DE102017222778A1 - Hybrid-System zum Antrieb eines Fahrzeugs - Google Patents

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Tobias Huber
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Abstract

Hybrid-System (1) zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Lastkraftwagens. Das Hybrid-System (1) umfasst einen Verbrennungskraftmotor (2), eine elektrische Maschine (3), einen DC/DC-Konverter (4), einen elektrischen Energiespeicher (5, 7), einen thermoelektrischen Generator (9) und ein Hybrid-Netz (6, 8). Die elektrische Maschine (3) und der elektrische Energiespeicher (5, 7) sind dazu eingerichtet, elektrische Energie in das Hybrid-Netz (6, 8) einzuspeisen. Ebenfalls sind die elektrische Maschine (3) und der elektrische Energiespeicher (5, 7) dazu eingerichtet, über das Hybrid-Netz (6, 8) mit elektrischer Energie gespeist zu werden. Ferner kann der thermoelektrische Generator (9) an eine erste elektrische Phase des DC/DC-Konverters (4) angebunden werden, sodass elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator (9) in das Hybrid-Netz (6, 8) eingespeist wird, um den Verbrennungskraftmotor (2) beim Antrieb des Fahrzeugs zu unterstützen. Die Ansteuerung kann dabei über einen prädiktiven Ansatz erfolgen, welcher auf aktuelle und prognostizierte Umwelt- und Fahrzeugdaten zurückgreift.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hybrid-System zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Lastkraftwagens (Truck).
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Effizienzsteigerung im Truck-Segment unter definierten Realbedingungen, wobei der Fokus insbesondere auf Fahrzeugen mit einem Gewicht von über 6 t liegt. Die Realbedingungen können insbesondere für Trucks spezifiziert werden, welche einen sehr hohen Fachanteil auf Autobahnen aufweisen. Man spricht hier von Fernverkehr und konzentriert sich auf Lastkraftwagen (Lkw), welche Lastgewichte inklusive Anhänger und Beladung von bis zu 40 t aufweisen. Aufgrund der Fahrbelastung und somit Fahrzeugauslegung unter fokussierten Szenarien (z.B. ein Transport von München nach Hamburg und zurück mit bis zu 99 % Autobahnanteil) lässt sich für den Antriebsstrang des LKWs ein erkennbarer Hauptlastpunkt darstellen (bei beispielsweise 80 km/h - durchschnittliche Getriebe-/Motorumdrehung inklusive durchschnittliche Lastanforderung bei etwa 100 KW).
  • Typischerweise gehen ca. 30-40 % eines Verbrennungskraftmotors eines Fahrzeugs über den Abgasstrang ohne weitere Nutzung als Wärmeenergie nach außen.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Effizienz eines Antriebssystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Lastkraftwagens, zu erhöhen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein effizientes Zusammenwirken vorgeschlagen zwischen einem installierten Hybrid-System (mit Fokus beispielsweise auf ein sogenanntes „48V Mild Hybrid System“), einem thermoelektrischen Generator (TEG) und optional einer Fotovoltaik-Anlage (die sich insbesondere auf einem Dach eines LKWs oder eines Trailers befinden kann). Eine Koordination der vorstehend genannten Komponenten wird vorgeschlagen, welche ermöglicht, dass die jeweiligen einzelnen Komponenten bzw. Systeme (Hybrid-System, TEG-System und Solarsystem/Photovoltaik-Anlage) in einer besonders wirtschaftlichen Art miteinander verbunden und koordiniert werden, insbesondere über einen einzigen DC/DC-Konverter - ggf. mit mehreren Einzelphasen zur PV-Applikation. Darüber hinaus wird auch eine Energiekoordination mit prädiktivem Ansatz vorgeschlagen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Hybrid-System zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um einen Lastkraftwagen handeln, welcher beispielsweise ein Gewicht von über 6 t aufweisen kann. Sofern der Lastkraftwagen einen beladenen Anhänger zieht, kann sich ein Gesamtlastgewicht von bis zu 40 t ergeben. Alternativ ist das erfindungsgemäße Hybrid-System jedoch auch zum Antrieb anderer Fahrzeuge geeignet, z.B. zum Antrieb von Bussen, Kommunalfahrzeugen, landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen, Wohnmobilen oder Automobilen.
  • Das Hybrid-System umfasst einen Verbrennungskraftmotor, eine elektrische Maschine, einen DC/DC-Konverter, einen elektrischen Energiespeicher, einen thermoelektrischen Generator und ein Hybrid-Netz.
  • Bei der elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Starter oder einen Motor/Generator, z.B. ein 48 V Riemenstarter-Generator - auch Belt-Site Generator genannt.
  • Das Hybrid-Netz kann beispielsweise auf Niedervolt-Spannung (bis 60 V) oder Hochvolt-Spannung (ab 60 V) basieren. Beispielsweise kann das Hybrid-Netz einen 24V-Abschnitt und einen 48-V Abschnitt umfassen (ein sogenanntes „24V/48V Mild Hybrid System“). Optional zum 24V System kann auch ein 12V System Verwendung finden - dann wird von einem 12V/48V System gesprochen.
  • Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um eine Batterie handeln. Der elektrische Energiespeicher kann auch mehrere Batterien umfassen, z.B. eine 24V-Batterie für den 24V-Abschnitt des Hybrid-Netzes und/oder eine 48V-Batterie für den 48V-Abschnitt des Hybrid-Netzes (z.B. eine LiIon-Batterie mit 0.5 bis 1 kWh).
  • Der DC/DC-Konverter kann insbesondere zwischen dem 24V-Abschnitt und dem 48V-Abschnitt des Hybrid-Netzes angeordnet sein. Bei dem DC/DC-Konverter kann es sich auch um einen Inverter handeln, wobei die Inverter- und die DC/DC-Konverter-Funktion auch in einem Gerät integriert sein kann.
  • Der thermoelektrische Generator kann insbesondere derart in einen Antriebsstrang des Fahrzeugs eingebettet sein, dass heiße Abgase über den Seebeck-Effekt (Nutzung einer Temperaturdifferenz zwischen einer kalten und einer warmen Seite des thermoelektrischen Generators) genutzt werden können, um elektrischen Energie zu (re)generieren. Der thermoelektrische Generator stellt vorzugsweise ein eigenes, selbstständiges Element/System dar, welches elektrisch über den DC/DC-Konverter an das Hybrid-Netz angeschlossen sein kann. Der thermoelektrische Generator ermöglicht somit verbrannte Energie des Verbrennungskraftmotors über den Abgasstrang zumindest teilweise zu nutzen, um das Fahrzeug anzutreiben und/oder um den elektrischen Energiespeicher zu laden.
  • Die elektrische Maschine kann dazu eingerichtet sein, in ihrem Motorbetrieb den Verbrennungskraftmotor zum Antrieb des Fahrzeugs zu unterstützen. Weiterhin kann die elektrische Maschine dazu eingerichtet sein, in ihrem Generatorbetrieb von dem Verbrennungskraftmotor angetrieben zu werden. Dazu kann die elektrische Maschine mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt und von dieser entkoppelt werden. Alternativ kann auf eine Kopplungsmöglichkeit zwischen dem Verbrennungskraftmotor und der elektrischen Maschine verzichtet werden. In diesem Fall kann die elektrische Maschine in ihrem Generatorbetrieb alternativ angetrieben werden, z.B. durch einen Rekuperator, und in ihrem Motorbetrieb eine Antriebswelle des Fahrzeugs antreiben, ohne mit dem Verbrennungskraftmotor gekoppelt zu sein.
  • Die elektrische Maschine und der elektrische Energiespeicher sind weiterhin dazu eingerichtet, elektrische Energie in das Hybrid-Netz einzuspeisen und über das Hybrid-Netz mit elektrischer Energie gespeist zu werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine in ihrem Generatorbetrieb elektrische Energie in das Hybrid-Netz einspeisen, um den elektrischen Energiespeicher aufzuladen. Umgekehrt kann auch der elektrische Energiespeicher elektrische Energie in das Hybrid-Netz einspeisen, um der elektrischen Maschine elektrische Energie für den Motorbetrieb bereitzustellen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der thermoelektrische Generator an eine erste elektrische Phase des DC/DC-Konverters angebunden werden kann, sodass elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator in das Hybrid-Netz eingespeist wird, um den Verbrennungskraftmotor beim Antrieb des Fahrzeugs zu unterstützen. Durch den thermoelektrischen Generator in das Hybrid-Netz eingebrachte elektrische Energie kann von dem DC/DC-Konverter aufgenommen und in das Hybrid-Netz eingespeist werden. Dies kann beispielsweise sowohl in dem 24V-Abschnit als auch in dem 48-V Abschnitt des Hybrid-Netzes geschehen. Der DC/DC-Konverter dient der Koordination des Hybrid-Systems und ermöglicht die elektrische Einbindung des thermoelektrischen Generators sowie - optional - eines Solarsystems bzw. einer Photovoltaik-Anlage (siehe weiter unten). Der DC/DC-Konverter stellt somit ein zentrales Element des Hybrid-Systems dar.
  • Die in das Hybrid-Netz eingespeiste elektrische Energie kann dazu genutzt werden, die elektrische Maschine im Motorbetrieb anzutreiben oder im Antrieb zu unterstützen. Der thermoelektrische Generator kann ausreichend Energie liefern (beispielsweise durchschnittlich 2000 W), um direkt via DCDC Converter die Energie über die elektrische Maschine wieder als Drehmoment in das Gesamtantriebssystem einzuspeisen. Auf diese Weise kann der Verbrennungskraftmotor beim Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere des Lastkraftwagens, unterstützt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der elektrische Energiespeicher mit der in das Hybrid-Netz durch den thermoelektrischen Generator eingespeisten elektrischen Energie geladen werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Hybrid-System weiterhin eine Photovoltaik-Anlage, die an eine zweite elektrische Phase des DC/DC-Konverters angebunden werden kann, sodass elektrische Energie von der Photovoltaik-Anlage in das Hybrid-Netz eingespeist wird. Die Photovoltaik-Anlage bzw. die Solaranlage kann beispielsweise auf einem Dach des Fahrzeugs, insbesondere des Lastkraftwagens, oder eines Trailers angeordnet sein, der durch den Lastkraftwagen gezogen wird. Die in das Hybrid-Netz durch die Photovoltaik-Anlage eingespeiste elektrische Energie kann dazu genutzt werden, die elektrische Maschine im Motorbetrieb anzutreiben oder im Antrieb zu unterstützen. Alternativ oder zusätzlich kann auch der elektrische Energiespeicher mit der in das Hybrid-Netz durch den die Photovoltaik-Anlage eingespeisten elektrischen Energie geladen werden. Beispielsweise kann die Photovoltaik-Anlage über den DC/DC-Konverter an den 24V-Abschnitt des Hybrid-Netzes angebunden werden, und innerhalb des 24V-Abschnitts eine 24V-Batterie laden.
