DE202010017000U1

DE202010017000U1 - Funktionsmodul für einen seriellen Hybridantrieb, serieller Hybridantrieb und Fahrzeug

Info

Publication number: DE202010017000U1
Application number: DE202010017000U
Authority: DE
Original assignee: Kassbohrer Gelandefahrzeug AG; Kaessbohrer Gelaendefahrzeug AG
Current assignee: Kassbohrer Gelandefahrzeug AG; Kaessbohrer Gelaendefahrzeug AG
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2020-12-22

Abstract

Funktionsmodul (100) für einen seriellen Hybridantrieb, umfassend
– ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse (2), mit:
– Zwischenkreis-Anschlüssen (3a, 3b) zum Anschließen eines Zwischenkreises,
– Kühlmittel-Anschlüssen (4a, 4b) zum Anschließen eines Kühlmittel-Kreislaufes und
– einem Feldbus-Anschluss (5) zum Anschließen eines Feldbusses,
– wobei in dem Gehäuse des Funktionsmoduls angeordnet sind:
– ein Zwischenkreis-Kondensator (1), wobei der Zwischenkreis-Kondensator elektrisch mit den Zwischenkreis-Anschlüssen verbunden ist, und
– ein Brems-Chopper (10) mit einem Brems-Widerstand (11), der überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis in den Bremswiderstand leitet und dort in Wärme umwandelt, wobei der Brems-Chopper, insbesondere dessen Bremswiderstand, mittels des Kühlmittel-Kreislaufes kühlbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Funktionsmodul für einen seriellen Hybridantrieb, einen seriellen Hybridantrieb und ein Fahrzeug.
So genannte serielle Hybridantriebe umfassen üblicherweise einen Verbrennungsmotor, einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator und einen vom elektrischen Generator gespeisten Elektromotor, der mit einer anzutreibenden Komponente verbunden ist. Der Verbrennungsmotor ist folglich mit der anzutreibenden Komponente nicht direkt mechanisch gekoppelt.
Bei einem Fahrzeug mit einem seriellen dieselelektrischen Hybridantrieb treibt ein Dieselmotor einen elektrischen Generator an, welcher die elektrische Leistung zur Verfügung stellt, um die anzutreibende Komponente bzw. den mechanischen Antrieb über den Elektromotor anzutreiben.
Der elektrische Generator erzeugt üblicherweise in einem so genannten Zwischenkreis eine Zwischenkreisspannung als Gleichspannung, die mittels eines Zwischenkreis-Kondensators gepuffert wird. Die Zwischenkreisspannung dient in der Regel zur Versorgung von Frequenzumrichtern, welche aus der Zwischenkreisspannung eine hochfrequente Ansteuerspannung für den oder die Elektromotoren erzeugen.
Um ein Fahrzeug mit einem seriellen Hybridantrieb abzubremsen gibt es verschiedenen Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines so genannten Brems-Choppers, der überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis, die beispielsweise bei generatorischem Betrieb der Elektromotoren im Schiebebetrieb durch diese in den Zwischenkreis eingebracht wird, in einen Bremswiderstand leitet und dort in Wärme umwandelt, wodurch in den Elektromotoren ein Bremsmoment bewirkt wird. Wenn ein rückspeisefähiger Frequenzumrichter zur Ansteuerung der Elektromotoren verwendet wird, können sich die Elektromotoren auch am Verbrennungsmotor ”abstützen”.
Aufgrund der hohen von dem Bremswiderstand gegebenenfalls aufgenommenen Leistung ist es notwendig, den Bremswiderstand zu kühlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Funktionsmodul für einen seriellen Hybridantrieb, einen seriellen Hybridantrieb und ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, die eine kompakte Bauweise ermöglichen und die eine hohe Betriebssicherheit, insbesondere im Hinblick auf die Isolierung und Berührbarkeit spannungsführender Elemente, aufweisen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Funktionsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen seriellen Hybridantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, die hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht werden.
