DE60110520T2 - Generatoreinheit eines Hybridfahrzeug - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heim-Stromversorgungseinheit für Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVS", Hybrid Electro Vehicles; Hybrid-Elektrofahrzeuge), die als Generator wirkt, um externe elektrische Apparate – wie etwa Elektrogeräte – zu betreiben.
- Die Notwendigkeit den Verbrauch fossiler Kraftstoffe und Schafstoffe von Automobilen und anderen von Verbrennungsmotoren („ICES", Internal Combustion Engines; Verbrennungsmotoren) angetriebenen Fahrzeugen zu vermindern ist wohlbekannt. Von Elektromotoren angetriebene Fahrzeuge haben versucht diese Notwendigkeit anzusprechen. Elektrofahrzeuge besitzen jedoch begrenzte Reichweite und Leistung; gekoppelt mit der beträchtlichen Zeit, die benötigt wird um ihre Batterien wieder aufzuladen. Eine alternative Lösung ist es, sowohl einen ICE wie auch einen elektrischen Fahrmotor in einem Fahrzeug zu kombinieren. Derartige Fahrzeuge werden typischerweise Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVS") genannt. Siehe allgemein U.S.-Patent Nr. 5,343,970 (Severisky).
- Das HAEV wurde in einer Vielzahl von Konfigurationen beschrieben. Viele HEV-Patente legen Systeme offen, bei denen vom Bediener gefordert wird zwischen Elektro- und Verbrennungsmotorbetrieb zu wählen. In anderen treibt der Elektromotor einen Satz Räder an, und der ICE treibt einen anderen Satz an.
- Es haben sich andere Konfiguration entwickelt. Ein Reihenhybrid-Elektrofahrzeug („SHEV", Series Hybrid Electric Vehicle; Reihenhybrid-Elektrofahrzeug) ist ein Fahrzeug mit einem Motor (am typischsten ein ICE), welcher einen Generator antreibt. Der Generator liefert wiederum Elektrizität für eine Batterie und einen an die Antriebsräder des Fahrzeugs gekoppelten Motor. Es besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Motor und den Antriebsrädern. Ein Parallelhybrid-Elektrofahrzeug („PHEV", Parallel Hybrid Electric Vehicle; Parallelhybrid-Elektrofahrzeug) ist ein Fahrzeug mit einem Motor (am typischsten ein ICE), einer Batterie und einem Elektromotor, die kombiniert sind um Drehmoment zu liefern, um die Räder des Fahrzeugs anzutreiben.
- Ein Parallel/Reihenhybrid-Elektrofahrzeug („PSHEV", Parallel/Series Hybrid Electric Vehicle; Parallel/Reihenhybrid-Elektrofahrzeug) weist charakteristische Merkmale sowohl eines PHEV wie auch eines SHEV auf. Das PSHEV ist auch als eine Drehmoment (oder Leistung) teilende Antriebsstrang-Konfiguration bekannt. Hier wird die Drehmomentabgabe des Motors zum Teil an die Antriebsräder und zum Teil an einen Elektrogenerator abgegeben. Der Elektrogenerator betreibt eine Batterie und einen Motor, der außerdem eine Drehmomentabgabe liefert. In dieser Konfiguration kann die Drehmomentabgabe von jeder der Quellen oder von beiden gleichzeitig kommen. In dieser Konfiguration kann das Fahrzeug-Bremssystem Drehmoment liefern, um den Generator anzutreiben, um eine Ladung zu dem Batterien zu erzeugen.
- Während sich das HEV weiterentwickelt stößt man auf neue Herausforderungen, und es werden neue Nutzen entwickelt. Eine der mit allen HEVs in Zusammenhang stehenden Hauptherausforderungen ist es, eine ausreichende Batterieladung sicherzustellen, um das Fahrzeug zu starten und zu betreiben. Alle Batterien verlieren als Ergebnis des Gebrauchs oder des Verstreichens von Zeit an Ladung. Allgemein wird die HEV-Batterie durch einen ICE-Generator in dem Fahrzeug geladen; während ungewöhnlicher Zustände oder Notfälle kann jedoch externe Batterieladung notwendig sein.
