DE102004053074A1

DE102004053074A1 - Schaltungsanordung zur Ansteuerung von zumindest einer Elektromaschine

Info

Publication number: DE102004053074A1
Application number: DE102004053074A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Phys. Griesmeier; Jürgen Dipl.-Ing. Kett
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2004-11-03
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-09-28
Also published as: US20070023212A1; US7337863B2; JP2006191787A

Abstract

Die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zumindest einer Elektromaschine (1) zu schaffen, die geeignet ist, auch Betriebszustände der Elektromaschine (1), die kurzzeitige hohe Leistungsspitzen erfordern, zu ermöglichen, wird im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Elektromaschine (1) über einen Wechselrichter (2) und zumindest eine Schaltvorrichtung (3) mit wenigstens zwei verschiedenen Speichern (I, II) für elektrische Energie verbindbar ist, wobei der eine Speicher (I) als Speicher für vergleichsweise lang lauernde Leistungsanforderungen und der andere Speicher (II) als Speicher für kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen ausgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zumindest einer Elektromaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die DE 199 35 873 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für ein Hybridfahrzeug, welches über eine Traktionsbatterie, einen Elektromotor und eine unabhängig davon arbeitende Brennkraftmaschine verfügt. Die Schaltungsanordnung, welche einerseits dem Antrieb des Elektromotors durch den Akkumulator und andererseits der Aufladung von letzterer dient, weist einen Gleichspannungszwischenkreis und einen ersten Wechselrichter auf, der seinerseits mit dem Elektromotor verbunden ist. Zudem ist ein zweiter Wechselrichter in der Schaltungsanordnung vorhanden, der einerseits mit dem Gleichspannungszwischenkreis und andererseits mit einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Generator zur Aufladung des Akkumulators beim Bremsbetrieb des Fahrzeugs verbunden ist. Des Weiteren ist ein Netzanschluss-Schaltkreis für die Aufladung des Akkumulators bei Fahrzeugstillstand vorgesehen. Mit dieser Schaltungsanordnung soll bei dem genannten Hybridfahrzeug der Akkumulator sowohl im Fahrbetrieb als auch bei Fahrzeugstillstand aufgeladen werden können.

Aus der DE 102 26 308 A1 ist eine elektrodynamische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit einer Brennkraftmaschine, einer als Motor/Generator betreibbaren Elektromaschine, einem elektrischen Energiespeicher und einer Steuerungs- und Regelvorrichtung, welche den Ladezustand des elektrischen Energiespeichers, beispielsweise eines Akkumulators, kontrolliert, und das Erreichen eines vorbestimmbaren Ladezustandes dieses elektrischen Energiespeichers erkennt.

Die Elektromaschine wird dabei entweder im Motorbetrieb von dem elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Leistung versorgt, oder es wird im Generatorbetrieb elektrische Energie in den elektrischen Energiespeicher eingespeist. Zudem befindet sich im elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs mindestens ein elektrischer Verbraucher, der seinerseits bei Erreichen des vorgegebenen Ladezustandes des elektrischen Energiespeichers, insbesondere im Generatorbetrieb, mit der elektrischen Antriebsvorrichtung verbindbar ist und überschüssige elektrische Energie verbraucht.

Den bekannten technischen Lösungen sind keine Hinweise zu entnehmen, wie Betriebszustände beispielsweise eines Fahrzeugs sinnvoll bewältigt werden können, die kurzzeitige hohe Antriebsleistungsspitzen erfordern. Derartige Betriebszustände liegen beispielsweise beim Beschleunigen während Überholvorgänge oder an Steigungen vor, die ihrerseits mit entsprechenden Drehmomentsteigerungen des Antriebs einhergehen. Hier setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zumindest einer Elektromaschine zu schaffen, die geeignet ist, auch solche Betriebszustände der Elektromaschine zu gewährleisten, die kurzzeitige hohe Leistungsspitzen erfordern. Diese Schaltungsanordnung soll auch für die Nutzung in einem Hybrid-Kraftfahrzeug ausgebildet sein.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass herkömmliche Akkumulatoren für erforderliche kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen eines Ver brauchers, wie beispielsweise eines Elektromotors, weitgehend ungeeignet sind.

Demnach zeichnet sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Elektromaschine in einem Hybrid-Kraftfahrzeug dadurch aus, dass diese Elektromaschine über einen Wechselrichter und zumindest eine Schaltvorrichtung mit wenigstens zwei verschiedenen Speichern I und II für elektrische Energie verbindbar ist, wobei der eine Speicher I als Speicher für vergleichsweise langdauernde Leistungsanforderungen und der andere Speicher II als Speicher für kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen ausgelegt ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Speicher I für langdauernde Leistungsanforderung durch einen elektrischen Akkumulator, beispielsweise wie eine herkömmliche Batterie gebildet ist, während der Speicher II für kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen durch eine Kondensatoreinheit, beispielsweise durch sogenannte Supercaps gebildet ist.

