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DE102010044889A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeugs Download PDF

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DE102010044889A1
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generator
waste heat
heat recovery
internal combustion
combustion engine
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Withdrawn
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DE102010044889A
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English (en)
Inventor
Markus Dr. Zimmer
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors (2) gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz (3) eines Hybridantriebsstranges (4) eines Fahrzeugs, umfassend einen Verbrennungsmotor (2) und ein mit diesem koppelbaren E-Motor/Generator (5), der über einen ersten Umrichter (7) mit einem Energiespeicher (8) verbindbar ist, wobei abgasseitig des Verbrennungsmotors (2) eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung (10) geschaltet ist.
Erfindungsgemäß ist ein Generator (16) der Abwärmerückgewinnungseinrichtung (10) wechselspannungsseitig direkt mit dem E-Motor/Generator (5) koppelbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeugs nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeugs nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
  • Zur Reduzierung von Umweltbelastungen und zur Schonung der Ressourcen werden zunehmend Hybridfahrzeuge eingesetzt. Ein solches Hybridfahrzeug kombiniert einen herkömmlichen Verbrennungsmotor mit einem oder mehreren Elektromotoren und den zugehörigen Energiespeichern, wie einen Tank bzw. eine Batterie.
  • Ein Hybridantriebsstrang eines Fahrzeugs umfasst im elektrischen Zweig üblicherweise Drehfeldmaschinen, wie Synchron- oder Asynchronmotoren. Darüber hinaus kommen solche Drehfeldmaschinen auch zur Energieumwandlung elektrisch gekoppelter Abwärme- oder Energierückgewinnungseinrichtungen (auch EHR-Systeme genannt, mit EHR = exhaust heat recovery) zum Einsatz. Hierbei sind sowohl zum Betrieb des Hybridantriebsstrangs als auch zur elektrischen Ankopplung der Abwärmerückgewinnungseinrichtung an den Gleichspannungskreis Umrichter erforderlich, die eine Wandlung der Spannungsart von Wechselspannung auf Gleichspannung bewirken.
  • Die Verwendung von Umrichtern führt zu Umwandlungsverlusten und je nach Betriebszustand gegebenenfalls zu Lade-/Entladeverluste in der Batterie.
  • Aus der EP 1 326 017 A1 ist ein Hybridfahrzeug mit einem Hybridantriebsstrang aus einem Verbrennungsmotor und einem E-Motor/Generator und einer abgasseitig des Verbrennungsmotors angeordneten Abwärmerückgewinnungseinrichtung bekannt, wobei die mittels der Abwärmerückgewinnungseinrichtung gewonnene Energie in ein Gleichspannungsnetz des Fahrzeugs eingespeist wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeugs anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 5 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Vorrichtung zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeugs umfasst einen Verbrennungsmotor und ein mit diesem koppelbaren E-Motor/Generator, der über einen ersten Umrichter mit einem Energiespeicher verbindbar ist, wobei abgasseitig des Verbrennungsmotors eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung geschaltet ist. Erfindungsgemäß ist ein Generator der Abwärmerückgewinnungseinrichtung wechselspannungsseitig direkt mit dem E-Motor/Generator koppelbar.
  • Die erfindungsgemäße Lösung ist relativ einfach und kostengünstig. Insbesondere sind unerwünschte Verluste reduziert. Zudem können Umrichter entfallen und somit weitere Verluste reduziert werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Blockdarstellung einer Vorrichtung zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz eines Hybridantriebsstranges eines Fahrzeugs, und
  • 2 schematisch die elektrische Verschaltung der Vorrichtung.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Einspeisung von aus Abwärme, insbesondere aus einen Abgasstrom AG eines Verbrennungsmotors 2, gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz 3 eines Hybridantriebsstranges 4 eines nicht dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Hybridfahrzeugs.
  • Der Hybridantriebsstrang 4 umfasst den Verbrennungsmotor 2, z. B. einen Viertaktmotor, und ein mit diesem koppelbaren E-Motor/Generator 5. Der Verbrennungsmotor 2 ist beispielsweise ein Kolbenmotor oder ein anderer Antriebsmotor eines Fahrzeugs. Der E-Motor/Generator 5 ist beispielsweise eine Synchron- oder Asynchronmaschine oder eine permanenterregte Synchronmaschine. Zur Kopplung des Verbrennungsmotors 2 mit dem E-Motor/Generator 5 ist ein Kupplungselement 6, insbesondere eine Kupplung, zwischen diesen geschaltet.
