WO2025011990A1 - Elektrisches energienetz in einem kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben eines elektrischen energienetzes - Google Patents

Elektrisches energienetz in einem kraftfahrzeug, kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben eines elektrischen energienetzes Download PDF

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safety
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voltage
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Tom Kruse
Bastian Weber
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for

Definitions

  • the invention relates to an electrical energy network in a motor vehicle, a motor vehicle and a method for operating an electrical energy network.
  • an electrical energy network in a motor vehicle wherein the electrical energy network has a first voltage level and at least one second voltage level, wherein at least one first energy storage device is arranged in the first voltage level, which is connected to the second voltage level via a DC/DC converter, wherein the voltage of the first voltage level is greater than the voltage of the second voltage level.
  • the first energy storage device is, for example, a high-voltage battery and has a nominal voltage of 400 V.
  • a second energy storage device is arranged in the second voltage level, which has, for example, a nominal voltage of 12 V.
  • On-board network consumers are arranged in the second voltage level.
  • the energy network has a device for controlling energy consumption, with a control device that is designed to determine a state of charge of a traction battery of the vehicle, to calculate an energy requirement for reaching a predetermined charging station and to set a maximum quiescent current in the electrical energy network using the determined state of charge and the calculated energy requirement for reaching the predetermined charging station.
  • the control device is designed to completely deactivate one or more electrical consumers of the vehicle and/or to deactivate functions of one or more electrical consumers of the vehicle.
  • electrical consumers in an on-board network can be divided into safety-relevant and non-safety-relevant consumers, whereby the safety-relevant consumers can also be graded according to their relevance (ASIL AD).
  • the non-safety-relevant consumers are also referred to as comfort consumers, which are not required for driving the vehicle.
  • comfort consumers which are not required for driving the vehicle.
  • the non-safety-relevant consumers are switched off or their power consumption is initially reduced.
  • the necessary Control commands are generated by a higher-level control unit, which then transmits the control commands to the consumers via a bus system.
  • an electrical energy network in a motor vehicle wherein the electrical energy network has a first voltage level and at least one second voltage level. At least one first energy storage device is arranged in the first voltage level, which is connected to the second voltage level via a DC/DC converter. The voltage of the first voltage level is greater than the voltage in the second voltage level.
  • Safety-relevant consumers, non-safety-relevant consumers and at least one second energy storage device are arranged in the second voltage level.
  • a switching element is assigned to the non-safety-relevant consumers, and in the event of a fault in a part with the non-safety-relevant consumers, these are switched off in order to prevent repercussions on the safety-relevant consumers.
  • EP 3 146 605 B1 discloses a method for operating an on-board network of a motor vehicle, the on-board network having at least one electrical energy source and consumer, some of the consumers belonging to a safety group of safety-relevant consumers whose operation should be ensured even when the on-board network is under heavy load, at least one voltage threshold being specified for at least some of the consumers.
  • Each consumer monitors whether the on-board network voltage falls below the voltage threshold. If the on-board network voltage falls below the voltage threshold, the power consumption of the respective consumer is reduced by the consumer itself.
  • the time-varying voltage thresholds are selected by a central control unit depending on the operating state of the motor vehicle and specified to the consumers.
  • the invention is based on the technical problem of further improving an electrical energy network in a motor vehicle with regard to operational safety, of creating such a motor vehicle and of providing a corresponding method for operating an electrical energy network.
  • the solution to the technical problem results from an electrical energy network with the features of claim 1, a motor vehicle with the features of claim 6 and a method with the features of claim 7. Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.
  • the electrical energy network in a motor vehicle has a first voltage level and at least one second voltage level, wherein at least one first energy storage device is arranged in the first voltage level, which is connected to the second voltage level via a DC/DC converter, wherein the voltage of the first voltage level is greater than the voltage in the second voltage level.
  • Safety-relevant consumers, non-safety-relevant consumers and at least one second energy storage device are arranged in the second voltage level, wherein the non-safety-relevant consumers are assigned a switching element by means of which the non-safety-relevant consumers can be disconnected from the second voltage level.
