WO2015121083A2 - Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares fahrzeug und verfahren zum laden - Google Patents

Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares fahrzeug und verfahren zum laden Download PDF

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Stefan Butzmann
Holger Fink
Hans Partes
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y10S903/904—Component specially adapted for hev
    • Y10S903/907—Electricity storage, e.g. battery, capacitor

Definitions

  • Power supply device for an electrically operable vehicle and method for charging
  • This invention relates to a power supply device for providing power to an electrically operable vehicle. Furthermore, the invention relates to a method for charging such a power supply device.
  • Electric energy storage devices comprising a plurality of energy cell modules, each comprising an electrochemical cell, are known in the art. Several of the power cell modules are each in series
  • Electrochemical cells of the individual energy cell modules can via a coupling device, such as a 4-quadrant, in their
  • the voltage generated by an electrochemical cell may have different polarity in the
  • the electrochemical cell may be decoupled and bypassed by creating a short between the junction terminals of the power cell module in the series connection, which is referred to as a bypass mode.
  • a bypass mode For charging an energy cell module whose electrochemical cell is coupled into the power supply branch such that its voltage is directed opposite to a charging voltage.
  • the electrochemical cell is coupled with a polarity in the power supply branch, with the current in the correct direction by the consumer flows.
  • an alternating voltage can be generated within a freely selectable frequency within operating limits.
  • Such an energy storage device is referred to as a Battery Direct Inverter (BDI).
  • BDI Battery Direct Inverter
  • range extenders For use in electrically driven vehicles so-called range extenders are known. These include a generator that comes with a
  • the internal combustion engine is driven.
  • the internal combustion engine is started when the energy content of the energy storage device falls below a critical threshold, and then drives the generator. With the generator, the battery is over
  • a drive motor is supplied with electrical energy from the battery via an inverter.
  • the drive motor can also be supplied with power from the generator.
  • the battery is usually arranged in a DC voltage intermediate circuit.
  • the invention proposes to generate a BDI during an energy output from the power supply system with an alternating current
  • the range of an electrically operated vehicle is advantageously increased by the possibility of recharging the energy storage device while driving.
  • the alternating current for charging the BDI is not converted into a direct current, but used directly for charging the BDI.
  • the BDI several power supply branches are interconnected at one end to a star point. The star point is located at the end of the power supply branch where no
  • At the neutral point can be at symmetrical alternating current in the power supply branches Zero potential.
  • Energy storage device has at least three power supply branches.
  • the range extender generates when loading the
  • the mechanical power of the internal combustion engine of the range extender is greater than the electric drive power of
  • the range extender runs at constant power and / or constant speed. This can optimize the operation of the range extender.
  • the prime mover can be designed as a transverse flux machine.
  • the loading of a public electrical network possible including the
  • Power supply device may include connections and means.
  • a portion of all the power cell modules is the
  • Energy storage device and / or the power supply device accordingly have means for partially charging the energy storage device.
  • This partial recharging has the advantage that part of the
  • Energy cell modules can be charged while another part provides energy for the vehicle. This way, charging is during one
  • energy for the driving operation can be taken from the part of the energy storage device which is not to be charged up.
  • the energy storage device comprises more power supply branches than it has power supply connections. In conjunction with one or more switching devices, this allows so many
  • Power supply connection are connected and do not serve the power supply, are loaded with the generator, for which they can be connected to this. So it is possible to charge a part of all energy supply branches, while another part for unloading, for example in one
  • Driving operation is available. After a power supply branch is charged, it can be disconnected from the generator and switched to a discharge operation by being connected to a power supply terminal.
  • Power supply device twice as many power supply branches as power supply connections.
  • several power supply devices Preferably, several power supply devices
  • a neutral point is formed with two or particularly preferably with three energy supply branches. In another embodiment of this embodiment, each one is
  • Power supply connection connectable and with another
  • Switching device connected to the generator.
  • energy supply branches By suitably activating the switching devices and the coupling devices of the energy cell modules, it is possible to cause energy supply branches to emit or absorb energy.
  • energy supply branches which have a common star point, common to the
  • Power supply connections connected or connected to the generator are semiconductor valves.
  • the energy supply branches which are connected to one another via a star point, preferably act like individual BDIs. Methods for discharging a BDI are known in the art. Loading a BDI can be analogous
  • a BDI can with AC without
  • the switching devices can be switched so that current flow from the generator both to a power supply branch as well as to a
  • the Power supply connection is possible. Then energy can come from the Generator be used both for charging and for delivery to a consumer.
  • the energy output from the energy supply device can be controlled by adjusting the current consumption of the energy storage device, for example by pulse width modulated coupling of
  • Switching devices preferably bidirectional semiconductor switches. This applies to all variants and embodiments of this invention. In a further development of this embodiment, a
  • Power supply device proposed in which one end of each of the power supply branches connected to the generator or connected and the other end of each of the power supply branches by means of an electrically controllable switching device to the generator and / or connectable to a power supply terminal or connected.
  • the power supply device has a
  • Power supply branch which is connectable to each of the power supply terminals by means of a respective switching device.
  • Power supply branches such as power supply connections, are connectable to a specific one of the power supply connections by means of a switching device.
  • the aforementioned switching devices are preferably so controllable that each of the power supply terminals is connected to one of the power supply branch, while another power supply branch is connected to the generator. Should a
  • Power supply branch which is connectable to each of the power supply terminals are discharged, it will be with a
  • Power supply connection is connected, for example, because he is in the
  • the alternating current from the generator is preferably rectified with a rectifier.
  • the rectifier as well as the switching devices can be part of the
  • At least two, preferably three or all energy supply branches between two energy cell modules in Inside the power supply lines each have a generator connection, with each one phase of the generator is connected.
  • the energy supply device has features of the range extender or generator and drive motor.
  • This embodiment of the power supply device is independent of the other embodiments of importance.
  • the vehicle can be powered by energy from the range extender by means of the drive motor.
  • the vehicle may be drivable with mechanical energy from the range extender.
  • the generator may be mechanically phase-locked coupled to the drive motor.
  • the generator may generate alternating current at the same frequency and phase as the drive motor begins to operate.
  • a transmission is arranged in the mechanical strand of the range extender. This gear allows the speed of the generator to the speed of the
  • the transmission has a continuously variable transmission (CVT transmission), which is preferably adjustable by means of a servomotor.
  • CVT transmission continuously variable transmission
  • a magnetic exciter for the generator is provided, with which the power of the generator can be controlled, about which also
  • Charging the energy storage device can be controlled.
  • the generator is selectively connectable or separable from the energy storage device in this embodiment via a switching device. In this way, a charging process can be switched on and off.
  • the rotary coupling between the generator and the internal combustion engine is separable by a clutch. In this way it can be prevented that the internal combustion engine at low speeds below its lower speed limit.
  • a coupling between the generator and the drive motor can be arranged. This causes the generator can be operated even when the vehicle is at a standstill.
  • the couplings can, for example, as Centrifugal clutch or be designed as an electromechanically actuated clutch.
  • the prime mover and the generator can be coupled to each other only in a rotational position, in which they occupy a predefined phase relationship to each other.
  • the coupling can act positively, for example in the manner of a
  • the generator and the prime mover have the same number of poles.
  • the angular position of the poles preferably coincides.
  • the generator and the drive motor are combined in one unit.
  • the generator and the drive motor may be the same electric machine.
  • This switching device may be a switching device other than the switching device for the charging process.
  • an electric machine which also serves as a generator and as a drive motor, however, for both functional components, a single switching device for connecting or disconnecting the
  • Energy storage device may be provided by the electric machine.
  • At least a major part of the mechanical energy of the internal combustion engine is converted by the generator into electrical energy and the distribution between drive energy and charging energy is made electrically.
  • the drive motor is electrically connected to the generator and receives from this energy generated as an alternating electrical current.
  • the generator and the drive motor are each equipped with an associated switching device.
  • the mechanical connection between the generator and the engine is preferably designed so that it can transmit the full mechanical power of the internal combustion engine.
  • the switching device of the generator When the switching device of the generator is closed, the energy storage device is charged with alternating current from the generator.
  • the switching device of the drive machine can be opened so that no current flows from the generator to the drive machine.
  • the driving operation is effected by transmission of mechanical energy of the internal combustion engine via the generator and the connection to the engine and from there to at least one wheel of the vehicle.
  • the prime mover runs empty in this operating state.
  • the switching device of the generator can be opened and the switching device of the
  • Power supply device is charged while the vehicle is using
  • the generator of the range extender supplies an alternating voltage for charging, preferably a three-phase alternating voltage, which is preferably not rectified.
  • a part of the energy cell modules of the energy storage device is charged with alternating current from the generator with the generator. This allows an electric driving operation with the remaining Energy cell modules are maintained. Moreover, in a variant it is possible to operate the remaining part of the energy cell modules in such a way that they act as converters between a generator frequency and a frequency to be output by the energy supply device, for example to a drive machine.
  • an output power of the generator is divided into a charging power for charging electrochemical cells of the energy storage device and in a power supply, with which a consumer, which is connected to the power supply device, is supplied.
  • energy cell modules are coupled into their power supply lines, so that they absorb charging current from the generator.
  • the energy cell modules to be charged and the load are connected in parallel. This allows the current from the generator to be split into a charging current and a supply current.
  • the load may be connected in series with energy cell modules to be charged, so that the charging voltage delivered by the generator is distributed among the load and the energy cell modules to be charged.
  • the splitting of the power can be controlled by the number of coupled electrochemical cells and the duration of this coupling.
  • the coupling can be done so that sets a desired voltage or a desired current. For this purpose, a change between the coupling of energy cell modules in the energy supply branch and their
  • Pulse-width modulation method In power sharing, preferably only a portion of all the power cell modules are charged, e.g. only a part of all
  • Power supply branches or only a part of all energy cell modules can be loaded in a power supply branch.
  • Power supply branch is connected to the generator to load this.
  • a set of power supply strings are loaded whose number is equal to the number of
  • Power supply terminals of the power supply device is.
  • the power supply lines in a set are connected together in a neutral point. After unloading one set, it can be recharged and another, during the
  • Unloading charged set while driving For this purpose switching devices of the power supply unit are switched suitable. In this way, there is always electrical energy available for driving.
  • the sentences act like individual BDIs and can be unloaded and loaded as such.
  • Power supply device are controlled so that with each
  • Power supply terminal is connected to a power supply branch, while a power supply branch for charging with the
  • the energy-emitting energy supply branches can be energy supply branches which can be connected exclusively to a specific one of the energy supply connections. However, if one of these power supply branches is not connected to a power supply terminal, while e.g. is charged, so a power supply branch, which is also switchable to other power supply terminals, are connected to the power supply terminal to replace it in the energy delivery. In this variant, all energy supply branches are combined to form a single star point, to which the generator
  • the generator is preferably a single- or three-phase alternator.
  • the two potentials of a single-phase generator can be connected without rectification to the energy storage device or its switching elements.
  • a three-phase generator is preferably a rectifier between the energy storage device or its switching elements and the generator connected.
  • the energy supply branch to be charged is exchanged among the energy supply branches, with the result that overall uniform charging and discharging of the energy supply branches takes place.
  • the charge to be charged is preferably
  • a portion of all the power cell modules are charged within a power supply branch.
  • a connection to the generator is provided in the interior of the power supply branch.
  • Power supply branches is connected to a power supply connection. Between two generator connections the
  • Power supply branches can be applied to a generator voltage that is applied to the power cell modules between the generator terminal of the one
  • Power supply branch and the neutral point and between the neutral point and the generator terminal of the other power supply branch acts.
  • Energy supply branches connected so that all power cell modules between the generator terminals and the neutral point can be loaded.
  • the generator connections are arranged between two energy cell modules.
  • the energy cell modules to be charged can be decoupled from the other energy cell modules, so that the latter can act as BDI for the release of energy while the charge to be charged
  • Energy cell modules are loaded like a BDI.
  • the energy cell modules between the generator terminals and the neutral point can be controlled so that they do not absorb all the current from the generator. In this way, it is possible to divide the generator power and a part for charging and a part for delivery via the power supply terminals to a
  • the energy cell modules are switched to short circuit between the generator terminals and the power supply terminals, so that the electrochemical cells are not coupled into the power supply branches and current from the generator can flow directly to the power supply terminals.
  • the energy cell modules which are arranged between the generator terminals and the star point, acts as a converter, which converts a frequency of the generator into a frequency to be delivered to a consumer.
  • the energy cell modules can be coupled into their energy supply branches in such a way that they provide a voltage difference that results from the course of the generator voltage and the course of the voltage to be output by the energy supply device.
  • Three-phase ac voltage so they can be considered in space vector representation three-dimensional.
  • the generator voltage can then be represented as a vector circulating in three dimensions and the voltage to be output as another voltage vector. Due to the different frequencies, the two voltage vectors run with different
  • Energy supply branches to be set voltage to be determined.
  • the voltage to be delivered lies in each power supply branch between the
  • Power supply terminal in each of the power supply branches generated by the difference voltage between the generator voltage and the voltage to be delivered in each power supply branch is generated.
  • a sufficient number of energy cell modules can be present in order to determine the maximum voltage difference between the voltage to be output and the voltage supply
  • Generator connection and the star point is preferably designed so large that the sum of the cell voltages can be at least as large as a maximum generator voltage. If the power supply device has a range extender with an internal combustion engine and from the power supply device, an electric drive machine of a
  • Vehicle is to be supplied, can by the inverter effect of
  • the modulation of the current to the consumer is effected by adjusting in the proportion of the energy storage device, which is between the
  • Generator terminals and the power supply terminals is arranged, energy cell modules so against the current direction of the current to
  • the frequency of the generator can be converted into the frequency of the voltage to be delivered by
  • Power cell modules are switched for charging in the power supply branches when the power supply branch is to deliver a lower voltage than the generator delivers, and by
  • Energy cell modules emit energy and provide voltage to the consumer when the generator voltage is smaller than the voltage to be delivered in a power supply branch.
  • the Energy cell modules are charged temporarily and temporarily emit energy, depending on what is required for the provision of the voltage to be delivered.
