DE102005024777A1 - Energiespeichereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung für ein zumindest teilweise elektromotorisch angetriebenes bzw. antreibbares Kraftfahrzeug mit einer als elektrische Maschine ausgebildeten Antriebseinheit zur Erzeugung einer Antriebskraft auf einen Antriebsstrang. Die Energiespeichereinrichtung umfasst eine erste, kapazitive Energiespeichermittel umfassende Energiespeichereinheit, und eine zweite, der ersten Energiespeichereinheit parallelgeschaltete und elektrochemische Energiespeichermittel umfassende Energiespeicherheinheit.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung für ein zumindest zeitweise elektromotorisch betreibbares Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Hybridfahrzeug mit einer ersten, als Brennkraftmaschine ausgebildeten Antriebseinheit und mit einer zweiten, als elektrische Maschine ausgebildeten Antriebseinheit sowie mit einer vorstehend genannten Energiespeichereinrichtung zur Versorgung der elektrischen Maschine.
  • Hybridantriebe mit elektrischer Maschine und Brennkraftmaschine als Antriebsaggregate, deren Brennkraftmaschine zeitweise abkoppelbar ist, um zeitweise einen rein elektrischen Fahrbetrieb zu ermöglichen, haben eine sogenannte elektrische Reichweite die insbesondere abhängig vom Fahrprofil der zu fahrenden Strecke, vom Fahrverhalten des Fahrers und vom Energieinhalt des verwendeten elektrischen Energiespeichers ist. Als elektrische Speichermedien für die Energiespeicherung elektrischer Rekuperationsenergie und für die Energieversorgung einer elektrischen Antriebsmaschine in einem Hybridfahrzeug sind insbesondere herkömmliche elektrochemische Batterievorrichtungen oder sogenannte Supercaps bzw. Ultracaps (in der Regel in Form von Doppelschichtkondensatoren) bekannt.
  • Der Toyota Prius (ATZ-Artikel – Der neue Toyota Prius, ATZ 3/2004, Jahrgang 106, S.186 ff.) stellt beispielsweise einen Hybridantrieb bereit, dessen Elektromotor ausschließlich über eine Batterievorrichtung, eine sogenannte NiMH-Batterie (Nickel-Metall-Hybrid-Batterie), versorgt wird.
  • Ein anderes Konzept verfolgt BMW (Fachzeitschrift Auto-Motor-und-Sport, Ausgabe 11/2004, S. 62 ff., Fahrbericht X5 Efficient Dynamics) mit einem Hybridantrieb dessen Elektromotor ausschließlich über sogenannte Supercaps versorgt wird.
  • Um bei Elektrofahrzeugen oder bei Hybridfahrzeugen mit elektromotorischem Antrieb ausreichende Reichweiten (Wegstrecken) bei einem rein elektrischen Fahrbetrieb gewährleisten zu können, müssen in der Regel Batterievorrichtungen mit hoher Ladekapazität bereitgestellt werden. Derartige Batterievorrichtungen haben den Nachteil eines hohen Gewichtes, einer großen Baugröße und einer hohen Kostenintensität. Des Weiteren stellt auch die Entsorgung dieser Batterievorrichtungen erhebliche Probleme dar.
  • Ein rein elektrischer Fahrbetrieb mit einem Hybridfahrzeug, bei dem der elektrische Antriebsmotor ausschließlich über die sogenannten Supercaps versorgt wird, lässt nur geringe Reichweiten von einigen hundert Metern zu.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Hinblick auf Gewicht und Energieeffizienz verbesserte Energiespeichereinrichtung für ein zumindest zeitweise elektromotorisch antreibbares Kraftfahrzeug anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während in den Unteransprüchen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind.