  • the DC/DC converter and/or the at least one second energy storage device have a control unit which is designed to determine a load level for the energy supply in the second voltage level, wherein the control unit is further designed to disconnect the non-safety-relevant consumers from the second voltage level at a predetermined load level by directly controlling the switching element.
  • the first energy storage device is preferably a high-voltage battery, which has a nominal voltage of 380 V to 800 V, for example.
  • the second energy storage device is, for example, a 12 V battery or a capacitor.
  • control unit is connected directly to the switching element via a control line.
  • control unit is connected to the switching element via an air interface.
  • the air interface can be, for example, a radio interface or an optical air interface.
  • control unit is designed to switch the switched off non-safety-relevant consumers back on at a further predetermined load level.
  • This load level is smaller than the load level when switched off.
  • the switching element is designed as a relay or as a semiconductor switch.
  • the switching element can also be designed as a pyro-fuse, but in this case the separation is irreversible, so that reconnection is not possible.
  • the semiconductor switch can also be designed as an electrical fuse, ie the semiconductor switch monitors the current flowing through it and blocks if a predetermined limit is exceeded. This allows two functionalities to be implemented in the semiconductor switch. Such semiconductor switches are also referred to as eFuse.
  • control unit is connected to a higher-level control device for data purposes, the higher-level control device being designed to estimate a future energy requirement and to transmit it to the control unit, the control unit being designed to control the switching element and/or change control parameters depending on the message received from the higher-level control device.
  • the higher-level control device can estimate an impending crash or an energy-intensive driving maneuver so that the non-safety-relevant consumers are switched off in advance. This can be used in particular in fully automated vehicles.
  • the DC/DC converter is bidirectional, so that the DC/DC converter can also be used to precharge an intermediate circuit capacitor in the first voltage level.
  • the motor vehicle has at least one electrical energy network as described above.
  • a method for operating an electrical energy network in a motor vehicle wherein the electrical energy network has a first voltage level and at least one second voltage level. At least one first energy storage device is arranged in the first voltage level, which is connected to the second voltage level via a DC/DC converter. The voltage of the first voltage level is greater than the voltage in the second voltage level, wherein safety-relevant consumers, non-safety-relevant consumers and at least one second energy storage device are arranged in the second voltage level.
  • a switching element is assigned to the non-safety-relevant consumers, by means of which the non-safety-relevant consumers can be separated from the second voltage level.
  • the DC/DC converter and/or the at least one second energy storage device have a Control unit which determines a load level for the energy supply in the second voltage level and, at a predetermined load level, disconnects the non-safety-relevant consumers from the second voltage level by directly controlling the switching element.
  • a Control unit which determines a load level for the energy supply in the second voltage level and, at a predetermined load level, disconnects the non-safety-relevant consumers from the second voltage level by directly controlling the switching element.
  • the invention is explained in more detail below using a preferred embodiment.
  • the single figure shows a schematic block diagram of an electrical power network.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of an electrical energy network 1 in a motor vehicle.
  • the electrical energy network 1 has a first voltage level and at least one second voltage level, with at least one first energy storage device 2 being arranged in the first voltage level and being connected to the second voltage level via a DC/DC converter 3.
  • the voltage U1 of the first voltage level is greater than the voltage U2 of the second voltage level.
  • the first energy storage device 2 is designed, for example, as a high-voltage or traction battery and is connected to an intermediate circuit capacitor 5 and an inverter 6 via switching elements 4.
  • the inverter 6 is connected to an electric machine 7. Additional high-voltage consumers can also be connected in the first voltage level.
  • a pre-charging circuit can also be connected in parallel to a switching element 4.
  • the first energy storage device 2 is assigned a battery management control unit 8 which, for example, records and evaluates voltage, current and temperature values of battery cells of the first energy storage device 2.
  • the battery management control unit 8 also controls the switching elements 4.
  • the battery management control unit 8 is connected to a higher-level control unit 10 via a bus system 9 (e.g. CAN bus).
  • Safety-relevant consumers 11, non-safety-relevant consumers 12, a second energy store 13 in the form of an on-board network battery and a further second energy store 14 in the form of a capacitor are arranged in the second voltage level. For reasons of clarity, only one consumer 11, 12 is shown at a time.
