DE102022201466A1 - Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (2) aufweisend einen ersten Traktions-Motor (4), welcher als Verbrennungsmotor (4) ausgebildet ist, einen zweiten Traktions-Motor (6), welcher als Elektromotor (6) ausgebildet ist und einen ersten (8) sowie einen zweiten (10) Energiespeicher, wobei der erste (8) und der zweite (10) Energiespeicher räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, und eingerichtet derart, dass in einem ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher (8) im Warm-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist, dass in dem ersten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher (10) im Kalt-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist und dass in dem ersten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher (10) im Warm-Betrieb als Energiequelle nicht nutzbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs.
  • Ein Kraftfahrzeug, das zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor einen Elektromotor als einen weiteren Traktions-Motor aufweist, wird üblicherweise als Hybridfahrzeug bezeichnet. Für ein derartiges Hybridfahrzeug sind verschiedenen Möglichkeiten für die Nutzung des Elektromotors bekannt. Dies sind insbesondere das sogenannte Rekuperieren beim Bremsen, die sogenannte Lastpunktanhebung, die sogenannte Lastpunktabsenkung, und der sogenannte rein elektrische Fahrbetrieb. Ziel ist es dabei typischerweise, durch die Nutzung des Elektromotors sowie eines beigeordneten Energiespeichers im zeitlichen Mittel Kraftstoff einzusparen und hierdurch die CO2-Emissionen des Kraftfahrzeugs zu reduzieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaft ausgebildetes Kraftfahrzeug anzugeben sowie ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Die im Hinblick auf das Kraftfahrzeug angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren übertragbar und umgekehrt. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt zur Ausführung durch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug und umgekehrt ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ausgebildet sowie eingerichtet zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist hierbei als Hybridfahrzeug ausgebildet und weist zwei Traktions-Motoren oder Vortriebs-Motoren auf, nämlich einen ersten Traktions-Motor und einen zweiten Traktions-Motor. Dabei ist der erste Traktions-Motor als Verbrennungsmotor ausgebildet und der zweite Traktions-Motor als Elektromotor. Dem Elektromotor ist weiter ein erster Energiespeicher beigeordnet, welcher zweckdienlicherweise als Batterie ausgebildet ist und mehrere Akkumulator-Zellen aufweist.
  • Der erste Energiespeicher ist dabei ebenso wie der Elektromotor zweckdienlicherweise Teil eines Hochvolt-Bordnetzes des Kraftfahrzeugs. Unter einem Hochvolt-Bordnetz ist hierbei im Sinne dieser Anmeldung ein Bordnetz oder ein Teil eines Bordnetzes mit einer Betriebsspannung größer 12 V und insbesondere größer 24 V zu verstehen. D. h., dass das entsprechende Bordnetz bzw. der entsprechende Teil für eine derartige Spannung größer 12 V bzw. größer 24 V ausgelegt und eingerichtet ist. Bordnetze mit eine Betriebsspannung zwischen 12 V und 60 V werden zwar mitunter auch als Mittelvolt-Bordnetze bezeichnet, in dieser Anmeldung jedoch werden auch diese Bordnetze einfach als Hochvolt-Bordnetze bezeichnet.
  • Der erste Energiespeicher ist nun typischerweise Teil eines solchen Hochvolt-Bordnetzes. In diesem Hochvolt-Bordnetzes ist dann vorzugsweise zudem eine Anzahl zusätzlicher Hochvolt-Verbraucher angeordnet. Ein entsprechender zusätzlicher Hochvolt-Verbraucher zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass dieser in einem aktivierten Zustand mit elektrischer Energie zu versorgen ist und dabei relativ hohe Leistungen oder zumindest relativ hohe Spannungen fordert. Die geforderten Spannungen und/oder Leistungen sind hierbei in einigen Fällen vergleichbar mit den Spannungen und/oder Leistungen, die der zweite Traktions-Motor, also der Elektromotor, fordert, wenn dieser zum Antreiben des Kraftfahrzeugs genutzt wird, also um Vortrieb zu generieren. Zweckdienlicherweise sind die geforderten Spannungen und/oder Leistungen jedoch zumindest vergleichbar mit den Spannungen und/oder Leistungen, mit denen der erste Energiespeicher geladen und entladen wird.
  • Ein Beispiel für einen solchen zusätzlichen Hochvolt-Verbraucher ist ein sogenannter elektrisch heizbarer Katalysator. Mit einem solchen elektrisch heizbaren Katalysator lässt sich nach an sich bekanntem Prinzip die Emissionscharakteristik eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor verbessern. Daher ist ein solcher elektrisch heizbarer Katalysator bevorzugt Teil des Kraftfahrzeugs und insbesondere Teil des zuvor genannten Hochvolt-Netzes. Weiter ist das Kraftfahrzeug in diesen Fällen dann zweckdienlicherweise derart eingerichtet, dass der elektrisch heizbare Katalysator in einem Kalt-Betrieb, auch Kaltstartphase oder kurz Kaltstart genannt, zumindest zeitweise aktiviert wird, so dass dieser dann als zusätzlicher Hochvolt-Verbraucher entsprechend mit elektrischer Leistung zu versorgen ist. Um eine entsprechende Versorgung sicherstellen zu können, ist typischerweise eine ausreichende Menge an elektrischer Energie vorzuhalten oder zu speichern, da der Elektromotor nicht in jeder Situation als Energiequelle zur Verfügung steht.
