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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Energieverteilungssysteme für Elektroantriebe in Kraftfahrzeugen. Die Erfindung betrifft insbesondere Energieverteilungssysteme in Kraftfahrzeugen mit mehreren elektrischen Energiespeichern.
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Technischer Hintergrund
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Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge weisen ein Energieverteilungssystem mit einem Spannungsbordnetz auf, über das elektrische Energie an einen oder mehrere Traktionsantriebe des Fahrzeugs verteilt werden kann. Das Spannungsbordnetz ist dazu in der Regel mit mindestens einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer wiederaufladbaren Traktionsbatterie, verbunden.
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Aus der Druckschrift
DE 103 18 494 A1 ist weiterhin bekannt, einen Wechselspeicher für ein Spannungsbordnetz vorzusehen, der mit dem Spannungsbordnetz gekoppelt werden kann und entnommen werden kann. Der elektrische Wechselspeicher dient dazu, fahrzeugeigene oder externe Verbraucher zu betreiben. Zum Laden des elektrischen Wechselspeichers wird elektrische Energie aus dem Spannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs entnommen.
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Der aus dem Stand der Technik bekannte, zusätzliche entnehmbare elektrische Wechselspeicher hat jedoch den Nachteil, dass die zu dessen Aufladen benötigte elektrische Energie aus dem Spannungsbordnetz entnommen wird und somit dieser das Spannungsbordnetz als zusätzlicher Verbraucher belastet. Insbesondere bei Hybridfahrzeugen wird ein Ladezustandsmanagement der Traktionsbatterie durchgeführt, so dass bei zusätzlichem Vorsehen eines elektrischen Wechselspeichers für das Ladezustandsmanagement eine höhere Kraftstoffenergie eingesetzt werden muss.
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Zudem weisen Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge in der Regel eine Rekuperationsfunktion auf, um generatorisch durch Umsetzung der Fahrzeugbewegung erzeugte elektrische Energie dem elektrischen Energiespeicher wieder zuzuführen. Die maximale Aufnahme der bereitgestellten elektrischen Energie ist jedoch durch die Ladecharakteristik der Traktionsbatterie, insbesondere durch den maximalen Ladestrom, bestimmt, so dass bei starken Verzögerungsvorgängen des Kraftfahrzeugs die durch Rekuperation zurückgewinnbare Energiemenge begrenzt ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Energieverteilungssystem für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, das die Möglichkeit eines Anschlusses eines elektrischen Wechselspeichers aufweist und es ermöglicht, die Belastung des Spannungsbordnetzes zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieverteilungssystems in einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 sowie ein elektrisches Energieverteilungssystem in einem Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Energieverteilungssystems für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug vorgesehen, wobei das Energieverteilungssystem einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Traktionsbatterie, zum Bereitstellen von elektrischer Energie über ein Spannungsbordnetz und ein Anschlusselement aufweist, um einen entnehmbaren elektrischen Wechselspeicher mit dem Spannungsbordnetz zu koppeln, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen einer Energiewertigkeitsinformation, die eine Wertigkeit der über das Spannungsbordnetz abrufbaren elektrischen Energie angibt;
- - Laden des gekoppelten elektrischen Wechselspeichers über das Spannungsbordnetz abhängig von der Energiewertigkeitsinformation.
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Insbesondere kann das Laden des Wechselspeichers über das Spannungsbordnetz abhängig von der Energiewertigkeitsinformation zugelassen oder unterbunden werden.
