WO2016041711A1 - Elektrisches system für ein elektrisch antreibbares fahrzeug - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electric system for an electric drivable vehicle according to the preamble of claim 1.
- DC high-voltage energy storage via a DC / AC converter to an AC driving device (typically three-phase motor), so as to drive the vehicle, and, where ⁇ appropriate, also to provide electrical energy from the AC drive ⁇ device via the (in this Case bidirectionally designed) DC / AC converter to the DC high-voltage energy storage to transmit to decelerate the vehicle or to recuperate braking energy.
- AC driving device typically three-phase motor
- ⁇ appropriate also to provide electrical energy from the AC drive ⁇ device via the (in this Case bidirectionally designed) DC / AC converter to the DC high-voltage energy storage to transmit to decelerate the vehicle or to recuperate braking energy.
- a DC low-voltage network of the system with a typical rated voltage of z. B. 12 V to this, a respect to the cost of electrical insulation relatively low requirement serves as network for the supply of comparatively less electric power consuming consumers of the vehicle such.
- the two networks of different nominal voltage are advantageously coupled to one another via a DC / DC converter (for example designed in a bidirectional manner) so that, if required, electrical energy can be transmitted from one of the networks to the other of the networks.
- the known system comprises, for example, a fuel cell device (alternatively, for example, an internal combustion engine with an electric generator driven therefrom) for generating electrical energy for the supply of the electrical system, wherein the fuel cell device is coupled to the DC high-voltage network via a further DC / DC converter in order to be able to transmit electrical energy generated by the fuel cell device via this further DC / DC converter to the DC high-voltage network.
- a fuel cell device alternatively, for example, an internal combustion engine with an electric generator driven therefrom
- the fuel cell device is coupled to the DC high-voltage network via a further DC / DC converter in order to be able to transmit electrical energy generated by the fuel cell device via this further DC / DC converter to the DC high-voltage network.
- a further DC / AC converter is finally provided in order, starting from a charging connection device of the vehicle, to supply externally electrical energy (eg from an AC network) to the DC high-voltage network or to the DC high-voltage energy storage device coupled to this network transferred to.
- externally electrical energy eg from an AC network
- the electrical system further comprises a second DC / AC converter which is electrically connected on one side to the DC power source and at the other ⁇ hand, with the AC line passage or connectable to an electric energy generated by the DC power source via the second DC / AC converter and continue to be transmitted via the first DC / AC converter to the DC high-voltage network, and / or to transmit an electrical energy generated by the DC power source via the second DC / AC converter and on to the AC input device to can.
- a basic idea of the invention is not, as usual, to use a further DC / DC converter for the connection of the DC energy source to the DC high-voltage network, but instead to provide a DC / AC conversion of the energy generated by the DC energy source. to then transfer them to the AC line passage.
- the DC power source can be connected to the DC high-voltage network via a "virtual DC / DC converter" (series connection of two DC / AC converters).
- the vehicle is a fuel cell vehicle in which a fuel cell device (including water reservoir or tank) is present as a DC energy source, whose generated energy can be used by the AC drive device to drive the vehicle.
- a fuel cell device including water reservoir or tank
- DC energy source whose generated energy can be used by the AC drive device to drive the vehicle.
- a DC power source z. B a combination of an internal combustion engine, for. B. petrol or diesel engine (including a fuel reservoir or tank) and provided by the internal combustion engine drivable electric generator.
- an internal combustion engine for. B. petrol or diesel engine (including a fuel reservoir or tank) and provided by the internal combustion engine drivable electric generator.
- the vehicle is a "pure" Series 11 hybrid vehicle.
- the vehicle can be referred to as a serial hybrid vehicle, because it can be used for the drive energy converters (electric
- AC drive device and DC power source of which only one (electric AC drive device) is used directly to mechanically drive the vehicle, whereas the other energy converter (eg fuel cell device or internal combustion engine with electric generator) does not have such a mechanical connection a drive axle or the like has.
- high voltage and low voltage are to be understood in the context of the invention that the respective nominal electrical voltages (DC voltage or AC peak voltage) are very different from each other, in particular by a factor of more than 3, in particular a factor of more than 5.
- DC high-voltage network for a rated operating voltage of at least 300 V is provided.
- This voltage can z. B. in a range of 300 to 400 V.
- DC low-voltage network for a nominal operating voltage of not more than 120 V, in particular at most 24 V is provided. This voltage can z. B. 12 V amount.
- the DC / DC converter is configured bidirectionally, in order thus to transfer energy from the DC low-voltage network to the DC high-voltage network as well as in the opposite direction, ie from the DC high-voltage network
- the first DC / AC converter is designed bidirectional, in particular because on the one hand a ⁇ partial recuperation of braking energy is made possible and on the other in cooperation with the second DC / AC converter recharging the DC high voltage energy storage from the
- AC line passage is formed as a 3-pole three-phase line passage.
- the DC energy source comprises or is formed by a fuel cell device. Also, this z.
- an internal combustion engine with an electric generator that can be driven by it can be used. Particularly in these cases, a unidirectional design of the second DC / AC converter is sufficient.