  • Als problematisch wurde hierbei erkannt, dass derzeit in Hybridfahrzeugen übliche Energiespeicher eine recht begrenzte Speicherkapazität aufweisen. Daher müsste ein solcher Energiespeicher vor jeder Kaltstartphase möglichst vollgeladen sein, um den Energiebedarf eines elektrisch heizbaren Katalysators während der Kaltstartphase abdecken zu können. Da das Kraftfahrzeug oder eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs jedoch typischerweise keine Kenntnis über die nachfolgende Nutzungsdauer des Kraftfahrzeugs und damit einen möglichen Abstellzeitpunkt hat, müsste der Energiespeicher außerdem nach einer jeden Kaltstartphase schnellstmöglich wieder aufgeladen werden. Dann aber würde dieser für die eingangs beschriebenen Nutzungsstrategien des Elektromotors kaum mehr zu Verfügung stehen.
  • Dass die Speicherkapazität bei Hybridfahrzeugen derzeit recht begrenzt ist, stellt dabei nicht nur ein Problem dar, wenn, so wie bevorzugt, ein elektrisch heizbarer Katalysator im Kraftfahrzeug als zusätzlicher Hochvolt-Verbraucher verbaut ist. Es ist vielmehr ein grundsätzlicheres Problem, welches jedoch noch verstärkt wird, wenn das zuvor genannte Hochvolt-Bordnetz zusätzliche Aufgaben erfüllen soll.
  • Anstatt jedoch einfach einen größeren Energiespeicher zu verbauen und/oder die Speicherkapazität des zuvor genannten ersten Energiespeichers zu erhöhen, wird der erste Energiespeicher erfindungsgemäß ergänzt durch einen zweiten Energiespeicher, welcher ebenso wie der erste Energiespeicher Teil des Kraftfahrzeugs und insbesondere Teil des zuvor genannten Hochvolt-Bordnetzes ist. Dieser zweite Energiespeicher ist dabei typischerweise wiederum als Batterie ausgebildet und weist mehrere Akkumulator-Zellen auf. Der zweite Energiespeicher ist hierbei zweckdienlicherweise ebenfalls dem zweiten Traktions-Motor, also dem Elektromotor, beigeordnet, jedoch räumlich getrennt vom ersten Energiespeicher angeordnet.
  • Durch die Nutzung zweier Energiespeicher, also des ersten und des zweiten Energiespeichers, lassen sich dann zwei sehr unterschiedliche Lade-Entlade-Strategien parallel verfolgen. Zudem ergeben sich durch die räumliche Trennung der beiden Energiespeicher mehr Freiheiten im Hinblick auf die Unterbringung der Energiespeicher im Kraftfahrzeug, da nun nicht mehr ein großer Bauraum im Kraftfahrzeug realisiert werden muss, sondern stattdessen zwei kleinere Bauräume.
  • Vorteilhaft ist dabei eine Ausführung des Kraftfahrzeugs, bei der einer der zwei zuvor genannten Energiespeicher unter dem Fahrersitz angeordnet ist. Weiter ist eine Ausführung bevorzugt, bei der einer der zwei zuvor genannten Energiespeicher unter dem Beifahrersitz angeordnet ist.
  • Von Vorteil ist außerdem eine Ausführung, bei der einer der zwei zuvor genannten Energiespeicher unter einer Rücksitzbank angeordnet ist. Davon unabhängig ist eine Ausführung zweckdienlich, bei der die zwei zuvor genannten Energiespeicher durch einen sogenannten Mitteltunnel oder Kardantunnel voneinander getrennt sind.
  • Weiterhin ist das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug derart eingerichtet, dass in einem ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher in jedem Warm-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist, der zweite Energiespeicher in jedem Kalt-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist und der zweite Energiespeicher in jedem Warm-Betrieb als Energiequelle nicht nutzbar ist.
  • Warm-Betrieb und Kalt-Betrieb sind dabei typischerweise durch zumindest eine vorgegebene Betriebstemperatur für eine Baueinheit des Kraftfahrzeugs festgelegt. Vorzugsweise ist dabei eine Betriebstemperatur für den zuvor genannten elektrisch heizbaren Katalysator vorgegeben und/oder eine Betriebstemperatur für den Verbrennungsmotor. D. h., dass zum Beispiel ein erster Temperaturgrenzwert für den elektrisch heizbaren Katalysator vorgegeben ist und ein zweiter Temperaturgrenzwert für den Verbrennungsmotor, insbesondere für eine Öltemperatur des Verbrennungsmotors. In diesem Fall liegt dann ein Warm-Betrieb vor, wenn die Temperatur des elektrisch heizbaren Katalysators größer gleich dem ersten Temperaturgrenzwert ist und die Temperatur des Verbrennungsmotors bzw. die Öltemperatur größer gleich dem zweiten Temperaturgrenzwert. Andernfalls liegt ein Kalt-Betrieb vor, sofern das Kraftfahrzeug in Betrieb ist.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist somit insbesondere eingerichtet, eine spezielle Lade-Entlade-Strategie umzusetzen oder vielmehr zwei Lade-Entlade-Strategien, nämlich für jeden der beiden Energiespeicher eine. Realisiert wird dies typischerweise mittels einer Steuereinrichtung und dementsprechend weist das Kraftfahrzeug bevorzugt eine hierfür geeignet ausgebildete und hierfür eingerichtete Steuereinrichtung auf.
