Beschreibung

Titel

Notenergieversorgungsvorrichtung für ein Hybridfahrzeug

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Energieversorgung in Hybridfahrzeugen.

Stand der Technik

Heutige Hybridfahrzeuge sind üblicherweise mit einem Verbrennungsantrieb und einem elektrischen Antrieb ausgestattet, der, wie in Fig. 4 dargestellt, durch eine Hochspannungsbatterie 401 mit einer Spannung von beispielsweise 300 V versorgt wird. Die Hochspannungsbatterie 401 ist über eine Schalteranordnung 403 mit einem Wechselrichter 405 verbunden, der eine dreiphasige Wechselspannung für einen Elektromotor 407 erzeugt. Die Schaltergruppe 403 wird beispielsweise durch ein Hauptschütz 409 vor dem Start des Elektromotors 407 zugeschaltet. Das Hauptschütz 409 ist beispielsweise mechanisch mithilfe einer mechanischen Kopplung 411 mit der Schaltergruppe 403 gekoppelt und bezieht die Energie zum Betätigen derselben aus einer Niedervoltbatterie 413 mit 12 V Gleichspannung. Ferner sind Steueranschlüsse 415 vorgesehen, die beispielsweise mit einem Fahrzeugstartknopf verbunden sind, so dass ein Startvorgang des Fahrzeugs auch das Schließen der Schaltergruppe 403 initiiert.

Ist die Niedervoltbatterie 413 jedoch entladen, so kann die Schaltergruppe 403 nicht geschlossen werden, so dass die Hochspannungsbatterie 401 nicht mit dem

Wechselrichter 405 verbunden und der Elektromotor folglich nicht gestartet werden kann. Darüber hinaus ist trotz der vorhandenen Hochspannungsbatterie 401 bei Ausfall der Niedervoltbatterie 413 die Bordnetzversorgung mit 12 V Gleichspannung nicht gewährleistet, so dass neben dem Elektromotor auch weitere Fahrzeugsysteme nicht mit elektrischer Energie versorgt werden können.

In der Schrift WO 2007/115919 A1 ist ein Hybridantrieb offenbart, wobei eine Bordnetzbatterie zum Starten eines Elektromotors bei entladener Hochspannungsbatterie eingesetzt wird. Ist auch die Bordnetzbatterie entladen, so wird der Startvorgang mithilfe eines Starthilfekabels und einer Spenderbatterie durchgeführt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Notenergieversorgungskonzept für Hybridfahrzeuge insbesondere bei entladener Niedervoltbatterie zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein effizientes Notenergieversorgungskonzept für Hybridfahrzeuge durch das Vorsehen eines weiteren Energiespeichers, der durch eine Hochvoltbatterie und/oder durch eine Niedervoltbatterie, beispielsweise eine Bordnetzbatterie des Hybridfahrzeugs, geladen werden kann und bei Bedarf die Notenergieversorgung bereitstellt, realisiert werden kann.

Die Erfindung betrifft eine Notenergieversorgungsvorrichtung für ein Hybridfahrzeug, das eine Hochvoltbatterie zum Antreiben eines elektrischen

Antriebs und eine Niedervoltbatterie aufweist. Die

Notenergieversorgungsvorrichtung umfasst einen Energiespeicher, der mit der Hochvoltbatterie und/oder mit der Niedervoltbatterie elektrisch koppelbar und vorgesehen ist, die Notenergieversorgung bereitzustellen. Der Energiespeicher wird bevorzugt durch die Hochvoltbatterie und/oder die Niedervoltbatterie mit elektrischer Energie versorgt und dadurch geladen.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Energiespeicher einen Kondensator.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Energiespeicher mit der Hochvoltbatterie über einen Spannungsumsetzer, beispielsweise einen Spannungsteiler oder einen Transformator, elektrisch koppelbar.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Energiespeicher parallel zu der Niedervoltbatterie schaltbar und mit dieser verbindbar.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Hochvoltbatterie mit dem elektrischen Antrieb über zumindest einen Schalter verbindbar, wobei der Energiespeicher vorgesehen ist, elektrische Energie zum Schließen des zumindest einen Schalters insbesondere bei Ausfall der Niedervoltbatterie bereitzustellen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Notenergieversorgungsvorrichtung ausgebildet, den Energiespeicher mit der Hochvoltbatterie und/oder mit der Niedervoltbatterie ansprechend auf ein Steuersignal elektrisch zu koppeln.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Notenergieversorgungsvorrichtung ferner einen Spannungsumsetzer, insbesondere einen Spannungsteiler oder einen Transformator, eine erste Diode, deren Kathode mit einem Anschluss des Energiespeichers verbunden und deren Anode mit der Niedervoltbatterie elektrisch koppelbar ist, eine zweite Diode, deren Kathode mit dem Anschluss des Energiespeichers verbunden und deren Anode mit einem Ausgangsanschluss des

