DE102011002608A1

DE102011002608A1 - Verfahren zur Ladung eines Zwischenkreiskondensators

Info

Publication number: DE102011002608A1
Application number: DE102011002608A
Authority: DE
Inventors: Ralph Schmidt; Stefan Butzmann; Holger Fink
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20140042937A1; WO2012095209A3; US9531211B2; WO2012095209A2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ladung eines Zwischenkreiskondensators (11) in einer elektrischen Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor (13) beschrieben, bei welchem der Zwischenkreiskondensator (11) durch einen Zwischenkreisstrom aufgeladen wird, welcher durch eine Batterie (10) geliefert wird, deren Ausgangsspannung auf einen von mehreren Spannungswerten einstellbar ist. Zunächst wird ein Sollwert des Zwischenkreisstroms (101) festgelegt und ein Istwert des Zwischenkreisstroms (102) ermittelt. Dann wird der Istwert des Zwischenkreisstroms mit dem Sollwert des Zwischenkreisstroms (103) verglichen. Eine optimale Ausgangsspannung der Batterie (104) wird auf Grundlage des Vergleichs des Istwewischenkreisstroms bestimmt. Schließlich wird die optimale Ausgangsspannung der Batterie (105) eingestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladung eines Zwischenkreiskondensators in einer elektrischen Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor sowie ein Steuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet. Da der von einer solchen Batterie bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen fließen muss und eine Batteriezelle nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Dies kann entweder durch Vorsehen von mehreren Zellwickeln innerhalb eines Batteriezellengehäuses oder durch externes Verschalten von Batteriezellen geschehen. Dabei ist jedoch problematisch, dass es aufgrund nicht exakt identischer Zellkapazitäten und -spannungen zu Ausgleichsströmen zwischen den parallel geschalteten Batteriezellen kommen kann.
Das Prinzipschaltbild einer üblichen elektrischen Antriebseinheit, wie sie beispielsweise in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen oder auch in stationären Anwendungen wie bei der Rotorblattverstellung von Windkraftanlagen zum Einsatz kommt, ist in 1 dargestellt. Eine Batterie 10 ist an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Zwischenkreiskondensator 11 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der über jeweils zwei schaltbare Halbleiterventile und zwei Dioden an drei Ausgängen gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors 13 bereitstellt. Die Kapazität des Zwischenkreiskondensators 11 muss groß genug sein, um die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis für eine Zeitdauer, in der eines der schaltbaren Halbleiterventile durchgeschaltet wird, zu stabilisieren. In einer praktischen Anwendung wie einem Elektrofahrzeug ergibt sich eine hohe Kapazität im Bereich von mF.
2 zeigt die Batterie 10 der 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen sind in Serie sowie optional zusätzlich parallel geschaltet, um eine für eine jeweilige Anwendung gewünschte hohe Ausgangsspannung und Batteriekapazität zu erreichen. Zwischen den Pluspol der Batteriezellen und ein positives Batterieterminal 14 ist eine Lade- und Trenneinrichtung 16 geschaltet. Optional kann zusätzlich zwischen den Minuspol der Batteriezellen und ein negatives Batterieterminal 15 eine Trenneinrichtung 17 geschaltet werden. Die Trenn- und Ladeeinrichtung 16 und die Trenneinrichtung 17 umfassen jeweils ein Schütz 18 beziehungsweise 19, welche dafür vorgesehen sind, die Batteriezellen von den Batterieterminals 14, 15 abzutrennen, um letztere spannungsfrei zu schalten. Aufgrund der hohen Gleichspannung der seriengeschalteten Batteriezellen ist andernfalls erhebliches Gefährdungspotential für Wartungspersonal oder dergleichen gegeben. In der Lade- und Trenneinrichtung 16 ist zusätzlich ein Ladeschütz 20 mit einem zu dem Ladeschütz 20 in Serie geschalteten Ladewiderstand 21 vorgesehen.
Der Ladewiderstand 21 begrenzt einen Aufladestrom für den Zwischenkreiskondensator 11, wenn die Batterie an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen wird. Hierzu wird zunächst das Schütz 18 offen gelassen und nur das Ladeschütz 20 geschlossen. Erreicht die Spannung am positiven Batterieterminal 14 die Spannung der Batteriezellen, kann das Schütz 18 geschlossen und gegebenenfalls das Ladeschütz 20 geöffnet werden.
