DE10231379B3

DE10231379B3 - Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10231379B3
Application number: DE10231379A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. Bosch; Horst Dr. Brinkmeyer; Anton Dipl.-Ing. Heni; Roland Dipl.-Ing. Kemmler; Roland Dipl.-Ing. Krauss; Dietrich Dr. Sahm; Hans-Christoph Dr. Wolf
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: US8097975B2; US20080220932A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Starten eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug, wobei dem Verbrennungsmotor eine elektrische Maschine (1) zugeordnet ist, welche als Starter/Generator betrieben wird. Die elektrische Maschine (1) wird beim Starten mit einer Spannung versorgt, welche sich aus der Addition oder der Subtraktion der an einem ersten und der an einem zweiten Energiespeicher (3, 4) anliegenden Spannungen ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems mit einem Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug.
Bei Kraftfahrzeugen mit einer Bordnetzspannung von 14 V werden Anlasser eingesetzt, um das Starten des Verbrennungsmotors zu bewirken. Zusätzlich sind Generatoren im Fahrzeug vorgesehen, welche unter anderem insbesondere der sogenannten Rekuperation von beispielsweise Bremsenergie dienen. Sowohl beim Anlasser als auch beim Generator handelt es sich um elektrische Maschinen. Die Einführung des sogenannten Start/Stopp-Betriebs und die Nutzung der rekuperierten Energie kann zu einer nachhaltigen Einsparung von Kraftstoff führen. Insbesondere der Start/Stopp-Betrieb läßt sich jedoch mit heutigen Serienanlassern und deren mechanischer Einbindungen an einen Antriebsstrang wegen Komfort – und Lebensdauerproblemen nicht darstellen. Die mechanische Einbindung in einen Antriebsstrang erfolgt durch Einrücken bzw. mittels eines trockenen Getriebes. Die Komponenten Anlasser und Generator können jeweils auf ihre eigentliche Funktion hin optimiert werden.
Soll bei einem Bordnetz nur eine elektrische Maschine sowohl für den Starterbetrieb als auch für den Generatorbetrieb eingesetzt werden, so treten Schwierigkeiten dahingehend auf, dass einerseits für den Verbrennungsmotor das notwendige Startmoment dargestellt werden muss, andererseits im gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors ausreichend Generatorleistung mit gutem Wirkungsgrad bereitgestellt werden soll. Da diese elektrische Maschine folglich ständig mit der Kurbelwelle bzw. Antriebswelle verbunden sein muss, ist bei ihrer Auslegung die Wahl einer großen mechanischen Übersetzung zur Darstellung des Startmoments durch ihre Schleuderdrehzahl auf einen viel kleineren Wert begrenzt, als dies bei den heutigen, ausrückbaren Serienanlassern der Fall ist. Diese Schwierigkeiten werden noch dadurch verstärkt, dass die als Starter/Generator betriebene elektrische Maschine und die Architektur des Bordnetzes aus Gründen der Vermeidung von Bauvarianten in allen Motorisierungen einer Baureihe vorzugsweise unverändert zum Einsatz kommen soll. Verantwortlich für diese Problematik ist die üblicherweise eingesetzte Bordnetzbatterie bzw. der Bordnetzenergiespeicher, welcher die elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt und dessen Klemmenleistung oftmals zu gering für einen Start mittels Starter/Generator, insbesondere in 14 V-Bordnetzen, ist.

Aus der EP 0 876 554 B1 ist ein Starter/Generator für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bekannt, welcher eine elektrische Drehfeldmaschine, die die Starter- und Generatorfunktion ausübt, und einen Wechselrichter aufweist. Der Wechselrichter ist mit einem Zwischenkreis versehen, der ein gegenüber einem Bordnetz erhöhtes Spannungsniveau hat. Der Zwischenkreis ist mit einem Energiespeicher zum Speichern von Energie für den Starterbetrieb ausgerüstet. Die Energieentnahme aus dem Zwischenkreis im Startbetrieb der elektrischen Maschine und die Energieeinspeisung in den Zwischenkreis im Generatorbetrieb erfolgen auf dem erhöhten Spannungsniveau. Das erhöhte Spannungsniveau liegt vorzugsweise bei 350 V.

Im Bordnetz ist als weiterer Energiespeicher eine Fahrzeugbatterie vorgesehen.

