DE102007038587A1 - Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zum Betrieb eines Gleichstrom-Spannungswandlers (15) in einem Hybridfahrzeug, umfassend ein normales Bordnetz (8) und ein Hochvolt-Bordnetz (12), zwischen denen der Gleichstrom-Spannungswandler (15) geschaltet ist, erfolgt die Ansteuerung des Gleichstrom-Spannungswandlers (15) in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Fahrzeugs und/oder der Spannung eines der Bordnetze (8, 12).

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrom-Spannungswandlers (DC/DC Wandlers) in einem Hybridfahrzeug umfassend ein normales Bordnetz und ein Hochvolt-Bordnetz, zwischen denen der Gleichstrom-Spannungswandler geschaltet ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind Hybridfahrzeuge umfassend ein Hybridgetriebe bekannt. Sie umfassen zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor zumindest einen Elektromotor bzw. eine elektrische Maschine. Bei seriellen Hybridfahrzeugen wird ein Generator vom Verbrennungsmotor angetrieben, wobei der Generator den die Räder antreibenden Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt. Des weiteren sind parallele Hybridfahrzeuge bekannt, bei denen eine Addition der Drehmomente des Verbrennungsmotors und zumindest einer mit dem Verbrennungsmotor verbindbaren elektrischen Maschine erfolgt. Hierbei sind die elektrischen Maschinen mit dem Riementrieb oder mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbar. Die vom Verbrennungsmotor und/oder der zumindest einen elektrischen Maschine erzeugten Drehmomente werden über ein nachgeschaltetes Getriebe an die angetriebene Achse übertragen.
  • Beispielsweise ist im Rahmen der DE102006019679 A1 ein Antriebsstrang mit einem elektrisch verstellbaren Hybridgetriebe und einem elektrohydraulischen Steuersystem, mehreren elektrischen Leistungseinheiten und mehreren Drehmomentübertragungsmechanismen bekannt. Hierbei können die Drehmomentübertragungsmechanismen durch das elektrohydraulische Steuersystem selektiv eingerückt werden, um vier Vorwärtsgänge, einen neutralen Zustand, eine elektrische Betriebsart mit niedriger und hoher Drehzahl, eine elektrisch verstellbare Betriebsart mit niedriger und hoher Drehzahl und eine Berghalte-Betriebsart bereitzustellen.
  • Aus der DE 102005057607 B3 ist ein Hybridantrieb für Fahrzeuge bekannt, zumindest beinhaltend einen Hauptmotor, insbesondere eine Brennkraftmaschine, einen Generator, einen Elektromotor und ein, ein Sonnenrad, ein Hohlrad, einen Planetenträger sowie Planetenräder aufweisendes Planetengetriebe, das mindestens eine Abtriebswelle beinhaltet. Hierbei ist vorgesehen, dass für einen ersten Fahrbereich des Fahrzeuges zur Addition der Drehmomente die Antriebswellen des Hauptmotors und des Elektromotors auf das Sonnenrad des Planetengetriebes gekoppelt sind und für einen weiteren Fahrbereich einer der beiden Motoren zur mechanischen Addition der Drehzahlen entsprechend dem Überlagerungsprinzip kraftschlüssig auf das Hohlrad des Planetengetriebes koppelbar ist.
  • In der Regel sind bei derartigen Hybridfahrzeugen zwei Bordnetze mit unterschiedlicher Spannung vorgesehen, wobei das erste Bordnetz das normale Bordnetz des Fahrzeug ist, welches üblicherweise für PKW in 12 V und für Nutzfahrzeuge in 24 V-Technik ausgeführt ist und der Versorgung der normalen elektrischen Verbraucher im Fahrzeug dient. Das zweite Bordnetz ist das sogenannte Hochvolt-Bordnetz, welches auf einem höheren Spannungsniveau ausgeführt ist, als das erste Bordnetz, wodurch die Ströme kleiner werden.
  • Am zweiten Bordnetz ist die zumindest eine Elektromaschine des Hybridfahrzeugs angeschlossen, mit der die antriebsspezifischen Aufgaben erfüllt werden. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, in derartigen Fahrzeugen einen Gleichstrom-Spannungswandler (DC/DC-Wandler) einzubauen, der elektrische Leistungen zwischen den beiden Bordnetzen überträgt. Durch diese Vorgehensweise entfällt die Notwendigkeit des Vorsehens einer Lichtmaschine zur Versorgung des ersten Bordnetzes. Der Gleichstrom-Spannungswandler kann unidirektional aufgebaut sein, wobei der Leistungsfluss nur vom zweiten in das erste Bordnetz erfolgt oder bidirektional ausgeführt sein.
