Beschreibung

EnergiespeicherSystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energiespeichersystem mit einem Energiespeicher.

Als Hybridantrieb eines Kraftfahrzeuges bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiede- ner Energiequellen für eine Antriebsaufgäbe innerhalb einer Anwendung. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Hybridi- sierungssystemen, beispielsweise Micro-Hybrid, bei dem ein Start-Stopp-Betrieb ermöglicht wird, wobei hierzu das Hybridsystem mit dem vorhandenen Bordnetz arbeitet. Im Micro-Hy- brid-System kann der Verbrennungsmotor bei Stillstand des

Kraftfahrzeugs abgeschaltet und beim erneuten Anfahren ohne spürbare zeitliche Verzögerung wieder gestartet werden. Damit sind deutliche Kraftstoffeinsparungen, beispielsweise bei Nutzung des Hybridfahrzeugs in einem typischen innerstädti- sehen Stop-and-go-Verkehr, möglich.

Eine weitere Ausführung des Hybridsystems ist möglich als Mild-Hybrid, wenn eine alternative Antriebsform nur zur Unterstützung der Hauptantriebsform dient. Als Voll-Hybrid wird diejenige Ausführung eines Hybridsystems bezeichnet, bei der jede der zur Verfügung stehenden Antriebsformen in der Lage ist, autonom zu agieren. Eine weitere Steigerung des Hybridsystems wird im so genannten Power-Hybrid realisiert.

Eine Variante des Hybridfahrzeuges ist als Kombination eines

Verbrennungsmotors mit einem oder mehreren Elektromotoren ausgeführt . Der Verbrennungsmotor kann beim Hybridantrieb in einem sehr günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die elektrische Aufladung der Batterie verwendet. Beim

Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Bei gleicher erzielter Beschleunigung kann also ein

kleinerer Verbrennungsmotor vorgesehen werden. Die Verkleinerung des Verbrennungsmotors kompensiert dabei zum Teil das zusätzliche Gewicht der Hybrid-Aggregate .

Ein Hybridfahrzeug weist mindestens einen Energiespeicher auf. Die Energie aus diesem Energiespeicher kann zum Starten des Verbrennungsmotors, für die elektrischen Verbraucher im Fahrzeug und zum Fahren genutzt werden.

Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird ein Teil der Bremsenergie in die Batterie zurückgeführt, als Rekuperation bezeichnet . Insbesondere im Stadtverkehr und bei Bergabfahrten trägt die Rückgewinnung zur Verbrauchsminderung bei. Ein weiterer Vorteil dieser Auslegung ist, dass auf einen konventionellen Anlasser verzichtet werden kann, da der Elektromotor diese Funktion übernehmen kann.

Ein Verbrennungsmotor liefert in einem gehobenen Drehzahl- bereich ein hohes Drehmoment. Der Elektromotor dagegen stellt schon beim Anfahren das maximale Drehmoment zur Verfügung und lässt bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Durch Kombination der beiden Motoren ergänzen sich die Momentenverläufe in vorteilhafter Art und das Fahrzeug kann in derzeitigen Auslegungen um etwa 10 % bis 30 % schneller beschleunigen.

Das Betreiben des Verbrennungsmotors in einem günstigeren Betriebsbereich führt zu geringeren Emissionen. Dies gilt sowohl für toxische Emissionen als auch für den Ausstoß des Treibhausgases CO ₂ als eine unmittelbare Folge des geringeren Kraftstoffverbrauchs .

Es sind mehrere Versionen der Ausgestaltung eines Fahrzeuges mit Hybridantrieb und der Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem oder mehreren Elektromotoren möglich. In ei- ner möglichen Version besitzt das Hybridfahrzeug einen Benzin- und einen Elektromotor, die über ein Planetengetriebe an die Antriebsachse gekoppelt sind. Betriebszustände, in denen

der Verbrennungsmotor nur einen geringen Wirkungsgrad aufweist, beispielsweise Anfahren oder Stadtverkehr, werden vom Elektromotor mit seinem sehr viel höheren Wirkungsgrad übernommen. Bei Bedarf kann der Verbrennungsmotor auch komplett abgeschaltet werden. Bei Fahrt mit gleich bleibender Last treibt allein der Benzinmotor das Fahrzeug an, während der Energiespeicher gleichzeitig vom Benzinmotor über den Generator geladen wird. Bei stärkerer Last wird das Fahrzeug von beiden Motoren gemeinsam angetrieben. Im Motorbremsbetrieb kann Energie rekuperiert werden. Die Energieeinsparung gegenüber benzingetriebenen Fahrzeugen der gleichen Fahrzeugklasse beträgt je nach Fahrzyklus bis zu 30 %. Eine Version mit Nachlademöglichkeit am Stromnetz und größerer elektrischer Reichweite ist bisher ausschließlich als Prototyp realisiert (Plug-in-Hybrid) .

