DE102014202410A1

DE102014202410A1 - Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug und Verfahren zum Laden

Info

Publication number: DE102014202410A1
Application number: DE102014202410.2A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fetzer; Stefan Butzmann; Holger Fink; Hans Partes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2015-08-13
Also published as: US20160355099A1; WO2015121083A3; US10106050B2; WO2015121083A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (1000), wobei die Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Energiespeichereinrichtung (1), einen Range-Extender mit einem Verbrennungsmotor (10) und einen Wechselstrom erzeugenden Generator (13) umfasst, wobei der Generator (13) mit dem Verbrennungsmotor (10) mechanisch koppelbar oder gekoppelt ist und die Energiespeichereinrichtung (1) während eines Fahrbetriebs mit Wechselstrom aus dem Generator (13) aufladbar ist, und wobei die Energiespeichereinrichtung (1) mehrere Energieversorgungsanschlüsse (1001, 1002, 1003), an denen jeweils eines von mehreren steuerbaren Potentialen bereitstellbar ist, und mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) aufweist, wobei mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) an einem Ende zu einem Sternpunkt (123, 456) zusammengeschaltet sind und jeder Energieversorgungsanschluss (1001, 1002, 1003) mit einem Ende eines Energieversorgungszweigs (100, 200, 300, 400, 500, 600) verbindbar oder verbunden ist, und wobei ein Energiezellenmodul (100-1 bis 600-n) jeweils eine elektrochemische Zelle und eine steuerbare Koppeleinrichtung zur elektrischen Einkopplung der elektrochemischen Zelle in ihren Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) aufweist.

Description

Stand der Technik
Diese Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung zur Bereitstellung von Energie für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden einer solchen Energieversorgungseinrichtung.
Viele elektrisch betreibbare Fahrzeuge benötigen zu ihrer Versorgung eine elektrische Wechselspannung, die häufig ein- oder dreiphasig ist. Im Stand der Technik sind elektrische Energiespeichereinrichtungen bekannt, die eine Vielzahl von Energiezellenmodulen umfassen, die jeweils eine elektrochemische Zelle umfassen. Mehrere der Energiezellenmodule sind jeweils in Reihe zusammengeschaltet und bilden einen Energieversorgungszweig. Die elektrochemischen Zellen der einzelnen Energiezellenmodule können über eine Koppeleinrichtung, beispielsweise einen 4-Quadrantensteller, in ihren Energieversorgungszweig eingekoppelt werden. Die von einer elektrochemischen Zelle erzeugte Spannung kann mit unterschiedlicher Polarität in den Energieversorgungszweig eingekoppelt werden, so dass mit einem Energieversorgungszweig sowohl positive als auch negative Spannungen erzeugt werden können. Alternativ kann die elektrochemische Zelle abgekoppelt und durch Erzeugen eines Kurzschlusses zwischen den Einbindungsanschlüssen des Energiezellenmoduls in der Reihenschaltung überbrückt werden, was als Bypassmodus bezeichnet wird. Zum Laden eines Energiezellenmoduls wird dessen elektrochemische Zelle derart in den Energieversorgungszweig eingekoppelt, dass dessen Spannung einer Ladespannung entgegengerichtet ist. Zum Entladen bzw. für die Stromversorgung eines Verbrauches wird die elektrochemische Zelle mit einer Polung in den Energieversorgungszweig eingekoppelt, mit der Strom in der richtigen Richtung durch den Verbraucher fließt. Durch koordiniertes Einkoppeln der Energiezellenmodule kann eine Wechselspannung mit innerhalb von Betriebsgrenzen frei wählbarer Frequenz erzeugt werden. Eine solche Energiespeichereinrichtung wird als Battery Direct Inverter (BDI) bezeichnet. Ein BDI verhält sich an seinen Energieversorgungsanschlüssen wie ein konventioneller Umrichter mit einem Zwischenkreis. Es können somit alle Verbraucher, die an einen konventionellen Umrichter angeschlossen werden können, auch an einen BDI angeschlossen werden. Ein Beispiel aus dem Stand der Technik für einen solchen BDI ist in der WO 2012/159811 offenbart.
Für den Einsatz in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind sogenannte Range-Extender bekannt. Diese umfassen einen Generator, der mit einem Verbrennungsmotor antreibbar ist. Der Verbrennungsmotor wird gestartet, wenn der Energieinhalt der Energiespeichereinrichtung unter eine kritische Schwelle fällt, und treibt dann den Generator an. Mit dem Generator wird die Batterie über Gleichrichter aufgeladen. Ein Antriebsmotor wird über einen Wechselrichter mit elektrischer Energie aus der Batterie versorgt. In einer Variante kann der Antriebsmotor auch mit Strom aus dem Generator versorgt werden. Die Batterie ist üblicherweise in einem Gleichspannungszwischenkreis angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Um die bekannten Energieversorgungseinrichtungen zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen BDI während einer Energieabgabe aus dem Energieversorgungssystem mit einem Wechselstrom erzeugenden Generator eines Range-Extenders aufzuladen. Vorteilhaft wird beispielsweise die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges durch die Möglichkeit, während der Fahrt die Energiespeichereinrichtung nachzuladen, erhöht. Besonders bevorzugt wird der Wechselstrom zum Aufladen des BDI nicht in einen Gleichstrom zwischengewandelt, sondern unmittelbar zum Laden des BDI verwendet. In dem BDI sind mehrere Energieversorgungszweige an einem Ende zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Der Sternpunkt ist an dem Ende des Energieversorgungszweigs angeordnet, an dem sich kein Energieversorgungsanschluss des Energieversorgungszweigs befindet. Der Begriff ”Sternpunkt” bezeichnet dabei die Stelle bzw. das Potential des Zusammenschlusses der Energieversorgungszweige. An dem Sternpunkt kann bei symmetrischem Wechselstrom in den Energieversorgungszweigen ein Nullpotential vorliegen. Vorzugsweise sind der Generator und/oder der Antriebsmotor dreiphasige elektrische Maschinen und die Energiespeichereinrichtung weist zumindest drei Energieversorgungszweige auf. In einer Version erzeugt der Range-Extender beim Laden der Energiespeichereinrichtung bei gleichzeitigem Fahrbetrieb mehr mechanische Leistung, als für den Antrieb des Fahrzeugs erforderlich ist. Die überschüssige Leistung wird zum Aufladen der Energiespeichereinrichtung verwendet. Vorzugsweise ist die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors des Range-Extenders größer als die elektrische Antriebsleistung der Antriebsmaschine und insbesondere größer als die Antriebsleistung der elektrischen Antriebsmaschine geteilt durch den Wirkungsgrad des Generators. Vorzugsweise läuft der Range-Extender mit konstanter Leistung und/oder konstanter Drehzahl. Dadurch kann der Betrieb des Range-Extenders optimiert werden. Die Antriebsmaschine kann als Transversalflussmaschine ausgeführt sein. Neben dem Laden mittels des Generators ist vorzugsweise auch das Laden aus einem öffentlichen elektrischen Netz möglich, wozu die Energieversorgungseinrichtung Anschlüsse und Mittel umfassen kann.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer Ausführungsform ist ein Teil aller Energiezellenmodule der Energiespeichereinrichtung mittels des Generators aufladbar. Die Energiespeichereinrichtung und/oder die Energieversorgungseinrichtung weisen dementsprechend Mittel zum teilweisen Aufladen der Energiespeichereinrichtung auf. Dieses teilweise Aufladen hat den Vorteil, dass ein Teil der Energiezellenmodule geladen werden kann, während ein anderer Teil Energie für das Fahrzeug liefert. Auf diese Weise ist das Aufladen während eines elektrischen Fahrbetriebs möglich. Dabei kann Energie für den Fahrbetrieb dem nicht aufzuladenden Teil der Energiespeichereinrichtung entnommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann elektrische Energie aus dem Generator für den Fahrbetrieb abgezweigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Energiespeichereinrichtung mehr Energieversorgungszweige als sie Energieversorgungsanschlüsse aufweist. In Verbindung mit einer oder mehreren Schalteinrichtungen ermöglicht dies, so viele Energieversorgungszweige zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit den Energieversorgungsanschlüssen zu verbinden, wie Energieversorgungsanschlüsse vorhanden sind. Auf diese Weise können Energieversorgungszweige, die aktuell nicht mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden sind und nicht der Stromversorgung dienen, mit dem Generator geladen werden, wozu sie mit diesem verbunden werden können. So ist es möglich, einen Teil aller Energieversorgungszweige zu laden, während ein anderer Teil für das Entladen, zum Beispiel in einem Fahrbetrieb, zur Verfügung steht. Nachdem ein Energieversorgungszweig aufgeladen ist, kann dieser von dem Generator getrennt werden und in einen Entladebetrieb übergehen, indem er mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden wird.
