本公开涉及一种插电式混合动力车辆，插电式混合动力车辆具有在充电期间使用电动发动机涡轮增压器来吸收扭矩的集成充电器。
背景技术
插电式混合动力车辆是本身可以以已知的方式通过内燃发动机驱动的混合动力车辆，内燃发动机例如根据柴油循环、奥托循环或米勒循环过程、和/或至少一个电机(又称为牵引机)而运转。为了驱动混合动力车辆，从电能存储装置向在马达运转模式下的电机供应电能，电能存储装置是例如可充电的高功率/高电压可充电电池(在本文中又称为高功率/高电压电池)。通常，电机还可以在再生或发电机运转模式下运转，在再生或发电机运转模式下的所述电机(例如在混合动力车辆的制动过程中)将所述混合动力车辆的至少一些动能转换成电能并将所述电能反馈给电能存储装置以对电能存储装置充电。另外，插电式混合动力车辆中的电能存储装置也可以通过车辆外部电网来充电。为此，插电式混合动力车辆具有充电插头，该充电插头可用于在车辆外部电网和混合动力车辆中的电能存储装置之间建立电连接。
此外，有多种已知的不同方式(例如串联或并联混合动力驱动)将内燃发动机和向混合动力车辆的驱动轮传递驱动力的至少一个电机连接，其中根据电机在混合动力传动系中的位置以已知的方式指示传动系的不同设计。这些混合动力传动系的不同设计都是众所周知的，因而在此不再详细解释。
为了在马达运转和/或发电机运转中电控制电机，所述电机通常通过电子控制单元电连接到电能存储装置。电子控制单元通常具有电子高功率电路(例如逆变器)，该电子高功率电路设计为在电机(例如实现为ac电机)的马达运转模式期间，将由电能存储装置提供的dc电压转换为可用于驱动电机的ac电压，并且在电机的发电机运转模式下将电机产生的ac电压转换为可以随后馈送到电能存储装置来对电能存储装置充电的dc电压。这种类型的电子控制单元的确切设计和运转模式同样是众所周知的，因此在此不再详细解释。
为了避免为插电式混合动力车辆配备通过外部电网对电能存储装置充电的独立的附加充电装置，使用已经存在于混合动力车辆中的电子控制单元来驱动电机从外部电网对电能存储装置充电也是已知的。外部电网的ac电压提供到插电式混合动力车辆的控制单元或逆变器的ac电压侧，通过逆变器转换为直流电压，并随后供应给混合动力车辆的电能存储装置。
如在文档wo2011/159241a1、us5341075、us49200475、us5099186(即de69113970t2)和wo2010/057893a1中以示例的方式描述的，现有技术已经提出了与此相关的不同解决方案。
在现有技术的电能存储装置从外部电网充电的过程中，当将三相交流电从车辆外部电网供应到常规插电式混合动力车辆的逆变器的交流电压侧时，在同样电连接到逆变器的ac电压侧的电机(牵引机)中产生电机转子的扭矩。因此在这种充电过程中，必须采取额外的保护措施来可靠地防止混合动力车辆的不需要的运动。例如，在从车辆外部电网充电过程期间通过在混合动力车辆中为此而提供的电开关，电机可以与电子控制单元或逆变器电隔离，或可以在上述充电操作期间通过特定的锁定装置来防止电机的转子旋转。在每种情况下，这种保护措施导致设计更复杂、重量更大、以及混合动力车辆的成本增加。
技术实现要素：
在此背景下，所要求保护的主题涉及具有集成充电器的混合动力车辆(特别是插电式混合动力车辆)，集成充电器可以使用电力牵引机从与车辆电连接的车辆外部电网对混合动力车辆中的电能存储装置充电而没有上述关于牵引机的措施，其中在充电过程中始终防止混合动力车辆意外运动。此外，混合动力车辆旨在使设计变得更简单、更紧凑、和更具成本效益。
应该注意，权利要求中单独指定的特征可以以任何期望的、在技术上有意义的方式彼此组合，并且公开了所要求保护的主题的进一步改进或实施例。该描述，特别是结合附图，进一步表征和说明了所要求保护的主题。