- Ein potenzieller Nutzen für das HEV ist es, seine Batterie und seinen Generator als eine elektrische Stromquelle zu verwenden, um elektrische Geräte – wie etwa Elektrowerkzeuge – zu betreiben. Dieser Typ des Fahrzeugnutzens für elektrische Hilfsenergie ist für herkömmliche ICE-Fahrzeuge wohlbekannt. Speziell wurden viele Patente erteilt, die Komponenten des ICEs als Stromquelle für elektrische Geräte nutzen. Zum Beispiel legen U.S.-Patent Nr. 3,824,404 (Leonard Ghere); U.S.-Patent 3,953,740 (Charles Seiter, Jr.); U.S.-Patent Nr. 4,074,145 (P. Laffoon et al.); und U.S.-Patent 5,066,866 (William Hallidy) verschiedene Verfahren offen, die Lichtmaschine eines Fahrzeugs zu verwenden um Wechselspannung zu erzeugen, um elektrische Geräte anzutreiben. Diese Patente finden jedoch keine Anwendung auf HEVs, weil das HEV keine Lichtmaschine braucht. Das HEV besitzt in seiner Batterie bereits eine sofort verfügbare Quelle elektrischer Energie und kann mit einem an Bord befindlichen Generator zusätzlichen Strom erzeugen. Die elektrische Leistung des HEVs muß für den externen Gebrauch durch Elektrogeräte jedoch umgewandelt werden.
-
DE 199 35 873 A beschreibt ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), das als Stromquelle zu betreiben ist, um externe Elektrogeräte anzutreiben. Das HEV umfaßt einen Motor um einen Generator anzutreiben, um elektrische Leistung zu erzeugen; und eine Wandler/Gleichrichtervorrichtung, um elektrische Quellen von AC auf DC oder DC auf AC umzusetzen. Schalter ändern den elektrischen Stromfluß von einer Fahrzeugantriebsfunktion zu einer Stromlieferfunktion, und Anschlußvorichtungen verbinden das HEV mit externen Elektrogeräten. - Die vorliegende Erfindung stellt nun ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) bereit, das als eine Stromquelle zu betreiben ist, um externe Elektrogeräte zu betreiben, und das umfaßt: einen Verbrennungsmotor, um einen Generator anzutreiben, um elektrische Energie zu erzeugen; einen Gleichrichter, um elektrische Quellen von AC auf DC umzusetzen; einen AC-Fahrmotor; einen Traktionsinverter, der angeschlossen ist um den AC-Fahrmotor von einem sowohl Gleichrichter wie auch Inverter verbindenden DC-Bus aus zu versorgen; Umschaltvorrichtungen, um den elektrischen Stromfluß von einer Fahrzeugantriebsfunktion zu einer Stromlieferfunktion zu ändern; Anschlußvorrichtungen, um das HEV an externe Elektrogeräte anzuschließen; und einen Transformator, der angeschlossen ist um diese Anschlußvorrichtungen zu versorgen; dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtungen einen Schaltschütz umfassen, der Wechselstrom von dem Traktionsinverter entweder zu dem Fahrmotor oder zu dem Transformator umleitet, um diese Anschlußvorichtungen zu versorgen. Auf ein System, das den Betrieb des HEVs als ein Generator zuläßt, um externe Elektrogeräte anzutreiben, kann als eine Heim-Stromversorgungseinheit (HPU, Home Power Unit; Heim-Stromversorgungseinheit) Bezug genommen werden. In der hiermit vorgestellten Erfindung ist die HPU direkt in die Komponenten des HEV integriert. In dieser Art und Weise werden redundante Komponenten vermieden. In der Erfindung wird die HPU-Wandlervorrichtung mit dem Traktionsinverter identifiziert. Der zwischen dem Traktionsinverter und dem Motor implementierte Schaltschütz schaltet die Stromquelle von der (zum Motor verlaufenden) Fahrzeugfunktion auf die HPU-Funktion um (die als Generator arbeitet und sich zu einem Filter fortsetzt). Die Umschaltvorrichtungen für die HPU-Funktion können einen nichtrastenden Schalter mit zwei Stellungen auf einem Armaturenbrett umfassen, eine Menüauswahl von einem in dem Armaturenbrett montierten Anzeigebildschirm, oder einen an der HPU montierten Schalter mit zwei Stellungen.
- Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in denen:
-
1 die allgemeine Anordnung eines Hybrid-Elektrofahrzeugs veranschaulicht; -
2 eine Ausführungsform der HPU veranschaulicht, die einige der bestehenden Komponenten des Hybrid-Elektrofahrzeugs verwendet. - Die vorliegende Erfindung stellt einen vereinheitlichten Apparat, ein System und ein Verfahren bereit, um die Stromspeicher- und -erzeugungsfähigkeiten des Fahrzeugs zu nutzen, um externe Elektrogeräte anzutreiben.
