DE112016004906B4

DE112016004906B4 - Antriebssystem und Antriebssteuerungsverfahren

Info

Publication number: DE112016004906B4
Application number: DE112016004906.4T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Miyama; Masaki Yamada; Takeshi Mori; Shigeki Harada; Moriyuki Hazeyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2036-08-20
Also published as: JP6198979B1; WO2017073144A1; CN108137034B; DE112016004906T5; CN108137034A; US10668917B2; US20180236999A1; JPWO2017073144A1

Abstract

Antriebssystem, das Folgendes aufweist:- eine Batterie (2);- eine Energieerzeugungsvorrichtung (101), die einen Verbrennungsmotor (4) aufweist, sowie einen Generator (G), der an einer Welle des Verbrennungsmotors angebracht ist und dazu ausgebildet ist, Energie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie umzuwandeln, und einen Inverter (105), der mit dem Generator verbunden ist und dazu ausgebildet ist, Gleichstromenergie und Wechselstromenergie ineinander umzuwandeln;- eine Antriebsvorrichtung (100), die einen Motor (M) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine angetriebene Komponente (80) anzutreiben;- eine Schalteinrichtung (6), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindungsrelation der Batterie (2) und der Energieerzeugungsvorrichtung (101) an beiden Enden der Antriebsvorrichtung (100) in eine Reihenschaltung und eine Parallelschaltung umzuschalten; und- eine Antriebssteuerung (200), die dazu ausgebildet ist, eine Antriebssteuerung für die Energieerzeugungsvorrichtung (101) und die Antriebsvorrichtung (100) sowie eine Umschaltsteuerung für die Schalteinrichtung auszuführen, wobei die Antriebssteuerung (200) während der Parallelschaltung die Schalteinrichtung (6) derart steuert, dass jeweilige hochspannungsseitige Anschlüsse von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2) mit einem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden sind, und dass jeweilige niederspannungsseitige Anschlüsse von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie mit einem niederspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden sind, und wobei die Antriebssteuerung (200) während der Reihenschaltung die Schalteinrichtung (6) derart steuert, dass der hochspannungsseitige Anschluss entweder von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) oder von der Batterie (2) mit dem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden ist, dass der niederspannungsseitige Anschluss des entsprechend anderen Elements von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2) mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden ist, und dass die Anschlüsse der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2), die nicht mit der Antriebsvorrichtung (100) verbunden sind, miteinander verbunden sind, und wobei die Antriebssteuerung (200), wenn die Batterie (2) und die Energieerzeugungsvorrichtung parallelgeschaltet sind, ein Wirkungsgradkennfeld verwendet, das erhalten wird, indem eine Drehzahl des Generators und ein Drehmoment des Generators mit einem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, einem Wirkungsgrad des Generators und einem Wirkungsgrad des Inverters multipliziert werden, und vorab ein Gesamt-Wirkungsgrad, der um eine Spannung der Batterie (2) korrigiert ist, vorgegeben wird, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors (4), die einer Drehzahl des Generators entspricht, entsprechend einer Drehzahl und einem Drehmoment, die für den Motor benötigt werden, sowie der Spannung der Batterie (2) zu ändern, so dass der Gesamt-Wirkungsgrad auf einer Linie mit gleicher Ausgabeleistung einer für den Motor benötigten Ausgabeleistung maximiert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem und ein Antriebssteuerungsverfahren für die Antriebssteuerung einer Antriebsvorrichtung und einer Energieerzeugungsvorrichtung, die beispielsweise in einem Antriebsmechanismus für ein elektrisches Fahrzeug und ein Hybridfahrzeug verwendet werden.
TECHNISCHER HINTERGRUND
In einem Fahrzeug-Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der WO 2008/ 062 590 A1 (Patentliteratur 1), ein System vorgeschlagen, bei dem ein Hochsetzsteller zwischen einer Batterie und einem Motor angeordnet ist, um einen Antriebsbereich unter Verwendung eines kleinen Motors abzudecken, ohne die Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen einer Batterie zu erhöhen.
Es wurde weiterhin bereits ein Steuerungsverfahren vorgeschlagen, beispielsweise in der JP H03- 203 501 A (Patentliteratur 2), dem zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung mehrerer Batterien umgeschaltet wird, um eine Verschlechterung bei der Ladbarkeit der Batterien während einer langsamen Fahrgeschwindigkeit und eine Verschlechterung der Batterien aufgrund hoher Ströme bei schneller Fahrgeschwindigkeit zu verhindern.
Die EP 2 965 942 A1 betrifft eine Energieversorgungssteuerungsvorrichtung und ein Energieversorgungssteuerungsverfahren für ein Fahrzeug. Die Vorrichtung weist dabei einen Batteriebereich mit einer Vielzahl von Batterien, deren Verbindungsmodus zwischen einem Serienmodus und einem Parallelmodus geschaltet werden kann, einen Motor, einen Generator, welcher mit dem Motor in einer Parallelschaltung verbunden ist, und einen Schaltbereich auf, der den Verbindungsmodus der Batterien in den Serienmodus oder den Parallelmodus umschalten kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Wenn bei dem oben beschriebenen Fahrzeug-Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik der Hochstellsetzer, wie in der Patentliteratur 1 beschrieben, verwendet wird, wird eine zusätzliche Komponente, nämlich der Hochstellsetzer, benötigt. Für den Hochsetzsteller wird eine Ausgangsleistung, die äquivalent zu der eines Motors und eines Inverters ist, benötigt. Die Wirkung, die durch das Verkleinern eines Motors erreicht wird, wird durch das Hinzufügen des Hochsetzstellers aufgehoben, mit dem Resultat, dass die Wirkung der Verkleinerung des Systems reduziert ist.
Darüber hinaus benötigt der Hochsetzsteller Umschaltvorgänge eines Halbleiter-Leistungsschalters und eines Boost-Reaktors, und an diesen beiden Bauteilen treten Verluste auf. Daher ist eine Kühlung erforderlich, die äquivalent zu der für den Motor und den Inverter ist. Wenn beispielsweise eine Wasserkühlung durchgeführt werden muss, so muss eine Wasserkühlungs-Leitung an den Hochsetzsteller angeschlossen werden.
In der Patentliteratur 2 wird zudem ein Verfahren beschrieben, bei dem zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung mehrerer Batterien umgeschaltet wird, um den Betriebsbereich des Motors zu vergrößern. Allerdings ergibt sich dort das Problem, dass aus der Erhöhung der Anzahl der Komponenten eine Vergrößerung der Vorrichtung resultiert. Außerdem entspricht der Zustand, in dem die Batterien in Reihe geschaltet sind, lediglich der Verwendung einer einzelnen Batterie mit hoher Spannung.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die obenstehenden Probleme zu lösen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Antriebssystem mit einer simplen Struktur, das verkleinert werden kann, sowie ein entsprechendes Antriebssteuerungsverfahren anzugeben.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mittels eines Antriebssystem gemäß dem Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 und mittels eines Antriebssteuerungsverfahren gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise ein Antriebssystem angegeben, das Folgendes aufweist: eine Batterie;