- the electrical system further comprises a (preferably program-controlled) electronic control device for controlling said energy transfer processes.
- this controller may drive the first DC / AC converter as needed for a drive mode or recuperation mode.
- the DC / AC converter operates as an inverter for controlling the electric drive device, in the second case as a rectifier for the recovery of energy in the DC high-voltage network (recuperation).
- the control device can in particular also control the DC / DC converter and / or the second DC / AC converter.
- the aforementioned control device may be provided as a central control device of the vehicle, wherein optionally also locally provided on or in the components to be controlled control units may be present, which cooperate with such a higher-level central control device.
- An example of this is z. B. a provided within a DC high-voltage energy storage system control unit for providing a local sensor (eg, for detecting a state of charge, etc.) as well as accomplishment local control tasks that communicates with a higher-level central control device.
- the electrical system further comprises a first controllable switch means for controllably connecting and disconnecting the AC drive means and the AC passage passage.
- the thus created separability of the AC drive ⁇ device for example, driven by the aforementioned electronic control device, has the advantage that generated by the DC power source electrical energy can be transmitted via the AC line passage to the DC high-voltage network (eg. at a parked vehicle the
- the electrical system further includes second controllable switch means for controllably connecting and disconnecting the DC power source and the AC wiring passage.
- This switch means may be disposed between the DC power source and the second DC / AC converter, or between the second DC / AC converter and the AC line passage.
- the electrical system further comprises a charge connection device connected or connectable to the AC line passage.
- Such a charging connection device serves to recharge the energy storage components of the system from an external electrical network when the vehicle is switched off (eg.
- electrical energy fed in externally via the charging connection device can be transmitted via the first DC / AC converter for recharging the DC high-voltage energy storage device.
- the charging terminal device can easily be permanently connected to the
- AC / DC converter is required, but the already existing first DC / AC converter (bi-directional training assumed) can be advantageously shared. Thus, the number of required for the electrical system converter can be advantageously reduced.
- Fig. 1 is a block diagram illustrating the
- Fig. 2 is a block diagram of the electrical system for a
- Fig. 1 shows the essential for understanding the invention components of an electrical system 10 of conventional construction for an electrically driven vehicle.
- the system 10 includes a DC high voltage network 12 having a
- the DC high-voltage network 12 of a two-pole line arrangement with a nominal operating voltage of z. B. 400 V is formed.
- the DC high-voltage energy store 14 comprises a lithium-ion accumulator.
- the system 10 further comprises a DC low-voltage network 16 (rated voltage here, for example 12 V) with a DC low-voltage energy store 18 connected thereto (here, for example, a lead-acid battery).
- the network 16 serves to supply consumers
- the DC high-voltage network 12 is further electrically coupled to the DC side of a DC / AC converter 22 whose AC side is electrically connected to an AC electrical drive 26 (here, for example, here) via a three-pole AC line passage 24 (three-phase line) Three-phase motor) is coupled.
- the DC / AC converter 22 is controlled in a conventional manner by a controller (not shown) for an inverter operation to change the DC voltage applied to the mains side and a corresponding AC voltage on the output side
- the DC / AC converter 22 is operated in the reverse direction to one in the
- AC drive device induced to rectify AC voltage and to use for recharging the DC high-voltage energy storage.
- the system 10 further includes a DC power source 28, here in the form of a fuel cell device, for generating electrical power to power the system 10
- DC power source 28 is electrically coupled via a further DC / DC converter 30 to the DC high-voltage network 12.
- a charging terminal 32 here z. B. a two-pole socket device, which is electrically coupled via an AC / DC converter 34 to the DC high-voltage network 12 to a refill of the DC high-voltage energy storage 14 to allow an external AC ⁇ power grid.
- the illustrated in Fig. 1 known structure has a comparatively high weight and a high space requirement.
- FIG. 2 With reference to FIG. 2 is a simplified structure with respect to the electrical system for an electrically propellable on ⁇ vehicle will be described below, but which provides the same functionalities as the system 10 of FIG. 1,.
- FIG. 2 shows components of an electrical system 10a for a fuel cell vehicle.
- the system 10a comprises a DC high-voltage network 12a with a DC high-voltage energy storage 14a.
- the DC high-voltage network 12a of a two-pole line arrangement with a nominal operating voltage of z. B. 400 V is formed.
- the DC high-voltage energy store 14a comprises a lithium-ion accumulator.
- the system 10a further comprises a DC low-voltage network 16a (rated voltage eg 12 V) with a DC low-voltage energy store 18a connected thereto (here, for example, a lead-acid battery).
- a DC low-voltage network 16a (rated voltage eg 12 V) with a DC low-voltage energy store 18a connected thereto (here, for example, a lead-acid battery).
- these networks 12a, 16a are electrically coupled to one another via a bidirectionally designed DC / DC converter 20a.
- the DC high-voltage network 12a is further coupled via a first DC / AC converter 22a with an AC line passage 24a, which is formed in the illustrated example as a three-pole three-phase ⁇ line passage .
- the AC line passage 24a leads to an electrical
- AC drive device 26a (here, for example, three-phase motor).
