Fahrzeug aufweisend einen als Widerstandselement zur Wandlung elektrischer Energie in Wärme verwendbaren elektrisch leitenden Fahrzeugteil
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug, beispielsweise einen Rei sebus oder einen Stadtbus.
Aus der Praxis sind elektrisch antreibbare Fahrzeuge bekannt, die eine motorisch und gene ratorisch betreibbare elektrische Maschine oder eine Kombination aus einer elektrischen Ma schine und einem Verbrennungsmotor (Hybridanwendungen) zum Antreiben des Fahrzeugs aufweisen, sowie einen Speicher für elektrische Energie, der ausgebildet ist, elektrische Ener gie von der elektrischen Maschine aufzunehmen und/oder elektrische Energie an die elektri sche Maschine abzugeben. Hierbei ist bekannt, zur Rückgewinnung von kinetischer Energie des Fahrzeugs die elektrische Maschine generatorisch zu betreiben. Hierbei wandelt die elekt rische Maschine, typischerweise zur Unterstützung eines erwünschten Bremsvorgangs, kine tische Energie in elektrische Energie. Die rückgewonnene elektrische Energie wird üblicher weise dem Speicher für elektrische Energie zugeführt. Erreicht der Speicher für elektrische Energie seine Kapazitätsgrenze oder liegt ein technischer Defekt vor, kann die generatorisch erzeugte, elektrische Energie jedoch nicht mehr aufgenommen werden und muss anderweitig abgeführt werden.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, im Fall voller oder defekter Energiespeicher die elekt rische Energie über Bremswiderstände in Wärmeenergie umzuwandeln. In Bremswiderstän den wird über ein leitendes Element ein definierter Kurzschluss erzeugt. Die dabei entste hende thermische Energie wird an das Kühlmedium übergeben und abgeführt. Um diese Wärme abzuführen, müssen die Bremswiderstände derzeit über zusätzliche Kühlkreise ge kühlt werden. Dies führt zu einem zusätzlichen Kosten- und Energieaufwand.
Das Dokument DE 102 26 308 A1 beschreibt vor diesem Hintergrund eine elektrodynamische Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer als Motor/Generator betreibbaren Elektromaschine, mit einem elektrischen Energiespeicher und mit einer Steuer- und Regelvorrichtung, welche den Ladezustand des elektrischen Energie speichers kontrolliert und das Erreichen eines vorherbestimmbaren Ladezustands des elektri schen Energiespeichers erkennt. Bei Erreichen dieses vorbestimmbaren Ladezustands wird die elektrodynamische Antriebsvorrichtung mit mindestens einem elektrischen Verbraucher
verbunden und die überschüssige Energie wird dem elektrischen Verbraucher zugeführt. Nachteilig ergibt sich aus der technischen Lehre der DE 102 26 308 A1 , dass die zur Ableitung der elektrischen Energie nachgeschalteten elektrischen Verbraucher durch elektrische Über lastung geschädigt werden können. Ferner kann ein Betrieb bestimmter elektrischen Verbrau cher in bestimmten Situationen unerwünscht sein (z. B. ein Betrieb der Fahrgastraumkühlung im Winter oder der Fahrgastraumheizung im Sommer, etc.), sodass eine Ableitung elektrischer Energie an diese Verbraucher in diesen Situationen nur bedingt erfolgen kann. Ferner können insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen, wo die notwendigen Leistungen für Dauerbrem sen bei mehreren 100 kW liegen, bei Bergabfahrten unter Umständen eine sehr große Menge an überschüssiger elektrischer Energie erzeugt werden, die nicht im vollen Umfang an derar tige elektrische Verbraucher abgeführt bzw. nicht an den elektrischen Energiespeicher rück gespeist werden kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Technik zur betriebssicheren Wandlung überschüs siger elektrischer Energie in Fahrzeugen bereitzustellen, mit der Nachteile bekannter Techni ken vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, einen Ansatz zur Wandlung überschüssiger Energie bereitzustellen, der konstruktiv aufwandsarm und kos tengünstig realisiert werden kann.
Diese Aufgaben werden durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweise Bezug nahme auf die Figuren näher erläutert.
Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, um fassend eine elektrische Maschine, einen Speicher für elektrisch Energie, einen elektrisch lei tenden Fahrzeugteil und eine Steuervorrichtung.
Die elektrische Maschine kann z. B. als Gleichstrommaschine oder Drehstrommaschine aus geführt sein. Die elektrische Maschine kann eine elektrische Maschine zum Antreiben des Fahrzeugs sein. Grundsätzlich sind allerdings alle Varianten elektrischer Maschinen denkbar. Die elektrische Maschine ist generatorisch betreibbar. Zusätzlich zum generatorischen Betrieb kann die elektrische Maschine motorisch betreibbar, vorzugsweise zum Antrieb des Fahr zeugs, ausgebildet sein. Im motorischen Betrieb wird elektrische Energie von der elektrischen Maschine aufgenommen, während im generatorischen Betrieb elektrische Energie von der elektrischen Maschine abgegeben wird.
Der Speicher für elektrische Energie, nachfolgend auch als elektrischer Energiespeicher be zeichnet, ist ausgebildet, elektrische Energie von der elektrischen Maschine aufzunehmen, beispielsweise im generatorischen Betrieb, und/oder elektrische Energie an die elektrische Maschine abzugeben, beispielsweise im motorischen Betrieb der elektrischen Maschine. Der Speicher für elektrische Energie kann als Akkumulatorspeicher, z. B. als Li-Ionen-Batterie, als Superkondensatorspeicher, als Hydraulik-Speicher, Schwungrad oder als hybrider Energie speicher mit Akkumulatorelementen und Superkondensatorelementen ausgeführt sein.
Der elektrisch leitende Fahrzeugteil kann z. B. aus einem elektrisch leitenden Metall bestehen.
Die Steuervorrichtung ist ausgebildet, bei Erfüllung mindestens einer vorbestimmten Bedin gung elektrische Energie, die im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt wird, an den elektrisch leitenden Fahrzeugteil abzuleiten. Es kann sich hierbei z. B. um nicht in den elektrischen Energiespeicher rückspeisbare und/oder überschüssige elektrische Ener gie handeln. Diese Bedienung wird nachfolgend als Energieabführbedingung bezeichnet. Die Energieabführbedingung wird vorzugsweise so festgelegt, dass diese erfüllt ist, wenn eine Be triebssituation des Fahrzeugs vorliegt, in der überschüssige elektrische Energie von der elektrischen Maschine erzeugt wird, die nicht mehr im elektrischen Energiespeicher gespei chert werden kann sondern abgeführt werden muss.
Erfindungsgemäß ist der elektrisch leitende Fahrzeugteil ein Fahrzeugrahmen, ein Fahrzeug aufbau und/oder eine Karosserie des Fahrzeugs oder zumindest ein elektrisch leitender Teil oder Teilbereich des Fahrzeugrahmens, des Fahrzeugaufbaus und/oder der Fahrzeugkaros serie. Hierbei kann die Steuervorrichtung ausgebildet sein, die im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie durch Auslösen eines Kurzschlusses mit dem als Widerstandselement dienenden elektrischen Fahrzeugteil als Kurzschlussstrom ab zuleiten.
Der Fahrzeugrahmen kann beispielsweise als Leiterrahmen, der zwei mit Querholmen verbun dene Längsträger umfasst, ausgebildet sein.
Der Fahrzeugaufbau kann nach dem hier zugrundeliegenden Verständnis auch jede Kompo nente sein, die an ein vom Hersteller (OEM) des Fahrzeugs definiertes Grundfahrzeug mon tiert wird. Lediglich beispielhaft können ein elektrisch leitender Fahrzeugaufbau oder elektrisch leitende Teile hiervon umfassen: jegliche Form eines elektrisch leitenden Aufbaus, z. B. Auf bauten aus der Agrar-, Forst- und Abfallwirtschaft, z. B: Tank/Silo, Holzhacker, Müllsammler,
Aufbauten für Baustellen und Kranfahrzeuge, z. B. Kipper, Krananwendung, Aufbauten für Sonderfahrzeuge z. B. Feuerwehr, etc.