eine Energieerzeugungsvorrichtung, die einen Generator aufweist, der an einer Welle eines Verbrennungsmotors angebracht ist;
eine Antriebsvorrichtung, die einen Motor aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine angetriebene Komponente anzutreiben;
eine Schalteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine Verbindungsrelation der Batterie und der Energieerzeugungsvorrichtung an beiden Enden der Antriebsvorrichtung in eine Reihenschaltung und eine Parallelschaltung umzuschalten; und eine Antriebssteuerung, die dazu ausgebildet ist, eine Antriebssteuerung für die Energieerzeugungsvorrichtung und die Antriebsvorrichtung sowie eine Umschaltsteuerung für die Schalteinrichtung auszuführen, wobei die Antriebssteuerung während der Parallelschaltung die Schalteinrichtung derart steuert, dass jeweilige hochspannungsseitige Anschlüsse der Energieerzeugungsvorrichtung und der Batterie mit einem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung verbunden sind, und dass jeweilige niederspannungsseitige Anschlüsse der Energieerzeugungsvorrichtung und der Batterie mit einem niederspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung verbunden sind, und wobei die Antriebssteuerung während der Reihenschaltung die Schalteinrichtung derart steuert, dass der hochspannungsseitige Anschluss entweder von der Energieerzeugungsvorrichtung oder von der Batterie mit dem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung verbunden ist, dass der niederspannungsseitige Anschluss des entsprechend anderen Elements von der Energieerzeugungsvorrichtung und von der Batterie mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der

Antriebsvorrichtung verbunden ist, und dass die Anschlüsse der Energieerzeugungsvorrichtung und der Batterie, die nicht mit der Antriebsvorrichtung verbunden sind, miteinander verbunden sind.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Antriebssteuerung zu erhalten, die eine simple Struktur aufweist und verkleinert werden kann, sowie ein geeignetes Antriebssteuerungsverfahren bietet.
Figurenliste