- system 10a In contrast to the known system 10, the system 10a according to the invention has the following features:
- a second DC / AC converter 40a is provided, on the one hand (on the DC side) to the DC power source 28a and on the other hand (on the AC side) to the AC line passage 24a is electrically coupled.
- the DC power source 28a via the second DC / AC converter 40a and further via the first DC / AC converter 22a to the DC high-voltage network 12a.
- DC power source 28a with the AC line passage 24a and disconnecting the DC power source 28a from the AC line passage 24a before ⁇ seen.
- a charging port 32a is connected to the AC conduit passage 24a.
- the electrical system 10a represents an optimization of the entire electrical architecture of the vehicle.
- the optimization is, in particular, a component reduction without a concomitant deterioration of the functionality.
- the envisaged in the prior art additional DC / DC converter is determined by the elekt ⁇ innovative coupling of the two DC / AC converter 22a, 40a the functionality implemented.
- the DC / DC converter for connecting the DC power source 28a ("Range Extender") and the electrical energy storage can be reduced.
- the DC high-voltage energy storage 14a and the DC power source 28a (fuel cells) can be used very efficiently while driving
- Power source can be used for vehicle propulsion.
- the system 10a according to the invention also eliminates an AC / DC converter specially provided for the external recharging possibility.
- the z. B. by means of a program-controlled electronic control device by appropriate control of the various converters and switch devices realizable vehicle conditions or operating modes are summarized in the following table again.
- Drive (drive)
- Drive may S2 energy used by the DC power source with closed scarf ⁇ ter learned.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisches System (10a) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, umfassend ein DC-Hochvoltnetz (12a) mit einem DC-Hochvolt-Energiespeicher (14a); ein DC-Niederspannungsnetz (16a) mit einem DC-Niederspannungs-Energiespeicher (18a); einen DC/DC-Wandler (20a), der einerseits mit dem DC-Hochvoltnetz (12a) und andererseits mit dem DC-Niederspannungsnetz (16a) elektrisch verbunden oder verbindbar ist; einen ersten DC/AC-Wandler (22a) und eine elektrisch damit verbundene oder verbindbare AC-Leitungspassage (24a), wobei der erste DC/AC-Wandler (22a) einerseits mit dem DC-Hochvoltnetz (12a) und andererseits über die AC-Leitungspassage (24a) mit einer AC-Antriebseinrichtung (26a) des Fahrzeuges elektrisch verbunden oder verbindbar ist; und eine DC-Energiequelle (28a), insbesondere z. B. Brennstoffzelleneinrichtung. Erfindungsgemäß ist ein zweiter DC/AC-Wandler (40a) vorgesehen, der einerseits mit der DC-Energiequelle (28a) und andererseits mit der AC-Leitungspassage (24a) elektrisch verbunden oder verbindbar ist.
Description
Beschreibung
Elektrisches System für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches System für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige elektrische Systeme bzw. damit ausgestattete Fahrzeuge sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Insbesondere sind derartige Systeme aus dem Bereich von Seriell-Hybrid-Fahrzeugen bekannt .
Bei bekannten Systemen und Fahrzeugen dieser Art dient ein DC-Hochvoltnetz mit einer typischen Nennspannung von etwa 300 bis 400 V dazu, mit vergleichsweise geringen elektrischen Verlusten eine Übertragung von elektrischer Energie von einem
DC-Hochvolt-Energiespeicher über einen DC/AC-Wandler an eine AC-Antriebseinrichtung (typischerweise Drehstrommotor) zu übertragen, um somit das Fahrzeug anzutreiben, und gegebe¬ nenfalls auch um elektrische Energie von der AC-Antriebs¬ einrichtung über den (in diesem Fall bidirektional ausgelegten) DC/AC-Wandler zum DC-Hochvolt-Energiespeicher zu übertragen, um das Fahrzeug abzubremsen bzw. Bremsenergie zu rekuperieren .
Demgegenüber dient ein DC-Niederspannungsnetz des Systems mit einer typischen Nennspannung von z . B . 12 V dazu, ein hinsichtlich des Aufwandes für elektrische Isolationen relativ geringe Anforderung stellendes Netz zur Versorgung von vergleichsweise weniger elektrische Leistung konsumierenden Verbrauchern des Fahrzeuges wie z. B. Fahrzeugelektronik, Beleuchtung, Signalgebereinrichtungen, mechatronische Einrichtungen etc. bereitzustellen.
Die beiden Netze unterschiedlicher Nennspannung sind vorteilhafterweise über einen DC/DC-Wandler (z. B. bidirektional ausgebildet) miteinander gekoppelt, so dass bedarfsweise elektrische Energie aus einem der Netze in das andere der Netze übertragen werden kann.
Schließlich umfasst das bekannte System beispielsweise eine BrennstoffZeileneinrichtung (alternativ z. B. Brennkraftmaschine mit davon angetriebenem elektrischen Generator) zur Erzeugung elektrischer Energie für die Versorgung des elektrischen Systems, wobei die BrennstoffZelleneinrichtung über einen weiteren DC/DC-Wandler mit dem DC-Hochvoltnetz gekoppelt ist, um von der BrennstoffZelleneinrichtung erzeugte elektrische Energie über diesen weiteren DC/DC-Wandler zum DC-Hochvoltnetz übertragen zu können.
