DE102011002806A1

DE102011002806A1 - Elektrische Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102011002806A1
Application number: DE102011002806A
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: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: WO2012097899A1; DE102011002806B4

Abstract

Es wird eine elektrische Antriebseinheit (60) mit einer Hauptbatterieeinheit (10), einem Pulswechselrichter (12) und wenigstens einem Ausgang (62-1, 62-2, 62-3), an welchem ein elektrischer Antriebsmotor (13) anschließbar ist, beschrieben. Der Pulswechselrichter (12) ist von der Hauptbatterieeinheit (10) mit Gleichspannung versorgbar. Die elektrische Antriebseinheit (60) umfasst wenigstens einen mit dem Ausgang (62-1, 62-2, 62-3) verbundenen oder verbindbaren Nebenbatteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mit wenigstens einem Batteriemodul (40-1, ..., 40-n). Das Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst wenigstens eine Batteriezelle (41), wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), ein erstes Terminal (42) und ein zweites Terminal (43) und ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) wahlweise einen von mindestens zwei Spannungswerten zwischen dem ersten Terminal (42) und dem zweiten Terminal (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für einen elektrischen Antriebmotor, eine Batterie, welche die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit bildet, sowie eine elektrische Motoreinheit, welche einen elektrischen Motor und die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit umfasst.
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 parallelgeschalteten 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 Abgriffen 14-1, 14-2, 14-3 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.
Nachteilig bei der in 1 dargestellten Anordnung ist, dass die schwächste Batteriezelle in der Batterie 10 die Reichweite bestimmt, und dass der Defekt einer einzelnen Batteriezelle bereits zu einem Liegenbleiber des ganzen Fahrzeugs führt. Zudem führt die Modulation der hohen Spannungen im Pulswechselrichter 12 zu hohen Schaltverlusten und – da wegen der hohen Spannungen typischerweise Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)-Schalter eingesetzt werden müssen – ebenfalls zu hohen Durchlassverlusten.
Des Weiteren ist die in 1 dargestellte elektrische Antriebseinheit nicht optimal an die in Elektrofahrzeugen benötigten Leistungen angepasst. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem das von einem elektrischen Motor benötigte Drehmoment M gegen die Drehzahl n für typische Fahrzyklen skizziert ist. In einem ersten Bereich 21, welcher dem Anfahren des Fahrzeugs entspricht, wird ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen benötigt. Hierbei fließen hohe Ströme, die erforderliche Spannung ist jedoch eher gering. In einem zweiten Bereich 22, welcher der normalen Fahrt entspricht, nachdem das Fahrzeug in Bewegung gesetzt wurde, werden nur geringe Drehmomente benötigt, so dass selbst bei hohen Geschwindigkeiten meist mit niedrigen Strömen gefahren werden kann. Nur selten dagegen wird ein dritter Bereich 23 relevant, in dem hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente zugleich benötigt werden. In diesem Bereich benötigt der elektrische Motor hohe Ströme sowie hohe Spannungen, so dass eine erhöhte elektrische Leistung verbraucht wird. Der dritte Bereich 23 entspricht beispielsweise einer Bergauf-Fahrt bei voller Geschwindigkeit. Die in 1 dargestellte Anordnung reagiert nur unflexibel auf die verschiedenen Erfordernisse der Bereiche 21 bis 23.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Antriebseinheit mit einer Hauptbatterieeinheit, einem Pulswechselrichter und wenigstens einem Ausgang bereitgestellt. An dem Ausgang ist ein elektrischer Antriebsmotor anschließbar und ist somit über den Ausgang betreibbar. Der Pulswechselrichter wird von der Hauptbatterieeinheit mit Gleichspannung versorgt. Die elektrische Antriebseinheit umfasst wenigstens einen Nebenbatteriemodulstrang, welcher mit dem Ausgang der elektrischen Antriebseinheit verbunden oder verbindbar ist. Der Nebenbatteriemodulstrang umfasst wenigstens ein Batteriemodul, welches wenigstens eine Batteriezelle, wenigstens eine Koppeleinheit, ein erstes Terminal und ein zweites Terminal umfasst. Das Batteriemodul ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wahlweise eine von mindestens zwei Spannungen zwischen dem ersten Terminal und dem zweiten Terminal des Batteriemoduls zu erzeugen. Das heißt, dass mindestens zwei verschiedene Spannungswerte existieren und durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheit entweder der erste oder der zweite Spannungswert einzustellen sind. Falls mehr als nur zwei Spannungswerte gegeben sind, kann durch Ansteuerung der Koppeleinheit erreicht werden, dass jeweils einer der verfügbaren Spannungswerte zwischen dem ersten Terminal und dem zweiten Terminal des Batteriemoduls anliegt.
