DE102015222894A1 - Bordnetzanordnung für ein Hybridfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bordnetzanordnung (1) für ein Hybridfahrzeug (200) mit einem ersten und einem zweiten Bordnetz (2, 11), die über ein Koppelelement (5) miteinander verbunden sind und jedes Bordnetz (2, 11) wenigstens einen Energiewandler (8; 18) und/oder einen Energiespeicher (4; 14) umfasst, wobei ein Energiefluss zwischen erstem und zweitem Bordnetz (2, 11) mittels einer Ansteuerung des Koppelelements (5) und/oder in Abhängigkeit von einem Betriebszustand einer der Energiewandler (8; 18) und/oder einer der Energiespeicher (4; 14) steuerbar ist und eine erste und zweite elektrische Maschine (6, 7) vorgesehen sind, welche antriebswirksam mit einem Verbrennungsmotor (19) koppelbar sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Bordnetzanordnung für ein Hybridfahrzeug mit einem ersten und einem zweiten Bordnetz, die über ein Koppelelement miteinander verbunden sind und jedes Bordnetz wenigstens einen Energiewandler und/oder einen Energiespeicher umfasst.
• Im Gegensatz zu früheren Fahrzeugen, bei denen Verbrennungsmotoren mit einfacher Elektrik (zum Beispiel Starter, Zündung) eingesetzt wurden, werden an moderne Bordnetzanordnungen (oder Bordnetztopologien) höhere und komplexere Anforderungen gerichtet. Grundsätzlich dient eine Bordnetzanordnung nach wie vor dazu, die zugehörigen elektrischen Verbraucher komfortabel, effizient und mit hoher Verfügbarkeit mit elektrischer Energie zu versorgen, um im Betrieb (und auch außer Betrieb) Fahrzeugfunktionen sicherzustellen.
• Zur Bordnetzanordnung gehören alle elektrischen Energieerzeuger, Speicher, Verteiler, Wandler, Leitungen und Verbraucher. Auch Steuer- und/oder Regeleinrichtungen (zum Beispiel eine ECU) gehören zur Bordnetzanordnung.
• Bei Hybridantrieben stößt die konventionelle Zwölf-Volt-Bordnetzarchitektur an ihre Grenzen, da der Fahrzeugantrieb teilweise, zeitweise oder vollständig durch Elektromaschinen erfolgt oder durch diese unterstützt wird, die eine große elektrische Leistung erfordern.
• Aus der DE 10 2013 013 541 B3 ist beispielsweise eine Bordnetzanordnung bekannt, bei welcher ein Hochvolt-Bordnetz und ein Niedervolt-Bordnetz vorgesehen sind. Weiter ist ein elektrischer Antriebsmotor vorgesehen, der zum Antrieb des Fahrzeugs dient sowie ein weiterer Elektromotor, der zum Starten des Fahrzeugs geeignet ist. Zur Entlastung eines Niedervolt-Bordnetzes werden diese beiden Elektromaschinen aus einem Hochvolt-Bordnetz gespeist. Dieses Konzept erfordert eine weitere Elektromaschine, die als Generator arbeitet, um im verbrennungsmotorischen Betrieb eine Hochvoltbatterie zu speisen.
• Ein anderes Konzept zeigt die DE 10 2005 024 411 A1 . Hier ist eine Bordnetzanordnung dargestellt, bei welcher ein Generator und ein Elektromotor über einen Riementrieb mit einer Brennkraftmaschine gekoppelt sind. Dabei treibt der über eine gemeinsame Welle mit dem Motor verbindbare Elektromotor Nebenaggregate an, und zwar entweder mechanisch gekoppelt über den Verbrennungsmotor oder elektrisch angetrieben durch eine Stromversorgung aus dem Generator bzw. einem Energiespeicher. Die hier vorgesehenen Elektromaschinen (Motor und Generator) dienen primär einer differenzierbare Antriebssteuerung bzw. Versorgung von Nebenaggregaten und für ein differenziertes Laden oder Entladen des elektrischen Energiespeichers. Weiter kann der Motor als Starter und (Zusatzgenerator) dienen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bordnetzanordnung für ein Hybridfahrzeug bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.
• Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Bordnetzanordnung nach Anspruch 1, das Antriebssystem nach Anspruch 9 und ein Hybridfahrzeug nach Anspruch 10 gelöst.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
• Eine erfindungsgemäße Bordnetzanordnung für ein Hybridfahrzeug umfasst ein erstes und ein zweites Bordnetz, die jeweils über ein Koppelelement miteinander verbunden sind. Dabei umfasst jedes Bordnetz wenigstens einen Energiewandler und/oder einen Energiespeicher, wobei ein Energiefluss zwischen erstem und zweiten Bordnetz mittels einer Ansteuerung des Koppelelements und/oder in Abhängigkeit von einem Betriebszustand einer der Energiewandler und/oder einer der Energiespeicher steuerbar ist und wobei eine erste und zweite elektrische Maschine vorgesehen sind, welche antriebswirksam mit einem Verbrennungsmotor koppelbar sind, wobei eine der Maschinen wahlweise im Generator oder Motorbetrieb betreibbar ist.
• Bordnetzanordnungen mit einem ersten und einem zweiten Bordnetz erlauben es, in dem einen Bordnetz hohe Leistungsspitzen zur Verfügung zu stellen, ohne die Stabilität des anderen Bordnetzes zu gefährden.
• Energiewandler im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle elektrischen Energieerzeuger oder Verbraucher (ohmsche und induktive Verbraucher). Als Koppelelement, welches einen Energiefluss zwischen einem ersten und einem zweiten Bordnetz steuert bzw. regelt, dienen beispielsweise sogenannte DC/DC-Wandler oder auch potentialtrennende Gleichspannungswandler. Je nach Betriebszustand der Energiewandler und auch je nach Ladezustand der Energiespeicher ist damit ein Energiefluss zwischen den beiden Bordnetzen steuerbar.
• Die antriebswirksame – d.h. auf den Antriebsstrang wirkend – Kopplung einer ersten und zweiten Maschine mit einem Verbrennungsmotor, erlaubt es, die Leistung des Antriebstranges gezielter und differenzierter zu beeinflussen. Gleichzeitig kann dadurch, dass eine der Maschinen wahlweise im Generator- oder Motorbetrieb betreibbar ist, gegebenenfalls Motorleistung des Verbrennungsmotors in elektrische Leistung umgesetzt werden und in die Bordnetzanordnung eingespeist werden, während gleichzeitig die andere elektrische Maschine die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors erhöht. Umgekehrt ist es auch möglich mit beiden elektrischen Maschinen im Motorbetrieb die Antriebsleistung des Antriebstranges zu steigern.
• Damit sind mehrere unterschiedliche Betriebszustände möglich, nämlich
• 1. Antriebsleistung wird ausschließlich über den Verbrennungsmotor (auch Verbrennungskraftmaschine oder VKM) zur Verfügung gestellt;
• 2. Antriebsleistung wird durch den Verbrennungsmotor und eine der elektrischen Maschinen zur Verfügung gestellt;
• 3. Antriebsleistung wird durch den Verbrennungsmotor und durch den Motorbetrieb beider Elektromaschinen zur Verfügung gestellt;
• 4. Antriebsleistung wird ausschließlich durch den Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt und ein Teil der Antriebsleistung wird im Generatorbetrieb einer der elektrischen Maschinen in elektrische Energie umgewandelt und in die Bordnetzanordnung eingespeist;
• 5. Antriebsenergie wird durch den Verbrennungsmotor und den Elektromotorbetrieb einer der elektrischen Maschinen zur Verfügung gestellt und ein Teil der Antriebsenergie wird durch den Generatorbetrieb der anderen Elektromaschine in elektrische Energie umgewandelt und in die Bordnetzanordnung eingespeist.
