DE102015103196A1 - Fahrzeugleistungsarchitektur mit geteilten Stromschienen - Google Patents

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Alan G. Holmes
Thomas Wolfgang Nehl
Michael G. Reynolds
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Abstract

Ein Fahrzeug umfasst ein Fahrwerk, eine Kraftmaschine, ein Getriebe, eine elektrische Maschine, die betrieben werden kann, um die Kraftmaschine selektiv mit Leistung zu versorgen, und ein elektrisches System. Das elektrische System umfasst ein DC-Vortriebsenergiespeichersystem (P-ESS) und ein DC-Zusatz-ESS (A-ESS). Positive Anschlüsse der beiden ESS sind elektrisch miteinander verbunden. Der negative Anschluss des A-ESS ist mit dem Fahrwerk als elektrischer Masse verbunden. Der negative Anschluss des P-ESS ist mit der Masse nicht verbunden, so dass Spannungsniveaus des negativen Anschlusses der P-ESS mit Bezug auf die Masse floaten. Ein Leistungsumrichtermodul (PIM) ist über einen A/C-Vortriebsbus mit der MGU und den positiven und negativen Anschlüssen des P-ESS verbunden. Positive Eingabeanschlüsse und Ausgabeanschlüsse eines DC/DC-Umsetzersystems sind aneinander gebunden und mit positiven Anschlüssen des P-ESS und des A-ESS verbunden. Ein negativer Eingabeanschluss des DC/DC-Umsetzersystems ist mit dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Fahrzeugleistungsarchitektur mit geteilten Stromschienen.
  • HINTERGRUND
  • Hybridelektrische Antriebsstränge sind in der Lage, bei Leerlaufbedingungen einen Autostopp einer Kraftmaschine zu befehlen, um die Kraftstoffsparsamkeit zu verbessern. Nach einem Autostoppereignis kann eine Motor/Generator-Einheit (MGU) verwendet werden, um die Kraftmaschine schnell neu zu starten. Außerdem kann bei einigen Hybridantriebsstrangkonfigurationen Motorausgabedrehmoment von der MGU nach Bedarf zusätzlich zu dem Ausgabedrehmoment von der Kraftmaschine in einem Modus verwendet werden, der als elektrischer Unterstützungsmodus bezeichnet wird. Beim regenerativen Bremsen oder anderen regenerativen Ereignissen kann negatives Drehmoment von der MGU zum Wiederaufladen einer Batterie verwendet werden. Die in der Batterie gespeicherte Energie kann anstelle des Erzeugens von Energie zur Unterstützung von Fahrzeugzusatzlasten bei normalen Fahrbedingungen verwendet werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch verringert wird. Es kann sein, dass herkömmliche Fahrzeuge kein Riemengetriebenes Startsystem verwenden, sondern stattdessen einen Startermotor zum Autostarten der Kraftmaschine verwenden können. Der riemengetriebene Generator wird bei speziellen Betriebsbedingungen, etwa Ausrollen oder Bremsen, nur für die Regeneration mit hoher Leistung oder bei Bedarf für die stetige Erzeugung von Leistung bei normalen Betriebsbedingungen verwendet.
  • Stark/vollhybride oder mildhybride Antriebsstränge sind typischerweise auf etwa 30–360 VDC ausgelegt. Derartige Spannungsniveaus werden relativ zu 12 VDC-Zusatzspannungsniveaus als Hochspannung betrachtet. Daher wird eine separate Hochspannungsbatterie verwendet, um die MGU und zugehörige Leistungselektronikvorrichtungen mit Leistung zu versorgen, während eine Zusatzbatterie verwendet werden kann, um Fahrzeugzusatzlasten wie etwa Scheinwerfer, Ventilatoren eines Heizungs- oder Klimaanlagensystems, Scheibenwischermotoren und dergleichen mit Leistung zu versorgen.
  • Obwohl stark/vollhybride und mildhybride Antriebsstränge DC-Spannungsniveaus über 30 VDC hinaus verwenden können, reduzieren kleinere ”mikro”-hybride Antriebsstränge die benötigte Leistungsklassifizierung des Elektroantriebs in erheblichem Umfang, so dass ein elektrischer Strom bei einem Nennspannungsniveau, welches typischerweise unter 30 VDC liegt, leicht verwaltet werden kann. Da ein erheblicher Teil der Kosten eines elektrischen Antriebssystems von der benötigten Größe und Leistungsklassifizierung der MGU und einer zugehörigen Leistungselektronik abhängt, können mikrohybride Antriebsstränge eine brauchbare Alternative für herkömmliche Hybridkonstruktionen in bestimmten Märkten sein.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine elektrische Architektur mit ”geteilten Stromschienen” für ein hybridelektrisches oder konventionelles Fahrzeug wird hier offenbart. Die offenbarte Konstruktion ist zur Minimierung von Systemverlusten und zur Reduktion von Fahrzeugkosten relativ zu herkömmlichen Konstruktionen gedacht. Wie in der Technik bekannt ist, erfordern Lichtbogenfehler in jedem elektrischen System eine spezielle Handhabung, aber besonders in Systemen mit relativ hohen Spannungsniveaus, z. B. 18 VDC oder mehr. Der vorliegende Ansatz kann mit Hilfe der Architektur mit geteilten Stromschienen, welche die Spannungsniveaus der einzelnen Stromschienen innerhalb eines vorbestimmten Abstands zur elektrischen Masse hält, den Bedarf für Lichtbogenfehlerdetektions- und Spannungsisolationsschaltungen der Art, die in stark/vollhybriden und mildhybriden Leistungsarchitekturen verwendet wird, reduzieren. Diese und weitere mögliche Vorteile werden sich dem Fachmann im Licht der vorliegenden Offenbarung leicht offenbaren.