Durch Aktivierung oder Deaktivierung des Nebenbatteriemodulstrangs kann eine flexible Anpassung der elektrischen Antriebseinheit an verschiedene Situationen erreicht werden, in denen unterschiedliche Anforderungen an benötigte Ströme und Spannungen gestellt werden.
Das vom Nebenbatteriemodulstrang umfasste Batteriemodul kann unterschiedlich ausgebildet sein und somit eine unterschiedliche Anzahl von verschiedenen Spannungen zur Verfügung stellen. So kann das Batteriemodul dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wahlweise das erste Terminal und das zweite Terminal des Batteriemoduls zu verbinden oder die Batteriezelle zwischen das erste Terminal und das zweite Terminal zu schalten. Daraus resultieren die beiden möglichen Spannungswerte 0 Volt und U_mod, wobei U_mod die maximal erreichbare Batteriemodulspannung ist.
Andererseits kann das Batteriemodul dazu ausgebildet sein, die Batteriezelle zwischen das erste Terminal und das zweite Terminal zu schalten, wobei eine Polarität der zwischen dem ersten Terminal und dem zweiten Terminal anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist. Hieraus resultieren die beiden möglichen Spannungswerte U_mod und –U_mod.
Wenn im Rahmen der Erfindung die Aussage gemacht wird, dass die Batteriezelle des Batteriemoduls zwischen das erste Terminal und das zweite Terminal geschaltet wird, so bedeutet dies im Falle, dass mehr als nur eine Batteriezelle in dem Batteriemodul vorgesehen ist, dass eine Mehrzahl von Batteriezellen (beispielsweise in Serie geschaltet) zwischen das erste Terminal und das zweite Terminal geschaltet werden.
In einer ersten Ausführungsform ist der Nebenbatteriemodulstrang zwischen einen Pol der Hauptbatterieeinheit und den Ausgang der elektrischen Antriebseinheit schaltbar. In dieser Anordnung kann somit der Nebenbatteriemodulstrang parallel zum Pulswechselrichter geschaltet werden.
In einer zweiten Ausführung der Erfindung ist der Nebenbatteriemodulstrang zwischen einen Abgriff des Pulswechselrichters und den Ausgang der elektrischen Antriebseinheit geschaltet. Bei dieser Anordnung liegen der Nebenbatteriemodulstrang und der Pulswechselrichter in Reihe. Hierdurch ist an dem Ausgang der elektrischen Antriebseinheit ein größerer Spannungswertebereich einstellbar. Außerdem sind die Anforderungen, welche an die Schaltelemente im Pulswechselrichter gestellt werden, in der zweiten Ausführung der Erfindung geringer.
Bevorzugt ist außerdem, dass eine durch den Nebenbatteriemodulstrang erzeugbare Spannung höher ist als die durch die Hauptbatterieeinheit erzeugte Gleichspannung. Dadurch wird eine optimale Anpassung der elektrischen Antriebseinheit an verschiedene Situationen, beispielsweise verschiedene Fahrzyklen, erreicht. Typischerweise wird dies dadurch erreicht, dass der Nebenbatteriemodulstrang eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen umfasst.