  • Weiter sind das Kraftfahrzeug und insbesondere die Steuereinrichtung eingerichtet, ein spezielles Energiemanagement-Konzept umzusetzen. Dabei sieht das Energiemanagement-Konzept vor, dass eine gewisse Menge an Energie für einen jeden Kalt-Betrieb vorgehalten wird. Diese Energie wird im ersten Betriebsmodus im zweiten Energiespeicher vorgehalten und zumindest ein Teil dieser vorgehaltenen Energie wird dann typischerweise im Kalt-Betrieb auch genutzt.
  • D. h., dass im ersten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher typischerweise im Kalt-Betrieb zumindest teilweise entladen wird. Nach Beenden des Kalt-Betriebs wird der zweite Energiespeicher dann im sich daran anschließende Warm-Betrieb bevorzugt wieder aufgeladen und zwar insbesondere bis dieser vollgeladen ist oder zumindest bis der Fahrbetrieb wieder eingestellt wird, bis also das Kraftfahrzeug wieder außer Betrieb genommen wird. Nach diesem Wiederaufladen wird der zweite Energiespeicher dann bis zum nächsten Kalt-Betrieb nicht mehr als Energiequelle genutzt. Stattdessen wird die abgespeicherte Energie wieder bis zum nächsten Kalt-Betrieb vorgehalten.
  • Die für den Kalt-Betrieb vorgehaltene Energie wird dabei bevorzugt genutzt, um die Emissionscharakteristik des Kraftfahrzeugs im Kalt-Betrieb günstig zu beeinflussen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die vorgehaltene Energie dabei im Kalt-Betrieb genutzt, um den zuvor genannten elektrisch heizbaren Katalysator zu versorgen und dementsprechend um den elektrisch heizbaren Katalysator auf eine vorgegebene Betriebstemperatur aufzuheizen.
  • Alternativ oder zusätzlich wird die vorgehaltene Energie, also die für die den Kalt-Betrieb vorgehaltene Energie, im Kalt-Betrieb genutzt, um beispielsweise das Moment des Verbrennungsmotors zu begrenzen, um also eine sogenannte Lastpunktabsenkung vorzunehmen. Auch dies wirkt sich dann günstig auf die Emissionscharakteristik des Kraftfahrzeugs im Kalt-Betrieb aus.
  • Ist eine solche Lastpunktabsenkung im Kalt-Betrieb realisiert, dann wird in einigen Ausführungsvarianten auf die Nutzung eines elektrisch heizbaren Katalysators verzichtet und es ist dementsprechend dann keine solche Baueinheit im Kraftfahrzeug verbaut. In zumindest einer Ausführungsvariante ist dann zudem auch kein zusätzlicher Hochvolt-Verbraucher im Hochvolt-Bordenetz angeordnet. Somit wirken dann lediglich der erste Energiespeicher und der Elektromotor im Hochvolt-Bordnetz zumindest zeitweise als Hochvolt-Verbraucher, also der erste Energiespeicher, wenn dieser geladen wird, und der Elektromotor, wenn dieser nicht als Generator sondern als Motor genutzt wird.
  • Weiter ist es je nach Anwendungsfall zweckdienlich, wenn im ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher im Kalt-Betrieb nicht als Energiequelle genutzt wird und dementsprechend ist das Kraftfahrzeug und insbesondere die Steuereinrichtung in zumindest einer Ausführung derart eingerichtet, dass im ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher im Kalt-Betrieb als Energiequelle nicht nutzbar ist.
  • Davon unabhängig ist es vorgesehen, dass im ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher im Warm-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist und dementsprechend zumindest zeitweise auch genutzt wird. Der erste Energiespeicher wird dabei dann im ersten Betriebsmodus vorzugsweise genutzt, um im zeitlichen Mittel eine Kraftstoffeinsparung nach an sich bekanntem Prinzip zu erzielen. D. h., dass im ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher genutzt wird, um eine Hybridfahrweise zu realisieren, also um zum Beispiel das sogenannte Rekuperieren beim Bremsen, die sogenannte Lastpunktanhebung, die sogenannte Lastpunktabsenkung, und/oder den sogenannte rein elektrischen Fahrbetrieb zu realisieren.