In einem Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsform umfasst die Energieversorgungseinrichtung doppelt so viele Energieversorgungszweige wie Energieversorgungsanschlüsse. Vorzugsweise sind mehrere Energieversorgungszweige, deren Anzahl der Anzahl der Energieversorgungsanschlüsse entspricht, an einem Ende zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Vorzugsweise wird ein Sternpunkt mit zwei oder besonders bevorzugt mit drei Energieversorgungszweigen gebildet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsform ist jeder Energieversorgungszweig mittels einer Schalteinrichtung mit einem Energieversorgungsanschluss verbindbar und mit einer weiteren Schalteinrichtung mit dem Generator verbindbar. Durch geeignete Ansteuerung der Schalteinrichtungen und der Koppeleinrichtungen der Energiezellenmodule kann bewirkt werden, dass Energieversorgungszweige Energie abgeben oder aufnehmen. Besonders bevorzugt werden Energieversorgungszweige, die einen gemeinsamen Sternpunkt aufweisen, gemeinsam auf die Energieversorgungsanschlüsse geschaltet oder mit dem Generator verbunden. Vorzugsweise sind die Schalteinrichtungen Halbleiterventile. Vorzugsweise wirken die Energieversorgungszweige, die über einen Sternpunkt miteinander verbunden sind, wie einzelne BDIs. Verfahren zum Entladen eines BDIs sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das Laden eines BDIs kann analog durchgeführt werden. Ein BDI kann mit Wechselstrom ohne Gleichspannungszwischenkreis geladen werden. In einer Variante können die Schalteinrichtungen so geschaltet werden, dass Stromfluss von dem Generator sowohl zu einem Energieversorgungszweig als auch zu einem Energieversorgungsanschluss möglich ist. Dann kann Energie aus dem Generator sowohl zum Laden als auch zur Abgabe an einen Verbraucher genutzt werden. Die Energieabgabe aus der Energieversorgungseinrichtung kann durch Anpassung der Stromaufnahme der Energiespeichereinrichtung gesteuert werden, beispielsweise durch pulsweitenmoduliertes Einkoppeln von Energiezellenmodulen in ihren Energieversorgungszweig. Da es sich bei dem Strom aus dem Generator um Wechselstrom handelt, sind die Schalteinrichtungen vorzugsweise bidirektionale Halbleiterschalter. Dies gilt für alle Varianten und Ausführungsformen dieser Erfindung.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird eine Energieversorgungseinrichtung vorgeschlagen, bei der ein Ende von jedem der Energieversorgungszweige mit dem Generator verbindbar oder verbunden und das andere Ende von jedem der Energieversorgungszweige mittels einer elektrisch ansteuerbaren Schalteinrichtung mit dem Generator oder/und mit einem Energieversorgungsanschluss verbindbar oder verbunden ist. Die mit dem Generator verbundenen Enden der Energieversorgungszweige bilden einen Sternpunkt. Die Energieversorgungseinrichtung weist einen Energieversorgungszweig auf, der mit jedem der Energieversorgungsanschlüsse mittels je einer Schalteinrichtung verbindbar ist. Ebensoviele Energieversorgungszweige, wie Energieversorgungsanschlüsse vorhanden sind, sind mit einem bestimmten der Energieversorgungsanschlüsse jeweils mittels einer Schalteinrichtung verbindbar. Die vorgenannten Schalteinrichtungen sind bevorzugt so ansteuerbar, dass jeder der Energieversorgungsanschlüsse mit einem der Energieversorgungszweig verbunden ist, während ein weiterer Energieversorgungszweig mit dem Generator verbunden ist. Soll ein Energieversorgungszweig, der mit jedem der Energieversorgungsanschlüsse verbindbar ist, entladen werden, so wird er mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden, der einem anderen Energieversorgungszweig fest zugeordnet, jedoch nicht mit seinem Energieversorgungsanschluss verbunden ist, beispielsweise, weil er im Ladebetrieb und nur mit dem Generator verbunden ist. Der Wechselstrom aus dem Generator wird bevorzugt mit einem Gleichrichter gleichgerichtet. Der Gleichrichter wie auch die Schalteinrichtungen können Teil der Energiespeichereinrichtung sein.
In einer weiteren Ausführungsform weisen mindestens zwei, vorzugsweise drei oder alle Energieversorgungszweige zwischen zwei Energiezellenmodulen in Inneren der Energieversorgungsstränge jeweils einen Generatoranschluss auf, mit dem je eine Phase des Generators verbunden ist. Die Wirkungsweise und die Betriebsmöglichkeiten dieser Ausführungsform sind nachfolgend in Bezug auf ein Verfahren beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Energieversorgungseinrichtung Besonderheiten des Range-Extenders bzw. von Generator und Antriebsmotor auf. Dieser Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung kommt von den anderen Ausführungsformen unabhängige Bedeutung zu. Das Fahrzeug kann mit Energie aus dem Range-Extender mittels des Antriebsmotors angetrieben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Fahrzeug mit mechanischer Energie aus dem Range-Extender antreibbar sein. In einer bevorzugten Version ist nicht nur der elektrische Antriebsmotor mit einem Rad des Fahrzeugs rotativ verbunden, sondern auch der als Generator wirkende Teil des Range-Extenders. Der Generator kann mit dem Antriebsmotor mechanisch phasenstarr gekoppelt sein. Somit kann der Generator Wechselstrom mit derselben Frequenz und Phasenlage erzeugen, wie der Antriebsmotor zu seinem Betrieb aufnimmt. Zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Generator ist in dem mechanischen Strang des Range-Extenders ein Getriebe angeordnet. Dieses Getriebe ermöglicht es, die Drehzahl des Generators an die Drehzahl des Verbrennungsmotors bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten anzupassen. Vorzugsweise weist das Getriebe eine stufenlose Übersetzung (CVT-Getriebe) auf, die bevorzugt mittels eines Stellmotors verstellbar ist. Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform ein magnetischer Erreger für den Generator vorgesehen, mit dem die Leistung des Generators gesteuert werden kann, worüber auch der Ladevorgang der Energiespeichereinrichtung gesteuert werden kann. Der Generator ist in dieser Ausführungsform über eine Schalteinrichtung mit der Energiespeichereinrichtung wahlweise verbindbar oder von dieser trennbar. Auf diese Weise kann ein Ladevorgang ein- und ausgeschaltet werden.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die rotative Kopplung zwischen dem Generator und dem Verbrennungsmotor durch eine Kupplung trennbar. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Verbrennungsmotor bei geringen Fahrgeschwindigkeiten seine Drehzahluntergrenze unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kupplung zwischen dem Generator und dem Antriebsmotor angeordnet sein. Diese bewirkt, dass der Generator auch im Stillstand des Fahrzeugs betrieben werden kann. Die Kupplungen können beispielsweise als Fliehkraftkupplung oder als elektromechanisch betätigbare Kupplung ausgeführt sein.
Die Kupplung zwischen der Antriebsmaschine und dem Generator ist vorzugsweise so ausgeführt, dass die Antriebsmaschine und der Generator ausschließlich in einer Rotationsstellung zueinander gekoppelt werden können, in der sie eine vordefinierte Phasenlage zueinander einnehmen. Beispielsweise kann die Kupplung formschlüssig wirken, beispielsweise in der Art einer Klauenverbindung, wie es etwa bei einem synchronisierten Getriebe zwischen Welle und Getrieberad üblich ist. Vorzugsweise weisen der Generator und die Antriebsmaschine die gleiche Anzahl von Polen auf. Bei Verrastung der formschlüssigen Kupplung stimmt die Winkellage der Pole vorzugsweise überein.
In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform sind der Generator und der Antriebsmotor in einer Einheit zusammengefasst. Insbesondere können der Generator und der Antriebsmotor dieselbe elektrische Maschine sein.
Außerdem ist in dieser Ausführungsform der Antriebsmotor mit der Energiespeichereinrichtung verbunden, wobei diese Verbindung vorzugsweise durch eine Schalteinrichtung unterbrechbar ist. Diese Schalteinrichtung kann eine andere Schalteinrichtung als die Schalteinrichtung für den Ladevorgang sein. In einer Variante mit einer elektrischen Maschine, die zugleich als Generator und als Antriebsmotor dient, kann für beide Funktionskomponenten jedoch auch eine einzige Schalteinrichtung zum Verbinden bzw. Trennen der Energiespeichereinrichtung von der elektrischen Maschine vorgesehen sein.
In einer Version dieser Ausführungsform wird zumindest ein Großteil der mechanischen Energie des Verbrennungsmotors von dem Generator in elektrische Energie umgewandelt und die Verteilung zwischen Antriebsenergie und Ladeenergie elektrisch vorgenommen. Dazu ist der Antriebsmotor elektrisch mit dem Generator verbunden und nimmt von diesem erzeugte Energie als elektrischen Wechselstrom auf.
In dieser Variante besteht außerdem eine rotative Kopplung zwischen dem Generator und der Antriebsmaschine, so dass diese phasengleich laufen. Frequenz und Phase des von dem Generator erzeugten Stroms stimmen somit mit Phase und Frequenz des Stroms überein, der von der Antriebsmaschine aufgenommen wird. Die mechanische Verbindung zwischen der Antriebsmaschine und dem Generator dient in dieser Variante in erster Linie dazu, die feste Phasenkopplung zwischen dem Generator und der Antriebsmaschine zu gewährleisten. Sie kann mit einer geringeren mechanischen Festigkeit ausgelegt sein, als zur mechanischen Übertragung der vollen Leistung des Verbrennungsmotors erforderlich wäre.
