DE112010002649T5 - Direkte elektrische verbindung für ein mehrmotorigeshybridantriebssytem - Google Patents

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Paul Boskovitch
Axel J. RADERMACHER
Uday Dashpande
Michael Groene
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Fisker Automotive Inc
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Abstract

Ein System zur Steuerung elektrischer Energie für ein Hybridfahrzeug umfasst einen Motor, einen ersten Inverter, eine erste elektrische Maschine, die mit dem Motor und dem ersten Inverter verbunden ist, und ein erstes Getriebe, das zwischen dem Motor und der ersten Maschine eingekoppelt ist. Das erste Getriebe weist eine derart einstellbare Übersetzung auf, dass die Betriebsdrehzahl der ersten Maschine unabhängig von einer Motorbetriebsdrehzahl ist. Eine zweite elektrische Maschine ist mit dem zweiten Inverter und einer Radachse des Fahrzeuges gekoppelt. Eine Hochspannungsbatterie ist sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Inverter verbunden. Eine Schaltbox ist zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine angeordnet. Die Schaltbox weist schließ- und offenbare Schalter auf, die eine direkte elektrische Verbindung von der ersten zu der zweiten elektrischen Maschine ermöglichen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung nimmt Bezug auf die vorläufigen US-Patentanmeldungen Nr. 61/220.421, eingereicht am 25. Juni 2009, Nr. 61/288709, eingereicht am 21. Dezember 2009, und Nr. 61/294722, eingereicht am 13. Januar 2010, deren Offenlegungen in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen werden.
  • HINTERGRUND
  • Die Erfindung betrifft allgemein ein Hybridfahrzeug und insbesondere einen Antriebsstrang für Serienhybrid-Elektrofahrzeuge.
  • BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
  • Fahrzeuge, z. B. Kraftfahrzeuge, verwenden eine Energiequelle, um die zum Betrieb des Fahrzeugs benötigte Energie bereitzustellen. Zwar herrschen Energiequellen auf Erdölbasis vor, jedoch stehen alternative Energiequellen, wie Methanol, Äthanol, Erdgas, Wasserstoff, Strom, Sonnenenergie usw. zur Verfügung. Ein Fahrzeug mit Hybridantrieb nutzt zum Antrieb des Fahrzeugs eine Kombination von Energiequellen. Derartige Fahrzeuge sind wünschenswert, da sie sich die Vorzüge mehrerer Energieträger zunutze machen, um die Leistungs- und Reichweitenmerkmale des Hybridfahrzeugs im Verhältnis zu einem vergleichbaren, mit Benzin angetriebenen Fahrzeug zu verbessern.
  • Bei einem Serienhybridfahrzeug wird die von einem auf einen Generator montierten Verbrennungsmotor erzeugte Energie dazu verwendet, den die Räder antreibenden Elektromotor zu speisen. Bei dieser Anordnung wird Energie vom Verbrennungsmotor über verschiedene vordefinierte Umwandlungspunkte auf die Räder übertragen. Dieses System funktioniert zwar, jedoch liegt der Wirkungsgrad jedes Umwandlungspunktes unter 100%, so dass es während des gesamten Prozesses zu Energieverlusten kommt. Folglich steigt der Kraftstoffverbrauch und es können größere und teurere Bauteile erforderlich sein, um den Energiebedarf zu befriedigen. Außerdem müssen der Verbrennungsmotor, der Generator und der Generator-Inverter alle so dimensioniert sein, dass sie die Spitzenleistung des Verbrennungsmotors aufnehmen können.
  • Es besteht also in der Technik Bedarf an einem System und einem Verfahren zur Verringerung der Energieverluste durch direkte elektrische Verbindungen zwischen den Bauteilen und an einer Minimierung der Bauteilgröße. Außerdem verlangt die Technik nach einem Antriebssystem, das die Energieverluste durch direkte elektrische Verbindungen zwischen den Bauteilen reduziert und ein Getriebe zwischen dem Verbrennungsmotor und der Elektromaschine (die primär als Generator wirkt) einschließt, um den betrieblichen Systemwirkungsgrad des Verbrennungsmotors und der Elektromaschine durch Steuerung des relativen Drehzahlverhältnisses zwischen ihnen zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Entsprechend betrifft die vorliegende Offenbarung ein System zur Steuerung von elektrischer Energie für ein Hybridfahrzeug, mit: (a) einem Motor; (b) einem ersten Inverter; (c) einer ersten elektrischen Maschine, die mit dem Motor und dem ersten Inverter verbunden ist; (d) einem ersten Getriebe, das zwischen dem Motor und der ersten Maschine eingekoppelt ist, wobei das erste Getriebe eine derart einstellbare Übersetzung aufweist, dass die Betriebsdrehzahl der ersten Maschine unabhängig von einer Motorbetriebsdrehzahl ist; (e) eine zweite elektrische Maschine, die mit einem zweiten Inverter und einer Radachse gekoppelt ist; (f) eine Hochspannungsbatterie, die sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Inverter verbunden ist; (g) eine zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine angeordnete Schaltbox. Die Schaltbox umfasst schließ- und öffenbare Schalter, die eine direkte elektrische Verbindung von der ersten zu der zweiten elektrischen Maschine ermöglichen.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass ein Hybridfahrzeug bereitgestellt wird, das einen Motor, eine elektrische Maschine und ein dazwischen angeordnetes Getriebe umfasst. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass die Betriebseffizienz der elektrischen Maschine verbessert wird, was in einem reduzierten Treibstoffbedarf resultiert. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass aufgrund der verbesserten Betriebseffizienz die Größe des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine reduziert werden kann. Noch ein weiterer Vorteil ist, dass die serielle Antriebseffizienz durch die Reduzierung des Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlungsverlustes bei Betrieb des Motors verbessert wird. Noch ein weiterer Vorteil ist die einzigartige leistungsverzweigte Anordnung des Getriebes von 4-N Gangstufen bei Betrieb des Motors. Noch ein weiterer Vorteil ist, dass die einzigartige getrennte Getriebeanordnung ein Zweiganggetriebe mit geringem Verlust für das elektrische Traktionssystem implementiert und das Motorgetriebe abkoppelt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass eine Größenreduktion der dem Generator und den Traktionsmotoren zugeordneten Inverter möglich ist. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass das thermische Niedrigtemperatursystem größenreduziert werden kann. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist, dass die Spitzenleistung in einem Hochgeschwindigkeitsbetriebszustand verbessert wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist die Möglichkeit, den Verbrennungsmotor durch eine 10- bis 20-prozentige Reduzierung der Leistungserfordernisse zu verkleinern. Andere mögliche Vorteile sind, dass die Erfindung für PHEV- oder HEV-Anwendungen verwendet werden kann, dass sie zwischen PHEV und einem HEV skalierbar sein kann, dass ein reduzierbarer Leistungselektronikarbeitszyklus die Zuverlässigkeit verbessert, dass eine größere Anzahl von Notfallmodi verfügbar ist und dass die Architektur auf Front-, Hinterrad- oder Allradantriebsanwendungen anwendbar ist.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden ohne Weiteres erkannt werden, da dieselbe nach Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren besser verstanden werden wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER
  • 1 ist ein Beispiel für eine Antriebsarchitektur eines elektrischen Hybridfahrzeugs.
  • 2A–2B stellen ein schematisches Blockdiagramm dar, das ein System zum direkten Verbinden von elektrischen Maschinen des Fahrzeugs aus 1 und zugeordnete Betriebszustände illustriert.
  • 3 zeigt schematisch eine Energieflussverteilung für einen Betriebszustand 1 einer Schaltbox aus 2.