Die Offenlegungsschrift DE 41 35 025 A1 beschreibt ein Anlassersystem zum Anlassen einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Anlassermotor, einem ersten als Kondensator ausgeführten Energiespeicher und einem zweiten als Batterie ausgeführten Energiespeicher. Zusätzlich ist ein elektrischer Generator zum Aufladen der Batterie vorgesehen. In einem ersten Zustand wird der Kondensator mit der Batterie aufgeladen, wobei die positiven Pole von Kondensator und Batterie miteinander verbunden sind. In einem zweiten Zustand wird elektrische Energie von dem Kondensator an den elektrischen Anlassermotor übertragen.

Die Offenlegungsschrift DE 199 10 330 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung einer Starteinrichtung in einem Kraftfahrzeug mit einer als Anlasser und als Generator fungierenden elektrischen Maschine, einem 12 V-Bordnetz mit einer 12 V-Batterie und einem 42 V-Bordnetz mit einer 36 V-Batterie. Zwischen dem 42 V-Bordnetz und dem 12 V-Bordnetz ist ein DC/DC-Wandler vorgesehen.

Aus der Offenlegungsschrift DE 199 03 427 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer an der Kurbelwelle angeordneten, als Starter/Generator betriebenen elektrischen Maschine bekannt. Die elektrische Maschine wird über einen Pulswechselrichter angesteuert, der mit einem Startenergiespeicher, insbesondere einem Kondensator, verbunden ist. Der positive Pol des Startenergiespeichers kann über einen DC/DC-Wandler mit dem positiven Pol einer Bordnetzbatterie verbunden werden. Die negativen Pole der Energiespeicher liegen auf Masse.

Die Offenlegungsschrift DE 37 17 716 A1 beschreibt ein Kraftfahrzeugbordnetz mit zwei Betriebsspannungen, wobei die Betriebsspannungen von je einem Energiespeicher gestützt werden. Die zwei Energiespeicher sind in Reihe geschaltet, wobei ein Pluspol des einen Energiespeichers mit einem Minuspol des anderen Energiespeichers verbunden ist. Das Bordnetz wird von einer Lichtmaschine/einem Generator versorgt, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine zu schaffen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebssystems zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein erster Energiespeicher und ein zweiter Energiespeicher, welcher vorzugsweise einer Bordnetzbatterie entspricht, derart miteinander verschaltet sind, dass beim Starten der elektrischen Maschine eine elektrische Spannung zur Verfügung gestellt wird, welche über der Bordnetzspannung liegt.

Der erste Energiespeicher kann als Hochleistungsspeicher mit geringem Energieinhalt ausgeführt sein, welcher alleine oder zusammen mit dem zweiten Energiespeicher einen höheren Strom liefert als der zweite Energiespeicher alleine.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die erforderliche Startleistung, insbesondere die erforderliche Kaltstartleistung, bzw. die der elektrischen Maschine beim Startvorgang zur Verfügung gestellte elektrische Spannung bzw. der zur Verfügung gestellte elektrische Strom beliebig skalierbar ist. Diese Skalierbarkeit der Startleistung ermöglicht den Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebssystems in unterschiedlichen Motorisierungen einer Fahrzeugbaureihe.

Durch den Einsatz von zwei Energiespeichern bzw. Leistungsspeichern ergibt sich ein hohes Rekuperationspotenzial. Weiterhin ist durch den Einsatz zweier Energiespeicher die Zyklenbelastung der einzelnen Energiespeicher, insbesondere des Bordnetz energiespeichers bzw. der Bordnetzbatterie, gering. Der Einsatz der Erfindung führt zum erforderlichen Fahrkomfort bei Start/Stopp-Betrieb und zu einer erhöhten Lebensdauer der beteiligten Komponenten. Die Realisierung eines stabilisierten Bordnetzes ist bei Start/Stopp-Betrieb und Rekuperation möglich.

