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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Energieversorgung eines Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb, wobei
der Hybridantrieb elektromotorisch betreibbar ist. Die Erfindung
betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen
Energieversorgung. Für
Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb sind ausfallsichere Energieversorgungen
erforderlich, um den Fahrbetrieb zu gewährleisten. Weiterhin soll insbesondere
nach einer Beschädigung
der Energieversorgung, z. B. durch einen Verkehrsunfall, noch ein Notbetrieb
möglich
sein.
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Daher wurden bereits elektrische
Energieversorgungen mit redundanten, galvanisch getrennten Energiespeichern
vorgeschlagen, die insbesondere über
einen Gleichspannungswandler miteinander gekoppelt sein können. Bei
den Energiespeichern kann es sich z. B. um konventionelle Blei-Säure-Akkumulatoren
und/oder um Anordnungen mit Superkondensatoren (sogenannte Supercaps)
handeln.
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Derartige Systeme mit redundanten
Energiespeichern erfordern zusätzlichen
gerätetechnischen Aufwand.
Insbesondere wenn die Energiespeicher unterschiedlicher Art sind
oder eine unterschiedliche Speicherkapazität oder Nominalspannung haben, müssen Anpassungen
an den Bedarf der angeschlossenen elektrischen Verbraucher vorgenommen
werden oder Leistungseinbußen
hingenommen werden, falls einer der Energiespeicher ausfällt. Außerdem fallen
Kosten für
zusätzliche,
redundante Steuerungseinheiten zur Steuerung des Betriebes der redundanten
Energiespeicher ins Gewicht. Auch hängt die Funktionsfähigkeit
der Systeme von den weiteren, nicht redundanten Komponenten der
elektrischen Energieversorgung ab.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine elektrische Energieversorgung der eingangs genannten
Art und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Energieversorgung
anzugeben, die die Versorgung für
den Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges wichtiger elektrischer Verbraucher
zuverlässig
ermöglichen.
Insbesondere sollen der Elektromotor des Hybridantriebs und möglichst
auch weitere, für einen
sicheren Fahrbetrieb erforderliche Verbraucher ausfallsicher versorgt
werden können.
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Es wird vorgeschlagen, zumindest
zwei galvanisch getrennte elektrische Teil-Bordnetze zum Versorgen von elektrischen
Verbrauchern mit elektrischer Energie vorzusehen. Die Teil-Bordnetze
weisen jeweils Steuerungsmittel zur Steuerung eines Betriebes einer
elektrischen Maschine auf und sind jeweils an eine elektromagnetische
Einrichtung der elektrischen Maschine angeschlossen. Die elektromagnetischen
Einrichtungen sind ausgestaltet, in einer generatorischen Betriebsart
elektrische Energie in das jeweilige Teil-Bordnetz einzuspeisen
und in einer motorischen Betriebsart elektrische Energie aus dem
Teil-Bordnetz aufzunehmen und für
den Antrieb des Fahrzeuges einzusetzen. Die elektromagnetischen
Einrichtungen sind galvanisch voneinander getrennt. Ferner sind
die Steuerungsmittel mit einer gemeinsamen Steuerungseinrichtung
zur Steuerung eines Betriebes der Energieversorgung verbunden.
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Durch die galvanische Trennung der Teil-Bordnetze
und der elektromagnetischen Einrichtungen kann der Hybridantrieb
auch beim Ausfall eines Teil-Bordnetzes, insbesondere bei einem
elektrischen Kurzschluss, weiter elektromotorisch betrieben werden.
Auch kann ein elektrischer Energiespeicher des noch funktionsfähigen Teil-Bordnetzes während eines
generatorischen Betriebes der elektrischen Maschine weiter geladen
werden, sodass die Energieversorgung prinzipiell zeitlich unbegrenzt weiter
zur Verfügung
steht. Weiterhin können
die Teil-Bordnetze für
geringere Betriebsspannungen ausgelegt werden als ein einheitliches
Bordnetz, da trotz geringerem maximalen Energiefluss in den einzelnen
Teil-Bordnetzen insgesamt gleich große oder größere elektrische Leistungen
möglich
sind. Da die Nennspannungen der Teil-Bordnetze unter 60 Volt liegen
können,
sind die Anforderungen an die Schutzvorkehrungen und Schaltmittel
deutlich reduziert und damit kostengünstiger auszuführen.