Üblicherweise ist schließlich noch ein weiterer DC/AC-Wandler vorgesehen, um ausgehend von einer Ladeanschlusseinrichtung des Fahrzeuges von extern elektrische Energie (z. B. aus einem Wechselstromnetz) zum DC-Hochvoltnetz bzw. zu dem an diesem Netz angekoppelten DC-Hochvolt-Energiespeicher zu übertragen.
Der vorstehend beschriebene Aufbau eines bekannten elektrischen Systems umfasst demnach zwei DC/DC-Wandler und zwei
DC/AC-Wandler. Es ergeben sich ein vergleichsweise hohes Gewicht und hohe Bauraumanforderungen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches System der eingangs genannten Art zu vereinfachen, ohne hierdurch Einbußen hinsichtlich der Funktionalität des Systems in Kauf nehmen zu müssen.
Ausgehend von einem elektrischen System der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass
das elektrische System ferner einen zweiten DC/AC-Wandler umfasst, der einerseits mit der DC-Energiequelle und ande¬ rerseits mit der AC-Leitungspassage elektrisch verbunden oder verbindbar ist, um eine von der DC-Energiequelle erzeugte elektrische Energie über den zweiten DC/AC-Wandler und weiter über den ersten DC/AC-Wandler zum DC-Hochvoltnetz übertragen zu können, und/oder um eine von der DC-Energiequelle erzeugte elektrische Energie über den zweiten DC/AC-Wandler und weiter zur AC-Eintriebseinrichtung übertragen zu können.
Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, für die Anbindung der DC-Energiequelle an das DC-Hochvoltnetz nicht wie üblich einen weiteren DC/DC-Wandler zu verwenden, sondern stattdessen eine DC/AC-Wandlung der von der DC-Energiequelle erzeugten Energie vorzusehen, um diese sodann zu der AC-Leitungspassage zu übertragen .
Daraus ergibt sich unmittelbar z. B. der Vorteil, dass die von der DC-Energiequelle erzeugte Energie nach nur einmaliger DC/AC-Wandlung und somit vergleichsweise effizient zur Be¬ reitstellung von Antriebsleistung für das Fahrzeug nutzbar ist (im Vergleich zu der zweimaligen Wandlung beim Stand der Technik) . Darüber hinaus bleibt damit unmittelbar auch die Möglichkeit erhalten, eine von der DC-Energiequelle erzeugte Energie zum Nachladen des DC-Hochvolt-Energiespeichers zu nutzen, nämlich indem die zur AC-Leitungspassage übertragene Energie weiter über den ohnehin vorhandenen DC/AC-Wandler zum DC-Hochvoltnetz übertragen wird. Durch eine Verbindung der beiden erfindungsgemäß vorgesehenen DC/AC-Wandler kann die Funktionalität des im Stand der Technik an dieser Stelle eingesetzten weiteren DC/DC-Wandlers realisiert werden. Damit können der bekannte weitere DC/DC-Wandler und die damit verbundenen elektrischen Verluste zur Verbindung der
DC-Energiequelle und des DC-Hochvolt-Netzes entfallen.
Stattdessen kann die DC-Energiequelle über einen "virtuellen DC/DC-Wandler" (Hintereinanderschaltung zweier DC/AC-Wandler) mit dem DC-Hochvoltnetz verbunden werden.
Die erfindungsgemäße Architektur des elektrischen Systems birgt darüber hinaus weitere Kosten- und Gewichts/Bauraum- einsparungspotentiale . In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein Brennstoffzellenfahrzeug, bei welchem als DC-Energiequelle eine BrennstoffZeileneinrichtung (mitsamt Waserstoffreservoir bzw. -tank) vorhanden ist, deren erzeugte Energie mittels der AC-Antriebseinrichtung zum Antrieb des Fahrzeuges nutzbar ist.
In einer anderen Ausführungsform ist als DC-Energiequelle z. B. eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine, z. B. Otto- oder Dieselmotor (mitsamt einem Brennstoffreservoir bzw- tank) und einem von der Brennkraftmaschine antreibbaren elektrischen Generator vorgesehen.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Fahrzeug um ein "reines" Serie11-Hybrid-Fahrzeug . In den beiden vorstehend genannten Varianten kann das Fahrzeug als Seriell-Hybrid-Fahrzeug bezeichnet werden, weil es mehrere für den Antrieb nutzbare Energiewandler (Elektrische
AC-Antriebseinrichtung und DC-Energiequelle) aufweist, von denen nur einer (Elektrische AC-Antriebseinrichtung) unmit- telbar mechanisch zum Fahrzeugantrieb genutzt wird, wohingegen der andere Energiewandler (z. B. BrennstoffZelleneinrichtung oder Brennkraftmaschine mit elektrischem Generator) keine solche mechanische Verbindung zu einer Antriebsachse oder dergleichen besitzt .