Insbesondere gegenüber einer Kombination eines Starter/Generator-Systems mit einem Zweispannungsbordnetz mit den Nennspannungen 14 V und 42 V im Vergleich zu einem Bordnetz mit einer Nennspannung von 14 V, zeichnet sich die Erfindung durch erheblich niedrigere Kosten bei der Realisierung aus.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Wechselrichter und einem ersten und einem zweiten Energiespeicher,
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Wechselrichter, Schalteinheiten und einem ersten und einem zweiten Energiespeicher,
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Wechselrichter, einer Schalteinheit und einem ersten und einem zweiten Energiespeichers,
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Wechselrichter, einer Schalteinheit, eine gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel zusätzliche Schalteinheit und einem ersten und einem zweiten Energiespeicher,
5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Wechselrichter, einer Schalteinheit und einem ersten und einem zweiten Energiespeicher und
6 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer elektrischen Maschine mit einem Wechselrichter, einer Schalteinheit, eine gegenüber dem vierten Ausführungsbeispiel zusätzliche Schalteinheit und einem ersten und einem zweiten Energiespeicher.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 1, eines Wechselrichters 2 und eines ersten Energiespeichers 3 und eines zweiten Energiespeichers 4. Die Darstellung in 1 gehört zum Stand der Technik. Bei der elektrischen Maschine 1 handelt es sich vorzugsweise um eine elektrische Drehstrommaschine, beispielsweise eine Synchronmaschine oder eine Transversalflussmaschine, welche als Starter/Generator für einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs betreibbar und einsetzbar ist. Jede, nicht dargestellte Phase der elektrischen Maschine 1 ist über eine nicht näher bezeichnete Leitung mit dem Wechselrichter 2 verbunden. Der Wechselrichter 2 enthält Schaltelemente, insbesondere Halbleiter wie beispielsweise sogenannte IGBTs und/oder MOSFETs. Jeder Phase ist vorzugsweise eine nicht dargestellte Halbbrückenanordnung bestehend aus zwei Schaltelementen mit antiparallel geschalteten Gleichrichterelementen beziehungsweise Freilaufdioden zugeordnet. Unter einem Wechselrichter 2 kann auch eine Leistungselektronik, ein Stromrichter oder ein Umrichter verstanden werden. An den Wechselrichter 2 ist über zwei nicht näher gekennzeichnete Leitungen ein erster Energiespeicher 3 angeschlossen. Über eine weitere nicht näher gekennzeichnete Leitung ist der Wechselrichter 2 mit einem zweiten Energiespeicher 4 verbunden. Über diese nicht näher gekennzeichnete Leitung kann vorzugsweise parallel zu dem zweiten Energiespeicher 4 ein Bordnetz an den Wechselrichter 2 angeschlossen sein. Dies ist durch die gepunktete Linie in der 1 angedeutet. Unter einem Energiespeicher wird auch ein Leistungsspeicher verstanden.
Als erster Energiespeicher 3 wird vorzugsweise ein sogenannter Superkondensator, auch SuperCap bzw. UltraCap genannt, eingesetzt. Alternativ kann auch eine Batterie oder eine Kombination aus einem Superkondensator und einer Batterie eingesetzt werden. Als zweiter Energiespeicher 4 wird vorzugsweise eine Batterie, insbesondere eine Fahrzeugbatterie, eingesetzt. Alternativ kann ein Superkondensator oder eine Kombination aus Batterie und Superkondensator verwendet werden. Vorzugsweise ist die Nennspannung des Bordnetzes 14 V und die Nennspannung des zweiten Energiespeichers 4 12 V.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten, bereits im Stand der Technik offenbarten Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, eines Wechselrichters 2, eine Schalteinheit 10 und eines ersten Energiespeichers 3 und eines zweiten Energiespeichers 4. 2 stellt eine konkrete Ausführungsform der 1 dar. Funktionell gleiche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in der 1 versehen. Die nicht dargestellten Phasen der elektrischen Maschine 1, welche als Starter/Generator für einen nicht dargestellten Verbren nungsmotor eines Kraftfahrzeugs betreibbar und verwendbar ist, sind über nicht näher bezeichnete Leitungen mit dem Wechselrichter 2 verbunden. Der Wechselrichter 2 liegt über eine nicht näher bezeichnete Leitung auf Masse 9. Die Masse 9 wird vorzugsweise durch eine Fahrzeugkarosserie gebildet. Weiterhin ist der Wechselrichter 2 über eine Leitung 7 mit einem ersten, nicht näher bezeichneten Pol des ersten Energiespeichers 3 verbunden. Der zweite, nicht näher bezeichnete Pol des ersten Energiespeichers 3 liegt an Masse 9 an. Der Wechselrichter 2 ist über eine Leitung 6 mit einem ersten, nicht näher bezeichneten Pol des zweiten Energiespeichers 4 verbunden. Der zweite, nicht näher gekennzeichnete Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt auf Masse 9. Der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 ist über eine Leitung 8 mit dem ersten, nicht näher bezeichneten Pol des zweiten Energiespeichers 4 verbunden. In der Leitung 8 ist ein vorzugsweise bidirektionaler DC/DC- Wandler 12 angeordnet. Der erste Energiespeicher 3 und der zweite Energiespeicher 4 sind parallel geschaltet. An die Leitung 6 beziehungsweise an den ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 ist über eine nicht näher bezeichnete Leitung ein Bordnetz 5 angeschlossen. In dem Bordnetz 5 sind beispielsweise elektrische Verbraucher wie Lüfter, Scheibenwischermotor, Steuergeräte, Leuchten bzw. Glühbirnen angeordnet.
