WO2014044664A2 - Verfahren zum betrieb eines range extenders für elektrofahrzeuge - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a range extender for electric vehicles, which has an internal combustion engine with a mechanically coupled generator, wherein the mechanical energy generated by the internal combustion engine is converted by the generator into electrical power and fed to an electrical storage unit.
  • the invention further comprises a range extender unit for operating an electric vehicle.
  • electric vehicles both cars and two-wheeled vehicles, such as electric scooters
  • the operating energy comes from a rechargeable battery or accumulator arranged in the electric vehicle, this electric energy accumulator being charged to the power grid during the stoppage of the electric vehicle.
  • a range extender in the vehicle, which consists essentially of an internal combustion engine-generator unit.
  • the combustion engine is usually operated with gasoline or diesel, so that the range of the electric vehicle using the dense network of gas stations is arbitrarily expandable.
  • Prior art range extenders are typically operated at one (or more) constant speeds to ensure efficient operation of the internal combustion engine at various power levels. Since the output voltage of the generator is dependent on its speed, the voltage level of the charging current for optimum charging of the electrical energy storage must be regulated by a power electronics, which is suitable to convert the AC voltage of the generator into a DC voltage of suitable voltage level. If the range extender generator is also to be used as a starter for the combustion engine, a bidirectional inverter must be used.
  • a range extender for an electric vehicle which includes an internal combustion engine and an electric generator coupled thereto.
  • the electrical energy of the generator is used to charge a lithium-ion battery and / or to drive the electric drive machine of the vehicle.
  • a predicative operating strategy is operated, with optimal use of a navigation device present in the vehicle Operating times for the operation of the range extender are determined.
  • a similar operating strategy is pursued with the range extender arrangement according to FR 2 941 424 AI.
  • a range extender for a motor vehicle which is operated exclusively by an electric motor by means of electrical energy from an energy storage device, wherein an internal combustion engine generator unit is used to extend the range.
  • the mechanical energy is generated by an internal combustion engine and converted by a permanent magnet synchronous machine into electrical energy.
  • the internal combustion engine is mechanically connected to the generator by means of a drive shaft.
  • the generator generates alternating current, which is converted into direct current by an uncontrolled rectifier.
  • the voltage of the DC supplied by the rectifier is adjusted by controlling the speed of the generator to the current requirements of the energy storage, so that can be found with an uncontrolled rectifier instead of a more expensive and more expensive pulse inverter, the Aus GmbH. In this case, the generator can not be used as a starter.
  • the object of the invention is to further simplify a Range Extender unit of the type described above and to propose a method for optimal operation of such a range extender, which can be used in particular in the operation of two-wheeled electric vehicles, such as electric scooter.
  • This object is achieved in that the mechanical energy of the internal combustion engine is converted directly into direct current in a direct current generator, wherein the voltage of the direct current is controlled by controlling and / or regulating the speed of the generator or the internal combustion engine.
  • An inventive range extender unit with an internal combustion engine, a mechanically coupled generator, a fuel tank, an electrical storage unit and a control device for controlling the speed of the internal combustion engine or the generator is characterized in that the generator is a DC machine that generates a charging current, its voltage can be controlled directly via the speed control of the internal combustion engine or the generator.
  • the range extender according to the invention directly generates direct electrical current through the use of a direct current machine, so that a rectifier can be dispensed with.
  • the use of complex power electronics can thus be omitted.
  • the electrical voltage required for the charging current is achieved by regulating the rotational speed of the internal combustion engine, which preferably has a common drive shaft with the generator.
  • the regulation of the speed of the generator can also be carried out with the aid of a transmission between the engine and the generator.
  • the exciting current of the DC machine can be used as a controlled variable.
  • the control and / or regulation of the rotational speed of the generator or of the internal combustion engine takes place as a function of current parameters of the electrical storage unit such as state of health (SOH), voltage, current, temperature, etc., or depending on the current operating state of the device Electric vehicle such as drive, recuperation or idling and / or environmental data such as temperature, state of the drive unit of the vehicle or by navigation systems queriable route and terrain information, etc.
  • SOH state of health
  • Electric vehicle such as drive, recuperation or idling and / or environmental data
  • Fig. 1 is a system image of the range extender unit in a two-wheeled
  • Electric vehicle such as
  • Fig. 2 is a detailed schematic system representation of the range extender unit.
  • FIG. 1 shows a range extender unit RE for an electric vehicle EV, for example an electric scooter, with a rear wheel RW driven by an electric drive ED and a front wheel FW.
  • the range extender unit RE draws fuel from a fuel tank GT and supplies the charging current to the energy storage unit BAT. Furthermore, additional consumers AUX of the electric vehicle EV are supplied via the energy storage unit BAT.