  • Bevorzugt ist weiter ein zweiter Betriebsmodus vorgesehen, für den dann das Kraftfahrzeug bzw. die Steuereinrichtung entsprechend eingerichtet ist. Dabei sind dann vorzugsweise im zweiten Betriebsmodus die Rollen des ersten Energiespeichers und zweiten Energiespeichers vertauscht im Vergleich zum ersten Betriebsmodus. D. h., dass im zweiten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher im Warm-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist, dass der erste Energiespeicher im Kalt-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist und dass der erste Energiespeicher im Warm-Betrieb als Energiespeicher nicht nutzbar ist.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist das Kraftfahrzeug und insbesondere die Steuereinrichtung dann derart eingerichtet, dass zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus automatisch gewechselt wird. Ein entsprechender Wechsel erfolgt dabei typischerweise während eines Warm-Betriebs und bevorzugt Abhängigkeit der Laufleistung des Kraftfahrzeugs, also zum Beispiel alle 200 km, alle 500 km, alle 1000 km oder alle 2000 km. Alternativ erfolgt der Wechsel in vorgegebenen zeitlichen Abständen, also zum Beispiel monatlich oder halbjährlich. In beiden Fällen erfolgen die Wechsel bevorzugt so, dass die beiden Energiespeicher im zeitlichen Mittel etwa gleich schnell altern, gleich stark abgenutzt werden oder gleich schnell verschleißen. Einer weiteren Alternative entsprechend wird für die beiden Energiespeicher jeweils ein aktueller Wert ermittelt, der repräsentativ ist für das jeweilige aktuelle Alter oder den jeweiligen aktuellen Verschleiß. Dazu werden zum Beispiel die aktuellen Ladekapazitäten der beiden Energiespeicher ermittelt. In Abhängigkeit der ermittelten aktuellen Werte werden dann automatischen Wechsel vorgenommen.
  • Insbesondere wenn ein zuvor beschriebene Rollenwechsel für die beiden Energiespeicher vorgesehen ist, ist es weiter von Vorteil, wenn die beiden Energiespeicher gleichartig ausgestaltet sind. D. h., dass die beiden Energiespeicher beispielsweise beide als Batterien ausgestaltet sind, die aus demselben Typ Akkumulator-Zellen aufgebaut sind. Weiter bevorzugt weisen die beiden Energiespeicher im Wesentlichen dieselbe Speicherkapazität auf und/oder die beiden Energiespeicher sind für dieselbe Nennspannung ausgelegt.
  • Alternativ sind die beiden Energiespeicher unterschiedlich ausgestaltet. In diesem Fall ist dann typischerweise kein Rollentausch vorgesehen und dementsprechend ist dann auch kein zweiter Betriebsmodus der zuvor genannten Art vorgesehen. Bevorzugt sind die beiden Energiespeicher dann individuell angepasst an die jeweils vorgesehene Art der Nutzung. D. h. dass zum Beispiel unterschiedliche Speicherkapazitäten vorgesehen sind. Allerdings sind die beiden Energiespeicher auch in diesem Fall typischerweise für dieselbe Nennspannung ausgelegt.
  • In jedem Fall aber sind die beiden Energiespeicher bevorzugt für vergleichbare Nennspannungen ausgelegt. Weiter weist das Kraftfahrzeug typischerweise das zuvor beschriebene Hochvolt-Bordnetz auf und dieses ist dann zweckdienlicherweise für einen vorgegebene Betriebsspannung ausgelegt. Die beiden Energiespeicher sind dann hieran angepasst und dementsprechend ausgelegt. Weiter ist bevorzugt der erste Energiespeicher über eine erste Schalteinrichtung vom übrigen Hochvolt-Bordnetz abtrennbar und/oder es ist der zweite Energiespeicher über eine zweite Schalteinrichtung vom übrigen Hochvolt-Bordnetz abtrennbar.
  • In vorteilhafter Weiterbildung ist dann das Kraftfahrzeug bzw. die Steuereinrichtung derart eingerichtet, dass in dem ersten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher im Warm-Betrieb durch die Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtung automatisch vom Hochvolt-Bordnetz, also vom übrigen Hochvolt-Bordnetz, abgetrennt wird. Die Abtrennung erfolgt dabei typischerweise nach dem zuvor beschriebenen Wiederaufladen des zweiten Energiespeichers zu Beginn des Warm-Betriebs.
  • Außerdem ist das Kraftfahrzeug und insbesondere die Steuereinrichtung bevorzugt derart eingerichtet, dass in dem ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher im Warm-Betrieb durch Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung automatisch zum übrigen Hochvolt-Bordnetz zugeschaltet wird. Dementsprechend ist dann der zweite Energiespeicher typischerweise im Kalt-Betrieb vom übrigen Hochvolt-Bordnetz abgetrennt.
  • In vorteilhafter Weiterbildung sind die beiden Energiespeicher über die zuvor genannte erste Schalteinrichtung sowie die zuvor genannte zweite Schalteinrichtung in das Hochvolt-Bordnetz integriert. In diesem Fall ist dann weiter bevorzugt eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespeicherzelle realisiert, bei der lediglich die erste Schalteinrichtung sowie die zweite Schalteinrichtung zwischen den ersten Energiespeicher und den zweiten Energiespeicher zwischengeschaltet sind. Einer alternativen Variante entsprechend ist zusätzlich eine Anzahl Sicherungen zwischengeschaltet. Auf eine Zwischenschaltung einer Wandlerschaltung, also insbesondere eines Spannungswandlers, wird jedoch bevorzugt verzichtet.
  • Wie bereits zuvor dargelegt weist das Kraftfahrzeug typischerweise das Hochvolt-Bordnetz auf. Das Hochvolt-Bordnetz ist dabei bevorzugt für eine Betriebsspannung im Bereich von 25 V bis 60 V ausgelegt. Es handelt sich in diesen Fällen dann um ein Bordnetz, welches mitunter auch als Mittelvolt-Bordnetz bezeichnet wird. In einigen Ausführungsvarianten ist das Hochvolt-Bordnetz dabei als sogenannten 48V-Energienetz ausgebildet und somit dann für eine Betriebsspannung von 48 V.