In der Leitung 6 ist zwischen dem Wechselrichter 2 und dem zweiten Energiespeicher 4 eine Schalteinheit 10 vorgesehen. In der Leitung 7 ist zwischen dem Wechselrichter 2 und dem ersten Energiespeicher 3 ebenfalls eine Schalteinheit 10 vorgesehen. Die Schalteinheiten 10 bestehen vorzugsweise aus zwei nicht näher bezeichneten Schaltelementen, welchen ggf. sogenannte, nicht näher bezeichnete Reversedioden zugeordnet sein können. Die Schaltelemente der Schalteinheit 10 können über eine Steuereinheit 11 angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt über nicht näher bezeichnete Leitungen.
Beim Startvorgang bzw. bei der Antriebsunterstützung für den Verbrennungsmotor kann die Energieversorgung der elektrischen Maschine 1 entweder nur durch den ersten Energiespeicher 3 oder nur durch den zweiten Energiespeicher 4 oder durch beide Energiespeicher 3, 4 erfolgen. Die Steuerung/Regelung, welcher der Energiespeicher 3, 4 für die Versorgung der elektrischen Maschine 1 herangezogen wird, erfolgt durch die Steuereinheit 11 und die Schalteinheiten 10. Entsprechend erfolgt die Rekuperation bzw. die Rückgewinnung und Speicherung von elektrischer Energie aus beispielsweise der Bremsenergie eines Kraftfahrzeugs durch Speicherung der Energie in dem ersten Energiespeicher 3 oder durch Speicherung der Energie in dem zweiten Energiespeicher 4 oder durch Speicherung der Energie in beiden Energiespeichern 3 und 4. Über die Leitung 6 kann die rückgewonnene elektrische Energie auch direkt ins Bordnetz 5 eingespeist werden. Diese direkte Einspeisung ins Bordnetz 5 kann parallel zur Aufladung des zweiten Energiespeichers 4 erfolgen. Das Bordnetz 5 kann auch aus dem ersten Energiespeicher 3 und/oder dem zweiten Energiespeicher 4 versorgt werden, wenn diese über eine entsprechende Lademenge verfügen. Insbesondere nach längerem Fahrzeugstillstand kann ein Aufladung des ersten Energiespeichers 3, bei dem es sich vorzugsweise um einen Superkondensator bzw. einen SuperCap/UltraCap handelt, erforderlich sein. Diese Aufladung kann mittels der zweiten Batterie 4 oder mittels Rekuperation durch zurückgewonnene Energie erfolgen.
Der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 liegt vorzugsweise auf einem Potenzial, welches zwischen 8 und 20 V liegt. Der erste Energiespeicher 3 hat vorzugsweise eine Nennspannung von 20 V. Der erste Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt vorzugsweise auf einem Potenzial von 14 V. Der zweite Energiespeicher 4 hat vorzugsweise eine Nennspannung von 12 V.
