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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugantriebssysteme und insbesondere
Batterie gespeiste Antriebssysteme, wie sie beispielsweise in Batterie betriebenen
Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen eingesetzt werden.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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In
letzter Zeit werden Elektrofahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge
zunehmend populär. Diese Fahrzeuge werden gewöhnlich
durch eine oder mehrere Batterien, entweder alleine oder in Kombination mit
einem Verbrennungsmotor betrieben. In Elektrofahrzeugen speist die
eine oder speisen die mehreren Batterien das gesamte Antriebssystem,
wodurch der Bedarf nach einem Verbrennungsmotor beseitigt ist. Hybridelektrofahrzeuge
enthalten andererseits einen kleinen Verbrennungsmotor, um die Batterieleistung
zu ergänzen, was die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs
deutlich verbessert.
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Herkömmlich
benötigten die elektrischen und hybridelektrischen Antriebssysteme
in diesen Fahrzeugen den Einsatz von großen Batterien,
Ultrakondensatoren, Schwungrädern oder einer Kombination
dieser Elemente, um ausreichend Energie zum Antreiben des Elektromotors
bereitzustellen. Während sie allgemein effektiv waren,
reduzierte die Größe und das Gewicht der Elemente
den Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems, und sie bereiteten Probleme
bei deren Integration in die Fahrzeuge.
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Ein
weiteres mit herkömmlichen elektrischen Antriebssystemen
verbundenes Problem bestand darin, dass die Nennspannung der Energiespeichereinheiten
(d. h. Batterien und/oder Ultrakondensatoren) die gesamte Systemspannung
festlegte. Somit war die zum Antreiben des Elektromotors verfügbare Energie
auf die Energie beschränkt, die in den Energiespeichereinheiten
selbst zur Verfügung stand. Eine derartige Konfiguration
begrenzte die gesamte Funktionssicherheit und Effizienz des elektrischen Antriebssystems,
da die Spannungsanforderungen des Elektromotors häufig
weit größer waren als die Spannung der Energiespeichereinheit.
Um dieses Problem zu bekämpfen, wurden verschiedene alternative
elektrische Antriebssystemkonfigurationen entworfen. Insbesondere
zeigt die
US-Patentschrift 5 373
195 die Verwendung eines bidirektionalen Aufwärtswandlers
(Boost-Konverters) zur Entkopplung der Spannung der Energiespeichereinheit
von der Spannung einer Gleichspannungsverbindung (DC-Verbindung),
wobei die DC-Verbindung mit dem Elektromotor gekoppelt ist. Der
bidirektionale Aufwärtswandler dient dazu, die von der
Energiespeichereinheit zu der DC-Verbindung gelieferte Spannung
zu erhöhen oder zu „verstärken”,
um die Leistungsanforderungen des Elektromotors zu erfüllen.
In der Tat ist das Verhältnis der Spannung der DC-Verbindung
zu der Spannung der Energiespeichereinheit gewöhnlich größer
als 2:1. Der bidirektionale Aufwärtswandler ermöglicht
eine derartige Erhöhung der der DC-Verbindung zugeführten
Spannung ohne die Notwendigkeit einer Erhöhung der Größe
der Energiespeichereinheit oder -einheiten.
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Während
der bidirektionale Aufwärtswandler in bewährter
Weise eine erhöhte Spannungsversorgung zu der DC-Verbindung
ohne eine entsprechende Erhöhung der Größe
der Energiespei chereinheit(en) ermöglicht, vermindert sich
die Effizienz des bidirektionalen Aufwärtswandlers während
bestimmter Betriebsmodi. Insbesondere ist während einer
Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs bei hoher
Geschwindigkeit und hoher Leistung das Verhältnis der Spannung
der DC-Verbindung zu der Batteriespannung häufig größer
als 2,5:1. In diesen Betriebsmodi ist der Pegel des elektrischen
Stroms, dem die Komponenten des Aufwärtswandlers ausgesetzt
sind, sehr hoch, so dass deshalb eine darauffolgende Notwendigkeit
einer geeigneten thermischen Ausgestaltung besteht, um Wärme
in den Leistungselektronikkomponenten des Aufwärtswandlers
abzuleiten. Diese thermische Wechselbeanspruchung der Komponenten
des bidirektionalen Aufwärtswandlers stellt ein mögliches
Funktionssicherheitsproblem sowie eine Reduktion der Gesamtsystemeffizienz
dar.
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Außerdem
ermöglicht ein Konzept, das als „regeneratives
Bremsen” bekannt ist, während einer Verzögerung
bei hoher Geschwindigkeit und hoher Leistung, dass Leistung mit
gegebenenfalls relativ hoher Spannung, die durch den Elektromotor
erzeugt wird, durch den bidirektionalen Aufwärtswandler
zur Speicherung in der Energiespeichereinheit bzw. den Energiespeichereinheiten
zurückgeführt wird. Jedoch treten bei hohen Verhältnissen
der DC-Verbindungsspannung zu der Batteriespannung wiederum hohe
Verluste innerhalb des bidirektionalen Aufwärtswandlers
auf, die eine gute Wärmeableitung in den elektrischen Komponenten
erfordern. Ferner ist die zu der Energiespeichereinheit gelieferte
Regenerationsleistung häufig durch das Ladungsaufnahmevermögen
der Energiespeichereinheit selbst begrenzt, was die Effizienz des
Systems weiter reduziert.