  • Zur Einspeisung der mittels des E-Motors/Generators 5 erzeugten elektrischen Energie E1 in das Versorgungsnetz 3 ist der E-Motor/Generator 5 über einen ersten Umrichter 7 mit einem Energiespeicher 8, insbesondere einer Batterie verbunden.
  • Abgasseitig des Verbrennungsmotors 2 ist in eine Abgasleitung 9 eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 geschaltet. Die Erfindung ist nachfolgend beispielhaft für die Nutzung der Abgaswärme zur Energierückgewinnung beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Abwärme auch um Motorabwärme oder andere im Fahrzeug anfallende Abwärme von anderen Wärmequellen und Kombinationen dieser handeln.
  • Die Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 umfasst zumindest einen Wärmetauscher 11, der primärseitig in die Abgasleitung 9 geschaltet ist und vom Abgasstrom AG durchströmt wird. Sekundärseitig ist der Wärmetauscher 11 in die Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 geschaltet und wird vom Arbeitsmittel AM, z. B. einem Gas, wie Helium, oder einem Fluid, wie Methanol, durchströmt.
  • Bei der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise um einen so genannten Joule- oder Clausius-Rankine-Kreisprozess. Die Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 umfasst eine dem Wärmetauscher 11 nachgeschaltete Expansionsmaschine 12, je nach Arbeitsmittel AM z. B. eine Gasturbine oder eine Strömungsmaschine, in welcher das mittels des heißen Abgasstroms AG im Wärmetauscher 11 aufgeheizte Arbeitsmittel AM expandiert. Ausgangsseitig wird das Arbeitsmittel AM zur Abkühlung einem Kondensator 13 und nach diesem über eine Pumpe 14 dem Wärmetauscher 11 wieder zugeführt. Anstelle der Pumpe 14 kann in nicht näher dargestellter Art und Weise ein Verdichter vorgesehen sein.
  • Mittels der Expansionsmaschine 12 wird über eine Welle 15 ein Generator 16 angetrieben. Bei dem Generator 16 kann es sich beispielsweise um eine Synchron- oder Asynchronmaschine oder eine permanenterregte Synchronmaschine handeln.
  • Die aus der Abwärme des Abgasstroms AG erzeugte elektrische Energie wird erfindungsgemäß vom Generator 16 wechselspannungsseitig direkt in das Versorgungsnetz 3 des Hybridantriebsstrangs 4 gespeist. Hierzu ist der Generator 16 der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 wechselspannungsseitig direkt mit dem E-Motor/Generator 5 des Hybridantriebsstrangs 4 koppelbar.
  • Der Generator 16 und der E-Motor/Generator 5 sind derart ausgelegt, dass im gewünschten Betriebsbereich die Frequenzen der Statorspannungen des Generators 16 und des E-Motors/Generators 5 und der Spannungen im Versorgungsnetz 3, insbesondere in dessen Wechselspannungsnetz 3.1, gleich sind. Hierdurch ist eine direkte wechselspannungsseitige Kopplung möglich, wobei eine der Maschinen, d. h. der Generator 16 oder der E-Motor/Generator 5, die Führung übernimmt.
  • Das Versorgungsnetz 3 umfasst ein Wechselspannungsnetz 3.1 und ein Gleichspannungsnetz 3.2. Im Gleichspannungsnetz 3.2 ist der Energiespeicher 8, insbesondere eine Batterie, angeordnet. Darüber hinaus ist der erste Umrichter 7 zur Umwandlung der mittels des E-Motors/Generators 5 erzeugten Wechselspannung in Gleichspannung zwischen dem Wechselspannungsnetz 3.1 und dem Gleichspannungsnetz 3.2 angeordnet. Hierzu ist der erste Umrichter 7 als ein AC/DC-Wandler ausgeführt. Zudem kann ein zweiter Umrichter 17 zwischen dem Wechselspannungsnetz 3.1 und dem Gleichspannungsnetz 3.2 angeordnet sein, welcher die vom Generator 16 erzeugte Wechselspannung in Gleichspannung wandelt. Über diesen zweiten Umrichter 17 ist der Generator 16 mit dem Energiespeicher 8, insbesondere der Batterie zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie verbunden.
  • Im Wechselspannungsnetz 3.1 ist darüber hinaus eine Kopplungseinheit 18 angeordnet, mittels der der Generator 16 und der E-Motor/Generator 5 wechselspannungsseitig gesteuert koppelbar oder entkoppelbar sind. Die Kopplungseinheit 18 kann beispielsweise als ein Halbleiterrelais, eine Thyristorschaltung oder eine Schätzanordnung ausgebildet sein.
  • Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 sieht vor, dass die direkte wechselspannungsseitige Kopplung von Generator 16 und E-Motor/Generator 5 mittels der Kopplungseinheit 18 parallel zur herkömmlichen Kopplung von Generator 16 und E-Motor/Generator 5 im Gleichspannungsnetz 3.2 über den ersten Umrichter 7, den Energiespeicher 8 und den zweiten Umrichter 17 erfolgt. Somit sind sowohl der Generator 16 als auch der E-Motor/Generator 5 mit dem Wechselspannungsnetz 3.1 und dem Gleichspannungsnetz 3.2 verbunden.
  • Eine alternative, nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Generator 16 und der E-Motor/Generator 5 nur direkt wechselspannungsseitig miteinander gekoppelt sind, wobei die erzeugte elektrische Energie nur über den ersten Umrichter 7 dem Energiespeicher 8 zugeführt wird. Der zweite Umrichter 17 entfällt bei dieser Ausführungsform, so dass aus der Umrichtung resultierende Verluste deutlich reduziert sind. Somit ist der Generator 16 nur mit dem Wechselspannungsnetz 3.1 und über dieses mit dem Hybridantriebsstrang 4 verbunden.
  • Eine weitere alternative, nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Generator 16 und der E-Motor/Generator 5 derart direkt wechselspannungsseitig miteinander gekoppelt sind, dass diese ohne Umrichter 7, 17 und ohne Energiespeicher 8 mit einem Steuerschaltkreis zur Leistungsregelung gesteuert werden. Das heißt, in dieser Ausführungsform entfallen beide Umrichter 7, 17, so dass Verluste resultierend aus der Umrichtung sicher vermieden sind.
  • 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform für die mittels einer Steuereinheit 19 gesteuerte elektrische wechselspannungsseitige Kopplung von Generator 16 und E-Motor/Generator 5.
  • Wie oben bereits dargelegt, sind die elektrischen Maschinen derart ausgelegt, dass die Frequenzen der Statorspannung übereinstimmen. Damit dies möglich ist, gilt Folgendes: fS5 = fS16 und n5·p5/60 = n16·p16/60 und U5(f) = U16(f) mit fS5 = Frequenz der Statorspannung des E-Motor/Generators 5, fS16 = Frequenz der Statorspannung des Generators 16, n5 = Drehzahl des E-Motors/Generators 5, p5 = Polpaarzahl des E-Motors/Generators 5, n16 = Drehzahl des Generators 16, p16 = Polpaarzahl des Generators 16, U5 = Statorspannung des E-Motors/Generators 5 und U16 = Statorspannung des Generators 16.
  • Das heißt, durch eine Anpassung der Drehzahlniveaus sowie durch eine geeignete Wahl der Polpaarzahl von Generator 16 und E-Motor/Generator 5 einerseits und eine passende Wicklungsauslegung andererseits ist die Bedingung erfüllbar.
  • Dabei können verschiedene Kombinationen von Maschinen für den Generator 16 und den E-Motor/Generator 5 eingesetzt werden. Beispielsweise können zwei Synchronmaschinen oder zwei Asynchronmaschinen oder eine Synchronmaschine und eine Asynchronmaschine verwendet werden.
  • Bei der Verwendung von zwei Synchronmaschinen wird mittels der Steuereinheit 19, z. B. einer Leistungselektronik, sichergestellt, dass Generator 16 und E-Motor/Generator 5 auf einem vorgegebenen Drehzahlniveau synchron laufen und dann im richtigen Zeitpunkt mittels Schalten der Kopplungseinheit 18 die Überbrückung und somit die direkte Kopplung geschlossen wird. Gleichzeitig wird der zweite Umrichter 17 derart gesteuert, dass dessen Ausgänge abgeschaltet werden. Der erste Umrichter 7 übernimmt die Führung und Regelung und kann gegebenenfalls bei ausreichendem Energieangebot weiterhin den Energiespeicher 8 laden. Die Menge an rückgespeister Energie aus der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 wird über deren Drehzahl mittels der Steuereinheit 19 geregelt und/oder gesteuert.
  • Treten bei dieser Lösung Synchronisationsprobleme auf, so kann der Generator 16 mit einem zusätzlichen, nicht dargestellten Kurzschluss-Käfig versehen sein, der einen. asynchronen Hochlauf ermöglicht und ein ”Außer-Tritt-Fallen” des Generators 16 verhindert.
