DE102005051003A1

DE102005051003A1 - Speichervorrichtung, insbesondere Traktionsbordnetzspeichervorrichtung für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102005051003A1
Application number: DE102005051003A
Authority: DE
Inventors: Uwe Bauer; Jochen Fassnacht
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-04-26

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Speichervorrichtung, insbesondere Traktionsbordnetzspeichervorrichtung für ein Hybridfahrzeug, mit einer Verschaltungsanordnung (10) von wenigstens einem elektrischen Speicher (B1, B2) einer ersten Art mit einem ersten Innenwiderstand und wenigstens einem Speicher (C) einer zweiten Art mit geringerem zweiten Innenwiderstand.
Es wird vorgeschlagen, dass im Betrieb die Verschaltungsanordnung (10) mit einem Speicher (B1, B2) oder mehreren Speichern (B1, B2) der ersten Art und/oder einem Speicher (C) oder mehreren Speichern (C) der zweiten Art bedarfsweise einstellbar ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Speichervorrichtung, insbesondere einer Traktionsbordnetzspeichervorrichtung für ein Hybridfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Traktionsbordnetze für Hybridfahrzeuge mit unterschiedlichen elektrischen Speichern und Speicherkombinationen bekannt. So werden einzelne Traktionsbatterien eingesetzt oder auch Konzepte mit Doppelschichtkondensatoren entwickelt. Einerseits eignet sich eine Batterie dafür, große elektrische Energiemengen zu speichern, andererseits hat ein Doppelschichtkondensator den Vorteil, aufgrund seines geringen Innenwiderstands hohe Leistungen abzugeben bzw. aufzunehmen. Es sind jedoch auch Kombinationen von unterschiedlichen Speicherformen bekannt, welche die Eigenschaften der unterschiedlichen Speicherarten ausnützen. Hierbei muss jedoch oft eine Vielzahl von Koppelelektronik, z.B. DC/DC-Wandler, eingesetzt werden oder es ist eine Überdimensionierung der Einzelkomponenten notwendig.
Vorteile der Erfindung
Es wird vorgeschlagen, dass im Betrieb die Verschaltungsanordnung mit einem Speicher oder mehreren Speichern der ersten Art und/oder einem Speicher oder mehreren Speicher der zweiten Art abhängig von einem benötigten Innenwiderstand der Verschaltungsanordnung einstellbar ist. Bevorzugt sind zur Änderung der Verschaltungsanordnung der Speicheranordnung Schalter vorgesehen, die je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden. Die erfindungsgemäße Speicheranordnung erlaubt dadurch vorteilhafterweise die Kombination von Batterien und Kapazitäten bei minimalen Gesamtspeicher- und Verschaltungskosten. Es können hohe Leistungen abgegeben und aufgenommen werden, indem die Fähigkeit von Batterien, hohe Energiemengen bei relativ hohem Innenwiderstand aufzunehmen mit der Eigenschaft von Kapazitäten, insbesondere von Doppelschichtkondensatoren, des geringen Energieinhalts bei geringem Innenwiderstand in Abhängigkeit von Betriebsparametern, insbesondere einem aktuell geforderten Innenwiderstand, geeignet kombiniert werden. Es ist lediglich ein geringer Aufwand von Zusatzelektronik notwendig. Die Speichervorrichtung ist besonders bevorzugt eine Traktionsbordnetzspeichervorrichtung für ein Hybridfahrzeug. Gerade bei Hybridfahrzeugen kann es notwendig sein, eine hohe elektrische Leistung bei der Rekuperation aufzunehmen und beim Boosten abzugeben. Ein Hybridfahrzeug weist üblicherweise wenigstens zwei Arten von Antriebsmaschinen auf, von denen die eine Art wenigstens eine elektrische Maschine umfasst und die andere Art häufig eine Verbrennungskraftmaschine ist. Bei der Rekuperation wird die elektrische Maschine des Hybridfahrzeugs als Generator betrieben, um z.B. Bremsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und zu speichern. Beim Boosten gibt der Energiespeicher schnell eine hohe elektrische Leistung an die elektrische Maschine frei, um z.B. das Hybridfahrzeug mit der elektrischen Maschine im motorischen Betrieb kurzzeitig zusätzlich zu beschleunigen, etwa bei einem Überholvorgang des Hybridfahrzeugs.