  • the vehicle control unit is identified by VCU.
  • Fig. 2 shows the range extender unit RE with all the essential components.
  • the internal combustion engine ICE is coupled via a shaft W mechanical with the DC generator GEN and generates the charging current for an electrical Storage unit BAT, wherein the control device ECU is provided for controlling the rotational speed of the internal combustion engine ICE.
  • Fig. 2 used reference numerals have the following meaning: q * - desired fuel flow rate q_ - actual fuel flow rate n_ICE - engine speed T_ICE - engine temperature T_G - generator temperature T_A - ambient temperature T_B - battery temperature I_B - battery current V_B - battery voltage i_B - charging current v_B - charging voltage
  • the voltage level of the charging current via the speed n_ICE of the internal combustion engine ICE in dependence on the from Fig. 2 identifiable input variables regulated in the control unit ECU.
  • the characteristics of the energy storage unit BAT are made available either by a battery management system BMS or by separate sensors.
  • the DC generator GEN may preferably be designed as a permanent magnet DC motor with brushes.
  • the control and / or regulation of the rotational speed of the generator or of the internal combustion engine is carried out, for example, as a function of current characteristics of the electrical storage unit such as state of health (SOH) charge state, voltage v_B, current i_B, temperature T_B, etc.
  • SOH state of health
  • the start generator can be replaced by the DC generator GEN of the range extender RE, if it serves in a first operating mode as a starter for the internal combustion engine ICE and in a second operating mode as a charging motor for charging the electrical storage unit BAT.
  • the controller can be adapted to different battery characteristics that can occur, for example, due to aging of the energy store.

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Description

Verfahren zum Betrieb eines Range Extenders für Elektrofahrzeuge
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Range Extenders für Elektrofahrzeuge, welcher einen Verbrennungsmotor mit einem mechanisch gekoppelten Generator aufweist, wobei die vom Verbrennungsmotor erzeugte mechanische Energie vom Generator in elektrischen Strom umgewandelt und einer elektrischen Speichereinheit zugeführt wird . Die Erfindung umfasst weiters eine Range Extender Einheit zum Betrieb eines Elektrofahrzeugs.
Vielfach werden Elektrofahrzeug (sowohl Autos als auch Zweiradfahrzeuge, wie Elektro-Scooter) hergestellt, die elektromotorisch angetrieben sind. Die Betriebsenergie stammt dabei aus einer im Elektrofahrzeug angeordneten aufladbaren Batterie oder Akkumulator, wobei dieser elektrische Energiespeicher während des Stillstandes des Elektrofahrzeuges am Stromnetz aufgeladen wird. Um die Reichweite derartiger Elektrofahrzeuge - die durch die begrenzte Kapazität herkömmlicher elektrischer Energiespeicher meist auf einen Bereich unter 200 km beschränkt ist - beträchtlich auszuweiten, ist es üblich im Fahrzeug einen Range Extender anzuordnen, der im Wesentlichen aus einer Verbrennungsmotor-Generator-Einheit besteht. Der Verbrennungsmotor wird meist mit Benzin oder Diesel betrieben, so dass die Reichweite des Elektrofahrzeugs unter Nutzung des dichten Tankstellennetzes beliebig erweiterbar ist.
Range Extender gemäß Stand der Technik werden meist bei einer (oder mehreren) konstanten Drehzahlen betrieben, um einen effizienten Betrieb des Verbrennungsmotors in verschiedenen Leistungsstufen zu gewährleisten. Da die Ausgangsspannung des Generators von dessen Drehzahl abhängig ist, muss der Spannungspegel des Ladestroms für eine optimale Aufladung des elektrischen Energiespeichers durch eine Leistungselektronik geregelt werden, die geeignet ist die Wechselspannung des Generators in eine Gleichspannung geeigneter Spannungshöhe umzuwandeln. Wenn der Generator des Range Extenders gleichzeitig auch als Starter für den Verbrennungsmotor verwendet werden soll, muss ein bidirektionaler Inverter eingesetzt werden.
Aus der DE 10 2010 039 653 AI ist beispielsweise ein Range Extender für ein Elektrofahrzeug beschrieben, welcher einen Verbrennungsmotor und einen hiermit gekoppelten elektrischen Generator umfasst. Die elektrische Energie des Generators wird zum Laden eines Litium-Ionen-Akkus und/oder zum Ansteuern der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs verwendet. Bei der Ansteuerung des Range Extenders wird eine prädikative Betriebsstrategie betrieben, wobei unter Einbeziehung eines im Fahrzeug vorhandenen Navigationsgerätes optimale Betriebszeiten für den Betrieb des Range Extender ermittelt werden. Eine ähnliche Betriebsstrategie wird mit der Range Extender Anordnung gemäß FR 2 941 424 AI verfolgt.
