DE102020208864A1 - Hybrid-Fahrzeug und Verfahren zum Laden eines Hybrid-Fahrzeugs - Google Patents

Hybrid-Fahrzeug und Verfahren zum Laden eines Hybrid-Fahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Fahrzeug (1), umfassend eine Niedervolt-Batterie (2), eine Hochvolt-Batterie (3), einen DC/DC-Wandler (4) sowie mindestens ein Steuergerät (8) zur Steuerung des DC/DC-Wandlers (4), wobei der Niedervolt-Batterie (2) mindestens eine Ladeschnittstelle (10) zugeordnet ist, wobei der DC/DC-Wandler (4) derart ausgebildet ist, mindestens als Hochsetzsteller zu arbeiten, wobei das Steuergerät (8) derart ausgebildet ist, einen Ladebedarf der Hochvolt-Batterie (3) zu erfassen und den Hochsetzsteller-Betrieb zu aktivieren, wenn keine Fahrbereitschaft vorliegt (S2) und eine externe Ladequelle an der Ladeschnittstelle (10) erfasst oder bestätigt wird (S1), sowie ein Verfahren zum Laden eines Hybrid-Fahrzeugs (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Hybrid-Fahrzeug und ein Verfahren zum Laden eines Hybrid-Fahrzeugs.
  • Hybrid-Fahrzeuge (HEV Hybrid Electric Vehicles) verfügen über eine Hochvolt-Batterie, die ausschließlich als Antriebsunterstützung und zum Speichern von Rekuperationsenergie genutzt wird. Geladen werden kann die Hochvolt-Batterie nur mittels einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Elektromaschine generatorisch antreibt, da es im Gegensatz zu Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen (PHEV) keine Ladeschnittstelle für die Hochvolt-Batterie gibt. Neben der Hochvolt-Batterie existiert mindestens eine Niedervolt-Batterie (z.B. 12 V, 24 V, 36 V oder 48 V), die die Bordnetzverbraucher mit Spannung versorgt. Dabei ist es weiter bekannt, zwischen Hochvolt-Batterie und Niedervolt-Batterie einen DC/DC-Wandler anzuordnen, um aus der Hochvolt-Batterie die Niedervolt-Batterie zu laden.
  • Aus der DE 10 2011 114 998 A ist eine On-board-Ladeeinheit eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Ladeanschluss für ein externes Stromnetz und mit einem Hochvolt-Ladeausgang für eine Hochvolt-Batterie bekannt, die zur Bereitstellung einer elektrischen Antriebsleistung vorgesehen ist, wobei zusätzlich ein Niedervolt-Ladeausgang für eine Niedervolt-Batterie vorgesehen ist. Dabei kann die Hochvolt-Batterie situativ auch durch die Niedervolt-Batterie geladen werden.
  • Aus der DE 10 2004 008 817 A1 ist ein Verfahren zum Laden einer Hochspannungsbatterie für einen Starter/Generator bekannt, wobei die Hochspannungsbatterie aus einer Niederspannungsbatterie geladen wird, die wiederum aus einer Niederspannungsquelle geladen wird. Die Hochspannungsbatterie ist dabei eine 42 V-Batterie und die Niederspannungsbatterie ist dabei eine 12 V-Batterie.
  • Nachfolgend soll unter Niedervolt-Batterie eine Batterie mit einer Spannung < 60 V und unter Hochvolt-Batterie eine Batterie mit einer Spannung > 60 V, vorzugsweise größer 100 V, verstanden werden.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Hybrid-Fahrzeug zu verbessern sowie ein Verfahren zum Laden eines Hybrid-Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen.
  • Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Hybrid-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Laden eines Hybrid-Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Hierzu umfasst das Hybrid-Fahrzeug eine Niedervolt-Batterie, eine Hochvolt-Batterie, einen DC/DC-Wandler sowie mindestens ein Steuergerät zur Steuerung des DC/DC-Wandlers. Dabei ist der Niedervolt-Batterie mindestens eine Ladeschnittstelle zugeordnet. Der DC/DC-Wandler ist derart ausgebildet, mindestens als Hochsetzsteller zu arbeiten. Das Steuergerät ist derart ausgebildet, einen Ladebedarf der Hochvolt-Batterie zu erfassen und den Hochsetzsteller-Betrieb zu aktivieren, wenn keine Fahrbereitschaft vorliegt und eine externe Ladequelle an der Ladeschnittstelle erfasst oder bestätigt wird. Somit kann das Hybrid-Fahrzeug in speziellen Situationen von außen die Hochvolt-Batterie auch ohne Hochvolt-Ladeanschluss laden. Hiermit kann generell die Reichweite solcher Hybrid-Fahrzeuge erhöht werden oder der Kundendienst bzw. der Nutzer eine entladene oder teil-entladene Hochvolt-Batterie wieder aufladen. Da die Kapazität der Niedervolt-Batterie im Vergleich zur Hochvolt-Batterie gering ist, darf dabei der Ladevorgang nur durchgeführt werden, wenn die Niedervolt-Batterie von außen gestützt wird. Des Weiteren darf das Hybrid-Fahrzeug nicht in Fahrbereitschaft sein, da externe Kabel angeschlossen sind. D.h. das Hybrid-Fahrzeug muss sich im Fahrzeugstillstand mit ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine befinden.