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Vorzugsweise sind die Teil-Bordnetze
aus gleichen Komponenten hergestellt. Dies reduziert auf Grund größerer Stückzahlen
die Herstellungskosten. Weiterhin wird bevorzugt, dass die Nominalspannungen
der Teil-Bordnetze gleich groß sind,
sodass eventuell zusätzlich
zu der elektrischen Maschine weitere elektrische Verbraucher an
die Teil-Bordnetze angeschlossen werden können. Auf diese Weise können für den sicheren
Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges erforderliche elektrische Verbraucher
ausfallsicher versorgt werden. Derartige Verbraucher sind z. B.
sogenannte "x by
wire" Verbraucher,
d. h. Einrichtungen zum Bremsen des Fahrzeuges, zur Steuerung des
Betriebes des Fahrzeuges oder zur Bedienung von Vorrichtungen des
Fahrzeuges, die auf eine elektrische Versorgung angewiesen sind
und andernfalls nicht oder nur eingeschränkt funktionieren.
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Unabhängig von den übrigen Merkmalen
der Energieversorgung wird vorgeschlagen, für eine elektrische Energieversorgung
eines Kraftfahrzeuges mit Hybridantrieb der eingangs genannten Art eine
elektrische Maschine mit folgenden Merkmalen zu verwenden: In einer
motorischen Betriebsart wandelt die elektrische Maschine elektrische
Energie, die von der elektrischen Energieversorgung aufgebracht wird,
in mechanische Energie um. Hierzu weist die Maschine zumindest zwei
Sätze elektromagnetischer Einheiten
(zum Beispiel Spulen) auf, die unter Verwendung verschiedener Teile
der Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden können, insbesondere
von den oben beschriebenen Teil-Bordnetzen. Unter „Sätzen" wird verstanden,
dass je Satz eine Mehrzahl von einzelnen Spulen bzw. einzelnen Wicklungen
vorgesehen sein kann. Beispielsweise weist ein dreiphasiges elektrisches
System pro Satz mindestens 3 Wicklungen und insbesondere z. B. pro Satz
9 Wicklungen auf.
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Die Sätze sind galvanisch voneinander
getrennt und sind vorzugsweise identisch aufgebaut. Außerdem sind
die Sätze
vorzugsweise so angeordnet, dass sie bei gleicher angelegter elektrischer Spannung
ein elektromagnetisches Feld gleicher Größe in der elektrischen Maschine
erzeugen. Lediglich sind die Sätze
in diesem Fall in Umfangsrichtung um eine Teilungseinheit einer
Welle der elektrischen Maschine gegeneinander versetzt angeordnet.
Mit anderen Worten: durch eine imaginäre Drehung um die Drehachse
können
die Spulensätze
aufeinander abgebildet werden. Die elektrische Maschine gliedert sich
somit in mindestens zwei identische, galvanisch getrennte Teil-Motorsysteme,
die jedes für
sich z. B. unter Verwendung eines Wechselrichters von den getrennten
Teil-Bordnetzen versorgt werden können. Die Teil-Motorsysteme
wirken auf die selbe Welle, sodass sich die Drehmomente addieren.
Vorzugsweise sind die Teil-Motorsysteme in dem selben Stator und/oder
Rotor der elektrischen Maschine angeordnet.
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Eine derartige Ausgestaltung der
elektrischen Maschine hat den Vorteil, dass elektrische Energie
aus verschiedenen Quellen gleichwirkend in Antriebsenergie bzw.
mechanische Energie umgesetzt werden kann. Dabei ist eine sehr kompakte, platzsparende
Bauweise der elektrischen Maschine möglich. Insbesondere ist ein
Läufer
der Maschine identisch wie bei einer Maschine mit nur einem Spulensatz
aufgebaut und ist – gegenüber einer
konventionellen Maschine – lediglich
ein Stator der Maschine modifiziert, indem er mit den zwei Spulensätzen versehen
ist.
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Die oben beschriebene Energieversorgung kann
alternativ zwei separate elektrische Maschinen aufweisen. In diesem
Fall wirken beide elektrische Maschinen vorzugsweise auf dieselbe
Welle einer Antriebseinheit des Kraftfahrzeuges.