In einer weiteren Variante sind der Generator und der Antriebsmotor jeweils mit einer ihnen zugeordneten Schalteinrichtung ausgestattet. Die mechanische Verbindung zwischen dem Generator und der Antriebsmaschine ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie die volle mechanische Leistung des Verbrennungsmotors übertragen kann. Bei geschlossener Schalteinrichtung des Generators wird die Energiespeichereinrichtung mit Wechselstrom aus dem Generator geladen. Die Schalteinrichtung der Antriebsmaschine kann dabei geöffnet sein, so dass kein Strom von dem Generator zu der Antriebsmaschine fließt. Der Fahrbetrieb wird durch Übertragung von mechanischer Energie des Verbrennungsmotors über den Generator und die Verbindung an die Antriebsmaschine und von dort zu wenigstens einem Rad des Fahrzeugs bewirkt. Die Antriebsmaschine läuft in diesem Betriebszustand leer mit. In einem elektrischen Fahrbetrieb kann die Schalteinrichtung des Generators geöffnet und die Schalteinrichtung der Antriebsmaschine geschlossen werden, so dass die Antriebsmaschine mit der Energiespeichereinrichtung verbunden ist und aus dieser heraus betrieben werden kann. Wenn beide Schalteinrichtungen geschlossen sind, kann ein Teil der vom Generator erzeugten Energie zum Laden und ein Teil als Antriebsenergie verwendet werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laden einer Energieversorgungseinrichtung nach einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen, gemäß dem die Energieversorgungseinrichtung geladen wird, während das Fahrzeug mit Antriebsenergie aus dem Range-Extender versorgt wird. Der Generator des Range-Extenders liefert zum Laden eine Wechselspannung, bevorzugt eine Dreiphasenwechselspannung, die vorzugsweise nicht gleichgerichtet wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird mit dem Generator ein Teil der Energiezellenmodule der Energiespeichereinrichtung mit Wechselstrom aus dem Generator geladen. Dadurch kann ein elektrischer Fahrbetrieb mit den restlichen Energiezellenmodulen aufrechterhalten werden. Außerdem ist es in einer Variante möglich, den restlichen Teil der Energiezellenmodule so zu betreiben, dass sie als Umrichter zwischen einer Generatorfrequenz und einer von der Energieversorgungseinrichtung z. B. an eine Antriebsmaschine abzugebenden Frequenz wirken.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Ausgangsleistung des Generators in einer Ladeleistung zum Aufladen von elektrochemischen Zellen der Energiespeichereinrichtung und in einer Energieversorgungsleistung aufgeteilt, mit der ein Verbraucher, der an die Energieversorgungseinrichtung angeschlossen ist, versorgt wird. Um die Aufteilung zu erreichen, werden Energiezellenmodule in ihre Energieversorgungsstränge eingekoppelt, so dass diese Ladestrom aus dem Generator aufnehmen. Vorzugsweise sind die aufzuladenden Energiezellenmodule und der Verbraucher dabei parallel geschaltet. Dadurch kann der Strom aus dem Generator in einen Ladestrom und einen Versorgungsstrom aufgeteilt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Verbraucher mit aufzuladenden Energiezellenmodulen in Reihe geschaltet sein, so dass sich die von dem Generator abgegebene Ladespannung auf den Verbraucher und die zu ladenden Energiezellenmodule aufteilt. Das Aufteilen der Leistung kann durch die Anzahl der eingekoppelten elektrochemischen Zellen und die zeitliche Dauer dieser Einkopplung gesteuert werden. Das Einkoppeln kann so erfolgen, dass sich eine gewünschte Spannung bzw. ein gewünschter Strom einstellt. Dazu kann ein Wechsel zwischen dem Einkoppeln von Energiezellenmodulen in deren Energieversorgungszweig und deren Bypassbetrieb erfolgen, beispielsweise gemäß einem bekannten Pulsweitenmodulationsverfahren. Bei der Leistungsaufteilung wird bevorzugt nur ein Teil aller Energiezellenmodule geladen, wobei z. B. nur ein Teil aller Energieversorgungszweige oder nur ein Teil aller Energiezellenmodule in einem Energieversorgungszweig geladen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird während eines Energieversorgungsbetriebs eine Anzahl von Energieversorgungszweigen mit den Energieversorgungsanschlüssen verbunden, um einen Verbraucher zu versorgen, während gleichzeitig wenigstens ein weiterer Energieversorgungszweig mit dem Generator verbunden ist, um diesen zu laden. Auf diese Weise ist das Aufladen eines Teils der Energiespeichereinrichtung während des Energieversorgungsbetriebs, beispielsweise bei einem Fahrbetrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, möglich.
Vorzugsweise wird in einer Version mittels des Range-Extenders ein Satz von Energieversorgungssträngen geladen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Energieversorgungsanschlüsse der Energieversorgungseinrichtung ist. Ein zweiter Satz mit gleicher Anzahl von Energieversorgungssträngen gibt gleichzeitig Energie für den Fahrbetrieb ab. Die Energieversorgungsstränge in einem Satz sind in einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Nach dem Entladen eines Satzes kann dieser wieder aufgeladen und ein weiterer, während des Entladens aufgeladener Satz im Fahrbetrieb entladen werden. Dazu werden Schalteinrichtungen der Energieversorgungseinheit geeignet geschaltet. Auf diese Weise steht stets elektrische Energie für den Fahrbetrieb zur Verfügung. Die Sätze wirken wie einzelne BDIs und können wie solche entladen und geladen werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können zur Energieabgabe aus der Energieversorgungseinrichtung Schalteinrichtungen der Energieversorgungseinrichtung derart gesteuert werden, dass mit jedem Energieversorgungsanschluss ein Energieversorgungszweig verbunden ist, während gleichzeitig ein Energieversorgungszweig zum Laden mit dem Generator verbunden wird. Die Energie abgebenden Energieversorgungszweige können dabei Energieversorgungszweige sein, die ausschließlich mit einem bestimmten der Energieversorgungsanschlüsse verbindbar sind. Ist jedoch einer dieser Energieversorgungszweige nicht mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden, während er z. B. geladen wird, so kann ein Energieversorgungszweig, welcher auch an andere Energieversorgungsanschlüsse schaltbar ist, an dessen Energieversorgungsanschluss geschaltet werden, um ihn bei der Energieabgabe zu ersetzen. In dieser Variante sind alle Energieversorgungszweige zu einem einzelnen Sternpunkt zusammengeschlossen, an den der Generator angeschlossen ist. Dadurch reicht ein Schaltelement für jeden Energieversorgungszweig zur Verbindung mit dem Generator aus. Der Generator ist vorzugsweise ein ein- oder dreiphasiger Wechselstromgenerator. Die beiden Potentiale eines einphasigen Generators können ohne Gleichrichtung an die Energiespeichereinrichtung bzw. deren Schaltelemente angeschlossen werden. Bei einem dreiphasigen Generator wird vorzugsweise ein Gleichrichter zwischen die Energiespeichereinrichtung bzw. deren Schaltelemente und den Generator geschaltet. Besonders bevorzugt wird der zu ladende Energieversorgungszweig unter den Energieversorgungszweigen durchgetauscht, so dass insgesamt ein gleichmäßiges Laden und Entladen der Energieversorgungszweige stattfindet. Besonders bevorzugt sind insgesamt vier Energieversorgungszweige vorgesehen. In diesem Fall wird vorzugsweise der aufzuladende Energieversorgungszweig mit mehr Strom, vorzugsweise mindestens dreimal so viel Strom, geladen, als ihm im Entladebetrieb entnommen wird. So kann sichergestellt werden, dass die Energiespeichereinrichtung nicht leer wird, obwohl durch das Durchtauschen der Energieversorgungszweige zwischen Lade- und Entladebetrieb längere Entladezeiten als Ladezeiten vorliegen.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Teil aller Energiezellenmodule innerhalb eines Energieversorgungszweiges geladen. Dazu ist im Inneren des Energieversorgungszweiges ein Anschluss an den Generator vorgesehen. Mehrere solcher Energieversorgungszweige sind an einem ihrer Enden zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Das jeweils andere Ende der Energieversorgungszweige ist mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden. Zwischen zwei Generatoranschlüssen der Energieversorgungszweige kann eine Generatorspannung angelegt werden, die auf die Energiezellenmodule zwischen dem Generatoranschluss des einen Energieversorgungszweigs und dem Sternpunkt sowie zwischen dem Sternpunkt und dem Generatoranschluss des anderen Energieversorgungszweiges wirkt. Diese sind somit unter Anwendung einer geeigneten, nach dem Stand der Technik bekannten Ansteuerung der einzelnen Energiezellenmodule mit Wechselstrom aus dem Generator aufladbar. Vorzugsweise sind ein dreiphasiger Generator und drei Energieversorgungszweige vorgesehen. Die Phasen des Generators sind mit den jeweiligen Generatoranschlüssen der Energieversorgungszweige verbunden, so dass alle Energiezellenmodule zwischen den Generatoranschlüssen und dem Sternpunkt geladen werden können. Die Generatoranschlüsse sind zwischen zwei Energiezellenmodulen angeordnet.
In einer Variante können die zu ladenden Energiezellenmodule von den anderen Energiezellenmodulen abgekoppelt werden, sodass letztere als BDI für die Abgabe von Energie wirken können, während die zu ladenden Energiezellenmodule wie ein BDI geladen werden.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform können die Energiezellenmodule zwischen den Generatoranschlüssen und dem Sternpunkt so gesteuert werden, dass sie nicht den ganzen Strom aus dem Generator aufnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, den Generatorstrom aufzuteilen und einen Teil zum Laden und einen Teil zur Abgabe über die Energieversorgungsanschlüsse an einen Verbraucher zu nutzen. Vorzugsweise sind dazu die Energiezellenmodule zwischen den Generatoranschlüssen und den Energieversorgungsanschlüssen auf Kurzschluss geschaltet, so dass die elektrochemischen Zellen nicht in die Energieversorgungszweige eingekoppelt sind und Strom vom Generator unmittelbar zu den Energieversorgungsanschlüssen fließen kann.