  • Üblicherweise wird der Gleichstrom-Spannungswandler in Abhängigkeit von der Stellung des Zündschlüssels eingeschaltet; bei Zündung „Ein" wird Leistung übertragen, wobei, wenn der Fahrer das Fahrzeug abschaltet der Leistungsfluss unterbrochen wird. Dies resultiert innachteiliger Weise darin, dass bei Zündung „Ein" immer Leistung zwischen den Bordnetzen fließt, so dass, da ein Gleichstrom-Spannungswandler einen Wirkungsgrad kleiner 1 aufweist, Energie verloren geht, was sich auf den Kraftstoffverbrauch negativ auswirkt.
  • Aus der DE 100 47 932 A1 ist eine Steuer/Regelvorrichtung für ein Hybridfahrzeug mit einem Zweispannungsbordnetz umfassend einen Gleichstrom-Spannungswandler bekannt, welche die Stromenergiezufuhr zu einer Energiespeichereinheit erhöht, um den Entladebetrag von der Energiespeichereinheit zu reduzieren, falls der Stromenergieverbrauch des Niederspannungssystems zunimmt.
  • Im Rahmen der DE 41 38 943 C1 ist ein Zweispannungsbordnetz beschrieben, bei dem der zwischen den beiden Bordnetzen angeordnete Gleichspannungswandler Bestandteil eines Lade-/Trennmodus ist, wobei in Abhängigkeit von Signalen, insbesondere von gemessenen Strömen, die Verbindung zwischen beiden Bordnetzen unterbrochen wird, um im Fehlerfall Rückwirkungen von einem Bordnetz ins andere zu verhindern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers (DC/DC Wandlers) in einem Hybridfahrzeug anzugeben, welches eine flexible Ansteuerung des Wandlers ermöglicht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs erhöht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Demnach wird ein Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers vorgeschlagen, im Rahmen dessen bei der Ansteuerung des Gleichstrom-Spannungswandlers der Fahrzustand des Fahrzeugs und/oder die Spannung eines der Bordnetze des Fahrzeugs berücksichtigt wird.
  • Gemäß der Erfindung wird der Gleichstrom-Spannungswandler vorzugsweise von der Hybridsteuerung angesteuert; es ist auch möglich, dass eine weitere Steuereinheit des Fahrzeugs die Steuerung übernimmt. Hierbei wird der Gleichstrom-Spannungswandler in Abhängigkeit von Signalen der Steuerung ein- und ausgeschaltet, wobei im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung von der Hybridsteuerung ein insbesondere analog oder digital kodiertes Signal als Sollspannung an der Seite des normalen Bordnetzes vorgegeben wird, wie im folgenden anhand der beigefügten Figur, welche ein Strukturbild des elektrischen Systems und des Antriebssystems eines parallelen Hybridfahrzeugs darstellt, beispielhaft näher erläutert wird.
  • In 1 ist der Antriebsstrang des Hybridfahrzeugs mit 1 bezeichnet. Er umfasst einen Verbrennungsmotor 2, welcher über eine Kupplung 3 mit einer Elektromaschine 4 lösbar verbindbar ist. Die Elektromaschine 4 ist wiederum entweder mit dem Getriebe 5 verbunden oder, wie dargestellt, über eine weitere Kupplung 6 mit dem Getriebe 5 lösbar verbindbar. In der Figur ist der Abtrieb mit dem Bezugszeichen 7 versehen.