Das Ladeschütz 20 und der Ladewiderstand 21 stellen in Anwendungen, die eine Leistung im Bereich einiger 10 kW aufweisen, bedeutenden Mehraufwand dar, der lediglich für den einige hundert Millisekunden dauernden Ladevorgang des Gleichspannungszwischenkreises benötigt wird. Die genannten Komponenten sind nicht nur teuer, sondern auch groß und schwer, was besonders für den Einsatz in mobilen Anwendungen wie elektrischen Kraftfahrzeugen störend ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ladung eines Zwischenkreiskondensators in einer elektrischen Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor bereitgestellt. Der Zwischenkreiskondensator wird durch einen Zwischenkreisstrom aufgeladen, welcher durch eine Batterie geliefert wird, deren Ausgangsspannung auf einen von mehreren Spannungswerten einstellbar ist. Bei den verfügbaren Spannungswerten kann es sich auch um zeitlich gemittelte Spannungswerte handeln, welche durch die Anwendung bekannter Modulationsverfahren, zum Beispiel einer Pulsweitenmodulation, erzeugt werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein Sollwert des Zwischenkreisstroms festgelegt und ein Istwert des Zwischenkreisstroms ermittelt wird. Sodann wird der Istwert des Zwischenkreisstroms mit dem Sollwert des Zwischenkreisstroms verglichen. Auf Grundlage dieses Vergleichs wird eine optimale Ausgangsspannung der Batterie bestimmt, welche dazu geeignet ist, die zeitliche Entwicklung des Zwischenkreisstroms günstig zu beeinflussen. Diese optimale Ausgangsspannung der Batterie wird schließlich eingestellt. Das bereitgestellte Verfahren hat den Vorteil, dass es ohne Ladeschalter und Ladewiderstand auskommt, welche teuer, groß und schwer sind.
Bevorzugt ist, dass das Verfahren unter Verwendung eines ersten Reglers durchgeführt wird. Ein Regler vergleicht innerhalb eines Regelkreises kontinuierlich ein Signal eines Sollwertes mit einem gemessenen Istwert der Regelgröße und ermittelt aus dem Unterschied der beiden Größen, welche Regeldifferenz genannt wird, eine Stellgröße, welche eine Regelstrecke dahin gehend beeinflusst, dass die Regeldifferenz minimiert wird. Im vorliegenden Fall wird die Regeldifferenz des ersten Reglers durch die Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Zwischenkreisstroms gegeben, während die Stellgröße durch die optimale Ausgangsspannung der Batterie gegeben ist. Bei der konkreten Ausgestaltung des ersten Reglers kann auf die aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen zurückgegriffen werden. Beispielsweise kann der erste Regler einen proportionalen Anteil, einen integrierenden Anteil und/oder einen differenzierenden Anteil der Verstärkung enthalten. Auch die Ausgestaltung als Zweipunktregler ist möglich.
Der Sollwert des Zwischenkreisstroms kann auf Grundlage eines Vergleichs eines Istwerts einer Zwischenkreisspannung, welche an dem Zwischenkreiskondensator anliegt, mit einem Sollwert der Zwischenkreisspannung festgelegt werden. Hierbei wird bevorzugt ein zweiter Regler eingesetzt, bei welchem die Regeldifferenz durch die Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Zwischenkreisspannung und die Stellgröße durch den Sollwert des Zwischenkreisstroms gegeben ist. Auch der zweite Regler kann ähnlich wie der erste beliebig ausgestaltet sein. Durch die Verwendung des zweiten Reglers wird erreicht, dass auch die Zwischenkreisspannung frei wählbar ist, und beispielsweise in verschiedenen Fahrsituationen in einem elektrischen Fahrzeug auf verschiedene Werte eingestellt werden kann. Diese kann durch den zweiten Regler stufenlos eingestellt werden.