In der 3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, eines Wechselrichters 2, einer Schalteinheit 13 und eines ersten Energiespeichers 3 und eines zweiten Energiespeichers 4 dargestellt. In der in der 3 dargestellten Ausführungsform sind der erste Energiespeicher 3 und der zweite Energiespeicher 4 in Serie geschaltet. Funktionell gleichwirkende Komponenten wie in den vorhergehenden Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die nicht dargestellten Phasen einer elektrischen Maschine 1 sind über nicht näher bezeichnete Leitungen mit dem Wechselrichter 2 verbunden, welcher über eine nicht näher bezeichnete Leitung auf Masse 9 liegt. Über eine Leitung 7 ist ein erster, nicht näher bezeichneter Pol eines ersten Energiespeichers 3 an den Wechselrichter 2 angeschlossen. Über eine Leitung 6 ist ein erster nicht näher bezeichneter Pol eines zweiten Energiespeichers 4 an den Wechselrichter 2 angeschlossen. Der zweite, nicht näher bezeichnete Pol des ersten Energiespeichers 3 ist an die Leitung 6 angeschlossenen und somit mit dem ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 verbunden. Der zweite, nicht näher bezeichnete Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt auf Masse 9. Der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 ist über eine Leitung 8, in welcher ein DC/DC-Wandler angeordnet ist, mit der Leitung 6 bzw. mit dem ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 verbunden. An die Leitung 6 beziehungsweise an den ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 ist eine weitere nicht näher gekennzeichnete Leitung angeschlossen, welche eine Verbindung zu einem Bordnetz repräsentiert. Die Verbindung zum Bordnetz ist durch eine gepunktete Linie dargestellt.
Zwischen dem Wechselrichter 2 und den Energiespeichern 3, 4 ist eine Schalteinheit 13 angeordnet. Diese Schalteinheit enthält vorzugsweise zwei nicht näher bezeichnete Schaltelemente, beispielsweise Halbleiterschalter, denen nicht näher bezeichnete Reversedioden zugeordnet sein können. Die Schaltelemente der Schalteinheit 13 werden über eine nicht dargestellte Steuereinheit 11 angesteuert. Das eine Schaltelement der Schalteinheit 13 ist in der Leitung 7 zwischen Wechselrichter 2 und erstem Energiespeicher 3 angeordnet. Das zweite Schaltelement der Schalteinheit 13 ist in der Leitung 6 zwischen dem Wechselrich ter 2 und dem zweiten Energiespeicher 4 angeordnet. Die Schaltelemente der Schalteinheit 13 dienen der Steuerung der Stromflüsse über die Energiespeicher 3, 4.
Beim Starten, insbesondere beim Kaltstart, und bei der Antriebsunterstützung des Verbrennungsmotors, sogenanntes Boosten, erfolgt der Stromfluss vorzugsweise vom Bordnetz bzw. dem zweiten Energiespeicher 4 über den ersten Energiespeicher 3 zur elektrischen Maschine 1. Beim Warmstart kann es dagegen ausreichend sein, die elektrische Energie nur aus dem zweiten Energiespeicher 4 zu beziehen. Rückgewonnene Energie, beispielsweise durch Bremsvorgänge eines Kraftfahrzeugs, kann zur Rekuperation und zur Bordnetzversorgung über die Leitung 7 und den ersten Energiespeicher 3 in das Bordnetz eingespeist werden. Die rückgewonnene Energie kann auch direkt über die Leitung 6 in das Bordnetz gespeist werden, beispielsweise bei vollständig geladenem ersten Energiespeicher 3. Mit der rückgewonnenen Energie kann auch der zweite Energiespeicher 4 geladen werden.
Ist der erste Energiespeicher 3 mit einer gewissen Ladung aufgeladen, beispielsweise durch Rekuperation, so kann das Bordnetz aus dem ersten Energiespeicher 3 mit elektrischer Energie versorgt werden. Ebenso kann das Bordnetz mittels des zweiten Energiespeichers 4 mit elektrischer Energie versorgt werden. Zur Vorbereitung eines Startvorgangs insbesondere eines Kaltstarts kann der erste Energiespeicher 3 durch elektrische Energie des zweiten Energiespeichers 4 aufgeladen werden.
Der zweite Pol des ersten Energiespeichers 3 und der erste Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegen vorzugsweise auf einem Potenzial von 14 V. Der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 liegt vorzugsweise auf einem Potenzial von 14 V + einer Spannung mit dem Wert x V. Diese zusätzliche, additive Spannung x ergibt sich aus der Spannung, die über dem ersten Energiespeicher 3 anliegt. Die Spannung, mit der die elektrische Maschine versorgt werden kann, ergibt sich also aus einer Addition der Spannung, welche über dem ersten Energiespeichers 3 anliegt, zu dem Potential, das am ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 bzw. an dem zweiten Pol des ersten Energiespeichers 3 anliegt.
