DE102009027220A1 - Device for supplying an electric drive for a motor vehicle - Google Patents

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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes für ein Kraftfahrzeug mit einem Energienetz, das mit dem Antrieb verbunden ist und eine Brennstoffzelleneinheit und wenigstens einen Energiespeichere aufweist, wobei die Brennstoffzelleneinheit und der Energiespeicher gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Energienetz ein erstes und ein zweites Energienetz aufweist, das erste Energienetz einen ersten Umrichter aufweist, der zwischen der Brennstoffzelleneinheit und dem Antrieb angeordnet ist, das zweite Energienetz einen zweiten Umrichter aufweist, der zwischen dem Energiespeicher und dem Antrieb angeordnet ist, und der erste Umrichter vom zweiten Umrichter entkoppelt ist.The invention relates to a device for supplying an electric drive for a motor vehicle with a power network which is connected to the drive and has a fuel cell unit and at least one energy store, wherein the fuel cell unit and the energy store are coupled. According to the invention, the energy grid has a first and a second energy network, the first energy network has a first converter, which is arranged between the fuel cell unit and the drive, the second energy network has a second converter, which is arranged between the energy store and the drive , and the first inverter is decoupled from the second inverter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes für ein Kraftfahrzeug mit einem Energienetz, das mit dem Antrieb verbunden ist und eine Brennstoffzelleneinheit und wenigstens einen Energiespeicher aufweist, wobei die Brennstoffzelleneinheit und der Energiespeicher gekoppelt sind gemäß des Oberbegriffes von Anspruch 1.The The invention relates to a device for supplying an electrical Drive for a motor vehicle with a power grid, which is connected to the drive and a fuel cell unit and at least one energy store, wherein the fuel cell unit and the energy storage are coupled according to Preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Aus der Druckschrift DE 102 23 117 A1 ist bekannt, dass für die elektrische Versorgung eines elektrischen Antriebes für ein Kraftfahrzeug hybride Energieversorgungssysteme bestehend aus einer Brennstoffzelleneinheit und einem Energiespeicher verwendet werden. Dabei wird ein Energiespeicher über einen DC/DC-Wandler parallel zum aktiven Zweipol der Brennstoffzelleneinheit geschaltet, welcher für die Versorgung eines elektrischen Antriebes zuständig ist. Weitere Schaltungsmöglichkeiten bestehen darin, dass der Energiespeicher direkt mit dem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges verbunden ist. In diesem Fall wird die Brennstoffzelleneinheit über einen DC/DC-Wandler parallel zu dem Zweipol des Energiespeichers geschaltet. Eine weitere Möglichkeit ist, jeweils der Brennstoffzelleneinheit und dem Energiespeicher einen DC/DC-Wandler vorzuschalten, die dann parallel geschaltet als elektrische Versorgung des Antriebes dienen. Alle dargestellten Versorgungskonzepte benötigen wenigstens einen DC/DC-Wandler um den gewünschten Energieaustausch zwischen Brennstoffzelleneinheit und Energiespeicher durchführen zu können. Dies liegt daran, dass die Brennstoffzelleneinheit und der Energiespeicher im hybridisierten Betrieb unterschiedliche Spannungsebenen aufweisen. Nachteilig ist hierbei, dass beide Energienetze elektrisch miteinander verbunden sind. Dadurch können die beiden Energienetze nicht unabhängig voneinander aufgebaut und dimensioniert werden.From the publication DE 102 23 117 A1 It is known that for the electrical supply of an electric drive for a motor vehicle hybrid power supply systems consisting of a fuel cell unit and an energy storage are used. In this case, an energy store is connected via a DC / DC converter in parallel with the active two-terminal of the fuel cell unit, which is responsible for the supply of an electric drive. Other circuit options are that the energy storage is connected directly to the electric drive of the motor vehicle. In this case, the fuel cell unit is connected via a DC / DC converter in parallel with the two-pole of the energy store. Another possibility is to precede each of the fuel cell unit and the energy storage a DC / DC converter, which then connected in parallel serve as an electrical supply to the drive. All illustrated supply concepts require at least one DC / DC converter to perform the desired energy exchange between the fuel cell unit and energy storage. This is because the fuel cell unit and the energy store have different voltage levels in hybridized operation. The disadvantage here is that both energy networks are electrically connected. As a result, the two energy networks can not be constructed and dimensioned independently of each other.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vereinfachten Aufbau zur Versorgung eines elektrischen Antriebes für ein Kraftfahrzeug zu ermöglichen, um somit eine Kostenreduzierung und gleichzeitig funktionale Vorteile des Gesamtaufbaus zu erzielen.It The object of the present invention is a simplified one Structure for supplying an electric drive for to allow a motor vehicle, thus reducing costs and at the same time achieve functional advantages of the overall structure.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen, insbesondere des kennzeichnenden Teils. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.to Solution to this problem is a device with the features of claim 1, in particular of the characterizing Part. In the dependent claims are preferred Developments executed. The in the claims and in the description mentioned Characteristics essential to the invention individually or in combination be.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Energienetz ein erstes und ein zweites Energienetz aufweist, das erste Energienetz einen ersten Umrichter aufweist, der zwischen der Brennstoffzelleneinheit und dem Antrieb angeordnet ist, das zweite Energienetz einen zweiten Umrichter aufweist, der zwischen dem Energiespeicher und dem Antrieb angeordnet ist, und der erste Umrichter vom zweiten Umrichter entkoppelt ist.According to the invention provided that the energy network has a first and a second energy network, the first power grid has a first inverter, the between the fuel cell unit and the drive is arranged, the second power grid has a second inverter which is between the Energy storage and the drive is arranged, and the first inverter is decoupled from the second inverter.

