DE102006044814A1

DE102006044814A1 - Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102006044814A1
Application number: DE102006044814A
Authority: DE
Inventors: Markus Kaindl; Georg Goetz; Juergen Dr. Gebert; Florian Oesterreicher
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-03
Also published as: US7779942B2; US20080073132A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug (KFZ) mit einer elektrischen Energiequelle (EQ) zum Bereitstellen von Gleichstrom, mit einem Umrichter (U) zum fahrzeugbetriebszustandsabhängigen Umrichten des Gleichstroms in dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage oder Drehstrom, und mit einer Elektromaschine (EM), welcher der vom Umrichter bereitgestellte Strom zugeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Elektromaschine.
Beispielsweise aus der DE 102 52 507 A1 ist eine elektrische Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb bekannt. Als elektrische Energiespeicher sind dabei unter anderem Superkondensatoren (so genannte Supercaps) offenbart. Der Einsatz solcher Superkondensatoren hat den Vorteil, dass beispielsweise zur Beschleunigung des Kraftfahrzeuges gespeicherte elektrische Energie in hohem Maße in kurzer Zeit von dem Energiespeicher auf eine elektrische Maschine übertragbar ist.
Gerade dieser Vorteil ist aber in bestimmten Fahrzeugbetriebszuständen, wie in einer Unfallsituation oder einer Reparatursituation, ein Nachteil. Denn in den genannten Situationen stellt die rasche Verfügbarkeit hoher Energie eine Gefahr für den Menschen dar, beispielsweise für Bergungskräfte oder Kraftfahrzeugmechaniker.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Kraftfahrzeug mit Elektromaschine und elektrischer Energiequelle anzugeben, dessen Handhabung in vielen Fahrzeugbetriebszuständen sicher möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Energiequelle, insbesondere einem Energiespeicher, zum Bereitstellen von Gleichstrom, mit einem Umrichter (Stromrichter, Wechselrichter) zum fahrzeugbetriebszustandsabhängigen Umrichten des Gleichstroms in dreiphasigen Wechsel strom gleicher Phasenlage oder Drehstrom und mit einer Elektromaschine, beispielsweise einer Drehstrommaschine, welcher der vom Umrichter bereitgestellte Strom zugeführt wird, ausgestattet.
Die Erfindung basiert dabei auf dem Gedanken, in bestimmten Fahrzeugbetriebszuständen, wie beispielsweise in einem Fahrzeugbetriebszustand "Unfall" (Unfall-Fahrzeugbetriebszustand) oder in einem Fahrzeugbetriebszustand "Reparatur" (Reparatur-Fahrzeugbetriebszustand), die Energiequelle kontrolliert zu entladen. Nach der Entladung der Energiequelle ist eine Handhabung des Kraftfahrzeuges auch in den genannten Fahrzeugbetriebszuständen sicher möglich.
Zur kontrollierten Entladung (Sicherheitsentladung) wird der Umrichter in kritischen Fahrzeugbetriebszuständen vorzugsweise automatisch derart eingerichtet, dass er – nicht wie in normalen Fahrzeugbetriebszuständen Drehstrom, sondern – dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage an die Elektromaschine ausgibt. Dadurch werden Komponenten der Elektromaschine beispielsweise in den genannten Fahrzeugbetriebszuständen zur "Vernichtung" der von der Energiequelle gelieferten Energie verwendet. Dadurch kann auf eigens für diesen Zweck vorgesehene Entladewiderstände oder Entladeschaltungen verzichtet werden, wie sie beispielsweise in Richtlinien der Elektrotechnik gefordert werden. Dadurch kann Gewicht und Bauraum eingespart werden.