  • 4 zeigt schematisch eine Energieflussverteilung für einen Betriebszustand 2 einer Schaltbox aus 2.
  • 5 zeigt schematisch eine Energieflussverteilung für einen Betriebszustand 3 der Schaltbox aus 2.
  • 6 ist ein schematisches Blockdiagramm betreffend eine Kupplung.
  • 7 ist ein schematisches Blockdiagramm betreffend ein mit den Vorderrädern und einer Schaltbox verbundenen dritten Motor/Generator.
  • 8 ist ein schematisches Blockdiagramm betreffend einen mit Vorderrädern und einem zweiten Inverter gekoppelten dritten Motor/Generator.
  • 9 ist ein schematisches Blockdiagramm betreffend einen mit Vorderrädern und einem ersten Inverter gekoppelten dritten Motor/Generator.
  • 10 ist ein schematisches Blockdiagramm betreffend einen mit Vorderrädern und einem ersten Inverter und einer zweiten Schaltbox, die zwischen dem Inverter und dem dritten Motor/Generator angeordnet ist, gekoppelten dritten Motor/Generator.
  • 11 ist ein schematisches Blockdiagramm betreffend einen mit Vorderrädern gekoppelten dritten Motor/Generator, wobei eine zweite Schaltbox zwischen einem ersten Inverter und dem dritten Motor/Generator und einem ersten Motor/Generator angeordnet ist.
  • 12 ist ein weiteres schematisches Blockdiagramm betreffend einen mit Vorderrädern gekoppelten dritten Motor/Generator, wobei eine zweite Schaltbox zwischen einem ersten Inverter und dem dritten Motor/Generator angeordnet ist und ein erster Motor/Generator regenerativen Fluss zeigt.
  • 13 stellt ein zweites exemplarisches Blockdiagramm einer Schaltbox dar.
  • 14 ist eine weitere Darstellung der Schaltbox aus 13.
  • 15 ist eine weitere Darstellung der Schaltbox aus 13.
  • BESCHREIBUNG
  • Die hier vorliegende Offenbarung stellt ein System und ein Verfahren zum direkten elektrischen Verbinden („e-Direct” – E-Direkt) kombiniert mit einem verzweigten Getriebe („e-Split” – E-Auftrennung) für ein Mehrmotor-Hybridantriebssystem bereit. 1 stellt einen Hybridfahrzeug 10 dar. In diesem Beispiel kann das Fahrzeug 10 ein einsteckbares („plug-in”) Hybridfahrzeug sein, das über einen internen Verbrennungsmotor 20 und eine außerhalb des Fahrzeuges ladbare Batterie 16 versorgt wird. Sowohl der Motor 20 als auch die Batterie 16 können als Energiequelle 10 dienen. Das Fahrzeug 10 kann durch jede der Energiequellen unabhängig oder gemeinsam mit Energie versorgt werden. Ein Hybridfahrzeug, das eine serielle Konfiguration, zum Beispiel einen Motor, der einen Generator antreibt und der Generator elektrische Energie einem Antriebsmotor bereitstellt, verwendet, kann diese Architektur verwenden. Das Fahrzeug 10 kann ein Personenkraftfahrzeug, ein Lastkraftwagen, Geländeausrüstung, etc., sein.
  • Das Fahrzeug 10 umfasst auch einen Antriebsstrang 11, der die Bewegung des Fahrzeugs operativ steuert. Ein Motor 24, der mechanisch eine Achse des Fahrzeuges, die Räder des Fahrzeuges bewegt, antreibt, wird über eine Energiequelle, zum Beispiel eine Batterie, einen Motor und/oder einen Generator mit Energie versorgt. Im Beispiel der 1 ist das Fahrzeug 10 ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb, wobei die Hinterräder über Motoren 24 mechanisch angetrieben werden. Die Motoren 24 und der Generator 12 können als elektrische Maschine bezeichnet werden. In einem Beispiel werden die Begriffe „Motor” und „Generator” auf den Energiefluss bezogen, da jeder rückwärts betrieben werden kann, um die entgegengesetzte Funktion auszuüben. Daher kann eine elektrische Maschine entweder durch Betreiben mit einem negativen Wellendrehmoment (d. h. als Generator) oder durch Erzeugen eines positiven Wellendrehmomentes (d. h. als Motor) Energie verteilen. In den 2a–12 wird die elektrische Maschine als Motor/Generator („MG”) bezeichnet. Entsprechend kann das Fahrzeug ein MG1 12, das mit einem Motor 20 und einem mit Rädern W gekoppelten MG2 24 gekoppelt ist, umfassen.
  • Die Architektur des Antriebs ist gezielt ausgewählt, zum Beispiel in Form einer seriellen, parallelen oder parallel-verzweigten Anordnung der Antriebskomponenten. In diesem Beispiel beinhaltet der Antrieb einen MG1 12 und einen MG2 24. Verschiedene Typen von MGs sind erhältlich, zum Beispiel in Form eines elektrischen Motors, eines Generators, einer Permanentmagnet-Synchronmaschine, einer Induktionsmaschine oder ähnlichem. Der MG1 12 kann ein Gehäuse, einen in dem Gehäuse, das stationär ist, angeordneten Statur und einen Rotor, der um eine zentrale Welle, die einen Permanentmagneten aufweist, rotiert, umfassen. Der MG1 12 wandelt mechanische Energie, die er von dem Motor 20 erhält, in elektrische Energie um, die verwendet wird, um die Räder W anzutreiben, die Fahrzeugbatterie 16 aufzuladen oder Fahrzeugnebenkomponenten mit Energie zu versorgen. Typischerweise liefert der MG1 12 Wechselstromenergie, die in einem Inverter 22A in Gleichstromenergie umgewandelt wird. Die Gleichstromenergie kann dann entweder zu der Batterie 16 oder einen weiteren Inverter 22B zum Zurückumwandeln in Wechselstromenergie vor Antreiben eines Antriebsmotors geleitet werden. Typischerweise hat jeder derartiger MG und Inverter eine vorbestimmte Betriebseffizienz entsprechend eines vorgegebenen Drehzahl-/Drehmomentenbereichs.
  • In diesem Beispiel beinhaltet der Antriebszug 11 auch einen Benzinmotor 20, der wenn unter bestimmten Betriebsbedingungen benötigt, zusätzliche Energie bereitstellt. Der Motor 20 steht mit dem MG1 12 in Wirkverbindung, zum Beispiel über eine Motorausgangswelle. Entsprechend, wenn der Motor 20 läuft, läuft aufgrund der Wirkverbindung üblicherweise auch der MG1 12. Der Motor 20 kann zudem eine vorbestimmte Betriebseffizienz in einem entsprechenden Drehzahl-/Drehmomentbereich aufweisen. Das Verhältnis der Motordreheffizienz zu der Generatordrehzahleffizienz kann jedoch in einem bestimmten Drehzahl-/Drehmomentbereich nicht optimal sein.
  • Typischerweise besitzt jede elektrische Maschine eine vorbestimmte Betriebseffizienz entsprechend einem vorgegebenen Drehzahl-/Drehmomentbereich. Allerdings kann das Verhältnis der Motordrehzahleffizienz in Bezug auf die Generatordrehzahleffizient innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches nicht optimal sein. Durch die Verwendung einer „e-Split”-Getriebeanordnung ist eine einzigartige Verkleinerung des Motors machbar, einhergehend mit einer entsprechenden Reduktion der Leistungserfordernisse (d. h. 150 kW bis 125 kW-120 kW).