  • Die Gesamteffizienz des Antriebsstrangs des Fahrzeugs kann durch das erfindungsgemäße Hybrid-System verbessert werden, welches eine Systemintegration von thermoelektrischem Generator, Photovoltaik-Anlage und Hybridisierung ermöglicht. Die Verwendung des Hybrid-Systems (beispielsweise mit einem 48V-Hybrid-Netz mit RSG, einem DC/DC-Konverter und einer Batterie als Hauptkomponenten) kann die Basis bilden, wobei der DC/DC-Konverter über seine zusätzlichen elektrischen Phasen als zentraler Anschluss für den thermoelektrischen Generator und/oder das Solarsystem dienen kann. Dadurch wird eine direkte elektrische Verbindung der Einzelkomponenten am DC/DC-Konverter geschaffen, wodurch generell die Effizienz des Gesamtsystems erhöht werden kann.
  • Die Verwendung der erzeugten bzw. umgewandelten Energie des thermoelektrischen Generators und - optional - der elektrischen Energie der Photovoltaik-Anlage kann als zusätzliche Antriebsenergie genutzt werden, welche durch die elektrische Maschine im Motorbetrieb auf die Kurbelwelle (gegebenenfalls über Riemen/Getriebe etc.) übertragen werden kann. Auf diese Weise kann die Verbrennungskraftmaschine entlastet und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt somit ein Energieregelungssystem für das Hybrid-System vor. Der thermoelektrische Generator und gegebenenfalls die Photovoltaik-Anlage bzw. das Solarsystem können für jeweilige Streckenabschnitte, die von einem Fahrzeug mit dem Hybrid-System befahren werden, aufgrund von auf diesen Streckenabschnitten vorherrschenden Randbedingungen entsprechend viel Energie generieren. Die Energie, welche durch den thermoelektrischen Generator eingespeist werden kann, ist vor allem von der Abgaswärme und der Abgasströmung des Verbrennungskraftmotors abhängig. Die Energie hingegen, die durch die Photovoltaik-Anlage bzw. das Solarsystem eingebracht werden kann, ist vorwiegend abhängig von einer aktuellen Sonnenstrahlung bzw. von Verschattungseffekten auf den Streckenabschnitten. Somit haben beide potentielle Energiequellen unterschiedliche Eingangsparameter, welche nicht voneinander abhängig sind. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass eine jeweilige Spannungsregelung und Stromregelung für beide Energiesysteme im DC/DC-Konverter über eine jeweilige separate Phase erfolgt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist eine Koordination von Verbrennungsmotor und verwendeter elektrischer Maschine als Einheit vorgesehen, um den Verbrennungsmotor möglichst für den thermoelektrischen Generator und bezogen auf die Effizienz im optimalen Arbeitspunkt zu halten. Die vorstehend beschriebene Koordination kann durch einen Algorithmus automatisiert erfolgen. Der Algorithmus kann durch ein Programmelement implementiert werden, welches auf einer Speichereinheit des DC/DC-Konverters hinterlegt und durch einen Prozessor des DC/DC-Konverters ausgeführt werden kann. Die Koordination von Verbrennungsmotor und elektrischer Maschine ist eine Teilregung des Energieriegelsystems. Die elektrische Maschine kann beispielsweise im Motorbetrieb immer dann mit zusätzlichem Drehmoment unterstützen, wenn über eine Control Unit des Fahrzeugs ein zu hohes Gesamtdrehmoment angefordert wird.
  • Generell kann dabei die Limitierung der elektrischen Maschine berücksichtigt werden.
  • Generell muss der thermoelektrische Generator für unterschiedliche Abgastemperaturen und Abgasströme ausgelegt werden. Bei einem Lkw können diese aufgrund der unterschiedlichen Fahrprofile (z.B. Stadtfahrt gegenüber Landstraße oder Stau gegenüber freier Straße) sehr unterschiedlich ausfallen. Bei einem Lkw kann man einen Haupt-Usecase definiert werden, welcher dann für das System optimiert werden kann. Wird beispielsweise der thermoelektrische Generator auf einen spezifischen Usecase (z.B. Autobahnfahrt) für einen identifizierten Lastpunkt ausgelegt, so kann das System aus thermoelektrischem Generator und DC/DC-Konverter optimal ausgelegt werden. Sofern die Lastpunkte des Verbrennungskraftmotors zusätzlich über den Hybridantriebsstrang optimiert werden, indem man z.B. über die elektrische Maschine Energie bei Anforderungsspitzen hinzufügt (eBoost), so wird das System auf einen Lastpunkt optimiert, welcher hilft, immer den idealen Arbeitspunkt für den thermoelektrischen Generator zu erreichen.
  • Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, das erfindungsgemäße Hybrid-System in Kombination mit einem prädiktiven Energiemanagementsystem einzusetzen. Dieses Energiemanagementsystem kann insbesondere die im Folgenden beschriebenen Funktionen erfüllen. So kann es eine energetische Prädiktion des thermoelektrischen Generators aufgrund von Abgasstrangtemperaturen bzw. Abgasstrangströmungen liefern. Weiterhin kann das Energiemanagementsystem eine energetische Prädiktion einer Leistung der Verbrennungskraftmaschine liefern, insbesondere aufgrund von vorliegenden Straßeninformationen. Ferner ermöglicht das Energiemanagementsystem ein optimiertes Zusammenspiel von Verbrennungskraftmaschine und Elektromotor bzw. elektrischer Maschine unter Berücksichtigung von jeweiligen Leistungsgrenzen, Temperaturgrenzen und verfügbaren Energien (Batterieinhalt) . Dabei kann insbesondere die Unterstützung der elektrischen Maschine im Fokus liegen, was dazu führen soll, dass die Verbrennungskraftmaschine in einem optimierten Arbeitsbereich betrieben werden kann.
  • In diesem Sinne umfasst der DC/DC-Konverter in einer weiteren Ausführungsform einen Prozessor und eine Speichereinheit. Auf der Speichereinheit ist ein Programmelement gespeichert, das, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor anleitet, die im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen.
  • In einem ersten Schritt wird eine zukünftige potentielle Energieleistung des thermoelektrischen Generators und/oder der Photovoltaik-Anlage vorausgesagt bzw. prädiziert. Insbesondere kann eine von dem Verbrennungskraftmotor auf einem vorausliegenden Streckenabschnitt bereitzustellende Leistung ermittelt werden, wobei der Streckenabschnitt zukünftig von einem Fahrzeug befahren werden soll, welches das Hybrid-System gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst. Basierend auf der ermittelten bereitzustellenden Leistung des Verbrennungskraftmotors kann ein Energiewert der Abwärme des Verbrennungskraftmotors auf dem Streckenabschnitt berechnet werden. Diese Abwärme kann zumindest teilweise durch den thermoelektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden, wobei der entsprechende Energiewert der Abwärme die vorausgesagte zukünftige potentielle Energieleistung des thermoelektrischen Generators darstellen kann. Die potentielle Energieleistung der Photovoltaik-Anlage kann beispielsweise basierend auf einer Sonnenstrahlung oder basierend auf einer Beschattung ermittelt werden, welche auf dem Streckenabschnitt voraussichtlich dann vorherrschen werden, wenn das Fahrzeug den Streckenabschnitt befährt.
  • In einem zweiten Schritt wird ein zukünftig notwendiges Drehmoment des Verbrennungskraftmotors vorausgesagt, wobei das Drehmoment notwendig ist, um ein gefordertes bzw. vorgegebenes Geschwindigkeitsniveau zu erreichen. Insbesondere kann vorgegeben werden, mit welcher Geschwindigkeit sich das Fahrzeug auf dem Streckenabschnitt fortbewegen soll, für den in dem ersten Schritt die zukünftige potentielle Energieleistung des thermoelektrischen Generators und/oder der Photovoltaik-Anlage vorausgesagt bzw. prädiziert worden ist. Basierend auf dieser Geschwindigkeit kann ermittelt bzw. vorausgesagt werden, welches Drehmoment der Verbrennungskraftmotor zur Erreichung dieser Geschwindigkeit zukünftig (d.h., wenn das Fahrzeug den vorausliegenden Streckenabschnitt befährt) aufbringen muss. Gegebenenfalls kann das Geschwindigkeitsniveau auch über einen automatischen Geschwindigkeitsregler eingestellt werden. Durch die Voraussage des zukünftig notwendigen Drehmoments des Verbrennungskraftmotors ist eine Voraussage bzw. eine Prädiktion dahingehend möglich, ob zukünftig ein positives (motorisches) oder ein negatives (generatorisches) Antriebsmoment vorliegt.
