DE102013020677A1

DE102013020677A1 - Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE102013020677A1
Application number: DE102013020677.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dörsam; Rainer Falsett
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, – mit einem Batteriesystem (2) mit einem ersten und einem zweiten Batteriestrang (3a, 3b), welches einen ersten Spannungsabgriff (4a) und einen zweiten Spannungsabgriff (4b) aufweist, – mit einer Einstelleinheit (5; 5') zum Einstellen der zweiten elektrischen Ausgabespannung (V2), – mit einem an den ersten Spannungsabgriff (4a) angeschlossenen Generator-Motor (6), mittels welchem in einem Generator-Betrieb eine elektrische Generator-Ausgabespannung (VGA) erzeugbar ist, – mit wenigstens einem an den zweiten Spannungsabgriff (4b) angeschlossenen Nebenaggregat (7), – mit einer mit der Einstelleinheit (5) und dem Generator-Motor (6) zusammenwirkenden Steuerungs-/Regelungseinheit (8), welche die Einstelleinheit (5; 5') und den Generator-Motor (6) derart ansteuert, der durch den ersten elektrischen Spannungsabgriff (4a) fließende elektrische Strom (I1) und/oder der durch den zweiten elektrischen Spannungsabgriff (4b) fließende elektrische Strom (I2) gemäß einer vorgegebenen Regelungsstrategie festgelegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, sowie ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem solchen Antriebssystem.
Zur Versorgung von verschiedenen Fahrzeugkomponenten moderner Elektro- oder Hybridfahrzeuge – im Folgenden der Einfachheit halber ausschließlich als Elektrofahrzeug bezeichnet – mit elektrischer Energie kommen Antriebssysteme mit Batteriesystemen zum Einsatz, die wenigstens zwei verschiedene elektrische Ausgabespannungen bereitstellen können, so dass die höhere der beiden Ausgabespannungen zum Betrieb des das Fahrzeug antreibenden Elektromotors zur Verfügung steht, wohingegen die niedrigere der beiden Ausgabespannungen zur Energieversorgung eines oder mehrerer Nebenaggregate des Elektrofahrzeugs verwendet werden kann. Ein solches Nebenaggregat mag etwa ein Klimaanlagenkompressor, eine Servolenkungspumpe, ein Servo-Bremssystem o. ä. sein. Vorangehende Aufzählung ist nicht abschließend; vielmehr seien vom Begriff ”Nebenaggregat” weitere, mit elektrischer Energie zu versorgende Komponenten des Elektrofahrzeugs ausdrücklich umfasst.
Vor diesem Hintergrund offenbart die DE 10 2009 057 919 A1 ein elektrisches Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens zwei elektrischen Spannungsebenen sowie mit zumindest einem elektrischen Verbraucher für jede der beiden elektrischen Spannungsebenen und mit zumindest zwei Energiespeichern. Das elektrische Bordnetz umfasst ferner einen ersten Generator, welcher eine erste elektrische Spannung erzeugt, deren Amplitude im Wesentlichen ein elektrisches Potential einer ersten Spannungsebene bestimmt. Entsprechend erzeugt ein zweiter elektrischer Generator eine zweite elektrische Spannung, deren Amplitude im Wesentlichen die elektrische Potentialdifferenz zwischen der ersten Spannungsebene und einer zweiten Spannungsebene festlegt, deren elektrisches Potential größer ist als das der ersten Spannungsebene.
Die DE 101 02 243 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung und Verteilung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug. Die Vorrichtung weist wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor auf, der über einen Umrichter mit einer Brennstoffzellen-Einheit verbunden ist. Die Brennstoffzellen-Einheit ist mit zumindest einem ersten, einem zweiten und einem dritten elektrischen Spannungsnetz verbunden, wobei jedem elektrischen Spannungsnetz zumindest ein elektrischer Verbraucher oder/und zumindest ein Energiespeicher zugeordnet ist. Das erste elektrische Spannungsnetz ist durch ein Brennstoffzellen-Spannungsnetz gebildet und über einen ersten bidirektionalen DC-DC-Wandler mit dem zweiten elektrischen Spannungsnetz verbunden. Mittels dieses DC-DC-Wandlers wird das erste elektrische Spannungsnetz von dem zweiten elektrischen Spannungsnetz galvanisch getrennt.