Das Funktionsmodul für einen seriellen Hybridantrieb umfasst ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse mit Zwischenkreis-Anschlüssen zum Anschließen eines Zwischenkreises bzw. von Ausgängen eines von einem Generator gespeisten bidirektionalen Gleichstromstellers, der eine Zwischenkreisspannung erzeugt, Kühlmittel-Anschlüssen zum Anschließen eines Kühlmittel-Kreislaufes und einem Feldbus-Anschluss zum Anschließen eines Feldbusses, beispielsweise CAN. Innerhalb des Gehäuses des Funktionsmoduls sind angeordnet: ein Zwischenkreis-Kondensator, wobei der Zwischenkreis-Kondensator elektrisch mit den Zwischenkreis-Anschlüssen verbunden ist, und ein Brems-Chopper mit mindestens einem Brems-Widerstand, der überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis in den Bremswiderstand leitet und dort in Wärme umwandelt, wobei der Brems-Chopper, insbesondere dessen Bremswiderstand, mittels des Kühlmittel-Kreislaufes kühlbar ist bzw. gekühlt wird. Es versteht sich, dass sowohl der Brems-Widerstand als auch der Zwischenkreis-Kondensator aus mehreren einzelnen geeignet verschalteten Widerständen bzw. Kondensatoren bestehen können, die im Sinne der Beschreibung als ein Brems-Widerstand bzw. ein Zwischenkreis-Kondensator bezeichnet sind. Das Funktionsmodul, welches als funktionale Komponenten zumindest den Brems-Chopper und den Zwischenkreis-Kondensator eines seriellen Hybridantriebs umfasst, ermöglicht durch die funktionale Integration eine kompakte Bauweise und erhöht die elektrische Betriebssicherheit, da eine Verdrahtung der Komponenten innerhalb des Gehäuses verläuft und von außen ohne Demontage nicht zugänglich ist, wodurch ein versehentlicher Kontakt mit spannungsführenden Bauelementen erschwert wird.
In einer Weiterbildung umfasst der Brems-Chopper eine Steuereinheit, insbesondere in Form einer mikroprozessorbasierten Schaltung, und mittels der Steuereinheit angesteuerte Schaltmittel, wobei die Schaltmittel und der Bremswiderstand in Serie zwischen die Zwischenkreis-Anschlüsse eingeschleift sind. Bevorzugt sind die Schaltmittel Insulatedgate bipolar(IGB)-Transistoren.
In einer Weiterbildung ist der Brems-Chopper dazu ausgebildet, in einer ersten Betriebsart die Zwischenkreisspannung zu überwachen und Energie aus dem Zwischenkreis in den Bremswiderstand zu leiten, wenn die Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
In einer Weiterbildung ist der Brems-Chopper dazu ausgebildet, in einer zweiten Betriebsart eine Nothalt-Funktion zur Verfügung zu stellen, bei der Energie aus dem Zwischenkreis dauerhaft in den Bremswiderstand geleitet wird.
In einer Weiterbildung ist in dem Gehäuse eine Brems-Chopper-Überwachungseinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, für den Fall einer Fehlfunktion des Brems-Choppers Energie aus dem Zwischenkreis dauerhaft in den Bremswiderstand zu leiten.
In einer Weiterbildung ist in dem Gehäuse eine Isolationsüberwachungseinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, einen Widerstand gegen ein Bezugspotential, insbesondere gegen eine Fahrzeugmasse, zu messen und in Abhängigkeit von dem gemessenen Widerstand einen Isolationsfehler anzuzeigen.
In einer Weiterbildung ist in dem Gehäuse eine Temperaturüberwachungseinrichtung vorgesehen.
In einer Weiterbildung ist der Brems-Chopper mit dem Feldbusanschluss gekoppelt, wobei der Brems-Chopper über den Feldbus steuerbar ist. Über den Feldbus können auch weitere Einheiten, beispielsweise sämtliche Überwachungseinheiten innerhalb des Gehäuses, mit dem Feldbus gekoppelt sein.