Entsprechend kann zum Abführen überschüssiger elektrischer Energie ein definierter Kurz schluss über bestehende Fahrzeugteile wie z. B. den elektrisch leitenden Fahrzeugrahmen oder einen elektrisch leitenden Fahrzeugaufbau dargestellt werden.
Mit anderen Worten wird bei Erfüllung der vorbestimmen Energieabführbedingung der Fahr zeugrahmen, der Fahrzeugaufbau und/oder die Karosserie als Widerstandsbremse verwen det. Anders ausgedrückt wird ein bestehender elektrisch leitender Fahrzeugteil als Bremswi derstand verwendet, so dass es nicht erforderlich ist, einen zusätzlichen Bremswiderstand vorzusehen, dessen Funktion es ausschließlich ist, als Bremswiderstand zu dienen.
Ein besonderer Vorzug hiervon ist, dass wegen der geringen Aufheizung durch die große ther mische Masse und gute Wärmeabfuhr durch Konvektion aufgrund der relativ großen Oberflä che auf einen zusätzlichen Kühlkreislauf, sowie zusätzliche Bauteile, wie einen separaten Bremswiderstand, verzichtet oder im Umfang reduziert werden kann. Damit werden ein beste hendes Kühlsystem entlastet und Kostenvorteile erzielt. Ein besonderer Vorteil ist somit, dass das zusätzliche Element des Bremswiderstands entfallen kann und das Kühlsystem somit deutlich entlastet wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Fahrzeug ein Nutzfahrzeug, beispielsweise ein Lastkraftwagen, und der elektrisch leitende Fahrzeugteil, der zum Ableiten überschüssiger Energie genutzt wird, ist der Fahrzeugrahmen und/oder Fahrzeugaufbau des Nutzfahrzeugs. Vorstehend wurde bereits festgestellt, dass insbesondere bei schweren Nutz fahrzeugen, wo die notwendigen Leistungen für Dauerbremsen bei mehreren 100 kW liegen können, bei Bergabfahrten im generatorischen Bremsbetrieb der elektrischen Maschine unter Umständen eine sehr große Menge an überschüssiger elektrischer Energie erzeugt werden, die bei vollem oder defekten Energiespeicher abgeführt werden muss. Durch das Abführen dieser überschüssigen elektrischen Energie und das Umwandeln in thermische Energie über den Fahrzeugrahmen und/oder den Fahrzeugaufbau wird somit ein besonders kosteneffizien ter Ansatz zur Bereitstellung einer Widerstandsbremse ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die an den elektrisch leitenden Fahrzeugteil abgeleitete elektrische Energie unmittelbar an die Umgebung als thermische Energie abgege ben werden. Vorzugsweise kann die Ableitung der elektrischen Energie an die Umgebung als
thermische Energie direkt über den Fahrzeugteil ohne zwischengeschalteten Kühlkreislauf er folgen. Dadurch können Kosten für einen zusätzlichen Kühlkreislauf, eingespart werden, was ferner Wartungsvorteile birgt.
Die Verwendung des Fahrzeugrahmens, des Fahrzeugsaufbaus und/oder der Karosserie um überschüssige Energie abzuleiten, birgt gegenüber den bekannten Lösungen ferner Vorteile bezüglich der Überlastsicherheit des Systems. Insbesondere bei einer länger andauernden Ableitung einer großen Menge elektrischer Energie von der elektrischen Maschine an den Fahrzeugrahmen und/oder den Fahrzeugaufbau und/oder die Karosserie erwärmen sich diese aufgrund ihrer Masse und thermischen Trägheit typischerweise nicht in einem sicherheitsrele vanten Ausmaß. Zudem handelt es sich bei dem Fahrzeugrahmen und/oder dem Fahrzeug aufbau und/oder der Karosserie nicht um elektrifizierte Verbraucher, welche durch starke elekt rische Überlastung geschädigt werden können. Insgesamt resultieren aus den beschriebenen Aspekten Kostenvorteile und eine erhöhte Betriebssicherheit sowie ein reduzierter Bauraum bedarf.