Die Begriffe "Hochvolt" und "Niederspannung" sind im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die betreffenden elektrischen Nennspannungen (DC-Spannung bzw. AC-Spitzenspannung) sich sehr erheblich voneinander unterscheiden, insbesondere um einen Faktor von mehr als 3, insbesondere um einen Faktor von mehr als 5.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
DC-Hochvoltnetz für eine betriebsmäßige Nennspannung von mindestens 300 V vorgesehen ist. Diese Spannung kann z. B. in einem Bereich von 300 bis 400 V liegen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das
DC-Niederspannungsnetz für eine betriebsmäßige Nennspannung von höchstens 120 V, insbesondere höchstens 24 V, vorgesehen ist. Diese Spannung kann z. B. 12 V betragen.
In einer Ausführungsform ist der DC/DC-Wandler bidirektional ausgestaltet, um somit eine Energieübertragung sowohl vom DC-Niederspannungsnetz zum DC-Hochvoltnetz als auch in umgekehrter Richtung, also vom DC-Hochvoltnetz zum
DC-Niederspannungsnetz , zu ermöglichen.
Bevorzugt ist auch der erste DC/AC-Wandler bidirektional ausgestaltet, insbesondere weil damit zum einen eine vor¬ teilhafte Rekuperation von Bremsenergie ermöglicht wird und zum anderen in Zusammenwirkung mit dem zweiten DC/AC-Wandler ein Nachladen des DC-Hochvoltenergiespeichers aus der
DC-Energiequelle ermöglicht wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
AC-Leitungspassage als eine 3-polige Drehstromleitungspassage ausgebildet ist.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die DC-Energiequelle eine BrennstoffZelleneinrichtung umfasst oder von einer solchen gebildet ist. Auch kann hierfür z. B. eine Brennkraftmaschine mit davon antreibbarem elektrischen Gene- rator eingesetzt werden. Insbesondere in diesen Fällen genügt eine unidirektionale Ausgestaltung des zweiten DC/AC-Wandlers .
In einer Ausführungsform umfasst das elektrische System ferner eine (bevorzugt programmgesteuerte) elektronische Steuerein- richtung zum Steuern der erwähnten Energieübertragungsvorgänge.
Insbesondere kann diese Steuereinrichtung in Reaktion auf Benutzeranforderungen den ersten DC/AC-Wandler je nach Bedarf für einen Antriebsmodus oder einen Rekuperationsmodus ansteuern. Im ersteren Falle funktioniert der DC/AC-Wandler als ein Inverter zur Ansteuerung der elektrischen Antriebseinrichtung, im zweiten Fall als Gleichrichter zur Rückgewinnung von Energie in das DC-Hochvoltnetz (Rekuperation) . In entsprechender Weise kann die Steuereinrichtung insbesondere auch den DC/DC-Wandler und/oder den zweiten DC/AC-Wandler ansteuern .
Die vorerwähnte Steuereinrichtung kann als eine zentrale Steuereinrichtung des Fahrzeuges vorgesehen sein, wobei darüber hinaus optional auch lokal an bzw. in den anzusteuernden Komponenten vorgesehene Steuereinheiten vorhanden sein können, welche mit einer solchen übergeordneten zentralen Steuereinrichtung zusammenwirken. Ein Beispiel hierfür ist z. B. eine innerhalb eines DC-Hochvolt-Energiespeichersystems vorgesehene Steuereinheit zur Bereitstellung einer lokalen Sensorik (z. B. zur Erfassung eines Ladezustandes etc.) sowie Bewerkstelligung lokaler Steuerungsaufgaben, die mit einer übergeordneten zentralen Steuereinrichtung kommuniziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das elektrische System ferner eine erste steuerbare Schaltereinrichtung zum steuerbaren Verbinden und Trennen der AC-Antriebseinrichtung und der AC-Leitungspassage.
Die damit geschaffene Abtrennbarkeit der AC-Antriebs¬ einrichtung, beispielsweise angesteuert durch die bereits erwähnte elektronische Steuereinrichtung, besitzt den Vorteil, dass von der DC-Energiequelle erzeugte elektrische Energie über die AC-Leitungspassage zum DC-Hochvoltnetz übertragen werden kann (z. B. um bei einem abgestellten Fahrzeug den
DC-Hochvolt-Energiespeicher nachzuladen) , ohne hierbei die AC-Antriebseinrichtung unerwünschterweise zu bestromen. Ein Verbinden der AC-Antriebseinrichtung mit der AC-Leitungspassage mittels der ersten steuerbaren Schaltereinrichtung ist dann vorzusehen, wenn die AC-Antriebseinrichtung betrieben werden soll, sei es in einem Antriebs- oder Rekuperationsmodus .
Im Antriebsmodus kann zur Bestromung der AC-Antriebseinrichtung vorteilhaft sowohl eine über den ersten DC/AC-Wandler aus dem DC-Hochvoltnetz übertragene Energie als auch eine von der DC-Energiequelle erzeugte und über den zweiten DC/AC-Wandler übertragene Energie verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das elektrische System ferner eine zweite steuerbare Schaltereinrichtung zum steuerbaren Verbinden und Trennen der DC-Energiequelle und der AC-Leitungspassage. Diese Schaltereinrichtung kann zwischen der DC-Energiequelle und dem zweiten DC/AC-Wandler, oder zwischen dem zweiten DC/AC-Wandler und der AC-Leitungspassage angeordnet sein .
