DE10107023A1 - Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit (11) mit einem elektrischen Gleichstromerzeuger (12) zur Versorgung eines elektrischen Fahrantriebs (13). Die Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit (11) zeichnet sich dadurch aus, dass ein, mit dem Gleichstromerzeuger (12) elektrisch verbindbarer, die Gleichspannung des Gleichstromerzeugers (12) in eine Netz-Wechselspannung wandelnder Netzwechselspannungs-Umrichter (14) vorgesehen ist, dessen Ausgang (32) mit einer fahrzeugeigenen Steckdose (16) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit mit einem elektrischen Stromerzeuger gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheiten der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie dienen dazu, einen elektrischen Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs und/oder ein Kraftfahrzeugs-Bordnetz mit seiner Vielzahl von Bordnetz-Verbrauchern mit elektrischer Energie zu versorgen. Daneben ist häufig die Möglichkelit gegeben, zusätzlich zu diesen fahrzeugeigenen elektrischen Verbrauchern auch nicht-fahrzeugeigene (externe) Verbraucher über einen Zigarettenanzünder mit elektrischer Energie zu versorgen. Da der Zigarettenanzünder dem Bordnetz zugeordnet ist, lassen sich mittels diesem jedoch nur Verbraucher mit einer der Bordnetz-Nennspannung (12 Volt-Gleichspannung) entsprechenden Betriebspannung betreiben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, die gegenüber den vorstehend genannten Energieversorgungsmöglichkeiten variabler zu nutzen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit vorgeschlagen, die die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Sie zeichnet sich durch einen Netzwechselspannungs-Umrichter aus, der mit dem Gleichstromerzeuger (alternativ Wechselstromerzeuger, insbesondere bei Hybrid-Fahrzeugen) elektrisch verbindbar ist und die Gleichspannung des Gleichstromerzeugers in eine Netz- Wechselspannung wandelt, wobei der Ausgang des Netzwechselspannungs-Umrichters mit einer fahrzeugeigenen Steckdose, das heißt mit einer dem Fahrzeug fest (permanent) zugeordneten Steckdose, verbunden ist. Unter Netz-Wechselspannung ist hier eine Wechselspannung zu verstehen, die hinsichtlich ihrer Nennspannung und Frequenz dem des öffentlichen Stromversorgungsnetzes eines jeweiligen Landes (beispielsweise in Deutschland 220 V und 50 Hz) entspricht. Mittels der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit ist es möglich, elektrische Verbraucher, die zu ihrem Betrieb an das zentrale, öffentliche Stromversorgungsnetz (auch Gleichspannungsnetze oder Drehstromnetze) angeschlossen werden müssen, dezentral und unabhängig vom öffentlichen Stromversorgungsnetz zu betreiben, ohne dass der elektrische Verbraucher hierzu baulich verändert werden muss. Die Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit bietet den Vorteil einer hohen Mobilität und Flexibilität hinsichtlich des Betreibens von Netz-Verbrauchern, wobei die Mehrkosten für die Netzwechselspannungs-Bereitstellung gering sind. Der elektrische Verbraucher, im Folgenden auch als Netz-Verbraucher bezeichnet, ist durch Einstecken seines Steckers in die fahrzeugeigene Steckdose in einfacher Weise an die Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit anzuschließen. Dabei kann die Steckdose als Steckdose mit besonderem Schutzkontakt (Schukosteckdose) ausgebildet sein, sofern der anzuschließende Netz-Verbraucher einen Stecker aufweist, der ebenfalls mit einem solchen Schutzkontakt versehen ist. Alternativ kann, um die in den Staaten zum Teil unterschiedlich ausgebildeten Stecker der Netz-Verbraucher an die fahrzeugeigene Steckdose anschließen zu können, der Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit ein entsprechender Adapter zugeordnet sein, mittels dem, bei Unterschieden in der Bauform zwischen Stecker und Steckdose, die fahrzeugeigene Steckdose zum Stecker des Netz- Verbrauchers kompatibel wird. Ferner kann eine entsprechend, die jeweils geltenden nationalen technischen Normen ausgebildete Steckdose beziehungsweise Steckdoseneinheit eingesetzt werden. Die fahrzeugeigene Steckdose kann an einem beliebigen Ort am Fahrzeug angebracht sein, wobei aber eine Unterbringung an einer von außen leicht zugänglichen Stelle zu bevorzugen ist, um ein einfaches Anschließen des Netz-Verbrauchers zu gewährleisten. Die Netzwechselspannungs-Bereitstellung kann permanent oder zeitweise erfolgen. Im Falle einer permanenten Netzwechselspannungs-Bereitstellung bleibt der Netzwechselspannungs-Umrichter dauerhaft mit dem Stromerzeuger verbunden. Dagegen ist im Falle einer zeitweisen Netzwechselspannungs-Bereitstellung eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen Netzwechselspannungs-Umrichter und Stromerzeuger, beispielsweise mittels eines Schalters, möglich. Die Zu- oder Abschaltung kann hierbei manuell oder automatisch, insbesondere bei letztgenannter Variante unter Verwendung einer Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung und in Abhängigkeit von vorgebbaren Erfassungsgrößen, erfolgen. Eine solche Erfassungsgröße kann beispielsweise die Anschlussbelegung der Steckdose sein, wodurch es möglich ist, die Netzwechselspannungs-Bereitstellung nur dann zu aktivieren, wenn ein Netz- Verbraucher mit seinem Stecker in der Steckdose angeschlossen ist. Mittels des Netzwechselspannungs-Umrichters können beliebige Netzwechselspannungen und Netzfrequenzen erzeugt werden. Dadurch kann die Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit auf die in verschiedenen Staaten teilweise sehr unterschiedlichen Nennspannungen des öffentlichen Stromversorgungsnetzes angepasst werden.

Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass dem Netzwechselspannungs-Umrichter eine Spannungs-Stabilisatorschaltung zugeordnet ist. Mittels der Spannungs- Stabilisatorschaltung können Spannungsschwankungen, beispielsweise am Stromerzeuger, vermieden werden, so dass an der Steckdose der Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit die Amplitude der Netzwechselspannung im Wesentlichen konstant bleibt. Eine solche Maßnahme ist insbesondere beim Einsatz von Brennstoffzellen als Gleichstromerzeuger von Vorteil, da es bei der Brennstoffzelle systembedingt mit steigender Leistung zu einer Abnahme der Ausgangsspannung kommen kann.

Nach einer Ausgestaltung der Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Spannungs- Stabilisatorschaltung als Gleichspannungs-Stabilisatorschaltung ausgebildet ist. Mittels der Gleichspannungs-Stabilisatorschaltung ist es möglich, die vom Gleichstromerzeuger erzeugte Spannung vor der Umrichtung im Netzwechselspannungs-Umrichter zu stabilisieren, so dass der Netzwechselspannungs-Umrichter bereits mit einer im Wesentlichen konstanten Gleichspannung beaufschlagt wird. Nach einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spannungs-Stabilisatorschaltung als Wechselspannungs-Stabilisatorschaltung ausgebildet ist. Neben diesen beiden Ausführungsformen der Spannungs-Stabilisatorschaltung ist es auch möglich, zur Erzielung einer höheren Stabilisationssicherheit sowohl eine Gleichspannungs- Stabilisatorschaltung vor dem Netzwechselspannungs-Umrichter als auch eine Wechselspannungs-Stabilisatorschaltung nach dem Netzwechselspannungs-Umrichter vorzusehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gleichstromerzeuger als ein Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Das Brennstoffzellensystem ermöglicht eine Bereitstellung von elektrischer Energie unter besonders niedriger Freisetzung von Schadstoffemissionen. Mittels des Brennstoffzellensystems ist ferner die Erzielung eines hohen Stromerzeugungs- Wirkungsgrades möglich, insbesondere im Brennstoffzellenbetrieb bei Teillast.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Stromerzeuger als ein von einer Verbrennungskraftmaschine angetriebener, elektrischer Generator ausgebildet ist. Mittels dieser Kombination von Verbrennungskraftmaschine und elektrischem Generator, zusammenfassend auch als Hybrid-Elektro-Stromerzeuger bezeichnet, wird wie bei der Brennstoffzelle- eine Stromerzeugung unter nur geringer Schadstofffreisetzung ermöglicht. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der elektrische Generator als ein Wechselstromgenerator mit einem nachgeschalteten Gleichrichter ausgebildet ist. Alternativ ist vorgesehen, dass der elektrische Generator ein Gleichstromgenerator ist.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen Gleichstromerzeuger und Netzwechselspannungs-Umrichter ein elektrischer Energiespeicher geschaltet. Der Energiespeicher kann beispielsweise ein Akkumulator oder ein Kondensator ein. Mit diesem ist es möglich, die Gleichstromerzeugung und die Spannungsumrichtung im Netzwechselspannungs-Umrichter zeitlich voneinander zu entkoppeln. Die Zwischenschaltung eines elektrischen Energiespeichers ist insbesondere bei der Verwendung eines Hybrid-Elektro-Stromerzeugers von Vorteil, da mittels des elektrischen Energiespeichers die Betriebszeit des Verbrennungsmotors zur Gleichstromerzeugung so gewählt werden kann, dass der Verbrennungsmotor unter optimalen Betriebsbedingungen arbeitet und somit seine Schadstoffemissionen niedrig gehalten werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit in einem Brennstoffzellenfahrzeug und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit in einem Hybrid-Elektro-Fahrzeug.

Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10 mit einer Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit 11. Die Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit 11 enthält einen elektrischen Gleichstromerzeuger 12, der als Brennstoffzellensystem ausgebildet ist, einen elektrischen Fahrantrieb 13, einen Netzwechselspannungs-Umrichter 14 mit einer diesem direkt vorgeschalteten Spannungs-Stabilisatorschaltung 15, sowie eine Steckdose 16. Die genannten Komponenten der Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit 11 sind bis auf die Steckdose 16 im Kraftfahrzeug 10 angeordnet. Die Steckdose 16 befindet sich außen am Fahrzeugheck, so dass ein elektrischer Verbraucher 17 mittels eines zugehörigen Steckers 18 von außen an der Steckdose 16 anschließbar ist. Das Brennstoffzellensystem 12 ist über ein erstes elektrisches Stromkabel 19 mit dem elektrischen Fahrantrieb 13, der in diesem Fall ein Elektromotor ist, verbunden. Gleichzeitig ist das Brennstoffzellensystem 12 über ein zweites elektrisches Stromkabel 20 mit einer Spannungs-Stabilisatorschaltung 15 verbunden, so dass der über das erste Stromkabel 19 gebildete erste Strang und der über das zweite Stromkabel 20 gebildete zweite Strang parallel geschaltet sind. Die Spannungs-Stabilisatorschaltung 15 ist über ein drittes elektrisches Stromkabel 21 mit dem Netzwechselspannungs-Umrichter 14 und dessen Ausgang 32 wiederum über ein viertes elektrisches Stromkabel 22 mit der Steckdose 16 verbunden. An der Steckdose 16 ist ein Stecker 18 eingesteckt, der über ein fünftes elektrisches Stromkabel 23 den elektrischen Verbraucher 17 mit elektrischer Energie versorgt. Die Netzwechselspannung entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der in Deutschland im öffentlichen Stromversorgungsnetz üblichen 220 Volt-Nennspannung und einer Netzfrequenz von 50 Hz. Da die Netz-Verbraucher in Deutschland üblicherweise als Stecker einen Schutzkontaktstecker aufweisen, ist die Steckdose 16 der Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit 11 als Schukosteckdose ausgebildet. Um elektrische Netz- Verbraucher anderer Nationen, deren Stecker gegebenenfalls andere Bauformen aufweisen, anschließen zu können, sind an der Schukosteckdose zu befestigende Adapter vorgesehen.