根据本公开的一个或多个实施例，插电式混合动力车辆具有机械连接到混合动力车辆的至少一个驱动轮的内燃发动机。插电式混合动力车辆还具有至少一个排气涡轮增压器，排气涡轮增压器能够由内燃发动机的排气驱动并且设计为在内燃发动机运转期间增加内燃发动机的进气量。涡轮增压器还配置为电运转的。此外，插电式混合动力车辆具有至少一个第一电机，利用该第一电机可以在第一电机(在本文中又称为牵引机)的马达运转模式下驱动混合动力车辆的至少一个驱动轮。可以由第一电机驱动的混合动力车辆的车轮可以是由可以机械连接到内燃发动机来驱动的相同的车轮。但是，也可能是不同的车轮。用于从内燃发动机和从第一电机向混合动力车辆的一个或多个驱动轮传输力的不同可能性是众所周知的，因此在此不再详细解释，因为具体细节对于实施所要求保护的主题而言不是必需的。
而且，根据本公开的一个或多个实施例的插电式混合动力车辆具有至少一个可充电的电能存储装置，电能存储装置向处于其马达运转模式下的第一电机供应电能。在这种情况下，至少一个第一电子控制单元连接在第一电机和电能存储装置之间。第一电子控制单元用于控制第一电机和向第一电机供应电力。
此外，根据本公开的实施例的插电式混合动力车辆具有充电插头连接器，该充电插头连接器电连接到混合动力车辆的至少一个电能存储装置并且可以在充电操作期间电连接到车辆外部电网，导致可以在充电操作期间从车辆外部电网向电能存储装置供应电能以对电能存储装置充电。
此外，根据本公开的一个或多个实施例的插电式混合动力车辆具有第二电机，第二电机可以以扭矩传递方式连接到排气涡轮增压器，以在第二电机的马达运转模式下机械驱动排气涡轮增压器。
根据本发明，电能存储装置同样向处于其马达运转模式下的第二电机供应电能，其中用于控制第二电机和向第二电机供电的至少一个第二电子控制单元连接在第二电机和电能存储装置之间。
在根据本公开的一个或多个实施例的插电式混合动力车辆中，充电插头连接器还电连接到第二电子控制单元。
根据本公开的一个或多个实施例的插电式混合动力车辆提供了显著的优点：电能存储装置可以从电连接到混合动力车辆的车辆外部电网充电，而在充电操作期间不必采取额外的预防措施来防止混合动力车辆的电力牵引机的车辆意外移动。由于由车辆外部电网通过充电插头连接器供应的电能在第二电子控制单元处提供，而第二电子控制单元又电连接到第二电机，虽然电能可以导致第二电机的转子产生扭矩，该扭矩又导致机械连接到第二电机的排气涡轮增压器驱动或旋转，但是旋转的排气涡轮增压器在所述充电过程中对内燃发动机没有负面影响，因此可以容忍。从而从始至终防止了插电式混合动力车辆在从车辆外部电网充电过程期间意外运动。
由于无论如何电动可操作的排气涡轮增压器都设置在插电式混合动力车辆中，例如为了改善内燃发动机的排气值，特别是关于遵守当前和未来的co2排放极限值，并且为了改善内燃发动机(即使在低转速范围内)的性能，根据所要求保护的主题的一个或多个实施例，实现针对插电式混合动力车辆的所提出的充电策略而不需要额外的部件。这使得紧凑的设计成为可能，并且还降低了插电式混合动力车辆的生产成本。
为了控制第一电机和向第一电机供应电力，第一电子控制单元可以包括逆变器(在本文中也称为第一逆变器)，逆变器设计为将由电能存储装置提供的电能形式转换成第一电机在其马达运转模式下所需的电能形式。
第一电子控制单元或第一逆变器同样可以设计为将由处于发电机或再生运转模式下的第一电机生成的电能形式转换成电能存储装置可以在混合动力车辆的驱动操作期间使用以对电能存储装置充电的能量形式。第一电子控制单元同样可以设计为控制处于其发电机运转模式下的第一电机。
由电能存储装置提供的或者充电所需的能量形式通常是dc电压能量，而由第一电机在马达运转和发电机运转中所需或所产生的能量形式通常是ac电压能量。换句话说，第一电子控制单元或第一逆变器设计为将dc电压转换成ac电压(马达运转)并且还可以将ac电压转换成dc电压(发电机运转)。