• Damit ist es möglich, mit einer Verbrennungsmotorkomponente und zwei Elektromaschinenkomponenten sowohl eine differenzierte Antriebsleistungsverteilung vorzunehmen als auch eine differenzierte Stromversorgung in die Bordnetzanordnung zur Versorgung der Energiewandler/Energieverbraucher und zur kontrollierten Ladung und Entladung der Energiespeicher.
• In einer Ausführung ist dabei vorgesehen, dass das erste Bordnetz ein Bordnetz niedrigerer Spannung, insbesondere ein 12 Volt-Bordnetz ist, und das zweite Bordnetz ein Bordnetz höherer Spannung, insbesondere ein 24 Volt-, ein 36 Volt- oder ein 48 Volt-Bordnetz ist. Die Aufteilung in ein erstes Bordnetz mit niedrigerer Spannung, insbesondere ein 12 Volt-Bordnetz, und ein Bordnetz mit höherer Spannung, die über der des ersten Bordnetzes liegt, ist vorteilhaft für die Versorgung von elektrischen Verbrauchern/Wandlern mit hoher Leistung, insbesondere zur Versorgung von leistungsfähigen Elektromotoren und erhöht insgesamt die Stabilität der Stromversorgung.
• Eine Ausführung, bei welcher die erste und zweite elektrische Maschine jeweils nur aus dem zweiten Bordnetz, insbesondere aus dem Bordnetz höherer Spannung versorgbar ist, bietet den Vorteil, die primäre Energieversorgung über das höhere Spannungsniveau zu realisieren, so dass beispielsweise immer eine hinreichende Leistungsreserve im Bordnetz niedrigerer Spannung (z.B. das 12 Volt-Bordnetz) sichergestellt werden kann und die Versorgungsstabilität dort auch unabhängig von auftretenden Verbrauchs und Leistungsspitzen im Bordnetz höherer Spannung stabil bleibt.
• Bei einer Ausführung, bei welcher die erste elektrische Maschine als Startergenerator, insbesondere als Riemenstartergenerator (RSG) ausgebildet ist, besteht der Vorteil, dass man eine entsprechend geeignete elektrische Maschine sowohl zum Anlassen des Verbrennungsmotors (im Kurzzeitbetrieb) und ansonsten als Generator nutzt, um elektrische Verbraucher/Wandler und/oder die Energiespeicher mit elektrischer Energie zu versorgen.
• Insbesondere die Ausführung als Riemenstartergenerator erlaubt eine sehr kompakte Kopplung in die Antriebskette des Verbrennungsmotors. Ein Riemenstartergenerator dreht den Verbrennungsmotor schnell auf hohe Kurbelwellendrehzahlen (bis zur Startdrehzahl) und erlaubt so einen sehr schnellen, geräuscharmen und kraftstoffsparenden Start und ist für komfortable Start/Stopp-Systeme geeignet. Zusätzlich kann die Antriebsleistung des RSG genutzt werden, um gespeicherte Elektrizität verbrennungsmotorunterstützend auch (zeitweise) als Fahrzeugantrieb (z.B. für die Beschleunigung) zu nutzen.
• Im Generatorbetrieb ist es möglich einen Teil der VKM-Leistung zur Stromerzeugung zu nutzen und gegebenenfalls Bremsenergie zu rekuperieren und wiederum dem Energiespeicher zuzuführen. Gleichzeitig kann ein herkömmlicher Starter (z.B. ein Ritzelstarter) in der Regel entfallen.
• Bei einer Ausführung, bei welcher die zweite elektrische Maschine einen Abgasturbolader und/oder einen Ladeluftverdichter antreibt, kann die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors weiter differenziert und effektiv gesteigert werden.
• Dabei gibt es das eine Konzept, bei dem die zweite elektrische Maschine als Elektromotor über eine gemeinsame Antriebswelle mit dem Abgasturbolader gekoppelt ist (euATL) und diesen bedarfsweise zusätzlich antreibt, und das andere Konzept, bei dem ein zusätzlicher elektrischer angetriebener Verdichter (eBooster) als Vorstufe zum Abgasturbolader vorgesehen ist, der kurzzeitig die Luftversorgung des Verbrennungsmotors übernimmt.