Besonders vorteilhaft ist, dass eine Energieübertragung vom ersten Energienetz zum zweiten Energienetz über den Antrieb erfolgt, insbesondere während der Fahrt des Kraftfahrzeuges. Damit können die Brennstoffzelleneinheit und der Energiespeicher getrennt an den Antrieb angeschlossen werden. Ein Leistungs-DC/DC-Wandler, der normalerweise zwischen der Brennstoffzelleneinheit und dem Energiespeicher zur Energieübertragung benötigt wird, entfällt. Die Brennstoffzelleneinheit und der Energiespeicher sind direkt mit dem Antrieb verbunden.Especially It is advantageous that an energy transfer from the first Power network to the second power network via the drive, in particular while driving the motor vehicle. In order to can the fuel cell unit and the energy storage be connected separately to the drive. A power DC / DC converter, the normally between the fuel cell unit and the energy storage is required for energy transfer, deleted. The fuel cell unit and the energy storage are direct connected to the drive.

Ebenfalls ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Energieübertragung vom ersten Energienetz zum zweiten Energienetz über ein magnetisches Wechselfeld erfolgen kann. Damit ist eine kontaktlose induktive Energieübertragung möglich. Eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Energienetz und dem zweiten Energienetz kann dadurch entfallen. Bei einer extremen Energieentnahme eines Energiestranges, was zu einer unerwünscht und/oder unerwarteten Temperaturerhöhung führen kann, ist in diesem Fall vorteilhafterweise eine thermische Entkopplung zwischen den Energienetzen vorhanden. Es kann dementsprechend auf mechanische Kontakte zwischen den Energiesträngen verzichtet werden. Ebenfalls ist dadurch ein wartungsarmer Aufbau gegeben. Zudem können die Spannungsniveaus der beiden Energienetze weitestgehend unabhängig voneinander gewählt werden, was insgesamt größere Freiheitsgrade in der Auslegung der Netze bedeutet, ohne dass ein weitergehender Aufwand betrieben werden muss.Also is inventively provided that an energy transfer from the first power grid to the second power grid via magnetic alternating field can be done. This is a contactless inductive energy transfer possible. An electric Connection between the first power grid and the second power grid can be omitted. In an extreme energy extraction of a strand of energy, resulting in an undesirable and / or unexpected increase in temperature can lead in this case is advantageously one thermal decoupling exists between the energy networks. It may be due to mechanical contacts between the energy strings be waived. Also, this is a low-maintenance construction given. In addition, the voltage levels of the two energy networks can be chosen independently of each other, what overall greater degrees of freedom in the interpretation of Nets means without any further effort being made got to.

Weiterhin kann vorteilhaft sein, dass der Antrieb über ein erstes und ein zweites Wicklungssystem Verfügt, die an einem gemeinsamen Ständer angeordnet sind, wobei das erste Wicklungssystem an den ersten Umrichter und das zweite Wicklungssystem an den zweiten Umrichter gekoppelt ist. Durch diese Anordnung ist es möglich die beiden getrennten Wicklungssysteme in dem gemeinsamen elektrischen Antrieb zu integrieren. Damit kann die elektrische Maschine entweder als Antrieb oder Generator wirken und so Energie über die getrennten Wicklungen im gemeinsamen Ständer austauschen. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass auch bei stehendem Antrieb Energie von der Brennstoffzelleneinheit zum Energiespeicher über die Ständerwicklungen übertragen werden kann. Der Ständer des Antriebs wirkt hierbei als Transformator. Als ein mögliches Wicklungssystem kann ein dreiphasiges System genutzt werden, wie es typischerweise bei Fahrantrieben eingesetzt wird. Natürlich kann das Konzept auch auf andere Phasenzahlen angewendet werden. Ebenso ist die Beschaltung in keiner Weise auf eine Sternschaltung beschränkt, sondern kann auch mit Dreieckschaltungen und anderen Phasenverschaltungen eingesetzt werden. Eine Lösung eines Wicklungssystems kann aus einem klassischen genuteten Stator mit einer Zweischichtwicklung angesehen werden. Die beiden Schichten werden dann für beide Wicklungssysteme genutzt. Der Herstellungsaufwand einer solchen Wicklungsanordnung ist derselbe wie bei einer klassischen Zweischichtwicklung, nur dass doppelt so viele Anschlüsse nach Außen geführt werden. Diese beschriebene Wicklungsanordnung ist nur eine mögliche Ausführungsform. Alternativ könnten z. B. vier Schichten zum Einsatz kommen, wobei die beiden Wicklungssysteme jeweils abwechselnd eingelegt werden. Dadurch wird die magnetische Kopplung erhöht. Es ist möglich die Wicklungssysteme phasengleich anzuordnen, so dass zahlreiche Komponenten der Motorsteuerung für beide Umrichter gemeinsam genutzt werden können. Zudem kann ein gemeinsamer Sensor für die Rotorwinkellageerfassung verwendet werden. Bei einem Stillstand des Fahrzeugs und dementsprechend einem Stillstand des Antriebes, kann ein reines Wechselfeld erzeugt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die elektrische Maschine trotz Bestromung kein Drehmoment erzeugt. Zur Verringerung von Rotorverlusten kann die Winkelfrequenz ω niedrig gewählt werden. Eine besonders hohe Winkelfrequenz ω ermöglicht es, einen hohen Anteil Streufluss zu erzeugen, der den Rotor nicht durchsetzt.Furthermore, it may be advantageous that the drive has a first and a second winding system, which are arranged on a common stator, wherein the first winding system is coupled to the first inverter and the second winding system to the second inverter. By this arrangement, it is possible to integrate the two separate winding systems in the common electric drive. Thus, the electric machine can act either as a drive or generator and so exchange energy on the separate windings in the common stand. Another advantage of this arrangement is that even with the drive power from the fuel Cell unit can be transmitted to the energy storage via the stator windings. The stator of the drive acts as a transformer. As a possible winding system, a three-phase system can be used, as is typically used in traction drives. Of course, the concept can also be applied to other phase numbers. Likewise, the wiring is in no way limited to a star connection, but can also be used with delta circuits and other phase connections. A solution of a winding system can be considered from a classic grooved stator with a two-layer winding. The two layers are then used for both winding systems. The production cost of such a winding arrangement is the same as in a classic two-layer winding, except that twice as many connections are led to the outside. This described winding arrangement is only one possible embodiment. Alternatively, z. B. four layers are used, the two winding systems are alternately inserted in each case. This increases the magnetic coupling. It is possible to arrange the winding systems in phase, so that numerous components of the motor control can be shared for both inverters. In addition, a common sensor for the rotor angle position detection can be used. At a standstill of the vehicle and accordingly a standstill of the drive, a pure alternating field can be generated. This offers the advantage that the electrical machine generates no torque despite energization. To reduce rotor losses, the angular frequency ω can be chosen low. A particularly high angular frequency ω makes it possible to generate a high proportion of stray flux that does not penetrate the rotor.

