first installation space of the vehicle only work under electrical voltage of the first sub-area of the electrical high-voltage on-board network or only work under electrical voltage at an electrical positive potential of the first sub-area of the electrical high-voltage on-board network are possible and in the second installation space of the vehicle work is possible in a voltage-free state of the second sub-area of the electrical high-voltage on-board network.
  • the first sub-area of the high-voltage electrical system cannot be switched completely free of voltage and the second sub-area of the high-voltage electrical system can be switched completely free of voltage.
  • the first sub-area comprises, for example, cell modules of a high-voltage battery and additionally at least one switching unit and / or at least one fuse and / or at least one filter unit and / or at least one DC voltage converter, in particular a low-voltage DC voltage converter, and / or at least one component of an electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery and / or at least one component for carrying out an alternating current charging operation of the high-voltage battery and / or for carrying out an inductive charging operation of the high-voltage battery and / or for providing an emergency call function of the vehicle.
  • the second sub-area comprises, for example, at least one switching unit and / or at least one fuse and / or at least one filter unit and / or at least one DC voltage converter, in particular a low-voltage DC voltage converter, and / or at least one component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery, in particular a component other than in the first sub-area, and / or at least one electrical heating unit.
  • the third sub-area includes, for example, at least one component for carrying out an alternating current charging operation of the high-voltage battery, in particular the alternating current charging socket and / or for carrying out an inductive charging operation of the high-voltage battery and / or for carrying out a direct current charging operation of the high-voltage battery, in particular the direct current charging socket, and / or at least one electric drive unit for electric drive of the vehicle, in particular a front and a rear electric drive unit, in particular each comprising an electric drive machine, a transmission and an inverter, and / or at least one electric refrigerant compressor and / or at least one heat pump.
  • switching units are expediently provided, by means of which both potential lines can be switched voltage-free in a respective potential line pair which leads out of the respective installation space.
  • the switching units are each designed, for example, as a contactor or as a semiconductor switch, in particular a MOSFET.
  • the respective potential line pair there is, for example, one in each of the two potential lines Contactor or a contactor in one of the potential lines and a semiconductor switch in the other potential line.
  • a switching unit in particular a contactor, starting from the cell modules, is arranged, for example, in the respective potential line, before or after a first line branch to at least one electrical consumer.
  • both switching units are arranged after the first line branch or the switching unit in the positive potential line is arranged after the first line branch and the switching unit in the negative potential line is arranged before the first line branch.
  • FIG. 1 schematically shows a vehicle with a first embodiment of a high-voltage electrical system
  • FIG. 6 schematically shows the first embodiment of the high-voltage electrical system during preconditioning of the vehicle during an alternating current charging operation
  • FIG. 7 schematically shows the first embodiment of the high-voltage on-board network during preconditioning of the vehicle during inductive charging operation
  • FIG. 8 schematically shows the first embodiment of the high-voltage on-board network after a collision of the vehicle and / or during a service and / or assembly of at least one high-voltage component in a second installation space of the vehicle
  • FIG. 10 schematically shows a vehicle with a second embodiment of a high-voltage electrical system
  • FIG. 11 schematically shows the second embodiment of the high-voltage on-board network during a ferry operation of the vehicle
  • FIG. 16 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system during preconditioning of the vehicle during inductive charging operation
  • FIG. 19 schematically shows the second embodiment of the high-voltage on-board network during a pre-charging of a high-voltage intermediate circuit.
  • Figures 1 to 19 each show a schematic representation of a vehicle 1 with a high-voltage on-board network 2.
  • Figures 1 and 10 show two different embodiments of the high-voltage on-board network 2
  • Figures 2 to 9 show the first embodiment of the high-voltage on-board network 2 in a respective operating state of the vehicle 1
  • FIGS. 11 to 19 show the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 in a respective operating state of the vehicle 1.
  • the high-voltage on-board network 2 comprises a high-voltage battery, only cell modules 3 of this high-voltage battery being shown here, a front electric drive unit 4 of the vehicle 1, a rear electric drive unit 5 of the vehicle 1, an electric refrigerant compressor 6, an AC charging socket 7, a DC charging socket 8, an inductive charging unit 9, an electrical heating unit 10, a first low-voltage DC voltage converter 11, a second low-voltage DC voltage converter 12, an electrical on-board charger unit 13, three fuses 14, 15, 16 and two filter units 17, 18.
  • a heat pump (not shown here) can also be provided. I. E. in the following further Description can be provided instead of the electric refrigerant compressor 6 or in addition to the heat pump.
  • the on-board electric charger unit 13 is for AC charging operation of the vehicle 1, i. H. for electrical charging of the high-voltage battery by means of an electrical AC power source external to the vehicle.
  • it is connected to the AC charging socket 7 via an AC line 19, which has three phase conductors, a neutral conductor and a protective conductor for three-phase charging, via which the vehicle 1 can be coupled to the electrical AC power source external to the vehicle.
  • the two electric drive units 4, 5 each include, for example, an electric machine, an inverter and a transmission.
  • the first filter unit 17 is provided in particular for AC charging operation, for inductive charging operation and for an emergency call function of vehicle 1.
  • the second filter unit 18 is especially intended for ferry operation, direct current charging operation and preconditioning of vehicle 1, which will be described in more detail below .
  • the low-voltage DC voltage converters 11, 12 are also referred to as on-board converters.
  • the first low-voltage DC voltage converter 11 is provided in particular to provide electrical energy for the emergency call function and the charging operation of the vehicle 1.
  • the high-voltage electrical system 2 comprises pairs of potential lines, comprising a plus potential line HV + and a minus potential line HV-. These potential line pairs are used to electrically connect the high-voltage battery, in particular its cell modules 3, with the inductive charging unit, the first low-voltage DC voltage converter 11 and the electrical on-board charger unit 13, each via the first filter unit 17, as well as with the DC charging socket 8 and the two electric drive units 4, 5 and furthermore with the second low-voltage DC voltage converter 12, the electric heating unit 10 and the electric refrigerant compressor 6 and / or the heat pump, in each case via the second filter unit 18.
  • the first fuse 14 is arranged in the positive potential line HV + between the cell modules 3 and a first branch line to the first filter unit 17, to the inductive charging unit 9, to the first low-voltage DC voltage converter 11 and to the on-board charger unit 13.
  • the second fuse 15 is located in the positive potential line HV + after this junction in the feed line to the first filter unit 17, to the inductive charging unit 9, to the first low-voltage DC voltage converter 11 and to the on-board charger unit 13, even before the first filter unit 17.
  • the third fuse 16 is arranged in the positive potential line HV + between the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 and / or the heat pump.
  • HV- switching units S1 + to S5- are arranged at different positions in order to separate one or more components of the high-voltage electrical system 2 from the cell modules 3, the switching units S1 + to S5- being arranged in pairs at these positions.
  • the switching units S1 + to S5- are each designed as a contactor or semiconductor switch, the respective switching unit pair in the example shown consisting either of two contactors or of a contactor and a semiconductor switch.
  • the fourth switching unit S4 + in the positive potential line HV + between the electric heating unit 10 and the electric refrigerant compressor 6 and / or heat pump and the fifth switching unit S5- in the negative potential line HV- between the first filter unit 17 and the inductive charging unit 9 are designed as a semiconductor switch, as shown in FIG of the corresponding symbol, and the other switching units S1 + to S4 + and S5 + are designed as contactors, as can also be seen from the corresponding symbol.
  • the fourth switching unit S4 + in the positive potential line HV + between the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 and / or heat pump is still upstream of the third fuse 16, ie. H. between electrical heating unit 10 and third fuse 16, arranged.
  • the high-voltage electrical system 2 is divided into three sub-areas T1, T2, T3.
  • the first sub-area T1 is arranged in a first installation space B1 of the vehicle 1
  • the second Sub-area T2 is arranged in a second installation space B2 of vehicle 1
  • third sub-area T3 is arranged outside of these two installation spaces B1, B2 of vehicle 1, in the example shown in at least one third installation space B3 or in several third installation spaces B3 of vehicle 1.
  • the first installation space B1 work can only be carried out under voltage.
  • the high-voltage components that relate to vehicle operating states with low powers, in particular for the alternating current charging operating state, the inductive charging state and the emergency call function, are arranged.
  • the first filter unit 17 the first low-voltage DC voltage converter 11 and a first component 13.1 of the electrical on-board charger unit 13, including in particular a power factor correction filter (PFC), are arranged in the first installation space B1. and an isolated DC / DC converter.
  • PFC power factor correction filter
  • the second filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10, the third fuse 16 and a second component 13.2 of the on-board charger unit 13 are arranged here, including, in particular, measures relating to the electromagnetic compatibility of the on-board charger unit 13 and alternating current fuses.
  • This second component 13.2 of the on-board charger unit 13 is connected to the AC charging socket 7 via the alternating current line 19, while the first component 13.1 of the on-board charger unit 13 is connected to the cell modules 3 of the high-voltage battery.
  • the two electric drive units 4, 5, the AC charging socket 7, the electric refrigerant compressor 6 and / or the heat pump, the DC charging socket 8 and the inductive charging unit 9 are arranged outside the first and second installation space B1, B2, in particular in the third installation space B3 of the vehicle 1 .
  • the switching units S1 + to S5- are used, in particular, to isolate the potential of both potential lines HV +, HV- at the outputs of the first installation space B1 and the second installation space B2.
  • the first switching units S1 +, S1- and the fifth switching units S5 +, S5- are arranged in the first installation space B1 and the second Switching units S2 +, S2-, the third switching units S3 +, S3- and the fourth switching units S4 +, S4- are arranged in the second installation space B2.
  • the electrical high-voltage connection of the cell modules 3 to the second installation space B2 and the components arranged therein is to be separated and thus the entire second installation space B2 to be switched to a high-voltage potential-free.
  • the fifth switching units S5 +, S5- the high-voltage electrical connection of the cell modules 3 from the first installation space B1 to the inductive charging unit 9 is to be disconnected and this output from the first installation space B1 to the inductive charging unit 9 is to be switched potential-free, d. H. the inductive charging unit 9 is to be electrically separated from the high-voltage electrical system 2.
  • the second switching units S2 +, S2-, the third switching units S3 +, S3- and the fourth switching units S4 +, S4- are used in particular to isolate the outputs from the second installation space B2 when the first switching units S1 +, S1- are closed and the second installation space B2 is therefore not potential-free. Individual components in the third installation space B3, which are not required in each case, can then be switched potential-free.
  • the electric drive units 4, 5 can be switched individually by means of the second switching units S2 +, S2-, the direct current charging socket 8 by means of the third switching units S3 +, S3- and the electric refrigerant compressor6 and / or the heat pump by means of the fourth switching units S4 +, S4- , ie be electrically separated from the high-voltage electrical system 2.
  • Figure 2 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the ferry operation of the vehicle 1.
  • the first switching units S1 +, S1- and also the second switching units S2 +, S2- and the fourth switching units S4 +, S4- are closed.
  • the third switching units S3 +, S3- and the fifth switching units S5 +, S5- are open, as a result of which the outputs of the potential lines HV +, HV- to the DC charging socket 8 and to the inductive charging unit 9 are switched potential-free.
  • the second filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10, the electrical refrigerant compressor 6 and the two electrical drive units 4, 5 are active.
  • the other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
  • a total capacitance of Y capacitors of the active components must be less than or equal to 0.2 J per potential. Since the Y-capacitors of the direct current charging function and the inductive charging do not have to be considered, the remaining high-voltage system can increase the maximum value of the Y-capacitors to the Distribute ferry operations to active components.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • Figure 3 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during an alternating current charging operation. All switching units S1 + to S5- are open here.
  • the AC charging socket 7, the on-board charger unit 13, the first low-voltage DC voltage converter 11 and the first filter unit 17 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
  • the reduction of constant current consumers is achieved by placing the contactors between the first installation space B1 and the second installation space B2, i.e. H. the first switching units S1 +, S1- are open, d. H. cannot be controlled. All direct current high-voltage components in the second installation space B2 are thus voltage-free and associated control functions can be deactivated. There is also no power consumption to control the contactors.
  • the high-voltage components connected outside the first and second installation space B1, B2, in particular in the third installation space B3, for example the electric drive units 4, 5, are also voltage-free and corresponding controls can be deactivated. Only the first one is used to supply a low-voltage on-board network of vehicle 1
  • Low-voltage DC voltage converter 11 is active and it can therefore be used in this conversion a higher efficiency can be achieved. It is advantageous if the first low-voltage DC voltage converter 11 is designed for an output of the low-voltage on-board network during AC charging and inductive charging in order to increase the efficiency. All inactive components are voltage-free and can therefore be designed for reduced requirements with regard to their service life requirements.
  • Figure 4 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during a direct current charging operation.
  • the first switching units S1 +, S1- and also the third switching units S3 +, S3- and the fourth switching units S4 +, S4- are closed.
  • the second switching units S2 +, S2- and the fifth switching units S5 +, S5- are open.
  • the DC charging socket 8, the second low-voltage DC voltage converter 12, the second filter unit 18, the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
  • the focus is again on maintaining the maximum permissible energy in the Y capacitors.
  • the power consumption by active components is less important, since normally with direct current charging the charging power is high and the charging time is kept short. Permanent consumers are therefore not as important.
  • the outputs for the two electric drive units 4, 5 and for the inductive charging unit 9 are switched to be voltage-free via the second switching units S2 +, S2- and the fifth switching units S5 +, S5-. Since the capacities of the Y-capacitors of the two electric drive units 4, 5 and the inductive charging do not have to be considered, the remaining high-voltage system can be designed for the maximum value of the Y-capacitors in this operating state. The total capacitance is considerably reduced, especially by eliminating the Y capacitors of the two electric drive units 4, 5.
  • FIG. 5 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during an inductive charging operation.
  • the fifth switching units S5 +, S5- are closed.
  • the first to fourth switching units S1 +, S1- to S4 +, S4- are open.
  • the inductive charging unit 9 the first filter unit 17 and the first
  • Low-voltage DC voltage converters 11 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive. The state of inductive charging is comparable to that of AC charging. The charging power is usually very low. The focus is on reducing constant current consumers. The connections outside the first and second installation space B1, B2 are galvanically isolated and voltage-free, so that the subject of Y capacitors can be neglected.
  • FIG. 6 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during preconditioning, also referred to as preconditionning, of the vehicle 1 during the alternating current charging operation.
  • preconditionning also referred to as preconditionning
  • S3 +, S3-, S5 +, S5- are open.
  • the first filter unit 17, the on-board charger unit 13, the second filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10, the electrical refrigerant compressor 6 and the AC charging socket 7 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
  • the vehicle 1 is normally connected to the electrical alternating current energy source external to the vehicle, in particular the charging station. Due to the galvanic separation within the on-board charger unit 13, the energy content of the Y capacitors on the AC charging connector is very low. By opening the second switching units S2 +, S2- to the two electric drive units 4, 5, the capacitance of the remaining Y-capacitors of the vehicle 1 is also low, so that the value falls below this limit value.
  • the first switching units S1 +, S1- must be closed between the first and second installation space B1, B2.