In einer weiteren Weiterbildung wirkt der Teil der Energiezellenmodule, die zwischen den Generatoranschlüssen und dem Sternpunkt angeordnet sind, als Umrichter, der eine Frequenz des Generators in eine an einen Verbraucher abzugebende Frequenz umwandelt. Dazu können die Energiezellenmodule derart in ihre Energieversorgungszweige eingekoppelt werden, dass sie eine Spannungsdifferenz liefern, die sich aus dem Verlauf der Generatorspannung und dem Verlauf der von der Energieversorgungseinrichtung abzugebenden Spannung ergibt. Sind die Generatorspannung und die abzugebende Spannung in der Zusammenschau über drei Energieversorgungszweige jeweils eine Dreiphasenwechselspannung, so können diese in Raumzeigerdarstellung dreidimensional betrachtet werden. Die Generatorspannung kann dann als in drei Dimensionen umlaufender Vektor und die abzugebende Spannung als ein weiterer Spannungsvektor dargestellt werden. Durch die unterschiedlichen Frequenzen laufen die beiden Spannungsvektoren mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in der Raumzeigerdarstellung um. Aus dem momentanen Differenzvektor zwischen Generatorspannung und abzugebender Spannung kann eine momentan an den verschiedenen Phasen mit den Energieversorgungszweigen einzustellende Spannung ermittelt werden. Die abzugebende Spannung liegt in jedem Energieversorgungszweig zwischen dem Sternpunkt und dem Energieversorgungsanschluss an. Die Generatorspannung liegt in jedem Energieversorgungsmodul zwischen dem Generatoranschluss und dem Sternpunkt an. Um ein Laden der Energiezellenmodule zwischen dem Generatoranschluss und dem Sternpunkt mit dem Generator zu ermöglichen, ist es erforderlich, diese Module an die Frequenz des Generators anzupassen und entsprechend in die Energieversorgungszweige einzukoppeln. Die mit anderer Frequenz zu erzeugende abzugebende Spannung wird somit aus den Energiezellenmodulen zwischen dem Generatoranschluss und dem Energieversorgungsanschluss in jedem der Energieversorgungszweige erzeugt, indem die Differenzspannung zwischen der Generatorspannung und der abzugebenden Spannung in jedem Energieversorgungszweig erzeugt wird. Dazu können in den Abschnitten der Energieversorgungszweige zwischen den jeweiligen Generatoranschlüssen und Energieversorgungsanschlüssen ausreichend viele Energiezellenmodule vorhanden sein, um die maximale Spannungsdifferenz zwischen der abzugebenden Spannung und der Generatorspannung erzeugen zu können. Die Anzahl der Energiezellenmodule in dem Abschnitt der Energieversorgungszweige zwischen dem Generatoranschluss und dem Sternpunkt ist vorzugsweise so groß ausgelegt, dass die Summe der Zellenspannungen mindestens so groß wie eine maximale Generatorspannung werden kann. Wenn die Energieversorgungseinrichtung einen Range-Extender mit einem Verbrennungsmotor aufweist und aus der Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Antriebsmaschine eines Fahrzeugs versorgt werden soll, kann durch die Umrichterwirkung der Energiespeichereinrichtung die Drehzahl des Verbrennungsmotors von der Drehzahl der Antriebsmaschine entkoppelt werden.
In einer Weiterbildung der Energieversorgungseinrichtung nach dieser Ausführungsform wird die Modulation des Stroms zum Verbraucher bewirkt, indem in dem Anteil der Energiespeichereinrichtung, der zwischen den Generatoranschlüssen und den Energieversorgungsanschlüssen angeordnet ist, Energiezellenmodule derart gegen die Stromrichtung des Stroms zum Verbraucher geschaltet werden, dass sie durch den Strom aufgeladen werden und gleichzeitig die Spannung an den Verbraucher mindern. Durch geeignetes Einkoppeln der Energiezellenmodule in die Abschnitte der Energieversorgungszweige zwischen den Generatoranschlüssen und den Energieversorgungsanschlüssen kann die Frequenz des Generators in die Frequenz der abzugebenden Spannung umgewandelt werden, indem Energiezellemodule zum Laden in die Energieversorgungszweige geschaltet werden, wenn von dem Energieversorgungszweig eine geringere Spannung abgegeben werden soll, als der Generator liefert, und indem Energiezellenmodule Energie abgeben und Spannung für den Verbraucher liefern, wenn die Generatorspannung kleiner als die abzugebende Spannung in einem Energieversorgungszweig ist. In einer kombinierten Version werden die Energiezellenmodule zeitweise geladen und geben zeitweise Energie ab, je nach dem, was für die Bereitstellung der abzugebenden Spannung erforderlich ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die elektrochemischen Zellen, die in einen Energieversorgungszweig zum Laden eingekoppelt werden und/oder Energieversorgungszweige, die zum Laden mit dem Generator verbunden sind, derart ausgetauscht, dass im zeitlichen Mittel alle Energiezellenmodule mit Ladestrom versorgt werden, und insbesondere alle Energiezellenmodule gleichmäßig geladen werden. Dazu kann ein festgelegtes Austauschschema verwendet werden oder in einer anderen Variante hinterlegt werden, welche elektrochemische Zelle geladen wurde und insbesondere zusätzlich, wie lange sie geladen wurde. Auf diese Weise stehen Informationen über das Laden aller Energiezellenmodule für eine Verwaltung und Steuerung des Ladens der Energiezellenmodule zur Verfügung. Insbesondere können dabei defekte Energiezellenmodule aus dem Betrieb genommen werden. Es können bereits bekannte Verfahren für die Verwaltung des Ladens der Energiezellen verwendet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung,
2 ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung,
3 ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung,
4 ein schematisches Schaltbild einer vierten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung,
5 ein schematisches Schaltbild einer fünften Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung,
6 ein schematisches Schaltbild einer sechsten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung,
7 ein schematisches Schaltbild einer siebten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung, und
8 ein Raumzeigerdiagramm zur grafischen Ermittlung eines Raumzeigers, der mit einem Teil eines BDIs eingestellt wird.
1 zeigt schematisch ein Schaltbild einer Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung. Die Energieversorgungseinrichtung umfasst einen Range-Extender, der seinerseits einen Verbrennungsmotor 10, eine mechanische Kupplung 11, ein Getriebe 12, einen Generator 13 mit einer steuerbaren Erregungswicklung 14 umfasst. Der Verbrennungsmotor 10, die Kupplung 11, das Getriebe 12 und der Generator 13 sind miteinander rotationsgekoppelt. Mit dem Generator ist eine Antriebsmaschine 1000 eines Fahrzeugs rotationsstarr gekoppelt. Die Antriebsmaschine 1000 ist kein Teil der Energieversorgungseinrichtung. An den Generator 13 ist über eine Schalteinrichtung 130 eine Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen. An die Energieversorgungseinrichtung 1 ist ohne zwischengeschaltete Schalteinrichtung die Antriebsmaschine 1000 angeschlossen. Der Generator 13 und die Antriebsmaschine 1000 sind als dreiphasige Maschinen ausgeführt und weisen dieselbe Polpaarzahl auf. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst drei Energieversorgungszweige 100, 200, 300, die jeweils n-Energiezellenmodule 100-1 bis 100-n bzw. 200-1 bis 200-n bzw. 300-1 bis 300-n aufweisen. Jeweils ein Ende jedes Energieversorgungszweigs 100, 200, 300 ist in einem Sternpunkt 123 mit den Enden der anderen Energieversorgungszweige 100, 200, 300 zusammengeschaltet. Die jeweils anderen Enden der Energieversorgungszweige 100, 200, 300 sind jeweils mit einer Phase des Generators 13 verbindbar und mit jeweils einer Phase der Antriebsmaschine 1000 verbunden.
Die Kupplung 11 kann als Fliehkraftkupplung ausgeführt sein oder elektromechanisch betätigbar sein. Die rotationsstarre Verbindung zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 führt zu einer identischen Frequenz und Phasenlage der elektrischen Spannungen des Generators und der Antriebsmaschine. Das Getriebe 12 ist vorzugsweise als Getriebe mit stufenlos verstellbarer Übersetzung (CVT-Getriebe) ausgeführt. Vorzugsweise ist die Übersetzung zwischen Antrieb und Abtrieb kontinuierlich innerhalb gewisser Grenzen mittels eines Stellmotors variierbar. Somit ist innerhalb gewisser Grenzen eine stufenlose Drehzahlanpassung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Generator möglich. Die Amplitude der Ausgangsspannung des Generators 13 kann über die Erregerregelung 14 variiert werden. Die Energiespeichereinrichtung 1 ist ohne Zwischengleichspannungskreis oder Umformer und über die Schalteinrichtung 130 angeschlossen. Die Schalteinrichtung 130 ist bevorzugt als dreipoliger Sicherheitsschutz ausgeführt.
Die Energiezellenmodule weisen eine Kopplungseinheit auf, mit der die Energiezellenmodule in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden können, nämlich zumindest normale Entladung, Entladung bei umgekehrtem Strom und Ladung, sowie Bypassbetrieb, in dem die elektrochemische Zelle nicht in den Energieversorgungszweig eingekoppelt ist und das Energiezellenmodul in dem Energieversorgungszweig kurzgeschlossen ist. Die Kopplungseinheit kann beispielsweise als H-Brücke bzw. Vier-Quadrantensteller oder als Zwei-Quadrantensteller mit umkehrbarem Ausgangsstrom ausgeführt sein. Mit der Koppeleinheit kann eine elektrochemische Zelle, die einen Teil eines Energiezellenmoduls 100-1 bis 300-n bildet, in verschiedene Polungsrichtungen in einen Energieversorgungszweig 100, 200, 300 geschaltet werden, wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist.
