-
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Versorgen eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs unter Verwendung einer modularen Batterie.
-
Elektrisch betriebene Fahrzeuge, wie zum Beispiel Hybridelektrofahrzeuge (HEVs, Hybrid Electric Vehicles), kombinieren ein konventionelles Antriebssystem mit einem Motor mit innerer Verbrennung (ICE, Internal Combustion Engine) mit einem elektrischen Antriebssystem, das eine im Fahrzeug montierte Batterie enthält. Die im Fahrzeug montierte Batterie enthält mehrere Batteriezellen, die Leistung für einen Elektromotor bereitstellen, der zum Antreiben des Fahrzeugs ausgelegt ist.
-
Typischerweise ist die im Fahrzeug montierte Batterie nicht dazu konzipiert, zum Aufladen routinemäßig aus dem Fahrzeug ausgebaut zu werden. Stattdessen ist die im Fahrzeug montierte Batterie dazu konzipiert, im Wesentlichen für die gesamte Lebensdauer der Batterie mit dem Fahrzeug verbunden zu sein (mit Ausnahme von Wartung). Die im Fahrzeug montierte Batterie wird aufgeladen, ohne dass sie aus dem Fahrzeug ausgebaut wird, unter Verwendung von Techniken wie zum Beispiel der Bremsenergierückgewinnung. In einigen anderen Fahrzeugen, wie zum Beispiel Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen, wird die im Fahrzeug montierte Batterie aus einer externen Leistungsquelle aufgeladen. Die im Fahrzeug montierte Batterie bleibt während des Aufladens weiter im Fahrzeug montiert.
-
Einige bekannte Fahrzeuge enthalten im Fahrzeug montierte Batterien mit mehreren Zellen, die dazu ausgelegt sind, dass sie zum Aufladen aus der im Fahrzeug montierten Batterie ausgebaut werden. In anderen bekannten Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel Fahrrädern, wird das Fahrzeug unter Verwendung eines einzelnen, wiederaufladbaren Batteriesatzes versorgt. In diesen Beispielen ist der Batteriesatz die einzige Leistungsquelle für das Fahrzeug.
-
Ein beispielhafter Aspekt der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, das unter anderem eine im Fahrzeug montierte Batterie und eine modulare Batterie enthält. Die modulare Batterie ist wahlweise aus dem Fahrzeug ausbaubar und dazu ausgelegt, an einem vom Fahrzeug entfernten Ort aufgeladen zu werden. Das Fahrzeug wird selektiv von der modularen Batterie und/oder der im Fahrzeug montierten Batterie versorgt.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs stellt die modulare Batterie eine niedrigere Spannung als die im Fahrzeug montierte Batterie bereit.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs wird ein Gleichspannungswandler zwischen der modularen Batterie und einer Elektromaschine bereitgestellt, wobei der Gleichspannungswandler dazu ausgelegt ist, die durch die modulare Batterie bereitgestellte Spannung zu erhöhen und die erhöhte Spannung der Elektromaschine zuzuführen.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs ist die modulare Batterie mittels eines Schützes mit einer Elektromaschine verbunden. Das Schütz ist von der modularen Batterie getrennt.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs stellt die modulare Batterie eine Gleichspannung von etwa 60 Volt bereit.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs stellt die modulare Batterie eine Spannung bereit, die im Wesentlichen gleich einer von der im Fahrzeug montierten Batterie bereitgestellten Spannung ist.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs enthält die modulare Batterie ein Schütz.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs enthält die modulare Batterie weiterhin mehrere zurückschiebbare Kontakte. Die Kontakte sind dazu ausgelegt, sich selektiv (1) aus einem Äußeren der modularen Batterie herauszuschieben, wenn das Schütz geschlossen ist, und (2) in das Innere der modularen Batterie zurückzuschieben, wenn das Schütz geöffnet ist.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs stellt die modulare Batterie eine Gleichspannung in einem Bereich von 250–1.000 Volt bereit.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs wiegt die modulare Batterie etwa 5 Kilogramm.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs wird das Fahrzeug nur von der modularen Batterie versorgt, bis die Ladung der modularen Batterie einen minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht. Weiterhin wird das Fahrzeug nur von der im Fahrzeug montierten Batterie versorgt, wenn die Ladung der modularen Batterie den minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs ist der minimale Ladezustandsschwellenwert 15 %.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs wird das Fahrzeug sowohl von der modularen Batterie als auch von der im Fahrzeug montierten Batterie versorgt, bis die Ladung der modularen Batterie einen minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht. Weiterhin wird das Fahrzeug nur von der im Fahrzeug montierten Batterie versorgt, wenn die Ladung der modularen Batterie den minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs enthält die modulare Batterie wenigstens einen Gurt, um es dem Nutzer zu ermöglichen, die modulare Batterie zu transportieren.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Fahrzeugs sind die modulare Batterie und die im Fahrzeug montierte Batterie parallel zueinander mit einer Elektromaschine verbunden, wobei die Elektromaschine dazu ausgelegt ist, Räder des Fahrzeugs anzutreiben.