  • the non-safety-relevant consumers 12 can be separated from the second voltage level via a switching element 15.
  • the second energy store 13 is also assigned a battery management control unit 16, which is also connected to the bus system 9.
  • the DC/DC converter 3 has a control unit 17.
  • the control unit 17 is connected on the one hand to the bus system 9 and on the other hand directly to the switching element 15 via a control line 18.
  • the DC/DC converter 3 is designed as a bidirectional DC/DC converter 3.
  • the DC/DC Converter 3 is operated as a boost converter in order to pre-charge the intermediate circuit capacitor 5 before the switching elements 4 are closed, so that a pre-charging circuit parallel to the switching elements 4 is not necessary. If, however, such a pre-charging circuit is present, the DC/DC converter 3 can also be designed as a unidirectional buck converter.
  • the DC/DC converter 3 works as a buck converter, via which the second energy stores 13, 14 are charged and the second voltage level is supported.
  • the DC/DC converter 3 is a galvanically isolated DC/DC converter in order to prevent overvoltages on the second voltage level.
  • the DC/DC converter 3 is designed to keep the set output voltage at the second voltage level constant, for which purpose it changes a PWM signal using the control unit 17, for example.
  • the pulse on to pulse off ratio indicates a load level for the energy supply of the second voltage level. If the control unit 17 now detects a load level greater than a predetermined threshold value (e.g. a ratio of 9 to 1), the switching element 15 is directly controlled.
  • a predetermined threshold value e.g. a ratio of 9 to 1
  • the power requirement is reduced accordingly and thus the energy reserve through the DC/DC converter 3 is increased. If the energy requirement of the second voltage level then drops, the load level falls below a further threshold value (e.g. ratio 6 to 4), the non-safety-relevant consumers 12 can be switched on again by closing the switching element 15.
  • a further threshold value e.g. ratio 6 to 4
  • the battery management control unit 16 can also be used as a local control unit for the switching element 15.
  • a control unit can also be assigned to the capacitor as a further second energy storage device 14, which evaluates the voltage on the capacitor and directly controls the switching element 15.
  • the advantage of the local direct shutdown by the control unit 17 is that the shutdown of the non-safety-relevant consumers 12 takes place more quickly than via the higher-level control unit 10.
  • the higher-level control unit 10 can transmit a shutdown command or an expected energy requirement to the control unit 17 if a greater energy requirement is expected in the second voltage level (for example due to an energy-intensive driving maneuver), which can be used in particular in fully automated motor vehicles.
  • the control unit 17 can then either control the switching element 15 directly or adjust control parameters (e.g. increase the output voltage).
  • a second DC/DC converter 3 is connected to a further second voltage level.
  • the safety-relevant consumers 11 and the non-safety-relevant consumers 12 can be divided into two second voltage levels, which further increases the reliability.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energienetz (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Energienetz (1) eine erste Spannungsebene und mindestens eine zweite Spannungsebene aufweist, wobei in der ersten Spannungsebene mindestens ein erster Energiespeicher (2) angeordnet ist, der über einen DC/DC-Wandler (3) mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist, wobei die Spannung (U1) der ersten Spannungsebene größer als die Spannung (U2) der zweiten Spannungsebene ist, wobei in der zweiten Spannungsebene sicherheitsrelevante Verbraucher (11), nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher (12) und mindestens ein zweiter Energiespeicher (13, 14) angeordnet sind, wobei den nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern (12) mindestens ein Schaltelement (15) zugeordnet ist, mittels dessen die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher (12) von der zweiten Spannungsebene getrennt werden können, wobei der DC/DC-Wandler (3) und/oder der mindestens eine zweite Energiespeicher (13, 14) eine Steuereinheit (17) aufweisen, die derart ausgebildet ist, einen Belastungsgrad für die Energieversorgung in der zweiten Spannungsebene zu ermitteln, wobei die Steuereinheit (17) weiter derart ausgebildet ist, bei einem vorgegebenen Belastungsgrad durch direktes Ansteuern des mindestens einen Schaltelements (15) die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher (12) von der zweiten Spannungsebene zu trennen, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energienetzes (1).