Zusätzliche Flexibilität wird dadurch erreicht, dass die Hauptbatterieeinheit ihrerseits wenigstens ein Batteriemodul mit den oben genannten Eigenschaften umfasst. Auf diese Weise kann der Pulswechselrichter mit einer vorbestimmten Gleichspannung versorgt werden, welche gerade in der jeweiligen Situation benötigt wird. Typischerweise wird in diesem Fall ein Batteriemodulstrang mit mehreren Batteriemodulen mit den beschriebenen Koppeleinheiten in der Hauptbatterieeinheit angeordnet, so dass an den Ausgangsklemmen der Hauptbatterieeinheit verschiedene Spannungen einstellbar sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrische Antriebseinheit drei Ausgänge und drei jeweils mit einem der drei Ausgänge verbundene Nebenbatteriemodulstränge. Über die drei Ausgänge kann ein elektrischer Motor mit den üblicherweise vorgesehenen drei Phasen verbunden werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, welche alle Merkmale der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit umfasst. Die Batterie ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. An den Ausgang oder die Mehrzahl der Ausgänge kann dann direkt ein elektrischer Motor angeschlossen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Motoreinheit mit einem elektrischen Motor, welcher an die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit (welche, wie oben beschrieben, insgesamt als Batterie ausgebildet sein kann) angeschlossen ist.
Schließlich betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Motoreinheit 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 Diagramm, in welchem das von einem elektrischen Motor benötigte Drehmoment M gegen die Drehzahl n für typische Fahrzyklen aufgetragen ist,
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 mit drei Batteriemodulsträngen,
11 ein Prinzipschema der Erfindung (kein Schaltbild),
12 eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
13 eine elektrische Antriebseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
14 eine Ausführungsform der Koppeleinheit, welche ermöglicht, dass zwischen den Terminals eines Batteriemoduls eine Spannung mit wählbarer Polarität anliegt, und
15 eine Ausführungsform des Batteriemoduls mit der in 14 dargestellten Koppeleinheit.
3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 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 ausschaltbarem 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 elektrische Antriebseinheit mit einem elektrischen Motor 13, dessen drei Phasen mit drei Batteriemodulsträngen 50-1, 50-2, 50-3 verbunden sind. Jeder der drei Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n, 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 einem der Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 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. Auf diese Weise kann eine gestufte Ausgangsspannung in jedem der drei Batteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 erzeugt werden.
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 drei sinusförmige Ausgangsspannungen erzeugt werden, die den elektrischen Motor 13 in der gewünschten Form ohne Einsatz eines zusätzlichen Pulswechselrichters ansteuern. Die in 10 gezeigte Konfiguration hat jedoch den Nachteil, dass die Batteriezellen 41 mit einer hohen Wechselstrombelastung betrieben werden, was insbesondere bei großen geforderten Drehmomenten nachteilig ist, da dies eine schnelle Alterung der Batteriezellen 41 zur Folge hat.
11 zeigt ein Prinzipschema der Erfindung (kein Schaltbild). Grundsätzliche Idee der Erfindung ist eine Partitionierung der elektrischen Antriebseinheit in eine Hauptbatterieeinheit 10, welche nur eine niedrige Ausgangsspannung, aber hohe Ströme zur Verfügung stellt, und in eine oder mehrere Nebenbatteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3, die hohe Spannungen zur Verfügung stellen können. Typischerweise ist die Anzahl der Nebenbatteriemodulstränge gleich der Anzahl der Phasen des elektrischen Motors 13 (im vorliegenden Fall drei). Die Nebenbatteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 sind über Koppelelemente 30 mit der Hauptbatterieeinheit 10 verbunden. Typischerweise besitzen die Batteriezellen 41 in den Nebenbatteriemodulsträngen 1/m der Kapazität der Batteriezellen in der Hauptbatterieeinheit 10, wobei m der Anzahl der Motorphasen entspricht. Durch die in 11 gezeigte Konfiguration werden die Vorteile der in 10 gezeigten Konfiguration weiterhin genutzt, der Nachteil der hohen Wechselstrombelastung der Batteriezellen 41 wird aber zu einem großen Teil umgangen.
