DE102010002168A1

DE102010002168A1 - Reichweitenverlängerer für ein durch eine elektrische Maschine angetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010002168A1
Application number: DE102010002168A
Authority: DE
Inventors: Philipp 71636 Morrison
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-08-25
Also published as: WO2011101195A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reichweitenverlängerer für ein durch eine erste elektrische Maschine angetriebenes Fahrzeug, mit einem Energiespeicher (5) zur Energieversorgung der ersten elektrischen Maschine, einer als Generator betriebenen zweiten elektrischen Maschine (2) zur Erzeugung elektrischer Energie zur Aufladung des Energiespeichers (5), einem Verbrennungsmotor (1) zum Antrieb des Generators (2) und einem ungesteuerten Gleichrichter (3) zum Gleichrichten einer Ausgangsspannung des Generators (2). Die zweite elektrische Maschine (2) und der Gleichrichter sind dabei jeweils 9-phasig ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reichweitenverlängerer für ein durch eine elektrische Maschine angetriebenes Fahrzeug.
Stand der Technik
Bei Elektrofahrzeugen, also rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, ist die aufgrund der begrenzten Ladekapazität der Fahrzeugbatterie stark eingeschränkte Reichweite ein zentrales Problem. Um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, werden seit einiger Zeit sogenannte Reichweitenverlängerer – in der Regel als Range Extender bezeichnet – eingesetzt. Diese umfassen einen Verbrennungsmotor mit nachgeschaltetem Generator, der im Bedarfsfall die Batterie lädt, welche die Energie für den elektrischen Antrieb liefert. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, welche auch als Antriebsaggregat für das Fahrzeug genutzt werden, können die Verbrennungsmotoren für Reichweitenverlängerer auf deutlich geringere Leistungen ausgelegt werden und stets in einem optimalen Betriebspunkt betrieben werden, was zu einem geringen Kraftstoffverbrauch führt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft einen Reichweitenverlängerer für ein durch eine erste elektrische Maschine angetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem Energiespeicher zur Energieversorgung der ersten elektrischen Maschine, einer als Generator betriebenen zweiten elektrischen Maschine zur Erzeugung elektrischer Energie zur Aufladung des Energiespeichers, einem Verbrennungsmotor zum Antrieb des Generators und einem ungesteuerten Gleichrichter zum Gleichrichten einer Ausgangsspannung des Generators. Erfindungsgemäß sind die zweite elektrische Maschine und der Gleichrichter jeweils 9-phasig ausgeführt. Der Gleichrichter ist dabei vorzugsweise als 9-poliger Brückengleichrichter ausgeführt.
Der Einsatz eines ungesteuerten Gleichrichters bringt im Vergleich mit gesteuerten Gleichrichtern, zum Beispiel in Form von Pulswechselrichtern, erhebliche Preisvorteile, da keine kostenintensiven Halbleiterschaltelemente, wie etwa IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) erforderlich sind. Ungesteuerte Gleichrichter führen aber im Vergleich zu gesteuerten Gleichrichtern zu einer erhöhten Schwankung der Ausgangsspannung. Da der Innenwiderstand eines in einem Elektrofahrzeug typischer Weise eingesetzten Energiespeichers, wie zum Beispiel einer Lithium-Ionen-Batterie, im Bereich weniger hundert Milli-Ohm (200–400 mΩ) liegt, führen aber bereits kleine Spannungsunterschiede zu relativ großen Stromrippeln im Batteriestrom. Diese Stromrippel können jedoch negative Auswirkungen auf die Lebensdauer des Energiespeichers haben und sollten deshalb so gering wie möglich gehalten werden. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass anstatt eines üblichen 3-phasigen Generators ein 9-phasiger Generator in Verbindung mit einem 9-phasigen Diodengleichrichter eingesetzt wird.
