EP3793856A1

EP3793856A1 - System für ein elektrisch angetriebenes fahrzeug sowie fahrzeug damit und verfahren dafür

Info

Publication number: EP3793856A1
Application number: EP19724416.3A
Authority: EP
Inventors: Johannes HESEDING; Gerd SCHÜNEMANN
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Europe BV
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2021-03-24
Also published as: DE102018111681A1; CN112105521A; US20210146780A1; WO2019219555A1; US12043141B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (36) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (10), insbesondere ein Nutzfahrzeug (10), umfassend mindestens einen ersten Energiespeicher (38), der vom Typ eines Akkumulators (38) ist, sowie mindes- tens einen zweiten Energiespeicher (40), der vom Typ eines vom Akkumulator (38) unterschiedlichen Typs ist. Der zweite Energiespeicher (40) weist eine Energiedichte (54) auf, die geringer als eine Energiedichte (56) des ersten Energiespeichers (38) ist, und eine Leistungsdichte (58), die höher als eine Leistungsdichte (60) des ersten Energiespeichers (38) ist. Ferner sind der erste Energiespeicher (38) und der zweite Energiespeicher (40) eingerichtet, Energie für einen elektrischen Antrieb (12) des Fahrzeugs (10) bereitzustellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (10) mit einem System (36) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Systems (36).

Description

System für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug sowie Fahrzeug damit und Verfahren dafür

Die Erfindung betrifft den Bereich von Fahrzeugen, die elektrisch oder hybrid- angetrieben sind. Insbesondere sind derartige Fahrzeuge Nutzfahrzeuge, wie Lastkraftwagen, oder Anhängerfahrzeuge, vorzugsweise für Nutzfahrzeuge. Ein Hybridfahrzeug bezeichnet hierbei ein Fahrzeug, das einerseits einen elektri schen Antrieb mit einem oder mehreren elektrischen Motoren und andererseits einen Antrieb mit einem Verbrennungsmotor umfasst. Generelles Konzept bei diesen Fahrzeugen ist, dass die in der Masse des Fahrzeugs gespeicherte ki netische und potentielle Energie bei Verzögerung, also beim Bremsen, oder bei einer Bergabfahrt durch einen generatorischen Betrieb eines oder mehrerer elektrischer Motoren des elektrischen Antriebs in elektrische Energie gewandelt und in einem Energiespeicher gespeichert wird. Die so gewonnene Energie kann dann zur Beschleunigung in einem rein elektrisch angetriebenen Fahrzeug oder zur Unterstützung der Verbrennungsmotoren in einem Hybridfahrzeug im Beschleunigungsfall oder bei Bergauffahrt verwendet werden, um den oder die elektrischen Motoren des elektrischen Antriebs anzutreiben. Außerdem ist es möglich, andere elektrische Verbraucher im Fahrzeug aus dem Energiespeicher zu versorgen. Insbesondere im Falle eines Hybridfahrzeugs wird so der Ver brennungsmotor entlastet und ein Kraftstoffverbrauch gesenkt.

Unterscheidendes Merkmal zwischen rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen ist, dass bei Hybridfahrzeugen eine Energiespeicherka pazität vergleichsweise geringer sein muss, da im realen Fährbetrieb die Zeit räume, in denen Energie zurückgewonnen werden kann, in der Regel begrenzt sind und regelmäßig Phasen folgen, in denen die Energie schnell wieder an das Antriebssystem abgegeben werden kann. Zur Speicherung der Energie werden üblicherweise Akkumulatoren eingesetzt, die elektrische Energie auf elektrochemischer Basis speichern. Diese Akkumu latoren weisen aufgrund ihrer Technologie Beschränkungen hinsichtlich der maximalen möglichen Ladeleistung auf. Eine maximal mögliche Ladeleistung ist jedoch auch abhängig von der Energiespeicherkapazität des eingesetzten Ak kumulators. Allgemein ist die Leistung, die ein Akkumulator abgeben kann, deutlich größer als die Leistung, mit der er geladen werden kann. Hinzu kommt, dass eine gewonnene Leistung beim Bremsen oder Bergabfahren, insbesonde re bei schweren Nutzfahrzeugen, meist deutlich höher ist als die benötigte An triebsleistung.

Daher ist es heute üblich, entweder eine Leistung zum Laden des Akkumulators beim Bremsen oder Bergabfahren zu begrenzen, um einen Akkumulator nicht mit einer so hohen Ladeleistung zu beschädigen oder einen Akkumulator mit einer Energiespeicherkapazität vorzusehen, die im Verhältnis zum normalen Antrieb überdimensioniert ist, sodass eine Leistung, die beim Bremsen oder Bergabfahren erzeugt wird, ohne Begrenzung der Ladeleistung zur Verwen dung des Akkumulators verwendet werden kann. Demnach wird also durch ein Bremsen oder ein Bergabfahren erzeugte Energie teilweise nicht vollständig genutzt oder zur vollständigen Nutzung ein vergleichsweise zu teurer Akkumu lator verwendet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zu finden, mit der bei einem Bremsen oder einem Bergabfahren, insbesondere eines Nutz fahrzeuges, möglichst die gesamte, generierte Energie vollständig zwischen speicherbar ist, ohne hierbei einen teuren, vergleichsweise überdimensionierten Akkumulator einsetzen zu müssen.