Bevorzugt ist außerdem, dass der Zwischenkreiskondensator über eine Induktivität aufgeladen wird. Hierdurch wird eine glättende Tiefpasswirkung erzielt, so dass der Zwischenkreisstrom keinen zu abrupten Änderungen unterworfen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Batterie wenigstens einen Batteriemodulstrang mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen. Jedes Batteriemodul umfasst wenigstens eine Batteriezelle und eine Koppeleinheit. Die wenigstens eine Batteriezelle ist zwischen einen ersten Eingang. und einen zweiten Eingang der Koppeleinheit geschaltet. Die Koppeleinheit ist ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle zwischen ein erstes Terminal des Batteriemoduls und ein zweites Terminal des Batteriemoduls zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal mit dem zweiten Terminal zu verbinden. Hierdurch ist die Ausgangsspannung der Batterie stufig einstellbar.
Durch den Einsatz der Koppeleinrichtung können Batteriezellen jedes Batteriemoduls entweder additiv an der Ausgangsspannung der Batterie beteiligt oder andererseits überbrückt werden, so dass die Batteriezellen des Batteriemoduls nicht an der Ausgangsspannung der Batterie beteiligt werden. Durch Variation der Zeitintervalle, in welchen ein Batteriemodul innerhalb einer bestimmten Periodendauer in einem der beiden Zustände verweilt, kann im zeitlichen Mittel jede Batteriemodulspannung zwischen 0 Volt und der maximalen Modulspannung eingestellt werden. Hierfür können bekannte Modulationsverfahren, wie zum Beispiel eine Pulsweitenmodulation, eingesetzt werden. Somit kann die Ausgangsspannung der Batterie von 0 Volt (wenn alle Koppeleinheiten so geschaltet sind, dass die Batteriezellen überbrückt werden) bis zu einer maximalen Ausgangsspannung (wenn alle Koppeleinheiten so geschaltet sind, dass die Zellen der Batteriemodule additiv an der Gesamtspannung der Batterie beteiligt sind) stufenlos eingestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, einen Istwert eines Zwischenkreisstroms zu ermitteln, durch welchen ein Zwischenkreiskondensator in einer Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor aufgeladen wird. Außerdem ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine Ausgangsspannung einer Batterie auf einen von mehreren Spannungswerten einzustellen. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Steuereinheit kann Teil einer Batterie sein, deren Ausgangsspannung auf einen von mehreren Spannungswerten einstellbar ist. Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Bevorzugt ist dabei, dass die Batterie die beschriebenen Batteriemodule mit Koppeleinheiten umfasst, wodurch die Ausgangsspannung der Batterie stufig einstellbar ist.
Die Steuereinheit kann ebenso Teil einer Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinheit zum Antreiben des Kraftfahrzeugs.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine elektrische Antriebseinheit gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Blockschaltbild einer Batterie gemäß dem Stand der Technik,
3 eine Koppeleinheit, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist,
4 eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit,
5 eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit,
6 die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung,
7 und 8 zwei Anordnungen der Koppeleinheit in einem Batteriemodul,
9 die in 6 dargestellte Koppeleinheit in der in 7 dargestellten Anordnung,
10 eine elektrische Antriebseinheit, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, und
11 ein Blockschaltbild eines Systems, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist. Die Koppeleinheit 30 besitzt zwei Eingänge 31 und 32 sowie einen Ausgang 33 und ist dazu ausgebildet, einen der Eingänge 31 oder 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden und den anderen abzukoppeln. Bei bestimmten Ausführungsformen der Koppeleinheit kann diese außerdem ausgebildet sein, beide Eingänge 31, 32 vom Ausgang 33 abzutrennen. Nicht vorgesehen ist jedoch, sowohl den Eingang 31 als auch den Eingang 32 mit dem Ausgang 33 zu verbinden.
4 zeigt eine erste Ausführungsform der Koppeleinheit 30, welche über einen Wechselschalter 34 verfügt, welcher prinzipiell nur einen der beiden Eingänge 31, 32 mit dem Ausgang 33 verbinden kann, während der jeweils andere Eingang 31, 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt wird. Der Wechselschalter 34 kann besonders einfach als elektromechanischer Schalter realisiert werden.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Koppeleinheit 30, bei der ein erster und ein zweiter Schalter 35 beziehungsweise 36 vorgesehen sind. Jeder der Schalter ist zwischen einen der Eingänge 31 beziehungsweise 32 und den Ausgang 33 geschaltet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 4 bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass auch beide Eingänge 31, 32 vom Ausgang 33 abgekoppelt werden können, so dass der Ausgang 33 hochohmig wird. Zudem können die Schalter 35, 36 einfach als Halbleiterschalter wie zum Beispiel Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Schalter oder Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter verwirklicht werden. Halbleiterschalter haben den Vorteil eines günstigen Preises und einer hohen Schaltgeschwindigkeit, so dass die Koppeleinheit 30 innerhalb einer geringen Zeit auf ein Steuersignal beziehungsweise eine Änderung des Steuersignales reagieren kann und hohe Umschaltraten erreichbar sind.