Der Wert der zusätzlichen Spannung x kann an die konkreten Erfordernisse einer Motorisierung bzw. eines Fahrzeugs innerhalb einer Baureihe angepasst werden. Eine besonders einfach skalierbare Spannung x kann dadurch realisiert werden, dass als erster Energiespeicher 3 mehrere miteinander verschaltete SuperCaps bzw. Superkondensatoren, welche beispielsweise eine Dimensionierung in Schritten von ca. 2,5 V aufweisen, verwendet werden. Die einzelnen SuperCaps sind vorzugsweise in Serie miteinander verschaltet. Zum Erreichen des um x erhöhten Spannungspotenzials ist daher vorteilhafterweise nur ein Minimum an zusätzlichem Speichervolumen zum zweiten Energiespeicher 4 in Form des ersten Energiespeichers 3 erforderlich.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, eines Wechselrichters 2, Schalteinheiten 13 und eines ersten Energiespeichers 3 und eines zweiten Energiespeichers 4. 4 stellt eine Weiterentwicklung der in der 3 dargestellten Ausführungsform dar. Funktionell gleichwirkende Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorangegangenen Figuren versehen. Zusätzlich zu der in der 3 dargestellten Ausführungsform ist eine weitere, zweite Schalteinheit 13 vorgesehen. Die zweite Schalteinheit 13 verbindet die erste Schalteinheit 13 mit Masse 9. Zwischen der ersten und der zweiten Schalteinheit 13 ist eine Verbindung mit dem ersten, nicht näher bezeichneten Pol des zweiten Energiespeichers 4 vorgesehen. Diese Verbindung stellt einen Teil der Leitung 6 dar. Die zweite Schalteinheit 13 weist ebenfalls zwei nicht näher bezeichnete Schaltelemente auf, denen nicht näher bezeichnete Reversedioden zugeordnet sein können. Im Gegensatz zur 3 ist der Wechselrichter 2 nicht direkt mit der Masse 9 verbunden, sondern mit der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Schaltelements der Schalteinheit 13.
Vorteilhafterweise können bei dieser Ausführungsform Startvorgänge und Antriebsunterstützung (Boosten) allein durch den ersten Energiespeicher 3 erfolgen. Ebenso kann Rekuperation bzw. die Speicherung zurückgewonnener Energie allein in den ersten Energiespeicher 3 erfolgen. Startvorgänge, Antriebsunterstützung und Rekuperation müssen nicht mehr zwingend über den zweiten Energiespeicher 4 geführt werden. Dies führt zu einer Verringerung der Zyklenbelastung und somit zu einer Erhöhung der Lebensdauer des zweiten Energiespeichers 4. Dies führt weiterhin zu einer Stabilisierung des Bordnetzes bzw. zu einem stabilisierten Bordnetz. Bei einem Kaltstart wird vorzugsweise der zweite Energiespeicher 4 unterstützend herangezogen.
In den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 liegen ein zweiter Pol des ersten Energiespeichers 3 und ein erster Pol eines zweiten Energiespeichers 4 auf einem gemeinsamen Potenzial. Der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 liegt vorzugsweise auf einem Potenzial, welches gegenüber dem Potenzial am zweiten Pol des ersten Energiespeichers 3 und am ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 erhöht ist. Das Potenzial am zweiten Pol des ersten Energiespeichers 3 und am ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 ist wiederum vorzugsweise gegenüber dem Potenzial am zweiten Pol des zweiten Energiespeichers 4 erhöht. Der zweite Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt vorzugsweise an Masse 9, welche durch die Fahrzeugkarosserie realisiert werden kann.
