Die vorliegende Erfindung betrifft einen Energieübertra ^¬ gungsstrang für ein Range-Extender-Modul.

In zukünftigen Antrieben für Elektrofahrzeuge sollen Aggregate eingesetzt werden, die die Reichweite des Fahrzeugs über die rein elektrische Reichweite hinaus erweitern. Dazu sind sogenannte Range-Extender-Module in Diskussion, welche eine kleine Verbrennungskraftmaschine enthalten, die einen me ^¬ chanisch gekuppelten Generator zur Erzeugung von Hilfs- bzw. Notstrom antreibt. Die Verbrennungskraftmaschine wird dabei kontinuierlich in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben, wodurch die Emissions- und Geräuschentwicklung minimiert werden kann .

Bekannte Lösungen für solche Energieübertragungsstränge verwenden den Generator im Umkehrbetrieb auch als Motor zum Anlassen der Verbrennungskraftmaschine. Dazu wird dem Genera ^¬ tor ein bidirektionales Invertermodul nachgeschaltet, welches im Generatorbetrieb aus dem Generatorwechselstrom Gleichstrom für die Fahrzeugbatterie erzeugt und im Motorbetrieb Gleich ^¬ strom aus der Fahrzeugbatterie in den entsprechenden Wechsel ^¬ strom zur Speisung des Generators umwandelt. Ein solches bidi ^¬ rektionales Invertermodul ist komplex und entsprechend kost ^¬ spielig. Außerdem müssen der Generator und das Invertermodul für das hohe Anlaßdrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und damit einen entsprechend hohen Anlaßstrom ausgelegt werden. Dies bedeutet einen großen Bauraum und großes Gewicht, was insbesondere für kleinere Elektrofahrzeuge aus Kosten- und Platzgründen nicht praktikabel ist. Zusätzlich benötigt z.B. ein Synchrongenerator, wenn er als Motor verwendet wird, für den Betrieb einen Winkellagesensor, was einen weiteren Kostennachteil darstellt.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, einen Energieübertra ^¬ gungsstrang für ein Range-Extender-Modul zu schaffen, welcher kostengünstiger, leichtgewichtiger und platzsparender ist als die bekannten Konstruktionen, insbesondere um einen Einsatz in kleinen Stadtfahrzeugen zu ermöglichen.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit einem Energieübertra ^¬ gungsstrang erreicht, der sich auszeichnet durch die Abfolge aus einer Verbrennungskraftmaschine, einem von dieser mecha ^¬ nisch angetriebenen Wechselstromgenerator und einem daran elektrisch angeschlossenen Gleichrichter mit einem nachgeschalteten unidirektionalen DC/DC-Wandler zur Speisung einer elektrischen Last, wobei die Verbrennungskraftmaschine mit ei ^¬ nem eigenen elektrischen Startermotor ausgestattet ist.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß beträchtliche Kosten, Gewicht und Bauraum eingespart wer ^¬ den können, wenn der Energieübertragungsstrang ausschließlich unidirektional aufgebaut wird, d.h. aus der unidirektionalen Abfolge von Startermotor -> Verbrennungskraftmaschine -> Wech ^¬ selstromgenerator -> Gleichrichter -> DC/DC-Wandler, selbst wenn dies einen eigenen Startermotor erfordert: Ein kostspieliger bidirektionaler Inverter entfällt. Weil Inverter und Generator nicht für den hohen Anlaßstrom einer Verbrennungskraftmaschine dimensioniert werden müssen, können beträchtli ^¬ cher Bauraum und Gewicht gespart werden. Auch kann mit einem einfachen passiven Gleichrichter das Auslangen gefunden werden, und der gesonderte Startermotor für die Verbrennungs ^¬ kraftmaschine ist ein handelsübliches, kostengünstiges Teil. Darüber hinaus entfällt auch der Winkellagesensor im Generator, was weitere Kosten spart.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Startermotor ein handelsüblicher Standard-12-Volt-Anlassermotor ist.

Der Wechselstromgenerator ist bevorzugt eine dreiphasige permanenterregte Synchronmaschine (PSM) , welche sich durch be ^¬ sonders einfache und robuste Konstruktion auszeichnet.

Aus demselben Grund ist es besonders günstig, wenn der Gleichrichter ein dreiphasiger passiver Vollwellengleichrich- ter ist, bevorzugt eine Diodenbrücke.

Aufgrund der Unidirektionalität des Energieübertragungs ^¬ strangs kann ein sehr einfacher DC/DC-Wandler eingesetzt werden, wie er bevorzugt durch eine mikroprozessorgesteuerte La ^¬ dungspumpe gebildet wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Last eine Hochvolt- Batterie für einen elektrischen Fahrantrieb ist, für welche der DC/DC-Wandler das entsprechende Spannungsniveau mikropro ^¬ zessorgesteuert bereitstellen kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Verbrennungskraftmaschine und/oder der Wechselstromgenerator eine Flüssigkeitskühlung aufweisen, welche den Gleichrichter und/oder den DC/DC-Wandler mitkühlt. Dadurch können weitere Komponenten und damit Bau ^¬ raum, Gewicht und Kosten eingespart werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gleichrichter und der DC/DC-Wandler in das Gehäuse des Wechselstromgenerators integriert oder daran angeflanscht sind, um eine autarke Ein ^¬ heit zu schaffen.