• Bei dem „eBooster“-Konzept besteht der Vorteil, lediglich das Turbinenrad des eBoosters anzutreiben. Gleichzeitig kann im Vergleich zum euATL-Konzept eine gleichwertige Leistung bei niedrigerer Drehzahl erreicht werden. Es steht so praktisch eine zweistufig geregelte Aufladung mit breiterem Verdichterkennfeld zur Verfügung, bei der das Drehmoment des Verbrennungsmotors über den gesamten Drehzahlbereich erhöht werden kann.
• Bei einer Ausführung, bei welcher das Koppelelement als steuerbarer Gleichspannungswandler, insbesondere als potentialtrennender Gleichspannungswandler ausgebildet ist, ist es möglich, die beiden Bordnetze weitgehend unabhängig voneinander zu betreiben und gleichzeitig in differenzierter Weise den gewünschten Energiefluss zwischen beiden Netzen zu realisieren.
• Dazu kann eine Steuerung vorgesehen sein, mittels derer der Energiefluss zwischen dem ersten und zweiten Bordnetz steuerbar ist. Dies kann zum einen anhand der Steuerung des Koppelelements selbst geschehen, aber auch ergänzend und/oder alternativ durch eine Leistungs- bzw. Verbrauchssteuerung der ersten und/oder zweiten elektrischen Maschine anderer Energiewandler/-verbraucher weiterer elektrischer Maschinen oder auch durch eine Steuerung der Ladung bzw. Entladung der Energiespeicher.
• Dazu kann die Bordnetzanordnung dazu eingerichtet sein, den Energiefluss anhand einer oder mehrerer Kriterien zu priorisieren. Insbesondere anhand des Fahrzustands bzw. des Betriebszustands einer Antriebseinheit, welche den Verbrennungsmotor selbst und eine der elektrischen Komponenten umfasst, anhand des individuellen Fahrverhaltens eines Fahrers bzw. des Fahrzeugs, gemäß der Beanspruchung von Fahrzeugkomponenten und nach Komfortkriterien wie zum Beispiel Wiederstarten des Verbrennungsmotors beim Übergang aus einer der Leerlauffahrt (mit stillgelegtem Verbrennungsmotor) in eine Antriebsfahrt. + Komfortaspekt Klimatisierung (Heizung), + Verbrauchreduzierung durch optimale Steuerung der Komponenten.
• Ein Antriebssystem für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der antriebswirksam mit einer ersten und zweiten elektrischen Maschine verbunden ist, die über eine Bordnetzanordnung der oben geschilderten Art verfügt, ermöglicht über eine komfortable Start-Stopp-Funktion des Antriebs hinaus einen „Mild-Hybrid-Betrieb“, insbesondere mit einer Leistungssteigerung im Anfahrzustand durch eine maßgebliche Steigerung des Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen sowie eine kurzzeitige oder auch andauernde Leistungssteigerung im höheren Drehzahlbereich (Boost-Funktion).
• Ein Hybridfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem ermöglicht verbesserte Fahrleistungen, erhöhten Komfort und einen reduzierten Verbrauch.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung,
• 2 eine Drehmomentcharakteristik eines erfindungsgemäßen Antriebssystems im Vergleich zu anderen Systemen,
• 3 Volllast-Kennlinien eines erfindungsgemäßen Antriebssystems im Vergleich zu anderen Systemen, und
• 4 den zeitlichen Verlauf erreichbarer Motordrehzahlen eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
• 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bordnetzanordnung 1, die Bestandteil eines Antriebssystems 100 in einem Fahrzeug 200 ist.
• Die Bordnetzanordnung 1 umfasst ein erstes Bordnetz höherer Spannung, das über ein Leitungssystem 3 (durchgezogene Linien) einen als 48 Volt-Batterie ausgebildeten ersten Energiespeicher 4, ein als, gegebenenfalls potentialtrennender, Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) ausgebildetes Koppelelement 5, eine erste elektrische Maschine 6, eine zweiten elektrischen Maschine 7 und einen möglichen weiteren Energiewandler 8 verbindet. Die Energiewandler 8 können elektrische Verbraucher (ohmsche bzw. induktive Verbraucher) wie Stellmotoren, Beleuchtungselemente, oder Heizungselemente sein, die aus dem Bordnetz 2 höherer Spannung gespeist werden.