  • Der Antriebsstrang 11 umfasst ein Getriebe 14A, das zwischen MG1 12 und dem Motor 20 angeordnet ist. Gemäß einem Beispiel kann das Getriebe 14A eine mechanische Verbindung zwischen dem Motor 20 und MG1 12 entlang der Motorausgangswelle bereitstellen. Das Getriebe 14A kann von einem beliebigen Typ sein, zum Beispiel elektronisch, mechanisch oder elektro-mechanisch und kann ein mehrstufiges oder kontinuierlich veränderbares Getriebe etc. sein, um auswählbare effektive Übersetzungsverhältnisse bereitzustellen. Das Getriebe verändert die Übersetzungsverhältnisse, um die Übertragung von Motorenergie zu dem Generator zu vereinfachen. Beispielsweise kann gewünscht sein, den Motor 20 mit 3000 Umdrehungen pro Minute und MG1 12 mit 4500 Umdrehungen pro Minute laufen zu lassen. Das zwischen dem Motor 20 und MG1 12 positionierte Getriebe 14A kann dem Motor 20 bzw. MG1 12 ermöglichen, bei einer gewünschten Drehzahl und/oder Drehmoment für einen entsprechenden Drehzahlbereich unabhängig von einander betrieben zu werden. Der Motor 20 und MG1 12 können jeweils unterschiedliche Drehmoment-/Drehzahleffizienzprofile definieren. Die Möglichkeit, jeweils unterschiedliche Drehzahlen zu erzeugen, kann eine Optimierung dadurch ermöglichen, dass die Auswahl der Übersetzung so angepasst wird, dass jede Komponente dicht an dem anhand einer gemessenen Effizienzkarte identifizierbaren entsprechenden Drehzahl betrieben wird.
  • Unterschiedliche Arten des Getriebes 14A können verwendet werden, z. B. ein mehrstufiges Getriebe oder ein kontinuierlich einstellbares Getriebe, etc. Das Getriebe 14A kann mehrere Getriebestufen zwischen dem Motor 20 oder MG1 12 umfassen. Auch kann das Getriebe 14A Planetengetriebe verwenden. Eine Anordnung das Getriebes 14A zwischen dem Motor 20 und MG1 12 kann in viele verschiedene Hybridantriebsarchitekturen einbezogen sein. Das Getriebe 14A ermöglicht einen effizienteren Betrieb verglichen mit Standardantrieben ohne Getriebe. Infolge der erhöhten Effizienz kann eine Überflussenergie entstehen, mit der eine externe Komponente versorgt wird, während das Fahrzeug geparkt ist. Beispielsweise kann das Fahrzeug Überschussenergie speichern und diese Energie zu einer externen Quelle, z. B. ein Netz oder eine externe Energiespeichervorrichtung, leiten.
  • Die Betriebsdrehzahl des MG1 12 kann unabhängig von der Betriebsdrehzahl des Motors 20 sein. Infolgedessen und durch Verwendung des Getriebes 14A dazwischen, um die Leistungsübertragung über unterschiedliche Übersetzungen zu steuern, kann die Effizienz des Systems erhöht werden. Betriebseffizienzprofile geben einem Motorkonstrukteur größere Freiheit bei der Auswahl verschiedener Motorbetriebspunkte entsprechend vorgegebener Fahrzeugbetriebsbedingungen. Somit kann eine elektrische Maschine mit einer niedrigeren Drehmomentcharakteristik ausgewählt werden, da der Konstantleistungsbetriebsbereich der elektrischen Maschine dennoch verwendet werden kann und sich dennoch die gleichen Leistungseigenschaften ergeben. Veränderbare Drehzahlen zwischen dem Motor und dem Generator können die maximale Effizienz des Generators an den aktuellen Betriebspunkt des Motors anpassen.
  • Beispielsweise kann das System zudem ein zweites Getriebe 14B umfassen, das benachbart zu einem an der hinteren und mit dem MG2 24 gekoppelten Antriebswelle angeordneten Inverter 22B positioniert ist. Das Hinzufügen eines weiteren Getriebes 14B ermöglicht die Auswahl von Antriebsgetrieben in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus des Fahrzeugs in einer zu beschreibenden Weise. In diesem Beispiel hat der Inverter 22B eine Energiekapazität von 150 kW.
  • Unterschiedliche Getriebetypen können für entweder das erste oder das zweite Getriebe verwendet werden, z. B. ein mehrstufiges Getriebe oder ein kontinuierlich veränderbares Getriebe, etc. Das Getriebe kann mehrere Getriebestufen zwischen dem Motor und/oder der elektrischen Maschine umfassen. Auch kann das Getriebe Planetengetriebe verwenden. Die Anordnung des Getriebes zwischen dem Motor und der elektrischen Maschine kann in viele verschiedene Hybridantriebsarchitekturen einbezogen werden. Infolge der vergrößerten Effizienz der Getriebeanordnung kann Überschussenergie einer externen Komponente zugeführt werden, während das Fahrzeug geparkt ist.
  • In den 2a–12 sind beispielhafte Systeme und Verfahren zum direkten elektrischen Verbinden („e-direct”) kombiniert mit verzweigten Getrieben („e-split”) für Mehrmotor-Hybridantriebssysteme dargestellt. Das Fahrzeug 10 beinhaltet einen Antrieb, der den Betrieb des Fahrzeugs steuert. In diesem Beispielen ist der Antrieb ein Einsteck („plug-in”)-Hybrid und beinhaltet zumindest zwei elektrische Maschinen.
  • Das System beinhaltet eine Energiespeichervorrichtirng 16, z. B. eine Batterie 16, mit den Komponenten verbunden ist, die innerhalb des Fahrzeugsystems Energie hinzufügen oder entnehmen. Verschiedene Batteriearten sind erhältlich, z. B. Bleisäure- oder Lithium-Ionen-Batterien.
  • Ein erster Inverter 22A ist in Wirkverbindung mit einem zweiten Inverter 22B, wobei der zweite Inverter 22B einen elektrischen Gleichstrom zurück in einen elektrischen Wechselstrom wandelt. Der zweite Inverter 22B ist in Wirkverbindung mit einer zweiten elektrischen Maschine MG2 24. MG2 24 wandelt den elektrischen Wechselstrom in mechanische Energie um, die zur Verwendung beim Betrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht. In diesem Beispiel wird die mechanische Energie zu einer Antriebswelle übertragen, um den Betrieb der Fahrzeugräder W, d. h. der Vorderräder oder Hinterräder zu steuern.
  • Es wird angemerkt, dass die Effizienz des Energieumwandlungsprozesses weniger als 100% beträgt, was zu Verlusten innerhalb des Systems führt. Beispielsweise kann der Verlust über einen Inverter im Bereich zwischen 3% bis 10% liegen. Die erste elektrische Maschine MG1 12 ist in direkter elektrischer Verbindung mit der zweiten elektrischen Maschine (MG2 24), so dass Wechselstromenergie von der ersten elektrischen Maschine direkt der zweiten elektrischen Maschine zur Verfügung steht. Es wird angemerkt, dass die erste elektrische Maschine mit einer derartigen Drehzahl und Last betrieben werden kann, dass die Energie direkt zu der zweiten elektrischen Maschine übertragen werden kann. Zahlreiche verschiedene Beispiele und Darstellungen der vorliegenden Offenbarung sind in den 2a–12 beschrieben.