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Wie oben beschrieben weist jedes
der Teil-Bordnetze Steuerungsmittel zur Steuerung eines Betriebes
der an das Teil-Bordnetz angeschlossenen elektromagnetischen Einrichtung
auf, und damit zur Steuerung des Betriebes des zugehörigen Teils
der elektrischen Maschine bzw. zur Steuerung des Betriebes der zugehörigen elektrischen
Maschine. Die Steuerungsmittel, die z. B. steuerbare Leistungshalbleiter-Bauteile
(insbesondere MOS-FET) zur phasen- und amplitudenrichtigen Steuerung
des Betriebes der elektrischen Maschine mittels Pulsweitenmodulation
aufweisen, sind somit redundant vorhanden. Auch können die
Steuerungsmittel eine zu dem jeweiligen Teil-Bordnetz gehörende Steuerungseinheit zum
Steuern des Betriebes der angeschlossenen elektromagnetischen Einrichtung
aufweisen.
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Die Steuerungseinrichtung zur Steuerung des
Betriebes der elektrischen Energieversorgung ist jedoch eine zentrale
bzw. übergeordnete
Einrichtung, die insbesondere den Betrieb der Teil-Bordnetze koordiniert.
Dadurch kann die Einspeisung elektrischer Energie in die Teil-Bordnetze
und/oder die Nutzung elektrischer Energie aus den Teil-Bordnetzen
effektiv und zuverlässig
gesteuert werden. Insbesondere kann die zentrale Steuerungseinrichtung
dabei den Ladezustand von Energiespeichern in den verschiedenen
Teil-Bordnetzen und/oder den Bedarf an elektrischer Energie in den
Teil-Bordnetzen berücksichtigen.
Es steht somit eine galvanisch geteilte und dennoch zentral steuerbare
Energieversorgung zur Verfügung.
Insbesondere steuert die Steuerungseinrichtung die Aufteilung der
Energiemengen und/oder der Energieflüsse auf die Teil-Bordnetze
und zwar sowohl für
eine Einspeisung in als auch für
eine Entnahme aus der Energieversorgung.
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Es wird bevorzugt, dass die Einspeisung
der elektrischen Energie in die Teil-Bordnetze und/oder die Nutzung der elektrischen
Energie aus den Teil-Bordnetzen für den Hybridantrieb derart
gesteuert wird, dass ein etwaiger ungleicher Ladezustand von Energiespeichern
in den Teil-Bordnetzen verringert wird. Bei gleichem Ladezustand
sind somit gleich leistungsfähige
Teil-Bordnetze vorhanden und können
einen Notbetrieb gewährleisten,
wenn das andere Teil-Bordnetz ausfällt.
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Um eine besonders zuverlässige Energieversorgung
zu erhalten und um ggf. schnell und in geeigneter Weise auf einen
Notbetrieb umschalten zu können,
wird vorgeschlagen, zumindest eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung
eines der Teil-Bordnetze auf Funktionsfähigkeit vorzusehen. Insbesondere
ist die Überwachungseinrichtung ausgestaltet,
mechanische und/oder elektrische Defekte des Teil-Bordnetzes und/oder
der angeschlossenen elektromagnetischen Einrichtung zu erkennen.
Alternative und/oder zusätzliche
Funktionen der Überwachungseinrichtung
sind die Überwachung
eines Zustandes eines Energiespeichers in dem Teil-Bordnetz (z. B. der
elektrischen Spannung einer Batterie) und/oder eine aktive Sicherung
von Komponenten des Teil-Bordnetzes oder des gesamten Teil-Bordnetzes
(z. B. Halbleiterschaltungen zur Minimierung von Schäden im Fehlerfall).
Auch kann die Überwachungseinrichtung
mit einer übergeordneten Steuerungseinrichtung,
die z. B. einer Steuerung eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges
dient, verbunden sein. Die Verbindung ist beispielsweise eine Datenverbindung
zur Übertragung
von Daten und die Überwachungseinrichtung
kann auf diese Weise einen erkannten Defekt an die Steuerungseinrichtung
melden, woraufhin z. B. die Steuerungseinrichtung einen Notbetrieb
initiiert. Die genannten Funktionen und Merkmale der Überwachungseinrichtung
sind Beispiele. Weitere Funktionen und Merkmale, die für ungeteilte
Bordnetze oder für
Bordnetze mit nur teilweise redundanten Komponenten bekannt sind,
können
alternativ oder zusätzlich
vorgesehen sein.