-
Ein Verfahren gemäß einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet unter anderem, ein Fahrzeug zu versorgen, indem selektiv Leistung aus einer im Fahrzeug montierten Batterie und/oder einer modularen Batterie gezogen wird. Die modulare Batterie ist dazu ausgelegt, an einem vom Fahrzeug entfernten Ort aufgeladen zu werden.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Verfahrens wird das Fahrzeug nur von der modularen Batterie versorgt, bis die Ladung der modularen Batterie einen minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht, und das Fahrzeug wird nur von der im Fahrzeug montierten Batterie versorgt, wenn die Ladung der modularen Batterie den minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Verfahrens wird das Fahrzeug sowohl von der modularen Batterie als auch von der im Fahrzeug montierten Batterie versorgt, bis die Ladung der modularen Batterie einen minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht, und das Fahrzeug wird nur von der im Fahrzeug montierten Batterie versorgt, wenn die Ladung der modularen Batterie den minimalen Ladezustandsschwellenwert erreicht.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Verfahrens werden Kontakte in ein Außengehäuse der modularen Batterie zurückgeschoben, wenn ein Schütz der modularen Batterie geöffnet ist, und Kontakte der modularen Batterie werden aus dem Außengehäuse herausgeschoben, wenn das Schütz geschlossen ist.
-
In einer weiteren, nicht einschränkenden Ausführungsform des vorher genannten Verfahrens wird die modulare Batterie an einem vom Fahrzeug entfernten Ort aufgeladen.
-
Die Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen in den vorangehenden Absätzen, den Ansprüchen oder der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, einschließlich jedes ihrer verschiedenen Aspekte oder entsprechender einzelner Merkmale, können unabhängig oder in irgendeiner Kombination aufgenommen werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, sind auf alle Ausführungsformen anwendbar, es sei denn, derartige Merkmale sind nicht kompatibel.
-
Die Zeichnungen können kurz wie folgt beschrieben werden:
-
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs.
-
2 veranschaulicht schematisch eine erste beispielhafte Verbindung zwischen einer ersten beispielhaften modularen Batterie, der im Fahrzeug montierten Batterie und dem Elektromotor. In 2 ist die modulare Batterie eine Batterie mit relativ niedriger Spannung.
-
3A veranschaulicht einen Nutzer, der die erste beispielhafte modulare Batterie trägt.
-
3B veranschaulicht die erste beispielhafte modulare Batterie, die aufgeladen wird.
-
4 veranschaulicht schematisch eine zweite beispielhafte Verbindung zwischen einer zweiten beispielhaften modularen Batterie, der im Fahrzeug montierten Batterie und dem Elektromotor. In 4 ist die modulare Batterie eine Batterie mit relativ hoher Spannung.
-
5A veranschaulicht einen Nutzer, der die zweite beispielhafte modulare Batterie trägt.
-
5B veranschaulicht die zweite beispielhafte modulare Batterie, die aufgeladen wird.
-
6 veranschaulicht schematisch beispielhafte zurückschiebbare Kontakte. In 6 werden die Kontakte in ein Inneres einer modularen Batterie zurückgeschoben.
-
7 veranschaulicht schematisch beispielhafte zurückschiebbare Kontakte. In 7 schieben sich die Kontakte aus einem Äußeren der modularen Batterie heraus.
-
8 ist ein Flussdiagramm, das ein erstes beispielhaftes Verfahren veranschaulicht.
-
9 ist ein Flussdiagramm, das ein zweites beispielhaftes Verfahren veranschaulicht.
-
10 ist eine grafische Darstellung einer beispielhaften Steuerstrategie.
-
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Versorgen eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs unter Verwendung einer modularen Batterie. Die modulare Batterie ist dazu konzipiert, dass sie aus dem Fahrzeug ausgebaut und an einem elektrischen Versorgungsnetz aufgeladen wird, wie zum Beispiel in der Wohnung oder im Büro des Nutzers, und sie erweitert die Fahrzeugreichweite, indem sie die Abhängigkeit von anderen Leistungsquellen, einschließlich im Fahrzeug montierten Batterien und/oder einem Motor mit innerer Verbrennung, reduziert.
-
1 veranschaulicht schematisch einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs 12, das in diesem Beispiel ein elektrisch betriebenes Fahrzeug ist. Obwohl sie für ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) gezeigt werden, sollte verstanden werden, dass die hier beschriebenen Konzepte nicht auf HEVs beschränkt sind und sich auf andere Fahrzeuge erstrecken können, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs), batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) und Fahrzeuge mit modularen Hybridgetrieben.
-
In einer Ausführungsform ist der Antriebsstrang 10 ein Power-Split-Antriebsstrangsystem, das ein erstes Antriebssystem und ein zweites Antriebssystem einsetzt. Das erste Antriebssystem enthält eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor 14 und einem Generator 18 (d. h. einer ersten Elektromaschine). Das zweite Antriebssystem enthält wenigstens einen Elektromotor 22 (d. h. eine zweite Elektromaschine), den Generator 18, eine im Fahrzeug montierte Batterie 24 und eine modulare Batterie 56 (nachstehend ausführlicher beschrieben). In dieser Ausführungsform wird das zweite Antriebssystem als ein elektrisches Antriebssystem des Antriebsstrangs 10 betrachtet. Das erste und das zweite Antriebssystem erzeugen Drehmoment, um einen oder mehrere Sätze von Fahrzeugantriebsrädern 28 des Fahrzeugs 12 anzutreiben.