Weiters ist aus der WO 2011/082943 AI ein Range Extender für ein Kraftfahrzeug bekannt geworden, das ausschließlich von einem Elektromotor mittels elektrischer Energie aus einem Energiespeicher betrieben wird, wobei zur Erweiterung der Reichweite eine Verbrennungsmotor-Generator-Einheit eingesetzt wird . Die mechanische Energie wird von einem Verbrennungsmotor erzeugt und von einer permanentmagneterregten Synchronmaschine in elektrische Energie umgewandelt. Der Verbrennungsmotor ist mit dem Generator mittels einer Antriebswelle mechanisch verbunden. Der Generator erzeugt Wechselstrom, der von einem ungesteuerten Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt wird. Die Spannung des vom Gleichrichter zur Verfügung gestellten Gleichstroms wird über die Regelung der Drehzahl des Generators an die aktuellen Erfordernisse des Energiespeichers angepasst, sodass mit einem ungesteuerten Gleichrichter anstelle eines aufwändigeren und teureren Pulswechselrichters das Auslangen gefunden werden kann. In diesem Fall kann der Generator nicht als Starter verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Range Extender Einheit der eingangs beschriebenen Art weiter zu vereinfachen und ein Verfahren zum optimalen Betrieb eines derartigen Range Extenders vorzuschlagen, welches insbesondere beim Betrieb von zweirädrigen Elektrofahrzeugen, beispielsweise Elektroroller, eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mechanische Energie der Verbrennungskraftmaschine in einem Gleichstromgenerator direkt in Gleichstrom umgewandelt wird, wobei die Spannung des Gleichstroms durch Steuern und/oder Regeln der Drehzahl des Generators oder des Verbrennungsmotors geregelt wird .
Eine erfindungsgemäße Range Extender Einheit mit einem Verbrennungsmotor, einem damit mechanisch gekoppelten Generator, einem Kraftstofftank, einer elektrischen Speichereinheit und einer Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors oder des Generators zeichnet sich dadurch aus, dass der Generator eine Gleichstrommaschine ist, die einen Ladestrom erzeugt, dessen Spannung direkt über die Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors oder des Generators regelbar ist.
Eine weitere Regelungsmöglichkeit bietet sich durch Einstellen des Erregerstroms bei einer elektrisch erregten Gleichstrommaschine an. Im Unterschied zum Stand der Technik erzeugt der erfindungsgemäße Range Extender durch die Verwendung einer Gleichstrommaschine direkt elektrischen Gleichstrom, so dass ein Gleichrichter entfallen kann. Der Einsatz aufwändiger Leistungselektronik kann somit entfallen. Die für den Ladestrom benötigte elektrische Spannung wird durch Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors erzielt, welcher bevorzugt mit dem Generator eine gemeinsame Antriebswelle aufweist. Die Regelung der Drehzahl des Generators kann allerdings auch mit Hilfe eines Getriebes zwischen Verbrennungsmotor und Generator durchgeführt werden.
Weiters kann der Erregerstrom der Gleichstrommaschine als Regelgröße verwendet werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Generators oder des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von aktuellen Kenngrößen der elektrischen Speichereinheit wie Ladezustand (SOC) State of Health (SOH), Spannung, Strom, Temperatur etc. bzw. in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Elektrofahrzeugs wie Antrieb, Rekuperation oder Leerlauf und/oder von Umgebungsdaten wie Temperatur, Zustand der Antriebseinheit des Fahrzeugs oder durch Navigationssysteme abfragbare Routen- und Geländeinformationen etc.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein Systembild der Range Extender Einheit in einem zweirädrigen
Elektrofahrzeug; sowie
Fig. 2 eine detaillierte schematisierte Systemdarstellung der Range Extender Einheit.
Die schematische Darstellung gemäß Fig . 1 zeigt eine Range Extender Einheit RE für ein Elektrofahrzeug EV, beispielsweise einen Elektroroller, mit einem durch einen Elektroantrieb ED angetriebenen Hinterrad RW und einem Vorderrad FW. Die Range Extender Einheit RE bezieht Kraftstoff aus einem Kraftstofftank GT und liefert den Ladestrom an die Energiespeichereinheit BAT. Weiters werden über die Energiespeichereinheit BAT zusätzlicher Verbraucher AUX des Elektrofahrzeugs EV versorgt. Die Fahrzeugsteuereinheit ist mit VCU gekennzeichnet.