Es ergibt sich folgende Funktionsweise: Das Brennstoffzellensystem 12 erzeugt elektrischen Gleichstrom, der über das zweite Stromkabel der Spannungs- Stabilisatorschaltung 15 zugeführt wird. Da die im Brennstoffzellensystem 12 erzeugte elektrische Spannung systembedingt mit steigender Brennstoffzellenleistung abfällt, wird mittels der Spannungs-Stabilisatorschaltung 15 die Spannung auf einen im Wesentlichen gleichen Wert gehalten. Von der Spannungs-Stabilisatorschaltung 15 wird der spannungsstabilisierte Gleichstrom über das dritte Stromkabel dem Netzwechselspannungs-Umrichter 14 zugeführt, der die Gleichspannung in eine Netz- Wechselspannung wandelt. Die im Netzwechselspannungs-Umrichter 14 erzeugte Netz- Wechselspannung wird dann über das vierte Stromkabel 22 der Steckdose 16 zugeführt und steht dort zur Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers 17 zur Verfügung. Dies geschieht in der Weise, dass der Stecker 18 des elektrischen Verbrauchers 17 in die Steckdose 16 der Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit 11 eingesteckt wird, wodurch eine elektrische Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers 17 über das fünfte Stromkabel 23 erfolgt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kraftfahrzeug- Energieversorgungseinheit 11 so ausgelegt, dass unabhängig eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs 10, also unabhängig davon, ob der elektrische Fahrantrieb 13 ein- oder ausgeschaltet ist, eine Bereitstellung von Netz-Wechselspannung erfolgt. Ebenso ist es auch möglich, dass die Bereitstellung der Netz-Wechselspannung abgestimmt mit den Betriebsphasen des Kraftfahrzeugs 10 erfolgt, beispielsweise um nur dann eine Netz- Wechselspannung bereitzustellen, wenn der elektrische Fahrantrieb 13 ausgeschaltet ist oder sich im eingeschalteten Zustand im Bereich niedrigen Energieverbrauch (beispielsweise bei Teillast) befindet. Hierfür kann eine entsprechende Regelungs- und/oder Steuerungseinrichtung vorhanden sein, die das Ein- beziehungsweise Ausschalten einzelner und/oder mehrerer Komponenten zur Bereitstellung der Netz- Wechselspannung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie beispielsweise der Betriebszustand des Fahrantriebs 13, steuert.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kraftfahrzeug-Energieversorgungs­ einheit 11 gezeigt. Teile, die mit denen aus Fig. 1 gleich sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert. Im Unterschied zu Fig. 1 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der elektrische Gleichstromerzeuger 12 als elektrischer Generator 24 ausgebildet, der von einer Verbrennungskraftmaschine 25 über eine Antriebswelle 26 mechanisch angetrieben wird (Prinzip eines Hybrid-Elektro- Fahrantriebs). Die elektrische Energieversorgung des Fahrantriebs 13 erfolgt vom Generator 24 über ein sechstes Stromkabel 27, das mit einem Abzweigpunkt 28 verbunden ist und von diesem Abzweigpunkt 28 wiederum mit einem siebten Stromkabel 29 mit dem Fahrantrieb elektrisch verbunden ist. Am Abzweigpunkt 28 ist ein Ende des zweiten Stromkabels 20 angeschlossen, das an seinem anderen Ende mit einem elektrischen Energiespeicher 30 verbunden ist, der im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich vorhanden ist. Der elektrische Energiespeicher 30 wiederum ist über ein achtes Stromkabel 31 mit der bereits in Fig. 1 beschriebenen Spannungs-Stabilisatorschaltung 15 verbunden. Der Spannungs- Stabilisatorschaltung 15 folgen der Netzwechselspannungs-Umrichter 14, die Steckdose 16, der Stecker 18 sowie der elektrische Verbraucher 17 in gleicher Anordnung und in gleicher Art der elektrischen Verbindung wie bereits vorstehend in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.

Damit ergibt sich bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel folgende zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel veränderte Wirkungsweise: Der vom elektrischen Generator 24 erzeugte Gleichstrom wird über das sechste Stromkabel 27, den Abzweigpunkt 28 und das zweite Stromkabel 20 dem elektrischen Energiespeicher 30 zugeführt. Der elektrische Energiespeicher 30 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Bleiakkumulator ausgebildet. Über ein achtes elektrisches Stromkabel 31 erfolgt die Zuführung des Gleichstroms zur Spannungs-Stabilisatorschaltung 15.

Claims (11)

1. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit mit wenigstens einem elektrischen Stromerzeuger zur Versorgung eines elektrischen Fahrantriebs, dadurch gekennzeichnet, daß die vom elektrischen Stromerzeuger erzeugte elektrische Energie einem Verbraucher außerhalb des Fahrzeuges zugeführt wird.

2. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach Anspruch 1 mit einem elektrischen Gleichstromerzeuger zur Versorgung eines elektrischen Fahrantriebs, gekennzeichnet durch einen mit dem Gleichstromerzeuger (12) elektrisch verbindbaren, die Gleichspannung des Gleichstromerzeugers (12) in eine Netz- Wechselspannung wandelnden Netzwechselspannungs-Umrichter (14), dessen Ausgang (32) mit einer fahrzeugeigenen Steckdose (16) verbunden ist.

3. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Netzwechselspannungs-Umrichter (14) eine Spannungs-Stabilisatorschaltung (15) zugeordnet ist.

4. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs-Stabilisatorschaltung (15) als Gleichspannungs-Stabilisatorschaltung ausgebildet ist.

5. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs-Stabilisatorschaltung (15) als Wechselspannungs-Stabilisatorspannung ausgebildet ist.

6. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzwechselspannungs-Umrichter (14) und der Fahrantrieb (13) parallel geschaltet sind.

7. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger, vorzugsweise ein Gleichstromerzeuger (12) als ein Brennstoffzellensystem ausgebildet ist.

8. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger, vorzugsweise Gleichstromerzeuger (12) als ein von einer Verbrennungskraftmaschine (25) angetriebener, elektrischer Generator (24) ausgebildet ist.

9. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (24) ein Gleichstromgenerator ist.

10. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Generator (24) als ein Wechselstromgenerator mit einem nachgeschalteten Gleichrichter ausgebildet ist.

11. Kraftfahrzeug-Energieversorgungseinheit, gekennzeichnet durch einen zwischen Gleichstromerzeuger (12) und Netzwechselspannungs-Umrichter (14) geschalteten elektrischen Energiespeicher (30).