-
Der Verbrennungsmotor 14 und der Generator 18 können über ein Verteilergetriebe 30 verbunden sein, das in diesem Beispiel ein Hybridgetriebeschaltsystem ist, wie zum Beispiel ein Planetengetriebesatz. Selbstverständlich können andere Verteilergetriebearten, einschließlich anderer Zahnradsätze und Getriebe, verwendet werden, um den Verbrennungsmotor 14 mit dem Generator 18 zu verbinden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist das Verteilergetriebe 30 ein Planetengetriebe, das ein Hohlrad, ein Sonnenrad und eine Trägerbaugruppe enthält.
-
Der Generator 18 kann vom Verbrennungsmotor 14 über das Verteilergetriebe 30 angetrieben werden, um kinetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 18 kann alternativ als ein Elektromotor funktionieren, um elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln, wodurch er Drehmoment an eine Welle 38 abgibt, die mit dem Verteilergetriebe 30 verbunden ist. Weil der Generator 18 betriebsfähig mit dem Verbrennungsmotor 14 verbunden ist, kann die Drehzahl des Verbrennungsmotors 14 vom Generator 18 gesteuert werden.
-
Das Verteilergetriebe 30 kann mit einer Welle 40 verbunden sein, die mit Fahrzeugantriebsrädern 28 über ein zweites Verteilergetriebe 44 verbunden ist, das in diesem Beispiel ein Antriebssystem ist. Das zweite Verteilergetriebe 44 kann einen Zahnradsatz mit mehreren Zahnrädern enthalten. Andere Verteilergetriebe können ebenfalls geeignet sein. Das zweite Verteilergetriebe 44 überträgt Drehmoment vom Verbrennungsmotor 14 zu einem Differentialgetriebe 48, um schließlich Traktion für die Fahrzeugantriebsräder 28 bereitzustellen. Das Differentialgetriebe 48 kann mehrere Zahnräder enthalten, die die Übertragung von Drehmoment zu den Fahrzeugantriebsrädern 28 ermöglichen. In einer Ausführungsform ist das zweite Verteilergetriebe 44 mechanisch mit einer Achse 50 über das Differentialgetriebe 48 gekoppelt, um Drehmoment an die Fahrzeugantriebsräder 28 zu verteilen.
-
Der Elektromotor 22 (d. h. die zweite Elektromaschine) kann auch eingesetzt werden, um die Fahrzeugantriebsräder 28 anzutreiben, indem er Drehmoment an eine Welle 52 abgibt, die mit dem zweiten Verteilergetriebe 44 verbunden ist. In einer Ausführungsform wirken der Elektromotor 22 und der Generator 18 als Teile eines Bremsenergierückgewinnungssystems zusammen, in dem sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 als Elektromotoren eingesetzt werden können, um Drehmoment abzugeben. Zum Beispiel können sowohl der Elektromotor 22 als auch der Generator 18 jeweils elektrische Leistung an die im Fahrzeug montierte Batterie 24 abgeben.
-
Die im Fahrzeug montierte Batterie 24 ist eine beispielhafte Art für eine Batteriebaugruppe eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs und kann die Form einer Hochspannungsbatterie annehmen, die in der Lage ist, elektrische Leistung zum Betreiben des Elektromotors 22, des Generators 18 und/oder anderer elektrischer Lasten abzugeben. Andere Arten von Energiespeichereinrichtungen und/oder Energieabgabeeinrichtungen, wie zum Beispiel die modulare Batterie 56, können ebenfalls zum Zuführen von Leistung zum Elektromotor 22 und anderswo innerhalb des Fahrzeugs 12 verwendet werden.
-
Die im Fahrzeug montierte Batterie 24 ist dazu konzipiert, für die gesamte Lebensdauer der im Fahrzeug montierten Batterie 24 mit dem Fahrzeug 12 verbunden zu sein. Die im Fahrzeug montierte Batterie 24 kann mehrere Batteriezellen enthalten, die unter Verwendung der mit dem Antriebsstrang 10 verknüpften Architektur aufgeladen werden. Zum Beispiel können die Zellen der im Fahrzeug montierten Batterie 24 unter Verwendung von Techniken, wie zum Beispiel der Bremsenergierückgewinnung, aufgeladen werden. Die Zellen der im Fahrzeug montierten Batterie sind nicht dazu konzipiert, zum Aufladen routinemäßig aus dem Fahrzeug ausgebaut zu werden. Die einzelnen Zellen und/oder die gesamte im Fahrzeug montierte Batterie selbst können bei relativ seltenen Gelegenheiten ausgebaut werden, wie zum Beispiel, falls Wartung oder Austausch erforderlich ist.
