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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge gelangen derzeit insbesondere aus Gründen des Umweltschutzes verstärkt in den Blickpunkt der Öffentlichkeit. Derartige Fahrzeuge verfügen über einen Elektroenergiespeicher, beispielsweise eine Lithiumbatterie, in dem zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Elektroenergie gespeichert ist. Weiterhin verfügen diese Fahrzeuge über mindesten einen Elektromotor, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient und die in dem Elektroenergiespeicher gespeicherte elektrische Energie in mechanische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs umwandelt.
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Wenn der Elektroenergiespeicher entladen ist, kann dieser bei Stillstand des Fahrzeugs mittels einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung wieder mit elektrischer Energie aufgeladen werden. Dazu wird elektrische Energie von der Energieversorgungseinrichtung zu dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs übertragen. Aus Sicherheitsgründen ist hierbei eine galvanische Trennung zwischen dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs und der Energieversorgungseinrichtung wünschenswert. Eine derartige galvanische Trennung ließe sich beispielsweise mittels eines an Bord des Fahrzeugs angeordneten Ladegerätes mit Hilfe von Bauelementen der Leistungselektronik realisieren. Aufgrund der gewünschten großen Ladeleistungen (beispielsweise werden Ladeleistungen bis zu 44 kW bei Dreiphasenwechselstrom angestrebt) würden derartige Ladegeräte jedoch ein beträchtliches Gewicht aufweisen und einen erheblichen Platzbedarf haben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sowie ein derartiges Fahrzeug anzugeben, bei denen zur galvanischen Trennung kein zusätzliches Ladegerät an Bord des Fahrzeugs benötigt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Laden eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeuge, bei dem ein erster Elektromotor des Fahrzeugs von einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird, der erste Elektromotor im Motorbetrieb arbeitet und die Motorwelle des ersten Elektromotors mechanisch mit einer Motorwelle eines zweiten Elektromotors des Fahrzeugs verbunden (gekoppelt) ist, wodurch der zweite Elektromotor durch den ersten Elektromotor mechanisch angetrieben wird, von dem zweiten, im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor bereitgestellte elektrische Energie zu dem Elektroenergiespeicher übertragen wird, und mittels dieser elektrischen Energie der Elektroenergiespeicher geladen wird. Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise eine galvanische Trennung zwischen dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs und der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung (und eines Energieversorgungsnetzes, an das diese Energieversorgungseinrichtung angeschlossen ist) dadurch realisiert, dass der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor lediglich mechanisch über ihre Motorwellen verbunden sind und die zum Laden benötigte Energie als mechanische Rotationsenergie von dem ersten Elektromotor zu dem zweiten Elektromotor übertragen wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass der erste Elektromotor auf die Energieversorgungseinrichtung lediglich wie ein herkömmlicher Elektromotor rückwirkt, d. h. es werden nur geringe Netzrückwirkungen in Form von Oberschwingungen erzeugt. Insbesondere werden keine Netzrückwirkungen in Form von Störungen erzeugt, wie sie z. B. bei Bauelementen der Leistungselektronik auftreten (z. B. Spannungsspitzen oder signifikante Oberschwingungen bis hin zur 40. Harmonischen).
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Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Entladen eines Elektroenergiespeichers eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, bei dem ein zweiter Elektromotor des Fahrzeugs von dem Elektroenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird, der zweite Elektromotor im Motorbetrieb arbeitet und die Motorwelle des zweiten Elektromotors mechanisch mit einer Motorwelle eines ersten Elektromotors des Fahrzeugs verbunden (gekoppelt) ist, wodurch der erste Elektromotor durch den zweiten Elektromotor mechanisch angetrieben wird, und von dem ersten, im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor bereitgestellte elektrische Energie in ein außerhalb des Fahrzeugs angeordnetes Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Bei diesem Verfahren wird vorteilhafterweise eine galvanische Trennung zwischen dem Elektroenergiespeicher des Fahrzeugs und der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung (und eines Energieversorgungsnetzes, an das diese Energieversorgungseinrichtung angeschlossen ist) dadurch realisiert, dass der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor lediglich mechanisch über ihre Motorwellen verbunden sind und die in das Energieversorgungsnetz eingespeiste Energie als mechanische Rotationsenergie von dem zweiten Elektromotor zu dem ersten Elektromotor übertragen wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass der erste Elektromotor auf die Energieversorgungseinrichtung lediglich wie ein herkömmlicher Generator wirkt, d. h. es werden nur geringe unerwünschte Wirkungen in Form von Oberschwingungen erzeugt. Insbesondere entstehen keine Störungen, wie sie z. B. bei Bauelementen der Leistungselektronik auftreten.
