DE102011075429A1

DE102011075429A1 - Antriebseinheit für einen elektrischen Motor

Info

Publication number: DE102011075429A1
Application number: DE102011075429A
Authority: DE
Inventors: 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: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-08
Also published as: EP2705598A2; WO2012152578A3; US20140111123A1; CN103548251A; WO2012152578A2; CN103548251B; US9203336B2

Abstract

Es wird eine Antriebseinheit für einen elektrischen Motor (13) umfassend einen Multilevel-Inverter (80) und eine Batterie (10) eingeführt. Die Batterie (10) umfasst wenigstens einen Batteriemodulstrang (70), welcher eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) mit jeweils wenigstens einer Batteriezelle (41) und einer Koppeleinheit (30) umfasst. Die wenigstens eine Batteriezelle (41) ist zwischen einen ersten Eingang (31) und einen zweiten Eingang (32) der Koppeleinheit (30) geschaltet. Die Koppeleinheit (30) ist ausgebildet, auf ein erstes Steuersignal hin die wenigstens eine Batteriezelle (41) zwischen zwei Terminals (42, 43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) zu schalten und auf ein zweites Steuersignal hin die zwei Terminals (42, 43) zu verbinden. An dem Batteriemodulstrang (70) sind mehrere Mittelabgriffe (73-1, ..., 73-(n – 1)) angeordnet, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) abgreifbar ist. Eingänge des Multilevel-Inverters (80) sind mit den Mittelabgriffen (73-1, ..., 73-(n – 1)) verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen elektrischen Motor sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
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 Kondensator 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 Kondensators 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. Wegen der üblicherweise recht hohen Spannung des Gleichspannungszwischenkreises kann eine so große Kapazität nur unter hohen Kosten und mit hohem Raumbedarf realisiert werden.
2 zeigt die Batterie 10 der 1 in einem detaillierteren Blockschaltbild. Eine Vielzahl von Batteriezellen ist 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 Kondensator 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. Die Schütze 18, 19 und das Ladeschütz 20 erhöhen die Kosten für eine Batterie 10 nicht unerheblich, da hohe Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit und an die von ihnen zu führenden Ströme gestellt werden.
Die Serienschaltung einer hohen Zahl von Batteriezellen bringt neben der hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass die gesamte Batterie ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil der Batteriestrom wegen der Serienschaltung in allen Batteriezellen fließen können muss. Ein solcher Ausfall der Batterie kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Elektrofahrzeug führt ein Ausfall der Antriebsbatterie zu einem sogenannten Liegenbleiber, bei anderen Vorrichtungen wie zum Beispiel der Rotorblattverstellung bei Windkraftanlagen bei starkem Wind kann es zu unerwünschten Situationen kommen. Daher ist eine hohe Zuverlässigkeit der Batterie vorteilhaft. Gemäß Definition bedeutet der Begriff „Zuverlässigkeit“ die Fähigkeit eines Systems, für eine vorgegebene Zeit korrekt zu arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird daher eine Antriebseinheit für einen elektrischen Motor, insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor, bereitgestellt. Die Antriebseinheit umfasst einen Multilevel-Inverter und eine Batterie mit wenigstens einem Batteriemodulstrang, welche eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen umfasst. 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. An dem Batteriemodulstrang sind mehrere Mittelabgriffe angeordnet, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei Batteriemodulen abgreifbar ist. Hierbei sind die zwei Batteriemodule in der Serienschaltung benachbart. Eingänge des Multilevel-Inverters sind mit den Mittelabgriffen verbunden.
Jede oder einzelne der Koppeleinheiten, welche in den Batteriemodulen angeordnet sind, können einen Ausgang aufweisen und dazu ausgebildet sein, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang mit dem Ausgang zu verbinden. Dabei ist der Ausgang mit dem ersten Terminal oder mit dem zweiten Terminal des jeweiligen Batteriemoduls verbunden.