Bevorzugt ist der Energieübertragungsstrang zur Gänze in Form eines austauschbaren Range-Extender-Moduls für ein Hyb ^¬ ridfahrzeug ausgebildet, in welches er beispielsweise modular austauschbar eingesteckt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beige ^¬ schlossenen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, in welcher Fig. 1 ein Blockschaltbild des Ener ^¬ gieübertragungsstrangs der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist ein Range-Extender-Modul 1 dargestellt, das eine Hochvoltbatterie 2 für einen (nicht weiter dargestellten) elektrischen Fahrantrieb eines Hybridfahrzeugs speist. Das Range-Extender-Modul 1 ist als autarke, modular austauschbare Einheit z.B. in einem Gehäuse oder auf einem Baugruppenträger angeordnet und mit elektrischen Anschlüssen 3, 4 zur Verbindung mit der Hochvoltbatterie 2 ausgestattet.

Das Range-Extender-Modul 1 enthält einen unidirektionalen Energieübertragungsstrang, welcher aufeinanderfolgend umfaßt:

- einen Startermotor 5, wie er z.B. als Standard-12-Volt- Anlassermotor für Kraftfahrzeuge handelsüblich erhältlich ist;

- eine vom Startermotor 5 über z.B. einen Riementrieb oder ein Ritzel 6 anlaßbare Verbrennungskraftmaschine 7 kleiner bis mittlerer Leistung, z.B. im Bereich von 15 bis 30 kW; die Verbrennungskraftmaschine 7 wird bevorzugt von einem (nicht dargestellten) Steuergerät geregelt, welches über ein geeigne ^¬ tes Bussystem, z.B. nach dem HS-CAN- oder Flexray-Standard, mit dem Restfahrzeug kommunizieren kann;

- einen Wechselstromgenerator 8, bevorzugt in Form einer dreiphasigen permanenterregten Synchronmaschine (PSM) , welcher Generator 8 von der Verbrennungskraftmaschine 7 über eine Wel ^¬ le 9, einen Zahnradtrieb, Riementrieb od. dgl . angetrieben ist ;

einen an den Generator 8 elektrisch angeschlossenen Gleichrichter 10, bevorzugt einen einfachen passiven dreiphasigen Vollwellengleichrichter in Form einer Diodenbrücke aus sechs schnellen Dioden Dl - D6 und einem Glättungskondensator Cl;

einen dem Gleichrichter 10 nachgeschalteten DC/DC- Wandler 11 zur Glättung und Auf- oder Abwärtstransformierung der Ausgangsspannung des Gleichrichters 10 auf das gewünschte Potential an den Anschlüssen 3, 4; der DC/DC-Wandler 11 ist in der gezeigten bevorzugten Ausführungsform eine mikroprozessorgesteuerte Ladungspumpe mit einer Speicherinduktivität LI, ei ^¬ ner Speicherkapazität C2 und einer Ladeschaltung aus einer Diode D7 und einem von einem Mikroprozessor μΡ gesteuerten Schalter Sl.

Der Mikroprozessor μΡ betreibt den Schalter Sl und damit den DC/DC-Wandler 11 mit hoher interner Taktfrequenz, so daß die Baugröße der Komponenten klein gehalten werden kann. Mit dem Takt- und Tastverhältnis des Schalters Sl können die Span ^¬ nung und damit auch die übertragene Leistung eingestellt wer ^¬ den. Der Mikroprozessor μΡ übernimmt dabei auch die Kommunika ^¬ tion über einen Bus 12, z.B. nach dem HS-CAN- oder FlexRay- Standard, mit Fahrzeugkomponenten, um die gewünschte Leistung frei zugeben .

Als Regelgröße wird beispielsweise die zu erzeugende Leis ^¬ tung oder der gewünschte Ladestrom für die Hochvoltbatterie 2 vorgegeben. Die Regelung kann z.B. Daten von einem Stromsensor in den Ausgangsanschlüssen 3, 4, einem Spannungssensor am Ein- und/oder Ausgang des DC/DC-Wandlers 11, sowie von internen Temperatursensoren erhalten. Spezielle Ladekennlinien für die Hochvoltbatterie 2 können in Software realisiert und über den Mikroprozessor μΡ gesteuert werden.

Durch zusätzliche Schutzmaßnahmen im DC/DC-Wandler 11, z.B. einen Abschalttransistor, können im Fehlerfall, z.B. bei Überdrehzahl, am Generator 8 auftretende Überspannungen von den Anschlüssen 3, 4 entkoppelt und damit ungewollte Aufladun ^¬ gen oder Spannungsüberhöhungen an der elektrischen Last verhindert werden.

Der Gleichrichter 10 und/oder der DC/DC-Wandler 11 sind bevorzugt flüssigkeitsgekühlt , und zwar besonders bevorzugt von derselben Flüssigkeitskühlung, welche auch die Kühlung des Generators 8 und/oder der Verbrennungskraftmaschine 7 über ^¬ nimmt. Bevorzugt können der Gleichrichter 10 und der DC/DC- Wandler 11 in ein gemeinsames Gehäuse 13 und insbesondere be ^¬ vorzugt auch mit dem oder in das Gehäuse 14 des Generators 8 integriert werden.

Der Einsatzbereich des Energieübertragungsstrangs 5 - 11 ist nicht auf die dargestellte Anwendung des Ladens einer Hochvoltbatterie 2 oder Speisens eines elektrischen Fahran ^¬ triebs beschränkt, sondern kann auch stationäre Anwendungen umfassen, z.B. in Hilfs- oder Notstromaggregaten.

Die Erfindung ist demgemäß nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.