DE102012207809A1 - Reichweitenverlängerer, Antrieb und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Reichweitenverlängerer (100) für ein durch eine elektrische Maschine (208) angetriebenes Hybridfahrzeug beschrieben. Der Reichweitenverlängerer (100) umfasst einen Generator (104) zur Erzeugung elektrischer Energie; einen Verbrennungsmotor (102) zum Antreiben des Generators (104), der eine Anzahl n Generatorausgangsspannungen erzeugt; und einen n-Phasengleichrichter (106) zum Gleichrichten der n Generatorausgangsspannungen zu einer gleichgerichteten Ausgangsspannung. Der Reichweitenverlängerer (100) zeichnet sich dadurch aus, dass er ferner einen Gleichspannungsschaltwandler (108) zum Wandeln der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Generators (104) umfasst. Ferner wird ein Antrieb mit dem Reichweitenverlängerer (100) und ein Kraftfahrzeug mit dem Antrieb beschrieben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reichweitenverlängerer für ein durch eine elektrische Maschine angetriebenes Hybridfahrzeug, einen Antrieb für ein Hybridfahrzeug und ein Kraftfahrzeug mit dem Antrieb.
  • Stand der Technik
  • Ein Hybridfahrzeug ist bekanntermaßen ein Fahrzeug, das wenigstens zwei Energiewandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme aufweist. Zu den Energiewandlern gehören etwa Elektromotoren, Ottomotoren und Dieselmotoren. Die dazu gehörenden Energiespeicher sind beispielsweise Batterien und Kraftstofftanks. Hybridfahrzeuge ermöglichen Kraftstoffeinsparung und gleichzeitig eine Verbesserung des Fahrverhaltens.
  • Heutzutage werden die verschiedenen Hybridkonzepte hinsichtlich der Leistungsklassen ihrer elektrischen Antriebe wie folgt unterschieden: Mikrohybrid, Mildhybrid, Vollhybrid oder Plug-In-Hybrid.
  • Es werden ferner folgende Hybridtopologien unterschieden:
    • – serieller Hybrid, bei dem z. B. ein Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator antreibt, der wiederum Strom zum Laden einer Batterie oder zum Antreiben eines Elektromotors für den Vortrieb des Fahrzeugs bereitstellt, wobei der Verbrennungsmotor keine mechanische Verbindung zur angetriebenen Achse des Fahrzeugs hat,
    • – paralleler Hybrid, bei dem meist entweder ein Verbrennungsmotor allein oder ein Elektromotor allein für den Vortrieb des Fahrzeugs sorgt, wobei der Verbrennungsmotor den Elektromotor im Generatorbetrieb auch antreiben kann, um die Batterie zu laden,
    • – leistungsverzweigter Hybrid, der sich durch ein Planetengetriebe auszeichnet, das die Leistung des Elektromotors und des Verbrennungsmotors addieren kann.
  • Ein Verbrennungsmotor-Generator-System, insbesondere bei einem seriellen Hybridantrieb, wird auch als Reichweitenverlängerer bzw. engl. Range Extender bezeichnet.
  • Aus der DE 10 2010 002 168 A1 ist ein Reichweitenverlängerer für ein durch eine elektrische Maschine angetriebenes Fahrzeug bekannt, wobei der Reichweitenverlängerer einen Verbrennungsmotor aufweist, der einen neunphasigen Generator antreibt. Der Generator speist einen neunphasigen Brückengleichrichter mit Wechselspannung. Der Brückengleichrichter erzeugt eine Gleichspannung, die direkt über eine zwei-adrige Leitung zum Laden an einer Lithium-Ionen-Batterie anliegt. Die Lithium-Ionen-Batterie versorgt wiederum einen Elektromotor zum Antrieb eines Fahrzeugs mit Energie. Der bekannte Reichweitenverlängerer wird dann aktiviert, wenn die Lithium-Ionen-Batterie einen niedrigen Ladezustand erreicht hat. Dadurch verlängert der Reichweitenverlängerer die Reichweite des Fahrzeugs.
  • Aus der vorangemeldeten und nachveröffentlichten DE 10 2010 064 314 ist ferner ein System zur Ankopplung eines Range Extenders an eine steuerbare Batterie bekannt, die direkt mit einem Elektromotor verbunden ist. Die Ankopplung des Range Extenders an die Batterie erfolgt entweder direkt oder über steuerbare Schaltelemente.