  • the second low-voltage DC voltage converter 12 is operated to supply the low-voltage electrical system for seat heaters and windshield heaters, fans, pumps, etc.
  • the first low-voltage DC voltage converter 11 can also be activated.
  • a power distribution between the two low-voltage DC voltage converters 11, 12 in which the second low-voltage DC voltage converter 12 is larger than the first low-voltage DC voltage converter 11 is advantageous.
  • FIG. 7 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the preconditioning of the vehicle 1 during the inductive charging operation.
  • the first switching units S1 +, S1-, the fourth switching units S4 +, S4- and the fifth switching units S5 +, S5- are closed and the other switching units S2 +, S2-,
  • S3 +, S3- are open.
  • the inductive charging unit 9, the first filter unit 17, the second Filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
  • the preconditioning during the inductive charging operation is thus comparable to the preconditioning during the alternating current charging operation, only that the inductive charging unit 9 is active instead of the on-board charger unit 13 and the alternating current charging socket 7.
  • the above description of preconditioning during the alternating current charging operation therefore also applies analogously to preconditioning during the inductive charging operation.
  • Figure 8 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 after a collision of the vehicle 1 and / or during service and / or the assembly of at least one high-voltage component in the second installation space B2 of the vehicle 1.
  • all switching units S1 +, S1- to S5 +, S5- open.
  • only the first filter unit 17 and the first low-voltage DC voltage converter 11 are active and all other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
  • the vehicle 1 After an accident, in particular a collision, the vehicle 1 must be kept in operation for a predetermined period of time, for example 70 minutes, so that predetermined functions such as sending an emergency call or operating a hazard warning system are functional.
  • the high-voltage components are deactivated, i. H. they are de-energized and the capacitances, especially the Y capacitors, are discharged.
  • the first and second installation spaces B1, B2 are advantageously arranged in a collision-protected area in the vehicle 1 or are designed to be collision-protected by stiffeners. All electrical outputs outside of these installation spaces B1, B2 are open or galvanically isolated.
  • the first low-voltage DC voltage converter 11 can thus be operated in order to supply the low-voltage electrical system.
  • the high-voltage components of the first sub-area T1 are advantageously first installed in the first installation space B1. Connection points on this first installation space B1 are securely free of voltage to the outside via contactors, semiconductor switches or galvanic isolations, in the example shown here in particular through the first switching units S1 +, S1- and the fifth switching units S5 +, S5-.
  • the HV system is built around the second sub-area T2 in the second installation space B2 and the external high-voltage components, i.e. H. the third sub-area T3, in particular in the third installation space B3, expanded. The high-voltage system is only put into operation at the end of the line after the HV system has been completed.
  • FIG. 9 shows the first embodiment of the high-voltage on-board network 2 while a high-voltage intermediate circuit is being precharged.
  • a precharge circuit contactor and precharge resistor
  • a boost-capable low-voltage DC voltage converter for precharging from the low-voltage on-board network of vehicle 1, here in the form of the second low-voltage DC voltage converter 12, is used for gentle charging of the high-voltage intermediate circuit, also referred to as a DC link
  • the second switching units S2 +, S2- and the fourth switching units S4 +, S4- are closed and the other switching units S1 +, S1-, S3 +, S3-, S5 +, S5- are open.
  • Active high-voltage components here are the second low-voltage DC voltage converter 12 and the second filter unit 18. The other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
  • Figure 10 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2. This differs from the embodiment shown in Figure 1 only in that the first switching unit S1- in the negative potential line HV- here not after, but before the first line branch to the first filter unit 17, to the inductive Charging unit 9, for the first Low-voltage DC voltage converter 11 and is arranged to the on-board charger unit 13, ie between the cell modules 3 and this first line branch.
  • This high-voltage system thus represents a variation of the high-voltage system of the first embodiment.
  • the first switching unit S1 + in the positive potential line HV + can not follow the first line branch to the first filter unit 17, to the inductive charging unit 9, to the first low-voltage DC voltage converter 11 and to the Be arranged on-board charger unit 13, d. H. between the cell modules 3 and this first branch line. It must be ensured that in all operating states at the outputs of the first and second installation space B1, B2 always both high-voltage potentials via switching units S1 + to S5-, i.e. H. can be disconnected from the power supply via a contactor and a semiconductor switch or via two contactors.
  • the advantage of this second embodiment is that the high-voltage components in the first installation space B1 are galvanically isolated from the cell modules 3 at the high-voltage minus potential by opening the first switching unit S1- in the negative potential line HV- when the vehicle 1 is stationary. Thus, no voltage or only a low voltage due to leakage resistors is applied to intermediate circuit capacitances in the first installation space B1.
  • the closed first switching unit S1- in the negative potential line HV- is active in operating states with lower power, in particular during the inductive charging mode, during the alternating current charging mode and for the emergency call function.
  • Figure 11 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the ferry operation of the vehicle 1.
  • the position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the ferry operation of the vehicle 1 according to Figure 2. Therefore, the above applies Functioning described here analogously.
  • Figure 12 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the AC charging operation. In the position of the switching units S1 + to S5-, only the first switching unit S1- in the negative potential line HV- deviates from the first embodiment during the alternating current charging operation according to FIG. 3; it is closed here.
  • FIG. 13 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the DC charging operation.
  • the position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the direct current charging operation according to FIG. 4. Therefore, the above-described mode of operation also applies here analogously.
  • Figure 14 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the inductive charging operation.
  • the switching units S1 + to S5- In the position of the switching units S1 + to S5-, only the first switching unit S1- in the negative potential line HV- deviates from the first embodiment during the alternating current charging operation according to FIG. 5; it is closed here.
  • the position of the other switching units S1 + and S2 + to S5- is identical to the first embodiment during the inductive charging operation according to FIG. 5.Through this position of the switching units S1 + to S5-, the active and inactive components are identical to the first embodiment during the inductive charging operation according to FIG. 5 Therefore, the functionality described above also applies here analogously.
  • FIG. 15 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the preconditioning of the vehicle 1 during an AC charging operation.
  • the position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the preconditioning of the vehicle 1 during the alternating current charging operation according to FIG. 6.
  • the above-described mode of operation also applies here analogously.
  • FIG. 16 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the preconditioning of the vehicle 1 during the inductive charging operation.
  • the position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the preconditioning of the vehicle 1 during the inductive charging operation according to FIG. 7. Therefore, the mode of operation described above also applies here analogously.
  • FIG. 17 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 after a collision of the vehicle 1.
  • the switching units S1 + to S5- only the first switching unit S1- in the negative potential line HV- deviates from the first embodiment after a collision of the vehicle 1 according to FIG off, it's closed here.
  • the position of the other switching units S1 + and S2 + to S5- is identical to the first embodiment during the AC charging operation according to FIG. 8; they are open.
  • the active and inactive components are identical to the first embodiment after a collision of the vehicle 1 according to FIG. 8. Therefore, the mode of operation described above with regard to the collision of the vehicle 1 also applies here analogously.
  • the vehicle 1 After an accident, in particular a collision, the vehicle 1 must be kept in operation for a predetermined period of time, for example 70 minutes, so that predetermined functions such as sending an emergency call or operating a hazard warning system are functional.
  • the high-voltage components are deactivated, i. H. they are de-energized and the capacitances, especially the Y capacitors, are discharged.
  • the first and second installation spaces B1, B2 are advantageously arranged in a collision-protected area in the vehicle 1 or are designed to be collision-protected by stiffeners. All electrical outputs outside of these installation spaces B1, B2 are open or galvanically isolated.
  • the first low-voltage DC voltage converter 11 can thus be operated in order to supply the low-voltage electrical system.
  • the second low-voltage DC voltage converter 12 could be operated, but this would not be as efficient as the first switching unit S1 + consumes power in the negative potential line HV + and the efficiency of the second low-voltage DC voltage converter 12 is worse if it is larger than the first Low voltage DC converter 11.
  • Figure 18 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during a service and / or an assembly of at least one high-voltage component in the second installation space B2 of the vehicle 1.
  • the position of the switching units S1 + to S5- is identical to the first embodiment during a service and / or assembly at least a high-voltage component in the second installation space B2 of the vehicle 1 according to FIG. 8. In this embodiment, however, since all switching units S1 + to S5- are open, no components of the high-voltage electrical system 2 are active.
  • the mode of operation described above with regard to service and maintenance according to FIG. 8 can nevertheless essentially apply analogously.
  • Figure 19 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the precharge of the high-voltage intermediate circuit. The position of the
  • Switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the precharging of the high-voltage intermediate circuit according to FIG. 9. Therefore, the above-described mode of operation in this regard also applies analogously here.

Abstract

The invention relates to a vehicle (1) having an electrical high-voltage on-board power system (2). According to the invention, the electrical high-voltage on-board power system (2) is divided into three subsections (T1, T2, T3), wherein the first subsection (T1) is arranged in a first installation space (B1) of the vehicle (1), the second subsection (T2) is arranged in a second installation space (B2) of the vehicle (1) and the third subsection (T3) is arranged outside of these two installation spaces (B1, B2) of the vehicle (1). In this case, the first subsection (T1) contains cell modules (3) of a high-voltage battery and also a switching unit (S1+, S1-), and the second subsection (T2) contains a further switching unit (S2+ to S4) and a filter unit (18) and a DC/DC voltage converter (12) and a second part (13.2) of an electrical on-board charger unit (13) for charging the high-voltage battery, and the third subsection (T3) contains a first part (13.1) of the electrical on-board charger unit (13) for charging the high-voltage battery and an electrical drive unit (4, 5) for electrically driving the vehicle (1) and an electrical coolant compressor (6).

Description

FAHRZEUG MIT IN DREI TEILBEREICHE UNTERTEILTEM HOCHVOLTBORDNETZ VEHICLE WITH HIGH-VOLTAGE ON-BOARD NETWORK DIVIDED INTO THREE SUB-AREAS
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. The invention relates to a vehicle according to the features of the preamble of claim 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 102018002 926 A1 beschrieben, ein elektrisches Bordnetz bekannt. Dieses elektrische Bordnetz für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine erste und eine zweite elektrische Potentialleitung, wobei das Bordnetz ausgebildet ist, in einem bestimmungsgemäßen Betrieb zwischen den Potentialleitungen mit einer elektrischen Gleichspannung beaufschlagt zu werden. Das Bordnetz weist wenigstens einen Y-Kondensator auf, der mit einem ersten Anschluss mit einer der Potentialleitungen und mit einem zweiten Anschluss mit einem elektrischen Bezugspotential elektrisch gekoppelt ist. Ein Schaltelement ist zum wenigstens einen Y-Kondensator in Reihe geschaltet. As described in DE 102018002 926 A1, an on-board electrical system is known from the prior art. This on-board electrical system for a motor vehicle comprises at least a first and a second electrical potential line, the on-board network being designed to have an electrical direct voltage applied between the potential lines during normal operation. The vehicle electrical system has at least one Y capacitor which is electrically coupled to one of the potential lines with a first connection and to an electrical reference potential with a second connection. A switching element is connected in series with the at least one Y capacitor.
Die Schrift DE 102006034020 A1 hingegen offenbart ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einer Elektromaschine und einer Leistungselektronik, wobei das Kraftfahrzeug durch den Verbrennungsmotor und/oder die Elektromaschine antreibbar ist. Um die Leistungselektronik kostengünstig zu gestalten, ist die Leistungselektronik, die eine Hochvolt-Zuleitung, eine Gleichstromstellereinheit mit einem Niedervolt-Ausgang, eine Wechselrichtereinheit, die die Gleichspannung eines Energiespeichers in Wechselspannung für ein Zusatzaggregat umwandelt, und eine der Gleichstromstellereinheit und/oder der Wechselrichtereinheit zugeordnete erste Steuereinheit umfasst, als Modul ausgebildet. Hierbei kann die Leistungselektronik zwei Baueinheiten aufweisen, die bei einer zweiteiligen Ausführung jeweils in separaten Teilen eines Gehäuses beziehungsweise in zwei Gehäusen angeordnet ist. Document DE 102006034020 A1, on the other hand, discloses a motor vehicle with an internal combustion engine, an electric machine and power electronics, the motor vehicle being drivable by the internal combustion engine and / or the electric machine. In order to make the power electronics cost-effective, the power electronics, which include a high-voltage supply line, a DC converter unit with a low-voltage output, an inverter unit that converts the DC voltage of an energy store into AC voltage for an additional unit, and one assigned to the DC converter unit and / or the inverter unit comprises first control unit, designed as a module. In this case, the power electronics can have two structural units which, in the case of a two-part design, are each arranged in separate parts of a housing or in two housings.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The invention is based on the object of specifying a vehicle which is improved over the prior art. The object is achieved according to the invention by a vehicle having the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous refinements of the invention are the subject of the subclaims.
Ein Fahrzeug umfasst ein elektrisches Hochvoltbordnetz. Erfindungsgemäß ist das elektrische Hochvoltbordnetz in drei Teilbereiche unterteilt, wobei der erste Teilbereich in einem ersten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist, der zweite Teilbereich in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs angeordnet ist und der dritte Teilbereich außerhalb dieser beiden Bauräume des Fahrzeugs angeordnet ist. A vehicle includes a high-voltage electrical system. According to the invention, the high-voltage electrical system is divided into three sub-areas, the first sub-area being arranged in a first installation space of the vehicle, the second sub-area being arranged in a second installation space of the vehicle and the third sub-area being arranged outside of these two installation spaces of the vehicle.
Hierbei weist der erste Teilbereich mindestens Zellmodule einer Hochvoltbatterie und zusätzlich mindestens eine Schalteinheit auf, wobei durch die Schalteinheit die Zellmodule der Hochvoltbatterie zum zweiten Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes, je nach Schaltstellung elektrisch getrennt oder verbunden sind.Here, the first sub-area has at least cell modules of a high-voltage battery and additionally at least one switching unit, the cell modules of the high-voltage battery being electrically isolated or connected to the second sub-area of the electrical high-voltage on-board network, depending on the switching position, through the switching unit.
Der zweite Teilbereich weist zudem mindestens eine weitere Schalteinheit und mindestens eine Sicherung und mindestens eine Filtereinheit und mindestens einen Gleichspannungswandler und mindestens einen zweiten Bestandteil einer elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie auf. The second sub-area also has at least one further switching unit and at least one fuse and at least one filter unit and at least one DC voltage converter and at least one second component of an electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery.
Der dritte Teilbereich weist dann noch mindestens einen ersten Bestandteil der elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie und mindestens eine elektrische Antriebseinheit zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere eine vordere und eine hintere elektrische Antriebseinheit, insbesondere umfassend jeweils eine elektrische Antriebsmaschine, ein Getriebe und einen Inverter, und mindestens einen elektrischen Kältemittelverdichter auf. The third sub-area then also has at least one first component of the electric on-board charger unit for charging the high-voltage battery and at least one electric drive unit for electrically driving the vehicle, in particular a front and a rear electric drive unit, in particular each comprising an electric drive machine, a transmission and an inverter, and at least one electric refrigerant compressor.
Dabei ist der zweite Bestandteil der elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie im zweiten Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes ein anderer Bestandteil als der erste Bestandteil der elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie im dritten Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes. The second component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery in the second sub-area of the electrical high-voltage on-board network is a different component than the first component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery in the third sub-area of the electrical high-voltage on-board network.