Description

Beschreibung
Elektrisches Energienetz in einem Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energienetzes
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energienetz in einem Kraftfahrzeug, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energienetzes.
Aus der DE 102021 208 051 A1 ist ein elektrisches Energienetz in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei das elektrische Energienetz eine erste Spannungsebene und mindestes eine zweite Spannungsebene aufweist, wobei in der ersten Spannungsebene mindestens ein erster Energiespeicher angeordnet ist, der über einen DC/DC-Wandler mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist, wobei die Spannung der ersten Spannungsebene größer als die Spannung der zweiten Spannungsebene ist. Der erste Energiespeicher ist beispielsweise eine Hochvoltbatterie und weist eine Nennspannung von 400 V auf. In der zweiten Spannungsebene ist ein zweiter Energiespeicher angeordnet, der beispielsweise eine Nennspannung von 12 V aufweist. In der zweiten Spannungsebene sind Bordnetzverbraucher angeordnet. Dabei weist das Energienetz eine Vorrichtung zur Steuerung des Energieverbrauchs auf, mit einer Steuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen Ladezustand einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs zu ermitteln, einen Energiebedarf zum Erreichen einer vorbestimmten Ladestation zu berechnen und einen maximalen Ruhestrom in dem elektrischen Energienetz unter Verwendung des ermittelten Ladezustands und des berechneten Energiebedarfs zum Erreichen der vorbestimmten Ladestation einzustellen. Hierzu ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen oder mehrere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs vollständig zu deaktivieren und/oder Funktionen von einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern des Fahrzeugs zu deaktivieren.
Weiter ist es bekannt, elektrische Verbraucher in einem Bordnetz in sicherheitsrelevante und nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher einzuteilen, wobei die sicherheitsrelevanten Verbraucher auch noch hinsichtlich ihrer Relevanz abgestuft sein können (ASIL A-D). Die nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher werden auch als Komfort-Verbraucher bezeichnet, die für die Fahrzeugführung nicht benötigt werden. Dabei ist es weiter bekannt, dass im Falle eines kritischen Bordnetzzustandes die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher abgeschaltet werden bzw. zunächst in der Leistungsaufnahme reduziert werden. Die hierzu notwendigen Steuerbefehle werden dabei von einem übergeordneten Steuergerät erzeugt, das dann die Steuerbefehle über ein Bussystem an die Verbraucher überträgt.
Aus der DE 102019 109 722 A1 ist ein elektrisches Energienetz in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei das elektrische Energienetz eine erste Spannungsebene und mindestens eine zweite Spannungsebene aufweist. In der ersten Spannungsebene ist mindestens ein erster Energiespeicher angeordnet, der über einen DC/DC-Wandler mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist.- Dabei ist die Spannung der ersten Spannungsebene größer als die Spannung in der zweiten Spannungsebene. In der zweiten Spannungsebene sind sicherheitsrelevante Verbraucher, nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher und mindestens ein zweiter Energiespeicher angeordnet. Dabei ist den nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern ein Schaltelement zugeordnet, wobei im Fehlerfall in einem Teil mit den nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern diese abgeschaltet werden, um Rückwirkungen auf die sicherheitsrelevanten Verbraucher zu verhindern.
Aus der EP 3 146 605 B1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei das Bordnetz wenigstens eine elektrische Energiequelle und Verbraucher aufweist, wobei ein Teil der Verbraucher einer Sicherheitsgruppe von sicherheitsrelevanten Verbrauchern angehören, deren Betrieb auch bei starker Belastung des Bordnetzes sichergestellt sein soll, wobei für wenigstens einen Teil der Verbraucher jeweils wenigstens ein Spannungsschwellwert vorgegeben wird. Dabei wird durch jeden Verbraucher selbst überwacht, ob die Bordnetzspannung den Spannungsschwellwert unterschreitet. Bei durch die Bordnetzspannung unterschrittenem Spannungsschwellwert wird die Leistungsaufnahme des jeweiligen Verbrauchers durch den Verbraucher selbst reduziert. Dabei werden die zeitlich veränderlichen Spannungsschwellwerte durch ein zentrales Steuergerät in Abhängigkeit eines Betriebszustandes des Kraftfahrzeugs gewählt und an die Verbraucher vorgegeben.