  • Vorzugsweise ist der DC/DC-Wandler bidirektional ausgebildet, sodass im Fahrbetrieb oder zu anderen Situationen die Niedervolt-Batterie durch die Hochvolt-Batterie geladen werden kann.
  • In einer Ausführungsform bilden die Batteriepole der Niedervolt-Batterie die Ladeschnittstelle. Dies ist vergleichbar der klassischen Starthilfe mit Starthilfekabel.
  • In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform ist die Ladeschnittstelle als Wechselspannungs-Steckdose mit nachgeschaltetem Gleichrichter ausgebildet. Somit kann die Niedervolt-Batterie sehr einfach über eine übliche Netzsteckdose geladen werden. Die Wechselspannungs-Steckdose kann dabei von außen zugänglich am Hybrid-Fahrzeug angeordnet sein. Alternativ kann diese auch intern im Hybrid-Fahrzeug angeordnet sein.
  • Vorzugsweise ist der Gleichrichter Bestandteil eines bidirektionalen Umrichters, sodass über die Ladeschnittstelle einerseits die Niedervolt-Batterie geladen werden kann oder situativ externe elektrische Verbraucher aus der Niedervolt-Batterie mit Spannung versorgt werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Hybrid-Fahrzeug derart ausgebildet, dass der Anfahrbetrieb ausschließlich rein elektrisch ist. Dies erlaubt eine vereinfachte Auslegung des Getriebes. Andererseits kann dann bei entladener Hochvolt-Batterie das Hybrid-Fahrzeug nicht gestartet werden. Durch die erfindungsgemäße Ladeschnittstelle kann in einem solchen Fall die Hochvolt-Batterie über den DC/DC-Wandler geladen werden und die Startfähigkeit hergestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Ladeschnittstelle und der Niedervolt-Batterie mindestens eine Schutzschaltung angeordnet. Die Schutzschaltung kann dabei z.B. eine Überstromsicherung, einen Überspannungsschutz und/oder Filterschaltungen umfassen, um so die Niedervolt-Batterie und das daran angeschlossene Bordnetz zu schützen.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät mit einer Anzeige- und Bedieneinheit verbunden, wobei die Anzeige- und Bedieneinheit derart ausgebildet ist, das Laden der Hochvolt-Batterie aus der Niedervolt-Batterie zu starten. Hierzu betätigt beispielsweise ein Nutzer mittels einer Eingabe, dass eine externe Ladungsquelle angeschlossen ist.
  • Alternativ kann auch eine Ladestecker-Erkennung vorgesehen sein, die selbsttätig einen gesteckten Ladestecker an der Ladeschnittstelle detektiert und so das Laden starten kann.
  • Hinsichtlich der verfahrensmäßigen Ausgestaltung wird vollinhaltlich auf die vorangegangenen Ausführungen Bezug genommen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Elektrik eines Hybrid-Fahrzeugs und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Umrichters.