Gemäß einer Ausführungsform kann die vorbestimmte Energieabführbedingung erfüllt sein, wenn ein Ladungszustand des Speichers für elektrische Energie einen vorbestimmten Schwel lenwert übersteigt. Vorzugsweise kann die vorbestimmte Energieabführbedingung erfüllt sein, wenn der Speicher für elektrische Energie vollständig geladen ist. Der Begriff„vollständig ge laden“, wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden wird, weist darauf hin, dass eine vorbestimmte, vorzugsweise sinnvolle Kapazitätsgrenze des Speichers für elektrische Energie erreicht ist, sodass eine zusätzliche Aufnahme elektrischer Energie nicht mehr mög lich ist. Hierbei sei darauf verwiesen, dass diese sinnvolle Kapazitätsgrenze je nach Anwen dungsfall variieren kann, da elektrische Energiespeicher üblicherweise aufgrund der Lebens dauer nicht vollständig be- und entladen werden. Ferner kann die vorbestimmte, vorzugsweise sinnvolle Kapazitätsgrenze auch davon abhängen, ob thermische Grenzen des Speichers für elektrische Energie erreicht werden. Vorteile dieser Ausführungsform sind insbesondere darin zu sehen, dass der Speicher für elektrische Energie in einem optimalen Bereich betrieben und vor Überlastung geschützt werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die vorbestimmte Energieabführbedingung ferner erfüllt sein, wenn ein technischer Defekt des Speichers für elektrische Energie vorliegt. Der Begriff„technischer Defekt“, wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden wird, weist darauf hin, dass der Speicher für elektrische Energie seine Funktion zumindest teilweise
nicht mehr erfüllen kann. Diese Ausführungsform bietet den Vorzug, dass eine potentiell si cherheitskritische Zuführung elektrischer Energie an einen defekten Speicher für elektrische Energie verhindert werden kann. Insgesamt steigert diese Ausführungsform die Sicherheit des Systems weiter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Steuervorrichtung ausgebildet sein, bei Er füllung der vorbestimmen Energieabführbedingung einen Teil der elektrischen Energie zum Betrieb mindestens eines elektrifizierten Nebenaggregats zu verwenden. Diese Ausführungs form birgt Vorteile, da die für den Betrieb der elektrifizierten Nebenaggregate notwendige elekt rische Energie zumindest teilweise durch nicht rückführbare und demnach überschüssige elektrische Energie gewährleistet sein kann. Es ergeben sich insgesamt Vorteile bezüglich des Gesamtwirkungsgrads des Fahrzeugs.
Gemäß einem weiteren Aspekt der voranstehend beschriebenen Ausführungsform kann das zumindest eine elektrifizierte Nebenaggregat ein Lüfter, ein Kühler, eine elektrische Fahrgast raumheizung, eine Frontscheibenheizung, eine Heckscheibenheizung, ein Druckluftkompres sor, eine Wasserpumpe, eine Hydraulikpumpe, ein Klimakompressor und/oder eine Ölpumpe sein.
Das Fahrzeug kann ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug sein oder ein Fahrzeug, das als Hybridfahrzeug ausgebildet ist und beispielsweise zusätzlich noch verbrennungsmotorisch an- treibbar ist.
Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine stark schematisierte Darstellung des Aufbaus des Fahrzeugs gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Fahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Niederspannungsbordnetzes eines Fahr zeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Hochspannungsbordnetzes eines Fahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei chen bezeichnet und sind zum Teil nicht gesondert beschrieben.
Bei den beiden Ansichten der Figur 1 handelt es sich um stark schematisierte Ansichten des Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die lediglich der übersichtlichen Dar stellung eines Teils der Komponenten dieser Ausführungsform der Erfindung dienen soll. Auf die Darstellung weiterer wesentlicher Komponenten dieser Ausführungsform der Erfindung wurde zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet.
Die obere Ansicht in Figur 1 zeigt eine schematisierte Seitenansicht eines elektrisch antreib- baren Nutzfahrzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In dieser stark schema tischen Seitenansicht ist ein Fahrzeugaufbau 7 und ein Fahrerhaus 8 erkennbar. Das Fahrer haus 8 ist auf einen unteren Teil des Nutzfahrzeugs 1 , der den Fahrzeugrahmen enthält, auf gesetzt, der drei Achsen des Zugfahrzeugs 8 des Nutzfahrzeugs 1 verbindet.