  • electrochemical cells which are coupled into a power supply branch for charging and / or energy supply branches that are connected to the generator for charging, exchanged in such a way that all power cell modules are supplied with charging current in the time average, and in particular all power cell modules are charged uniformly.
  • a fixed exchange scheme can be used or deposited in another variant, which electrochemical cell was charged and in particular in addition to how long it was loaded.
  • information about charging all the power cell modules is available for managing and controlling the charging of the power cell modules.
  • defective energy cell modules can be taken out of operation.
  • Already known methods for managing the charging of the energy cells can be used.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of a first embodiment of the energy supply device according to the invention
  • Figure 2 is a schematic circuit diagram of a second embodiment of
  • FIG. 3 is a schematic circuit diagram of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic circuit diagram of a fourth embodiment of the invention
  • Figure 5 is a schematic circuit diagram of a fifth embodiment of
  • FIG. 6 shows a schematic circuit diagram of a sixth embodiment of the energy supply device
  • Figure 7 is a schematic circuit diagram of a seventh embodiment of
  • FIG. 1 schematically shows a circuit diagram of an embodiment of the invention
  • the energy supply device comprises a range extender, which in turn comprises an internal combustion engine 10, a mechanical clutch 1 1, a transmission 12, a generator 13 with a controllable excitation winding 14.
  • the internal combustion engine 10, the clutch 1 1, the transmission 12 and the generator 13 are rotationally coupled to each other.
  • a drive machine 1000 of a vehicle is coupled rotationally fixed.
  • the engine 1000 is not part of the power supply.
  • To the generator 13 is via a
  • Switching device 130 connected to an energy storage device 1. To the power supply device 1, the drive machine 1000 is connected without intermediate switching device. The generator 13 and the
  • Driving machine 1000 are designed as three-phase machines and have the same number of pole pairs.
  • the energy storage device 1 comprises three power supply branches 100, 200, 300, each having n-energy cell modules 100-1 to 100-n and 200-1 to 200-n and 300-1 to 300-n, respectively.
  • one end of each power supply branch 100, 200, 300 is interconnected in a star point 123 with the ends of the other power supply branches 100, 200, 300.
  • the respective other ends of the power supply branches 100, 200, 300 are each connectable to one phase of the generator 13 and connected to one phase each of the drive machine 1000.
  • the clutch 1 1 can be designed as a centrifugal clutch or
  • the transmission 12 is preferably designed as a transmission with continuously variable ratio (CVT transmission).
  • CVT transmission continuously variable ratio
  • the Transmission between drive and output continuously variable within certain limits by means of a servomotor.
  • a stepless speed adjustment between the engine and the generator is possible.
  • Generator 13 can be varied via the excitation control 14.
  • Energy storage device 1 is connected without intermediate DC voltage circuit or converter and the switching device 130.
  • Switching device 130 is preferably designed as a three-pole safety protection.
  • the power cell modules have a coupling unit with which the
  • Energy cell modules can be operated in different modes, namely at least normal discharge, discharge at reverse current and charge, and bypass operation, in which the electrochemical cell is not coupled into the power supply branch and the power cell module is short-circuited in the power supply branch.
  • the coupling unit can be designed, for example, as an H-bridge or four-quadrant controller or as a two-quadrant controller with a reversible output current. With the coupling unit, an electrochemical cell, which is part of a
  • Energy cell module 100-1 to 300-n forms, in various polarity directions in a power supply branch 100, 200, 300 are switched, as already known from the prior art.
  • the energy storage device 1 can be a step-like sinusoidal three-phase
  • Combustion engine determined and adjusted.
  • the balance of Combustion engine determined and adjusted.
  • Clutch 1 1 is able to disconnect the engine 10 from the transmission 12 in the event that the vehicle travels at a speed that is is less than a critical speed.
  • This critical speed corresponds to the minimum speed of the internal combustion engine 10 at
  • a centrifugal clutch 1 1 is preferably close to a minimum speed of the internal combustion engine.
  • the energy storage device 1 is charged by the generator 13 in parallel to the driving operation with the engine 1000. It is the
  • Switching device 130 is closed. To split the electricity from the
  • the energy storage device 1 is controlled by controlling the coupling units so that it receives power of the generator, which is not required for driving.
  • a suitable number of power cell modules in the respective branch in the charging or bypass mode is offset to a counter voltage of
  • Generator voltage is, for example, only one energy cell module in
  • Power supply branch 100, 200, 300 connected, and at the peak value of the generator voltage are either all modules or all modules except one in the charging mode. In the time average all energy cell modules 100-1 to are loaded
  • Figure 2 shows schematically a block diagram of a second embodiment of the power supply device. This is the same or similar to the first embodiment in many details. Identical features or components are numbered with the same reference numerals. In the following, the differences between the first embodiment and the second embodiment will be discussed.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that the connection of the engine 1000 to the
  • Energy storage device 1 can be interrupted by a switching device 140.
  • Drive machine 1000 designed so that it can transmit the mechanical power of the engine 10 to the prime mover and thus ultimately to wheels of a driven vehicle.
  • the driving performance of the internal combustion engine can be provided directly mechanically.
  • the charging of the energy storage device 1 is also possible.
  • the switching device 140 is opened and the drive machine 1000 of the
  • Energy storage device 1 each receives appropriate charging voltage.
  • the prime mover 1000 runs empty in this operating state.
  • FIG. 3 shows schematically a block diagram of a third embodiment of the energy storage device.
  • the third embodiment differs from the second embodiment in only a few details. Same features and
  • the third embodiment differs from the second embodiment by an arrangement of a mechanical coupling 1 1 in the mechanical
  • Generator 13 and the prime mover 1000 is that charging is possible even when the vehicle is stationary.
  • the prime mover is 1000 in normal operation not separable connected to at least one wheel of the vehicle to be driven.
  • the clutch 11 between the generator 13 and the engine 1000 it is possible for the generator 13 to rotate with the engine 10 while the engine 1000 and the vehicle are stationary.
  • Energy storage device 1 is loaded by the generator 13 at vehicle standstill.
  • the clutch 1 1 between the generator 13 and engine 1000 is designed so that it causes a same phase position of the electrical phases of the generator and motor in the closed state of the clutch.
  • this can be realized by positive locking, for example in the form of a claw connection in the manner of a synchronized transmission.
  • the positive connection is only effective when the position of the poles of the generator 13 and the engine 1000 is the same.
  • FIG. 4 schematically shows a block diagram of a fourth embodiment
  • Embodiment of the energy storage device shown. The fourth
  • the fourth embodiment differs from the first embodiment in that the generator 13 and the prime mover 1000 in FIG. 1 are combined into a combined generator drive machine 1013, wherein, unlike the other embodiments, the prime mover forms part of the range extender.
  • Energy storage device 1 in the figure 1 is omitted as a separate detail, since the generator drive machine 1013 includes this compound in itself.
  • the Generator drive machine 1013 is connected via the switching device 130 to the energy storage device 1. It is between the
  • Power supply device 1 and the generator drive machine 1013 no converter provided.
  • the generator drive machine 1013 may be designed in one embodiment as a transverse flux machine.
  • 1 1 is preferably a non-positive coupling, which also applies to all other embodiments in which the coupling 1 1 between the
  • Energy storage device 1 charges.
  • a range extender includes at least one internal combustion engine 10 and one generator 13.
  • the range extender may also include others
  • the generator 13 is designed in three phases. It can be connected to the energy storage device 1 via a switching device 15.
  • the generator 13 is designed in three phases. It can be connected to the energy storage device 1 via a switching device 15.
  • Switching device 15 is preferably designed as a three-pole safety protection. Switching devices 101, 201, 301, 401, 501 and 601 are alternatively or additionally provided between energy storage device 1 and generator 13.
  • the energy storage device 1 has six
  • Power supply branches 100, 200 and 300 are each interconnected at one of their ends to a neutral point 123.
  • the power supply branches 400, 500 and 600 are interconnected at one of their ends to a second neutral point 456.
  • Each interconnected via a neutral point power supply branches can alone the
  • the fifth embodiment includes two independently controllable sub-energy storage devices 100, 200, 300, 123 and 400, 500, 600, 456 in their energy storage device 1.
  • Coupling units within the power cell modules 100-1 to 600-n according to a known method for operating such
  • Energy storage device 1 which is formed from the power supply branches 100, 200 and 300, as well as with the part of the
  • the power supply device comprises switching devices 101, 201, 301 or 401, 501, 601, with which the sets of power supply branches 100, 200, 300 or 400, 500, 600 can be connected to the drive machine 1000.
  • Interconnected sets of power supply branches 100, 200, 300 or 400, 500, 600 can be alternated to a more uniform
  • one of the two sets of energy supply branches 100, 200, 300 or 400, 500, 600 is particularly preferably initially discharged to a critically low state of charge.
  • a critically low state of charge may be a low state of charge of a single energy cell module or of multiple energy cell modules, for example, an average state of charge of several
  • Generator voltage of one of the two sets of power supply branches 100, 200, 300 and 400, 500, 600 charged by the switching elements 101, 201, 301 and 401, 501, 601 are electrically closed.
  • the respective other set of power supply branches 100, 200, 300 or 400, 500, 600 is connected via the switching devices 102, 202, 302 and 402, 502, 602 with the
  • Drive machine 1000 connected to maintain the driving operation. In this way, a set of strands 100, 200, 300 or 400, 500, 600 can be loaded at the same time, while a driving operation from the other set of strands 400, 500 and 600 or 100, 200, 300 is possible. All other switches remain open.
  • the generator has a in this embodiment
  • Loading a set of interconnected Power supply branches 100, 200, 300 or 400, 500, 600 can be carried out by methods known in the art or by one of the methods described above.
  • the switching devices 101, 201, 301, 401, 501, 601 and 102, 202, 302, 402, 502, 602 are preferably bidirectional semiconductor switches. In the time average all energy cell modules become one
  • FIG. 6 shows a sixth embodiment of the energy supply device as a schematic block diagram.
  • a range extender includes one
  • the generator 13 and a prime mover 1000 each have three phases.
  • Energy storage device 1 comprises four energy supply branches 100, 200,
  • the power supply branches 100, 200, 300, 400 which are connected together at one of their ends to a star point 1234.
  • the power supply branches 100, 200, 300, 400 include power cell modules 100-1 through 400-n.
  • Star point 1234 connected ends of the power supply lines 100, 200, 300, 400 connected.
  • a choke 17 is connected between the rectifier device 16 and the energy storage device 1, which smoothes the direct current from the rectifier device 16.
  • the power supply branches 100, 200, 300 can be connected via switching devices 102, 202 and 302, each with one of the phases of the drive machine 1000.
  • the power supply branch 400 can be connected to each of the three phases of the drive machine 1000 via three switching devices 41 1, 412 and 413.
  • the switching devices 101, 201, 301 and 401 are switched so that no current flows over it. The selection of which three energy supply branches of the four
  • Power supply branches 100, 200, 300, 400 are currently used for driving, concerns both the control of the coupling units used for the driving power supply branches 100, 200, 300, 400 and the appropriate switching of the semiconductor switches 102, 202, 302, 41 1, 412th , 413. If, for example, the strands 100, 200, 300 are to be used for driving, the switching devices 102, 202 and 302 are closed and 41 1, 412 and 413 are opened. If, for example, the strands 200, 300 and 400 are to be used for driving, then the switching device 102 is opened, the switching devices 202, 302 and 41 1 are closed and the
  • Power supply branch 100, 200, 300 and 400 exchanged, so that in
  • Time average all strands 100, 200, 300 and 400 are used.
  • the internal combustion engine 10 is started and the generator 13 delivers via the
  • Rectifier device 16 the closed switching device 15 and the optional throttle 17 is a DC voltage. This is used to make one straight Unloaded power supply branch 100, 200, 300 or 400.
  • the switching device 101, 201, 301 or 401 connected to this energy supply branch 100, 200, 300 or 400 is closed. Thus, a current may flow from the generator 13 through this power supply branch 100, 200, 300 or 400 and charge it.
  • Power supply branch 100, 200, 300 or 400 are activated accordingly for charging. For example, if the power supply branches 100, 200 and 300 drive the prime mover, the switching device 401 is closed, so that the power supply branch 400 can be charged.
  • the rectified generator voltage is designed such that the charging current can be regulated by means of the energy cell modules 100-1 to 400-n to be charged. This happens because more or less energy cell modules 100-1 to 400-n are coupled into a power supply branch 100, 200, 300 or 400 for charging in this. The remainder of the power cell modules 100-1 to 400-n are switched to the bypass units with the respective switching units.
  • FIG. 7 schematically shows a seventh embodiment as a block diagram.
  • a range extender includes an internal combustion engine 10 and a generator 13 and possibly other components, as described in the first to fourth embodiments.
  • the generator 13 is a three-phase generator.
  • the energy storage device 1 comprises three
  • Power supply branches 100, 200, 300 is between the
  • Each one end of each of the power supply branches is connected to one end of each other power supply branch to a neutral point 123.
  • the energy cell modules 100-1 to 100-1 and 200-1 to 200-I and 300-1 to 300-I each form a power supply branch branch 100S or 200S or 300S, which in each case between one of the generator terminals 131, 132 and 133 and the star point 123 is arranged.
  • the power cell modules 100-1 + 1 to 100-n, the power cell modules 200-1 + 1 to 200-n, and the power cell modules 300-1 + 1 to 300-n respectively form a power supply branch 10E, 200E, and 300E, respectively one of the generator terminals 131, 132 and 133 and a power supply terminal 1001, 1002 and 1003 are arranged.
  • Power supply strings 100E and 100S, 200E and 200S and 300E and 300S form a power supply string 100, 200, 300.
  • Power supply terminals 1001, 1002 and 1003, a three-phase electric drive machine 1000 is connected.
  • the power supply lines each output a stepped, sinusoidal, three-phase output voltage at the power supply terminals 1001, 1002 and 1003. This happens until the energy cell modules fall below a lower critical charge value, whereupon the internal combustion engine 10 is started.