  • Mit einem Elektromotor direkt verbundene steuerbare Batterien sind außerdem aus der DE 10 2010 027 857 und der DE 10 2010 027 861 bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Reichweitenverlängerer für ein durch eine elektrische Maschine angetriebenes Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt. Der Reichweitenverlängerer umfasst einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie; einen Verbrennungsmotor zum Antreiben des Generators, der eine Anzahl n Generatorausgangsspannungen erzeugt; und einen n-Phasengleichrichter zum Gleichrichten der n Generatorausgangsspannungen zu einer gleichgerichteten Ausgangsspannung (n ist eine natürliche Zahl, vorzugsweise größer als 1, bevorzugter größer als 2). Der erfindungsgemäße Reichweitenverlängerer zeichnet sich dadurch aus, dass er ferner einen Gleichspannungsschaltwandler zum Wandeln der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Generators umfasst.
  • Außerdem wird ein Antrieb für ein Hybridfahrzeug zur Verfügung gestellt. Der Antrieb umfasst eine gesteuerte Batterie mit einer Anzahl n Batteriestränge, die eine n-phasige Wechselspannung bereitstellt; eine erste elektrische Maschine zum Antreiben des Hybridfahrzeugs, wobei an der ersten elektrischen Maschine die n-phasige Wechselspannung anliegt; und den erfindungsgemäßen Reichweitenverlängerer, wobei der Reichweitenverlängerer die Batteriestränge alternierend auflädt.
  • Ferner wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug mit dem Antrieb zur Verfügung gestellt.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Reichweitenverlängerer hat den Vorteil, dass er durch den Gleichspannungsschaltwandler eine einstellbare gleichgerichtete Ausgangsspannung bzw. einen gleichgerichteten Ausgangsstrom bereitstellen kann. Es ist bevorzugt, dass der Reichweitenverlängerer insbesondere einen Stromsensor und einen Regler aufweist. Der Stromsensor kann den gleichgerichteten Ausgangsstrom des n-Phasengleichrichters erfassen und der Regler kann den Gleichspannungsschaltwandler derart in Abhängigkeit des erfassten gleichgerichteten Ausgangsstroms regeln, dass ein im Wesentlichen konstanter Ausgangsstrom fließt. Der gleichgerichtete konstante Ausgangsstrom eignet sich beispielsweise zum Laden von Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien.
  • Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt kann der Gleichspannungsschaltwandler einen Abwärtswandler, auch Tiefsetzsteller genannt, umfassen. Abwärtswandler arbeiten im Allgemeinen besonders energieeffizient und erlauben das Herabsetzen einer Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung. Abwärtswandler weisen typischerweise eine Reihenschaltung aus einem periodisch schaltenden elektronischen Schalter und einer Freilaufdiode auf, wobei der Diode eine Reihenschaltung aus einer Drossel und einem Kondensator parallel geschaltet ist.
  • Der Antrieb ermöglicht durch den erfindungsgemäßen Reichweitenverlängerer grundsätzlich das Laden der Batterie und damit eine Verlängerung der Reichweite für Hybridfahrzeuge, die mit dem Antrieb ausgestattet sind. Der erfindungsgemäße Reichweitenverlängerer ermöglicht außerdem, die gesteuerte Batterie und insbesondere deren Batteriestränge alternierend zu laden. Die Batteriestränge können eine n-phasige Wechselspannung direkt und vorzugsweise ohne Wechselrichter erzeugen. Derjenige Batteriestrang, der gerade die niedrigste Momentanspannung der n-phasigen Wechselspannung erzeugt, kann den gleichgerichteten Strom des Reichweitenverlängerers aufnehmen und dadurch geladen werden. Da die niedrigste Momentanspannung im Allgemeinen abwechselnd an den n Batteriesträngen anliegt, lädt der Reichweitenverlängerer die Batteriestränge abwechselnd, bzw. alternierend.
  • Bevorzugt ist die gesteuerte Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie.
  • Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt kann der Antrieb n Dioden umfassen, wobei jeweils eine Diode mit einem der n Batteriestränge und mit dem Reichweitenverlängerer verbunden sein kann und wobei die Dioden derart geschaltet sind, dass die Batteriestränge geladen werden können, also bevorzugt in Flussrichtung. Die Dioden verhindern insbesondere einen Rückfluss des Stroms aus einem Batteriestrang in andere Batteriestränge und umgekehrt. In einer alternativen Ausführung umfasst der Antrieb n Halbleiterschalter anstatt der n Dioden. Es ist also jeweils ein Halbleiterschalter mit einem der n Batteriestränge und mit dem Reichweitenverlängerer verbunden. Die Halbleiterschalter sind bevorzugt so schaltbar, dass, wenn ein n-ter Halbleiterschalter einen vorbestimmten Batteriestrang mit dem Reichweitenverlängerer verbindet, die übrigen n – 1 Halbleiterschalter die n – 1 Batteriestränge in dem Moment vom Reichweitenverlängerer trennen. Auf diese Weise kann ein vorbestimmter Batteriestrang geladen werden. Dies ist von Vorteil, wenn beispielsweise ein Batteriestrang weniger Ladung aufweist als andere Batteriestränge. Insbesondere ermöglichen die n Halbleiterschalter ein Laden eines Batteriestrangs unabhängig davon, ob an diesem Batteriestrang die niedrigste Momentanspannung der n Batteriestränge anliegt.
  • Die Halbleiterschalter umfassen beispielsweise MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode), Thyristoren oder Bipolartransistoren.
  • Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt ist der Gleichspannungsschaltwandler ausgelegt, einen vorbestimmten Ausgangsstrom zu erzeugen. Dadurch kann der Reichweitenverlängerer gezielt einen Ladestrom bereitstellen, der zum jeweils zu ladenden Batteriestrang passt.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass n gleich drei ist. Das heißt, der Antrieb bildet ein Dreiphasensystem. Dies ist von Vorteil, da Dreiphasenkomponenten, wie Motoren und Generatoren in dieser Auslegung im Allgemeinen kostengünstig sind.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reichweitenverlängerers, und
  • 2 ein Ausführungsbeispiel eines Antriebs.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist ein Reichweitenverlängerer 100 gezeigt, der einen Verbrennungsmotor 102 und einen mit dem Verbrennungsmotor 102 gekoppelten Generator 104 umfasst. Der Verbrennungsmotor 102 erzeugt Rotationsenergie, die der Generator 104 aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt. Der Generator 104 gibt die elektrische Energie in Form einer Dreiphasenwechselspannung an einen Dreiphasenbrückengleichrichter 106, der daraus eine gleichgerichtete Ausgangsspannung bzw. einen gleichgerichteten Ausgangsstrom erzeugt. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung durchläuft einen Abwärtswandler 108, und liegt dort an einem Eingangssiebkondensator 110 sowie an einer Reihenschaltung aus einem Schalter 112 und einer Freilaufdiode 114 an. Der Freilaufdiode 114 ist außerdem eine Reihenschaltung aus einer Drossel 116 und einem Ausgangssiebkondensator 118 parallel geschaltet. Der Ausgangssiebkondensator 118 erzeugt aus der gleichgerichteten Ausgangsspannung eine abwärts gewandelte Ausgangsgleichspannung.
  • Ein Ausgangsgleichstrom des Abwärtswandlers 108 wird von einem Regler 122 beispielsweise über einen Stromsensor erfasst. Der Regler 122 regelt in Abhängigkeit des Ausgangsgleichstroms des Abwärtswandlers 108 den Schalter 112 derart, dass der Abwärtswandler 108 einen im Wesentlichen konstanten Ausgangsgleichstrom bereitstellt. Der konstante Ausgangsgleichstrom wird einer gesteuerten Batterie 200 zum Laden zur Verfügung gestellt, wie in 2 gezeigt.
  • Die Batterie 200 in 2 weist drei Batteriestränge 202 auf. Entsprechend den drei Batteriesträngen 202 ist der Reichweitenverlängerer über drei Dioden 120 mit den Batteriesträngen 202 verbunden.
  • Jeder Batteriestrang 202 weist eine Reihenschaltung mehrerer Batteriemodule 203 auf. Jeder Batteriestrang 202 bildet eine Phase, die mit einem dreiphasigen Elektromotor 208 direkt verbunden ist.