• Die Steuerung bzw. Regelung der Bordnetzelemente erfolgt über eine insbesondere als ECU 9 ausgebildete Steuerung. Der Begriff „Steuerung“ ist in diesem Zusammenhang nicht auf eine Vorrichtung beschränkt, die nur reine Steuerfunktionen ausführt, sondern umfasst auch solche Steuerungen, die auch Regelfunktionen ausführen können. Die ECU 9 ist über Signalleitungen 10 mit Elementen des Bordnetzes 2 sowie des Antriebssystems 100 verbunden.
• Über das Koppelelement 5 ist das Bordnetz höherer Spannung 2 mit einem Bordnetz niedrigerer Spannung 11 verbunden, das über ein Leitungssystem 13 (strichpunktiert) einen zweiten Energiespeicher 14 mit wenigstens einem weiteren Wandler 18 verbindet.
• Die Energiewandler 8 und 18 werden ebenfalls über die ECU 9 angesteuert und können alternativ bzw. optional jeweils auch eigene Steuerungselemente umfassen, welche mit der ECU 9 über die Signalleitungen 10 verbunden sind.
• Der Energiefluss zwischen dem Bordnetz höherer Spannung 2 und dem Bordnetz niedrigerer Spannung 11, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als 48 Volt-Bordnetz und 12 Volt-Bordnetz ausgebildet sind, erfolgt über den DC/DC-Wandler, der ebenfalls über die ECU 9 ansteuerbar ist.
• Das Antriebssystem 100 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine (VKM) 19, die mechanisch über einen Riementrieb mit der zweiten elektrischen Maschine 7 gekoppelt ist, die als Riemenstartergenerator (RSG) ausgebildet ist, der wiederum Bestandteil der Bordnetzanordnung 1 bzw. des 48 Volt-Bordnetzes 2 (Bordnetz höherer Spannung) ist.
• Über die Frischluftzufuhr ist die Verbrennungskraftmaschine 19 mit der ersten elektrischen Maschine 6 gekoppelt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als sogenannten eBooster ausgebildet ist. Dieser verdichtet mittels eines elektrisch angetriebenen Verdichters als Vorstufe zu einem Abgasturbolader die der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Frischluft.
• In einer alternativen (nicht dargestellten) Ausführung kann die erste elektrische Maschine 6 auch direkt an einer Antriebswelle des Abgasturboladers angreifen, der dann als sogenannter euATL (elektrisch unterstützter Abgasturbolader) ausgeführt ist.
• Die elektrischen Maschinen 6 und 7 sind gegebenenfalls über nicht dargestellte Pulswechselrichter mit dem 48 Volt-Bordnetz 2 verbunden, die den Gleichstrom in einen zum Antrieb der elektrischen Maschine geeigneten Drehstrom umwandeln, gegebenenfalls mit variabel einstellbarer Stromgröße und Drehfeldfrequenz.
• Über den ersten und zweiten Energiespeicher 4, 14 und den DC/DC-Wandler 5 werden durch einen gegebenenfalls über die ECU 9 gesteuerten Energieausgleich die Bordnetze 2 und 11 betriebsbereit gehalten.
• Bei Betrieb des Antriebssystems 100 können die antriebswirksamen Komponenten Verbrennungsmaschine (VKM) 19, erste elektrische Maschine (eBooster) 6 und zweite elektrische Maschine (RSG) 7 in unterschiedlichen Konstellationen betrieben werden.
• • Der Antrieb erfolgt nur über die VKM 19, der RSG 7 ist gegebenenfalls sogar mittels einer Kupplung aus dem Antriebsstrang ausgekuppelt und der eBooster 6 wird nicht eingesetzt. In diesem Betriebszustand steht die volle Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 19 zur Verfügung.