  • Weiter bevorzugt ist der erste Energiespeicher für eine erste Nennspannung ausgelegt, deren Wert in einem Bereich von 25 V bis 60 V liegt, und der zweite Energiespeichers ist für eine zweite Nennspannung ausgelegt, deren Wert im Bereich von 25 V bis 60 V liegt. Darüber hinaus bevorzugt liegen Betriebsspannung, erste Nennspannung und zweite Nennspannung im Bereich von 36 V bis 54 V. Insbesondere ist eine Spannung von 48 V vorgesehen für die Betriebsspannung, die erste Nennspannung und die zweite Nennspannung.
  • Alternativ ist für das Hochvolt-Bordnetz eine Betriebsspannung zwischen 300 V und 400 V vorgesehen. In diesem Fall liegen dann auch die erste Nennspannung und die zweite Nennspannung im Bereich von 300 V bis 400 V. Davon unabhängig ist für die erste Nennspannung und die zweite Nennspannung im Wesentlichen derselbe Wert vorgesehen.
  • Günstig ist es zudem, wenn der erste Energiespeicher für eine erste maximale Leistung ausgelegt ist, deren Wert in einem Bereich von 0,5 kW bis 20 kW liegt und insbesondere in einem Bereich von 2 kW bis 10 kW. Weiter ist dann bevorzugt der zweite Energiespeicher für eine zweite maximale Leistung ausgelegt, deren Wert im Bereich von 0,5 kW bis 20 kW liegt und insbesondere in einem Bereich von 2 kW bis 10 kW. Die maximale Leistung entspricht dabei typischerweise der maximalen Leistung, die der entsprechende Energiespeicher aufnehmen und/oder abgeben kann.
  • Außerdem wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der erste Energiespeicher für einen Energieinhalt ausgelegt ist, dessen Wert in einem Bereich von 250 Wh bis 2,5 kWh liegt. Weiter ist dann bevorzugt der zweite Energiespeicher für einen Energieinhalt ausgelegt ist, dessen Wert in einem Bereich von 250 Wh bis 2,5 kWh liegt.
  • Das zuvor genannte Hochvolt-Bordnetz ist in vielen Anwendungsfällen außerdem Teil eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs, welches zusätzlich zu dem Hochvolt-Bordnetz einen weiteren Teil aufweist, nämlich ein Niedervolt-Bordnetz. Hierbei ist dann das Niedervolt-Bordnetz typischerweise für eine Betriebsspannung von etwa 12 V ausgelegt und zweckdienlicherweise weist ein solches Niedervolt-Bordnetz einen Niedervolt-Energiespeicher als einen dritten Energiespeicher auf. Der entsprechende Niedervolt-Energiespeicher dient dann typischerweise als sogenannte Starterbatterie.
  • Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen sind sinngemäß auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der schematischen Zeichnungen. Darin zeigen:
    • 1 in einem ersten vereinfachten Blockschaltbild ein Kraftfahrzeug mit einem Bordnetz, und
    • 2 in einem zweiten vereinfachten Blockschaltbild das Bordnetz.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes Kraftfahrzeug 2 ist in 1 in einem stark vereinfachten Blockschaltbild dargestellt. Es ist als Hybridfahrzeug ausgebildet und weist zwei Traktions-Motoren auf, nämlich einen ersten Traktions-Motor und einen zweiten Traktions-Motor. Dabei ist der erste Traktions-Motor als Verbrennungsmotor 4 ausgebildet und der zweite Traktions-Motor als Elektromotor 6.
  • Dem Elektromotor 6 sind weiter zwei Energiespeicher 8,10 beigeordnet, nämlich ein erster Energiespeicher 8 sowie ein zweiter Energiespeicher 10. Hierbei sind die beiden Energiespeicher 8,10 im Ausführungsbeispiel durch gleichartig ausgestaltete Batterien ausgebildet. Diese weisen beide im Wesentlichen dieselbe Kapazität auf und sind beide für eine Nennspannung von 48 V ausgebildet.
  • Die beiden Energiespeicher 8,10 und der Elektromotor 6 sind im Ausführungsbeispiel Teil eines Hochvolt-Bordnetzes 12 (HV-Bordnetz), welches zusammen mit einem Niedervolt-Bordnetz 14 (NV-Bordnetz) ein Bordnetz 16 des Kraftfahrzeugs 2 ausbildet. Das Bordnetz 16 des Kraftfahrzeugs 2 ist in 2 in einem etwas detaillierteren Blockschaltbild skizziert. Daraus ist zu entnehmen, dass das Hochvolt-Bordnetz 12 und das Niedervolt-Bordnetz 14 im Ausführungsbeispiel über einen Gleichspannungswandler 18 (DC/DC) miteinander verbunden sind.
  • Das Niedervolt-Bordnetz 14 ist im Ausführungsbeispiel für eine Betriebsspannung von 12 V ausgelegt und weist eine sogenannte Starterbatterie 20 sowie eine Anzahl Niedervolt-Verbraucher 22 auf. In 2 ist dabei der Einfachheit halber lediglich ein solcher Niedervolt-Verbraucher 22 dargestellt.