1 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Antriebssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Abbildung zur Darstellung eines Beispiels für eine Konfiguration einer Antriebsvorrichtung gemäß 1.
3 ist eine Tabelle, die EIN/AUS-Zustände einer Schalteinrichtung gemäß 1 und Verbindungsrelationen einer Batterie und einer Energieerzeugungsvorrichtung in diesen Zuständen zeigt.
4 ist eine Abbildung zur Darstellung eines Zustands einer Schaltung während einer Parallelschaltung des Antriebssystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Abbildung zur Darstellung eines Zustands einer Schaltung während einer Reihenschaltung des Antriebssystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Antriebssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Tabelle, die EIN/AUS-Zustände der Umschalter der Schalteinrichtung gemäß 1 und Verbindungsrelationen der Batterie und der Energieerzeugungsvorrichtung in diesen Zuständen zeigt
8 ist eine Abbildung zur Darstellung eines Zustands einer Schaltung während einer Parallelschaltung des Antriebssystems gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Abbildung zur Darstellung eines Zustands einer Schaltung während einer Reihenschaltung des Antriebssystems gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Antriebssystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Funktionsblockschaltbild zur Darstellung einer Peripherie einer Antriebssteuerung des Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine schematische Ansicht zur Darstellung eines Beispiels für eine Konfiguration der Antriebssteuerung des Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 ist ein Ablaufdiagramm zur Darstellung einer Steuerung durch die Antriebssteuerung des Antriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Antriebssystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltvorrichtung angegeben, die dazu konfiguriert ist, aus der Sicht einer Antriebsvorrichtung zwischen einer seriellen Verbindung bzw. Reihenschaltung und einer parallelen Verbindung bzw. Parallelschaltung einer Batterie und einer Energieerzeugungsvorrichtung umzuschalten. Dadurch kann der Motor verkleinert werden, ohne dass die Kapazität der Batterie und die Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen erhöht werden müssen.
Der Anwendungsbereich des Antriebssystems und des Antriebssteuerungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf ein Kraftfahrzeug beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist beispielsweise auch in einem Zug verwendbar, oder, in einem weitergehenden Sinne, in einer Vorrichtung, die einen Antriebs- und einen Energieerzeugungsmechanismus aufweist, die dazu ausgelegt sind, eine angetriebene Komponente unter Verwendung einer Antriebsvorrichtung anzutreiben, die mit einer Batterie und einer Energieerzeugungsvorrichtung verbunden ist.
Im Folgenden werden das Antriebssystem und das Antriebssteuerungsverfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Ausführungsformen wird ein beispielhafter Fall beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung in einem bekannten elektrischen Fahrzeug und einem bekannten Hybridfahrzeug eingesetzt wird. In den Ausführungsformen werden gleiche oder entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und es wird auf redundante Beschreibungen verzichtet.
Erste Ausführungsform (Verbrennungsmotor ist nicht mit den Antriebsrädern verbunden, und Batterie ist auf der Erdungsseite angeordnet)
1 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Kraftfahrzeug-Antriebssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Kraftfahrzeug-Antriebssystem 1 in 1 weist eine Gleichstrombatterie 2 sowie eine Antriebsvorrichtung 100 , eine Energieerzeugungsvorrichtung 101, eine Schalteinrichtung 6 und eine Antriebssteuerung 200 auf.
Die Antriebsvorrichtung 100 weist einen Inverter 103 und einen mit dem Inverter 103 verbundenen Motor (M) 3 auf. Der Inverter 103 ist mit der Batterie 2 verbunden und wandelt Gleichstromenergie und Wechselstromenergie ineinander um. Der Motor 3 ist eine rotierende elektrische Maschine, die die Antriebsräder 8 eines Fahrzeugs antreibt und sie in Rotation versetzt, indem er Wechselstromenergie in mechanische Energie umwandelt. Die Antriebsräder 8 entsprechen im Falle eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug den angetriebenen Komponenten. Allgemeine angetriebene Komponenten außer dem Kraftfahrzeug sind weiterhin symbolisch als angetriebene Komponente 80 mit gestrichelten Linien dargestellt.
Die Energieerzeugungsvorrichtung 101 weist einen Verbrennungsmotor 4 auf, sowie einen Generator (G) 5, der an einer Welle des Verbrennungsmotors 4 befestigt ist, und einen Inverter 105. Der Generator 5 ist eine rotierende elektrische Maschine, die Antriebsenergie in elektrische Energie umwandelt. Der Inverter 105 ist mit der Batterie 2 und dem Generator 5 verbunden und wandelt Gleichstromenergie und Wechselstromenergie ineinander um.
Der Motor 3 und der Generator 5 sind jeweils durch einen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor mit innen angeordnetem Permanentmagneten gebildet, bei dem der Permanentmagnet in einem Rotor angeordnet ist. Es kann aber auch beispielsweise ein Asynchronmotor oder ein synchroner Reluktanzmotor verwendet werden.
Der Verbrennungsmotor 4 ist mit dem Generator 5 verbunden, ist aber nicht mit den Antriebsrädern 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Daher stellt das Kraftfahrzeug gemäß der ersten Ausführungsform ein elektrisches Fahrzeug dar, das nicht direkt über den Verbrennungsmotor 4 angetrieben wird.
2 ist eine Abbildung, die ein Beispiel für eine Konfiguration der Antriebsvorrichtung 100 gemäß 1 darstellt. Wie in 2 dargestellt, ist in dem Inverter 103 in zwei in Reihe geschalteten Zweigen jeweils ein Umschalter mit einem Halbleiter-Leistungsschalter S und einer Freilaufdiode D angeordnet, die jeweils eine Reihenschaltung bilden. Die Anzahl der Reihenschaltungen entspricht der Anzahl von Phasen. Das heißt, es sind drei Reihenschaltungen parallelgeschaltet.
Eine Spule, die einer der drei Phasen des Motors 3 zugeordnet ist, ist mit einem Verbindungspunkt zwischen einem oberen Zweig 51 auf einer Hochspannungsseite und einem unteren Zweig 52 auf einer Niederspannungsseite der in Reihe geschalteten Zweige verbunden. Spulen, die den anderen zwei Phasen des Motors 3 zugeordnet sind, sind jeweils mit Verbindungspunkten der anderen zwei in Reihe geschalteten Paare verbunden, die jeweils einen oberen Zweig und einen unteren Zweig aufweisen.
Der Inverter 105 der Energieerzeugungsvorrichtung 101 hat eine Konfiguration ähnlich der in 2 gezeigten Konfiguration und ist mit Spulen der drei Phasen des Generators 5 verbunden.
Für die Halbleiter-Leistungsschalter S, die den Inverter 103 und den Inverter 105 bilden, werden IGBTs mit einem Silicium-Halbleiter verwendet. Es können aber auch MOSFETs verwendet werden. Weiterhin kann als Material für den Halbleiter-Leistungsschalter S ein Halbleiter mit großer Bandlücke, wie etwa Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) verwendet werden.