Die untere Ansicht in Figur 1 zeigt eine stark schematisierte und vereinfachte Draufsicht des unteren Teils des Nutzfahrzeugs 1. Um die Merkmale der Erfindung besser herauszustellen, sind vorliegend nur die für die Erläuterung der Erfindung wichtigen Komponenten des Nutz fahrzeugs dargestellt. Weitere an das elektrische Bordnetz angeschlossene Schalter, wie Schalter, Inverter, etc., die in üblicher weise ausgeführt sein können, sind nicht dargestellt. Das dargestellte, elektrisch antreibbare Nutzfahrzeug 1 umfasst eine, beispielsweise an einer Hinterachse eines Zugfahrzeugs angeordnete, elektrische Maschine 2 die die Antriebsleistung des Nutzfahrzeugs 1 erzeugt. Die elektrische Maschine 2 ist im motorischen Betrieb zur Ab gabe elektrischer Energie 4 und/oder im generatorischen Betrieb zur Aufnahme elektrischer Energie 4 ausgebildet. Die elektrische Maschine 2 kann beispielsweise als Drehstrom- oder Gleichstrommotor ausgeführt sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 2 trieblich mit der zweiten Hin terachse des Zugfahrzeugs des Fahrzeugs 1 verbunden. Die elektrische Maschine 2 kann allerdings z. B. auch als Radnabenmotoren realisiert sein, welche direkt mit Rädern des Fahr zeugs 1 trieblich in Verbindung stehen.
Die elektrische Maschine 2 steht ferner in elektrischer Verbindung zu einem Speicher 3 für elektrische Energie, nachfolgend kurz als elektrischer Energiespeicher 3 bezeichnet. Der elektrische Energiespeicher 3 ist im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beispielhaft als
Akkumulatorspeicher oder Batteriespeicher, z. B. als Li-Ionen-Batterie ausgeführt. Der elektri sche Energiespeicher 3 ist ausgebildet, elektrische Energie 4 an die elektrische Maschine 2 abzugeben und/oder von der elektrischen Maschine 2 aufzunehmen. Der elektrische Energie speicher 3 und die elektrischen Maschine 2 sind in an sich bekannterWeise über ein Bordnetz, beispielsweise ein Hochspannungsbordnetz elektrisch miteinander gekoppelt (nicht darge stellt).
Das elektrisch antreibbare Nutzfahrzeug 1 weist ferner einen elektrisch leitenden Fahrzeug rahmen 6 auf in Form eines Leiterrahmen, der zwei mit Querholmen verbundene Längsträger umfasst. Ferner ist eine Steuervorrichtung 5, z. B. in Form eines Steuergeräts, vorgesehen. Die Steuervorrichtung 5 ist ausgebildet, bei Erfüllung mindestens einer vorbestimmten Ener- gieabführbedingung die im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 2 erzeugte elektrische Energie 4 nicht dem elektrischen Energiespeicher 3 zuzuführen, sondern stattdes- sen an den Fahrzeugrahmen 6 abzuleiten. Hierzu erzeugt das Steuergerät einen bewussten Kurzschluss über den Fahrzeugrahmen 6. Der Fahrzeugrahmen 6 dient somit nicht nur als tragender Fahrzeugteil, sondern wird gleichzeitig als Bremswiderstand verwendet.
Anhand der schematischen Darstellung der Figur 2 wird im Folgenden die Funktionsweise des elektrisch betreibbaren Fahrzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert. Es wird jedoch betont, dass anstelle des hier gezeigten und nachfolgend beschriebenen Ausfüh rungsbeispiels der motorische Antrieb nicht elektrisch sein muss, sondern alternativ oder zu sätzlich auch durch einen Verbrennungsmotor realisiert sein kann mit entsprechender elektri scher Bremse und Bremswiderstand.
Im optionalen motorischen Betrieb nimmt die elektrische Maschine 2 elektrische Energie 4 von dem Speicher für elektrische Energie 3 auf. Im generatorischen Betrieb gibt die elektrische Maschine 2 elektrische Energie 4 ab.