  • Das Hochvolt-Bordnetz 14 ist im Ausführungsbeispiel für eine Betriebsspannung von 48 V ausgelegt und weist zusätzlich zum Elektromotor 6 und den beiden Energiespeichern 8,10 einen Anzahl Hochvolt-Verbraucher 24 auf. In 2 ist dabei wiederum der Einfachheit halber lediglich ein solcher Hochvolt-Verbraucher 22 dargestellt. Außerdem weist das Hochvolt-Bordnetz 14 im Ausführungsbeispiel zwei ansteuerbare Schalter S8,S10 auf. Hierbei ist der erste Energiespeicher 8 über den ersten ansteuerbaren Schalter S8 mit dem übrigen Hochvolt-Bordnetz 14 verbunden und der zweite Energiespeicher 10 ist über den zweiten ansteuerbaren Schalter S10 mit dem übrigen Hochvolt-Bordnetz 14 verbunden.
  • Teil des Bordnetzes 16 des Kraftfahrzeugs 2 ist außerdem eine Steuereinrichtung 26. Diese umfasst im Ausführungsbeispiel eine zentrale Steuereinheit 28 sowie mehrere durch die zentrale Steuereinheit 28 ansteuerbare elektronische Kontrolleinheiten 30 (ECU). Dabei ist eine der Kontrolleinheiten 30 der Starterbatterie 20 beigeordnet, eine dem Gleichspannungswandler 18, eine der Anzahl Hochvolt-Verbraucher 24, eine dem Elektromotor 6 und dessen Leistungselektronik 32, eine dem ersten Energiespeicher 8 und dem ersten ansteuerbaren Schalter S8 und eine ist dem zweiten Energiespeicher 10 und dem zweiten ansteuerbaren Schalter S10 beigeordnet.
  • Mit Hilfe dieser Steuereinrichtung 26 wird im Kraftfahrzeug 2 ein Energiemanagement-Konzept umgesetzt. Dazu werden bevorzugt eine oder mehrere der nachfolgenden Größen ermittelt:
    • IBat,NV: Strom am Anschluss der Starterbatterie 20
    • UBat,NV: Spannung am Anschluss der Starterbatterie 20
    • IDC/DC,NV: Strom am ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers 18 (Niedervoltseite)
    • UDC/DC,NV: Spannung am ersten Anschluss des Gleichspannungswandlers 18 (Niedervoltseite)
    • IDC/DC,HV: Strom am zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers 18 (Hochvoltseite)
    • UDC/DC,HV: Spannung am zweiten Anschluss des Gleichspannungswandlers 18 (Hochvoltseite)
    • IBat,1: Strom am Anschluss des ersten Energiespeichers 8
    • UBat,1: Spannung am Anschluss des ersten Energiespeichers 8
    • IBat,2: Strom am Anschluss des zweiten Energiespeichers 10
    • UBat,2: Spannung am Anschluss des zweiten Energiespeichers 10
    • IEM: Strom am Anschluss des Elektromotors 6
    • DEM: Spannung am Anschluss des Elektromotors 6
  • Das Energiemanagement-Konzept sieht dabei vor, zwischen einem Kalt-Betrieb und einem Warmbetrieb zu differenzieren. Warm-Betrieb und Kalt-Betrieb sind dabei im Ausführungsbeispiel durch eine vorgegebene Betriebstemperatur für eine Baueinheit des Kraftfahrzeugs 2 festgelegt. Bei dieser Baueinheit handelt es sich um einen elektrisch heizbaren Katalysator, der einen der Hochvolt-Verbraucher 24 im Hochvolt-Bordnetz 12 ausbildet. In der Steuereinrichtung 26 ist daher ein Temperaturgrenzwert hinterlegt und es wird mittels eines nicht explizit dargestellten Temperatursensors die aktuelle Temperatur des elektrisch heizbaren Katalysators ermittelt. Liegt die aktuelle Temperatur unter dem Temperaturgrenzwert liegt ein Kalt-Betrieb vor, sofern das Kraftfahrzeug 2 im Betrieb ist. Ansonsten liegt ein Warm-Betrieb vor, sofern das Kraftfahrzeug 2 im Betrieb ist.
  • Davon ausgehend sieht das Energiemanagement-Konzept nun vor, dass eine gewisse Menge an Energie für den Kalt-Betrieb vorgehalten wird. Diese Energie wird in einem ersten Betriebsmodus im zweiten Energiespeicher 10 vorgehalten. Im Kalt-Betrieb wird diese Energie dann genutzt, um den elektrisch heizbaren Katalysator zu versorgen und so den Katalysator auf Betriebstemperatur zu bringen.
  • Der erste Energiespeicher 8 wird dagegen im ersten Betriebsmodus nicht im Kalt-Betrieb genutzt. Stattdessen wird dieser im Warm-Betrieb genutzt, um im zeitlichen Mittel eine Kraftstoffeinsparung nach an sich bekanntem Prinzip zu erzielen. D. h., dass im ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher 8 genutzt wird, um eine Hybridfahrweise für das Kraftfahrzeug 2 zu realisieren, also um zum Beispiel das sogenannte Rekuperieren beim Bremsen, die sogenannte Lastpunktanhebung, die sogenannte Lastpunktabsenkung, und/oder den sogenannte rein elektrischen Fahrbetrieb zu realisieren.