Schließlich sei noch die DE 103 14 360 A1 erwähnt, die eine Spannungsversorgung für ein Kraftfahrzeug offenbart, bei der zur Versorgung eines Spannungsbordnetzes oder/und für einen elektrischen Fahrzeugantrieb mindestens zwei Spannungskreise mit unterschiedlichen Spannungsniveaus geschaltet sind. Zur Energieeinspeisung ist mindestens eine Energiequelle vorgesehen, wobei diese Energiequelle ein Energiewandler ist, der als ein Brennstoffzellenstack aus in Serie geschalteten Brennstoffzellen-Elementen ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstack weist einen Mehrfach-Spannungsabgriff auf, über den die für die Spannungskreise vorgesehenen jeweiligen Spannungsniveaus abgreifbar sind, und über den die den Spannungskreisen zugeordneten Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden können.
Als problematisch bei solchen Antriebsystemen erweist sich indes, dass deren Design mit zwei oder gar mehreren elektrischen Spannungsebenen einen sehr hohen konstruktiven Aufwand erfordert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein zwei elektrische Ausgangsspannungen bereitstellendes Antriebssystem für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug zu schaffen, welches mit – gegenüber herkömmlichen Antriebssystemen – deutlich verringerten konstruktiven Aufwand zu realisieren ist und welches für eine hohe Lebensdauer ausgelegt ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Antriebssystem zu schaffen.
Die genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, ein Antriebssystem mit einem Batteriesystem auszustatten, welches eine erste elektrische Ausgabespannung und eine im Vergleich zur ersten elektrischen Ausgabespannung kleinere, zweite elektrische Ausgabespannung bereitstellt. Die erste elektrische Ausgabespannung dient zur Energieversorgung eines Generator-Motors, welcher im Motor-Betrieb ein Fahrzeug anzutreiben vermag, in einem Generator-Betriebsmodus hingegen eine elektrische Generator-Ausgangspannung erzeugt, welche zur Aufladung in die Batteriezellen des Batteriesystems eingespeist werden kann.
Die zweite elektrische Ausgabespannung dient demgegenüber zur Energieversorgung eines oder mehrerer Nebenaggregate wie etwa einer Kühlmittelpumpe des Elektrofahrzeugs. Der zur Versorgung der Nebenaggregate erforderliche Spannungswert der zweiten elektrischen Ausgabespannung lässt sich mit Hilfe einer Einstelleinheit, die etwa in Form eines verstellbaren Spannungswandlers ausgebildet sein kann, variieren. Die Steuerung dieser Einstelleinheit erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe einer mit der Einstelleinheit und dem Generator-Motor zusammenwirkenden Steuerungs-/Regelungseinheit: Diese steuert die Einstelleinheit und den Generator-Motor über ein Bussystem, etwa einen LIN- oder CAN-Bus, derart an, dass der durch den ersten elektrischen Spannungsabgriff fließende erste elektrische Strom und/oder der durch den zweiten elektrischen Spannungsabgriff fließende zweite elektrische Strom einer vorgegebenen Regelungsstrategie folgt. Mittels einer solchen Regelung lässt sich insbesondere die vom Generator-Motor erzeugte elektrische Spannung berücksichtigen. Eine solche Regelungsstrategie mag etwa derart definiert – und in der Steuerungs-/Regelungseinheit etwa als ausführbarer Programmcode abgelegt – sein, dass die Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen des Batteriesystems – im Folgenden als Batterie-Einheiten bezeichnet – maximiert wird. Hierzu kann besagte Regelungsstrategie etwa auf der Idee basieren, für einen betragsmäßig im Wesentlichen identischen elektrische Stromfluss durch die einzelnen Batterie-Einheit zu sorgen, so dass alle Batteriezellen dem gleichen Alterungsprozess unterworfen werden.