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Vorzugsweise ist jeweils eine derartige Überwachungseinrichtung
mit den Steuermitteln der Teil-Bordnetze kombiniert und weist die
Steuerungseinrichtung eine Überwachungseinrichtung
zur Überwachung
beider Teil-Bordnetze auf. Diese Aus gestaltung hat den Vorteil,
dass Überwachungsfunktionen mehrfach
redundant, d. h. in beiden Teil-Bordnetzen und zusätzlich in
der Steuerungseinrichtung implementiert sein können. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass die Überwachungsfunktionen
auch auf die Überwachungseinrichtung
des jeweiligen Teil-Bordnetzes und die Steuerungseinrichtung verteilt
werden können.
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Die Erfindung wird nun anhand von
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Sie
ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Bei der Erläuterung
wird Bezug auf die beigefügte
Zeichnung genommen. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten elektrischen Energieversorgung
und von Teilen eines Hybridantriebes,
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten elektrischen Energieversorgung
und von Teilen eines Hybridantriebes mit zwei elektrischen Maschinen
und
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3 eine
schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine
mit zwei galvanisch getrennten Wicklungssätzen.
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Die in 1 gezeigte
elektrische Energieversorgung 1 weist zwei galvanisch voneinander
getrennte Teil-Bordnetze 5, 6 auf. Die Teil-Bordnetze 5, 6 sind
elektrisch jeweils mit einem Wicklungssatz einer elektrischen Maschine 3 verbunden.
Die elektrische Maschine 3 und ein Verbrennungsmotor 2 bilden
einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges. Während eines motorischen Betriebes
wirken sie auf einen Antriebsstrang 4 des Kraftfahrzeuges.
Der Verbrennungsmotor 2 und die elektrische Maschine 3 können gleichzeitig
oder einzeln motorisch betrieben werden. Insbesondere kann der Verbrennungsmotor 2 auch
die elektrische Maschine 3 antreiben, sodass diese in einer
generatorischen Betriebsart die Energieversorgung 1 mit
elektrischer Energie speist. Weiterhin besteht die Möglichkeit,
dass die elektrische Maschine 3 durch beim Bremsen des
Fahrzeuges rückgewonnene
kinetische Energie angetrieben wird.
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Die Teil-Bordnetze 5, 6 weisen
identisch aufgebaute Anordnungen mit Steuerungsmitteln 7, 8 zur Steuerung
eines Betriebes der elektrischen Maschine 3 und mit ei nem
Energiespeicher 14, 15 auf. Die Steuerungsmittel 7, 8 sind
jeweils mit dem zugehörigen
Wicklungssatz der elektrischen Maschine 3 verbunden. Die
Anordnung der Steuerungsmittel 7, 8 zwischen der
elektrischen Maschine 3 und dem Energiespeicher 14, 15 ist
schematisch zu verstehen und deutet an, dass die Übertragung
elektrischer Energie von dem Energiespeicher 14, 15 zu
der elektrischen Maschine 3 bzw. umgekehrt unter Verwendung
der Steuerungsmittel 7, 8 beeinflussbar ist.
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Außerdem weisen die Teil-Bordnetze 5, 6 noch
weitere Komponenten und ausschließlich an eines der Teil-Bordnetze 5, 6 angeschlossene
elektrische Verbraucher auf, die pauschal mit dem Bezugszeichen 16 bzw. 17 bezeichnet
sind. Beispielsweise ist an das erste Teil-Bordnetz 5 eine
elektrische Sitzheizung eines Fahrersitzes angeschlossen, während an
das zweite Teil-Bordnetz 6 eine elektrische Sitzheizung
eines Beifahrersitzes angeschlossen ist.
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Zumindest ein weiterer elektrischer
Verbraucher 19 ist an beide Teil-Bordnetze 5, 6 angeschlossen.
Dabei handelt es sich um einen Verbraucher 19, dessen Versorgung
mit großer
Zuverlässigkeit
zu gewährleisten
ist, z. B. um eine „x
by wire" Vorrichtung (s.
o.), etwa eine Wirbelstrombremse.
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Die Steuerungsmittel 7, 8 sind
jeweils über eine
Steuerungsleitung (unterbrochene Linie in 1) mit einer zentralen Steuerungseinrichtung 12 verbunden.
Ferner sind die Energiespeicher 14, 15 jeweils über eine
Signalleitung (unterbrochene Linie) mit der Steuerungseinrichtung 12 verbunden.