Die erhöhte Phasenzahl führt zu deutlich reduzierten Schwankungen in der Ausgangsspannung des Gleichrichters, damit zu reduzierten Stromrippeln und somit letztendlich zu einer verlängerten Lebensdauer des Energiespeichers. Die 9-phasige Ausgestaltung der als Generator betriebenen zweiten elektrischen Maschine birgt den besonderen Vorteil, dass hinsichtlich der mechanischen Auslegung, z. B. Ständer-Blechschnitt, das Maschinenlayout einer standardmäßig verfügbaren 3-phasigen elektrischen Maschine verwendet werden kann und lediglich eine veränderte Wicklung aufgebracht werden muss. Die Verwendung 3-phasiger ”Standardmaschinen” als Grundlage oder Plattform erlaubt es, Skaleneffekte zur weiteren Kostenreduktion zu nutzen.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reichweitenverlängerers,
2 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Generators von der Drehzahl des Verbrennungsmotors,
3 eine grafische Darstellung einer sinusförmigen Eingangsspannung eines 9-phasigen ungeregelten Gleichrichters,
4 eine grafische Darstellung der Ausgangsspannung eines 9-phasigen ungeregelten Gleichrichters bei Beaufschlagung mit einer Eingangsspannung gemäß 3,
5 eine grafische Darstellung einer sinusförmigen Eingangsspannung eines 3-phasigen ungeregelten Gleichrichters und
6 eine grafische Darstellung der Ausgangsspannung eines 3-phasigen ungeregelten Gleichrichters bei Beaufschlagung mit einer Eingangsspannung gemäß 5.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reichweitenverlängerers mit einem Verbrennungsmotor 1, der mechanisch mit einer 9-phasigen elektrischen Maschine 2 – im Folgenden auch als Generator 2 bezeichnet – gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 2 wird dabei als Generator betrieben und ist durch den Verbrennungsmotor 1 antreibbar. An die elektrische Maschine 2 ist ein Gleichrichter 3 in Form eines ungeregelten 9-phasigen Diodengleichrichters angeschlossen. Der Gleichrichter 3 umfasst mehrere Dioden 4-1 bis 4-18, welche mit den einzelnen Phasen des Generators 2 verbunden sind und im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer Gleichrichter-Brückenschaltung angeordnet sind. Zur Realisierung des ungeregelten 9-phasigen Gleichrichters sind aber auch alternative Verschaltungen denkbar. Ausgangsseitig ist der Gleichrichter 3 über eine 2-adrige Leitung mit einem Energiespeicher 5, z. B. in Form einer Lithium-Ionen-Batterie, verbunden. Dieser Energiespeicher 5 dient der Energieversorgung einer nicht dargestellten weiteren elektrischen Maschine, welche als Antriebsaggregat des Fahrzeuges dient. Das Fahrzeug ist dabei vorzugsweise als Elektrofahrzeug ausgeführt, welches ausschließlich elektrisch angetrieben wird. Im Bedarfsfall kann der Energiespeicher 5 mit Hilfe des Verbrennungsmotors 1, des Generators 2 sowie des Gleichrichters 3 aufgeladen werden. Ein Bedarfsfall kann sich beispielsweise dann ergeben, wenn der Ladezustand des Energiespeichers 5 unter eine vorgegebene Mindestladung fällt. Auf diese Weise kann die Reichweite des Elektrofahrzeuges erhöht werden, ohne die Ladekapazität des Energiespeichers erhöhen zu müssen.
Vorteilhaft dient der Verbrennungsmotor 1 ausschließlich zur Ladung des Energiespeichers 5, so dass er dementsprechend für geringe Leistungen, z. B. 15–35 kW, ausgelegt werden kann und stets in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann, so dass ein geringer Kraftstoffverbrauch gewährleistet ist.
Vorteilhaft basiert die als Generator betriebene 9-phasige elektrische Maschine hinsichtlich ihrer mechanischen Auslegung, z. B. Ständer-Blechschnitt, auf einer standardmäßig verfügbaren 3-phasigen elektrischen Maschine und wird lediglich mit einer entsprechend veränderten Wicklung versehen. So kann beispielsweise aus einer mit 36 Zähnen für Einzelzahnwicklung ausgestatteten elektrischen Maschine, welche bei 3-phasiger zwölf parallele Stränge aufweist, durch Reduzierung der parallelen Stränge auf vier eine 9-phasige elektrische Maschine hergestellt werden. Selbstverständlich ist die beschriebene Veränderung der Bewicklung auch auf andere Ausführungsformen von standardmäßig verfügbaren 3-phasigen elektrischen Maschinen anwendbar.
Da der Generator 2 auch bei höheren Drehzahlen als der elektrischen Eckdrehzahl betrieben werden kann und mit dem ungeregelten Gleichrichter 3 im Gegensatz zu beispielsweise Pulswechselrichtern keine Feldschwächung möglich ist, würde jedoch die durch den Generator 2 erzeugte Spannung über die zulässige Maschinenspannung ansteigen. Dies könnte z. B. zu einem Spannungsdurchschlag in einer Wicklungsisolierung führen.
In 2 ist der Verlauf der Ausgangsspannung des Generators 2 in Abhängigkeit von der Drehzahl dargestellt. Die durchgezogene Kennlinie 20 zeigt einen typischen Verlauf der Ausgangsspannung bei Betrieb des Generators 2 mit einem Pulswechselrichter. Als zulässige Maschinenspannung ist dabei beispielsweise 200 V und als Eckdrehzahl 2000 1/min angenommen. Aus 2 ist deutlich erkennbar, dass die Ausgangsspannung bis zum Erreichen der Eckdrehzahl kontinuierlich ansteigt und dann bedingt durch die Feldschwächung auf einem nahezu konstanten Wert bleibt. Die gestrichelte Kennlinie 21 zeigt den theoretischen Verlauf der Ausgangsspannung bei einem Betrieb des Generators bei bloßem Ersetzen des Pulswechselrichters durch einen ungeregelten Gleichrichter.