Der serielle Hybridantrieb umfasst einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, mindestens einen von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator, der unter Mitwirkung weiterer Komponenten, beispielsweise eines bidirektionalen Wechselrichters, zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung eines Zwischenkreises ausgebildet ist, mindestens einen Elektromotor, der aus der Zwischenkreisspannung gespeist ist, der motorisch und generatorisch betreibbar ist und der zum Antreiben einer Komponente eines Fahrzeugs dient, und ein oben genanntes Funktionsmodul.
Das Fahrzeug umfasst einen oben genannten seriellen Hybridantrieb.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Hierbei zeigt schematisch:
1 ein erfindungsgemäßes Funktionsmodul in perspektivischer Darstellung und
2 das in 1 gezeigte Funktionsmodul als funktionales Blockschaltbild.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Funktionsmodul 100 in perspektivischer Darstellung. Das Funktionsmodul umfasst ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse 2 mit Zwischenkreis-Anschlüssen 3a und 3b zum Anschließen eines Zwischenkreises, Kühlmittel-Anschlüssen 4a und 4b zum Anschließen eines Kühlmittel-Kreislaufes, wobei als Kühlmittel beispielsweise spezielles Öl verwendet werden kann, und einem Feldbus-Anschluss 5 zum Anschließen eines Feldbusses, beispielsweise CAN.
2 zeigt das in 1 gezeigte Funktionsmodul als funktionales Blockschaltbild. Innerhalb des Gehäuses 2 befindet sich ein Zwischenkreis-Kondensator 1, der elektrisch mit den Zwischenkreis-Anschlüssen 3a und 3b verbunden ist, und ein Brems-Chopper 10 mit einem Brems-Widerstand 11, der aus mehreren, nicht dargestellten Widerstandselementen zusammengesetzt ist und der überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis in den Bremswiderstand 11 leitet und dort in Wärme umwandelt, wobei der Brems-Chopper 10 mittels des Kühlmittel-Kreislaufes gekühlt wird.
Der Brems-Chopper 10 umfasst eine Steuereinheit 13 und mittels der Steuereinheit 13 angesteuerte Schaltmittel in Form von IGBTs 12a und 12b, wobei die IGBTs 12a und 12b und der Bremswiderstand 11 in Serie zwischen die Zwischenkreis-Anschlüsse 3a und 3b eingeschleift sind.
Der Brems-Chopper 10 ist dazu ausgebildet, in einer ersten Betriebsart eine am Zwischenkreis-Kondensator 1 anstehende Zwischenkreisspannung UZ zu überwachen und Energie aus dem Zwischenkreis in den Bremswiderstand 11 zu leiten, wenn die Zwischenkreisspannung UZ einen vorgegebenen Schwellenwert, beispielsweise 1000 V, überschreitet. Der Brems-Chopper ist weiter dazu ausgebildet, in einer zweiten Betriebsart eine Nothalt-Funktion zur Verfügung zu stellen, bei der Energie aus dem Zwischenkreis dauerhaft in den Bremswiderstand 11 geleitet wird.
Weiter ist in dem Gehäuse 2 eine nicht gezeigte Brems-Chopper-Überwachungseinrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, für den Fall einer Fehlfunktion des Brems-Choppers 10 Energie aus dem Zwischenkreis dauerhaft in den Bremswiderstand 11 zu leiten, um so einen sicheren Betriebszustand bei einem Ausfall des Brems-Choppers 10 herzustellen.
Eine in dem Gehäuse 2 installierte, nicht dargestellte Isolationsüberwachungseinrichtung überwacht einen Widerstand, beispielsweise eines Bezugspotentials des Funktionsmoduls 100, gegen eine Fahrzeugmasse, d. h. gegen ein Bezugspotential eines Fahrzeugs mit einem seriellen Hybridantrieb, in dem das Funktionsmodul 100 als Teil des Hybridantriebs angeordnet ist, und zeigt in Abhängigkeit von dem gemessenen Widerstand einen Isolationsfehler an, beispielsweise indem eine entsprechende Nachricht über den Feldbus ausgegeben wird. Zusätzlich kann in dem Gehäuse 2 eine Temperaturüberwachungseinrichtung vorgesehen sein, die bei einem Überschreiten einer Grenztemperatur eine Meldung ausgibt.