Aus der DE 102021 206 358 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes bekannt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein elektrisches Energienetz in einem Kraftfahrzeug hinsichtlich der Betriebssicherheit weiter zu verbessern, ein solches Kraftfahrzeug zu schaffen und ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energienetzes zur Verfügung zu stellen. Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein elektrisches Energienetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das elektrische Energienetz in einem Kraftfahrzeug weist eine erste Spannungsebene und mindestens eine zweite Spannungsebene auf, wobei in der ersten Spannungsebene mindestens ein erster Energiespeicher angeordnet ist, der über einen DC/DC-Wandler mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist, wobei die Spannung der ersten Spannungsebene größer als die Spannung in der zweiten Spannungsebene ist. In der zweiten Spannungsebene sind sicherheitsrelevante Verbraucher, nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher und mindestens ein zweiter Energiespeicher angeordnet, wobei den nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern ein Schaltelement zugeordnet ist, mittels dessen die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher von der zweiten Spannungsebene getrennt werden können. Der DC/DC-Wandler und/oder der mindestens eine zweite Energiespeicher weisen eine Steuereinheit auf, die derart ausgebildet ist, einen Belastungsgrad für die Energieversorgung in der zweiten Spannungsebene zu ermitteln, wobei die Steuereinheit weiter derart ausgebildet ist, bei einem vorgegebenen Belastungsgrad durch direktes Ansteuern des Schaltelements die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher von der zweiten Spannungsebene zu trennen. Hierdurch reagiert das elektrische Energienetz etwas schneller auf einen eventuell entstehenden kritischen Bordnetzzustand, sodass Spannungseinbrüche besser vermieden werden können. Vorzugsweise ist der erste Energiespeicher eine Hochvoltbatterie, die beispielsweise eine Nennspannung von 380 V bis 800 V aufweist. Der zweite Energiespeicher ist beispielsweise eine 12 V-Batterie oder ein Kondensator.
Weiter ist die Steuereinheit über eine Steuerleitung direkt mit dem Schaltelement verbunden. Alternativ ist die Steuereinheit über eine Luftschnittstelle mit dem Schaltelement verbunden. Die Luftschnittstelle kann dabei beispielsweise eine Funkschnittstelle oder eine optische Luftschnittstelle sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet, bei einem weiteren vorgegebenen Belastungsgrad die abgeschalteten nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher wieder zuzuschalten. Dieser Belastungsgrad ist kleiner als der Belastungsgrad beim Abschalten. In einer weiteren Ausführungsform ist das Schaltelement als Relais oder als Halbleiterschalter ausgebildet. Das Schaltelement kann aber auch als Pyro-Fuse ausgebildet sein, wobei dann aber die Trennung irreversibel ist, sodass ein Wiederzuschalten nicht möglich ist. Der Halbleiterschalter kann dabei zusätzlich als elektrische Sicherung ausgebildet sein, d.h. der Halbleiterschalter überwacht den durch ihn fließenden Strom und sperrt bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes. Hierdurch können zwei Funktionalitäten in den Halbleiterschalter implementiert werden. Solche Halbleiterschalter werden auch als eFuse bezeichnet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit mit einem übergeordneten Steuergerät datentechnisch verbunden, wobei das übergeordnete Steuergerät derart ausgebildet ist, einen zukünftigen Energiebedarf zu schätzen und an die Steuereinheit zu übermitteln, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit der empfangenen Botschaft des übergeordneten Steuergeräts das Schaltelement anzusteuern und/oder Steuerparameter zu ändern. So kann beispielsweise das übergeordnete Steuergerät einen bevorstehenden Crash oder ein energieintensives Fahrmanöver schätzen, sodass die Abschaltung der nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher vorausschauend erfolgt. Insbesondere bei voll-automatisiert fahrenden Fahrzeugen kann dies zur Anwendung kommen.
