DE102010050978A1

DE102010050978A1 - Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug und Verfahren

Info

Publication number: DE102010050978A1
Application number: DE102010050978A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Baumann Mathias; Dipl.-Phys. Nisch Alexander
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Eine Antriebsvorrichtung soll mit möglichst wenig Aufwand im Motorbetrieb, Generatorbetrieb und Hochsetz- bzw. Tiefsetzbetrieb eingesetzt werden können. Hierzu wird eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, einem Wechselrichter, der ausgangsseitig an die elektrische Maschine angeschlossen ist, einer ersten Energiequelle (C1), die an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, und mindestens einer zweiten Energiequelle (C2), die ebenfalls an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, vorgeschlagen. Die erste Energiequelle (C1) ist über einen ersten Schalter (S1) und die zweite Energiequelle (C2) über einen zweiten Schalter (S2) an den Wechselrichter geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, einem Wechselrichter, der ausgangsseitig an die elektrische Maschine angeschlossen ist, einer ersten Energiequelle, die an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, und einer zweiten Energiequelle, die ebenfalls an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug.
Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge werden ganz oder teilweise mit Strom angetrieben. Dafür ist eine entsprechende elektrische Maschine vorgesehen, die häufig von zwei oder mehr Quellen gespeist wird. Dabei kann gegebenenfalls auch Energie von einer Quelle (Batterie) in eine andere gespeist werden. Unter Umständen ist das Fahrzeug auch in der Lage, Energie durch Rekuperation rückzugewinnen. Dann wird Energie in eine dieser Quellen eingespeist.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 058 717 A1 ist ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Elektromotors, der mit mehreren Leistungsversorgungen gekoppelt ist, bekannt. Der Elektromotor besitzt mindestens eine Wicklung, die mit einer ersten und einer zweiten Leistungsversorgung gekoppelt ist. Das System kann einen Drehmomentbefehl für den Elektromotor empfangen. Eine gegenwärtige Leistungsreserve für die erste und zweite Leistungsversorgung wird zumindest teilweise auf der Grundlage des Drehmomentbefehls ermittelt. Der Elektromotor wird über zwei Wechselrichter von den beiden Leistungsversorgungen mit Energie versorgt.
Darüber hinaus beschreibt die Druckschrift DE 10 2008 034 662 A1 ein System zur Verwendung eines mehrphasigen Motors mit einem doppelseitigen Wechselrichtersystem. Das System besitzt eine erste Energiequelle und eine zweite Energiequelle. Das Wechselrichtersystem umfasst einen Elektromotor mit einem ersten Satz von Wicklungen und einen zweiten Satz von Wicklungen. Das Wechselrichtersystem umfasst ferner einen ersten Wechselrichter, der mit der ersten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der erste Satz von Wicklungen mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt ist. Das Wechselrichtersystem umfasst auch einen zweiten Wechselrichter, der mit der zweiten Energiequelle gekoppelt ist und ausgelegt ist, um den Elektromotor anzutreiben, wobei der zweite Satz von Wicklungen mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt ist. Ein Controller ist mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppelt, um einen Sollleistungsfluss zwischen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle und dem Elektromotor zu erreichen.
Der schaltungstechnische Aufwand dieser Systeme ist beträchtlich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den schaltungstechnischen Aufwand bei einer Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, die mehrere Energiequellen umfasst, zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird demnach bereitgestellt eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, einem Wechselrichter, der ausgangsseitig an die elektrische Maschine angeschlossen ist, einer ersten Energiequelle, die an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, und mindestens einer zweiten Energiequelle, die ebenfalls an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, wobei die erste Energiequelle über einen ersten Schalter und die zweite Energiequelle über einen zweiten Schalter an den Wechselrichter geschaltet ist.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, durch Betreiben der elektrischen Maschine als Motor und Schließen des ersten oder zweiten Schalters,
Betreiben der elektrischen Maschine als Generator und Schließen des ersten oder zweiten Schalters und
Schließen des ersten oder zweiten Schalters sowie zweier Schalter des Wechselrichters, sodass mindestens eine Spule der elektrischen Maschine mit Strom gespeist wird, und danach gleichzeitiges Öffnen des ersten oder zweiten Schalters und Schließen des jeweils anderen Schalters für einen Hochsetzstellerbetrieb oder einen Tiefsetzstellerbetrieb.
In vorteilhafter Weise sind zwischen den Energiequellen und dem Wechselrichter mehrere Schalter vorgesehen, die es erlauben, die Antriebsvorrichtung in drei verschiedenen Zuständen zu betreiben, nämlich einem Motorbetrieb, einem Generatorbetrieb und einem Hochsetz- oder Tiefsetzbetrieb. All dies kann mit einem einzigen Wechselrichter an der elektrischen Maschine erreicht werden.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine Dreiphasenmaschine und der Wechselrichter entsprechend ein Dreiphasenwechselrichter. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn parallel zu dem ersten und/oder zweiten Schalter jeweils ein weiterer Schalter in Reihe mit einer Diode geschaltet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass Strom ungewollt in die jeweilige Energiequelle zurückfließt.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug zeigt.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
In der Figur ist ein Ersatzschaltbild eines Ausführungsbeispiels wiedergegeben. Eine Kapazität C1 repräsentiert eine Energiequelle (z. B. Kraftfahrzeugbatterie). Die Kapazität C1 ist einerseits an Masse bzw. Erde gelegt und andererseits über einen Schalter S1 mit einem Wechselrichter verbunden. Der Wechselrichter besitzt einen üblichen Aufbau und ist ebenfalls mit der Masse verbunden. Er ist hier als Dreiphasenwechselrichter ausgelegt und besitzt hierzu sechs Schalter-Dioden-Parallelschaltungen, die jeweils paarweise in Reihe geschaltet sind. So ist der Schalter S3 mit der Diode D7 und der Schalter S4 mit der Diode D6 parallel geschaltet. Der Knoten zwischen beiden Parallelschaltungen führt zu einer Induktivität L1 in Serie mit einem ohmschen Widerstand R1. Letzterer ist mit einem Sternpunkt P verbunden. Die Parallelschaltung von Diode D6 und Schalter S4 liegt andererseits an Masse und die Parallelschaltung von Diode D7 und Schalter S3 andererseits an dem Schalter S1.
Ähnlich liegt auch die Parallelschaltung einer Diode D5 mit einem Schalter S5 am Schalter S1 und die Parallelschaltung einer Diode D4 und eines Schalters S6 an Masse. Der Knotenpunkt zwischen beiden Parallelschaltungen ist mit einer Induktivität L2 und einem ohmschen Widerstand R2 der elektrischen Maschine (d. h. des Elektromotors) verbunden. Der ohmsche Widerstand R2 liegt andererseits an dem Sternpunkt P.
Ebenso liegt eine Parallelschaltung einer Diode D3 mit einem Schalter S9 an dem Schalter S1 und eine Parallelschaltung zwischen einer Diode D2 und einem Schalter S8 an Masse. Der Knotenpunkt zwischen beiden Parallelschaltungen liegt an einer Induktivität L3 und einem ohmschen Widerstand R3, der seinerseits wieder an dem Sternpunkt P angeschlossen ist.
Der Wechselrichter ist außerdem an seinem Eingang über einen Schalter S2 mit Kapazität C2 verbunden. Parallel zu der Kapazität C2 befindet sich ein Verbraucher R4. Für Steuerungszwecke wird die Spannung am Ausgang des Wechselrichters zwischen den beiden Spulen L1 und L2 durch ein Voltmeter VM1 abgegriffen. Die Spannung an der Kapazität C1 kann beispielsweise mithilfe eines Voltmeters VM2 abgegriffen werden.
Parallel zu dem Schalter S1 befindet sich eine Reihenschaltung eines Schalters S7 und einer Diode D1.
Die Antriebsvorrichtung lässt sich nun in verschiedenen Zuständen betreiben:

a) Betriebszustand 1 Motorbetrieb: Die Antriebsvorrichtung einschließlich Energiequellen, Wechselrichter und Motor kann im üblichen Motorbetrieb betrieben werden. Hierzu wird beispielsweise der Schalter S1 geschlossen, um den Motor (in der Figur symbolisiert durch die Spulen L1 bis L3 und die ohmschen Widerstände R1 bis R3) aus der Kapazität C1 zu speisen. Soll der Motor Energie von der Kapazität C2 erhalten, ist alternativ der Schalter S2 zu schließen. Die Schalter S3, S4, S5, S6, S8 und S9 arbeiten in üblicher Weise im Rahmen einer Wechselrichterfunktion und werden beispielsweise mittels PWM (Pulsweitenmodulation) gesteuert. Damit wird aus der Gleichspannung der Kapazität C1 bzw. der Kapazität C2 ein dreiphasiges Wechselsignal für den Motor.
b) Betriebszustand 2 Generatorbetrieb: Wird in dem Fahrzeug Energie durch Rekuperation rückgewonnen, so befindet sich der Motor im Generatorbetrieb und wandelt mechanische in elektrische Energie. Diese Energie kann entweder in die Kapazität C1 oder die Kapazität C2 gespeist werden. Dazu ist entweder der Schalter S1 oder der Schalter S2 zu schließen, um die jeweilige Aufladung der Kapazität C1 oder C2 zu veranlassen. Der Strom fließt dann über die Dioden des Wechselrichters (3-phasiger Gleichrichter) vom Motor in die jeweilige Kapazität C1 oder C2.
c) Betriebszustand 3 Hochsetz- oder Tiefsetzbetrieb: Der mit den Schaltern S1 und S2 beschaltete Wechselrichter kann auch als Hochsetz- oder Tiefsetzsteller genutzt werden. Für den Hochsetzbetrieb ergibt sich ein Energiefluss von der Kapazität C1 zur Kapazität C2. Hierzu sind beispielsweise die Schalter S1, B3 und S6 zu schließen. Es baut sich dann ein magnetisches Feld in den Spulen L1 und L2 auf. Alternativ kann auch der Schalter S8 geschlossen werden und somit zusätzlich ein magnetisches Feld in der Induktivität L3 erzeugt werden. Nach dem Aufbau des magnetischen Felds erfolgt ein gleichzeitiges Öffnen von Schalter S1 und Schließen von Schalter S2. Die Kapazität C2 wird hierdurch geladen, wobei das Verhältnis von Ein- zu Auszeit von Schalter S1 den Betrag der Spannung, mit der die Kapazität C2 im Mittel geladen wird, bestimmt.