In einer anderen Auslegung, beispielsweise zur Steigerung der Fahrleistungen in unwegsamem Gelände, umfasst der Antrieb des Hybridfahrzeuges neben dem Benzinmotor zwei Elektromotoren, je einen auf der Vorder- und auf der Hinterachse. Die Gesamtleistung eines solchen Modells kann nach aktueller Auslegung über 300 kW betragen, wobei die Kraftverteilung beispielsweise derart ausgelegt ist, dass der Benzinmotor 47 % zur Gesamtleistung beiträgt, der Elektromotor, dessen Antrieb auf die Vorderachse einwirkt, 38 %, sowie der mit der Hinterachse verbundene Elektromotor 15 %. Allerdings können die Motorenleistungen nicht addiert werden, da die Batterie nur eine begrenzte Leistung abgeben kann.

Eine weitere Auslegung des AntriebsSystems sieht vor, dass der Elektromotor nicht auf einer Achse sitzt, sondern auf einen Antriebsstrang zwischen Motor und Getriebe gekoppelt ist . Dadurch wird gegenüber den vorher genannten Ausführungen wesentlich an vorzuhaltender Technik eingespart, was wiederum zu einem niedrigeren Leistungsbedarf führt.

Damit die elektrische Maschine eine Funktion als elektrischer Antrieb ausführen kann, muss sie die dafür notwendige elektrische Energie aus einem Energiespeicher beziehen. Der Energiespeicher muss dazu konstant aufgeladen werden. Die AufIa- düng erfolgt über die genannte Rekuperation im Brems- und Schubbetrieb oder über die vom Verbrennungsmotor gelieferte Energie, wobei hohe Ströme auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energiespei- chersystem der genannten Art anzugeben, das dazu beiträgt, die Betriebssicherheit in einem Hybridfahrzeug zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem dem Energiespeicher ein Kurzschlusssicherungselement zugeordnet ist, das elektrisch in Reihe mit einem strombegrenzenden Bauelement geschaltet ist .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Die Erfindung geht von der überlegung aus, dass durch die Verwendung eines Hochenergiespeichers in einem Energiespeichersystem eines Hybridfahrzeuges aufgrund einer Fehlfunktion Kurzschlussstrδme von mehreren tausend Ampere auftreten kδn- nen. Beispielsweise erreichen bereits im Einsatz befindliche Lithium-Ionen-Zellen Kurzschlussströme von 2500 Ampere.

Sicherungsmaßnahmen zum Schutz des Energiespeichers und des Benutzers des Kraftfahrzeuges sind bei dieser Leistungsdichte gewünscht und sinnvoll. Sicherungen für diesen Anwendungszweck sind allerdings überwiegend bis zu einem Kurzschlussstrom von 2000 Ampere ausgelegt. Diese Beschränkung gilt auch für andere verwendete Bauelemente in einem Energiespeichersystem wie Schütze oder Steckverbinder.

Erfahrungsgemäß können Schütze bei Auftreten von hohen Strömen, beispielsweise Kurzschlussströmen, verkleben oder flattern.

Da die Kurzschlussströme höher liegen als der maximal von Sicherungen und den anderen genannten Bauelementen zu verkraftende Wert, soll eine Möglichkeit gefunden werden, diese Ströme auf den maximal zu verarbeitenden Wert zu begrenzen.

Um den bei einem Kurzschluss entstehenden Strom auf eine einfach zu berechnende und kostengünstige Maßnahme auf einen vorgegebenen Wert zu begrenzen, ist vorteilhafterweise ein Widerstand als strombegrenzendes Bauelement vorgesehen.

Um den Schaltungsaufbau möglichst einfach und kostengünstig gestalten zu können und keine zusätzlichen Bauelemente aufnehmen zu müssen, weisen die Stromzuführungskabel des Energiespeichers vorteilhafterweise einen vorgegebenen, der Auslegung des Gesamtsystems entsprechenden Sollwiderstand auf.

Im Falle einer Ausführung des Energiespeichers als Serienschaltung einer Anzahl von Batteriezellen sind die elektrischen Zellverbinder, um die Einbindung von zusätzlichen Bauelementen in die Serienschaltung und damit zusätzliche mögli- che Fehlerquellen und erhöhte Kosten zu vermeiden, vorteilhafterweise als strombegrenzendes Bauelement mit einem vorgegebenen auslegungsbedingten Sollwiderstand ausgelegt.

Damit für den wahrscheinlichen, auslegungsbedingten Fall ei- ner Erhitzung des strombegrenzenden Bauelementes durch fließende Ströme der Widerstand des strombegrenzenden Bauelementes nicht ansteigt, sondern konstant einen vorgegebenen auslegungsbedingten Wert beibehält, weist das strombegrenzende Bauelement zweckmäßigerweise eine entsprechende nichtlineare Widerstandskennlinie über die Temperatur auf.