Mittels der Koppeleinheiten der Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n kann mit der Energiespeichereinrichtung 1 eine stufige sinusähnliche dreiphasige Spannung erzeugt werden. Wird in der Energiespeichereinrichtung 1 ein kritisch niedriger Ladezustand erreicht, so startet der Verbrennungsmotor 10. Dieser wird im Leerlauf gestartet und zunächst nicht in den mechanischen Strang aus Kupplung 11, Getriebe 12, Generator 13 und Antriebsmaschine 1000 eingekuppelt. Aufgrund der momentan gefahrenen Geschwindigkeit und Umdrehungszahlen der Maschine bzw. des Generators und des Verbrennungsmotors wird die notwendige Umdrehungszahl für den Verbrennungsmotor ermittelt und eingestellt. Außerdem wird die Getriebeübersetzung so eingestellt, dass an beiden Seiten der Kupplung wenigstens näherungsweise gleiche Drehzahlen anliegen, sodass wenigstens näherungsweise ruckfrei eingekuppelt werden kann. Ein weiterer Zweck der Kupplung 11 ist es, den Verbrennungsmotor 10 vom Getriebe 12 in dem Fall trennen zu können, indem das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit fährt, die kleiner als eine kritische Geschwindigkeit ist. Diese kritische Geschwindigkeit entspricht der minimalen Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 bei kleinstmöglicher Übersetzung oder größtmöglicher Untersetzung des Getriebes 12. Wenn die kritische Geschwindigkeit erreicht wird, wird die Kupplung geöffnet und der mechanische Antriebsstrang zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 12 geöffnet. Die Öffnungsdrehzahl einer Fliehkraftkupplung 11 liegt vorzugsweise nahe einer Minimaldrehzahl des Verbrennungsmotors.
Die Energiespeichereinrichtung 1 wird von dem Generator 13 parallel zum Fahrbetrieb mit der Antriebsmaschine 1000 geladen. Dabei ist die Schalteinrichtung 130 geschlossen. Zur Aufteilung des Stroms aus dem Generator 13 auf die Antriebsmaschine 1000 und die Energiespeichereinrichtung 1 wird die Energiespeichereinrichtung 1 durch Steuerung der Koppeleinheiten so gesteuert, dass sie Leistung des Generators aufnimmt, die für den Fahrbetrieb nicht erforderlich ist. Bei der Steuerung der Energiespeichereinrichtung 1 wird eine geeignete Anzahl von Energiezellenmodulen im jeweiligen Zweig in den Lade- oder Bypass-Modus versetzt, um eine Gegenspannung der Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n einzustellen, die für die momentane Generatorspannung geeignet ist. Beim Nulldurchgang der sinusförmigen Generatorspannung befindet sich beispielsweise nur ein Energiezellenmodul im Lademodus. Steigt die Spannung an einem Modul über einen kritischen Wert, so wird ein weiteres Energiezellenmodul 100-1 bis 300-n zum Laden in den Energieversorgungszweig 100, 200, 300 geschaltet, und beim Spitzenwert der Generatorspannung sind entweder alle Module oder alle Module außer einem im Lademodus. Im Zeitmittel geladen werden alle Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n eines Energieversorgungszweigs 100, 200, 300, sodass abwechselnd Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n, die eine Zeit lang im Bypass-Modus waren, in den Lademodus versetzt werden, und umgekehrt. Bei Erreichen einer festgelegten mittleren oder oberen Ladeschwelle der Energiezellenmodule wird der Verbrennungsmotor 10 abgeschaltet.
2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung. Diese ist der ersten Ausführungsform in vielen Details gleich oder ähnlich. Gleiche Merkmale bzw. Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Im Folgenden wird auf die Unterschiede zwischen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform eingegangen.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Verbindung der Antriebsmaschine 1000 zu der Energiespeichereinrichtung 1 durch eine Schalteinrichtung 140 unterbrechbar ist. Außerdem ist die rotative Kopplung zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 so ausgelegt, dass sie die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors 10 zu der Antriebsmaschine und damit letztlich zu Rädern eines anzutreibenden Fahrzeugs übertragen kann. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform kann in der zweiten Ausführungsform die Fahrleistung vom Verbrennungsmotor direkt mechanisch erbracht werden. In diesem Betrieb ist zugleich das Laden der Energiespeichereinrichtung 1 möglich. Dazu wird die Schalteinrichtung 140 geöffnet und die Antriebsmaschine 1000 von der Energiespeichereinrichtung 1 elektrisch getrennt. Die Schalteinrichtung 130 ist geschlossen. Mittels des mitlaufenden Generators 13 wird die Energiespeichereinrichtung 1 geladen, was bei gleichzeitigem Fahrbetrieb über die direkte mechanische Verbindung möglich ist. Mittels der Erregerwicklung 14 kann die Generatorspannung so eingestellt werden, dass die Energiespeichereinrichtung 1 jeweils geeignete Ladespannung erhält. Insbesondere kann dann auch bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 geladen werden. Die Antriebsmaschine 1000 läuft in diesem Betriebszustand leer mit.
3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich nur in wenigen Details von der zweiten Ausführungsform. Gleiche Merkmale und Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform durch eine Anordnung einer mechanischen Kupplung 11 in der mechanischen Verbindung zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000. In der in 3 dargestellten Variante entfällt die Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 12 der Ausführungsform in 2. In einer anderen, nicht dargestellten Variante kann diese Kupplung zusätzlich vorgesehen sein. Ein Vorteil der Anordnung der Kupplung 11 zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 liegt darin, dass ein Laden auch im Stand des Fahrzeugs möglich ist. Typischerweise ist die Antriebsmaschine 1000 im Normalbetrieb nicht trennbar mit wenigstens einem Rad des anzutreibenden Fahrzeugs verbunden. Durch die Anordnung der Kupplung 11 zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 ist es möglich, dass der Generator 13 mit dem Verbrennungsmotor 10 rotiert, während die Antriebsmaschine 1000 und das Fahrzeug stehen. Beim Starten des Verbrennungsmotors 10 wird die Kupplung 11 getrennt. Zum Einkuppeln während der Fahrt wird der Verbrennungsmotor auf eine geeignete Drehzahl gebracht und am Getriebe eine geeignete Übersetzung eingestellt, um ruckfrei einkuppeln zu können. Die Kupplung 11 wird geschlossen, die Schalteinrichtung 140 geöffnet und die Schalteinrichtung 130 geschlossen. In diesem Betriebszustand kann der Fahrbetrieb über die geschlossene mechanische Kupplung 11 erfolgen, während die Energiespeichereinrichtung 1 mittels des Generators 13 geladen wird. Im Stand bzw. unterhalb einer minimalen Geschwindigkeit wird die Kupplung 11 bei weiterlaufendem Verbrennungsmotor 10 geöffnet, wobei die Energiespeichereinrichtung 1 bei Fahrzeugstillstand von dem Generator 13 geladen wird. Besonders bevorzugt ist die Kupplung 11 zwischen Generator 13 und Antriebsmaschine 1000 so ausgeführt, dass sie eine gleiche Phasenlage der elektrischen Phasen von Generator und Motor bei geschlossenem Zustand der Kupplung bewirkt. Beispielsweise kann dies durch Formschluss, etwa in Form einer Klauenverbindung in der Art eines synchronisierten Getriebes, realisiert sein. Der Formschluss wird nur wirksam, wenn die Lage der Pole des Generators 13 und der Antriebsmaschine 1000 gleich ist.
In 4 ist schematisch eine Blockschaltdarstellung einer vierten Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung dargestellt. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich nur in Details von der ersten Ausführungsform. Gleiche Merkmale und Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen beziffert und werden nicht noch einmal gesondert erläutert.
Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass der Generator 13 und die Antriebsmaschine 1000 in der 1 zu einer kombinierten Generator-Antriebsmaschine 1013 zusammengefasst sind, wobei abweichend von den anderen Ausführungsformen die Antriebsmaschine einen Teil des Range-Extenders bildet. Die nicht trennbare mechanische Verbindung zwischen der Antriebsmaschine 1000 und der Energiespeichereinrichtung 1 in der 1 entfällt als separates Detail, da die Generator-Antriebsmaschine 1013 diese Verbindung in sich umfasst. Die Generator-Antriebsmaschine 1013 ist über die Schalteinrichtung 130 mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden. Dabei ist zwischen der Energieversorgungseinrichtung 1 und der Generator-Antriebsmaschine 1013 kein Umformer vorgesehen. Die Generator-Antriebsmaschine 1013 kann in einem Ausführungsbeispiel als Transversalflussmaschine ausgeführt sein. Die Kupplung 11 ist vorzugsweise eine kraftschlüssige Kupplung, was auch für alle anderen Ausführungsformen gilt, bei denen die Kupplung 11 zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 12 angeordnet ist. Wenn die Kupplung 11 geschlossen ist, kann der Fahrbetrieb mit der Leistung des Verbrennungsmotors 10 rein mechanisch erfolgen, während die Generator-Antriebsmaschine 1013 als Generator arbeitet und die Energiespeichereinrichtung 1 auflädt.