Ebenfalls ist es denkbar, dass der Antrieb über einen ersten Ständer und einen zweiten Ständer verfügt, die über einen gemeinsamen Rotor gekoppelt sind, wobei der erste Ständer an dem ersten Umrichter und der zweite Ständer an dem zweiten Umrichter angeordnet ist. Dabei sind die Ständerwicklungen verschiebbar angeordnet, so dass beliebige Überdeckungen zwischen den Ständerwicklungen und dem Rotor einstellbar sind. Ebenso ist es möglich, dass beide Ständerwicklungen verschiedene Radien aufweisen und ineinander verschoben werden können. Damit der Luftspalt bei dem Ständer mit dem größeren Radius nicht zu groß wird, sind spezielle flussführende Bauteile denkbar, die den resultierenden Luftspalt minimieren. Durch diese Anordnung kann die Kopplung der beiden Wicklungssysteme in der Art verstellt werden, wie es für den Energieaustausch zwischen der Brennstoffzelleneinheit und dem Energiespeicher vonnöten ist.Also It is conceivable that the drive has a first stand and a second stand that over coupled to a common rotor, wherein the first stator on the first inverter and the second stator on the second Inverter is arranged. Here are the stator windings slidably arranged so that any covers adjustable between the stator windings and the rotor are. It is also possible that both stator windings have different radii and can be moved into each other. Thus the air gap at the stand with the larger Radius does not get too big, are special flux-leading Components conceivable that minimize the resulting air gap. By This arrangement can be the coupling of the two winding systems in the Art be adjusted as it is for the energy exchange between the fuel cell unit and the energy storage needed is.

Es kann vorteilhaft sein, dass wenigstens eine erste elektrische Komponente an der Brennstoffzelleneinheit und eine zweite elektrische Komponente an dem Energiespeicher angeordnet sind. Dies bietet die Möglichkeit, die elektrische Versorgung von Verbrauchern mit hohem Leistungsbedarf sicherzustellen, wie dies z. B. bei einem Verdichter für die Kathodenluftversorgung der Brennstoffzelleneinheit vonnöten ist. Zudem kann durch die Nutzung von entkoppelten Komponenten mit gleicher Funktionalität eine Redundanz von Bauteilen des Gesamtsystems geschaffen werden, um eine höchstmögliche Verfügbarkeit zu erlangen. Diese können dann getrennt an der Brennstoffzelleneinheit und dem Energiespeicher angebracht werden. Ebenso kann es möglich sein, dass die betreffenden elektrischen Komponenten auf eine erste kleinere Variante und eine zweite kleinere Variante aufgeteilt werden, wobei die erste kleinere Variante an der Brennstoffzelleneinheit angeordnet und die zweite kleinere Variante an dem Energiespeicher angeordnet werden kann. Dies ermöglicht es, die Energieversorgung sicherzustellen. Weiterhin ist es denkbar, die zwei kleineren Varianten zusätzlich mechanisch zu koppeln. Dies könnte z. B. bei zwei Verdichtern der Fall sein, die durch ein pneumatisches Flügelrad gekoppelt sind.It may be advantageous that at least a first electrical component at the fuel cell unit and a second electrical component are arranged on the energy storage. This offers the possibility the electrical supply of consumers with high power requirements to ensure such as B. in a compressor for the cathode air supply of the fuel cell unit needed is. In addition, by using decoupled components with same functionality a redundancy of components of the Overall system to be created to the highest possible To obtain availability. These can then be separated attached to the fuel cell unit and the energy storage become. Likewise it may be possible that the concerned electrical components on a first smaller variant and one split second smaller variant, with the first smaller variant arranged on the fuel cell unit and the second smaller Variant can be arranged on the energy storage. this makes possible it to ensure the energy supply. Furthermore, it is conceivable to additionally mechanically couple the two smaller variants. This could be z. B. be the case with two compressors, the are coupled by a pneumatic impeller.