6 zeigt die zweite Ausführungsform der Koppeleinheit in einer einfachen Halbleiterschaltung, bei welcher jeder der Schalter 35, 36 aus jeweils einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem parallel geschalteten Diode besteht.
Die 7 und 8 zeigen zwei Anordnungen der Koppeleinheit 30 in einem Batteriemodul 40. Eine Mehrzahl von Batteriezellen 41 ist zwischen die Eingänge einer Koppeleinheit 30 in Serie geschaltet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Serienschaltung von Batteriezellen beschränkt, es kann auch nur eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein oder aber eine Parallelschaltung oder gemischt-seriell-parallele Schaltung von Batteriezellen. Im Beispiel der 7 sind der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit einem ersten Terminal 42 und der negative Pol der Batteriezellen 41 mit einem zweiten Terminal 43 verbunden. Es ist jedoch eine spiegelbildliche Anordnung wie in 8 möglich, bei der der positive Pol der Batteriezellen 41 mit dem ersten Terminal 42 und der Ausgang der Koppeleinheit 30 mit dem zweiten Terminal 43 verbunden sind.
9 zeigt die in 6 dargestellte Koppeleinheit 30 in der in 7 dargestellten Anordnung. Eine Ansteuerung und Diagnose der Koppeleinheiten 30 erfolgt über eine Signalleitung 44, welche mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden ist.
10 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor 13, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Wie in 1 ist eine Batterie 10 an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, welcher durch einen Zwischenkreiskondensator 11 gepuffert wird. An den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist ein Pulswechselrichter 12, der einen elektrischen Antriebsmotor 13 versorgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Batterie 10 einen Batteriemodulstrang 50 umfasst, welcher aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n besteht, die jeweils eine Koppeleinheit 30 umfassen und wie in 7 oder 8 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n zu dem Batteriemodulstrang 50 wird jeweils das erste Terminal 42 eines Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n mit dem zweiten Terminal 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n verbunden.
Ein Minuspol 51 und ein Pluspol 52 des Batteriemodulstrangs 50 stellen die Abgriffe der Batterie 10 dar. Dadurch, dass die zwischen den Abgriffen angeordneten Batteriemodule 40-1, ..., 40-n jeweils Koppeleinheiten 30 umfassen, sind die an den Abgriffen einstellbaren Ausgangsspannungen stufig einstellbar.
Eine nicht dargestellte Steuereinheit ist dazu ausgebildet, an eine variable Anzahl von Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten Batteriemodule 40-1, ..., 40-n die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n schalten. Gleichzeitig gibt die Steuereinheit an die restlichen Batteriemodule 40-1, ..., 40-n ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40-1, ..., 40-n das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n verbinden, wodurch die Batteriezellen 41 dieses Batteriemoduls 40-1, ..., 40-n überbrückt werden.
Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n können somit an den Abgriffen 51, 52 der Batterie 10 verschiedene Spannungen ausgegeben werden.
Durch geeignete Wahl der Schaltzustände der Koppeleinheiten 30 kann somit die Spannung zwischen den Abgriffen 51 und 52 der Batterie 10 stufig zwischen 0 Volt und einem Maximalwert eingestellt werden. Die Quantisierungsschritte bei der Einstellung der Ausgangsspannung entsprechen den Modulspannungen der Batteriemodule 40-1, ..., 40-n und sind damit von der Anzahl der Batteriezellen 41 in den Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n sowie vom Ladezustand der Batteriezellen 41 abhängig.
Zwischen dem Zwischenkreiskondensator 11 und der Batterie 10 ist eine Spule 60 geschaltet. Die Induktivität der Spule 60 kann relativ klein gewählt werden, da durch die Verwendung der Batteriemodule 40-1, ..., 40-n die Spannungsdifferenz an der Spule 60 und damit auch die Stromrippel innerhalb einer Pulsperiode sehr klein sind. Unter Verwendung einer Pulsweitenmodulation ist die zwischen den Abgriffen 51, 52 anliegende Ausgangsspannung der Batterie im Wesentlichen stufenlos einstellbar, was in der folgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angenommen wird.