  • the generator 1 1 supplies a sinusoidal three-phase alternating voltage to the energy storage device 1.
  • the power cell modules 100-1 to 100-1, 200-1 to 200-I, and 300-1 to 300-I are recharged, at the same time, the driving operation by the engine 1000 is maintained.
  • Energy storage device 1 includes the control of the power cell modules 100-1 to 300-n in the available operating modes of the coupling units to simultaneously with the operation of the range extender driving with
  • the range extender preferably operates at a constant rotational frequency. He prefers to produce his maximum output. Its power can be divided between driving and charging operation.
  • Both the generator 13 and the drive machine 1000 can be controlled with the aid of the energy storage device 1 according to known from the prior art method for guiding rotary field machines. This can be described by voltage pointers in a space vector representation. In the space vector representation, the axes u, v and w represent the three phases of the energy storage device 1.
  • the generator voltage can be represented by the space vector ⁇ BR.
  • This voltage vector can be adjusted with the energy cell modules 100-1 to 100-1, 200-1 to 200-I and 300-1 to 300-I, so that the voltage applied to the generator terminals 131, 132 and 133 three-phase voltage * ⁇ / ⁇ to The generator voltage fits to a charging of energy cell modules in the
  • Power supply branches to cause 100S, 200S and 300S.
  • At the power supply terminals 1001, 1002 and 1003 are the potentials for the supply of the engine 1000 at.
  • the three-phase AC voltage is composed of the voltages across the power supply branches 100E,
  • Power supply branches 100E, 200E and 300E each contribute a phase to the space vector ⁇ BM and contribute the power supply branches 100S, 200S and 300S each a component of the space vector ⁇ BR.
  • the space pointers and ⁇ BR usually have different frequencies.
  • the space vector runs at the frequency of the engine 1000, while the space vector ⁇ BR rotates at the frequency of the generator 13. Therefore, the phase angle between these two space hands can assume any value.
  • the amount of ⁇ BM is at most equal to the sum of the maximum amounts of stress pointers and ⁇ BR.
  • Energy cell modules in a power supply branch 100, 200, 300 is designed so that the maximum possible magnitude of the voltage vector BM is always adjustable.
  • the number I of the power cell modules 100-1 to 100-1 and 200-1 to 200-I and 300-1 to 300-I of the power supply sub-strings 100S, 200S and 300S, respectively, is designed such that the magnitude of the voltage vector BR is always can be set greater than the maximum terminal voltage of the generator 13th
  • the internal combustion engine 10 is dimensioned so that its output power is greater than that of the engine 1000 in the time average
  • the power not required for the engine 1000 may be used to charge battery modules 100-1 through 300-n. There are two different variants for this
  • the power cell modules 100-1 to 300-I in the power supply sub-strings 100S, 200S and 300S can be charged with current I B R from the generator 13.
  • the charging current is regulated by the setting of the voltage vector ⁇ BR.
  • Energy storage device 1 known. These can be used analogously for the charging process.
  • all the power cell modules 100-1 to 100-1, 200-1 to 200-I and 300-1 to 300-I in the power supply sub-strings 100S, 200S and 300S are uniformly charged.
  • the engine is shut down and power for running is supplied from the power cell modules 100-1 to 100-1, 200-1 to 200-I, and 300-1 to 300-I in the power supply sub-strings 100S, 200S and 300S taken.
  • Another part l M of the current I R from the generator 13 flows through the
  • the engine 1000 is supplied from the generator, at the same time, the power supply branches 100S, 200S, and 300S are charged. To ensure a uniform distribution of the energy in the energy cell modules 100-
  • a subset of the power cell modules 100-1 + 1 to 100-n, 200-1 + 1 to 200-n, and 300-1 + 1 to 300-n may be included in their power supply sub-strings 100E, 200E and 300E may be coupled to charge their electrochemical cells while the prime mover 1000 is being powered.
  • Energy cell modules 100E, 200E and 300E then generate in the Power supply lines 100E, 200E and 300E one of the voltage required for the operation of the engine 1000 voltage opposite
  • the subset of the power cell modules 100-1 + 1 to 100-n, 200-1 + 1 to 200-n, and 300-1 + 1 to 300-n that are loaded is varied so that, on average over time, all the power cell modules 100 -1 + 1 to 100-n,
  • Energy cell modules 100-1 + 1 to 100-n, 200-1 + 1 to 200-n and 300-1 + 1 to 300-n in the power supply sections 100E, 200E and 300E can be achieved.
  • Figure 8 shows a space vector representation of a three-phase AC voltage across the energy storage device 1 of the seventh embodiment and three-phase AC voltages BM BM and BR BR of the power supply branches 100E, 200E and 300E and the power supply branches 100S, 200S and 300S, respectively. It is a three-dimensional coordinate system with the axes u, v and w shown, each one of the axis u, v and w represents the voltage of a phase. Thus, any three-phase AC voltage can be represented as a space vector in the coordinate system. The space vector runs at the frequency of the respective AC voltage in the coordinate system.
  • FIG. 8 shows a graphical determination of the space vector BM BM, which is shown in FIGS
  • Power supply branches 100E, 200E and 300E can be adjusted to the frequency difference between the generator 13 and the
  • ⁇ BM * ⁇ / ⁇ - ⁇ BR.
  • the space vector ⁇ BR is subtracted from the space vector by being added to the top of the space vector with the direction of the arrow reversed.
  • the peak of the spatial vector ⁇ BM is calculated, whose origin lies at the origin of the coordinate system.
  • FIG. 8 shows an instantaneous determination of the space vector BM BM. To operate the power supply device is a continuous determination of the
  • Space pointer ⁇ BM required, which can be done, for example, by real-time calculation or retrieval of predefined data.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (1000), wobei die Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Energiespeichereinrichtung (1 ), einen Range-Extender mit einem Verbrennungsmotor (10) und einen Wechselstrom erzeugenden Generator (13) umfasst, wobei der Generator (13) mit dem Verbrennungsmotor (10) mechanisch koppelbar oder gekoppelt ist und die Energiespeichereinrichtung (1) während eines Fahrbetriebs mit Wechselstrom aus dem Generator (13) aufladbar ist, und wobei die Energiespeichereinrichtung (1) mehrere Energieversorgungsanschlüsse (1001, 1002, 1003), an denen jeweils eines von mehreren steuerbaren Potentialen bereitstellbar ist, und mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) aufweist, wobei mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) an einem Ende zu einem Sternpunkt (123, 456) zusammengeschaltet sind und jeder Energieversorgungsanschluss (1001, 1002, 1003) mit einem Ende eines Energieversorgungszweigs (100, 200, 300, 400, 500, 600) verbindbar oder verbunden ist, und wobei ein Energiezellenmodul (100-1 bis 600-n) jeweils eine elektrochemische Zelle und eine steuerbare Koppeleinrichtung zur elektrischen Einkopplung der elektrochemischen Zelle in ihren Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug und Verfahren zum Laden
Stand der Technik
Diese Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung zur Bereitstellung von Energie für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden einer solchen Energieversorgungseinrichtung.
Viele elektrisch betreibbare Fahrzeuge benötigen zu ihrer Versorgung eine elektrische Wechselspannung, die häufig ein- oder dreiphasig ist. Im Stand der Technik sind elektrische Energiespeichereinrichtungen bekannt, die eine Vielzahl von Energiezellenmodulen umfassen, die jeweils eine elektrochemische Zelle umfassen. Mehrere der Energiezellenmodule sind jeweils in Reihe
zusammengeschaltet und bilden einen Energieversorgungszweig. Die
elektrochemischen Zellen der einzelnen Energiezellenmodule können über eine Koppeleinrichtung, beispielsweise einen 4-Quadrantensteller, in ihren
Energieversorgungszweig eingekoppelt werden. Die von einer elektrochemischen Zelle erzeugte Spannung kann mit unterschiedlicher Polarität in den
Energieversorgungszweig eingekoppelt werden, so dass mit einem
Energieversorgungszweig sowohl positive als auch negative Spannungen erzeugt werden können. Alternativ kann die elektrochemische Zelle abgekoppelt und durch Erzeugen eines Kurzschlusses zwischen den Einbindungsanschlüssen des Energiezellenmoduls in der Reihenschaltung überbrückt werden, was als Bypassmodus bezeichnet wird. Zum Laden eines Energiezellenmoduls wird dessen elektrochemische Zelle derart in den Energieversorgungszweig eingekoppelt, dass dessen Spannung einer Ladespannung entgegengerichtet ist. Zum Entladen bzw. für die Stromversorgung eines Verbrauches wird die elektrochemische Zelle mit einer Polung in den Energieversorgungszweig eingekoppelt, mit der Strom in der richtigen Richtung durch den Verbraucher fließt. Durch koordiniertes Einkoppeln der Energiezellenmodule kann eine Wechselspannung mit innerhalb von Betriebsgrenzen frei wählbarer Frequenz erzeugt werden. Eine solche Energiespeichereinrichtung wird als Battery Direct Inverter (BDI) bezeichnet. Ein BDI verhält sich an seinen
Energieversorgungsanschlüssen wie ein konventioneller Umrichter mit einem
Zwischenkreis. Es können somit alle Verbraucher, die an einen konventionellen Umrichter angeschlossen werden können, auch an einen BDI angeschlossen werden. Ein Beispiel aus dem Stand der Technik für einen solchen BDI ist in der WO 2012/15981 1 offenbart.
Für den Einsatz in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen sind sogenannte Range- Extender bekannt. Diese umfassen einen Generator, der mit einem
Verbrennungsmotor antreibbar ist. Der Verbrennungsmotor wird gestartet, wenn der Energieinhalt der Energiespeichereinrichtung unter eine kritische Schwelle fällt, und treibt dann den Generator an. Mit dem Generator wird die Batterie über
Gleichrichter aufgeladen. Ein Antriebsmotor wird über einen Wechselrichter mit elektrischer Energie aus der Batterie versorgt. In einer Variante kann der Antriebsmotor auch mit Strom aus dem Generator versorgt werden. Die Batterie ist üblicherweise in einem Gleichspannungszwischenkreis angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Um die bekannten Energieversorgungseinrichtungen zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen BDI während einer Energieabgabe aus dem Energieversorgungssystem mit einem Wechselstrom erzeugenden
Generator eines Range-Extenders aufzuladen. Vorteilhaft wird beispielsweise die Reichweite eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges durch die Möglichkeit, während der Fahrt die Energiespeichereinrichtung nachzuladen, erhöht.
Besonders bevorzugt wird der Wechselstrom zum Aufladen des BDI nicht in einen Gleichstrom zwischengewandelt, sondern unmittelbar zum Laden des BDI verwendet. In dem BDI sind mehrere Energieversorgungszweige an einem Ende zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Der Sternpunkt ist an dem Ende des Energieversorgungszweigs angeordnet, an dem sich kein
Energieversorgungsanschluss des Energieversorgungszweigs befindet. Der Begriff "Sternpunkt" bezeichnet dabei die Stelle bzw. das Potential des
Zusammenschlusses der Energieversorgungszweige. An dem Sternpunkt kann bei symmetrischem Wechselstrom in den Energieversorgungszweigen ein Nullpotential vorliegen. Vorzugsweise sind der Generator und/oder der
Antriebsmotor dreiphasige elektrische Maschinen und die
Energiespeichereinrichtung weist zumindest drei Energieversorgungszweige auf. In einer Version erzeugt der Range-Extender beim Laden der
Energiespeichereinrichtung bei gleichzeitigem Fahrbetrieb mehr mechanische
Leistung, als für den Antrieb des Fahrzeugs erforderlich ist. Die überschüssige Leistung wird zum Aufladen der Energiespeichereinrichtung verwendet.
Vorzugsweise ist die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors des Range-Extenders größer als die elektrische Antriebsleistung der
Antriebsmaschine und insbesondere größer als die Antriebsleistung der elektrischen Antriebsmaschine geteilt durch den Wirkungsgrad des Generators. Vorzugsweise läuft der Range-Extender mit konstanter Leistung und/oder konstanter Drehzahl. Dadurch kann der Betrieb des Range-Extenders optimiert werden. Die Antriebsmaschine kann als Transversalflussmaschine ausgeführt sein. Neben dem Laden mittels des Generators ist vorzugsweise auch das Laden aus einem öffentlichen elektrischen Netz möglich, wozu die
Energieversorgungseinrichtung Anschlüsse und Mittel umfassen kann.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer Ausführungsform ist ein Teil aller Energiezellenmodule der
Energiespeichereinrichtung mittels des Generators aufladbar. Die
Energiespeichereinrichtung und/oder die Energieversorgungseinrichtung weisen dementsprechend Mittel zum teilweisen Aufladen der Energiespeichereinrichtung auf. Dieses teilweise Aufladen hat den Vorteil, dass ein Teil der
Energiezellenmodule geladen werden kann, während ein anderer Teil Energie für das Fahrzeug liefert. Auf diese Weise ist das Aufladen während eines
elektrischen Fahrbetriebs möglich. Dabei kann Energie für den Fahrbetrieb dem nicht aufzuladenden Teil der Energiespeichereinrichtung entnommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann elektrische Energie aus dem Generator für den
Fahrbetrieb abgezweigt werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Energiespeichereinrichtung mehr Energieversorgungszweige als sie Energieversorgungsanschlüsse aufweist. In Verbindung mit einer oder mehreren Schalteinrichtungen ermöglicht dies, so viele
Energieversorgungszweige zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers mit den Energieversorgungsanschlüssen zu verbinden, wie Energieversorgungsanschlüsse vorhanden sind. Auf diese Weise können Energieversorgungszweige, die aktuell nicht mit einem
Energieversorgungsanschluss verbunden sind und nicht der Stromversorgung dienen, mit dem Generator geladen werden, wozu sie mit diesem verbunden werden können. So ist es möglich, einen Teil aller Energieversorgungszweige zu laden, während ein anderer Teil für das Entladen, zum Beispiel in einem
Fahrbetrieb, zur Verfügung steht. Nachdem ein Energieversorgungszweig aufgeladen ist, kann dieser von dem Generator getrennt werden und in einen Entladebetrieb übergehen, indem er mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden wird.