Vorteilhaft kann der zweite Teilbereich auch eine Sicherung aufweisen und/oder eine Sicherung in mindestens einer der mindestens einen Schalteinheit des zweiten Teilbereichs enthalten. The second sub-area can advantageously also have a fuse and / or contain a fuse in at least one of the at least one switching unit of the second sub-area.
In einer erfinderischen Weiterbildung ist der erste Bestandteil der elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie, insbesondere als Wechselstromladedose und/oder zur Durchführung eines Gleichstromladebetriebs der Hochvoltbatterie, insbesondere als Gleichstromladedose, ausgebildet. In an inventive development, the first component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery is for carrying out an alternating current charging operation of the high-voltage battery, in particular as an alternating current charging socket and / or designed to carry out a direct current charging operation of the high-voltage battery, in particular as a direct current charging socket.
Vorteilhaft kann der dritte Teilbereich auch mindestens eine Wärmepumpe aufweisen.The third sub-area can advantageously also have at least one heat pump.
Der dritte Teilbereich ist beispielsweise in mindestens einem dritten Bauraum oder in mehreren dritten Bauräumen des Fahrzeugs angeordnet. The third sub-area is arranged, for example, in at least one third installation space or in several third installation spaces of the vehicle.
Das Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, ist insbesondere als ein Elektrofahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet. Insbesondere ist eine Hochvoltbatterie durch Anschluss des Fahrzeugs, insbesondere von dessen Hochvoltbordnetz, an mindestens eine fahrzeugexterne elektrische Energiequelle, d. h. insbesondere eine Ladestation, elektrisch ladbar. The vehicle, in particular a motor vehicle, in particular a road vehicle, is designed in particular as an electric vehicle or as a hybrid vehicle. In particular, a high-voltage battery is possible by connecting the vehicle, in particular its high-voltage electrical system, to at least one electrical energy source external to the vehicle, i.e. H. in particular a charging station, electrically chargeable.
Unter dem Begriff „Hochvolt“ ist insbesondere eine elektrische Gleichspannung zu verstehen, die insbesondere größer als etwa 60 V ist. Insbesondere ist der Begriff „Hochvolt“ konform zur Norm ECE R 100 auszulegen. The term “high voltage” is to be understood in particular as an electrical direct voltage that is in particular greater than approximately 60V. In particular, the term "high voltage" is to be interpreted in accordance with the ECE R 100 standard.
Elektrische Komponenten des elektrischen Hochvoltbordnetzes verfügen üblicherweise zur Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit über Y-Kondensatoren. Solche Y-Kondensatoren können auch ladestationsseitig, d. h. auch im Bereich der fahrzeugexternen elektrischen Energiequelle, vorgesehen sein. Die Wirkung von Y-Kondensatoren im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere der Funkentstörung, ist dem Fachmann bekannt, sodass es diesbezüglich keiner gesonderten weiteren Erläuterung bedarf. Im Übrigen wird auf die diesbezügliche Normung verwiesen, so zum Beispiel die Richtlinie 2013/30/EU, über die elektromagnetische Verträglichkeit, EM 61000 und weitere. Electrical components of the high-voltage electrical system usually have Y capacitors to establish electromagnetic compatibility. Such Y capacitors can also be used on the charging station side, i. H. also be provided in the area of the electrical energy source external to the vehicle. The effect of Y capacitors in the area of electromagnetic compatibility, in particular radio interference suppression, is known to the person skilled in the art, so that no separate further explanation is required in this regard. In addition, reference is made to the relevant standardization, for example Directive 2013/30 / EU, on electromagnetic compatibility, EM 61000 and others.
Aus Gründen der elektrischen Sicherheit soll eine in sämtlichen Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie einen vorgebbaren maximalen Wert nicht überschreiten. Ein solcher Wert beträgt zum Beispiel 0,2 J. Dies führt regelmäßig zu einer konstruktiven Auslegung derart, dass Kapazitätswerte der Y-Kondensatoren fahrzeugseitig in der Regel kleiner gewählt werden, als sie für eine ordnungsgemäße Herstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, insbesondere in Bezug auf die elektrischen Komponenten, die an das elektrische Hochvoltbordnetz angeschlossen sind, notwendig wären. Als problematisch hat es sich unter anderem herausgestellt, wenn das Fahrzeug mittels einer Wechselspannung von der Ladestation geladen werden soll. In einem solchen Fall erweist sich die fahrzeugseitig vorgesehene Gesamtkapazität an Y-Kondensatoren als hinderlich, weil diese Y-Kondensatoren auch einen Ableitstrom verursachen können, der ladestationsseitig zu einer Störungsauslösung führen kann und/oder insgesamt einen zulässigen Wert für Ableitströme bei elektrischen Anlagen überschreiten kann, wie dies beispielsweise in der Normung angegeben ist, so zum Beispiel in der Norm DIN EN 61800 oder dergleichen. Diese Problematik kann dem Grunde nach nur durch Reduktion der Kapazitätswerte der im Fahrzeug vorgesehenen Y-Kondensatoren gelöst werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass dadurch der Aufwand für Filtereinheiten erheblich vergrößert sein kann. For reasons of electrical safety, electrical energy stored in all Y-capacitors should not exceed a predeterminable maximum value. Such a value is, for example, 0.2 J. This usually leads to a structural design in such a way that capacitance values of the Y-capacitors on the vehicle side are generally selected to be smaller than they are for a proper establishment of the electromagnetic compatibility, in particular with regard to the electrical Components that are connected to the high-voltage electrical system would be necessary. Among other things, it has turned out to be problematic when the vehicle is to be charged from the charging station by means of an alternating voltage. In such a case, the total capacity of Y-capacitors provided in the vehicle proves to be a hindrance, because these Y-capacitors can also cause a leakage current, which can lead to a fault on the charging station side and / or can exceed a total permissible value for leakage currents in electrical systems, as indicated, for example, in the standardization, for example in the standard DIN EN 61800 or the like. Basically, this problem can only be solved by reducing the capacitance values of the Y capacitors provided in the vehicle, although it should be noted that this can significantly increase the cost of filter units.
Darüber hinaus ist es insbesondere beim Aufladen mittels einer Gleichspannung erforderlich, dass ein Energieinhalt von sämtlichen wirksamen Y-Kondensatoren einen vorgegebenen Gesamtenergieinhalt nicht überschreitet. Aktuell ist hierfür ein maximaler Wert von 0,2 J vorgesehen, der nicht überschritten werden soll. Durch die Vielzahl der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs und die steigende Leistung, beispielsweise bei Hochvolt-Komponenten, wird die Gesamtkapazität der vorhandenen Y-Kondensatoren immer größer, wodurch auch der dort gespeicherte Energieinhalt entsprechend der zunehmenden Gesamtkapazität zunimmt. Darüber hinaus ist zu beachten, dass insbesondere im Bereich Hochvolt der Energieinhalt der Y-Kondensatoren besonders kritisch ist, zumal zu beachten ist, dass die in den Y-Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie quadratisch von der elektrischen Spannung der Y-Kondensatoren abhängig ist. Dadurch wird gerade im Bereich Hochvolt das Einhalten der Anforderung hinsichtlich des maximalen Energieinhalts in Bezug auf ein jeweiliges Hochvoltpotential besonders schwierig. Gerade bei Fahrzeugen erweist es sich als problematisch, sowohl Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit in Bezug auf die Energie der Y-Kondensatoren zugleich zu erfüllen. In addition, particularly when charging by means of a direct voltage, it is necessary that the energy content of all effective Y-capacitors does not exceed a predetermined total energy content. A maximum value of 0.2 J is currently provided for this, which should not be exceeded. Due to the large number of electrical components in the vehicle and the increasing output, for example in the case of high-voltage components, the total capacitance of the existing Y capacitors is increasing, which means that the energy content stored there also increases in accordance with the increasing total capacitance. In addition, it should be noted that the energy content of the Y capacitors is particularly critical in the high voltage range, especially since it should be noted that the electrical energy stored in the Y capacitors depends on the square of the electrical voltage of the Y capacitors. This makes it particularly difficult to meet the requirement with regard to the maximum energy content in relation to a respective high-voltage potential, especially in the high-voltage range. In the case of vehicles in particular, it is problematic to meet both requirements with regard to electromagnetic compatibility and requirements with regard to electrical safety with regard to the energy of the Y capacitors at the same time.
Diese Probleme werden durch die erfindungsgemäße Lösung behoben, denn durch die erfindungsgemäße Lösung, insbesondere durch diese Unterteilung des Hochvoltbordnetzes in Teilbereiche, lassen sich verschiedene Betriebsmodi des Fahrzeugs auf relevante Anforderungen hin optimieren. Dies ermöglicht eine Auslegung der Y-Kondensatoren der einzelnen Funktionen unter Berücksichtigung jeweils einzunehmender Fahrzeugzustände. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Zusammenfassung mehrerer Entstörmaßnahmen in gemeinsamen Filtern und eine Verbesserung von Wirkungsgraden durch Reduzierung der Stromaufnahme von Permanentverbrauchern bei Fahrzeugzuständen mit kleinen Hochvoltleistungen, zum Beispiel für ein induktives Laden, Wechselstromladen und/oder eine Notruffunktion des Fahrzeugs. These problems are eliminated by the solution according to the invention, because the solution according to the invention, in particular this subdivision of the high-voltage electrical system into sub-areas, allows different operating modes of the vehicle to be optimized for relevant requirements. This enables the Y capacitors of the individual functions to be designed, taking into account the vehicle states to be assumed in each case. In addition, the solution according to the invention enables a combination of several interference suppression measures in common filters and one Improvement of efficiency levels by reducing the power consumption of permanent consumers in vehicle conditions with low high-voltage power, for example for inductive charging, alternating current charging and / or an emergency call function of the vehicle.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit eine Reduzierung von Kosten, Gewicht und Bauraum durch das Zusammenfassen von Filtern und Steuerungsumfängen für mehrere Hochvoltfunktionen. The solution according to the invention thus enables costs, weight and installation space to be reduced by combining filters and control scopes for several high-voltage functions.
Zudem wird beispielsweise eine Erhöhung eines Wrkungsgrades beim Wechselstromladen oder induktiven Laden durch eine Reduzierung von Permanentverbrauchern ermöglicht. Des Weiteren wird eine Verbesserung der EMV-Eigenschaften (elektromagnetische Verträglichkeit) durch eine bessere Auslegung der Y-Kondensatoren auf die Funktionszustände des Fahrzeugs ermöglicht, wie bereits erwähnt. Es wird insbesondere auch eine erleichterte Zertifizierung des Fahrzeugs ermöglicht, da Energiemengen in den aktiven Y-Kondensatoren geringer gehalten werden können. In addition, for example, an increase in the degree of efficiency in AC charging or inductive charging is made possible by reducing permanent consumers. Furthermore, an improvement in the EMC properties (electromagnetic compatibility) is made possible by a better design of the Y capacitors for the functional states of the vehicle, as already mentioned. In particular, a simplified certification of the vehicle is also made possible, since the amounts of energy in the active Y-capacitors can be kept lower.
Des Weiteren wird eine Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten, die im inaktiven Zustand potenzialfrei geschaltet werden, ermöglicht. Dies betrifft beispielsweise das Wechselstromladen und das induktive Laden. Furthermore, an extension of the service life of components that are potential-free in the inactive state is made possible. This applies to AC charging and inductive charging, for example.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es insbesondere einen Großteil der Hochvoltkomponenten, insbesondere der Hochvoltelektronik, und die Hochvoltbatterie in einen Rohbau des Fahrzeugs zu integrieren. Dadurch können Kosten, Bauraumvolumen und Gewicht eingespart werden. Problematisch war dabei bisher eine hochvoltsichere Gestaltung einer Reparaturfähigkeit oder einer Montage an einem Fahrzeugfertigungsband, sofern die Hochvoltkomponenten darin offen zugänglich gemacht werden sollen. Das Montieren eines kompletten Hochvoltsystems, d. h. eines vollständigen Hochvoltbordnetzes mit Hochvoltbatterie ist beispielsweise zudem aufgrund von Zertifizierungsvorgaben kritisch, da eine Energiedichte der Hochvoltbatterie vorgeschrieben ist und somit das Hochvoltsystem mit seinem Volumen und Gewicht diesen Energiedichtewert verschlechtert. Die Reparatur eines solchen Hochvoltsystems ist zudem bisher nur in Werkstätten möglich, die über spezielle Ausrüstung und geschultes Personal verfügen und erhöhte Reinheitsanforderungen im Werkstattbereich erfüllen können. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung werden diese Probleme behoben, da die Hochvoltkomponenten entsprechend dieser Anforderungen in die Teilbereiche aufgeteilt und somit in den verschiedenen Bauräumen angeordnet werden können, welche die jeweiligen Anforderungen erfüllen, denn durch eine geeignete Anordnung der Hochvoltkomponenten in die drei Teilbereiche können diese technischen Probleme gelöst werden. So sind beispielsweise im ersten Bauraum nur Arbeiten unter Spannung möglich. In diesem ersten Bauraum sind beispielsweise neben Zellmodulen und Sicherheitselementen, insbesondere Schütze nach außen und Sicherungen, vorwiegend Hochvoltkomponenten angeordnet, die Fahrzeugbetriebszustände mit kleinen Leistungen betreffen, beispielsweise das Wechselstromladen, das induktive Laden und/oder eine Notruffunktion. Im zweiten Bauraum sind beispielsweise Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand möglich. Weitere Hochvoltkomponenten sind beispielsweise außerhalb dieser beiden Bauräume angeordnet, zum Beispiel Komponenten für das induktive Laden, eine Gleichstromladedose, eine Wechselstromladedose, einen elektrische Kältemittelverdichter, eine Wärmepumpe und/oder eine oder mehrere elektrische Antriebseinheiten, zum Beispiel umfassend jeweils eine elektrische Antriebsmaschine, ein Getriebe und einen Inverter. The solution according to the invention makes it possible in particular to integrate a large part of the high-voltage components, in particular the high-voltage electronics, and the high-voltage battery into a body shell of the vehicle. As a result, costs, installation space and weight can be saved. Up to now, a high-voltage-safe design of repairability or assembly on a vehicle production line has been problematic, provided that the high-voltage components are to be made openly accessible therein. The installation of a complete high-voltage system, i.e. a complete high-voltage on-board network with a high-voltage battery, is also critical due to certification requirements, for example, since the high-voltage battery has an energy density, which means that the high-voltage system with its volume and weight worsens this energy density value. The repair of such a high-voltage system has so far only been possible in workshops that have special equipment and trained staff and that can meet increased cleanliness requirements in the workshop area. These problems are eliminated by means of the solution according to the invention, since the high-voltage components are in accordance with these requirements in the Sub-areas can be divided and thus arranged in the various installation spaces that meet the respective requirements, because these technical problems can be solved by a suitable arrangement of the high-voltage components in the three sub-areas. For example, work can only be carried out under voltage in the first installation space. In this first installation space, for example, in addition to cell modules and safety elements, in particular external contactors and fuses, mainly high-voltage components are arranged that relate to vehicle operating states with low powers, for example alternating current charging, inductive charging and / or an emergency call function. In the second installation space, it is possible, for example, to work in a voltage-free state. Further high-voltage components are arranged outside of these two installation spaces, for example components for inductive charging, a DC charging socket, an AC charging socket, an electric refrigerant compressor, a heat pump and / or one or more electric drive units, for example each comprising an electric drive machine, a transmission and an inverter.