-
Wie erwähnt worden ist, enthält das Fahrzeug 12 eine modulare Batterie 56. Die modulare Batterie 56 kann eine Einzellenbatterie sein oder mehrere Zellen enthalten. In diesem Beispiel ist die modulare Batterie 56 parallel zur im Fahrzeug montierten Batterie 24 mit dem Elektromotor 22 verbunden. Anders als die im Fahrzeug montierte Batterie 24 ist die modulare Batterie 56 dazu konzipiert, routinemäßig aus dem Fahrzeug 12 ausgebaut und an einem vom Fahrzeug 12 entfernten Ort aufgeladen zu werden. Zum Beispiel kann die modulare Batterie 56 an einem elektrischen Versorgungsnetz aufgeladen werden, wie zum Beispiel in der Wohnung oder im Büro des Nutzers.
-
Der Antriebsstrang 10 kann zusätzlich ein Steuersystem 58 (oder „Steuerung“) zum Überwachen und/oder Steuern verschiedener Aspekte des Fahrzeugs 12 enthalten. Zum Beispiel kann das Steuersystem 58 mit dem Elektroantriebssystem, den Verteilergetrieben 30, 44 und anderen Komponenten kommunizieren, um das Fahrzeug 12 zu überwachen, um das Fahrzeug 12 zu steuern oder beides.
-
Das Steuersystem 58 enthält Elektronik, Software oder beides, um die notwendigen Steuerfunktionen zum Betrieb des Fahrzeugs 12 auszuführen. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist das Steuersystem 58 eine Kombination aus Fahrzeugsystemsteuerung und Antriebsstrangsteuermodul (VSC/PCM, Vehicle System Controller/Powertrain Control Module). Obwohl es als eine einzelne Hardware-Einrichtung gezeigt wird, können zum Steuersystem 58 mehrere Steuerungen in Form von mehreren Hardware-Einrichtungen oder mehreren Software-Steuerungen innerhalb einer oder mehrerer Hardware-Einrichtungen zählen. Ein Controller Area Network (CAN) 62 gestattet es dem Steuersystem 58, mit den verschiedenen Komponenten des Fahrzeugs 12 zu kommunizieren.
-
2 veranschaulicht schematisch einen Teil des Antriebsstrangs 10. Insbesondere veranschaulicht 2 eine erste beispielhafte Verbindung zwischen der modularen Batterie 56, der im Fahrzeug montierten Batterie 24 und dem Elektromotor 22. In dem Beispiel aus 2 ist die modulare Batterie 56 eine Batterie mit relativ niedriger Spannung. In einem nicht einschränkenden Beispiel liegt die Spannung der modularen Batterie 56 bei etwa 60 Volt (Gleichspannung). In einem speziellen Beispiel liegt die Spannung der modularen Batterie 56 unter 60 Volt (Gleichspannung). Die modulare Batterie 56 könnte zum Beispiel andere Spannungspegel bereitstellen, wie nachstehend in Bezug auf 4 erörtert wird.
-
Die modulare Batterie 56 enthält einen ersten Kontakt 64 und eine zweiten Kontakt 66 zur Verbindung mit am Fahrzeug 12 montierten ersten und zweiten Verbindern 68, 70. In diesem Beispiel weist der erste Kontakt 64 eine positive Polarität auf, und der zweite Kontakt 66 weist eine negative Polarität auf. Der erste und der zweite Kontakt 64, 66 sind in einem Beispiel Metallstifte und schieben sich aus einem Außengehäuse 67 der modularen Batterie 56 heraus. Der erste und der zweite Verbinder 68, 70 sind Steckbuchsen, die die Metallstifte aufnehmen. Andere Arten von Verbindern 68, 70 und Kontakten 64, 66 liegen im Schutzbereich dieser Offenbarung. Die Kontakte 64, 66 und die Verbinder 68, 70 stellen eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen der modularen Batterie 56 und dem Elektromotor 22 bereit, während sie relativ einfachen Anschluss der modularen Batterie 56 am Fahrzeug 12 bzw. Trennung vom Fahrzeug 12 ermöglichen.
-
Leistung aus der modularen Batterie 56 wird dem Elektromotor 22 selektiv über ein erstes Schütz 72 bereitgestellt. Das erste Schütz 72 enthält einen Aktuator 74 und einen ersten und zweiten Schalter 76, 78. Der erste und zweite Schalter 76, 78 werden vom Aktuator 74 selektiv geöffnet und geschlossen. Der Aktuator 74 spricht auf Befehle aus dem Steuersystem 58 an. Obwohl zwei Schalter 76, 78 gezeigt werden, könnte es in einigen Beispielen einen einzelnen Schalter geben.
-
In diesem Beispiel wird ein Gleichspannungswandler 80 zwischen dem ersten Schütz 72 und dem Elektromotor 22 bereitgestellt. Der Gleichspannungswandler 80 wandelt Gleichstrom aus der modularen Batterie 56 von einem Spannungspegel in einen anderen um. In diesem Beispiel wird die von der modularen Batterie 56 bereitgestellte relativ niedrige Spannung in eine Spannung umgewandelt, die relativ hoch ist und die in der Lage ist, das Fahrzeug 12 zu versorgen. In einem Beispiel stellt die modulare Batterie 56 eine Spannung von 60 Volt (Gleichspannung) bereit, die vom Gleichspannungswandler in 350 Volt (Gleichspannung) umgewandelt wird. Weiterhin ändert ein Gleichstrom-Wechselstrom-Umrichter 82 den Gleichstrom aus der modularen Batterie 56 in Wechselstrom und stellt den Wechselstrom für den Elektromotor 22 bereit.
