CN114040859A - 具有可用作将电能转化为热的电阻元件的导电车辆部件的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆，优选商用车、旅游客车或城市公交车。电动车辆(1)包括可发电机式运行的电机(2)、用于电能的蓄存器(3)、导电的车辆部件和控制装置(5)。用于电能的蓄存器(3)被设计用来从所述电机(2)吸收电能(4)和/或向所述电机(2)输出电能(4)。控制装置(5)被设计用于，当满足至少一个预定的能量耗散条件时，将在所述电机(2)的发电机式运行中产生的电能(4)导出到所述导电的车辆部件，以转换成热能，其中，所述导电的车辆部件是车架(6)和/或车身(7)和/或车体(8)。

Description

具有可用作将电能转化为热的电阻元件的导电车辆部件的 车辆

技术领域

本发明涉及一种车辆，优选商用车，例如旅游客车或城市公交车。

背景技术

由实践已知电动车辆，其具有可电动地和发电地运行的电机，或者具有由电机和内燃机构成的组合(混合应用)，用于驱动车辆，以及具有用于电能的蓄存器，该蓄存器被设计用来从电机吸收电能和/或向电机输出电能。在此已知的是，为了回收车辆的动能，使得电机发电式地运行。在这里，电机将动能转换为电能，通常用于支持所需的制动过程。回收的电能通常被馈送给用于电能的蓄存器。但如果用于电能的蓄存器达到其容量极限，或存在技术缺陷，则发电式地产生的电能将无法再被吸收，必须以其他方式消散。

由现有技术已知，在蓄能器已满或有故障的情况下，电能通过制动电阻转换为热能。在制动电阻中，通过导电元件会产生规定的短路。在这种情况下产生的热能被转移到冷却介质并带走。为了排出这些热量，目前必须通过额外的冷却回路来冷却制动电阻。这导致额外的成本和能量消耗。

在此背景下，文献DE 102 26 308A1描述了一种用于机动车辆的电动驱动装置，其具有内燃机、可作为电动机/发电机式运行的电机、电蓄能器以及控制与调节装置，该控制与调节装置监控电蓄能器的充电状态，并且识别达到电蓄能器的可预定的充电状态。当达到这种可预定的充电状态时，电动驱动装置与至少一个电负载连接，并且将多余的能量供应给电负载。DE 102 26 308A1的技术教导的缺点在于，下游连接的用于导出电能的电负载可能因电过载而损坏。此外，在某些情况下可能不希望某些电负载运行(例如在冬季运行客舱制冷或在夏季运行客舱加热，等等)，从而在这些情况下只能在有限的程度上将电能导出到这些负载。此外，特别是对于重型商用车，连续制动所需的功率为数百kW，在下坡行驶时会产生非常大量的多余电能，这些电能不会完全导出到此类电负载，或者不会完全反馈给电蓄能器。

发明内容

因此，本发明的目的是，提出一种用于在车辆中操作可靠地转换多余电能的技术，利用该技术可以避免已知技术的缺点。本发明的目的尤其是，提出一种用于转换多余能量的方法，该方法能以很低的构造代价并且成本廉价地实现。

这些目的通过具有独立权利要求的特征的车辆来实现。本发明的有利实施方式和应用是从属权利要求的主题，并且在以下描述中将部分地参照附图更详细地解释。

根据本发明的一般方面，提出一种车辆，包括电机、用于电能的蓄存器、导电的车辆部件和控制装置。

电机例如可以设计成直流电机或交流电机。电机可以是用于驱动车辆的电机。但原则上，电机的所有变体都是可以想到的。电机可以发电机式地运行。除了发电机式的运行之外，电机还可以被设计成马达式地运行，优选用于驱动车辆。在马达式的运行中，电能被电机吸收，而在发电机式的运行中，由电机输出电能。

用于电能的蓄存器，下文中也称为电蓄能器，被设计用于例如在发电机式运行中从电机吸收电能，和/或例如在电机的马达式运行中将电能输出到电机。用于电能的蓄存器可以设计为蓄电池蓄存器，例如锂离子电池、超级电容蓄存器、液压蓄存器、飞轮或具有蓄电池元件和超级电容器元件的混合的能量蓄存器。