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Folglich
ist es erwünscht, ein elektrisches und/oder hybridelektrisches
Antriebssystem zu schaffen, das eine größere Gesamtsystemeffizienz gemeinsam
mit einem höheren Grad an E nergieaufnahme beim regenerativen
Bremsen mit hoher Leistung aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Antriebssystem veranschaulicht, das
einen Elektroantrieb, ein erstes Energiespeichersystem, das mit dem
Elektroantrieb über eine Gleichspannungsverbindung (DC-Verbindung)
gekoppelt ist, und ein zweites Energiespeichersystem aufweist, das
mit dem Elektroantrieb elektrisch gekoppelt ist. Das Antriebssystem
weist ferner einen mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler
(Boost-Konverter) auf, der mit dem ersten Energiespeichersystem
und mit dem zweiten Energiespeichersystem derart gekoppelt ist,
dass das zweite Energiespeichersystem von der DG-Verbindung entkoppelt
werden kann, wobei das zweite Energiespeichersystem wenigstens eine Batterie
aufweist, die in Reihe mit wenigstens einem Ultrakondensator gekoppelt
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbau eines
Steuersystems veranschaulicht, wobei das Verfahren ein Koppeln eines
ersten Energiespeichersystems mit einem Elektroantrieb über
eine Gleichspannungsverbindung (DC-Verbindung) und ein Anschließen
eines Ultrakondensators in Reihe zu einer Batterie, um ein zweites
Energiespeichersystem zu bilden, aufweist. Das Verfahren weist ferner
ein Koppeln eines mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers (Boost-Konverters)
mit jedem von dem ersten Energiespeichersystem und dem zweiten Energiespeichersystem,
so dass das erste Energiespeichersystem von dem zweiten Energiespeichersystem
entkoppelt ist, wobei der mehrkanalige bidirektionale Aufwärtswandler
ferner mit dem Elektroantrieb über die DC-Verbindung gekoppelt
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Energiespeicheranordnung
für ein elektrisch betriebenes System veranschaulicht,
wobei die Anordnung wenigstens einen Ultrakondensator, der in Reihe
zu wenigstens einer Batterie gekoppelt ist, und einen mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandler (Boost-Konverter) aufweist,
der mit dem wenigstens einen Ultrakondensator und der wenigstens einen
Batterie gekoppelt ist, wobei der mehrkanalige bidirektionale Aufwärtswandler
konfiguriert ist, um eine Eingangs- und eine Ausgangsspannung von dem
wenigstens einen Ultrakondensator und der wenigstens einen Batterie
dynamisch zu steuern.
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Verschiedene
weitere Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen,
die momentan zur Ausführung der Erfindung vorgesehen sind.
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In
den Zeichnungen:
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1 veranschaulicht
schematisiert ein beispielhaftes Antriebssystem.
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2 zeigt
eine graphische Darstellung des Systems, das in Form des beispielhaften
Antriebssystems während eines Betriebs veranschaulicht
ist.
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3 veranschaulicht
schematisiert eine weitere Ausführungsform des beispielhaften
Antriebssystems.
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4 veranschaulicht
schematisiert eine weitere Ausführungsform des beispielhaften
Antriebssystems.
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5 veranschaulicht
schematisiert eine weitere Ausführungsform des beispielhaften
Antriebssystems.
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6 veranschaulicht
schematisiert eine weitere Ausführungsform des beispielhaften
Antriebssystems.
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7 veranschaulicht
schematisiert eine weitere Ausführungsform des beispielhaften
Antriebssystems.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der Erfindung enthalten einen Elektroantrieb, ein erstes Energiespeichersystem,
das mit dem Elektroantrieb über eine Gleichspannungsverbindung
(DC-Verbindung) gekoppelt ist, ein zweites Energiespeichersystem,
das mit dem Elektroantrieb derart gekoppelt ist, dass die von dem zweiten
Energiespeichersystem ausgegebene Spannung von der DC-Verbindung
unter Verwendung eines mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers entkoppelt
ist, wobei das zweite Energiespeichersystem einen mit einer Batterie
in Reihe angeschlossenen Ultrakondensator aufweist.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung weist ein Antriebssystem
einen Elektroantrieb, ein erstes Energiespeichersystem, das mit
dem Elektroantrieb über eine Gleichspannungsverbindung (DC-Verbindung)
gekoppelt ist, und ein zweites Energiespeichersystem auf, das mit
dem Elektroantrieb elektrisch gekoppelt ist. Das Antriebssystem
weist ferner einen mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler
(Boost-Konverter) auf, der mit dem ersten Energiespeichersystem
und mit dem zweiten Energiespeichersystem derart gekoppelt ist,
dass das zweite Energiespeichersystem von der DC-Verbindung entkoppelt
werden kann, wobei das zweite Energiespeichersystem wenigstens eine
Batterie aufweist, die in Reihe mit wenigstens einem Ultrakondensator
gekoppelt ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung weist ein Verfahren zum Aufbau
eines Steuersystems ein Koppeln eines ersten Energiespeichersystem
mit einem Elektroantrieb über eine Gleichspannungsverbindung
(DC-Verbindung) und einen Anschluss eines Ultrakondensators in Reihe
mit einer Batterie auf, um ein zweites Energiespeichersystem zu
schaffen. Das Verfahren weist ferner ein Koppeln eines mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandlers (Boost-Konverters) mit
sowohl dem ersten Energiespeichersystem als auch dem zweiten Energiespeichersystem
in einer derartigen Weise auf, dass das erste Energiespeichersystem
von dem zweiten Energiespeichersystem entkoppelt ist, wobei der
mehrkanalige bidirektionale Aufwärtswandler ferner durch
die DC-Verbindung mit dem Elektronantrieb gekoppelt ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung weist eine Energiespeicheranordnung
für ein elektrisch angetriebenes System wenigstens einen Ultrakondensator,
der in Reihe mit wenigstens einer Batterie gekoppelt ist, und einen
mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler (Boost-Konverter)
auf, der mit dem wenigstens einen Ultrakondensator und der wenigstens
einen Batterie gekoppelt ist, wobei der mehrkanalige bidirektionale
Aufwärtswandler konfiguriert ist, um eine Eingangs- und
eine Ausgangsspannung von dem wenigstens einen Ultrakondensator
und der wenigstens einen Batterie dynamisch zu steuern.