-
1 veranschaulicht eine Konfiguration für eine Parallel/Reihenhybrid-Elektrofahrzeug-Konfiguration („drehmomentteilend"). Der grundlegende Aufbau des Fahrzeugs schließt ein: einen durch eine Ein-Wege-Kupplung an ein Planetengetriebe26 angeschlossenen Motor20 . Das Planetengetriebe26 teilt die Abgabeenergie des Motors20 in einen in Reihe liegenden Pfad – von dem Motor20 zu einem Generatormotor24 – und in einen parallelen Pfad von dem Motor20 zu Antriebsrädern34 . Die Motordrehzahl kann geregelt werden, indem man die Aufteilung zum in Reihe liegenden Pfad variiert, während man die mechanische Verbindung durch den parallelen Pfad beibehält. Der Generatormotor24 ist mit einer Generatorbremse45 verbunden. Der Generatormotor24 ist an die Batterie28 angeschlossen und ist in der Lage die Batterie28 zu laden. Der Elektromotor30 verstärkt den Motor auf dem parallelen Pfad durch ein zweites Sammelgetriebe32 . Der Motor stellt außerdem die Gelegenheit bereit, Energie direkt aus dem parallelen Pfad zu nutzen, um im Wesentlichen Energie direkt aus der von Generatormotor24 erzeugten Leistung zu ziehen; um dadurch die mit der Wandlung von Energie in chemische Energie in der Batterie28 und ihrer Rückgewinnung in Zusammenhang stehenden Verluste zu vermindern. - Viele Komponenten dieser Konfiguration werden durch den Fahrzeugsystemregler („VSC", Vehicle System Controller; Fahrzeugsystemregler)
36 geregelt. Der VSC36 betätigt alle Hauptkomponenten des Fahrzeugs, indem er an den Regler jeder Komponente angeschlossen ist. Der VSC36 enthält außerdem das Antriebsstrang-Regelmodul („PCM", Powertrain Control Module; Antriebsstrang-Regelmodul). Diese beiden „getrennten" Regler sind in der gleichen Einheit eingehaust. Der VSC/PCM36 ist dann an den Motor20 angeschlossen. Der VSC36 ist durch ein Kommunikationsnetzwerk außerdem an die Batterieregeleinheit („BCU", Battery Control Unit; Batterieregeleinheit)38 und an eine Getriebemanagementeinheit („TMU", Transmission Management Unit; Getriebemanagementeinheit)40 angeschlossen. Die BCU38 ist dann an die Batterie28 angeschlossen. Die TMU40 ist an einen Generatorregler42 und einen Motorregler44 angeschlossen. Der Generatorregler42 ist dann an den Generatormotor24 angeschlossen, und der Motorregler44 ist an den Motor30 angeschlossen. - Die HPU nutzt Fahrzeugkomponenten um Redundanz von Komponenten zu vermeiden. Speziell stellt diese Ausführungsform einen Weg bereit um die HEV als einen „Generator" zu verwenden, ohne dem Fahrzeug eine separate HPU-Einheit hinzuzufügen.