Eine Steuervorrichtung 5 löst bei Erfüllung der vorbestimmten Energieabführbedingung im ge neratorischen Betrieb der elektrischen Maschine 2 die Ableitung der von der elektrischen Ma schine 2 erzeugten elektrischen Energie 4 an den elektrisch leitenden Fahrzeugrahmen 6 aus. Die vorbestimmte Energieabführbedingung ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfüllt, wenn der Ladungszustand des Speichers für elektrische Energie 3 einen Schwellenwert über steigt, beispielsweise wenn der eleketrische Energiespeicher 3 vollständig geladen ist oder wenn der elektrische Energiespeicher 3 defekt ist. Ist der elektrische Energiespeicher 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 2
demnach nicht vollständig geladen und voll funktionsfähig, wird von der elektrischen Maschine 2 erzeugte elektrische Energie 4 dem elektrischen Energiespeicher 3 über ein z. B. in Figur 4 gezeigte Hochspannungsbordnetz zugeführt. Erkennt die Steuervorrichtung 5 im Rahmen ei ner Überwachung des Ladungszustandes des elektrischen Energiespeichers 3 jedoch, dass dieser vollständig geladen oder defekt ist, leitet die Steuereinrichtung 5 im generatorischen Betrieb durch Auslösen eines beabsichtigten Kurzschlusses überschüssige elektrische Ener gie 4 in Form eines Kurzschlussstroms an den als Widerstandselement, nämlich als Wider standsbremse, dienenden Fahrzeugrahmen 6. Die Erzeugung eines beabsichtigten Kurz schlusses 10 des Plus- und Minuspols durch die Steuervorrichtung 5 ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Der Kurzschlussstrom wird dabei über zumindest zwei elektrische Anschlüsse her gestellt. Die Anschlusspositionen bestimmen den elektrischen Widerstandswert der elektri schen Verbindung und müssen so angebracht sein, dass sie die Auslegung des geforderten Bremswiderstands, z. B. hinsichtlich Dauer und Peak-Bremsleistung, erfüllen. Prinzipiell kann ein beliebiges (Teil-)Stück des Fahrzeugrahmens 6 oder Fahrzeugsaufbaus 7 als Wider standelement fungieren. Es spielt hierbei eine untergeordnete Rolle, wo am Fahrzeugrahmen 6 oder Fahrzeugaufbau 7 die Kontaktierung stattfindet. Positiv für die Funktionsweise ist es, den Abstand zwischen den Kontakten zu maximieren. Die Anschlüsse können dabei unter schiedlich ausgeführt sein, z. B. als Klemmen, Bolzen mit Gewinde oder verschweißt. Mögliche Komponenten zur Umsetzung der elektrischen Verbindung sind u. a. Sicherungen, Schütze, Schalter, Umrichter, sog. Brems-Chopper und/oder Kondensatoren.
Die über den Kurzschlussstrom dem Fahrzeugrahmen 6 zugeführte überschüssige elektrische Energie wird im Fahrzeugrahmen 6 in thermische Energie umgewandelt, da dieser wie ein ohmscher Widerstand wirkt und von dort an die Umgebung abgegeben. Wegen der geringen Aufheizung durch die große thermische Masse des Fahrzeugrahmens 6 und die gute Wärme abfuhr durch Konvektion aufgrund der relativ großen Oberfläche des Fahrzeugrahmens 6 muss dieser bei Verwendung als Widerstandsbremse nicht gekühlt werden, so dass auf einen zusätzlichen Kühlkreislauf sowie zusätzliche Bauteile, die als Bremswiderstand fungieren, ver zichtet werden. Insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen, die bei längeren Bergabfahrten im generatorischen Bremsbetrieb der elektrischen Maschine große Menge überschüssiger Energie erzeugen, können derartige große Menge an überschüssiger Energie auf diese Weise zuverlässig und kosteneffizient abgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die über schüssige Energie in analoger Weise auch einem elektrisch leitenden Fahrzeugaufbau 7, der als Bremswiderstand dient, zugeführt werden. Dies ist in Figur 2 ebenfalls dargestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann überschüssige elektrische Energie alternativ oder zu sätzlich durch einen beabsichtigten Kurzschluss mit dem Fahrzeugaufbau oder zumindest mit einem oder mehreren elektrisch leitenden Teile des Fahrzeugaufbaus abgeleitet werden, so dass der Fahrzeugaufbau oder elektrisch leitende Teile hiervon als Bremswiderstand fungie ren. Beispielhafte Teile oder Komponenten des Fahrzeugaufbaus die hierfür besonders geeig net sind, umfassen jegliche Form eines elektrisch leitenden Aufbaus, z. B. Aufbauten aus der Agrar-, Forst- und Abfallwirtschaft (z. B: Tank/Silo, Holzhacker, Müllsammler), Aufbauten für Baustellen und Kranfahrzeuge (z. B. Kipper, Krananwendung), Aufbauten für Sonderfahr zeuge (z. B. Feuerwehr).