  • 2a stellt beispielhaft ein schematisches System für ein Fahrzeug 10 mit einer Schaltbox 21, die eine direkte Wechselstrom/Wechselstrom-Verbindung zwischen MG1 12 und MG2 24 ermöglicht, dar. Der Verlust über die Schaltbox 21 ist relativ niedrig und sehr viel weniger als über einen Inverter. In diesem Beispiel ist der Motor 20 mit dem MG1 12 gekoppelt, der an einen Inverter 22A und eine Batterie 16, einen weiteren Inverter 22B oder eine Schaltbox 21 elektrische Energie liefern kann. Die Energie kann dann an MG2 24 und dann an die Räder W übertragen werden. Die Energie kann dann in jede Richtung fließen, wie in den anderen Figuren gezeigt. Eine Explosionsdarstellung verschiedener Betriebszustände der Box 21 ist des Weiteren in der 2a gezeigt. In diesem Beispiel kann die Schaltbox 21 in drei Betriebszuständen dargestellt durch Zustand 1 (21A), Zustand 2 (21B) und Zustand (21C) betrieben werden. Verschiedene Arten des Energieflusses für verschiedene Schaltboxzustände sind in den 4 bis 12 gezeigt. Die unten stehende Tabelle 1 stellt verschiedene mit jedem Betriebszustand verbundene Charakteristiken dar. TAFEL 1
    Modus Verbr.-motor Batterie Stromrichter 1 MG1 Schalter Stromrichter 2 MG2 Beschreibung
    Modus 1 Aus Strom Aus Zustand 1 Gs in Ws Ws in mechanisch EV-Antrieb
    Modus 2 Kurbelwelle Strom Aus Gs in WS Ws in mechanisch Zustand 1 Gs in Ws Ws in mechanisch Motorkurbelwelle im Lauf
    Modus 3 Leistung Strom Ein/Aus Ws in Gs Mechanisch in Ws Zustand 1 Gs in Ws Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern, Batterie puffert oder lädt nach Bedarf
    Modus 4a Leistung Mechanisch in Ws Zustand 2 Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern
    Modus 4b Leistung Strom Aus Gs in Ws Mechanisch in Ws Zustand 2 Gs in Ws Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern mit Batterie zum Puffer unter Verwendung eines oder beider Stromrichter
    Modus 4c Leistung Strom Ein Ws in Gs Mechanisch in Ws Zustand 2 Ws in Gs Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern mit Batterienachladung unter Verwendung eines oder beider Stromrichter
    Modus 4d Leistung Strom Ein/Auß/keiner Ws in Gs Mechanisch in Ws Zustand 2 Gs in Ws Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern unter Verwendung von Ws und Gs, Batterie puffert oder lädt nach Bedarf
    Modus 5 Rotieren (möglich) Strom Ein Ws in Gs Ws in mechanisch Zustand 2 Ws in Gs Mechanisch in WS Bremsen-Radenergie zur Batterie unter Verwendung eines oder beider Stromrichter. Motor kann laufen, wenn zusätzliche Leistung verfügbar ist
    Modus 6a Leistung Mechanisch in Ws Zustand 3 Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern (Umkehrung). Antriebsmotor rückwärts rotierend
    Modus 6b Leistung Strom Aus Gs in WS Mechanisch in Ws Zustand 3 Gs in Ws Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern (Umkehrung). Antriebsmotor rückwärts rotierend mit Batterienachladung unter Verwendung eines oder beider Stromrichter
    Modus 6c Leistung Strom Ein Ws in Gs Mechanlsch in Ws Zustand 3 Ws in Gs Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern (Umkehrung). Antriebsmotor rückwärts rotierend mit Batterienachladung unter Verwendung eines oder beider Stromrichter
    Modus 6d Leistung Strom Ein/Aus/keiner Ws in Gs Mechanisch in Ws Zustand 3 Gs in Ws Ws in mechanisch HEV-Motor zu den Rädern (Umkehrung), unter Verwendung von Ws und Gs, Batterie puffert oder lädt nach Bedarf
  • Die Energie wird über einen Dreiphasen-Wechselstrombus übertragen. Die Schaltbox 21 umfasst drei Leitungen/Schalter 25 für den Dreiphasen-Wechselstromübertrag. Der Zustand 1 wird durch die Box 21A repräsentiert, wobei alle drei Schalter 25 geöffnet sind. Wenn die Schalter 25 geöffnet sind, kann keine Energie direkt zwischen MG1 und MG2 übertragen werden. Entsprechend wird die Energie über den Inverter 22A von Wechselstrom (der MG1 verlässt) zu Gleichstrom gewandelt und dann entweder von der Batterie 16 zum Aufladen empfangen oder in dem zweiten Inverter 22B zurück in Wechselstrom gewandelt, bevor sie an MG2 geleitet wird. Das Vorhandensein von zwei Invertern ermöglicht den Betrieb jedes MGs ohne direkte Beeinflussung des anderen. MG1 12 kann im Leerlauf oder vollständig abgeschaltet sein, während die Batterie 16 Energie an MG2 24 über den zweiten Inverter 22B liefert. Die Energie kann von der Batterie 16 sowohl zu MG1 12 als auch zu MG2 24 übertragen werden. Dies kann wünschenswert sein, um den Motor anzulassen, wobei MG1 12 als Motor und nicht als Generator betrieben wird, um Energie an den Motor 20 zu liefern. Beispielsweise kann Energie von MG1 12 fließen, um gleichzeitig die Batterie 16 aufzuladen und MG2 24 anzutreiben.
  • Wie in Box 21B gezeigt, ist der Zustand 2 ein Betriebszustand, in dem die drei Schalter 25 geschlossen sind, wodurch eine direkte elektrische Verbindung zwischen MG1 12 und MG2 24 bereitgestellt wird. Die Schaltbox 21B ermöglicht der in MG1 12 erzeugten Wechselstromenergie direkt zu MG2 24 zu fließen. In diesem Beispiel umgeht der Energiefluss die Inverter, so dass unerwünschter Effizienzverlust durch die Inverter 22 vermieden wird. In diesem Beispiel ist MG1 12 direkt mit MG2 verbunden, so dass sie mit verhältnisgleichen Umdrehungen betrieben werden. Dies ist zum Beispiel ideal für Geschwindigkeitsregelbedingungen und erhöht die Effizienz der Energieverteilung des Fahrzeugs. Der Energieverlust über die mit 21A verbundenen Schalter ist weit geringer als über den Inverter 22. Energie kann direkt über die Schaltbox 21A fließen oder über die Inverter 22 und zur Batterie 16 oder dem anderen Inverter. Energie kann in beiden Richtungen (zu und von der Batterie 16, zu und von MG1 12 und MG2 24) geliefert werden. Entsprechend können die Räder W mit Wechselstromenergie des Motors 20 und Gleichstromenergie von der Batterie 16 versorgt werden. Die Batterie kann zudem aufgeladen werden, während Energie direkt von MG1 zu MG2 übertragen wird. Die Batterie 16 kann unter Verwendung eines oder beider Inverter 22 nachladen oder aufladen.
  • Ein Energieflussweg nach einem dritten Zustand (Zustand 3) ist mit einem Betriebszustand der Schaltbox 21C verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind Schalter 27 (geöffnet dargestellt in Box 21A und 21B) zusammen mit Schalter 25 geschlossen. Die Schalter 27 ermöglichen in geschlossenem Zustand eine Überkreuzenergieverbindung über die drei Phasen, was direkten Energiefluss zwischen MG1 12 und MG2 24 ermöglicht, während entweder MG1 oder MG2 rückwärts betrieben werden. Entsprechend kann MG1 12 vorwärts laufen, während MG2 rückwärts läuft.