• • In einem anderen Betriebszustand läuft der RSG 7 im Generatorbetriebsmodus mit und erzeugt dabei Strom, der in das Bordnetz höherer Spannung 2 eingespeist wird und dort entweder dazu dient, den Energiespeicher aufzuladen oder andere Verbraucher mit Strom zu versorgen. Der eBooster 6 ist nicht aktiv und die Antriebsleistung wird von der VKM 19 bereitgestellt.
• • In einem weiteren Betriebszustand, insbesondere beim Anfahren und/oder Beschleunigen sind sowohl der eBooster 6 als auch der RSG 7 zusammen mit der VKM 19 antriebswirksam. Damit kann vor allem im niedrigen Drehzahlbereich das antriebswirksame Drehmoment maßgeblich erhöht werden.
• • In einem anderen Betriebsmodus ist es auch möglich, den eBooster 6 antriebswirksam zu betreiben und gleichzeitig den RSG 7 im Generatorbetrieb mitlaufen zu lassen, um bei erhöhter Motorleistung über den RSG 7 elektrische Energie in das Bordnetz 2 höherer Spannung einzuspeisen.
• Die Verteilung der Energie in der Bordnetzanordnung 1 und insbesondere zwischen den Bordnetzen 2 und 11 erfolgt mittels des DC/DC-Wandlers 5, der als Koppelelement fungiert und über die ECU 9 ansteuerbar ist. Die ECU ist zur Steuerung und Regelung des Antriebssystems 100 und der Bordnetzanordnung 1 über Signalleitungen 10 mit den dargestellten Komponenten erster Energiespeicher 4, Koppelelement 5, eBooster 6, Riemen-Starter-Generator 7, Energiewandler 8, zweiter Energiespeicher 14 sowie dem Energiewandler 18 verbunden und kann so Signale über unterschiedliche Betriebszustände empfangen, diese verarbeiten und Steuer- und/oder Regelsignale abgeben, um die Betriebszustände wunschgemäß zu verändern. Dabei werden Größen wie Ladezustand der Energiespeicher 4, 14, Netzbelastung des 48 Volt-Bordnetzes 2 und des 12 Volt-Bordnetzes 11 sowie der Ist- und Soll-Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt.
• 2 zeigt qualitativ Drehmomentcharakteristika unterschiedlicher Antriebsysteme im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 100. Das Drehmoment M ist in Abhängigkeit von der Drehzahl n aufgetragen.
• M1 zeigt eine Drehmomentkennlinie für eine 147 kW Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbolader. M2 eine 110 kW Verbrennungskraftmaschine mit Abgasturbolader. M0 eine Kennlinie für erfindungsgemäße 135 kW Verbrennungskraftmaschine in zwei Antriebszuständen im Anfahrbereich:
• • Kennlinie M01 zeigt den Drehmomentverlauf über die Drehzahl ohne antriebswirksam gekoppelte eBooster 6 und RSG 7.
• • Kennlinie M02 zeigt den Drehmomentverlauf mit antriebswirksam gekoppelten eBooster 6 und RSG 7.
• • Dabei zeigt der grau hinterlegte Kennfeldbereich zwischen den beiden Kennlinien M01 und M02 das Leistungspotential P des eBoosters 6 und des RSG 7.
• Die Kurve RS1 zeigt den Drehmomentverlauf des Riemen-Starter-Generators 7 im motorischen Betrieb. Unterhalb einer Grenzdrehzahl von (z.B. 1000 U/min) steht ein relativ hohes Drehmoment zur Verfügung, das insbesondere zum komfortablen Starten der Verbrennungskraftmaschine 19 genutzt werden kann. Dabei zeigt der Verlauf der Kurve M02, dass die Verbrennungskraftmaschine 19 bei Nutzung des zusätzlichen Antriebsmoments des eBoosters 6 und des RSG 7 bei deutlich niedrigeren Drehzahlen das maximale Drehmoment erreicht als dies ohne Einsatz dieser Aggregate möglich wäre.
• Der Bereich RS2 oberhalb der Grenzdrehzahlzeigt einen Bereich, in dem der RSG 7 mit vergleichsweise niedrigem Drehmoment nutzbar ist – beispielsweise zum komfortablen (nicht wahrnehmbaren) Wiederstart der im Freilauf abgeschalteten Verbrennungskraftmaschine 19 bei rollendem Fahrzeug.