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Eine Idee des obigen Verfahrens zum Betreiben eines Energieverteilungssystems besteht darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, einen entnehmbaren elektrischen Wechselspeicher mit dem Spannungsbordnetz zu verbinden und zu gewährleisten, dass der Wechselspeicher beim Aufladen das Spannungsbordnetz nicht zusätzlich belastet. Dies wird dadurch erreicht, dass zum Aufladen des elektrischen Wechselspeichers im Wesentlichen, d.h. vorwiegend elektrische Energie verwendet wird, die überschüssig ist, d.h. insbesondere nicht aus weiteren elektrischen Energiespeichern, insbesondere einer fest verbauten Traktionsbatterie, entnommen wird. Es wird dazu eine Energieflusssteuerung durchgeführt, die gewährleistet, dass eine auf dem Spannungsbordnetz befindliche elektrische Spannung nicht automatisch zu einem Energiefluss in den elektrischen Wechselspeicher führt. Vielmehr wird die verfügbare elektrische Energie mit einer Energiewertigkeitsinformation bewertet, die angibt, ob und/oder in welchem Maß eine Entnahme der elektrischen Energie von dem Wechselspeicher das Spannungsbordnetz belastet bzw. aus welcher Quelle die elektrische Energie stammt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die zum Laden des Wechselspeichers entnommene Leistung aus dem Spannungsbordnetz abhängig von der Energiewertigkeitsinformation eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, je nach Wertigkeit der über das Spannungsbordnetz entnehmbaren elektrischen Energie den Wechselspeicher mit einer angepassten Leistung, z.B. einer hohen oder einer niedrigen Leistung, zu laden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Energiewertigkeitsinformation angeben, ob Energie durch Rekuperation erzeugt wird.Insbesondere kann die Energiewertigkeitsinformation mit einer Wertigkeit bereitgestellt werden, die angibt, dass ein Laden des gekoppelten elektrischen Wechselspeichers zugelassen wird, wenn die über das Spannungsbordnetz zum Laden verfügbare elektrische Energie im Wesentlichen, d.h. vorwiegend, durch Rekuperation erhalten wird. Bei einem solchen Rekuperationsbetrieb wird von dem Elektroantrieb durch Umwandlung potenzieller und/oder Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs elektrische Energie in dem Spannungsbordnetz des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Dieser Rekuperationsenergie kann dann eine Energiewertigkeitsinformation zugeordnet sein, die zulässt, dass die Rekuperationsenergie dem elektrischen Wechselspeicher zum Aufladen als Ladeenergie zur Verfügung gestellt wird.
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Neben dem Rekuperationsbetrieb kann auch vorgesehen sein, dass die Energiewertigkeitsinformation mit einer Wertigkeit bereitgestellt wird, die angibt, dass ein Laden des gekoppelten elektrischen Wechselspeichers zugelassen wird, wenn die über das Spannungsbordnetz zum Laden verfügbare elektrische Energie im Wesentlichen, d.h. vorwiegend, durch externe Zufuhr bereitgestellt wird. Somit kann elektrische Energie, die durch Aufladen des elektrischen Energiespeichers über eine externe Ladestation bereitgestellt wird, mit einer Energiewertigkeitsinformation versehen sein, die entsprechend ein Aufladen des elektrischen Wechselspeichers zulässt. Dies ist möglich, da die von extern bereitgestellte elektrische Energie ebenfalls nicht den fest eingebauten elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs, d.h. die Traktionsbatterie, belastet.