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Bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug kann bedarfsweise das Verfahren zum Laden des Elektroenergiespeichers oder das Verfahren zum Entladen des Elektroenergiespeichers angewendet werden. Damit ergibt sich ein Verfahren zum Laden und Entladen eines in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug angeordneten Elektroenergiespeichers, bei dem im Ladebetrieb die oben genannten Verfahrensschritte zum Laden des Elektroenergiespeichers und im Entladebetrieb die oben genannten Verfahrensschritte des Verfahrens zum Entladen des Elektroenergiespeichers ausgeführt werden.
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Die Verfahren können so ablaufen, dass als erster Elektromotor und/oder als zweiter Elektromotor jeweils ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient. Dabei ist vorteilhaft, dass für die Verfahren kein zusätzlicher erster Elektromotor und/oder kein zusätzlicher zweiter Elektromotor benötigt wird, da der jeweilige Elektromotor sowieso als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad des Fahrzeugs vorhanden ist.
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Die Verfahren können auch so ablaufen, dass bei Beginn des Ladens und/oder bei Beginn des Entladens des Elektroenergiespeichers die Motorwelle des ersten Elektromotors und/oder die Motorwelle des zweiten Elektromotors von dem mindestens einen jeweiligen Fahrzeugrad mechanisch getrennt wird. Dadurch wird vorteilhafterweise verhindert, dass während des Ladens oder Entladens bei Stillstand des Fahrzeugs durch die rotierenden Motorwellen des ersten Elektromotors und/oder des zweiten Elektromotors die im Fahrbetrieb mittels dieser Elektromotoren jeweils angetriebenen Fahrzeugräder mitgedreht werden. Ein derartiges Mitdrehen der Fahrzeugräder ist bei Stillstand des Fahrzeuges unerwünscht.
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Die Verfahren können auch so ausgestaltet sein, dass als erster Elektromotor oder als zweiter Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, und als jeweils zugehöriger zweiter oder erster Elektromotor ein (zusätzlicher) Elektromotor verwendet wird, der nicht als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient. Hierbei wird vorteilhafterweise nur ein Antriebsmotor des Fahrzeugs für das Verfahren verwendet, während der andere bei dem Verfahren verwendete Elektromotor keinen Antriebsmotor des Fahrzeuges darstellt. Dieser (zusätzliche) Elektromotor kann dann vorteilhafterweise für das Verfahren zum Laden oder Entladen optimiert werden, beispielsweise hinsichtlich der Leistung des Elektromotors (welche die maximale Ladeleistung begrenzt) oder hinsichtlich der Anordnung im Fahrzeug (da keine mechanische Verbindung zu einem der Fahrzeugräder realisiert zu werden braucht). Diese Ausgestaltung des Verfahrens kann z. B. vorteilhafterweise auch bei Fahrzeugen eingesetzt werden, die nur einen Antriebsmotor (insb. in Form eines Zentralmotors) aufweisen.
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Die Verfahren können auch so realisiert sein, dass als erster Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für ein Fahrzeugrad einer Radachse dient, und als zweiter Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für ein gegenüberliegendes Fahrzeugrad der Radachse dient. Dabei kann das eine Fahrzeugrad ein linkes Fahrzeugrad der Radachse und das gegenüberliegende Fahrzeugrad ein rechtes Fahrzeugrad der Radachse sein oder umgekehrt.
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Alternativ können die Verfahren auch so ausgestaltet sein, dass als erster Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für eine erste Radachse des Fahrzeugs dient, und als zweiter Elektromotor ein Elektromotor verwendet wird, der als Antriebsmotor für eine zweite Radachse des Fahrzeugs dient. Dabei kann die erste Radachse eine vordere Radachse und die zweite Radachse eine hintere Radachse des Fahrzeugs sein oder umgekehrt.
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Die beiden letztgenannten Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen es, bei Fahrzeugen mit unterschiedlich angeordneten Elektromotoren die erfindungsgemäßen Verfahren zu realisieren.
