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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Energiemanagement eines Kraftfahrzeugs mit einer Elektromaschine, die zum Umwandeln kinetischer Energie in elektrische Energie und zum Abgeben der elektrischen Energie ausgebildet ist. Sie betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Anordnung sowie ein Verfahren zum Energiemanagement eines Kraftfahrzeugs.
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Hybridelektrokraftfahrzeuge verfügen üblicherweise über mindestens zwei Energiespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie, die im Folgenden als Batterie oder Akkumulator bezeichnet werden. Jeder Energiespeicher ist dabei einem Bordnetz zugeordnet. Beispielsweise kann eine erste Batterie einem 12V-DC-Bordnetz zugeordnet sein, während eine zweite Batterie einem 48V-DC-Bordnetz oder einem Bordnetz mit einer erhöhten Nennspannung von z. B. 380 - 420V (DC) zugeordnet sein kann.
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Bei dem 12V-Bordnetz kann es sich z. B. um das üblicherweise in Personenkraftwagen vorhandene Bordnetz zum Betreiben kleinerer elektrischer Verbraucher wie z. B. dem Anlassermotor oder Beleuchtung, handeln, während das 48V-Bordnetz insbesondere für elektrische Verbraucher, die kurzzeitig eine hohe Leistung benötigen, sowie zum Antrieb des Fahrzeugs mittels eines Elektromotors genutzt werden kann.
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Auch das Laden der Batterien erfolgt getrennt. Während zum Laden der 12V-Batterie vom Verbrennungsmotor erzeugte kinetische Energie mittels der Lichtmaschine in elektrische Energie umgewandelt wird, kann die 48V-Batterie durch Anschluss an eine externe Stromversorgung oder mittels Energierückgewinnung während eines Bremsvorgangs (Rekuperation) geladen werden. Die Rekuperation ist daher eine Maßnahme zur Kraftstoffeinsparung, da die sonst ungenutzte Bremsenergie zum Laden der 48V-Batterie genutzt wird. Zur Rekuperation wird eine Elektromaschine, die je nach Bedarf als Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs oder als Generator zum Umwandeln der Bremsenergie in elektrische Energie genutzt werden kann, eingesetzt.
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Der Anteil der nutzbaren Bremsenergie und somit das Kraftstoffeinsparpotential sind hauptsächlich von der Kapazität der zu ladenden Batterie, also z. B. der Kapazität der 48V-Batterie, abhängig. Die Batterie muss so gestaltet sein, dass sie ein bestimmtes Energiespeichervermögen, d. h. eine bestimmte elektrische Kapazität, aufweist und die elektrische Leistung akzeptiert, die von der Elektromaschine zur Verfügung gestellt wird. Jede Vergrößerung der elektrischen Kapazität und/oder eine Erhöhung der elektrischen Leistung führt zu höheren Batteriekosten.
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Um Bremsenergie nicht nur zum Laden der 48V-Batterie, sondern auch zum Laden der 12V-Batterie nutzen zu können, ist die Verwendung von Gleichspannungswandlern bekannt, die neben dem Laden der 48V-Batterie auch ein Laden der 12V-Batterie nach vorheriger Umwandlung der 48V-Spannung in eine 12V-Spannung ermöglichen (HAUG, B. 48V/12V Dual Battery Automotive Systems Require Bi-Directional DC/DC Controllers for Optimum Performance. Linear Technology, P395, EN; erhältlich unter: http://cds.linear.com/docs/en/article/P395_EN-Automotive.pdf). Derartige Gleichspannungswandler verursachen jedoch zusätzlich Kosten, benötigen Bauraum im Fahrzeug und stellen eine mögliche Fehlerquelle dar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit anzugeben, mit der die genannten Nachteile verringert oder behoben werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Elektromaschine zum Erzeugen elektrischer Energie bereitzustellen, die direkt mindestens zwei unterschiedliche Spannungen liefern kann, z. B. mittels Rekuperation von kinetischer Energie. Die unterschiedlichen Spannungen können zum Laden von Batterien mit unterschiedlicher Nennspannung genutzt werden. Die Nennspannung der Batterie ergibt sich dabei aus den Nennspannungen der in Reihe geschalteten Zellen der Batterie.