  • In einem dritten Schritt erfolgt ein Steuern der elektrischen Energie, welche von dem thermoelektrischen Generator und/oder von der Photovoltaik-Anlage in das Hybrid-Netz eingespeist wird, basierend auf der vorausgesagten zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators und/oder der Photovoltaik-Anlage und basierend auf dem vorausgesagten, zukünftig notwendigen Drehmoment des Verbrennungskraftmotors. Insbesondere kann, wenn das Fahrzeug den Streckenabschnitt befährt, die Einspeisung von elektrischer Energie durch den thermoelektrischen Generator und/oder durch die Photovoltaik-Anlage derart gesteuert werden, dass die elektrische Maschine in ihrem Motorbetrieb unterstützt wird, wodurch der Verbrennungsmotor im Antrieb des Fahrzeugs unterstützt werden kann. Dadurch kann der Verbrennungsmotor mühelos oder zumindest leichter das notwendige Antriebsdrehmoment bereitstellen und dabei beispielsweise in einem besonders effizienten Betriebspunkt betrieben werden.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt somit die Verwendung eines prädiktiven Energieansatzes vor, z.B. unter Verwendung von vorausliegenden Straßendaten und Verkehrsflussdaten (siehe weiter unten). Dies ermöglicht eine Optimierung der Energiegewinnung bzw. Energieumwandlung unter einer grundsätzlichen Aufgabenstellung, den Generator (z.B. den 48 V Belt Site Generator) so wenig wie möglich im Generatormodus betreiben zu müssen. Bevorzugt ist ein Energiemanagement vorgesehen, welches Energieflüsse (Quelle und Source) berücksichtigt. Weiterhin werden auch der elektrische Energiespeicher (24V-Batterie, 48V-Batterie, Hochvoltbatterie oder Ähnliches) und die prädiktiven Erkenntnisse einbezogen, wann welche Energien erwartet werden (insbesondere wann der thermoelektrische Energiespeicher welchen Grad an elektrischer Energie einspeisen kann).
  • Fährt beispielsweise das Fahrzeug, insbesondere ein Lastkraftwagen/Truck, über längere Zeit bergab, so führt der thermoelektrische Generator während dieser Zeit relativ wenig Energie zu. Über beispielsweise Wetterdaten oder Tunneldaten kann abgeleitet werden, ob und wie viel elektrische Energie die Photovoltaik-Anlage bzw. das Solarpanel zuspeisen kann. Sollte dabei durch den vorstehend beschriebenen Algorithmus des Programmelements festgestellt werden, dass der elektrische Energiespeicher bis zu einem bestimmten Punkt die jeweiligen Verbraucher nicht versorgen kann, so wird der Generatormodus in einem hohen Effektivitätslevel zugeschaltet (gegebenenfalls Volllast über eine bestimmte Zeit).
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Voraussagen der zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators und/oder der Photovoltaik-Anlage für die erste Phase und/oder die zweite Phase. Sofern mehrere thermoelektrische Generatoren und/oder Fotovoltaik-Anlagen vorgesehen sind, so kann für jedes der entsprechenden Untersysteme eine eigene Phase vorgehalten werden. Es kann vor allem bei einer Photovoltaik-Anlage in Form eines Solarsystems sinnvoll sein, wenn z.B. unterschiedliche Einstrahlwinkel aufgrund einer Aufbringposition unterschiedlich hohe Energieeinträge erwarten lassen. Weiterhin kann eine Interaktion oder auch eine SoC (System on Chip) Regelung zwischen unterschiedlichen Batteriesystemen des Hybrid-Systems vorgesehen sein. Möglich ist auch eine Bypassregelung einschließlich einer Generator/Motor-Regelung. Ferner kann ein bestmöglicher Arbeitspunkt - ein sogenannter „maximaler Power Point“ bestimmt werden.
  • Weiterhin kann das Voraussagen der zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators basierend auf Straßeninformations-Daten erfolgen, die in einer Cloud hinterlegt sind, und auf die der DCDC-Konverter zugreifen kann. Beispielsweise können Daten zu Steigungen einer Straße, auf welcher sich ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Hybrid-System bewegt, Geschwindigkeitslimits oder sonstige Geschwindigkeitsbegrenzungen der Straße in der Cloud hinterlegt sein. Eine entsprechende Cloud-basierte Lösung ist unter dem Namen eHorizon der Anmelderin bekannt. Mittels dieser Daten kann ein zukünftiger Arbeitspunkt für den thermoelektrischen Generator aufgrund erwarteter Abgastemperaturen bzw. Abgasströmungen berechnet werden. Daraus ergibt sich eine abzuschätzende Energieleistung des thermoelektrischen Generators für jeweils vorausliegende Fahrabschnitte.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Voraussagen der zukünftigen potentiellen Energieleistung der Photovoltaik-Anlage basierend auf Wetterdaten, auf welche der DCDC-Konverter zugreifen kann. Diese Wetterdaten können insbesondere Informationen über eine Sonneneinstrahlung enthalten, welche in einem Streckenabschnitt vorherrscht, der zukünftig von einem Fahrzeug befahren werden soll, der das erfindungsgemäße Hybrid-System mit der Photovoltaik-Anlage umfasst. Insbesondere können die Wetterdaten im Zusammenspiel mit einer Routenführung eines Navigationssystems dazu verwendet werden, vorauszusagen, wie hoch die von der Photovoltaik-Anlage nutzbare Lichtintensität zukünftig auf dem gewählten Streckenabschnitt sein wird.