Die Bauräume sind vorteilhafterweise baulich voneinander getrennt. Insbesondere sind der erste Bauraum und der zweite Bauraum baulich voneinander getrennt, insbesondere, zumindest im Wesentlichen, verschlossen ausgebildet, insbesondere derart, dass kein Zugang für Personen durch den ersten Bauraum in den zweiten Bauraum oder umgekehrt möglich ist. Vorteilhafterweise sind der erste Bauraum und/oder der zweite Bauraum auch vom dritten Bauraum baulich getrennt, insbesondere gegenüber dem dritten Bauraum, zumindest im Wesentlichen, verschlossen ausgebildet. The installation spaces are advantageously structurally separated from one another. In particular, the first installation space and the second installation space are structurally separate from one another, in particular, at least substantially, are designed to be closed, in particular in such a way that no access for people is possible through the first installation space into the second installation space or vice versa. Advantageously, the first installation space and / or the second installation space are also structurally separated from the third installation space, in particular, at least essentially closed off from the third installation space.
Die Unterteilung des elektrischen Hochvoltbordnetzes in die drei Teilbereiche ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass, wie auch bereits erwähnt, im ersten Bauraum des Fahrzeugs nur Arbeiten unter elektrischer Spannung des ersten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes oder nur Arbeiten unter elektrischer Spannung an einem elektrischen Pluspotential des ersten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind und im zweiten Bauraum des Fahrzeugs Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand des zweiten Teilbereichs des elektrischen Hochvoltbordnetzes möglich sind. Beispielsweise ist der erste Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes nicht vollständig spannungsfrei schaltbar und der zweite Teilbereich des elektrischen Hochvoltbordnetzes ist vollständig spannungsfrei schaltbar. Dadurch wird eine Verlagerung von Funktionen mit höherer Wartungs- und/oder Reparaturwahrscheinlichkeit in den zweiten Teilbereich und somit in den zweiten Bauraum ermöglicht, der keine verschärften Anforderungen an Werkstätten stellt, da hier ein spannungsfreies Arbeiten möglich ist. Somit kann ein Ausbau und/oder eine Wartung der Komponenten aus dem zweiten Bauraum und zudem auch der Komponenten des dritten Teilbereichs ström- und spannungsfrei erfolgen. The subdivision of the electrical high-voltage on-board network into the three sub-areas is advantageously designed in such a way that, as already mentioned, in the first installation space of the vehicle only work under electrical voltage of the first sub-area of the electrical high-voltage on-board network or only work under electrical voltage at an electrical positive potential of the first sub-area of the electrical high-voltage on-board network are possible and in the second installation space of the vehicle work is possible in a voltage-free state of the second sub-area of the electrical high-voltage on-board network. For example, the first sub-area of the high-voltage electrical system cannot be switched completely free of voltage and the second sub-area of the high-voltage electrical system can be switched completely free of voltage. This enables functions with a higher probability of maintenance and / or repairs to be relocated to the second sub-area and thus to the second installation space, which does not place any more stringent requirements on workshops, since work is stress-free here is possible. This means that the components from the second installation space and also the components of the third sub-area can be removed and / or maintained without any flow or stress.
Der erste Teilbereich umfasst beispielsweise Zellmodule einer Hochvoltbatterie und zusätzlich mindestens eine Schalteinheit und/oder mindestens eine Sicherung und/oder mindestens eine Filtereinheit und/oder mindestens einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen Niedervoltgleichspannungswandler, und/oder mindestens einen Bestandteil einer elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie und/oder mindestens eine Komponente zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Bereitstellung einer Notruffunktion des Fahrzeugs. The first sub-area comprises, for example, cell modules of a high-voltage battery and additionally at least one switching unit and / or at least one fuse and / or at least one filter unit and / or at least one DC voltage converter, in particular a low-voltage DC voltage converter, and / or at least one component of an electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery and / or at least one component for carrying out an alternating current charging operation of the high-voltage battery and / or for carrying out an inductive charging operation of the high-voltage battery and / or for providing an emergency call function of the vehicle.
Der zweite Teilbereich umfasst beispielsweise mindestens eine Schalteinheit und/oder mindestens eine Sicherung und/oder mindestens eine Filtereinheit und/oder mindestens einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen Niedervoltgleichspannungswandler, und/oder mindestens einen Bestandteil der elektrischen Bordladereinheit zum Laden der Hochvoltbatterie, insbesondere einen anderen Bestandteil als im ersten Teilbereich, und/oder mindestens eine elektrische Heizeinheit. The second sub-area comprises, for example, at least one switching unit and / or at least one fuse and / or at least one filter unit and / or at least one DC voltage converter, in particular a low-voltage DC voltage converter, and / or at least one component of the electrical on-board charger unit for charging the high-voltage battery, in particular a component other than in the first sub-area, and / or at least one electrical heating unit.
Der dritte Teilbereich umfasst beispielsweise mindestens eine Komponente zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie, insbesondere die Wechselstromladedose und/oder zur Durchführung eines induktiven Ladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines Gleichstromladebetriebs der Hochvoltbatterie, insbesondere die Gleichstromladedose, und/oder mindestens eine elektrische Antriebseinheit zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere eine vordere und eine hintere elektrische Antriebseinheit, insbesondere umfassend jeweils eine elektrische Antriebsmaschine, ein Getriebe und einen Inverter, und/oder mindestens einen elektrischen Kältemittelverdichter und/oder mindestens eine Wärmepumpe. The third sub-area includes, for example, at least one component for carrying out an alternating current charging operation of the high-voltage battery, in particular the alternating current charging socket and / or for carrying out an inductive charging operation of the high-voltage battery and / or for carrying out a direct current charging operation of the high-voltage battery, in particular the direct current charging socket, and / or at least one electric drive unit for electric drive of the vehicle, in particular a front and a rear electric drive unit, in particular each comprising an electric drive machine, a transmission and an inverter, and / or at least one electric refrigerant compressor and / or at least one heat pump.
Im ersten Bauraum und im zweiten Bauraum sind zweckmäßigerweise Schalteinheiten vorgesehen, mittels welchen bei einem jeweiligen Potentialleitungspaar, welches aus dem jeweiligen Bauraum herausführt, beide Potentialleitungen spannungsfrei schaltbar sind. Dadurch kann nach außen, d. h. außerhalb des jeweiligen Bauraums, eine Spannungsfreiheit hergestellt werden. Die Schalteinheiten sind beispielsweise jeweils als ein Schütz oder als ein Halbleiterschalter, insbesondere MOSFET, ausgebildet. Bei dem jeweiligen Potentialleitungspaar ist beispielsweise in beiden Potentialleitungen jeweils ein Schütz oder in einer der Potentialleitungen ein Schütz und in der anderen Potentialleitung ein Halbleiterschalter angeordnet. In the first installation space and in the second installation space, switching units are expediently provided, by means of which both potential lines can be switched voltage-free in a respective potential line pair which leads out of the respective installation space. As a result, freedom from tension can be established on the outside, ie outside the respective installation space. The switching units are each designed, for example, as a contactor or as a semiconductor switch, in particular a MOSFET. In the case of the respective potential line pair, there is, for example, one in each of the two potential lines Contactor or a contactor in one of the potential lines and a semiconductor switch in the other potential line.
An einem mit Zellmodulen einer Hochvoltbatterie galvanisch verbundenen Potentialleitungspaar ist beispielsweise in der jeweiligen Potentialleitung eine Schalteinheit, insbesondere ein Schütz, ausgehend von den Zellmodulen, vor oder nach einem ersten Leitungsabzweig zu mindestens einem elektrischen Verbraucher angeordnet. Beispielsweise sind beide Schalteinheiten nach dem ersten Leitungsabzweig angeordnet oder die Schalteinheit in der Pluspotentialleitung ist nach dem ersten Leitungsabzweig angeordnet und die Schalteinheit in der Minuspotentialleitung ist vor dem ersten Leitungsabzweig angeordnet. Letztere Variante hat den Vorteil, dass die Hochvoltkomponenten im ersten Bauraum bei ruhendem Fahrzeug durch das Öffnen der Schalteinheit in der Minuspotentialleitung ausgehend von den Zellmodulen am Hochvolt-Minuspotential galvanisch getrennt werden können. Somit liegt an den Zwischenkreiskapazitäten im ersten Bauraum keine oder durch Ableitwiderstände nur eine geringe Spannung an. In einem Service- oder Reparaturfall wird ermöglicht, dass Arbeiten an Komponenten im ersten Bauraum nur noch mit einem Hochvoltpotential direkt mit den Zellen in der Hochvoltbatterie gekoppelt sind. On a potential line pair galvanically connected to cell modules of a high-voltage battery, a switching unit, in particular a contactor, starting from the cell modules, is arranged, for example, in the respective potential line, before or after a first line branch to at least one electrical consumer. For example, both switching units are arranged after the first line branch or the switching unit in the positive potential line is arranged after the first line branch and the switching unit in the negative potential line is arranged before the first line branch. The latter variant has the advantage that, when the vehicle is stationary, the high-voltage components in the first installation space can be galvanically separated from the cell modules at the high-voltage minus potential by opening the switching unit in the negative potential line. This means that there is no voltage applied to the intermediate circuit capacitors in the first installation space, or only a low voltage due to leakage resistors. In a service or repair case, it is made possible that work on components in the first installation space is only coupled with a high-voltage potential directly to the cells in the high-voltage battery.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen: Show:
Fig. 1 schematisch ein Fahrzeug mit einer ersten Ausführungsform eines Hochvoltbordnetzes, 1 schematically shows a vehicle with a first embodiment of a high-voltage electrical system,
Fig. 2 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs, 2 schematically shows the first embodiment of the high-voltage on-board network during a ferry operation of the vehicle,
Fig. 3 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Wechselstromladebetriebs, 3 schematically shows the first embodiment of the high-voltage electrical system during an alternating current charging operation,
Fig. 4 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Gleichstromladebetriebs, Fig. 5 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines induktiven Ladebetriebs, 4 schematically shows the first embodiment of the high-voltage electrical system during a direct current charging operation, 5 schematically shows the first embodiment of the high-voltage electrical system during an inductive charging operation,
Fig. 6 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während einer Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines Wechselstromladebetriebs, 6 schematically shows the first embodiment of the high-voltage electrical system during preconditioning of the vehicle during an alternating current charging operation,
Fig. 7 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines induktiven Ladebetriebs, 7 schematically shows the first embodiment of the high-voltage on-board network during preconditioning of the vehicle during inductive charging operation,
Fig. 8 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes nach einer Kollision des Fahrzeugs und/oder während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs, 8 schematically shows the first embodiment of the high-voltage on-board network after a collision of the vehicle and / or during a service and / or assembly of at least one high-voltage component in a second installation space of the vehicle,
Fig. 9 schematisch die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises, 9 schematically shows the first embodiment of the high-voltage on-board network during a pre-charging of a high-voltage intermediate circuit,
Fig. 10 schematisch ein Fahrzeug mit einer zweiten Ausführungsform eines Hochvoltbordnetzes, 10 schematically shows a vehicle with a second embodiment of a high-voltage electrical system,
Fig. 11 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Fährbetriebs des Fahrzeugs, 11 schematically shows the second embodiment of the high-voltage on-board network during a ferry operation of the vehicle,
Fig. 12 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Wechselstromladebetriebs, 12 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system during an alternating current charging operation,
Fig. 13 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Gleichstromladebetriebs, 13 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system during a direct current charging operation,
Fig. 14 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines induktiven Ladebetriebs, 14 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system during an inductive charging operation,
Fig. 15 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während einer Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines Wechselstromladebetriebs, 15 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system during preconditioning of the vehicle during a AC charging mode,
Fig. 16 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorkonditionierung des Fahrzeugs während eines induktiven Ladebetriebs, 16 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system during preconditioning of the vehicle during inductive charging operation,
Fig. 17 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes nach einer Kollision des Fahrzeugs, 17 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system after a collision of the vehicle,
Fig. 18 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente in einem zweiten Bauraum des Fahrzeugs, und 18 schematically shows the second embodiment of the high-voltage electrical system during a service and / or an assembly of at least one high-voltage component in a second installation space of the vehicle, and
Fig. 19 schematisch die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises. 19 schematically shows the second embodiment of the high-voltage on-board network during a pre-charging of a high-voltage intermediate circuit.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Die Figuren 1 bis 19 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit einem Hochvoltbordnetz 2. Dabei zeigen die Figuren 1 und 10 zwei verschiedene Ausführungsformen des Hochvoltbordnetzes 2, die Figuren 2 bis 9 zeigen die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 in einem jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs 1 und die Figuren 11 bis 19 zeigen die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 in einem jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeugs 1. Figures 1 to 19 each show a schematic representation of a vehicle 1 with a high-voltage on-board network 2. Figures 1 and 10 show two different embodiments of the high-voltage on-board network 2, and Figures 2 to 9 show the first embodiment of the high-voltage on-board network 2 in a respective operating state of the vehicle 1 and FIGS. 11 to 19 show the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 in a respective operating state of the vehicle 1.
Das Hochvoltbordnetz 2 umfasst in den dargestellten Beispielen eine Hochvoltbatterie, wobei hier nur Zellmodule 3 dieser Hochvoltbatterie dargestellt sind, eine vordere elektrische Antriebseinheit 4 des Fahrzeugs 1 , eine hintere elektrische Antriebseinheit 5 des Fahrzeugs 1 , einen elektrischen Kältemittelverdichter 6, eine Wechselstromladedose 7, eine Gleichstromladedose 8, eine induktive Ladeeinheit 9, eine elektrische Heizeinheit 10, einen ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11, einen zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12, eine elektrische Bordladereinheit 13, drei Sicherungen 14, 15, 16 und zwei Filtereinheiten 17, 18. In the examples shown, the high-voltage on-board network 2 comprises a high-voltage battery, only cell modules 3 of this high-voltage battery being shown here, a front electric drive unit 4 of the vehicle 1, a rear electric drive unit 5 of the vehicle 1, an electric refrigerant compressor 6, an AC charging socket 7, a DC charging socket 8, an inductive charging unit 9, an electrical heating unit 10, a first low-voltage DC voltage converter 11, a second low-voltage DC voltage converter 12, an electrical on-board charger unit 13, three fuses 14, 15, 16 and two filter units 17, 18.
Alternativ oder zusätzlich zum elektrischen Kältemittelverdichter 6 kann auch eine hier nicht dargestellte Wärmepumpe vorgesehen sein. D. h. bei der hier folgenden weiteren Beschreibung kann jeweils anstelle des elektrischen Kältemittelverdichters 6 oder zusätzlich dazu die Wärmepumpe vorgesehen sein. As an alternative or in addition to the electric refrigerant compressor 6, a heat pump (not shown here) can also be provided. I. E. in the following further Description can be provided instead of the electric refrigerant compressor 6 or in addition to the heat pump.