Ebenfalls ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Antrieb eine erste und eine zweite elektrische Maschine aufweist, insbesondere dass die erste Maschine von der zweiten Maschine getrennt ist. Dazu kann vorteilhafterweise die erste und die zweite elektrische Maschine über eine gemeinsame Welle verfügen. Die erste und die zweite elektrische Maschine können als Motor oder Generator wirken. Über die gemeinsame Welle kann so Energie ausgetauscht werden. Durch die Trennung der beiden elektrischen Maschinen ist es somit möglich, dass verschiedene elektrische Maschinen mit unterschiedlichen Leistungsdaten zur Verwendung kommen. Auch kann der Aufbau der beiden elektrischen Maschinen unterschiedlich ausgeführt sein. Dementsprechend können die für die elektrischen Maschinen benötigten ersten und zweiten Umrichter ebenfalls unterschiedlich ausgeführt sein und auf verschiedenen Leistungsdaten beruhen, da diese voneinander entkoppelt sind. Damit wird ein größtmöglicher Handlungsspielraum für den Aufbau der Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes ermöglicht. Für ein Kraftfahrzeug ist es z. B. möglich, die erste elektrische Maschine an die Vorderachse des Kraftfahrzeuges anzuordnen und die zweite elektrische Maschine an die Hinterachse des Kraftfahrzeuges zu koppeln. Die erste elektrische Maschine könnte dann ein Motor sein, der über einen ersten Umrichter von einer Brennstoffzelleneinheit mit Energie versorgt wird und damit das Kraftfahrzeug antreibt. Die zweite elektrische Maschine könnte in diesem Fall ein Generator sein, der während der Fahrt des Kraftfahrzeuges den Energiespeicher über einen zweiten Umrichter mit Energie versorgt. Da die beiden elektrischen Maschinen Motor und/oder auch Generator sein können, versteht es sich von selbst, dass die zweite elektrische Maschine an der Hinterachse des Fahrzeuges ebenfalls als Motor fungieren kann, der über den Energiespeicher mit Energie versorgt wird.It is also provided according to the invention that the drive has a first and a second electric machine, in particular that the first machine is separated from the second machine. For this purpose, advantageously, the first and the second electric machine have a common shaft. The first and the second electric machine can act as a motor or generator. Energy can be exchanged via the common wave. Due to the separation of the two electrical machines, it is thus possible that different electrical machines with different performance data are used. Also, the structure of the two electrical machines can be designed differently. Accordingly, the first and second inverters required for the electric machines can also be designed differently and based on different performance data, since these are decoupled from each other. This allows the greatest possible scope for the construction of the device for supplying an electric drive. For a motor vehicle, it is z. B. possible to arrange the first electric machine to the front axle of the motor vehicle and to couple the second electric machine to the rear axle of the motor vehicle. The first electric machine could then be a motor which is supplied with energy via a first converter by a fuel cell unit and thus drives the motor vehicle. The second electric machine could in this case be a generator which supplies the energy store via a second converter with energy during the drive of the motor vehicle. Because the two electric Engine and / or generator can be, it goes without saying that the second electric machine on the rear axle of the vehicle can also act as a motor, which is powered by the energy storage with energy.

Vorteilhafterweise ist das erste Energienetz vom zweiten galvanisch getrennt. Dadurch wird es ermöglicht, dass die beiden Energienetze unabhängig voneinander konzipiert und entworfen werden. Dies kann während der Planungsphase der Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes Kostenvorteile mit sich bringen. Zudem ermöglicht eine galvanische Trennung, dass im Falle eines elektrischen Ausfalles eines Energienetzes das andere davon unberührt bleibt. Zusätzliche Sicherungsmaßnahmen wie die Anbringung und Zuordnung von elektrischen Sicherungen zwischen den beiden Energienetzen können dadurch entfallen.advantageously, the first power grid is galvanically isolated from the second one. Thereby It will allow the two energy networks to be independent be designed and designed from each other. This can be done during the planning phase of the device for supplying an electrical Drive cost advantages. In addition, one allows galvanic isolation that in case of electrical failure one energy network the other remains unaffected. Additional security measures such as attachment and assignment of electrical fuses between the two energy networks can be omitted.