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Durch geeignete Wahl der Energiewertigkeitsinformation ist es möglich, einen elektrischen Wechselspeicher im Wesentlichen ohne Belastung der fest eingebauten fahrzeugeigenen Energiespeicher an das Spannungsbordnetz anzukoppeln und eine Entnahme von elektrischer Energie aus dem Spannungsbordnetz für ein Aufladen des Wechselspeichers nur dann durchzuführen, wenn elektrische Energie zur Verfügung steht, wie dies beispielsweise beim Rekuperationsbetrieb oder bei einem externen Ladevorgang der Fall ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Energiewertigkeitsinformation mit einer Wertigkeit bereitgestellt wird, die angibt, dass ein Laden des gekoppelten elektrischen Energiespeichers unterbunden wird, wenn die über das Spannungsbordnetz zum Laden verfügbare elektrische Energie im Wesentlichen, d.h. vorwiegend, von dem elektrischen Energiespeicher bereitgestellt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Energiewertigkeitsinformation mit einer Wertigkeit bereitgestellt wird, die angibt, dass ein Laden des gekoppelten elektrischen Energiespeichers unterbunden oder zugelassen wird, wenn die über das Spannungsbordnetz zum Laden verfügbare elektrische Energie im Wesentlichen, d.h. vorwiegend, generatorisch unter Zuhilfenahme eines Verbrennungsmotors erzeugt wird. Dadurch kann beispielsweise bei generatorischer Energieerzeugung in einem Hybridantriebssystem die generatorisch erzeugte elektrische Energie für das Aufladen des elektrischen Wechselspeichers verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Batteriemanagementeinheit vorgesehen in einem Spannungsbordnetz eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs oder in einem koppelbaren elektrischen Wechselspeicher als Teil eines Energiespeichersystems mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Traktionsbatterie, zum Bereitstellen von elektrischer Energie über das Spannungsbordnetz und mit einem Anschlusselement, um einen entnehmbaren elektrischen Wechselspeicher mit dem Spannungsbordnetz zu koppeln, wobei die Batteriemanagementeinheit ausgebildet ist, um:
- - eine Energiewertigkeitsinformation zu empfangen, die eine Wertigkeit der über das Spannungsbordnetz abrufbaren elektrischen Energie angibt;
- - den gekoppelten elektrischen Wechselspeicher über das Spannungsbordnetz abhängig von der Energiewertigkeitsinformation zu laden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Energieverteilungssystem vorgesehen, umfassend:
- - ein Spannungsbordnetz zum Verteilen von elektrischer Energie;
- - einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Traktionsbatterie;
- - ein Anschlusselement zum Anschließen eines elektrischen Wechselspeichers;
- - eine Steuereinheit zum Bereitstellen einer Energiewertigkeitsinformation, die eine Wertigkeit der über das Spannungsbordnetz abrufbaren elektrischen Energie angibt.
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Weiterhin kann die obige Batteriemanagementeinheit mit dem Spannungsbordnetz verbunden sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein elektrischer Wechselspeicher mit dem Anschlusselement gekoppelt ist, wobei der elektrische Wechselspeicher die obige Batteriemanagementeinheit aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein elektrischer Wechselspeicher zum bedarfsweisen Anschließen an ein Spannungsbordnetz eines Energieverteilungssystems für ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug vorgesehen, umfassend:
- - einen Energiespeicher zum Speichern elektrischer Energie;
- - eine Kommunikationseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Energiewertigkeitsinformation zu empfangen, die eine Wertigkeit der über das Spannungsbordnetz abrufbaren elektrischen Energie angibt; und
- - eine Batteriemanagementeinheit, die ausgebildet ist, um den gekoppelten elektrischen Wechselspeicher über das Spannungsbordnetz abhängig von der Energiewertigkeitsinformation zu laden.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Energieverteilungssystem mit einem elektrischen Energiespeicher und einem elektrischen Wechselspeicher; und
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Energieverteilungssystems der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Draufsicht auf ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug 1, insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, mit einem Energieverteilungssystem 2, das einen elektrischen Energiespeicher 3 und ein Spannungsbordnetz 4 aufweist. Der elektrische Energiespeicher 3 kann beispielsweise eine wiederaufladbare Traktionsbatterie umfassen. Das Spannungsbordnetz 4 dient dazu, elektrische Energie, die vorwiegend zum Vortrieb des Elektrofahrzeugs 1 genutzt werden soll, im Kraftfahrzeug 1 zu verteilen.
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Das Spannungsbordnetz 4 ist mit einem Elektroantrieb 5 gekoppelt. Der Elektroantrieb ist in der Regel als ein Elektromotor ausgebildet. Alternativ kann bei einem Hybridfahrzeug als Kraftfahrzeug 1 vorgesehen sein, den Elektroantrieb 5 zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor zu koppeln.
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Mit Hilfe einer Steuereinheit 6 kann ein Energiefluss zwischen dem elektrischen Energiespeicher 3 und dem Elektroantrieb 5 gesteuert werden. Dazu kann die Steuereinheit 6 eine entsprechende Vorgabe V enthalten und entsprechend der Vorgabe die an den Elektroantrieb 5 bereitgestellte elektrische Leistung einstellen. Die Vorgabe V kann von einer Betätigung eines Fahrpedals 11 abhängen.
