Fahrzeugbordnetz

Fahrzeuge mit Elektroantrieb weisen einen Akkumulator auf, der bei Plug-In-Fahrzeugen mittels eines Ladeanschlusses von außen geladen werden kann. Ferner bestehen innerhalb des Fahrzeugs Komponenten mit einer Nennspannung von beispielsweise 800 Volt (etwa der Hochvolt-Akkumulator), während abhängig von der Ladestation am Ladeeingang abweichende Spannung von 400 Volt vorgesehen sein kann. Es bestehen daher mehrere Abschnitte innerhalb des Bordnetzes, die verschiedene Nennspannungen haben, jedoch direkt oder indirekt mit dem Akkumulator verbunden sind.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich ein Fahrzeugbordnetz derart gestalten lässt, dass zum Einen verschiedene Nennspannungen innerhalb des Fahrzeugbordnetzes möglich sind und zum anderen trotz der verschiedenen Nennspannungen in Abschnitten des Fahrzeugbordnetzes das Fahrzeug sicher vor zu hohen Berührspannungen geladen und gefahren werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Fahrzeugbordnetz nach Anspruch 1 .

Weitere Ausführungsformen, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Figur.

Es wird ein Fahrzeugbordnetz mit einem Gleichspannungsladeanschluss, einem Akkumulator, einem Gleichspannungswandler und einem elektrischen Antrieb vorgeschlagen. Der Gleichspannungswandler weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, wobei die erste Seite über eine erste Schalteinrichtung mit einem Verbindungspunkt verbunden ist. Eine zweite Seite des Gleichspannungswandlers ist mit dem elektrischen Antrieb verbunden und ist ferner über eine zweite Schalteinrichtung mit dem Verbindungspunkt verbunden. Der Verbindungspunkt dient zur Ankopplung des Akkumulators. Der Akkumulator ist mit dem Verbindungspunkt verbunden (insbesondere über eine Trenneinrichtung und/oder über eine Sicherung). Der Gleichspannungsladeanschluss ist mit einer Seite der Schalteinrichtung verbunden, wobei diese Seite an die erste Seite des Gleichspannungswandlers angeschlossen ist. Somit ist der Gleichspannungsladeanschluss mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden und insbesondere (bezogen auf diesen) diesseits der Schalteinrichtung. Mit anderen Worten ist der Gleichspannungsladeanschluss über die erste Schalteinrichtung mit dem Verbindungspunkt und somit mit dem Akkumulator verbunden. Ausgehend vom Akkumulator ergeben sich somit zwei verschiedene Pfade, die durch den Verbindungspunkt zusammengeführt werden, wobei die verschiedenen Pfade zu den verschiedenen Seiten des Gleichspannungswandlers führen. In jedem Pfad ist eine der beiden Schalteinrichtungen vorgesehen.

Dadurch kann der Gleichspannungsladeanschluss von dem Akkumulator mittels der Schalteinrichtung getrennt werden. Auch der elektrische Antrieb kann mittels einer Schalteinrichtung (nämlich der zweiten Schalteinrichtung) von dem Akkumulator getrennt werden. Sowohl für das Fahren als auch für das Laden ergeben sich somit Möglichkeiten der Abtrennung des Akkumulators, um so hohe Berührspannungen vermeiden zu können. Insbesondere erlaubt die Vorgehensweise, dass eine hohe in dem elektrischen Antrieb gespeicherte Spannung (etwa die Spannung des Zwischenkreises) mittels der Schalteinrichtungen isoliert werden kann, um so hohe Berührspannungen vermeiden zu können.