  • In der 1 ist schematisch ein Blockschaltbild der Elektrik eines Hybrid-Fahrzeugs 1 dargestellt. Das Hybrid-Fahrzeug 1 umfasst eine Niedervolt-Batterie 2, eine Hochvolt-Batterie 3 und einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 4, der zwischen der Niedervolt-Batterie 2 und der Hochvolt-Batterie 3 angeordnet ist. Weiter weist das Hybrid-Fahrzeug 1 mindestens einen Wechselrichter 5 und mindestens eine Elektromaschine 6 auf. Es sind auch Ausführungen mit zwei oder mehr Wechselrichtern 5 möglich, denen jeweils eine Elektromaschine 6 zugeordnet ist. An die Niedervolt-Batterie 2 sind elektrische Bordnetzverbraucher 7 angeschlossen. Weiter weist das Hybrid-Fahrzeug 1 mindestens ein Steuergerät 8 auf, das den DC/DC-Wandler 4 steuert. Das Steuergerät 8 ist mit einer Anzeige- und Bedieneinheit 9 verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 8 mit weiteren nicht dargestellten Steuergeräten verbunden, die das Hochvoltnetz und das Niedervoltnetz überwachen und steuern. Weiter weist das Hybrid-Fahrzeug 1 eine Ladeschnittstelle 10 auf, die der Niedervolt-Batterie 2 zugeordnet ist, die durch die Batteriepole 12 der Niedervolt-Batterie 2 gebildet wird. Schließlich ist gestrichelt eine externe Gleichspannungsquelle 11 dargestellt, die an die Ladeschnittstelle 10 angeschlossen ist.
  • Sei nun angenommen, dass die Hochvolt-Batterie 3 entladen oder teil-entladen ist, so kann dies einen Nutzer mittels der Anzeige- und Bedieneinheit 9 mitgeteilt werden, wozu die Anzeige- und Bedieneinheit 9 Daten von einem Hochvolt-Batterie-Steuergerät erhält. Der Nutzer kann dann die externe Gleichspannungsquelle 11 an die Ladeschnittstelle 10 anschließen und den Ladevorgang starten (beispielsweise durch eine Eingabe an der Anzeige- und Bedieneinheit 9 oder einem separaten Taster). Dieser Startbefehl wird an das Steuergerät 8 übertragen. Das Steuergerät 8 überprüft nun, ob eine externe Gleichspannungsquelle 11 angeschlossen ist S1 und ob keine Fahrbereitschaft vorliegt S2 (Fahrzeug steht und Verbrennungskraftmaschine ausgeschaltet). Dabei kann eine angeschlossene externe Gleichspannungsquelle 11 durch den Nutzer bestätigt werden oder aber der Anschluss der externen Gleichspannungsquelle 11 durch eine Sensorik erfasst werden. Sind beide Bedingungen erfüllt, so wird der DC/DC-Wandler 8 eingeschaltet und als Hochsetzsteller betrieben. Über die Niedervolt-Batterie 2 wird der DC/DC-Wandler 4 gespeist und die Niedervolt-Batterie 2 gleichzeitig durch die externe Gleichspannungsquelle 11 geladen und somit gestützt. Das Steuergerät 8 überwacht und steuert den Ladevorgang und bricht diesen bei einem auftretenden Fehler ab. Ebenso überwacht das Steuergerät 8, dass die Niedervolt-Batterie 2 nicht zu stark belastet wird. Mögliche Grenzwerte können vorab abgelegt sein oder aber werden dem Steuergerät 8 von den anderen Steuergeräten übermittelt. Ist dann die Hochvolt-Batterie 3 ausreichend geladen, wird der Ladevorgang beendet und der DC/DC-Wandler 4 ausgeschaltet. Zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das Steuergerät 8 auch einen Ladevorgang der Niedervolt-Batterie 2 durch die externe Gleichspannungsquelle 11 beenden kann (z.B. durch Öffnung nicht dargestellter Schaltelemente).
  • Somit kann die Reichweite von Hybrid-Fahrzeugen 1 erhöht und der CO2-Ausstoß verringert werden. Bei Hybrid-Fahrzeugen 1, bei denen der Anfahrvorgang rein elektrisch erfolgt, können so „Liegenbleiber“ einfach behoben werden, da eine entladene Hochvolt-Batterie 3 einfach geladen werden kann.