第一逆变器还可以包括高功率电路，该高功率电路具有高功率半导体部件(例如晶体管)作为电开关元件。这种逆变器的具体设计通常是已知的，因此在此不再详细描述。
在至少一个实施例中，排气涡轮增压器和第二电机在第二电机和排气涡轮增压器之间具有提供紧凑、轻量、和简单的设计的永久机械连接。但是如果有需求或要求，也可以通过可切断连接来构建机械连接。
根据本公开的一个有利实施例，充电插头连接器和第二电机电连接到第二电子控制单元的电机侧连接件。
另一个有利的实施例包括具有至少一个逆变器(在这种情况下又称为第二逆变器，以区别于前述的第一电子控制单元的第一逆变器)的第二电子控制单元，第二逆变器设计为将由电能存储装置提供的电能形式转换成第二电机在其马达运转模式下所需的电能形式。
第二电子控制单元和/或第二逆变器同样可以设计为将由第二电机在发电机运转模式下生成的电能形式转换成电能存储装置可以使用以同样对电能存储装置充电的能量形式。作为发电机运转的第二电机例如可以使排气涡轮增压器在达到特定的发动机进气充气压力时减速，致使例如通常已知的放气阀或排气门可用，并且否则在此丢失的能量可以替代地由第二电机恢复并且可以作为电能反馈给电能存储装置。第二电子控制单元同样可以设计为控制处于其发电机运转模式下的第二电机。
另一有利的实施方式确定第二电子控制单元具有逆变器，该逆变器设计为将由充电插头连接器供应的电能形式转换为电能存储装置所需的电能形式。
第二电子控制单元可以配备有逆变器(第二逆变器)，第二逆变器设计为将由电能存储装置提供的电能形式转换成第二电机在其马达运转模式下所需的电能形式。类似地，第二逆变器可以将通过充电插头连接器馈送来的电能形式转换为电能存储装置所需的电能形式，并且还将由处于发电机运转模式下的第二电机生成的电能形式转换为电能存储装置可以使用的能量形式。换句话说，第二逆变器可以由单个结构单元形成。
第二逆变器可以包括高功率电路，该高功率电路包括高功率半导体部件(例如晶体管)作为电开关元件。这种逆变器的具体设计通常是已知的，因此在此不再详细描述。
原则上，第一电子控制单元和第二电子控制单元可以以相似的方式设计，但第二电子控制单元被调整到可能与第一电机的额定功率不同的第二电机的额定功率。
根据本公开的另一有利实施例，电能存储装置是额定电压为至少320v的高电压存储装置(例如高电压电池)。使用这种高电压向第一和/或第二电机供应电力导致所使用的电机和与其相关的电子控制单元的效率更高和电功率密度更大(物理体积更低)。这尤其有利于可电动操作的涡轮增压器单元，涡轮增压器单元包括排气涡轮增压器、机械驱动排气涡轮增压器的第二电机、以及用于控制第二电机并向第二电机供应电力的第二电子控制单元。
此外，将第二电机和第二电子控制单元设定为由电能存储装置提供的高电压，使得可以取决于第二电子控制单元或第二逆变器电子的长期效率来根据通常已知的1级和2级标准、或甚至根据3级标准对电能存储装置充电。
根据本公开的另一有利实施例，第二电机是每个相脚由第二电子控制单元单独驱动的三相ac电机。换句话说，在这种情况下第二电子控制单元设计为将由电能存储装置提供的dc电压转换成第二电机需要的三相ac电压，并且将电机侧的三相ac电压转换成电能存储装置可使用的dc电压。
第二电机可以是例如表示第二电机的特定实施例的永磁同步电机、三相异步电机、或连接的磁阻电机。
根据本发明的另一个有利的实施方式提供了充电插头连接器是三相充电插头连接器，三相充电插头连接器设计为用于电连接到车辆外部的三相ac电网。第二电子控制单元设置为驱动设计为三相ac电机的第二电机和对设计为三相ac电机的第二电机供应电力，电能存储装置与第二电子控制单元相结合可以直接以三相方式充电并且实现更高的充电功率。