Figur 3 illustriert eine beispielhafte Realisierung für das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Grund prinzip für den Fall eines Niederspannungsbordnetzes, um überschüssige elektrische Energie an den Fahrzeugrahmen und/oder -aufbau wahlweise ableiten zu können. Hierzu zeigt Figur 3 eine schematische Darstellung eines Niederspannungsbordnetzes eines Fahrzeugs gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Unter einem Niederspannungsbordnetz wird ein Bordnetz mit einer Nennspannung von bis zu 60V verstanden, beispielsweise Bordnetze mit Nennspannungen von 12V, 24V und/oder 48V. Das Bordnetz kann in an sich bekannter Weise auch zwei oder mehr Teilbordnetze umfassen, die unterschiedliche Nennspannungen aufweisen (nicht dargestellt).
Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Antrieb durch eine elektrische Maschine 2 und/oder einen optionalen Verbrennungsmotor 12 erfolgen, deren Antriebsleistung über ein optionales Getriebe 11 auf eine angetriebene Achse übertragen wird. Wird durch Herunterfah ren der Drehzahl die elektrische Maschine 2 gebremst, geht die elektrische Maschine 2 in den generatorischen Betrieb über. Die elektrische Maschine 2 erzeugt im generatorischen Betrieb Wechselstrom, der in einem Wechselrichter 13 in Gleichstrom gewandelt wird.
Eine Steuervorrichtung 5 ist für das Energie-Management zuständig. Wie bereits in Zusam menhang mit Figur 2 beschrieben, überwacht die Steuervorrichtung 5, ob eine vorbestimmte Energieabführbedingung erfüllt ist, beispielsweise ob eine vorbestimmte Kapazitätsgrenze des elektrischen Energiespeichers 3 erreicht ist. Die vorbestimmte Kapazitätsgrenze kann, wie vorstehend bereits erwähnt, für unterschiedliche Betriebsphase unterschiedlich sein und auch thermische Grenzen des elektrischen Energiespeichers 3 berücksichtigen.
Die Steuervorrichtung 5 ist ausgebildet, bei Erfüllung mindestens einer vorbestimmten Ener- gieabführbedingung, die anzeigt, dass überschüssige elektrische Energie nicht im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden kann, die im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine 3 erzeugte elektrische Energie durch Auslösen eines Kurzschlusses mit dem als Bremswiderstand dienenden elektrischen Fahrzeugrahmen 6 und/oder Fahrzeugaufbau 7 als Kurzschlussstrom abzuleiten. Hierzu steuert die Steuervorrichtung 5 einen Controller 5a an, der in Signalverbindung mit einem elektrischen Schalter 14 steht, um den elektrischen Ener giespeicher 3 vom Bordnetz zu trennen und stattdessen die überschüssige elektrische Energie über den Kurzschluss 10 an einen elektrisch leitenden Teil des elektrischen Fahrzeugrahmens 6 und/oder Fahrzeugaufbaus 7 zu leiten. In Figur 3 ist der Schalter 14 bereits in der Schaltpo sition gezeigt, in der der Kurzschlussstrom ermöglicht ist. Nachdem die Energieabführbedin- gung nicht mehr vorliegt, wird der Schalter wieder umgestellt, so dass der Kurzschluss 10 unterbrochen ist und stattdessen die elektrische Maschine 3 wieder mit dem Bordnetz verbun den ist. Diese Ausführungsform ist besonders für Niederspannungsbordnetze geeignet.