  • Da bei einer derartigen Nutzung die beiden Energiespeicher 8,10 unterschiedlich schnell altern oder verschleißen würden, ist die Steuereinrichtung 26 eingerichtet, automatisch zwischen dem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus zu wechseln. Im zweiten Betriebsmodus sind dabei die Rollen der beiden Energiespeicher 8,10 vertauscht, so dass durch wiederholtes Wechseln zwischen den Betriebsmodi im zeitlichen Mittel eine gleichmäßige Alterung bei beiden Energiespeichern 8,10 erzielt wird. Der Wechsel erfolgt dabei zum Beispiel alle 200 km, alle 500 km, alle 1000 km oder alle 2000 km.
  • In vorteilafter Weiterbildung ist Steuereinrichtung 26 zudem eingerichtet, im ersten Betriebsmodus eine Steuerung im Kraftfahrzeug 2 zu realisieren, welche nachfolgen näher ausgeführt ist.
  • Wird das Kraftfahrzeug 2 außer Betrieb genommen, so werden alle noch angebundenen Energiespeicher 8,10 durch Ansteuerung der jeweiligen Schalter S8,S10 vom übrigen Hochvolt-Bordnetz 12 abgetrennt. Beide Schalter S8,S10 sind dann also geöffnet. In der Folge sinkt die Spannung im Hochvolt-Bordnetz 12 zunehmend, wobei die Spannung nach einer gewissen Zeitdauer typischerweise bis auf 0 V absinkt.
  • Wird das Kraftfahrzeug 2 wieder in Betrieb genommen, so wird das Hochvolt-Bordnetz 12 zunächst mittels der Starterbatterie 20 vorgeladen und zwar zweckdienlicherweise auf die aktuelle Batteriespannung des zweiten Energiespeichers 10. Nachfolgend wird der Kalt-Betrieb gestartet, indem der zweite Energiespeicher 10 durch Ansteuerung des zweiten Schalters S10 an das Hochvolt-Bordnetz 12 angebunden wird. D. h., dass der zweite Schalter S10 geschlossen wird. Aufgrund der Vorladung des Hochvolt-Bordnetzes 12 erfolgt die Schaltung dabei lastfrei.
  • Über den zweiten Energiespeicher 10 wird dann in der Folge der zuvor genannte elektrisch heizbare Katalysator versorgt und auf diese Weise aufgeheizt, bis dessen Betriebstemperatur, also der zuvor genannte Temperaturgrenzwert, erreicht ist. Infolge der Nutzung des zweiten Energiespeichers 10 als Energiequelle entlädt sich der zweite Energiespeicher 10 während des Kalt-Betriebs zunehmend. Während dieser Zeit gibt der zweite Energiespeicher 10 die Betriebsspannung des Hochvolt-Bordnetz 12 vor.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante wird dabei lediglich der elektrisch heizbare Katalysator im Kalt-Betrieb versorgt. Sind also weitere Hochvolt-Verbraucher vorhanden, so werden diese bevorzugt für die Dauer des Kalt-Betriebs gesperrt, sodass für diese keine Energie vom zweiten Energiespeicher 10 zur Verfügung gestellt werden muss.
  • Hat der elektrisch heizbare Katalysator den vorgegebenen Temperaturgrenzwert erreicht, so endet der Kalt-Betrieb und der Warm-Betrieb startet. In der Folge wird zunächst der Ladezustand der beiden Energiespeicher 8,10 angeglichen, indem der zweite Energiespeicher 10 entweder weiter entladen oder zumindest teilweise wieder aufgeladen wird. Dies geschieht durch Nutzung des Elektromotors 6, wobei als Führungsgröße entweder die Batteriespannungen der beiden Energiespeicher 8,10 oder deren Ladezustände (SOC: State Of Charge) ermittelt werden. Nach dem Erreichen der Angleichung wird der erste Energiespeicher 8 durch Ansteuerung des ersten Schalters S8 zum übrigen Hochvolt-Bordnetz 12 zugeschaltet. Aufgrund der Angleichung erfolgt die Schaltung dabei lastfrei.
  • Im Anschluss daran werden die beiden Energiespeicher 8,10 gemeinsam aufgeladen und zwar insbesondere bis diese vollgeladen sind, also bis zum Erreichen der vorgegebenen Höchstladung. Daraufhin wird der zweite Energiespeicher 10 durch Ansteuerung des zweiten Schalters S10 wieder vom übrigen Hochvolt-Bordnetz 12 getrennt, so dass für den Rest des laufenden Warm-Betriebs lediglich der erste Energiespeicher 8 zur Verfügung steht.
  • Wird das Kraftfahrzeug 2 dann wieder außer Betrieb genommen, so wird auch der erste Energiespeicher 8 vom übrigen Hochvolt-Bordnetz 12 getrennt, indem der erste Schalter S8 angesteuert und somit geöffnet wird.