In einer günstigen Ausgestaltung ist der Speicher der ersten Art eine elektrochemische Batterie, bevorzugt eine Nickel-Metallhydridbatterie. Eine Batterie ist vorteilhafterweise ein Speicher mit hohem Energieinhalt. Ein bevorzugter Speicher weist einen hohen Innenwiderstand bei hohem Energieinhalt auf.
Weiterhin ist günstig, wenn der Speicher der zweiten Art eine Kapazität ist, bevorzugt ein Doppelschichtkondensator. Eine Kapazität ist ein Speicher mit der Fähigkeit zu hoher Leistungsabgabe bzw. Leistungsaufnahme, was auch als geringer Innenwiderstand verstanden werden kann. In diesem Sinne weist ein Speicher der zweiten Art einen geringeren Innenwiderstand als ein Speicher der ersten Art auf.
In einer günstigen Ausgestaltung weisen die Schalter einen einstellbaren Übergangswiderstand auf. Bevorzugt sind die Schalter als schnell schaltende elektrische Schalter mit einstellbarem Übergangswiderstand ausgebildet, z.B. MOSFET-Bauelemente oder IGBT-Bauelemente.
In einer günstigen Ausgestaltung weisen die Speicher jeweils die gleiche Nennspannung auf, insbesondere jeweils die halbe Nennspannung der Schaltungsanordnung.
Vorzugsweise ist die Nennspannung der Schaltungsanordnung doppelt so groß wie die Nennspannung der Speicher. Dadurch kann eine einfache Verschaltung mit definierter Ausgangsspannung erreicht werden.
In einer günstigen Ausgestaltung sind jeweils zwei Speicher der ersten Art parallel zueinander und mit einem Speicher der zweiten Art in Serie geschaltet. Diese Ausgestaltung ist günstig, wenn ein Laden und Entladen des Speichers der zweiten Art, insbesondere einer Kapazität, mit hohen Leistungen erfolgen soll, wie das bei einem Rekuperationsbetrieb und/oder Boost-Betrieb bei einem Hybridfahrzeug auftritt. Am Speicher der zweiten Art tritt ein großer Spannungshub auf, der vorteilhaft ausgenutzt werden kann. Weiterhin eignet sich diese Verschaltungsanordnung zu einer gezielten Ladungsangleichung der Speicher der ersten Art, die insbesondere Batterien sind.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind ein Speicher der ersten Art und ein Speicher der zweiten Art parallel zueinander und mit einem Speicher der ersten Art in Serie geschaltet. Diese Ausgestaltung ist günstig, wenn der Speicher der zweiten Art geladen werden soll für eine nachfolgende Entladephase, insbesondere einen Boost-Betrieb, bei dem schnell hohe Leistung geliefert werden soll, und vorausschauend die notwendige Ladung im Speicher zweiter Art bereitgestellt wird.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind zwei Speicher der ersten Art in Serie geschaltet, wobei ein Speicher der zweiten Art von diesen abgekoppelt ist. Diese Ausgestaltung ist in einem Normalbetrieb eines Hybridfahrzeugs bevorzugt, bei dem ein Traktionsbord netz mit der Serienschaltung der Speicher der ersten Art mit elektrischer Leistung versorgt wird.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist ein Speicher der ersten Art mit einem Speicher der zweiten Art in Serie geschaltet, wobei ein Speicher der ersten Art von diesen abgekoppelt ist. Auch diese Ausgestaltung ist günstig, wenn ein Laden und Entladen des Speichers der zweiten Art, insbesondere einer Kapazität, mit hohen Leistungen erfolgen soll, wie das bei einem Rekuperationsbetrieb und/oder Boost-Betrieb bei einem Hybridfahrzeug auftritt. Am Speicher der zweiten Art tritt ein großer Spannungshub auf, der vorteilhaft ausgenutzt werden kann. Ebenso eignet sich auch diese Verschaltungsanordnung zu einer gezielten Ladungsangleichung der Speicher der ersten Art, die insbesondere Batterien sind. Ein solcher Ladungsausgleich ist z.B. aus der DE 10150376 A1 bekannt. Zum Ladungsausgleich kann eine separate Ladungsausgleichsschaltung wie in der DE 10150376A1 eingesetzt werden. Es können auch die Komponenten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dazu verwendet werden.