  • Durch die Parallelschaltung einer ersten Energiespeichereinheit, welche kapazitive Speichermittel umfasst, mit einer zweiten Energiespeichereinheit, welche elektrochemische Energiespeichermittel umfasst, wird eine Energiespeichervorrichtung zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebsmaschine geschaffen, die die Vorteile von herkömmlichen Supercaps mit den Vorteilen herkömmlicher Batterien vereint. Durch die erfindungsgemäße Einrichtung können zum Einen hohe Leistungsspitzen, wie sie etwa beim Beschleunigen im rein elektrischen Fahrbetrieb auftreten, mittels der kapazitiven Speichereinrichtung abgedeckt werden. Zum Anderen sind aber auch größere Reichweiten erzielbar, da hierfür die herkömmliche elektrochemische Batterie ausreichend Energie zur Verfügung stellt. Die Erfindung vereint die Vorteile zweier Energiespeicherkonzepte, indem die bei Kondensatoren im Vergleich zu herkömmlichen Batterien schnellere Energieaufnahme und -abnahme hoher Energiemengen kombiniert wird, mit der den herkömmlichen Batterien eigenen hohen Energiekapazität, durch die auch über einen längeren Zeitraum ein mittelhoher Energiebedarf abgedeckt werden kann.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die zu versorgende elektrische Antriebsmaschine in der Regel unmittelbar über die kapazitive Speichereinheit versorgt. Je nach Ladezustand der kapazitiven Energiespeichereinheit und i.A.v. der Energieanforderung der elektrischen Antriebsmaschine versorgt die elektrochemisch aufgebaute Energiespeichereinheit direkt die Antriebsmaschine oder lädt den kapazitiven Energiespeicher. Die Leistungsabgabe des elektrochemischen Energiespeichers entspricht dem gemittelten Leistungsbedarf im el. Fahrzyklus.
  • In einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der Energiespeichereinheiten, beispielsweise über eine Steckerverbindung, elektrisch und mechanisch an- bzw. abkoppelbar ausgebildet. Mit Vorteil ist die elektrochemische Energiespeichereinheit koppelbar ausgebildet. Damit kann für den Fall, dass bei einem Hybridfahrzeug mit Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine kein rein elektrischer Fahrbetrieb für größere Reichweiten vorgesehen sein sollte, erhebliches Gewicht eingespart und viel Platz im Fahrzeug zusätzlich bereitgestellt werden.
  • In einer anderen Weiterbildung sind Steuermittel vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass die Energieversorgung der elektrischen Maschine während ihres motorischen Betriebs über die kapazitive Energiespeichereinheit erfolgt, während über die elektrochemische Energiespeichereinheit (falls erforderlich) ein stetes Nachladen der ersten Energiespeichereinheit erfolgt. Ein Nachladen der kapazitiven Energiespeichereinheit erfolgt vorzugsweise nur dann, wenn die Leistungsentnahme des Motors kleiner ist als die Batterieleistung ist. Vorzugsweise sind die Steuermittel Bestandteil der elektrochemischen Energiespeichereinheit. Die elektrochemische Energiespeichereinheit umfasst, vorzugsweise in einer integrierten Baueinheit, einen elektrochemischen Energiespeicher, Steuermittel, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind, sowie eine DC/DC-Wandlereinheit zur Spannungsanpassung innerhalb der Energiespeichereinrichtung. Über die Steuermittel und die DC/DC-Wandlereinheit ist der Energiefluss (Energiezufluss bzw. -abfluss) zwischen den beiden Energiespeichereinheiten sowie der Energiefluss zwischen elektrischer Maschine und einer oder beider Energiespeichereinheiten gewährleistet. Dabei kann der Energiefluss auch von der elektrischen Maschine in Richtung Energiespeichereinheiten gerichtet sein und gesteuert werden, falls die elektrische Maschine beispielsweise im Brems- oder Schubbetrieb im generatorischen Betrieb arbeitet. Mit dem DC/DC Wandler oder einer anderen geeigneten Steuereinheit wird die Aufteilung der Energieverteilung auf die beiden Energiespeicher gesteuert.
  • Mit Vorteil ist die Energiespeichereinrichtung an das Bordnetz eines Hybridfahrzeuges mit Brennkraftmaschine und elektrischer Maschine angekoppelt. Dabei weist das Bordnetz eine weitere Energiespeichereinheit (dritte Energiespeichereinheit) in Form einer herkömmlichen Bordnetzbatterie auf. Die Bordnetzbatterie dient der Speisung von Bordnetzverbrauchern, falls diese zeitweise nicht über den Bordnetzgenerator oder eine andere generatorisch arbeitende elektrische Maschine versorgt werden können.