Fig. 2 zeigt die Range Extender Einheit RE mit allen wesentlichen Bestandteilen. Der Verbrennungsmotor ICE ist über eine Welle W mechanische mit dem Gleichstromgenerator GEN gekoppelt und erzeugt den Ladestrom für eine elektrische Speichereinheit BAT, wobei die Regeleinrichtung ECU zur Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors ICE vorgesehen ist.
Bei Elektrofahrzeugen, die mit einem Range Extender RE ausgestattet sind, wird dieser in der Regel ohne Interaktion des Fahrers aktiviert, gesteuert über die Regeleinrichtung ECU, die die Kenndaten des Energiespeichers BAT, des Verbrennungsmotors ICE und die Zustandsdaten des Kraftstoffventils FCV zwischen Kraftstofftank GT und Verbrennungsmotor ICE aufnimmt. Damit kann die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors auf einfache Weise über eine Regelung der Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor durchgeführt werden.
Weitere in Fig . 2 verwendete Bezugszeichen haben folgende Bedeutung : q* - gewünschte Flussrate des Kraftstoffs q_ - aktuelle Flussrate des Kraftstoffs n_ICE - Motordrehzahl T_ICE - Motortemperatur T_G - Generatortemperatur T_A - Umgebungstemperatur T_B - Batterietemperatur I_B - Batteriestrom V_B - Batteriespannung i_B - Ladestrom v_B - Ladespannung
Während des Ladebetriebs wird der Spannungslevel des Ladestroms über die Drehzahl n_ICE des Verbrennungsmotors ICE in Abhängigkeit der aus Fig . 2 erkennbaren Eingangsgrößen in die Regeleinheit ECU geregelt. Die Kenngrößen der Energiespeichereinheit BAT werden entweder von einem Batteriemanagementsystem BMS oder durch separate Sensoren zur Verfügung gestellt.
Der Gleichstromgenerator GEN kann bevorzugt als Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Bürsten ausgeführt sein. Die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Generators oder des Verbrennungsmotors wird beispielsweise in Abhängigkeit von aktuellen Kenngrößen der elektrischen Speichereinheit wie Ladezustand (SOC) State of Health (SOH), Spannung v_B, Strom i_B, Temperatur T_B etc. durchgeführt.
Der Startgenerator kann durch den Gleichstromgenerator GEN des Range Exten- ders RE ersetzt werden, wenn dieser in einem ersten Betriebsmodus als Starter für den Verbrennungsmotor ICE und in einem zweiten Betriebsmodus als Lademotor zur Aufladung der elektrischen Speichereinheit BAT dient.
Mit einem Batteriemodell BMod kann die Steuerung an unterschiedliche Batterieeigenschaften angepasst werden, die beispielsweise durch Alterung des Energiespeichers auftreten können.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum Betrieb eines Range Extenders für Elektrofahrzeuge, welcher einen Verbrennungsmotor mit einem mechanisch gekoppelten Generator aufweist, wobei die vom Verbrennungsmotor erzeugte mechanische Energie vom Generator in elektrischen Strom umgewandelt und einer elektrischen Speichereinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Energie der Verbrennungskraftmaschine in einem Gleichstromgenerator direkt in Gleichstrom umgewandelt wird, wobei die Spannung des Gleichstroms durch Steuern und/oder Regeln der Drehzahl des Generators oder des Verbrennungsmotors geregelt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Generators oder des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von aktuellen Kenngrößen der elektrischen Speichereinheit wie Ladezustand (SOC) State of Health (SOH), Spannung, Strom, Temperatur etc. durchgeführt wird .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Generators oder des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Elek- trofahrzeugs wie Antrieb, Rekuperation oder Leerlauf und/oder von Umgebungsdaten wie Temperatur etc. durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors über eine Regelung der Kraftstoffzufuhr zum Verbrennungsmotor durchgeführt wird.
5. Range Extender Einheit (RE) zum Betrieb eines Elektrofahrzeugs (EV) mit einem Verbrennungsmotor (ICE), einem damit mechanisch gekoppelten Generator (GEN), einem Kraftstofftank (GT), eine elektrischen Speichereinheit (BAT) und einer Regeleinrichtung (ECU) zur Regelung der Drehzahl des Verbrennungsmotors (ICE) oder des Generators (GEN), dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (GEN) eine Gleichstrommaschine ist, die einen Ladestrom erzeugt, dessen Spannung direkt über eine Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors (ICE) oder des Generators (GEN) regelbar ist.
6. Range Extender Einheit (RE) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromgenerator (GEN) ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Bürsten ist.
7. Range Extender Einheit (RE) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromgenerator (GEN) einen ersten Betriebsmodus als Starter für den Verbrennungsmotor und einen zweiten Betriebsmodus als Lademotor zur Aufladung der elektrischen Speichereinheit (BAT) aufweist.
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