  • Außerdem kann das Voraussagen des zukünftig notwendigen Drehmoments des Verbrennungskraftmotors basierend auf Straßeninformations-Daten erfolgen, die in einer Cloud hinterlegt sind, und auf die der DCDC-Konverter zugreifen kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Steuern der elektrischen Energie, welche von dem thermoelektrischen Generator und oder von der Photovoltaik-Anlage in das Hybrid-Netz eingespeist wird, eine Spannungsregelung der ersten Phase und/oder der zweiten Phase. Weiterhin kann auch insbesondere die elektrische Maschine an eine weitere Phase des DC/DC-Konverters angebunden werden. Auch für diese weitere Phase kann eine Spannungsregelung mittels des DC/DC-Konverters vorgesehen sein.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Hybrid-System gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um einen Lastkraftwagen bzw. Truck handeln. Das Fahrzeug kann jedoch auch beispielsweise ein Bus, ein Kommunalfahrzeug, ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug, ein Wohnmobil oder ein Automobil wie Pkw sein.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein computerlesbares Medium bereitgestellt, auf dem eines der vorstehend beschriebenen Programmelemente gespeichert ist.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hybrid-Systems mit einem thermoelektrischen Generator mit einer Photovoltaik-Anlage und
    • 2 ein Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Generators für das Hybrid-System nach 1.
  • 1 zeigt ein Hybrid-System 1 zum Antrieb eines Fahrzeugs. Bei dem Fahrzeug kann es sich insbesondere um einen Lastkraftwagen handeln, welcher beispielsweise ein Gewicht von bis zu 6 t aufweisen kann. Sofern der Lastkraftwagen einen beladenen Anhänger zieht, kann sich ein Gesamtlastgewicht von bis zu 40 t ergeben.
  • Das Hybrid-System 1 umfasst einen Verbrennungskraftmotor 2 zum Antrieb des Fahrzeugs, eine elektrische Maschine 3 (z.B. ein 48 V Belt-Site Generator), einen DC/DC-Konverter 4, eine 24V-Batterie 5 für einen 24V-Abschnitt 6 (links des DC/DC-Konverters 4) eines Hybrid-Netzes und eine 48V-Batterie 7 (z.B. eine LiIon-Batterie mit 0.5 bis 1 kWh) für einen 48V-Abschnitt 8 des Hybrid-Netzes (ein sogenanntes „24V/48VMild Hybrid System“). Der DC/DC-Konverter ist somit zwischen dem 24V-Abschnitt 6 und dem 48V-Abschnitt 8 des Hybrid-Netzes angeordnet und die 24V-Batterie 5 und die 48V-Batterie 7 bilden gemeinsam einen elektrischen Energiespeicher des Hybrid-Systems 1. Weiterhin weist das Hybrid-System 1 einen thermoelektrischen Generator 9 (z.B. mit einer Spitzenleistung von ungefähr 2 bis 5 kW) und eine Photovoltaik-Anlage 10 (z.B. mit einer Spitzenleistung von ungefähr 400 bis 600 W) auf, die beispielsweise auf einem Dach des Lastkraftwagens montiert sein kann.
  • Der Verbrennungskraftmotor 2, z.B. ein Dieselmotor kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, mit der elektrischen Maschine 3 gekoppelt zu werden und von der elektrischen Maschine 3 entkoppelt zu werden. Wenn der Verbrennungsmotor 2 mit der elektrischen Maschine 3 gekoppelt ist, kann der Verbrennungsmotor 2 die elektrische Maschine 3 antreiben, sodass die elektrische Maschine 3 in einem Generatorbetrieb läuft, um insbesondere die 48V-Batterie 7 zu laden. Auf der anderen Seite kann auch die elektrische Maschine 3 in ihrem Motorbetrieb den Verbrennungsmotor 2 antreiben, wenn der Verbrennungsmotor 2 mit der elektrischen Maschine 3 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 3 kann somit dazu eingerichtet sein, in ihrem Motorbetrieb den Verbrennungskraftmotor 2 zum Antrieb des Fahrzeugs zu unterstützen und in ihrem Generatorbetrieb von dem Verbrennungskraftmotor 2 angetrieben zu werden. Alternativ kann auch auf eine Kopplungsmöglichkeit zwischen dem Verbrennungskraftmotor 2 und der elektrischen Maschine 3 verzichtet werden. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 3 in ihrem Generatorbetrieb alternativ angetrieben werden, z.B. durch einen Rekuperator, und in ihrem Motorbetrieb eine Antriebswelle des Fahrzeugs antreiben, ohne mit dem Verbrennungskraftmotor gekoppelt zu sein.
  • Der thermoelektrische Generator 9 kann derart in einen Antriebsstrang des Fahrzeugs eingebettet sein, dass heiße Abgase 11 über den Seebeck-Effekt (Nutzung einer Temperaturdifferenz zwischen einer kalten und einer warmen Seite des thermoelektrischen Generators 9) genutzt werden können, um elektrischen Energie zu generieren. Der thermoelektrische Generator 9 stellt vorzugsweise ein eigenes, selbstständiges Element/System dar, welches über wenigstens eine Phase elektrisch über den DC/DC-Konverter 4 an das Hybrid-Netz angeschlossen sein kann. Der thermoelektrische Generator 9 ermöglicht, verbrannte Energie des Verbrennungskraftmotors über den Abgasstrang zumindest teilweise zu nutzen, um das Fahrzeug anzutreiben und/oder um den elektrischen Energiespeicher 5/7 zu laden.