Damit ist es in einfacher Weise möglich, die Energieübertragung ausgehend von der DC-Energiequelle bedarfsweise vom übrigen
System abzukoppeln. Auch dies kann z. B. mittels der bereits erwähnten Steuereinrichtung angesteuert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das elektrische System ferner eine mit der AC-Leitungspassage verbundene oder verbindbare Ladeanschlusseinrichtung.
Eine solche Ladeanschlusseinrichtung (z. B. Steckbuchseneinrichtung, insbesondere z. B. für einen (z. B. 3-poligen) Drehstromstecker, dient dazu, bei abgestelltem Fahrzeug eine Nachladung der Energiespeicherkomponenten des Systems aus einem externen elektrischen Netz (z. B. Drehstromnetz) zu ermöglichen . Bei der vorstehend vorgeschlagenen Weiterbildung kann hierbei von extern über die Ladeanschlusseinrichtung eingespeiste elektrische Energie über den ersten DC/AC-Wandler zur Nachladung des DC-Hochvolt-Energiespeichers übertragen werden.
Insbesondere wenn die vorerwähnten ersten und zweiten steuerbaren Schaltereinrichtungen vorhanden sind, so kann die Ladeanschlusseinrichtung problemlos permanent mit der
AC-Leitungspassage verbunden sein.
Ein großer Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, dass für diese Nachlademöglichkeit kein eigens vorgesehener
AC/DC-Wandler benötigt wird, sondern der ohnehin vorhandene erste DC/AC-Wandler (bidirektionale Ausbildung vorausgesetzt) vorteilhaft mitgenutzt werden kann. Damit kann die Anzahl der für das elektrische System benötigten Wandler vorteilhaft reduziert werden .
Die Erfindung kann vorteilhaft z. B. für ein Brennstoffzel- lenfahrzeug, z. B. Brennstoffzellen-Seriell-Hybrid-Fahrzeug eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des
elektrischen Systems für ein Brennstoffzellen- fahrzeug herkömmlicher Art, und
Fig. 2 ein Blockschaltbild des elektrischen Systems für ein
Brennstoffzellenfahrzeug gemäß eines Ausfüh¬ rungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 1 zeigt die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten eines elektrischen Systems 10 von herkömmlichem Aufbau für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug.
Das System 10 umfasst ein DC-Hochvoltnetz 12 mit einem
DC-Hochvolt-Energiespeicher 14. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das DC-Hochvoltnetz 12 von einer zweipoligen Leitungsanordnung mit einer betriebsmäßigen Nennspannung von z. B. 400 V gebildet. Der DC-Hochvolt-Energiespeicher 14 umfasst im dargestellten Beispiel einen Lithium-Ionen-Akkumulator.
Das System 10 umfasst ferner ein DC-Niederspannungsnetz 16 (Nennspannung hier z. B. 12 V) mit einem daran angeschlossenen DC-Niederspannungs-Energiespeicher 18 (hier z. B. ein Bleiakkumulator) . Das Netz 16 dient zur Versorgung von Verbrauchern
21. Um elektrische Energie zwischen den beiden Bordnetzen 12, 16 bedarfsweise austauschen zu können, sind diese Netze 12, 16 mittels eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers 20 elektrisch miteinander gekoppelt.
1
Das DC-Hochvoltnetz 12 ist des Weiteren elektrisch mit der DC-Seite eines DC/AC-Wandlers 22 gekoppelt, dessen AC-Seite über eine dreipolige AC-Leitungspassage 24 (Drehstromleitung) elektrisch mit einer elektrischen AC-Antriebseinrichtung 26 (hier z. B. Drehstrommotor) gekoppelt ist.
Zum elektrischen Antrieb des Fahrzeuges wird der DC/AC-Wandler 22 in herkömmlicher Weise durch eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung für einen Inverterbetrieb angesteuert, um die netzseitig anliegende DC-Spannung wechselzurichten und aus- gangsseitig eine entsprechende AC-Spannung über die
AC-Leitungspassage 24 an die AC-Antriebseinrichtung 26 aus¬ zugeben .
Für einen Rekuperationsbetrieb, d. h. eine Rückgewinnung von Energie beim Bremsen des Fahrzeugs, wird der DC/AC-Wandler 22 in umgekehrter Richtung betrieben, um eine in der
AC-Antriebseinrichtung induzierte AC-Spannung gleichzurichten und zur Nachladung des DC-Hochvolt-Energiespeichers zu nutzen.