  • Im zweiten Betriebsmodus erfolgt dann eine analoge Steuerung durch die Steuereinrichtung 26, wobei die Rollen der beiden Energiespeicher 8,10 vertauscht sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Kraftfahrzeug
    4
    Verbrennungsmotor
    6
    Elektromotor
    8
    erster Energiespeicher
    10
    zweiter Energiespeicher
    12
    Hochvolt-Bordnetz
    14
    Niedervolt-Bordnetz
    16
    Bordnetz
    18
    Gleichspannungswandler
    20
    Starterbatterie
    22
    Niedervolt-Verbraucher
    24
    Hochvolt-Verbraucher
    26
    Steuereinrichtung
    28
    zentrale Steuereinheit
    30
    elektronische Kontrolleinheit
    32
    Leistungselektronik
    S8
    erster Schalter
    S10
    zweiter Schalter

Claims (10)

  1. Kraftfahrzeug (2) aufweisend - einen ersten Traktions-Motor (4), welcher als Verbrennungsmotor (4) ausgebildet ist, - einen zweiten Traktions-Motor (6), welcher als Elektromotor (6) ausgebildet ist und - einen ersten (8) sowie einen zweiten (10) Energiespeicher, wobei der erste (8) und der zweite (10) Energiespeicher räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, und eingerichtet derart, dass in einem ersten Betriebsmodus - der erste Energiespeicher (8) im Warm-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist, - der zweite Energiespeicher (10) im Kalt-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist und - der zweite Energiespeicher (10) im Warm-Betrieb als Energiequelle nicht nutzbar ist.
  2. Kraftfahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei dieses derart eingerichtet ist, dass in einem zweiten Betriebsmodus - der zweite Energiespeicher (10) im Warm-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist, - der erste Energiespeicher (8) im Kalt-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist und - der erste Energiespeicher (8) im Warm-Betrieb als Energiequelle nicht nutzbar ist.
  3. Kraftfahrzeug (2) nach Anspruch 2, wobei dieses derart eingerichtet ist, dass zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus automatisch gewechselt wird, um eine Alterung des ersten Energiespeichers (8) an eine Alterung des zweiten Energiespeichers (10) anzugleichen.
  4. Kraftfahrzeug (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei dieses derart eingerichtet ist, dass in dem ersten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher (10) im Kalt-Betrieb als Energiequelle nutzbar ist zur Versorgung eines elektrisch beheizbaren Katalysators (24).
  5. Kraftfahrzeug (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei dieses ein Hochvolt-Bordnetz (12) aufweist, wobei der erste Energiespeicher (8) über eine erste Schalteinrichtung (S8) vom Hochvolt-Bordnetz (12) abtrennbar ist und wobei der zweite Energiespeicher (10) über eine zweite Schalteinrichtung (S10) vom Hochvolt-Bordnetz (12) abtrennbar ist.
  6. Kraftfahrzeug (2) nach Anspruch 5, wobei dieses derart eingerichtet ist, dass in dem ersten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher (10) im Warm-Betrieb durch Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtung (S10) automatisch vom Hochvolt-Bordnetz (12) abgetrennt wird.
  7. Kraftfahrzeug (2) nach Anspruch 5 oder 6, wobei dieses ein Bordnetz (16) aufweist, wobei das Hochvolt-Bordnetz (12), der erste Energiespeicher (8) und der zweite Energiespeicher (10) Teil des Bornetzes (16) sind und wobei im Bordnetz (16) lediglich die erste Schalteinrichtung (S8) sowie die zweite Schalteinrichtung (S10) zwischen den ersten Energiespeicher (8) und den zweiten Energiespeicher (10) zwischengeschaltet sind.
  8. Kraftfahrzeug (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der erste Energiespeicher (8) für eine erste Nennspannung ausgelegt ist, deren Wert in einem Bereich von 25 V bis 60 V liegt, und wobei der zweite Energiespeicher (10) für eine zweite Nennspannung ausgelegt ist, deren Wert in einem Bereich von 25 V bis 60 V liegt.
  9. Kraftfahrzeug (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Energiespeicher (8) für eine erste maximale Leistung ausgelegt ist, deren Wert in einem Bereich von 0,5 kW bis 2,5 kW liegt, und wobei der zweite Energiespeicher (10) für eine zweite maximale Leistung ausgelegt ist, deren Wert in einem Bereich von 0,5 kW bis 2,5 kW liegt.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs (2), wobei - das Kraftfahrzeug (2) einen ersten Traktions-Motor (4) aufweist, welcher als Verbrennungsmotor (4) ausgebildet ist, - das Kraftfahrzeug (2) einen zweiten Traktions-Motor (6) aufweist, welcher als Elektromotor (6) ausgebildet ist, - das Kraftfahrzeug (2) einen ersten (8) sowie einen zweiten (10) Energiespeicher aufweist, - der erste (8) und der zweite (10) Energiespeicher räumlich voneinander getrennt angeordnet sind, - in einem ersten Betriebsmodus der erste Energiespeicher (8) im Warm-Betrieb zumindest zeitweise als Energiequelle genutzt wird, - in dem ersten Betriebsmodus der zweite Energiespeicher (10) im Kalt-Betrieb zumindest zeitweise als Energiequelle genutzt wird und - in dem ersten Betriebsmodus auf eine Nutzung des zweiten Energiespeichers (10) als Energiequelle im Warm-Betrieb verzichtet wird.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040130214A1 (en) 2003-01-06 2004-07-08 Murty Balarama Vempaty Dual voltage architecture for automotive electrical systems
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