-
In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler 80 in der Lage, eine einstellbare Spannungsausgabe bereitzustellen, die vom Steuersystem 58 gesteuert werden kann. In einem weiteren Beispiel kann die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 80 so gesteuert werden, dass sie mit der Spannung der im Fahrzeug montierten Batterie 24 übereinstimmt, so dass beide Batterien dem Elektromotor 22 gleichzeitig Leistung bereitstellen können. In einem anderen Beispiel kann die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 80 so gesteuert werden, dass sie etwas über der Spannung der im Fahrzeug montierten Batterie 24 liegt, so dass die elektrische Energie aus der modularen Batterie 56 zur im Fahrzeug montierten Batterie 24 fließen wird. Dieser Modus kann verwendet werden, wenn (1) der Ladezustand (oder „SOC“) der im Fahrzeug montierten Batterie 24 relativ niedrig ist und (2) die Leistungsabforderung vom Elektromotor 22 gering ist. Ein Vorteil des Aufladens der im Fahrzeug montierten Batterie 24 aus der modularen Batterie 56 ist, dass die Entleerung der modularen Batterie 56 über einen Fahrzyklus ausbalanciert werden kann, was den Prozentsatz des rein elektrischen Antriebs über den Fahrzyklus erhöhen wird.
-
Das Fahrzeug 12 enthält ein zweites Schütz 84 zwischen der im Fahrzeug montierten Batterie 24 und dem Elektromotor 22. Das zweite Schütz 84 enthält einen Aktuator 86 und einen ersten und zweiten Schalter 88, 90, die vom Aktuator 86 selektiv geöffnet und geschlossen werden. Der Aktuator 86 spricht auf Befehle aus dem Steuersystem 58 an. Das Steuersystem 58 ist dazu ausgelegt, Anweisungen für die Schütze 72, 84 bereitzustellen, damit dem Elektromotor 22 selektiv Leistung aus der modularen Batterie 56, der im Fahrzeug montierten Batterie 24 oder einer Kombination der beiden bereitgestellt wird. Ein Beispiel für ein Steuerschema wird in 6 gezeigt und nachstehend beschrieben.
-
Wie erwähnt, ist die modulare Batterie 56 dazu konzipiert, routinemäßig aus dem Fahrzeug ausgebaut und an einem entfernten Ort aufgeladen zu werden. In diesem Beispiel enthält die modulare Batterie 56 einen Griff, der in diesem Beispiel einen oder mehrere flexible Gurte 92 enthält, die es einem Nutzer U (siehe 3A) ermöglichen, die modulare Batterie 56 vom Fahrzeug 12 zu einem entfernten Ort zu transportieren. Die Gurte 92 ermöglichen es dem Nutzer, die modulare Batterie 56 im Stil einer Reisetasche (d. h. mit einem Schultertragegurt), einer Handtasche (d. h. mit Handtragschlaufe oder -schlaufen) oder eines Rucksacks (d. h. mit zwei Schulterriemen) zu tragen. Mit anderen Worten: Der Nutzer kann die modulare Batterie 56 nicht nur tragen, sondern die modulare Batterie 56 kann auch „tragbar“ sein (d. h. in dem Rucksackbeispiel). Der Griff erfordert nicht in allen Beispielen einen flexiblen Gurt und könnte durch einen zurückschiebbaren Griff bereitgestellt werden, der, wenn er nicht in Benutzung ist, im Außengehäuse 67 der modularen Batterie 56 untergebracht ist, ähnlich wie bei Griffen, die bei Rollgepäck verwendet werden. Die modulare Batterie 56 ist in diesem Beispiel relativ leicht und beläuft sich auf etwa 5 Kilogramm (etwa 11 Pound). Somit kann die modulare Batterie 56 leicht vom Nutzer U transportiert werden.
-
In 3A hat ein Nutzer U die modulare Batterie aus dem Fahrzeug 12 ausgebaut, indem er den ersten und zweiten Kontakt 64, 66 vom ersten und zweiten Verbinder 68, 70 getrennt hat, und trägt die modulare Batterie 56 unter Verwendung des Gurtes 92. In diesem Beispiel ist der Gurt 92 eine Handtragschlaufe.
-
In 3B ist die modulare Batterie 56 mit einem Ladegerät 94 verbunden, das über eine Steckdose 100 elektrisch mit einem elektrischen Versorgungsnetz gekoppelt ist. Zum Beispiel kann die Steckdose 100 in Nordamerika eine typische 120-Volt-(Wechselspannungs-)Steckdose sein. Das Ladegerät 94 kann in der Wohnung oder im Büro eines Nutzers bereitgestellt werden, und es ist dazu ausgelegt, den Wechselstrom aus der Steckdose 100 in Gleichstrom zum Aufladen der modularen Batterie 56 umzuwandeln. Das Ladegerät 94 enthält einen ersten und zweiten Verbinder 96, 98 zum Aufnehmen des ersten und zweiten Kontakts 64, 66. Der erste und zweite Verbinder 96, 98 können irgendeine bekannte Art von Verbinder sein und können den Verbindern 68, 70 in einem Beispiel ähneln.