  • Die elektrische Maschine 2 und der elektrische Energiespeicher 5/7 sind weiterhin dazu eingerichtet, elektrische Energie in das Hybrid-Netz einzuspeisen und über das Hybrid-Netz mit elektrischer Energie gespeist zu werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 3 in ihrem Generatorbetrieb elektrische Energie in das Hybrid-Netz einspeisen, um die 48V-Batterie 7 aufzuladen. Umgekehrt kann auch die 48V-Batterie 7 elektrische Energie in das Hybrid-Netz einspeisen, um die elektrische Maschine 3 in ihrem Motorbetrieb anzutreiben oder dabei zumindest zu unterstützen.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Generators 9, welcher einen Eingang 14 und einen Ausgang 15 für heißes Abgas 11 des Verbrennungsmotors 2 umfasst. Zwischen dem Eingang 14 und dem Ausgang 15 wird das heiße Abgas 11 durch ein Abgasleitungssystem 16 eines Abgaswärmetauschers 17 geführt. Das heiße Abgas 11 gibt Wärme an ein Kühlleitungssystem 18 des Abgaswärmetauscher 17 ab, wobei innerhalb des Kühlleitungssystems 18 beispielsweise ein Kühlmittel 19 fließen kann, das über einen Eingang 20 des Kühlleitungssystem 18 zugeführt und über einen Ausgang 21 des Kühlleitungssystems 18 wieder abgeführt werden kann.
  • Der thermoelektrische Generator 9 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an eine erste elektrische Phase des DC/DC-Konverters 4 angebunden, sodass elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator 9 in das Hybrid-Netz eingespeist wird. Durch den thermoelektrischen Generator 9 in das Hybrid-Netz eingebrachte elektrische Energie kann von dem DC/DC-Konverter 4 aufgenommen und in das Hybrid-Netz eingespeist werden. Dies kann sowohl in dem 24V-Abschnit 6 als auch in dem 48-V Abschnitt 8 des Hybrid-Netzes geschehen. Der DC/DC-Konverter 4 dient der Koordination des Hybrid-Systems 1 und ermöglicht die elektrische Einbindung des thermoelektrischen Generators sowie der Photovoltaik-Anlage 10, die an eine zweite elektrische Phase des DC/DC-Konverters 4 angebunden werden kann, sodass auch elektrische Energie von der Photovoltaik-Anlage 10 in das Hybrid-Netz eingespeist wird, insbesondere in den 24V-Abschnitt des Hybrid-Netzes.
  • Die in das Hybrid-Netz eingespeiste elektrische Energie kann dazu genutzt werden, die elektrische Maschine 3 im Motorbetrieb anzutreiben oder im Antrieb zu unterstützen. Der thermoelektrische Generator 9 kann ausreichend Energie liefern (beispielsweise durchschnittlich 2000 W), um direkt die Energie über die elektrische Maschine 3 wieder als Drehmoment in das Gesamtantriebssystem einzuspeisen. Auf diese Weise kann der Verbrennungskraftmotor 2 beim Antrieb des Lastkraftwagens unterstützt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der elektrische Energiespeicher 5/7 mit der in das Hybrid-Netz durch den thermoelektrischen Generator 9 und/oder der Photovoltaik-Anlage 10 eingespeisten elektrischen Energie geladen werden.
  • Der DC/DC-Konverter 4 kann einen Prozessor 12 und eine Speichereinheit 13 umfassen, wobei auf der Speichereinheit 13 ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf dem Prozessor 12 ausgeführt wird, den Prozessor 12 anleitet, den Verbrennungskraftmotor 2 und die elektrische Maschine 3 derart zu koordinieren, dass der Verbrennungsmotor 2 für den thermoelektrischen Generator 9 und bezogen auf die Effizienz in einem optimalen Arbeitspunkt gehalten wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Prozessor durch das Programmelement angeleitet werden, die folgenden Schritte durchzuführen:
    • (100)
    Voraussagen einer zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators 9 und/oder der Photovoltaik-Anlage 10,
    (200)
    Voraussagen eines zukünftig notwendigen Drehmoments des Verbrennungskraftmotors 2, um ein gefordertes Geschwindigkeitsniveau zu erreichen, und
    (300)
    Steuern der elektrischen Energie, welche von dem thermoelektrischen Generator 9 und/oder von der Photovoltaik-Anlage 10 in das Hybrid-Netz eingespeist wird, basierend auf der vorausgesagten zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators 9 und/oder der Photovoltaik-Anlage 10 und basierend auf dem vorausgesagten, zukünftig notwendigen Drehmoment des Verbrennungskraftmotors 2.
  • Das Voraussagen (100) der zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators 9 und/oder der Photovoltaik-Anlage 10 kann dabei für die erste Phase und/oder die zweite Phase erfolgen. Weiterhin kann das Voraussagen (100) der zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators 9 basierend auf Straßeninformations-Daten erfolgt, die in einer Cloud hinterlegt sind, und auf die der DCDC-Konverter 4 zugreifen kann. Ferner kann das Voraussagen (100) der zukünftigen potentiellen Energieleistung der Photovoltaik-Anlage 10 basierend auf Wetterdaten erfolgen, auf welche der DCDC-Konverter 4 zugreifen kann.