Ebenfalls ist es denkbar, dass eine Energieübertragung vom ersten Energienetz zum zweiten Energienetz über eine elektrische Verbindung erfolgt. Dadurch entsteht die Möglichkeit auf bekannte elektrische als auch elektronische Verfahren zur Kopplung der beiden Energienetze zurückzugreifen. Auch eine Kopplung der Brennstoffzelleneinheit und dem Energiespeicher über ein Dreiphasensystem kann dadurch ermöglicht werden. Auch der Einbau eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers zwischen den beiden Energienetzen ermöglicht eine Energieübertragung von der Brennstoffzelleneinheit zum Energiespeicher auch bei stehendem Antrieb. Elektrische Komponenten mit hohem Leistungsbedarf können am Energiespeicher angeschlossen werden, damit diese bei einem inaktiven Antrieb mit Energie versorgt werden können. Auch ist es möglich, den DC/DC-Wandler unidirektional auszubilden, so dass nur Energie von der Brennstoffzelleneinheit zum Energiespeicher übertragen werden kann. Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die Peripherie zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems wahlweise von dem Energiespeicher und/oder der Brennstoffzelleneinheit versorgbar ist. Damit wird es ermöglicht, dass in jedem Betriebszustand der Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes die Peripherie optimal mit Energie versorgt wird. Zudem können evtl. Ausfälle des Energiespeichers oder der Brennstoffzelleneinheit von der anderen intakten Einheit überbrückt werden.Also It is conceivable that an energy transfer from the first Power network to the second energy network via an electric Connection takes place. This creates the opportunity known electrical and electronic coupling methods of the two energy networks. Also a coupling the fuel cell unit and the energy storage over a three-phase system can be made possible. Also the installation of a bidirectional DC / DC converter between the two Energy networks enable energy transfer from the fuel cell unit to the energy storage even when stationary Drive. Electrical components with high power requirements can be used at Energy storage to be connected to an inactive Drive can be powered. It is too possible to make the DC / DC converter unidirectional, so that only transfer energy from the fuel cell unit to the energy storage can be. According to the invention, it is further provided that the periphery for operating a fuel cell system optional supplied by the energy storage and / or the fuel cell unit is. This makes it possible that in any operating condition the device for supplying an electrical drive the periphery is optimally supplied with energy. In addition, possibly failures the energy storage or the fuel cell unit of the other be bridged intact unit.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination Erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the description below, with reference to the drawings several embodiments of the invention in detail are described. It can in the claims and in the description mentioned features individually by itself or in any combination essential to the invention be. Show it:

1 einen schematischen Aufbau zweier Energienetze zur energetischen Versorgung eines Antriebes, 1 a schematic structure of two energy networks for the energetic supply of a drive,

2 einen schematischen Aufbau eines Wicklungssystems, 2 a schematic structure of a winding system,

3 eine schematische Ansicht zwei getrennter Ständer mit einem Rotor, 3 a schematic view of two separate stator with a rotor,

4 einen schematischen Aufbau zur Versorgung eines elektrischen Antriebes mit zwei zu versorgenden Komponenten, 4 a schematic structure for supplying an electric drive with two components to be supplied,

5 einen schematischen Aufbau von zwei getrennten elektrischen Maschinen, 5 a schematic structure of two separate electrical machines,

6 einen schematischen Aufbau von zwei elektrischen mit einer Welle verbundenen Maschinen, 6 a schematic structure of two electrical machines connected to a shaft,

7 einen schematischen Aufbau einer Versorgung eines elektrischen Antriebes mit zu versorgender Peripherie und angebrachtem DC/DC-Wandler. 7 a schematic structure of a supply of an electric drive to be supplied with peripherals and attached DC / DC converter.

In der 1 ist ein erstes Energienetz 20, mit einer Brennstoffzelleneinheit 21 und einem ersten Umrichter 22 gezeigt, wobei das erste Energienetz 20 mit einem Antrieb 10 verbunden ist. Ein zweites Energienetz 30 mit einem Energiespeicher 31 und einem zweiten Umrichter 32 ist ebenfalls elektrisch mit dem Antrieb 10 verbunden. Der erste Umrichter 22 und der zweite Umrichter 32 können dabei auf getrennten Wicklungssystemen in dem elektrischen Antrieb 10 arbeiten. Damit kann Energie über die getrennten Wicklungen in einem gemeinsamen Ständer ausgetauscht werden. Zudem ist der erste Umrichter 22 von dem zweiten Umrichter 32 entkoppelt.In the 1 is a first energy network 20 , with a fuel cell unit 21 and a first inverter 22 shown, the first energy network 20 with a drive 10 connected is. A second energy network 30 with an energy storage 31 and a second inverter 32 is also electric with the drive 10 connected. The first inverter 22 and the second inverter 32 can be on separate winding systems in the electric drive 10 work. This allows energy to be exchanged via the separate windings in a common stand. In addition, the first inverter 22 from the second inverter 32 decoupled.

