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Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Antriebsstrang für einen LKW bzw. einer Einheit für einen elektrischen Antriebsstrang für einen LKW bzw. einem Verfahren für den Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs für einen LKW nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus
DE 10 2012 215 619 A1 ist es bekannt, dass bei einem Batteriesystem für ein Fahrzeug ein Hochvoltnetz mit der Batterie und ein Niedervoltnetz vorliegen. Das Hochvoltnetz und das Niedervoltnetz sind galvanisch getrennt.
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Der elektrische Antriebsstrang für einen LKW bzw. die elektrische Einheit für einen Antriebsstrang für einen LKW bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Antriebsstrang für einen LKW mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass nunmehr die elektrische Energie von der Hochvoltbatterie zu den wenigstens einem weiteren Verbraucher über die galvanische Entkopplung in Abhängigkeit von einem Fahrzustand des LKWs übertragen wird. Bei einem elektrischen Antriebsstrang ist aus Sicht des Fahrzeugs eine galvanische Trennung zwischen der Batterie, die ja den Antrieb auch mit elektrischer Energie versorgt und weiteren Verbrauchern zu fordern. Eine galvanische Trennung oder Entkopplung für hohe Leistung kostet jedoch Geld, Bauraum, Gewicht und Effizienz. Es kann jedoch sein, dass in Fahrzuständen, wie bspw. während der Fahrt, nur geringe Leistungen benötigt werden. Im Stand, wenn hohe Leistungen angefordert werden, könnte eine andere Lösung ohne eine galvanische Entkopplung oder Trennung verwendet werden. Damit kann die galvanische Trennung dann kleiner dimensioniert werden.
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Folglich wird also ein elektrischer Antriebsstrang für einen Lastkraftwagen vorgeschlagen, bei dem eine erste Hochvoltbatterie mit elektrischen Antriebsmitteln für einen Fahrantrieb des Lastkraftwagens verbunden ist. Bei dem weiterhin eine Einheit vorgesehen ist, die an diese erste Hochvoltbatterie und an die wenigstens ein weiterer Verbraucher über ein Hochvoltgleichspannungsnetz und/oder ein Niedervoltgleichspannungsnetz angeschlossen sind. Zwischen dem Anschluss der ersten Hochvoltbatterie an die Einheit und dem Anschluss des wenigstens einen weiteren Verbrauchers an die Einheit ist eine galvanische Entkopplung zur Übertragung der elektrischen Energie vorgesehen. Die Einheit weist dafür eine Steuerung oder ein Steuergerät auf, die in Abhängigkeit von einem den Fahrzustand des Lastkraftwagens kennzeichnenden Signals die elektrische Energie über die galvanische Entkopplung überträgt. Damit kann dann die galvanische Entkopplung nur zum Tragen kommen, wenn es auch unbedingt erforderlich ist. Dies führt dann zu einer einfacheren Ausführung der galvanischen Entkopplung.
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Weiterhin wird eine erfindungsgemäße Einheit für einen solchen Antriebsstrang vorgeschlagen, wobei diese Einheit ein Gehäuse aufweist.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs für einen Lastkraftwagen vorgeschlagen, der folgende Verfahrensschritte aufweist:
- - Verbinden einer ersten Hochvoltbatterie mit elektrischen Antriebsmitteln für einen Fahrantrieb des Lastkraftwagens.
- - Anschließen der ersten Hochvoltbatterie an eine Einheit, an die wenigstens ein weiterer Verbraucher über ein Hochvoltgleichspannungsnetz und/oder ein Niedervoltgleichspannungsnetz.
- - Vorsehen einer galvanischen Entkopplung zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen dem Anschluss der Hochvoltbatterie an die Einheit und dem Anschluss des wenigstens einen weiteren Verbrauchers an die Einheit.
- - Eine Steuerung überträgt in Abhängigkeit von einem Signal, das einen Fahrzustand des LKWs kennzeichnet, die elektrische Energie über die galvanische Entkopplung.