导电的车辆部件例如可以由导电金属构成。

控制装置被设计用于，当满足至少一个预定的条件时，将在电机的发电机式运行中产生的电能导出到导电的车辆部件。该电能在此例如可以是不能反馈到电蓄能器中的能量，和/或是多余的电能。该条件在下面被称为能量耗散条件。能量耗散条件优选如下地来规定：如果存在车辆的一种运行状况，在该运行状况下，由电机产生多余的电能，该电能不能再存储在电蓄能器中，而是必须耗散掉，则满足该能量耗散条件。

根据本发明，导电的车辆部件是车架、车身和/或车辆的车体，或者是车架、车身和/或车辆车体的至少一个导电的部件或部分区域。在这种情况下，控制装置可以被设计为，通过引发短路，利用用作电阻元件的电的车辆部件，把在电机的发电机式运行中产生的电能作为短路电流导出。

车架例如可以设计为梯形车架，其包括通过横梁连接的两个纵梁。

根据这里的基本理解，车身也可以是安装在由车辆制造商(OEM)规定的基础车辆上的任何组件。仅示例性地，导电的车身或其导电的部件可以包括：任何形式的导电结构，例如来自农业、林业和废物管理的结构，例如：罐/筒仓、伐木机、垃圾收集器；建筑工地和起重车辆的结构，例如自卸载重汽车、起重机应用；特种车辆例如消防车的结构，等等。

因此，为了耗散多余的电能，可以通过现有的车辆部件例如导电的车架或导电的车身来形成规定的短路。

换句话说，当满足预定的能量耗散条件时，车架、车身和/或车体用作电阻制动器。换言之，将现有的导电的车辆部件用作制动电阻，因此不需要设置额外的、其功能仅为用作制动电阻的制动电阻。

特别有利的是，由于大的热质量导致发热程度低，并且由于表面积相对较大致使通过对流而良好地散热，因此可以省去或在规模上减少额外的冷却回路以及额外的部件例如单独的制动电阻。由此减轻了现有冷却系统的负担，并实现了成本优势。一个特别的优点因此是，可以省略制动电阻的附加元件，从而显著减轻冷却系统的负担。

根据特别优选的实施方式，车辆是商用车辆例如载重汽车，并且，用于导出多余能量的导电的车辆部件是商用车辆的车架和/或车身。前面已经说过，特别是对于重型商用车，连续制动所需的功率为数百kW，在下坡行驶时在电机的发电机式运行中有时会产生非常大量的多余电能，在蓄能器满了或有缺陷的情况下这些电能必须导出。通过导出这些多余的电能，并通过车架和/或车身将其转化为热能，因而可以实现一种特别成本有效的用于提供制动电阻的方法。

根据本发明的另一方面，导出到导电的车辆部件的电能可以作为热能直接排放到外界。优选地，电能可以作为热能通过车辆部件直接排放到外界，而没有中间连接的冷却回路。因此可以节省用于额外冷却回路的成本，这也带来了维护优势。

此外，就系统的过载保护而言，使用车架、车身和/或车体来耗散多余的能量，相比于已知的解决方案带来了优势。特别是，在大量电能从电机长期地持续地导出到车架和/或车身和/或车体时，它们由于其质量和热惯性通常不会加热到与安全相关的程度。此外，车架和/或车身和/或车体不是可能会因明显的电过载而损坏的电负载。总的来说，由所描述的方面产生了成本优势和提高的运行可靠性以及减小的安装空间需求。

根据一个实施方式，如果用于电能的蓄存器的充电状态超过预定的阈值，则可以满足预定的能量耗散条件。优选地，当用于电能的蓄存器充满电时，可以满足预定的能量耗散条件。如在本发明的上下文中所理解的，术语“充满电”表示，已经达到了用于电能的蓄存器的预定的、优选合理的容量极限，从而无法再额外地吸收电能。这里应该指出的是，这个合理的容量极限可以根据应用情况而改变，因为电蓄能器由于其使用寿命而通常不会完全充电和放电。此外，预定的、优选合理的容量极限还可以取决于是否达到了用于电能的蓄存器的热极限。该实施方式的优点尤其在于，用于电能的蓄存器可以在最佳范围内运行并且可以防止过载。

此外根据本发明的另一方面，如果用于电能的蓄存器存在技术缺陷，则可以满足预定的能量耗散条件。如在本发明的上下文中所理解的，术语“技术缺陷”表示，用于电能的蓄存器至少部分地不再能够地实现其功能。该实施方式提供的优势是，可以防止有潜在安全危险地向有缺陷的用于电能的蓄存器供应电能。总的来说，本实施方式进一步提高了系统的安全性。