  • Bei einer möglichen Ausgestaltung kann das Fahrzeug eine Brennkraftmaschine, ein Getriebe und ein elektrisches System umfassen. Das elektrische System verwendet zwei verschiedene Batterien oder Energiespeichersysteme: ein Vortriebsenergiespeichersystem (P-ESS), beispielsweise mit einer Nennspannung von 24–30 VDC, und ein Zusatz-ESS (A-ESS) mit einer niedrigeren Spannung, beispielsweise mit einer Nennspannung von 12–15 VDC oder etwa der Hälfte des Spannungsniveaus des P-ESS. Das P-ESS und das A-ESS weisen beide jeweils einen positiven und negativen Anschluss auf. In der Fahrzeugkonstruktion kann ein Controller enthalten sein, um den Antriebsstrang bei Kraftmaschinen-Start/Stopp-Modi, Regenerations-Modi und Modi mit elektrischer Unterstützung zu steuern und um die Größen der Anschlussspannung der Vortriebsenergiespeichervorrichtung mit Bezug auf die Fahrzeugmasse, d. h. mit Bezug auf elektrische Masse, die hier als die ”Fahrwerksmasse” bezeichnet wird, in Nenngrenzen von 12–18 VDC zu halten.
  • In der hier offenbarten Leistungsarchitektur mit geteilten Stromschienen ist der positive Anschluss des P-ESS mit dem positiven Anschluss des A-ESS elektrisch verbunden, und der negative Anschluss des A-ESS ist mit der Fahrwerksmasse elektrisch verbunden. Statt dass der negative Anschluss des P-ESS zusammen mit dem negativen Anschluss des A-ESS mit einer gemeinsamen elektrischen Masse verbunden wird, wird stattdessen ermöglicht, dass sein Spannungsniveau mit Bezug auf das Spannungsniveau an dem negativen Anschluss des A-ESS schwankt oder ”floatet”.
  • Indem der negative Anschluss des P-ESS nicht mit einer gemeinsamen Masse, z. B. der Fahrwerksmasse, verbunden wird, wird der negative Anschluss des P-ESS dazu gezwungen, innerhalb eines vorbestimmten Abstands zu dem Spannungsniveau der Fahrwerksmasse zu bleiben, etwa innerhalb von 12–18 VDC zu der Fahrwerksmasse. Dieses Teilen der positiven und negativen Stromschienen eines DC-Vortriebsbusses mit Bezug auf die Fahrwerksmasse ermöglicht damit, dass die absoluten Spannungen der DC-Busstromschienen innerhalb der Grenzen eines Nenn-Zusatzsystems bleiben. Die vorliegende Konstruktion beseitigt daher viele der Lichtbogenprobleme mit Bezug auf Massefehler, die typischerweise mit Spannungsniveaus von 24 VDC oder größer verbunden sind.
  • Bei einer speziellen Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug ein Fahrwerk, eine Kraftmaschine, ein mit der Kraftmaschine verbundenes Getriebe, eine mehrphasige elektrische Maschine, die mit einer Kurbelwelle der Kraftmaschine verbunden ist und betrieben werden kann, um die Kraftmaschine selektiv mit Leistung zu versorgen, und ein elektrisches System. Das elektrische System umfasst ein DC-Vortriebsenergiespeichersystem (P-ESS) und ein DC-Zusatzenergiespeichersystem (A-ESS), die beide jeweils einen positiven und negativen Anschluss aufweisen. Die positiven Anschlüsse des P-ESS und des A-ESS sind elektrisch miteinander verbunden. Der negative Anschluss des A-ESS ist mit dem Fahrwerk elektrisch derart verbunden, dass das Fahrwerk eine elektrische Masse bildet. Der negative Anschluss des P-ESS ist mit der elektrischen Masse nicht verbunden, so dass ermöglicht wird, dass ein Spannungsniveau des negativen Anschlusses des P-ESS mit Bezug auf ein Spannungsniveau der elektrischen Masse floatet oder schwankt.
  • Das Spannungsniveau des P-ESS kann in dem Bereich von etwa 24–30 VDC liegen, wobei in diesem Fall der vorbestimmte Spannungsabstand in dem Bereich von etwa 12–15 VDC liegt.
  • Das Fahrzeug kann außerdem ein Leistungswechselrichtermodul (PIM) und einen Controller umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können das PIM, das DC/DC-Umsetzersystem und die MGU integriert sein, d. h. das PIM und das DC/DC-System können in ein Gehäuse der MGU eingebaut sein, um Kabelstrecken und Verbinder zu minimieren. Das PIM weist eine Wechselstromseite (AC-Seite), die über einen AC-Vortriebsbus mit der MGU elektrisch verbunden ist, und eine DC-Seite auf, die mit dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden ist. Im Fall eines herkömmlichen Fahrzeugs kann der elektrische Generator eine integrierte aktive oder passive Gleichrichter- und Feldreglerschaltung aufweisen, um die Ausgabespannung und/oder den Strom bei einer gegebenen Drehzahl des Generators zu steuern.
  • Das Fahrzeug kann außerdem ein DC/DC-Umsetzersystem umfassen, das einen positiven Eingabeanschluss und einen positiven Ausgabeanschluss aufweist, die aneinander gebunden sind und mit den positiven Anschlüssen des P-ESS und des A-ESS verbunden sind. Das DC/DC-Umsetzersystem kann einen negativen Eingabeanschluss umfassen, der mit dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden ist. Ein negativer Ausgabeanschluss des DC/DC-Umsetzersystems kann bei dieser Ausführungsform mit einem negativen Anschluss des A-ESS elektrisch verbunden sein.