Die vorliegende Erfindung betrifft hierzu ein System für ein elektrisch angetrie benes Fahrzeug. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Nutzfahrzeug, wie ein Lastkraftwagen. Alternativ ist das Fahrzeug ein Fahrzeuganhänger, zum Bei spiel ein Sattelauflieger für ein als Nutzfahrzeug ausgebildetes Zugfahrzeug. Ein weiteres Beispiel für das Fahrzeug ist ein Personenkraftwagen. Das System umfasst mindestens einen ersten Energiespeicher und mindestens einen zwei ten Energiespeicher, die eingerichtet sind, Energie zur Versorgung eines elektrischen Antriebs des Fahrzeugs bereitzustellen. Der erste Energiespeicher des Systems ist vom Typ eines Akkumulators. Demnach ist der erste Energie speicher ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie auf elektro chemischer Basis. Der erste Energiespeicher umfasst demnach ein oder meh rere wiederaufladbare Speicherelemente, die auch Sekundärelemente oder Se kundärzelle genannt werden. Beispiele für einen Akkumulator sind beispiels weise ein Bleiakkumulator, ein Lithium-Ionen-Akkumulator, ein Lithium-Polymer- Akkumulator oder ein Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator.

Der mindestens eine zweite Energiespeicher ist vom Typ eines vom Akkumula tor unterschiedlichen Typs. Der zweite Energiespeicher ist somit also ein Spei cher, der kein Akkumulator ist. Außerdem weist der zweite Energiespeicher ei ne Energiedichte auf, die geringer ist als die Energiedichte des ersten Energie speichers. Zudem weist der zweite Energiespeicher eine Leistungsdichte auf, die höher als die Leistungsdichte des ersten Energiespeichers ist.

Das System umfasst somit zwei unterschiedliche Energiespeichertypen, wobei einer der Speichertypen eine höhere Leistungsdichte, aber dafür eine geringere Energiedichte als der andere Energiespeicher aufweist.

Hierdurch wird es ermöglicht, einen Energiespeicher, nämlich den zweiten Energiespeicher, zu verwenden, um im Falle einer Verzögerung, also beim Bremsen, oder einer Bergabfahrt mit einer hohen Leistung zu laden und die so gespeicherte Energie daraufhin zur Versorgung des Motors sowie zum Laden des ersten Energiespeichers zu verwenden. Hierzu weist der zweite Energie speicher demnach eine höhere Leistungsdichte als der erste Energiespeicher auf. Das heißt, der zweite Energiespeicher kann mit einer größeren Leistung als der erste Energiespeicher geladen werden, wobei für den kontinuierlichen Be trieb des elektrischen Antriebs der erste Energiespeicher eine höhere Energie- dichte aufweist, sodass dieser mit einer höheren Energiespeicherkapazität als der zweite Energiespeicher ausgelegt ist.

Eine deutlich höhere, bei einer Verzögerung oder Bergabfahrt erzeugte Leis tung kann somit vollständig ohne Leistungsbegrenzung vorläufig im zweiten Energiespeicher zwischengespeichert werden. Andererseits kann ein erster Energiespeicher mit einer geringeren Leistungsdichte als der zweite Energie speicher ausgebildet werden, um einen vergleichsweise günstigen Energiespei cher, der im Wesentlichen zur Versorgung des elektrischen Antriebs bei norma ler Fahrt dient, bereitzustellen.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des Systems ist die Energiedichte des zweiten Energiespeichers geringer als die Hälfte der Energiedichte des ersten Energiespeichers und die Leistungsdichte des zweiten Energiespeichers ent spricht mindestens dem Fünffachen der Leistungsdichte des ersten Energie speichers. Hierdurch ist vorzugsweise bei besonders schweren Fahrzeugen, wie beladenen Lastkraftwagen und/oder deren Anhängerfahrzeugen mit einem eigenen elektrischen Antrieb, eine besonders hohe Leistung, die durch eine Verzögerung oder eine Bergabfahrt bereitgestellt wird, vollständig im zweiten Energiespeicher zwischenspeicherbar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Energiespeicher ein Kondensator, der insbesondere ein Superkondensator ist. Ein derartiger Super kondensator ist als standardisiertes Bauteil verfügbar und dadurch als Energie speicher mit einer hohen Leistungsdichte einsetzbar, der vergleichsweise güns tig ist. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Energiespeicher ein Schwungrad, dem eine Elektromotorgeneratoranordnung und ein Umrichter zugeordnet sind. Über den Umrichter und die Elektromotorgeneratoranordnung im Motorbetrieb wird demnach ein Schwungrad mit der Energie, die durch eine Verzögerung oder Bergabfahrt gewonnen wird, in Rotation versetzt, um diese zu speichern. Diese Energie kann dann wieder abgerufen werden, indem die Rotation des Schwungrads im Generatorbetrieb der Elektromotorgeneratoranordnung in ei nem Rückwärtsbetrieb des Umrichters wieder in eine Leistung zur Versorgung des elektrischen Antriebs gewandelt wird. Derartige Energiespeicher eignen sich besonders zum Zwischenspeichern einer Leistung und weisen eine beson ders hohe Leistungsdichte auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das System eine Gleichspan nungsverbindung, die eingerichtet ist, elektrische Energie des ersten Energie speichers und/oder des zweiten Energiespeichers zur Versorgung eines elektri schen Antriebs für den elektrischen Antrieb bereitzustellen. Außerdem ist die Gleichspannungsverbindung eingerichtet, Energie aus dem mindestens einen elektrischen Antrieb während eines Generatorbetriebs in dem ersten und/oder zweiten Energiespeicher zu speichern. Außerdem ist die Gleichspannungsver bindung eingerichtet, Energie aus dem zweiten Energiespeicher in den ersten Energiespeicher zu übertragen.