-
4 veranschaulicht einen Teil eines zweiten beispielhaften Antriebsstrangs 110. In dem nicht anderweitig beschriebenen oder gezeigten Maß entspricht der Antriebsstrang 110 aus 4 dem Antriebsstrang 110 aus den 1–2, wobei gleiche Teile gleiche Referenznummern aufweisen, denen eine „1“ vorangestellt ist. 4 veranschaulich schematisch eine zweite beispielhafte Verbindung zwischen der modularen Batterie 156, der im Fahrzeug montierten Batterie 124 und dem Elektromotor 122.
-
In diesem Beispiel ist die modulare Batterie 156 eine Batterie mit relativ hoher Spannung. In einem nicht einschränkenden Beispiel stellt die modulare Batterie 156 eine Spannung von etwa 350 Volt (Gleichspannung) bereit, die im Wesentlichen gleich der von der im Fahrzeug montierten Batterie 124 bereitgestellten Spannung sein kann. Die im Fahrzeug montierte Batterie 124 könnte in einigen Beispielen eine Spannung (manchmal als eine „Nennspannung“ bezeichnet) in einem Bereich von etwa 250–1.000 Volt (Gleichspannung) bereitstellen. Ungeachtet der Spannung der im Fahrzeug montierten Batterie 124 wären die von den beiden Batterien 124, 156 bereitgestellten Spannungen in diesem Beispiel im Wesentlichen gleich. Weil die Spannung der modularen Batterie 156 im Wesentlichen bereits hoch ist, ist kein Gleichspannungswandler (wie zum Beispiel der Gleichspannungswandler 80 in 2) zwischen der modularen Batterie 156 und dem Elektromotor 122 vorhanden.
-
Weiterhin enthält die modulare Batterie 156 in diesem Beispiel ein internes Schütz 200. Das interne Schütz 200 enthält einen Aktuator 202 und einen ersten und zweiten Schalter 204, 206. Der erste und zweite Schalter 204, 206 sind elektrisch mit dem ersten und zweiten Kontakt 164, 166 gekoppelt. Wenn die modulare Batterie 156 mit dem Fahrzeug 112 (wie in 4 gezeigt wird) oder einem Ladegerät (wie in 5B gezeigt wird) verbunden wird, werden die Schalter 204, 206 schließen, was ermöglicht, dass Elektrizität zu den Kontakten 164, 166 fließt. Wenn sie aus dem Fahrzeug 112 ausgebaut werden (wie in 5A gezeigt wird), werden die Schalter öffnen, was verhindert, dass Elektrizität zu den Kontakten 164, 166 fließt.
-
Weiterhin sind in diesem Beispiel der erste und zweite Kontakt 164, 166 in ein Außengehäuse 167 der modularen Batterie 156 zurückschiebbar. Wie in 5A gezeigt wird, schieben sich der erste und der zweite Kontakt 164, 166 in das Außengehäuse 167 der Batterie 156 zurück, wenn der erste und zweite Kontakt 164, 166 von den Verbindern 168, 170 getrennt werden. Die modulare Batterie 156 kann einen Mechanismus enthalten, der dazu ausgelegt ist, die Kontakte 164, 166 selektiv zurückzuschieben, wenn sie vom Fahrzeug 112 oder einem Ladegerät 194 entfernt ist (5B). Diese Offenbarung erstreckt sich auf alle Arten von Zurückschiebemechanismen.
-
Die 6–7 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel für einen Rückschiebemechanismus. Die 6–7 veranschaulichen den beispielhaften Rückschiebemechanismus in Bezug auf nur einen Kontakt 166. Es versteht sich, dass die modulare Batterie 156 in Bezug auf den verbleibenden Kontakt 164 ähnlich angeordnet werden würde.
-
In dieser Ausführungsform weist die modulare Batterie 156 eine elektrische Verbindung 210 auf, die elektrisch mit dem Aktuator 202 des Schützes 200 gekoppelt ist. Die modulare Batterie 156 ist mit dem Fahrzeug 112 oder einem Ladegerät 194 über einen Verbinder mit einem Gehäuse 212 verbunden. Das Gehäuse 212 weist einen ersten und zweiten Verbinder 214, 216 auf, die zum Koppeln mit dem ersten und zweiten Aktuatorkontakt 218, 220 ausgelegt sind. Die Aktuatorkontakte 218, 220 koppeln den Aktuator 202 über die Aktuatorverbinder 214, 216 mit dem Steuersystem 158.