In 5 ist eine fünfte Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung schematisch als Blockschaltbild dargestellt. In der fünften Ausführungsform umfasst ein Range-Extender zumindest einen Verbrennungsmotor 10 und einen Generator 13. Der Range-Extender kann jedoch auch noch weitere Komponenten, wie etwa in einer der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben, umfassen. Der Generator 13 ist dreiphasig ausgeführt. Er ist über eine Schalteinrichtung 15 mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbindbar. Die Schalteinrichtung 15 ist vorzugsweise als dreipoliger Sicherheitsschutz ausgeführt. Zwischen der Energiespeichereinrichtung 1 und dem Generator 13 sind alternativ oder zusätzlich Schalteinrichtungen 101, 201, 301, 401, 501 und 601 vorgesehen. Die Energiespeichereinrichtung 1 weist sechs Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400, 500 und 600 auf. Die Energieversorgungszweige 100, 200 und 300 sind jeweils an einem ihrer Enden zu einem Sternpunkt 123 zusammengeschaltet. In gleicher Weise sind die Energieversorgungszweige 400, 500 und 600 an einem ihrer Enden zu einem zweiten Sternpunkt 456 zusammengeschaltet. Die jeweils über einen Sternpunkt zusammengeschalteten Energieversorgungszweige können für sich allein die Funktion einer Energiespeichereinrichtung, z. B. wie oben beschrieben, übernehmen. Somit umfasst die fünfte Ausführungsform zwei unabhängig voneinander steuerbare Sub-Energiespeichereinrichtungen 100, 200, 300, 123 und 400, 500, 600, 456 in ihrer Energiespeichereinrichtung 1.
In einem normalen Entladebetrieb ohne Range-Extender werden die Koppeleinheiten innerhalb der Energiezellenmodule 100-1 bis 600-n gemäß einem bekannten Verfahren zum Betrieb einer solchen Energiespeichereinrichtung 1 entladen. Dies ist mit dem Teil der Energiespeichereinrichtung 1, der aus den Energieversorgungszweigen 100, 200 und 300 gebildet ist, sowie mit dem Teil, der aus den Energieversorgungszweigen 400, 500 und 600 gebildet ist, jeweils separat möglich.
Die Energieversorgungseinrichtung umfasst Schalteinrichtungen 101, 201, 301 bzw. 401, 501, 601, mit denen die Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 mit der Antriebsmaschine 1000 verbindbar sind. Mittels Schließen der Schalteinrichtungen 101, 201, 301 bzw. 401, 501, 601 kann im Fahrbetrieb jeweils einer der Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 entladen werden. Das Entladen der beiden zusammengeschalteten Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 kann abgewechselt werden, um eine gleichmäßigere Entladung der Energieversorgungszweige zu erreichen. Besonders bevorzugt wird jedoch zunächst einer der beiden Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 bis zu einem kritischen niedrigen Ladezustand entladen. Ein kritischer niedriger Ladezustand kann ein niedriger Ladezustand eines einzelnen Energiezellenmoduls oder von mehreren Energiezellenmodulen sein, beispielsweise ein Mittelwert des Ladezustands von mehreren Energiezellenmodulen. Wenn ein kritischer unterer Ladezustand in einem der Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 erreicht wird, wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet und der Generator 11 liefert eine dreiphasige sinusförmige Generatorspannung. Dann wird mit der Generatorspannung einer der beiden Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 aufgeladen, indem die Schaltelemente 101, 201, 301 bzw. 401, 501, 601 elektrisch leitend geschlossen werden. Der jeweils andere Satz von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 wird über die Schalteinrichtungen 102, 202, 302 bzw. 402, 502, 602 mit der Antriebsmaschine 1000 verbunden, um den Fahrbetrieb aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann zugleich ein Satz von Strängen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 geladen werden, während ein Fahrbetrieb aus dem anderen Satz von Strängen 400, 500 und 600 bzw. 100, 200, 300 möglich ist. Alle anderen Schalter bleiben offen. Der Generator weist in dieser Ausführungsform eine Leistungsfähigkeit auf, die größer ist, als die mögliche Leistungsaufnahme der Antriebsmaschine 1000. Das Laden eines Satzes von zusammengeschalteten Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 kann mit nach dem Stand der Technik bekannten Methoden oder mit einem der oben beschriebenen Verfahren erfolgen. Die Schalteinrichtungen 101, 201, 301, 401, 501, 601 sowie 102, 202, 302, 402, 502, 602 sind vorzugsweise bidirektionale Halbleiterschalter. Im Zeitmittel werden alle Energiezellenmodule eines Energieversorgungszweigs 100, 200, 300, 400, 500, 600 geladen, so dass abwechselnd Energiezellenmodule 100-1 bis 600-n, die eine Zeit im Bypassmodus waren, in den Lademodus versetzt werden, und umgekehrt. Im Zeitmittel werden auch beide der Sätze von zusammengeschalteten Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 geladen, so dass nach einer gewissen Zeit – beispielsweise 1, 10 oder 100 sek. – durch Umschaltung der entsprechenden Schalteinrichtungen der gerade geladene Satz von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300, 400, 500, 600 für den Fahrbetrieb genutzt wird. Somit werden im Mittel beide dieser Sätze geladen. Beim Erreichen einer gewissen mittleren, oberen Ladeschwelle der Energiezellenmodule 100-1 bis 600-n wird der Verbrennungsmotor 10 abgeschaltet.
In 6 ist eine sechste Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung als schematisches Blockschaltbild gezeigt. Ein Range-Extender umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und einen Generator 13 sowie unter Umständen weitere Komponenten, wie sie etwa in Bezug auf eine der Ausführungsformen 1 bis 4 beschrieben oder nach dem Stand der Technik bekannt sind. Der Generator 13 und eine Antriebsmaschine 1000 weisen jeweils drei Phasen auf. Eine Energiespeichereinrichtung 1 umfasst vier Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400, die jeweils an einem ihrer Enden zu einem Sternpunkt 1234 zusammengeschaltet sind. Die Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 umfassen Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n. Ein Potential des Generators 13 ist über eine Gleichrichtereinrichtung 16 und eine Schalteinrichtung 15 mit dem Sternpunkt 1234 und ein weiteres Potential des Generators 13 über Schalteinrichtungen 101, 201, 301 und 401 mit den jeweils nicht mit dem Sternpunkt 1234 verbundenen Enden der Energieversorgungsstränge 100, 200, 300, 400 verbunden. Optional ist zwischen die Gleichrichtereinrichtung 16 und die Energiespeichereinrichtung 1 eine Drossel 17 geschaltet, die den Gleichstrom aus der Gleichrichtereinrichtung 16 glättet.
Die Energieversorgungszweige 100, 200, 300 sind über Schalteinrichtungen 102, 202 bzw. 302 mit jeweils einer der Phasen der Antriebsmaschine 1000 verbindbar. Der Energieversorgungszweig 400 ist über drei Schalteinrichtungen 411, 412 und 413 mit jeder der drei Phasen der Antriebsmaschine 1000 verbindbar. Im Fahrbetrieb ohne Betrieb des Range-Extenders werden die Koppeleinheiten der Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n so gesteuert, dass drei der Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 eine stufige, sinusähnliche, dreiphasige Ausgangsspannung für die Antriebsmaschine 1000 erzeugen. Die Schalteinrichtungen 101, 201, 301 und 401 sind so geschaltet, dass kein Strom darüber fließt. Die Auswahl, welche drei Energieversorgungszweige der vier Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 momentan für den Fahrbetrieb genutzt werden, betrifft sowohl die Ansteuerung der Koppeleinheiten der für den Fahrbetrieb genutzten Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 sowie das geeignete Schalten der Halbleiterschalter 102, 202, 302, 411, 412, 413. Sollen beispielsweise die Stränge 100, 200, 300 für den Fahrbetrieb genutzt werden, so werden die Schalteinrichtungen 102, 202 und 302 geschlossen und 411, 412 und 413 geöffnet. Sollen beispielsweise die Stränge 200, 300 und 400 für den Fahrbetrieb genutzt werden, so sind die Schalteinrichtung 102 geöffnet, die Schalteinrichtungen 202, 302 und 411 geschlossen sowie die Schalteinrichtungen 412 und 413 geöffnet. Entsprechend kann der Energieversorgungszweig 400 statt eines der Energieversorgungszweige 100, 200 oder 300 für den Fahrbetrieb genutzt werden, indem die Schalteinrichtung 102, 202 oder 302 des nicht zu nutzenden Energieversorgungszweigs 100, 200 oder 300 geöffnet wird und der Energieversorgungszweig 400 mit mittels einer der Schalteinrichtungen 411, 412 oder 413 auf die Phase des Antriebsmotors 1000 geschaltet wird, auf die der nicht genutzte Energieversorgungszweig 100, 200, 300 mit seiner zugeordneten Schalteinrichtung 102, 202 oder 302 geschaltet werden könnte. Um alle Energieversorgungszweige 100, 200, 300 und 400 gleichmäßig zu entladen, wird der nicht zum Entladen genutzte Energieversorgungszweig 100, 200, 300 und 400 durchgetauscht, so dass im Zeitmittel alle Stränge 100, 200, 300 und 400 genutzt werden.