Die Gleichspannungsverbindung stellt somit eine, insbesondere über weitere Bauteile der Elektrotechnik geführte, Verbindung zwischen dem ersten Energie speicher und dem zweiten Energiespeicher sowie einem elektrischen Antrieb dar. So ist beispielsweise eine Übertragung von Energie von einem Bereich eines Fahrzeugs, in dem das System einsetzbar ist, in einen anderen Bereich des Fahrzeugs möglich, sodass die Energiespeicher nicht unmittelbar im Be reich des elektrischen Antriebs angeordnet sein müssen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das System einen Gleich spannungswandler, über den der zweite Energiespeicher mit der Gleichspan nungsverbindung trennbar verbunden ist. Der Gleichspannungswandler ist zum Beispiel ein Sperrwandler, ein Durchflusswandler oder ein Buck-/Boost- Konverter. Ist der Gleichspannungswandler als Buck-/Boost-Konverter ausge bildet, umfasst dieser insbesondere eine Halbbrücke und eine Leistungsindukti vität. Der Gleichspannungswandler ist zum trennbaren Verbinden eingerichtet, sodass dieser beispielsweise, insbesondere, wenn er als Sperrwandler oder Durchflusswandler ausgebildet ist, eine galvanische Trennung des Gleichspan nungswandlers von der Gleichspannungsverbindung ermöglicht. Dennoch um fasst hier der Begriff„trennbar verbunden“ nicht ausschließlich eine galvanische Trennung, sodass auch ein Buck-/Boost-Konverter, der auch Inverswandler ge nannt wird, im nichtbetriebenen Fall eine Trennung der Verbindung beschreibt. Jedenfalls dient der Gleichspannungswandler zum Bereitstellen einer im We sentlichen konstanten Spannung auf der Gleichspannungsverbindung durch den zweiten Energiespeicher für den Fall, dass der zweite Energiespeicher als Kondensator oder Superkondensator ausgebildet ist. Hierbei wird die Kenntnis zugrunde gelegt, dass ein Kondensator eine Klemmspannung aufweist, die proportional zur gespeicherten Energie im Kondensator ist. Beim Entladen oder Laden des zweiten Energiespeichers ändert sich entsprechend die unmittelbar am Ausgang eines zweiten Energiespeichers bereitgestellte Spannung, was durch den Gleichspannungswandler ausgeglichen wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der elektrische Antrieb einen Gleichspannungszwischenkreis, mindestens einen Wechselrichter sowie min destens einen elektrischen Motor und mindestens eine Motorsteuerung zum Ansteuern des mindestens einen Wechselrichters. Der Gleichspannungszwi schenkreis ist mit der Gleichspannungsverbindung verbindbar, um Schwan kungsspannungen der Gleichspannungsverbindung auszugleichen und/oder zu glätten. Der Wechselrichter ist angeordnet, um aus der dem Gleichspannungs zwischenkreis bereitgestellten Leistung eine Leistung für den mindestens einen elektrischen Motor bereitzustellen. Der Wechselrichter wird hierbei durch die Motorsteuerung angesteuert, um ein gewünschtes Drehmoment des elektri schen Motors zu erzeugen. Außerdem dient die Motorsteuerung zum Ansteuern des Wechselrichters in Rückwärtsrichtung, um den elektrischen Motor, der im Generatorbetrieb betrieben wird, über den Gleichspannungszwischenkries so mit der Gleichspannungsverbindung zu verbinden, dass Energie, die im elektri schen Motor im Generatorbetrieb erzeugt wird, als Energie im ersten Energie speicher und/oder zweiten Energiespeicher gespeichert werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das System eine Energiema nagementschaltung, die eingerichtet ist, eine Leistung und/oder Energie, die zwischen der Gleichspannungsverbindung und dem ersten Energiespeicher und zwischen der Gleichspannungsverbindung und dem zweiten Energiespei- eher ausgetauscht wird, zu steuern oder zu regeln. Hierzu ist die Energiemana gementschaltung vorzugsweise eingerichtet, den Gleichspannungswandler zu steuern und eine Akkumanagementschaltung des ersten Energiespeichers zu steuern.