Bei der Ansteuerung der Einstelleinheit und des Generator-Motors ist hierzu selbstverständlich die Verschaltungskonfiguration der einzelnen Batterie-Einheiten, insbesondere im Hinblick auf deren elektrische Verschaltung parallel oder in Reihe zueinander zu berücksichtigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Batteriesystem bezüglich seiner beiden Batteriestränge symmetrisch aufgebaut sein, d. h. der erste Batteriestrang weist eine erste Mehrzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten, wiederaufladbaren ersten Batterie-Einheiten und der zweite Batteriestrang eine zweite Mehrzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten aufladbaren zweiten Batterie-Einheiten auf, wobei – besagtem symmetrischen Aufbau entsprechend – die erste Mehrzahl gleich der zweiten Mehrzahl ist. Im Batteriesystem ist ferner ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit in Kommunikationsverbindung stehender Stromsensor vorgesehen, mittels welchem der durch den zweiten Spannungsabgriff fließende elektrische Strom bestimmt und an die Steuerungs-/Regelungseinheit übermittelt werden kann. Zur Realisierung der oben vorgeschlagenen, eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie-Einheiten fördernden Regelstrategie erfolgt die Ansteuerung der Einstelleinheit und des Generator-Motors durch Einstellen der elektrischen Generator-Ausgabespannung und der zweiten elektrischen Ausgabespannung derart, dass ein durch den zweiten Spannungsabgriff fließender elektrischer Strom im Wesentlichen auf einen Null-Wert geregelt wird. Ein solches erfindungsgemäßes Regeln auf einen Null-Wert stellt sicher, dass ein durch den zweiten Batteriestrang fließender elektrischer Strom immer auch durch den ersten Batteriestrang fließt – und umgekehrt –, so dass die Batterie-Einheiten bei Batteriesträngejeweils stets gleichzeitig entladen – und auch wieder aufgeladen werden – und folglich gleich schnell altern.
Mittels der durch die erfindungsgemäße Regelungseinheit bereitgestellten Regelungsstrategie wird also eine gleichmäßige Belastung der beiden Batteriestränge bewirkt, was somit zu einer im Wesentlichen identischen und auch maximalen Lebensdauer der Batteriestränge des Batteriesystems führt. Insbesondere wird auf diese Weise vermieden, dass aufgrund einer unterschiedlichen Alterung einer der beiden Batteriestränge zeitlich vor dem jeweils anderen Batteriestrang ausgetauscht werden muss bzw. dass das gesamte Batteriesystem ausgetauscht werden muss, obwohl nur einer der beiden Batteriestränge seine maximale Lebensdauer erreicht hat.
Gemäß einer zur vorgenannten Ausführungsform alternativen Variante kann der erste Batteriestrang eine erste Batterie-Einheit und der zweite Batteriestrang wenigstens zwei elektrisch parallel zueinander geschaltete Batterie-Einheiten umfassen. Ein solcher Aufbau der beiden Batteriestränge erweist sich im Gegensatz zum oben erläuterten, symmetrischen Aufbau, als asymmetrisch. Auch bei einer solchen, asymmetrischen Variante wird im Batteriesystem ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit in Kommunikationsverbindung stehender Stromsensor vorgesehen, mittels welchem ein durch den zweiten Spannungs-Abgriff fließender elektrische Strom bestimmbar und an die Steuerungs-/Regelungseinheit übermittelbar ist. Weiterhin kann im Batteriesystem ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit in Kommunikationsverbindung stehender zusätzlicher Stromsensor vorgesehen werden, mittels welchem auch ein durch den ersten Spannungs-Abgriff fließender elektrische Strom bestimmt und an die Steuerungs-/Regelungseinheit übermittelt werden kann.
Zur Realisierung der o. g. Regelungsstrategie in einem asymmetrischen Batteriesystem erfolgt die Ansteuerung der Einstelleinheit und des Generator-Motors über die Steuerungs-/Regelungseinheit durch Einstellen der elektrischen Generator-Ausgabespannung und der zweiten elektrischen Ausgabespannung derart, dass der durch die erste Batterie-Einheit strömende elektrischer Strom jeweils im Wesentlichen gleich einem elektrischen Strom ist, der durch eine der wenigstens zwei zweiten Batterie-Einheiten strömt. Durch ein derartiges Regeln der elektrischen Ströme im Batteriesystem wird sichergestellt, dass, unabhängig davon, ob von dem Batteriesystem elektrische Energie über den ersten oder zweiten Spannungsabgriff geliefert werden soll, durch alle Batterie-Einheiten des Batteriesystems im Wesentlichen jeweils derselbe elektrische Strom fließt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des oben erläuterten asymmetrischen Aufbaus des Batteriesystems ist die Steuerungs-/Regelungseinheit derart ausgebildet, dass mittels Einstellen der elektrischen Generator-Ausgabespannung und der konvertierten elektrischen Ausgabespannung durch die Regelungseinheit ein durch den ersten und zweiten Spannungsabgriff fließender erster bzw. zweiter elektrischer Strom I₁, I₂ jeweils derart geregelt wird, dass zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Strom im Wesentlichen folgender Zusammenhang erfüllt ist: I₂ = I₁(N₂ – 1), wobei N₂ die Anzahl an zweiten Batterie-Einheiten ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass durch alle Batterie-Einheiten des Batteriesystems im Wesentlichen jeweils derselbe elektrische Strom fließt, sodass diese im Wesentlichen gleich schnell altern.