Die elektrische Bordladereinheit 13 ist für einen Wechselstromladebetrieb des Fahrzeugs 1, d. h. für ein elektrisches Laden der Hochvoltbatterie mittels einer fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, erforderlich. Sie ist hierzu über eine Wechselstromleitung 19, welche drei Phasenleiter, einen Nullleiter und einen Schutzleiter zum dreiphasigen Laden aufweist, mit der Wechselstromladedose 7 verbunden, über die das Fahrzeug 1 mit der fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle koppelbar ist. The on-board electric charger unit 13 is for AC charging operation of the vehicle 1, i. H. for electrical charging of the high-voltage battery by means of an electrical AC power source external to the vehicle. For this purpose, it is connected to the AC charging socket 7 via an AC line 19, which has three phase conductors, a neutral conductor and a protective conductor for three-phase charging, via which the vehicle 1 can be coupled to the electrical AC power source external to the vehicle.
Die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 umfassen beispielsweise jeweils eine elektrische Maschine, einen Inverter und ein Getriebe. The two electric drive units 4, 5 each include, for example, an electric machine, an inverter and a transmission.
Die erste Filtereinheit 17 ist insbesondere vorgesehen für den Wechselstromladebetrieb, für einen induktiven Ladebetrieb und für eine Notruffunktion des Fahrzeugs 1. Die zweite Filtereinheit 18 ist insbesondere vorgesehen für einen Fährbetrieb, einen Gleichstromladebetrieb und eine Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1, welche im Folgenden noch näher beschrieben wird. The first filter unit 17 is provided in particular for AC charging operation, for inductive charging operation and for an emergency call function of vehicle 1. The second filter unit 18 is especially intended for ferry operation, direct current charging operation and preconditioning of vehicle 1, which will be described in more detail below .
Die Niedervoltgleichspannungswandler 11, 12 werden auch als Bordnetzwandler bezeichnet. Der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 ist insbesondere vorgesehen zur Bereitstellung elektrischer Energie für die Notruffunktion und den Ladebetrieb des Fahrzeugs 1. The low-voltage DC voltage converters 11, 12 are also referred to as on-board converters. The first low-voltage DC voltage converter 11 is provided in particular to provide electrical energy for the emergency call function and the charging operation of the vehicle 1.
Das Hochvoltbordnetz 2 umfasst Potentialleitungspaare, umfassend eine Pluspotentialleitung HV+ und eine Minuspotentialleitung HV-. Diese Potentialleitungspaare dienen der elektrischen Verbindung der Hochvoltbatterie, insbesondere deren Zellmodule 3, mit der induktiven Ladeeinheit, dem ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und der elektrischen Bordladereinheit 13, jeweils über die erste Filtereinheit 17, sowie mit der Gleichstromladedose 8 und den beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und des Weiteren mit dem zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12, der elektrischen Heizeinheit 10 und dem elektrischen Kältemittelverdichter 6 und/oder der Wärmepumpe, jeweils über die zweite Filtereinheit 18. Die erste Sicherung 14 ist in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen den Zellmodulen 3 und einem ersten Leitungsabzweig zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13 angeordnet. The high-voltage electrical system 2 comprises pairs of potential lines, comprising a plus potential line HV + and a minus potential line HV-. These potential line pairs are used to electrically connect the high-voltage battery, in particular its cell modules 3, with the inductive charging unit, the first low-voltage DC voltage converter 11 and the electrical on-board charger unit 13, each via the first filter unit 17, as well as with the DC charging socket 8 and the two electric drive units 4, 5 and furthermore with the second low-voltage DC voltage converter 12, the electric heating unit 10 and the electric refrigerant compressor 6 and / or the heat pump, in each case via the second filter unit 18. The first fuse 14 is arranged in the positive potential line HV + between the cell modules 3 and a first branch line to the first filter unit 17, to the inductive charging unit 9, to the first low-voltage DC voltage converter 11 and to the on-board charger unit 13.
Die zweite Sicherung 15 ist in der Pluspotentialleitung HV+ nach diesem Abzweig in der Zuleitung zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13, noch vor der ersten Filtereinheit 17, angeordnet. The second fuse 15 is located in the positive potential line HV + after this junction in the feed line to the first filter unit 17, to the inductive charging unit 9, to the first low-voltage DC voltage converter 11 and to the on-board charger unit 13, even before the first filter unit 17.
Die dritte Sicherung 16 ist in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen der elektrischen Heizeinheit 10 und dem elektrischen Kältemittelverdichter6 und/oder der Wärmepumpe angeordnet. The third fuse 16 is arranged in the positive potential line HV + between the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 and / or the heat pump.
In den Potentialleitungen HV+, HV- sind an verschiedenen Positionen Schalteinheiten S1+ bis S5- angeordnet, um jeweils eine oder mehrere Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 von den Zellmodulen 3 zu trennen, wobei an diesen Positionen die Schalteinheiten S1+ bis S5- jeweils paarweise angeordnet sind d. h. jeweils eine Schalteinheit S1+ bis S5+ in der Pluspotentialleitung HV+ und eine Schalteinheit S1- bis S5- in der Minuspotentialleitung HV-. Dabei sind die Schalteinheiten S1+ bis S5- jeweils als Schütz oder Halbleiterschalter ausgebildet, wobei das jeweilige Schalteinheitpaar im dargestellten Beispiel entweder aus zwei Schützen oder aus einem Schütz und einem Halbleiterschalter besteht. In den dargestellten Beispielen sind die vierte Schalteinheit S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen elektrischer Heizeinheit 10 und elektrischem Kältemittelverdichter 6 und/oder Wärmepumpe und die fünfte Schalteinheit S5- in der Minuspotentialleitung HV- zwischen erster Filtereinheit 17 und induktiver Ladeeinheit 9 als Halbleiterschalter ausgebildet, wie anhand des entsprechenden Symbols ersichtlich, und die anderen Schalteinheiten S1+ bis S4+ und S5+ sind als Schütz ausgebildet, wie ebenfalls anhand des entsprechenden Symbols ersichtlich. Die vierte Schalteinheit S4+ in der Pluspotentialleitung HV+ zwischen elektrischer Heizeinheit 10 und elektrischem Kältemittelverdichter 6 und/oder Wärmepumpe ist dabei noch vor der dritten Sicherung 16, d. h. zwischen elektrischer Heizeinheit 10 und dritter Sicherung 16, angeordnet. In the potential lines HV +, HV- switching units S1 + to S5- are arranged at different positions in order to separate one or more components of the high-voltage electrical system 2 from the cell modules 3, the switching units S1 + to S5- being arranged in pairs at these positions. H. one switching unit S1 + to S5 + in each case in the positive potential line HV + and one switching unit S1- to S5- in the negative potential line HV-. The switching units S1 + to S5- are each designed as a contactor or semiconductor switch, the respective switching unit pair in the example shown consisting either of two contactors or of a contactor and a semiconductor switch. In the examples shown, the fourth switching unit S4 + in the positive potential line HV + between the electric heating unit 10 and the electric refrigerant compressor 6 and / or heat pump and the fifth switching unit S5- in the negative potential line HV- between the first filter unit 17 and the inductive charging unit 9 are designed as a semiconductor switch, as shown in FIG of the corresponding symbol, and the other switching units S1 + to S4 + and S5 + are designed as contactors, as can also be seen from the corresponding symbol. The fourth switching unit S4 + in the positive potential line HV + between the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 and / or heat pump is still upstream of the third fuse 16, ie. H. between electrical heating unit 10 and third fuse 16, arranged.
Das elektrische Hochvoltbordnetz 2 ist in drei Teilbereiche T1, T2, T3 unterteilt. Der erste Teilbereich T1 ist in einem ersten Bauraum B1 des Fahrzeugs 1 angeordnet, der zweite Teilbereich T2 ist in einem zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1 angeordnet und der dritte Teilbereich T3 ist außerhalb dieser beiden Bauräume B1, B2 des Fahrzeugs 1 angeordnet, im dargestellten Beispiel in mindestens einem dritten Bauraum B3 oder in mehreren dritten Bauräumen B3 des Fahrzeugs 1. The high-voltage electrical system 2 is divided into three sub-areas T1, T2, T3. The first sub-area T1 is arranged in a first installation space B1 of the vehicle 1, the second Sub-area T2 is arranged in a second installation space B2 of vehicle 1 and third sub-area T3 is arranged outside of these two installation spaces B1, B2 of vehicle 1, in the example shown in at least one third installation space B3 or in several third installation spaces B3 of vehicle 1.
Im ersten Bauraum B1 sind nur Arbeiten unter Spannung möglich. In diesem ersten Bauraum B1 sind neben den Zellmodulen 3 der Fahrzeugbatterie und der ersten und zweiten Sicherung 14, 15 vorwiegend die Hochvoltkomponenten angeordnet, die Fahrzeugbetriebszustände mit kleinen Leistungen betreffen, insbesondere für den Wechselstromladebetriebszustand, den induktiven Ladezustand und die Notruffunktion. In the first installation space B1, work can only be carried out under voltage. In this first installation space B1, in addition to the cell modules 3 of the vehicle battery and the first and second fuses 14, 15, mainly the high-voltage components that relate to vehicle operating states with low powers, in particular for the alternating current charging operating state, the inductive charging state and the emergency call function, are arranged.
In den dargestellten Beispielen sind im ersten Bauraum B1 somit neben den Zellmodulen 3 und der ersten und zweiten Sicherung 14, 15 die erste Filtereinheit 17, der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 und ein erster Bestandteil 13.1 der elektrischen Bordladereinheit 13 angeordnet, umfassend insbesondere einen Leistungsfaktorkorrekturfilter (PFC) und einen isolierten Gleichspannungswandler. In the examples shown, in addition to the cell modules 3 and the first and second fuses 14, 15, the first filter unit 17, the first low-voltage DC voltage converter 11 and a first component 13.1 of the electrical on-board charger unit 13, including in particular a power factor correction filter (PFC), are arranged in the first installation space B1. and an isolated DC / DC converter.
Im zweiten Bauraum B2 sind Arbeiten im spannungsfreien Zustand möglich. Hier sind im dargestellten Beispiel die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10, die dritte Sicherung 16 sowie ein zweiter Bestandteil 13.2 der Bordladereinheit 13 angeordnet, umfassend insbesondere Maßnahmen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit der Bordladereinheit 13 und Wechselstromsicherungen. Dieser zweite Bestandteil 13.2 der Bordladereinheit 13 ist über die Wechselstromleitung 19 mit der Wechselstromladedose 7 verbunden, während der erste Bestandteil 13.1 der Bordladereinheit 13 mit den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie verbunden ist. In the second installation space B2, work can be done in a voltage-free state. In the example shown, the second filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10, the third fuse 16 and a second component 13.2 of the on-board charger unit 13 are arranged here, including, in particular, measures relating to the electromagnetic compatibility of the on-board charger unit 13 and alternating current fuses. This second component 13.2 of the on-board charger unit 13 is connected to the AC charging socket 7 via the alternating current line 19, while the first component 13.1 of the on-board charger unit 13 is connected to the cell modules 3 of the high-voltage battery.
Die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, die Wechselstromladedose 7, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und/oder die Wärmepumpe, die Gleichstromladedose 8 sowie die induktive Ladeeinheit 9 sind außerhalb des ersten und zweiten Bauraums B1, B2 angeordnet, insbesondere im dritten Bauraum B3 des Fahrzeugs 1. The two electric drive units 4, 5, the AC charging socket 7, the electric refrigerant compressor 6 and / or the heat pump, the DC charging socket 8 and the inductive charging unit 9 are arranged outside the first and second installation space B1, B2, in particular in the third installation space B3 of the vehicle 1 .
Die Schalteinheiten S1+ bis S5- dienen insbesondere der Potentialfreischaltung beider Potentialleitungen HV+, HV- an Ausgängen des ersten Bauraums B1 und des zweiten Bauraums B2. So sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- im ersten Bauraum B1 angeordnet und die zweiten Schalteinheiten S2+, S2-, die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- sind im zweiten Bauraum B2 angeordnet. The switching units S1 + to S5- are used, in particular, to isolate the potential of both potential lines HV +, HV- at the outputs of the first installation space B1 and the second installation space B2. The first switching units S1 +, S1- and the fifth switching units S5 +, S5- are arranged in the first installation space B1 and the second Switching units S2 +, S2-, the third switching units S3 +, S3- and the fourth switching units S4 +, S4- are arranged in the second installation space B2.
Mittels der ersten Schalteinheiten S1+, S1- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 zum zweiten Bauraum B2 und den darin angeordneten Komponenten zu trennen und somit der gesamte zweite Bauraum B2 hochvoltpotentialfrei zu schalten. Mittels der fünften Schalteinheiten S5+, S5- ist die elektrische Hochvoltverbindung der Zellmodule 3 aus dem ersten Bauraum B1 heraus zur induktiven Ladeeinheit 9 zu trennen und dadurch dieser Ausgang aus dem ersten Bauraum B1 zur induktiven Ladeeinheit 9 potentialfrei zu schalten, d. h. die induktive Ladeeinheit 9 ist vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch zu trennen. Die zweiten Schalteinheiten S2+, S2-, die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- dienen insbesondere zur Potentialfreischaltung der Ausgänge aus dem zweiten Bauraum B2, wenn die ersten Schalteinheiten S1+, S1- geschlossen sind und der zweite Bauraum B2 somit nicht potentialfrei ist. Dann können einzelne Komponenten im dritten Bauraum B3, welche jeweils nicht benötigt werden, potentialfrei geschaltet werden. So können mittels der zweiten Schalteinheiten S2+, S2- die elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, mittels der dritten Schalteinheiten S3+, S3- die Gleichstromladedose 8 und mittels der vierten Schalteinheiten S4+, S4- der elektrische Kältemittelverdichter6 und/oder die Wärmepumpe jeweils einzeln potentialfrei geschaltet werden, d.h. vom Hochvoltbordnetz 2 elektrisch getrennt werden. By means of the first switching units S1 +, S1-, the electrical high-voltage connection of the cell modules 3 to the second installation space B2 and the components arranged therein is to be separated and thus the entire second installation space B2 to be switched to a high-voltage potential-free. By means of the fifth switching units S5 +, S5-, the high-voltage electrical connection of the cell modules 3 from the first installation space B1 to the inductive charging unit 9 is to be disconnected and this output from the first installation space B1 to the inductive charging unit 9 is to be switched potential-free, d. H. the inductive charging unit 9 is to be electrically separated from the high-voltage electrical system 2. The second switching units S2 +, S2-, the third switching units S3 +, S3- and the fourth switching units S4 +, S4- are used in particular to isolate the outputs from the second installation space B2 when the first switching units S1 +, S1- are closed and the second installation space B2 is therefore not potential-free. Individual components in the third installation space B3, which are not required in each case, can then be switched potential-free. The electric drive units 4, 5 can be switched individually by means of the second switching units S2 +, S2-, the direct current charging socket 8 by means of the third switching units S3 +, S3- and the electric refrigerant compressor6 and / or the heat pump by means of the fourth switching units S4 +, S4- , ie be electrically separated from the high-voltage electrical system 2.