Alternativ zu dem Schalter S3 kann auch der Schalter S5 oder S9 geschlossen werden, um die anderen Spulen zu magnetisieren. In diesem Fall sind dann der passende oder die passenden Schalter der Schalter S4, S6 und S8 ebenfalls zu schließen, um das jeweilige Magnetfeld in einer Spule aufzubauen.
Der Wechselrichter kann auch als Tiefsetzsteller genutzt werden, so dass sich ein Tiefsetzbetrieb mit einem Energiefluss von Kapazität C1 zu Kapazität C2 ergibt. Die Funktionsweise entspricht hierfür im Wesentlichen der des Hochsetzbetriebs, wobei die Einzeit kleiner als die Auszeit ist. Damit wird die Spannung herabgesetzt. Alternativ hierzu kann die Spannung an der Kapazität C2 herabgesetzt werden, indem die Spannung an der Kapazität C1 hochgesetzt wird. Daraus resultiert ein Hochsetzbetrieb mit Energiefluss von Kapazität C2 zu Kapazität C1.
Um zu verhindern, dass im Hochsetz- oder Tiefsetzbetrieb ein Teil des Stroms in die Quelle zurückfließt kann, wie erwähnt, parallel zum Schalter S1 oder S2 ein weiterer Schalter S7 in Reihe mit einer Diode D1 geschaltet werden. In der Figur ist dies exemplarisch für den Schalter S1 dargestellt. Der Schalter S1 wird dann nur noch geschlossen, wenn die Kapazität C1 geladen werden soll.
Bezugszeichenliste

C1, C2

Kapazitäten

D1 bis D7

Dioden

L1, L2, L3

Induktivitäten

P

Sternpunkt

R1, R2, R3

Widerstände

R4

Verbraucher

S1 bis S9

Schalter

VM1, VM2

Voltmeter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008058717 A1 [0003]
DE 102008034662 A1 [0004]

Claims

Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug mit – einer elektrischen Maschine, – einem Wechselrichter, der ausgangsseitig an die elektrische Maschine angeschlossen ist, – einer ersten Energiequelle (C1), die an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, und – mindestens einer zweiten Energiequelle (C2), die ebenfalls an den Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Energiequelle (C1) über einen ersten Schalter (S1) und – die zweite Energiequelle (C2) über einen zweiten Schalter (S2) an den Wechselrichter geschaltet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine Dreiphasenmaschine und der Wechselrichter entsprechend ein Dreiphasenwechselrichter ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem ersten und/oder zweiten Schalter (S1, S2) jeweils ein weiterer Schalter (S7) in Reihe mit einer Diode (D1) geschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 für ein Fahrzeug, gekennzeichnet durch – Betreiben der elektrischen Maschine als Motor und Schließen des ersten oder zweiten Schalters (S1, S2), – Betreiben der elektrischen Maschine als Generator und Schließen des ersten oder zweiten Schalters (S1, S2) und – Schließen des ersten oder zweiten Schalters (S1, S2) sowie zweier Schalter (S3, S4, S5, S6, S8, S9) des Wechselrichters, sodass mindestens eine Spule (L1, L2, L3) der elektrischen Maschine mit Strom gespeist wird, und danach gleichzeitiges Öffnen des ersten oder zweiten Schalters (S1, S2) und Schließen des jeweils anderen Schalters (S1, S2) für einen Hochsetzstellerbetrieb oder einen Tiefsetzstellerbetrieb.