  • Außerdem kann das Voraussagen (200) des zukünftig notwendigen Drehmoments des Verbrennungskraftmotors 2 basierend auf Straßeninformations-Daten erfolgt, die in einer Cloud hinterlegt sind, und auf die der DCDC-Konverter 4 zugreifen kann.
  • Darüber hinaus kann das Steuern (300) der elektrischen Energie, welche von dem thermoelektrischen Generator 9 und/oder von der Photovoltaik-Anlage 10 in das Hybrid-Netz eingespeist wird, eine Spannungsregelung der ersten Phase und/oder der zweiten Phase umfassen.

Claims (11)

  1. Hybrid-System (1) zum Antrieb eines Fahrzeugs, das Hybrid-System (1) umfassend: - einen Verbrennungskraftmotor (2), - eine elektrische Maschine (3), - einen DC/DC-Konverter (4), - einen elektrischen Energiespeicher (5, 7), - einen thermoelektrischen Generator (9) und - ein Hybrid-Netz (6, 8), wobei - die elektrische Maschine (3) und der elektrische Energiespeicher (5, 7) dazu eingerichtet sind, elektrische Energie in das Hybrid-Netz (6, 8) einzuspeisen, - die elektrische Maschine (3) und der elektrische Energiespeicher (5, 7) dazu eingerichtet sind, über das Hybrid-Netz (6, 8) mit elektrischer Energie gespeist zu werden, und - der thermoelektrische Generator (9) an eine erste elektrische Phase des DC/DC-Konverters (4) angebunden werden kann, sodass elektrische Energie von dem thermoelektrischen Generator (9) in das Hybrid-Netz (6, 8) eingespeist wird.
  2. Hybrid-System (1) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Photovoltaik-Anlage (10), die an eine zweite elektrische Phase des DC/DC-Konverters (4) angebunden werden kann, sodass elektrische Energie von der Photovoltaik-Anlage (10) in das Hybrid-Netz (6, 8) eingespeist wird.
  3. Hybrid-System (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der DC/DC-Konverter (4) einen Prozessor (12) und eine Speichereinheit (13) umfasst, wobei auf der Speichereinheit (13) ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf dem Prozessor (12) ausgeführt wird, den Prozessor (12) anleitet, den Verbrennungskraftmotor (2) und die elektrische Maschine (3) derart zu koordinieren, dass der Verbrennungsmotor (2) für den thermoelektrischen Generator (9) und bezogen auf seine Effizienz in einem optimalen Arbeitspunkt gehalten wird.
  4. Hybrid-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der DC/DC-Konverter (4) einen Prozessor (12) und eine Speichereinheit (13) umfasst, wobei auf der Speichereinheit (13) ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf dem Prozessor (12) ausgeführt wird, den Prozessor (12) anleitet, die folgenden Schritte durchzuführen: - Voraussagen einer zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators (9) und/oder der Photovoltaik-Anlage (10), - Voraussagen eines zukünftig notwendigen Drehmoments des Verbrennungskraftmotors (2), um ein gefordertes Geschwindigkeitsniveau zu erreichen, - Steuern der elektrischen Energie, welche von dem thermoelektrischen Generator (9) und/oder von der Photovoltaik-Anlage (10) in das Hybrid-Netz (6, 8) eingespeist wird, basierend auf der vorausgesagten zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators (9) und/oder der Photovoltaik-Anlage (10) und basierend auf dem vorausgesagten, zukünftig notwendigen Drehmoment des Verbrennungskraftmotors (2).
  5. Hybrid-System (1) nach Anspruch 4, wobei das Voraussagen der zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators (9) und/oder der Photovoltaik-Anlage (10) für die erste Phase und/oder die zweite Phase erfolgt.
  6. Hybrid-System (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Voraussagen der zukünftigen potentiellen Energieleistung des thermoelektrischen Generators (9) basierend auf Straßeninformations-Daten erfolgt, die in einer Cloud hinterlegt sind, und auf die der DCDC-Konverter (4) zugreifen kann.
  7. Hybrid-System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Voraussagen der zukünftigen potentiellen Energieleistung der Photovoltaik-Anlage (10) basierend auf Wetterdaten erfolgt, auf welche der DCDC-Konverter (4) zugreifen kann.
  8. Hybrid-System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Voraussagen des zukünftig notwendigen Drehmoments des Verbrennungskraftmotors (2) basierend auf Straßeninformations-Daten erfolgt, die in einer Cloud hinterlegt sind, und auf die der DCDC-Konverter (4) zugreifen kann.
  9. Hybrid-System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Steuern der elektrischen Energie, welche von dem thermoelektrischen Generator (9) und/oder von der Photovoltaik-Anlage (10) in das Hybrid-Netz (6, 8) eingespeist wird, eine Spannungsregelung der ersten Phase und/oder der zweiten Phase umfasst.
  10. Fahrzeug mit einem Hybrid-System (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  11. Computerlesbares Medium, auf dem das Programmelement nach Anspruch 3 oder 4 bis 8 gespeichert ist.
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DE102017222778.8A DE102017222778A1 (de) 2017-12-14 2017-12-14 Hybrid-System zum Antrieb eines Fahrzeugs
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