Die Batterie 2 ist eine Lithium-Ionen-Batterie. Es können aber auch andere Akkumulatoren, wie etwa ein Nickel-Wasserstoff-Akkumulator verwendet werden.
Die Schalteinrichtung 6 gemäß 1 weist drei Umschalter auf, und zwar einen Umschalter 601, einen Umschalter 602 und einen Umschalter 603, die in Reihe geschaltet sind. Jeder der Umschalter 601 bis 603 weist einen Halbleiter-Leistungsschalter S und eine dazu parallel geschaltete Freilaufdiode D auf. Die Schalteinrichtung 6 weist vier Anschlussklemmen auf, und zwar eine erste Anschlussklemme 611, eine zweite Anschlussklemme 612, eine dritte Anschlussklemme 613 und eine vierte Anschlussklemme 614. Die erste Anschlussklemme 611 ist an einem Ende des Umschalters 601 angeordnet.
Die zweite Anschlussklemme 612 ist an einem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des Umschalters 601 und einem Ende des Umschalters 602 angeordnet. Die dritte Anschlussklemme 613 ist an einem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des Umschalters 602 und einem Ende des Umschalters 603 angeordnet. Die vierte Anschlussklemme 614 ist an dem anderen Ende des Umschalters 603 angeordnet.
Von den vier Anschlussklemmen 611 bis 614 ist die erste Anschlussklemme 611 mit einem hochspannungsseitigen Gleichstromanschluss H5 des Inverters 105 verbunden, das heißt, der Energieerzeugungsvorrichtung 101, und mit einem hochspannungsseitigen Gleichstromanschluss H3 des Motors 3, das heißt, der Antriebsvorrichtung 100. Die zweite Anschlussklemme 612 ist mit einem hochspannungsseitigen Anschluss H2 der Batterie 2 verbunden.
Die dritte Anschlussklemme 613 ist mit einem niederspannungsseitigen Gleichstromanschluss L5 des Inverters 105 verbunden, das heißt, der Energieerzeugungsvorrichtung 101. Die vierte Anschlussklemme 614 ist mit einem niederspannungsseitigen Gleichstromanschluss L2 der Batterie 2 und einem niederspannungsseitigen Gleichstromanschluss L3 des Motors 3, das heißt, der Antriebsvorrichtung 100, verbunden.
Die Antriebssteuerung 200 steuert die Antriebsvorrichtung 100, die Energieerzeugungsvorrichtung 101 und den Verbrennungsmotor 4 gemäß einem Zustand des Fahrzeugs, der durch Fahrzeugzustandsinformation VCI (vehicle condition information) angegeben wird, und steuert das Öffnen und Schließen der Umschalter 601 bis 603 der Schalteinrichtung 6, um zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie 2 und der Energieerzeugungsvorrichtung 101 zwischen den beiden Enden der Antriebsvorrichtung 100 umzuschalten.
11 ist ein Funktionsblockschaltbild zur Darstellung einer Peripherie der Antriebssteuerung 200. Wie in 12 schematisch dargestellt ist, weist die Antriebssteuerung 200 beispielsweise einen Prozessor 20 auf, der durch eine CPU 22, einen Speicher 23 und eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 21 gebildet ist.
Der Speicher 23 speichert Programme zur Verarbeitung von Funktionen, die in dem Blockdiagramm gemäß 11 und in einem Ablaufdiagramm gemäß 13 dargestellt sind, zusammen mit Daten, die verschiedene, später beschriebene Kennfelder und vorgegebene Werte zur Verwendung in der Verarbeitung einschließen. Die Verarbeitung wird den Programmen entsprechend von der CPU 22 ausgeführt.
Die Antriebssteuerung 200 in 11 weist eine Antriebsvorrichtungs-Steuerung 201 auf, sowie eine Energieerzeugungsvorrichtungs-Steuerung 202, eine Schalteinrichtungs-Steuerung 203 und eine Verbrennungsmotor-Steuerung 204. Wenngleich auf eine detaillierte Darstellung verzichtet wird, werden die Antriebsvorrichtung 100, die Energieerzeugungsvorrichtung 101, der Verbrennungsmotor 4 und die Schalteinrichtung 6 gemäß der Fahrzeugzustandsinformation VCI gesteuert, die von einer Gruppe 300 anderer Steuerungen und verschiedener Detektoren ausgegeben wird, die aus Detektoren und anderen Steuerungen an verschiedenen Stellen in dem Fahrzeug gebildet sind.
Die Fahrzeugzustandsinformation VCI, die von der Gruppe 300 anderer Steuerungen und verschiedener Detektoren ausgegeben wird, beinhaltet eine Spannung DV2 der Batterie 2, eine Spannung DV5 der Energieerzeugungsvorrichtung 101 und eine Spannung DV3 der Antriebsvorrichtung 100, die von verschiedenen Detektoren ausgegeben werden, sowie eine von anderen Steuerungen ausgegebene Fahrzeuggeschwindigkeit VS, eine elektrische Leistung PR3, eine Drehzahl RPMR3, ein Drehmoment TR3 und einen Strom IR3 des Motors 3, der von dem Motor 3 benötigt wird. In der Praxis werden diese Informationen in Form von Signalen übertragen, die jeweilige Werte darstellen.
3 ist eine Tabelle, die EIN/AUS-Zustände der Umschalter 601 bis 603 der Schalteinrichtung 6 gemäß 1 und Verbindungsrelationen der Batterie 2 und der Energieerzeugungsvorrichtung 101 in diesen Zuständen zeigt. 4 ist eine Darstellung eines Zustands der Schaltung gemäß 1, wenn die Batterie 2 und die Energieerzeugungsvorrichtung 101 parallelgeschaltet sind.
5 ist eine Darstellung eines Zustands der Schaltung gemäß 1, wenn die Batterie 2 und die Energieerzeugungsvorrichtung 101 in Reihe geschaltet sind. 4 und 5 sind erläuternde Abbildungen zur Veranschaulichung des Umschaltens von Verbindungen in der Schaltung.
Als Nächstes wird ein Umschaltvorgang zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie 2 und der Energieerzeugungsvorrichtung 101 aus der Sicht der Antriebsvorrichtung 100 in dem Kraftfahrzeug-Antriebssystem gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben, also ein Vorgang, bei dem zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie 2 und der Energieerzeugungsvorrichtung 101 zwischen den beiden Enden der Antriebsvorrichtung 100 umgeschaltet wird. Im Folgenden wird die Antriebsvorrichtung 100 manchmal als Motor 3 oder als Inverter 103 bezeichnet, und die Energieerzeugungsvorrichtung 101 wird manchmal als Generator 5 oder als Inverter 105 bezeichnet.
13 ist ein Ablaufdiagramm von Funktionsabläufen, die gemäß einer Steuerung durch die Antriebssteuerung 200 durchgeführt werden. Es wird ein Steuerungsvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der Umschaltvorgang zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie 2 und der Energieerzeugungsvorrichtung 101 wird entsprechend der Steuerung durch die Antriebssteuerung 200 durchgeführt. Wenn beispielsweise die von der Gruppe 300 von anderen Steuerungen und verschiedenen Detektoren gemäß 11 ausgegebene Fahrzeuggeschwindigkeit VS kleiner als eine vorgegebene Geschwindigkeit VSth ist, die die Hälfte einer maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt (Schritt S1), werden entsprechend der Steuerung durch die Antriebssteuerung 200 mittels der Schalteinrichtung 6 die Batterie 2 und der Generator 5 aus der Sicht des Motors 3 parallelgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt sind, wie in 3 und 4 gezeigt, die drei Umschalter 601 bis 603 der Schalteinrichtung 6 auf die folgenden Zustände gesetzt (Schritt S2).