Durch vorstehende Maßnahmen ist in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit geöffnet, bei Bedarf in kürzester Zeit eine höhere Leistung der Elektromaschine zur Verfügung zu stellen. Ebenso ist eine erhebliche Erhöhung der Lebensdauer des Speichers I beziehungsweise des Akkumulators zu verzeichnen, da wesentlich weniger Energieumsatz in demselben stattfindet.

Was die Schaltvorrichtung anbelangt, so kann diese zum einen durch einen schaltenden Leistungshalbleiter mit einer Leistungsdiode gebildet sein. Vorzugsweise ist dabei die Leistungsdiode integrierter Bestandteil des schaltbaren Leistungshalbleiters. Zum anderen kann es auch angezeigt sein, dass die Schaltvorrichtung durch einen bidirektional schaltbaren Leistungshalbleiterschalter gebildet ist.

Wie die Erfindung weiter vorsieht, kann die Schaltvorrichtung innerhalb eines Gehäuses des Wechselrichters angeordnet sein, wodurch der Bauaufwand verringert wird und auch die der Schaltung des Wechselrichters zugeordneten Kühlmedien, Versorgungsspannungen etc. mit genutzt werden können. Im übrigen liegen alle zur Ansteuerung der Elektromaschine benötigten Signale im Wechselrichter vor.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Elektromaschine als Elektromotor und/oder als Generator betreibbar ausgebildet ist. Derartige Elektromaschinen sind auch als sogenannte Startergeneratoren bekannt geworden.

Für denjenigen Betriebsfall, in dem die Elektromaschine als Elektromotor betrieben wird, ist die Schaltvorrichtung derart ausgebildet, dass kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen aus dem Speicher II abgedeckt werden können und der Speicher I vornehmlich bei langzeitigen Leistungsanforderungen zur elektrischen Versorgung der Elektromaschine beiträgt.

Für denjenigen Betriebsfall, in dem kurzzeitig viel Energie umgesetzt wird, ist die Schaltvorrichtung derart ausgebildet, dass eine Verlagerung des Energieumsatzes aus dem Speicher I in den Speicher II realisierbar ist.

Für denjenigen Betriebsfall, in dem die Elektromaschine dagegen als Generator betrieben wird, ist die Schaltvorrichtung derart ausgebildet, dass ein Nachladen beider elektrischer Speicher I, II erfolgen kann.

Weiterhin ist es Bestandteil der Erfindung, dass die Elektromaschine durch eine Antriebsmaschine und/oder einen Generator eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.

Zudem kann vorgesehen sein, dass der Bordnetz-Spannungsbereich des Fahrzeugs bzw. des Speichers I und der Spannungsbereich des Speichers II sich überlappen, wobei für wesentliche Betriebszeitanteile die Spannung im Speicher II deutlich höher gewählt ist als im Speicher I.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Bordnetz-Spannungsbereich des Speichers I zwischen etwa 21 Volt und 28 Volt und der Spannungsbereich des Speichers II zwischen etwa 21 Volt und 48 Volt, überwiegend jedoch zwischen etwa 29 Volt und 48 Volt eingestellt ist.

Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
2 die Schaltungsanordnung nach 1, verwendet in einer Antriebsanordnung eines Hybridantriebes eines Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine.
Demnach zeigt 1 zunächst die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zumindest einer Elektromaschine 1 in Alleinstellung, vorzugsweise in Form einer Asynchron- oder Synchronmaschine, wobei die Elektromaschine 1 in an sich bekannter Weise über einen herkömmlichen Wechselrichter 2, dessen Erfordernis und Wirkungsweise dem Fachmann hinlänglich bekannt ist, und weiterhin über zumindest eine Schaltvorrichtung 3 mit einer Energieversorgung verbindbar ist.
Die Energieversorgung ist erfindungsgemäß durch zwei verschiedene Speicher I, II für elektrische Energie gebildet, wobei der eine Speicher I als Speicher für langzeitige Leistungsanforderungen und der andere Speicher II als Speicher für kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen ausgelegt ist.
Mittels vorstehender Schaltvorrichtung 3 wird beim Betreiben der Elektromaschine 1 als Elektromotor gewährleistet, dass kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen aus dem Speicher II abgedeckt werden und der Speicher I vornehmlich bei langzeitigen Leistungsanforderungen zur elektrischen Versorgung beiträgt.
Zudem ist die Schaltvorrichtung 3 derart ausgebildet, dass in demjenigen Betriebsfall, in dem mit der als Elektromotor betriebenen Elektromaschine 1 kurzzeitig viel Energie umgesetzt wird, eine Verlagerung von elektrischer Energie aus dem Speicher I in den Speicher II realisierbar ist.
Der Speicher I für langdauernde Leistungsanforderungen ist vorzugsweise durch einen herkömmlichen Akkumulator gebildet, wobei unter dem Begriff Akkumulator nicht nur ein einziger Akkumulator zu verstehen ist, sondern auch eine Mehrzahl einzelner zu einem Akkumulatorenblock zusammengesetzte Akkumulatoren mit erfasst sind. Als Akkumulatoren bieten sich sowohl Bleiakkumulatoren als auch Nickelmetallhydrid-, Zink-, Natrium-Nickelchlorid-, Lithium-Ionen-Akkumulatoren und dergleichen an.
Demgegenüber ist der Speicher II für kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen durch eine leistungsfähige Kondensatoreinheit oder ähnliches gebildet, die im Regelfall zwar ein höheres Spannungsniveau im Vergleich zu dem Speicher I, jedoch einen geringeren Energieinhalt aufweist. Bevorzugt kommen hierbei auch als „Supercaps" bezeichnete Hochleistungskondensatoren zur Anwendung, die ihrerseits nach dem derzeitigen Entwicklungsstand im wesentlichen eine Elektrode aus Aluminium beinhalten, auf der eine Schicht aus aktiviertem Kohlenstoffpulver aufgebracht ist. Der Vorteil derartiger „Supercaps" wird insbesondere darin gesehen, dass diese besonders wirkungsvoll den gewünschten kurzzeitigen Energieschub aufbringen können. Ferner wird es im Hinblick auf besagte „Supercaps" als vorteilhaft angesehen, dass diese binnen drei bis fünf Minuten geladen werden können und die Lebensdauer bei bis zu 2 Millionen Ladezyklenzahl liegt. Anders als Akkumulatoren unterliegen derartige Hochleistungsakkumulatoren nahezu keinem Verschleiß, da hier keine chemischen Vorgänge sondern rein physikalische Wirkprinzipien genutzt werden.
Für den Betriebsfall, in dem entgegen vorstehender Ausführungen die Elektromaschine 1 als Generator betrieben wird, ist die Schaltvorrichtung 3 derart ausgebildet, dass auch ein Nachladen der beiden Speicher I, II realisierbar ist.
Als Schaltvorrichtung 3 hat sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein an sich bekannter und demgemäss nicht näher zu beschreibender bzw. darzustellender schaltender Leistungshalbleiter, wie ein sogenannter „MOSFET" (Metal oxide semiconductor) bzw. ein „IGBT" (Insulated Gate Bipolar Transistor) mit jeweils einer Leistungsdiode bewährt, wobei die Leistungsdiode zweckmäßigerweise integrierter Bestandteil des Leistungshalbleiters ist.
Ebenso ist es denkbar und wird durch die Erfindung mit erfasst, dass die Schaltvorrichtung 3 durch einen an sich bekannten bidirektionalen betreibbaren Leistungshalbleiterschalter gebildet ist, mit dem ein hohes Maß an Steuerungsfreiheitsgraden erreichbar ist, da diese den elektrischen Strom in zwei Richtungen führen können.
Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, sind der Wechselrichter 2 und die Schaltvorrichtung 3 bevorzugt innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 4 angeordnet. Wie bereits oben erläutert, wird dadurch vorteilhaft der Bauaufwand verringert und zudem können die der Schaltung des Wechselrichters 2 zugeordneten Kühlmedien, Versorgungsspannungen usw. mit genutzt werden, wobei dort auch alle zur Ansteuerung der Elektromaschine 1 benötigten Signale im Wechselrichter 2 bereits vorliegen.
2 zeigt einen bevorzugten Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, nämlich derart, dass diese in einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges 5 integriert ist, der eine Brennkraftmaschine 6 und wenigstens eine Elektromaschine 1 aufweist, wobei letztere als Antriebsmaschine und/oder als Generator betreibbar ist.
Danach ist eine Parallelanordnung der Brennkraftmaschine 6 und der Elektromaschine 1 im Antriebsstrang 7 des Fahrzeugs 5 dargestellt, wobei vorliegend sowohl eine mechanische Entkoppelung der Brennkraftmaschine 6 vermittels einer an sich bekannten Kupplungsvorrichtung 8 als auch ein Getriebe 9, vorzugsweise ein Schaltgetriebe, vorgesehen sind.
Durch diesen Aufbau des Antriebsstrangs besteht die Möglichkeit, die verschiedensten Antriebsvarianten zu realisieren, wobei die Elektromaschine 1 in an sich bekannter Wiese entweder als Antriebsmaschine in Alleinstellung oder in Kombination mit der Brennkraftmaschine 6 betrieben werden kann. In dem letztgenannten Betriebsfall dient die Elektromaschine zur Verstärkung der Antriebsleistung der Brennkraftmaschine 6, wodurch insbesondere mit Hilfe des Speichers II etwaige erforderliche kurzzeitige hohe Leistungsspitzen abgedeckt werden können.
Vorteilhafterweise ist die Elektromaschine 1 auch als Generator betreibbar und somit geeignet, die Energie-Speicher I und II aufzuladen.
In Untersuchungen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Bordnetz-Spannungsbereich des Speichers I (Akkumulator) und der Span nungsbereich des Speichers II (Kondensatoreinheit) sich überlappen, wobei für wesentliche Zeitanteile des Fahrzeugbetriebs die Spannung im Speicher II deutlich höher gewählt ist als im Speicher I.
Im Hinblick darauf ist vorzugsweise der Bordnetz-Spannungsbereich des Speichers I zwischen etwa 21 Volt und 28 Volt und der Spannungsbereich des Speichers II zwischen etwa 21 Volt und 48 Volt, überwiegend jedoch zwischen 29 Volt und 48 Volt eingestellt.
Weitere Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind möglich, wie beispielsweise die Ansteuerung der Elektromaschine 1 eines ausschließlich elektrisch betriebenen Fahrzeugs mit einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung (nicht näher gezeigt).
Ebenso ist es möglich, eine solche Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines nicht näher dargestellten und mittels einer Brennkraftmaschine 6 betriebenen Stromerzeugungsaggregates, beispielsweise eines Notstromaggregates, zu verwenden. Dabei kann auf etwaige erhöhte Energieabnahmen mittels der Schaltungsanordnung vorteilhaft reagiert werden, indem ein Elektromotor integriert wird, der seinerseits einen etwaigen erhöhten Antriebsleistungsbedarf abdeckt, wodurch die Brennkraftmaschine 6 des Notstromaggregates vorteilhaft ständig mit konstanter Drehzahl, etwa nur in ihrem Bestpunkt hinsichtlich ihres Wirkungsgrades, betrieben werden kann.