In einem Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsform umfasst die
Energieversorgungseinrichtung doppelt so viele Energieversorgungszweige wie Energieversorgungsanschlüsse. Vorzugsweise sind mehrere
Energieversorgungszweige, deren Anzahl der Anzahl der
Energieversorgungsanschlüsse entspricht, an einem Ende zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Vorzugsweise wird ein Sternpunkt mit zwei oder besonders bevorzugt mit drei Energieversorgungszweigen gebildet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Ausführungsform ist jeder
Energieversorgungszweig mittels einer Schalteinrichtung mit einem
Energieversorgungsanschluss verbindbar und mit einer weiteren
Schalteinrichtung mit dem Generator verbindbar. Durch geeignete Ansteuerung der Schalteinrichtungen und der Koppeleinrichtungen der Energiezellenmodule kann bewirkt werden, dass Energieversorgungszweige Energie abgeben oder aufnehmen. Besonders bevorzugt werden Energieversorgungszweige, die einen gemeinsamen Sternpunkt aufweisen, gemeinsam auf die
Energieversorgungsanschlüsse geschaltet oder mit dem Generator verbunden. Vorzugsweise sind die Schalteinrichtungen Halbleiterventile. Vorzugsweise wirken die Energieversorgungszweige, die über einen Sternpunkt miteinander verbunden sind, wie einzelne BDIs. Verfahren zum Entladen eines BDIs sind aus dem Stand der Technik bekannt. Das Laden eines BDIs kann analog
durchgeführt werden. Ein BDI kann mit Wechselstrom ohne
Gleichspannungszwischenkreis geladen werden. In einer Variante können die Schalteinrichtungen so geschaltet werden, dass Stromfluss von dem Generator sowohl zu einem Energieversorgungszweig als auch zu einem
Energieversorgungsanschluss möglich ist. Dann kann Energie aus dem Generator sowohl zum Laden als auch zur Abgabe an einen Verbraucher genutzt werden. Die Energieabgabe aus der Energieversorgungseinrichtung kann durch Anpassung der Stromaufnahme der Energiespeichereinrichtung gesteuert werden, beispielsweise durch pulsweitenmoduliertes Einkoppeln von
Energiezellenmodulen in ihren Energieversorgungszweig. Da es sich bei dem
Strom aus dem Generator um Wechselstrom handelt, sind die
Schalteinrichtungen vorzugsweise bidirektionale Halbleiterschalter. Dies gilt für alle Varianten und Ausführungsformen dieser Erfindung. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird eine
Energieversorgungseinrichtung vorgeschlagen, bei der ein Ende von jedem der Energieversorgungszweige mit dem Generator verbindbar oder verbunden und das andere Ende von jedem der Energieversorgungszweige mittels einer elektrisch ansteuerbaren Schalteinrichtung mit dem Generator oder/und mit einem Energieversorgungsanschluss verbindbar oder verbunden ist. Die mit dem
Generator verbundenen Enden der Energieversorgungszweige bilden einen Sternpunkt. Die Energieversorgungseinrichtung weist einen
Energieversorgungszweig auf, der mit jedem der Energieversorgungsanschlüsse mittels je einer Schalteinrichtung verbindbar ist. Ebensoviele
Energieversorgungszweige, wie Energieversorgungsanschlüsse vorhanden sind, sind mit einem bestimmten der Energieversorgungsanschlüsse jeweils mittels einer Schalteinrichtung verbindbar. Die vorgenannten Schalteinrichtungen sind bevorzugt so ansteuerbar, dass jeder der Energieversorgungsanschlüsse mit einem der Energieversorgungszweig verbunden ist, während ein weiterer Energieversorgungszweig mit dem Generator verbunden ist. Soll ein
Energieversorgungszweig, der mit jedem der Energieversorgungsanschlüsse verbindbar ist, entladen werden, so wird er mit einem
Energieversorgungsanschluss verbunden, der einem anderen
Energieversorgungszweig fest zugeordnet, jedoch nicht mit seinem
Energieversorgungsanschluss verbunden ist, beispielsweise, weil er im
Ladebetrieb und nur mit dem Generator verbunden ist. Der Wechselstrom aus dem Generator wird bevorzugt mit einem Gleichrichter gleichgerichtet. Der Gleichrichter wie auch die Schalteinrichtungen können Teil der
Energiespeichereinrichtung sein.
In einer weiteren Ausführungsform weisen mindestens zwei, vorzugsweise drei oder alle Energieversorgungszweige zwischen zwei Energiezellenmodulen in Inneren der Energieversorgungsstränge jeweils einen Generatoranschluss auf, mit dem je eine Phase des Generators verbunden ist. Die Wirkungsweise und die Betriebsmöglichkeiten dieser Ausführungsform sind nachfolgend in Bezug auf ein Verfahren beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Energieversorgungseinrichtung Besonderheiten des Range-Extenders bzw. von Generator und Antriebsmotor auf. Dieser Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung kommt von den anderen Ausführungsformen unabhängige Bedeutung zu. Das Fahrzeug kann mit Energie aus dem Range-Extender mittels des Antriebsmotors angetrieben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Fahrzeug mit mechanischer Energie aus dem Range-Extender antreibbar sein. In einer bevorzugten Version ist nicht nur der elektrische Antriebsmotor mit einem Rad des Fahrzeugs rotativ verbunden, sondern auch der als Generator wirkende Teil des Range-Extenders. Der Generator kann mit dem Antriebsmotor mechanisch phasenstarr gekoppelt sein. Somit kann der Generator Wechselstrom mit derselben Frequenz und Phasenlage erzeugen, wie der Antriebsmotor zu seinem Betrieb aufnimmt.
Zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Generator ist in dem mechanischen Strang des Range-Extenders ein Getriebe angeordnet. Dieses Getriebe ermöglicht es, die Drehzahl des Generators an die Drehzahl des
Verbrennungsmotors bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten anzupassen. Vorzugsweise weist das Getriebe eine stufenlose Übersetzung (CVT-Getriebe) auf, die bevorzugt mittels eines Stellmotors verstellbar ist. Vorzugsweise ist in dieser Ausführungsform ein magnetischer Erreger für den Generator vorgesehen, mit dem die Leistung des Generators gesteuert werden kann, worüber auch der
Ladevorgang der Energiespeichereinrichtung gesteuert werden kann. Der Generator ist in dieser Ausführungsform über eine Schalteinrichtung mit der Energiespeichereinrichtung wahlweise verbindbar oder von dieser trennbar. Auf diese Weise kann ein Ladevorgang ein- und ausgeschaltet werden.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die rotative Kopplung zwischen dem Generator und dem Verbrennungsmotor durch eine Kupplung trennbar. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Verbrennungsmotor bei geringen Fahrgeschwindigkeiten seine Drehzahluntergrenze unterschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kupplung zwischen dem Generator und dem Antriebsmotor angeordnet sein. Diese bewirkt, dass der Generator auch im Stillstand des Fahrzeugs betrieben werden kann. Die Kupplungen können beispielsweise als Fliehkraftkupplung oder als elektromechanisch betätigbare Kupplung ausgeführt sein.
Die Kupplung zwischen der Antriebsmaschine und dem Generator ist
vorzugsweise so ausgeführt, dass die Antriebsmaschine und der Generator ausschließlich in einer Rotationsstellung zueinander gekoppelt werden können, in der sie eine vordefinierte Phasenlage zueinander einnehmen. Beispielsweise kann die Kupplung formschlüssig wirken, beispielsweise in der Art einer
Klauenverbindung, wie es etwa bei einem synchronisierten Getriebe zwischen Welle und Getrieberad üblich ist. Vorzugsweise weisen der Generator und die Antriebsmaschine die gleiche Anzahl von Polen auf. Bei Verrastung der formschlüssigen Kupplung stimmt die Winkellage der Pole vorzugsweise überein.
In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform sind der Generator und der Antriebsmotor in einer Einheit zusammengefasst. Insbesondere können der Generator und der Antriebsmotor dieselbe elektrische Maschine sein.
Außerdem ist in dieser Ausführungsform der Antriebsmotor mit der
Energiespeichereinrichtung verbunden, wobei diese Verbindung vorzugsweise durch eine Schalteinrichtung unterbrechbar ist. Diese Schalteinrichtung kann eine andere Schalteinrichtung als die Schalteinrichtung für den Ladevorgang sein. In einer Variante mit einer elektrischen Maschine, die zugleich als Generator und als Antriebsmotor dient, kann für beide Funktionskomponenten jedoch auch eine einzige Schalteinrichtung zum Verbinden bzw. Trennen der
Energiespeichereinrichtung von der elektrischen Maschine vorgesehen sein.
In einer Version dieser Ausführungsform wird zumindest ein Großteil der mechanischen Energie des Verbrennungsmotors von dem Generator in elektrische Energie umgewandelt und die Verteilung zwischen Antriebsenergie und Ladeenergie elektrisch vorgenommen. Dazu ist der Antriebsmotor elektrisch mit dem Generator verbunden und nimmt von diesem erzeugte Energie als elektrischen Wechselstrom auf.
In dieser Variante besteht außerdem eine rotative Kopplung zwischen dem Generator und der Antriebsmaschine, so dass diese phasengleich laufen.
Frequenz und Phase des von dem Generator erzeugten Stroms stimmen somit mit Phase und Frequenz des Stroms überein, der von der Antriebsmaschine aufgenommen wird. Die mechanische Verbindung zwischen der
Antriebsmaschine und dem Generator dient in dieser Variante in erster Linie dazu, die feste Phasenkopplung zwischen dem Generator und der
Antriebsmaschine zu gewährleisten. Sie kann mit einer geringeren mechanischen Festigkeit ausgelegt sein, als zur mechanischen Übertragung der vollen Leistung des Verbrennungsmotors erforderlich wäre.
In einer weiteren Variante sind der Generator und der Antriebsmotor jeweils mit einer ihnen zugeordneten Schalteinrichtung ausgestattet. Die mechanische Verbindung zwischen dem Generator und der Antriebsmaschine ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie die volle mechanische Leistung des Verbrennungsmotors übertragen kann. Bei geschlossener Schalteinrichtung des Generators wird die Energiespeichereinrichtung mit Wechselstrom aus dem Generator geladen. Die Schalteinrichtung der Antriebsmaschine kann dabei geöffnet sein, so dass kein Strom von dem Generator zu der Antriebsmaschine fließt. Der Fahrbetrieb wird durch Übertragung von mechanischer Energie des Verbrennungsmotors über den Generator und die Verbindung an die Antriebsmaschine und von dort zu wenigstens einem Rad des Fahrzeugs bewirkt. Die Antriebsmaschine läuft in diesem Betriebszustand leer mit. In einem elektrischen Fahrbetrieb kann die Schalteinrichtung des Generators geöffnet und die Schalteinrichtung der
Antriebsmaschine geschlossen werden, so dass die Antriebsmaschine mit der Energiespeichereinrichtung verbunden ist und aus dieser heraus betrieben werden kann. Wenn beide Schalteinrichtungen geschlossen sind, kann ein Teil der vom Generator erzeugten Energie zum Laden und ein Teil als
Antriebsenergie verwendet werden.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Laden einer Energieversorgungseinrichtung nach einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen vorgeschlagen, gemäß dem die
Energieversorgungseinrichtung geladen wird, während das Fahrzeug mit
Antriebsenergie aus dem Range-Extender versorgt wird. Der Generator des Range-Extenders liefert zum Laden eine Wechselspannung, bevorzugt eine Dreiphasenwechselspannung, die vorzugsweise nicht gleichgerichtet wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird mit dem Generator ein Teil der Energiezellenmodule der Energiespeichereinrichtung mit Wechselstrom aus dem Generator geladen. Dadurch kann ein elektrischer Fahrbetrieb mit den restlichen Energiezellenmodulen aufrechterhalten werden. Außerdem ist es in einer Variante möglich, den restlichen Teil der Energiezellenmodule so zu betreiben, dass sie als Umrichter zwischen einer Generatorfrequenz und einer von der Energieversorgungseinrichtung z.B. an eine Antriebsmaschine abzugebenden Frequenz wirken.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Ausgangsleistung des Generators in einer Ladeleistung zum Aufladen von elektrochemischen Zellen der Energiespeichereinrichtung und in einer Energieversorgungsleistung aufgeteilt, mit der ein Verbraucher, der an die Energieversorgungseinrichtung angeschlossen ist, versorgt wird. Um die Aufteilung zu erreichen, werden Energiezellenmodule in ihre Energieversorgungsstränge eingekoppelt, so dass diese Ladestrom aus dem Generator aufnehmen. Vorzugsweise sind die aufzuladenden Energiezellenmodule und der Verbraucher dabei parallel geschaltet. Dadurch kann der Strom aus dem Generator in einen Ladestrom und einen Versorgungsstrom aufgeteilt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Verbraucher mit aufzuladenden Energiezellenmodulen in Reihe geschaltet sein, so dass sich die von dem Generator abgegebene Ladespannung auf den Verbraucher und die zu ladenden Energiezellenmodule aufteilt.
Das Aufteilen der Leistung kann durch die Anzahl der eingekoppelten elektrochemischen Zellen und die zeitliche Dauer dieser Einkopplung gesteuert werden. Das Einkoppeln kann so erfolgen, dass sich eine gewünschte Spannung bzw. ein gewünschter Strom einstellt. Dazu kann ein Wechsel zwischen dem Einkoppeln von Energiezellenmodulen in deren Energieversorgungszweig und deren
Bypassbetrieb erfolgen, beispielsweise gemäß einem bekannten
Pulsweitenmodulationsverfahren. Bei der Leistungsaufteilung wird bevorzugt nur ein Teil aller Energiezellenmodule geladen, wobei z.B. nur ein Teil aller
Energieversorgungszweige oder nur ein Teil aller Energiezellenmodule in einem Energieversorgungszweig geladen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird während eines
Energieversorgungsbetriebs eine Anzahl von Energieversorgungszweigen mit den Energieversorgungsanschlüssen verbunden, um einen Verbraucher zu versorgen, während gleichzeitig wenigstens ein weiterer
Energieversorgungszweig mit dem Generator verbunden ist, um diesen zu laden.