In einer weiteren Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler bidirektional ausgebildet, sodass der DC/DC-Wandler auch zum Vorladen eines Zwischenkreiskondensators in der ersten Spannungsebene verwendet werden kann.
Das Kraftfahrzeug weist mindestens ein elektrisches Energienetz wie zuvor beschrieben auf.
Weiter wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energienetzes in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei das elektrische Energienetz eine erste Spannungsebene und mindestens eine zweite Spannungsebene aufweist. In der ersten Spannungsebene ist mindestens ein erster Energiespeicher angeordnet, der über einen DC/DC-Wandler mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist. Dabei ist die Spannung der ersten Spannungsebene größer als die Spannung in der zweiten Spannungsebene, wobei in der zweiten Spannungsebene sicherheitsrelevante Verbraucher, nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher und mindestens ein zweiter Energiespeicher angeordnet sind. Dabei ist den nichtsicherheitsrelevanten Verbrauchern ein Schaltelement zugeordnet, mittels dessen die nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher von der zweiten Spannungsebene getrennt werden können.
Der DC/DC-Wandler und/oder der mindestens eine zweite Energiespeicher weisen eine Steuereinheit auf, die einen Belastungsgrad für die Energieversorgung in der zweiten Spannungsebene ermitteln und bei einem vorgegebenen Belastungsgrad durch direktes Ansteuern des Schaltelements die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher von der zweiten Spannungsebene trennen. Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen wird vollinhaltlich auf die Ausführungen zum elektrischen Energienetz Bezug genommen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Energienetzes.
In der Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines elektrischen Energienetzes 1 in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Das elektrische Energienetz 1 weist eine erste Spannungsebene und mindestens eine zweite Spannungsebene auf, wobei in der ersten Spannungsebene mindestens ein erster Energiespeicher 2 angeordnet ist, der über einen DC/DC- Wandler 3 mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist. Dabei ist die Spannung U1 der ersten Spannungsebene größer als die Spannung U2 der zweiten Spannungsebene. Der erste Energiespeicher 2 ist beispielsweise als Hochvolt- bzw. Traktionsbatterie ausgebildet und über Schaltelemente 4 mit einem Zwischenkreiskondensator 5 und einem Wechselrichter 6 verbunden. Der Wechselrichter 6 ist mit einer Elektromaschine 7 verbunden. In der ersten Spannungsebene können noch weitere Hochvoltverbraucher angeschlossen sein. Auch kann zusätzlich eine Vorladeschaltung parallel zu einem Schaltelement 4 geschaltet sein. Weiter ist dem ersten Energiespeicher 2 ein Batteriemanagement-Steuergerät 8 zugeordnet, das beispielsweise Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte von Batteriezellen des ersten Energiespeichers 2 erfasst und auswertet. Des Weiteren steuert das Batteriemanagement- Steuergerät 8 die Schaltelemente 4 an. Das Batteriemanagement-Steuergerät 8 ist über ein Bussystem 9 (z.B. CAN-Bus) mit einem übergeordneten Steuergerät 10 verbunden. In der zweiten Spannungsebene sind sicherheitsrelevante Verbraucher 11 , nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher 12, ein zweiter Energiespeicher 13 in Form einer Bordnetzbatterie und ein weiterer zweiter Energiespeicher 14 in Form eines Kondensators angeordnet. Aus Übersichtsgründen ist jeweils nur ein Verbraucher 11 , 12 dargestellt. Über ein Schaltelement 15 sind die nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher 12 von der zweiten Spannungsebene trennbar. Dabei ist dem zweiten Energiespeicher 13 ebenfalls ein Batteriemanagement-Steuergerät 16 zugeordnet, das ebenfalls mit Bussystem 9 verbunden ist. Der DC/DC-Wandler 3 weist eine Steuereinheit 17 auf. Die Steuereinheit 17 ist dabei einerseits mit dem Bussystem 9 verbunden und andererseits direkt mit dem Schaltelement 15 über eine Steuerleitung 18 verbunden. Der DC/DC-Wandler 3 ist als bidirektionaler DC/DC-Wandler 3 ausgebildet. Dabei wird der DC/DC- Wandler 3 als Hochsetzsteller betrieben, um vor dem Schließen der Schaltelemente 4 den Zwischenkreiskondensator 5 vorzuladen, sodass auf eine Vorladeschaltung parallel zu den Schaltelementen 4 verzichtet werden kann. Ist eine solche Vorladeschaltung hingegen vorhanden, kann der DC/DC-Wandler 3 auch als uni-direktionaler Tiefsetzsteller ausgebildet sein. Im normalen Betrieb (Schaltelement 4 geschlossen) arbeitet der DC/DC-Wandler 3 als Tiefsetzsteller, über den die zweiten Energiespeicher 13, 14 geladen werden und die zweite Spannungsebene gestützt wird. Der DC/DC-Wandler 3 ist dabei ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler, um Überspannungen auf der zweiten Spannungsebene zu verhindern. Der DC/DC-Wandler 3 ist derart ausgebildet, die eingestellte Ausgangsspannung an der zweiten Spannungsebene konstant zu halten, wozu dieser mittels der Steuereinheit 17 beispielsweise ein PWM-Signal verändert. Das Pulsein- zu Pulsausverhältnis gibt dabei einen Belastungsgrad für die Energieversorgung der zweiten Spannungsebene an. Erfasst nun die Steuereinheit 17 einen Belastungsgrad größer einem vorgegebenen Schwellwert (z.B. ein Verhältnis von 9 zu 1), so wird das Schaltelement 15 direkt angesteuert. Durch das Abtrennen der nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher 12 wird der Leistungsbedarf entsprechend reduziert und somit die Energiereserve durch den DC/DC-Wandler 3 erhöht. Sinkt dann der Energiebedarf der zweiten Spannungsebene, fällt der Belastungsgrad unter einen weiteren Schwellwert (z.B. Verhältnis 6 zu 4), so können die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher 12 durch Schließen des Schaltelements 15 wieder zugeschaltet werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch das Batteriemanagement-Steuergerät 16 als lokale Steuereinheit für das Schaltelement 15 verwendet werden. Auch kann dem Kondensator als weiterer zweiter Energiespeicher 14 eine Steuereinheit zugeordnet werden, die die Spannung am Kondensator auswertet und das Schaltelement 15 direkt ansteuert. Der Vorteil der lokalen direkten Abschaltung durch die Steuereinheit 17 ist, dass dadurch die Abschaltung der nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher 12 schneller als über das übergeordnete Steuergerät 10 erfolgt.
Ergänzend kann aber das übergeordnete Steuergerät 10 einen Abschaltbefehl oder einen erwarteten Energiebedarf an die Steuereinheit 17 übermitteln, wenn ein größerer Energiebedarf in der zweiten Spannungsebene zu erwarten ist (beispielsweise aufgrund eines energieintensiven Fahrmanövers), was insbesondere bei voll-automatisiert fahrenden Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommen kann. Dann kann die Steuereinheit 17 entweder das Schaltelement 15 direkt ansteuern oder aber Steuerparameter anpassen (z.B. die Ausgangsspannung erhöhen). Aus Redundanzgründen kann dabei auch vorgesehen sein, dass ein zweiter DC/DC-Wandler 3 mit einer weiteren zweiten Spannungsebene verbunden ist. In diesem Fall können die sicherheitsrelevanten Verbraucher 11 und die nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher 12 auf zwei zweite Spannungsebenen aufgeteilt werden, was die Ausfallsicherheit weiter erhöht.