Bei einer technisch besonders einfach zu realisierenden Ausgestaltungsform kann die Einstelleinheit eine Spannungs-Konvertierungseinheit mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss umfassen, welche eine an dem Eingangsanschluss anliegende elektrische Eingangsspannung in eine einstellbare und an dem Ausgangsanschluss bereitgestellte konvertierte elektrische Ausgangsspannung umwandelt, die kleiner ist als die elektrische Eingangsspannung. Der Eingangsanschluss einer solchen Spannungs-Konvertierungseinheit ist elektrisch mit dem ersten Spannungsabgriff des Batteriesystems verbunden, der Ausgangsanschluss hingegen mit dessen zweitem Spannungsabgriff. Besagte Spannungs-Konvertierungseinheit kann also dazu herangezogen werden, die am ersten Spannungsabgriff bereitgestellte erste elektrische Ausgabespannung zu wandeln und am zweiten Spannungsabgriff bereitzustellen. Mittels der Steuerungs-/Regelungseinheit lässt sich dabei der zur Verwirklichung der gewünschten Regelungsstrategie durch die Spannungs-Konvertierungseinheit bewirkte Reduzierungsgrad einstellen, ohne dass dadurch der Wert der zweiten elektrischen Ausgabespannung verändert wird. Mit anderen Worten, die Spannungs-Konvertierungseinheit ermöglicht es, eine vorgegebenen Regelstrategie zu realisieren, ohne dass dies eine unerwünschte Variation des Wertes der zweiten elektrischen Ausgabespannung zur Folge hätte. Vielmehr wird besagte zweite elektrische Ausgabespannung durch eine entsprechende Ansteuerung der Spannungs-Konvertierungseinheit gerade konstant gehalten, was zur Versorgung des wenigstens einen daran angeschlossenen Nebenaggregats mit elektrischer Energie zwingend erforderlich ist.
Als konstruktiv besonders vorteilhaft erweist sich indes eine Ausgestaltungsform, bei welcher oben vorgestellte Spannungs-Konvertierungseinheit Teil des Batteriesystems ist. Ein solcher Aufbau erweist sich als besonders kompakt und lässt sich somit besonders einfach in das das Antriebsystem verwendende Fahrzeug implementieren.
Alternativ dazu ist es aber auch vorstellbar, die Spannungs-Konvertierungseinheit außerhalb des Batteriesystems anzuordnen. Mit besonders niedrigen Herstellungskosten verbunden ist eine Ausführungsform, bei welcher die Spannungs-Konvertierungseinheit als DC-DC-Wandler ausgebildet wird.
Alternativ zur oben vorgeschlagenen Verwendung einer Spannungs-Konvertierungseinheit, insbesondere in Form eines DC-DC-Wandlers, kommt auch eine Verwendung von in herkömmlichen Mehrzellen-Batteriesystemen typischerweise bereits integrierten sog. ”Balancern”, welche dem einschlägigen Fachmann auch unter dem Begriff ”Ausgleichsregler” geläufig sind. Mittels solcher Balancer-Module lassen sich einzelne Batterie-Einheiten der beiden Batterie-Stränge, gezielt entladen, um somit einen einheitlichen Ladezustand aller Batterie-Einheiten sicherzustellen. Auch das Vorbeiführen von Ladung über diese Wiederstände während des Ladevorgangs ist möglich. Ebenso sind aktive Balancer denkbar, die Ladung einzelner Batterie-Einheiten untereinander verschieben.