Hierdurch ist ein zentrales Element, nämlich die Energiemanagementschaltung, vorgesehen, um Energie und Leistung innerhalb des Systems als übergeordne te Instanz zu kontrollieren, organisieren und zu regeln.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein erster Schalter vorgesehen, der vorzugsweise ein Halbleiterschalter ist. Der erste Schalter dient, um den ersten und zweiten Energiespeicher trennbar mit dem elektrischen Antrieb zu verbin den. Die Energiemanagementschaltung ist außerdem eingerichtet, den ersten Schalter anzusteuern. Dank dem ersten Schalter ist ein Trennen des elektri schen Antriebs von dem ersten Energiespeicher und dem zweiten Energiespei cher, also von der Energieversorgung, möglich. Dies dient insbesondere, für den Fall, dass zusätzlich ein Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug mit dem System vorhanden ist und eine Beschleunigung rein durch den Verbrennungs motor erfolgt, wenn in einem Übergangszeitraum der elektrische Antrieb nicht benötigt wird. In diesem Übergangszeitraum kann dann Energie aus dem zwei ten Energiespeicher in den ersten Energiespeicher über die Gleichspannungs verbindung geladen werden, um möglichst die volle Kapazität des zweiten Energiespeichers im Falle einer dann folgenden Verzögerung oder einer Berg abfahrt verfügbar zu haben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das System einen zweiten Schalter, der ebenfalls vorzugsweise ein Halbleiterschalter ist. Der zweite Schalter dient, um den ersten Energiespeicher trennbar mit der Gleichspan nungsverbindung zu verbinden. Die Energiemanagementschaltung ist außer dem eingerichtet, den zweiten Schalter anzusteuern. Hierdurch kann - solange der erste Energiespeicher im Wesentlichen vollständig geladen ist - allein durch Laden und Entladen des zweiten Energiespeichers Energie mit dem elektri schen Antrieb ausgetauscht werden, ohne dass eine Ansteuerung des ersten Energiespeichers, insbesondere mit seiner Akkumulatormanagementschaltung nötig ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Energiemanagementschaltung eingerichtet, in einem ersten Modus betrieben zu werden. In dem ersten Modus sind der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen, um elektrische Energie, die vom elektrischen Antrieb erzeugt wird, in dem ersten Energiespei cher und/oder dem zweiten Energiespeicher zu speichern. Alternativ sind die beiden Schalter geschlossen, um Energie vom ersten Energiespeicher und/oder zweiten Energiespeicher zur Versorgung des elektrischen Antriebs zu verwen den. Vorzugsweise ist die Energiemanagementschaltung eingerichtet, in den ersten Modus zu wechseln, wenn eine Ladung des ersten Energiespeichers unterhalb einem vordefinierten ersten Schwellenwert liegt. Demnach wird also ein anderer als der erste Modus vorzugsweise dann verwendet, solange die Ladung des ersten Energiespeichers auf oder oberhalb dem vordefinierten ers ten Schwellenwert liegt.

Hierbei wird ausgenutzt, dass nur, wenn genügend freie Energiespeicherkapa zität im ersten Energiespeicher zur Verfügung steht, vom Antrieb erzeugte Energie verwendet wird, um diesen wiederaufzuladen. Vorzugsweise begrenzt die Energiemanagementschaltung durch Ansteuern der Akkumanagement schaltung eine Ladeleistung des ersten Energiespeichers, um diesen nicht zu zerstören.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Energiemanagementschaltung eingerichtet, im Falle, dass der zweite Energiespeicher eine Ladung oberhalb eines zweiten vordefinierten Schwellenwerts aufweist, die vom elektrischen An trieb bereitgestellte Leistung zu begrenzen. In diesem Falle, dass nämlich der zweite Energiespeicher bereits eine Ladung oberhalb eines zweiten Schwel lenwerts aufweist, der vorzugsweise gewählt ist, um darzustellen, dass der zweite Energiespeicher im Wesentlichen vollgeladen ist, wird demnach die elektrische Leistung, die vom Antrieb bereitgestellt wird, begrenzt. So wird ge- währleistet, dass der noch zu landende erste Energiespeicher nicht mit einer Leistung geladen wird, die diesen beschädigt.

Ein Schutz des ersten Energiespeichers im Falle eines im Wesentlichen voll ständig geladenen zweiten Energiespeichers wird somit gewährleistet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Energiemanagementschaltung eingerichtet, in einem zweiten Modus betrieben zu werden, in dem der erste Schalter geschlossen und der zweite Schalter geöffnet ist. In diesem Modus ist das System eingerichtet, Energie, die vom elektrischen Antrieb bereitgestellt wird, nur im zweiten Energiespeicher zu speichern oder Energie vom zweiten Energiespeicher nur zur Versorgung des elektrischen Motors zu verwenden.

Die Energiemanagementschaltung ist eingerichtet, in den zweiten Modus zu wechseln, insbesondere, wenn eine Ladung des ersten Energiespeichers ober halb dem vordefinierten ersten Schwellenwert liegt. Ist demnach der erste Energiespeicher im Wesentlichen ganz oder ganz geladen, so wird der erste Energiespeicher zum Schutz von der Gleichspannungsverbindung durch Öffnen des zweiten Schalters entkoppelt. Ein Energieaustausch ist dann nur noch zwi schen Antrieb und zweitem Energiespeicher möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Energiemanagementschaltung eingerichtet, in einem dritten Modus betrieben zu werden. In dem dritten Modus ist der erste Schalter geöffnet und der zweite Schalter geschlossen, um Energie vom zweiten Energiespeicher in den ersten Energiespeicher zu laden. Dieser Fall tritt ein, wenn ein Fahrzeug mit dem System beispielsweise ohne elektri schen Antrieb nur von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, und dient, um die Ladung des zweiten Energiespeichers auf den ersten Energiespeicher zu übertragen, um die gesamte Kapazität des zweiten Energiespeichers wieder für einen neuen Bremsvorgang oder eine Bergabfahrt verfügbar zu haben.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, ein Fahrzeuganhänger oder dergleichen, das ein System nach einer der vorgenannten Ausführungsformen umfasst. Zudem umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einer der vorgenannten Ausführungsformen oder eines Fahrzeugs mit dem System nach einer der vorgenannten Ausführungsformen.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher er läuterten Ausführungsbeispiele. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein System gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem

Nutzfahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Lastzug mit dem System,

Fig. 3 die geschwindigkeitsabhängigen Drehmomente elektrischer Moto ren,

Fig. 4 eine Darstellung von Energiewerten, die beim Bremsen erzeugt wird,

Fig. 5 ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 einen ersten Modus des Systems und den Übergang in den zwei ten Modus,

Fig. 7 einen dritten Modus,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens und Fig. 9 einen zweiten Energiespeicher.