Wird ein kritisch niedriger Ladezustand der Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n oder eines einzelnen Energiezellenmoduls 100-1 bis 400-n erreicht, wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet und der Generator 13 liefert über die Gleichrichtereinrichtung 16, die geschlossene Schalteinrichtung 15 und die optionale Drossel 17 eine Gleichspannung. Diese wird genutzt, um einen gerade nicht zum Entladen genutzten Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 zu laden. Dazu wird die mit diesem Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 verbundene Schalteinrichtung 101, 201, 301 bzw. 401 geschlossen. Somit kann ein Strom von dem Generator 13 durch diesen Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 fließen und ihn aufladen. Die Koppeleinrichtungen in dem Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 werden entsprechend zum Aufladen angesteuert. Treiben beispielsweise die Energieversorgungszweige 100, 200 und 300 die Antriebsmaschine, so wird die Schalteinrichtung 401 geschlossen, so dass der Energieversorgungszweig 400 geladen werden kann. Die gleichgerichtete Generatorspannung ist so ausgelegt, dass der Ladestrom mittels der zu ladenden Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n geregelt werden kann. Dies geschieht dadurch, dass mehr oder weniger Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n in einem Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 zum Laden in diesen eingekoppelt werden. Der Rest der Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n wird mit den jeweiligen Koppeleinheiten in den Bypassmodus geschaltet. Im Zeitmittel werden alle Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n eines Energieversorgungszweigs 100, 200, 300, 400 geladen, so dass abwechselnd Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n, die eine Zeit im Bypassmodus waren, in den Lademodus versetzt werden, und umgekehrt. Im Zeitmittel sollen auch alle Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 geladen werden, so dass nach einer gewissen Zeit, beispielsweise 1, 10 oder 100 sek. durch Umschaltung der jeweiligen Schalteinrichtungen der soeben geladene Energieversorgungszweig für den Fahrbetrieb genutzt wird und ein anderer Energieversorgungszweig geladen wird. Bei Erreichen einer gewissen mittleren oberen Ladeschwelle der Energiezellenmodule 100- bis 400-n wird der Verbrennungsmotor 10 abgeschaltet.
In 7 ist eine siebte Ausführungsform schematisch als Blockschaltbild gezeigt. Ein Range-Extender umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und einen Generator 13 sowie unter Umständen weitere Komponenten, etwa wie in der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben. Der Generator 13 ist dreiphasiger Generator. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst drei Energieversorgungszweige 100, 200, 300 mit in Reihe geschalteten Energiezellenmodulen 100-1...300-n. Im Inneren von jedem der Energieversorgungszweige 100, 200, 300 ist zwischen den Energiezellenmodulen 100-I und 100-I + 1 bzw. 200-I und 200-I + 1 bzw. 300-I und 300-I + 1 jeweils ein Generatoranschluss 131, 132 bzw. 133 angeordnet. Jeweils ein Ende jedes der Energieversorgungszweige ist mit einem Ende jedes anderen Energieversorgungszweigs zu einem Sternpunkt 123 zusammengeschaltet. Die Energiezellenmodule 100-1 bis 100-I bzw. 200-1 bis 200-I bzw. 300-1 bis 300-I bilden jeweils einen Energieversorgungsteilzweig 100S bzw. 200S bzw. 300S, der jeweils zwischen einem der Generatoranschlüsse 131, 132 bzw. 133 und dem Sternpunkt 123 angeordnet ist. Die Energiezellenmodule 100-I + 1 bis 100-n, die Energiezellenmodule 200-I + 1 bis 200-n bzw. die Energiezellenmodule 300-I + 1 bis 300-n bilden jeweils einen Energieversorgungsteilzweig 100E, 200E bzw. 300E, die jeweils zwischen einem der Generatoranschlüsse 131, 132 bzw. 133 und einem Energieversorgungsanschluss 1001, 1002 bzw. 1003 angeordnet sind. Jeweils zwei Energieversorgungsteilstränge, nämlich die Energieversorgungsteilstränge 100E und 100S, 200E und 200S sowie 300E und 300S bilden einen Energieversorgungsstrang 100, 200, 300. An die Energieversorgungsanschlüsse 1001, 1002 und 1003 ist eine dreiphasige elektrische Antriebsmaschine 1000 angeschlossen.
In einem normalen Fahrbetrieb ohne Betrieb des Range-Extenders geben die Energieversorgungsstränge jeweils eine stufige, sinusähnliche, dreiphasige Ausgangsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 1001, 1002 und 1003 ab. Dies geschieht, bis die Energiezellenmodule einen unteren kritischen Ladungswert unterschreiten, woraufhin der Verbrennungsmotor 10 gestartet wird. Der Generator 11 liefert eine sinusförmige dreiphasige Wechselspannung an die Energiespeichereinrichtung 1. Hierdurch werden die Energiezellenmodule 100-1 bis 100-I, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I wieder aufgeladen, wobei gleichzeitig der Fahrbetrieb durch die Antriebsmaschine 1000 aufrechterhalten wird.
Ein Verfahren für den Fahrbetrieb mit Energieversorgung aus der Energiespeichereinrichtung 1 beinhaltet die Steuerung der Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n in den verfügbaren Betriebsmodi der Koppeleinheiten, um gleichzeitig zum Betrieb des Range-Extenders den Fahrbetrieb mit verschiedenen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Der Range-Extender arbeitet vorzugsweise bei konstanter Umdrehungsfrequenz. Er produziert bevorzugt seine Maximalleistung. Seine Leistung kann zwischen Fahr- und Ladungsbetrieb aufgeteilt werden.
Sowohl der Generator 13 als auch die Antriebsmaschine 1000 können mit Hilfe der Energiespeichereinrichtung 1 nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Führung von Drehfeldmaschinen geregelt werden. Dies kann anhand von Spannungszeigern in einer Raumzeigerdarstellung beschrieben werden. In der Raumzeigerdarstellung repräsentieren die Achsen u, v und w die drei Phasen der Energiespeichereinrichtung 1. Die Generatorspannung kann durch den Raumzeiger U →_BR dargestellt werden. Dieser Spannungszeiger kann mit den Energiezellenmodulen 100-1 bis 100-I, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I eingestellt werden, so dass die an den Generatoranschlüssen 131, 132 und 133 anliegende Dreiphasenwechselspannung U →_M zu der Generatorspannung passt, um ein Aufladen von Energiezellenmodulen in den Energieversorgungsteilzweigen 100S, 200S und 300S zu bewirken. An den Energieversorgungsanschlüssen 1001, 1002 und 1003 liegen die Potentiale zur Versorgung der Antriebsmaschine 1000 an. Die Dreiphasenwechselspannung U →_M setzt sich aus den Spannungen über die Energieversorgungsteilzweige 100E, 200E und 300E sowie 100S, 200S und 300S zusammen, wobei die Energieversorgungsteilzweige 100E, 200E und 300E jeweils eine Phase zu dem Raumzeiger U →_BM beisteuern und die Energieversorgungsteilzweige 100S, 200S und 300S jeweils eine Komponente des Raumzeigers U →_BR beisteuern. Entsprechend lässt sich der Raumzeiger der gesamten Energiespeichereinheit 1 als U →_M = U →_BM + U →_BR darstellen. Die Raumzeiger U →_M und U →_BR weisen in der Regel unterschiedliche Frequenzen auf. Der Raumzeiger U →_M läuft mit der Frequenz der Antriebsmaschine 1000 um, während der Raumzeiger U →_BR mit der Frequenz des Generators 13 umläuft. Daher kann der Phasenwinkel zwischen diesen beiden Raumzeigern jeden beliebigen Wert annehmen. Um die unterschiedlichen Dreiphasenwechselspannungen aneinander anzupassen, können die Energiezellenmodule 100-I + 1 bis 300-n der Energieversorgungsteilzweige 100E, 200E und 300E die Differenzspannung U →_BR zwischen den Raumspannungszeigern U →_M und U →_BR liefern. Der Betrag von U →_BM ist maximal gleich der Summe der maximalen Beträge der Spannungszeiger U →_M und U →_BR . Diese maximalen Beträge sind durch die Auslegung der Antriebsmaschine 1000 bzw. die Auslegung des Generators 13 vorgegeben. Die Anzahl n der Energiezellenmodule in einem Energieversorgungszweig 100, 200, 300 ist so ausgelegt, dass der maximal mögliche Betrag des Spannungszeigers U →_BM immer einstellbar ist. Die Anzahl I der Energiezellenmodule 100-1 bis 100-I bzw. 200-1 bis 200-I bzw. 300-1 bis 300-I der Energieversorgungsteilstränge 100S, 200S bzw. 300S ist so ausgelegt, dass der Betrag des Spannungszeigers U →_BR stets größer eingestellt werden kann, als die maximale Klemmenspannung des Generators 13.
Der Verbrennungsmotor 10 ist so dimensioniert, dass dessen Ausgangsleistung größer ist als die von der Antriebsmaschine 1000 im zeitlichen Mittel aufgenommene Leistung. Die nicht für die Antriebsmaschine 1000 benötigte Energie kann zum Laden von Batteriemodulen 100-1 bis 300-n verwendet werden. Dafür sind in zwei verschiedenen Varianten zwei verschiedene Vorgehensweisen möglich.
Die Energiezellenmodule 100-1 bis 300-I in den Energieversorgungsteilsträngen 100S, 200S und 300S können mit Strom I_BR aus dem Generator 13 geladen werden. Der Ladestrom wird über die Einstellung des Spannungszeigers U →_BR geregelt. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur gleichmäßigen Entladung von Energiezellenmodulen 100-1 bis 300-n in einer Energiespeichereinrichtung 1 bekannt. Diese können analog auch für den Ladevorgang angewendet werden. Bevorzugt sind nach einem Ladevorgang alle Energiezellenmodule 100-1 bis 100-I, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I in den Energieversorgungsteilsträngen 100S, 200S und 300S gleichmäßig geladen. Nach dem Aufladen der Energieversorgungsteilstränge 100S, 200S und 300S wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und Energie für den Fahrbetrieb aus den Energiezellenmodulen 100-1 bis 100-I, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I in den Energieversorgungsteilsträngen 100S, 200S und 300S entnommen. Ein anderer Teil I_M des Stroms I_R aus dem Generator 13 fließt durch die Energieversorgungsteilstränge 100E, 200E und 300E zu der Antriebsmaschine 1000. Somit wird die Antriebsmaschine 1000 aus dem Generator versorgt, wobei gleichzeitig die Energieversorgungsteilzweige 100S, 200S und 300S geladen werden.