Auf diese Weise ist das Aufladen eines Teils der Energiespeichereinrichtung während des Energieversorgungsbetriebs, beispielsweise bei einem Fahrbetrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, möglich.
Vorzugsweise wird in einer Version mittels des Range-Extenders ein Satz von Energieversorgungssträngen geladen, deren Anzahl gleich der Anzahl der
Energieversorgungsanschlüsse der Energieversorgungseinrichtung ist. Ein zweiter Satz mit gleicher Anzahl von Energieversorgungssträngen gibt gleichzeitig Energie für den Fahrbetrieb ab. Die Energieversorgungsstränge in einem Satz sind in einem Sternpunkt zusammengeschaltet. Nach dem Entladen eines Satzes kann dieser wieder aufgeladen und ein weiterer, während des
Entladens aufgeladener Satz im Fahrbetrieb entladen werden. Dazu werden Schalteinrichtungen der Energieversorgungseinheit geeignet geschaltet. Auf diese Weise steht stets elektrische Energie für den Fahrbetrieb zur Verfügung. Die Sätze wirken wie einzelne BDIs und können wie solche entladen und geladen werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können zur Energieabgabe aus der Energieversorgungseinrichtung Schalteinrichtungen der
Energieversorgungseinrichtung derart gesteuert werden, dass mit jedem
Energieversorgungsanschluss ein Energieversorgungszweig verbunden ist, während gleichzeitig ein Energieversorgungszweig zum Laden mit dem
Generator verbunden wird. Die Energie abgebenden Energieversorgungszweige können dabei Energieversorgungszweige sein, die ausschließlich mit einem bestimmten der Energieversorgungsanschlüsse verbindbar sind. Ist jedoch einer dieser Energieversorgungszweige nicht mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden, während er z.B. geladen wird, so kann ein Energieversorgungszweig, welcher auch an andere Energieversorgungsanschlüsse schaltbar ist, an dessen Energieversorgungsanschluss geschaltet werden, um ihn bei der Energieabgabe zu ersetzen. In dieser Variante sind alle Energieversorgungszweige zu einem einzelnen Sternpunkt zusammengeschlossen, an den der Generator
angeschlossen ist. Dadurch reicht ein Schaltelement für jeden
Energieversorgungszweig zur Verbindung mit dem Generator aus. Der Generator ist vorzugsweise ein ein- oder dreiphasiger Wechselstromgenerator. Die beiden Potentiale eines einphasigen Generators können ohne Gleichrichtung an die Energiespeichereinrichtung bzw. deren Schaltelemente angeschlossen werden.
Bei einem dreiphasigen Generator wird vorzugsweise ein Gleichrichter zwischen die Energiespeichereinrichtung bzw. deren Schaltelemente und den Generator geschaltet. Besonders bevorzugt wird der zu ladende Energieversorgungszweig unter den Energieversorgungszweigen durchgetauscht, so dass insgesamt ein gleichmäßiges Laden und Entladen der Energieversorgungszweige stattfindet. Besonders bevorzugt sind insgesamt vier Energieversorgungszweige
vorgesehen. In diesem Fall wird vorzugsweise der aufzuladende
Energieversorgungszweig mit mehr Strom, vorzugsweise mindestens dreimal so viel Strom, geladen, als ihm im Entladebetrieb entnommen wird. So kann sichergestellt werden, dass die Energiespeichereinrichtung nicht leer wird, obwohl durch das Durchtauschen der Energieversorgungszweige zwischen Lade- und Entladebetrieb längere Entladezeiten als Ladezeiten vorliegen.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Teil aller Energiezellenmodule innerhalb eines Energieversorgungszweiges geladen. Dazu ist im Inneren des Energieversorgungszweiges ein Anschluss an den Generator vorgesehen.
Mehrere solcher Energieversorgungszweige sind an einem ihrer Enden zu einem
Sternpunkt zusammengeschaltet. Das jeweils andere Ende der
Energieversorgungszweige ist mit einem Energieversorgungsanschluss verbunden. Zwischen zwei Generatoranschlüssen der
Energieversorgungszweige kann eine Generatorspannung angelegt werden, die auf die Energiezellenmodule zwischen dem Generatoranschluss des einen
Energieversorgungszweigs und dem Sternpunkt sowie zwischen dem Sternpunkt und dem Generatoranschluss des anderen Energieversorgungszweiges wirkt. Diese sind somit unter Anwendung einer geeigneten, nach dem Stand der Technik bekannten Ansteuerung der einzelnen Energiezellenmodule mit
Wechselstrom aus dem Generator aufladbar. Vorzugsweise sind ein dreiphasiger
Generator und drei Energieversorgungszweige vorgesehen. Die Phasen des Generators sind mit den jeweiligen Generatoranschlüssen der
Energieversorgungszweige verbunden, so dass alle Energiezellenmodule zwischen den Generatoranschlüssen und dem Sternpunkt geladen werden können. Die Generatoranschlüsse sind zwischen zwei Energiezellenmodulen angeordnet.
In einer Variante können die zu ladenden Energiezellenmodule von den anderen Energiezellenmodulen abgekoppelt werden, sodass letztere als BDI für die Abgabe von Energie wirken können, während die zu ladenden
Energiezellenmodule wie ein BDI geladen werden. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform können die Energiezellenmodule zwischen den Generatoranschlüssen und dem Sternpunkt so gesteuert werden, dass sie nicht den ganzen Strom aus dem Generator aufnehmen. Auf diese Weise ist es möglich, den Generatorstrom aufzuteilen und einen Teil zum Laden und einen Teil zur Abgabe über die Energieversorgungsanschlüsse an einen
Verbraucher zu nutzen. Vorzugsweise sind dazu die Energiezellenmodule zwischen den Generatoranschlüssen und den Energieversorgungsanschlüssen auf Kurzschluss geschaltet, so dass die elektrochemischen Zellen nicht in die Energieversorgungszweige eingekoppelt sind und Strom vom Generator unmittelbar zu den Energieversorgungsanschlüssen fließen kann.
In einer weiteren Weiterbildung wirkt der Teil der Energiezellenmodule, die zwischen den Generatoranschlüssen und dem Sternpunkt angeordnet sind, als Umrichter, der eine Frequenz des Generators in eine an einen Verbraucher abzugebende Frequenz umwandelt. Dazu können die Energiezellenmodule derart in ihre Energieversorgungszweige eingekoppelt werden, dass sie eine Spannungsdifferenz liefern, die sich aus dem Verlauf der Generatorspannung und dem Verlauf der von der Energieversorgungseinrichtung abzugebenden Spannung ergibt. Sind die Generatorspannung und die abzugebende Spannung in der Zusammenschau über drei Energieversorgungszweige jeweils eine
Dreiphasenwechselspannung, so können diese in Raumzeigerdarstellung dreidimensional betrachtet werden. Die Generatorspannung kann dann als in drei Dimensionen umlaufender Vektor und die abzugebende Spannung als ein weiterer Spannungsvektor dargestellt werden. Durch die unterschiedlichen Frequenzen laufen die beiden Spannungsvektoren mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit in der Raumzeigerdarstellung um. Aus dem momentanen Differenzvektor zwischen Generatorspannung und abzugebender Spannung kann eine momentan an den verschiedenen Phasen mit den
Energieversorgungszweigen einzustellende Spannung ermittelt werden. Die abzugebende Spannung liegt in jedem Energieversorgungszweig zwischen dem
Sternpunkt und dem Energieversorgungsanschluss an. Die Generatorspannung liegt in jedem Energieversorgungsmodul zwischen dem Generatoranschluss und dem Sternpunkt an. Um ein Laden der Energiezellenmodule zwischen dem Generatoranschluss und dem Sternpunkt mit dem Generator zu ermöglichen, ist es erforderlich, diese Module an die Frequenz des Generators anzupassen und entsprechend in die Energieversorgungszweige einzukoppeln. Die mit anderer Frequenz zu erzeugende abzugebende Spannung wird somit aus den Energiezellenmodulen zwischen dem Generatoranschluss und dem
Energieversorgungsanschluss in jedem der Energieversorgungszweige erzeugt, indem die Differenzspannung zwischen der Generatorspannung und der abzugebenden Spannung in jedem Energieversorgungszweig erzeugt wird. Dazu können in den Abschnitten der Energieversorgungszweige zwischen den jeweiligen Generatoranschlüssen und Energieversorgungsanschlüssen ausreichend viele Energiezellenmodule vorhanden sein, um die maximale Spannungsdifferenz zwischen der abzugebenden Spannung und der
Generatorspannung erzeugen zu können. Die Anzahl der Energiezellenmodule in dem Abschnitt der Energieversorgungszweige zwischen dem
Generatoranschluss und dem Sternpunkt ist vorzugsweise so groß ausgelegt, dass die Summe der Zellenspannungen mindestens so groß wie eine maximale Generatorspannung werden kann. Wenn die Energieversorgungseinrichtung einen Range-Extender mit einem Verbrennungsmotor aufweist und aus der Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Antriebsmaschine eines
Fahrzeugs versorgt werden soll, kann durch die Umrichterwirkung der
Energiespeichereinrichtung die Drehzahl des Verbrennungsmotors von der Drehzahl der Antriebsmaschine entkoppelt werden. In einer Weiterbildung der Energieversorgungseinrichtung nach dieser
Ausführungsform wird die Modulation des Stroms zum Verbraucher bewirkt, indem in dem Anteil der Energiespeichereinrichtung, der zwischen den
Generatoranschlüssen und den Energieversorgungsanschlüssen angeordnet ist, Energiezellenmodule derart gegen die Stromrichtung des Stroms zum
Verbraucher geschaltet werden, dass sie durch den Strom aufgeladen werden und gleichzeitig die Spannung an den Verbraucher mindern. Durch geeignetes Einkoppeln der Energiezellenmodule in die Abschnitte der
Energieversorgungszweige zwischen den Generatoranschlüssen und den Energieversorgungsanschlüssen kann die Frequenz des Generators in die Frequenz der abzugebenden Spannung umgewandelt werden, indem
Energiezellemodule zum Laden in die Energieversorgungszweige geschaltet werden, wenn von dem Energieversorgungszweig eine geringere Spannung abgegeben werden soll, als der Generator liefert, und indem
Energiezellenmodule Energie abgeben und Spannung für den Verbraucher liefern, wenn die Generatorspannung kleiner als die abzugebende Spannung in einem Energieversorgungszweig ist. In einer kombinierten Version werden die Energiezellenmodule zeitweise geladen und geben zeitweise Energie ab, je nach dem, was für die Bereitstellung der abzugebenden Spannung erforderlich ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die
elektrochemischen Zellen, die in einen Energieversorgungszweig zum Laden eingekoppelt werden und/oder Energieversorgungszweige, die zum Laden mit dem Generator verbunden sind, derart ausgetauscht, dass im zeitlichen Mittel alle Energiezellenmodule mit Ladestrom versorgt werden, und insbesondere alle Energiezellenmodule gleichmäßig geladen werden. Dazu kann ein festgelegtes Austauschschema verwendet werden oder in einer anderen Variante hinterlegt werden, welche elektrochemische Zelle geladen wurde und insbesondere zusätzlich, wie lange sie geladen wurde. Auf diese Weise stehen Informationen über das Laden aller Energiezellenmodule für eine Verwaltung und Steuerung des Ladens der Energiezellenmodule zur Verfügung. Insbesondere können dabei defekte Energiezellenmodule aus dem Betrieb genommen werden. Es können bereits bekannte Verfahren für die Verwaltung des Ladens der Energiezellen verwendet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung,
Figur 2 ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der
Energieversorgungseinrichtung,
Figur 3 ein schematisches Schaltbild einer dritten Ausführungsform der
Energieversorgungseinrichtung,
Figur 4 ein schematisches Schaltbild einer vierten Ausführungsform der
Energieversorgungseinrichtung,
Figur 5 ein schematisches Schaltbild einer fünften Ausführungsform der
Energieversorgungseinrichtung, Figur 6 ein schematisches Schaltbild einer sechsten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung,
Figur 7 ein schematisches Schaltbild einer siebten Ausführungsform der
Energieversorgungseinrichtung, und
Figur 8 ein Raumzeigerdiagramm zur grafischen Ermittlung eines
Raumzeigers, der mit einem Teil eines BDIs eingestellt wird.
Figur 1 zeigt schematisch ein Schaltbild einer Ausführungsform der
Energieversorgungseinrichtung. Die Energieversorgungseinrichtung umfasst einen Range-Extender, der seinerseits einen Verbrennungsmotor 10, eine mechanische Kupplung 1 1 , ein Getriebe 12, einen Generator 13 mit einer steuerbaren Erregungswicklung 14 umfasst. Der Verbrennungsmotor 10, die Kupplung 1 1 , das Getriebe 12 und der Generator 13 sind miteinander rotationsgekoppelt. Mit dem Generator ist eine Antriebsmaschine 1000 eines Fahrzeugs rotationsstarr gekoppelt. Die Antriebsmaschine 1000 ist kein Teil der Energieversorgungseinrichtung. An den Generator 13 ist über eine
Schalteinrichtung 130 eine Energiespeichereinrichtung 1 angeschlossen. An die Energieversorgungseinrichtung 1 ist ohne zwischengeschaltete Schalteinrichtung die Antriebsmaschine 1000 angeschlossen. Der Generator 13 und die
Antriebsmaschine 1000 sind als dreiphasige Maschinen ausgeführt und weisen dieselbe Polpaarzahl auf. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst drei Energieversorgungszweige 100, 200, 300, die jeweils n-Energiezellenmodule 100-1 bis 100-n bzw. 200-1 bis 200-n bzw. 300-1 bis 300-n aufweisen. Jeweils ein Ende jedes Energieversorgungszweigs 100, 200, 300 ist in einem Sternpunkt 123 mit den Enden der anderen Energieversorgungszweige 100, 200, 300 zusammengeschaltet. Die jeweils anderen Enden der Energieversorgungszweige 100, 200, 300 sind jeweils mit einer Phase des Generators 13 verbindbar und mit jeweils einer Phase der Antriebsmaschine 1000 verbunden.