• 3 zeigt ein Drehzahl-Kurbelwellen-Drehmomentkennfeld für unterschiedliche Betriebszustände des in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Antriebssystems. Das Drehmoment M ist in Abhängigkeit von der Drehzahl n aufgetragen.
• Die strichpunktierte Kennlinie K1 zeigt das drehzahlabhängige Drehmoment der VKM 19 ohne Betrieb eines der Aggregate eBooster 6 oder RSG 7.
• Die langgestrichelte Kennlinie K2 zeigt den Drehmomentverlauf des Antriebssystems 100 mit parallel zur VKM 19 antriebswirksam betriebenem RSG 7. Dabei zeigt sich ein deutlicher Drehmomentgewinn im niedrigen Drehzahlbereich.
• Die kurzgestrichelte Kennlinie K3 zeigt den Drehmomentverlauf des Antriebssystems 100 mit parallel zur VKM 19 antriebswirksam gekoppeltem eBooster 6, der ebenfalls einen deutlichen Drehmomentgewinn im niedrigen Drehzahlbereich liefert, aber auch zusätzlich in einem höheren Drehzahlbereich die Drehmomentkennlinie anhebt.
• Schließlich zeigt die durchgezogene Kennlinie K4 den Drehmomentverlauf bei Betrieb der VKM 19 zusammen mit dem eBooster 6 und dem RSG 7. Hier wird im niedrigen Drehzahlbereich nahe das verfügbare Drehmoment mehr als verdoppelt, während im höheren Drehzahlbereich zwischen eine Steigerung zwischen 15 und 5 % realisierbar ist.
• Im unteren Bereich des Graphen ist wiederum die Drehmomentkennlinie RS des Riemen-Starter-Generators 7 dargestellt.
• 4 zeigt den Verlauf der Motordrehzahl n über die Zeit t beim Starten einer Verbrennungskraftmaschine mit unterschiedlichen Startergeräten im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen System
• Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf beim Starten einer Turbodiesel-Verbrennungskraftmaschine mit einem herkömmlichen Ritzelstarter, der über ein 12 Volt Netz gespeist wird. Dabei erfolgt die Einspritzfreigabe nach einer Zeit t_R1 nach, und eine Drehzahl, bei der ein Mindestfahrmoment verfügbar ist (hier 1000 U/min) ist nach einer Zeit t_M1 erreicht.
• Bei Verwendung eines Riemen-Starter-Generators in einem 12 Volt Netz wird die Einspritzfreigabe nach einer Zeit t_R2 erreicht und eine Drehzahl, bei der ein Fahrmoment verfügbar ist (z.B. 1200 U/min) bereits nach einer Zeit t_M2. Es besteht also hier ein Zeitgewinn von Δt₁ beim Wiederstarten eines Motors mittels eines Riemen-Starter-Generators gegenüber einem Ritzelstarter.
• Schließlich zeigt die punktierte Kurve den Drehzahlverlauf über die Zeit bei Verwendung eines 48 Volt Riemen-Starter-Generators 7 in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 100, das die Einspritzfreigabe bereits nach einer Zeit t_R3 ermöglicht, und eine Motordrehzahl, bei der ein Fahrmoment verfügbar ist (hier etwa 1150 U/min) bereits nach einer Zeit von t_M3 realisiert.
• Die Darstellung zeigt, dass der Wiederstart mit einem RSG 7 im 48 Volt Bordnetz einen wesentlich komfortableren (schnelleren) Wiederstart bei einer Start-Stopp-Anwendung ermöglicht als mit einem Ritzelstarter oder einem Riemen-Starter-Generator im 12 Volt Bordnetz. Der Zeitgewinn Δt₂ beträgt etwa das Doppelte des Zeitgewinns gegenüber Δt₁. Dies erhöht den Fahrkomfort erheblich. Durch den Einsatz des RSG 7 im Bordnetz höherer Spannung (hier 48 Volt) wird gleichzeitig sichergestellt, dass das 12 Volt Bordnetz von dem Startvorgang unbeeinflusst bleibt und es nicht den bekannten Spannungseinbruch gibt, der beim Starten von Fahrzeugen mit einem 12 Volt Ritzelgenerator oder einem 12 Volt Riemen-Starter-Generator bekannt ist.
• Weitere Ausführungen und Varianten der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann im Rahmen der Ansprüche.
• Bezugszeichenliste