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1 veranschaulicht
ein Fahrzeugantriebssystem 100 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform. Das Fahrzeugantriebssystem 100 enthält zum
Teil eine Energiebatterie 110, einen Ultrakondensator 120 und
einen mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler (Boost-Konverter) 130.
Der Ultrakondensator 120, wie er hierin verwendet wird,
repräsentiert einen Kondensator, der mehrere Kondensatorzellen
aufweist, die in einer Reihenanordnung miteinander verbunden sind,
wobei die Kondensatorzellen jeweils eine Kapazität aufweisen,
die größer ist als 500 Farad. Der Ausdruck Energiebatterie,
wie er hierin verwendet wird, beschreibt eine Batterie mit hoher
spezifischer Energie oder eine Batterie mit hoher Energiedichte,
von der erwiesen ist, dass sie eine Energiedichte in der Größenordnung
von 100 Wh/kg oder mehr erreicht (wie z. B. eine Lithium-Ionen-,
Natrium-Halogenmetall-, Natrium-Nickelchlorid-, Natrium-Schwefel-
oder Zink-Luft-Batterie). Die Energiebatterie 110 und der
Ultrakondensator 120 sind in Reihe zueinander auf der Niederspannungsseite
des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 angeschlossen,
wobei der negative Anschluss der Energiebatterie 110 mit
einem Bus 112 gekoppelt ist, der auch als eine negative
Gleichspannungsverbindung oder DC-Verbindung bezeichnet wird, während der
positive Anschluss der elektrischen Reihenverbindung zwischen der
Energiebatterie 110 und dem Ultrakondensator 120 mit
einem Bus 114 gekoppelt ist, der eine der positiven DC-Verbindungen
auf der Niederspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 darstellt.
Zusätzlich kann eine Vorladeschaltung 116 von
der Energiebatterie 110 zu einer zweiten positiven DC-Verbindung 113 ebenfalls
auf der Niederspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 angeschlossen
sein. Die Busse 112, 113 und 114 sind
ferner mit dem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 130 gekoppelt.
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Das
System 100 enthält ferner einen zweiten Ultrakondensator 140 auf
der Hochspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 gemeinsam
mit einem DC-AC-Inverter oder Wechselrichter 150 und einem
Wechselstrommotor (AC-Motor) 160. Der Wechselstrom-Fahrantrieb (AC-Fahrantrieb),
wie er in 1 in Form des DC-AC-Inverters 150 und
des Wechselstrommotors 160 veranschaulicht ist, könnte
alternativ durch einen (nicht veranschaulichten) Gleichstrom-Fahrantrieb ersetzt
werden, indem der Inverter 150 durch einen Gleichstrom-Chobber
und der Wechselstrommotor 160 durch einen Gleichstrommotor
ersetzt werden. Der Ultrakondensator 140 ist parallel zu
dem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 130 über eine
positive Gleichspannungsverbindung 142 und eine negative
Gleichspannungsverbindung 144 angekoppelt. Der DC-AC-Inverter 150 ist
ebenfalls mit dem positiven DC-Anschluss 142 und dem negativen DC-Anschluss 144 gekoppelt,
durch die der DC-AC-Inverter 150 eine Gleichspannung empfängt und
anschließend einen Wechselstrom an den Wechselstrommotor 160 liefert.
Das System 100 enthält ferner eine Fahrzeugsystemsteuerung
(VSC, Vehicle Systems Control) 170, die konfiguriert ist,
um das System 100 in verschiedenen Modi zu betreiben, die
hier nachstehend erläutert sind.
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Im
Betrieb dient der mehrkanalige bidirektionale Aufwärtswandler 130 dazu,
die Spannung zu verstärken bzw. anzuheben, die durch die
Niederspannungsseite des Systems 100 zu der Hochspannungsseite
des Systems 100 geliefert wird. Während der hochspannungsseitige
Ultrakondensator 140 in der Lage ist, ausreichend Energie
zu liefern, um den Wechselstrommotor 160 derart anzutreiben,
dass das Fahrzeug bei einer verhältnismäßig
geringen Geschwindigkeit betrieben und beschleunigt werden kann,
kann in dem Fall, dass das System 100 einen Befehl von
dem Fahrzeugführer über die VSC 170 empfängt,
dass eine Erhöhung des positiven Drehmoments und somit
eine Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit erwünscht
ist, die Leistung, die dem AC-Motor 160 zugeführt
wird, eventuell ergänzt werden müssen. In diesem
Falle wird Energie von der Energiebatterie 110 und/oder
dem Ultrakondensator 120 auf der Niederspannungsseite des
mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 dazu
verwendet, die Spannung zu liefern, die für eine erhöhte Beschleunigung
des Fahrzeugs erforderlich ist. In dem Falle, dass der Ultrakondensator 120 sich
in einem relativ geringen Ladezustand oder bei geringer Spannung
befindet, kann die Spannung der Energiebatterie 110 zu
den hochspannungsseitigen DC-Verbindungen 142 und 144 über
die Niederspannungsseite (Kanal „b”) des mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 durch die
positive DC-Verbindung 113 hindurch verstärkt
werden. Die durch die Energiebatterie 110 und/oder den
Ultrakondensator 120 über die positive DC-Verbindung 113 und 114 gelieferte
Spannung wird mittels des mehrkanaligen bidirektio nalen Aufwärtswandlers 130 um
ein Verstärkungsverhältnis, das gewöhnlich
größer ist als 2:1, „verstärkt” oder
erhöht. Auf diese Weise wird die zum Beschleunigen des
Fahrzeugs benötigte Leistung über die DC-Verbindungen 142 und 144 zu
dem Wechselstrommotor 160 geliefert.