  • 2b stellt ein beispielhaftes Kastendiagramm des Systems der 2a mit einem zwischen dem Motor 20 und MG1 12 angeordneten ersten Getriebe 14A und einem zwischen MG2 und einer den Rädern W zugeordneten Radachse angeordneten zweiten Getriebe 14A dar. Gemäß den 4–12 werden zwei Getriebe 14A und 14B bereitgestellt, wobei jedes ein Zwei-Gang-Getriebe ist und das Fahrzeug so zu einem Vier-Gang-Getriebesystem machen. Es wird angemerkt, dass die Anordnung mit verteiltem Getriebe für beispielhafte Anwendungen gewählt wird, wobei andere mehrgängige oder eingängige Getriebeanordnungen möglich sind und im Bereich der vorliegenden Offenbarung liegen. Darüber hinaus gibt es in diesem Beispiel eine elektrische Trennung zwischen den physikalisch getrennten Getrieben. Vorteilhafterweise verwendet das Fahrzeug nur die Anzahl von Gängen, die bestimmte Umdrehungs-/Lasterfordernisse erfüllen. Das System kann die Gangzahl zum Betreiben in einem anderen Umdrehungs-/Lastband ändern, um die Gangzahl den Erfordernissen anzupassen. Die Energieerfordernisse werden durch die Anzahl der Gänge, die für einen bestimmten Betriebsmodus ausgewählt werden, reduziert.
  • In einem Beispiel einer „e-split”-Anordnung werden Getriebe zwischen dem Motor 20 und MG1 12 und der Radachse der Räder W und MG2 24 positioniert. Es ist zu beachten, dass zwei Verbrennungsmotorgänge und zwei Motorgänge effektiv vier Gänge bei laufendem Verbrennungsmotor bereitstellen. Die Einbeziehung von zwei oder drei Gängen an dem Verbrennungsmotor ermöglicht eine kompakte Verbauung, z. B. über ein einzelnes einfaches Planetengetriebe (zwei Gänge an dem Verbrennungsmotor) oder ein einzelnes Verbund-Planetengetriebe (drei Gänge am Verbrennungsmotor). Das System kann des Weiteren eine oder mehrere Kupplungen umfassen, z. B. eine Zwei-Kupplungsanordnung, um entweder zwei oder drei Verbrennungsmotorgänge zu implementieren. Typischerweise kann das Getriebe eine Kupplungseinwirkung durch Entkoppeln umfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Verwendung von drei Gängen an dem Verbrennungsmotor und zwei Gängen an dem Motor effektiv zu sechs Gängen führen.
  • Der Antriebszug kann weitere Komponenten aufweisen, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise in Form einer Kupplung, z. B. eine nass- oder trockenlaufende Kupplung, die an der Welle angeordnet ist, um zwischen unterschiedlichen Übersetzungen zu schalten. Weitere Antriebskomponenten können vorhanden sein und sind üblicherweise mit dem Betrieb des Fahrzeugs verbunden.
  • Die 4–12 stellen verschiedene beispielhafte Ausführungen in Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung dar. Die beispielhaften Systeme umfassen eine dritte Maschine MG3 26, die mit den Vorderrädern W gekoppelt ist. Diese Ausführungsbeispiele ermöglichen ausgewählte Allrad-Betriebsmoden für beispielhafte Fahrzeuge in Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung. MG3 26 kann direkt mit der Schaltbox 21 verbunden sein. Energie kann direkt von dem Verbrennungsmotor 20 zu MG3 26 fließen. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine zweite Schaltbox 31 zusammen mit einem dritten Inverter 22C, die beide mit MG3 26 verbunden sind, vorhanden. Entsprechend ermöglicht das Vorhandensein des dritten Inverters und der zweiten Schaltbox verschiedene Energieflussmuster zwischen dem Verbrennungsmotor, der Batterie, den Invertern und den Motoren/Generatoren. 3 ist eine Liste, die funktionale Beschreibungen für verschiedene mit den verschiedenen Schaltboxen, Invertern und Motor/Generatorenausführungen verbundene Zustände darstellt. Die Zustände 1–11 sind beispielhafte Betriebszustände in Zusammenhang mit dem Betriebszustand der Schaltboxen, der Batterie, der Inverter und der Motoren/Generatoren. Der Modus 7 zeigt ein Beispiel, wonach eine Synchronisierung auftritt, die sicherstellt, dass die Schalter geschlossen werden können, so dass die Phasen in Einklang miteinander stehen. In der Batteriespalte „D” steht für Entladen und „C” steht für Laden.
  • Der Betrieb des Fahrzeugs im „e-direct”-Modus (d. h. die Schalter 25 und/oder 27 sind geschlossen) reduziert die Last auf die Inverter des Fahrzeugs 10 beträchtlich. Entsprechend kann die Invertergröße im Vergleich mit den Fahrzeugen ohne eine Schaltbox 21 und/oder 31 verwendeten Standardinvertern reduziert werden. Das Reduzieren der Invertergröße kann die Hardware-Kosten des Fahrzeugs reduzieren und die allgemeine Systemeffizienz verbessern.
  • Das Hinzufügen einer geeigneten mechanischen Kopplungsvorrichtung (wie z. B. einer Kupplung) kann die Vielseitigkeit des Systems erhöhen, z. B. die Verwendung von „e-direct”, um die Energieverteilung zwischen der Vorderachse und der Hinterachse des Fahrzeugs 10 zu lenken. Die „e-direct”-Hardware kann so positioniert werden, dass entweder der vordere MG1 12 oder der hintere Motor/Generator MG2 24 einbezogen sind. Dies kann auch implementiert werden, wenn sowohl der Antriebsmotor 24 als auch 26 gleichzeitig oder unabhängig voneinander betrieben werden.
  • Das Getriebe des Fahrzeugs kann als mechanische Kopplungsvorrichtung arbeiten. Ein Beispiel einer mechanischen Kopplungsvorrichtung kann eine Kupplung sein, wie z. B. in einem konventionellen manuellen Getriebe oder einem Doppel-Kupplungs-Getriebe, eine nasslaufende Kupplung, die sich in einem Automatikgetriebe befindet, ein Drehmomentenwandler, der sich in einem Automatikgetriebe findet, eine Klauenkupplung oder jede andere mechanische Verbindungseinrichtung, die ca. 100% Drehmomentübertrag in einem Betriebsmodus und ca. 0% Drehmomentübertrag in einem anderen Betriebsmodus ermöglicht. Die mechanische Kopplungsvorrichtung kann zudem in der Lage sein, einen breiten Bereich von Drehmomenten von 0 bis 100% zu übertragen oder Drehmomentvervielfachungseigenschaften aufweisen, wie in einem Automatikgetriebedrehmomentwandler. Infolgedessen kann ein Generator 12 von dem Verbrennungsmotor 20 entkoppelt und Energie oder Drehmoment zu dem Generator MG1 12 übertragen werden, während der Verbrennungsmotor 20 mit einer von dem Generator unabhängigen Drehzahl läuft. Eine Eigenschaft wie z. B. „e-direct” kann dadurch verbessert werden, dass „e-direct” ermöglicht wird, sich einzuschalten, wenn das Fahrzeug gestoppt wird, wobei eine mechanische Rutschvorrichtung (d. h. Kopplungseinrichtung oder das Getriebe) verwendet wird. Der Generator 12 kann mit dem Motor 24 über den Drei-Phasen-Bus gekoppelt sein, wodurch der Generator/Motor 12/24 dazu gebracht wird, so zu wirken, als seien sie mechanisch verbunden. Ein anderer Vorteil ist, dass die Getriebe 14A/14B ermöglichen, dass das Fahrzeug 10 gestartet wird, ohne dass der Inverter 22 oder die Batterie 16 benötigt wird.