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Die Steuereinheit 6 steht mit einem Motorsteuergerät 9 in Verbindung. Das Motorsteuergerät 9 kann der Energieflusssteuerung, die in der Steuereinheit 6 ausgeführt wird, signalisieren, ob ein Bremsvorgang durch den Fahrer durchgeführt wird bzw. ob der Elektroantrieb 5 sich im Schubbetrieb befindet und dadurch hohe Rekuperationsenergie durch generatorische Umwandlung von potentieller und Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs 1 bereitstellt. Ein Bremsvorgang kann beispielsweise durch Betätigen eines Bremspedals 10 festgestellt werden.
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Es ist ein Anschlusselement 7 mit dem Spannungsbordnetz 4 gekoppelt, über das elektrische Energie entnommen oder zugeführt werden kann. Das Anschlusselement 7 dient dazu und ist dazu ausgebildet, einen elektrischen Wechselspeicher 8 so mit dem Spannungsbordnetz 4 zu koppeln, dass elektrische Energie in das Spannungsbordnetz 4 aus dem Wechselspeicher 8 eingekoppelt oder elektrische Energie aus dem Spannungsbordnetz 4 zum Laden des Wechselspeichers 8 entnommen werden kann. Der elektrische Wechselspeicher 8 kann nach Wunsch mit dem Anschlusselement 7 ge- oder entkoppelt werden, so dass der Wechselspeicher 8 von dem Anschlusselement 7 getrennt werden kann und anderweitig außerhalb des Elektrofahrzeugs verwendet werden kann.
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Die Kopplung des elektrischen Wechselspeichers 8 mit dem Anschlusselement 7 kann kabellos, z.B. induktiv, oder kabelgebunden über eine geeignete Verbindungsschnittstelle erfolgen. Der elektrische Wechselspeicher 8 umfasst einen Energiespeicher 81, der dazu dient, einen separaten oder integrierten elektrischen Verbraucher 82 zu betreiben. Beispielsweise kann ein derartiger elektrischer Verbraucher ein Kommunikationsgerät, ein Entertainmentgerät oder dergleichen sein.
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Der elektrische Wechselspeicher 8 weist weiterhin eine Batteriemanagementeinheit 83 auf, die eine Entnahme von der elektrischen Energie aus dem Spannungsbordnetz 4 oder eine Zufuhr von elektrischer Energie in das Spannungsbordnetz 4 steuern kann. Dazu kann die Batteriemanagementeinheit 83 mit einem Mikrocontroller oder einer sonstigen Ablaufsteuerung versehen sein.
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Der elektrische Wechselspeicher 8 kann weiterhin mit einer Kommunikationseinheit 84 versehen sein, um eine Energiewertigkeitsinformation von der Steuereinheit 6 zu erhalten. Die Energiewertigkeitsinformation kann drahtlos über eine geeignete Kommunikationstechnologie, wie beispielsweise Bluetooth, WiFi oder dergleichen übermittelt werden. Alternativ kann die Energiewertigkeitsinformation auch über das Spannungsbordnetz 4 als aufmoduliertes Signal, wie beispielsweise ein Multiplex- oder PCM-Signal, von der Steuereinheit 6 an den elektrischen Wechselspeicher 8 übertragen werden. Abhängig von der Energiewertigkeitsinformation kann die Energiemanagementeinheit 83 einen Ladevorgang des Energiespeichers 81 des elektrischen Wechselspeichers 8 zulassen oder unterbinden.
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Das Energieverteilungssystem 2 wird entsprechend einem Verfahren betrieben, wie es anhand des Flussdiagramms der 2 näher erläutert ist.
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In Schritt S1 überprüft die Batteriemanagementeinheit 83 des elektrischen Wechselspeichers 8, ob der elektrische Wechselspeicher 8 über das Anschlusselement 7 mit dem Spannungsbordnetz 4 des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S2 wird die kontinuierlich von der Steuereinheit 6 generierte Energiewertigkeitsinformation von der Batteriemanagementeinheit 83 des elektrischen Wechselspeichers beispielsweise über die Kommunikationseinrichtung 84 empfangen.