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Bei
den früheren Konfigurationen verschlechterte sich die Effizienz
des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers bei
hoher Beschleunigung oder Verzögerung des Fahrzeugs. Das
heißt, da eine Steigerung des Verhältnisses der
Spannung, die zum ausreichenden Antreiben des Wechselstrommotors
erforderlich war, im Vergleich zu der Spannung, die auf der Niederspannungsseite
des bidirektionalen Aufwärtswandlers verfügbar
war, erfuhr der mehrkanalige bidirektionale Aufwärtswandler aufgrund
einer Erhöhung des elektrischen Stroms durch Komponenten
des bidirektionalen Aufwärtswandlers einen erhöhten
elektrischen Verlust, der zu Belastungen durch thermische Wechselbeanspruchung
führte. Diese höheren Ströme verminderten die
Effizienz des bidirektionalen Aufwärtswandlers, was eine
angemessene thermische Konstruktion und Bauteile erforderte, um
die Wärme aus diesen Verlusten in den Leistungselektronikkomponenten
abzuleiten. Jedoch geht die beispielhafte Ausführungsform,
wie sie in 1 veranschaulicht ist, diese
Probleme an, um die Effizienz des Systems 100 deutlich zu
verbessern. Insbesondere sind die Energiebatterie 110 und
der Ultrakondensator 120 in Reihe zueinander auf der Niederspannungsseite
des bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 derart
angeschlossen, dass während eines normalen Betriebs des
Systems 100 ein Teil der dem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 130 zugeführten
Leistung von dem Ultrakondensator 120 herrührt,
der in der Lage ist, während Fahrzeugbeschleunigungsvorgänge,
die als regeneratives Bremsen bekannt sind, über den mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandler 130 einen Teil
der Energie aufzunehmen und zu speichern. Während des regenerativen
Bremsens steigt die Spannung des Ultrakondensators 120,
und folglich ermöglicht die Summe der Spannungen des Ultrakondensators 120 und
der Energiebatterie 110 einen höheren Spannungswert
an der DC-Verbindung 114 im Vergleich zu einem herkömmlichen
Antriebssystem mit lediglich einer Energiebatterie. Während der
nächsten Fahrzeugbeschleunigung reduziert die höhere
Spannung, die durch den Ultrakondensator 120 in Reihe mit
der Energiebatterie 110 geliefert und an dem DC-Bus 114 dem
mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 130 zugeführt
wird, den Pegel des elektrischen Stroms, der durch die Leistungselektronikkomponenten
des bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 fließt.
Dieser reduzierte elektrische Strom verringert den elektrischen
Verlust und die thermischen Wechselbeanspruchungen, die den elektrischen
Komponenten auferlegt werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des
mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 vergrößert wird.
Da der elektrische Verlust in dem mehrkanaligen bidirektionalen
Aufwärtswandler 130 aufgrund des reduzierten Strompegels
verringert wird, wird die Notwendigkeit eines schweren und teuren
Kühlsystems in dem bidirektionalen Abwärtswandler 130 ebenfalls
reduziert. Somit kann durch die Verwendung der Konfiguration, wie
sie in 1 dargelegt ist, die gesamte Größe,
das gesamte Gewicht und die gesamte Komplexität des bidirektionalen
Aufwärtswandlers 130 reduziert werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Reihenkonfiguration zwischen der Energiebatterie 110 und
dem Ultrakondensator 120 liegt in der Fähigkeit,
die Nennspannung der Energiebatterie 110 zu reduzieren,
was wiederum der Energiebatterie 110 ermöglicht,
kleiner und hinsichtlich ihres Gewichts leichter als einige herkömmliche
Energiebatterien zu sein. Da der Ultrakondensator 120 betrieben
werden kann, um eine Hochspannungsausgabe an den mehrkanaligen bidirektionalen
Aufwärtswandler 130 über den Bus 114 zu
liefern, muss die Energiebatterie 110 für sich
allein nicht eine hohe Ausgangsspannung an den bidirektionalen Aufwärtswandler 130 liefern.
Vielmehr kann die Energiebatterie 110 Energie zu dem Ultrakondensator 120 in
dem Fall liefern, dass die in dem Ultrakondensator 120 verfügbare
Energie aufgebraucht ist. Ferner können die Energiebatterie 110 und
der Ultrakondensator 120 beide Spannungsabgaben an den
bidirektionalen Aufwärtswandler 130 in dem Fall liefern,
das von der VSC 170 ein Hochbeschleunigungsbefehl empfangen
wird. Ferner ist die Energiebatterie 110 bei dieser Reihenkonfiguration
in der Lage, einen hohen Ladezustand (SOC, State-of-Charge) aufrechtzuerhalten,
was die Effizienz und Lebensdauer der Energiebatterie 110 verbessert.