Figur 2 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Fährbetriebs des Fahrzeugs 1. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und zudem die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen. Die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- sind geöffnet, wodurch die Ausgänge der Potentialleitungen HV+, HV- zur Gleichstromladedose 8 und zur induktiven Ladeeinheit 9 potentialfrei geschaltet sind. Die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 sind aktiv. Die anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Figure 2 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the ferry operation of the vehicle 1. Here, the first switching units S1 +, S1- and also the second switching units S2 +, S2- and the fourth switching units S4 +, S4- are closed. The third switching units S3 +, S3- and the fifth switching units S5 +, S5- are open, as a result of which the outputs of the potential lines HV +, HV- to the DC charging socket 8 and to the inductive charging unit 9 are switched potential-free. The second filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10, the electrical refrigerant compressor 6 and the two electrical drive units 4, 5 are active. The other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
Eine Gesamtkapazität von Y-Kondensatoren der aktiven Komponenten muss kleiner oder gleich 0,2 J je Potential sein. Da die Y-Kondensatoren der Gleichstromladefunktion und des induktiven Ladens nun nicht betrachtet werden müssen, kann das restliche verbliebene Hochvoltsystem den maximalen Wert der Y-Kondensatoren auf die beim Fährbetrieb aktiven Komponenten verteilen. A total capacitance of Y capacitors of the active components must be less than or equal to 0.2 J per potential. Since the Y-capacitors of the direct current charging function and the inductive charging do not have to be considered, the remaining high-voltage system can increase the maximum value of the Y-capacitors to the Distribute ferry operations to active components.
Beispielsweise können die Inverter der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 mit einer höheren Kapazität ihres y-Kondensators ausgestattet werden als dies im Stand der Technik möglich gewesen wäre. Somit ist es möglich, ihre EMV-Störemissionen (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) durch eine bessere Befilterung zu reduzieren und im Gegenzug Filtermaßnahmen bei anderen Komponenten, beispielsweise der Hochvoltbatterie, einzusparen. Es wäre auch möglich, dadurch eine schirmlose Hochvoltleitung zu den Invertern der elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 zu realisieren. Das Gleiche könnte für den elektrischen Kältemittelverdichter 6 umgesetzt werden. For example, the inverters of the electric drive units 4, 5 can be equipped with a higher capacitance of their y-capacitor than would have been possible in the prior art. This makes it possible to reduce your EMC interference emissions (EMC = electromagnetic compatibility) through better filtering and, in return, save filtering measures for other components, such as the high-voltage battery. It would also be possible to implement a shieldless high-voltage line to the inverters of the electric drive units 4, 5. The same could be implemented for the electric refrigerant compressor 6.
Figur 3 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Wechselstromladebetriebs. Hier sind alle Schalteinheiten S1+ bis S5- geöffnet. Die Wechselstromladedose 7, die Bordladereinheit 13, der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 und die erste Filtereinheit 17 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Figure 3 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during an alternating current charging operation. All switching units S1 + to S5- are open here. The AC charging socket 7, the on-board charger unit 13, the first low-voltage DC voltage converter 11 and the first filter unit 17 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
Da das Wechselstromladen in der Regel mit geringerer Leistung stattfindet, liegt bei diesem Betriebszustand der Fokus in der Reduzierung eines Stromverbrauchs durch Permanentverbraucher. Der in den Y-Kondensatoren gespeicherte Energieinhalt des Systems spielt eine untergeordnete Rolle, da alle Ausgänge aus dem ersten Bauraum B1 und dem zweiten Bauraum B2 über zwei Schütze oder eine Kombination aus Schütz und Halbleiter spannungsfrei geschaltet sind. Die restlich verbliebene Kapazität von einem oder mehreren Y-Kondensatoren im Wechselstromeingang des Fahrzeugs 1 inklusive einer fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, insbesondere Ladesäule, ist im Normalfall weit unter den maximalen Grenzwerten. Since AC charging usually takes place with lower power, the focus in this operating state is on reducing power consumption by permanent consumers. The energy content of the system stored in the Y capacitors plays a subordinate role, since all outputs from the first installation space B1 and the second installation space B2 are de-energized via two contactors or a combination of contactor and semiconductor. The remaining capacity of one or more Y capacitors in the AC input of the vehicle 1 including an electrical AC power source external to the vehicle, in particular a charging station, is normally well below the maximum limit values.
Die Reduzierung von Konstantstromverbrauchern wird erreicht, indem die Schütze zwischen dem ersten Bauraum B1 und dem zweiten Bauraum B2, d. h. die ersten Schalteinheiten S1+, S1-, geöffnet sind, d. h. nicht angesteuert werden. Somit sind alle Gleichstromhochvoltkomponenten im zweiten Bauraum B2 spannungsfrei und zugehörige Steuerungsfunktionen können deaktiviert sein. Ein Stromverbrauch zum Ansteuern der Schütze entfällt ebenso. Auch die außerhalb des ersten und zweiten Bauraums B1, B2, insbesondere im dritten Bauraum B3, angeschlossenen Hochvoltkomponenten, beispielsweise die elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, sind spannungsfrei und entsprechende Steuerungen können deaktiviert sein. Zur Versorgung eines Niedervoltbordnetzes des Fahrzeugs 1 ist nur der ersteThe reduction of constant current consumers is achieved by placing the contactors between the first installation space B1 and the second installation space B2, i.e. H. the first switching units S1 +, S1- are open, d. H. cannot be controlled. All direct current high-voltage components in the second installation space B2 are thus voltage-free and associated control functions can be deactivated. There is also no power consumption to control the contactors. The high-voltage components connected outside the first and second installation space B1, B2, in particular in the third installation space B3, for example the electric drive units 4, 5, are also voltage-free and corresponding controls can be deactivated. Only the first one is used to supply a low-voltage on-board network of vehicle 1
Niedervoltgleichspannungswandler 11 aktiv und es kann somit bei dieser Umwandlung eine höhere Effizienz erreicht werden. Vorteilhaft ist, wenn der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 auf eine Leistung des Niedervoltbordnetztes beim Wechselstromladen und induktiven Laden ausgelegt ist, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Sämtliche inaktiven Komponenten sind spannungsfrei und können daher bezüglich ihrer Lebensdaueranforderung auf reduzierte Anforderungen ausgelegt werden. Low-voltage DC voltage converter 11 is active and it can therefore be used in this conversion a higher efficiency can be achieved. It is advantageous if the first low-voltage DC voltage converter 11 is designed for an output of the low-voltage on-board network during AC charging and inductive charging in order to increase the efficiency. All inactive components are voltage-free and can therefore be designed for reduced requirements with regard to their service life requirements.
Figur 4 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Gleichstromladebetriebs. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und zudem die dritten Schalteinheiten S3+, S3- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen.Figure 4 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during a direct current charging operation. Here the first switching units S1 +, S1- and also the third switching units S3 +, S3- and the fourth switching units S4 +, S4- are closed.
Die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- sind geöffnet. Die Gleichstromladedose 8, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die zweite Filtereinheit 18, die elektrische Heizeinheit 10 und der elektrische Kältemittelverdichter 6 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. The second switching units S2 +, S2- and the fifth switching units S5 +, S5- are open. The DC charging socket 8, the second low-voltage DC voltage converter 12, the second filter unit 18, the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
Der Fokus beim Gleichstromladen liegt wiederum bei der Einhaltung der maximal zulässigen Energie in den Y-Kondensatoren. Der Stromverbrauch durch aktive Komponenten ist weniger wichtig, da im Normalfall beim Gleichstromladen mit hoher Ladeleistung geladen wird und somit die Ladezeit kurz gehalten wird. Permanentverbraucher fallen somit nicht so stark ins Gewicht. Die Ausgänge für die beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und für die induktive Ladeeinheit 9 sind über die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- bzw. die fünften Schalteinheiten S5+, S5- spannungsfrei geschaltet. Da die Kapazitäten der Y-Kondensatoren der beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 und des induktiven Ladens nun nicht betrachtet werden müssen, kann das restlich verbliebene Hochvoltsystem auf den maximalen Wert der Y-Kondensatoren in diesem Betriebszustand ausgelegt sein. Speziell durch den Wegfall der Y-Kondensatoren der beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 wird die Gesamtkapazität erheblich verringert. With DC charging, the focus is again on maintaining the maximum permissible energy in the Y capacitors. The power consumption by active components is less important, since normally with direct current charging the charging power is high and the charging time is kept short. Permanent consumers are therefore not as important. The outputs for the two electric drive units 4, 5 and for the inductive charging unit 9 are switched to be voltage-free via the second switching units S2 +, S2- and the fifth switching units S5 +, S5-. Since the capacities of the Y-capacitors of the two electric drive units 4, 5 and the inductive charging do not have to be considered, the remaining high-voltage system can be designed for the maximum value of the Y-capacitors in this operating state. The total capacitance is considerably reduced, especially by eliminating the Y capacitors of the two electric drive units 4, 5.
Figur 5 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines induktiven Ladebetriebs. Hier sind nur die fünften Schalteinheiten S5+, S5- geschlossen. Die ersten bis vierten Schalteinheiten S1+, S1- bis S4+, S4- sind geöffnet. Die induktive Ladeeinheit 9, die erste Filtereinheit 17 und der ersteFigure 5 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during an inductive charging operation. Here only the fifth switching units S5 +, S5- are closed. The first to fourth switching units S1 +, S1- to S4 +, S4- are open. The inductive charging unit 9, the first filter unit 17 and the first
Niedervoltgleichspannungswandler 11 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Der Zustand beim induktiven Ladebetrieb ist vergleichbar zum Wechselstromladebetrieb. Die Ladeleistung ist in der Regel sehr gering. Der Fokus liegt auf der Reduzierung der Konstantstromverbraucher. Die Anschlüsse außerhalb des ersten und zweiten Bauraums B1, B2 sind galvanisch getrennt und spannungsfrei, wodurch die Thematik der Y-Kondensatoren vernachlässigt werden kann. Low-voltage DC voltage converters 11 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive. The state of inductive charging is comparable to that of AC charging. The charging power is usually very low. The focus is on reducing constant current consumers. The connections outside the first and second installation space B1, B2 are galvanically isolated and voltage-free, so that the subject of Y capacitors can be neglected.
Figur 6 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während einer Vorkonditionierung, auch als Preconditionning bezeichnet, des Fahrzeugs 1 während des Wechselstromladebetriebs. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen und die anderen Schalteinheiten S2+, S2-,FIG. 6 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during preconditioning, also referred to as preconditionning, of the vehicle 1 during the alternating current charging operation. Here the first switching units S1 +, S1- and the fourth switching units S4 +, S4- are closed and the other switching units S2 +, S2-,
S3+, S3-, S5+, S5- sind geöffnet. Die erste Filtereinheit 17, die Bordladereinheit 13, die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10, der elektrische Kältemittelverdichter 6 und die Wechselstromladedose 7 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. S3 +, S3-, S5 +, S5- are open. The first filter unit 17, the on-board charger unit 13, the second filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10, the electrical refrigerant compressor 6 and the AC charging socket 7 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
Während dieser Vorkonditionierung erfolgt, insbesondere in der kalten Jahreszeit, beispielsweise eine Erwärmung eines Innenraumes des Fahrzeugs 1 und ein Beheizen von Scheiben und Sitzen des Fahrzeugs 1. In der warmen Jahreszeit erfolgt beispielsweise ein Kühlen des Innenraumes. Das Fahrzeug 1 ist in diesem Zustand im Normalfall mit der fahrzeugexternen elektrischen Wechselstromenergiequelle, insbesondere Ladesäule, verbunden. Durch die galvanische Trennung innerhalb der Bordladereinheit 13 ist der Energieinhalt der Y-Kondensatoren am Wechselstromladestecker sehr gering. Durch das Öffnen der zweiten Schalteinheiten S2+, S2- zu den beiden elektrischen Antriebseinheiten 4, 5 ist die Kapazität der verbliebenen Y-Kondensatoren des Fahrzeugs 1 ebenfalls gering, so dass die Unterschreitung dieses Grenzwertes erreicht wird. Für das Betreiben der Heizfunktion und/oder der Kühlfunktion müssen die ersten Schalteinheiten S1+, S1- zwischen dem ersten und zweiten Bauraum B1, B2 geschlossen werden. Zur Versorgung des Niedervoltbordnetzes für Sitzheizungen und Scheibenheizungen, Lüfter, Pumpen usw. wird der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12 betrieben. Optional kann auch der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 zusätzlich aktiviert sein. Vorteilhaft ist eine Leistungsaufteilung zwischen den beiden Niedervoltgleichspannungswandlern 11, 12 bei der der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12 größer ist als der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11. During this preconditioning, for example, the interior of the vehicle 1 is heated and the windows and seats of the vehicle 1 are heated, in particular during the cold season, for example, the interior is cooled during the warm season. In this state, the vehicle 1 is normally connected to the electrical alternating current energy source external to the vehicle, in particular the charging station. Due to the galvanic separation within the on-board charger unit 13, the energy content of the Y capacitors on the AC charging connector is very low. By opening the second switching units S2 +, S2- to the two electric drive units 4, 5, the capacitance of the remaining Y-capacitors of the vehicle 1 is also low, so that the value falls below this limit value. To operate the heating function and / or the cooling function, the first switching units S1 +, S1- must be closed between the first and second installation space B1, B2. The second low-voltage DC voltage converter 12 is operated to supply the low-voltage electrical system for seat heaters and windshield heaters, fans, pumps, etc. Optionally, the first low-voltage DC voltage converter 11 can also be activated. A power distribution between the two low-voltage DC voltage converters 11, 12 in which the second low-voltage DC voltage converter 12 is larger than the first low-voltage DC voltage converter 11 is advantageous.
Figur 7 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des induktiven Ladebetriebs. Hier sind die ersten Schalteinheiten S1+, S1-, die vierten Schalteinheiten S4+, S4- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5- geschlossen und die anderen Schalteinheiten S2+, S2-,FIG. 7 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the preconditioning of the vehicle 1 during the inductive charging operation. Here the first switching units S1 +, S1-, the fourth switching units S4 +, S4- and the fifth switching units S5 +, S5- are closed and the other switching units S2 +, S2-,
S3+, S3- sind geöffnet. Die induktive Ladeeinheit 9, die erste Filtereinheit 17, die zweite Filtereinheit 18, der zweite Niedervoltgleichspannungswandler 12, die elektrische Heizeinheit 10 und der elektrische Kältemittelverdichter6 sind aktiv. Alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. Die Vorkonditionierung während des induktiven Ladebetriebs ist somit vergleichbar zur Vorkonditionierung während des Wechselstromladebetriebs, nur dass anstelle der Bordladereinheit 13 und der Wechselstromladedose 7 die induktive Ladeeinheit 9 aktiv ist. Die obige Beschreibung zur Vorkonditionierung während des Wechselstromladebetriebs gilt somit analog auch für die Vorkonditionierung während des induktiven Ladebetriebs. S3 +, S3- are open. The inductive charging unit 9, the first filter unit 17, the second Filter unit 18, the second low-voltage DC voltage converter 12, the electrical heating unit 10 and the electrical refrigerant compressor 6 are active. All other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive. The preconditioning during the inductive charging operation is thus comparable to the preconditioning during the alternating current charging operation, only that the inductive charging unit 9 is active instead of the on-board charger unit 13 and the alternating current charging socket 7. The above description of preconditioning during the alternating current charging operation therefore also applies analogously to preconditioning during the inductive charging operation.