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Die Verfahren können so ablaufen, dass der erste und der zweite Elektromotor gleich große elektrische Leistungen aufweisen.
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Die Verfahren können aber auch so ablaufen, dass der erste und der zweite Elektromotor unterschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen. Dadurch ist man bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Verfahren sehr flexibel. Es können also die für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs vorgesehenen Antriebsmotoren auch für die erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, unabhängig davon, ob der erste und der zweite Elektromotor eine gleichgroße elektrische Leistung oder unterschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen. Die kleinere elektrische Leistung der beiden Elektromotoren bestimmt dabei die maximale Ladeleistung.
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Die oben genannte Aufgabe wird hinsichtlich ihres Anordnungsaspektes gelöst durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit einem Elektroenergiespeicher zur Speicherung von Elektroenergie zum Antrieb des Fahrzeugs, einem erster Elektromotor, der elektrisch mit einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung verbindbar ist, und einem zweiten Elektromotor, der elektrisch mit dem Elektroenergiespeicher verbindbar ist, wobei die Motorwelle des ersten Elektromotors mechanisch mit der Motorwelle des zweiten Elektromotors des Fahrzeugs verbunden (gekoppelt) ist. Diese Verbindung der Motorwellen kann unlösbar oder lösbar ausgestaltet sein, eine lösbare Verbindung kann z. B. mittels einer lösbaren Kupplung, beispielsweise einer Scheibenkupplung, realisiert sein.
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Das Fahrzeug kann so ausgestaltet sein, dass der erste Elektromotor und/oder der zweite Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient.
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Das Fahrzeug kann auch so ausgestaltet sein, dass eine Kupplungsvorrichtung zum mechanischen Trennen und Wiederverbinden der Motorwelle des ersten Elektromotors mit dem mindestens einen zugehörigen Fahrzeugrad und/oder eine Kupplungsvorrichtung zum mechanischen Trennen und Wiederverbinden der Motorwelle des zweiten Elektromotors mit dem mindestens einen zugehörigen Fahrzeugrad.
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Das Fahrzeug kann so aufgebaut sein, dass der erste Elektromotor oder der zweite Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, und der jeweils andere Elektromotor ein (zusätzlicher) Elektromotor ist, der nicht als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient.
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Das Fahrzeug kann so realisiert sein, dass der erste Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für ein Fahrzeugrad einer Radachse dient, und der zweite Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für ein gegenüberliegendes Fahrzeugrad der Radachse dient. Dabei kann das eine Fahrzeugrad ein linkes Fahrzeugrad der Radachse und das gegenüberliegende Fahrzeugrad ein rechtes Fahrzeugrad der Radachse sein oder umgekehrt.
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Das Fahrzeug kann so aufgebaut sein, dass der erste Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für eine erste Radachse dient, und der zweite Elektromotor ein Elektromotor ist, der als Antriebsmotor für eine zweite Radachse dient. Dabei kann die erste Radachse eine vordere Radachse und die zweite Radachse eine hintere Radachse des Fahrzeugs sein oder umgekehrt.
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Das Fahrzeug kann so realisiert sein, dass der erste und der zweite Elektromotor gleich große elektrische Leistungen aufweisen.
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Das Fahrzeug kann auch so aufgebaut sein, dass der erste und der zweite Elektromotor unterschiedlich große elektrische Leistungen aufweisen.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrzeugs entsprechen den oben bereits im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren angegebenen Vorteilen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu ist in
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1 eine schematische Darstellung von ausgewählten Elementen eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, welches mit einer Energieversorgungseinrichtung verbunden ist, in
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2 eine Darstellung dieses Fahrzeugs im Fahrbetrieb, in
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3 eine Darstellung dieses Fahrzeugs beim Laden des Elektroenergiespeichers, in
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4 eine Darstellung dieses Fahrzeugs beim Entladen des Elektroenergiespeichers, in
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5 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeuges mit zwei Elektromotoren unterschiedlicher Leistung, in
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6 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs mit einem Antriebsmotor für die Vorderachse und einem Antriebsmotor für die Hinterachse und in
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7 ein Ausführungsbeispiel eines Fahrzeugs mit einem Antriebsmotor für ein linkes Fahrzeugrad einer Radachse und einem zweiten Antriebsmotor für ein rechtes Rad der Radachse dargestellt.