  • Der DC/DC-Umsetzer kann erste und zweite Halbleiterschalter und eine Gatetreiberschaltung umfassen. Ein Controller überträgt selektiv Impulsbreitenmodulations-Schaltsignale an die Halbleiterschalter, um separat einen Auwärtsmodus und einen Aufwärtsmodus des DC/DC-Umsetzersystems festzulegen.
  • Das Fahrzeug kann eine erste Riemenscheibe umfassen, die mit der Kurbelwelle verbunden ist, eine zweite Riemenscheibe, die mit der elektrischen Maschine verbunden ist, und einen Riemen, der mit der ersten und zweiten Riemenscheibe verbunden ist. Eine derartige Ausführungsform stellt ein riemengetriebenes Generator-Starter-System (BAS-System) bereit. Das Fahrzeug kann einen ersten Zahnkranz an dem Schwungrad der Kurbelwelle und ein zweites Ritzelzahnrad an einer Welle eines Zusatzstartermotors in mechanischem Eingriff mit dem ersten Zahnkranz enthalten. Bei einer derartigen Ausführungsform wird bei einem herkömmlichen Antriebsstrang ein Starten der Kraftmaschine über Zahnräder ermöglicht.
  • Es wird auch ein elektrisches System für das vorstehend erwähnte Fahrzeug offenbart. Bei einer möglichen Konfiguration umfasst das elektrische System einen AC-Vortriebsbus, ein DC-Vortriebsenergiespeichersystem (P-ESS) mit einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss, einen DC-Vortriebsbus, ein Leistungsumrichtermodul (PIM), beispielsweise für ein Hybridfahrzeug, oder einen Gleichrichter und ein Spannungsreglermodul in einem herkömmlichen Fahrzeug, und ein DC-Zusatzenergiespeichersystem (A-ESS). Das PIM oder der Gleichrichter/Regler weist eine AC-Seite auf, die über den AC-Vortriebsbus mit der elektrischen Maschine elektrisch verbunden ist, und eine DC-Seite, die mit dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden ist.
  • Das A-ESS dieser Ausführungsform weist positive und negative Anschlüsse auf. Die positiven Anschlüsse des P-ESS und des A-ESS sind elektrisch miteinander verbunden, während der negative Anschluss des A-ESS mit dem Fahrwerk elektrisch verbunden ist, um eine elektrische Masse zu bilden. Zudem ist der negative Anschluss des P-ESS nicht mit der elektrischen Masse verbunden, so dass ein Spannungsniveau des negativen Anschlusses des P-ESS mit Bezug auf ein Spannungsniveau der elektrischen Masse floaten oder schwanken kann.
  • Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten zum Ausführen der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fahrzeugs, das ein elektrisches System mit einer Leistungsarchitektur mit geteilten Stromschienen wie hier offengelegt aufweist.
  • 2 ist ein schematischer Schaltplan einer beispielhaften Ausführungsform eines DC/DC-Umsetzersystems, das als ein Teil der in 1 gezeigten Architektur mit geteilten Stromschienen verwendet werden kann.
  • 3 ist eine Tabelle, die Aufwärts- und Abwärts-Modi des in 2 gezeigten DC/DC-Umsetzersystems beschreibt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten in den mehreren Ansichten bezeichnen, stellt 1 ein schematisches beispielhaftes Fahrzeug 10 mit einem Antriebsstrang 11 und einem Fahrwerk 26 dar. Der Antriebsstrang 11 umfasst eine Brennkraftmaschine (E) 12 mit einer Kurbelwelle 13, die mit einem Eingabeelement 15 eines Getriebes (T) 14, beispielsweise über eine Eingabekupplung C1, selektiv verbunden ist. Das Getriebe 14 kann eine Zahnradanordnung und Kupplungen (nicht gezeigt) umfassen, durch welche ein Drehmoment von dem Eingabeelement 15 zu einem Ausgabeelement 17 des Getriebes 14 und schließlich durch einen Endantrieb 19 zu Antriebsrädern 21 des Fahrzeugs 10 fließt.
  • Eine mehrphasige elektrische Maschine in der Form einer beispielhaften Motor/Generator-Einheit (MGU) 30 mit einem Gehäuse 30H ist mit der Kurbelwelle 13 verbunden und kann betrieben werden, um Leistung zu erzeugen und um die Kraftmaschine 12 zu starten. Bei einem herkömmlichen Fahrzeug wird die MGU 30 nur wie ein Generator funktionieren und würde daher besser als Generatoreinheit beschrieben. Zur Konsistenz der Veranschaulichung wird die elektrische Maschine hier nachstehend als MGU 30 bezeichnet. Bei einer möglichen Ausführungsform kann die MGU 30 als dreiphasige elektrische Wechselstrommaschine (AC-Maschine) ausgeführt sein, die drei verschiedene Phasenwicklungen (WA,B,C) aufweist, wobei jede Phasenwicklung einen entsprechenden Phasenstrom für eine jeweilige Phase A, B, und C leitet, wie in der Technik verstanden wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann die MGU 30 als Synchronmaschine mit Feldwicklungen, als eine synchrone Klauenpolmaschine mit Feldwicklungen (Lundell-Maschine), als eine Klauenpolmaschine (Lundell-Maschine) mit eingebetteten Permanentmagneten, als eine synchrone Permanentmagnetmaschine oder als eine synchrone Reluktanzmaschine mit oder ohne Permanentmagneten in ihrem Rotor konstruiert sein. Die MGU 30 kann außerdem eine Induktionsmaschine sein.