Zwischen zwei benachbarten Mittelabgriffen kann ein Batteriemodul oder eine Vielzahl von Batteriemodulen angeordnet sein. Da typischerweise eine Vielzahl von Mittelabgriffen an dem Batteriemodulstrang vorgesehen ist, können zwischen Paaren von jeweils benachbarten Mittelabgriffen auch eine unterschiedliche Anzahl von Batteriemodulen angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch, dass die Mittelabgriffe den Batteriemodulstrang derart unterteilen, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs eine gleiche Anzahl an Batteriemodulen umfasst. Eine Mehrzahl von Batteriemodulen zwischen zwei benachbarten Mittelabgriffen kann zu einem Gesamtmodul zusammengefasst sein.
Bevorzugt ist, dass die Antriebseinheit eine Steuereinheit umfasst und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das erste Steuersignal an eine erste variable Anzahl von Batteriemodulen des wenigstens einen Batteriemodulstrangs, das zweite Steuersignal an die verbleibenden Batteriemodule des wenigstens einen Batteriemodulstrangs und ein drittes Steuersignal an den Multilevel-Inverter auszugeben. Somit wird erreicht, dass ein Potential an einem Ausgang des Multilevel-Inverters variabel einstellbar ist.
In typischen Anwendungsfällen sind die von der Steuereinheit ausgegebenen Steuersignale so gewählt, dass ein sinusförmiges Potential an einem Ausgang des Multilevel-Inverters eingestellt wird. Das sinusförmige Potential kann dabei mit einer einstellbar vorgebbaren Frequenz einstellbar sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie, welche einen Multilevel-Inverter umfasst. Die Batterie bildet hierbei eine Antriebseinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Das heißt, dass die erfindungsgemäße Antriebseinheit von der Batterie umfasst wird. Insbesondere umfasst die erfindungsgemäße Batterie wenigstens einen Batteriemodulstang mit Batteriemodulen, in welchen die beschriebenen Koppeleinheiten angeordnet sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeuges. Mit dem elektrischen Antriebsmotor ist eine erfindungsgemäße Antriebseinheit verbunden, welche auch durch eine Batterie gebildet sein kann, wenn diese einen Multilevel-Inverter umfasst, welcher mit den Mittelabgriffen eines Batteriemodulstrangs verbunden ist.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktional gleichartige Komponenten bezeichnen. 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 Batteriemodulstrang in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit einsetzbar 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 Batterie, die in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit einsetzbar ist,
11 eine Antriebseinheit für einen elektrischen Antriebsmotor gemäß einer Ausführung der Erfindung,
12 ein Beispiel eines vierstufigen Multilevel-Inverters, welcher in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit einsetzbar ist, und
13 ein Gesamtmodul mit drei Batteriemodulen, welches in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit einsetzbar ist.
Ausführungsformen der Erfindung
3 zeigt eine Koppeleinheit 30, die in einem Batteriemodulstrang in der erfindungsgemäßen Batterie einsetzbar 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, sodass 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, sodass 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 (bevorzugt Lithium-Ionen-Batteriezellen) 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 Batterie 10, welche in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit einsetzbar ist und welche einen Batteriemodulstrang 70 umfasst. Der Batteriemodulstrang 70 besteht aus einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen 40, die jeweils eine Koppeleinheit 30 umfassen und wie in 7 oder 8 dargestellt aufgebaut sind. Bei dem Zusammensetzen von Batteriemodulen 40 zu dem Batteriemodulstrang 70 wird jeweils das erste Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 mit dem zweiten Terminal 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40 verbunden.
Der in 10 dargestellte Batteriemodulstrang 70 umfasst sechs Batteriemodule 40, welche zwischen einem negativen Pol 71 und einem positiven Pol 72 des Batteriemodulstrangs 70 geschaltet sind. An dem Batteriemodulstrang 70 sind zwei Mittelabgriffe 73-1, 73-2 angeordnet, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei in der Serienschaltung benachbarten Batteriemodule 40 abgreifbar ist. Das heißt, dass jeder der beiden Mittelabgriffe 73-1, 73-2 jeweils mit einem ersten Terminal 42 eines Batteriemoduls 40 sowie mit dem zweiten Terminal 43 eines benachbarten Batteriemoduls 40 verbunden ist.