  • Jedes Batteriemodul 203 umfasst eine Reihenschaltung mehrerer Lithium-Ionen-Batteriezellen 206, und eine Koppeleinheit 204. Die Koppeleinheit 204 gibt die Spannung der Lithium-Ionen-Batteriezellen-Reihenschaltung 206, deren invertierte Spannung oder eine Spannung von null Volt aus, wobei in diesem Fall die Koppeleinheit 204 die Lithium-Ionen-Batteriezellen-Reihenschaltung 206 überbrückt. Die Reihenschaltung der Koppeleinheiten 204 bildet einen Batteriestrang 202, der beispielsweise eine stufenweise Wechselspannung erzeugen kann. Die gesteuerte Batterie 200 kann so den dreiphasigen Elektromotor 208 ohne Wechselrichter direkt antreiben.
  • Ist die Momentanspannung an einem der Batteriestränge 202 gerade am niedrigsten, kann der konstante Ausgangsstrom des Reichweitenverlängerers 100 diesen Batteriestrang 202 laden. Da die niedrigste Momentanspannung abwechselnd an den Batteriesträngen 202 anliegt, lädt der Reichweitenverlängerer 100 die Batteriestränge 202 abwechselnd, bzw. alternierend.
  • Der Reichweitenverlängerer 100, die gesteuerte Batterie 200 und der Elektromotor 208 bilden einen Hybridantrieb, der beispielsweise in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden kann.
  • 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 102010002168 A1 [0006]
    • DE 102010064314 [0007]
    • DE 102010027857 [0008]
    • DE 102010027861 [0008]

Claims (9)

  1. Reichweitenverlängerer (100) für ein durch eine elektrische Maschine (208) angetriebenes Hybridfahrzeug, mit: einem Generator (104) zur Erzeugung elektrischer Energie; einem Verbrennungsmotor (102) zum Antreiben des Generators (104), der eine Anzahl n Generatorausgangsspannungen erzeugt; und einem n-Phasengleichrichter (106) zum Gleichrichten der n Generatorausgangsspannungen zu einer gleichgerichteten Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, dass der Reichweitenverlängerer (100) ferner einen Gleichspannungsschaltwandler (108) zum Wandeln der gleichgerichteten Ausgangsspannung des Generators (104) umfasst.
  2. Reichweitenverlängerer (100) nach Anspruch 1 mit einem Stromsensor, der einen gleichgerichteten Ausgangsstrom des n-Phasengleichrichters erfasst, und mit einem Regler (122), der den Gleichspannungsschaltwandler (108) derart in Abhängigkeit des erfassten gleichgerichteten Ausgangsstroms regelt, dass ein konstanter Ausgangsstrom fließt.
  3. Reichweitenverlängerer (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gleichspannungsschaltwandler (108) einen Abwärtswandler (108) umfasst.
  4. Antrieb für ein Hybridfahrzeug, umfassend eine gesteuerte Batterie (200) mit einer Anzahl n Batteriestränge (202), die eine n-phasige Wechselspannung bereitstellt; eine erste elektrische Maschine (208) zum Antreiben des Hybridfahrzeugs, wobei an der ersten elektrischen Maschine (208) die n-phasige Wechselspannung anliegt; und einen Reichweitenverlängerer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reichweitenverlängerer (100) die n Batteriestränge (202) alternierend auflädt.
  5. Antrieb nach Anspruch 4, mit n Dioden (120), wobei jeweils eine Diode (120) mit einem der n Batteriestränge (202) und mit dem Reichweitenverlängerer (100) verbunden ist und wobei die Dioden (120) derart geschaltet sind, dass die Batteriestränge (202) ladbar sind.
  6. Antrieb nach Anspruch 4, mit n Halbleiterschaltern, wobei jeweils ein Halbleiterschalter mit einem der n Batteriestränge (202) und mit dem Reichweitenverlängerer (100) verbunden ist und wobei die Halbleiterschalter derart schaltbar sind, dass sie einen vorbestimmten Batteriestrang (202) mit dem Reichweitenverlängerer (100) verbinden.
  7. Antrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Gleichspannungsschaltwandler (108) ausgelegt ist, einen vorbestimmten Ausgangsstrom zu erzeugen.
  8. Antrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei n gleich drei ist.
  9. Kraftfahrzeug, insbesondere Hybridfahrzeug, mit einem Antrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 8.
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