  • Die MGU 30 von 1 kann wie gezeigt durch eine Antriebseinheit 31 mit der Kurbelwelle 13 wirksam verbunden sein. Die Antriebseinheit 31 kann einen drehbaren Riemen 25 umfassen, der mit ersten und zweiten Riemenscheiben 27A bzw. 27B in Eingriff steht. Bei einer derartigen Ausführungsform ist die erste Riemenscheibe 27A mit der MGU 30 verbunden und kann mit Hilfe eines Motorausgabedrehmoments (Pfeil TM) von der MGU 30 gedreht werden. Analog ist die zweite Riemenscheibe 27B mit der Kurbelwelle 13 verbunden und kann von dieser gedreht werden. Alternativ kann die Antriebseinheit 31 eine Kette anstelle des Riemens 25 und Kettenräder anstelle der jeweiligen ersten und zweiten Riemenscheiben 27A und 27B, oder ein beliebiges anderes geeignetes Antriebssystem umfassen. Die Konstruktion und Verwendung der MGU 30 auf diese Weise wird als riemengetriebenes Generator-Starter-System (BAS-System) bezeichnet. Die MGU 30 kann außerdem das Motorausgabedrehmoment (TM) selektiv an die Kurbelwelle 13 liefern, wenn die Kraftmaschine 12 gerade läuft, um in einem Modus, der als ein elektrischer Unterstützungsmodus bezeichnet wird, selektiv zu dem Kraftmaschinenausgabedrehmoment (TE) von der Kraftmaschine 12 beizutragen oder dieses zu unterstützen.
  • Die Kraftmaschine 12 kann außerdem ein (nicht gezeigtes) Schwungrad umfassen, das in Verbindung mit der Kurbelwelle 13 rotiert. Ein Zusatzstartermotor (S) 48 mit einer Rotorwelle 49 kann beispielsweise über ein Ritzelzahnrad 52 mit der Kurbelwelle 13 wirksam verbunden werden. Ein Zahnkranz 38 kann der Kurbelwelle 13 positioniert sein, beispielsweise an einem (nicht gezeigten) Schwungrad der Kraftmaschine 12, wobei das Ritzelzahnrad 52 mit der Rotorwelle 49 verbunden ist und durch diese gedreht werden kann. Das Ritzelzahnrad 52 steht in einem direkten mechanischen Eingriff mit den Zahnkranz 38, beispielsweise über das Kämmen von Keilverzahnungen des Ritzelzahnrads 52 und des Zahnkranzes 38. Bei einer derartigen Ausführungsform erfolgt ein zahnradgetriebenes Starten der Kraftmaschine 12, beispielsweise bei einem herkömmlichen Antriebsstrang oder einem Hybridantriebsstrang unter Verwendung des Startermotors 48 als Reservequelle oder unterstützende Quelle zum Ankurbeln und Starten der Kraftmaschine 12. Ein (nicht gezeigtes) Solenoid kann mit Hilfe einer Spannung von einem Zusatzenergiespeichersystem (A-ESS) 42 selektiv erregt werden, um den Startermotor 48 mit dem Zahnkranz 38 immer dann in Eingriff zu stellen, wenn Drehmoment vom Startermotor 48 benötigt wird, um die Kraftmaschine 12 anzukurbeln und zu starten, beispielsweise bei kalten Umgebungsbedingungen oder wenn die MGU 30 anderweitig nicht verfügbar ist, um die Kraftmaschine 12 zu starten, wie es etwa der Fall bei einer herkömmlichen/nicht hybriden Fahrzeugkonstruktion ist.
  • Der in 1 gezeigte Antriebsstrang 11 umfasst außerdem ein elektrisches System 50. Das elektrische System 50 kann ein Leistungsumrichtermodul (PIM) 34, ein DC/DC-Umsetzersystem 35, von dem in 2 eine beispielhafte Ausführungsform gezeigt ist, ein Vortriebsenergiespeichersystem (P-ESS) 40 und das A-ESS 42 umfassen. Bei einigen Ausführungsformen können das PIM 34 und das DC/DC-Umsetzersystem 35 zusammen innerhalb des Gehäuses 30H der MGU 30 verpackt sein, wie in 1 gestrichelt angezeigt ist. Das elektrische System 50 kann außerdem eine Fahrzeugzusatzlast (LAUX) 46 umfassen, z. B. typische Fahrzeugsysteme mit 12–15 VDC wie etwa Scheibenwischer, Scheinwerfer, Unterhaltungssystemkomponenten und dergleichen.
  • Das PIM 34 ist über einen mehrphasigen AC-Vortriebsbus 32 mit der MGU 30 elektrisch verbunden. Wie in der Technik bekannt ist, umfasst ein Leistungsumrichtermodul wie etwa das PIM 34 verschiedene (nicht gezeigte) Halbleiterschalter und Schaltungskomponenten, welche gemeinsam betrieben werden, um bei Bedarf AC-Leistung in DC-Leistung und umgekehrt umzusetzen, z. B. über einen Pulsbreitenmodulation. Dies wird mit Hilfe von PIM-Schaltsignalen (Pfeil 24) von einem Controller (C) 20 erreicht. Daher wird die mehrphasige Ausgabe aus der MGU 30 mit Hilfe des PIM 34 in DC-Leistung umgesetzt, die geeignet ist, um die Fahrzeugzusatzlast 46 mit Leistung zu versorgen und um das P-ESS 40 und das A-ESS 42 nach Bedarf aufzuladen.