Figur 8 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 nach einer Kollision des Fahrzeugs 1 und/oder während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente im zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1. Hierbei sind alle Schalteinheiten S1+, S1- bis S5+, S5- geöffnet. Dadurch sind nur die erste Filtereinheit 17 und der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 aktiv und alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 inaktiv. Figure 8 shows the first embodiment of the high-voltage electrical system 2 after a collision of the vehicle 1 and / or during service and / or the assembly of at least one high-voltage component in the second installation space B2 of the vehicle 1. Here, all switching units S1 +, S1- to S5 +, S5- open. As a result, only the first filter unit 17 and the first low-voltage DC voltage converter 11 are active and all other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
Nach einem Unfall, insbesondere einer Kollision, ist das Fahrzeug 1 für einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise 70 Minuten, soweit in Betrieb zu halten, dass vorgegebene Funktionen wie ein Absenden eines Notrufs oder ein Betreiben einer Warnblinkanlage funktionsfähig sind. Die Hochvoltkomponenten werden deaktiviert, d. h. sie werden spannungsfrei geschaltet und die Kapazitäten, insbesondere die Y-Kondensatoren, werden entladen. After an accident, in particular a collision, the vehicle 1 must be kept in operation for a predetermined period of time, for example 70 minutes, so that predetermined functions such as sending an emergency call or operating a hazard warning system are functional. The high-voltage components are deactivated, i. H. they are de-energized and the capacitances, especially the Y capacitors, are discharged.
Um eine Größe einer Niedervoltbatterie zu reduzieren, kann die für diesen Fall nötige Energie aus der Hochvoltbatterie entnommen werden. Der erste und zweite Bauraum B1, B2 sind im Fahrzeug 1 vorteilhafterweise in einem kollisionsgeschützten Bereich angeordnet oder durch Versteifungen kollisionsgeschützt ausgebildet. Alle elektrischen Ausgänge außerhalb dieser Bauräume B1, B2 sind geöffnet oder galvanisch getrennt. Es kann somit der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 betrieben werden, um das Niedervoltbordnetz zu versorgen. Alternativ wäre ein Betreiben des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 möglich, allerdings wäre dies nicht so effizient, da ein Stromverbrauch der ersten Schalteinheiten S1+, S1- hinzukommen und der Wirkungsgrad des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 schlechter ist, falls er größer ist als der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11. In order to reduce the size of a low-voltage battery, the energy required for this case can be taken from the high-voltage battery. The first and second installation spaces B1, B2 are advantageously arranged in a collision-protected area in the vehicle 1 or are designed to be collision-protected by stiffeners. All electrical outputs outside of these installation spaces B1, B2 are open or galvanically isolated. The first low-voltage DC voltage converter 11 can thus be operated in order to supply the low-voltage electrical system. Alternatively, it would be possible to operate the second low-voltage DC voltage converter 12, but this would not be as efficient since the first switching units S1 +, S1- also consume electricity and the efficiency of the second low-voltage DC voltage converter 12 is worse if it is larger than the first low-voltage DC voltage converter 11.
Sind Arbeiten, insbesondere Servicearbeiten, an den Hochvoltkomponenten im zweiten Bauraum B2 oder an den externen Hochvoltverbrauchern des dritten Teilbereichs T3, insbesondere im dritten Bauraum B3, d. h. insbesondere an der induktiven Ladeeinheit 9, den elektrischen Antriebseinheiten 4, 5, dem elektrischen Kältemittelverdichter 6, der Wechselstromladedose 7 und/oder der Gleichstromladedose 8 erforderlich, dann ist es für Werkstätten möglich, in einem Zustand der Spannungsfreiheit diese Bereiche zu Öffnen oder zu tauschen. Um dies zu erreichen, werden die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und zudem die fünften Schalteinheiten S5+, S5- geöffnet. Are work, in particular service work, carried out on the high-voltage components in the second installation space B2 or on the external high-voltage consumers in the third sub-area T3, in particular in the third installation space B3, ie in particular on the inductive charging unit 9, the electric drive units 4, 5, the electric refrigerant compressor 6, the AC charging socket 7 and / or the DC charging socket 8, then it is possible for workshops to have them in a state of no voltage Areas to open or swap. To achieve this, the first switching units S1 +, S1- and also the fifth switching units S5 +, S5- are opened.
Zur Montage von Hochvoltkomponenten, insbesondere an einem Fertigungsband zur Herstellung des Fahrzeugs 1, werden vorteilhafterweise zunächst die Hochvoltkomponenten des ersten Teilbereichs T1 im ersten Bauraum B1 verbaut. Anschlussstellen an diesem ersten Bauraum B1 sind nach außen über Schütze, Halbleiterschalter oder galvanische Trennungen sicher spannungsfrei, im hier dargestellten Beispiel insbesondere durch die ersten Schalteinheiten S1+, S1- und die fünften Schalteinheiten S5+, S5-. Im weiteren Verlauf der Montage wird das HV-System um den zweiten Teilbereich T2 im zweiten Bauraum B2 und die externen Hochvoltkomponenten, d. h. den dritten Teilbereich T3, insbesondere im dritten Bauraum B3, erweitert. Erst nach Komplettierung des HV-Systems wird am Bandende das Hochvoltsystem in Betrieb genommen. For the assembly of high-voltage components, in particular on a production line for the manufacture of the vehicle 1, the high-voltage components of the first sub-area T1 are advantageously first installed in the first installation space B1. Connection points on this first installation space B1 are securely free of voltage to the outside via contactors, semiconductor switches or galvanic isolations, in the example shown here in particular through the first switching units S1 +, S1- and the fifth switching units S5 +, S5-. In the further course of the assembly, the HV system is built around the second sub-area T2 in the second installation space B2 and the external high-voltage components, i.e. H. the third sub-area T3, in particular in the third installation space B3, expanded. The high-voltage system is only put into operation at the end of the line after the HV system has been completed.
Figur 9 zeigt die erste Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Vorladens eines Hochvoltzwischenkreises. Zum sanften Aufladen des Hochvoltzwischenkreises, auch als DC-Link bezeichnet, wird beispielsweise eine Vorladeschaltung (Schütz und Vorladewiderstand) oder, wie im hier gezeigten Beispiel, ein boostfähiger Niedervoltgleichspannungswandler zum Vorladen aus dem Niedervoltbordnetz des Fahrzeugs 1 verwendet, hier in Form des zweiten Niedervoltgleichspannungswandlers 12. Hierfür sind die zweiten Schalteinheiten S2+, S2- und die vierten Schalteinheiten S4+, S4- geschlossen und die anderen Schalteinheiten S1+, S1-, S3+, S3-, S5+, S5- sind geöffnet. Aktive Hochvoltkomponenten sind hier der zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 und die zweite Filtereinheit 18. Die anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 sind inaktiv. FIG. 9 shows the first embodiment of the high-voltage on-board network 2 while a high-voltage intermediate circuit is being precharged. A precharge circuit (contactor and precharge resistor) or, as in the example shown here, a boost-capable low-voltage DC voltage converter for precharging from the low-voltage on-board network of vehicle 1, here in the form of the second low-voltage DC voltage converter 12, is used for gentle charging of the high-voltage intermediate circuit, also referred to as a DC link For this purpose, the second switching units S2 +, S2- and the fourth switching units S4 +, S4- are closed and the other switching units S1 +, S1-, S3 +, S3-, S5 +, S5- are open. Active high-voltage components here are the second low-voltage DC voltage converter 12 and the second filter unit 18. The other components of the high-voltage electrical system 2 are inactive.
Figur 10 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2. Diese weicht von der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform nur darin ab, dass die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- hier nicht nach, sondern vor dem ersten Leitungsabzweig zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13 angeordnet ist, d. h. zwischen den Zellmodulen 3 und diesem ersten Leitungsabzweig. Figure 10 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2. This differs from the embodiment shown in Figure 1 only in that the first switching unit S1- in the negative potential line HV- here not after, but before the first line branch to the first filter unit 17, to the inductive Charging unit 9, for the first Low-voltage DC voltage converter 11 and is arranged to the on-board charger unit 13, ie between the cell modules 3 and this first line branch.
Dieses Hochvoltsystem stellt somit eine Variation des Hochvoltsystems der ersten Ausführungsform dar. Alternativ oder zusätzlich kann auch die erste Schalteinheit S1+ in der Pluspotentialleitung HV+ nicht nach, sondern vor dem ersten Leitungsabzweig zur ersten Filtereinheit 17, zur induktiven Ladeeinheinheit 9, zum ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11 und zur Bordladereinheit 13 angeordnet sein, d. h. zwischen den Zellmodulen 3 und diesem ersten Leitungsabzweig. Es ist darauf zu achten, dass in allen Betriebszuständen an den Ausgängen des ersten und zweiten Bauraums B1, B2 immer beide Hochvoltpotentiale über Schalteinheiten S1+ bis S5-, d. h. über ein Schütz und einen Halbleiterschalter oder über zwei Schütze, spannungsfrei schaltbar sind. This high-voltage system thus represents a variation of the high-voltage system of the first embodiment. As an alternative or in addition, the first switching unit S1 + in the positive potential line HV + can not follow the first line branch to the first filter unit 17, to the inductive charging unit 9, to the first low-voltage DC voltage converter 11 and to the Be arranged on-board charger unit 13, d. H. between the cell modules 3 and this first branch line. It must be ensured that in all operating states at the outputs of the first and second installation space B1, B2 always both high-voltage potentials via switching units S1 + to S5-, i.e. H. can be disconnected from the power supply via a contactor and a semiconductor switch or via two contactors.
Vorteil dieser zweiten Ausführungsform ist, dass die Hochvoltkomponenten im ersten Bauraum B1 bei ruhendem Fahrzeug 1 durch das Öffnen der ersten Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- ausgehend von den Zellmodulen 3 am Hochvoltminuspotential galvanisch getrennt werden. Somit liegt an Zwischenkreiskapazitäten im ersten Bauraum B1 keine oder durch Ableitwiderstände nur eine geringe Spannung an. The advantage of this second embodiment is that the high-voltage components in the first installation space B1 are galvanically isolated from the cell modules 3 at the high-voltage minus potential by opening the first switching unit S1- in the negative potential line HV- when the vehicle 1 is stationary. Thus, no voltage or only a low voltage due to leakage resistors is applied to intermediate circuit capacitances in the first installation space B1.
Im Falle des Service wird ermöglicht, dass Arbeiten an Komponenten im ersten Bauraum B1 nur noch mit einem Hochvoltpotential direkt mit den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie gekoppelt sind. Allerdings muss beim Start des Hochvoltsystems vor der ersten Filtereinheit 17 eine Vorladeschaltung implementiert werden oder durch eine Vorladefunktion, zum Beispiel im ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11, ermöglicht werden. Dies ist hier nicht dargestellt. Die geschlossene erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- ist aktiv bei Betriebszuständen mit geringerer Leistung, insbesondere während des induktiven Ladebetriebs, während des Wechselstromladebetriebs und für die Notruffunktion. In the case of service, it is made possible that work on components in the first installation space B1 is only coupled directly to the cell modules 3 of the high-voltage battery with a high-voltage potential. However, when the high-voltage system is started, a pre-charging circuit must be implemented in front of the first filter unit 17 or made possible by a pre-charging function, for example in the first low-voltage DC voltage converter 11. This is not shown here. The closed first switching unit S1- in the negative potential line HV- is active in operating states with lower power, in particular during the inductive charging mode, during the alternating current charging mode and for the emergency call function.
Figur 11 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Fährbetriebs des Fahrzeugs 1. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während des Fährbetriebs des Fahrzeugs 1 gemäß Figur 2. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog. Figur 12 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Wechselstromladebetriebs. Bei der Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- weicht nur die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- von der ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß Figur 3 ab, sie ist hier geschlossen. Die Stellung der anderen Schalteinheiten S1+ und S2+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß Figur 3. Durch diese Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- sind die aktiven und inaktiven Komponenten identisch zur ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß Figur 3. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog. Figure 11 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the ferry operation of the vehicle 1. The position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the ferry operation of the vehicle 1 according to Figure 2. Therefore, the above applies Functioning described here analogously. Figure 12 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the AC charging operation. In the position of the switching units S1 + to S5-, only the first switching unit S1- in the negative potential line HV- deviates from the first embodiment during the alternating current charging operation according to FIG. 3; it is closed here. The position of the other switching units S1 + and S2 + to S5- is identical to the first embodiment during the AC charging operation according to Figure 3.This position of the switching units S1 + to S5- the active and inactive components are identical to the first embodiment during the AC charging operation according to Figure 3. Therefore the functionality described above also applies here analogously.
Figur 13 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Gleichstromladebetriebs. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während des Gleichstromladebetriebs gemäß Figur 4. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog. Figure 13 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the DC charging operation. The position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the direct current charging operation according to FIG. 4. Therefore, the above-described mode of operation also applies here analogously.
Figur 14 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des induktiven Ladebetriebs. Bei der Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- weicht nur die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- von der ersten Ausführungsform während des Wechselstrom ladebetriebs gemäß Figur 5 ab, sie ist hier geschlossen. Die Stellung der anderen Schalteinheiten S1+ und S2+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während des induktiven Ladebetriebs gemäß Figur 5. Durch diese Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- sind die aktiven und inaktiven Komponenten identisch zur ersten Ausführungsform während des induktiven Ladebetriebs gemäß Figur 5. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog. Figure 14 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the inductive charging operation. In the position of the switching units S1 + to S5-, only the first switching unit S1- in the negative potential line HV- deviates from the first embodiment during the alternating current charging operation according to FIG. 5; it is closed here. The position of the other switching units S1 + and S2 + to S5- is identical to the first embodiment during the inductive charging operation according to FIG. 5.Through this position of the switching units S1 + to S5-, the active and inactive components are identical to the first embodiment during the inductive charging operation according to FIG. 5 Therefore, the functionality described above also applies here analogously.
Figur 15 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während eines Wechselstromladebetriebs. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des Wechselstrom ladebetriebs gemäß Figur 6. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog. FIG. 15 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the preconditioning of the vehicle 1 during an AC charging operation. The position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the preconditioning of the vehicle 1 during the alternating current charging operation according to FIG. 6. The above-described mode of operation also applies here analogously.
Figur 16 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des induktiven Ladebetriebs. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während der Vorkonditionierung des Fahrzeugs 1 während des induktiven Ladebetriebs gemäß Figur 7. Daher gilt auch die oben beschriebene Funktionsweise hier analog. FIG. 16 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the preconditioning of the vehicle 1 during the inductive charging operation. The position of the switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the preconditioning of the vehicle 1 during the inductive charging operation according to FIG. 7. Therefore, the mode of operation described above also applies here analogously.