Die erste Schalteinrichtung ist zweipolig und umfasst für das eine Potential des Fahrzeugbordnetzes eine Diodeneinrichtung und für das andere Potential des Fahrzeugbordnetzes ein Schaltelement. Sowohl die Diodenvorrichtung als auch das Schaltelement sind in Reihe geschaltet und ermöglichen eine Unterbrechung des Stromflusses. Das Schaltelement ist insbesondere ein elektromechanisches Schaltelement oder auch ein Halbleiterschalter. Die erste Schaltrichtung verbindet zwei Potentiale der ersten Seite des Gleichspannungswandlers mit zwei Potentialen des Verbindungspunkts. Die beiden Potentiale sind beispielsweise ein Minuspotential und ein Pluspotential oder ein Pluspotential und ein Massepotential. Die Schalteinrichtung sieht für eines der Potentiale ein Schaltelement vor. Für das andere Potential sieht die Schalteinrichtung eine Diodenvorrichtung vor. Diese sind wie erwähnt in Reihe geschaltet. Die Durchlassrichtung der Diodenvorrichtung entspricht vorzugsweise der Stromflussrichtung eines Ladestroms, mittels dem elektrische Energie von dem Gleichspannungsladeanschluss an den Akkumulator geführt wird. Befindet sich die Diodenvorrichtung in dem Pluspotential, dann führt die Durchlassrichtung ausgehend von dem Gleichspannungsladeanschluss zu dem Verbindungspunkt bzw. dem Akkumulator. Befindet sich die Diodenvorrichtung in dem negativen Potential oder dem Massepotential, dann weist die Durchlassrichtung vom Verbindungspunkt bzw. vom Akkumulator weg und zum Gleichspannungsladeanschluss hin. Die Potentiale sind jeweils Gleichspannungspotentiale. Zwischen den Potentialen liegt eine Gleichspannung an. Insbesondere entspricht jedes Potential jeweils einer (Gleichspannungs-)Stromschiene, die auch als DC-Stromschiene oder Gleichspannungsleiter bezeichnet werden kann. Die Potentiale sind insbesonderre Gleichspannungspotentiale. Zwischen den Potentialen liegt eine Versorgungsspannung an, insbesondere eine Hochvolts-Versorgungsspannung. Die Potentiale sind insbesondere Hochvoltpotentiale.

Die Diodenvorrichtung ist vorzugsweise eine Leistungs-Diodenvorrichtung. Die Diodenvorrichtung weist die Funktion der Diode auf, muss jedoch nicht notwendigerweise durch eine einzige Diode realisiert sein, sondern kann weitere Dioden aufweisen oder kann andere Bauelemente aufweisen, die die Diodenfunktion realisieren.

Die Diodenvorrichtung verbindet vorzugsweise ein positives Potential der ersten Seite des Gleichspannungswandlers mit einem Potential des Verbindungspunkts (bzw. des Akkumulators). Die Durchlassrichtung der Diodenvorrichtung weist von der ersten Seite des Gleichspannungswandlers zu dem Verbindungspunkt hin. Alternativ verbindet die Diodenvorrichtung ein negatives Potential der ersten Seite des Gleichspannungswandlers mit einem negativen Potential des Verbindungspunkts (oder des Akkumulators). Hierbei weist die Durchlassrichtung der Diodenvorrichtung von dem Verbindungspunkt (bzw. von dem Akkumulator) zu der ersten Seite des Gleichspannungswandlers.