Beim hier vorgeschlagenen Antriebssystem kann für jeden der beiden Batteriestränge ein separates Balancer-Modul vorgesehen werden, welche dann beide von der Steuerungs-/Regelungseinheit angesteuert werden. Durch ein gezieltes Entladen einzelner oder aller Batterie-Einheiten kann die von den Batterie-Einheiten am zweiten Spannungsabgriff bereitgestellte elektrische Spannung in analoger Weise zur oben erörterten, einen DC-DC-Wandler verwendenden Variante manipuliert werden, um eine bestimmte Regelungsstrategie zu verwirklichen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung empfiehlt es sich, das Antriebssystem mit einem Bussystem, insbesondere mit einem CAN- oder LIN-Bussystem, auszustatten, mittels welchem die Steuerungs- und Regelungseinheit wenigstens mit der Einstelleinheit und dem Generator-Motor kommunizieren kann, um diese beiden Komponenten anzusteuern.
Die Erfindung betrifft ferner ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem Antriebssystem mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
2 eine Variante des Beispiels der 1 mit einem asymmetrischen Aufbau des verwendeten Batteriesystems,
3 ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
1 illustriert ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 1 in einer schaltplanartigen Darstellung. Dieses umfasst ein Batteriesystem 2 mit einem ersten Batteriestrang 3a und einem zum ersten Batteriestrang 3a elektrisch in Reihe geschalteten zweiten Batteriestrang 3b.
Das Batteriesystem 2 ist bezüglich seiner beiden Batteriestränge 3a, 3b symmetrisch aufgebaut, d. h. der erste Batteriestrang 3a weist eine erste Mehrzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten aufladbaren ersten Batterie-Einheiten 9a und der zweite Batteriestrang 3b eine zweite Mehrzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten aufladbaren zweiten Batterie-Einheiten 9b auf, wobei – besagtem symmetrischen Aufbau entsprechend – die erste Mehrzahl gleich der zweiten Mehrzahl ist.
Das Batteriesystem 2 weist einen ersten Spannungsabgriff 4a zur Ausgabe einer ersten elektrischen Ausgabespannung V₁ und einen zweiten Spannungsabgriff 4b zur Ausgabe einer zweiten elektrischen Ausgabespannung V₂ auf. Am ersten Spannungsabgriff 4a ist ein Generator-Motor 6 des Kraftfahrzeugs angeschlossen, mittels welchem in einem Generator-Betrieb eine elektrische Generator-Ausgabespannung V_GA erzeugt wird. An den zweiten Spannungsabgriff 4b ist ein Nebenaggregat 7, etwa in Form eines Heizelements oder einer Kühlmittelpumpe, angeschlossen.
Das Antriebssystem 1 besitzt ferner eine Einstelleinheit 5 zum Einstellen der zweiten elektrischen Ausgabespannung V₂. Die Einstelleinheit 5 umfasst eine Spannungs-Konvertierungseinheit 11, beispielsweise in Form eines in Fachkreisen auf dem Gebiet der Elektrotechnik als DC-DC-Wandler bekannten Spannungswandler. Dieser besitzt einen Eingangs- und einem Ausgangsanschluss 12, 13, welche eine an dem Eingangsanschluss 12 anliegende elektrische Eingangsspannung in eine einstellbare/variierbare und an dem Ausgangsanschluss 13 bereitgestellte konvertierte elektrische Ausgangsspannung umwandelt, die kleiner ist als die elektrische Eingangsspannung. Der Eingangsanschluss 12 einer solchen Spannungs-Konvertierungseinheit 11 ist elektrisch mit dem ersten Spannungsabgriff 4a des Batteriesystems 2 verbunden, der Ausgangsanschluss 13 mit dessen zweitem Spannungsabgriff 4b.
Besagte Spannungs-Konvertierungseinheit 11 wird nunmehr verwendet, um die am ersten Spannungsabgriff 4a bereitgestellte, erste elektrische Ausgabespannung V₁ in eine kleinere Spannung zu wandeln und diese am zweiten Spannungsabgriff 4b bereitzustellen. Mittels der Steuerungs-/Regelungseinheit 8 lässt sich die zur Verwirklichung der gewünschten erfindungsgemäßen Regelungsstrategie durch die Spannungs-Konvertierungseinheit 11 zu erzielende Reduzierung der elektrischen Spannung einstellen, so dass die zweite elektrische Ausgabespannung V₂ unabhängig von der vom Generator-Motor 6 erzeugten Generator-Ausgabespannung eingestellt werden kann.