根据另一实施方式，控制装置可以被设计成，当满足预定的能量耗散条件时，使用一部分电能来运行至少一个电气化辅助设备。该实施方式具有优点，因为对于运行电气化辅助设备所需的电能可以至少部分地由不可回收的且因此多余的电能来保证。总的来说，在车辆的整体效率方面产生了优势。

根据上述实施方式的另一方面，至少一个电气化辅助设备可以是风扇、冷却器、乘客舱电加热器、前窗加热器、后窗加热器、压缩空气压缩机、水泵、液压泵、空调压缩机和/或油泵。

车辆可以是纯电动车辆，或者是设计为混合动力车辆并且例如附加地还可由内燃机驱动的车辆。

附图说明

本发明的前述优选实施方式和特征可任意地相互组合。下面参照附图介绍本发明的其它细节和优点。其中：

图1是根据本发明的一个实施方式的车身的非常示意性的视图；

图2是根据本发明的另一实施方式的车辆功能的示意图；

图3是根据本发明的另一实施方式的车辆的低压车载电网的示意图；

图4是根据本发明的另一实施方式的车辆的高压车载电网的示意图。

相同的或功能等效的部件在所有图中由相同的参考符号表示，并且部分地不予单独描述。

具体实施方式

图1中的两个视图是根据本发明的一个实施方式的车辆的非常示意性的视图，其仅用于概览地示出本发明的该实施方式的部分组件。为清楚起见，已省略示出本发明的该实施方式的其他主要组件。

图1中的上面的视图示出了根据本发明的一个实施方式的电动商用车1的示意性侧视图。在该非常示意性的侧视图中，可以看到车身7和驾驶室8。驾驶室8布置到商用车1的包含车架的下部，其连接商用车1的牵引车8的三个车轴。

图1中的下面的视图示出了商用车1下部的非常示意性的且简化的平面图。为了更好地强调本发明的特征，当前仅示出商用车的对解释本发明很重要的组件。未示出与车载电网连接的可以按通常的方式设计的其他开关，例如开关、逆变器等。所示的可电驱动的商用车1包括例如布置在牵引车的后轴上的电机2，其产生商用车1的驱动功率。电机2被设计成在马达式运行中用于输出电能4，和/或在发电机式运行中用于吸收电能4。电机2例如可以设计为交流电机或直流电动机。

在所示的实施例中，电机2传动地与车辆1的牵引车的第二后轴连接。然而，电机2例如也可以实现为轮毂电动机，其传动地直接与车辆1的车轮连接。

电机2还与用于电能的蓄存器3电连接，在下文中简称为电蓄能器3。在图1所示的实施例中，电蓄能器3例如设计为蓄电池蓄存器或电池蓄存器，例如设计成锂离子电池。电蓄能器3被设计用于将电能4输出到电机2和/或从电机2吸收电能。电蓄能器3和电机2以本身已知的方式通过车载电网、例如高压车载电网彼此电耦接(未示出)。

可电动驱动的商用车1还具有梯形车架形式的导电车架6，其包括与横梁连接的两个纵梁。此外设置了例如控制器形式的控制装置5。控制装置5被设计成，在满足至少一个预定的能量耗散条件时，不将在电机2的发电机式运行中产生的电能4供应给电蓄能器3，而是替代地将其导出到车架6。为此，控制器通过车架6产生故意的短路。因此，车架6不仅用作支撑性的车辆部件，而且同时用作制动电阻。

下面借助图2的示意图解释根据本发明的一个实施方式的电动车辆1的工作方式。但要强调的是，代替这里示出的且在下面描述的实施例，马达式驱动器不必须是电的，而是可以替代地或附加地也可以通过具有相应的电制动器和制动电阻的内燃机来实现。