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In 1 sind im linken Teil der Darstellung ausgewählte Elemente bzw. Bauteile eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs dargestellt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein elektrisch angetriebenes Straßenfahrzeug in Form eines elektrisch angetriebenen Automobils (Elektroauto). Dabei kann es sich um ein ausschließlich elektrisch angetriebenes Fahrzeug handeln oder um ein Hybridfahrzeug, dass neben einem Elektro-Antriebsmotor zusätzlich einen Verbrennungsmotor an Bord hat. In dem Fahrzeug sind ein erster Elektromotor 1 und ein zweiter Elektromotor 2 angeordnet, welche mechanisch über eine Verbindungswelle 3 verbunden (gekoppelt) sind. Durch die Verbindungswelle 3 ist der Rotor des ersten Elektromotors 1 mit dem Rotor des zweiten Elektromotors 2 starr verbunden; die Rotoren beider Elektromotoren rotieren mit derselben Winkelgeschwindigkeit. Mittels eines Drehpfeils 4 ist symbolisch dargestellt, dass die Verbindungswelle 3 rotiert, so bald der erste Elektromotor 1 oder der zweite Elektromotor 2 eine Drehbewegung erzeugt. Über die Verbindungswelle 3, welche eine starre Kopplung darstellt, wird der jeweils andere Elektromotor angetrieben (mitgedreht).
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Die Rotoren des ersten Elektromotors 1 und des zweiten Elektromotors 2 sind über eine Kupplung 5 mit einer Antriebswelle 7 des Fahrzeuges verbunden. (Aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung ist in der 1 ein Teil der Verbindungswelle 3 linksseitig des zweiten Elektromotors 2 dargestellt. Diese Form der Darstellung findet sich zum Teil auch in den anderen Figuren.) Über diese Antriebswelle 7 wird mindestens ein Fahrzeugrad des Fahrzeugs angetrieben, um das Fahrzeug auf der Straße zu bewegen (in 1 ist das angetriebene Rad nicht dargestellt). Der erste Elektromotor 1 kann über einen Umschalter 9 in der einen Schaltstellung des Umschalters elektrisch mit einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung 11 und in der anderen Schaltstellung (über eine Motorsteuerung 13) mit einem Elektroenergiespeicher 15 (Batterie, z. B. Lithiumbatterie) des Fahrzeugs verbunden werden.
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In der in 1 dargestellten Schaltstellung des Umschalters 9 ist der erste Elektromotor 1 über ein Ladekabel 17, einen Ladestecker 19, eine Ladebuchse 21 mit der Energieversorgungseinrichtung 11 (beispielsweise einer am Straßenrand aufgestellten Strom-Ladesäule) verbunden. Diese Energieversorgungseinrichtung 11 wird ihrerseits über ein Energieversorgungsnetz 23 mit Elektroenergie versorgt.
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Die innerhalb des gestrichelten Rahmens 25 angeordneten Bauteile sind Bauteile des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 25, wohingegen die Ladebuchse 21, die Energieversorgungseinrichtung 11 und das Energieversorgungsnetz 23 außerhalb des Fahrzeugs 25 angeordnet ist.
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Der zweite Elektromotor 2 ist über elektrische Verbindungsleitungen 26 und die Motorsteuerung 13 mit dem Elektroenergiespeicher 15 verbunden.
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Der erste Elektromotor 1 und der zweite Elektromotor 2, die mittels der Verbindungswelle 3 mechanisch starr gekoppelt sind, bilden beim Laden bzw. beim Entladen einen rotierenden Umformer (Maschinensatz), über den die beim Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers fließende Energie übertragen wird. Dieser rotierende Umformer kann symmetrisch aufgebaut werden (d. h. die elektrische Leistung des im Motorbetrieb laufenden Elektromotors ist gleichgroß der elektrischen Leistung des im Generatorbetrieb laufenden Elektromotors.) Der rotierende Umformer kann aber auch asymmetrisch ausgelegt sein, d. h. die elektrische Leistung eines der beiden Elektromotoren ist größer als die elektrische Leistung des anderen der beiden Elektromotoren. Dadurch ist es möglich, zwei für Antriebszwecke in einem Elektrofahrzeug vorgesehene elektrische Motoren unterschiedlicher Leistung auch zum Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers zu verwenden. Beispiele dafür sind weiter unten in den Figurenbeschreibungen dargestellt.