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Dadurch kann die mittels Rekuperation gewonnene elektrische Energie zum ggf. gleichzeitigen Laden von zwei oder mehr elektrischen Energiespeichern mit unterschiedlicher Nennspannung, z. B. einer Nennspannung von 12 V und einer Nennspannung von 48V, genutzt werden.
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So kann beispielsweise neben der eigentlichen Rekuperationsbatterie mit zumeist 48 V Nennspannung auch eine üblicherweise ebenfalls im Kraftfahrzeug vorhandene 12V-Batterie geladen werden, die einer Ladung mittels Rekuperation bisher nicht oder nur technisch aufwändig, z. B. durch Nutzung von Gleichspannungswandlern, zugänglich ist. Dadurch kann die Kapazität der eigentlichen Rekuperationsbatterie verringert werden, da nunmehr ebenfalls die Kapazität der 12V-Batterie zur Verfügung steht. Im Ergebnis können Kosten und der für die Rekuperationsbatterie benötigte Bauraum sowie die Masse verringert werden.
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Eine Anordnung zum Energiemanagement eines Kraftfahrzeugs weist eine Elektromaschine auf, die zum Umwandeln kinetischer Energie in elektrische Energie und zum Abgeben der elektrischen Energie ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrische Energie direkt ab der zur Elektromaschine dazugehörigen Leistungselektronik (z. B. Inverter oder geregelter Gleichrichter), d. h. ohne Zwischenschaltung von Gleichspannungswandlern, Transformatoren oder Wechselstromumrichtern, über mindestens zwei unterschiedliche Spannungen abgebbar ist.
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Mit anderen Worten kann die Elektromaschine mindestens zwei Spannungsquellen mit unterschiedlicher Spannung ausbilden. Die Spannungsquellen können bevorzugt gleichzeitig ausgebildet werden.
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Beispielsweise kann die Elektromaschine zur Erzeugung eines Wechselstroms ausgebildet sein, der mittels eines geregelten Gleichrichters oder Inverters in einen Gleichstrom umwandelbar ist. Zur Erzeugung unterschiedlicher Spannungen kann die Elektromaschine anstelle von drei Phasen mit sechs Phasen ausgebildet sein, wobei jeweils drei Phasen ein unterschiedliches Spannungsniveau aufweisen. Beispielsweise können drei Phasen ein Spannungsniveau von 12 V und drei weitere Phasen ein Spannungsniveau von 48 V aufweisen. Für jeweils ein Spannungsniveau kann ein daran angepasster geregelter Gleichrichter oder Inverter vorgesehen sein.
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Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Die Elektromaschine kann als Generator oder als eine sowohl als Generator als auch als Elektromotor. Z. B. zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, verwendbare Elektromaschine ausgebildet sein. Der Generator kann in beiden Fällen als Wechselstromgenerator, z. B. Dreiphasenwechselstromgenerator, ausgebildet sein. Zur Erzeugung einer Gleichspannung kann dem Wechselstromgenerator ein Gleichrichter oder Inverter nachgeschaltet sein.
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Um die elektrische Energie über unterschiedliche Spannungen, z. B. 12 V und 48 V, abgeben zu können, kann die Elektromaschine eine der Anzahl der unterschiedlichen Spannungen entsprechende Anzahl verschiedener Wicklungen, z. B. mit einer unterschiedlichen Anzahl an Windungen, aufweisen, wobei jede Wicklung zur Abgabe der elektrischen Energie über eine bestimmte Spannung führt. Beispielsweise kann ein sich änderndes magnetisches Feld erzeugt werden, das in zwei Spulen aufgrund der verschiedenen Wicklungen jeweils unterschiedliche Spannungen induziert. Zur gesonderten Spannungsregelung kann ein nachgeschalteter geregelter Gleichrichter oder Inverter vorgesehen sein.