Das System 10 umfasst ferner eine DC-Energiequelle 28, hier in Form einer BrennstoffZelleneinrichtung, zur Erzeugung elektrischer Energie für die Versorgung des Systems 10. Die
DC-Energiequelle 28 ist über einen weiteren DC/DC-Wandler 30 mit dem DC-Hochvoltnetz 12 elektrisch gekoppelt. Mittels des (unidirektional ausgebildeten) DC/DC-Wandlers 30 kann somit von der DC-Energiequelle erzeugte Energie zum DC-Hochvoltnetz 12 übertragen werden. Schließlich umfasst das System 10 eine Ladeanschlusseinrichtung 32, hier z. B. eine zweipolige Steckbuchseneinrichtung, die über einen AC/DC-Wandler 34 elektrisch mit dem DC-Hochvoltnetz 12 gekoppelt ist, um bei abgestelltem Fahrzeug eine Nachladung des
DC-Hochvolt-Energiespeichers 14 aus einem externen Wechsel¬ stromnetz zu ermöglichen.
Der in Fig. 1 veranschaulichte bekannte Aufbau besitzt ein vergleichsweise hohes Gewicht und eine hohe Bauraumanforderung.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 2 ein hinsichtlich des Aufbaus vereinfachtes elektrisches System für ein elektrisch an¬ treibbares Fahrzeug beschrieben, welches jedoch dieselben Funktionalitäten wie das System 10 von Fig. 1 bietet.
Bei der nachfolgenden Beschreibung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben "a" zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung dieses vorangegangenen Ausführungsbeispiels verwiesen.
Fig. 2 zeigt Komponenten eines elektrischen Systems 10a für ein Brennstoffzellenfahrzeug .
Das System 10a umfasst ein DC-Hochvoltnetz 12a mit einem DC-Hochvolt-Energiespeicher 14a. Im dargestellten Beispiel wird das DC-Hochvoltnetz 12a von einer zweipoligen Leitungsanordnung mit einer betriebsmäßigen Nennspannung von z. B. 400 V gebildet. Der DC-Hochvolt-Energiespeicher 14a umfasst einen Lithium-Ionen-Akkumulator .
Das System 10a umfasst ferner ein DC-Niederspannungsnetz 16a (Nennspannung z. B. 12 V) mit einem daran angeschlossenen DC-Niederspannungs-Energiespeicher 18a (hier z. B. ein Bleiakkumulator) .
Zum bedarfsweisen Austausch von elektrischer Energie zwischen den beiden Bordnetzen 12a, 16a sind diese Netze 12a, 16a über einen bidirektional ausgebildeten DC/DC-Wandler 20a elektrisch miteinander gekoppelt.
Das DC-Hochvoltnetz 12a ist des Weiteren über einen ersten DC/AC-Wandler 22a mit einer AC-Leitungspassage 24a gekoppelt, die im dargestellten Beispiel als eine dreipolige Drehstrom¬ leitungspassage ausgebildet ist.
Die AC-Leitungspassage 24a führt zu einer elektrischen
AC-Antriebseinrichtung 26a (hier z. B. Drehstrommotor).
Der elektrische Antrieb des Fahrzeuges wie auch ein Rekupe- rationsbetrieb können somit in der Weise durchgeführt werden, wie dies bereits für das bekannte System 10 mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.
Im Unterschied zu dem bekannten System 10 weist das erfin- dungsgemäße System 10a folgende Besonderheiten auf:
Um die von einer DC-Energiequelle 28a (hier z. B. BrennstoffZelleneinrichtung, alternativ z. B. auch eine Brennkraftmaschine mitsamt elektrischem Generator möglich) erzeugte Energie für das System 10a nutzbar zu machen, ist ein zweiter DC/AC-Wandler 40a vorgesehen, der einerseits (auf der DC-Seite) mit der DC-Energiequelle 28a und andererseits (auf der AC-Seite) mit der AC-Leitungspassage 24a elektrisch gekoppelt ist. Damit ist es möglich, eine von der DC-Energiequelle 28a erzeugte elektrische Energie über den zweiten DC/AC-Wandler 40a und weiter über den ersten DC/AC-Wandler 22a zum DC-Hochvoltnetz 12a zu übertragen. Alternativ oder zusätzlich ist außerdem ermöglicht, dass eine solche von der DC-Energiequelle 28a erzeugte
elektrische Energie über den zweiten DC/AC-Wandler 40a und die AC-Leitungspassage 24a zur AC-Antriebseinrichtung 26a übertragen wird. Eine weitere Besonderheit des Systems 10a besteht darin, dass eine erste steuerbare Schaltereinrichtung Sl zum steuerbaren Verbinden der AC-Antriebseinrichtung 26a mit der
AC-Leitungspassage 24a und Trennen der AC-Antriebseinrichtung 26a von der AC-Leitungspassage 24a sowie eine zweite steuerbare Schaltereinrichtung S2 zum steuerbaren Verbinden der
DC-Energiequelle 28a mit der AC-Leitungspassage 24a und Trennen der DC-Energiequelle 28a von der AC-Leitungspassage 24a vor¬ gesehen sind. Eine weitere Besonderheit des Systems 10a besteht darin, dass eine Ladeanschlusseinrichtung 32a mit der AC-Leitungspassage 24a verbunden ist.