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Beim ersten Elektromotor 1 und beim zweiten Elektromotor 2 kann es sich um zwei Elektromotoren handeln, die sowieso als Antriebsmotor (Fahrmotor) für mindestens ein Fahrzeugrad im Fahrzeug vorhanden sind. Alternativ kann jedoch einer der beiden Elektromotoren ein Elektromotor sein, welcher nicht als Antriebsmotor für mindestens ein Fahrzeugrad dient, welcher also zusätzlich zum Zwecke des Ladens/Entladens des Elektroenergiespeichers in das Fahrzeug eingebaut ist (sog. Hilfsmotor, Zusatzmotor). Ein derartiger Hilfsmotor kann daher vorteilhafterweise optimiert werden zum Zwecke des Ladens/Entladens des Elektroenergiespeichers, beispielsweise hinsichtlich seiner Dauerleistung oder der von ihm erzeugten Oberwellen.
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In 2 ist das elektrisch angetriebene Fahrzeug 25 im Fahrbetrieb dargestellt, d. h. das Fahrzeug 25 fährt mittels aus dem Elektroenergiespeicher 15 stammender elektrischer Energie über eine Straße; der Ladestecker 19 ist von der Ladebuchse 21 getrennt und befindet sich mitsamt des Ladekabels 17 an Bord des Fahrzeugs 25.
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Vom Elektroenergiespeicher 15 fließt elektrische Energie in Form von elektrischem Strom über die Motorsteuerung 13 zu dem ersten Elektromotor 1 und dem zweiten Elektromotor 2. Dieser Stromfluss bzw. Energiefluss ist mittels Pfeilen 28 angedeutet. Zu diesem Zwecke ist der Umschalter 9 so geschaltet, dass der elektrische Strom von der Motorsteuerung 13 zu dem ersten Elektromotor 1 fließen kann. Sowohl der erste Elektromotor 1 als auch der zweite Elektromotor 2 arbeiten im Motorbetrieb als Antriebsmotor (Fahrmotor) für mindestens ein Fahrzeugrad. Die Verbindungswelle 3 ist über die eingekuppelte (geschlossene) Kupplung 5 mit der Antriebswelle 7 des Fahrzeugs verbunden; die Rotation der Antriebswelle 7 ist durch einen Drehpfeil 30 symbolhaft dargestellt. Das mindestens eine angetriebene Fahrzeugrad ist in der 2 nicht dargestellt, es ist an die Antriebswelle 7 angekoppelt.
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In 3 ist der Ladebetrieb dargestellt, bei dem der Elektroenergiespeichers 15 aufgeladen wird. Hierbei ist mittels Pfeilen symbolisiert, wie das Verfahren zum Laden des Elektroenergiespeichers des elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 25 abläuft.
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Das Laden des Elektroenergiespeichers 15 findet bei still stehendem Fahrzeug statt, beispielsweise, wenn das Fahrzeug am Straßenrand an einer Stromzapfsäule steht. Bei Beginn des Ladens des Elektroenergiespeichers werden mittels der Kupplung 5 die Motorwelle des ersten Elektromotors und die Motorwelle des zweiten Elektromotors mechanisch von der Antriebswelle 7 (und dem mit der Antriebswelle 7 verbundenen Fahrzeugrad des Fahrzeugs) getrennt. Der Ladestecker 19 des Kraftfahrzeugs 25 ist mit der Ladebuchse 21 der Energieversorgungseinrichtung 11 verbunden. Dadurch fließt elektrischer Strom von dem Energieversorgungsnetz 23 über die Energieversorgungseinrichtung 11, die Ladebuchse 21, den Ladestecker 19, das Ladekabel 17 und den Umschalter 9 zu dem ersten Elektromotor 1; dieses ist durch einen Pfeil 32 angedeutet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesem Strom um Dreiphasenwechselstrom, es tritt eine elektrische Ladeleistung von beispielsweise 44 kW auf. Der erste Elektromotor 1 arbeitet im Motorbetrieb, d. h. er wandelt die von der Energieversorgungseinrichtung 11 stammende elektrische Energie um in mechanische Energie in Form einer Drehbewegung des Rotors des Motors. Die Motorwelle des ersten Elektromotors 1 ist über die Verbindungswelle 3 starr mit der Motorwelle des zweiten Elektromotors 2 verbunden, wodurch der zweite Elektromotor 2 mit derselben Drehzahl rotiert wie der erste Elektromotor 1. Dies ist durch den Drehpfeil 4 angedeutet. Die Kupplung 5 ist ausgekuppelt, d. h. die Kupplung 5 trennt die Rotoren der Elektromotoren 1 und 2 von der Antriebswelle 7 des Fahrzeugs 25. Die Antriebswelle 7 steht still und rotiert nicht, dies ist durch den durchgestrichenen Drehpfeil 34 symbolisiert.