Die Diodenvorrichtung ist vorzugsweise eine Halbleitervorrichtung. Die Diodenvorrichtung kann einer Diode entsprechen. Ferner kann die Diodenvorrichtung mindestens eine Diode aufweisen. Weist die Diodenvorrichtung mehrere Dioden auf, so können diese parallel oder seriell miteinander verbunden sein, weisen jedoch vorzugsweise alle dieselbe Durchlassrichtung auf. Die Diode der Diodenvorrichtung ist in Reihe geschaltet. Alternativ weist die Diodenvorrichtung einen Transistor oder ein anderes Halbleiterelement auf, wobei der Transistor bzw. das Halbleiterelement durch seine Verschaltung derart angesteuert wird, dass diese die Funktion einer Diode ausführt. Dies betrifft insbesondere Bauelemente, die durch äußere Schaltsignale gesteuert werden können, wobei diese durch entsprechende Ansteuerung und/oder Verschaltung die Funktion einer Diode realisieren. Auch diese werden als eine Diodenvorrichtung betrachtet. Die zweite Schalteinrichtung verbindet zwei Potentiale der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers mit zwei Potentialen des Verbindungspunkts. Hierbei verbindet die Schalteinrichtung mittels einer ersten schaltbaren Verbindung ein erstes Potential der zweiten Seite mit einem ersten Potential des Verbindungspunkts und mittels einer zweiten schaltbaren Verbindung das zweite Potential der zweiten Seite mit dem zweiten Potential des Verbindungspunkts. Die zweite Schalteinrichtung verbindet somit die Potentiale jeweils einzeln. Die Schalteinrichtung weist für jedes Potential ein Schaltelement auf. Das Schaltelement kann als elektromechanisches Schaltelement ausgebildet sein oder als Halbleiterschaltelement, etwa als Transistor. Insbesondere werden die beiden Schaltelemente von den Kontakten eines Doppelrelais gebildet.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Verbindungspunkt über eine Pyrofuse-Sicherung mit dem Akkumulator verbunden ist. Eine Pyrofuse-Sicherung ist eine elektrische Verbindung, die mittels eines Sprengmittels geöffnet werden kann. Das Sprengmittel wird von einem elektrischen Zünder ausgelöst. Beim Auslösen trennt das Sprengmittel eine elektrische Verbindung in mechanischer Weise. Die Pyrofuse-Sicherung ist vorzugsweise in demselben Potential in Reihe geschaltet, in der sich auch die Diodenvorrichtung befindet.

Es kann eine Steuerung im Sinne einer Steuervorrichtung vorgesehen sein, die eingerichtet ist, die Schalteinrichtungen gemäß einem offenen Zustand anzusteuern bzw. diese zu öffnen. Die Steuerung ist ferner eingerichtet, die Pyrofuse-Sicherung nur dann auszulösen, wenn zumindest eine der Schalteinrichtungen trotz entsprechender Ansteuerung nicht öffnet bzw. wenn trotz entsprechender Ansteuerung noch ein hohes Potential bzw. eine hohe Spannung festgestellt wird. Hierzu ist die Steuerung ansteuernd mit den Schalteinrichtungen und der Pyrofuse-Sicherung verbunden. Insbesondere ist die Steuerung eingerichtet, zunächst die Schalteinrichtungen zu betätigen, und dann, nach Überprüfung der Wirkung des Öffnens der Schalteinrichtungen, die Pyrofuse-Sicherung dann auszulösen, wenn trotz Öffnens ein hohes Potential (auf einer dem Akkumulator abgewandten Seite der Pyrofuse-Sicherung) feststellbar ist.

Der Verbindungspunkt kann über eine Freischalteinrichtung mit dem Akkumulator verbunden sein. Die Freischalteinrichtung kann beispielsweise bei der Wartung dazu dienen, die Abschnitte des Fahrzeugbordnetzes spannungsfrei zu schalten. Die Freischalteinrichtung ist in demselben Potential in Reihe geschaltet, in dem sich auch die Diodenvorrichtung befindet. Insbesondere befindet sich die Freischalteinrichtung in demselben Potential (bzw. in der selben Stromschiene) wie die Pyrofuse-Sicherung. Die Freischalteinrichtung kann zwischen der Pyrofuse-Sicherung und dem Akkumulator vorliegen. Ferner kann die Pyrofuse-Sicherung zwischen der Freischalteinrichtung und dem Akkumulator vorliegen. Sowohl die Pyrofuse-Sicherung als auch die Freischalteinrichtung sind, falls vorhanden, vorzugsweise nur in einem der beiden Potentiale vorgesehen, (insbesondere in dem Potential, in dem sich auch die Diodenvorrichtung befindet), während das andere Potential durch eine direkte Verbindung zwischen Verbindungspunkt und Akkumulator übertragen wird.

Die Freischalteinrichtung kann einen Leistungsschalter mit Trennfunktion, ein Leistungsschutzschalter, eine Schmelzsicherung, ein Lasttrennschalter, ein Fehlerstromschalter oder eine Steckvorrichtung sein. Vorzugsweise ist die Freischalteinrichtung eine abnehmbare Steckbrücke. Wird diese abgezogen von einer Halterung, dann sind zwei Kontakte voneinander getrennt, während bei aufgesteckter Steckbrücke die beiden Kontakte von der Steckbrücke miteinander verbunden werden.