-
2 veranschaulicht diese Ausführungsform. Ein Generator100 ist an einen Motor (typischerweise ein ICE) angeschlossen, um elektrische Leistung zu erzeugen. Der Generator100 ist an einen Generatorinverter102 angeschlossen, welcher die AC-Quelle auf DC umsetzt. Sowohl der Generatorinverter102 wie auch eine Hochspannungsbatterie106 sind an einen DC-Bus104 angeschlossen. Der DC-Bus104 ist außerdem an einen Traktionsinverter108 angeschlossen. In einem normalen HEV verbindet der Traktionsinverter108 dann zu einem Traktionsmotor116 ; in einem Versuch die zuvor beschriebenen Komponenten zu nutzen, würde die vorliegende Erfindung jedoch einen Schaltschütz110 zwischen dem Fahrmotor116 und dem Traktionsinverter108 hinzufügen. Der Schaltschütz110 würde dann an einen Filter112 angeschlossen, welcher an einen Transformator114 angeschlossen ist. Der Transformator114 könnte dann mit externen Lasten verbinden. - Anstatt einen getrennten Inverter innerhalb einer HPU hinzuzufügen, wird der Traktionsinverter
108 benutzt, welcher bereits Teil des HEV ist. Der Traktionsinverter108 wird jedoch eine einzigartige Betriebsstrategie benötigen, um mit der HPU zu arbeiten. Der Traktionsinverter108 setzt die Hochspannungs-Gleichstromquelle auf Wechselstrom um (300 Volt Gleichstrom auf 300 Volt Wechselstrom). Dies geschieht normalerweise um den Fahrmotor116 anzutreiben. Der Schaltschütz110 arbeitet als ein Schalter, der die Hochspannungs-Wechselstromquelle zu dem Fahrmotor116 oder den zusätzlichen „HPU"-Komponenten leitet. Speziell leitet der Schaltschütz110 die Hochspannungs-Wechselstromquelle zu dem Filter112 , wo Rauschen entfernt wird, wenn die Generatorfunktion der HPU ausgewählt wird. Die Hochspannungs-Wechselstromquelle wird dann zum Transformator114 geführt, welcher die Wechselstromquelle auf Wechselspannung umsetzt, die von externen Elektrogeräten verwendbar ist (300 Volt Wechselspannung bis 110 Volt Wechselspannung). -
1 - 20
- Motor
- 24
- Generatormotor
- 28
- Batterie
- 30
- Elektromotor
- 36
- Fahrzeugsystemregler/Antriebsstrang-Regelmodul
- 38
- Batterieregeleinheit
- 40
- Getriebemanagementeinheit
- 42
- Generatorregler
- 44
- Motorregler
-
2 - 102
- Generatorwandler
- 106
- Hochspannungsbatterie
- 108
- Traktionsinverter
- 110
- Schaltschütz
- 112
- Filter
- 114
- Transformator
Claims (7)
- Ein Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV), das als Stromquelle betriebbar ist, um externe Elektrogeräte zu betreiben, und das umfaßt: einen Verbrennungsmotor (
20 ), um einen Generator (100 ) anzutreiben, um elektrische Energie zu erzeugen; einen Gleichrichter (102 ), um elektrische Quellen von AC auf DC umzusetzen; einen AC-Fahrmotor (116 ); einen Traktionsinverter (108 ), der angeschlossen ist um den AC-Fahrmotor (116 ) von einem sowohl Gleichrichter wie auch Inverter verbindenden DC-Bus (104 ) aus zu versorgen; Umschaltvorrichtungen (110 ), um den elektrischen Stromfluß von einer Fahrzeugantriebsfunktion zu einer Stromlieferfunktion zu ändern; Anschlußvorrichtungen, um das HEV an externe Elektrogeräte anzuschließen; und einen Transformator (114 ), der angeschlossen ist um diese Anschlußvorrichtungen zu versorgen; dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtungen (110 ) einen Schaltschütz (110 ) umfassen, der Wechselstrom von dem Traktionsinverter (108 ) entweder zu dem Fahrmotor (116 ) oder zu dem Transformator (114 ) umleitet, um diese Anschlußvorrichtungen zu versorgen. - Ein Fahrzeug wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem die Wandler/Gleichrichter-Vorrichtungen (
102 ,108 ) einen Generatorinverter (102 ) umfassen, um Wechselstrom von dem Generator (100 ) in Gleichstrom für den DC-Bus (104 ) umzuwandeln. - Ein Fahrzeug wie Anspruch 1 oder 2 beansprucht, das weiterhin Filtervorrichtungen (
112 ) umfaßt, um Signalrauschen aus der Versorgung für die Anschlußvorrichtungen zu entfernen. - Ein Fahrzeug wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, in dem die Umschaltvorrichtungen einen Schalter mit zwei Stellungen umfaßt.
- Ein Fahrzeug wie in Anspruch 4 beansprucht, in dem der Schalter mit zwei Stellungen ein nicht rastender Schalter mit zwei Stellungen auf einem Armaturenbrett (
62 ) ist. - Ein Fahrzeug wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, in dem die Umschaltvorrichtungen eine Menuauswahl aus einer auf dem Armaturenbrett (
62 ) montierten Bildschirmanzeige umfaßt. - Ein Verfahren das Fahrzeug irgendeines der vorstehenden Ansprüche als eine Stromquelle zu betreiben, um elektrische Energie an externe Elektrogeräte zu liefern, das die Schritte umfaßt: Anschließen der Anschlußvorrichtung an ein externes Elektrogerät; Betreiben des Traktionsinverters (
108 ), um Wechselstrom zu liefern; Verwenden des Schaltschützes (110 ), um Wechselstrom von dem Traktionsinverter (108 ) zu dem Transformator (114 ) zu leiten.
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