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Durch die Abgebbarkeit der elektrischen Energie über unterschiedliche Spannungen können vorteilhaft elektrische Energiespeicher mit entsprechend unterschiedlicher Nennspannung direkt geladen werden. Auf eine Spannungswandlung kann verzichtet werden, so dass die Anzahl der Bauteile und damit die Kosten reduziert werden können.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Anordnung weiterhin einen ersten elektrischen Energiespeicher mit einer ersten Nennspannung und einen zweiten elektrischen Energiespeicher mit einer zweiten Nennspannung aufweisen, wobei die Elektromaschine zum Abgeben der elektrischen Energie über der ersten und zweiten Nennspannung entsprechende Spannungen ausgebildet ist.
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Dazu kann der erste Energiespeicher mit der ersten Nennspannung, z. B. 12 V, parallel zu einer ersten Spannungsquelle der Elektromaschine geschaltet sein oder werden, während der zweite Energiespeicher mit der zweiten Nennspannung, z. B. 48 V, parallel zu einer zweiten Spannungsquelle der Elektromaschine geschaltet sein oder werden kann.
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Der erste Energiespeicher kann beispielsweise ein Bleiakkumulator sein. Sie kann z. B. dazu ausgebildet sein, einem elektrischen Anlassermotor Energie zuzuführen, um einen Verbrennungsmotor zu starten (Starterbatterie). Der erste Energiespeicher kann z. B. auch zu Zufuhr von Energie zu einem 12 V Bordnetz ausgebildet sein, wobei der Anlassermotor optional ein Teil dieses Bordnetzes sein kann. Die Nennspannung des ersten Energiespeichers kann beispielsweise 12 V betragen.
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Der zweite Energiespeicher kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, elektrische Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (Traktionsbatterie) und/oder an das Kraftfahrzeug angeschlossener Lasten, wie z. B. elektrische unterstützte Aufladesysteme, elektrische Klimakompressoren, elektrische Wankunterstützung etc., bereitzustellen. Die Nennspannung des zweiten Energiespeichers kann beispielsweise 24 V oder 48 V betragen oder größer als 60 V sein.
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Die Bezeichnung als erster oder zweiter Energiespeicher dient lediglich der Unterscheidung der beiden Energiespeicher und stellt keine Bewertung oder Reihenfolge dar. Beispielsweise kann also auch der erste Energiespeicher als Traktionsbatterie und der zweite Energiespeicher als Starterbatterie ausgebildet sein. Für den Fachmann ist zudem selbstverständlich, dass weitere Energiespeicher, ggf. mit unterschiedlicher Nennspannung, vorhanden sein können.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Elektromaschine zum Umwandeln von Bremsenergie als kinetischer Energie in elektrische Energie, also zur Rekuperation, ausgebildet sein. Vorteilhaft kann somit die mittels Rekuperation gewonnene elektrische Energie über unterschiedliche Spannungen abgegeben werden, so dass z. B. elektrische Energiespeicher mit unterschiedlicher Nennspannung direkt und ggf. gleichzeitig geladen werden können.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann der erste und/oder zweite Energiespeicher als Lithiumionenakkumulator oder Superkondensator ausgebildet sein. Beispiele für Lithiumionenakkumulatoren sind u. a. Lithium-Polymer-Akkumulator, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, Lithium-Titanat-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator, Lithium-Mangandioxid-Akkumulator, Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator und Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulator.
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Lithiumionenakkumulatoren zeichnen sich durch eine hohe spezifische Kapazität, eine hohe thermische Stabilität sowie eine hohe Ladeakzeptanz (Anteil der gespeicherten Energie im Vergleich zur zugeführten Energie) aufgrund eines niedrigen Innenwiderstands aus. Zudem unterliegen sie nur einem sehr geringen Memory-Effekt.
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Superkondensatoren weisen aufgrund eines sehr niedrigen Innenwiderstands eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Es kann eine höhere Ladeakzeptanz als bei Lithiumionenakkumulatoren erreicht werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine der vorstehend beschriebenen Anordnungen auf. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise als konventionelles, d. h. ausschließlich mittels eines Verbrennungsmotors angetriebenen Kraftfahrzeugs mit mindestens zwei Spannungsbordnetzen unterschiedlicher Spannung oder als Elektro- oder Hybridelektrofahrzeug, z. B. als Mildhybridelektrofahrzeug, ausgebildet sein. Die Erfindung kann eine besonders effektive Rekuperation ermöglichen und dadurch zur Kraftstoffeinsparung beitragen.