  • Die elektrische Antriebsmaschine ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie auch als Starter für den Startvorgang der Brennkraftmaschine und/oder als Generator zur Erzeugung von zusätzlicher Energie, insbesondere während Schub- oder Bremsphase, wirkt. Schließlich ist vorgesehen die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung in einem Hybridfahrzeug vorzusehen, welches mindestens eine als Brennkraftmaschine ausgebildete Antriebsmaschine und eine in Form einer elektrischen Maschine ausgebildete Maschine als Antriebsaggregate aufweist.
    •
  • Im Folgenden wird die Erfindung im Rahmen eines möglichen Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung in schematischer Darstellung in einer möglichen Ausführungsform, und
  • 2: die von der elektrischen Maschine benötigte Antriebsleistung über der Zeit für einen fiktiven elektrischen Fahrbetrieb.
  • 1 zeigt eine Energiespeichereinrichtung 1 gemäß der Erfindung, eingebunden in das Bordnetz eines elektromotorisch betreibbaren Fahrzeugs. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst eine erste, kapazitive Energiespeichermittel umfassende Energiespeichereinheit 2 sowie eine zweite, zu der ersten Energiespeichereinheit 2 parallelgeschaltete und elektrochemische Energiespeichermittel umfassende Energiespeichereinheit 4. In einer besonders bevorzugten Ausführung sind die Energiespeichermittel der ersten Energiespeichereinheit 2 als Doppelschichtkondensatoren (sogenannte Supercaps oder Ultracaps) ausgebildet, während die Energiespeichermittel der zweiten Energiespeichereinheit 4 durch eine herkömmliche Batterieeinheit (z.B. eine Nickel-Metall-Hybrid-Batterie oder dergleichen) gebildet sind.
  • Die zweite Energiespeichereinheit 4 umfasst neben der Batterie 4.1 noch eine Steuereinrichtung 4.2 und einen DC/DC-Wandler 4.3. Dabei wird über die Steuereinrichtung 4.2 in Verbindung mit der DC/DC-Wandlereinheit 4.3 insbesondere der Energiefluss zwischen erster und zweiter Energieeinrichtung 2; 4 gesteuert. Darüber hinaus ist auch der Energiefluss zwischen der zweiten Energiespeichereinheit 4 und der elektrischen Maschine 6 (die vorzugsweise sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ausgebildet ist), die über die beiden Energiespeichereinheiten 2; 4 versorgt werden soll, und damit zumindest auch indirekt der Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine 6 und der ersten Energiespeichereinrichtung 2 über die Steuereinrichtung 4.2 der zweiten Energiespeichereinheit 4 steuerbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel treibt die elektrische Maschine 6 über ein nachgeschaltetes Getriebe 8 die Antriebsachse 10 (und damit zumindest ein Rad R) eines Kraftfahrzeugs an. Die elektrische Maschine 6 kommuniziert mit einer Elektronik (separat oder integriert in die Maschine) die eine Motorsteuereinheit 6.1 und eine Wechselrichtereinheit 6.2 umfasst. Auch die erste Energiespeichereinheit 2 verfügt optional über eine separate, ihr zugeordnete Steuereinrichtung 2.1 – deren Funktionalität insbesondere darin besteht, die Spannungssymmetrie der Einzelzellen der kapazitiven Energiespeichereinheit 2 zu überwachen und sicherzustellen. Ferner wird die Spannung und der Strom an der Energiespeichereinheit 2 gemessen, damit der aktuelle Speicherinhalt für die Hybridsteuerung zur Verfügung gestellt wird. Weiterhin übernimmt die Steuereinrichtung 2.1 die Temperaturüberwachung der Energiespeichereinheit 2.
  • Vorzugsweise verfügt zumindest die zweite Energiespeichereinheit 4 über – beispielsweise als Steckerverbindung ausgebildete – Kopplungsmittel 40, über die die zweite Energiespeichereinheit 4 bei Bedarf aus der Energiespeichereinrichtung 1 entfernt beziehungsweise an diese angekoppelt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung 1 dient vorzugsweise ausschließlich der Energieversorgung des elektromotorischen Antriebs. Für die elektrische Versorgung herkömmlicher Bordnetzverbraucher ist im Bedarfsfall eine separate Bordnetzbatterie 12 vorgesehen. Diese ist ebenfalls über eine DC/DC-Wandlereinheit 12.1 mit der elektrischen Maschine 6 gekoppelt, so dass auch die Bordnetzbatterie 12 über die dann generatorisch arbeitende elektrische Maschine 6 geladen werden kann.