5 stellt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, eines Wechselrichters 2, einer Schalteinheit 13 und eines ersten Energiespeichers 3 und eines zweiten Energiespeichers 4 dar. Funktionell gleichwirkende Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergegangenen Zeichnungen versehen. Der Unterschied, der in der 5 dargestellten Ausführungsform (und der weiter unten im Text beschriebenen, in der 6 dargestellten Ausführungsform) zu den in den 3 und 4 Ausführungsformen liegt darin, dass der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 nicht mit schwimmendem bzw. mit variierendem Potenzial über dem Potenzial des ersten Pols des zweiten Energiespeichers 4 liegt, wie dies in den Ausführungsformen 3 und 4 der Fall ist. In den 5 und 6 liegt der zweite Pol des ersten Energiespeichers 3 auf einem Potenzial, welches unterhalb des Potenzials liegt, auf dem der zweite Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt.
In der 5 ist eine elektrische Maschine 1, welche als Starter/Generator für einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs betreibbar und einsetzbar ist, über nicht näher gekennzeichnete Leitungen mit einem Wechselrichter 2 verbunden. Der Wechselrichter 2 ist über eine Leitung 6 mit einem ersten, nicht näher bezeichneten Pol eines zweiten Energiespeichers 4 verbunden. Der zweite, nicht näher gekennzeichnete Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt vorzugsweise auf Masse 9. Über eine nicht näher gekennzeichnete Leitung ist der Wechselrichter 2 mit einer Schalteinheit 13 verbunden.
Die Schalteinheit 13 weist zwei nicht näher gekennzeichnete Schaltelemente auf, denen nicht näher bezeichnete Reversedioden zugeordnet sein können. Der Verbindungspunkt des Wechselrichters 2 über eine nicht näher gekennzeichnete Leitung mit der Schalteinheit 13 liegt zwischen den beiden Schaltelementen. Der Pol mit dem niedrigeren Potenzial der Schalteinheit 13 ist vorzugsweise über eine Leitung 7 mit einem zweiten nicht näher gekennzeichneten Pol eines ersten Energiespeichers 3 verbunden. Der Pol der Schalteinheit 13, welcher an einem gegenüber dem anderen Pol höheren Potenzial anliegt, liegt vorzugsweise auf Masse 9. Ein zweiter, nicht näher gekennzeichneter Pol des ersten Energiespeichers 3 liegt ebenfalls vorzugsweise auf Masse 9.
Über eine Leitung 8 ist der zweite Pol des ersten Energiespeichers 3 mit der Leitung 6 bzw. mit dem ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 verbunden. In der Leitung 8 ist ein DC/DC -Wandler 12 angeordnet, welcher über eine nicht näher gekennzeichnete Leitung auf Masse 9 liegt. Die Masse 9 wird vorzugsweise durch eine Fahrzeugkarosserie gebildet.
Der erste Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt vorzugsweise auf einem Potenzial von 14 V. Der zweite Pol des ersten Energiespeichers 3 liegt vorzugsweise auf einem Potenzial von – x V. Insgesamt kann also die elektrische Maschine 1 mit maximal 14 V – (–x) V = 14 V + x V aus dem ersten und aus dem zweiten Energiespeicher 3 und 4 versorgt werden. Die Spannung mit der die elektrische Maschine versorgt werden kann, ergibt sich also aus einer Subtraktion des Potentials, welches am zweiten Pol des ersten Energiespeichers 3 anliegt, von dem Potential, das am ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 anliegt bzw. aus einer Addition des Betrages des Potentials, welches am zweiten Pol des ersten Energiespeichers 3 anliegt, zu dem Potential, das am ersten Pol des zweiten Energiespeichers 4 anliegt.
Die 6 stellt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer elektrischen Maschine 1, eines Wechselrichters 2, Schalteinheiten 13, eines ersten Energiespeichers 3 und eines zweiten Energiespeichers 4 dar. Die Unterschiede der Ausführungsform der 6 gegenüber der Ausführungsform der 5 entsprechen den Unterschieden der Ausführungsform der 4 gegenüber der Ausführungsform der 3. Es ist eine zusätzliche Schalteinheit 13 vorgesehen, welches mit dem Wechselrichter 2 und der Leitung 6 verbunden ist. Die zweite Schalteinheit 13 weist vorzugsweise zwei Schaltelemente auf, denen nicht näher bezeichnete Reversedioden zugeordnet sein können, und zwischen denen eine Leitung vorgesehen ist, welche die Schalteinheit 13 mit dem Wechselrichter 2 verbindet. Der eine Pol der Schalteinheit 13 ist mit der Leitung 6 verbunden. Der andere Pol der Schalteinheit 13, welcher auf niedrigerem Potenzial, vorzugsweise auf Masse 9 liegt, ist mit dem ersten Schaltelement 13 verbunden. Ebenso wie in der 4 können Startvorgänge, Antriebsunterstützungsvorgänge und Rekuperation (wobei diese Aufzählung nicht erschöpfend ist) über den ersten Energiespeicher 3 geführt werden, ohne den zweiten Energiespeicher 4 miteinzubeziehen.