2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Wicklungssystems. Ein erstes Energienetz 20 mit einer Brennstoffzelleneinheit und einem ersten Umrichter 22 ist mit einem ersten Wicklungssystem 23 gekoppelt. Ein zweites Energienetz 30 mit einem zweiten Umrichter 32 und einem Energiespeicher 31 ist mit einem zweiten Wicklungssystem 33 gekoppelt. Es ist hier ein dreiphasiges System dargestellt wie es bei dem Antrieb 10 eingesetzt werden kann. Selbstverständlich kann das Konzept auch auf andere Phasenzahlen angewendet werden. Ebenso ist es in keiner Weise auf die dargestellte Sternschaltung beschränkt, sondern kann auch mit Dreieckschaltungen und anderen Phasenverschaltungen eingesetzt werden. Das erste Wicklungssystem 23 ist vom zweiten Wicklungssystem 33 galvanisch getrennt. Durch die Entkopplung der Umrichter 22, 32, die eine Umformung von Gleich- in Wechselspannungen und umgekehrt ermöglichen, kann der Aufbau der beiden Umrichter 22, 32 unterschiedlich ausfallen, da diese unabhängig voneinander dimensioniert werden können. 2 shows a schematic structure of a winding system. A first energy network 20 with a fuel cell unit and a first inverter 22 is with a first winding system 23 coupled. A second energy network 30 with a second inverter 32 and an energy store 31 is with a second winding system 33 coupled. Here is a three-phase system as shown in the drive 10 can be used. Of course, the concept can also be applied to other phase numbers. Likewise, it is in no way limited to the illustrated star connection, but can also be used with delta circuits and other phase connections. The first winding system 23 is from the second winding system 33 galvanically isolated. By decoupling the inverter 22 . 32 , which allow a conversion from DC to AC and vice versa, the structure of the two converters 22 . 32 be different, as these un can be dimensioned depending on each other.

3 zeigt einen schematischen Aufbau eines ersten Ständers 24 und eines zweiten Ständers 34, die durch einen gemeinsamen Rotor 40 miteinander energetisch gekoppelt sind. Der erste Ständer 24 ist dabei mit dem ersten Umrichter 22 verbunden, der wiederum mit der Brennstoffzelleneinheit 21 gekoppelt ist, die damit das erste Energienetz 20 bilden. Der zweite Ständer 34 ist mit dem zweiten Umrichter 32 verbunden, der seinerseits wieder mit dem Energiespeicher 31 gekoppelt ist und das zweite Energienetz 30 bilden. Die zwei getrennten Ständer 24, 34 sind dabei von dem Rotor 40 galvanisch getrennt. Es sind somit beliebige Überdeckungen zwischen den einzelnen Ständern 24, 34 und dem Rotor 40 einstellbar. Es ist weiterhin möglich, dass beide Ständer 24, 34 verschiedene Radien aufweisen und ineinander verschoben werden können. Damit der Luftspalt bei dem Ständer mit dem größeren Radius nicht zu groß wird, wenn er nur den Rotor 40 und nicht dem anderen Ständer überdeckt, sind spezielle flussführende Bauteile denkbar, die den resultierenden Luftspalt minimieren. 3 shows a schematic structure of a first stator 24 and a second stand 34 passing through a common rotor 40 energetically coupled with each other. The first stand 24 is with the first inverter 22 connected, in turn, with the fuel cell unit 21 which is the first energy network 20 form. The second stand 34 is with the second inverter 32 connected, in turn, with the energy storage 31 is coupled and the second energy network 30 form. The two separate stands 24 . 34 are from the rotor 40 galvanically isolated. There are thus arbitrary overlaps between the individual stands 24 . 34 and the rotor 40 adjustable. It is still possible that both stands 24 . 34 have different radii and can be moved into each other. So that the air gap in the stand with the larger radius is not too big, if he only the rotor 40 and not covered by the other stator, special flux-conducting components are possible, which minimize the resulting air gap.

4 zeigt einen schematischen Aufbau des ersten Energienetzes 20 und des zweiten Energienetzes 30, die beide an dem Antrieb 10 angeordnet sind. Das erste Energienetz 20 weist dabei die Brennstoffzelleneinheit 21 und den ersten Umrichter 22 auf. Dies gilt ebenso für das zweite Energienetz 30, welches den Energiespeicher 31 und den zweiten Umrichter 32 aufweist. Eine erste elektrische Komponente 25 ist dabei direkt an der Brennstoffzelleneinheit 21 angeordnet. Eine zweite elektrische Komponente 35 ist mit dem Energiespeicher 31 verbunden. Damit können beide elektrischen Komponenten 25, 35 unabhängig mit elektrischer Energie versorgt werden. Selbst wenn die beiden elektrischen Komponenten 25, 35 die gleiche Funktion innerhalb der Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes 10 haben, können sie unterschiedlich aufgebaut und dimensioniert werden. Dies ermöglicht es, auf die einzelnen spezifischen Ausgangsparameter der Brennstoffzelleneinheit 21 und/oder des Energiespeichers 31 Rechnung zu tragen. Zudem sind beide elektrischen Komponenten 25, 35 voneinander galvanisch getrennt, was zu einer Kostenreduzierung gegenüber elektrisch gebundenen Komponenten führen kann. 4 shows a schematic structure of the first power network 20 and the second power network 30 both at the drive 10 are arranged. The first energy network 20 has the fuel cell unit 21 and the first inverter 22 on. This also applies to the second energy network 30 which the energy storage 31 and the second inverter 32 having. A first electrical component 25 is directly at the fuel cell unit 21 arranged. A second electrical component 35 is with the energy storage 31 connected. This allows both electrical components 25 . 35 be supplied independently with electrical energy. Even if the two electrical components 25 . 35 the same function within the device for supplying an electric drive 10 they can be constructed and dimensioned differently. This allows for the individual specific output parameters of the fuel cell unit 21 and / or the energy storage 31 Take into account. In addition, both are electrical components 25 . 35 galvanically isolated from each other, which can lead to a cost reduction compared to electrically bonded components.