根据本公开的另一有利实施例，混合动力车辆具有包括可控排气再循环阀的排气再循环设备，可控排气再循环阀以已知的方式控制由内燃发动机产生的排气从内燃发动机的出口侧再循环到内燃发动机的入口侧。排气涡轮增压器传统上同样以流体传导的方式通过涡轮连接到内燃发动机的出口侧，并且通过压缩机连接到内燃发动机的入口侧。当在电能存储装置通过连接到第二电机中的充电插头连接器的三相车辆外部ac电网的充电过程期间，因将三相交流电供应给电机侧而产生扭矩，并且因此使排气涡轮增压器转动，可以有利地打开排气再循环设备的排气再循环阀，导致由排气涡轮增压器在内燃发动机的入口侧以相对较高转速产生的增压空气压力可以通过打开排气再循环阀而无阻碍地通过排气再循环设备逸出，因此防止了在排气涡轮增压器的压缩机和内燃发动机的入口侧之间积聚空气。
根据本公开的另一有利实施例包括排气涡轮增压器，第二电机机械连接到排气涡轮增压器以驱动排气涡轮增压器。第二电子控制单元控制第二电机并向第二电机供应电能形成电动涡轮增压器单元，其中插电式混合动力车辆具有至少两个所述涡轮增压器单元。各个第二电子控制单元可以彼此电连接并且在充电操作期间彼此电连接。结果，可以进一步增加插电式混合动力车辆的可能的充电功率。如有需要，第二电子控制单元可以例如通过相应的电开关装置以电并联电路相互连接。
所要求保护的主题的其它特征和优点将从以下对代表性实施例的描述中显而易见，代表性实施例不应理解为是限制性的，并且将参照附图在下文中更详细地解释。
附图说明
图1示意性地示出了根据本公开的插电式混合动力车辆的代表性实施例；和
图2示意性地示出了图1的插电式混合动力车辆的电动涡轮增压器单元的电路图。
具体实施方式
本文根据需要公开了详细的实施例；然而应该理解，所公开的实施例仅仅是代表性的，并且可以以各种替代形式来实施。附图不一定符合比例；一些特征可能放大或缩小以显示特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构性和功能性细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用所要求保护的主题的代表性基础。
在不同附图中，具有相似或相同功能的部件提供有相同的附图标记，并且通常也仅描述一次。
图1示出了根据本公开的双辙的插电式混合动力车辆1的代表性实施例的示意图。混合动力车辆1具有可以例如根据柴油循环、奥托循环或米勒循环过程来运转的内燃发动机2。在所示出的混合动力车辆1的代表性实施例中，混合动力车辆1的两个驱动轮3机械连接到内燃发动机2并且可以由内燃发动机2驱动。驱动轮3的数量不限于图1所示的混合动力车辆1的代表性实施例。内燃发动机2也可以驱动少于两个车轮3或多于两个车轮3。
如图1所示，内燃发动机2还可以具有由排气涡轮增压器4的压缩机加压的进气口，排气涡轮增压器4包括由内燃发动机2的排气驱动的涡轮。为此，排气涡轮增压器4以本身已知的方式具有设置在由内燃发动机2产生的排气流中的涡轮5。为此，由内燃发动机2产生的排气被从内燃发动机2的出气口或排气歧管6引导到涡轮增压器4的涡轮5，并且随后还被引导到混合动力车辆1的排气管7(没有更详细地示出)。
涡轮5以已知的方式通过连接轴连接以与排气涡轮增压器4的压缩机8一起旋转，导致由排气流引起涡轮5旋转同样引起压缩机8旋转。压缩机8因此从进气口9(没有更详细地示出)吸入进气并将进气以压缩形式引导至内燃发动机2的进气歧管10。这种排气涡轮增压器4的运转模式是众所周知的，因而在此不再详细解释。
图1中示出的混合动力车辆1还具有第一电机11，可以利用第一电机11在第一电机11的马达运转模式下电驱动混合动力车辆1的两个驱动轮3。因此第一电机11也可以称为牵引机11。在所示的混合动力车辆1中，第一电机11和内燃发动机2都驱动相同的车轮3。但这不是必需的。由内燃发动机2驱动的混合动力车辆1的车轮可以不同于由第一电机11驱动的混合动力车辆1的车轮。提供变速器12以叠加内燃发动机2和第一电机11的驱动力并且将所述力传递到驱动轮3，所述变速器能够用作例如传统的动力分配器，或者能够表示本身已知的混合动力车辆1的p1或p2传动系设置。