Bevorzugt ist eine Kombination von zwei Speichern der ersten Art und einem Speicher der zweiten Art mit insgesamt sechs Schaltern. Werden nicht alle vorstehend aufgeführten Verschaltungsanordnungen benötigt, reduziert sich die Anzahl der Schalter entsprechend.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass im Betrieb die Verschaltungsanordnung mit einem Speicher oder mehreren Speichern der ersten Art und einem Speicher oder mehreren Speicher der zweiten Art abhängig von einem benötigten Innenwiderstand der Verschaltungsanordnung eingestellt wird. Dadurch können die verschiedenen Ver schaltungsanordnungen dynamisch im Betrieb, vorzugsweise abhängig von einer Fahrsituation, geschaltet werden.

Zeichnungen
Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in Ansprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus nachfolgend anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Im Folgenden zeigen:
1 ein Blockschaltbild von Speichern und Schaltern für ein bevorzugtes Bordnetz;
2a–e Ersatzschaltbilder mit verschiedenen bevorzugten Speicherkombinationen; und
3 eine Tabelle mit Schalterstellungen für die Speicherkombinationen aus 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Blockschaltbild einer bevorzugten Anzahl von zwei Speichern B1, B2 einer ersten Art, die vorzugsweise als Batterien ausgebildet sind, und einem Speicher C der zweiten Art, der vorzugsweise als Kapazität ausgebildet ist, in Kombination mit sechs Schaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6. In ihren verschiedenen, in 2a–e abgebildeten Verschaltungskombinationen bilden diese Komponenten jeweils eine Verschaltungsanordnung 10. Bevorzugt wird diese Anordnung in einem Hybridfahrzeug zur Versorgung des Traktionsbordnetzes eingesetzt, bei dem eine oder mehrere elektrische Maschinen in motorischen Betrieb für einen Antrieb sorgen und/oder im generatorischen Betrieb mechanische Energie, z.B. beim Bremsen des Hybridfahrzeugs, in elektrische Energie umwandeln, die in dem Speicher B1, B2, C gespeichert werden können.
In einer ersten Leitung 11 ist aufeinander folgend ein Knotenpunkt 15, der erste Speicher B1, der Schalter S6, der Schalter S4, der Speicher C und ein Knotenpunkt 17 angeordnet. Am Anfang 21 und Ende 22 der Leitung 11 kann die Nennspannung U0 der Verschaltungsanordnung 10 abgegriffen werden. Die Kathode des als Batterie ausgebildeten Speichers B1 ist dem Anfang 21 zugewandt.
Zwischen den Knotenpunkten 15 und 17 in der Leitung 11 verläuft eine Leitung 12, in der vom Knotenpunkt 15 ausgehend der Schalter S1, ein Knotenpunkt 20, der Speicher B2, ein Knotenpunkt 19, der Schalter S5 und der Knotenpunkt 17 angeordnet ist. Die Kathode des als Batterie ausgebildeten Speichers B2 ist dem Knotenpunkt 15 zugewandt.
Die Knotenpunkte 16 in der Leitung 11 und 20 in der Leitung 12 sind durch eine Leitung 13 verbunden. Ausgehend von dem Knotenpunkt 16 sind in der Leitung 13 aufeinander folgend ein Knotenpunkt 18, der Schalter S2 und der Knotenpunkt 20 angeordnet.
Die Knotenpunkte 18 in der Leitung 13 und 19 in der Leitung 12 sind durch eine Leitung 14 verbunden, in der der Schalter S3 angeordnet ist.
Die Nennspannung der einzelnen Speicher B1, B2, C liegt jeweils bei U0/2, der Hälfte der Nennspannung U0 der Speicheranordnung der Verschaltungsanordnung 10.
Die 2a–2e zeigen verschiedene Verschaltungsarten der Verschaltungsanordnung 10, die durch Schließen und Öffnen der Schalter S1–S6 erreicht werden können. 3 zeigt als Tabelle die verschiedenen Schalterstellungen der Schalter S1–S6 in den einzelnen Teilfiguren 2a–2e.
In 2a sind die Schalter S1, S3, S4 und S6 geschlossen und die Schalter S2 und S5 geöffnet. Dadurch werden die beiden Speicher B1 und B2 parallel geschaltet und diese in Serie mit dem Speicher C. Diese Verschaltungsart dient speziell dem Rekuperations- und Boost-Betrieb des Hybridfahrzeugs, bei dem der Speicher C mit hohen Leistungen geladen und entladen wird.