Der Minuspol 71, der Pluspol 72 und die Mittelabgriffe 73-1, 73-2 des Batteriemodulstrangs 70 stellen zusammen die Abgriffe der Batterie 10 dar. Dadurch, dass die zwischen den Abgriffen angeordneten Batteriemodule 40 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 ein erstes Steuersignal auszugeben, durch welches die Koppeleinheiten 30 der so angesteuerten Batteriemodule 40 die Batteriezelle (beziehungsweise die Batteriezellen) 41 zwischen das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40 schaltet. Gleichzeitig gibt die Steuereinheit an die restlichen Batteriemodule 40 ein zweites Steuersignal aus, durch welches die Koppeleinheiten 30 dieser restlichen Batteriemodule 40 das erste Terminal 42 und das zweite Terminal 43 des jeweiligen Batteriemoduls 40 verbinden, wodurch die Batteriezellen 41 dieses Batteriemoduls 40 überbrückt werden.
Durch geeignete Ansteuerung der Mehrzahl von Batteriemodulen 40 können somit an den Abgriffen 71, 72, 73-1, 73-2 der Batterie 10 verschiedene Spannungen ausgegeben werden.
Wird beispielsweise an die zwei zwischen den beiden Mittelabgriffen 73-1, 73-2 der 10 angeordneten Batteriemodule das erste Steuersignal ausgegeben, so nimmt die Spannung zwischen den beiden Mittelabgriffen 73-1, 73-2 den maximal einstellbaren Wert an. Wird an die beiden Batteriemodule 40 dagegen das zweite Steuersignal ausgegeben, so wird zwischen den beiden Mittelabgriffen 73-1, 73-2 eine Spannung 0 Volt angelegt. Wird an eins der beiden Batteriemodule 40 das erste Steuersignal und an das andere Batteriemodul das zweite Steuersignal ausgegeben, so liegt zwischen den Mittelabgriffen 73-1, 73-2 eine Einzelmodulspannung an.
Sind zwischen zwei benachbarten Abgriffen 71, 72, 73-1, 73-2 des Batteriemodulstrangs 70 mehr als zwei Batteriemodule 40 angeordnet, so liegt zwischen ihnen eine Spannung an, welche der Summe der Modulspannungen jener Batteriemodule 40 entspricht, an welche das Steuergerät das erste Steuersignal ausgibt.
Durch geeignete Wahl der Schaltzustände der Koppeleinheiten 30 kann somit die Spannung zwischen zwei Abgriffen 71, 72, 73-1, 73-2 der Batterie 10 stufig zwischen 0 Volt und dem Maximalwert eingestellt werden. Die Quantisierungsschritte bei der Einstellung der Ausgangsspannung entsprechen den Modulspannungen der Batteriemodule 40 und sind damit von der Anzahl der Batteriezellen 41 in den Batteriemodulen 40 sowie vom Ladezustand der Batteriezellen 41 abhängig.
Die Gesamtausgangsspannung zwischen dem Minuspol 71 und dem Pluspol 72 des Batteriemodulstrangs 70 ergibt sich durch Summation aller Teilspannungen zwischen benachbarten Abgriffen des Batteriemodulstrangs 71, 72, 73-1, 73-2.
Die Mittelabgriffe 73-1, 73-2 des in 10 dargestellten Batteriemodulstrangs 70 unterteilen diesen derart, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs 70 zwei Batteriemodule 40 umfasst.
11 zeigt eine Antriebseinheit für einen elektrischen Antriebsmotor 13 mit einer Batterie 10 und einem Multilevel-Inverter 80. Der Multilevel-Inverter 80 weist (n + 1) Eingänge 81-1, ..., 81-(n + 1) und drei Ausgänge 82-1, 82-2, 82-3 auf und ist dazu ausgebildet, an jedem seiner Ausgänge 82-1, 82-2, 82-3 eins der Potentiale auszugeben, welches jeweils an einem seiner Eingänge 81-1, ..., 81-(n + 1) anliegt. Die Ausgänge 82-1, 82-2, 82-3 des Multilevel-Inverters 80 sind mit Eingängen des elektrischen Antriebsmotors 13 verbunden. Da die meisten verfügbaren Elektromotoren auf einen Betrieb mit drei Phasensignalen ausgelegt sind, besitzt der Multilevel-Inverter 80 bevorzugt genau drei Ausgänge 82-1, 82-2, 82-3. Die Eingänge 81-1, ..., 81-(n + 1) des Multilevel-Inverters 80 sind sowohl mit (n – 1) Mittelabgriffen 73-1, ..., 73-(n – 1) als auch den Polen 71, 72 der Batterie 10 verbunden, welche n Batteriemodule 40-1, ..., 40-n mit Koppeleinheiten umfasst. Dadurch, dass das Potential an jedem der Ausgänge 82-1, 82-2, 82-3 des Multilevel-Inverters 80 variabel ist und von den Potentialwerten an seinen Eingängen 81-1, ..., 81-(n + 1) abhängt und die an diesen Eingängen 81-1, ..., 81-(n + 1) anliegenden Potentialwerte wiederum durch geeignete Ansteuerung der n Batteriemodule 40-1, ..., 40-n einstellbar sind, gibt es mehrere mögliche Kombinationen der Ansteuerung der Batterie 10 und des Multilevel-Inverters 80, welche ein gleiches Phasensignal an den Ausgängen 82-1, 82-2, 82-3 des Multilevel-Inverters 80 erzeugen, beispielsweise eine näherungsweise sinusförmige Wechselspannung.