Die zweite Schalteinrichtung ist vorzugsweise als Doppelrelais ausgebildet.

Es kann ferner ein Wechselspannungsladeanschluss vorgesehen sein, der über einen Gleichrichter mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Es kann eine weitere Schaltvorrichtung vorgesehen sein, die zwischen der ersten Seite des Gleichspannungswandlers und der ersten Schalteinrichtung vorgesehen ist. Der Gleichspannungsladeanschluss kann direkt mit der ersten Schalteinrichtung verbunden sein, oder kann über die weitere Schalteinrichtung mit der ersten Schalteinrichtung verbunden sein. Der Gleichspannungsladeanschluss kann direkt mit der ersten Schalteinrichtung verbunden sein und/oder kann direkt mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden sein.

Es kann ein weiterer Gleichspannungswandler (im Weiteren: Zusatzwandler) vorgesehen sein. Dieser kann eine erste Seite aufweisen, die mit der ersten Seite des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Eine zweite Seite des Zusatzwandlers kann mit einem Niedervoltbordnetz verbunden sein, etwa einem Bordnetzabschnitt, der eine Endspannung von ca. 12, 13, 14, 24 oder 48 Volt aufweist. Es können weitere elektrische Komponenten vorgesehen sein, die an die zweite Seite des Gleichspannungswandlers angeschlossen sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Heizeinrichtung handeln, insbesondere eine elektrische Heizeinrichtung eines Katalysators, oder um eine Klimatisierungsvorrichtung wie beispielsweise ein elektrischer Klimakompressor oder ein elektrisches Innenraum-Heizelement. Zwischen der zweiten Seite des

Gleichspannungswandlers und dem elektrischen Antrieb kann ein weiterer Schalter vorgesehen sein. Die weiteren Komponenten können direkt mit der zweiten Seite verbunden sein, während der elektrische Antrieb über diesen Schalter mit der zweiten Seite verbunden ist. Dieser Schalter kann als Halbleitersicherung ausgebildet sein, insbesondere als IGBT, zu dem parallel eine Diode geschaltet ist. Die Halbleitersicherung wird im Fehlerfall per Steuersignal geöffnet. Die Durchflussrichtung der Diode weist vorzugsweise von der zweiten Seite des Gleichspannungswandlers zu der zweiten Schalteinrichtung. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Schalter in dem positiven Potential vorgesehen ist; falls dieser im negativen Potential in Reihe geschaltet ist, weist die Diode die umgekehrte Durchflussrichtung auf.

Der Akkumulator und die Freischalteinrichtung, der Akkumulator und die Pyrofuse- Sicherung oder der Akkumulator, die Freischalteinrichtung und die Pyrofuse-Sicherung können in einem Gehäuse vorgesehen sein, während die verbleibenden Komponenten des Fahrzeugbordnetzes in mindestens einem weiteren Gehäuse vorgesehen sind.

Das Fahrzeugbordnetz ist vorzugsweise ein Hochvoltbordnetz mit einer Nennspannung von mindestens 60 Volt, 100 Volt, 200 Volt, 400 Volt oder 800 Volt (zumindest abschnittsweise). Der Akkumulator ist vorzugsweise ein Traktionsakkumulator, insbesondere ein Hochvoltakkumulator. Der Akkumulator kann ein Lithium-Akkumulator sein. Der Akkumulator weist eine Nennspannung von beispielsweise 400 Volt oder 800 Volt auf. Der Gleichrichter zwischen dem Wechselspannungsladeanschluss und der ersten Seite des Gleichspannungswandlers kann ein ungesteuerter Gleichrichter, ein gesteuerter Gleichrichter oder ein Leistungsfaktorkorrekturfilter sein. Zudem kann ein weiterer Spannungswandler zwischen dem Gleichrichter und dem Gleichspannungswandler vorgesehen sein. Ein Filter kann zwischen der ersten Seite des Gleichspannungswandlers und der ersten Schalteinrichtung vorgesehen sein. Die Figur 1 dient zur Erläuterung von Ausführungsformen des hier beschriebenen Fahrzeugbordnetzes.