此外，图1中示出的混合动力车辆1具有可充电的电能存储装置13，在该情况下电能存储装置13实施为额定电压大于等于320v的高电压电池。高电压电池13电连接到牵引机11以向处于其马达运转模式下的牵引机供应电能。
图1还示出具有第一逆变器15的第一电子控制单元14连接在牵引机11和高电压电池13之间。控制单元14设计为控制牵引机11并且在其马达运转期间从高电压电池13向牵引机供应电能，其中在这种情况下第一逆变器15接管在由高电压电池13提供的dc电压与牵引机11在其马达运转模式下所需的ac电压之间的电转换器功能。特别地，混合动力车辆1的牵引机11设计为三相ac电机。逆变器15也可以称为dc-ac转换器。
逆变器15同样可以设计为将施加在第一控制单元14的ac电压侧的ac电压转换成在控制单元14的dc电压侧输送的dc电压，以便例如在混合动力车辆1的行驶运转期间能够在牵引机11的再生或发电机运转中对高电压电池13充电。在这种情况下，第一逆变器15也可以称为ac-dc转换器。
图1还示出了混合动力车辆1的充电插头连接器16，充电插头连接器16电连接到高电压电池13并且可以电连接到车辆外部电网(没有更详细地示出)，导致可以在充电操作期间从车辆外部电网向插电式混合动力车辆1的高电压电池13供应电能以对高电压电池13充电。
在图1所示的混合动力车辆1中，充电插头连接器16设计为适于与车辆外部的三相ac电网电连接的三相充电插头连接器。
图1还示出第二电机17以扭矩传递的方式连接到排气涡轮增压器4。在所示的混合动力车辆1的代表性实施例中，第二电机17连接到压缩机8以在第二电机17的马达运转模式下机械驱动排气涡轮增压器4。
高电压电池13同样电连接到第二电机17，导致高电压电池13可以向处于其马达操作模式下的第二电机17供应电能。为此，具有第二逆变器19的第二电子控制单元18连接在第二电机17和高电压电池13之间。第二电子控制单元18用于控制第二电机17和向第二电机17供应电力。在这种情况下，第二逆变器19接管将由高电压电池13提供的dc电压转换成第二电机17在其马达运转模式下所需的ac电压的功能。在图1所示的混合动力车辆1中，第二电机17设计为三相ac电机，其中三个相脚中的每一个都由第二电子控制单元18单独驱动。因此第二逆变器19也可以称为dc-ac转换器。
此外，第二电子控制单元18或第二逆变器19还设置为将提供给第二控制单元18的ac电压侧的ac电压输送到其dc电压侧作为dc电压，来将dc电压提供给高电压电池13以对高电压电池充电。因此混合动力车辆1的第二逆变器19同样用作ac-dc转换器。
第二电机17可以设计为永磁同步电机、三相异步电机、或连接的磁阻电机。
图1还示出三相充电插头连接器16和第二电机17电连接到第二电子控制单元18的电机侧连接件，其中充电插头连接器16中的每个相脚电连接到第二电机17的相脚。因此可以将在电机侧通过充电插头连接器16馈送到第二电子控制单元18中的三相ac电压在混合动力车辆1充电操作期间从连接到充电插头连接器16的车辆外部三相ac电网转换到在第二电子控制单元18的dc电压侧提供的并且适于对高电压电池13充电的dc电压。
在高电压电池13的这种充电过程中，考虑到因三相交流电通过充电插头连接器16的电机侧馈入而可以在第二电机17中产生扭矩的事实，于是(例如在高达每分钟3000转的转速下)以50hz的外部ac电网的电网频率驱动排气涡轮增压器4是可以容忍的，因为在这种情况下由压缩机8压缩在入口歧管10的区域中的空气不会对内燃发动机2产生任何负面影响。图1所示的插电式混合动力车辆1的设计可以以节省空间和简单的方式实现。不需要防止第二电机17旋转的额外预防措施。