Der Brems-Chopper 10 sowie alle Überwachungseinrichtungen des Funktionsmoduls 100 sind mit dem Feldbusanschluss 5 gekoppelt.
Das gezeigte Funktionsmodul 100 ist Teil eines nicht näher dargestellten seriellen Hybridantriebs, der zum Antrieb eines kettengetriebenen Pistenfahrzeugs dient.
Das Funktionsmodul 100 übernimmt im Pistenfahrzeug die Funktionen mehrerer Einzelkomponenten und vereint diese. Die Vorteile der kompakten Bauweise ermöglichen einen Bauraumgewinn und erhöhen die elektrische Sicherheit. Die elektrische Verkabelung verläuft innerhalb des Gehäuses 2 und ist von außen ohne Demontage nicht zugänglich.
In dem Gehäuse 2 wird die Funktion eines Brems-Choppers durch Verwendung von Hochleistungsstahlgitterelementen als Widerstandselemente mit der direkten Anbindung an die Steuerelektronik 13 realisiert, wobei der Brems-Chopper 10 bei Bedarf gezielt die überschüssige nicht speicherbare Energie in Wärme umwandelt.
Die Zuschaltung des Widerstands 11 bzw. der Widerstandselemente erfolgt mittels der Hochleistungs-IGBTs 12a und 12b, die in einem Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) geschaltet werden. Die variabel getaktete Schaltung des Widerstands 11 ermöglicht eine gezielte Regelung der Leistung, die dem Zwischenkreis entzogen wird.
Der Brems-Chopper 10 arbeitet in zwei Betriebmodi und überwacht im ersten Betriebsmodus die Zwischenkreisspannung UZ und schaltet sich automatisch zu, wenn ein eingestellter Schwellwert überschritten wird und erfüllt somit eine Überlastungsüberwachung.
Im zweiten Betriebsmodus erfüllt der Brems-Chopper 10 die Aufgabe einer Nothalt-Funktion im Falle des gleichzeitigen Ausfalls von Umrichtern der Elektromotoren. In diesem Fall kann die Eigenschaft von permanent erregten Synchron-Motoren (PSM) genutzt werden, dass diese eine Induktionsspannung erzeugen, sobald sie angetrieben werden. Diese Induktionsspannung wird über Freilaufdioden der Umrichter-IGBTs gleichgerichtet und dem Zwischenkreis zugeführt. Wenn der Stromkreis über den Brems-Chopper 10 geschlossen wird, wird ein Bremsmoment erzeugt, über welches das Fahrzeug zum Stillstand gebracht wird.
Der Brems-Chopper 10 definiert über die PWM-Ansteuerung der Brems-Chopper-IGBTs 12a und 12b den Bremsstrom und das Bremsmoment, um eine Verzögerung des Fahrzeuges nach definierter Bremsrampe zu erreichen.
Für den Fall der Fehlfunktion des Brems-Choppers 10 selbst ist eine Failsafe-Schutzschaltung integriert, die bei Ausfall einer 24 Volt Hilfsspannungsversorgung, die über den Feldbusanschluss 5 geliefert werden kann, oder der Steuerelektronik 13 die IGBTs 12a und 12b einschaltet und ein Abbremsen ermöglicht. Eine Not-Spannungsversorgung aus dem Zwischenkreis kann vorgesehen sein.
Der Brems-Chopper 10 hat eine Anbindung an einen CAN-Bus des Fahrzeugs, wodurch alle notwendigen Einstellungen und Programmierungen der Steuerelektronik 13 vorgenommen werden können.