Umschalter 601: EIN-Zustand
Umschalter 602: AUS-Zustand
Umschalter 603: EIN-Zustand

Die Spannung der Batterie 2 variiert abhängig vom Ladezustand. Die Antriebssteuerung 200 überwacht jedoch die Spannung DV2 der Batterie 2 und die Spannung DV5 der Energieerzeugungsvorrichtung 101, die von der Gruppe 300 anderer Steuerungen und verschiedener Detektoren ausgegeben wird, und steuert den Inverter 105 so, dass die von dem Generator 5 erzeugte Spannung gleich oder im Wesentlichen gleich der Spannung der Batterie 2 wird (Schritt S3).
Zu diesem Zeitpunkt werden die einem Zustand des Betriebs entsprechende, von dem Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3, die Drehzahl RPMR3 und das Drehmoment TR3 basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit VS und der Fahrzeugzustandsinformation VCI des Fahrzeugs bestimmt.
Ein Austauschverhältnis der elektrischen Energie zu diesem Zeitpunkt wird gemäß der für dem Motor 3 benötigten elektrischen Leistung PR3 und dem Ladezustand, also der Spannung DV2 der Batterie 2, durch die folgenden drei Fälle definiert.
1) Zunächst gibt es einen Fall, in dem die für den Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3 größer ist als ein vorgegebener Wert PR3th der elektrischen Leistung, das heißt, die benötigte elektrische Leistung PR3 kann nicht allein durch die Batterie 2 oder den Generator 5 aufgebracht werden (Schritt S4).
Als Nächstes gibt es den Fall, in dem die für den Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3 gleich einem oder kleiner als ein mittlerer Schwellwert und gleich dem oder kleiner als der vorgegebene Wert PR3th der elektrischen Leistung ist, das heißt, die für den Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3 kann allein durch die Batterie 2 oder den Generator 5 aufgebracht werden (Schritt S4), und der Ladezustand, also die Spannung DV2 der Batterie 2, ist gleich einem oder kleiner als ein zweiter vorgegebener Spannungswert DV2th2 (Schritt S8). In Schritt S7 ist DV2th1<DV2th2 erfüllt, wie unten beschrieben, und es wird die Bestimmung „Nein“ ausgegeben.
Im Fall der zwei zuvor beschriebenen Zustände wird die elektrische Leistung sowohl aus der Batterie 2 als auch dem Generator 5 dem Motor 3 zugeführt (Schritt S5).
Hierbei wird die Aufteilung der Last zwischen der Batterie 2 und dem Generator 5 gemäß einem vorgegebenen Kennfeld bestimmt, das vorab gespeichert ist, beispielsweise in dem Speicher 23 des Prozessors 20, und zwar derart, dass der Energieerzeugungs-Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 4, des Generators 5 und des Inverters 105 maximiert wird (Schritt S6). Hierbei wird die Gleichstrom-Spannung DV5 des Inverters 105 gleich der Gleichstrom-Spannung DV2 der Batterie 2. Das vorgegebene Kennfeld wird verwendet, nachdem es durch die zu diesem Zeitpunkt angegebene Gleichstrom-Spannung DV2 der Batterie 2 korrigiert worden ist.
Das zu verwendende Kennfeld ist ferner ein Wirkungsgradkennfeld, das erhalten wird, indem die Drehzahl und das Drehmoment mit einem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 5, einem Wirkungsgrad des Generators 5 und einem Wirkungsgrad des Inverters 105 multipliziert werden, und wird so festgelegt, dass der Wirkungsgrad auf einer Linie mit gleicher Ausgabeleistung einer benötigten Ausgabeleistung maximiert ist.
Das heißt, dass in diesem Fall die Drehzahl RPM4 des Verbrennungsmotors 4 entsprechend der Drehzahl RPMR3 und dem Drehmoment TR3, die für den Motor 3 benötigt werden, und der Spannung DV2 der Batterie 2 angepasst wird.
2) Weiter wird in dem Fall, in dem die für den Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3 gleich dem oder kleiner als der mittlere Schwellwert und gleich dem oder kleiner als der vorgegebene Wert PR3th der elektrischen Leistung ist, das heißt, die für den Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3 allein durch die Batterie 2 oder den Generator 5 aufgebracht werden kann (Schritt S4), und dass der Ladezustand der Batterie 2 nahe dem vollgeladenen Zustand ist, das heißt, die Spannung DV2 höher als der zweite vorgegebene Spannungswert DV2th2 ist (Schritt S8 und Schritt S9), die elektrische Leistung dem Motor 3 nur aus der Batterie 2 zugeführt (Schritt S10).
3) Schließlich wird in dem Fall, in dem die für den Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3 gleich dem oder kleiner als der mittlere Schwellwert und gleich dem oder kleiner als der vorgegebene Wert PR3th der elektrischen Leistung ist, das heißt, die für den Motor 3 benötigte elektrische Leistung PR3 allein durch die Batterie 2 oder den Generator 5 aufgebracht werden kann, und dass der Ladezustand der Batterie 2 kleiner als ein vorgegebener Wert und nahe einem leeren Zustand ist, das heißt, die Spannung DV2 gleich einem oder kleiner als ein erster vorgegebener Spannungswert DV2th1 (DV2thl < DV2th2) ist (Schritt S7), die elektrische Leistung dem Motor 3 nur aus dem Generator 5 zugeführt (Schritt S11).
Dabei wird in dem Fall, in dem der Generator 5 eine ausreichende Ausgangsleistung liefert und die Spannung DV5 des Generators 5 gleich dem oder größer als der vorgegebene Spannungswert DV5th ist, die elektrische Leistung aus dem Generator 5 auch der Batterie 2 zugeführt, um einen Ladevorgang durchzuführen (Schritt S12). Dabei wird die der Batterie 2 zuzuführende elektrische Leistung unter Verwendung des Wirkungsgradkennfelds so angepasst, dass der Wirkungsgrad des Generators 5 verbessert wird.
Als Nächstes werden mittels der Schalteinrichtung 6 die Batterie 2 und der Generator 5 aus der Sicht des Motors 3 in Reihe geschaltet, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich der oder größer als die vorgegebene Geschwindigkeit VSth ist, die die Hälfte der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt (Schritt S1). Dabei werden die drei Umschalter 601 bis 603 der Schalteinrichtung 6 wie in 3 und 5 gezeigt auf die folgenden Zustände gesetzt:

Umschalter 601: AUS-Zustand
Umschalter 602: EIN-Zustand
Umschalter 603: AUS-Zustand

Zu diesem Zeitpunkt entspricht die Gleichstrom-Spannung DV3 des Inverters 103 und des Motors 3 einem Gesamtwert der Spannung DV2 der Batterie 2 und der Gleichstrom-Spannung DV5 des Inverters 105. Was die Gleichstrom-Spannung DV5 des Inverters 105 betrifft, wird die Gleichstrom-Spannung DV5 so gewählt, dass der maximale Wirkungsgrad erhalten wird, basierend auf der Multiplikation eines Wirkungsgradkennfelds, das einen Gesamt-Wirkungsgrad des Inverters 103 und des Motors 3 in Bezug auf die Gleichstrom-Energieversorgungs-Spannung, die DV5+DV2 bezüglich der Gleichstrom-Spannung DV2 der Batterie 2 erfüllt, angibt, und eines Wirkungsgradkennfelds, das einen Gesamt-Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 4, des Generators 5 und des Inverters 105 in Bezug auf die Gleichstrom-Energieversorgungs-Spannung angibt (Schritt S14).
Weiter werden zu diesem Zeitpunkt, wenn die Spannung DV2 der Batterie 2 abnimmt, beispielsweise die Drehzahl RPM4 des Verbrennungsmotors 4 und die Drehzahl RPM5 des Generators 5 erhöht, um die Spannung DV5 des Inverters 105 und des Generators 5 zu erhöhen, die der Spannung der Energieerzeugungsvorrichtung 101 entspricht.
Mit einer derartigen Konfiguration wird mittels der Schalteinrichtung 6 das Verhältnis der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie 2 und des Kondensators 5 aus der Sicht des Motors 3 umgeschaltet, so dass die an den Inverter 103 und den Motor 3 angelegte Gleichstrom-Spannung DV3 umgeschaltet werden kann. Dadurch kann der Motor 3 verkleinert werden. Weiterhin kann die Schalteinrichtung 6 ohne Umschaltvorgänge des Halbleiter-Leistungsschalters während eines Hochspannungsbetriebs des Kraftfahrzeug-Antriebsystems 1 betrieben werden.
Daher treten keine Schaltverluste in dem Halbleiter-Leistungsschalter auf. Somit kann der Wirkungsgrad des Kraftfahrzeug-Antriebssystems 1 verbessert werden. Darüber hinaus benötigt die Schalteinrichtung 6 keine Spule, wie etwa einen Boost-Reaktor, zum Speichern von elektrischer Energie. Dadurch kann das Kraftfahrzeug-Antriebssystem 1 verkleinert werden.
Der Verbrennungsmotor 4 der ersten Ausführungsform ist nicht mit den Antriebsrädern 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Zudem können die Drehzahl RPM4 des Verbrennungsmotors 4 und die Drehzahl RPM5 des Generators 5 entsprechend der Drehzahl RPMR3 und dem Drehmoment TR3, die für den Motor 3 benötigt werden, sowie der Gleichstrom-Spannung der Batterie 2 in geeigneter Weise gewählt werden, unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit VS des Kraftfahrzeugs. Dadurch ist es möglich, den Wirkungsgrad des Kraftfahrzeug-Antriebssystems zu verbessern.
Gemäß der oben beschriebenen, ersten Ausführungsform werden mittels der Schalteinrichtung 6 die Batterie 2 und der Generator 5 aus der Sicht des Motors 3 parallelgeschaltet, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit VS des Kraftfahrzeugs weniger als ungefähr die Hälfte der Maximalgeschwindigkeit beträgt, und die Drehzahl des Verbrennungsmotors 4 wird so verändert, dass der Wirkungsgrad des Kraftfahrzeug-Antriebssystems 1 entsprechend der Drehzahl und dem Drehmoment, die für den Motor 3 benötigt werden, und der Gleichstrom-Spannung der Batterie 2 maximiert wird.
Die Steuerung kann jedoch auch unter Verwendung eines Wirkungsgradkennfelds durchgeführt werden, um den Wirkungsgrad des Generators 5 zu maximieren, so dass eine Temperatur TMP5 des Generators 5 nicht gleich einem bestimmten Wert wird oder diesen übersteigt. Dadurch kann eine thermische Begrenzung an dem Generator 5 abgemildert werden, und es ist möglich, den Generator 5 zu verkleinern.
Weiterhin werden gemäß der oben beschriebenen, ersten Ausführungsform mittels der Schalteinrichtung 6 die Batterie 2 und der Generator 5 aus der Sicht des Motors 3 in Reihe geschaltet, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs gleich der oder höher als die vorgegebene Geschwindigkeit VSth ist, die die Hälfte der Maximalgeschwindigkeit beträgt. Zudem wird die Gleichstrom-Spannung DV5 des Inverters 105 aus dem Kennfeld zurückgerechnet, so dass der Wirkungsgrad des Kraftfahrzeug-Antriebssystems 1 maximiert wird.
Die Gleichstrom-Spannung DV5 wird dabei aber so eingestellt, dass sie gleich der oder größer als die Gleichstrom-Spannung DVR3 ist, die für den Inverter 103 benötigt wird. Mit einer derartigen Konfiguration kann die an den Inverter 103 anzulegende Gleichstrom-Spannung kompensiert werden, indem die Gleichstrom-Spannung des Inverters 105, also der Energieerzeugungsvorrichtung 101 erhöht wird, selbst wenn die Gleichstrom-Energieversorgungs-Spannung entsprechend dem Ladezustand der Batterie 2 abnimmt.
Generell ist ein System, bei dem der Motor 3 und der Inverter 103 nur mit der Batterie 2 als direkter Energieversorgung betrieben werden, so gestaltet, dass das System in einem erforderlichen Betriebsbereich betrieben werden kann, selbst wenn die Energieversorgungs-Spannung DV2 der Batterie 2 abnimmt. Daher wird der Motor 3 unter der Bedingung, dass eine ausreichende Energieversorgungs-Spannung zur Verfügung gestellt werden kann, mit überschüssigem Leistungsvermögen konzipiert. Diesbezüglich kann durch die oben beschriebene Kompensation der Gleichstrom-Spannung das für den Motor 3 benötigte Leistungsvermögen vermindert werden. Dadurch ist es möglich, den Motor 3 zu verkleinern.
Zweite Ausführungsform (Verbrennungsmotor ist nicht mit den Antriebsrädern verbunden, und Generator ist auf der Erdungsseite angeordnet)
1 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Kraftfahrzeug-Antriebssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 ist eine Tabelle, die EIN/AUS-Zustände der Umschalter 601 bis 603 der Schalteinrichtung 6 gemäß 6 und Verbindungsrelationen der Batterie 2 und der Energieerzeugungsvorrichtung 101 in diesen Zuständen zeigt. 8 ist eine Darstellung eines Zustands der Schaltung gemäß 6, wenn die Batterie 2 und die Energieerzeugungsvorrichtung 101 parallelgeschaltet sind.
9 ist eine Darstellung eines Zustands der Schaltung gemäß 6, wenn die Batterie 2 und die Energieerzeugungsvorrichtung 101 in Reihe geschaltet sind. 8 und 9 sind erläuternde Abbildungen zur Veranschaulichung des Umschaltens von Verbindungen in der Schaltung.
In 6 ist von den vier Anschlüssen der Schalteinrichtung 6 die Anschlussklemme 611 mit jeweiligen hochspannungsseitigen Anschlüssen der Batterie 2 und des Inverters 103 verbunden. Die Anschlussklemme 612 ist mit einem hochspannungsseitigen Anschluss des Inverters 105 verbunden. Die Anschlussklemme 613 ist mit einem niederspannungsseitigen Anschluss der Batterie 2 verbunden. Die Anschlussklemme 614 ist mit jeweiligen niederspannungsseitigen Anschlüssen des Inverters 105 und des Inverters 103 verbunden.
Die Schalteinrichtung 6 in 6 weist drei Umschalter auf, und zwar den Umschalter 601, den Umschalter 602 und den Umschalter 603, die in Reihe geschaltet sind. Die Schalteinrichtung 6 weist vier Anschlussklemmen auf, und zwar die erste Anschlussklemme 611, die zweite Anschlussklemme 612, die dritte Anschlussklemme 613 und die vierte Anschlussklemme 614.
Die erste Anschlussklemme 611 ist an einem Ende des Umschalters 601 angeordnet. Die zweite Anschlussklemme 612 ist an einem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des Umschalters 601 und einem Ende des Umschalters 602 angeordnet. Die dritte Anschlussklemme 613 ist an einem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ende des Umschalters 602 und einem Ende des Umschalters 603 angeordnet. Die vierte Anschlussklemme 614 ist an dem anderen Ende des Umschalters 603 angeordnet.
Von den vier Anschlussklemmen 611 bis 614 ist die erste Anschlussklemme 611 mit dem hochspannungsseitigen Anschluss H2 der Batterie 2 und dem hochspannungsseitigen Gleichstromanschluss H3 des Motors 3, also der Antriebsvorrichtung 100, verbunden. Die zweite Anschlussklemme 612 ist mit dem hochspannungsseitigen Gleichstromanschluss H5 des Inverters 105, also der Energieerzeugungsvorrichtung 101, verbunden.
Die dritte Anschlussklemme 614 ist mit dem niederspannungsseitigen Anschluss L2 der Batterie 2 verbunden. Die vierte Anschlussklemme 614 ist mit dem niederspannungsseitigen Gleichstromanschluss L5 des Inverters 105, also der Energieerzeugungsvorrichtung 101, und dem niederspannungsseitigen Anschluss L3 des Motors 3, also der Antriebsvorrichtung 100, verbunden.
Es wird nachstehend der Umschaltvorgang zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie 2 und dem Generator 5 aus der Sicht des Motors 3 in dem Kraftfahrzeug-Antriebssystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden mittels der Schalteinrichtung 6 die Batterie 2 und der Generator 5 aus der Sicht des Motors 3 parallelgeschaltet, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit VS des Kraftfahrzeugs beispielsweise kleiner als die vorgegebene Geschwindigkeit VSth ist, die die Hälfte der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt. Zu diesem Zeitpunkt werden, wie in 7 und 8 gezeigt, die drei Umschalter 601 bis 603 der Schalteinrichtung 6 auf die folgenden Zustände gesetzt.