图1还示出，插电式混合动力车辆1具有排气再循环设备20，该排气再循环设备20包含可控排气再循环阀21以通过已知方式选择性地将由内燃发动机2产生的排气从内燃发动机2的出口侧或出口歧管6再循环到内燃发动机2的入口侧或入口歧管10。排气再循环设备20可以优选地用在图1所示的混合动力车辆1中，以防止在高电压电池13通过充电插头连接器16的充电过程期间在第二电机17以及因此排气涡轮增压器4的相对较高转速下在内燃发动机2的入口歧管10前形成空气积聚，借助于在所述充电过程期间(自动)打开排气再循环阀21来控制排气涡轮增压器4，导致施加在入口歧管10上的增压空气压力可以通过打开的排气再循环阀21不受阻碍地穿过排气再循环设备20逸出到排气管7。
在图1中，由排气涡轮增压器4、连接到所述排气涡轮增压器以驱动排气涡轮增压器4的第二电机17、和控制第二电机17的第二电子控制单元18组成的设置通过使用虚线示出的矩形22来识别。所述设置表示电动涡轮增压器单元22。
由于图1所示的混合动力车辆1中的高电压电池13电连接到第一电子控制单元14和第二电子控制单元18二者，公共电力分配器23在高电压电池13和相应的两个控制单元14和18之间互相连接，所述电力分配器确保将由高电压电池13提供的电能分配给两个控制单元14和18并且为两个控制单元14和18提供与高电压电池13的公共连接。
在图1中未示出的根据本发明的插电式混合动力车辆的另一优选实施例中，所述混合动力车辆具有至少两个涡轮增压器单元22，两个涡轮增压器单元22相应的第二电子控制单元可彼此电连接并且在充电操作期间通过车辆外部电网彼此电连接，导致插电式混合动力车辆的充电功率进一步增加。如有需要，第二电子控制单元可以(例如通过相应的电气开关设备)以并联电路相互连接。
图2示出了图1的插电式混合动力车辆1的电动涡轮增压器单元22的电路图。在该电路图中，车辆外部的电气三相ac电网由其三个相脚l1、l2、和l3以及中性导体n表示。
如有需要，三个相脚l1、l2、和l3以及中性导体n可以通过相应的开关k1、k2、k3、和kn连接到第二电子控制单元18或第二逆变器19的ac电压侧，并且可以通过过滤器24来相互连接。高电压电池13连接到控制单元18或第二逆变器19的dc电压侧。
在通过车辆外部ac电网对高电压电池13的充电操作期间，开关k1、k2、k3、和kn闭合。当混合动力车辆1或充电插头连接器16与车辆外部ac电网隔离时，开关k1、k2、k3、和kn断开。
图2还示出，逆变器19具有在桥式电路中以已知的方式互相连接的六个电力高功率开关s1-s6，电力高功率开关可以实现为高功率半导体部件(例如晶体管)。电容器c还在高电压电池13的两个dc电压连接处与开关s1-s6并联连接。
第二电机17可以设计为连接到第二电子控制单元18或第二逆变器19的ac电压侧的三相ac电机。第二电机在图2中表示为根据其三个相脚所具有的三个电感ls1、ls2、和ls3。
已经参考附图中示出的代表性实施例详细解释了根据一个或多个代表性实施例的插电式混合动力车辆。然而，混合动力车辆不限于本文中描述的实施例，而是还包括具有类似效果的其它实施例。
虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例不意图描述所要求保护的主题的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应该理解，在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下可以做出各种改变。另外，可以将各种实现实施例的特征组合以形成在所要求保护的主题的范围内的可能未明确描述或说明的其它实施例。