Die Kupplung 1 1 kann als Fliehkraftkupplung ausgeführt sein oder
elektromechanisch betätigbar sein. Die rotationsstarre Verbindung zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 führt zu einer identischen
Frequenz und Phasenlage der elektrischen Spannungen des Generators und der Antriebsmaschine. Das Getriebe 12 ist vorzugsweise als Getriebe mit stufenlos verstellbarer Übersetzung (CVT-Getriebe) ausgeführt. Vorzugsweise ist die Übersetzung zwischen Antrieb und Abtrieb kontinuierlich innerhalb gewisser Grenzen mittels eines Stellmotors variierbar. Somit ist innerhalb gewisser Grenzen eine stufenlose Drehzahlanpassung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Generator möglich. Die Amplitude der Ausgangsspannung des
Generators 13 kann über die Erregerregelung 14 variiert werden. Die
Energiespeichereinrichtung 1 ist ohne Zwischengleichspannungskreis oder Umformer und über die Schalteinrichtung 130 angeschlossen. Die
Schalteinrichtung 130 ist bevorzugt als dreipoliger Sicherheitsschutz ausgeführt. Die Energiezellenmodule weisen eine Kopplungseinheit auf, mit der die
Energiezellenmodule in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden können, nämlich zumindest normale Entladung, Entladung bei umgekehrtem Strom und Ladung, sowie Bypassbetrieb, in dem die elektrochemische Zelle nicht in den Energieversorgungszweig eingekoppelt ist und das Energiezellenmodul in dem Energieversorgungszweig kurzgeschlossen ist. Die Kopplungseinheit kann beispielsweise als H-Brücke bzw. Vier-Quadrantensteller oder als Zwei- Quadrantensteller mit umkehrbarem Ausgangsstrom ausgeführt sein. Mit der Koppeleinheit kann eine elektrochemische Zelle, die einen Teil eines
Energiezellenmoduls 100-1 bis 300-n bildet, in verschiedene Polungsrichtungen in einen Energieversorgungszweig 100, 200, 300 geschaltet werden, wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist.
Mittels der Koppeleinheiten der Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n kann mit der Energiespeichereinrichtung 1 eine stufige sinusähnliche dreiphasige
Spannung erzeugt werden. Wird in der Energiespeichereinrichtung 1 ein kritisch niedriger Ladezustand erreicht, so startet der Verbrennungsmotor 10. Dieser wird im Leerlauf gestartet und zunächst nicht in den mechanischen Strang aus Kupplung 1 1 , Getriebe 12, Generator 13 und Antriebsmaschine 1000
eingekuppelt. Aufgrund der momentan gefahrenen Geschwindigkeit und
Umdrehungszahlen der Maschine bzw. des Generators und des
Verbrennungsmotors wird die notwendige Umdrehungszahl für den
Verbrennungsmotor ermittelt und eingestellt. Außerdem wird die
Getriebeübersetzung so eingestellt, dass an beiden Seiten der Kupplung wenigstens näherungsweise gleiche Drehzahlen anliegen, sodass wenigstens näherungsweise ruckfrei eingekuppelt werden kann. Ein weiterer Zweck der
Kupplung 1 1 ist es, den Verbrennungsmotor 10 vom Getriebe 12 in dem Fall trennen zu können, indem das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit fährt, die kleiner als eine kritische Geschwindigkeit ist. Diese kritische Geschwindigkeit entspricht der minimalen Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 bei
kleinstmöglicher Übersetzung oder größtmöglicher Untersetzung des Getriebes 12. Wenn die kritische Geschwindigkeit erreicht wird, wird die Kupplung geöffnet und der mechanische Antriebsstrang zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 12 geöffnet. Die Öffnungsdrehzahl einer Fliehkraftkupplung 1 1 liegt vorzugsweise nahe einer Minimaldrehzahl des Verbrennungsmotors.
Die Energiespeichereinrichtung 1 wird von dem Generator 13 parallel zum Fahrbetrieb mit der Antriebsmaschine 1000 geladen. Dabei ist die
Schalteinrichtung 130 geschlossen. Zur Aufteilung des Stroms aus dem
Generator 13 auf die Antriebsmaschine 1000 und die Energiespeichereinrichtung 1 wird die Energiespeichereinrichtung 1 durch Steuerung der Koppeleinheiten so gesteuert, dass sie Leistung des Generators aufnimmt, die für den Fahrbetrieb nicht erforderlich ist. Bei der Steuerung der Energiespeichereinrichtung 1 wird eine geeignete Anzahl von Energiezellenmodulen im jeweiligen Zweig in den Lade- oder Bypass-Modus versetzt, um eine Gegenspannung der
Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n einzustellen, die für die momentane Generatorspannung geeignet ist. Beim Nulldurchgang der sinusförmigen
Generatorspannung befindet sich beispielsweise nur ein Energiezellenmodul im
Lademodus. Steigt die Spannung an einem Modul über einen kritischen Wert, so wird ein weiteres Energiezellenmodul 100-1 bis 300-n zum Laden in den
Energieversorgungszweig 100, 200, 300 geschaltet, und beim Spitzenwert der Generatorspannung sind entweder alle Module oder alle Module außer einem im Lademodus. Im Zeitmittel geladen werden alle Energiezellenmodule 100-1 bis
300-n eines Energieversorgungszweigs 100, 200, 300, sodass abwechselnd Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n, die eine Zeit lang im Bypass-Modus waren, in den Lademodus versetzt werden, und umgekehrt. Bei Erreichen einer festgelegten mittleren oder oberen Ladeschwelle der Energiezellenmodule wird der Verbrennungsmotor 10 abgeschaltet.
Figur 2 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung. Diese ist der ersten Ausführungsform in vielen Details gleich oder ähnlich. Gleiche Merkmale bzw. Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Im Folgenden wird auf die Unterschiede zwischen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform eingegangen. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Verbindung der Antriebsmaschine 1000 zu der
Energiespeichereinrichtung 1 durch eine Schalteinrichtung 140 unterbrechbar ist. Außerdem ist die rotative Kopplung zwischen dem Generator 13 und der
Antriebsmaschine 1000 so ausgelegt, dass sie die mechanische Leistung des Verbrennungsmotors 10 zu der Antriebsmaschine und damit letztlich zu Rädern eines anzutreibenden Fahrzeugs übertragen kann. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform kann in der zweiten Ausführungsform die Fahrleistung vom Verbrennungsmotor direkt mechanisch erbracht werden. In diesem Betrieb ist zugleich das Laden der Energiespeichereinrichtung 1 möglich. Dazu wird die Schalteinrichtung 140 geöffnet und die Antriebsmaschine 1000 von der
Energiespeichereinrichtung 1 elektrisch getrennt. Die Schalteinrichtung 130 ist geschlossen. Mittels des mitlaufenden Generators 13 wird die
Energiespeichereinrichtung 1 geladen, was bei gleichzeitigem Fahrbetrieb über die direkte mechanische Verbindung möglich ist. Mittels der Erregerwicklung 14 kann die Generatorspannung so eingestellt werden, dass die
Energiespeichereinrichtung 1 jeweils geeignete Ladespannung erhält.
Insbesondere kann dann auch bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 geladen werden. Die Antriebsmaschine 1000 läuft in diesem Betriebszustand leer mit.
Figur 3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich nur in wenigen Details von der zweiten Ausführungsform. Gleiche Merkmale und
Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht noch einmal gesondert beschrieben.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform durch eine Anordnung einer mechanischen Kupplung 1 1 in der mechanischen
Verbindung zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000. In der in Figur 3 dargestellten Variante entfällt die Kupplung zwischen dem
Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 12 der Ausführungsform in Figur 2. In einer anderen, nicht dargestellten Variante kann diese Kupplung zusätzlich vorgesehen sein. Ein Vorteil der Anordnung der Kupplung 1 1 zwischen dem
Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 liegt darin, dass ein Laden auch im Stand des Fahrzeugs möglich ist. Typischerweise ist die Antriebsmaschine 1000 im Normalbetrieb nicht trennbar mit wenigstens einem Rad des anzutreibenden Fahrzeugs verbunden. Durch die Anordnung der Kupplung 1 1 zwischen dem Generator 13 und der Antriebsmaschine 1000 ist es möglich, dass der Generator 13 mit dem Verbrennungsmotor 10 rotiert, während die Antriebsmaschine 1000 und das Fahrzeug stehen. Beim Starten des Verbrennungsmotors 10 wird die
Kupplung 1 1 getrennt. Zum Einkuppeln während der Fahrt wird der
Verbrennungsmotor auf eine geeignete Drehzahl gebracht und am Getriebe eine geeignete Übersetzung eingestellt, um ruckfrei einkuppeln zu können. Die Kupplung 1 1 wird geschlossen, die Schalteinrichtung 140 geöffnet und die Schalteinrichtung 130 geschlossen. In diesem Betriebszustand kann der
Fahrbetrieb über die geschlossene mechanische Kupplung 1 1 erfolgen, während die Energiespeichereinrichtung 1 mittels des Generators 13 geladen wird. Im Stand bzw. unterhalb einer minimalen Geschwindigkeit wird die Kupplung 1 1 bei weiterlaufendem Verbrennungsmotor 10 geöffnet, wobei die
Energiespeichereinrichtung 1 bei Fahrzeugstillstand von dem Generator 13 geladen wird. Besonders bevorzugt ist die Kupplung 1 1 zwischen Generator 13 und Antriebsmaschine 1000 so ausgeführt, dass sie eine gleiche Phasenlage der elektrischen Phasen von Generator und Motor bei geschlossenem Zustand der Kupplung bewirkt. Beispielsweise kann dies durch Formschluss, etwa in Form einer Klauenverbindung in der Art eines synchronisierten Getriebes, realisiert sein. Der Formschluss wird nur wirksam, wenn die Lage der Pole des Generators 13 und der Antriebsmaschine 1000 gleich ist.
In Figur 4 ist schematisch eine Blockschaltdarstellung einer vierten
Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung dargestellt. Die vierte
Ausführungsform unterscheidet sich nur in Details von der ersten
Ausführungsform. Gleiche Merkmale und Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen beziffert und werden nicht noch einmal gesondert erläutert. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass der Generator 13 und die Antriebsmaschine 1000 in der Figur 1 zu einer kombinierten Generator-Antriebsmaschine 1013 zusammengefasst sind, wobei abweichend von den anderen Ausführungsformen die Antriebsmaschine einen Teil des Range-Extenders bildet. Die nicht trennbare mechanische
Verbindung zwischen der Antriebsmaschine 1000 und der
Energiespeichereinrichtung 1 in der Figur 1 entfällt als separates Detail, da die Generator-Antriebsmaschine 1013 diese Verbindung in sich umfasst. Die Generator-Antriebsmaschine 1013 ist über die Schalteinrichtung 130 mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbunden. Dabei ist zwischen der
Energieversorgungseinrichtung 1 und der Generator-Antriebsmaschine 1013 kein Umformer vorgesehen. Die Generator-Antriebsmaschine 1013 kann in einem Ausführungsbeispiel als Transversalflussmaschine ausgeführt sein. Die Kupplung
1 1 ist vorzugsweise eine kraftschlüssige Kupplung, was auch für alle anderen Ausführungsformen gilt, bei denen die Kupplung 1 1 zwischen dem
Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 12 angeordnet ist. Wenn die Kupplung 1 1 geschlossen ist, kann der Fahrbetrieb mit der Leistung des
Verbrennungsmotors 10 rein mechanisch erfolgen, während die Generator-
Antriebsmaschine 1013 als Generator arbeitet und die
Energiespeichereinrichtung 1 auflädt.
In Figur 5 ist eine fünfte Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung schematisch als Blockschaltbild dargestellt. In der fünften Ausführungsform umfasst ein Range-Extender zumindest einen Verbrennungsmotor 10 und einen Generator 13. Der Range-Extender kann jedoch auch noch weitere
Komponenten, wie etwa in einer der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben, umfassen. Der Generator 13 ist dreiphasig ausgeführt. Er ist über eine Schalteinrichtung 15 mit der Energiespeichereinrichtung 1 verbindbar. Die
Schalteinrichtung 15 ist vorzugsweise als dreipoliger Sicherheitsschutz ausgeführt. Zwischen der Energiespeichereinrichtung 1 und dem Generator 13 sind alternativ oder zusätzlich Schalteinrichtungen 101 , 201 , 301 , 401 , 501 und 601 vorgesehen. Die Energiespeichereinrichtung 1 weist sechs
Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400, 500 und 600 auf. Die
Energieversorgungszweige 100, 200 und 300 sind jeweils an einem ihrer Enden zu einem Sternpunkt 123 zusammengeschaltet. In gleicher weise sind die Energieversorgungszweige 400, 500 und 600 an einem ihrer Enden zu einem zweiten Sternpunkt 456 zusammengeschaltet. Die jeweils über einen Sternpunkt zusammengeschalteten Energieversorgungszweige können für sich allein die
Funktion einer Energiespeichereinrichtung, z.B. wie oben beschrieben, übernehmen. Somit umfasst die fünfte Ausführungsform zwei unabhängig voneinander steuerbare Sub-Energiespeichereinrichtungen 100, 200, 300, 123 und 400, 500, 600, 456 in ihrer Energiespeichereinrichtung 1.
In einem normalen Entladebetrieb ohne Range-Extender werden die
Koppeleinheiten innerhalb der Energiezellenmodule 100-1 bis 600-n gemäß einem bekannten Verfahren zum Betrieb einer solchen
Energiespeichereinrichtung 1 entladen. Dies ist mit dem Teil der
Energiespeichereinrichtung 1 , der aus den Energieversorgungszweigen 100, 200 und 300 gebildet ist, sowie mit dem Teil, der aus den
Energieversorgungszweigen 400, 500 und 600 gebildet ist, jeweils separat möglich.
