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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verteilung von elektrischer
Energie in einem Fahrzeug, das wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor
aufweist gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Aus
der
US 6507506 B1 ist
eine Vorrichtung zur Verteilung von elektrischer Energie in einem Fahrzeug
bekannt, das einen Drehstromgenerator aufweist, welcher über
einen Gleichrichter mit einem Mehrspannungsbordnetz, umfassend eine
42 Volt und eine 14 Volt Spannungsebene, verbunden ist. Der 42 Volt
Spannungsebene ist eine 36 Volt Batterie zugeordnet und der 14 Volt
Spannungsebene eine 12 Volt Batterie zugeordnet. Das Bindeglied
zwischen den beiden unterschiedlichen Spannungsebenen ist ein Gleichspannungswandler.
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Die
zunehmende Verknappung der Ölvorkommen und die damit einhergehende
Verteuerung der Kraftstoffpreise erfordern einen sparsamen Umgang
mit fossilen Brennstoffen. Darüber hinaus wird die Reduktion
der aus der Verbrennung resultierenden CO2-Emissionen
immer wichtiger für den Klimaschutz. Fahrzeuge mit alternativen
elektrischen Antrieben, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge
oder Brennstoffzellenfahrzeuge, sind eine geeignete Wahl zur Reduktion
des Verbrauchs an fossilen Brennstoffen und der CO2-Emissionen.
Bei Fahrzeugen mit elektrischen Fahrantrieben ist einer der entscheidenden
Faktoren die Reichweite des Fahrzeugs.
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Um
ausreichend Energie für elektrische Antriebe bereit zu
stellen, bedarf es einer geeigneten Batterie. Zum Betrieb von elektrischen
Antriebsmotoren werden hauptsächlich aufladbare Traktionsbatterien
eingesetzt, welche oft auch als Antriebsbatterien oder Zyklenbatterien
bezeichnet werden. Aus Gleichteil-, Package- oder Verfügbarkeitsgründen
ist es üblich, eine modulare Traktionsbatterie oder mehrere Traktionsbatterien
vorzusehen, um den elektrischen Antriebsmotor zu speisen. Werden
mehrere Traktionsbatterien parallel zueinander verschaltet, so besteht
das Risiko, dass mit zunehmender Lebensdauer im Allgemeinen die
Ladezustände, die Innenwiderstände und die Kapazitäten
der Traktionsbatterien auseinanderdriften.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die eingangs beschriebene Vorrichtung
zur Steigerung der Lebensdauer zu optimieren.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch
1 genannten Merkmale gelöst.
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Dadurch,
dass die zweite Traktionsbatterie über den Gleichspannungs/Gleichspannungswandler
(DC-/DC-Wandler) mit dem Hochvolt-Spannungsnetz elektrisch leitend
verbindbar ist und somit zumindest zeitweise mit der ersten Traktionsbatterie elektrisch
leitend verbunden ist, wird eine bedarfsgerechte Verteilung der
vom Antriebsmotor erzeugten elektrischen Energie auf die beiden
Traktionsbatterien ermöglicht.
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Die
Vorrichtung gewährleistet somit ein optimiertes Ladeverhalten
der beiden Traktionsbatterien, was insbesondere während
eines Rekuperationszustands von besonderem Vorteil ist. Der Begriff
Rekuperation beschreibt die Wiedergewinnung der kinetischen Energie
des Fahrzeugs während Verzögerungs- oder Bremsvorgängen
durch den generatorischen Betrieb des elektrischen Antriebsmotors,
welche als elektrische Energie in beide Traktionsbatterien zurückgespeist
werden kann.
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Weiterhin
ist das Ladespannungsniveau der zweiten Traktionsbatterie über
den Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler auf ein im Verhältnis
zum ersten Spannungsnetz äquivalentes, oder auch ein abweichendes,
insbesondere ein höheres oder niedrigeres Ladespannungsniveau
anpassbar.
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Durch
eine aktive Ansteuerung des Gleichspannungs-/Gleichspannungswandlers
ist eine stufenlose Verteilung des Lade- oder Entladestroms auf beide
Traktionsbatterien gegeben. Der Stellbereich reicht dabei von 100%
Belastung der ersten Traktionsbatterie bei 0% Belastung der zweiten
Traktionsbatterie über jede zweckmäßige
Variation bis hin zu 0% Belastung der ersten Traktionsbatterie bei
100% Belastung der zweiten Traktionsbatterie. Durch eine intelligente
Verteilung der Lade- oder Entladeenergie auf beide Traktionsbatterien
kann der volle Leistungsbereich des elektrischen Antriebsmotors sowohl
beim Vortrieb als auch während einer Rekuperationsphase
länger genutzt werden.
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Weisen
die beiden Traktionsbatterien unterschiedliche Ladezustände
auf, so ist ein einfacher Ladeausgleich der beiden Traktionsbatterien über eine
gezielte Ansteuerung des Gleichspannungs-/Gleichspannungswandlers
möglich. Der Ladeausgleich kann während des laufenden
Fahrzeugbetriebs erfolgen.