Das erfindungsgemäße elektrische System 10a stellt eine Op- timierung der gesamten elektrischen Architektur des Fahrzeuges dar. Es handelt sich bei der Optimierung insbesondere um eine Komponentenreduzierung ohne damit einhergehende Verschlechterung der Funktionalität. Insbesondere ist durch die elekt¬ rische Kopplung der beiden DC/AC-Wandler 22a, 40a die Funk- tionalität des im Stand der Technik vorgesehenen zusätzlichen DC/DC-Wandlers realisiert. Damit kann der DC/DC-Wandler zur Verbindung der DC-Energiequelle 28a ("Range Extender") und der elektrischen Energiespeicher reduziert werden. Bei der Fahrt können gleichzeitig der DC-Hochvolt-Energiespeicher 14a und die DC-Energiequelle 28a (Brennstoffzellen) sehr effizient als
Energiequelle für den Fahrzeugantrieb verwendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen System 10a entfällt außerdem ein für die externe Nachlademöglichkeit eigens vorgesehener AC/DC-Wandler .
Die z. B. mittels einer programmgesteuerten elektronischen Steuereinrichtung durch entsprechende Ansteuerung der diversen Wandler und Schaltereinrichtungen realisierbaren Fahrzeugzustände bzw. Betriebsmodi sind in der nachfolgenden Tabelle nochmals zusammengefasst .
Im Zustand "Fahren (Antrieb) " kann bei geschlossener Schal¬ tereinrichtung S2 Energie von der DC-Energiequelle genutzt werden .
Im Zustand "Laden durch DC-Energiequelle" kann bei geschlossener Schaltereinrichtung Sl Energie von der DC-Energiequelle gleichzeitig zum Antrieb des Fahrzeuges genutzt werden.
Claims
Elektrisches System (10a) für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug, umfassend:
- ein DC-Hochvoltnetz (12a) mit einem
DC-Hochvolt-Energiespeicher (14a) ,
- ein DC-Niederspannungsnetz (16a) mit einem
DC-Niederspannungs-Energiespeicher (18a) ,
- einen DC/DC-Wandler (20a) , der einerseits mit dem
DC-Hochvoltnetz (12a) und andererseits mit dem
DC-Niederspannungsnetz (16a) elektrisch verbunden oder verbindbar ist, um elektrische Energie vom DC-Hochvoltnetz (12a) zum DC- Niederspannungsnetz (16a) und/oder umgekehrt übertragen zu können,
- einen ersten DC/AC-Wandler (22a) und eine elektrisch damit verbundene oder verbindbare AC-Leitungspassage (24a) , wobei der erste DC/AC-Wandler (22a) einerseits mit dem DC-Hochvoltnetz (12a) und andererseits über die
AC-Leitungspassage (24a) mit einer AC-Antriebseinrichtung
(26a) des Fahrzeuges elektrisch verbunden oder verbindbar ist, um elektrische Energie vom DC-Hochvoltnetz (12a) über den ersten DC/AC-Wandler (22a) und weiter über die AC-Leitungspassage (24a) zur AC-Antriebseinrichtung
(26a) , und bevorzugt auch umgekehrt, übertragen zu können,
- eine DC-Energiequelle (28a) , insbesondere Brennstoff¬ zelleneinrichtung, zur Erzeugung elektrischer Energie für die Versorgung des elektrischen Systems (10a), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische System (10a)
ferner umfasst:
- einen zweiten DC/AC-Wandler (40a) , der einerseits mit der DC-Energiequelle (28a) und andererseits mit der
AC-Leitungspassage (24a) elektrisch verbunden oder verbindbar ist, um eine von der DC-Energiequelle (28a) erzeugte elektrische Energie über den zweiten
DC/AC-Wandler (40a) und weiter über den ersten
DC/AC-Wandler (22a) zum DC-Hochvoltnetz (12a) übertragen zu können, und/oder um eine von der DC-Energiequelle (28a) erzeugte elektrische Energie über den zweiten
DC/AC-Wandler (40a) und weiter zur AC-Antriebseinrichtung (26a) übertragen zu können.
Elektrisches System (10a) nach Anspruch 1, wobei das DC-Hochvoltnetz (12a) für eine betriebsmäßige Nennspannung von mindestens 300 V vorgesehen ist.
Elektrisches System (10a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das DC-Niederspannungsnetz (16a) für eine betriebsmäßige Nennspannung von höchstens 120 V, insbe¬ sondere höchstens 24 V, vorgesehen ist.
Elektrisches System (10a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die DC-Energiequelle (28a) eine Brenn¬ stoffZelleneinrichtung umfasst.
Elektrisches System (10a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine erste steuerbare Schal¬ tereinrichtung (Sl) zum steuerbaren Verbinden und Trennen der AC-Antriebseinrichtung (26a) und der AC-Leitungspassage (24a) .
6. Elektrisches System (10a) nach einem der vorangehenden
Ansprüche, ferner umfassend eine zweite steuerbare
Schaltereinrichtung (S2) zum steuerbaren Verbinden und Trennen der DC-Energiequelle (28a) und der
AC-Leitungspassage (24a) .
7. Elektrisches System (10a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine mit der AC-Leitungspassage (24a) verbundene oder verbindbare Ladeanschlusseinrichtung (32a) .
8. Elektrisch antreibbares Fahrzeug, ausgestattet mit einem elektrischen System (10a) nach einem der vorangehenden Ansprüche .
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