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Der zweite Elektromotor 2 arbeitet im Generatorbetrieb, d. h. er wandelt die über die sich drehende Verbindungswelle 3 übertragene mechanische Rotationsenergie um in elektrische Energie, welche über die Verbindungsleitungen 26 und die Motorsteuerung 13 zu dem Elektroenergiespeicher 15 übertragen wird. Dies ist durch Pfeile 36 angedeutet. Mittels dieser elektrischen Energie in Form von elektrischem Strom wird der Elektroenergiespeicher 15 aufgeladen. Der zweite Elektromotor 2 (Fahrmotor 2) arbeitet also als Generator.
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Die Motorsteuerung 13 steuert dabei die Aufladung des Elektroenergiespeichers (Elektrobatterie) 15. Die Motorsteuerung 13 gibt vor, mit welchem Strom der Elektroenergiespeicher 15 geladen wird. Der Ladestrom ist dabei beispielsweise abhängig vom Typ und vom Ladezustand des Elektroenergiespeichers 15. Entsprechend dem von der Motorsteuerung 13 eingestellten Ladestrom wird der als Generator arbeitende zweite Elektromotor 2 belastet. Die erforderliche mechanische Energie wird über die Verbindungswelle 3 von dem ersten Elektromotor 1 bereitgestellt, welcher seinerseits die zur Bereitstellung dieser mechanischen Energie notwendige elektrische Energie aus dem Energieversorgungsnetz 23 entnimmt. Sobald der Elektroenergiespeicher 15 vollständig geladen ist und kein Ladestrom mehr in dem Elektroenergiespeicher 15 fließt, läuft der als Generator arbeitende zweite Elektromotor 2 im Leerlauf, wodurch auch der als Motor arbeitende erste Elektromotor 1 im Leerlauf läuft und nur noch den vergleichsweise geringen Leerlaufstrom aufnimmt. Der Ladevorgang des Elektroenergiespeichers ist dann beendet.
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In 4 ist der Entladebetrieb bzw. Rückspeisungsbetrieb des Fahrzeugs 25 dargestellt, wobei die in dem Elektroenergiespeicher 15 gespeicherte elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz 23 zurückgespeist wird. Bei Beginn des Entladens des Elektroenergiespeichers werden mittels der Kupplung 5 die Motorwelle des ersten Elektromotors und die Motorwelle des zweiten Elektromotors mechanisch von der Antriebswelle 7 (und dem mit der Antriebswelle 7 verbundenen Fahrzeugrad des Fahrzeugs) getrennt. Die Kupplung 5 ist also ausgekuppelt (getrennt), wodurch die Antriebswelle 7 und die Fahrzeugräder still stehen. Weiterhin ist der Umschalter 9 so geschaltet, dass elektrischer Strom vom ersten Elektromotor 1 über das Ladekabel 17, den Ladestecker 19, die Ladebuchse 21 und die Energieversorgungseinrichtung 11 zu dem Energieversorgungsnetz 23 fließen kann.
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Vom Elektroenergiespeicher 15 fließt elektrische Energie in Form von elektrischem Strom über die Motorsteuerung 13 und die Verbindungsleitungen 26 zum zweiten Elektromotor 2. Dies ist durch Pfeile 37 angedeutet. Dieser Stromfluss wird von der Motorsteuerung 13 gesteuert. Der zweite Elektromotor 2 arbeitet im Motorbetrieb und wandelt die von dem Elektroenergiespeicher 15 stammende elektrische Energie in mechanische Energie des sich drehenden Motorrotors um. Der zweite Elektromotor 2 (Fahrmotor 2) arbeitet also als Motor. Über die starre Kopplung der Verbindungswelle 3 wird die mechanische Rotationsenergie von dem zweiten Elektromotor 2 zu dem ersten Elektromotor 1 übertragen, dies ist durch den Drehpfeil 4 angedeutet. Der erste Elektromotor 1 arbeitet im Generatorbetrieb, der zweite Elektromotor 2 treibt also den ersten Elektromotor 1 mechanisch an.