Die Energieversorgungseinrichtung umfasst Schalteinrichtungen 101 , 201 , 301 bzw. 401 , 501 , 601 , mit denen die Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 mit der Antriebsmaschine 1000 verbindbar sind.
Mittels Schließen der Schalteinrichtungen 101 , 201 , 301 bzw. 401 , 501 , 601 kann im Fahrbetrieb jeweils einer der Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 entladen werden. Das Entladen der beiden
zusammengeschalteten Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 kann abgewechselt werden, um eine gleichmäßigere
Entladung der Energieversorgungszweige zu erreichen. Besonders bevorzugt wird jedoch zunächst einer der beiden Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 bis zu einem kritischen niedrigen Ladezustand entladen. Ein kritischer niedriger Ladezustand kann ein niedriger Ladezustand eines einzelnen Energiezellenmoduls oder von mehreren Energiezellenmodulen sein, beispielsweise ein Mittelwert des Ladezustands von mehreren
Energiezellenmodulen. Wenn ein kritischer unterer Ladezustand in einem der Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 erreicht wird, wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet und der Generator 1 1 liefert eine dreiphasige sinusförmige Generatorspannung. Dann wird mit der
Generatorspannung einer der beiden Sätze von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 aufgeladen, indem die Schaltelemente 101 , 201 , 301 bzw. 401 , 501 , 601 elektrisch leitend geschlossen werden. Der jeweils andere Satz von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 wird über die Schalteinrichtungen 102, 202, 302 bzw. 402, 502, 602 mit der
Antriebsmaschine 1000 verbunden, um den Fahrbetrieb aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise kann zugleich ein Satz von Strängen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 geladen werden, während ein Fahrbetrieb aus dem anderen Satz von Strängen 400, 500 und 600 bzw. 100, 200, 300 möglich ist. Alle anderen Schalter bleiben offen. Der Generator weist in dieser Ausführungsform eine
Leistungsfähigkeit auf, die größer ist, als die mögliche Leistungsaufnahme der Antriebsmaschine 1000. Das Laden eines Satzes von zusammengeschalteten Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 kann mit nach dem Stand der Technik bekannten Methoden oder mit einem der oben beschriebenen Verfahren erfolgen. Die Schalteinrichtungen 101 , 201 , 301 , 401 , 501 , 601 sowie 102, 202, 302, 402, 502, 602 sind vorzugsweise bidirektionale Halbleiterschalter. Im Zeitmittel werden alle Energiezellenmodule eines
Energieversorgungszweigs 100, 200, 300, 400, 500, 600 geladen, so dass abwechselnd Energiezellenmodule 100-1 bis 600-n, die eine Zeit im
Bypassmodus waren, in den Lademodus versetzt werden, und umgekehrt. Im Zeitmittel werden auch beide der Sätze von zusammengeschalteten
Energieversorgungszweigen 100, 200, 300 bzw. 400, 500, 600 geladen, so dass nach einer gewissen Zeit - beispielsweise 1 , 10 oder 100 sek. - durch
Umschaltung der entsprechenden Schalteinrichtungen der gerade geladene Satz von Energieversorgungszweigen 100, 200, 300, 400, 500, 600 für den
Fahrbetrieb genutzt wird. Somit werden im Mittel beide dieser Sätze geladen. Beim Erreichen einer gewissen mittleren, oberen Ladeschwelle der
Energiezellenmodule 100-1 bis 600-n wird der Verbrennungsmotor 10 abgeschaltet.
In Figur 6 ist eine sechste Ausführungsform der Energieversorgungseinrichtung als schematisches Blockschaltbild gezeigt. Ein Range-Extender umfasst einen
Verbrennungsmotor 10 und einen Generator 13 sowie unter Umständen weitere Komponenten, wie sie etwa in Bezug auf eine der Ausführungsformen 1 bis 4 beschrieben oder nach dem Stand der Technik bekannt sind. Der Generator 13 und eine Antriebsmaschine 1000 weisen jeweils drei Phasen auf. Eine
Energiespeichereinrichtung 1 umfasst vier Energieversorgungszweige 100, 200,
300, 400, die jeweils an einem ihrer Enden zu einem Sternpunkt 1234 zusammengeschaltet sind. Die Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 umfassen Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n. Ein Potential des Generators 13 ist über eine Gleichrichtereinrichtung 16 und eine Schalteinrichtung 15 mit dem Sternpunkt 1234 und ein weiteres Potential des Generators 13 über
Schalteinrichtungen 101 , 201 , 301 und 401 mit den jeweils nicht mit dem
Sternpunkt 1234 verbundenen Enden der Energieversorgungsstränge 100, 200, 300, 400 verbunden. Optional ist zwischen die Gleichrichtereinrichtung 16 und die Energiespeichereinrichtung 1 eine Drossel 17 geschaltet, die den Gleichstrom aus der Gleichrichtereinrichtung 16 glättet. Die Energieversorgungszweige 100, 200, 300 sind über Schalteinrichtungen 102, 202 bzw. 302 mit jeweils einer der Phasen der Antriebsmaschine 1000 verbindbar. Der Energieversorgungszweig 400 ist über drei Schalteinrichtungen 41 1 , 412 und 413 mit jeder der drei Phasen der Antriebsmaschine 1000 verbindbar. Im Fahrbetrieb ohne Betrieb des Range-Extenders werden die
Koppeleinheiten der Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n so gesteuert, dass drei der Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 eine stufige, sinusähnliche, dreiphasige Ausgangsspannung für die Antriebsmaschine 1000 erzeugen. Die Schalteinrichtungen 101 , 201 , 301 und 401 sind so geschaltet, dass kein Strom darüber fließt. Die Auswahl, welche drei Energieversorgungszweige der vier
Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 momentan für den Fahrbetrieb genutzt werden, betrifft sowohl die Ansteuerung der Koppeleinheiten der für den Fahrbetrieb genutzten Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 sowie das geeignete Schalten der Halbleiterschalter 102, 202, 302, 41 1 , 412, 413. Sollen beispielsweise die Stränge 100, 200, 300 für den Fahrbetrieb genutzt werden, so werden die Schalteinrichtungen 102, 202 und 302 geschlossen und 41 1 , 412 und 413 geöffnet. Sollen beispielsweise die Stränge 200, 300 und 400 für den Fahrbetrieb genutzt werden, so sind die Schalteinrichtung 102 geöffnet, die Schalteinrichtungen 202, 302 und 41 1 geschlossen sowie die
Schalteinrichtungen 412 und 413 geöffnet. Entsprechend kann der
Energieversorgungszweig 400 statt eines der Energieversorgungszweige 100, 200 oder 300 für den Fahrbetrieb genutzt werden, indem die Schalteinrichtung 102, 202 oder 302 des nicht zu nutzenden Energieversorgungszweigs 100, 200 oder 300 geöffnet wird und der Energieversorgungszweig 400 mit mittels einer der Schalteinrichtungen 41 1 , 412 oder 413 auf die Phase des Antriebsmotors
1000 geschaltet wird, auf die der nicht genutzte Energieversorgungszweig 100, 200, 300 mit seiner zugeordneten Schalteinrichtung 102, 202 oder 302 geschaltet werden könnte. Um alle Energieversorgungszweige 100, 200, 300 und 400 gleichmäßig zu entladen, wird der nicht zum Entladen genutzte
Energieversorgungszweig 100, 200, 300 und 400 durchgetauscht, so dass im
Zeitmittel alle Stränge 100, 200, 300 und 400 genutzt werden.
Wird ein kritisch niedriger Ladezustand der Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n oder eines einzelnen Energiezellenmoduls 100-1 bis 400-n erreicht, wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet und der Generator 13 liefert über die
Gleichrichtereinrichtung 16, die geschlossene Schalteinrichtung 15 und die optionale Drossel 17 eine Gleichspannung. Diese wird genutzt, um einen gerade nicht zum Entladen genutzten Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 zu laden. Dazu wird die mit diesem Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 verbundene Schalteinrichtung 101 , 201 , 301 bzw. 401 geschlossen. Somit kann ein Strom von dem Generator 13 durch diesen Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 fließen und ihn aufladen. Die Koppeleinrichtungen in dem
Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 werden entsprechend zum Aufladen angesteuert. Treiben beispielsweise die Energieversorgungszweige 100, 200 und 300 die Antriebsmaschine, so wird die Schalteinrichtung 401 geschlossen, so dass der Energieversorgungszweig 400 geladen werden kann. Die gleichgerichtete Generatorspannung ist so ausgelegt, dass der Ladestrom mittels der zu ladenden Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n geregelt werden kann. Dies geschieht dadurch, dass mehr oder weniger Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n in einem Energieversorgungszweig 100, 200, 300 oder 400 zum Laden in diesen eingekoppelt werden. Der Rest der Energiezellenmodule100-1 bis 400-n wird mit den jeweiligen Koppeleinheiten in den Bypassmodus geschaltet. Im Zeitmittel werden alle Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n eines Energieversorgungszweigs 100, 200, 300, 400 geladen, so dass abwechselnd Energiezellenmodule 100-1 bis 400-n, die eine Zeit im Bypassmodus waren, in den Lademodus versetzt werden, und umgekehrt. Im Zeitmittel sollen auch alle Energieversorgungszweige 100, 200, 300, 400 geladen werden, so dass nach einer gewissen Zeit, beispielsweise 1 , 10 oder 100 sek. durch Umschaltung der jeweiligen Schalteinrichtungen der soeben geladene Energieversorgungszweig für den Fahrbetrieb genutzt wird und ein anderer Energieversorgungszweig geladen wird. Bei Erreichen einer gewissen mittleren oberen Ladeschwelle der Energiezellenmodule 100-bis 400-n wird der Verbrennungsmotor 10
abgeschaltet.
In Figur 7 ist eine siebte Ausführungsform schematisch als Blockschaltbild gezeigt. Ein Range-Extender umfasst einen Verbrennungsmotor 10 und einen Generator 13 sowie unter Umständen weitere Komponenten, etwa wie in der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben. Der Generator 13 ist dreiphasiger Generator. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst drei
Energieversorgungszweige 100, 200, 300 mit in Reihe geschalteten
Energiezellenmodulen 100-1 ...300-n. Im Inneren von jedem der
Energieversorgungszweige 100, 200, 300 ist zwischen den
Energiezellenmodulen 100-1 und 100-1+1 bzw. 200-I und 200-1+1 bzw. 300-I und 300-1+1 jeweils ein Generatoranschluss 131 , 132 bzw. 133 angeordnet. Jeweils ein Ende jedes der Energieversorgungszweige ist mit einem Ende jedes anderen Energieversorgungszweigs zu einem Sternpunkt 123 zusammengeschaltet. Die Energiezellenmodule 100-1 bis 100-1 bzw. 200-1 bis 200-I bzw. 300-1 bis 300-I bilden jeweils einen Energieversorgungsteilzweig 100S bzw. 200S bzw. 300S, der jeweils zwischen einem der Generatoranschlüsse 131 , 132 bzw. 133 und dem Sternpunkt 123 angeordnet ist. Die Energiezellenmodule 100-1+1 bis 100-n, die Energiezellenmodule 200-1+1 bis 200-n bzw. die Energiezellenmodule 300- 1+1 bis 300-n bilden jeweils einen Energieversorgungsteilzweig 100E, 200E bzw. 300E, die jeweils zwischen einem der Generatoranschlüsse 131 , 132 bzw. 133 und einem Energieversorgungsanschluss 1001 , 1002 bzw. 1003 angeordnet sind. Jeweils zwei Energieversorgungsteilstränge, nämlich die
Energieversorgungsteilstränge 100E und 100S, 200E und 200S sowie 300E und 300S bilden einen Energieversorgungsstrang 100, 200, 300. An die
Energieversorgungsanschlüsse 1001 , 1002 und 1003 ist eine dreiphasige elektrische Antriebsmaschine 1000 angeschlossen.
In einem normalen Fahrbetrieb ohne Betrieb des Range-Extenders geben die Energieversorgungsstränge jeweils eine stufige, sinusähnliche, dreiphasige Ausgangsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 1001 , 1002 und 1003 ab. Dies geschieht, bis die Energiezellenmodule einen unteren kritischen Ladungswert unterschreiten, woraufhin der Verbrennungsmotor 10 gestartet wird. Der Generator 1 1 liefert eine sinusförmige dreiphasige Wechselspannung an die Energiespeichereinrichtung 1 . Hierdurch werden die Energiezellenmodule 100-1 bis 100-1, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I wieder aufgeladen, wobei gleichzeitig der Fahrbetrieb durch die Antriebsmaschine 1000 aufrechterhalten wird.
Ein Verfahren für den Fahrbetrieb mit Energieversorgung aus der
Energiespeichereinrichtung 1 beinhaltet die Steuerung der Energiezellenmodule 100-1 bis 300-n in den verfügbaren Betriebsmodi der Koppeleinheiten, um gleichzeitig zum Betrieb des Range-Extenders den Fahrbetrieb mit
verschiedenen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Der Range-Extender arbeitet vorzugsweise bei konstanter Umdrehungsfrequenz. Er produziert bevorzugt seine Maximalleistung. Seine Leistung kann zwischen Fahr- und Ladungsbetrieb aufgeteilt werden. Sowohl der Generator 13 als auch die Antriebsmaschine 1000 können mit Hilfe der Energiespeichereinrichtung 1 nach aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Führung von Drehfeldmaschinen geregelt werden. Dies kann anhand von Spannungszeigern in einer Raumzeigerdarstellung beschrieben werden. In der Raumzeigerdarstellung repräsentieren die Achsen u, v und w die drei Phasen der Energiespeichereinrichtung 1 . Die Generatorspannung kann durch den Raumzeiger ^BR dargestellt werden. Dieser Spannungszeiger kann mit den Energiezellenmodulen 100-1 bis 100-1, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I eingestellt werden, so dass die an den Generatoranschlüssen 131 , 132 und 133 anliegende Dreiphasenwechselspannung *Λ/ι zu der Generatorspannung passt, um ein Aufladen von Energiezellenmodulen in den
Energieversorgungsteilzweigen 100S, 200S und 300S zu bewirken. An den Energieversorgungsanschlüssen 1001 , 1002 und 1003 liegen die Potentiale zur Versorgung der Antriebsmaschine 1000 an. Die Dreiphasenwechselspannung setzt sich aus den Spannungen über die Energieversorgungsteilzweige 100E,
200E und 300E sowie 100S, 200S und 300S zusammen, wobei die
Energieversorgungsteilzweige 100E, 200E und 300E jeweils eine Phase zu dem Raumzeiger ^BM beisteuern und die Energieversorgungsteilzweige 100S, 200S und 300S jeweils eine Komponente des Raumzeigers ^BR beisteuern.