12 zeigt eine elektrische Antriebseinheit 60 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die elektrische Antriebseinheit 60 ist über Ausgänge 62-1, 62-2, 62-3 mit drei Phasen eines elektrischen Motors 13 verbunden. Die elektrische Antriebseinheit 60 umfasst eine Hauptbatterieeinheit 10 und einen Pulswechselrichter 12, wobei der Pulswechselrichter 12 von der Hauptbatterieeinheit 10 mit Gleichspannung versorgt wird, ähnlich wie in 1 dargestellt. Genauer ist der Pulswechselrichter 12 dazu ausgebildet, an jedem seiner drei Abgriffe 14-1, 14-2, 14-3 eine zeitlich variierende Spannung bereitzustellen, insbesondere gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb des elektrischen Motors 13. Anders als in 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass drei Nebenbatteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 jeweils mit einem der Ausgänge 62-1, 62-2, 62-3 der elektrischen Antriebseinheit 60 über Schaltelemente 61-1, 61-2, 61-3 verbindbar sind. Jeder der Nebenbatteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 ist somit parallel zum Pulswechselrichter 12 schaltbar. Genauer ist beispielsweise ein erster Anschluss des Nebenbatteriemodulstrangs 50-1 mit einem Pol der Hauptbatterieeinheit 10 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Nebenbatteriemodulstrangs 50-1 ist über das Schaltelement 61-1 mit einem Abgriff 14-1 des Pulswechselrichters 12 verbindbar. Der Abgriff 14-1 des Pulswechselrichters 12 ist mit dem Ausgang 62-1 der elektrischen Antriebseinheit 60 verbunden. Entsprechendes gilt für die weiteren Nebenbatteriemodulstränge 50-2, 50-3. Jeder der Nebenbatteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 umfasst eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40-1, ..., 40-n.
Wenn die Schaltelemente 61-1, 61-2, 61-3 geöffnet sind, liegt der klassische Pulswechselrichterbetrieb – jedoch nur bei niedriger Batteriespannung – vor, wobei etwaige hohe Ströme bei niedrigen Drehzahlen zu keiner erhöhten Wechselstrombelastung der Batteriezellen führen. Soll nun eine Spannung größer als die Gleichspannung der Hauptbatterieeinheit 10 an dem Ausgang 62-1 der elektrischen Antriebseinheit 60 erzeugt werden, so wird das Schaltelement 61-1 geschlossen und dadurch der Nebenbatteriemodulstrang 50-1 direkt an den Ausgang 62-1 der elektrischen Antriebseinheit 60 geschaltet. Gleichzeitig müssen die Schaltelemente 15-1 und 16-1 des Pulswechselrichters 12 geöffnet bleiben, um einen Kurzschluss zu verhindern. Durch geeignete und zeitrichtige Ansteuerung der Batteriemodule 40-1, ..., 40-n in dem Nebenbatteriemodulstrang 50-1 kann nunmehr eine über der von der Hauptbatterieeinheit 10 gelieferten Gleichspannung liegende Spannung am Ausgang 62-1 der elektrischen Antriebseinheit 60 erzeugt werden. Wenn an den Polen der Hauptbatterieeinheit 10 die Spannungen U_h/2 und –U_h/2 anliegen und jedes der Batteriemodule 40-1, ..., 40-n entweder 0 Volt oder die Spannung U_mod zur Verfügung stellen kann, so kann bei geschlossenem Schaltelement 61-1 an dem Ausgang 62-1 der elektrischen Antriebseinheit 60 eine maximale Spannung von U_h/2 + nU_mod erzeugt werden. Somit ist in der in 12 dargestellten Konfiguration die Spannung an einer der Phasen des elektrischen Motors 13 zwischen –U_h/2 und U_h/2 + nU_mod variierbar.
Nachteilig bei der in 12 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Auslegung des Pulswechselrichters 12, da dessen Schaltelemente 15-1, 15-2, 15-3 bipolar sperrend ausgelegt sein müssen und die Schaltelemente 16-1, 16-2, 16-3 maximal eine Spannung (U_h + nU_mod) sperren müssen.