In 2b sind die Schalter S2, S4, S5, S6 geschlossen und die Schalter S1 und S3 geöffnet. Dadurch werden die beiden Speicher B2 und C parallel geschaltet und diese mit dem Speicher B1 in Serie. In einem Hybridfahrzeug wird diese Verschaltungsart zum Laden des Speichers C für eine nachfolgende Boostphase bevorzugt.
In 2c sind die Schalter S2, S5 und S6 geschlossen und die Schalter S1, S3, S4 geöffnet. Dadurch sind die Speicher B1, B2 der ersten Art in Serie geschaltet, während der Speicher C der zweiten Art abgekoppelt ist. Diese Verschaltungsart entspricht einem Normalbetrieb des Hybridfahrzeugs bei einem Traktionsbordnetz mit zwei Batterien.
In 2d sind die Schalter S4 und S6 geschlossen und die Schalter S1, S2, S3 und S5 geöffnet. Diese Verschaltungsart ist für dieselbe Betriebsweise wie in 2a günstig.
In 2e sind die Schalter S1, S3 und S4 geschlossen und die Schalter S2, S5, S6 geöffnet. Diese Verschaltungsart ist für dieselbe Betriebsweise wie in 2a und 2d geeignet.
Darüber hinaus können die Verschaltungsarten nach 2a, 2d, 2e auch zum gezielten Ladungsausgleich der Speicher B1 und B2 eingesetzt werden, die bei Parallelschaltung einen nahezu identischen Ladezustand besitzen sollten.
Während des Betriebs des bevorzugten Hybridfahrzeugs kann die jeweilige Verschaltungsanordnung 10 mit einem Speicher B1, B2 oder mehreren Speichern B1, B2 der ersten Art und einem Speicher C oder mehreren Speicher C der zweiten Art abhängig von einem benötigten Innenwiderstand der Verschaltungsanordnung 10 eingestellt werden, der für den aktuellen oder erwarteten Fahrzustand geeignet ist, so dass die Verschaltungsart im Betrieb dynamisch angepasst werden kann

Claims

Speichervorrichtung, insbesondere Traktionsbordnetzspeichervorrichtung für ein Hybridfahrzeug, mit einer Verschaltungsanordnung (10) von wenigstens einem elektrischen Speicher (B1, B2) einer ersten Art mit einem ersten Innenwiderstand und wenigstens einem Speicher (C) einer zweiten Art mit geringerem zweiten Innenwiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Verschaltungsanordnung (10) mit einem Speicher (B1, B2) oder mehreren Speichern (B1, B2) der ersten Art und/oder einem Speicher (C) oder mehreren Speichern (C) der zweiten Art bedarfsweise einstellbar ist.
Speichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (B1, B2) der ersten Art eine Batterie ist.
Speichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (C) der zweiten Art eine Kapazität ist.
Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur bedarfsweisen Änderung der Verschaltungsanordnung (10) Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) vorgesehen sind.
Speichervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6) einen einstellbaren Übergangswiderstand aufweist.
Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher (B1, B2, C) jeweils die gleiche Nennspannung (U) aufweisen.
Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nennspannung (U0) der Schaltungsanordnung doppelt so groß ist wie die Nennspannung der Speicher (B1, B2, C).
Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Speicher (B1, B2) der ersten Art parallel zueinander und mit einem Speicher der zweiten Art (C) in Serie geschaltet sind.
Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (B2) der ersten Art und ein Speicher (C) der zweiten Art parallel zueinander und mit einem Speicher (B1) der ersten Art in Serie geschaltet sind.
Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Speicher (B1, B2) der ersten Art in Serie geschaltet sind und ein Speicher (C) der zweiten Art von diesen abgekoppelt ist.
Speichervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (B1 oder B2) der ersten Art mit einem Speicher (C) der zweiten Art in Serie geschaltet sind und ein Speicher (B2 oder B1) der ersten Art von diesen abgekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Speichervorrichtung, insbesondere Traktionsbordnetzspeichervorrichtung für ein Hybridfahrzeug, mit einer Verschaltungsanordnung (10) von wenigstens einem elektrischen Speicher (B1, B2) einer ersten Art mit einem ersten Innenwiderstand und wenigstens einem Speicher (C) einer zweiten Art mit geringerem zweiten Innenwiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Verschaltungsanordnung (10) mit einem Speicher (B1, B2) oder mehreren Speichern (B1, B2) der ersten Art und/oder einem Speicher (C) oder mehreren Speicher (C) der zweiten Art abhängig von einem benötigten Innenwiderstand der Verschaltungsanordnung (10) eingestellt wird.