1

Bordnetzanordnung

2

Bordnetz höherer Spannung (48 Volt)

3

Leitungssystem

4

erster Energiespeicher (Hochvoltbatterie)

5

Koppelelement (DC/DC-Wandler)

6

erste elektrische Maschine (eBooster oder euAGL)

7

zweite elektrische Maschine (Riemen-Starter-Generator, RSG)

8

Energiewandler

9

ECU (Motorsteuerung)

10

Signalleitung

11

Bordnetz niedrigerer Spannung (12 Volt)

13

Leitungssystem

14

zweiter Energiespeicher (12 Volt Batterie)

18

Energiewandler

19

Verbrennungsmotor (Verbrennungskraftmaschine, VKM)

20

Riementrieb

100

Antriebssystem

200

Fahrzeug

M1

Kennlinie 147 kW Motor

M2

Kennlinie 110 kW Motor

M0

Kennlinie 135 kW Motor

M01

Kennlinie ohne elektrischen Zusatzantrieb

M02

Kennlinie mit elektrischem Zusatzantrieb

P

Leistungspotential

RS

Kennlinie 48 Volt Riemen-Starter-Generator

K1

Volllast-Kennlinie 135 kW Motor

K2

Kennlinie 135 kW Motor mit antriebswirksamen Riemen-Starter-Generator

K3

Kennlinie 135 kW Motor mit antriebswirksamen eBooster

K4

Kennlinie 135 kW Motor mit antriebswirksamen eBooster und Riemen-Starter-Generator

t_R1

Einspritzfreigabe 12 V-Ritzenstarter

t_R2

Einspritzfreigabe 12 V-Riemen-Starter-Generator

t_R3

Einspritzfreigabe 48 V-Riemen-Starter-Generator

t_M1

Fahrmomentzeitpunkt 12 V-Ritzelstarter

t_M2

Fahrmomentzeitpunkt 12 V-Riemen-Starter-Generator

t_M3

Fahrmomentzeitpunkt 48 V-Riemen-Starter-Generator

Δt₁

Anfahrzeitgewinn 12 V-Ritzelstarter zu 12 V-Riemen-Starter-Generator

Δt₂

Anfahrzeitgewinn 12 V-Ritzelstarter zu 48 V-Riemen-Starter-Generator

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102013013541 B3 [0005]
• DE 102005024411 A1 [0006]

Claims (10)

1. Bordnetzanordnung (1) für ein Hybridfahrzeug (200) mit einem ersten und einem zweiten Bordnetz (2, 11), die über ein Koppelelement (5) miteinander verbunden sind und jedes Bordnetz (2, 11) einen Energiewandler (8; 18) und/oder einen Energiespeicher (4; 14) umfasst, wobei ein Energiefluss zwischen erstem und zweitem Bordnetz (2, 11) mittels einer Ansteuerung des Koppelelements (5) und/oder in Abhängigkeit von einem Betriebszustand einer der Energiewandler (8; 18) und/oder einer der Energiespeicher (4; 14) steuerbar ist und eine erste und zweite elektrische Maschine (6, 7) vorgesehen sind, welche antriebswirksam mit einem Verbrennungsmotor (19) koppelbar sind.
2. Bordnetzanordnung (1) nach Anspruch 1, bei welcher das erste Bordnetz ein Bordnetz niedrigerer Spannung (11), insbesondere ein 12 Volt-Bordnetz, das zweite Bordnetz ein Bordnetz höherer Spannung (2), insbesondere ein 24 Volt-, ein 36 Volt- oder ein 48-Volt-Bordnetz ist, und das erste Bordnetz (11) ein niedrigeres Spannungsniveau als das zweite Bordnetz (2) aufweist.
3. Bordnetzanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die erste und zweite elektrische Maschine (6, 7) jeweils nur über das zweite Bordnetz (2) mit elektrischer Energie versorgbar sind.
4. Bordnetzanordnung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher die erste elektrische Maschine (6) einen Abgasturbolader und/oder einen Ladeluftverdichter antreibt.
5. Bordnetzanordnung (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei welcher die zweite elektrische Maschine als Startergenerator, insbesondere als Riemenstartergenerator (7) ausgebildet ist.
6. Bordnetzanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Koppelelement (5) als steuerbarer Gleichspannungswandler, insbesondere als potentialtrennender Gleichspannungswandler, ausgebildet ist.
7. Bordnetzanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine Steuerung (9) vorgesehen ist, mittels derer ein Energiefluss zwischen dem ersten und zweiten Bordnetz (2; 11) steuerbar ist, insbesondere anhand einer Ansteuerung eines der folgenden Elemente: Koppelelement (5), erste und/oder zweite elektrische Maschine (6; 7), Energiewandler (8; 18), andere elektrische Maschine, Energiespeicher (4; 14).
8. Bordnetzanordnung (1) nach Anspruch 7, bei welcher die Steuerung (9) dazu eingerichtet ist, den Energiefluss anhand eines der folgenden Kriterien zu priorisieren: Fahrzustand, Fahrverhalten, Beanspruchung von Fahrzeugkomponenten, Komfort.
9. Antriebssystem (100) für ein Hybridfahrzeug (200) mit einem Verbrennungsmotor (19) der antriebswirksam mit einer ersten und zweiten elektrischen Maschine (6, 7) verbunden ist, die über eine Bordnetzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 miteinander verbunden sind.
10. Hybridfahrzeug (200) mit einem Antriebssystem (100) nach Anspruch 9.

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