  • Die Einbeziehung einer Schaltbox 21 mit Schaltern 25, wie z. B. ein Zwei-Positions-Schalter, ermöglicht den „e-direct”-Betrieb zu entweder den Vorder- oder den Hinterrädern W. Das Polverhältnis/Übersetzungsverhältnis kann optimiert werden, so dass der Verbrennungsmotor 20 über „e-direct”-Energie in mehreren Gängen, d. h. bei verschiedenen optimierten Verbrennungsmotordrehzahlen, über „e-direct” übertragen kann. In einem Beispiel kann das System ein Hartkoppeln der Drei-Phasen-Wechselstromenergiekabel mit dem gleichen Bus wie der Generator MG1 12 oder der hintere Antriebsmotor MG2 24 umfassen. Ein vorderer Antriebsmotor MG3 26 kann dieselbe elektrische Frequenz wie der hintere Motor MG2 24 aufweisen. Das bedeutet, dass die beiden Motoren mit Drehzahlen laufen werden, die umgekehrt proportional zu ihrer relativen Anzahl von Polen sind. Allerdings kann die Achsendrehzahl aufgrund von Kurvenfahrten, Reifenabnutzung, Getriebe, etc. abweichen, wobei die konforme mechanische Kopplung diesen Veränderungen Rechnung trägt. Wenn das Fahrzeug um eine Kurve fährt, legen die Vorderräder W eine größere Entfernung zurück als die Hinterräder W. Das bedeutet, dass der vordere Motor MG3 26 proportional schneller als der hintere Motor MG2 24 läuft. Da in der „e-direct”-Konfiguration die elektrischen Phasen hartgekoppelt sind, kann der vordere Motor MG3 26 von einer konformen Kopplung zwischen dem Motor und den Rädern W profitieren. Die konforme Kopplung (mit ähnlichen Möglichkeiten wie in Bezug auf den konformen Motor/Generator-Kuppler beschrieben) und die Antriebseinheit zwischen dem vorderen Motor MG3 26 und den Rädern W kann so konfiguriert werden, dass der Motor (unter Verwendung des Getriebes) immer schneller als die Kopplungsausgangsdrehzahl läuft. Das bedeutet, dass der Motor den Rädern Energie bereitstellen kann.
  • In einem anderen Beispiel kann der vordere Radantriebsmotor MG3 26 mit dem Generator MG1 12 hartgekoppelt sein. Der vordere Antriebsmotor MG3 26 und der Generator MG1 12 können somit mit einem konstanten Drehzahlverhältnis laufen. Der Inverter 22A kann entweder Energie an die Vorderräder W liefern, Energie von dem Generator MG1 12 aufnehmen oder Energie modulieren, wenn der Generator MG1 12 Energie an die Vorderräder W während des „e-direct”-Betriebs liefert. Ein zweites „e-direct”-Schaltgerät 31 kann hinzugefügt werden, so dass der vordere und/oder hintere Motor mit dem Generator MG1 12 proportional hartgekoppelt ist. im Ergebnis kann der erste Inverter 22A den vorderen Motor MG3 26 oder die elektrische Maschine mit Energie versorgen. Der Generator MG1 12 wird den vorderen Motor MG3 26 andrehen, so dass der Verbrennungsmotor 20 wenn nötig entkoppelt werden kann.
  • Im Betrieb können zahlreiche Varianten unter Verwendung der oben beschriebenen Konfiguration als Basis verwirklicht werden. Zum Beispiel:
    • – An-/Ausschalten von Invertern, um entweder konventionell zu arbeiten oder in einem Inverter-freien Betrieb.
    • – Verwenden von IGBTs oder anderer gesteuerter Schaltkreise, um zwischen einem Leiten von Energie einer elektrischen Maschine zu dem Inverter oder zu einer anderen elektrischen Maschine umzuschalten. Verwenden von unterschiedlichen Motortypen, wie z. B. Permanentmagnet-Synchronmaschinen oder Wechselstrom-Induktionsmaschinen, um die Toleranz in Bezug auf zeitliche Abweichungen zwischen den beiden elektrischen Maschinen zu erhöhen oder zu reduzieren.
    • – Gleichrichten oder auf andere Weise Verändern des Betrages oder des Zeitverhaltens des Wechselstromsignals, um die Ausgangsleistung zu steuern.
    • – Anpassen der Phasen oder der Buskapazität, der Induktivität oder einer anderen Eigenschaft, um die Energie oder die Stabilität zwischen den beiden elektrischen Maschinen zu kontrollieren.
    • – Aktives oder passives Kontrollieren der Motorleistung, um das Zeitverhalten zwischen den elektrischen Phasen jeder elektrischen Maschine in Einklang zu bringen.
  • Bezugnehmend auf die 13–15 kann das System zur Steuerung elektrischer Energie eine „e-direct”-Schaltbox 21 oder 31 umfassen, die die Energieverteilung zwischen dem Verbrennungsmotor 20 und einem Antriebsmotor MG2 24 oder MG3 26 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Fahrzeugs steuert. Die Schaltbox 21 kann sich zwischen dem Verbrennungsmotor 20 und MG1 21 befinden und Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlungsverluste im System aufgrund der direkten Verbindung eliminieren. Es wird darauf hingewiesen, dass der Energieumwandlungsprozess weniger als 100% effizient ist, was zu Verlusten in dem System führt. Wie in den Figuren dargestellt, befindet sich die erste elektrische Maschine MG1 12 in direkter elektrischer Verbindung mit der zweiten elektrischen Maschine MG2 24 über die Schaltbox 21, so dass Wechselstromenergie von der ersten elektrischen Maschine MG1 12 Energie direkt der zweiten elektrischen Maschine MG2 24 bereitstellt, Es wird erwähnt, dass MG1 12 mit einer Drehzahl und Last betrieben werden kann, wonach die Energie direkt zu der zweiten elektrischen Maschine übertragen wird.
  • Verschiedene Typen von Schaltern werden betrachtet, z. B. der Rotationsschalter dieses Beispiels. Der Schalter 21 reduziert mit der Energieumwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom oder zwischen elektrischen und mechanischen Quellen verbundene Verluste.
  • In einem Beispiel umfasst die Schaltbox 21 einen Kontaktmechanismus und einen Sensor und Steuerelement. Die Schaltbox 21 kann ein Drei-Phasen-Wechselstromschalter sein, obwohl andere Ausführungen denkbar sind. Eine Seite des Kontaktmechanismus mit dem Drei-Phasen-Ausgang des Generators verbunden, während die andere Seite mit dem Drei-Phasen-Eingang des Traktionsmotors verbunden ist. Darüber hinaus sind Mittel vorhanden, die eine Phasenumkehr durch Vertauschen zweiter der Phasen ermöglichen. In einem weiteren Beispiel wird ein Drehschalter (wenn der Kontaktmechanismus mittels eines rotatorischen Aktuators bewegt wird) oder ein Linearschalter (wenn der Kontaktmechanismus mittels eines linearen Aktuators oder eines Relais oder ähnlichem bewegt wird) bereitgestellt. Der Sensormechanismus erfasst die Spannung, Frequenz und die Phasenbeziehung zwischen der Spannung an jeder Seite der Schaltbox 21. Basierend auf diesem Eingangssignal und unter Verwendung eines geeigneten Steueralgorithmus in Abhängigkeit vom Zustand des Antriebs kann die Schaltbox 21 dazu gebracht werden, in den „e-direct”-Modus überzugehen (d. h. die Schalter 25 zu schließen). Die Schaltbox 21 kann in Kommunikation mit einem Fahrzeug/Hybrid-Controller sein, um den Schaltvorgang zu koordinieren. Diese Kommunikation kann über ein CAN-Protokoll oder ähnlich erfolgen.