Die 5 zeigt einen schematischen Aufbau zwei getrennter elektrischer Maschinen 11, 12. Die erste elektrische Maschine 11 ist dabei über den ersten Umrichter 22 mit der Brennstoffzelleneinheit 21 verbunden, welche das erste Energienetz 20 bilden. Die zweite elektrische Maschine 12 ist über den zweiten Umrichter 32 mit dem Energiespeicher 31 elektrisch verbunden, welche das zweite Energienetz 30 bilden. Dabei ist die erste 11 von der zweiten elektrischen Maschine 12 galvanisch getrennt. Auch hier können die elektrischen Maschinen 11, 12 verschieden aufgebaut und dimensioniert werden. Somit können die beiden elektrischen Maschinen 11, 12 auf verschiedene Achsen des Fahrzeuges wirken. Dabei können die erste 11 und die zweite elektrische Maschine 12 eine Synchronmaschine und/oder eine Asynchronmaschine sein.The 5 shows a schematic structure of two separate electrical machines 11 . 12 , The first electric machine 11 is about the first inverter 22 with the fuel cell unit 21 connected, which is the first energy network 20 form. The second electric machine 12 is via the second inverter 32 with the energy storage 31 electrically connected, which is the second energy network 30 form. This is the first one 11 from the second electric machine 12 galvanically isolated. Again, the electrical machines can 11 . 12 differently constructed and dimensioned. Thus, the two electric machines 11 . 12 act on different axes of the vehicle. It can be the first 11 and the second electric machine 12 a synchronous machine and / or an asynchronous machine.

Die 6 zeigt einen schematischen Aufbau einer ersten elektrischen Maschine 11 und einer zweiten elektrischen Maschine 12, die über eine gemeinsame Welle 13 miteinander verbunden sind. Die energetische Speisung der ersten elektrischen Maschine 11 erfolgt über eine Brennstoffzelleneinheit 21, die über einen ersten Umrichter 22 mit der ersten elektrischen Maschine 11 verbunden ist, welche das erste Energienetz 20 bilden. Die energetische Versorgung erfolgt für die zweite elektrische Maschine 12 über einen Energiespeicher 31, der über einen zweiten Umrichter 32 mit der zweiten elektrischen Maschine 12 verbunden ist und das zweite Energienetz 30 bilden.The 6 shows a schematic structure of a first electric machine 11 and a second electric machine 12 that have a common wave 13 connected to each other. The energetic feed of the first electric machine 11 via a fuel cell unit 21 that have a first inverter 22 with the first electric machine 11 which is the first energy network 20 form. The energetic supply takes place for the second electric machine 12 via an energy storage 31 that has a second inverter 32 with the second electric machine 12 connected and the second energy network 30 form.

7 zeigt einen schematischen Aufbau bei dem das erste Energienetz 20 mit dem zweiten Energienetz 30 durch einen DC/DC-Wandler 50 miteinander verbunden ist. Dabei wird die Brennstoffzelleneinheit 21 über einen DC/DC- Wandler 50 mit dem Energiespeicher 31 elektrisch verbunden. Die Brennstoffzelleneinheit 21 speist über den ersten Umrichter 22 die erste elektrische Maschine 11. Der Energiespeicher 31 ist über einen zweiten Umrichter 32 mit der zweiten elektrischen Maschine 12 verbunden. Schematisch wird hier die Peripherie 60 mit dem Energiespeicher 31 verbunden. Natürlich ist auch das Verbinden der Peripherie 60 an die Brennstoffzelleneinheit 21 möglich. Die Peripherie 60 kann dabei aus z. B. einem Verdichter, einem Gebläse, einen Druckregler, einem Kühlkreislauf, einer Systemregelung, einer Sicherheitsüberwachung und/oder einer Leistungselektronik bestehen. 7 shows a schematic structure in which the first power grid 20 with the second energy network 30 through a DC / DC converter 50 connected to each other. At this time, the fuel cell unit becomes 21 via a DC / DC converter 50 with the energy storage 31 electrically connected. The fuel cell unit 21 feeds via the first inverter 22 the first electric machine 11 , The energy storage 31 is via a second inverter 32 with the second electric machine 12 connected. Schematically here is the periphery 60 with the energy storage 31 connected. Of course, connecting the peripherals is as well 60 to the fuel cell unit 21 possible. The periphery 60 can from z. As a compressor, a blower, a pressure regulator, a cooling circuit, a system control, a safety monitoring and / or power electronics exist.

An den 1 bis 7 ist erkennbar, dass eine Trennung eines ersten Umrichters von einem zweiten Umrichter in den Energienetzen zur Versorgung eines elektrischen Antriebes gegeben ist.To the 1 to 7 It can be seen that there is a separation of a first converter from a second converter in the power networks for supplying an electric drive.