Die Figur 1 zeigt ein Fahrzeugbordnetz FB mit einem Gleichspannungsladeanschluss GA, einem Akkumulator AK, einem Gleichspannungswandler W1 und einem elektrischen Antrieb, der den Inverter I und die elektrische Maschine M aufweist. Der Akkumulator weist einen Minuspol auf, der direkt mit einem Verbindungspunkt bzw. einem entsprechenden negativen Potential N des Verbindungspunkts VP verbunden ist. Der Pluspol des Akkumulators AK ist über eine Freischalteinrichtung FE und eine Pyrofuse-Sicherung mit einem positiven Potential P des Verbindungspunkts VP verbunden. Von dem Verbindungspunkt VP gehen zwei Pfade ab.

Ein erster Pfad, der von dem Verbindungspunkt VP abgeht, führt ausgehend vom Verbindungspunkt VP über eine erste Schalteinrichtung (umfassend Schalter S1 im negativen Strompfad und die Diode D im positiven Strompfad) sowie über einen Schalter SD (allpolig, d.h. im negativen und im positiven Strompfad) zu einer ersten Seite 1 S des Gleichspannungswandlers W1. Hierbei ist ein Gleichspannungsladeanschluss GA über die Schalteinrichtung DS1 mit dem Verbindungspunkt VP verbunden. Der Schalter SD ist in Reihe mit der ersten Schalteinrichtung geschaltet.

Ein zweiter Pfad, der von dem Verbindungspunkt VP wegführt, führt über die zweite (allpolige) Schalteinrichtung S2, S3 und einen (allpoligen) Zusatzschalter SC zu einer zweiten Seite 2S des Gleichspannungswandlers W1 . An den Gleichspannungswandler W1 werden die Pfade, die von dem Verbindungspunkt VP aus abgehen, zusammengeführt.

Ein optionaler Wechselspannungsladeanschluss WA ist über einen Trennschalter SW mit einem Gleichrichter GR verbunden, welcher wiederum mit der ersten Seite 1 S des Gleichspannungswandlers W1 verbunden ist. Der Gleichspannungswandler GR ist direkt mit der ersten Seite 1S des Gleichspannungswandlers W1 verbunden. Der Zusatzschalter SD verbindet die erste Seite des Gleichspannungswandlers und somit auch die Gleichspannungsseite des Gleichrichters GR zum einen mit der ersten Schalteinrichtung S1 , D und zum anderen mit dem Gleichspannungsladeanschluss GA. Es ist eine alternative Position POS dargestellt, an die in einer alternativen Ausführungsform der Gleichspannungsladeanschluss GA angeschlossen ist. Dieser befindet sich zwischen dem Schalter SD und der ersten Seite 1S des Gleichspannungswandlers W1 . In dem dargestellten Beispiel befindet sich jedoch der

Gleichspannungsladeanschluss GA und der Wechselspannungsladeanschluss WA bzw. dessen Gleichrichter GR auf unterschiedlichen Seiten des Schalters SD.

Die zweite 2S des Gleichspannungswandlers W1 ist direkt mit einer beispielhaft dargestellten Komponente K verbunden. Ein Zusatzschalter SC verbindet diese Komponente und somit auch die zweite Seite 2S des Wandlers W1 mit der zweiten Schaltvorrichtung S2, S3. Der elektrische Antrieb und insbesondere dessen Inverter I ist an die Seite des Zusatzschalters ST angeschlossen, die mit der zweiten Schalteinrichtung S2, S3 verbunden ist. Die Komponente K (beispielsweise eine 800 Volt-Komponente wie eine elektrische Heizung oder ein Klimakompressor, ist auf der Seite des Zusatzschalters SC angeschlossen, die mit der zweiten 2S des Gleichspannungswandlers W1 verbunden ist). Der mit SC bezeichnete Schalter kann die Funktion einer Halbleitersicherung aufweisen, das heißt die Funktion eines auf Halbleiter basierenden Trennschalters, der bei Überstrom öffnet.