Entsprechend lässt sich der Raumzeiger der gesamten Energiespeichereinheit 1 als = ^BM + ^BR darstellen. Die Raumzeiger und ^BR weisen in der Regel unterschiedliche Frequenzen auf. Der Raumzeiger läuft mit der Frequenz der Antriebsmaschine 1000 um, während der Raumzeiger ^BR mit der Frequenz des Generators 13 umläuft. Daher kann der Phasenwinkel zwischen diesen beiden Raumzeigern jeden beliebigen Wert annehmen. Um die unterschiedlichen
Dreiphasenwechselspannungen aneinander anzupassen, können die
Energiezellenmodule 100-1+1 bis 300-n der Energieversorgungsteilzweige 100E, 200E und 300E die Differenzspannung ^BR zwischen den
Raumspannungszeigern und ^BR liefern. Der Betrag von ^BM ist maximal gleich der Summe der maximalen Beträge der Spannungszeiger und ^BR.
Diese maximalen Beträge sind durch die Auslegung der Antriebsmaschine 1000 bzw. die Auslegung des Generators 13 vorgegeben. Die Anzahl n der
Energiezellenmodule in einem Energieversorgungszweig 100, 200, 300 ist so ausgelegt, dass der maximal mögliche Betrag des Spannungszeigers ^BM immer einstellbar ist. Die Anzahl I der Energiezellenmodule 100-1 bis 100-1 bzw. 200-1 bis 200-I bzw. 300-1 bis 300-I der Energieversorgungsteilstränge 100S, 200S bzw. 300S ist so ausgelegt, dass der Betrag des Spannungszeigers ^BR stets größer eingestellt werden kann, als die maximale Klemmenspannung des Generators 13.
Der Verbrennungsmotor 10 ist so dimensioniert, dass dessen Ausgangsleistung größer ist als die von der Antriebsmaschine 1000 im zeitlichen Mittel
aufgenommene Leistung. Die nicht für die Antriebsmaschine 1000 benötigte Energie kann zum Laden von Batteriemodulen 100-1 bis 300-n verwendet werden. Dafür sind in zwei verschiedenen Varianten zwei verschiedene
Vorgehensweisen möglich.
Die Energiezellenmodule 100-1 bis 300-I in den Energieversorgungsteilsträngen 100S, 200S und 300S können mit Strom IBR aus dem Generator 13 geladen werden. Der Ladestrom wird über die Einstellung des Spannungszeigers ^BR geregelt. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur gleichmäßigen Entladung von Energiezellenmodulen 100-1 bis 300-n in einer
Energiespeichereinrichtung 1 bekannt. Diese können analog auch für den Ladevorgang angewendet werden. Bevorzugt sind nach einem Ladevorgang alle Energiezellenmodule 100-1 bis 100-1, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I in den Energieversorgungsteilsträngen 100S, 200S und 300S gleichmäßig geladen. Nach dem Aufladen der Energieversorgungsteilstränge 100S, 200S und 300S wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und Energie für den Fahrbetrieb aus den Energiezellenmodulen 100-1 bis 100-1, 200-1 bis 200-I und 300-1 bis 300-I in den Energieversorgungsteilsträngen 100S, 200S und 300S entnommen. Ein anderer Teil lM des Stroms lR aus dem Generator 13 fließt durch die
Energieversorgungsteilstränge 100E, 200E und 300E zu der Antriebsmaschine
1000. Somit wird die Antriebsmaschine 1000 aus dem Generator versorgt, wobei gleichzeitig die Energieversorgungsteilzweige 100S, 200S und 300S geladen werden. Um eine gleichmäßige Verteilung der Energie in den Energiezellenmodulen 100-
1+1 bis 100-n, 200-1+1 bis 200-n und 300-1+1 bis 300-n in den
Energieversorgungsteilsträngen 100E, 200E und 300E zu erreichen, kann eine Teilmenge der Energiezellenmodule 100-1+1 bis 100-n, 200-1+1 bis 200-n und 300-1+1 bis 300-n so in ihre Energieversorgungsteilstränge 100E, 200E und 300E eingekoppelt werden, dass deren elektrochemische Zellen geladen werden, während die Antriebsmaschine 1000 motorisch betrieben wird. Diese
Energiezellenmodule 100E, 200E und 300E erzeugen dann in den Energieversorgungsteilsträngen 100E, 200E und 300E eine der für den Betrieb der Antriebsmaschine 1000 erforderlichen Spannung entgegengesetzte
Spannung. Um trotzdem die für die Antriebsmaschine 1000 erforderliche
Ausgangsspannung an den Energieversorgungsanschlüssen 1001 , 1002 und 1003 bereitzustellen, stehen ausreichend viele Energiezellenmodule 100-1+1 bis
100-n, 200-1+1 bis 200-n und 300-1+1 bis 300-n zur Verfügung. Dieses Verfahren kann unabhängig davon, ob der Verbrennungsmotor 10 in Betrieb ist oder nicht, angewendet werden. Vorzugsweise wird die Teilmenge der Energiezellenmodule 100-1+1 bis 100-n, 200-1+1 bis 200-n und 300-1+1 bis 300-n, die geladen werden, so variiert, dass im zeitlichen Mittel alle Energiezellenmodule 100-1+1 bis 100-n,
200-1+1 bis 200-n und 300-1+1 bis 300-n gleich lange geladen werden. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Verteilung der Energie auf alle
Energiezellenmodule 100-1+1 bis 100-n, 200-1+1 bis 200-n und 300-1+1 bis 300-n in den Energieversorgungsteilsträngen 100E, 200E und 300E erreicht werden.
Figur 8 zeigt eine Raumzeigerdarstellung einer Dreiphasenwechselspannung über die Energiespeichereinrichtung 1 der siebten Ausführungsform sowie Dreiphasenwechselspannungen ^BM und ^BR der Energieversorgungsteilzweige 100E, 200E und 300E bzw. der Energieversorgungsteilzweige 100S, 200S und 300S. Es ist ein dreidimensionales Koordinatensystem mit den Achsen u, v und w dargestellt, wobei jeweils eine der Achse u, v und w die Spannung einer Phase darstellt. Somit kann jede Dreiphasenwechselspannung als ein Raumzeiger in dem Koordinatensystem dargestellt werden. Der Raumzeiger läuft mit der Frequenz der jeweiligen Wechselspannung in dem Koordinatensystem um. Figur 8 zeigt eine graphische Ermittlung des Raumzeigers ^BM, der in den
Energieversorgungsteilzweigen 100E, 200E und 300E eingestellt werden kann, um den Frequenzunterschied zwischen dem Generator 13 und der
Antriebsmaschine 1000 auszugleichen. Mathematisch stellt sich die Berechnung als ^BM = *Λ/ι - ^BR dar. In der graphischen Ermittlung wird von dem Raumzeiger der Raumzeiger ^BR abgezogen, indem er an die Spitze des Raumzeigers mit umgekehrter Pfeilrichtung angefügt wird. An der Spitze des umgekehrt angefügten Raumzeigers ^BR liegt die Spitze des zu berechnenden Raumzeigers ^BM, dessen Ursprung im Ursprung des Koordinatensystems liegt. In der Figur 8 ist eine momentane Ermittlung des Raumzeiger ^BM dargestellt. Zum Betrieb der Energieversorgungseinrichtung ist eine kontinuierliche Ermittlung des
Raumzeigers ^BM erforderlich, die beispielsweise durch Echtzeitberechnung oder Abfrage von vordefinierten Daten erfolgen kann.

Claims

Ansprüche
1 . Energieversorgungseinrichtung für ein elektrisch betreibbares Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (1000), wobei die
Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Energiespeichereinrichtung (1 ), einen Range-Extender mit einem Verbrennungsmotor (10) und einen
Wechselstrom erzeugenden Generator (13) umfasst, wobei der Generator (13) mit dem Verbrennungsmotor (10) mechanisch koppelbar oder gekoppelt ist und die Energiespeichereinrichtung (1 ) während eines Fahrbetriebs mit Wechselstrom aus dem Generator (13) aufladbar ist, und wobei die Energiespeichereinrichtung (1 ) mehrere
Energieversorgungsanschlüsse (1001 , 1002, 1003), an denen jeweils eines von mehreren steuerbaren Potentialen bereitstellbar ist, und mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit jeweils mehreren in Reihe geschalteten Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) aufweist, wobei mehrere Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400,
500, 600) an einem Ende zu einem Sternpunkt (123, 456)
zusammengeschaltet sind und jeder Energieversorgungsanschluss (1001 , 1002, 1003) mit einem Ende eines Energieversorgungszweigs (100, 200, 300, 400, 500, 600) verbindbar oder verbunden ist, und wobei ein
Energiezellenmodul (100-1 bis 600-n) jeweils eine elektrochemische Zelle und eine steuerbare Koppeleinrichtung zur elektrischen Einkopplung der elektrochemischen Zelle in ihren Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) aufweist. 2. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 , bei der die
Energieversorgungseinrichtung und/oder die Energiespeichereinrichtung zum Laden eines Teils aller Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) mittels des Generators (13) eingerichtet ist. 3. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, die mehr
Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) als
Energieversorgungsanschlüsse (1001 , 1002, 1003) aufweist, wobei jeder Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit einem Energieversorgungsanschluss (1001 , 1002, 1003) und mit dem Generator (13) elektrisch verbindbar ist, in einem Energieversorgungsbetrieb jeweils ein Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit jedem der Energieversorgungsanschlüsse (1001 , 1002, 1003) verbunden ist und in einem gleichzeitig stattfindenden Ladebetrieb ein nicht mit einem
Energieversorgungsanschluss (1001 , 1002, 1003) verbundener
Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) mit dem
Generator (13) verbunden ist.
Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, bei der zwei Sternpunkte (123, 456) durch Zusammenschalten von jeweils mehreren Energieversorgungszweigen (100, 200, 300, 400, 500, 600), deren Anzahl gleich der Anzahl der
Energieversorgungsanschlüsse (1001 , 1002, 1003) ist, gebildet sind, und die zu einem Sternpunkt gehörenden Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) jeweils gemeinsam mit dem Generator oder/und mit den Energieversorgungsanschlüssen (1001 , 1002, 1003) verbindbar sind.
Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, in der die Energiespeichereinrichtung (1 ) im Inneren von mehreren Energieversorgungszweigen (100, 200, 300, 400, 500, 600) jeweils zwischen zwei Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) einen Generatoranschluss (131 , 132, 133) aufweist, an dem der Generator (13) angeschlossen ist.
Energieversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, in der der Verbrennungsmotor (10) mit dem Generator (13) über ein Getriebe (12) verbunden ist, der Generator (13) und die
Antriebsmaschine (1000) dieselbe Polpaarzahl aufweisen und der
Generator (13) phasenstarr mit der Antriebsmaschine (1000) koppelbar oder gekoppelt ist.
Verfahren zum Laden einer Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Energiespeichereinrichtung (1 ) mittels des Wechselstrom erzeugenden Generators (13) während einer Energieabgabe aus der Energieversorgungseinrichtung geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 zum Laden einer
Energieversorgungseinrichtung, bei dem ein Teil aller elektrochemischen Zellen in den Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) der
Energiespeichereinrichtung (1 ) mit dem Generator (13) geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem während eines
Energieversorgungsbetriebs jeder der Energieversorgungsanschlüsse (1001 , 1002, 1003) zur Stromentnahme jeweils mit einem
Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) verbunden wird und während eines gleichzeitig stattfindenden Ladebetriebs ein weiterer Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) zum Aufladen mit dem Generator (13) verbunden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 bis 9 zum Laden einer
Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, bei dem
Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) in dem Teil eines oder mehrerer Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) zwischen dem
Generatoranschluss (131 , 132, 133) und dem Sternpunkt (123, 456) mit dem Generator (13) geladen werden, während elektrische Energie an den Energieversorgungsanschlüssen (1001 , 1002, 1003) der
Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) abgegeben wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 7 bis 10 zum Laden einer
Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, bei dem
Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) in dem Teil eines oder mehrerer Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) zwischen dem Generatoranschluss (131 , 132, 133) und dem jeweiligen
Energieversorgungsanschluss (1001 , 1002, 1003) mit dem Generator (13) geladen werden, während elektrische Energie an den
Energieversorgungsanschlüssen (1001 , 1002, 1003) der
Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 1 1 , bei dem die
Energiespeichereinrichtung (1 ) als Wechselrichter wirkt, indem Einkopplung von Energiezellenmodulen (100-1 bis 600-n) in ihre
Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) derart gesteuert wird, dass die Energiezellenmodule (100-1 bis 600-n) eine
Potentialdifferenz zwischen Wechselpotentialen des Generators (13) mit einer Generatorfrequenz an den Generatoranschlüssen (131 , 132, 133) und Wechselpotentialen für die Antriebsmaschine (1000) mit einer von der Generatorfrequenz verschiedenen Antriebsmaschinenfrequenz an den Energieversorgungsanschlüssen (1001 , 1002, 1003) erzeugen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem zum Laden
elektrochemische Zellen in einem Energieversorgungszweig (100, 200, 300, 400, 500, 600) oder Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) in einem Zeitintervall derart Lade- und Nichtladebetrieb ausgesetzt werden, dass alle zum Laden einzukoppelnden
elektrochemischen Zellen bzw. zu ladenden Energieversorgungszweige (100, 200, 300, 400, 500, 600) im zeitlichen Mittel geladen werden, und insbesondere gleichmäßig geladen werden.
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