Die Phasensignale an den Ausgängen 82-1, 82-2, 82-3 des Multilevel-Inverters 80 können somit in Stufen eingestellt werden. Durch Einstellung eines treppenförmigen Verlaufs des Potentials an den Ausgängen 82-1, 82-2, 82-3 des Multilevel-Inverters 80 können die Verluste in dem elektrischen Antriebsmotor 13 reduziert werden, da der übliche Wechsel zwischen positivem und negativem Zwischenkreispotential in der erfindungsgemäßen Anordnung ausbleibt. Auf diese Weise wird eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit des Antriebs des elektrischen Antriebsmotors 13 erreicht, da die Änderungen im Potential an dessen Eingängen geringer sind. Es wird ebenfalls eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Leistungselektronik in der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch erreicht, dass in dem Multilevel-Inverter 80 Schalter mit Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) anstelle von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) zum Einsatz kommen können.
Dadurch, dass es mehrere mögliche Kombinationen der Ansteuerung der Batterie 10 und des Multilevel-Inverters 80 zur Erzeugung eines vorbestimmten Phasensignals an den Ausgängen 82-1, 82-2, 82-3 des Multilevel-Inverters 80 und somit auch an den Eingängen des elektrischen Motors 13 gibt, kann die Ansteuerung dahingehend optimiert werden, dass die Batteriemodule 40 gleichmäßig entladen werden können, und somit beispielsweise keine unerwünschte Reduzierung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs entsteht, welche durch eine ungleichmäßige Ausnutzung der Batteriezellen 41 verursacht wird. Dies hat den Vorteil, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Vorteile eines Multilevel-Inverters, insbesondere sein hoher Wirkungsgrad, in elektrischen Antrieben genutzt werden können, ohne dass es zu einer belastungsabhängig unterschiedlichen Entladung der einzelnen Batteriemodule 40 kommen muss.
12 zeigt ein Beispiel eines vierstufigen Multilevel-Inverters, welcher in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit einsetzbar ist und fünf Eingänge 81-1, ..., 81-5 sowie drei Ausgänge 82-1, 82-2, 82-3 umfasst, wobei Letztere mit den Eingängen des elektrischen Antriebsmotors 13 verbunden sind. Die Phasensignale an den drei Ausgängen 82-1, 82-2, 82-3 sind jeweils durch Schaltelemente steuerbar, welche für jeden der drei Ausgänge 82-1, 82-2, 82-3 in einem von drei Strängen 85-1, 85-2, 85-3 angeordnet sind. Die Funktionsweise des in 12 dargestellten Multilevel-Inverters 80 wird im Folgenden exemplarisch anhand des Stranges 85-3 beschrieben, welcher das Phasensignal am Ausgang 82-3 bestimmt.