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Wenn
durch die VSC 170 ein Befehl zur Verzögerung des
Fahrzeugs empfangen wird, tritt das System 100 in einen
regenerativen Bremsmodus ein. Dies bedeutet, dass während
einer schnellen Verzögerung des Fahrzeugs der Wechselstrommotor 160 Energie
erzeugt, die anschließend in die Energiespeichervorrichtungen
des Systems 100, nämlich den Ultrakondensator 140,
den Ultrakondensator 120 und die Energiebatterie 110,
zurück übertragen wird. Die hohe Spannung, die
durch das regenerative Bremsen erzeugt wird, wird durch den bidirektionalen Aufwärtswandler 130 an
den Ultrakondensator 120 und/oder die Energiebatterie 110 übermittelt.
Herkömmlich würde in einem System mit lediglich
einer Energiebatterie, die durch einen bidirektionalen Aufwärtswandler
angekoppelt ist, ein wesentlicher Teil der regenerativen Energie
durch den höheren Strom in der Energiebatterie aufgenommen
werden müssen. Somit würden sowohl in dem hohen
Innenwiderstand der Energiebatterie als auch in dem bidirektionalen
Aufwärtswandler aufgrund einer Beschränkung der
Größe des Ladungsaufnahmevermögens und der
Spannungsgrenzen der Energiespeichereinheiten hohe Verluste erlitten.
Mit der beispielhaften Konfiguration sind jedoch die Verluste sowohl
in dem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 130 als
auch in der Energiebatterie 110 deutlich reduziert. Das
heißt, die Reihenanordnung des Ultrakondensators 120 und
der Energiebatterie 110 ermöglicht es, dass ein
Großteil der regenerierten Energie in dem Ultrakondensator 120 aufgefangen
wird, anstatt darauf angewiesen zu sein, dass lediglich die Energiebatterie 110 die
regenerierte Energie aufnimmt. Im Gegensatz zu der Energiebatterie 110 ist
der Ultrakondensator 120 in einem niedrigen Ladezustand (SOC)
funktionsfähig und zur schnellen Aufnahme der elektrischen
Ladung in der Lage. An sich ist der Ultrakondensator 120 in
der Lage, einen Großteil der regenerativen Leistung von
der mit hoher Spannung regenerierten Energie, die durch den Wechselstrommotor 160 während
einer Fahrzeugverzögerung erzeugt wird, aufzunehmen, was
einen geringen elektrischen Verlust und geringe thermische Wechselbeanspruchungen
innerhalb des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 und
der Energiebatterie 110 zur Folge hat, wodurch der Gesamtwirkungsgrad
des Systems 100 verbessert wird.
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Ein
noch weiterer Vorteil der beispielhaften Ausführungsform
nach 1 liegt in der Fähigkeit, die Energieniveaus,
die an die Energiespeichervorrichtungen und von diesen geliefert
werden, dynamisch zu steuern. Der mehrkanalige bidirektionale Aufwärtswandler 130 ist
funktionsfähig, um diese Energieniveaus auf der Basis der
Fahrzeuggeschwindigkeit, des Ladezustands des Ultrakondensators, des
Ladezustands der Energiebatterie, der Drehmomentanforderung des
Wechselstromfahrantriebs und der Drehzahl des Wechselstromfahrantriebs
adaptiv zu steuern. Beispielsweise ermöglicht eine derartige dynamische
Steuerung dem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 130,
die durch den Ultrakondensator 120 und/oder die Energiebatterie 110 während
einer Fahrzeugbeschleunigung gelieferte Energiemenge unabhängig
zu steuern. Das heißt, nachdem ein Befehl zur hohen Beschleunigung
von der VSC 170 empfangen wird, funktioniert der mehrkanalige
bidirektionale Aufwärtswandler 130, um die von dem
Ultrakondensator 120 und nötigenfalls von der Energiebatterie 110 gelieferte
Leistungsmenge zu steuern, um den Wechselstrommotor 160 passend zu
speisen. In gleicher Weise ist der bidirektionale Aufwärtswandler
während einer Fahrzeugverzögerung wirksam, um
die Menge der regenerierten Leistung und Energie, die dem Ultrakondensator 120 und/oder
der Energiebatterie 110 zugeführt wird, zu steuern,
um die gesamte Ladungsaufnahme des Systems auf ein Maximum zu steigern.
Eine derartige dynamische Steuerung verbessert in großem
Maße die Gesamteffizienz des Systems 100.
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Indem
nun auf 2 Bezug genommen wird, veranschaulicht
eine graphische Darstellung des Systems 100 einen normalen
Betrieb des Systems 100, wobei die Spannung an der DC-Verbindung
als Funktion der Motordrehzahl und des Motordrehmomentes veranschaulicht
ist. Die Strichlinien 210 repräsentieren die beispielhaften
Referenzwerte für die zugehörigen Energiespeicherkomponentenspannungen.