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 10, das ein Nutzfahrzeug ist. Das Fahrzeug 10 weist einen elektrischen Antrieb 12 auf, mit dem Räder 14 einer Antriebsachse 16 antreibbar sind. Die Antriebsachse 16 ist außerdem mit einem Verbrennungs motorantrieb 18 antreibbar. Der hier dargestellte Verbrennungsmotorantrieb 18 umfasst eine Motorsteuerung 20 sowie einen Verbrennungsmotor 22 zum An steuern der Antriebsachse 1 6. Der elektrische Antrieb 12 umfasst einen Gleich- spannungszwischenkreis 24, über den am Eingang 26 elektrische Energie für den elektrischen Antrieb 12 bereitgestellt werden kann. Der Gleichspannungs- zwischenkreis 24 dient zur Glättung und zum Zwischenspeichern von elektri scher Energie. Außerdem umfasst der elektrische Antrieb 12 einen elektrischen Motor 28, der mit Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis, die über einen Wechselrichter 30 in eine Wechselspannung 32 gewandelt wird, versorg bar ist. In Abhängigkeit eines gewünschten Drehmoments des elektrischen Mo tors 28 wird der Wechselrichter 30 mit einem Motorsteuergerät 34 angesteuert. Hierbei kann der elektrische Motor 28 auch im generatorischen Betrieb zum Bremsen der Antriebsachse 16 betrieben werden, wobei dann Energie vom elektrischen Motor 28 über den Wechselrichter 30 in den Gleichspannungszwi schenkreis 24 eingespeist wird, die dann über den Anschluss 26 des elektri schen Antriebs 12 ausgegeben werden kann.

Zum Versorgen des elektrischen Antriebs 12 mit oder zum Speichern von vom elektrischen Antrieb 12 bereitgestellter Energie 13 weist das Fahrzeug ein Sys tem 36 auf. Das System 36 umfasst einen ersten Energiespeicher 38 und einen zweiten Energiespeicher 40. Der erste Energiespeicher 38 ist über eine Ak kumanagementschaltung 42 und der zweite Energiespeicher 40 über einen Gleichspannungswandler 44 mit einer Gleichspannungsverbindung 46 verbun den. Die Gleichspannungsverbindung 46 dient zum Verbinden des ersten Ener giespeichers 38 und des zweiten Energiespeichers 40 mit dem elektrischen An trieb 12. Über die Gleichspannungsverbindung 46 wird somit elektrische Ener gie 47 vom ersten Energiespeicher 38 und vom zweiten Energiespeicher 40 für den elektrischen Antrieb 12 bereitgestellt. Elektrische Energie 43 ist somit vom ersten Energiespeicher 38 und elektrische Energie 45 ist vom zweiten Energie speicher 40 bereitstellbar.

Die Gleichspannungsverbindung 46 weist einen ersten Schalter 48 und einen zweiten Schalter 50 auf. Zudem ist eine Energiemanagementschaltung 52 vor gesehen, die den ersten Schalter 48, den zweiten Schalter 50, das Motorsteu- ergerät 34, den Gleichspannungswandler 44 sowie die Akkumanagementschal tung 42 über Steuerleitungen 49 steuert. Der zweite Energiespeicher 40 weist eine Energiedichte 54 auf, die geringer ist als eine Energiedichte 56 des ersten Energiespeichers 38. Der zweite Energiespeicher 40 weist außerdem eine Leis tungsdichte 58 auf, die höher als eine Leistungsdichte 60 des ersten Energie speichers 38 ist. Der erste Energiespeicher 38 ist ein Akkumulator und der zweite Energiespeicher 40 ist ein Superkondensator 51.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Fahrzeug 10, das ein Fahrzeuganhänger 63 ist. Der Fahrzeuganhänger wird von einem exemplarisch dargestellten Zugfahrzeug 62 gezogen. Das Fahrzeug 10 weist in Fig. 2 dieselben Komponenten wie das Fahrzeug 10 in Fig. 1 auf, wobei das Fahrzeug 10 in Fig. 2 keinen Verbren nungsmotorantrieb 18 umfasst. Demnach bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale.

Fig. 3 zeigt das Drehmoment eines elektrischen Antriebs 12, das in Abhängig keit einer Fahrzeuggeschwindigkeit bereitgestellt werden kann. Hierzu ist die Fahrzeuggeschwindigkeit auf der Achse 70 aufgetragen. Das Drehmoment des elektrischen Antriebs 12 bei einer positiven Beschleunigung ist auf der Kurve 72 dargestellt und ist bis zur sogenannten Eckdrehzahl 79 im Wesentlichen kon stant. Gleiches gilt für ein negatives Drehmoment 74, das im Bremsfall durch den elektrischen Antrieb 12 im generatorischen Betrieb bereitgestellt wird und durch die Kurve 74 dargestellt ist. Abhängig von dem Drehmoment ist entspre chend die im elektrischen Antrieb 12 für die Beschleunigung benötigte Energie über die Kurve 76 und die vom elektrischen Antrieb 12 bereitgestellte Energie im Generatorbetrieb durch die Kurve 78 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass ein elektrischer Antrieb 12 in einem Bereich 80 seine höchste Effizienz aufweist. Dies ist beispielsweise ein Bereich, der bei Nutzfahrzeugen im Wesentlichen zwischen 40 km/h 75 und 80 km/h 77 gewählt wird.