Figur 17 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 nach einer Kollision des Fahrzeugs 1. Bei der Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- weicht nur die erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- von der ersten Ausführungsform nach einer Kollision des Fahrzeugs 1 gemäß Figur 8 ab, sie ist hier geschlossen. Die Stellung der anderen Schalteinheiten S1+ und S2+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während des Wechselstromladebetriebs gemäß Figur 8, sie sind geöffnet. Durch diese Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- sind die aktiven und inaktiven Komponenten identisch zur ersten Ausführungsform nach einer Kollision des Fahrzeugs 1 gemäß Figur 8. Daher gilt auch die bezüglich der Kollision des Fahrzeugs 1 oben beschriebene Funktionsweise hier analog. D. h. durch die hier geschlossene erste Schalteinheit S1- in der Minuspotentialleitung HV- sind auch hier, wie in der ersten Ausführungsform, nur die erste Filtereinheit 17 und der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 aktiv und alle anderen Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 inaktiv. FIG. 17 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 after a collision of the vehicle 1. In the position of the switching units S1 + to S5-, only the first switching unit S1- in the negative potential line HV- deviates from the first embodiment after a collision of the vehicle 1 according to FIG off, it's closed here. The position of the other switching units S1 + and S2 + to S5- is identical to the first embodiment during the AC charging operation according to FIG. 8; they are open. As a result of this position of the switching units S1 + to S5-, the active and inactive components are identical to the first embodiment after a collision of the vehicle 1 according to FIG. 8. Therefore, the mode of operation described above with regard to the collision of the vehicle 1 also applies here analogously. I. E. Due to the first switching unit S1- closed here in the negative potential line HV-, only the first filter unit 17 and the first low-voltage DC voltage converter 11 are active and all other components of the high-voltage on-board network 2 are inactive, as in the first embodiment.
Nach einem Unfall, insbesondere einer Kollision, ist das Fahrzeug 1 für einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise 70 Minuten, soweit in Betrieb zu halten, dass vorgegebene Funktionen wie ein Absenden eines Notrufs oder ein Betreiben einer Warnblinkanlage funktionsfähig sind. Die Hochvoltkomponenten werden deaktiviert, d. h. sie werden spannungsfrei geschaltet und die Kapazitäten, insbesondere die Y-Kondensatoren, werden entladen. After an accident, in particular a collision, the vehicle 1 must be kept in operation for a predetermined period of time, for example 70 minutes, so that predetermined functions such as sending an emergency call or operating a hazard warning system are functional. The high-voltage components are deactivated, i. H. they are de-energized and the capacitances, especially the Y capacitors, are discharged.
Um die Größe der Niedervoltbatterie zu reduzieren, kann die für diesen Fall nötige Energie aus der Hochvoltbatterie entnommen werden. Der erste und zweite Bauraum B1, B2 sind im Fahrzeug 1 vorteilhafterweise in einem kollisionsgeschützten Bereich angeordnet oder durch Versteifungen kollisionsgeschützt ausgebildet. Alle elektrischen Ausgänge außerhalb dieser Bauräume B1, B2 sind geöffnet oder galvanisch getrennt. Es kann somit der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11 betrieben werden, um das Niedervoltbordnetz zu versorgen. Alternativ wäre ein Betreiben des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 möglich, allerdings wäre dies nicht so effizient, da ein Stromverbrauch der ersten Schalteinheit S1+ in der Minuspotentialleitung HV+ hinzukommt und der Wirkungsgrad des zweiten Niedervoltgleichspannungswandler 12 schlechter ist, falls er größer ist als der erste Niedervoltgleichspannungswandler 11. In order to reduce the size of the low-voltage battery, the energy required for this case can be taken from the high-voltage battery. The first and second installation spaces B1, B2 are advantageously arranged in a collision-protected area in the vehicle 1 or are designed to be collision-protected by stiffeners. All electrical outputs outside of these installation spaces B1, B2 are open or galvanically isolated. The first low-voltage DC voltage converter 11 can thus be operated in order to supply the low-voltage electrical system. Alternatively, the second low-voltage DC voltage converter 12 could be operated, but this would not be as efficient as the first switching unit S1 + consumes power in the negative potential line HV + and the efficiency of the second low-voltage DC voltage converter 12 is worse if it is larger than the first Low voltage DC converter 11.
Figur 18 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente im zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1. Die Stellung der Schalteinheiten S1+ bis S5- ist identisch zur ersten Ausführungsform während eines Services und/oder einer Montage mindestens einer Hochvoltkomponente im zweiten Bauraum B2 des Fahrzeugs 1 gemäß Figur 8. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch, da alle Schalteinheiten S1+ bis S5- geöffnet sind, keine Komponenten des Hochvoltbordnetzes 2 aktiv. Die oben beschriebene Funktionsweise bezüglich Service und Wartung gemäß Figur 8 kann hier dennoch im Wesentlichen analog gelten. Der besondere Vorteil hier ist, wie oben bereits erwähnt, dass Im Falle des Service ermöglicht wird, dass Arbeiten an Komponenten im ersten Bauraum B1 nur noch mit einem Hochvoltpotential direkt mit den Zellmodulen 3 der Hochvoltbatterie gekoppelt sind. Allerdings muss beim Start des Hochvoltsystems vor der ersten Filtereinheit 17 eine Vorladeschaltung implementiert werden oder durch eine Vorladefunktion, zum Beispiel im ersten Niedervoltgleichspannungswandler 11, ermöglicht werden. Dies ist hier nicht dargestellt. Figure 18 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during a service and / or an assembly of at least one high-voltage component in the second installation space B2 of the vehicle 1. The position of the switching units S1 + to S5- is identical to the first embodiment during a service and / or assembly at least a high-voltage component in the second installation space B2 of the vehicle 1 according to FIG. 8. In this embodiment, however, since all switching units S1 + to S5- are open, no components of the high-voltage electrical system 2 are active. The mode of operation described above with regard to service and maintenance according to FIG. 8 can nevertheless essentially apply analogously. The particular advantage here is, as already mentioned above, that in the case of service it is made possible that work on components in the first installation space B1 is only coupled with a high-voltage potential directly to the cell modules 3 of the high-voltage battery. However, when the high-voltage system is started, a pre-charging circuit must be implemented in front of the first filter unit 17 or made possible by a pre-charging function, for example in the first low-voltage DC voltage converter 11. This is not shown here.
Figur 19 zeigt die zweite Ausführungsform des Hochvoltbordnetzes 2 während des Vorladens des Hochvoltzwischenkreises. Die Stellung der Figure 19 shows the second embodiment of the high-voltage electrical system 2 during the precharge of the high-voltage intermediate circuit. The position of the
Schalteinheiten S1+ bis S5- und die aktiven und inaktiven Komponenten sind identisch zur ersten Ausführungsform während des Vorladens des Hochvoltzwischenkreises gemäß Figur 9. Daher gilt auch die diesbezügliche oben beschriebene Funktionsweise hier analog. Switching units S1 + to S5- and the active and inactive components are identical to the first embodiment during the precharging of the high-voltage intermediate circuit according to FIG. 9. Therefore, the above-described mode of operation in this regard also applies analogously here.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Fahrzeug 1 vehicle
2 Hochvoltbordnetz 2 high-voltage electrical system
3 Zellmodul 3 cell module
4, 5 Antriebseinheit 4, 5 drive unit
6 Kältemittelverdichter 6 refrigerant compressors
7 Wechselstromladedose 7 AC charging socket
8 Gleichstromladedose 8 DC charging socket
9 induktive Ladeeinheit 9 inductive charging unit
10 Heizeinheit 10 heating unit
11, 12 Niedervoltgleichspannungswandler 13 Bordladereinheit 11, 12 low-voltage DC voltage converter 13 on-board charger unit
13.1 erster Bestandteil 13.1 first component
13.2 zweiter Bestandteil 13.2 second component
14, 15, 16 Sicherung 17, 18 Filtereinheit 19 Wechselstromleitung 14, 15, 16 fuse 17, 18 filter unit 19 AC line
B1, B2, B3 Bauraum B1, B2, B3 installation space
T 1 , T2, T3 Teilbereich T 1, T2, T3 partial area
HV+, HV- Potentialleitung HV +, HV- potential line
S1+ bis S5- Schalteinheit S1 + to S5- switching unit

Claims

Patentansprüche Claims
1. Fahrzeug (1) mit einem elektrischen Hochvoltbordnetz (2), welches in drei Teilbereiche (T1, T2, T3) unterteilt ist, wobei der erste Teilbereich (T1) in einem ersten Bauraum (B1) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist, der zweite Teilbereich (T2) in einem zweiten Bauraum (B2) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist und der dritte Teilbereich (T3) außerhalb dieser beiden Bauräume (B1, B2) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, dass 1. Vehicle (1) with a high-voltage electrical system (2) which is divided into three sub-areas (T1, T2, T3), the first sub-area (T1) being arranged in a first installation space (B1) of the vehicle (1), the second sub-area (T2) is arranged in a second installation space (B2) of the vehicle (1) and the third sub-area (T3) is arranged outside these two installation spaces (B1, B2) of the vehicle (1), characterized in that
- der erste Teilbereich (T1) Zellmodule (3) einer Hochvoltbatterie und zusätzlich eine Schalteinheit (S1+, S1-) aufweist, wobei durch die Schalteinheit (S1+, S1-) die Zellmodule (3) zum zweiten Teilbereich (T2) des elektrischen Hochvoltbordnetz (2), je nach Schaltstellung elektrisch getrennt oder verbunden sind; und - The first sub-area (T1) has cell modules (3) of a high-voltage battery and also a switching unit (S1 +, S1-), whereby the switching unit (S1 +, S1-) connects the cell modules (3) to the second sub-area (T2) of the high-voltage electrical system ( 2), depending on the switch position, are electrically separated or connected; and
- der zweite Teilbereich (T2) eine weiter Schalteinheit (S2+ bis S4 ) und eine Filtereinheit (18) und einen Gleichspannungswandler (12) und einen zweiten Bestandteil (13.2) einer elektrischen Bordladereinheit (13) zum Laden der Hochvoltbatterie aufweist, und - The second sub-area (T2) has a further switching unit (S2 + to S4) and a filter unit (18) and a DC voltage converter (12) and a second component (13.2) of an electrical on-board charger unit (13) for charging the high-voltage battery, and
- der dritte Teilbereich (T3) einen ersten Bestandteil (13.1) der elektrischen Bordladereinheit (13) zum Laden der Hochvoltbatterie und eine elektrische Antriebseinheit (4, 5) zum elektrischen Antrieb des Fahrzeugs (1) und einen elektrischen Kältemittelverdichter (6) aufweist. - The third sub-area (T3) has a first component (13.1) of the electrical on-board charger unit (13) for charging the high-voltage battery and an electrical drive unit (4, 5) for electrically driving the vehicle (1) and an electrical refrigerant compressor (6).
2. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (T2) eine Sicherung (16) aufweist und/oder eine Sicherung in mindestens einer der mindestens einen Schalteinheit (S2+ bis S4 ) des zweiten Teilbereich (T2) enthalten ist. 2. Vehicle (1) according to claim 1, characterized in that the second sub-area (T2) has a fuse (16) and / or a fuse in at least one of the at least one switching unit (S2 + to S4) of the second sub-area (T2) is included.
3. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bestandteil (13.1) der elektrischen Bordladereinheit (13) des dritten Teilbereichs (T3) zum Laden der Hochvoltbatterie zur Durchführung eines Gleichstromladebetriebs der Hochvoltbatterie und/oder zur Durchführung eines Wechselstromladebetriebs der Hochvoltbatterie ausgebildet ist. 3. Vehicle (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the first component (13.1) of the electrical on-board charger unit (13) of the third sub-area (T3) for charging the high-voltage battery to carry out a direct current charging operation of the high-voltage battery and / or to carry out a AC charging operation of the high-voltage battery is formed.
4. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilbereich eine Wärmepumpe aufweist. 4. Vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the third sub-area has a heat pump.
5. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Teilbereich (T3) in mindestens einem dritten Bauraum (B3) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist. 5. Vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the third sub-area (T3) is arranged in at least one third installation space (B3) of the vehicle (1).
6. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauräume (B1, B2, B3) baulich voneinander getrennt sind. 6. Vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the installation spaces (B1, B2, B3) are structurally separated from one another.
7. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) in die drei Teilbereiche (T1, T2, T3) derart ausgebildet ist, dass im ersten Bauraum (B1) des Fahrzeugs (1) nur Arbeiten unter elektrischer Spannung des ersten Teilbereichs (T1) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) oder nur Arbeiten unter elektrischer Spannung an einem elektrischen Pluspotential des ersten Teilbereichs (T1) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) möglich sind und im zweiten Bauraum (B2) des Fahrzeugs (1) Arbeiten in einem spannungsfreien Zustand des zweiten Teilbereichs (T2) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) möglich sind. 7. Vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the subdivision of the high-voltage electrical system (2) into the three sub-areas (T1, T2, T3) is designed such that in the first installation space (B1) of the vehicle (1 ) only work under electrical voltage of the first sub-area (T1) of the high-voltage electrical system (2) or only work under electrical voltage at an electrical positive potential of the first sub-area (T1) of the high-voltage electrical system (2) is possible and in the second installation space (B2) of the Vehicle (1) work in a voltage-free state of the second sub-area (T2) of the electrical high-voltage on-board network (2) are possible.
8. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (T1) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) nicht vollständig spannungsfrei schaltbar ist und der zweite Teilbereich (T2) des elektrischen Hochvoltbordnetzes (2) vollständig spannungsfrei schaltbar ist. 8. Vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first sub-area (T1) of the electrical high-voltage on-board network (2) cannot be completely de-energized and the second sub-area (T2) of the electrical high-voltage on-board network (2) can be completely de-energized .
9. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Bauraum (B1) und im zweiten Bauraum (B2) Schalteinheiten (S1+ bis S5-) vorgesehen sind, mittels welchen bei einem jeweiligen Potentialleitungspaar, welches aus dem jeweiligen Bauraum (B1, B2) herausführt, beide Potentialleitungen (HV+, HV-) spannungsfrei schaltbar sind. 9. Vehicle (1) according to one of the preceding claims, characterized in that switching units (S1 + to S5-) are provided in the first installation space (B1) and in the second installation space (B2), by means of which in a respective potential line pair, which consists of the respective Installation space (B1, B2) leads out, both potential lines (HV +, HV-) can be switched voltage-free.
10. Fahrzeug (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (S1+ bis S5-) jeweils als ein Schütz oder als ein Halbleiterschalter ausgebildet sind, wobei an einem jeweiligen Potentialleitungspaar in beiden Potentialleitungen (HV+, HV-) jeweils ein Schütz oder in einer der Potentialleitungen (HV+, HV-) ein Schütz und in der anderen Potentialleitung (HV-, HV+) ein Halbleiterschalter angeordnet sein kann. 10. Vehicle (1) according to claim 9, characterized in that the switching units (S1 + to S5-) are each designed as a contactor or as a semiconductor switch, with a contactor on each potential line pair in both potential lines (HV +, HV-) or a contactor can be arranged in one of the potential lines (HV +, HV-) and a semiconductor switch can be arranged in the other potential line (HV-, HV +).
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