Die erste Schaltvorrichtung umfasst den ersten Schalter S1 und die Diode D. Der erste Schalter S1 ist in dem negativen Potential N vorgesehen, während die Diode D in Reihenschaltung in dem positiven Potential vorgesehen ist. Somit verbindet die Diode D das positive Potential des Gleichspannungsanschlusses mit dem positiven Potential des Verbindungspunkts bzw. des Akkumulators. Der erste Schalter S1 verbindet das negative Potential des Gleichspannungsanschlusses GA mit dem negativen Potential des Verbindungspunkts VP bzw. des Akkumulators AK.

Die zweite Schaltvorrichtung umfasst einen zweiten Schalter S2 und einen dritten Schalter S3, wobei der dritte Schalter S2 in dem negativen Potential vorgesehen ist (in Reihenschaltung) und der dritte Schalter im positiven Potential vorgesehen ist. Mit anderen Worten befindet sich der Schalter S1 und der Schalter S2 in der negativen Stromschiene des Fahrzeugbordnetzes. Die Diode D befindet sich in der positiven Stromschiene des Verbindungsbordnetzes. Dies gilt auch für den dritten Schalter S3. Im Gegensatz zu der zweipoligen Schaltereinheit, die von den Schaltern S2, S3 gebildet wird, umfasst die erste Schaltvorrichtung neben dem Schaltelement S1 (erster Schalter) die Diode D, das heißt ein Bauteil mit einer Sperrrichtung und einer Durchlassrichtung, bei der der Stromfluss durch die Richtung des Stroms, nicht jedoch durch ein externes Steuersignal vorgegeben ist. Auf der rechten Seite des dargestellten Fahrzeugbordnetzes sind die beiden Spannungsschienen bzw. Potentiale N, P einzeln dargestellt. Vom Akkumulator aus gesehen jenseits der zweiten Schaltvorrichtung bzw. jenseits des Schalters SD sind der Einfachheit halber nur die grundsätzlichen Verbindungen dargestellt, nicht jedoch die einzelnen Potentiale. Auch wenn somit auf der linken Seite der Figur die Verbindung lediglich durch einen einzelnen Strich dargestellt sind, umfassen die Verbindungen eine positive und eine negative Stromschiene bzw. zwei Potentiale (ein positives und ein negatives Potential P, N).

Eine Steuerung ST ist ansteuernd mit dem Schalter S1 , S2 und S3 verbunden und kann ferner ansteuernd mit den Schaltern SC und SD verbunden sein, ggf. auch mit dem Schalter SW. Diese ansteuernde Verbindung ist mit dem Doppelpfeil symbolisch wiedergegeben. Die Steuerung ST ist ferner ansteuernd mit der Pyrofuse-Sicherung verbunden, um diese ggf. auszulösen. Die Steuerung ST ist eingerichtet, zunächst die Schalter S1 , S2 und S3 und ggf. auch die Schalter SD, SC und SW zu öffnen nur dann die Pyrofuse-Sicherung auszulösen, wenn beispielsweise am Gleichspannungsladeanschluss GA oder am Wechselspannungsladeanschluss WA oder an einer anderen Stelle innerhalb des Fahrzeugbordnetzes eine hohe Spannung zu erfassen ist, obwohl dort gemäß Schalteransteuerung keine hohe Spannung zu erwarten wäre. Die Steuerung öffnet im Fehlerfall die entsprechenden Schalter bzw. Sicherungen.

Das Fahrzeugbordnetz umfasst die Anschlüsse WA und GA zum Laden, wobei diese die Ladeschnittstelle LS bilden. Externe Spannungsquellen WQ und GQ sind eingerichtet, mit diesen Anschlüssen WA, GA verbunden zu werden und können beispielsweise von einer Ladestation als externe Energiequelle vorgesehen werden.