In der Darstellung der 1 ist die Spannungs-Konvertierungseinheit 11 Teil des Batteriesystems 2. Ein solcher Aufbau erweist sich als besonders kompakt und lässt sich somit besonders einfach in das das Antriebsystem verwendende Fahrzeug implementieren. Alternativ dazu ist es aber auch vorstellbar, die Spannungs-Konvertierungseinheit 11' als Teil der Einstelleinheit 5' außerhalb des Batteriesystems 2 anzuordnen, was in 1 exemplarisch in gestrichelter Darstellung gezeigt ist. (Bitte im Bild 1 den Punkt 13' an die linke Seite des Kastens verschieben)
Die Einstelleinheit 5 und der Generator-Motor 6 werden im Beispielszenario der 1 nunmehr von einer Steuerungs-/Regelungseinheit 8 derart angesteuert, dass der durch den ersten elektrischen Spannungsabgriff 4a strömende erste elektrische Strom I₁ und der durch den zweiten elektrischen Spannungsabgriff 4b strömende zweite elektrische Strom I₂ gemäß einer von Steuerungs-/Regelungseinheit 8 vorgegebenen Regelungsstrategie festgelegt sind. Im Batteriesystem 2 ist hierzu ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit 8 in Kommunikationsverbindung stehender Stromsensor 10b vorgesehen, mittels welchem der durch den zweiten Spannungsabgriff 4b fließende elektrische Strom bestimmt und an die Steuerungs-/Regelungseinheit 8 übermittelt wird. Zur Realisierung der oben erörterten, eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie-Einheiten 9a, 9b fördernden Regelstrategie erfolgen die Ansteuerung der Einstelleinheit 5 und des Generator-Motors 6 über die Steuerungs-/Regelungseinheit 8 durch Einstellen der elektrischen Generator-Ausgabespannung V_GA und der zweiten elektrischen Ausgabespannung V₂ derart, dass der durch den zweiten Spannungsabgriff 4b fließende elektrischer Strom I₂ im Wesentlichen auf einen Null-Wert geregelt wird. Durch ein solches Einregeln auf einen Null-Wert wird sichergestellt, dass ein durch den zweiten Batteriestrang 3b fließender elektrischer Strom immer auch durch den ersten Batteriestrang 3a fließt und umgekehrt, so dass die parallel geschalteten Batterie-Einheiten 9a, 9b des ersten und zweiten Batteriestrangs 3a, 3b jeweils stets gleichzeitig entladen und auch wieder aufgeladen werden – und folglich gleich schnell altern. Mittels der durch die Steuerungs-/Regelungseinheit 8 bereitgestellten Regelungsstrategie wird also eine gleichmäßige Belastung der beiden Batteriestränge 3a, 3b erzielt.
In einer Variante des Beispiels der 1 kann der erste Batteriestrang 3a mit einer ersten Batterie-Einheit 9a und der zweite Batteriestrang 3b mit wenigstens zwei elektrisch parallel zueinander geschaltete zweite Batterie-Einheiten 9b ausgestattet werden. Ein solches Szenario ist in vereinfachter Darstellung in 2 gezeigt, welches sich auf die elektrische Verschaltung der Batterie-Einheiten 9a, 9b der beiden Batteriestränge 3a, 3b beschränkt. Die Anzahl an ersten Batterie-Einheiten 9a ist also verschieden von jener der zweiten Batterie-Einheiten 9b. Der Aufbau der beiden Batteriestränge 3a, 3b ist im Gegensatz zum Beispiel der 1 also asymmetrisch. Auch bei einer solchen, asymmetrischen Variante ist im Batteriesystem 2 der mit der Steuerungs-/Regelungseinheit 8 in Kommunikationsverbindung stehende und in 1 bereits dargestellte Stromsensor 10b vorhanden.
Der 1 lässt sich ferner entnehmen, dass für den asymmetrischen Aufbau der Batteriestränge 3a, 3b im Batteriesystem 2 ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit 8 ebenfalls in Kommunikationsverbindung stehender, zusätzlicher Stromsensor 10a vorgesehen wird, mittels welchem auch ein durch den ersten Spannungsabgriff 4a fließende elektrische Strom I₁ bestimmt und an die Steuerungs-/Regelungseinheit 8 übermittelt werden kann. Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Regelungsstrategie im asymmetrisch aufgebauten Batteriesystem 2 erfolgt die Ansteuerung der Einstelleinheit 6 und des Generator-Motors 5 über die Steuerungs-/Regelungseinheit 8 nunmehr durch Einstellen der elektrischen Generator-Ausgabespannung V_GA und der zweiten elektrischen Ausgabespannung V₂ derart, dass ein durch jeweils eine erste Batterie-Einheit 9a fließender erster elektrischer Strom jeweils im Wesentlichen gleich einem durch eine der wenigstens zwei zweiten Batterie-Einheiten 9b fließenden elektrischen Strom ist. Die Stromregelung erfolgt dabei derart, dass zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Strom I₁, I₂ im Wesentlichen folgender Zusammenhang erfüllt wird: I₂ = I₁(N₂ – 1), wobei N₂ = (Mehrzahligkeit 9b)/(Mehrzahligkeit 9a) ist.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass durch alle Batterie-Einheiten 9a, 9b des asymmetrischen Batteriesystems 2 im Wesentlichen jeweils derselbe elektrische Strom fließt, sodass diese im Wesentlichen gleich schnell altern.