I: Speicher elektrischer Energie, Akkumulator
II: Speicher elektrischer Energie, Kondensator
1: Elektromaschine
2: Wechselrichter
3: Schaltvorrichtung
4: Gehäuse
5: Hybrid-Kraftfahrzeug
6: Brennkraftmaschine
7: Antriebsstrang
8: Kupplungsvorrichtung
9: Getriebe

Claims

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von zumindest einer Elektromaschine (1), bei der die Elektromaschine (1) über einen Wechselrichter (2) und zumindest eine Schaltvorrichtung (3) mit wenigstens zwei verschiedenen Speichern (I, II) für elektrische Energie verbindbar ist, wobei der eine Speicher (I) als Speicher für vergleichsweise langdauernde Leistungsanforderungen und der andere Speicher (II) als Speicher für kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen ausgelegt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (I) für langzeitige Leistungsanforderung durch einen elektrischen Akkumulator gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (II) für kurzzeitige und hohe Leistungsspitzen durch eine Kondensatoreinheit gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (3) durch einen schaltbaren Leistungshalbleiter mit einer Leistungsdiode gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdiode integrierter Bestandteil des schaltenden Leistungshalbleiters ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (3) durch einen bidirektional wirksamen Leistungshalbleiterschalter gebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (3) innerhalb eines Gehäuses (4) des Wechselrichters (2) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (1) als Elektromotor und/oder als Generator betreibbar ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (3) für den Betrieb der Elektromaschine (1) als Elektromotor derart ausgebildet ist, dass kurzzeitige sowie hohe Leistungsspitzen aus dem Speicher (II) abgedeckt werden, während der Speicher (I) vornehmlich bei langdauernden Leistungsanforderungen zur elektrischen Versorgung der Elektromaschine (1) beiträgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (3) für den Betrieb der Elektromaschine (1) als Generator derart ausgebildet ist, dass ein Nachladen beider Speicher (I, II) mit elektrischer Energie realisierbar ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbereich des Speichers (I) und der Spannungsbereich des Speichers (II) sich überlappen, wobei in wesentlichen Betriebszeitanteilen die Spannung im Speicher (II) deutlich höher liegt als die Spannung im Speicher (I).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbereich des Speichers (I) zwischen etwa 21 Volt und 28 Volt sowie der Spannungsbereich des Speichers (II) zwischen etwa 21 Volt und 48 Volt, überwiegend jedoch zwischen etwa 29 Volt und 48 Volt eingestellt ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (1) durch eine Antriebsmaschine und/oder einen Generator eines Fahrzeugs gebildet ist.