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In einem Verfahren zum Energiemanagement eines Kraftfahrzeugs wird kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt und die elektrische Energie abgeben. Erfindungsgemäß wird die elektrische Energie direkt über eine erste und eine zweite Spannung abgegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mittels der oben stehend erläuterten erfindungsgemäßen Anordnung ausgeführt werden. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen Anordnung und deren entsprechender Ausführungsvarianten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann ein erster elektrischer Energiespeicher mittels der über die erste Spannung abgegebenen elektrischen Energie und ein zweiter elektrischer Energiespeicher mittels der über die zweite Spannung abgegebenen elektrischen Energie aufgeladen werden. Dazu können die erste Spannung der Nennspannung des ersten Energiespeichers und/oder die zweite Spannung der Nennspannung des zweiten Energiespeichers entsprechen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann Bremsenergie als kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Die Erfindung wird anhand der Abbildung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Prinzipskizze einer beispielhaften Anordnung im Rekuperationsbetrieb.
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Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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Die Anordnung gemäß 1 ist in einem Hybridelektrokraftfahrzeug angeordnet. Sie weist eine Elektromaschine EM auf, die je nach Bedarf als Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs oder als Generator genutzt werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Elektromaschine EM um eine Wechselstrommaschine mit sechs Phasen, wovon drei Phasen der Erzeugung der ersten Spannung U1 und drei Phasen der Erzeugung der zweiten Spannung U2 dienen. Bei Verwendung der Elektromaschine EM als Generator werden zwei Dreiphasenwechselspannungen unterschiedlicher Spannungshöhe erzeugt, die mittels geregeltem Gleichrichter oder Inverter (nicht dargestellt) in die Gleichspannungen U1 und U2 umgewandelt werden.
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Mittels der Elektromaschine EM kann Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt und abgegeben werden, wobei die elektrische Energie direkt über zwei unterschiedliche Spannungen U1, U2, im Ausführungsbeispiel in Höhe von 12 V und 48 V, abgegeben wird. Ein Gleichspannungswandler wird nicht benötigt.
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Die Anordnung weist weiterhin einen ersten elektrischen Energiespeicher E1 mit einer ersten Nennspannung Unenn,1 von 12 V und einen zweiten elektrischen Energiespeicher E2 mit einer zweiten Nennspannung Unenn,2 von 48 V auf. Der erste Energiespeicher E1 versorgt einen elektrischen Anlassermotor (nicht dargestellt) mit Energie, während der zweite Energiespeicher E2 elektrische Energie zum Antreiben des Kraftfahrzeugs, z. B. mittels der dann als Elektromotor fungierenden Elektromaschine EM, bereitstellt. Der zweite Energiespeicher E2 ist als Lithiumionenakkumulator ausgebildet. Der erste Energiespeicher E1 kann ebenfalls als Lithiumionenakkumulator oder als Bleiakkumulator ausgebildet sein.
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Die Anordnung gemäß 1 wird mit anderen Worten zum Umwandeln von Bremsenergie in elektrische Energie genutzt, die dann direkt über die erste Spannung U1 und die zweite Spannung U2 abgegeben wird, wobei mittels der ersten Spannung U1 der erste Energiespeicher E1 und mittels der zweiten Spannung U2 der zweite Energiespeicher E2 geladen wird. Aus der Summe der Rekuperationsleistung, die zum Aufladen des ersten Energiespeichers E1 genutzt wird, und der Rekuperationsleistung, die zum Aufladen des zweiten Energiespeichers E2 genutzt wird, ergibt sich die Gesamtrekuperationsleistung der Elektromaschine EM.
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Bezugszeichenliste
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- E1
- erster Energiespeicher
- E2
- zweiter Energiespeicher
- EM
- Elektromaschine
- U1
- erste Spannung
- U2
- zweite Spannung
- Unenn,1
- erste Nennspannung
- Unenn,2
- zweite Nennspannung