Weitere mögliche
signaltechnische und/oder steuerungstechnische Verbindungen der
Steuerungseinrichtung 12 bestehen z. B. zu der elektrischen
Maschine 3 und/oder anderen Teilen des Hybridantriebes.
Insbesondere empfängt
die Steuerungseinrichtung 12 über die Signalleitungen von
den Energiespeichern 14, 15 (und ggf. von anderen
Einheiten) Signale, die Informationen über den momentanen Betriebszustand
der Energieversorgung enthalten. Speziell bei den von den Energiespeichern 14, 15 empfangenen Signalen
werden Informationen über
deren Ladezustand bzw. Energieinhalt übertragen. Die Steuerungseinrichtung 12 verarbeitet
die Informationen und steuert davon abhängig den Betrieb der Energieversorgung.
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Auf Grund von unterschiedlich großen elektrischen
Lasten und geringfügigen
konstruktiven Unterschieden der beiden Teil-Bordnetze 5, 6 kann
es zu unterschiedlichen Energieinhalten der Energiespeicher 14, 15 kommen.
Bevorzugtermaßen
steuert die Steuerungseinrichtung 12 den Betrieb der elektrischen
Maschine 3 derart, dass die Unterschiede verringert werden,
möglichst
bis ein gleicher Energieinhalt erreicht ist. Es bestehen insbesondere
die folgenden Möglichkeiten:
- – Im
generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 3 steuert
die Steuerungseinrichtung 12 die Steuerungsmittel 7, 8 derart,
dass mehr elektrische Energie in dasjenige Teil-Bordnetz 5, 6 eingespeist
wird, welches den geringeren Energieinhalt hat.
- – Im
motorischen Betrieb der elektrischen Maschine 3 steuert
die Steuerungseinrichtung 12 die Steuerungsmittel 7, 8 derart,
dass mehr elektrische Energie aus demjenigen Teil-Bordnetz 5, 6 entnommen
wird, welches den größeren Energieinhalt
hat.
- – In
einem gemischten generatorischen und motorischen Betrieb steuert
die Steuerungseinrichtung 12 die Steuerungsmittel 7 derart,
dass die elektrische Maschine 3 aus einem der Teil-Bordnetze 5, 6 elektrische
Energie entnimmt und dem anderen Teil-Bordnetz 5, 6 zuführt, wobei
die Energieinhalte angeglichen werden. In dieser gemischten Betriebsart
kann z. B. der Verbrennungsmotor 2 die elektrische Maschine 3 antreiben
oder kann die elektrische Maschine 3 das Fahrzeug antreiben. Auch
ist es möglich,
dass elektrische Energie ohne eine Bewegung der elektrischen Maschine 3 direkt
zwischen den elektromagnetischen Einrichtungen übertragen wird.
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2 zeigt
eine Variante der Anordnung nach 1,
wobei zwei elektrische Maschinen 13, 23 als Teil
des Hybridantriebes vorgesehen sind. Die Teil-Bordnetze 5, 6 sind
jeweils mit einer elektromagnetischen Einrichtung in einer der elektrischen
Maschinen 13, 23 verbunden.
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3 zeigt
eine elektrische Maschine 3, insbesondere die elektrische
Maschine 3 gemäß 1, mit zwei elektrischen
Wicklungsanordnungen 9, 10. Beide Wicklungsanordnungen 9, 10 weisen
einen Satz von drei Wicklungen 9a, 9b, 9c und 10a, 10b, 10c auf.
Jede der drei Wicklungen 9a, 9b, 9c und 10a, 10b, 10c eines
Satzes ist an eine Phase einer Drehstromverbindung 21, 22 zu
dem jeweiligen Teil-Bordnetz
angeschlossen.
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Die drei Wicklungen 9a, 9b, 9c sind
relativ zu den drei Wicklungen 10a, 10b, 10c um
180 Grad gedreht angeordnet, bezogen auf eine Drehachse 25. Die
Drehachse 25 ist die Rotationsachse eines nicht dargestellten
Läufers
der elektrischen Maschine 3. Die Wicklungsanordnungen 9, 10 sind
Bestandteile eines Stators der elektrischen Maschine 3.
Die einzelnen Wicklungen 9a, 9b, 9c bzw. 10a, 10b, 10c sind
um 60 Grad gegeneinander versetzt angeordnet, bezogen auf die Drehachse 25.