Bezugszeichenliste elektrisches Energienetz erster Energiespeicher
DC/DC-Wandler
Schaltelement
Zwischenkreiskondensator
Wechselrichter
Elektromaschine
Batteriemanagement-Steuergerät
Bussystem
Steuergerät sicherheitsrelevanter Verbraucher nicht-sicherheitsrelevanter Verbraucher zweiter Energiespeicher zweiter Energiespeicher
Schaltelement
Batteriemanagement-Steuergerät
Steuereinheit
Steuerleitung

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Energienetz (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Energienetz (1) eine erste Spannungsebene und mindestens eine zweite Spannungsebene aufweist, wobei in der ersten Spannungsebene mindestens ein erster Energiespeicher (2) angeordnet ist, der über einen DC/DC-Wandler (3) mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist, wobei die Spannung (U1) der ersten Spannungsebene größer als die Spannung (U2) der zweiten Spannungsebene ist, wobei in der zweiten Spannungsebene sicherheitsrelevante Verbraucher (11), nicht-sicherheitsrelevante Verbraucher (12) und mindestens ein zweiter Energiespeicher (13, 14) angeordnet sind, wobei den nichtsicherheitsrelevanten Verbrauchern (12) ein gemeinsames Schaltelement (15) zugeordnet ist, mittels dessen die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher (12) von der zweiten Spannungsebene getrennt werden können, wobei der DC/DC-Wandler (3) und/oder der mindestens eine zweite Energiespeicher (13, 14) eine Steuereinheit (17) aufweisen, die derart ausgebildet ist, einen Belastungsgrad für die Energieversorgung in der zweiten Spannungsebene zu ermitteln, wobei die Steuereinheit (17) weiter derart ausgebildet ist, bei einem vorgegebenen Belastungsgrad durch direktes Ansteuern des Schaltelements (15) die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher (12) von der zweiten Spannungsebene zu trennen, wobei die Steuereinheit (17) über eine Steuerleitung (18) direkt mit dem Schaltelement (15) verbunden ist oder die Steuereinheit (17) über eine Luftschnittstelle mit dem Schaltelement (15) verbunden ist.
2. Elektrisches Energienetz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (17) derart ausgebildet ist, bei einem weiteren vorgegebenen Belastungsgrad die abgeschalteten nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher (12) wieder zuzuschalten.
3. Elektrisches Energienetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schaltelement (15) als Relais oder Halbleiterschalter ausgebildet ist.
4. Elektrisches Energienetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (17) mit einem übergeordneten Steuergerät (10) datentechnisch verbunden ist, wobei das übergeordnete Steuergerät (10) derart ausgebildet ist, einen zukünftigen Energiebedarf zu schätzen und an die Steuereinheit (17) zu übermitteln, wobei die Steuereinheit (17) weiter derart ausgebildet ist, in Abhängigkeit der empfangenen Botschaft des übergeordneten Steuergeräts (10) das Schaltelement (15) anzusteuern und/oder Steuerparameter zu ändern.
5. Elektrisches Energienetz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (3) als bidirektionaler DC/DC- Wandler (3) ausgebildet ist.
6. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug ein elektrisches Energienetz (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
7. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energienetzes (1) in einem Kraftfahrzeug, wobei das elektrische Energienetz (1) eine erste Spannungsebene und mindestens eine zweite Spannungsebene aufweist, wobei in der ersten Spannungsebene mindestens ein erster Energiespeicher (2) angeordnet ist, der über einen DC/DC-Wandler (3) mit der zweiten Spannungsebene verbunden ist, wobei die Spannung (U1) der ersten Spannungsebene größer als die Spannung (U2) der zweiten Spannungsebene ist, wobei in der zweiten Spannungsebene sicherheitsrelevante Verbraucher (11), nichtsicherheitsrelevante Verbraucher (12) und mindestes ein zweiter Energiespeicher (13, 14) angeordnet sind, wobei den nicht-sicherheitsrelevanten Verbrauchern (12) ein gemeinsames Schaltelement (15) zugeordnet ist, mittels dessen die nichtsicherheitsrelevanten Verbraucher (12) von der zweiten Spannungsebene getrennt werden können, wobei der DC/DC-Wandler (3) und/oder der mindestens eine zweite Energiespeicher (13, 14) eine Steuereinheit (17) aufweisen, die einen Belastungsgrad für die Energieversorgung in der zweiten Spannungsebene ermitteln und bei einem vorgegebenen Belastungsgrad durch direktes Ansteuern des mindestens einen Schaltelements (15) die nicht-sicherheitsrelevanten Verbraucher (12) von der zweiten Spannungsebene trennt, wobei die Steuereinheit (17) über eine Steuerleitung (18) direkt mit dem Schaltelement (15) verbunden ist oder über eine Luftschnittstelle mit dem Schaltelement (15) verbunden ist.
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