  • Die untere (gestrichelt dargestellte) Leitungsverbindung in 1 stellt ein Bussystem 14 dar, über welches die einzelnen Steuereinheiten 4.2, 2.1, 6.1 untereinander und mit anderen Steuereinheiten kommunizieren können. Die Pfeile an den anderen Verbindungsleitungen sollen die möglichen Leistungsflüsse zwischen den einzelnen Komponenten veranschaulichen, wobei die gepunkteten Pfeile den Energiefluss vom Rad R über die generatorisch arbeitende elektrische Maschine 6 in die einzelnen Energiespeicher 2, 4, 12 darstellt, und die volllinierten Pfeile den Energiefluss aus den Energiespeichern heraus, über die motorisch arbeitende elektrische Maschine 6 zum Rad R veranschaulichen. Der volllinierte Energiefluss beschreibt aber auch den Ladevorgang der kapazitiven Energiespeichereinheit 2 durch die elektrochemische Energiespeichereinheit 4.
  • In 2 ist zum besseren Verständnis der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung 1 der Energiebedarf der elektrischen Maschine 6 für einen beliebigen elektromotorischen Fahrbetrieb dargestellt. Dargestellt sind zwei Kurvenverläufe, wobei der eine Kurvenverlauf A die maximal mögliche Leistungsentnahme der elektrochemischen Energiespeichereinheit 4 veranschaulicht und wobei der zweite Kurvenverlauf B die tatsächliche Leistungsanforderung der elektrischen Maschine 6 zeigt, wobei die über die maximal mögliche Leistungsentnahme der elektrochemischen Energiespeichereinheit 4 hinausgehenden Leistungsspitzen über die kapazitive Energiespeichereinheit 2 versorgt werden.

Claims (7)

  1. Energiespeichereinrichtung (1) für ein zumindest teilweise elektromotorisch angetriebenes bzw. antreibbares Kraftfahrzeug, mit einer als elektrische Maschine (6) ausgebildeten Antriebseinheit zur Erzeugung einer Antriebskraft auf einen Antriebsstrang, wobei die Energiespeichereinrichtung (1) der Energieversorgung der elektrischen Maschine (6) dient, umfassend: – eine erste, kapazitive Energiespeichermittel umfassende Energiespeichereinheit (2), und – eine zweite, der ersten Energiespeichereinheit (2) parallelgeschaltete und elektrochemische Energiespeichermittel umfassende Energiespeichereinheit (4).
  2. Energiespeichereinrichtung (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (4.2, 4.3), vorzugsweise umfassend eine DC/DC-Wandlereinheit (4.3), die derart ausgebildet ist, dass durch sie die Energieaufteilung zwischen der ersten Energiespeichereinheit (2) und der zweiten Energiespeichereinheit (4) steuerbar ist.
  3. Energiespeichereinrichtung (1) nach einem dervorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Energiespeichereinheiten (2; 4), insbesondere die zweite Energiespeichereinheit (4), über Kopplungsmittel (40) elektrisch und mechanisch an- bzw. abkoppelbar ist.
  4. Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steuermittel (4.2) die derart ausgebildet sind, dass die Energieversorgung der elektrischen Maschine (6) während ihres motorischen Betriebs über die erste Energiespeichereinheit (2) erfolgt, während über die zweite Energiespeichereinheit (4), falls erforderlich, ein Nachladen der ersten Energiespeichereinheit (2) erfolgt.
  5. Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiespeichereinheit (4) einen elektrochemischen Energiespeicher (4.1), eine DC/DC-Wandlereinheit (4.3) sowie eine Steuereinrichtung (4.2) zur Steuerung des Energieflusses umfasst.
  6. Energiespeichereinrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dritte Energiespeichereinheit (12), insbesondere eine Bordnetzbatterie, zur Versorgung von Bordnetzverbrauchern.
  7. Hybridfahrzeug mit einer ersten, als Brennkraftmaschine ausgebildeten Antriebseinheit und mit einer zweiten, als elektrische Maschine (6) ausgebildeten Antriebseinheit sowie mit einer Energiespeichereinrichtung (1), gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, zur Versorgung der elektrischen Maschine (6).
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