3 zeigt indes eine alternative Variante des Beispiels der 1, bei welcher alternativ zur oben vorgeschlagenen Verwendung einer Spannungs-Konvertierungseinheit 11 die in Mehrzellen-Batteriesystemen typischerweise bereits integrierten Balancer-Module 14 – als Teil der Einstelleinheit 5 – zum Einstellen der zweiten Ausgabespannung V₂ verwendet werden. Mittels der Balancer-Module 14 lassen sich einzelne Batterie-Einheiten 9a, 9b der beiden Batterie-Stränge 4a, 4b über Widerstände – diese sind in 3 symbolisch durch die mit 15 bezeichneten Pfeile wiedergegeben – gezielt entladen, um somit einen einheitlichen Ladezustand aller Batterie-Einheiten 9a, 9b sicherzustellen.
Im Beispiel der 3 ist für jeden der beiden Batteriestränge 3a, 3b ein separates Balancer-Modul 14 vorgesehen, welche beide von der Steuerungs-/Regelungseinheit 8 angesteuert werden. Durch ein gezieltes Entladen einzelner oder aller Batterie-Einheiten 9a, 9b wird die von besagten Batterie-Einheiten 9a, 9b am zweiten Spannungsabgriff 4b bereitgestellte zweite elektrische Ausgabespannung V₂ in analoger Weise zur oben erörterten, einen DC-DC-Wandler verwendenden Variante manipuliert, um die gewünschte Regelungsstrategie zu verwirklichen.
Das Antriebssystem 1 gemäß der 1 bis 3 ist mit einem Bussystem 16, beispielsweise mit einem CAN- oder LIN-Bussystem ausgestattet, mittels welchem die Steuerungs- und Regelungseinheit 8 mit der Einstelleinheit 5, 5' und dem Generator-Motor 8 kommuniziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009057919 A1 [0003]
DE 10102243 A1 [0004]
DE 10314360 A1 [0005]

Claims

Antriebssystem (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, – mit einem Batteriesystem (2) mit einem ersten Batteriestrang (3a) und einem zum ersten Batteriestrang (3a) elektrisch in Reihe geschalteten zweiten Batteriestrang (3b), welches einen ersten Spannungsabgriff (4a) zur Ausgabe einer ersten elektrischen Ausgabespannung (V₁) und einen zweiten Spannungsabgriff (4b) zur Ausgabe einer zweiten elektrischen Ausgabespannung (V₂) aufweist, – mit einer Einstelleinheit (5; 5') zum Einstellen der zweiten elektrischen Ausgabespannung (V₂), – mit einem an den ersten Spannungsabgriff (4a) angeschlossenen Generator-Motor (6), mittels welchem in einem Generator-Betrieb eine elektrische Generator-Ausgabespannung (V_GA) erzeugbar ist, – mit wenigstens einem an den zweiten Spannungsabgriff (4b) angeschlossenen Nebenaggregat (7), – mit einer mit der Einstelleinheit (5) und dem Generator-Motor (6) zusammenwirkenden Steuerungs-/Regelungseinheit (8), welche die Einstelleinheit (5; 5') und den Generator-Motor (6) derart ansteuert, dass der durch den ersten elektrischen Spannungsabgriff (4a) fließende erste elektrische Strom (I₁) und/oder der durch den zweiten elektrischen Spannungsabgriff (4b) fließende zweite elektrische Strom (I₂) gemäß einer von der Steuerungs-/Regelungseinheit (8) vorgegebenen Regelungsstrategie festgelegt sind.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Batteriestrang (3a) eine erste Mehrzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten aufladbaren ersten Batterie-Einheiten (9a) umfasst, – der zweite Batteriestrang (3b) eine zweite Mehrzahl von elektrisch parallel zueinander geschalteten aufladbaren zweiten Batterie-Einheiten (9b) umfasst, – die erste Mehrzahl gleich der zweiten Mehrzahl ist, – im Batteriesystem (2) ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit (8) in Kommunikationsverbindung stehender Stromsensor (10b) vorgesehen ist, mittels welchem der durch den zweiten Spannungs-Abgriff (4b) fließende zweite elektrische Strom (I₂) bestimmbar und an die Steuerungs-/Regelungseinheit (8) übermittelbar ist, – die Ansteuerung der Einstelleinheit (5; 5') und des Generator-Motors (6) durch die Steuerungs-/Regelungseinheit (8) durch Einstellen der elektrischen Generator-Ausgabespannung (V_GA) und der zweiten elektrischen Ausgabespannung (V₂) derart erfolgt, dass der durch den zweiten Spannungsabgriff (4b) fließende zweite elektrischer Strom (I₂) im Wesentlichen auf einen Null-Wert geregelt wird.