  • Der Controller 20 von 1 kann betrieben werden, um einen Leistungsfluss durch das elektrische System 50 hindurch zu steuern sowie um den Gesamtbetrieb des Antriebsstrangs 11 zu lenken. Der Controller 20 steht in Verbindung mit der Kraftmaschine 12, mit dem Getriebe 14, mit der MGU 30 und mit dem elektrischen System 50, z. B. über einen Controllerbereichsnetzwerkbus (CAN-Bus), und er kann als eine einzige oder eine verteilte Steuerungsvorrichtung ausgestaltet sein, z. B. als Kraftmaschinensteuerungsmodul, Getriebesteuerungsmodul, Batteriesteuerungsmodul usw. Obwohl es zur Vereinfachung der Veranschaulichung in 1 weggelassen wurde, kann die Verbindung zwischen dem Controller 20 und dem Antriebsstrang 11 beliebige benötigte Übertragungsleiter umfassen, zum Beispiel fest verdrahtete oder drahtlose Steuerungsverbindungen oder Strecken, die geeignet sind, um die elektrischen Steuerungssignale zu übertragen und zu empfangen, die für eine korrekte Leistungsflusssteuerung und Koordination an Bord des Fahrzeugs 10 notwendig sind. Der Controller 20 kann Steuerungsmodule und Fähigkeiten in der Art umfassen, wie es notwendig sein kann, um die gesamte benötigte Leistungsflusssteuerungsfunktionalität an Bord des Fahrzeugs 10 auf die gewünschte Weise auszuführen.
  • Der in 1 gezeigte Controller 20 kann einen Prozessor (P) und einen konkreten nicht vorübergehenden Speicher (M), z. B. einen Festwertspeicher (ROM), der optisch, magnetisch, ein Flash-Speicher oder etwas anderes sein kann, umfassen. Der Controller 20 kann außerdem ausreichende Mengen an Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), elektrisch löschbarem programmierbarem Festwertspeicher (EEPROM) und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, Analog/Digital- und Digital/Analog-Schaltungen (ND- und D/A-Schaltungen) und Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen (I/O) sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen umfassen. Eine Logik 100 ist im Speicher (M) aufgezeichnet, wobei die Ausführung der Logik 100 durch den Prozessor (P) bewirkt, dass der Controller 20 den Leistungsfluss innerhalb des Fahrzeugs 10 wie nachstehend offengelegt managt.
  • Zusätzlich zu der Steuerung des PIM 34 ist der Controller 20 ausgestaltet, um den Betrieb beliebiger Hardwarekomponenten 36 des DC/DC-Umsetzersystems 35 mit Hilfe von DC/DC-Umsetzersteuerungssignalen (Pfeil 28) zu steuern. Beispielhafte Hardwarekomponenten 36 sind in 2 dargestellt und werden nachstehend beschrieben. Eine Steuerung des elektrischen Systems 50 und des Antriebsstrangs 11 wird von dem Controller 20 in Ansprechen auf den Empfang eines Satzes von Eingabesignalen (CCIN) erreicht, beispielsweise von Drosselklappen- und Bremsniveaus, einer Fahrzeuggeschwindigkeit, einer Eingabe- und/oder Ausgabedrehzahl des Getriebes, Drehzahlen und/oder Temperaturen der MGU 30 und der Kraftmaschine 12 und dergleichen.
  • Bei der in 1 gezeigten Leistungsarchitektur mit ”geteilten Stromschienen” ist der positive Anschluss (BP +) des P-ESS 40 direkt mit dem positiven Anschluss (BA +) des A-ESS 42 elektrisch verbunden, d. h. ohne dazwischenliegende Komponenten außer den elektrischen Leitern und beliebigen Schutzvorrichtungen wie etwa Sicherungen (nicht gezeigt), welche die Verbindung ausbilden. Der negative Anschluss (BA –) des A-ESS 42 ist mit dem Fahrwerk 26 elektrisch verbunden, welches folglich wie eine elektrische Masse wirkt. In dieser Eigenschaft wird das Fahrwerk 26 hier als die Fahrwerksmasse (GC) bezeichnet. Der negative Anschluss (BP –) des P-ESS 40 ist mit der Fahrwerksmasse (GC) oder mit einer anderen elektrischen Masse nicht verbunden, die als eine gemeinsame Masse mit dem negativen Anschluss (BA –) des A-ESS 42 dient. Daher ist es möglich, dass das Spannungsniveau des negativen Anschlusses (BP –) des P-ESS 40 mit Bezug auf das Spannungsniveau des negativen Anschluss (BA –) des A-ESS 42 oder auf die Fahrwerksmasse (GC) schwankt oder ”floatet”.