Wie in dem Kurvenbild 202 veranschaulicht, lässt
sich das volle Drehmoment des Antriebs für eine beispielhafte
Konstruktion eines Wechselstrommotors durch Erhöhung der
Referenzspannung von irgendeinem vorbestimmten minimalen Wert auf
einen vorbestimmten maximalen Referenzwert bei einer Motordrehzahl
von ungefähr 50% der Nenndrehzahl erreichen. In dem Bereich
von 50% bis 100% der Motornenndrehzahl wird die Referenzspannung
der DC-Verbindung im Wesentlichen konstant gehalten. Wie in dem
Kurvenbild 208 veranschaulicht, steigt und fällt
die Spannung des Ultrakondensators 140 (der als Ultrakondensator 2 bezeichnet
ist) oberhalb und unterhalb der Referenzlinie, wenn von der Vorrichtung
Energie entnommen oder zu dieser geliefert wird. Wenn sich die Spannung
des Ultrakondensators 140, d. h. der Ladezustand, der Grenze
nähert, wird zusätzliche Energie zu der Vorrichtung
primär von dem Ultrakondensator 120 (der als Ultrakondensator 1 bezeichnet ist)
geliefert, wie dies in dem Kurvenbild 206 veranschaulicht
ist. Wenn der Ultrakondensator 120 nicht in der Lage ist,
die gewünschte Energie zu liefern, wird die Energiebatterie 110 dazu verwendet,
zusätzliche Energie bereitzustellen, wie dies in dem Kurvenbild 204 veranschaulicht
ist. Beispielsweise lässt sich die Energiebatterie 110 während
eines Betriebs beim Hinauffahren auf einem steilen Anstieg über
einen längeren Zeitraum hinweg betreiben, um einen Großteil
der Energie zu liefern, da die sowohl in dem Ultrakondensator 140 als
auch in dem Ultrakondensator 120 gespeicherte Energie im
Wesentlichen aufgebraucht sein kann.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Das System 300,
wie es in 3 veranschaulicht ist, ist dem
in 1 veranschaulichten System 100 im Wesentlichen ähnlich,
so dass folglich Bezugszeichen, die zum Bezeichnen von Komponenten
in 1 verwendet werden, auch verwendet werden, um ähnliche
Komponenten in 3 zu bezeichnen. Wie veranschaulicht,
enthält das System 300 die Komponenten des Systems 100,
wobei eine Hilfsantriebseinheit auf der Niederspannungsseite des
mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 130 hinzugefügt
ist. Die Hilfsantriebseinheit weist eine Wärmekraftmaschine 310,
einen Alternator bzw. Wechselstromgenerator 320 und einen
Gleichrichter 330 auf. Der Ausgang des Gleichrichters 330 ist
mit den Bussen 112 und 114 derart gekoppelt, dass durch
die Wärmekraftmaschine 310 und den Wechselstromgenerator 320 erzeugte
Energie bedarfsweise die durch den Ultrakondensator 120 und/oder
die Energiebatterie 110 gelieferte Energie ergänzt.
Die in dem System 300 veranschaulichte hybridelektrische Konfiguration
ermöglicht es, dass ausreichend Energie zu dem Wechselstrommotor 160 selbst
in den Fällen geliefert wird, in denen das Ladungs- und Spannungsniveau
des Ultrakondensators 120 und der Energiebatterie 110 deutlich
aufgebraucht sind. Ferner ist die Hilfsantriebseinheit auch in der
Lage, Energie zum Aufladen des Ultrakondensators 120 und/oder
der Energiebatterie 110 je nach dem Ladezustand dieser
Energiespeichervorrichtungen zu liefern.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 4 veranschaulicht. Ähnlich
wie die Systeme 100 und 300, die jeweils in 1 bzw. 3 veranschaulicht
sind, stellt das System 400 einen Ultrakondensator 420 bereit,
der in Reihe zu einer Energiebatterie 410 angeschlossen
ist, wobei sowohl der Ultrakondensator 420 als auch die
Energiebatterie 410 über Busse 412, 413 und 414 mit
einem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 430 gekoppelt sind.
Auf der Hochspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 ist
ein weiterer Ultrakondensator 440 parallel zu dem mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandler 430 und einem
(nicht veranschaulichten) Motor über eine DC-Verbindung 442 und
eine DC-Verbindung 444 angeschlossen. Zusätzlich
ist eine Hilfsantriebsquelle mit den Bussen 414 und 412 auf
der Niederspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 gekoppelt.
Wie bei dem System 300 weist die Hilfsantriebsquelle eine
Wärmekraftmaschine 415, einen Alternator bzw.
Wechselstromgenerator 417 und einen Gleichrichter 419 auf.
Der Ausgang des Gleichrichters 419 ist mit den Bussen 412 und 414 derart
gekoppelt, dass durch die Wärmekraftmaschine 415 und
den Alternator 417 erzeugte Energie erforderlichenfalls
die durch den Ultrakondensator 420 und/oder die Energiebatterie 410 gelieferte
Energie ergänzt. Das System 400 weist ferner einen
zusätzlichen Ultrakondensator 425 auf. Der Ultrakondensator 425 dient
dazu, eine noch weitere Energiequelle in dem Falle bereitzustellen,
dass die Energieanforderung zum Betreiben des Motors größer
ist als diejenige, die der Ultrakondensator 420, die Energiebatterie 410 und
die Hilfsantriebsquelle bereitstellen können. Der Ultrakondensator 425 ist auch
funktionsfähig, um während regenerativer Bremsereignisse
Energie aufzunehmen, was die Gesamteffizienz des Systems 400 erhöht.
Falls der Fahrzeugführer fortfährt, zusätzliche
Leistung zum Betreiben des Fahrzeugs anzufordern, beispielsweise
beim Bergauffahren entlang einer langen Steigung, wodurch der Ladezustand
(SOC) des Ultrakondensators 425 bis auf irgendeinen vorbestimmten
minimalen Wert erschöpft wird, so dass die Spannung des
Ultrakondensators 425 unterhalb der Spannung der Energiebatterie 410 liegt,
leitet ferner eine unidirektional leitende Vorrichtung 427,
wie beispielsweise eine Diode, Strom derart, dass der bidirektionale Aufwärtswandler 430 Leistung
und Energie primär aus der Energiebatterie 410 unter
Verwendung von zwei Kanälen des mehrkanaligen bidirektionalen
Aufwärtswandlers 430 entnimmt, wodurch in etwa
doppelt so viel Nennleistung im Vergleich zu einem einzelnen Kanal
des bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 ermöglicht
wird. Eine derartige Konfiguration dient dazu, eine Erhöhung
der Betriebsgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu unterstützen,
insbesondere wenn die gespeicherte Energie des Ultrakondensators
erschöpft ist oder in der Nähe einer vorbestimmten
Spannungsgrenze liegt.