Um die fließenden Ströme des Bordnetzes im normalen, nicht fehlerhaften Betrieb nicht zu begrenzen, sondern nur für den Fall eines Kurzschlusses aufgrund eines Defektes den Kurz- schlussstrom zu begrenzen, ist als strombegrenzendes Bauele- ment vorteilhafterweise eine Induktivität vorgesehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Betriebssicherheit des Hybridfahrzeuges dadurch signifikant erhöht wird, dass durch die Kombination eines passiven mit einem strombegrenzenden Bauelement beispielsweise eine Sicherung zuverlässig auslöst. Dazu ist der Strom in einem Bereich oberhalb eines vorgegebenen Wertes zu halten, der den Schwellwert für das Auslösen der Sicherung darstellt. Des Weiteren können aufgrund der niedrigeren Maxi- malwerte der Kurzschlussströme günstiger dimensionierte und preiswertere Bauteile im Energiespeichersystem Verwendung finden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur schematisch den Stromverlauf vom Erzeuger zum Energiespeicher.

Das Bordnetz 1 eines Kraftfahrzeuges zeigt üblicherweise folgenden Stromverlauf: Der Verbrennungsmotor 2 in einem Kraft- fahrzeug herkömmlicher Bauart, also der Ausführung ausschließlich mit einem Verbrennungsmotor 2, treibt einen Generator 4 an, der typischerweise als so genannte Lichtmaschine ausgelegt ist. Diese Lichtmaschine liefert die elektrische Energie für das gesamte Bordnetz. Hierzu gehört eine Anzahl von Verbrauchern 6.

Des Weiteren wird die elektrische Energie, die nicht zum betrieb des Kraftfahrzeuges und der zugehörigen Verbraucher 6 benötigt wird, für eine spätere Nutzung in den Energiespei- eher 8 des Energiespeichersystems 10 eingespeist.

In der besonderen Ausführung des Kraftfahrzeuges als Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 2 und einem Elektromotor 12 kann die Verwendung eines separaten Generators, beispielsweise der Lichtmaschine, entfallen, da der Elektromotor 12 diese Aufgabe übernimmt. In dieser Ausführung ist der Energiespeicher 8 des Energiespeichersystems 10 mit einer besonders hohen Kapazität ausgelegt, um die notwendige elektrische Energie für den Betrieb des Hybridfahrzeuges mit dem Elektromotor 12 zu speichern und abrufbereit zu halten.

üblicherweise wird die elektrische Energie vom Energiespeichersystem 10 über eine Sicherung 14 geführt, damit beispielsweise Kurzschlussströme nicht in das Bordnetz 1 und/oder bis zu den Verbrauchern 6 gelangen können.

Anstelle einer Sicherung 14 kann auch eine Kombination aus einer Sicherung und einem Schütz Verwendung finden. Allerdings wird ein Schütz niedrigohmig betrieben, daher ist die Begrenzung eines eventuell auftretenden Kurzschlussstromes sehr wichtig. Sollte ein höherer Strom zum Schütz fließen, kann dies ein Flattern und im ungünstigsten Fall das Verkleben des Schütz zur Folge haben.

In die Stromzufuhr zwischen der Sicherung 14 und dem Energie- Speichersystem 10 mit dem Energiespeicher 8 wird ein Widerstand 16 eingebracht, der einen eventuell auftretenden Kurzschlussstrom wirkungsvoll begrenzt, so dass die vorgesehene Sicherung zuverlässig auslöst . Hierbei fungiert der Widerstand 16 als strombegrenzendes Bauelement.

Anstelle des Widerstandes 16 kann an dieser Stelle im Stromverlauf des Bordnetzes 1, also in Reihenschaltung mit der Sicherung 14, eine Induktivität in den Stromkreislauf eingebunden werden, da diese Induktivität ausschließlich den Gipfel eines Kurzschlussstromes abfedert, den so genannten Peak, ansonsten aber die fließenden Ströme nicht begrenzt, wie ein Ohm'scher Widerstand 16 dies tun würde.

Da ein Kurzschlussstrom, der bis zu 2000 Ampere, in besonderen auslegungsbedingten Fällen sogar mehr, betragen kann, üblicherweise in einem Zeitintervall von nur wenigen Hunderts- tel Sekunden auftritt, reicht es zur Erhaltung der Betriebssicherheit des Hybridfahrzeuges aus, wenn ausschließlich die genannten Peaks der eventuell auftretenden Kurzschlussströme vermieden werden, so dass die Induktivität ausschließlich auf die Vermeidung des schädigenden Kurzschlussstroms ausgerich- tet ist.

Bezugs zeichenliste

1 Bordnetz

2 Verbrennungsmotor

4 Generator

6 Verbraucher

8 Energiespeicher

10 Energiespeichersystem

12 Elektromotor

14 Sicherung

16 Widerstand