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Unter einem elektrischen Antriebsstrang für einen LKW ist vorliegend ein Antriebsstrang zu verstehen, der ohne Verbrennungsmotor auskommt. Daher ist eine Hochvoltbatterie vorgesehen, die diesen Antriebsstrang und dabei insbesondere die elektrischen Antriebsmittel mit elektrischer Energie für einen Fahrantrieb des Lastkraftwagens versorgt. Diese elektrischen Antriebsmittel sind bspw. Wechselrichter, die an die Hochvoltbatterie angeschlossen sind und die aus dem Gleichstrom einen Wechselstrom wandeln, um ihn dann für entsprechende E-Motoren bereitzustellen, sodass diese E-Motoren damit betrieben werden können. Vorliegend weist der Antriebsstrang jedoch auch die weiteren Verbraucher über das Bordnetz und über eine Hochvoltgleichspannungsverbindung auf.
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Unter dem Fahrantrieb des LKWs ist insbesondere die Bewegung des Lastkraftwagens zum Fahren im eigentlichen Sinne zu verstehen.
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Unter der Einheit ist insbesondere eine Box oder ein Gehäuse zu verstehen, in dem sich die Komponenten befinden, die in der Einheit eingebaut sind. Diese Einheit hat die Aufgabe die elektrische Energie, die von der Hochvoltbatterie kommt, an den wenigstens einen weiteren Verbraucher über ein Hochvoltgleichspannungsnetz oder ein Niedervoltgleichspannungsnetz zu verteilen. Dafür sind diese Komponenten an die Einheit angeschlossen. Vorliegend ist nämlich über die Einheit ein sogenannter elektrischer Nebenabtrieb realisiert. Im Englischen wird dies mit Power-Take-off bezeichnet und dann entsprechend mit elektrischer Power-Take-off. Beim Verbrennungsmotor gibt es insbesondere bei Lastkraftwagen sogenannte Nebenabtriebe, die für weitere Funktionen eines Lastkraftwagens oder einer Arbeitsmaschine gedacht sind. Bspw. kann damit auch ein Generator betrieben werden. In analoger Weise wird vorliegend dies für eine Batterie als dem Äquivalent für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen.
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Unter dem wenigstens einem weiteren Verbraucher sind weitere Komponenten zu verstehen, die elektrische Energie benötigen bspw. über das Bordnetz bei bspw. 24 Volt aber auch solche, die auf einem Hochvoltgleichspannungsnetz arbeiten bspw. ein Wechselrichter, der einen Elektromotor zum Drehen einer Mischertrommel betrifft. Vorliegend kann es vorgesehen sein, dass die Hochvoltbatterie bei einer Spannung von 580 bis 750 V bis zu 22 kW Leistung abgibt. Diese Parameter werden dann auch über das Hochvoltgleichspannungsnetz so weitergegeben. Über das Bordnetz können bspw. 24 Volt oder 12 Volt oder 48 Volt abgegeben werden.
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In der Einheit ist nunmehr eine galvanische Entkopplung zur Übertragung der elektrischen Energie vorgesehen. Gemäß den abhängigen Ansprüchen kann diese Entkopplung verschieden realisiert sein. Die Einheit weist weiterhin eine Steuerung auf bspw. als ein Steuergerät oder eine Elektronik, die in Abhängigkeit von einem den Fahrzustand des Lastkraftwagen kennzeichnenden Signals die elektrische Energie über die galvanische Entkopplung überträgt. D. h. die Steuerung veranlasst die Übertragung der elektrischen Energie über diese Entkopplung von der Batterie zu dem wenigstens einen weiteren Verbraucher. Bei einer Rekuperation kann es vorgesehen sein, dass auch eine Übertragung zu der Batterie von elektrischer Energie stattfindet.
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Unter dem Fahrzustand des Lastkraftwagens ist bspw. Fahren oder Stillstand zu verstehen. Eine feinere Untergliederung ist möglich, wenn es Vorteile erbringt.