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Der als Generator arbeitende erste Elektromotor 1 wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie um, die in Form von elektrischem Strom über den Umschalter 9, das Ladekabel 17, den Ladestecker 19, die Ladebuchse 21 und die Energieversorgungseinrichtung 11 in das Energieversorgungsnetz 23 eingespeist wird. Das ist durch einen Pfeil 38 angedeutet.
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Durch diese kontrollierte Entladung des Elektroenergiespeichers 15 des Elektroautos 25 und die Rückspeisung der Energie in das Energieversorgungsnetz 23 kann zu Zeiten hohen Energiebedarfs durch das elektrisch angetriebene Fahrzeug 25 das Energieversorgungsnetz 23 gestützt werden. Das Elektroauto 25 wird als dezentraler Energiespeicher eingesetzt.
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In 5 ist beispielhaft ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (Elektrofahrzeug) dargestellt, bei dem die Antriebswelle 7 über ein Differentialgetriebe (Differential) 40 mit einer Radachse 42 verbunden ist. Die Radachse 42 treibt zwei Fahrzeugräder 44 an, welche als Antriebsräder des Elektrofahrzeugs dienen. Dieses Ausführungsbeispiel verfügt anstelle eines einzigen elektrischen Antriebsmotors (eines sog. Zentralmotors) über zwei Elektromotoren in Form des ersten Elektromotor 1 und des zweiten Elektromotors 2, wobei der erste Elektromotor eine elektrische Leistung von 44 kW und der zweite Elektromotor eine Leistung größer als 44 kW (beispielsweise 56 kW) aufweist. Im Fahrbetrieb arbeiten beide Elektromotoren 1 und 2 als Antriebsmotoren (Fahrmotoren), so dass sich deren elektrische Leistungen addieren und das Fahrzeug mit einer elektrischen Leistung von 100 kW angetrieben wird. Im Ladebetrieb und im Entladebetrieb (Rückspeisungsbetrieb) bestimmt der Motor mit der kleineren elektrischen Leistung die maximale Lade- bzw. Rückspeisungsleistung: im Ausführungsbeispiel ist das der erste Elektromotor 1 mit 44 kW Leistung. Demzufolge kann der Elektroenergiespeicher 15 maximal mit 44 kW Leistung geladen bzw. entladen werden.
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In 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs dargestellt, welches sich von den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass der erste Elektromotor 61 im Fahrbetrieb als Antriebsmotor (Fahrmotor) für die Hinterräder eingesetzt ist, während der zweite Elektromotor 62 als Antriebsmotor (Fahrmotor) für die Vorderräder des Fahrzeugs eingesetzt ist. Dabei hat der erste Elektromotor 61 eine größere elektrische Leistung als der zweite Elektromotor 62, was durch die Größe des Rechtecksymbols des ersten Elektromotors 61 symbolhaft dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Kupplung 65 vorgesehen, mit der die starre Verbindung zwischen dem ersten Elektromotors 61 und dem zweiten Elektromotors 62 unterbrochen werden kann. Im Fahrbetrieb wird die Kupplung 65 ausgekuppelt (geöffnet), wodurch der erste Elektromotor 61 im Motorbetrieb unabhängig läuft von dem zweiten Elektromotor 62, welcher ebenfalls im Motorbetrieb läuft. Weiterhin ist eine Kupplung 67 vorgesehen, welche den ersten Elektromotor 61 von einem Differentialgetriebe (Differential) 69 einer hinteren Radachse 71 trennen kann. Die Hinterradachse 71 treibt die hinteren Fahrzeugräder 73 an. Die hintere Radachse 71 umfasst zwei Teilachsen, die jeweils mit dem Differentialgetriebe 69 verbunden sind.