  • In einem Beispiel umfasst die Drehschalterbox 21, wie in den 13–15 gezeigt, zwei Teile – einen stationären, der mit dem Generatorausgang verbunden ist und einen Teil, der relativ zu dem stationären rotieren kann und mit dem Motoreingang verbunden ist. Der rotierbare Teil kann Kupfer-(oder ein anderes leitfähiges Material)Schienen umfassen, zu denen die Verbindungen bestehen. Die Verbindungen von dem stationären Teil zu dem drehbaren Teil erfolgen über Bürsten (aus einem Metall oder Graphit oder einer Kombination davon), die ausgebildet sind, auf der Oberfläche des drehbaren Teiles zu gleiten. Es kann auch ein mit den Bürsten oder gleichzeitig mit den Bürsten angeordneter Wischer vorhanden sein, der ein Entfernen von leitfähigen Ablagerungen unterstützt. Der drehbare Teil kann mit einem Drehaktuator, wie z. B. einem Schrittmotor oder ähnlichem, verbunden sein. Sobald der Sensorschaltkreis und der Controller bestimmen, dass die Bedingungen zum Betätigen der Schalter 25 erfüllt sind, wird der Drehaktuator aktiviert, um den drehbaren Teil zu bewegen und den Motoreingang mit dem Generatorausgang zu verbinden. Das lineare Beispiel kann ähnlich dadurch implementiert werden, dass die obigen drehbaren Elemente durch lineare Elementen ersetzt werden.
  • In einem weiteren Beispiel ist die Schaltbox 21 ein elektro-mechanischer Schalter, wobei der mechanische Schalter über ein Relaismechanismus oder ähnliches bewegt wird. Eine Abwandlung des elektro-mechanischen Schalters ist ein hybrider elektronischer und elektro-mechanischer Schalter. In diesem Beispiel ist eine Leistungselektronikeinrichtung (IGBT, MOSFET oder ähnliches) parallel zu jedem Anschluss des elektro-mechanischen Schalters angeordnet, Bei Empfang des Kommandos von dem Controller wird zunächst die Leistungselektronikeinrichtung geschlossen und dann wird der elektro-mechanische Schalter aktiviert. Das Schließen der Leistungselektronikeinrichtung erfolgt viel schneller als der elektro-mechanische Schalter und ermöglicht somit ein effizientes früheres Schließen. Der elektro-mechanische Schalter kann die Betriebsströme verarbeiten, so dass die Leistungselektronikeinrichtung lediglich Stromspitzen für eine kurze Zeitdauer beherrschen muss.
  • Beispielsweise, wenn eine näherungsweise identische Anpassung der Drehzahlen zwischen MG1 12 und MG2 24 nicht möglich ist, müssen die Schalter in der Box 21 relativ schnell geschlossen werden. Mechanische Schalter können verwendet werden, da sie ein hohes Effizienzniveau besitzen, wobei jedoch ihre Reaktionszeit in einigen Situationen nicht angemessen ist. Ein hybrider Leistungselektronik-/mechanischer Schalter, wie in Box 21 gezeigt, kann verwendet werden. Beispielsweise sind zwei IGBTs für jeden mechanischen Schalter vorhanden, die ermöglichen, dass Strom in beide Richtungen fließt. Allerdings ist nur ein IGBT notwendig. Andere Leistungselektronikeinrichtungen können verwendet werden, z. B. (jedoch hierauf nicht beschränkt) MOSFETs, Thyristoren, SCRs, etc. Wenn die Schalter geschlossen sind und direkten Energietransfer zwischen den elektrischen Maschinen erlauben, können die Spannungsniveaus mit einem Controller überwacht werden. Wenn sich die Drei-Phasen-Spannung angleicht (wenn auch nur für einen kurzen Moment), scheidet sich die Festkörperschalteinrichtung ein und arretiert die Phasen miteinander. Dies hält die Spannung über die mechanischen Kontakte bei Null, was diesen erlaubt, mit geringem Risiko zu schließen.
  • Im Betrieb sind verschiedene mögliche Betriebsmodi beispielhaft beschrieben, wobei andere denkbar sind. Zum Beispiel schließt oder kappt ein bremsendes Fahrzeug das „e-direct”-Merkmal durch Öffnen des Schaltkreises. In einem anderen Beispiel wird der „e-direct”-Schalter während einer Beschleunigung unterhalb einer vorgegebenen Geschwindigkeit, wie z. B. 5 bis 15 Meilen pro Stunde und darüber ist der Schalter weiter geschlossen, um das „e-direct”-Merkmal vollständig zu implementieren. In einem anderen Beispiel ist „e-direct” in Übergangszuständen, wie z. B. Leistungsanforderungszuständen, implementiert. Es wird darauf hingewiesen von „e-direct” und „e-split” zusammen oder unabhängig voneinander implementiert sein können.
  • Das System kann eine Generator-/Motordrehzahl unter Verwendung eines Sensors und eine Verbrennungsmotordrehzahl erfassen. Jedes der Drehzahlsignale wird zu einem Prozessor gesendet. Ein Schaltkreis innerhalb des Prozessors wertet sowohl die Drehzahlsignale aus und übermittelt ein Signal an das Getriebe, um die Übersetzung gezielt zu steuern, um des Weiteren das Übertragen von Leistung des Verbrennungsmotors zu dem Generator/Motor zu steuern. Folglich kann der Generator/Motor mit einer Drehzahl betrieben werden, die unabhängig ist von der Verbrennungsmotordrehzahl, um die Effizienz des Systems zu maximieren. Als Folge dieser Effizienz hat ein Fahrzeugentwickler eine größere Freiheit in der Auswahl der Verbrennungsmotorbetriebspunkte zum Maximieren der Systemeffizienz. Des Weiteren wird ein Signal zu dem „e-direct”-Schalter gesendet, um die Energieverteilung zu steuern.
  • Das Hybridfahrzeug kann andere Merkmale aufweisen, die üblicherweise für ein Fahrzeug bekannt sind. Zum Beispiel einen Benzinmotor, andere Controller, einen Antriebszug oder ähnliches. Viele Änderungen oder Abwandlungen der vorliegenden Offenbarung sind in Anbetracht der obigen Lehre möglich. Daher kann die vorliegende Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche in anderer Weise als spezifisch beschrieben realisiert werden.