Das Kraftfahrzeug umfasst vorteilhafterweise eine Steuereinrichtung, welche zur Steuerung des Umrichters derart eingerichtet ist, dass der Umrichter abhängig von einem aktuellen Fahrzeugbetriebszustand automatisch dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage oder Drehstrom bereitstellt, insbesondere ist die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass der Umrichter beim Vorliegen eines kritischen Fahrzeugbetriebszustandes automatisch dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage bereitstellt bzw. der Elekt romaschine zuführt und in anderen oder normalen Fahrzeugbetriebszuständen automatisch Drehstrom bereitstellt.
Um die von der Energiequelle bereitgestellte Gleichstrom-Energie effizient in der Elektromaschine zu "vernichten" oder in Wärme umzuwandeln, wird der ohnehin vorhandene Umrichter in bestimmten Fahrzeugbetriebszuständen also derart eingerichtet, dass durch den Umrichter in diesen Fahrzeugbetriebszuständen anstelle von Drehstrom (dreiphasiger Wechselstrom unterschiedlicher Phasenlage) dreiphasiger Wechselstrom gleicher Phasenlage ausgegeben wird. Es wird dadurch in der Elektromaschine im Wesentlichen kein Drehfeld generiert. Stattdessen wird ein Wechselfeld auf die Wicklungen der Elektromaschine aufgebracht, und so die vorhandene Energie durch einen ungünstigen Betrieb der Elektromaschine abgebaut, im Wesentlichen ohne ein Drehmoment zu erzeugen. Dadurch wird die Elektromaschine in den genannten, insbesondere kritischen, Fahrzeugbetriebszuständen gezielt nicht angetrieben sondern lediglich zur "Energievernichtung" verwendet.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass der Umrichter nur beim Vorliegen eines kritischen Fahrzeugbetriebszustandes und bei der Erfassung einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit, die eine vorgegebene Grenzgeschwindigkeit unterschreitet, insbesondere bei der Erfassung einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit von Null km/h, automatisch dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage bereitstellt oder der Elektromaschine zuführt. Dadurch kann zuverlässig vermieden werden, dass eine oben beschriebene Sicherheitsentladung der Energiequelle während normaler Fahrt erfolgt, was zu einer Schädigung des Motors und/oder des Getriebes führen könnte.
Bei der elektrischen Energiequelle handelt es sich beispielsweise um einen Superkondensator, eine Kraftfahrzeugbatterie oder eine Brennstoffzelle, welche vorzugsweise den Vortrieb des Fahrzeuges bewirken.
Zur Erfassung des aktuellen Fahrzeugbetriebszustandes ist vorzugsweise eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, welche den erfassten aktuellen Fahrzeugbetriebszustand der Steuereinrichtung zuführt.
Besonders bevorzugt umfasst die Erfassungseinrichtung einen Beschleunigungssensor, wobei die Erfassungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass durch sie ein Unfall-Fahrzeugbetriebszustand erfassbar ist, insbesondere dann, wenn die erfasste Beschleunigung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dadurch kann eine oben erläuterte Sicherheitsentladung über die Elektromaschine ausgelöst werden.
Zur Eingabe des aktuellen Fahrzeugbetriebszustandes ist vorzugsweise eine Eingabeschnittstelle vorgesehen, welche den eingegebenen aktuellen Fahrzeugbetriebszustand der Steuereinrichtung zuführt.
Besonders bevorzugt ist die Eingabeschnittstelle derart eingerichtet ist, dass über sie ein Reparatur-Fahrzeugbetriebszustand eingebbar ist, so dass auch dadurch eine oben erläuterte Sicherheitsentladung über die Elektromaschine ausgelöst werden kann.
Vorteilhafterweise ist das Kraftfahrzeug, insbesondere als Hybrid-Fahrzeug, durch die Elektromaschine antreibbar und/oder die Energiequelle über die Elektromaschine mit der Energie des Kraftfahrzeuges und/oder basierend auf einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges aufladbar.
Die Erfindung erwies sich als besonders vorteilhaft, wenn die Energiequelle eine, mehrere oder alle der folgenden drei Eigenschaften aufweist:

– Entladezeit der Energiequelle ist kleiner als 20 Sekunden;
– Energieinhalt der Energiequelle ist größer als 100 Wattstunden;
– die Nennspannung der Energiequelle ist größer als 60 Volt.

Denn beim Einsatz derartiger Energiequellen ist die Handhabung eines Kraftfahrzeuges in den genannten kritischen Fahrzeugbetriebszuständen besonders gefährlich und/oder eine rasche und zuverlässige Entladung der Energiequelle in den genannten kritischen Fahrzeugbetriebszuständen ohne Kenntnis der Erfindung besonders aufwändig.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Energiequelle eine aus einem Wasserstofftank gespeiste Brennstoffzelle umfasst, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung des Umrichters derart eingerichtet ist, dass der Umrichter abhängig von dem Zustand des Wasserstofftanks, insbesondere von den Druckverhältnissen in dem Tank, automatisch dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage oder Drehstrom bereitstellt. Insbesondere wird dann automatisch dreiphasiger Wechselstrom gleicher Phasenlage bereitgestellt oder der Elektromaschine zugeführt, wenn der Druck im Wasserstofftank einen vorgegebenen Grenzdruck überschreitet, oder wenn der so genannte boil-off Zustand erfasst wird oder bevorsteht, in dem aus Sicherheitsgründen Wasserstoff kontrolliert aus dem Tank abgelassen werden muss. Anstelle des Ablassens von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank sieht diese Ausführungsform also die kontrollierte Vernichtung von Energie vor, die zu diesem Zweck der Elektromaschine als dreiphasiger Wechselstrom gleicher Phasenlage über den Umrichter zugeführt wird. Der Umrichter wird dabei durch die Brennstoffzelle mit elektrischer Energie, insbesondere Gleichstrom, gespeist. Die Brennstoffzelle verbraucht dazu Wasserstoff aus dem Wasserstofftank, so dass der genannte Grenzdruck nicht überschritten wird, und/oder der boil-off Zustand nicht oder verzögert eintritt. Der boil-off Zustand des Wasserstofftanks kann dabei auch als ein kritischer Fahrzeugbetriebszustand aufgefasst werden. In normalen Fahrzeugbetriebszuständen wird dagegen durch den Umrichter Drehstrom bereitgestellt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgende Figur näher erläutert:
1 zeigt ein vereinfachtes Prinzipschaltbild eines Kraftfahrzeuges.
Die Figur beschränkt sich auf die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Komponenten. Selbstverständlich kann das Kraftfahrzeug alle weiteren für ein Kraftfahrzeug, insbesondere mit Elektroantrieb oder Hybridantrieb, typischen Komponenten aufweisen.
1 zeigt eine Energiequelle EQ, welche über zwei Verbindungsleitungen einen Umrichter U mit Gleichstrom versorgt. In den normalen Fahrzeugbetriebszuständen, insbesondere bei normaler elektromotorischer Fahrt, wird der Gleichstrom durch den Umrichter U in einen Drehstrom umgesetzt, der wiederum einer Elektromaschine EM über drei Verbindungsleitungen zugeführt wird, um diese anzutreiben.
Der Umrichter U wird durch eine Steuereinrichtung STE, wie eine programmgesteuerte Prozessoreinrichtung oder eine applikationsspezifische Schaltung, angesteuert.
Wird durch eine Erfassungseinrichtung EE, beispielsweise einen Crashsensor, ein kritischer Fahrzeugbetriebszustand, wie beispielsweise ein Unfall, erfasst und an die Steuereinrichtung signalisiert, oder wird über eine Eingabeschnittstelle ES, wie beispielsweise eine Taste oder ein Testgerät, ein kritischer Fahrzeugbetriebszustand, wie beispielsweise eine Fahrzeugreparatur, eingegeben und an die Steuereinrichtung signalisiert, so wird automatisch der Umrichter U derart angesteuert, dass der Gleichstrom der Energiequelle EQ in dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phase umgesetzt wird und über die drei Verbindungsleitungen der Elektromaschine EM zugeführt wird. Dadurch kann die Energiequelle EQ kontrolliert entladen werden.
Nach einer durch ein Messgerät erfassten Entladung der Energiequelle EQ kann beispielsweise durch die Ausgabe eines optischen oder eines akustischen Signals angezeigt werden, dass die Energiequelle EQ entladen ist, und dass Unfallhelfer oder Mechaniker durch die Energiequelle EQ keiner Gefahr mehr ausgesetzt sind.

Claims

Kraftfahrzeug (KFZ) – mit einer elektrischen Energiequelle (EQ) zum Bereitstellen von Gleichstrom, – mit einem Umrichter (U) zum fahrzeugbetriebszustandsabhängigen Umrichten des Gleichstroms in dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage oder Drehstrom, – mit einer Elektromaschine (EM), welcher der vom Umrichter bereitgestellte Strom zugeführt wird, und mit einer Steuereinrichtung (STE), welche zur Steuerung des Umrichters (U) derart eingerichtet ist, dass der Umrichter (U) abhängig von einem aktuellen Fahrzeugbetriebszustand automatisch dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage oder Drehstrom bereitstellt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, mit einer Erfassungseinrichtung (EE) zur Erfassung des aktuellen Fahrzeugbetriebszustandes, welcher der Steuereinrichtung (STE) signalisiert wird.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Eingabeschnittstelle (ES) zur Eingabe des aktuellen Fahrzeugbetriebszustandes, welcher der Steuereinrichtung (STE) signalisiert wird.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiequelle (EQ) einen Superkondensator umfasst.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinrichtung (EE) einen Beschleunigungssensor umfasst, und bei dem die Erfassungseinrichtung (EE) derart eingerichtet ist, dass durch sie ein Unfall-Fahrzeugbetriebszustand erfassbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Eingabeschnittstelle (ES) derart eingerichtet ist, dass über sie ein Reparatur-Fahrzeugbetriebszustand eingebbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kraftfahrzeug durch die Elektromaschine (EM) antreibbar ist und/oder die Energiequelle (EQ) durch die Energie des Kraftfahrzeuges und/oder die von einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges bereitgestellte Energie aufladbar ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiequelle (EQ) eine, mehrere oder alle der folgenden Eigenschaften aufweist: – Entladezeit der Energiequelle ist kleiner als 20 Sekunden; – Energieinhalt der Energiequelle ist größer als 100 Wattstunden; – die Nennspannung der Energiequelle ist größer als 60 Volt.
Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Energiequelle (EQ) eine aus einem Wasserstofftank gespeiste Brennstoffzelle umfasst, mit einer Steuereinrichtung (STE), welche zur Steuerung des Umrichters (U) derart eingerichtet ist, dass der Umrichter (U) abhängig von dem Zustand des Wasserstofftanks automatisch dreiphasigen Wechselstrom gleicher Phasenlage oder Drehstrom bereitstellt.