-
In diesem Beispiel, in 6, befindet sich der Kontakt 166 im Außengehäuse 167 der modularen Batterie 156. Das Außengehäuse 167 der modularen Batterie 156 enthält in diesem Beispiel eine bewegliche Klappe 222, die dazu ausgelegt ist, sich selektiv zu bewegen, um ein Fenster freizulegen, damit sich der Kontakt 166 hindurchschiebt. In diesem Beispiel öffnet sich die Klappe 222 nur, und der Kontakt 166 schiebt sich nur durch die Klappe 222, wenn die elektrische Verbindung 210 zwischen dem Steuersystem 158 und dem Aktuator 202 eingerichtet ist (über die Aktuatorverbinder 214, 216 und die Aktuatorkontakte 218, 220). Das Gehäuse 212 ist so angeordnet, dass, wenn die elektrische Verbindung 210 eingerichtet ist (wiederum zwischen dem Steuersystem 158 und dem Aktuator 202), ein Steckverbinder 224, der eine elektrische Verbindung 226 umschließt, in einer der Klappe 222 benachbarten Steckbuchse 228 aufgenommen wird.
-
Wenn die Verbindung 210 nicht bestromt ist, wird das Schütz 200 geöffnet sein (6), und die Magnete 230, 232 werden stromlos gemacht. In diesem Beispiel ist der Magnet 230 eine Magnetspule und dazu ausgelegt, eine Abstoßungskraft zu erzeugen, wenn er bestromt wird. Der Magnet 232 ist in diesem Beispiel ebenfalls eine Magnetspule und dazu ausgelegt, eine Anziehungskraft zu erzeugen, wenn er bestromt wird.
-
Der Kontakt 166 enthält ein Magnetelement 234 und wird von einer Feder 236 in eine zurückgeschobene Stellung (im Gehäuse 167) vorgespannt. Der Kontakt 166 ist in diesem Beispiel dazu ausgelegt, um einen Drehpunkt 238 zu rotieren. Eine andere Feder 240 spannt auch die Klappe 222 in eine geschlossene Stellung vor (6).
-
Wenn die elektrische Verbindung 210 eingerichtet ist, wird das Fahrzeugsteuersystem 158 (oder ein mit dem Ladegerät 194 verknüpftes Steuersystem) das Schütz 200 anweisen, zu schließen (7), was die Magnete 230, 232 bestromen wird. Der Magnet 230 wird das Magnetelement 234 des Kontakts 166 abstoßen, und der Magnet 232 wird ein Magnetelement 242 der Klappe 222 anziehen. Wenn die Klappe 222 geöffnet ist und ein zur Steckerbuchse 228 führendes Fenster freiliegt, dreht sich der Kontakt 166 in Eingriff mit der elektrischen Verbindung 226, die schließlich die modulare Batterie 156 mit dem Fahrzeug 112 (oder dem Ladegerät 194) koppelt.
-
Die 8–9 veranschaulichen beispielhafte Verfahren gemäß dieser Offenbarung. Im Allgemeinen wird das Fahrzeug 12 die modulare Batterie 56 entleeren, bevor es Leistung aus der im Fahrzeug montierten Batterie 24 zieht. Für kurze Touren, wie zum Beispiel zwischen einer Wohnung und einem Büro, kann das Fahrzeug 12 komplett von der modularen Batterie 56 angetrieben werden. Für längere Touren kann sich das Fahrzeug 12 für elektrische Leistung an die im Fahrzeug montierte Batterie 24 wenden, sobald die modulare Batterie 56 entleert ist.
-
In dem Verfahren 300 aus 8 bestimmt das Steuersystem 58 in 312, ob die modulare Batterie 56 einen SOC über einem minimalen Schwellenwert aufweist. In einem Beispiel ist der minimale Ladezustandsschwellenwert ein vorbestimmter Wert von 15 %. In diesem Beispiel wird das Fahrzeug 12 in 314 Leistung nur aus der im Fahrzeug montierten Batterie 24 ziehen, wenn die modulare Batterie 56 einen Ladezustand von oder unter 15 % aufweist. Mit Bezug auf die Ausführungsform in 2: Das Steuersystem 58 wird in 314 das Öffnen des ersten Schützes 72 und das Schließen des zweiten Schützes 84 anweisen.
-
Falls die modulare Batterie 56 einen SOC über dem minimalen SOC-Schwellenwert aufweist, wird das Steuersystem 58 dann in 316 bestimmen, ob die modulare Batterie 56 allein genug Leistung für das Fahrzeug 12 bereitstellen kann. In einem Beispiel bestimmt das Steuersystem 58, ob die vom Fahrzeug 12 angeforderte Leistung einen vorbestimmten Leistungsschwellenwert der modularen Batterie 56 überschreitet, über dem die modulare Batterie 56 das Fahrzeug 12 nicht ausreichend versorgen kann. Falls das Fahrzeug 12 keine Leistung darüber hinaus erfordert, wird das Fahrzeug 12 in 318 nur unter Verwendung der modularen Batterie 56 versorgt. In 318 weist das Steuersystem 58 das Schließen des ersten Schützes 72 und das Öffnen des zweiten Schützes 84 an.