  • Übersetzungen der Figuren
  • Figuren 2a, 2b
    English Deutsch
    Battery Batterie
    Inverter 1 Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter 1
    Inverter 2 Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter 2
    DC Power Gleichstrom
    MG 1 Motor/Generator 1
    MG 2 Motor/Generator 2
    3-Phase AC Dreiphasenwechselstrom
    State 1 Zustand 1
    State 2 Zustand 2
    State 3 Zustand 3
    Figur 3
    English Deutsch
    Functional description Funktionale Beschreibung
    Rear drive battery only propulsion Hinterantriebbatterie nur Antriebskraft
    Rear drive battery only regenerative braking Hinterantriebbatterie nur Nutzbremsung
    All wheel drive battery electric propulsion Allradantriebsbatterie elektrische Antriebskraft
    All wheel drive battery only regenerative braking Allradantriebsbatterie nur Nutzbremsung
    Engine starting Motor starten
    Engine running DC conversion all drives active Motor läuft, Gleichstromkonversion, alle Antriebe aktiv
    e-direct synchronizing main drive Direkte elektrische Verbindung synchronisiert Hauptantrieb
    e-direct synchronized main drive Direkte elektrische Verbindung mit Hauptantrieb synchronisiert
    e-direct synchronizing AWD Direkte elektrische Verbindung synchronisiert Allradantrieb
    e-direct synchronized AWD Direkte elektrische Verbindung mit Allradantrieb synchronisiert
    e-direct all drives Direkte elektrische Verbindung alle Antriebe
    battery Batterie
    Switch 21 Schalter 21
    open Offen
    synch synchronisiert
    closed Geschlossen
    Switch 31 Schalter 31
    Motor 24 Motor 24
    Inv 22B Inverter 22B
    on An
    Motor 26 Motor 26
    Inv 22C Inverter 22C
    Gen 12 Generator 12
    Figuren 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
    English Deutsch
    Engine gear Motorantrieb
    200 kW battery pack 200 kW Batteriepaket
    DC-power Gleichstrom
    Shifting verschieben
    Drive Antrieb
    Gen/Set Inverter 50 kW Gen/Set Inverter 50 kW
    Generator Generator
    Traction Traktion
    Traction inverter 150 kW Traktionsinverter 150 kW
    AWD Inverter 50 kW Allradantriebinverter 50 kW
    Gear transition to start engine Antriebsübergang, um den Motor zu starten
    Synchronizing Synchronisieren
    e-split Aufgeteilte Antriebsübertragung
    e-direct Direkte elektrische Verbindung
    Figuren 13, 14, 15
    English Deutsch
    Reversing contactor Umkehrschalter
    Phase lock Phasenregelung
    wiper Kontaktfinger

Claims (20)

  1. System zur Steuerung elektrischer Energie für ein Hybridfahrzeug, mit: (a) einem Motor; (b) einem ersten Inverter; (c) einer ersten elektrischen Maschine, die mit dem Motor und dem ersten Inverter verbunden ist; (d) einem ersten Getriebe, das zwischen dem Motor und der ersten Maschine eingekoppelt ist, wobei das erste Getriebe eine derart einstellbare Übersetzung aufweist, dass die Betriebsdrehzahl der ersten Maschine unabhängig von einer Motorbetriebsdrehzahl ist; (e) eine zweite elektrische Maschine, die mit einem zweiten Inverter und einer Radachse gekoppelt ist; (f) eine Hochspannungsbatterie, die sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Inverter verbunden ist; (g) eine zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine angeordnete Schaltbox, wobei die Schaltbox schließ- und öffenbare Schalter aufweist, die eine direkte elektrische Verbindung von der ersten zu der zweiten elektrischen Maschine ermöglichen.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Schaltbox eine Mehrzahl von Schaltern aufweist, die einen Fahrzeugbetrieb in einer Mehrzahl von Betriebszuständen ermöglichen.
  3. System nach Anspruch 2, wobei in einem ersten Betriebszustand sämtliche Schalter geöffnet sind, so dass eine elektrische Verbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine verhindert ist.
  4. System nach Anspruch 2, wobei in einem zweiten Betriebszustand sämtliche Schalter geschlossen sind, so dass eine elektrische Verbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine besteht.
  5. System nach Anspruch 2, wobei in einem dritten Betriebszustand sämtliche Schalter geschlossen sind, so dass eine derartige elektrische Verbindung zwischen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine besteht, dass eine der elektrischen Maschinen rückwärts betrieben werden kann.
  6. System nach Anspruch 1, wobei die elektrische Maschine als Generator betreibbar ist, wenn sie in einer negativen Drehmomentrichtung läuft und als Motor, wenn sie in einer entgegengesetzten positiven Drehmomentrichtung läuft.
  7. System nach Anspruch 1, wobei die Energie von dem Motor zu der Batterie und von der Batterie zu dem Motor und der Radachse übertragen werden kann.
  8. System nach Anspruch 1, mit einer mechanischen Zusammenwirkungseinrichtung, die zwischen dem Motor und der ersten elektrischen Maschine angeordnet ist und ausgebildet ist, den Motor gezielt von der ersten elektrischen Maschine abzukoppeln.
  9. System nach Anspruch 1, wobei die mechanische Zusammenwirkungseinrichtung eine Kupplung ist.
  10. System nach Anspruch 1, mit einer dritten elektrischen Maschine, die mit einer zweiten Radachse der Fahrzeugs und der Schaltbox gekoppelt ist.
  11. System nach Anspruch 10, wobei die Schaltbox eine direkte elektrische Verbindung zwischen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine und der dritten elektrischen Maschine ermöglicht.
  12. System nach Anspruch 10, mit einer mechanischen Zusammenwirkungseinrichtung, die zwischen der zweiten Radachse und der dritten elektrischen Maschine angeordnet ist und ausgebildet ist, die Radachse gezielt von der dritten elektrischen Maschine abzukoppeln.
  13. System nach Anspruch 10, wobei die dritte elektrische Maschine direkt mit dem zweiten Inverter und der zweiten elektrischen Maschine gekoppelt ist.
  14. System nach Anspruch 10, wobei die dritte elektrische Maschine direkt mit dem ersten Inverter und der ersten elektrischen Maschine gekoppelt ist.
  15. System nach Anspruch 10, mit einer zweiten Schaltbox, die zwischen der dritten elektrischen Maschine und der ersten elektrischen Maschine und dem ersten Inverter angeordnet ist und ein gezieltes Verbinden der dritten elektrischen Maschine und der ersten elektrischen Maschine und des ersten Inverters ermöglicht.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die zweite Schaltbox zudem zwischen der ersten elektrischen Maschine und dem ersten Inverter angeordnet ist.
  17. System nach Anspruch 1, wobei die Schaltbox eine Mehrzahl von Schaltern umfasst, die leistungselektronische und mechanische Schütze aufweisen.
  18. System nach Anspruch 1, wobei das erste Getriebe eine Mehrzahl von Übersetzungen aufweist, die dem Motor und der ersten elektrischen Maschine ermöglichen, entsprechend der Übersetzung mit verschiedenen Drehzahlen betrieben zu werden.
  19. System nach Anspruch 1, mit einem zweiten Getriebe, das zwischen einem Motor und der zweiten elektrischen Maschine eingekoppelt ist, wobei das zweite Getriebe eine derart einstellbare Übersetzung aufweist, dass die Betriebsdrehzahl der zweiten Maschine unabhängig von einer Motorbetriebsdrehzahl ist.
  20. Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs, mit den Schritten: (a) Koppeln eines Motors mit einer ersten elektrischen Maschine, die ausgebildet ist, die elektrische Maschine zur Energieerzeugung zu drehen; (b) Bereitstellen eines Getriebes zwischen dem Motor und der ersten elektrischen Maschine; (c) Auswählen einer vorbestimmten Übersetzung zwischen Motordrehzahl und Drehzahl der elektrischen Maschine und Betreiben des Motors mit einer ersten Drehzahl und Betreiben der ersten elektrischen Maschine entsprechend der Übersetzung; (d) Übermitteln von Energie von der ersten elektrischen Maschine zu einer Schaltbox und zu einem ersten Inverter, wobei der erste Inverter mit einem zweiten Inverter gekoppelt ist und eine Hochspannungsbatterie und der zweite Inverter zudem mit einer mit einer Radachse des Fahrzeugs gekoppelten zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sind; und (e) gezieltes Öffnen und Schließen einer Mehrzahl von Schaltern in der Schaltbox angeordnet zwischen der ersten elektrischen Maschine und der zweiten elektrischen Maschine; wobei Energie direkt von der ersten elektrischen Maschine zu der zweiten elektrischen Maschine übertragbar ist, wenn die Schalter geschlossen sind.
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