Figur 4 illustriert eine alternative Ausführungsform für den Fall eines Hochspannungsbordnet zes, dessen Nennspannung im Bereich mehrerer Hundert Volt liegt. Die Komponenten mit gleichen Bezugszeichen entsprechen denen der Figur 3 und sind daher nicht näher beschrie ben. Die Besonderheit dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Kurzschluss anstatt über den Schalter 14 nun über einen potentialtrennenden Spannungswandler 15 gesteuert wird, um die abzuführende elektrische Energie vor dem Ableiten an den Fahrzeugrahmen 6 und/oder Fahrzeugaufbau 7 auf ein niedrigeres Spannungsniveau zu wandeln, was aus Si cherheitsaspekten vorteilhaft ist, damit keine Hochspannung am Fahrzeugrahmen 6 und/oder Fahrzeugaufbau 7 anliegt.
Die (hier nicht dargestellte) Steuervorrichtung 5 ist wiederum ausgebildet, zu überwachen, ob mindestens eine vorbestimmte Energieabführbedingung, die anzeigt, dass überschüssige elektrische Energie nicht im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden kann, erfüllt ist. Falls dies der Fall ist, steuert die Steuervorrichtung 5 den Spannungswandler 15 derart an, dass dieser einen elektrischen Kurzschluss mit dem Fahrzeugrahmen 6 und/oder Fahrzeug aufbau 7 erzeugt. Der potentialtrennende Spannungswandler 15 dient somit hier als Schalter mit gleichzeitiger Spannungswandlerfunktion, um die Hochspannung (HV) auf eine Nieder voltspannung (LV) herunterzuwandeln, wenn der Kurzschlussstrom erzeugt wird.
Als eine weitere optionale Komponente kann das Hochspannungsbordnetz einen sog. Bremschopper aufweisen. Wenn beispielsweise im generatorischen Betrieb die in elektrische
Energie umgewandelte kinetische Energie des Fahrzeugs nicht über den Wechselrichter (In verter) 13 in das Bordnetz zurückgespeist wird, nehmen die Zwischenkreiskondensatoren diese Energie auf. Die Spannung des Zwischenkreises steigt dadurch an. Wenn die Zwischen kreisspannung zu groß wird, schützt sich der Wechselrichter 13 durch Abschalten. Zur Ver meidung dieser Bremsunterbrechung kann der Bremschopper eingesetzt werden, der bei Überschreitung der zulässigen Zwischenkreisspannung aktiv wird und den Bremswiderstand 6 bzw. 7 auf den Zwischenkreis schaltet und so die überschüssige Energie in Wärme umsetzt.
Wird das System abgebremst, so fließt die überschüssige Energie in Form von generatori schem Strom über die Endstufe zurück in den Zwischenkreis. Übersteigt diese Spannung eine Schwellspannung, so wird der Bremschopper elektronisch zugeschaltet. Die überschüssige Energie wird dann über den angeschlossenen Bremswiderstand fast vollständig in thermische Energie umgewandelt. Das begrenzende Element ist dabei der Bremswiderstand, da in ihm eine große Menge an Energie in Wärme umgewandelt wird,
Sicherheitsvorkehrungen hängen von der technischen Ausführung ab und müssen ausfüh rungsgerecht bewertet und unter Beachtung des Stands der Technik und der geltenden Nor men, Regeln und Vorschriften umgesetzt werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbei spiele begrenzt sein, sondern soll alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug ge nommenen Ansprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug
2 elektrische Maschine
3 Speicher für elektrische Energie 4 elektrische Energie
5 Steuervorrichtung
5a Controller
6 Fahrzeugrahmen
7 Fahrzeugaufbau
8 Fahrerhaus
9 elektrifizierte Nebenaggregate
10 beabsichtigter elektrischer Kurzschluss
11 Getriebe
12 Verbrennungsmotor
13 Wechselrichter
14 Elektrischer Schalter
15 Spannungswandler