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5 veranschaulicht
eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung. Anders
als das System 400, das in 4 veranschaulicht
ist, stellt das System 500 einen Ultrakondensator 520 bereit,
der in Reihe zu einer Leistungsbatterie 510 angeschlossen ist.
Der Ausdruck Leistungsbatterie, wie er hierin verwendet wird, beschreibt
eine Batterie, die eine hohe Leistungsdichte (z. B. in der Größenordnung
von 300 W/kg oder mehr, wie beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Batterie,
Nickel-Metallhydrid-Batterie oder Lithium-Ionen-Batterie), jedoch
eine verhältnismäßig geringe Energiedichte
aufweist. Leistungsbatterien lassen sich jedoch leichter elektrisch
wiederaufladen als Energiebatterien, und somit haben Leistungsbatterien
ein größeres Vermögen zur Wiederaufnahme von
Energie, die während regenerativer Bremsereignisse bei
hoher Leistung erzeugt wird. Sowohl der Ultrakondensator 520 als
auch die Leistungsbatterie 510 sind über Busse 514, 513 und 512 mit
einem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 510 elektrisch
gekoppelt. Auf der Hochspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen
Aufwärtswandlers 530 ist ein weiterer Ultrakondensator 540 parallel
zu dem mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 530 und
einem (nicht veranschaulichten) Motor über eine DC-Verbindung 542 und
eine DC-Verbindung 544 angekoppelt. Wie bei dem System 400 weist
das System 500 ebenfalls eine Hilfsantriebsquelle, die mit
den Bussen 514 und 512 auf der Niederspannungsseite
des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 530 gekoppelt
ist. Wie bei den Systemen 300 und 400 weist die
Hilfsantriebsquelle eine Wärmekraftmaschine 515,
einen Alternator 517 und einen Gleichrichter 519 auf.
Der Ausgang des Gleichrichters 519 ist mit den Bussen 512 und 514 gekoppelt,
so dass durch die Wärmekraftmaschine 515 und den
Alternator 517 erzeugte Energie erforderlichenfalls die
durch den Ultrakondensator 520 und/oder die Leistungsbatterie 510 gelieferte
Energie ergänzt. Das System 500 weist ferner eine
Energiebatterie 525 auf. Die Energiebatterie 525 dient
wie der in 4 veranschaulichte Ultrakondensator 425 dazu, in
dem Falle, dass die Energieanforderung zum Antreiben des Motors
diejenige übersteigt, die der Ultrakondensator 520,
die Energiebatterie 510 und die Hilfsantriebsquelle liefern
können, eine noch weitere Energiequelle bereitzustellen.
Die Energiebatterie 525 ist ebenfalls funktionsfähig,
um Energie während regenerativer Bremsereignisse aufzunehmen,
was zu dem Gesamtwirkungsgrad des Systems 400 beiträgt.
Ferner ist in dem Fall, dass ein Fahrzeugführer weiterhin
zusätzliche Leistung zum Betreiben des Fahrzeugs anfordert,
beispielsweise beim Bergauffahren an einer langen Steigung, wodurch
der Ladezustand (SOC) der Energiebatterie 525 bis auf einen vorbestimmten
minimalen Wert aufgebraucht wird, so dass die Spannung der Energiebatterie 525 unterhalb
der Spannung der Leistungsbatterie 510 liegt, eine unidirektional
leitende Vorrichtung 527, wie beispielsweise eine Diode,
derart leitend, dass der bidirektionale Aufwärtswandler 530 in
erster Linie aus der Leistungsbatterie 510 und dem niedrigeren
Leistungsniveau von der Energiebatterie 525 unter Verwendung
von zwei Kanälen des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers
Leistung und Energie entnimmt, wodurch ungefähr die doppelte
Nennleistung im Vergleich zu einem einzelnen Kanal des mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandlers 530 ermöglicht
wird. Das durch die Energiebatterie 525 entnommene niedrigere
Leistungsniveau ist auf den inhärent höheren inneren
Widerstand der Energiebatterie 525 im Vergleich zu der
Leistungsbatterie 510 zurückzuführen.
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Indem
nun auf 6 Bezug genommen wird, ist dort
eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Das System 600, wie es in 6 veranschaulicht
ist, ist dem in 4 veranschaulichten System 400 im
Wesentlichen ähnlich, so dass folglich Bezugszeichen, die
zum Bezeichnen von Komponenten in 4 verwendet
werden, auch dazu verwendet werden, ähnliche Komponenten
in 6 zu bezeichnen. Insbesondere ergibt das System 600 eine
identische Konfiguration auf der Niederspannungsseite des mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandlers 430, wie diejenige,
die in dem System 400 veranschaulicht ist. Das System 600 weist jedoch
auf der Hochspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 eine
Leistungsbatterie 640 auf. Wie in 6 veranschaulicht, ist
die Leistungsbatterie 640 parallel zu dem mehrkanaligen
bidirektionalen Aufwärtswandler 430 und einem
(nicht veranschaulichten) Motor über eine DC-Verbindung 442 und
eine DC-Verbindung 444 angeschlossen. Wie vorstehend im
Zusammenhang mit dem System 500 erläutert, ist
eine Leistungsbatterie eine Batterie mit einer verhältnismäßig
hohen Leistungsdichte (z. B. in der Größenordnung
von 300 W/kg oder mehr), jedoch einer re lativ geringen Energiedichte.