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Im Fahrbetrieb ist die Kupplung 65 ausgekuppelt (geöffnet) und die Kupplungen 5 und 67 sind eingekuppelt (geschlossen). Im Ladebetrieb und im Entladebetrieb/Rückspeisungsbetrieb hingegen ist die Kupplung 65 eingekuppelt (geschlossen), wohingegen die Kupplungen 5 und 67 ausgekuppelt (geöffnet) sind.
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In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs dargestellt, bei dem der erste Elektromotor 81 im Fahrbetrieb des Fahrzeugs als Antriebsmotor (Fahrmotor) für ein rechtes Rad 85 einer Radachse dient, wohingegen der zweite Elektromotor 82 als Antriebsmotor (Fahrmotor) für ein linkes Rad 86 der Radachse dient. Ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der 6 sind an der Verbindungswelle 83 drei Kupplungen 5, 65 und 67 vorgesehen, welche im eingekuppelten (geschlossenen) Zustand eine mechanische Kraftübertragung ermöglichen und im ausgekuppelten (geöffneten) Zustand eine Kraftübertragung verhindern. Diese Anordnung kann bei vorderen Radachsen und/oder bei hinteren Radachsen von Fahrzeugen eingesetzt werden.
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Die Verwendung zweier mechanisch starr verbundener (gekoppelter) Elektromotoren als rotierenden Umformer zum Zwecke des Ladens und Entladens des Elektroenergiespeichers weist eine Reihe von Vorteilen auf:
- • Es besteht eine galvanische Trennung zwischen dem Elektroenergiespeicher (Batterie) des Fahrzeugs einerseits und der außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgungseinrichtung 11 und dem Energieversorgungsnetz 23 andererseits.
- • Nach außen hin verhält das System aus zwei mechanisch gekoppelten Motoren sich wie ein herkömmlicher Motor bzw. Generator, so dass nur geringe unerwünschte Netzrückwirkungen auftreten. Insbesondere treten keine unerwünschten Störungen auf, wie sie beispielsweise von Bauelementen der Leistungselektronik erzeugt werden, insbesondere keine Spannungsspitzen. Solche Störungen werden daher nicht in das Energieversorgungsnetz 23 eingespeist.
- • Das Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers ist mit hohen elektrischen Leistungen möglich, da die Lade- bzw. Entladeleistung bis zur Dauerleistung des ggf. leistungsschwächeren der beiden verwendeten Elektromotoren gewählt werden kann.
- • Zusätzliches Gewicht, zusätzlich benötigter Bauraum und Kosten für Ladegeräte mit Bauelementen der Leistungselektronik sowie für deren Netzentstörfilter fallen bei den erfindungsgemäßen Fahrzeugen nicht an. Der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor sind in der Regel als Antriebsmotor sowieso an Bord der Fahrzeuge vorhanden. Auch die ggf. benötigten Kupplungen zum Unterbrechen des Kraftflusses zwischen dem ersten Elektromotor und dem zweiten Elektromotor und/oder zwischen den Elektromotoren und den jeweils durch sie angetriebenen Rädern sind oftmals aus Sicherheitsgründen auch bereits vorhanden.
- • Der Antriebsstrang des Fahrzeuges ist in der Regel bereits so dimensioniert, dass über ihn die erforderlichen Leistungen beim Laden bzw. Entladen des Elektroenergiespeichers übertragen werden können. Bei Fahrzeugen mit mindestens zwei elektrischen Antriebsmotoren arbeitet beim Laden bzw. Entladen nämlich oftmals nur einer der beiden Elektromotoren im Motorbetrieb, so dass die auftretenden mechanischen Beanspruchungen in der Regel geringer sind als im Fahrbetrieb, bei dem alle Elektromotoren im Motorbetrieb arbeiten können.
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Mit anderen Worten ist ein Elektrofahrzeug oftmals von Hause aus schon so ausgestaltet, dass die benötigte Ladeleistung problemlos mechanisch übertragen werden kann. Die Ladeleistung ist in der Regel nämlich erheblich niedriger (beispielsweise 50%, da nur ein Motor anstelle der beiden Elektromotoren mechanische Leistung einspeist), als die vorgesehene Rekuperationsleistung (Bremsleistung beim Übergang des Fahrzeugs vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb bei der Elektroenergierückspeisung beim Bremsen). Dadurch ist es möglich, sehr hohe Lade- und Entladeleistungen zu erreichen, beispielsweise Drehstromleistungen von 44 kW.