Fig. 4 zeigt exemplarisch Energiewerte, die beim Bremsen eines Lastzugs 82 typischerweise erzeugt werden. Exemplarisch weist das Zugfahrzeug 62 ein Gewicht von 8 Tonnen auf und das Anhängerfahrzeug 63 ein Gewicht von 7 Tonnen Leergewicht, wobei eine Ladung 86 mit 20 Tonnen hinzugeladen wur de. Eine Verteilung der auf die Achsen wirkenden Kräfte ergibt sich demnach, sodass auf die drei Achsen 88 des Anhängerfahrzeugs 63 jeweils 64 Kilo newton 83, auf die Antriebsachse 90 des Zugfahrzeugs 62 75 Kilonewton 85 und die Vorderachse 92 55 Kilonewton 87 wirken. Geht man dann von einer Beschleunigungsänderung von einem Meter pro Sekunde bei insgesamt 35 Tonnen Gewicht aus, ergibt sich eine Kraft 94 von 35 Kilonewton. Diese teilt sich im Falle einer Bremsung mit einer negativen Beschleunigung von einem Meter pro Sekunde derart auf, dass auf die Achsen 88 des Anhängerfahrzeugs 63 jeweils 7 Kilonewton 96, auf die Antriebsachse 90 des Zugfahrzeugs 62 8 Kilonewton 98 und auf die Vorderachse 92 des Zugfahrzeugs 62 6 Kilonewton 100 wirken. Bei einer Geschwindigkeit von 80 km/h ergibt sich für diesen Fall eine Leistung von 775 Kilowatt, sodass dies einer Energie bei einem Bremsma növer von 85 km/h auf 70 km/h entspricht, die etwa 3.250 Kilowattsekunden beträgt. Nutzt man nun beispielsweise einen generatorischen Antrieb nur einer Achse des Fahrzeuganhängers 86, so können hiermit etwa 465 Kilowatt und bei der oben genannten Bremsung von 85 km/h auf 70 km/h 1 .300 Kilowattsekun den rückgewonnen werden. Im Falle eines durch einen elektrischen Antrieb 12 gebremsten Zugfahrzeugs 62 können etwa 1.950 Kilowattsekunden aus der Bremsung rückgewonnen werden.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Fig. 5 zeigt einen ersten Modus 112 der Energiemanagementschaltung 52. In dem ersten Modus 1 12 werden in einem Schritt 1 14 der erste Schalter 48 und der zweite Schalter 50 geschlossen. In einem Schritt 115 werden dann der erste Energiespeicher 38 und der zweite Energiespeicher 40 zur Versorgung des elektrischen Antriebs 12 verwendet oder Energie, die mit dem elektrischen Antrieb 12 erzeugt wird, in den Energiespeichern 38, 40 gespeichert. Wird in einem Schritt 1 16 eine La dung des zweiten Energiespeichers 40 oberhalb einem zweiten Schwellenwert 118 detektiert, so wird in einem Schritt 120, in dem sich der elektrische Antrieb 12 in einem Generatorbetrieb 1 19 befindet, eine vom elektrischen Antrieb 12 bereitgestellte Leistung begrenzt. Fig. 6 zeigt einen weiteren Schritt 121 des ersten Modus 1 12. Hier wird im ers ten Modus 1 12 zusätzlich im Schritt 121 eine Ladung des ersten Energiespei chers 38 mit einem ersten Schwellenwert 122 verglichen. Wenn die Ladung unterhalb dem vordefinierten ersten Schwellenwert 122 liegt 124, bleibt die Energiemanagementschaltung 52 im ersten Modus 112. Ist der erste Schwel lenwert 122 durch die Ladung des ersten Energiespeichers 38 überschritten 126, so wechselt die Energiemanagementschaltung 52 in einen zweiten Modus 128, in dem in einem Schritt 130 der zweite Schalter 50 geöffnet wird. Elektri sche Energie, die vom elektrischen Antrieb 12 bereitgestellt wird, wird demnach nur noch im zweiten Energiespeicher 40 gespeichert oder Energie vom zweiten Energiespeicher 40 zur Versorgung des elektrischen Antriebs 12 verwendet.

Fig. 7 zeigt einen dritten Modus 132, in dem in einem Schritt 134 der erste Schalter 48 geöffnet und der zweite Schalter 50 geschlossen wird. In diesem Modus 132 wird dann in einem Schritt 136 Energie vom zweiten Energiespei cher 40 in den ersten Energiespeicher 38 geladen.

Fig. 8 zeigt die Schritte eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Im Schritt 138 wird Energie mit einem elektrischen Antrieb 12 erzeugt und im Schritt 140 in dem zweiten Speicher 40 gespeichert. Daraufhin wird in einem Schritt 142 ein Fahrzeug 10 mit dem System 36 mit einem Verbrennungsmotorantrieb 18 beschleunigt und Energie in einem Schritt 144 vom zweiten Energiespeicher 40 in den ersten Energiespeicher 38 geladen.