  • In der 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die Ladeschnittstelle 10 als Wechselspannungs-Steckdose 13 ausgebildet ist. Zwischen der Ladeschnittstelle 10 und der Niedervolt-Batterie 2 ist ein bidirektionaler Umrichter 14 mit einer Schutzschaltung 15 angeordnet, der eine Wechselspannung für die Niedervolt-Batterie 2 gleichrichtet oder aber die Gleichspannung der Niedervolt-Batterie 2 in eine Wechselspannung wandelt, falls ein elektrischer Verbraucher an der Ladeschnittstelle 10 angeschlossen ist. Hinter dem Umrichter 14 ist eine Ladestecker-Erkennungsschaltung 16 angeordnet, mittels derer ein gesteckter Ladestecker in der Wechselspannungs-Steckdose 13 erfassbar ist. Neben dem manuellen Starten des Ladeverfahrens kann dieses auch vollautomatisiert durchgeführt werden, beispielsweise wenn das Hybrid-Fahrzeug 1 längere Zeit z.B. in einer Garage abgestellt wird. In diesem Fall wird die externe Ladungsquelle (z.B. das Hausnetz) angeschlossen und das Hybrid-Fahrzeug 1 wacht periodisch auf und überprüft den Ladezustand der Hochvolt-Batterie 3 und gegebenenfalls der Niedervolt-Batterie 2 und startet den Ladevorgang, wenn der SOC-Wert unter einen Grenzwert fällt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hybrid-Fahrzeug
    2
    Niedervolt-Batterie
    3
    Hochvolt-Batterie
    4
    DC/DC-Wandler
    5
    Wechselrichter
    6
    Elektromaschine
    7
    elektrische Bordnetzverbraucher
    8
    Steuergerät
    9
    Anzeige- und Bedieneinheit
    10
    Ladeschnittstelle
    11
    Gleichspannungsquelle
    12
    Batteriepole
    13
    Wechselspannungs-Ladedose
    14
    Umrichter
    15
    Schutzschaltung
    16
    Ladestecker-Erkennungsschaltung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011114998 A [0003]
    • DE 102004008817 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Hybrid-Fahrzeug (1), umfassend eine Niedervolt-Batterie (2), eine Hochvolt-Batterie (3), einen DC/DC-Wandler (4) sowie mindestens ein Steuergerät (8) zur Steuerung des DC/DC-Wandlers (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Niedervolt-Batterie (2) mindestens eine Ladeschnittstelle (10) zugeordnet ist, wobei der DC/DC-Wandler (4) derart ausgebildet ist, mindestens als Hochsetzsteller zu arbeiten, wobei das Steuergerät (8) derart ausgebildet ist, einen Ladebedarf der Hochvolt-Batterie (3) zu erfassen und den Hochsetzsteller-Betrieb zu aktivieren, wenn keine Fahrbereitschaft vorliegt (S2) und eine externe Ladequelle an der Ladeschnittstelle (10) erfasst oder betätigt wird (S1).
  2. Hybrid-Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (4) als bidirektionaler DC/DC-Wandler (4) ausgebildet ist.
  3. Hybrid-Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschnittstelle (10) die Batteriepole (12) der Niedervolt-Batterie (2) sind.
  4. Hybrid-Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeschnittstelle (10) als Wechselspannungs-Steckdose (13) mit nachgeschaltetem Gleichrichter ausgebildet ist.
  5. Hybrid-Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter Bestandteil eines bidirektionalen Umrichters (14) ist.
  6. Hybrid-Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybrid-Fahrzeug (1) derart ausgebildet ist, dass der Anfahrbetrieb ausschließlich rein elektrisch ist.
  7. Hybrid-Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Ladeschnittstelle (10) und der Niedervolt-Batterie (2) mindestens eine Schutzschaltung (15) angeordnet ist.
  8. Hybrid-Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (8) mit einer Anzeige- und Bedieneinheit (9) verbunden ist, wobei die Anzeige- und Bedieneinheit (9) derart ausgebildet ist, das Laden der Hochvolt-Batterie (3) aus der Niedervolt-Batterie (2) zu starten.
  9. Hybrid-Fahrzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hybrid-Fahrzeug (1) eine Ladestecker-Erkennung (16) aufweist, wobei das Hybrid-Fahrzeug (1) derart ausgebildet ist, den Ladevorgang automatisch zu starten, wenn ein Ladestecker erfasst wird, keine Fahrbereitschaft vorliegt (S2) und ein Ladebedarf für die Hochvolt-Batterie (3) vorliegt.
  10. Verfahren zum Laden eines Hybrid-Fahrzeugs (1), wobei das Hybrid-Fahrzeug (1) eine Niedervolt-Batterie (2), eine Hochvolt-Batterie (3), einen DC/DC-Wandler (4), mindestens ein Steuergerät (8) zur Steuerung des DC/DC-Wandlers (4) sowie eine der Niedervolt-Batterie (2) zugeordnete Ladeschnittstelle aufweist, wobei ein Ladebedarf der Hochvolt-Batterie (3) erfasst wird, wobei die Hochvolt-Batterie (3) aus der Niedervolt-Batterie (2) über den als Hochsetzsteller arbeitenden DC/DC-Wandler (4) geladen wird, wenn keine Fahrbereitschaft vorliegt (S2) und eine externe Ladequelle an der Ladeschnittstelle (10) erfasst wird (S1) oder von einem Nutzer eine angeschlossene externe Ladequelle bestätigt wird.
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