Spannungsumsetzers gekoppelt ist und einen steuerbarem Schalter, der mit einem Eingangsanschluss des Spannungsumsetzers elektrisch gekoppelt und vorgesehen ist, den Spannungsumsetzer schaltbar mit der Hochvoltbatterie elektrisch zu verbinden bzw. zu koppeln.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Notenergieversorgungsvorrichtung ferner ein steuerbares Schaltelement mit beispielsweise einem Relais oder einer Schützspule, wobei das Schaltelement durch den Energiespeicher mit elektrischer Energie beaufschlagbar ist.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein für ein Hybridfahrzeug mit einem elektrischen Hybridantrieb. Das Energieversorgungssystem umfasst eine Hochvoltbatterie zum Versorgen des elektrischen Hybridantriebs mit elektrischer Energie, eine Niedervoltbatterie, insbesondere einer Boardnetzbatterie, und die Notenergieversorgungsvorrichtung, die vorgesehen ist, bei Ausfall der Niedervoltbatterie elektrische Energie zum Schließen zumindest eines Schalters zum Verbinden der Hochvoltbatterie mit dem elektrischen Antrieb bereitzustellen.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Notenergieversorgung in einem Hybridfahrzeug, das eine Hochvoltbatterie zum Antreiben eines elektrischen Antriebs und eine Niedervoltbatterie aufweist. Das Verfahren umfasst den Schritt des Koppeins des Energiespeichers mit der Hochvoltbatterie und/oder mit der Niedervoltbatterie, um den Energiespeicher aufzuladen, und den Schritt des Bereitstellens der Notenergieversorgung durch den Energiespeicher bei Ausfall der Hochvoltbatterie und/oder der Niedervoltbatterie. Weitere Verfahrensschritte ergeben sich aus der Struktur oder aus der Funktionalität der Notenergieversorgungsvorrichtung.

Zeichnungen

Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Notenergieversorgungsvorrichtung;

Fig. 2 eine Notenergieversorgungsvorrichtung;

Fig. 3 eine Notenergieversorgungsvorrichtung; und

Fig. 4 ein elektrisches Energieversorgungskonzept in einem Hybridfahrzeug.

Beschreibung der Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Notenergieversorgungsvorrichtung für ein Hybridfahrzeug, die einen Energiespeicher 101 , der mit einer Hochvoltbatterie 103 und/oder mit einer Niedervoltbatterie 105, beispielsweise einer Bordnetzbatterie mit 12 V Spannung, verbindbar ist. Der Energiespeicher 101 wird bei Betrieb durch die Hochvoltbatterie 103 und/oder durch die Niedervoltbatterie 105 mit elektrischer Energie geladen und stellt diese beispielsweise bei Ausfall der Niedervoltbatterie 105 bereit.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Hochvoltbatterie 103 und/oder die Niedervoltbatterie 105 Elemente der Notenergieversorgungsvorrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Hochspannungsbatterie 103 und/oder die Niedervoltbatterie 105 Elemente des Hybridfahrzeugs oder Elemente eines elektrischen Energieversorgungssystems.

Die Notenergieversorgungsvorrichtung kann beispielsweise in einem Hauptschütz bzw. in einer Hauptschützsteuergruppe angeordnet sein, so dass durch eine geeignete Zusatzbeschaltung der Hauptschützsteuergruppe ein Hybridantriebssystem auch dann gestartet werden kann, wenn die

Niedervoltbatterie 105 entladen ist. In diesem Fall kann die

Notenergieversorgungsvorrichtung auch zum Schalten der Hauptschützkontakte, die die Hochvoltbatterie mit einem Wechselrichter oder einem Elektromotor des Hybridfahrzeugs verbinden, eingesetzt werden.

Der Energiespeicher 101 kann beispielsweise durch eine Kapazität, beispielsweise durch einen Doppelschichtkondensator, realisiert sein, die aus der Niedervoltbatterie 105, die beispielsweise 12 V bereitstellt, und/oder aus der Hochvoltbatterie 103, die beispielsweise 300 V bereitstellt, geladen wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Notenergieversorgungsvorrichtung derart beschaffen, dass eine Potentialtrennung zwischen dem Hochspannungspotential der Hochspannungsbatterie 103 und dem 12 V Potential des Bordnetzes gewährleistet ist.