  • Wird hingegen im Hybridantriebsstrang 4 eine Synchronmaschine als E-Motor/Generator 5 und in der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 als Generator 16 eine Asynchronmaschine verwendet, so kann unter Umständen gänzlich auf den zweiten Umrichter 17 verzichtet werden. In diesem Fall übernimmt analog der erste Umrichter 7 die Führung und Regelung. Die Asynchronmaschine, d. h. der Generator 16, kann bei entsprechendem Energieangebot auf der Ausgangsseite der Expansionsmaschine 12 gegebenenfalls im Sanftanlauf der Expansionsmaschine 12 zugeschaltet werden. Die Asynchronmaschine und somit der Generator 16 läuft hoch und startet gleichzeitig die Expansionsmaschine 12. Die Energieabgabe wird dabei wiederum über die Drehzahl der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 geregelt und gesteuert, wobei sich der Generator 16 im übersynchronen Betrieb befindet.
  • Wählt man hingegen für die Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 und den Hybridantriebsstrang eine Anordnung von zwei direkt wechselspannungsseitig koppelbaren Asynchronmaschinen, so bleibt der führende Umrichter 7 oder 17 (bevorzugt der erste Umrichter 7) stets aktiv, um Spannung und Frequenz im Versorgungsnetz 3, insbesondere im Wechselspannungsnetz 3.1 zu stabilisieren und den Magnetisierungsbedarf der beiden Asynchronmaschinen, Generator 16 und E-Motor/Generator 5 zu decken.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Einspeisung von aus Abwärme, beispielsweise des Verbrennungsmotors 2 gewonnener elektrischer Energie in das Versorgungsnetz 3 mittels direkter wechselspannungsseitiger Kopplung von Generator 16 der Abwärmerückgewinnungseinrichtung 10 und E-Motor/Generator 5 des Hybridantriebsstrangs 4 kann der Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung 1 und des gesamten Antriebsstrangs verbessert werden. Insbesondere können durch Wegfall oder Abschaltung des oder der Umrichter 7, 17 bei direkter wechselspannungsseitiger Kopplung der Maschinen Verluste deutlich reduziert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung zur Einspeisung von elektrischer Energie
    2
    Verbrennungsmotor
    3
    Versorgungsnetz
    4
    Hybridantriebsstrand
    5
    E-Motor/Generator
    6
    Kupplungselement
    7
    erster Umrichter
    8
    Energiespeicher
    9
    Abgasleitung
    10
    Abwärmerückgewinnungseinrichtung
    11
    Wärmetauscher
    12
    Expansionsmaschine
    13
    Kondensator
    14
    Pumpe
    15
    Welle
    16
    Generator
    17
    zweiter Umrichter
    18
    Kopplungseinheit
    19
    Steuereinheit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1326017 A1 [0005]

Claims (7)

  1. Vorrichtung (1) zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors (2) gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz (3) eines Hybridantriebsstranges (4) eines Fahrzeugs, umfassend einen Verbrennungsmotor (2) und ein mit diesem koppelbaren E-Motor/Generator (5), der über einen ersten Umrichter (7) mit einem Energiespeicher (8) verbindbar ist, wobei abgasseitig des Verbrennungsmotors (2) eine Abwärmerückgewinnungseinrichtung (10) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (16) der Abwärmerückgewinnungseinrichtung (10) wechselspannungsseitig direkt mit dem E-Motor/Generator (5) koppelbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (16) über einen zweiten Umrichter (17) mit dem Energiespeicher (8) koppelbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten wechselspannungsseitigen Kopplung des Generators (16) mit dem E-Motor/Generator (5) eine Kopplungseinheit (18) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinheit (18) als ein Halbleiterrelais, eine Thyristorschaltung oder eine Schätzanordnung ausgebildet ist.
  5. Verfahren zur Einspeisung von aus Abwärme eines Verbrennungsmotors (2) gewonnener elektrischer Energie in ein Versorgungsnetz (3) eines Hybridantriebsstranges (4) eines Fahrzeugs, wobei mittels Kopplung des Verbrennungsmotors (2) mit einem E-Motor/Generator (5) erzeugte elektrische Energie über einen ersten Umrichter (7) in einem Energiespeicher (8) gespeichert wird, wobei mittels einer abgasseitig des Verbrennungsmotors (2) geschalteten Abwärmerückgewinnungseinrichtung (10) aus der Abgaswärme elektrische Energie gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Abgaswärme gewonnene elektrische Energie direkt in das Versorgungsnetz (3) des Hybridantriebsstranges (4) mittels einer direkten wechselspannungsseitigen Kopplung eines Generators (16) der Abwärmerückgewinnungseinrichtung (10) mit dem E-Motor/Generator (5) eingespeist wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Generators (16) erzeugte elektrische Energie über einen zweiten Umrichter (17) in dem Energiespeicher (8) gespeichert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (16) mit dem direkt wechselspannungsseitig gekoppelten E-Motor/Generator (5) gesteuert wird.
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