  • Das PIM 34 wird von jeweiligen positiven und negativen Stromschienen 44 +, 44 – des DC-Vortriebsbusses 44 beispielsweise mit einem Potential von ±12 VDC mit Bezug auf die Fahrwerksmasse (GC) versorgt. Der negative Anschluss (BP –) des P-ESS 40 bleibt innerhalb eines vorbestimmten Abstands zu dem Spannungsniveau der Fahrwerksmasse (GC), z. B. bei etwa –12 bis –15 VDC mit Bezug auf die Fahrwerksmasse (GC) bei einer Ausführungsform mit einer Zusatzspannung von 12–5 VDC. Außerdem ist ein DC-Zusatzbus 144 Teil der Architektur von 1. Das Teilen der jeweiligen positiven und negativen Stromschienen 44 + und 44 – des DC-Vortriebsbusses 44 mit Bezug auf die Fahrwerksmasse (GC) ermöglicht, dass die absoluten Spannungen der positiven und negativen Stromschienen 44 +, 44 – analog innerhalb von Nennzusatzgrenzen von 12–15 VDC mit Bezug auf das Spannungsniveau der Fahrwerksmasse (GC) bleiben. Die hier offenbarte Konstruktion ist daher so gedacht, dass sie zum Beseitigen von Lichtbogenproblemen mit Bezug auf Massefehler beiträgt, die typischerweise mit Spannungsniveaus bei oder über 18 VDC verbunden sind.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform des DC/DC-Umsetzersystems 35 von 1 ist in 2 gezeigt. 2 zeigt einen Bereich des in 1 gezeigten elektrischen Systems 50, der sich zwischen den jeweiligen positiven und negativen Eingabeanschlüssen BP + und BP – des P-ESS 40 von 1 und den jeweiligen positiven und negativen Anschlüssen BA + und BA – des A-ESS 42 erstreckt. Komponenten dieser Ausführungsform können einen Eingabekondensator (CI), der mit den positiven und negativen Eingabeanschlüssen (TI +, TI –) des DC/DC-Umsetzersystems 35 parallel verbunden ist, einen ersten Schalter (SW1) 62, einen zweiten Schalter (SW2) 64 und einen Ausgabekondensator (Co) umfassen, der über den positiven und negativen Ausgabeanschluss (TO+, TO–) des A-ESS 42 von 1 verbunden ist.
  • Das DC/DC-Umsetzersystem 35 weist einen positiven Anschluss TI + des Eingabekondensator CI und einen positiven Anschluss TO+ des Ausgabekondensators Co auf, die wie gezeigt über einen elektrischen Leiter 58 elektrisch aneinander gebunden sind, und die mit den jeweiligen positiven Anschlüssen BP + und BA + des P-ESS 40 und des A-ESS 42 elektrisch verbunden sind. Das DC/DC-Umsetzersystem 35 weist außerdem einen negativen Eingabeanschluss TI – auf, der mit dem negativen Anschluss BP – des P-ESS 40 elektrisch verbunden ist, und einen negativen Ausgabeanschluss TO– der mit dem negativen Anschluss BA- des A-ESS 42 elektrisch verbunden ist, welcher außerdem mit der Fahrwerksmasse (GC) verbunden ist, was in 2 nicht gezeigt ist.
  • Der jeweilige erste und zweite Schalter 62, 64 können als Halbleiterschalter ausgeführt sein, beispielsweise wie gezeigt als Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Die Anschlüsse eines typischen MOSFETs umfassen ein Gate (G1 oder G2), eine Source (S1 oder S2) und einen Drain (D1 oder D2). Eine Vortriebsspannung (VP), die gleich dem Spannungsniveau oder Potential des P-ESS 40 von 1 ist, ist zwischen dem positiven und negativen Anschluss (BP +, BP –) des P-ESS 40 vorhanden. Analog ist eine Zusatzspannung (VA) zwischen den positiven und negativen Anschlüssen (BA +, BA –) des A-ESS 42 vorhanden. Ein elektrischer Strom (Pfeil IL) fließt über eine Induktivität 64, wie in dieser beispielhaften Konfiguration gezeigt ist.
  • Der Controller 20, speziell ein beliebiger Abschnitt des Controllers 20, der für die Steuerung des DC/DC-Umsetzersystems 35 vorgesehen ist, kann durch die Zusatzspannung (VA) von dem A-ESS 42 von 1 mit Leistung versorgt werden. Die Vortriebsspannung (VP) kann differentiell erfasst werden, z. B. unter Verwendung eines ersten Sensors S1 eines Sensorsatzes SX, wobei der erste Sensor S1 bei einer möglichen Konstruktion ein Differenzverstärker ist. Die Zusatzspannung (VA) kann analog über einen zweiten Sensor S2 erfasst werden, zum Beispiel einen weiteren Differenzverstärker oder einen anderen geeigneten Sensor, während ein dritter Sensor S3 verwendet werden kann, um den Strom (IL) zu messen, der durch die Induktivität 64 fließt. Die gesammelten elektrischen Eingaben 33 beschreiben die Werte VP, VA und IL.
  • Ausgabesignale 61 aus der Gatetreiberschaltung 60, die eine integrierte Schaltung oder ein Chipsatz sein kann, umfassen ein erstes und ein zweites Gatevorspannungssignal (G1*, G2*) und ein erstes bzw. zweites Sourcesignal (S1*, S2*). Die Gatetreibervorspannungssignale (G1*, G2*) können durch den Controller 20 aus der Vortriebsspannung (VP) hergeleitet werden und von dem Controller 20 im Pegel nach Bedarf verschoben werden, um die jeweiligen ersten und zweiten Schalter SW1 und SW2 anzusteuern.
  • Das heißt, dass der Controller 20 ausgestaltet ist, um den ersten und zweiten Schalter SW1 und SW2 nach Bedarf selektiv zu aktivieren, d. h. einzuschalten oder auszuschalten, etwa über die Lieferung eines Spannungsimpulses an ein gewähltes der Gates G1 oder G2. Daher wird ein elektrischer Strom, der durch das elektrische System 50 von 1 fließt, mit Hilfe des gewählten Zustands des ersten und zweiten Schalters SW1 und SW2 gesteuert. Von dem Controller 20 an den ersten und zweiten Schalter SW1 und SW2 übertragene Steuerungssignale können mit Bezug auf die Fahrwerksmasse (GC) unter Verwendung einer beliebigen geeigneten elektronischen Vorrichtung 68, beispielsweise mit Optokopplern, Impulstransformatoren, dielektrischen Isolatoren usw., im Pegel verschoben werden. Schaltsignale (Pfeile P1 und P2) werden an die Gatetreiberschaltung 60 übertragen, um die benötigten Zustandsveränderungen in den Schaltern SW1 und SW2 zu veranlassen.