Der Strang 85-3 umfasst acht Schaltelemente 83-1, ..., 83-8, welche jeweils aus einem ein- und ausschaltbaren Halbleiterventil und einer zu diesem parallel geschalteten Diode bestehen, ähnlich wie die in 6 dargestellte Ausführungsform der Koppeleinheit 30. Die Schaltelemente 83-1, ..., 83-8 werden in komplementäre Paare (83-1, 83-5), (83-2, 83-6), (83-3, 83-7), (83-4, 83-8) eingeteilt. Die Ansteuerung jedes der komplementären Paare (83-1, 83-5), (83-2, 83-6), (83-3, 83-7), (83-4, 83-8) wird so durchgeführt, dass wenn eins der Schaltelemente geschlossen wird, das dazu komplementäre Schaltelement geöffnet wird. Wird der geöffnete Zustand durch 0, der geschlossene Zustand durch 1 dargestellt, so wird wie folgt ein Potential an dem Ausgang 82-3 des Multilevel-Inverters durch eine Kombination der Zustände der Schaltelemente 83-1, ..., 83-8 ausgegeben, welches dem Potential an einem der Eingänge 81-1, ..., 81-5 des Multilevel-Inverters 80 gleicht:
Potential am Ausgang 82-3 = Potential am Eingang 81-1: 11110000;
Potential am Ausgang 82-3 = Potential am Eingang 81-2: 01111000;
Potential am Ausgang 82-3 = Potential am Eingang 81-3: 00111100;
Potential am Ausgang 82-3 = Potential am Eingang 81-4: 00011110;
Potential am Ausgang 82-3 = Potential am Eingang 81-5: 00001111.
Wird beispielsweise die Schaltkombination 00011110 gewählt, sodass das Potenzial am Ausgang 82-3 dem Potential am Eingang 81-4 gleicht, so können für den Fall, dass die Eingänge 81-1, ..., 81-5 mit Abgriffen der Batterie 10 verbunden sind, zwischen denen jeweils nur ein Batteriemodul 40 angeordnet ist, je nach Ansteuerung der Batteriemodule 40 eine Spannung erzeugt werden, welche zwischen 0V und der Summe von drei Modulspannungen entspricht, wobei diese Spannung in Stufen einstellbar ist.
Die ein- und ausschaltbaren Halbleiterventile und ihre separat dargestellten, intrinsischen Dioden der acht Schaltelemente 83-1, ..., 83-8 müssen hinsichtlich ihrer Sperrspannung nur für 1/n der gesamten Batteriespannung ausgelegt werden (wobei n der Anzahl der Stufen des Multilevel-Inverters 80 entspricht, in diesem Fall also 4). Dadurch können in dem Multilevel-Inverter 80 Schalter mit Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) anstelle von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) eingesetzt werden.
Der in 12 dargestellte Multilevel-Inverter arbeitet mit einer Spannungsbegrenzung über ein Netzwerk von Dioden 84. Diese dienen der Zuführung der Abgriffe 71, 73-1, ..., 73-(n – 1), 72 der Batterie 10 an die Schaltelemente 83-1, ..., 83-8 bei gleichzeitiger Verhinderung eines Kurzschlusses von Batteriemodulen 40, welche bei direkter Anbindung ohne Dioden 84 erfolgen könnte. Die Dioden 84 müssen hinsichtlich ihrer Sperrfähigkeit unterschiedlich dimensioniert werden. Die größte Sperrspannung im Bereich der Schaltelemente 83-5, ..., 83-8 muss beispielsweise die Diode 84 aufnehmen, welche zwischen den Eingang 81-2 und das Schaltelement 83-5 geschaltet ist. Entsprechend spiegelbildlich verhält es sich bei den Dioden 84 im Bereich der Schaltelemente 83-1, ..., 83-4.
Zwischen benachbarten Abgriffen 71, 72, 73 der Batterie 10 können ein Batteriemodul (wie in 11) oder mehrere Batteriemodule 40 mit jeweils einer Koppeleinheit 30 angeordnet sein. Es ist auch möglich, mehrere dieser benachbarten Batteriemodule 40 konzeptionell oder bezüglich ihrer Konstruktion zu einem Gesamtmodul 45 zusammenzufassen, in denen dann die Batteriemodule 40 die Funktion von Teilmodulen übernehmen. 13 zeigt ein solches Gesamtmodul 45, welches aus drei in Serie geschalteten Batteriemodulen (Teilmodulen) 40-1, 40-2, 40-3 besteht. Die Ausgangsspannung des Gesamtmoduls 45 kann ausgehend von 0V (wenn alle Batteriezellen überbrückt werden) in drei Stufen bis auf die maximale Gesamtmodulspannung (wenn alle Batteriezellen zugeschaltet werden) erhöht werden.