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Batteriestrang (3a) eine, erste Batterie-Einheit (9a) und der zweite Batteriestrang (3b) wenigstens zwei elektrisch parallel zueinander geschaltete zweite Batterie-Einheiten (9b) umfasst, – im Batteriesystem (2) ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit (8) in Kommunikationsverbindung stehender Stromsensor (10b) vorgesehen ist, mittels welchem der durch den zweiten Spannungs-Abgriff (4b) fließende zweite elektrische Strom (I₂) bestimmbar und an die Steuerungs-/Regelungseinheit (8) übermittelbar ist, – im Batteriesystem (2) ein mit der Steuerungs-/Regelungseinheit (8) in Kommunikationsverbindung stehender zusätzlicher Stromsensor (10a) vorgesehen ist, mittels welchem ein durch den ersten Spannungs-Abgriff (4a) fließender elektrischer Strom (I₁) bestimmbar und an die Steuerungs-/Regelungseinheit (8) übermittelbar ist, – die Ansteuerung der Einstelleinheit (5; 5') und des Generator-Motors (8) durch die Steuerungs-/Regelungseinheit (8) durch Einstellen der elektrischen Generator-Ausgabespannung (V_GA) und der zweiten elektrischen Ausgabespannung (V₂) derart erfolgt, dass der durch die erste Batterie-Einheit (9a) fließende elektrischer Strom jeweils im Wesentlichen gleich einem durch eine der wenigstens zwei zweiten Batterie-Einheiten (9b) fließenden elektrischen Strom ist.
Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den ersten und zweiten Spannungsabgriff (4a, 4b) fließende erste bzw. zweite elektrische Strom (I₁, I₂) derart geregelt wird, dass zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Strom (I₁, I₂) im Wesentlichen folgender Zusammenhang erfüllt ist: I₂ = I₁(N₂ – 1), wobei N₂ die Anzahl an zweiten Batterie-Einheiten (9b) ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Einstelleinheit (5; 5') eine Spannungs-Konvertierungseinheit (11; 11') mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss (12, 13) umfasst, welche eine an dem Eingangsanschluss (12) anliegende elektrische Eingangsspannung in eine einstellbare und an dem Ausgangsanschluss (13) bereitgestellte konvertierte elektrische Ausgangsspannung umwandelt, die kleiner ist als die elektrische Eingangsspannung, wobei der Eingangsanschluss (12) elektrisch mit dem ersten Spannungsabgriff (4a) verbunden ist und der Ausgangsanschluss (13) elektrisch mit dem zweiten Spannungsabgriff (4b) verbunden ist.
Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Spannungs-Konvertierungseinheit (11) Teil des Batteriesystems (2) ist, oder dass – die Spannungs-Konvertierungseinheit (11') außerhalb des Batteriesystems (2) angeordnet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs-Konvertierungseinheit (11; 11') ein DC-DC-Wandler ist.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinheit (5) einen im Batteriesystem (2) vorgesehenen Ausgleichsregler umfasst.
Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (8) mittels eines Bussystems (16), insbesondere mittels eines CAN-Bussystems, mit der Einstelleinheit (5; 5') und dem Generator-Motor (6) in Kommunikationsverbindung steht.
Elektro- oder Hybridfahrzeug mit wenigstens einem Antriebssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.