Um die Steigung der Spannungskennlinie derart zu reduzieren, dass auch ohne Feldschwächung bei hohen Drehzahlen die maximal zulässige Maschinenspannung nicht überschritten wird (vgl. fette Kennlinie 22 in 2), können die Wicklungen der einzelnen Zähne mit geringerer Windungszahl und größerem Leitungsquerschnitt ausgeführt werden. Dieses Vorgehen hat den zusätzlichen Vorteil, dass durch den erhöhten Leitungsquerschnitt auch mit der reduzierten Anzahl paralleler Stränge eine ähnliche Stromtragfähigkeit erreicht werden kann, wie sie durch eine 3-phasige Bewicklung erreicht würde.
Wird im oben angeführten Beispielfall z. B. die Windungszahl um einen Faktor 3 reduziert, um die induzierte Spannung zu senken und damit die Steigung der Spannungskennlinie zu reduzieren, kann ein um den Faktor 3 erhöhter Leitungsquerschnitt verwendet werden. Damit wäre die Reduzierung der parallelen Stränge von 12 auf 4 wieder ausgeglichen.
Durch die Reduzierung der Windungszahl kann also die Einhaltung der Spannungsfestigkeit bei hoher Drehzahl des Generators 2 sichergestellt werden. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da zum erreichen der geforderten Ladeleistung z. B. bei einem 2-zylindrigen Verbrennungsmotor 1 eine hohe Drehzahl erforderlich ist. Andererseits bietet aber eine erhöhte Drehzahl auch Vorteile hinsichtlich der Laufruhe des Verbrennungsmotors 1.
Da der Innenwiderstand des Energiespeichers 5 typischer Weise nur im Bereich weniger hundert Milli-Ohm liegt, führen bereits kleine Spannungsunterschiede in der Ausgangsspannung des Gleichrichters 3 zu relativ großen Stromrippeln im Batteriestrom. Um die Spannungsunterschiede am Ausgang des Gleichrichters 3 ausreichend gering zu halten, wird erfindungsgemäß ein 9-phasiger ungeregelter Gleichrichter eingesetzt.
3 zeigt beispielhaft ein sinusförmiges Eingangssignal des 9-phasigen Gleichrichters 3 mit einer Spannungsamplitude von 200 V. 4 zeigt das zugehörige Signal am Ausgang des Gleichrichters 3. Die Ausgangsspannung schwankt dabei zwischen 388 V und 394 V, also mit einer maximalen Differenz von 6 V.
Zum Vergleich sind in den 5 und 6 entsprechende Ein- bzw. Ausgangssignale bei Verwendung eines 3-phasigen ungeregelten Gleichrichters dargestellt. Die Ausgangsspannung schwankt dabei zwischen 300 V und 346 V, also mit einer maximalen Differenz von 46 V.
Durch die Erhöhung der Phasenzahl von 3 auf 9 ergibt sich demzufolge eine Reduzierung im Spannungshub der Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters von 46 V aus 6 V, also nahezu um den Faktor 8. Dementsprechend sinken auch die Stromrippel im Batteriestrom. Bei einem angenommenen Innenwiderstand des Energiespeichers 5 von beispielsweise 400 mΩ ergäbe sich in einem 3-Phasen-System eine Stromschwankung von 115 A. Bei erfindungsgemäßer 9-phasiger Auslegung reduziert sich diese Schwankung auf 15 A.

Claims

Reichweitenverlängerer für ein durch eine erste elektrische Maschine angetriebenes Fahrzeug, mit – einem Energiespeicher (5) zur Energieversorgung der ersten elektrischen Maschine, – einer als Generator betriebenen zweiten elektrischen Maschine (2) zur Erzeugung elektrischer Energie zur Aufladung des Energiespeichers (5), – einem Verbrennungsmotor (1) zum Antrieb des Generators (2) und – einem ungesteuerten Gleichrichter (3) zum Gleichrichten einer Ausgangsspannung des Generators (2), wobei die zweite elektrische Maschine (2) und der Gleichrichter jeweils 9-phasig ausgeführt sind.
Reichweitenverlängerer nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.
Reichweitenverlängerer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Verbrennungsmotor (1) ausschließlich der Ladung des Generators (2) dient.
Reichweitenverlängerer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichrichter (3) als 9-poliger Brückengleichrichter ausgeführt ist.