Fig. 2 verdeutlicht das erfindungsgemäße Notenergieversorgungskonzept bei einer Anordnung der Notenergieversorgungsvorrichtung in einem Hauptschütz 201. Das Hauptschütz 201 ist im Unterschied zu dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel mit ausgeführten Kontakten 203 und 205 versehen, die jeweils mit Anschlüssen einer Hochvoltbatterie 207 und parallel zu dieser verbunden sind. Ferner ist eine Niedervoltbatterie 209 vorgesehen, die mit dem Hauptschütz 201 verbunden ist und die beispielsweise 12 V Bordnetzspannung liefert. Darüber hinaus sind Steuerkontakte 211 vorgesehen, die beispielsweise mit einem Startknopf oder mit einer Zündvorrichtung eines Hybridfahrzeugs verbindbar sind, so dass beim Start desselben die Steuerkontakte beispielsweise überbrückt werden, sodass die Niedervoltbatterie 209 und/oder die in dem Hauptschütz 201 zusätzlich angeordnete Notenergieversorgungsvorrichtung die zum Schließen der Schalter 213 und 215 unter Verwendung eines mechanischen Kontakts 217 benötigte elektrische Energie bereitstellen können. Die Schalter 213 und 215 verbinden die Hochvoltbatterie 207 mit einem Wechselrichter 219, der beispielsweise die durch die Hochvoltbatterie 207 bereitgestellte Spannung in eine

dreiphasige Spannung umsetzt und diese einem Elektromotor 221 des Hybridfahrzeugs zuführt.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist das Hauptschütz bzw. die Hauptschützgruppe 201 durch die äußere Beschaltung zwecks weiterer Energieversorgung zusätzlich mit der Hochspannungsbatterie 207 und somit mit der Hochspannungsseite des Hybridfahrzeugs verbunden. Das Hauptschütz 201 kann beispielsweise mit der Notenergieversorgungsvorrichtung einen aufladbaren Energiespeicher aufweisen, der beispielsweise durch die Hochspannungsbatterie 207 aufgeladen werden kann und der beispielsweise bei Ausfall der Niedervoltbatterie 209, die üblicherweise zum Schließen der Schalter 213 und 215 herangezogen wird, die hierfür notwendige Notenergieversorgung bereitstellt. Damit kann der Elektromotor 221 auch bei Ausfall der Niedervoltbatterie 209 gestartet werden. Die Schalter 213 und 215 sind beispielsweise als Schutzkontakte ausgeführt, die beispielsweise bei Anlegen eines Steuersignals an den Steueranschlüssen 211 beispielsweise über eine interne Beschaltung angeschaltet werden, woraufhin der Elektromotor 221 gestartet werden kann. Darüber hinaus kann ein DC/DC-Wandler (DC: Direct Current) vorgesehen sein, der beispielsweise mit der Hochvoltbatterie 207 verbunden ist und die Niedervoltseite des Hybridfahrzeugs mit Energie versorgt.

Fig. 3 zeigt eine Notenergieversorgungsvorrichtung mit einem Energiespeicher 301 , einer ersten Diode 303, die in Flussrichtung zwischen einem ersten Anschluss 305 der Notenergieversorgungsvorrichtung und einem Anschluss des Energiespeichers 301 , beispielsweise eines Kondensators, verbunden ist. Der Energiespeicher 301 ist mit seinem zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss 307 der Notenergieversorgungsvorrichtung verbunden. Die Anschlüsse 305 und 307 sind beispielsweise für eine elektrische Verbindung mit einer Niedervoltbatterie vorgesehen. Die Kathode der ersten Diode 303 sowie der zweite Anschluss 307 der Notenergieversorgungsvorrichtung sind mit Steueranschlüssen 309 gekoppelt, wobei zwischen einem der Anschlüsse 309 und dem zweiten Anschluss 307 der Notenergieversorgungsvorrichtung eine

Schalteinrichtung 311 , beispielsweise ein Relais, angeordnet ist. Die

Schalteinrichtung 311 ist vorgesehen, über eine beispielsweise mechanische Verbindung 313 beispielsweise die in Fig. 2 dargestellten Schalter 213 und 215 anzusteuern und diese zu schließen.

Die Notenergieversorgungsvorrichtung umfasst ferner einen dritten Anschluss 315 und einen vierten Anschluss 317, die beispielsweise mit einer Hochvoltbatterie verbindbar sind. Ferner ist ein Spannungsumsetzer 319 vorgesehen, der beispielsweise ein Transformator sein kann. Zwischen einem Ausgangsanschluss des Spannungsumsetzers 319 und dem Anschluss des Energiespeichers 301 , der mit der ersten Diode 303 verbunden ist, ist eine zweite Diode 321 in Flussrichtung angeordnet.

Der dritte Anschluss 315 ist beispielsweise mittels eines Schalters 323 mit einem Eingangsanschluss des Spannungsumsetzers 319 gekoppelt, wobei zwischen dem vierten Anschluss 317 der Notenergieversorgungsvorrichtung und einem dem dritten Anschluss 315 zugeordneten Anschluss des Spannungsumsetzers 319 in Flussrichtung eine dritte Diode 325 angeordnet sein kann.