在可选的马达式运行中，电机2从用于电能的蓄存器3吸收电能4。在发电机式运行中，电机2输出电能4。

在电机2的发电机式运行中，当满足预定的能量耗散条件时，控制装置5引发由电机2产生的电能4导出到导电车架6上。在本实施例中，当用于电能的蓄存器3的充电状态超过阈值时，例如当电蓄能器3充满电时，或者当电蓄能器3有故障时，满足预定的能量消耗条件。因而如果在本实施例中，电蓄能器3在电机2的发电机式运行中没有充满电并且没有足额工作能力，则由电机2产生的电能4经由例如在图4中示出的高压车载电网被供应给电蓄能器3。然而，如果控制装置5在监测电蓄能器3的充电状态的过程中识别到该蓄能器已充满电或出现故障，则控制机构5在发电机式运行中通过引发故意的短路而将多余的电能以短路电流的形式传导到用作电阻元件即电阻制动器的车架6上。在图1中示意性地示出了通过控制装置5产生正负极的故意的短路10。短路电流在此通过至少两个电连接端产生。连接端位置决定了电连接的电阻值，并且必须适当地安置，从而这些连接端位置例如在持续时间和峰值制动功率方面满足所需制动电阻的设计。原则上，车架6或车身7的任何(部分)部件都可以用作电阻元件。在与车架6或车身7进行接触的情况下，电阻元件在这里起次要作用。对于该工作方式有利的是，使得触点之间的距离最大。这些连接端在此可以不同地设计，例如设计为夹子、带螺纹螺栓或焊接。用来实现电连接的可能组件主要是保险丝、接触器、开关、逆变器、所谓的制动斩波器和/或电容器。

经由短路电流供应给车架6的多余电能在车架6中转化为热能，因为其如同欧姆电阻一样起作用，并且从那里排出到外界。由于因车架6的热质量大所致的加热程度低，并且因车架6的表面积相对较大而使得对流散热良好，因此车架在用作电阻制动器时不必被冷却，因此无需额外的冷却回路以及用作制动电阻的额外器件。特别是对于重型商用车，其在长时间下坡行驶时在电机的发电机式制动运行中产生大量多余的能量，可以通过这种方式可靠地且成本有效地排出如此大量的多余能量。替代地或附加地，也可以按类似的方式将多余的能量供应给用作制动电阻的导电的车身7。这在图2中同样被示出。

在另一实施例中，多余的电能可以替代地或附加地通过故意的短路利用车身或至少利用车身的一个或多个导电的部分而导出，使得车身或其导电的部分用作制动电阻。车身的特别适用于此的示例性部分或组件包括任何形式的导电结构，例如农业、林业和废物管理的结构(例如罐/筒仓、伐木机、垃圾收集器)、建筑工地和起重车辆(例如自卸载重汽车、起重机应用)的结构、特种车辆(例如消防车)的结构。

图3示出了在低压车载电网的情况下图1和图2中所示的基本原理的示例性实施，以便能够有选择地将多余的电能导出到车架和/或车身。为此，图3示出了根据本发明的另一实施方式的车辆的低压车载电网的示意图。

低压车载电网是指额定电压不超过60V的车载电网，例如额定电压为12V、24V和/或48V的车载电网。以本身已知的方式，车载电网也可以包括具有不同额定电压(未示出)的两个或更多个部分车载电网。

在所示的实施例中，驱动可以由电机2和/或可选的内燃机12执行，其驱动功率通过可选的变速器11传输到从动轴。如果电机2通过降低转速被制动，则电机2过渡到发电机式运行中。电机2在发电机式运行中产生交流电流，该交流电流在逆变器13中被转换成直流电流。

控制装置5负责能量管理。如已经结合图2所描述的，控制装置5监控是否满足预定的能量耗散条件，例如是否达到电蓄能器3的预定容量极限。如上已述，对于不同的运行阶段，预定的容量极限可以不同，并且还考虑了电蓄能器3的热极限。

控制装置5被设计为，当满足至少一个预定的、表明多余的电能不能存储在电蓄能器中的能量耗散条件时，通过引发短路，利用用作制动电阻的电的车架6和/或车身7，把在电机3的发电机式运行中产生的电能作为短路电流导出。为此，控制装置5控制控制器5a，该控制器与电开关14处于信号连接中，以便将电蓄能器3与车载电网分离，并替代地通过短路10把多余的电能引导到电的车架6和/或车身7的导电部分。在图3中示出开关14已经处于能实现短路电流的开关位置。在能量耗散条件不再存在之后，开关再次转换，从而短路电路10被中断，替代地将电机3重新与车载电网连接。该实施方式特别适用于低压车载电网。

图4示出了高压车载电网情况的替代实施方式，其额定电压在几百伏的范围内。具有相同附图标记的组件对应于图3中的组件，因此不予详述。该实施方式的特殊之处在于，代替通过开关14，现在通过电位分离的电压变换器15来控制短路，以便把要耗散的电能在被导出到车架6和/或车身7之前转换至较低的电压水平，这在安全方面是有利的，使得没有高电压施加在车架6和/或车身7上。