11 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems aus der Batterie 10, der Spule 60 und dem Zwischenkreiskondensator 11, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. In den verschiedenen Blöcken sind Übertragungsfunktionen angegeben, welche durch Laplace-Transformation in den komplexen Spektralbereich mit komplexwertiger Variable p entstehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ladung des Zwischenkreiskondensators 11 umfasst folgende Verfahrensschritte: Im Verfahrensschritt 101 wird ein Sollwert des Zwischenkreisstroms festgelegt. Im Verfahrensschritt 102 wird ein Istwert des Zwischenkreisstroms ermittelt. Im Verfahrensschritt 103 wird eine Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Zwischenkreisstroms gebildet, welche die Regeldifferenz eines Stromreglers bildet, welcher im Verfahrensschritt 104 eine optimale Ausgangsspannung der Batterie 10 ermittelt und diese als Stellgröße ausgibt. Die Übertragungsfunktion des Stromreglers ist durch die Übertragungsfunktion F_RI(p) gegeben. Im Verfahrensschritt 105 wird die optimale Ausgangsspannung der Batterie 10 eingestellt, wobei angenommen wird, dass die Ausgangsspannung stetig einstellbar ist, was durch geeignete Pulsweitenmodulation erreicht werden kann.
Soll nur der Zwischenkreisstrom zum Aufladen des Zwischenkreiskondensators 11 geregelt werden, so genügt der bisher geschilderte Stromregelkreis. Diesem wird als Sollwert der gewünschte Zwischenkreisstrom vorgegeben. Hat eine Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator 11 die Ausgangsspannung der Batterie 10 erreicht, wird der Stromregler deaktiviert, und die Batterie 10 ist über die Spule 60 direkt mit dem Zwischenkreiskondensator 11 verbunden.
Es ist aber auch möglich, der bereits geschilderten Regelung des Zwischenkreisstromes eine weitere Regelung der Zwischenkreisspannung, welche an dem Zwischenkreiskondensator 11 anliegt, zu überlagern. Damit wird erreicht, dass auch verschiedene Zwischenkreisspannungen eingestellt werden können, beispielsweise für verschiedene Fahrsituationen in einem elektrischen Fahrzeug.
Dies geschieht dadurch, dass dem Verfahrensschritt 101, in welchem der Sollwert des Zwischenkreisstroms festgelegt wird, Verfahrensschritte 106 bis 108 vorgeschaltet werden. Im Verfahrensschritt 106 wird ein Istwert der Zwischenkreisspannung gemessen. Im Verfahrensschritt 107 wird eine Differenz zwischen dem Istwert und einem Sollwert der Zwischenkreisspannung bestimmt und im Verfahrensschritt 108 durch einen Spannungsregler mit der Übertragungsfunktion F_RU(p) in einen optimalen Zwischenkreisstrom überführt.
Ist für die Zwischenkreisspannung ein geregelter Spannungswert gewünscht, welcher zwischen den möglichen Stufen der Ausgangsspannung liegt, so ist der im Verfahrensschritt 108 verwendete Spannungsregler ständig aktiv. Der Spannungsregler berechnet dabei ständig aus dem gewünschten Sollwert der Zwischenkreisspannung einen Sollwert für den untergelagerten Stromregler.
Der rechte Teil des in der 11 gezeigten Blockschaltbildes (rechts von der gestrichelten Linie 109) beschreibt das physikalische Verhalten eines elektromagnetischen Schwingkreises, welcher aus den Komponenten Spule 60 (Übertragungsfunktion 1/pT_L), Zwischenkreiskondensator 11 (Übertragungsfunktion 1/pT_C) und einem nicht näher bekannten Systemwiderstand R (Übertragungsfunktion K_R) gegeben ist. Die Wirkung der Multiplikation mit den jeweiligen Übertragungsfunktionen ist hierbei, eine Spannung in einen Strom zu überführen und umgekehrt einen Strom in eine Spannung zu überführen. An dem Knotenpunkt 110 wird hierbei der Istwert des Zwischenkreisstroms erzeugt. Im Knotenpunkt 111 wird der Istwert der am Zwischenkreiskondensator 11 anliegenden Zwischenkreisspannung erzeugt. Beide Werte werden in den Verfahrensschritten 102, 106 gemessen.