  • Mit Bezug auf 3 stellt eine Tabelle 70 zwei mögliche Betriebsmodi des DC/DC-Umsetzersystems 35 von 2 dar: einen Abwärtsmodus (M1) und einen Aufwärtsmodus (M2). Wie der Fachmann auf dem Gebiet versteht, ist ein Abwärts-Aufwärts-Umsetzer ein DC/DC-Umsetzer mit einer Größe der Ausgabespannung, die die Größe der Eingabespannung überschreitet oder kleiner als diese ist, je nachdem, was für einen gegebenen Zustand oder Betriebsmodus benötigt wird. Mit anderen Worten können sich bei dem Beispiel von 2 die Vortriebsspannung VP und die Zusatzspannung VA voneinander unterscheiden, und das tun sie für gewöhnlich. In Abwärtsmodus nimmt die Spannung über das DC/DC-Umsetzersystem 35 ab, während im Aufwärtsmodus das Gegenteil stattfindet.
  • Ein Betrieb im Abwärtsmodus wird verwendet, um Leistung von dem DC-Vortriebsbus 44 an den DC-Zusatzbus 144 zu liefern, und ein Betrieb im Aufwärtsmodus wird verwendet, um das P-ESS 40 von dem A-ESS 42 in dem Fall aufzuladen, bei dem der Ladezustand des P-ESS 40 zur Funktion des Fahrzeugs 10 nicht ausreicht. Ein Betrieb des DC/DC-Umsetzersystems 35 kann bei einigen Ausführungsformen selektiv immer dann ausgeschaltet werden, wenn die MGU 30 in einem Motormodus betrieben wird, bei einem Neustart der Kraftmaschine 12 mit Hilfe der MGU 30 und/oder bei einer Drehmomentunterstützung der Kraftmaschine 12, um die Leistung zu maximieren, die von dem P-ESS 40 an die Kraftmaschine 12 geliefert wird.
  • Unter Verwendung der beispielhaften Konstruktion von 2 kann für den Abwärtsmodus (M1) die Spannungseingabe an den ersten Schalter 62 mit Hilfe von Pulsbreitenmodulationssignalen (PWM-Signalen) (Pfeil P1) von dem Controller 20 gesteuert werden. Wenn der erste Schalter 62 ausgeschaltet wird, wird der zweite Schalter 64 als Synchrongleichrichter (SR) betrieben. Analog wird im Aufwärtsmodus (M2) der zweite Schalter 64 über einen anderen Satz von PWM-Signalen (Pfeil P2) vom Controller 20 gesteuert. Wenn der zweite Schalter 64 im Aufwärtsmodus ausgeschaltet ist, wird der erste Schalter 62 als Synchrongleichrichter (SR) betrieben. Die PWM-Signale P1 und P2 sind daher Teil der DC/DC-Umsetzersteuerungssignale (Pfeil 28), die in 2 schematisch gezeigt sind. Der Begriff ”Synchrongleichrichter” bezeichnet, so wie er hier verwendet wird, eine beliebige Art von elektronischem Schalter, der die Effizienz einer Leistungsumsetzung verbessert, indem er in einem Schaltregler einen leitenden Pfad mit geringem Widerstand über den Diodengleichrichter hinweg anordnet. Halbleiterschalterkonstruktionen, die dazu fähig sind, können im Umfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei die MOSFET-Konstruktion von 2 nur eine Veranschaulichung ist.
  • Der hier vorstehend beschriebene Antriebsstrang 11 zusammen mit dem elektrischen System 50, das in 1 und 2 gezeigt ist, und das mit der Tabelle 70 von 3 gesteuert wird, soll eine Konstruktion mit geringeren Kosten bereitstellen, die versucht, Probleme mit Bezug auf Lichtbogenfehler zu vermeiden, z. B. von herkömmlichen Hybridkonstruktionen mit 18–30 VDC oder einer höheren Spannung. Die Beseitigung von Hochspannungsisolationsschaltkreisen sowie eine verringerte Einbaugröße der Elektronik, die durch die geringeren Ströme in dem PIM, in allen DC-Kabeln und die kleinere MGU 30 von 1 ermöglicht wird, können analog bestimmte Konstruktionsvorteile bereitstellen.
  • Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.

Claims (10)

  1. Fahrzeug, das umfasst; ein Fahrwerk; eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle; ein Getriebe mit einem Eingabeelement, das mit der Kurbelwelle verbunden ist; eine mehrphasige elektrische Maschine, die mit der Kurbelwelle verbunden ist, und die betrieben werden kann, um die Kraftmaschine selektiv zu starten, um ein Ausgabedrehmoment der Kraftmaschine selektiv zu unterstützen und/oder um elektrische Leistung zu erzeugen; und ein elektrisches System mit einem Gleichstrom(DC)-Vortriebsenergiespeichersystem (P-ESS) und einem DC-Zusatzenergiespeichersystem (A-ESS), die beide jeweils einen positiven und negativen Anschluss aufweisen; wobei der positive Anschluss des P-ESS und der positive Anschluss des A-ESS miteinander elektrisch verbunden sind, der negative Anschluss des A-ESS mit dem Fahrwerk elektrisch derart verbunden ist, dass das Fahrwerk eine elektrische Masse bildet, und der negative Anschluss des P-ESS mit der elektrischen Masse nicht verbunden ist, so dass ein Spannungsniveau des negativen Anschlusses des P-ESS innerhalb eines vorbestimmten Spannungsabstands zu der elektrischen Masse floaten oder schwanken kann.