Umfasst der Spannungsumsetzer 319 einen Transformator, so ist optional ein Gleichspannungs-Wechselspannungsumsetzer 327 angeordnet, beispielsweise ein Zerhacker, der vorgesehen ist, die von der Hochvoltbatterie stammende Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln, die zu dem Energiespeicher 301 hin übertragen werden soll. Die zweite Diode 321 sorgt dafür, dass dem Energiespeicher 301 ausschließlich Gleichspannungsanteile zugeführt werden.

Im Betrieb sind der erste Anschluss 305 beispielsweise mit einem positiven Potential der Niedervoltbatterie und der zweite Anschluss 307 mit einem negativen Potential der Niedervoltbatterie oder mit Masse verbindbar. Der dritte Anschluss 315 ist beispielsweise mit dem positiven Anschluss der Traktionsnetzversorgung (T+), beispielsweise mit dem positiven Anschluss der Hochvoltbatterie, verbindbar.

Der vierte Anschluss 317 ist hingegen mit einem negativen Potential der

Traktionsenergieversorgung (T-), beispielsweise mit einem negativen Potential der Hochvoltbatterie, verbindbar. Die Anschlüsse 305 und 307 sind bevorzugt von den Anschlüssen 315 und 317 galvanisch getrennt.

Die in Fig. 3 dargestellte Notenergieversorgungsvorrichtung kann beispielsweise in der in Fig. 2 dargestellten Hauptschützgruppe 201 angeordnet sein, wobei die Anschlüsse 309 beispielsweise den in Fig. 2 dargestellten Anschlüssen 211 entsprechen. Der Energiespeicher 301 wird im Normalbetrieb beispielsweise aus dem Bordnetz bzw. aus der in Fig. 2 dargestellten 12V Batterie 209 geladen und hält die Ladung auch bei Ausfall der Niedervoltbatterie 209 aufrecht, weil die erste Diode 303 eine Entladung des Energiespeichers 301 in Richtung der 12 V Batterie verhindert. Auf diese Weise lässt sich die Betriebssicherheit des Systems erhöhen. Bei einem langen Stillstand des Hybridfahrzeugs kann der Energiespeicher 301 sich jedoch entladen. Die Wiederaufladung kann beispielsweise unter Verwendung der Hochvoltbatterie erfolgen.

Durch das Vorsehen des Spannungsumsetzers 319, der zweiten Diode 321 , des Schalters 323 sowie der dritten Diode 325 kann das Hybridsystem unabhängig von dem 12V Bordnetz sowie unabhängig von einer Fahrzeugstillstanddauer unter der Voraussetzung, dass die in Fig. 3 nicht dargestellte Hochvoltbatterie einen entsprechenden Ladezustand aufweist, starten. Der Ladezustand der Hochvoltbatterie ist dann entsprechend, wenn eine derartige Aufladung des Energiespeichers 301 möglich ist, dass dieser die Schalteinrichtung 311 derart mit elektrischer Energie versorgen kann, dass beispielsweise die in Fig. 2 dargestellten Kontakte 213 und 215 geschlossen werden können. Durch die in Fig. 3 dargestellte Beschaltung der Notenergieversorgungsvorrichtung wird somit sichergestellt, dass am Energiespeicher 301 eine Spannung anliegt, die ausreichend hoch ist, um die Schalteinrichtung, die beispielsweise eine Schutzspule umfasst, beispielsweise zu bestromen, wenn die Kontakte 309 beispielsweise mittels eines Schalters überbrückt werden.

Beispielsweise formen der Schalter 323, die dritte Diode 325 sowie der Spannungsumsetzer 319 einen Tiefsetzsteller mit einer Potentialtrennung, wobei der Schalter 323 beispielsweise ein Halbleiterschalter ist, der taktend betrieben werden kann. Ein derartiger Tiefsetzsteller kann beispielsweise nur im Bedarfsfall, z.B. durch eine separate Aktivierung durch einen Fahrer, aktiviert werden, so dass die beispielsweise in Fig. 2 dargestellte Hochvoltbatterie 207 nicht dauernd belastet wird.

Gemäß einer optionalen Ausführungsform kann die in Fig. 3 dargestellte Notenergieversorgungsvorrichtung auch in dem in Fig. 4 dargestellten

Hauptschütz 409 angeordnet sein. In diesem Fall kann auf die zusätzliche Beschaltung der Hochspannungsseite mit dem Spannungsumsetzer 319, der zweiten Diode 321 sowie den weiteren Elementen der Hochspannungsseite verzichtet werden, weil die Aufladung des Energiespeichers 301 mittels der Niedervoltbatterie 413 erfolgen kann.