Von Leistungsbatterien ist es erneut bekannt, dass sie leichter,
bei höheren Geschwindigkeiten als Energiebatterien elektrisch
wiederaufladbar sind, was hauptsächlich bei regenerativen
Bremsereignissen als Vorteil angesehen wird. Die Leistungsbatterie 614 ist
auf der Hochspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 platziert,
so dass dem Motor eine Leistungsdichte, die zur Erzielung einer
Fahrzeugbeschleunigung ausreicht, ohne eine unmittelbare Notwendigkeit
einer wesentlichen Energieergänzung von den Energiespeichervorrichtungen
auf der Niederspannungsseite des mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 zugeführt
werden kann. Erneut gilt, dass, während die Leistungsbatterie 640 in
der Lage ist, eine ausreichende Energiemenge zur Beschleunigung
des Fahrzeugs zu liefern, Leistungsbatterien begrenzte Energiedichten
haben, was bedeutet, dass der Ladezustand (SOC) der Leistungsbatterie während
Beschleunigungsereignisse schneller aufgebraucht wird. Jedoch als
eine ergänzende Leistungsversorgung sowohl zur Lieferung
von Energie als auch zur Wideraufnahme von Energie bei regenerativen
Bremsereignissen verbessert die Leistungsbatterie 640 effektiv
die Gesamteffizienz des Systems 600, insbesondere für
Fahrzeuganwendungen und dynamische Lasten, die eine hohe gepulste
Leistung erfordern, oder Elektroantriebe, die ein hohes Ausgangsdrehmoment
bei relativ hoher Motordrehzahl mit hoher Widerholfrequenz erfordern,
d. h. Antriebe für Massenbeförderungsanwendungen,
bei denen die Beschleunigungs- und regenerativen Bremsereignisse
bei relativ hohen Motordrehzahlen auftreten.
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7 veranschaulicht
schematisiert eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung.
Die Ausführungsform nach 7 ist mit
der Ausnahme der Hilfsantriebseinheit im Wesentlichen die gleiche wie
diejenige, die in 4 veranschaulicht ist. Das heißt,
die Hilfsantriebseinheit des Systems 700 enthält nicht
nur eine Wärmekraftmaschine 415, einen Alternator
bzw. Wechselstromgenerator 417 und einen Gleichrichter 419,
sondern auch ein elektrisches Einstecksystem, das einen Wechselstromanschluss bzw.
-stecker 715, einen Erdfehlerstromschutzschalter (GFI-Schutzschalter) 717,
einen Trenntransformator 719 und einen Gleichrichter 721 aufweist. Wenn
sich das durch das System 700 angetriebene Fahrzeug außer
Betrieb befindet, kann der AC-Stecker 715 mit einer externen
elektrischen Stromquelle (d. h. dem Versorgungsnetz) gekoppelt werden,
um Energie über den Gleichrichter 721 zu den Energiespeichervorrichtungen
auf der Niederspannungsseite des bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 zu
liefern. Erneut enthalten diese Energiespeichervorrichtungen den
Ultrakondensator 420, den Ultrakondensator 425 und
die Energiebatterie 410 auf der Niederspannungsseite des
mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 zuzüglich
des Ultrakondensators 440 auf der Hochspannungsseite des
bidirektionalen Aufwärtswandlers 430. Demgemäß ist
das in 7 veranschaulichte System 700 nicht nur
zur Energieregeneration über die Wärmekraftmaschine 415 in der
Lage, während es sich im Betrieb befindet, sondern es kann
auch wiederaufgeladen werden, wenn sich das Fahrzeug nicht im Verkehr
befindet. Alternativ kann das in 7 veranschaulichte
Hilfsantriebseinheitssystem auch ohne den Einsatz der Wärmekraftmaschine 415,
des Alternators 417 oder des Gleichrichters 419 konfiguriert
sein. An sich kann eine Hilfsantriebseinheit, die lediglich das
elektrische Einstecksystem aufweist, eine kostengünstige
Lösung zur Energieregeneration in den Energiespeichervorrichtungen
auf der Niederspannungsseite des bidirektionalen Aufwärtswandlers 430 ergeben.
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Während
die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer
begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden
ist, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die
Erfindung nicht auf derartige offenbarte Aus führungsformen
beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden,
um jede beliebige Anzahl von Veränderungen, Modifikationen,
Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen, die hier
vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Schutzumfang
der Erfindung entsprechen, zu enthalten. Außerdem sollte
es verständlich sein, dass, während verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind,
Aspekte der Erfindung lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten
können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als
durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen,
sondern sie ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche beschränkt.
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Es
ist ein Antriebssystem geschaffen, das einen Elektroantrieb 150, 160,
ein erstes Energiespeichersystem 140, das mit dem Elektroantrieb 150, 160 über
eine Gleichspannungs(DC)-Verbindung 142, 144 elektrisch
gekoppelt ist, und ein zweites Energiespeichersystem 110, 120 enthält,
das mit dem Elektroantrieb 150, 160 elektrisch
gekoppelt ist. Das Antriebssystem enthält ferner einen
mehrkanaligen bidirektionalen Aufwärtswandler 130,
der mit dem ersten Energiespeichersystem 140 und mit dem
zweiten Energiespeichersystem 110, 120 derart
gekoppelt ist, dass das zweite Energiespeichersystem 110, 120 von
der DC-Verbindung 142, 144 entkoppelt werden kann,
wobei das zweite Energiespeichersystem 110, 120 wenigstens
eine Batterie 110 aufweist, die mit wenigstens einem Ultrakondensator 120 in
Reihe gekoppelt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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