Weiter werden mittels der Schalteinrichtung 6 die Batterie 2 und der Generator 5 aus der Sicht des Motors 3 in Reihe geschaltet, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit VS des Kraftfahrzeugs beispielsweise gleich der oder größer als die vorgegebene Geschwindigkeit VSth ist, die die Hälfte der maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt. Zu diesem Zeitpunkt werden, wie in 7 und 9 gezeigt, die drei Umschalter 601 bis 603 der Schalteinrichtung 6 auf die folgenden Zustände gesetzt.

Die übrigen Konfigurationen entsprechen der bei der ersten Ausführungsform.
Auch mit einer derartigen Konfiguration kann das Verhältnis der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie 2 und des Generators 5, vom Motor 3 aus gesehen, umgeschaltet werden. Dadurch kann die gleiche Wirkung wie mit der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Darüber hinaus sind der Inverter 105 und der Generator 5 über die Schalteinrichtung 6 mit dem niederspannungsseitigen Anschluss L2 der Batterie 2 verbunden. Somit ist die Spannung des Inverters 105 und des Generators 5, von dem niederspannungsseitigen Anschluss L2 der Batterie 2 aus gesehen, niedriger als in dem Fall, in dem der Inverter 105 und der Generator 5 mit dem hochspannungsseitigen Anschluss H2 der Batterie 2 verbunden sind. Somit können die für den Inverter 105 und den Generator 5 benötigten Spannungstoleranzen niedriger angesetzt werden. Dadurch können der Inverter 105 und der Generator 5 verkleinert werden.
Dritte Ausführungsform (Verbrennungsmotor ist mit Antriebsrädern verbunden, und Batterie ist auf der Erdungsseite angeordnet)
10 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Kraftfahrzeug-Antriebssystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 10 ist eine Ausgabewelle des Verbrennungsmotors 4 mit den Antriebsrädern 8 über eine Antriebswelle 8a des Kraftfahrzeugs verbunden. Die übrige Konfiguration entspricht der in der ersten Ausführungsform. Bei jeder der obigen Ausführungsformen ist in der Praxis darüber hinaus der Motor 3 über die Antriebswelle 8a mit den Antriebsrädern 8 verbunden.
Die Antriebswelle 8a ist mit den Antriebsrädern 8 über ein (nicht gezeigtes) Differentialgetriebe verbunden, das dazu ausgelegt ist, eine Drehung zu übertragen. Die Antriebswelle 8a kann ebenso wie die Antriebsräder 8 als angetriebene Komponente betrachtet werden. Das Kraftfahrzeug gemäß der dritten Ausführungsform entspricht einem Hybridfahrzeug, das manchmal direkt über den Verbrennungsmotor 4 angetrieben wird.
Bei der dritten Ausführungsform setzt sich die Last des Verbrennungsmotors 4 aus der Gesamtsumme der Leistung für den Antrieb der Antriebsräder 8, um diese in Rotation zu versetzen, und der Last des Generators 5 zusammen. Daher wird zur Berechnung des Energieerzeugungs-Wirkungsgrades das Wirkungsgradkennfeld für den Verbrennungsmotor 4 vorab als ein Wirkungsgradkennfeld gespeichert, das einen Gesamtwert aus der Leistung für den Antrieb der Antriebsräder 8, um diese in Rotation zu versetzen, und der Last des Generators 5 verwendet, und dieses Wirkungsgradkennfeld wird verwendet, um den Energieerzeugungs-Wirkungsgrad zu berechnen.
Die Ausgabewelle des Verbrennungsmotors 4 ist mit den Antriebsrädern 8 verbunden. Daher werden die Drehzahl RPM4 des Verbrennungsmotors 4 und die Drehzahl RPM5 des Generators anhand der Fahrzeuggeschwindigkeit VS des Fahrzeugs bestimmt. Daher sind die Betriebspunkte des Verbrennungsmotors 4 und des Generators 5 eindeutig bestimmt, wenn die Ausgabeleistung bestimmt ist.
Mit einer derartigen Konfiguration können zudem die gleichen Wirkungen wie mit der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Vierte Ausführungsform (Generator ist vom Feldwicklungs-Typ)
14 ist eine Abbildung zur Darstellung einer Konfiguration eines Kraftfahrzeug-Antriebssystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Generator 5 in 14 ist eine rotierende elektrische Maschine vom Feldwicklungs-Typ und ist mit der Batterie 2 über eine Feldsteuerungsvorrichtung 999 verbunden. Die übrige grundlegende Konfiguration entspricht der bei der ersten Ausführungsform.
In der Energieerzeugungsvorrichtung 101 der vierten Ausführungsform ist der Generator 5 durch eine rotierende elektrische Klauenpol-Maschine vom Feldwicklungs-Typ gebildet. Die elektrische Energie für das Feld wird von der Batterie 2 zugeführt, und ein Feldstrom wird von der Feldsteuerungsvorrichtung 999 gesteuert. Die übrige grundlegende Konfiguration entspricht der bei der ersten Ausführungsform. Die Feldsteuerungsvorrichtung 999 wird zusammen mit dem Inverter 105 von der Energieerzeugungsvorrichtungs-Steuerung 202 der Antriebssteuerung 200 gesteuert.
Mit einer derartigen Konfiguration kann die Energieerzeugungs-Spannung des Generators 5 über einem Strom einer Feldwicklung 5a gesteuert werden, was symbolisch dargestellt ist, zusätzlich zu der Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors 4 und dem Betrieb des Inverters 105. Dadurch wird der Freiheitsgrad der Erzeugung der für den Generator 5 benötigten Spannung verbessert. Es kann somit ein effizienterer Steuerungspunkt gewählt werden. In diesem Fall werden die Betriebsbedingungen des Generators 5 bestimmt, indem ein Wirkungsgradkennfeld verwendet wird, das vorab berechnet und beispielsweise in dem Speicher 23 gespeichert wird.
Bei der vierten Ausführungsform ist die Feldwicklung 5a des Generators 5 zur Versorgung mit elektrischer Energie mit der Batterie 2 verbunden. Es kann jedoch auch eine andere, von der Batterie 2 verschiedene Batterie 2a, wie mit gestrichelten Linien angegeben, angeschlossen werden, um die elektrische Energie bereitzustellen.
Weiterhin ist es bei der oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsform nur notwendig, dass der Generator 5 direkt oder indirekt mit der Ausgabewelle des Verbrennungsmotors 4 verbunden wird. Das heißt, der Generator 5 kann zwischen dem Verbrennungsmotor 4 und einem mit dem Bezugszeichen C1 bezeichneten Getriebekasten angeordnet werden. Weiterhin kann der Generator 5 mit der Ausgabewelle des Verbrennungsmotors 4 beispielsweise mittels eines Riemens verbunden werden, der symbolisch mit dem Bezugszeichen C2 bezeichnet ist, oder er kann mit der Ausgabewelle, die in die Ausgabe des Verbrennungsmotors 4 geändert wird, beispielsweise über ein Getriebe verbunden werden. In jedem dieser Fälle kann dieselbe Wirkung erzielt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann mögliche Kombinationen aus diesen einschließen.
Weiterhin dienen, wie oben beschrieben, wenn das Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug oder ein Zug ist, die Antriebsräder 8 als angetriebene Komponenten, wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung in diesen Fahrzeugen beschränkt und ist bei jedem Antriebssystem verwendbar, das dazu ausgebildet ist, angetriebene Komponenten mittels einer Antriebsvorrichtung anzutreiben.
Die oben beschriebene angetriebene Komponente 80, die in 1 symbolisch durch gestrichelte Linien dargestellt ist, kann durch verschiedenartige AntriebsÜbertragungsmittel für verschiedene Vorrichtungen realisiert werden, wie etwa eine Antriebsrolle für ein Transportband oder eine Antriebswelle für eine Rotationsmaschine. In diesem Fall entspricht die Fahrzeuggeschwindigkeit VS des Fahrzeugs in jeder Ausführungsform einer Bewegungsgeschwindigkeit einer sich bewegenden Komponente, die durch eine Bewegung der angetriebenen Komponente bewegt wird, oder einer Rotationsgeschwindigkeit der angetriebenen Komponente selbst.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das Antriebssystem und das Antriebssteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sind weithin anwendbar, nicht nur auf ein Kraftfahrzeug und einen Zug, sondern auch auf ein Antriebssystem mit einer angetriebenen Komponente wie einem Drehelement oder einer sich bewegenden Komponente, die mittels der Antriebsvorrichtung angetrieben werden.