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Dieses den Fahrzustand des Lastkraftwagens kennzeichnenden Signals wird bspw. über ein CAN-Bus an die Steuerung als Signal übertragen. Bspw. wird im Lastkraftwagen die Drehzahl der Räder des LKWs ermittelt oder andere Parameter, die anzeigen, dass der LKW fährt, und dies wird dann an die Steuerung als Signal übertragen, so dass dann die elektrische Energie über die galvanische Entkopplung zu dem wenigstens einen weiteren Verbraucher übertragen werden kann.
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Unter dem Hochvoltgleichspannungsnetz wird ein eine elektrische Verbindung verstanden, auf der ein eine Gleichspannung zwischen bspw. 400-1000V anliegt. Unter dem Niedervoltgleichspannungsnetz ist bspw. das Bordnetz des Fahrzeugs zu verstehen.
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Das Gehäuse der Einheit kann aus Kunststoff und/oder Metall oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Antriebsstrangs bzw. der Einheit bzw. des Verfahrens möglich.
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Es ist vorgesehen, dass die erste Hochvoltbatterie mit einer Schalteinheit verbunden ist, die außerhalb der Einheit angeordnet ist, und die in Abhängigkeit von dem Fahrzustand die elektrische Energie an den wenigstens einen weiteren Verbraucher am Hochvoltgleichspannungsnetz überträgt. Damit wird über diese Schalteinheit ein alternativer Versorgungsweg zu den weiteren Verbrauchern vorgeschlagen. Diese Schalteinheit ist dabei auch räumlich von der Einheit getrennt, wird aber ebenso in Abhängigkeit vom Fahrzustand geschaltet. Allerdings überträgt diese Schalteinheit lediglich eine Hochvoltgleichspannung und nicht auch noch eine Niedervoltgleichspannung. Diese Niedervoltgleichspannung wird nur von der Einheit übertragen. Das Bordnetz wird im Stillstand von einer Niedervoltbatterie aufrechterhalten. Diese Niedervoltbatterie wird über das Hochvoltnetz und dabei über die Hochvoltbatterie beispielsweise geladen.
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Es ist weiterhin vorgesehen, dass wenn der Fahrzustand Fahren des Lastkraftwagens vorliegt, die elektrische Energie über die galvanische Entkopplung zu dem wenigstens einen weiteren Verbraucher übertragen wird. Und dass, wenn der Fahrzustand Stillstand vorliegt, die elektrische Energie über die Schalteinheit zu dem wenigstens einen weiteren Verbraucher übertragen wird. Damit wird also exklusiv im Fahren die elektrische Energie nur über die Einheit an den wenigstens einen weiteren Verbraucher übertragen. Im Stillstand wird die elektrische Energie von der Hochvoltbatterie nur über die Schalteinheit an den Verbraucher übertragen und dabei nur an die Verbraucher, die am Hochvoltgleichspannungsnetz liegen.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die galvanische Entkopplung ein Transformator und/oder durch einen ersten Gleichspannungswandler realisiert ist. Eine galvanische Entkopplung soll es verhindern, dass beide Schnittstellen, d. h. Eingang Ausgang auf dem gleichen Potential liegen. Durch eine galvanische Entkopplung wird dies erreicht. Da vorliegend jedoch die Batterie Gleichspannung liefert und eine galvanische Entkopplung für die Übertragung von elektrischer Energie Wechselspannung erfordert, ist es notwendig die Gleichspannung auf einen Träger aufzumodulieren damit bspw. die elektrische Energie über einen Transformator, der auch Teil eines Gleichspannungswandlers sein kann, übertragen werden kann. Es ist auch eine kapazitive Entkopplung möglich, aber die notwendigen Energien sind wohl am besten über einen Übertrager zu übertragen, der im Sinne der Hochvoltgleichspannung ein Verhältnis von Eingang- zu Ausgangsspannung von eins zu eins aufweist. Für die Niedervoltversorgung ist dann ein weiterer Gleichspannungswandler notwendig, der die Spannung entsprechend herunter wandelt, bspw. auf 24 oder 12 oder 48 Volt.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Schalteinheit wenigstens einen Gleichspannungsschutz aufweist, der ähnlich einem Relais in Abhängigkeit von einem Schaltsignal geschaltet wird und dann entsprechende Leistung übertragen werden können.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass der erste Gleichspannungswandler die Hochvoltgleichspannung in eine weitere Hochvoltgleichspannung wandelt und ein zweiter Gleichspannungswandler, der in der Einheit angeordnet ist, die Hochvoltgleichspannung in wenigstens eine Niedervoltgleichspannung wandelt. Dies wurde bereits oben beschrieben.