(此处未示出的)控制装置5也被设计用于监控是否满足至少一个预定的能量耗散条件，其表明多余的电能不能存储在电蓄能器中。如果是这种情况，则控制装置5控制电压变换器15，使电压变换器利用车架6和/或车身7产生电短路。因此，电位分离的电压变换器15在此用作开关，其同时具有电压变换器功能，以便在产生短路电流时将高电压(HV)向下转换为低电压(LV)。

作为另一可选的组件，高压车载电网可以具有所谓的制动斩波器。如果例如在发电机式运行中，转换为电能的车辆动能没有通过逆变器13反馈到车载电网中，则中间电路电容器吸收该能量。中间电路的电压由此上升。如果中间电路电压变得太高，逆变器13通过关断来保护自己。为了避免这种制动中断，可以使用制动斩波器，该制动斩波器在超过允许的中间电路电压时激活，并将制动电阻6或7切换到中间电路，从而将多余的能量转化为热量。

如果系统被制动，多余的能量会以发电机电流的形式通过输出级流回到中间电路中。如果该电压超过阈值电压，则制动斩波器被电子地接通。然后，多余的能量通过所连接的制动电阻几乎完全转换为热能。限制性元件在此是制动电阻，因为在该制动电阻中将大量能量转化为热量。

安全预防措施取决于技术设计，必须根据设计进行评估，并且在考虑到现有技术和适用标准、规则和法规的情况下予以实施。

尽管已借助一定的实施例介绍了本发明，但对于本领域技术人员显然的是，可以进行不同的改变，且可以采用对等物作为替代，而不偏离本发明的范围。因此，本发明不应局限于所公开的实施例，而是应涵盖落入所附权利要求的范围内的全部实施例。特别地，本发明还要求保护独立于所引用的权利要求的从属权利要求的主题和特征。

附图标记清单

1 车辆

2 电机

3 用于电能的蓄存器

4 电能

5 控制装置

5a 控制器

6 车架

7 车身

8 驾驶室

9 电气化辅助设备

10 故意的电短路

11 变速器

12 内燃机

13 逆变器

14 电开关

15 电压变换器。

Claims (9)

1.车辆(1)，优选商用车辆，包括：

能发电机式运行的电机(2)；

用于电能的蓄存器(3)，其被设计用来从所述电机(2)吸收电能(4)和/或向所述电机(2)输出电能(4)；

导电的车辆部件；和

控制装置(5)，其被设计用于，当满足至少一个预定的能量耗散条件时，将在所述电机(2)的发电机式运行中产生的电能(4)导出到所述导电的车辆部件，以转换成热能，其中，所述导电的车辆部件是车架(6)和/或车身(7)和/或车体(8)。

2.根据权利要求1所述的车辆(1)，其中，当所述用于电能的蓄存器(3)的充电状态超过预定阈值时，优选地当所述用于电能的蓄存器(3)充满电时，满足所述预定的能量耗散条件。

3.根据前述权利要求中任一项所述的车辆(1)，其中，当所述用于电能的蓄存器(3)存在技术缺陷时，满足所述预定的能量耗散条件。

4.根据前述权利要求中任一项所述的车辆(1)，其中，所述控制装置(5)被设计为，通过引发短路，利用用作电阻元件的电的车辆部件，把所述电能作为短路电流导出。

5.根据前述权利要求中任一项所述的车辆(1)，其中，导出到所述导电的车辆部件的所述电能(4)作为热能被直接排放到外界，优选地没有中间连接的冷却回路。

6.根据前述权利要求中任一项所述的车辆(1)，其中，所述控制装置(5)被设计为，当满足所述预定的能量耗散条件时，所述车架(6)和/或所述车身(7)和/或所述车体(8)用作电阻制动器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的车辆(1)，其中，所述控制装置(5)被设计成，当满足所述预定的能量耗散条件时，使用一部分电能(4)来运行至少一个电气化辅助设备(9)。

8.根据权利要求7所述的车辆(1)，其中，所述至少一个电气化辅助设备(9)是风扇、冷却器、乘客舱电加热器、前窗加热器、后窗加热器、压缩空气压缩机、水泵、液压泵、空调压缩机和/或油泵。

9.根据前述权利要求中任一项所述的车辆(1)，其中，所述车辆(1)是商用车辆，优选地是载重汽车、旅游客车或城市公交车，并且所述导电的车辆部件是所述车架(6)和/或所述车身(7)。

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