-
Falls das Fahrzeug 12 Leistung darüber hinaus erfordert, kann das Fahrzeug 12 sowohl unter Verwendung der im Fahrzeug montierten Batterie 24 als auch der modularen Batterie 56 versorgt werden. In einem Beispiel bestimmt das Steuersystem 58 in 320, ob die Spannungspegel der modularen und der im Fahrzeug montierten Batterie 56, 24 übereinstimmen. Weil die im Fahrzeug montierte Batterie 24 und die modulare Batterie 56 parallel verbunden sind, kann eine Anforderung einer Spannungsübereinstimmung zwischen den beiden Batterien bestehen, damit das Fahrzeug 12 unter Verwendung beider Batterien gleichzeitig versorgt wird. Falls es keine Übereinstimmung gibt, wird das Fahrzeug 12 in 322 zum Beispiel in einem normalen Hybridmodus versorgt werden. Falls eine Übereinstimmung besteht, bestimmt das Steuersystem 58 dann in 324, ob das Fahrzeug 12 mehr Leistung anfordert, als die Batterien 24, 56 gemeinsam bereitstellen können. Falls das der Fall ist, wird das Fahrzeug 12 in 322 im Hybridmodus versorgt. Falls nicht, wird das Fahrzeug 12 in 326 unter Verwendung sowohl der im Fahrzeug montierten Batterie 24 als auch der modularen Batterie 56 versorgt werden.
-
9 offenbart ein Verfahren 400, das dem Verfahren 300 in 8 ähnelt. Das Verfahren 400 beinhaltet entsprechende Schritte, die jenen im Verfahren 300 entsprechen, wobei den Zahlen eine „4“ statt einer „3“ vorangestellt ist. Das Verfahren 400 kann in dem Beispiel verwendet werden, in dem das Fahrzeug 12 einen Gleichspannungswandler aufweist, der eine variable, steuerbare Leistungsabgabe bereitstellt. Somit ist im Verfahren 400 der Schritt 320 der Spannungsübereinstimmung nicht erforderlich.
-
Indem zuerst die modulare Batterie 56 entleert wird, werden zusätzliche Auflade- und Entladezyklen der im Fahrzeug montierten Batterie 24 vermieden, was die Lebensdauer der im Fahrzeug montierten Batterie 24 verbessert. Indem weiterhin der Ladezustand auf einen relativ niedrigen Wert (z. B. 15 %) entleert wird, wird die Lebensdauer der modularen Batterie 56 durch das Verfahren 210 nicht nachteilig beeinflusst.
-
10 veranschaulicht eine beispielhafte grafische Darstellung von Spannung und Strom über der Zeit für drei getrennte Zeitfenster W1–W3. Im ersten Zeitfenster W1 beginnt die modulare Batterie 56 mit einer vollständigen Ladung (Spannung dargestellt in Linie 502). In W1 bestimmt das Steuersystem 58 in einem Beispiel, dass die vom Fahrzeug angeforderte Leistung (dargestellt in Linie 504) größer als 0 (null) ist (d. h. das Fahrzeug 12 beschleunigt), und somit entleert das Steuersystem 58 die modulare Batterie 56 (wie zum Beispiel im Schritt 318). Im zweiten Zeitfenster W2 verlangsamt das Fahrzeug 12, und die vom Fahrzeug 12 angeforderte Leistung ist negativ. In diesem Fenster W2 lädt das Steuersystem 58 die im Fahrzeug montierte Batterie 24 auf (Spannung dargestellt in Linie 506) und entleert die modulare Batterie 56 nicht. Im Fenster W3 wird die modulare Batterie 56 entleert, weil die vom Fahrzeug angeforderte Leistung (Linie 504) wieder positiv ist. Im Punkt 508 sind die Spannungen der modularen Batterie 56 und der im Fahrzeug montierten Batterie 24 gleich. In diesem Punkt könnte Leistung von beiden Batterien bereitgestellt werden (wie zum Beispiel im Schritt 326). 10 ist beispielhaft und sollte nicht als einschränkend betrachtet werden.
-
Das System und das Verfahren dieser Offenbarung stellen den Nutzern die Fähigkeit bereit, die Reichweite ihrer Fahrzeuge zu erweitern, indem die modulare Batterie zu Hause, in einem Büro oder an irgendeinem anderen, vom Fahrzeug entfernten Ort aufgeladen wird. Die modulare Batterie kann auf eine relativ bequeme Art und Weise aufgeladen werden und erweitert die Fahrzeugreichweite, indem sie die Abhängigkeit von anderen Leistungsquellen, wie zum Beispiel im Fahrzeug montierten Batterien und/oder Motoren mit innerer Verbrennung, reduziert.
-
Es versteht sich, dass zum Beispiel „im Allgemeinen“, „im Wesentlichen“ und „etwa“ nicht als grenzenlose Begriffe gedacht sind und dass sie übereinstimmend auf die Art interpretiert werden sollten, wie ein Fachmann den Begriff interpretieren würde.
-
Obwohl die unterschiedlichen Beispiele die in den Veranschaulichungen gezeigten spezifischen Komponenten aufweisen, sind Ausführungsformen dieser Offenbarung nicht auf diese spezifischen Kombinationen beschränkt. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale aus einem der Beispiele in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten aus anderen der Beispiele zu verwenden.
-
Ein Durchschnittsfachmann versteht, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft und nicht einschränkend sind. Das heißt: Modifikationen dieser Offenbarung würden in den Schutzbereich der Ansprüche fallen. Dementsprechend sollten die folgenden Ansprüche studiert werden, um ihren wahren Schutzbereich und Gehalt zu bestimmen.