Fig. 9 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu einem zweiten Energiespei cher 40, der als Superkondensator 51 ausgebildet ist. In Fig. 9 ist demnach ein zweiter Energiespeicher 40 dargestellt, der ein Schwungrad 150 aufweist, mit dem eine Elektromotorgeneratoranordnung 152 verbunden ist, um aus elektri scher Energie kinetische Energie im Schwungrad 150 zu speichern oder aus der kinetischen Energie des Schwungrads 150 elektrische Energie im Genera torbetrieb zu gewinnen. Hierfür ist die Elektromotorgeneratoranordnung 152 mit einem Umrichter 154 versehen, um eine Wechselspannung 32 des Motors in eine Gleichspannung für die Gleichspannungsverbindung 46 oder umgekehrt zu wandeln.

Bezugszeichenliste (Bestandteil der Beschreibung)

10 Fahrzeug

12 elektrischer Antrieb

13 vom elektrischen Antrieb bereitgestellte Energie

14 Räder

16 Antriebsachse

18 Verbrennungsmotorantrieb

20 Motorsteuerung

22 Verbrennungsmotor

24 Gleichspannungszwischenkreis

26 Eingang

28 elektrischer Motor

30 Wechselrichter

32 Wechselspannung

34 Motorsteuergerät

36 System

38 erster Energiespeicher

40 zweiter Energiespeicher

42 Akkumanagementschaltung

43 vom ersten Energiespeicher bereitgestellte Energie

44 Gleichspannungswandler

45 vom zweiten Energiespeicher bereitgestellte Energie

46 Gleichspannungsverbindung

47 bereitgestellte elektrische Energie

48 erster Schalter

49 Steuerleitungen

50 zweiter Schalter

51 Superkondensator

52 Energiemanagementschaltung

54 Energiedichte des zweiten Energiespeichers

56 Energiedichte des ersten Energiespeichers

58 Leistungsdichte des zweiten Energiespeichers Leistungsdichte des ersten Energiespeichers Zugfahrzeug

Anhängerfahrzeug

Achse Fahrzeuggeschwindigkeit

Kurve Drehmoment des elektrischen Antriebs negatives Drehmoment

40 km/h

Kurve benötigte Energie bei Beschleunigung 80 km/h

Kurve bereitgestellte Energie beim Bremsen Eckdrehzahl

Bereich

Lastzug

64 kN

75 kN

Ladung

55 kN

Achsen des Anhängerfahrzeugs

Antriebsachse des Zugfahrzeugs

Vorderachse

Kraft

kN, die auf die Achsen wirken

kN, die auf die Antriebsachse wirken

kN, die auf die Vorderachse wirken

erster Modus der Energiemanagementschaltung-116 Schritte des Verfahrens

zweiter Schwellenwert

Generatorbetrieb

-121 Schritte des Verfahrens

erster Schwellenwert

Ladung unterhalb dem ersten Schwellenwert Ladung oberhalb dem ersten Schwellenwert zweiter Modus der Energiemanagementschaltung Schritt des Verfahrens

dritter Modus der Energiemanagementschaltung-144 Schritte des Verfahrens

Schwungrad

Elektromotorgeneratoranordnung

Umrichter

Claims

Patentansprüche

1. System (36) für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (10, 62, 63), ins besondere ein Nutzfahrzeug (10), umfassend:

- mindestens einen ersten Energiespeicher (38), der vom Typ eines Akkumula tors (38) ist,

- mindestens einen zweiten Energiespeicher (40), der vom Typ eines vom Ak kumulator (38) unterschiedlichen Typs ist,

wobei der zweite Energiespeicher (40) eine Energiedichte (54) aufweist, die geringer als eine Energiedichte (56) des ersten Energiespeichers (38) ist, und eine Leistungsdichte (58) aufweist, die höher als eine Leistungsdichte (60) des ersten Energiespeichers (38) ist,

wobei der erste Energiespeicher (38) und der zweite Energiespeicher (40) ein gerichtet sind, elektrische Energie (47) für einen elektrischen Antrieb (12) des Fahrzeugs (10, 62, 63) bereitzustellen.

2. System (36) nach Anspruch 1 , wobei die Energiedichte (54) des zweiten Energiespeichers (40) geringer als die Hälfte der Energiedichte (56) des ersten Energiespeichers (38) ist und die Leistungsdichte (58) des zweiten Energie speichers (40) mindestens dem Fünffachen der Leistungsdichte (60) des ersten Energiespeichers (38) entspricht.

3. System (36) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Energiespeicher (40) ein Kondensator (40), insbesondere ein Superkondensator (51 ), oder ein Schwungrad (150) mit einer dem Schwungrad (150) zugeordneten Elektromo torgeneratoranordnung (152) und einem dem Schwungrad (150) zugeordneten Umrichter (154) umfasst.

4. System (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System eine Gleichspannungsverbindung (46) aufweist, die eingerichtet ist, elektrische Energie (43) des ersten Energiespeichers (38) und/oder elektrische Energie (45) des zweiten Energiespeichers (40) für den elektrischen Antrieb (12) bereitzustellen und die Gleichspannungsverbindung (46) eingerichtet ist, Energie aus dem elektrischen Antrieb (12) während eines Generatorbetriebs (1 19) in den ersten Energiespeicher (38) und/oder den zweiten Energiespeicher (40) zu speichern und die Gleichspannungsverbindung (46) eingerichtet ist, Energie (45) aus dem zweiten Energiespeicher (40) in den ersten Energiespei cher (38) zu übertragen.