Claims

Antriebssystem, das Folgendes aufweist: - eine Batterie (2); - eine Energieerzeugungsvorrichtung (101), die einen Verbrennungsmotor (4) aufweist, sowie einen Generator (G), der an einer Welle des Verbrennungsmotors angebracht ist und dazu ausgebildet ist, Energie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie umzuwandeln, und einen Inverter (105), der mit dem Generator verbunden ist und dazu ausgebildet ist, Gleichstromenergie und Wechselstromenergie ineinander umzuwandeln; - eine Antriebsvorrichtung (100), die einen Motor (M) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine angetriebene Komponente (80) anzutreiben; - eine Schalteinrichtung (6), die dazu ausgebildet ist, eine Verbindungsrelation der Batterie (2) und der Energieerzeugungsvorrichtung (101) an beiden Enden der Antriebsvorrichtung (100) in eine Reihenschaltung und eine Parallelschaltung umzuschalten; und - eine Antriebssteuerung (200), die dazu ausgebildet ist, eine Antriebssteuerung für die Energieerzeugungsvorrichtung (101) und die Antriebsvorrichtung (100) sowie eine Umschaltsteuerung für die Schalteinrichtung auszuführen, wobei die Antriebssteuerung (200) während der Parallelschaltung die Schalteinrichtung (6) derart steuert, dass jeweilige hochspannungsseitige Anschlüsse von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2) mit einem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden sind, und dass jeweilige niederspannungsseitige Anschlüsse von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie mit einem niederspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden sind, und wobei die Antriebssteuerung (200) während der Reihenschaltung die Schalteinrichtung (6) derart steuert, dass der hochspannungsseitige Anschluss entweder von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) oder von der Batterie (2) mit dem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden ist, dass der niederspannungsseitige Anschluss des entsprechend anderen Elements von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2) mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) verbunden ist, und dass die Anschlüsse der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2), die nicht mit der Antriebsvorrichtung (100) verbunden sind, miteinander verbunden sind, und wobei die Antriebssteuerung (200), wenn die Batterie (2) und die Energieerzeugungsvorrichtung parallelgeschaltet sind, ein Wirkungsgradkennfeld verwendet, das erhalten wird, indem eine Drehzahl des Generators und ein Drehmoment des Generators mit einem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors, einem Wirkungsgrad des Generators und einem Wirkungsgrad des Inverters multipliziert werden, und vorab ein Gesamt-Wirkungsgrad, der um eine Spannung der Batterie (2) korrigiert ist, vorgegeben wird, um die Drehzahl des Verbrennungsmotors (4), die einer Drehzahl des Generators entspricht, entsprechend einer Drehzahl und einem Drehmoment, die für den Motor benötigt werden, sowie der Spannung der Batterie (2) zu ändern, so dass der Gesamt-Wirkungsgrad auf einer Linie mit gleicher Ausgabeleistung einer für den Motor benötigten Ausgabeleistung maximiert ist.
Antriebssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Schalteinrichtung (6) drei in Reihe geschaltete Umschalter (601 bis 603) aufweist, und wobei beide Enden der drei in Reihe geschalteten Umschalter und Verbindungspunkte zwischen den drei Umschaltern Verbindungsanschlüssen für die Antriebsvorrichtung (100), die Energieerzeugungsvorrichtung und die Batterie (2) entsprechen.
Antriebssystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbrennungsmotor (4) nicht mit der angetriebenen Komponente (80) verbindbar ist, und wobei die Antriebssteuerung (200) das Wirkungsgradkennfeld verwendet, um die Aufteilung einer Last der Batterie (2) und des Generators so zu bestimmen, dass ein Gesamt-Wirkungsgrad maximiert wird, und die Drehzahl des Verbrennungsmotors (4), die einer Drehzahl des Generators entspricht, entsprechend einer Drehzahl und einem Drehmoment, die für den Motor benötigt werden, sowie der Spannung der Batterie (2) ändert, wenn die Batterie (2) und die Energieerzeugungsvorrichtung (101) parallel geschaltet sind, und zwar in einem Fall, wenn eine benötigte elektrische Leistung, die aus einer Drehzahl und einem Drehmoment berechnet wird, die für den Motor benötigt werden, größer als ein vorgegebener Wert der elektrischen Leistung ist, oder wenn die Batteriespannung höher als ein erster vorgegebener Spannungswert und gleich einem oder kleiner als ein zweiter vorgegebener Spannungswert ist.
Antriebssystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbrennungsmotor (4) mit der angetriebenen Komponente (80) verbunden ist, und wobei der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors (4) ein Wirkungsgrad ist, der aus einem Gesamtwert der Leistung für den Antrieb der angetriebenen Komponente und einer Last des Generators berechnet wird.
Antriebssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Antriebssteuerung (200) die Spannung der Energieerzeugungsvorrichtung erhöht, wenn die Batterie (2) und die Energieerzeugungsvorrichtung (101) in Reihe geschaltet sind und die Spannung der Batterie (2) sinkt.
Antriebssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der niederspannungsseitige Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der Energieerzeugungsvorrichtung verbunden ist und der hochspannungsseitige Anschluss der Antriebsvorrichtung (100) mit dem hochspannungsseitigen Anschluss der Batterie (2) verbunden ist, wenn die Batterie (2) und die Energieerzeugungsvorrichtung (101) in Reihe geschaltet sind.
Antriebssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Generator (G) eine rotierende elektrische Klauenpol-Maschine vom Feldwicklungs-Typ ist, und wobei die Energieerzeugungsvorrichtung (101) ferner Folgendes aufweist: - eine Feldsteuerungsvorrichtung (999), die dazu ausgebildet ist, einen Feldstrom der rotierenden elektrischen Klauenpol-Maschine zu steuern.
Antriebssteuerungsverfahren für ein Antriebssystem, wobei das Antriebssystem Folgendes aufweist: - eine Batterie (2); - eine Energieerzeugungsvorrichtung (101), die einen Verbrennungsmotor (4) aufweist, sowie einen Generator (G), der an einer Welle des Verbrennungsmotors (4) angebracht ist und dazu ausgebildet ist, Energie des Verbrennungsmotors (4) in elektrische Energie umzuwandeln, und einen Inverter (105), der mit dem Generator verbunden ist und dazu ausgebildet ist, Gleichstromenergie und Wechselstromenergie ineinander umzuwandeln; - eine Antriebsvorrichtung (100), die einen Motor (M) aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine angetriebene Komponente (80) anzutreiben; wobei das Antriebssteuerungsverfahren die folgenden Schritte aufweist: - Verbinden, während einer Parallelschaltung, jeweiliger hochspannungsseitiger Anschlüsse von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2) mit einem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100), und jeweiliger niederspannungsseitiger Anschlüsse von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2) mit einem niederspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100), - Verbinden, während einer Reihenschaltung, des hochspannungsseitigen Anschlusses entweder von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) oder von der Batterie (2) mit dem hochspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung (100), und des niederspannungsseitigen Anschlusses des entsprechend anderen Elements von der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und von der Batterie (2) mit dem niederspannungsseitigen Anschluss der Antriebsvorrichtung, und Miteinander-Verbinden der Anschlüsse der Energieerzeugungsvorrichtung (101) und der Batterie (2), die nicht mit der Antriebsvorrichtung (100) verbunden sind, und - Ausführen einer Steuerung, bei der zwischen der Reihenschaltung und der Parallelschaltung der Batterie (2) und der Energieerzeugungsvorrichtung (101) zwischen beiden Enden der Antriebsvorrichtung (100) umgeschaltet wird, wobei dann, wenn die Batterie (2) und die Energieerzeugungsvorrichtung (101) parallelgeschaltet sind, unter Verwendung eines Wirkungsgradkennfelds, das erhalten wird, indem eine Drehzahl des Generators (G) und ein Drehmoment des Generators mit einem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors (4), einem Wirkungsgrad des Generators und einem Wirkungsgrad des Inverters multipliziert werden, und vorab eine um die Spannung der Batterie (2) korrigierte Gesamteffizienz vorgegeben wird, die Drehzahl des Verbrennungsmotors (4), die einer Drehzahl des Generators entspricht, entsprechend einer Drehzahl und einem Drehmoment, die für den Motor (M) benötigt werden, sowie der Spannung der Batterie (2) geändert wird, so dass der Gesamt-Wirkungsgrad auf einer Linie mit gleicher Ausgabeleistung einer für den Motor benötigten Ausgabeleistung maximiert ist.