  2. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die mehrphasige elektrische Maschine eine Motor/Generator-Einheit (MGU) ist, wobei das Fahrzeug ein Leistungsumrichtermodul (PIM) und einen Controller umfasst, wobei das PIM eine Wechselstromseite (AC-Seite), die mit der MGU über einen AC-Vortriebsbus elektrisch verbunden ist, und eine DC-Seite aufweist, die mit dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden ist.
  3. Fahrzeug nach Anspruch 1, das ferner ein DC/DC-Umsetzersystem umfasst, das einen positiven Eingabeanschluss und einen positiven Ausgabeanschluss, die elektrisch miteinander und mit den jeweiligen positiven Anschlüssen des P-ESS und des A-ESS elektrisch verbunden sind, und einen negativen Eingabeanschluss aufweist, der mit dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden ist.
  4. Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei die mehrphasige elektrische Maschine eine Motor/Generator-Einheit (MGU) ist, wobei das Fahrzeug ferner einen Controller in Kommunikation mit dem DC/DC-Umsetzersystem umfasst, wobei der Controller programmiert ist, um das DC/DC-Umsetzersystem während einer vorbestimmten Bedingung temporär zu deaktivieren, welche aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: einem Motormodus der MGU, einem Neustart der Kraftmaschine mit Hilfe der MGU, und einer Drehmomentunterstützung der Kraftmaschine mit Hilfe der MGU, um dadurch die Leistung zu maximieren, die von dem P-ESS an die Kraftmaschine geliefert wird.
  5. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die mehrphasige elektrische Maschine eine Motor/Generator-Einheit (MGU) ist, wobei das Fahrzeug ferner eine erste Riemenscheibe, die mit der Kurbelwelle verbunden ist, eine zweite Riemenscheibe, die mit der MGU verbunden ist, und einen Riemen umfasst, der mit der ersten und zweiten Riemenscheibe verbunden ist.
  6. Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die mehrphasige elektrische Maschine ein Generator und kein Motor ist, wobei das Fahrzeug ferner einen Zusatzstartermotor mit einer Rotorwelle, einen mit der Kurbelwelle verbundenen Zahnkranz und ein an der Rotorwelle positioniertes Ritzelzahnrad umfasst, das in mechanischem Eingriff mit dem Zahnkranz steht, und wobei die Zusatzstartermotor ausgestaltet ist, um das Ritzelzahnrad selektiv zu drehen, um die Kraftmaschine zu starten.
  7. Elektrisches System für ein Fahrzeug mit einem Fahrwerk, einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einem Getriebe mit einem Eingabeelement, das mit der Kurbelwelle verbunden ist, und mit einer mehrphasigen elektrischen Maschine, die mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei das elektrische System umfasst: einen Wechselstrom-Vortriebsbus (AC-Vortriebsbus); ein Gleichstrom-(DC-)Vortriebsenergiespeichersystem (P-ESS) mit einem positiven Anschluss und einem negativen Anschluss; einen Gleichstrom-Vortriebsbus (DC-Vortriebsbus); ein Leistungsumrichtermodul (PIM), das eine AC-Seite, die mit Hilfe des AC-Vortriebsbusses elektrisch mit der elektrischen Maschine verbunden ist, und eine DC-Seite aufweist, die mit dem positiven Anschluss und dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden ist; und ein DC-Zusatzenergiespeichersystem (A-ESS) mit einem positiven und einem negativen Anschluss; wobei die positiven Anschlüsse des P-ESS und des A-ESS miteinander elektrisch verbunden sind, wobei der negative Anschluss des A-ESS mit dem Fahrwerk elektrisch verbunden ist, um eine elektrische Masse zu bilden, und der negative Anschluss des P-ESS mit der elektrischen Masse nicht verbunden ist, so dass es möglich ist, dass ein Spannungsniveau des negativen Anschlusses des P-ESS mit Bezug auf ein Spannungsniveau der elektrischen Masse floatet oder schwankt.
  8. Elektrisches System nach Anspruch 7, das ferner ein DC/DC-Umsetzersystem umfasst, das einen positiven Eingabeanschluss und einen positiven Ausgabeanschluss, die aneinander gebunden sind und mit den positiven Anschlüssen des P-ESS und des A-ESS verbunden sind, und einen negativen Eingabeanschluss aufweist, der mit dem negativen Anschluss des P-ESS elektrisch verbunden ist.
  9. Elektrisches System nach Anspruch 7, wobei das DC/DC-Umsetzersystem eine Gatetreiberschaltung und erste und zweite Halbleiterschalter umfasst, und wobei der erste und zweite Halbleiterschalter mit Hilfe von Schaltsignalen und der Gatetreiberschaltung aktiviert werden, um separat einen Abwärtsmodus und einen Aufwärtsmodus des DC/DC-Umsetzers herzustellen.
  10. Elektrisches System nach Anspruch 9, wobei der erste und zweite Halbleiterschalter Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren sind, die jeweils ein Gate aufweisen, und wobei die Gatetreiberschaltung in Ansprechen auf die Schaltsignale Gatevorspannungssignale überträgt.
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