13 zeigt die elektrische Antriebseinheit 60 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei sind die Nebenbatteriemodulstränge 50-1, 50-2, 50-3 mit den ihnen zugeordneten Teilen des Pulswechselrichters 12 in Serie geschaltet. Wieder ist der Pulswechselrichter 12 dazu ausgebildet, an jedem seiner drei Abgriffe 14-1, 14-2, 14-3 eine zeitlich variierende Spannung bereitzustellen, insbesondere gegeneinander phasenversetzte Sinusspannungen für den Betrieb des elektrischen Motors 13. Genauer ist ein erster Anschluss des Nebenbatteriemodulstrangs 50-1 mit dem Abgriff 14-1 des Pulswechselrichters verbunden, während ein zweiter Anschluss des Nebenbatteriemodulstrangs 50-1 mit dem Ausgang 62-1 der elektrischen Antriebseinheit 60 verbunden ist. Entsprechendes gilt für die beiden anderen Nebenbatteriemodulstränge 50-2, 50-3. Dadurch, dass die Schaltelemente 15-1, 15-2, 15-3 und 16-1, 16-2, 16-3 des Pulswechselrichters in dieser Ausführungsform geringere Spannungen sperren müssen können, können diese als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Schalter ausgestaltet sein, was die Durchlassverluste sowie die Schaltverluste deutlich verringert und damit zu einer Effizienzverbesserung des Gesamtsystems beiträgt.
Durch die Serienschaltung ist es in der zweiten Ausführungsform der Erfindung nicht erforderlich, Schaltelemente wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung (61-1, 61-2, 61-3) vorzusehen.
Wenn alle Batteriemodule 40-1, ..., 40-n eines Nebenbatteriemodulstrangs 50-1, 50-2, 50-3 überbrückt werden, so dass sie keine zusätzliche Spannung liefern, entspricht die in 13 gezeigte Anordnung dem gewöhnlichen Pulswechselrichterbetrieb, wie er in 1 dargestellt ist. Werden einige oder alle der Batteriemodule 40-1, ..., 40-n jedoch mit ihrer jeweiligen Maximalspannung U_mod hinzugeschaltet, so wird, wenn die jeweiligen Schalter 15-1, 15-2 oder 15-3 geschlossen und die jeweils komplementären Schalter 16-1, 16-2 oder 16-3 geschlossen sind, in dem jeweiligen Strang eine über die Gleichspannung U_h/2 hinausgehende Spannung erzeugt, wobei der maximale Spannungswert U_h/2 + nU_mod beträgt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die in einem Nebenbatteriemodulstrang 50-1, 50-2, 50-3 verwendeten Batteriemodule 40-1, ..., 40-n dazu ausgebildet sind, ihre Batteriezellen 41 derart zwischen das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 zu schalten, dass eine Polarität der zwischen dem ersten Terminal 42 und dem zweiten Terminal 43 anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit wählbar ist.
14 zeigt eine Ausführungsform der Koppeleinheit 70, welche dies ermöglicht und bei welcher ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Schalter 75, 76, 77 und 78 vorgesehen sind. Der erste Schalter 75 ist zwischen einen ersten Eingang 71 und einen ersten Ausgang 73 geschaltet, der zweite Schalter 76 ist zwischen einen zweiten Eingang 72 und einen zweiten Ausgang 74, der dritte Schalter 77 zwischen den ersten Eingang 71 und den zweiten Ausgang 74 und der vierte Schalter 78 zwischen den zweiten Eingang 72 und den ersten Ausgang 73 geschaltet.
Die 15 zeigt eine Ausführungsform des Batteriemoduls 40 mit der in 14 dargestellten Koppeleinheit. Der erste Ausgang der Koppeleinheit 70 ist mit dem ersten Terminal 42 und der zweite Ausgang der Koppeleinheit 70 mit dem zweiten Terminal 43 des Batteriemoduls 40 verbunden. Das so aufgebaute Batteriemodul 40 hat den Vorteil, dass die Batteriezellen 41 durch die Koppeleinheit 70 in einer wählbaren Polarität mit den Terminals 42, 43 verbunden werden können, so dass eine Ausgangsspannung unterschiedlicher Vorzeichen erzeugt werden kann. Auch kann es möglich sein, beispielsweise durch Schließen der Schalter 76 und 78 und gleichzeitiges Öffnen der Schalter 75 und 77 (oder aber durch Öffnen der Schalter 76 und 78 sowie Schließen der Schalter 75 und 77), die Terminals 42 und 43 miteinander leitend zu verbinden und eine Ausgangsspannung von 0 V zu erzeugen. Insgesamt ist es somit möglich, zwischen den Terminals 42 und 43 des Batteriemoduls 40 entweder 0 Volt, die Spannung U_mod oder die Spannung –U_mod einzustellen.