Die Kühlung des Widerstands 11 und der Steuerelektronik 13 wird durch die Anbindung and den Kühlkreislauf des Fahrzeugs verwirklicht.
Der integrierte Zwischenkreis-Kondensator 1 sorgt für die Stabilisierung des Energiebedarfs der elektrischen Antriebe und wirkt einem Einbruch der Antriebsspannung entgegen.
Die integrierte Isolationsüberwachungseinrichtung, die Spannung und Widerstand messen kann, errechnet durch einen Bezugswiderstand gegen die Fahrzeugmasse den Isolationswiderstand der elektrischen Kabel und führt eine Isolationsüberwachung aus. Fällt der Wert des Isolationswiderstandes unter ein vorgegebenes Minimum, so wird eine Isolationswarnung bzw. Isolationsfehler in Abhängigkeit der eingestellten Schwellwerte ausgelöst.
Die CAN-Anbindung zum Funktionsmodul 100 verläuft getrennt von der Verkabelung des Zwischenkreises.

Claims

Funktionsmodul (100) für einen seriellen Hybridantrieb, umfassend – ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse (2), mit: – Zwischenkreis-Anschlüssen (3a, 3b) zum Anschließen eines Zwischenkreises, – Kühlmittel-Anschlüssen (4a, 4b) zum Anschließen eines Kühlmittel-Kreislaufes und – einem Feldbus-Anschluss (5) zum Anschließen eines Feldbusses, – wobei in dem Gehäuse des Funktionsmoduls angeordnet sind: – ein Zwischenkreis-Kondensator (1), wobei der Zwischenkreis-Kondensator elektrisch mit den Zwischenkreis-Anschlüssen verbunden ist, und – ein Brems-Chopper (10) mit einem Brems-Widerstand (11), der überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis in den Bremswiderstand leitet und dort in Wärme umwandelt, wobei der Brems-Chopper, insbesondere dessen Bremswiderstand, mittels des Kühlmittel-Kreislaufes kühlbar ist.
Funktionsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems-Chopper eine Steuereinheit (13) und mittels der Steuereinheit angesteuerte Schaltmittel (12a, 12b) umfasst, wobei die Schaltmittel und der Bremswiderstand in Serie zwischen die Zwischenkreis-Anschlüsse eingeschleift sind.
Funktionsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel IGB-Transistoren sind.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems-Chopper dazu ausgebildet ist, in einer ersten Betriebsart die Zwischenkreisspannung zu überwachen und Energie aus dem Zwischenkreis in den Bremswiderstand zu leiten, wenn die Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems-Chopper dazu ausgebildet ist, in einer zweiten Betriebsart eine Nothalt-Funktion zur Verfügung zu stellen, bei der Energie aus dem Zwischenkreis dauerhaft in den Bremswiderstand geleitet wird.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse eine Brems-Chopper-Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, für den Fall einer Fehlfunktion des Brems-Choppers Energie aus dem Zwischenkreis dauerhaft in den Bremswiderstand zu leiten.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse eine Isolationsüberwachungseinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Widerstand gegen ein Bezugspotential, insbesondere gegen eine Fahrzeugmasse, zu messen und in Abhängigkeit von dem gemessenen Widerstand einen Isolationsfehler anzuzeigen.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse eine Temperaturüberwachungseinrichtung vorgesehen ist.
Funktionsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brems-Chopper mit dem Feldbusanschluss gekoppelt ist, wobei der Brems-Chopper über den Feldbus steuerbar ist.
Serieller Hybridantrieb, umfassend: – einen Verbrennungsmotor, – mindestens einen von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator, der zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung (UZ) eines Zwischenkreises ausgebildet ist, und – mindestens einen Elektromotor, der aus der Zwischenkreisspannung gespeist ist und der motorisch und generatorisch betreibbar ist, gekennzeichnet durch – ein Funktionsmodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Fahrzeug, insbesondere kettengetriebenes Pistenfahrzeug, gekennzeichnet durch – einen seriellen Hybridantrieb nach Anspruch 10.