5. System (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (36) einen Gleichspannungswandler (44) aufweist, über den der zweite Energiespeicher (40) mit der Gleichspannungsverbindung (46) trennbar ver bunden ist, wobei der Gleichspannungswandler (44) vorzugsweise ein Sperr wandler (44), ein Durchflusswandler (44) oder ein Buck-/Boost-Konverter (44) ist.

6. System (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Antrieb (12) mindestens einen elektrischen Motor (28), mindestens einen Wechselrichter (30) und mindestens ein Motorsteuergerät (34) zum An steuern des Wechselrichters (30) sowie einen Gleichspannungszwischenkreis (24) aufweist.

7. System (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (36) eine Energiemanagementschaltung (52) aufweist, die eingerichtet ist, Energie (47), die zwischen der Gleichspannungsverbindung (46) und dem ersten Energiespeicher (38) und zwischen der Gleichspannungsverbindung (46) und dem zweiten Energiespeicher (40) sowie zwischen dem Gleichspannungs zwischenkreis (24) und der Gleichspannungsverbindung (46) austauschbar ist, zu steuern oder zu regeln, wobei die Energiemanagementschaltung (52) hierzu eingerichtet ist, mit dem Motorsteuergerät (34), dem Gleichspannungswandler (44) sowie einer Akkumanagementschaltung (42) des ersten Energiespeichers (38) zu kommunizieren.

8. System (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (36) einen ersten Schalter (48), insbesondere einen Halbleiterschalter (48), aufweist, um den ersten Energiespeicher (38) und den zweiten Energie- Speicher (40) trennbar mit dem elektrischen Antrieb (12) zu verbinden, und die Energiemanagementschaltung (52) eingerichtet ist, den ersten Schalter (48) anzusteuern.

9. System (36) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System (36) einen zweiten Schalter (50) aufweist, insbesondere einen Halb leiterschalter (50), um den ersten Energiespeicher (38) trennbar mit der Gleich spannungsverbindung (46) zu verbinden, wobei die Energiemanagementschal tung (52) eingerichtet ist, den zweiten Schalter (50) anzusteuern.

10. System (36) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Energiemanagement schaltung (52) eingerichtet ist, in einem ersten Modus (1 12) betrieben zu wer den, in dem der erste Schalter (48) und der zweite Schalter (50) geschlossen sind, um elektrische Energie (13), die vom elektrischen Antrieb (12) erzeugt wird, in dem ersten Energiespeicher (38) und/oder dem zweiten Energiespei cher (40) zu speichern und um Energie (43) vom ersten Energiespeicher (38) und/oder Energie (45) vom zweiten Energiespeicher (40) zur Versorgung des elektrischen Antriebs (12) zu verwenden, wobei die Energiemanagementschal tung (52) insbesondere eingerichtet ist, in den ersten Modus (1 12) zu wechseln, wenn eine Ladung des ersten Energiespeichers (38) unterhalb einem vordefi nierten ersten Schwellenwert (122) liegt (124).

11. System (36) nach Anspruch 10, wobei im Falle, dass der zweite Energie speicher (40) eine Ladung oberhalb eines zweiten Schwellenwerts (1 18) auf weist, die Energiemanagementschaltung (52) eingerichtet ist, vom elektrischen Antrieb (12) bereitgestellte Energie (13) zu begrenzen (120).

12. System (36) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , wobei die Energiema nagementschaltung (52) eingerichtet ist, in einem zweiten Modus (128) betrie ben zu werden, in dem der erste Schalter (48) geschlossen und der zweite Schalter (50) geöffnet ist, um elektrische Energie (13), die vom elektrischen An trieb (12) bereitgestellt wird, im zweiten Energiespeicher (40) zu speichern oder um Energie (45) vom zweiten Energiespeicher (40) zur Versorgung des elektri- sehen Antriebs (12) zu verwenden, wobei die Energiemanagementschaltung (52) insbesondere eingerichtet ist, in den zweiten Modus (128) zu wechseln, wenn eine Ladung des ersten Energiespeichers (38) oberhalb dem vordefinier ten ersten Schwellenwert (122) liegt (126).

13. System (36) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Energiema nagementschaltung (52) eingerichtet ist, in einem dritten Modus (132) betrieben zu werden, in dem der erste Schalter (48) geöffnet und der zweite Schalter (50) geschlossen ist, um Energie (45) vom zweiten Energiespeicher (40) in den ers ten Energiespeicher (38) zu laden.

14. Fahrzeug (10), wie ein Nutzfahrzeug (10), zum Beispiel ein Zugfahrzeug (62), ein Anhängerfahrzeug (63) oder ein Personenkraftwagen (10), umfassend ein System (36) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

15. Verfahren zum Betreiben eines Systems (36) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die Schritte:

- Erzeugen (138) von Energie (13) mit einem elektrischen Antrieb (12),

- Speichern (140) der erzeugten Energie (13) in dem zweiten Energiespeicher (40) und

- Laden (144) von Energie (45) vom zweiten Energiespeicher (40) in den ersten Energiespeicher (38).