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Darüber hinaus ist es vorgesehen, dass die Einheit einen OnBoard-Charger mit einem Anschluss für ein externes Stromnetz aufweist. Der OnBoard-Charger kann bspw. auch einen Gleichspannungswandler aber insbesondere auch einen Gleichrichter aufweisen, um eine extern verfügbare Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln. Dafür weist die Einheit bspw. auch eine entsprechende Steckdose als Anschluss für das externe Stromnetz auf.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Schalteinheit einen Anschluss für eine externe Gleichspannungsversorgung aufweist und dafür auch eine entsprechende Buchse hat. Im Stillstand kann diese Gleichspannung dann direkt an einen Verbraucher im Hochvoltgleichspannungsnetz weitergeschaltet werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine weitere Verbraucher eine Verbindung zum Anschluss für das externe Stromnetz aufweist. D. h. es ist auch möglich, dass im Stillstand eine direkte Versorgung von einer Wechselspannung zu einem Verbraucher vorliegt. Damit ist dann insbesondere im Stillstand die Einheit nicht mehr erforderlich.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass eine weitere zweite Hochvoltbatterie vorgesehen ist, die an das Hochvoltgleichspannungsnetz für die weiteren Verbraucher vorgesehen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert:
- Es zeigen 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs mit der erfindungsgemäßen Einheit und 2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Antriebsstrang mit der ersten Hochvoltbatterie HVB, die zur Versorgung an zwei Wechselrichter WR1 und WR2 angeschlossen ist, die jeweils die Elektromotoren EM1 und EM2 mit Wechselstrom versorgen, sodass die Elektromotoren EM1 und EM2 die Räder R1 und R2 antreiben können. Dies ist eine beispielhafte Konfiguration für einen solchen Antriebsstrang. Es ist möglich, dass nur ein Wechselrichter vorliegt oder dass an 4 Rädern eine solche Konfiguration vorliegt und dass insbesondere kein Radantrieb vorliegt, sondern bspw. ein Achsantrieb.
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Die Hochvoltbatterie HVB, die beispielsweise eine Spannung bei 580 bis 750 Volt abgibt, ist jedoch auch mit einer Einheit E und dabei einen Anschluss A1 angeschlossen. Weiterhin ist die Hochvoltbatterie HVB an Gleichspannungsschütze DC-S angeschlossen. Über den Anschluss A5 ist die Hochvoltbatterie ebenfalls mit der Einheit E verbunden, aber dabei zum Zwecke des Aufladens, wenn ein stationärer Anschluss zu einem Stromnetz vorhanden ist. Nach dem Anschluss A1 ist in der Einheit ein Schalter S vorgesehen, der vom Steuergerät SG angesteuert wird, sodass nur bei geschlossenem Schalter die Energie von der Hochvoltbatterie HVB an die galvanische Entkopplung GE weitergegeben wird. Das Steuergerät SG oder die Steuerung verwendet dazu Signale vom CAN-Bus CAN, die über den Eingang A6 empfangen werden. Diese Signale über den CAN-Bus CAN sagen aus, wie der Fahrzustand des Fahrzeugs ist. Also im einfachsten Fall, ob der Lastkraftwagen fährt oder sich im Stillstand befindet. Vorzugsweise wird beim Fahrzustand Fahren der Schalter S durchgeschaltet, sodass dann die elektrische Energie von der Hochvoltbatterie HVB während dem Fahren über die galvanische Entkopplung an die weiteren Verbraucher weitergegeben wird. Dazu ist die galvanische Entkopplung GE über den Anschluss A2 mit einem Wechselrichter W3 verbunden, der einen weiteren Elektromotor EM3 als weiteren Verbraucher antreibt. Alternativ kann dieser Wechselrichter WR3 auch von der Zusatzhochvoltbatterie ZHVB mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies kann auch kumulativ geschehen.