Beim Einsatz des dargestellten Gesamtmoduls 45 in der erfindungsgemäßen Antriebseinheit sind somit die Eingangsspannungen des Multilevel-Inverters stufig einstellbar. Auf diese Weise entsteht ein zusätzlicher Freiheitsgrad hinsichtlich der Belastung der Zellen der Batteriemodule, welcher beispielsweise für eine gleichmäßige Entladung der Batterie oder eine gleichmäßige Alterung der Batteriezellen genutzt werden kann. Außerdem kann die Anzahl der Stufen des Multilevel-Inverters und damit die Anzahl seiner Halbleiterbauelemente reduziert werden. Durch eine intelligente Ansteuerung der Gesamtanordnung kann dabei annähernd das gleiche Verhalten an den Ausgängen des Multilevel-lnverters erzeugt werden.
Mit der dargestellten Anordnung kann eine Antriebseinheit aufgebaut werden, welche gegenüber einem klassischen Antrieb mit Wechselrichter mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist, speziell im Bereich einer Teilaussteuerung mit geringen Strömen. Diese Betriebsbereiche sind beispielsweise bei Elektrofahrzeugen wichtig, da die Antriebe die meiste Zeit in diesem Bereich arbeiten. Somit kann die Reichweite von Elektrofahrzeugen mit der hier dargestellten Anordnung erhöht werden.

Claims

Antriebseinheit für einen elektrischen Motor (13) umfassend einen Multilevel-Inverter (80) und eine Batterie (10) mit wenigstens einem Batteriemodulstrang (70), welcher eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) wenigstens eine Batteriezelle (41) und eine Koppeleinheit (30) umfasst, 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, wobei an dem Batteriemodulstrang (70) mehrere Mittelabgriffe (73-1, ..., 73-(n – 1)) angeordnet sind, mit welchen ein Potential an einer Verbindung zwischen jeweils zwei Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) abgreifbar ist, und wobei Eingänge des Multilevel-Inverters (80) mit den Mittelabgriffen (73-1, ..., 73-(n – 1)) verbunden sind.
Antriebseinheit gemäß Anspruch 1, bei der die Koppeleinheit (30) einen Ausgang (33) aufweist und dazu ausgebildet ist, auf das erste Steuersignal hin entweder den ersten Eingang (31) oder den zweiten Eingang (32) mit dem Ausgang (33) zu verbinden, und wobei der Ausgang (33) mit dem ersten Terminal (42) oder mit dem zweiten Terminal (43) des Batteriemoduls (40-1, ..., 40-n) verbunden ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen zwei benachbarten Mittelabgriffen (73-1, ..., 73-(n – 1)) ein Batteriemodul (40-1, ..., 40-n) angeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen zwei benachbarten Mittelabgriffen (73-1, ..., 73-(n – 1)) eine Mehrzahl von Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) angeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittelabgriffe (73-1, ..., 73-(n – 1)) den Batteriemodulstrang (70) derart unterteilen, dass jede Unterteilung des Batteriemodulstrangs (70) eine gleiche Anzahl an Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) umfasst.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antriebseinheit eine Steuereinheit umfasst und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das erste Steuersignal an eine erste variable Anzahl von Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70), das zweite Steuersignal an die verbleibenden Batteriemodule (40-1, ..., 40-n) des wenigstens einen Batteriemodulstranges (70) und ein drittes Steuersignal an den Multilevel-Inverter (80) auszugeben und so ein Potential an einem Ausgang (82) des Multilevel-Inverters (80) variabel einzustellen.
Antriebseinheit nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, ein sinusförmiges Potential an dem Ausgang (82) des Multilevel-Inverters (80) einzustellen.
Antriebseinheit nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, das sinusförmige Potential mit einer einstellbar vorgebbaren Frequenz einzustellen.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Mehrzahl von Batteriemodulen (40-1, ..., 40-n) zwischen zwei benachbarten Mittelabgriffen (73-1, ..., 73-(n – 1)) zu einem Gesamtmodul (45) zusammengefasst sind.
Batterie (10) umfassend einen Multilevel-Inverter (80), wobei die Batterie (10) eine Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche bildet.
Ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor (13) zum Antreiben des Kraftfahrzeuges und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Antriebseinheit gemäß der Ansprüche 1 bis 9 oder einer mit dem elektrischen Antriebsmotor (13) verbundenen Batterie (10) nach Anspruch 10.