Das vorgestellte Verfahren zur Ladung, eines Zwischenkreiskondensators benötigt nur die Spule 60 als zusätzliche Hardwarekomponente. Die Ansteuerung der in den Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n angeordneten Koppeleinheiten 30 kann über Softwarefunktionen in dem nicht dargestellten Steuergerät realisiert werden. Die Istwerte des Zwischenkreisstroms und der Zwischenkreisspannung werden typischerweise aus anderen Gründen erfasst und sind damit zur Regelung verfügbar.

Claims

Verfahren zur Ladung eines Zwischenkreiskondensators (11) in einer elektrischen Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor (13), wobei der Zwischenkreiskondensator (11) durch einen Zwischenkreisstrom aufgeladen wird, welcher durch eine Batterie (10) geliefert wird, deren Ausgangsspannung auf einen von mehreren Spannungswerten einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: – Festlegen eines Sollwerts des Zwischenkreisstroms (101); – Ermitteln eines Istwerts des Zwischenkreisstroms (102); – Vergleichen des Istwerts des Zwischenkreisstroms mit dem Sollwert des Zwischenkreisstroms (103); – Bestimmen einer optimalen Ausgangsspannung der Batterie (104) auf Grundlage des Vergleichs des Istwerts des Zwischenkreisstroms mit dem Sollwert des Zwischenkreisstroms; und – Einstellen der optimalen Ausgangsspannung der Batterie (105).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren unter Verwendung eines ersten Reglers (104) durchgeführt wird, welcher aus einer Regeldifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Zwischenkreisstroms eine durch die optimale Ausgangsspannung der Batterie gegebene Stellgröße ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sollwert des Zwischenkreisstroms auf Grundlage eines Vergleichs (106) eines Istwerts einer Zwischenkreisspannung, welche an dem Zwischenkreiskondensator (11) anliegt, mit einem Sollwert der Zwischenkreisspannung festgelegt wird (101).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verfahren unter Verwendung eines zweiten Reglers (107) durchgeführt wird, welcher aus einer Regeldifferenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Zwischenkreisspannung eine durch den Sollwert des Zwischenkreisstroms gegebene Stellgröße ermittelt (101).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Zwischenkreiskondensator (11) über eine Induktivität (60) aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Batterie (10) wenigstens einen Batteriemodulstrang (50) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41) und eine Koppeleinheit (30) umfasst, und wobei die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen einen ersten Eingang (31) und einen zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet und die Koppeleinheit (30) dazu ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen ein erstes Terminal (42) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) und ein zweites Terminal (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (42) mit dem zweiten Terminal (43) zu verbinden, wodurch die Ausgangsspannung der Batterie (10) stufig einstellbar ist.
Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, einen Istwert eines Zwischenkreisstroms zu ermitteln (102), durch welchen ein Zwischenkreiskondensator (11) in einer Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor (13) aufgeladen wird, und eine Ausgangsspannung einer Batterie (10) auf einen von mehreren Spannungswerten einzustellen (105), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Batterie (10), wobei eine Ausgangsspannung der Batterie (10) auf einen von mehreren Spannungswerten einstellbar ist, und wobei die Batterie (10) eine Steuereinheit nach Anspruch 7 umfasst.
Batterie (10) nach Anspruch 7, wobei die Batterie (10) wenigstens einen Batteriemodulstrang (50) mit einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) umfasst, wobei jedes Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41) und eine Koppeleinheit (30) umfasst, und wobei die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen einen ersten Eingang (31) und einen zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet und die Koppeleinheit (30) dazu ausgebildet ist, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen ein erstes Terminal (42) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) und ein zweites Terminal (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin das erste Terminal (42) mit dem zweiten Terminal (43) zu verbinden, wodurch die Ausgangsspannung der Batterie (10) stufig einstellbar ist.
Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor (13) mit einer Steuereinheit nach Anspruch 7 oder einer Batterie (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 9.
Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit nach Anspruch 10 zum Antreiben des Kraftfahrzeuges.