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Claims (14)

Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes (10) für ein Kraftfahrzeug mit einem Energienetz, das mit dem Antrieb (10) verbunden ist und eine Brennstoffzelleneinheit (21) und wenigstens einen Energiespeicher (31) aufweist, wobei die Brennstoffzelleneinheit (21) und der Energiespeicher (31) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Energienetz ein erstes (20) und ein zweites Energienetz (30) aufweist, das erste Energienetz (20) einen ersten Umrichter (22) aufweist, der zwischen der Brennstoffzelleneinheit (21) und dem Antrieb (10) angeordnet ist, das zweite Energienetz (30) einen zweiten Umrichter (32) aufweist, der zwischen dem Energiespeicher (31) und dem Antrieb (10) angeordnet ist, und der erste Umrichter (22) vom zweiten Umrichter (32) entkoppelt ist.Device for supplying an electric drive ( 10 ) for a motor vehicle having a power grid connected to the drive ( 10 ) and a fuel cell unit ( 21 ) and at least one energy store ( 31 ), wherein the fuel cell unit ( 21 ) and the energy storage ( 31 ), characterized in that the power grid is a first ( 20 ) and a second energy network ( 30 ), the first energy network ( 20 ) a first inverter ( 22 ), which between the fuel cell unit ( 21 ) and the drive ( 10 ), the second energy network ( 30 ) a second inverter ( 32 ), which between the energy storage ( 31 ) and the drive ( 10 ), and the first inverter ( 22 ) from the second inverter ( 32 ) is decoupled. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieübertragung vom ersten Energienetz (20) zum zweiten Energienetz (30) über den Antrieb (10) erfolgt, insbesondere während der Fahrt des Kraftfahrzeuges erfolgt.Apparatus according to claim 1, characterized in that a power transmission from the first energy network ( 20 ) to the second energy network ( 30 ) via the drive ( 10 ) takes place, in particular takes place while driving the motor vehicle. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieübertragung vom ersten Energienetz (20) zum zweiten Energienetz (30) über ein magnetisches Wechselfeld erfolgt.Apparatus according to claim 1, characterized in that a power transmission from the first energy network ( 20 ) to the second energy network ( 30 ) via a magnetic alternating field. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) über ein erstes (23) und ein zweites Wicklungssystem (33) verfügt, die an einem gemeinsamen Ständer angeordnet sind, wobei das erste Wicklungssystem (23) an dem ersten Umrichter (22) und das zweite Wicklungssystem (33) an dem zweiten Umrichter (32) gekoppelt ist.Device according to claim 1 or 3, characterized in that the drive ( 10 ) over a first ( 23 ) and a second winding system ( 33 ), which are arranged on a common stator, wherein the first winding system ( 23 ) on the first inverter ( 22 ) and the second winding system ( 33 ) on the second inverter ( 32 ) is coupled. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) über eine erste Ständerwicklung (24) und einen zweite Ständerwicklung (34) verfügt, die über einen gemeinsamen Rotor (40) gekoppelt sind, wobei die erste Ständerwicklung (24) an dem ersten Umrichter (22) und die zweite Ständerwicklung (34) an dem zweiten Umrichter (32) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the drive ( 10 ) via a first stator winding ( 24 ) and a second stator winding ( 34 ), which has a common rotor ( 40 ), wherein the first stator winding ( 24 ) on the first inverter ( 22 ) and the second stator winding ( 34 ) on the second inverter ( 32 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste elektrische Komponente (25) an der Brennstoffzelleneinheit (21) und eine zweite elektrische Komponente (35) an dem Energiespeicher (31) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one first electrical component ( 25 ) on the fuel cell unit ( 21 ) and a second electrical component ( 35 ) on the energy store ( 31 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (10) eine erste (11) und eine zweite elektrische Maschine (12) aufweist, insbesondere dass die erste Maschine (11) von der zweiten Maschine (12) getrennt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the drive ( 10 ) a first ( 11 ) and a second electric machine ( 12 ), in particular that the first machine ( 11 ) from the second machine ( 12 ) is disconnected. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (11) und die zweite elektrische Maschine (12) über eine gemeinsame Welle (13) verfügen.Device according to claim 6, characterized in that the first ( 11 ) and the second electric machine ( 12 ) about a common wave ( 13 ) feature. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Energienetz (20) vom zweiten (30) galvanisch getrennt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first energy network ( 20 ) from the second ( 30 ) is galvanically isolated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieübertragung vom ersten Energienetz (20) zum zweiten Energienetz (30) über eine elektrische Verbindung erfolgt.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a power transmission from the first energy network ( 20 ) to the second energy network ( 30 ) via an electrical connection. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung über einen DC/DC-Wandler (50) zwischen Brennstoffzelleneinheit (21) und Energiespeicher (31) erfolgt.Apparatus according to claim 10, characterized in that the electrical connection via a DC / DC converter ( 50 ) between fuel cell unit ( 21 ) and energy storage ( 31 ) he follows. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (50) eine uni- oder bidirektionale Ausrichtung hat.Apparatus according to claim 11, characterized in that the DC / DC converter ( 50 ) has a uni- or bidirectional orientation. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripherie (60) zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems wahlweise von dem Energiespeicher (31) und/oder der Brennstoffzelleneinheit (21) versorgbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the periphery ( 60 ) for operating a fuel cell system optionally from the energy store ( 31 ) and / or the fuel cell unit ( 21 ) is available. Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Versorgung eines elektrischen Antriebes (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.Motor vehicle with a device for supplying an electric drive ( 10 ) according to one of the preceding claims.
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