Um eine gleichmäßige Verteilung der Energie in den Energiezellenmodulen 100-I + 1 bis 100-n, 200-I + 1 bis 200-n und 300-I + 1 bis 300-n in den Energieversorgungsteilsträngen 100E, 200E und 300E zu erreichen, kann eine Teilmenge der Energiezellenmodule 100-I + 1 bis 100-n, 200-I + 1 bis 200-n und300-I + 1 bis 300-n so in ihre Energieversorgungsteilstränge 100E, 200E und 300E eingekoppelt werden, dass deren elektrochemische Zellen geladen werden, während die Antriebsmaschine 1000 motorisch betrieben wird. Diese Energiezellenmodule 100E, 200E und 300E erzeugen dann in den Energieversorgungsteilsträngen 100E, 200E und 300E eine der für den Betrieb der Antriebsmaschine 1000 erforderlichen Spannung entgegengesetzte Spannung. Um trotzdem die für die Antriebsmaschine 1000 erforderliche Ausgangsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 1001, 1002 und 1003 bereitzustellen, stehen ausreichend viele Energiezellenmodule 100-I + 1 bis 100-n, 200-I + 1 bis 200-n und 300-I + 1 bis 300-n zur Verfügung. Dieses Verfahren kann unabhängig davon, ob der Verbrennungsmotor 10 in Betrieb ist oder nicht, angewendet werden. Vorzugsweise wird die Teilmenge der Energiezellenmodule 100-I + 1 bis 100-n, 200-I + 1 bis 200-n und 300-I + 1 bis 300-n, die geladen werden, so variiert, dass im zeitlichen Mittel alle Energiezellenmodule 100-I + 1 bis 100-n, 200-I + 1 bis 200-n und 300-I + 1 bis 300-n gleich lange geladen werden. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Verteilung der Energie auf alle Energiezellenmodule 100-I + 1 bis 100-n, 200-I + 1 bis 200-n und 300-I + 1 bis 300-n in den Energieversorgungsteilsträngen 100E, 200E und 300E erreicht werden.
8 zeigt eine Raumzeigerdarstellung einer Dreiphasenwechselspannung über die Energiespeichereinrichtung 1 der siebten Ausführungsform sowie Dreiphasenwechselspannungen U →_BM und U →_BR der Energieversorgungsteilzweige 100E, 200E und 300E bzw. der Energieversorgungsteilzweige 100S, 200S und 300S. Es ist ein dreidimensionales Koordinatensystem mit den Achsen u, v und w dargestellt, wobei jeweils eine der Achse u, v und w die Spannung einer Phase darstellt. Somit kann jede Dreiphasenwechselspannung als ein Raumzeiger in dem Koordinatensystem dargestellt werden. Der Raumzeiger läuft mit der Frequenz der jeweiligen Wechselspannung in dem Koordinatensystem um. 8 zeigt eine graphische Ermittlung des Raumzeigers U →_BM , der in den Energieversorgungsteilzweigen 100E, 200E und 300E eingestellt werden kann, um den Frequenzunterschied zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 auszugleichen. Mathematisch stellt sich die Berechnung als U →_BM = U →_M – U →_BR dar. In der graphischen Ermittlung wird von dem Raumzeiger U →_M der Raumzeiger U →_BR abgezogen, indem er an die Spitze des Raumzeigers U →_M mit umgekehrter Pfeilrichtung angefügt wird. An der Spitze des umgekehrt angefügten Raumzeigers U →_BR liegt die Spitze des zu berechnenden Raumzeigers U →_BM , dessen Ursprung im Ursprung des Koordinatensystems liegt. In der 8 ist eine momentane Ermittlung des Raumzeiger U →_BM dargestellt. Zum Betrieb der Energieversorgungseinrichtung ist eine kontinuierliche Ermittlung des Raumzeigers U →_BM erforderlich, die beispielsweise durch Echtzeitberechnung oder Abfrage von vordefinierten Daten erfolgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/159811 [0002]

Claims

Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (1000), wobei die Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Energiespeichereinrichtung (1), einen Range-Extender mit einem Verbrennungsmotor (10) und einen Wechselstrom erzeugenden Generator (13) umfasst, wobei der Generator (13) mit dem Verbrennungsmotor (10) mechanisch koppelbar oder gekoppelt ist und die Energiespeichereinrichtung (1) während eines Fahrbetriebs mit Wechselstrom aus dem Generator (13) aufladbar ist, und wobei die Energiespeichereinrichtung (1) mehrere Energieversorgungsanschlüsse (1001, 1002, 1003), an denen jeweils eines von mehreren steuerbaren Potentialen bereitstellbar ist, und mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) aufweist, wobei mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) an einem Ende zu einem Sternpunkt (123, 456) zusammengeschaltet sind und jeder Energieversorgungsanschluss (1001, 1002, 1003) mit einem Ende eines Energieversorgungszweigs (100, 200, 300, 400, 500, 600) verbindbar oder verbunden ist, und wobei ein Energiezellenmodul (100-1 bis 600-n) jeweils eine elektrochemische Zelle und eine steuerbare Koppeleinrichtung zur elektrischen Einkopplung der elektrochemischen Zelle in ihren Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) aufweist.
Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Energieversorgungseinrichtung und/oder die Energiespeichereinrichtung zum Laden eines Teils aller Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) mittels des Generators (13) eingerichtet ist.
Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, die mehr Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) als Energieversorgungsanschlüsse (1001, 1002, 1003) aufweist, wobei jeder Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit einem Energieversorgungsanschluss (1001, 1002, 1003) und mit dem Generator (13) elektrisch verbindbar ist, in einem Energieversorgungsbetrieb jeweils ein Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit jedem der Energieversorgungsanschlüsse (1001, 1002, 1003) verbunden ist und in einem gleichzeitig stattfindenden Ladebetrieb ein nicht mit einem Energieversorgungsanschluss (1001, 1002, 1003) verbundener Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit dem Generator (13) verbunden ist.
Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der zwei Sternpunkte (123, 456) durch Zusammenschalten von jeweils mehreren Energieversorgungszweigen (100, 200, 300, 400, 500, 600), deren Anzahl gleich der Anzahl der Energieversorgungsanschlüsse (1001, 1002, 1003) ist, gebildet sind, und die zu einem Sternpunkt gehörenden Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) jeweils gemeinsam mit dem Generator oder/und mit den Energieversorgungsanschlüssen (1001, 1002, 1003) verbindbar sind.
Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der die Energiespeichereinrichtung (1) im Inneren von mehreren Energieversorgungszweigen (100, 200, 300, 400, 500, 600) jeweils zwischen zwei Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) einen Generatoranschluss (131, 132, 133) aufweist, an dem der Generator (13) angeschlossen ist.
Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der der Verbrennungsmotor (10) mit dem Generator (13) über ein Getriebe (12) verbunden ist, der Generator (13) und die Antriebsmaschine (1000) dieselbe Polpaarzahl aufweisen und der Generator (13) phasenstarr mit der Antriebsmaschine (1000) koppelbar oder gekoppelt ist.
Verfahren zum Laden einer Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Energiespeichereinrichtung (1) mittels des Wechselstrom erzeugenden Generators (13) während einer Energieabgabe aus der Energieversorgungseinrichtung geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 zum Laden einer Energieversorgungseinrichtung, bei dem ein Teil aller elektrochemischen Zellen in den Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) der Energiespeichereinrichtung (1) mit dem Generator (13) geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem während eines Energieversorgungsbetriebs jeder der Energieversorgungsanschlüsse (1001, 1002, 1003) zur Stromentnahme jeweils mit einem Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) verbunden wird und während eines gleichzeitig stattfindenden Ladebetriebs ein weiterer Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) zum Aufladen mit dem Generator (13) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 9 zum Laden einer Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, bei dem Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) in dem Teil eines oder mehrerer Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) zwischen dem Generatoranschluss (131, 132, 133) und dem Sternpunkt (123, 456) mit dem Generator (13) geladen werden, während elektrische Energie an den Energieversorgungsanschlüssen (1001, 1002, 1003) der Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 10 zum Laden einer Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, bei dem Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) in dem Teil eines oder mehrerer Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) zwischen dem Generatoranschluss (131, 132, 133) und dem jeweiligen Energieversorgungsanschluss (1001, 1002, 1003) mit dem Generator (13) geladen werden, während elektrische Energie an den Energieversorgungsanschlüssen (1001, 1002, 1003) der Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die Energiespeichereinrichtung (1) als Wechselrichter wirkt, indem die Einkopplung von Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) in ihre Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) derart gesteuert wird, dass die Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) eine Potentialdifferenz zwischen Wechselpotentialen des Generators (13) mit einer Generatorfrequenz an den Generatoranschlüssen (131, 132, 133) und Wechselpotentialen für die Antriebsmaschine (1000) mit einer von der Generatorfrequenz verschiedenen Antriebsmaschinenfrequenz an den Energieversorgungsanschlüssen (1001, 1002, 1003) erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem zum Laden elektrochemische Zellen in einem Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) oder Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) in einem Zeitintervall derart Lade- und Nichtladebetrieb ausgesetzt werden, dass alle zum Laden einzukoppelnden elektrochemischen Zellen bzw. zu ladenden Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) im zeitlichen Mittel geladen werden, und insbesondere gleichmäßig geladen werden.