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Für
den Fall, dass eine der beiden Traktionsbatterien einen Defekt oder
eine Störung aufweist, kann eine Notbetriebsart vorgesehen
sein, die eine weitere Speisung des elektrischen Antriebsmotors über
die intakte Traktionsbatterie ermöglicht. Bei ausreichendem
Ladezustand der intakten Traktionsbatterie ist somit eine Weiterfahrt
des Fahrzeugs sichergestellt.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung soll in jedem
Betriebszustand ein optimal abgestimmter Ladezustand erreicht werden,
die Belastung jeder einzelnen Batterie optimiert werden und die
Verfügbarkeit des elektrischen Antriebsmotors soll durch die
Notbetriebsart erhöht werden.
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Vorzugsweise
weist jede Traktionsbatterie eine eigene Steuereinheit auf, welche
als Batteriemanagementsystem ausgebildet sein kann. Das Batteriemanagementsystem
kann dabei beispielsweise über ein Bussystem, wie beispielsweise über
einen CAN-Bus, mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit
verbunden sein.
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In
einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Hochvolt-Spannungsnetz über jeweils einen weiteren
Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler mit jeweils einer weiteren
Traktionsbatterie zumindest zeitweise elektrisch leitend verbunden.
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Vorzugsweise
ist das Fahrzeug ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug, wobei
die beiden Traktionsbatterien als Lithium-Ionen-Batterien oder Nickel-Metall-Hydrid-Batterien
ausgebildet sind. Die Lithium-Ionen-Batterie hat gegenüber
anderen elektrochemischen Energiespeichern den Vorteil eines relativ
hohen Energieinhaltes. Dem Stand der Technik nach hat die Nickel-Metall-Hydrid-Batterie
im Vergleich zur Lithium-Ionen-Batterie den Vorteil der niedrigeren
Kosten.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen und Ausgestaltungen der Erfindung
werden anhand der Figur in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel
exemplarisch erläutert.
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Dabei
zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines bevorzugten
Energieverteilungssystems eines Fahrzeugs.
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1 ist
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Energieverteilung in einem Fahrzeug.
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Ein
elektrischer Antriebsmotor 1 ist über einen Umrichter 2 und
vorzugsweise über ein erstes zweipoliges Leitungsnetz 6 – im
Folgenden vereinfacht als erstes Hochvolt-Spannungsnetz bezeichnet – mit
einer ersten Traktionsbatterie 3 – im Folgenden als
Standardbatterie bezeichnet – zumindest zeitweise elektrisch
leitend verbunden.
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Ferner
ist das erste Spannungsnetz 6 über eine Gleichspannungs-/Gleichspannungsschnittstelle,
welche vorzugsweise als bidirektionaler DC/DC-Wandler (Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler) 4 ausgebildet
ist, über ein bevorzugt als zweipoliges Leitungsnetz ausgebildetes
zweites Hochvolt-Spannungsnetz 7 mit einer zweiten Traktionsbatterie 5 – im
Folgenden vereinfacht Zusatzbatterie bezeichnet – elektrisch
leitend verbindbar.
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Sowohl
bei dem ersten 6 als auch bei dem zweiten 7 Hochvolt-Spannungsnetz
soll es sich jeweils um ein Spannungsnetz 6, 7 handeln,
das jeweils auf eine Nennspannung ausgelegt ist, die oberhalb der
zulässigen Berührspannung liegt und mehrere hundert
Volt betragen kann. Die Nennspannung der Standardbatterie 3 und
die Nennspannung der Zusatzbatterie 5 liegen oberhalb der
Berührspannung und können mehrere hundert Volt
betragen.
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Bevorzugt
kann die Vorrichtung für unterschiedliche Fahrzeugmodelle
in unterschiedlichen Varianten vorgesehen sein. Dabei kann beispielsweise
eine Grundeinheit umfassend den elektrischen Antriebsmotor 1,
den Umrichter 2, das erste Spannungsnetz 6 und
die Standardbatterie 3 als Grundausstattung in jeder Modellvariante
eingebracht werden.
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Zusätzlich
zu der Grundeinheit kann als Sonderausstattung entsprechend eines
individuellen Käuferwunsches eine Zusatzeinheit, welche
den Gleichspannungs /Gleichspannungswandler 4, das zweite
Hochvolt-Netz 7 und die Zusatzbatterie 5 umfasst,
angeboten werden. Vorzugsweise werden die Zusatzbatterie 5,
das zweite Hochvolt-Netz 7 und der Gleichspannungs-/Gleichspannungswandler 4 zu
einem mechanischen Modul zusammengefasst, was den Montageaufwand
erheblich verringert. Mithilfe der Zusatzeinheit steht dem elektrischen
Antriebsmotor 1 beim Entladen eine höhere Gesamtkapazität zur
Verfügung. Somit lässt die Sonderausstattung eine
deutlich größere Reichweite im Vergleich zur Grundausstattung
zu.
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- 1
- Elektrischer
Antriebsmotor
- 2
- Umrichter
- 3
- Erste
Traktionsbatterie
- 4
- DC/DC
Wandler
- 5
- Zweite
Traktionsbatterie
- 6
- Erstes
Hochvolt-Spannungsnetz
- 7
- Zweites
Hochvolt-Spannungsnetz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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