In den in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen liegen ein erster Pol eines ersten Energiespeichers 3 und ein zweiter Pol eines zweiten Energiespeichers auf einem gemeinsamen Potenzial. Der erste Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegt vorzugsweise auf einem Potenzial, welches gegenüber dem Potenzial, auf dem der zweite Pol des zweiten Energiespeichers 4 und der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 liegen, erhöht ist. Der zweite Pol des ersten Energiespeichers 3 liegt vorzugsweise wiederum auf einem Potenzial, welches niedriger ist als das Potenzial auf welchem der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 und der zweite Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegen. Der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 und der zweite Pol des zweiten Energiespeichers 4 liegen vorzugsweise auf Masse 9. Wenn der erste Pol des ersten Energiespeichers 3 an Masse 9 liegt, so liegt der zweite Pol des ersten Energiespeicher 3 auf einem negativen Potenzial.
Die in den Ausführungsformen der 1–6 dargestellten Elektronikeinheiten, gegeben durch den Wechselrichter 2, die Schalteinheiten 10, 13 und den DC/DC-Wandler 12 können in einer Gesamtelektronikeinheit integriert sein. Diese Gesamtelektronikeinheit kann sich in einem Gehäuse befinden. Die in den Schalteinheiten vorgesehenen Schaltelemente bzw. Leistungsweichen, können vorzugsweise durch Halbleiter-Bauelemente, wie IGBTs und/oder MOSFETs realisiert werden. Diese sind vorzugsweise in Halbbrücken verschaltet.
Die beschriebenen Ausführungsformen können nicht nur bei 14 V-Bordnetzen eingesetzt werden, sondern eignen sich auch für die Kombination mit Bordnetzen mit anderen Nennspannungen, wie beispielsweise einem 42 V Bordnetz. Eine entsprechende Bordnetzbatterie beziehungsweise ein entsprechender Energiespeicher 4 ist vorzusehen. Für ein 42 V-Bordnetz sollte der zweite Energiespeicher 4 vorzugsweise eine Nennspannung von 36 V aufweisen.
Die durch die Erfindung bereitgestellte Spannung von 14 + x V beziehungsweise Nennspannung eines Bordnetzes + x V kann als Nennspannung für ein weiteres Bordnetz, welches in ein Fahrzeug integriert werden kann, verwendet werden.
Es sei noch anzumerken, dass anstelle in den Ausführungsbeispielen verwendeten Masse 9 mit einem Potenzial von 0 V ein anderes Potenzial verwendet werden kann.

Claims

Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, wobei – dem Verbrennungsmotor eine elektrische Maschine (1) zugeordnet ist, welche als Starter/Generator betreibbar ist, – die elektrische Maschine (1) von einem Wechselrichter (2) ansteuerbar ist, welcher mit einem ersten Energiespeicher (3) verbunden ist, – das Kraftfahrzeug ein elektrisches Bordnetz (5), welches mit einem zweiten Energiespeicher (4) verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein DC/DC-Wandler (12) parallel zu dem ersten Energiespeicher (3) angeordnet ist, wobei ein zweiter Pol des ersten Energiespeichers (3) und ein erster Pol des zweiten Energiespeichers (4) auf einem gemeinsamen Potenzial liegen oder ein erster Pol des ersten Energiespeichers (3) und ein zweiter Pol des zweiten Energiespeichers (4) auf einem gemeinsamen Potenzial liegen.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Pole auf positivem Potenzial und ein zweiter Pol auf negativem Potenzial oder Masse liegt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Potenzial durch eine Kraftfahrzeugkarosserie gebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltelemente (10, 13) zwischen dem Wechselrichter (2) und dem ersten Energiespeicher (3) und/oder dem zweiten Energiespeicher (4) vorgesehen sind.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiespeicher (3) einen Superkondensator umfasst.