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Von der galvanischen Entkopplung GE wird die elektrische Energie auch zum Gleichspannungswandler GW1 weitergeführt, der die Hochvoltgleichspannung in eine Niedervoltgleichspannung wandelt. Über den Ausgang A3 wird damit das Bordnetz NGN versorgt. An dieses Bordnetz NGN sind dann weitere Komponenten angeschlossen wie eine Kühlung etc. Weiterhin weist die Einheit E einen zweiten Gleichspannungswandler GW2, der auch einen Gleichrichter beinhaltet, auf, der elektrische Energie im Stillstand über den Anschluss A4 von einem stationären Stromnetz SN erhält. Diese Wechselspannung, die vom Stromnetz SN kommt, wird im Gleichrichter und Gleichspannungswandler GW2 auf die Hochvoltgleichspannung gesetzt. Dies wird dann als Ladestrom an die Hochvoltbatterie HVB übertragen. In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass auch die zusätzliche Hochvoltbatterie ZHVB, sofern vorhanden, damit aufgeladen werden kann.
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Das Steuergerät SG steuert auch vorliegend die Schaltschütze DC-S. Vorzugsweise im Stillstand werden diese durchgeschaltet, damit dann der zusätzliche Verbraucher zumindest im Hochvoltgleichspannungsnetz direkt mit der Hochvoltbatterie verbunden wird. Zusätzlich oder alternativ können die Schaltschütze auch dazu verwendet werden, eine externe Gleichspannungsquelle DC-C für diese Spannungsversorgung zu verwenden und auch für das Aufladen der Hochvoltgleichspannungsbatterie HVB bzw. auch der zusätzlichen Hochvoltgleichspannungsbatterie ZHVB.
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In 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Flussdiagramm dargestellt. In Verfahrensschritt 200 wird die Hochvoltbatterie mit den Antriebsmitteln verbunden. Dazu zählen vorliegend die Wechselrichter WR1 und WR2 als die Wechselrichter, die die Elektromotoren EM1 und EM2 jeweils betreiben und damit die Räder R1 und R2 zum Drehen bringen. In Verfahrensschritt 201 wird die Hochvoltbatterie HVB auch an die Einheit E angeschlossen. An diese Einheit E sind gemäß Verfahrensschritt 202 auch weitere Verbraucher wie WR3 und NGN angeschlossen. Über die galvanische Trennung GE gemäß Verfahrensschritt 203 wird die elektrische Energie von der Hochvoltbatterie HVB zu diesen weiteren Verbrauchern in Abhängigkeit von einem Fahrzeugzustand übertragen. Dies geschieht in Verfahrensschritt 204. Dieser Fahrzeugzustand wird von der Steuerung SG über den Anschluss A6 und den CAN-Bus CAN erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- R1, 2
- Räder
- EM1 - 3
- Elektromotoren
- WR1 - 3
- Wechselrichter
- HVB
- Hochvoltbatterie
- ZHVB
- zusätzliche Hochvoltbatterie
- CAN
- CAN-Bus
- E
- Einheit
- DC-S
- Schaltschütze
- A1 - 6
- Anschlüsse an die Einheit
- SG
- Steuerung oder Steuergerät
- S
- Schalter
- GE
- galvanische Entkopplung
- GW1, 2
- Gleichspannungswandler
- NGN
- Niederspannungsnetz
- SN
- Stromnetz
- DC-C
- Gleichspannungsquelle
- 200 - 204
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012215619 A1 [0002]