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In Schritt S3 wird die Energiewertigkeitsinformation überprüft und die Art der über das Spannungsbordnetz zur Verfügung stehenden elektrischen Energie bewertet. Die Energiewertigkeitsinformation gibt an, welche Wertigkeit die über das Spannungsbordnetz entnehmbare elektrische Energie besitzt. Beispielsweise ist elektrische Energie, die über das Spannungsbordnetz aus dem elektrischen Energiespeicher entnommen werden kann, höherwertig als elektrische Energie, die beispielsweise durch Rekuperation oder durch externe Zufuhr von elektrischer Energie, wie beispielsweise von einer Ladestation, bereitgestellt wird. Je nach Wertigkeit der über das Spannungsbordnetz verfügbaren Energie kann ein Laden des elektrischen Wechselspeichers 8 zugelassen oder unterbunden werden.
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Wird festgestellt, dass die Energiewertigkeitsinformation angibt, dass die auf dem Spannungsbordnetz verfügbare elektrische Energie auch zum Laden des elektrischen Wechselspeichers 8 verwendet werden kann (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S5 gesprungen.
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In Schritt S4 wird ein Ladevorgang des elektrischen Wechselspeichers gestartet oder weiterhin zugelassen. Anschließend wir das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt.
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In Schritt S5 wird überprüft, ob der Ladezustand des elektrischen Wechselspeichers 8 unter einem vorgegebenen Ladezustandsschwellenwert liegt. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt und der Ladevorgang des elektrischen Wechselspeichers 8 gestartet oder fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt.
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In Schritt S6 wird ein etwaig gestarteter Ladevorgang des elektrischen Wechselspeichers 8 beendet und zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Batteriemanagementeinheit 83 des elektrischen Wechselspeichers 8 das Spannungsbordnetz 4 dahingehend überprüfen, ob dieses unzulässig entladen oder überlastet ist. Dies kann beispielsweise anhand einer Spannungsabfrage auf dem Spannungsbordnetz 4 erfolgen. Liegt die Spannung unter einem vorgegebenen Sicherheitsschwellenwert, so kann ein etwaig gestarteter Ladevorgang abgebrochen werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Spannungsbordnetz möglichst gering zu belasten und insbesondere durch geeignete Vorgabe der Energiewertigkeitsinformation dafür zu sorgen, dass elektrische Energie nicht von dem elektrischen Energiespeicher 3 in den elektrischen Wechselspeicher 8 abflie ßt.
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Neben der elektrischen Energie, die durch Rekuperation von potentieller oder Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs gewonnen wird, kann bei Vorliegen eines Hybridfahrzeugs als Kraftfahrzeug 1 elektrische Energie auch generatorisch aus der Antriebsenergie einer Brennkraftmaschine entnommen werden. In diesem Fall kann die Energiewertigkeitsinformation bei aktivierter Brennkraftmaschine und generatorischem Betrieb des Elektroantriebs 5 ebenfalls angeben, dass der elektrische Wechselspeicher 8 geladen werden darf.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Batteriemanagementeinheit 83 nicht Teil des elektrischen Wechselspeichers 8 sein, sondern stattdessen Teil des Spannungsbordnetzes 4 sein, und insbesondere mit dem Anschlusselement 7 so gekoppelt werden, dass erkannt wird, ob ein elektrischer Wechselspeicher 8 angeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Energieverteilungssystem
- 3
- elektrischer Energiespeicher
- 4
- Spannungsbordnetz
- 5
- Elektroantrieb
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Anschlusselement
- 8
- elektrischer Wechselspeicher
- 81
- Energiespeicher
- 82
- elektrischer Verbraucher
- 83
- Batteriemanagementeinheit
- 84
- Kommunikationseinheit
- 9
- Motorsteuergerät
- 10
- Bremspedal
- 11
- Fahrpedal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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