  • Das elektrische System umfasst ein normales Bordnetz 8 mit einem Energiespeicher 13, welches üblicherweise für PKW in 12 V und für Nutzfahrzeuge in 24 V-Technik ausgeführt ist und der Versorgung der üblichen elektrischen Verbraucher im Fahrzeug, wie beispielsweise der elektrischen Len kung 9, der Scheibenwischer 10 und sonstiger elektrischer Nebenaggregate 11 dient und ein Hochvolt-Bordnetz 12 mit einem Hochvolt-Energiespeicher 14, an dem zumindest eine Elektromaschine 4 des Hybridfahrzeugs angeschlossen ist. Zwischen dem normalen Bordnetz 8 und dem Hochvolt-Bordnetz 12 ist ein Gleichstrom-Spannungswandler (DC/DC-Wandler) 15 eingebaut, mittels dessen elektrische Leistungen zwischen den beiden Bordnetzen übertragen werden können. Der Gleichstrom-Spannungswandler kann als unidirektionaler oder als bidirektionaler Spannungswandler ausgeführt sein, wobei im ersten Fall der Leistungsfluss vom normalen Bordnetz 8 in das Hochvolt-Bordnetz 12 erfolgt. In der Figur ist der zwischen dem Hochvolt-Energiespeicher 14 und der Elektromaschine 4 angeordnete Wechselrichter mit 16 bezeichnet.
  • Gemäß der Erfindung wird der Gleichstrom-Spannungswandler 15 in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Fahrzeugs und/oder der Spannung eines der Bordnetze 8, 12 angesteuert, wobei die Ansteuerung durch die Hybridsteuerung 17 oder durch ein weiteres geeignetes Steuergerät des Fahrzeugs erfolgt.
  • Im Rahmen einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, den Gleichstrom-Spannungswandler 15 mit einer festen oder variablen Sollspannung zu betreiben, wobei der Gleichstrom-Spannungswandler 15 eingeschaltet wird, wenn der Verbrennungsmotor 2 des Fahrzeugs läuft. Durch diese Vorgehensweise wird von der zumindest einen Elektromaschine 4 des Fahrzeugs das Drehmoment des Verbrennungsmotors 2 genutzt, um den Energieinhalt vom Hochvolt-Bordnetz 12 zu kontrollieren. Die Sollspannung im Sinne der folgenden Beschreibung ist die Sollspannung an der Seite des normalen Bordnetzes 8.
  • In vorteilhafter Weise wird dadurch vermieden, dass das Hochvolt-Bordnetz 12 bzw. der Hochvolt-Energiespeicher 14 entleert wird, da in diesem Zustand das Hochvolt-Bordnetz 12 bzw. der Hochvolt-Energiespeicher 14 mittels der Energie des Verbrennungsmotors 2 aufgeladen werden kann.
  • Gemäß der Erfindung kann der Gleichstrom-Spannungswandler 15 mit einer festen Sollspannung betrieben werden, wobei er dann eingeschaltet wird, wenn sich das Fahrzeug in einer Schubphase befindet, so dass die in der Schubphase zur Verfügung stehende Bremsenergie (Rekuperationsenergie) von der Elektromaschine 4 in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Da der Gleichstrom-Spannungswandler 15 diese Energie vom Hochvolt-Bordnetz 12 ins „normale" Bordnetz 8 überträgt, wird dadurch der Energieinhalt des Hochvolt-Energiespeichers 14 in den Energiespeichers 13 vergrößert. Des Weiteren wird dadurch vermieden, dass die benötigte elektrische Energie aus Kraftstoff, d. h. mittels des Verbrennungsmotors 2, erzeugt werden muss. Anstelle einer festen Sollspannung kann der Gleichstrom-Spannungswandler 15 in diesem Fall auch mit einer variablen Sollspannung betrieben werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, den Gleichstrom-Spannungswandler 15 mit variabler Sollspannung zu betreiben. Hierbei wird erfindungsgemäß die Sollspannung erhöht, wenn sich das Fahrzeug in einer Schubphase befindet und erniedrigt, wenn sich das Fahrzeug in einer Zugphase befindet. Durch diese Vorgehensweise wird weniger elektrische Energie vom Hochvolt-Bordnetz 12 gefordert, wenn die Erzeugung von elektrischer Energie Kraftstoff kostet (d. h. in der Zugphase) und mehr elektrische Energie gefordert, wenn diese in Form von Rekuperationsenergie kostenlos zur Verfügung steht (d. h. in der Schubphase). Somit kann das Fahrzeug von der Elektromaschine 4 in Zugphasen mehr unterstützt werden, was in elektrischem Boosten und einem besseren Beschleunigungsverhalten resultiert, da die Elektromaschine 4 weniger Energie ins Bordnetz 8 speisen muss.
  • Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass der Gleichstrom-Spannungswandler 15 immer dann eingeschaltet wird, wenn das normale Bordnetz 8 eine zu niedrige Spannung hat, wodurch die elektrische Versorgung der normalen elektrischen Verbraucher 9, 10, 11 sichergestellt wird. Dies kann auch bei nicht angelassenem Verbrennungsmotor 2 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass der Gleichstrom-Spannungswandler 15 eingeschaltet wird (auch bei nicht angelassenem Verbrennungsmotor), wenn das Hochvolt-Bordnetz 12 eine zu hohe Spannung hat, was in vorteilhafter Weise einer Überladung des Hochvolt-Energiespeichers 14 des Hochvolt-Bordnetzes 12 entgegengewirkt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Gleichstrom-Spannungswandler 15 eingeschaltet, wenn sich der Verbrennungsmotor 2 des Fahrzeugs in einem hinsichtlich des Wirkungsgrades günstigen Betriebspunkt befindet, beispielsweise wenn er eine hohe Leistung abgibt. Durch diese Konzeption fällt die geringe vom Hochvolt-Bordnetz 12 ins normale Bordnetz 8 übertragene Leistung weniger ins Gewicht. Da hierbei vom Verbrennungsmotor 2 Leistung abgenommen wird, wenn der Verbrennungsmotor 2 einen günstigen Wirkungsgrad hat, wird eine signifikante Kraftstoffersparnis erzielt.
    • 1
    Antriebsstrang
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Kupplung
    4
    Elektromaschine
    5
    Getriebe
    6
    Kupplung
    7
    Abtrieb
    8
    normales Bordnetz
    9
    elektrische Lenkung
    10
    Scheibenwischer
    11
    Nebenaggregate
    12
    Hochvolt-Bordnetz
    13
    Energiespeicher
    14
    Hochvolt-Energiespeicher
    15
    Gleichstrom-Spannungswandler
    16
    Wechselrichter
    17
    Hybridsteuerung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006019679 A1 [0003]
    • - DE 102005057607 B3 [0004]
    • - DE 10047932 A1 [0008]
    • - DE 4138943 C1 [0009]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, umfassend ein normales Bordnetz (8) und ein Hochvolt-Bordnetz (12), zwischen denen der Gleichstrom-Spannungswandler (15) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Gleichstrom-Spannungswandlers (15) in Abhängigkeit vom Fahrzustand des Fahrzeugs und/oder der Spannung eines der Bordnetze (8, 12) erfolgt.
  2. Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Gleichstrom-Spannungswandlers (15) durch die Hybridsteuerung (17) oder durch ein weiteres geeignetes Steuergerät des Fahrzeugs erfolgt.
  3. Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Spannungswandler (15) mit einer festen oder variablen Sollspannung betrieben wird, wobei der Gleichstrom-Spannungswandler (15) eingeschaltet wird, wenn der Verbrennungsmotor (2) des Fahrzeugs läuft.
  4. Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Spannungswandler (15) mit einer festen Sollspannung betrieben wird, wobei er eingeschaltet wird, wenn sich das Fahrzeug in einer Schubphase befindet, so dass die in der Schubphase zur Verfügung stehende Bremsenergie als Rekuperationsenergie von der Elektromaschine (4) in elektrische Energie umgewandelt und in einem dem Hochvolt-Bordnetz (12) zugeordneten Hochvolt-Energiespeicher (14) sowie in einem dem normalen Bordnetz (8) zugeordneten Energiespeicher (13) gespeichert wird.
  5. Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Spannungswandler (15) mit variabler Sollspannung betrieben wird, wobei die Sollspannung erhöht wird, wenn sich das Fahrzeug in einer Schubphase befindet und erniedrigt wird, wenn sich das Fahrzeug in einer Zugphase befindet.
  6. Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Spannungswandler (15) immer dann eingeschaltet wird, wenn das normale Bordnetz (8) eine zu niedrige Spannung hat.
  7. Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Spannungswandler (15) immer dann eingeschaltet wird, wenn das Hochvolt-Bordnetz (12) eine zu hohe Spannung hat.
  8. Verfahren zum Betrieb des Gleichstrom-Spannungswandlers in einem Hybridfahrzeug, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Spannungswandler (15) eingeschaltet wird, wenn sich der Verbrennungsmotor (2) des Fahrzeugs in einem hinsichtlich des Wirkungsgrades günstigen Betriebspunkt befindet.
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