Wird das in 15 dargestellte Batteriemodul 40 in den in 12 und 13 dargestellten Konfigurationen eingesetzt, so kann an jedem der Ausgänge 62-1, 62-2, 62-3 der elektrischen Antriebseinheit 60 ein gegebenenfalls breiterer Spannungsbereich eingestellt werden. In der in 12 dargestellten Konfiguration ist ein Spannungsbereich zwischen –U_h/2 oder U_h/2 – nU_mod (je nachdem, welcher Wert niedriger ist) und U_h/2 + nU_mod einstellbar. In der in 13 dargestellten Konfiguration ist ein Spannungsbereich zwischen –U_h/2 – nU_mod und U_h/2 + nU_mod einstellbar.

Claims

Elektrische Antriebseinheit (60) mit einer Hauptbatterieeinheit (10), einem Pulswechselrichter (12) und wenigstens einem Ausgang (62-1, 62-2, 62-3), an welchem ein elektrischer Antriebsmotor (13) anschließbar ist, wobei der Pulswechselrichter (12) von der Hauptbatterieeinheit (10) mit Gleichspannung versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Antriebseinheit (60) wenigstens einen mit dem Ausgang (62-1, 62-2, 62-3) verbundenen oder verbindbaren Nebenbatteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mit wenigstens einem Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) umfasst, wobei das Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41), wenigstens eine Koppeleinheit (30, 70), ein erstes Terminal (42) und ein zweites Terminal (43) umfasst und dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) wahlweise einen von mindestens zwei Spannungswerten zwischen dem ersten Terminal (42) und dem zweiten Terminal (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) zu erzeugen.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach Anspruch 1, wobei das Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (30, 70) wahlweise das erste Terminal (42) und das zweite Terminal (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) zu verbinden oder die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen das erste Terminal (42) und das zweite Terminal (43) zu schalten.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen das erste Terminal (42) und das zweite Terminal (43) zu schalten, wobei eine Polarität der zwischen dem ersten Terminal (42) und dem zweiten Terminal (43) anliegenden Spannung in Abhängigkeit einer Ansteuerung der Koppeleinheit (70) wählbar ist.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Nebenbatteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) zwischen einen Pol der Hauptbatterieeinheit (10) und den Ausgang (62-1, 62-2, 62-3) der elektrischen Antriebseinheit (60) schaltbar ist.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Nebenbatteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) zwischen einen Abgriff (14-1, 14-2, 14-3) des Pulswechselrichters (12) und den Ausgang (62-1, 62-2, 62-3) der elektrischen Antriebseinheit (60) geschaltet ist.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine durch den Nebenbatteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) erzeugbare Spannung höher ist als die durch die Hauptbatterieeinheit (10) erzeugte Gleichspannung.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Nebenbatteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) umfasst.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hauptbatterieeinheit (10) wenigstens ein Batteriemodul mit den in einem der vorangehenden Ansprüche beanspruchten Eigenschaften umfasst.
Elektrische Antriebseinheit (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrische Antriebseinheit (60) drei Ausgänge (62-1, 62-2, 62-3) und drei jeweils mit einem der drei Ausgänge verbundene Nebenbatteriemodulstränge (50-1, 50-2, 50-3) umfasst.
Batterie mit einer Hauptbatterieeinheit (10), einem Pulswechselrichter (12), wenigstens einem Ausgang (62-1, 62-2, 62-3) sowie wenigstens einem mit dem Ausgang (62-1, 62-2, 62-3) verbundenen oder verbindbaren Nebenbatteriemodulstrang (50-1, 50-2, 50-3) mit wenigstens einem Batteriemodul (40-1, ..., 40-n), wobei die Batterie eine elektrische Antriebseinheit (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche bildet.
Elektrische Motoreinheit mit einem elektrischen Motor (13) und einer elektrischen Antriebseinheit (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einer Batterie nach Anspruch 10, wobei der elektrische Motor (13) an den Ausgang der elektrischen Antriebseinheit (60) oder der Batterie angeschlossen ist.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Motoreinheit nach Anspruch 11 zum Antreiben des Kraftfahrzeuges.